CN105636314A

CN105636314A - 具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置

Info

Publication number: CN105636314A
Application number: CN201510762620.3A
Authority: CN
Inventors: 许宏彬; 江永欣
Original assignee: IML International
Current assignee: ANN Technology Hong Kong Ltd.
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2035-11-10
Also published as: US9351363B1; CN105636314B; US20160150610A1; KR101731943B1; KR20160060547A; TWI561114B; TW201620337A

Abstract

本发明公开了一种发光二极管照明装置，包括第一和第二发光单元、第一和第二电流控制单元、线电压侦测单元，及模式控制单元。第一电流控制单元根据感测电压来选择性地串联于第一发光单元，可提供第一限流值，其中侦测电压相关于整流交流电压的范围。第二电流控制单元串联于第二发光单元，可提供第二限流值。线电压侦测单元可提供感测电压。当感测电压代表整流交流电压是在第一电压范围时，模式控制单元控制发光二极管照明装置在第一驱动模式下运作。当感测电压代表整流交流电压是在第二电压范围时，模式控制单元控制发光二极管照明装置在第二驱动模式下运作。因此，本发明可提供一种具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置。

Description

具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置

技术领域

本发明涉及一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，尤其涉及一种具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置。

背景技术

在整流交流(rectifiedalternative-current,AC)电压直接驱动的照明应用中，由于发光二极管(lightemittingdiode,LED)为一电流驱动组件，其发光亮度与驱动电流的大小成正比，为了达到高亮度和亮度均匀的要求，往往需要使用许多串联的发光二极管来提供足够光源，并使用多级阶段驱动的方式来增加发光二极管照明装置的可操作电压范围。

家用电源规格会按地区而有不同，一般来说，电压值通常在100伏特到240伏特之间，而最常见的频率值是50赫兹和60赫兹。以世界上主要两个基本的家用电源规格来说，北美地区采用110～120伏特和60赫兹，而欧洲地区采用220～240伏特和50赫兹。另一方面，商业或工厂用途的电源规格采用更高的电压值，以提供大型设备使用，例如美国采用277伏特。值得注意的是，上述电压值仅为额定电压，和电器设备实际使用电压会有些许差异，且电压供应在电器设备运作期间也可能会有波动。

切换式(switching-type)发光二极管照明装置能在大电压范围(例如85～265伏特)内运作，但线性(linear-type)发光二极管照明装置只能在特定电压下运作。更详细地说，当线性发光二极管照明装置采用110伏特驱动架构或220伏特驱动架构时，其能正常运作的条件是当整流交流电压的值在小电压范围内时，例如(110±10％)伏特或(220±10％)伏特。当在家用电源规格为220伏特的地区使用采用110伏特驱动架构的线性发光二极管照明装置时，超出额定值的功率会造成系统失败。当在家用电源规格为110伏特的地区使用采用220伏特驱动架构的线性发光二极管照明装置时，可能无法提供足够功率来点亮所有发光二极管。因此，需要一种能够增加可操作电压范围和提供双驱动模式运作的发光二极管照明装置。

发明内容

鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种具备多级驱动阶段、大操作电压范围和提供双驱动模式运作的发光二极管照明装置。

