CN106376125A - 可重新配置led阵列和在照明系统中的用途 - Google Patents

可重新配置led阵列和在照明系统中的用途 Download PDF

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Abstract

公开一种能够由AC电源或者未经调节的DC电源供电的发光设备。发光设备在一个方面中耦合到控制器、发光二极管(LED)阵列和电源，其中电源可以是AC功率源或者未经调节的DC功率源。在电源提供电功率之时，控制器响应于电功率的功率波动来生成各种LED控制信号。LED阵列允许根据LED控制信号的逻辑状态来激活LED中的至少部分LED。

Description

可重新配置LED阵列和在照明系统中的用途
本申请是于国际申请日2010年7月07日提交的，于2012年1月16日进入中国国家阶段的、申请号为201080032098.9、发明名称为“可重新配置LED阵列和在照明系统中的用途”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月17日提交的、更早提交的第12/504,994号美国发明专利申请的优先权，其通过引用结合于此。
技术领域
本发明的示例方面涉及照明设备。更具体而言，本发明的方面涉及发光设备使用AC电源或者未经调节的DC电源来生成光。
背景技术
固态发光器件(比如发光二极管(“LED”))是用于替代常规光源(比如白炽灯和荧光灯)的有吸引力的候选。LED通常具有比白炽灯明显更高的光转换效率并且具有比常规光源更长的寿命。一些类型的LED具有比荧光光源更高的转换效率，并且已经在实验室中示范甚至更高的转换效率。为了LED在各种照明应用中被接受，优化处理的每个步骤并且实现最高可能效率是重要的。
由于常规LED使用经调节的DC功率，所以与常规LED或者LED照明系统关联的问题是从AC功率向DC功率的功率转换。LED通常以恒定DC电流和恒定DC电压运行。另一方面，电业公司递送AC电流和/或AC电压。常规电源(比如电插座处的功率)为AC功率。市面上的当前可用照明系统(比如白炽灯泡和/或卤素灯)由AC功率供电。
一种用于解决针对LED照明系统的DC功率要求的常规方式是提供AC到DC功率转换。从AC向未经调节的DC的功率转换、然后从未经调节的DC向经调节的DC转换经常笨重而昂贵。具体而言，在AC到DC转换器中使用的电容性元件通常具有更短寿命，这将影响LED照明系统的总寿命。
发明内容
公开一种使用可重新配置发光二极管(“LED”)阵列的发光设备，该阵列能够由AC电源或者未经调节的DC电源供电。发光设备在一个方面中耦合到控制器、LED阵列和电源，其中电源可以是AC功率源或者未经调节的DC功率源。尽管电源提供电功率，但是控制器响应于电功率的波动来生成各种LED控制信号。LED阵列允许根据LED控制信号的逻辑状态来激活LED中的至少部分LED。
将理解本发明的其它方面根据下文具体描述将变得容易为本领域技术人员所清楚，在该具体描述中通过示例仅示出和描述LED的示例配置。如将认识到的那样，本发明包括其它和不同方面并且能够在各种其它方面中修改它的若干细节而均未脱离本发明的精神实质和范围。因而附图和具体描述将视为性质上为示例而非限制。
附图说明
根据下文给出的具体描述并且根据本发明各种方面的附图将更全面地理解本发明的示例方面，然而这不应解释为使本发明限于具体方面而是仅为了说明和理解。
图1是图示了根据本发明一个方面的可重新配置LED阵列的框图，该阵列具有能够控制LED的控制器；
图2是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置LED阵列的照明系统的框图，该阵列具有控制器；
图3是图示了根据本发明一个方面的具有控制器的可重新配置LED阵列的另一拓扑或者布局的框图；
图4A-图4D是图示了根据本发明一个方面的具有H桥操作的可重新配置LED阵列的框图；
图5-图9图示了示例AC LED拓扑，这些拓扑示出了根据本发明一个方面的可重新配置LED阵列；
图10是示出了一组图形的图，该组图形图示了向使用根据本发明一个方面的可重新配置LED阵列的照明系统递送功率的性能；
图11是图示了根据本发明一个方面的用于控制可重新配置LED阵列的控制电路的框图；
图12是图示了根据本发明一个方面的用于使用控制器来重新配置LED阵列的过程的流程图；
图13是图示了LED示例的概念横截面图；
图14是图示了具有磷光体层的LED的示例的概念横截面图；
图15A是图示了LED阵列的示例的概念顶视图；
图15B是图15A的LED阵列的概念横截面图；
图16A是图示了LED阵列的替代配置的示例的概念顶视图；
图16B是图16A的LED阵列的概念横截面图；并且
图17示出了根据本发明一些方面的包括通过激光划线来制造的LED或者LED器件的示例设备。
具体实施方式
这里在一种重新配置能够使用AC功率的发光二极管(“LED”)阵列的方法、设备和装置的背景中描述本发明的方面。
下文参照其中示出本发明各种方面的附图更全面地描述本发明。然而本发明可以用许多不同形式来体现而不应理解为限于在本公开内容全文中呈现的本发明各种方面。实际上，提供这些方面使得本公开内容将透彻而完整并且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。在附图中图示的本发明各种方面可以未按比例绘制。实际上，为了清楚可以扩大或者减少各种特征的尺度。此外，为了清楚可以简化一些附图。因此，附图可以未描述给定的装置(例如设备)或者方法的所有组成。
这里将参照附图描述本发明的各种方面，这些附图是本发明的理想化配置的示意图示。这样，将预计例如由于例如制造技术和/或容差所致的相对于图示的形状而言的变化。因此，在本公开内容全文中呈现的本发明各种方面不应理解为限于这里图示和描述的要素(例如区域、层、分节、基底等)的具体形状、而是将包括例如由于制造所致的形状偏差。举例而言，图示或者描述为矩形的要素可以在它的边缘具有圆形或者弯曲特征和/或梯度集中而不是从一个要素到另一要素的离散改变。因此，在附图中图示的要素在性质上为示意，并且它们的形状并非旨在于图示要素的精确形状而且并非旨在于限制本发明的范围。
将理解当诸如区域、层、分节、基底等要素称为“在”另一要素“上”时，它可以直接在另一要素上或者也可以存在居间要素。对照而言，当要素称为“直接在”另一要素“上”时，无居间要素存在。还将理解当要素称为“形成”于另一要素上时，它可以生长、沉积、蚀刻、附着、连接、耦合或者以别的方式制备或者制作于另一要素或者居间要素上。
另外，相对术语(比如“较下”或者“底部”和“较上”或者“顶部”)这里可以用来描述如附图中所示一个要素与另一要素的关系。将理解相对术语旨在于除了在附图中描绘的定向之外还涵盖装置的不同定向。举例而言，如果附图中的装置翻转，则描述为在其它要素的“较下”侧上的要素然后将定向于其它要素的“较上”侧上。术语“较下”因此根据装置的特定定向可以涵盖“较下”和“较上”的定向。类似地，如果附图中的装置反转，则描述为“在”其它要素“下面”或者“之下”的要素然后将“在”其它要素“上方”定向。术语“在……下面”或者“在……之下”因此可以涵盖“在……上方”和“在……下面”的定向。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的含义相同的含义。将进一步理解术语(比如在常用词典中定义的术语)应当解释为具有与它们在相关领域和本公开内容的上下文中的含义一致的含义。
如这里所用，除非上下文另有明示，否则单数形式“一个/一种”和“该/所述”旨在于也包括复数形式。还将理解术语“包括”在本说明书中使用时指定存在声明的特征、数字、步骤、操作、要素和/或部件、但是并非排除存在或者添加一个或者多个其它特征、数字、步骤、操作、要素、部件和/或其组合。术语“和/或”包括关联列举项目中的一个或者多个项目的任何和所有组合。
将呈现LED发光体的各种方面。然而如本领域技术人员将容易理解的那样，这些方面可以延及LED发光体的方面而未脱离本发明。LED发光体可以配置为用于常规发光体(例如包括嵌灯、表面装配灯、吊灯、壁烛台灯、凹灯、轨道照明、柜下灯、景观或者室外灯、泛光灯、探照灯、路灯、闪光灯、工矿灯、条形灯、工业灯、应急灯、平衡臂灯、醒目灯、背景灯和其它灯具)的直接替代物。
如这里所用，术语“灯具”应当意味着发光体的外壳或者罩。如果需要，则术语“发光体”应当意味着与光源和其它部件(例如用于冷却光源的风扇、用于导光的反射器等)一起而完整的灯具。术语“LED发光体”应当意味着具有如下光源的发光体，该光源包括一个或者多个LED。LED在本领域众所周知，因此将仅简短地加以讨论以提供本发明的完整描述。
还理解本发明的方面可以包含可容易使用常规半导体技术(比如CMOS(“互补金属氧化物半导体”)技术或者其它半导体制造工艺)来制造的集成电路。此外，可以用其它用于制作光学以及电学器件的制造工艺来实施本发明的方面。现在将具体参照如附图中所示示例方面的实施方式。相同标号将在附图和下文具体描述中通篇用来指代相同或者相似部分。
一种发光设备在一个方面中耦合到控制器、发光二极管(“LED”)阵列和电源，其中电源可以是交流(“AC”)电源或者未经调节的直流(“DC”)电源。尽管电源提供电功率，但是控制器响应于电功率的波动来生成各种LED控制信号。LED阵列允许根据LED控制信号的逻辑状态来激活LED中的至少部分LED。LED阵列内的LED重新配置允许LED系统从未经调节的DC和/或AC电源直接汲取功率。