为达到上述的目的，本发明公开一种具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置，其包括一第一发光单元、一第二发光单元、一第一电流控制单元、一第二电流控制单元，以及一模式控制单元。所述第一发光单元包括多个串联的发光装置，且由一整流交流电压来驱动。所述第二发光单元包括多个串联的发光装置，且由所述整流交流电压来驱动。所述第一电流控制单元根据一感测电压选择性地串联于所述第一发光单元，用来提供一第一限流值，其中所述感测电压相关于所述整流交流电压的范围。所述第二电流控制单元串联于所述第二发光单元，用来提供一第二限流值。所述线电压侦测单元用来提供所述感测电压。所述感测电压的值代表所述整流交流电压是在一第一电压范围时，所述模式控制单元将所述第一电流控制单元串联于所述第一发光单元，将所述第一发光单元并联于所述第二发光单元，以使所述发光二极管照明装置在一第一驱动模式下运作。当所述感测电压的值代表所述整流交流电压是在一第二电压范围时，所述模式控制单元将所述第一电流控制单元和所述第一发光单元电性分离，将所述第一发光单元串联于所述第二发光单元，以使所述发光二极管照明装置在一第二驱动模式下运作。当所述发光二极管照明装置在所述第一驱动模式下运作时，所述第一电流控制单元调节流经所述第一发光单元的一第一电流以使所述第一电流的值不超过一第一限流值，而所述第二电流控制单元调节流经所述第二发光单元的一第二电流以使所述第二电流的值不超过一第二限流值。当所述发光二极管照明装置在所述第二驱动模式下运作时，所述第一电流控制单元为关闭，而所述第二电流控制单元调节流经所述第一发光单元和所述第二发光单元的一第三电流以使所述第三电流的值不超过所述第二限流值。

附图说明

图1为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。

图2为本发明发光二极管照明装置在110伏特驱动模式下运作时的等效电路示意图。

图3为本发明发光二极管照明装置在220伏特驱动模式下运作时的等效电路示意图。

图4为本发明发光二极管照明装置在110伏特驱动模式下运作时的电压-电流特性图。

图5为本发明发光二极管照明装置在220伏特驱动模式下运作时的电压-电流特性图。

其中，附图标记说明如下：

30线电压侦测单元

40模式控制单元

100发光二极管照明装置

110电源供应电路

112桥式整流器

VS交流电压

QP开关

ZD齐纳二极管

R1～R4电阻

C1电容

CCA₁～CCA₃、CCB₁～CCB₃电流控制单元

D1～D2路径控制器

A₁～A₃、B₁～B₃发光装置

具体实施方式

图1为本发明实施例中发光二极管照明装置100的示意图。发光二极管照明装置100包括一电源供应电路110、包括N个发光装置A₁～A_N的一第一发光单元、包括N个发光装置B₁～B_N的一第二发光单元、N个电流控制单元CCA₁～CCA_N、N个电流控制单元CCB₁～CCB_N、一线电压侦测单元30，以及一模式控制单元40，其中N为大于1的整数。为了说明目的，图1显示了N＝3的实施例，此时发光二极管照明装置100以3级驱动阶段来运作。然而，N的值并不限定本发明的范畴。

为了清楚地说明本发明，说明书全文和图式中使用下列符号来表示发光二极管照明装置100中各组件和相关运作。I_A1～I_A3分别代表流经相对应发光装置A₁～A₃的电流。I_B1～I_B3分别代表流经相对应发光装置B₁～B₃的电流。I_LED代表流经发光二极管照明装置100的总电流。

电源供应电路110可接收一具正负周期的交流电压VS，并利用一桥式整流器112来转换交流电压VS在负周期内的输出电压，因此可提供一整流交流电压V_AC以驱动发光二极管照明装置100，其中整流交流电压V_AC的值随着时间而有周期性变化。在其它实施例中，电源供应电路110可接收任何交流电压VS，利用一交流-交流电压转换器来进行电压转换，并利用桥式整流器112来对转换后的交流电压VS进行整流，因此可提供整流交流电压V_AC以驱动发光二极管照明装置100，其中整流交流电压V_AC的值随着时间而有周期性变化。值得注意的是，电源供应电路110的结构并不限定本发明的范畴。

当整流交流电压V_AC的值在一第一电压范围内时，发光二极管照明装置100可在一第一驱动模式下运作﹔或者，当整流交流电压V_AC的值在一第二电压范围内时，发光二极管照明装置100可在一第二驱动模式下运作。在本发明中，第二电压范围的额定值(nominalvalue)大于第一电压范围的额定值。例如，第一电压范围的额定值可为110伏特，而第二电压范围的额定值可为220伏特。值得注意的是，第一电压范围或第二电压范围的额定值并不限定本发明的范畴。