图1是图示了根据本发明一个方面的照明系统100的框图，该系统具有能够控制LED的控制器。照明系统100包括控制器102、LED重新配置设备104、LED阵列106和电源108。电源108在一个方面中为AC、经整流的AC和/或未经调节的DC电源。应当注意，如果向或者从系统100添加或者去除一个或者多个要素(或者设备)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
LED阵列106包括串联耦合并且能够生成光的四(4)个LED120-126。可以根据LED控制信号的逻辑值(或者逻辑状态)来接通和/或关断一个或者多个LED 120-124。例如，如果关断LED重新配置设备104中的开关，则开启经由总线132从控制器102向LED阵列106行进的电流116。根据应用，可以向或者从LED阵列106添加或去除附加LED。在一个替代方面中，可以以并联或者以串联与并联组合的配置来组织LED阵列106中的LED。
LED重新配置设备104是能够根据LED控制信号的逻辑状态来开启或者关掉LED阵列106内的个别LED的切换设备。设备104在一个方面中包括三(3)个开关110-114，其中每个开关由LED控制信号控制。LED控制信号由控制器102生成。LED控制信号经由开关控制总线134通过开关110-114的控制端子控制开关110-114。如图1中所示，开关110-114用来分别控制LED 120-124。例如，如果激活可以包括一个或者多个晶体管的开关110，则开关110将来自总线132的电流116向总线138重定向。当功率从总线132绕过LED 120向总线138行进时，将激活LED 122而将不激活LED 120。这样，可以根据用于开关110的LED控制信号的逻辑状态来有效地接通或者关断LED 120。应当注意，LED重新配置设备104和LED阵列106可以组合成单个设备。
控制器102是能够执行诸如电流调节、切换管理、功率管理、功率监视等各种信号管理功能的控制电路。控制器102在一个方面中经由总线130从电源108接收功率，其中功率可以是AC功率、未经调节的DC功率或者经调节的DC功率。在从总线130接收功率之后，经由总线132和/或总线138向LED阵列106转发功率。功率或者电功率是提供电流和/或电势差的电能。在检测到电功率时，控制器102根据电势波动来生成LED控制信号。在一个方面中，控制器102在电势水平增加时选择性地激活LED阵列106中的附加LED。类似地，控制器102在电势水平减少时有选择地去激活一个或者多个LED。应当注意，AC功率将电功率递送为电势水平随时间波动的正弦波。
在操作期间，控制器102允许基于AC功率的波动来独立或者同时接通一(1)个、两(2)个、三(3)个或者四(4)个LED。注意在LED阵列中具有四(4)个LED的概念可以延及更多个别LED或者每个LED包括多个串联、并联或者串并联组合的子LED。回顾图1，只要电流116经过总线132流向总线136，LED 126(串联中的最后LED)就常通。
使用图100中所示可重新配置的LED阵列的优点是允许LED照明灯具直接汲取AC功率或者未经调节的DC功率以更高效并且在更大部分时间内生成光而无需具有常规AC到DC转换器。为了提供可以以未经调节的DC或者AC功率工作的LED，可重新配置的LED阵列的控制器根据施加的电压来接通和关断多个LED。
图2是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的照明系统200的框图，该照明系统具有控制器。照明系统200包括控制器202、照明部件240和电源208。注意电源208可以是与如图1中描述的电源108相似的设备。应当注意，如果向或者从系统200添加或者去除一个或者多个要素(或者层)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
电源208在一个方面中是电业公司经由常规功率传输线提供的AC功率。取而代之，电源208是发电机提供的未经调节的DC功率。电源208为电路供应功率(比如电流116)。功率可以解释为电压、电势差、电流或者电流与电压的组合。下文可互换使用术语“功率”、“电功率”、“电流”、“电压”和“电势差”。当功率116到达控制器202时，随后经由总线232被转发至照明设备240。
能够执行与图1中描述的控制器102相似的功能的控制器202监视功率116的波动并且响应于功率116的波动来更新LED控制信号。功率的波动或者功率波动例如是如同在总线130输送的波或者正弦波中一样的功率上升和下降。在检测到功率波动时，根据功率波动来调节LED控制信号。例如控制器202在功率电平上升时接通更多LED而它在功率电平下降时关断一个或者多个LED。注意AC功率将电功率递送为随时间波动的正弦波。
LED控制信号经由总线234通过开关的控制端子控制开关，其中开关控制照明部件240中的每个LED的状态。用于每个开关的控制端子例如是晶体管的栅极端子。为了简化图200，未图示输送LED控制信号的开关控制总线234。控制器202能够个别访问和/或控制每个LED，由此可以更均匀地分布用于LED的接通时间或者激活时段。
照明部件240在一个方面中包括LED阵列242和开关210-226的阵列，其中开关用来控制LED阵列242中的每个LED的接通或者关断状态。LED阵列242包括多个LED 202-208，其中LED 202-208串联连接。LED阵列242内的每个LED由一对开关控制。例如LED 202由开关210和218控制。由于开关由LED控制信号管理，所以可以根据LED控制信号的逻辑值来接通和/或关断LED 202-208。当开关210和218接通(或者活跃)时，将例如关断LED 202，因为在LED 202两端的电压差降至零。取而代之，当接通开关210和220而关断开关218和212时，电流116从开关210流向LED 204、然后流向开关220，由此激活和/或点亮LED 204。
根据应用，可以向或者从LED阵列242添加或者去除附加LED。可以以并联或者以串联与并联组合的配置来组织LED 202-208。照明部件240(可以是与图1中所示LED可重新配置的设备104相似的设备)包括用于根据功率波动来重新配置LED的一组切换器件和LED。在操作期间，控制器202允许基于AC功率的波动来相互独立地接通或者关断一(1)个、两(2)个、三(3)个、四(4)个等。
在与图100比较时运用图200中描述的重新配置的设备的优点是通过更均匀地分布用于任何特定LED接通或者活跃的时间来提高可靠性。取而代之，可以在下文讨论中实例化一种使用更少开关而代价为在开关中损耗电压的相似拓扑。
图3是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的照明系统300的另一拓扑或者布局的框图，该照明系统具有控制器。照明系统300包括控制器202、LED可重新配置设备304、LED阵列342和电源108，其中LED阵列242包括多个LED 302-308。电源108在一个方面中为AC、整流AC和/或未经调节的DC电源。应当注意，如果向或者从图300添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
LED重新配置设备304包括多个开关318-326，其中每个开关包括一个或者多个晶体管。开关的栅极端子或者控制端子经由总线234来与LED控制信号耦合用于控制每个开关的逻辑状态。每个开关与LED关联，其中LED在它的关联开关接通或者活跃时关断。例如，如果开关318接通，则在LED 302两端的电压差降至零，由此关断LED 302。取而代之，当开关318和324接通而开关320关断时，电流116从开关318流向LED 304、然后从LED 304流向开关324，由此激活LED 304。注意电流116需要穿过从开关318到开关316的开关链以到达电源108的负端子。应当注意，当电流116经过每个开关行进时可能在照明系统300中出现功率损耗。
图4A是图示了根据本发明一个方面的使用可重新配置的LED阵列的照明系统400的框图，该阵列具有H桥操作。照明系统400包括控制器202、照明部件401和电源108。除了照明部件401不同于图2中所示照明部件240之外，照明系统400与图2中所示照明系统200相似。应当注意，如果向或者从照明系统400添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
照明部件401包括多个LED 402-410和开关412-436，其中开关412-416执行与开关210-226相似的功能。在一个方面中，LED串联耦合，其中开关处于每两个串联连接的LED之间。例如开关430放置于LED 402-404之间。让开关放置于每两个LED之间使控制器202能够重新并行以及串行配置LED。添加的开关(比如开关430-436)有助于H桥操作并且允许电路用AC功率运行。