在一实施例中，当整流交流电压V_AC的值在一110伏特电压范围内时，发光二极管照明装置100可在第一驱动模式下运作﹔或者，当整流交流电压V_AC的值在一220伏特电压范围内时，发光二极管照明装置100可在第二驱动模式下运作。110伏特电压范围包括额定值110伏特和其容许的误差范围，而220伏特电压范围包括额定值220伏特和其容许的误差范围。举例来说，110伏特电压范围可介于110*(1-A％)伏特和110*(1+B％)伏特之间，而220伏特电压范围可介于220*(1-C％)伏特和220*(1+D％)伏特之间。110伏特电压范围和220伏特电压范围可包括对称误差范围(A＝B，C＝D)或非对称误差范围(A≠B，C≠D)。值得注意的是，A、B、C、D的值并不限定本发明的范畴。

在本发明实施例中，每一发光装置A₁～A_N和B₁～B_N可包括一个发光二极管，或是多个串接、并联或组成数组的发光二极管。图1显示了采用多个串接发光二极管的架构，其可包括多个单接口发光二极管(single-junctionLED)、多个多界面高压发光二极管(multi-junctionhigh-voltageLED)，或不同类型发光二极管的任意组合。然而，发光装置A₁～A_N和B₁～B_N所采用的发光二极管种类或组态并不限定本发明的范畴。在一特定驱动阶段中，导通一特定电流控制单元所需的压差电压(dropoutvoltage)小于导通相对应发光装置所需的切入电压(cut-involtage)。当一特定发光装置的跨压大于其切入电压时，此特定发光装置会在导通的状态(ON)﹔当一特定发光装置的跨压小于其切入电压时，此特定发光装置会在非导通的状态(OFF)。切入电压的值相关于相对应发光装置所采用发光二极管的数目和类型，在不同应用中可具不同值，但不限定本发明的范畴。

在发光二极管照明装置100中，提供限流值I_{SET_A1}的电流控制单元CCA₁是通过模式控制单元40选择性地串联至发光装置A₁～A₃，提供限流值I_{SET_A2}的电流控制单元CCA₂并联于发光装置A₂，提供限流值I_{SET_A3}的电流控制单元CCA₃并联于发光装置A₃，提供限流值I_{SET_B1}的电流控制单元CCB₁串联于发光装置B₁～B₃，提供限流值I_{SET_B2}的电流控制单元CCB₂并联于发光装置B₂，而提供限流值I_{SET_B3}的电流控制单元CCB₃并联于发光装置B₃。因此，发光装置A₁～A₃可由相对应电流控制单元CCA₁～CCA₃来以3个阶段驱动，发光装置B₁～B₃可由相对应电流控制单元CCB₁～CCB₃来以3个阶段驱动。更详细地说，电流控制单元CCA₂～CCA₃可分别调节流经发光装置A₂～A₃的电流，使得电流I_A2～I_A3的值分别不超过电流控制单元CCA₂～CCA₃的限流值I_{SET_A2}和I_{SET_A3}。电流控制单元CCB₁～CCB₃可分别调节流经发光装置B₁～B₃的电流，使得电流I_B1～I_B3的值分别不超过电流控制单元CCB₁～CCB₃的限流值I_{SET_B1}～I_{SET_B3}。当电流控制单元CCA₁串联至发光装置A₁～A₃时，电流控制单元CCA₁可调节流经发光装置A₁的电流，使得电流I_A1的值不超过电流控制单元CCA₁的限流值I_{SET_A1}。

在发光二极管照明装置100中，线电压侦测单元30可提供一感测电压V_S，感测电压V_S的值相关于整流交流电压V_AC的范围。例如，感测电压V_S可为整流交流电压V_AC的峰值，或为整流交流电压V_AC的平均值。在一实施例中，线电压侦测单元30可包括电阻R1～R2和电容C1，其结构如图1所示。本发明可选定电阻R1～R2和电容C1的值，使得当感测电压V_S的值代表于整流交流电压V_AC是在110伏特电压范围时，感测电压V_S会开启电流控制单元CCA₁﹔而当电压V_S的值代表于整流交流电压V_AC是在220伏特电压范围时，电压V_S会关闭电流控制单元CCA₁。值得注意的是，线电压侦测单元30的结构并不限定本发明的范畴。