虽然包括开关412-436的重新配置的电路系统比图2-图3中所示重新配置的电路系统更复杂，但是该电路系统允许LED成串(或者串联)或者并联操作。对于使用图4A中所示电路布局的含四(4)个LED的阵列，重新配置的电路系统允许将LED重新配置成以下配置：一串四(4)个LED；以两种不同方式的一串三(3)个LED；以三种不同方式的一串两(2)个LED；以一种方式的并联两串两(2)LED；以及从一至四个并联个别LED。如果照明部件401被配置成四个LED，则可以配置和形成并联的两串两(2)个LED。例如当开关430、422、414、434和426闭合(或者接通)而开关412、420、432、416、424和436打开(关断)时，第一串LED 402-404与第二串LED 406-408并联。当开关430、432和424闭合(或者接通)而开管412、414、434、420和422打开(或者挂断)时也可以形成一串三个LED 402-406的第一方式。取而代之，当开关412、432、434和426闭合(或者接通)而开关430、414、416、436和420-424打开(或者关断)时可以形成一串三个LED 404-408的第二方式。
图4B-图4D图示了根据本发明一个方面的具有四(4)个LED的三(3)个照明系统，其示出了响应于电功率的波动的不同LED配置460-480。在如图4A中所示H桥布局中组织的开关或者切换器件可以用来生成各种LED配置。尽管配置460例如图示了并联的四串一个LED，而配置470示出了并联的两串两个LED。另一方面，配置480描绘了一串四个LED的配置。
图4B-图4D中所示配置460-480能够高效操作LED阵列并且允许LED阵列以各种输入电压递送相同量的光。图4B-图4D示意地图示了具有含四个LED的阵列的电路设备。图4B示出了配置有四(4)个并联的个别LED的LED阵列。在低电压(即用于蓝色LED的3.2V)时段期间，配置460可以汲取高电流(即1.4A)并且每个LED将消耗恒定功率(即1.2W)并且递送关联量的光。当电源处于适度电压(即6.4V)时，LED阵列重新配置成并联的两(2)串两(2)个LED并且汲取图4C中所示配置470的一半电流(即0.7A)。配置470仍然向每个LED递送相同功率(即1.2W)并且将以与图4B中所示配置460相同的效率提供相同量的光。取而代之，当电源达到高电压(即13.2V)时，LED阵列被重新配置成图4D中所示一串四(4)个LED并且汲取图4B中所示配置460的四分之一电流(即0.35A)。配置480同样向每个LED递送相同或者相似功率(即1.2W)并且以与图4B-图4C中所示配置460-470相同的效率提供相同量的光。应当注意，随着电势(“电压”)增加，活跃LED的数目保持相同并且递送的电功率相同而LED配置根据电势的输出而改变。在一些应用中，在电功率上升时关断LED而在电功率减少时接通LED是有益的。
图4中所示的重新配置的电路系统允许一种与用动态实时控制(控制器202有助于该控制)施加的电压相适应的LED阵列和/或LED系统。可以是外部电路的控制器202被集成到LED模块中。使用这样的LED模块的优点是允许LED阵列工作而无需AC到DC转换器。使用LED模块的另一优点是从系统去除电解电容器，因为电解电容器往往减少系统的寿命。
图5图示了示例AC LED拓扑550，该拓扑示出了根据本发明一个方面的可重新配置的LED阵列。拓扑550包括电源552、整流器554、控制器556和可重新配置的LED阵列558。控制器556在一个方面中包括开关控制器和电流控制器，其中开关控制器能够管理开关。电流控制器能够向可重新配置的LED阵列558转发来自整流器554的电流。应当注意，如果向或者从图550添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
整流器554包括能够阻隔波形的负和/或正部分的四(4)个二极管。可以使用任何其它类型的功率整流器取代整流器554。电源552可以是电业公司经由功率线缆供应的AC电源。取而代之，电源552是发电机提供的未经调节的DC功率。
可重新配置的LED阵列558包括三(3)个开关570-574和四(4)个LED 560-568，其中LED 560-568串联或者成串耦合。注意开关570-574类似于图1中所示开关110-114而LED560-568类似于图1中所示LED 120-126。LED 568多数时间接通，而LED 560-564可以由开关570-574接通或者关断。开关570-576的逻辑状态由如下LED控制信号控制，这些信号由控制器556控制和/或管理。
使用拓扑550的优点是允许LED从AC或者未经调节的电源直接汲取功率而无AC到DC转换。
为了测量LED照明系统的性能，该测量涵盖各种参数(比如通量、功率因子和效率)。理想通量率近似为880lm，而所需功率因子大于0.9。例如，如果个别LED用700mA的电流和3.2V的正向电压产生75lm/W的冷白光，则它可以产生近似175lm的通量。如果通量和效率维持于预定义范围，则正向电压(增量为3.2V)和电流被重新整形，由此功率密度保持于近似恒定。这样，LED可以用6.4V的正向电压和350mA或者9.6V和267mA或者12.8V和175mA等产生175lm的通量。
在一个示例中，效率包括LED功效、系统功效和AC到DC效率。下文列举效率定义。
为了达到高功率因子，递送的线电流例如应当与线电压同相。向系统递送的功率继而将近似为均峰比为0.5的正弦函数的平方。为了获得880lm平均通量，LED例如需要在峰值产生1760lm，这意味着照明系统可能需要具有至少十(10)个LED以满足通量要求。例如在AC线路电压的峰值为170V时，LED或者一组LED应当在电流为140毫安(“mA”)时具有16V的正向电压。注意如果电路包括线内电阻器，则LED电压与线电压之差应当保持为低以提高系统效率。
图6是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的AC LED拓扑650的示例实施方式的框图。与图5中所示拓扑550相似，拓扑650包括电源652、整流器554、控制器556和可重新配置的LED阵列558。注意可以向可重新配置LED阵列558添加附加LED和开关。应当注意，如果向或者从图650添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
当电源652将电压从0伏特(“V”)增加至3-6V时，从整流器554向控制器556转发可变转发电流。在检测到3-6V的转发电压时，开关控制器发送用于激活开关572的LED控制信号。当未激活开关570-572但激活开关574时，转发电流绕过LED 560-564并且经由连接656经过开关574直接到达LED 568。运用可变电压正向LED封装的灯具能够通过按照需要激活或者去激活LED来保持在电源与LED之间的最小电压差。根据应用，更复杂的切换电路可以用来为LED重新配置提供附加灵活性。
图7是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的AC LED拓扑750的示例实施方式的框图。与图5中所示拓扑550相似，拓扑750包括电源752、整流器554、控制器556和可重新配置LED阵列558。注意可以向可重新配置LED阵列558添加附加LED和开关。应当注意，如果向或者从图750添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念将不变。
当电源752将电压从3-6V增加至6-9V时，从功率整流器554向控制器556转发可变转发电压。在检测到6-9V的转发电压时，开关控制器发送用于激活开关572的LED控制信号。当未激活开关570和574但开关572活跃时，转发电压或者电流绕过LED 560-562并且经由连接756经过开关572到达LED 564-568。运用可变电压转发LED封装的灯具能够通过按照需要激活或者去激活LED来保持在电源与LED之间的最小电压差。
图8是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的AC LED拓扑850的示例实施方式的框图。与图5中所示拓扑550相似，拓扑850包括电源852、整流器554、控制器556和可重新配置的LED阵列558。注意可以向可重新配置LED阵列558添加附加LED和开关。应当注意，如果向或者从图850添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
当电源852将电压从6-9V增加至9-12V时，从功率整流器554向控制器556转发可变转发电压。在检测到9-12V转发电压时，开关控制器发送用于激活开关570的LED控制信号。当未激活开关572-574但激活开关570时，转发电流绕过LED 560并且经由连接856经过开关570到达LED 562-568。
可重新配置的LED阵列的另一应用是提供经由电流调制的调光的替代方式。常规LED调光方法聚焦于在时间上或者在幅度上调制经过LED的电流。一般而言，用于常规LED的电压调光并非优选，因为仅少量电压变化就引起大量光输出改变。利用可重新配置的LED阵列，可以通过在电功率增加时接通LED而在电功率减少时关断LED来执行阶梯式电压调光。
图9是图示了根据本发明一个方面的具有可重新配置的LED阵列的AC LED拓扑950的示例实施方式的框图。与图5中所示拓扑550相似，拓扑950包括电源952、整流器554、控制器556和可重新配置LED阵列558。注意可以向可重新配置LED阵列558添加附加LED和开关。应当注意，如果向或者从图950添加或者去除一个或者多个要素(或者LED)，则本发明的示例方面的基本概念不会改变。