在发光二极管照明装置100中，模式控制单元40包括一开关QP和两路径控制器D1～D2。开关QP的第一端耦接于电源供应电路110，第二端耦接于发光装置B₁～B₃，而控制端耦接于电流控制单元CCA₃。路径控制器D1的第一端耦接于发光装置A₃和路径控制器D2之间，而第二端耦接于开关QP和发光装置B₁之间。路径控制器D2的第一端耦接于发光装置A₃，而第二端耦接于电流控制单元CCA₁。

在本发明实施例中，开关QP可为一P型金氧半导体场效晶体管(P-channelmetal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor,P-MOSFET)，或是其它具备类似功能的组件。路径控制器D1～D2中每一路径控制器可包括一个或多个二极管、一个或多个发光二极管、一个或多个二极管形式(diode-connected)的场效晶体管(fieldeffecttransistor,FET)、一个或多个二极管形式的双载子接面晶体管(bipolarjunctiontransistor,BJT)，或是一个或多个具备类似功能的组件。值得注意的是，模式控制单元40的实施方式并不限定本发明的范畴。

在本发明实施例中，模式控制单元40可另包括电阻R3～R4和一齐纳二极管(Zenerdiode)ZD。电阻R3和齐纳二极管ZD耦接于开关QP的第一端和控制端之间。电阻R4耦接于开关QP的控制端和电流控制单元CCA₃之间。当开关QP以P-MOSFET来实施时，电阻R3～R4和齐纳二极管ZD可用来提供闸极-源极电压(V_GS)保护。然而，电阻R3～R4和齐纳二极管ZD的存在并非必要，且不限定本发明的范畴。

当一路径控制器的跨压大于其导通电压时，此特定路径控制器为顺向偏压(forward-biased)且会像短路组件般运作﹔当一路径控制器的跨压不大于其导通电压时，此特定路径控制器为反向偏压(reverse-biased)且会像开路组件般运作。在本发明中，模式控制单元40可通过路径控制器D1～D2来将第一发光单元(发光装置A₁～A₃)串联至第二发光单元(发光装置B₁～B₃)，或将第一发光单元并联至第二发光单元。

图2为本发明发光二极管照明装置100在110伏特驱动模式下运作时的等效电路示意图。当侦测到整流交流电压V_AC是在110伏特电压范围时，线电压侦测单元30会开启电流控制单元CCA₁，进而将路径控制器D2的第二端和开关QP的控制端拉至一较低电位。此时，开关QP呈开启，路径控制器D1为反向偏压，而路径控制器D2为顺向偏压。由于反向偏压的路径控制器D1会切断串联关系，发光装置A₁～A₃和发光装置B₁～B₃彼此并联，且独立地由相对应的电流控制单元分别加以调节(I_A1≠I_B1)。通过顺向偏压的路径控制器D2，电流控制单元CCA₁会串联至发光装置A₁～A₃，进而调节电流I_A1的值。更详细地说，电流控制单元CCA₁可调节流经发光装置A₁的电流，使得电流I_A1的值分别不超过电流控制单元CCA₁的限流值I_{SET_A1}﹔电流控制单元CCA₂可调节流经发光装置A₂的电流，使得电流I_A2的值分别不超过电流控制单元CCA₂的限流值I_{SET_A2}﹔电流控制单元CCA₃可调节流经发光装置A₃的电流，使得电流I_A3的值分别不超过电流控制单元CCA₃的限流值I_{SET_A3}。同理，电流控制单元CCB₁可调节流经发光装置B₁的电流，使得电流I_B1的值分别不超过电流控制单元CCB₁的限流值I_{SET_B1}﹔电流控制单元CCB₂可调节流经发光装置B₂的电流，使得电流I_B2的值分别不超过电流控制单元CCB₂的限流值I_{SET_B2}﹔电流控制单元CCB₃可调节流经发光装置B₃的电流，使得电流I_B3的值分别不超过电流控制单元CCB₃的限流值I_{SET_B3}。