当电源952将电压从9-12V增加至大于12V时，从整流器554向控制器556转发可变转发电压。在检测到比12V的转发电压更大的电压时，开关控制器经由LED控制信号关断所有开关570-574。当未激活开关570-574时，转发电流经由连接956到达LED 560-568。应当注意，如果出现更高转发电压，则可以包括附加开关和LED。
图10是示出了一组图形的图1006，该组图形图示了向使用根据本发明一个方面的可重新配置的LED阵列的照明系统递送功率的性能。图1006包括电压图形1000、电流图形1002和功率图形1004。收集并且在图形1000-1004上绘制的数据基于比如功率因子和闪烁指标之类的一组预定义参数。闪烁指标测量在平均光量以上的光量。功率因子提供向负载施加的实际功率与表观功率之比。在以下条件之下绘制图形100-104：功率因子等于0.995；闪烁指标等于0.34；在160V以上有50个结。
图形1000在时域内图示了线电压曲线1010、在LED两端的电压曲线1012和电压损耗曲线1014。在图形1000中绘制的曲线1010-1014示范了照明系统相当高效，因为在LED两端的电压曲线1012类似于线电压曲线1010。而且，电压损耗曲线1014与在LED两端的电压曲线1012比较相对小。
图形1002图示了如下绘图，该绘图在时域内示出了线电流曲线1020。注意电压损耗1014代表系统中的某处的电路系统的不可恢复的近似功率损耗。在图形1004中示出了在一个周期内绘制的向LED递送的功率。图形1004示出了线功率曲线1030、向LED递送的功率曲线1032和功率损耗曲线1034。图形1004图示了向系统递送的功率相对高效，因为递送的功率曲线1032很接近线功率曲线1030。而且，功率损耗曲线1034与递送的功率曲线1032比较也相对小。这样，使用可重新配置的LED阵列的优点是提供一种可以用AC、整流AC和/或未经调节的DC电源运行的LED系统。
图11是图示了根据本发明一个方面的用于控制可重新配置LED阵列的控制电路(比如图2中所示控制器202)的框图1100。图1100包括AC电源、波整流器1102、电阻器R1-R2、LED1、LED2、晶体管U1-U5和参考LED。应当注意，如果向或者从图1100添加或者去除一个或者多个要素(或者设备)，则本发明的示例方面的基本原理不会改变。
图1100是能够在双LED系统上执行任务的电路。波整流器1102用于AC线电压。R1和R2有助于电流穿过晶体管U2并且电流与线电压同相。晶体管U1在标准电流镜拓扑中镜像复制经过U2的电流。晶体管U3能够在U5的漏极电压大于由R1和R2构成的分压器所设置的电压时将LED2两端短接。也称为差分放大器的比较器U4变成活跃并且在U1和LED1接通之前下拉U3。在一个示例中，让大的正向电压用于LED1可能是有利的。为了提供用于切换的合适的电压，小的参考LED被置于U5的漏极处。应当注意，可以针对具有多于两(2)个LED的LED阵列重复包括U3、U4和电阻器网络的切换电路。注意要求可以是任何比较器必须在相当大的电源电压范围内操作。
本发明的示例方面包括下文将描述的各种处理步骤。可以用机器或者计算机可执行指令体现该方面的步骤。指令可以用来使得用指令编程的通用或者专用系统执行本发明的示例方面的步骤。取而代之，本发明的示例方面的步骤可以由包含用于执行步骤的硬接线逻辑的具体硬件部件或者由编程的计算机部件与定制的硬件部件的任何组合执行。
图12是图示了根据本发明一个方面的使用控制器来重新配置LED阵列的过程的流程图1200。在块1202，用于生成光的过程从电源接收电功率。该过程在一个方面中能够从AC电源接受电源。
在块1204，该过程能够监视电功率的波动。可以检测AC电源的电压波动和/或电流波动。
在块1206，该过程响应于电功率的功率波动来生成LED控制信号。在一个方面中，该过程能够根据多个LED控制信号来重新配置LED阵列。
在块1208，该过程根据LED控制信号的逻辑状态来激活LED阵列的至少部分LED。在根据电功率的动态波动来动态更新LED控制信号的逻辑状态之后，该过程响应于LED控制信号的逻辑状态来动态激活和/或去激活LED阵列的LED。根据应用，一些开关为正使能而其它开关为负使能。正使能意味着开关例如由控制信号的活跃状态触发或者接通(或者闭合)，而负使能意味着开关由控制信号的不活跃状态触发和接通。控制信号的活跃和/或不活跃状态可以由数字处理电路系统、模拟处理电路系统或者固定信号处理电路系统实施。
活跃和不活跃状态在一些数字处理应用中也分别称为逻辑“1”和逻辑“0”状态。在一个方面中，活跃状态或者逻辑“1”状态意味着高电压状态，而不活跃状态或者逻辑“0”状态意味着低电压状态。根据应用，活跃状态或者逻辑“1”状态可以代之以配置为低电压状态，而不活跃状态或者逻辑“0”状态可以配置为高电压状态。例如该过程能够在电功率增加时设置LED控制信号的附加活跃状态。另一方面，该过程也能够在电功率减少时设置LED控制信号的附加不活跃状态。