图3为本发明发光二极管照明装置100在220伏特驱动模式下运作时的等效电路示意图。当侦测到整流交流电压V_AC是在220伏特电压范围时，线电压侦测单元30会关闭电流控制单元CCA₁，进而将开关QP的控制端拉至一较高电位。此时，开关QP呈关闭，路径控制器D1为顺向偏压，而路径控制器D2为反向偏压。通过顺向偏压的路径控制器D1，发光装置A₁～A₃会串联至发光装置B₁～B₃。由于反向偏压的路径控制器D2会切断耦接关系，电流控制单元CCA₁会和发光装置A₁～A₃电性分离。换句话说，发光装置A₁和发光装置B₁由同一电流控制单元CCB₁来调节。更详细地说，电流控制单元CCA₂可调节流经发光装置A₂的电流，使得电流I_A2的值分别不超过电流控制单元CCA₂的限流值I_{SET_A2}﹔电流控制单元CCA₃可调节流经发光装置A₃的电流，使得电流I_A3的值分别不超过电流控制单元CCA₃的限流值I_{SET_A3}﹔电流控制单元CCB₁可调节电流I_LED(I_LED＝I_A1＝I_B1)，使得电流I_LED的值不超过电流控制单元CCB₁的限流值I_{SET_B1}﹔电流控制单元CCB₂可调节流经发光装置B₂的电流，使得电流I_B2的值分别不超过电流控制单元CCB₂的限流值I_{SET_B2}﹔电流控制单元CCB₃可调节流经发光装置B₃的电流，使得电流I_B3的值分别不超过电流控制单元CCB₃的限流值I_{SET_B3}。

图4为本发明发光二极管照明装置100在110伏特驱动模式下运作时的电压-电流特性图。图5为本发明发光二极管照明装置100在220伏特驱动模式下运作时的电压-电流特性图。如图4和图5所示，在110伏特驱动模式下电流I_LED的最大值大于在220伏特驱动模式下电流I_LED的最大值。在110伏特驱动模式下和在220伏特驱动模式下，电流I_A1和电流I_B1的特性相同，因此能维持恒定的光通量表现(fluxperformance)，且发光二极管照明装置100的系统功率(V_AC和I_LED的积分值)在两种驱动模式下也能维持不变。

在220伏特驱动模式下运作时，发光二极管照明装置100是以5级驱动阶段的方式来运作，各级驱动阶段的最大电流值分别为I_{SET_A2}、I_{SET_B2}、I_{SET_A3}、I_{SET_B3}和I_{SET_B1}，其中I_{SET_B1}的值最大。为了说明目的，在图5所示的实施例中，I_{SET_B1}的值和I_{SET_A1}的值相等，I_{SET_B2}的值和I_{SET_A2}的值相等，且I_{SET_B3}的值和I_{SET_A3}的值相等。值得注意的是，I_{SET_A2}、I_{SET_B2}、I_{SET_A3}和I_{SET_B3}之间的大小关系并不限定本发明的范畴。

虽然在说明书和图示中以能在110伏特/220伏特双驱动模式下运作的发光二极管照明装置100来做说明，第一电压范围或第二电压范围的额定值并不限定本发明的范畴。在其他实施例中，本发明发光二极管照明装置100也可在100伏特/220伏特双驱动模式、100伏特/23伏特0双驱动模式、100伏特/240伏特双驱动模式、110伏特/230伏特双驱动模式、110伏特/240伏特双驱动模式、120伏特/230伏特双驱动模式、120伏特/240伏特双驱动模式、100伏特/277伏特双驱动模式，或110伏特/277伏特双驱动模式下，或120伏特/277伏特双驱动模式下运作。

针对能在110伏特/277伏特双驱动模式或120伏特/277伏特双驱动模式下运作的发光二极管照明装置100，路径控制器D1可包括多个二极管、多个发光二极管、多个二极管形式的场效晶体管、多个二极管形式的双载子接面晶体管，或是多个具备类似功能的组件。因此，当第二电压范围的额定值较高时，包括较多组件的路径控制器D1可提供较高耐压。

本发明的发光二极管照明装置利用电流控制单元来弹性地导通多个发光装置，利用模式控制单元来根据整流交流电压V_AC的范围自动地切换发光二极管照明装置的驱动模式。因此，本发明可提供一种具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具备多级驱动阶段和双驱动模式的发光二极管照明装置，其特征在于，包括：

一第一发光单元，其包括多个串联的发光装置，且由一整流交流电压来驱动；

一第二发光单元，其包括多个串联的发光装置，且由所述整流交流电压来驱动；

一第一电流控制单元，其根据一感测电压选择性地串联于所述第一发光单元，用来提供一第一限流值，其中所述感测电压相关于所述整流交流电压的范围﹔

一第二电流控制单元，串联于所述第二发光单元，用来提供一第二限流值﹔

一线电压侦测单元，用来提供所述感测电压﹔以及

一模式控制单元，用来﹕

当所述感测电压的值代表所述整流交流电压是在一第一电压范围时，将所述第一电流控制单元串联于所述第一发光单元，将所述第一发光单元并联于所述第二发光单元，以使所述发光二极管照明装置在一第一驱动模式下运作﹔以及

当所述感测电压的值代表所述整流交流电压是在一第二电压范围时，将所述第一电流控制单元和所述第一发光单元电性分离，将所述第一发光单元串联于所述第二发光单元，以使所述发光二极管照明装置在一第二驱动模式下运作，其中﹕

当所述发光二极管照明装置在所述第一驱动模式下运作时，所述第一电流控制单元调节流经所述第一发光单元的一第一电流以使所述第一电流的值不超过一第一限流值，而所述第二电流控制单元调节流经所述第二发光单元的一第二电流以使所述第二电流的值不超过一第二限流值﹔且

当所述发光二极管照明装置在所述第二驱动模式下运作时，所述第一电流控制单元为关闭，而所述第二电流控制单元调节流经所述第一发光单元和所述第二发光单元的一第三电流以使所述第三电流的值不超过所述第二限流值。

2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述模式控制单元包括﹕

一开关，其包括﹕

一第一端，耦接于所述第一发光单元的一第一端﹔

一第二端，耦接于所述第二发光单元的一第一端﹔以及

一控制端，耦接于所述第一电流控制单元﹔

一第一路径控制器，其包括﹕

一第一端，耦接于所述第一发光单元的一第二端﹔以及

一第二端，耦接于所述第二发光单元的所述第一端﹔以及

一第二路径控制器，其包括﹕

一第一端，耦接于所述第一发光单元的所述第二端﹔以及

一第二端，耦接于所述开关的所述控制端。

3.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述开关为一P型金氧半导体场效晶体管。

4.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括﹕

一第三电流控制单元，并联于所述第一发光单元中至少一发光装置，用来调节流经所述第一发光单元中所述至少一发光装置的一第四电流以使所述第四电流的值不超过所述第三电流控制单元的一第三限流值。

5.如权利要求4所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括﹕

一第四电流控制单元，并联于所述第二发光单元中至少一发光装置，用来调节流经所述第二发光单元中所述至少一发光装置的一第五电流以使所述第五电流的值不超过所述第四电流控制单元的一第四限流值。

6.如权利要求5所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第三限流值小于所述第一限流值，且所述第四限流值小于所述第二限流值。

7.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第一电压范围的一第一额定值小于所述第二电压范围的一第二额定值。

8.如权利要求7所述的发光二极管照明装置，其特征在于﹕

所述第一额定值为100伏特、110伏特或120伏特﹔且

所述第二额定值为220伏特、230伏特、240伏特或277伏特。

9.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第一路径控制器包括至少一二极管、一发光二极管、一二极管形式的场效晶体管或一二极管形式的双载子接面晶体管。