已经简短地描述了照明系统(这些照明系统能够使用本发明在其中操作的可重新配置LED阵列来直接抽取AC和/或未经调节的DC功率)的方面，下图图示了用于制作和封装LED管芯、芯片、设备和/或灯具的示例过程和/或方法。
图13是图示了LED或者LED器件的示例制作工艺的概念横截面图。LED是浸渍或者掺杂有杂质的半导体材料。这些杂质向半导体添加可以在材料中相对自由移动的“电子”或者“空穴”。根据杂质种类，半导体的掺杂区域可以主要具有电子或者空穴并且分别称为n型或者p型半导体区域。参照图13，LED 500包括n型半导体区域504和p型半导体区域508。在两个区域之间的结产生如下反向电场，该反向电场使电子和空穴从结移开以形成有源区域506。当通过一对电极510、512在p-n结两端施加足以克服反向电场的前向电压时，迫使电子和空穴进入有源区域506并且复合。当电子与空穴复合时，它们降至更低能级并且以光的形式释放能量。
在这一示例中，n型半导体区域504形成于基底502上，而p型半导体区域508形成于有源层506上，然而区域可以反转。也就是说，p型半导体区域508可以形成于基底502上，而n型半导体区域504可以形成于有源层506上。如本领域技术人员将容易了解的那样，在本公开内容全文中描述的各种概念可以延及任何适当分层结构。也可以在LED 500中包括附加层或者区域(未示出)(包括但不限于缓冲、成核、接触和电流扩散层或者区域以及光析取层)。
p型半导体区域508在顶表面暴露，并且因此p型电极512可以容易形成于其上。然而n型半导体区域504掩埋于p型半导体层508和有源层506之下。因而，为了在n型半导体区域504上形成n型电极510，通过借助本领域公知的手段去除有源层506和p型半导体区域508的部分以暴露其下面的n型半导体层504来形成切除区或者“台面(mesa)”。在去除这一部分之后，可以形成n型电极510。
图14是图示了具有磷光体层的LED示例的概念横截面图。在这一示例中，借助本领域公知的手段在LED 500的顶表面上形成磷光体层602。磷光体层602将LED 500发射的光的部分转换成光谱与从LED 500发射的光的光谱不同的光。可以通过使用在光谱的蓝色区域中发光的LED和将蓝光转换成黄光的磷光体来构造白色LED光源。白色光源很好地适于作为用于常规发光体的替代灯；然而可以用其它LED和磷光体组合实现本发明以产生不同颜色的光。磷光体层602可以例如包括悬浮于载体中的磷光体粒子或者由溶解于载体中的可溶磷光体构造。
在LED发光体的配置中，LED阵列可以用来提供增加的光度。图15A是图示了LED阵列的示例的概念性顶视图，而图15B是图15A的LED阵列的概念性横截面图。在这一示例中，多个涂有磷光体的LED 600可以形成于基底702上。从LED 600延伸的键合线(未示出)可以连接到基底702的表面上的如下迹线(未示出)，这些迹线以并联和/或串联方式连接LED600。通常，LED 600可以在串联LED的并联流中连接而在每个流中有限流电阻器(未示出)。基底702可以是任何可以向LED 600提供支撑并且可以装配于灯具(未示出)内的适当材料。
图16A是图示了LED阵列的替代配置的示例的概念顶视图，而图16B是图16A的LED阵列的概念性横截面图。以与结合图15A和图15B描述的方式相似的方式，为了装配于灯具(未示出)中而设计的基底702可以用来支撑LED 500的阵列。然而在这一配置中，磷光体层未形成于每个个别LED上。磷光体806代之以沉积于由绕着基底702的外表面沿圆周延伸的环形环804界定的腔802内。可以通过在形成基底702的材料中钻出圆柱形孔来形成环形环804。取而代之，可以用适当模具形成基底702和环形环804，或者环形环804可以与基底702分开形成并且使用粘合剂或者其它适当手段来附着到基底。在后一种配置中，环形环804一般在LED 500之前附着到基底702；然而在一些配置中，可以先附着LED。一旦LED 500和环形环804附着到基底702，就可以向腔802中引入载体中的磷光体粒子悬浮物。该载体材料可以是环氧树脂或者硅树脂；然而也可以使用基于其它材料的载体。可以固化载体材料以产生磷光体粒子固定于其中的固体材料。
图17示出了根据本发明一些方面的包括通过激光划线来制造的LED或者LED器件的示例设备。设备900包括灯902、照明设备904和路灯906。图17中所示设备中的每个设备至少包括经由如这里描述的激光划线技术来分离的LED或者LED器件。例如，灯902包括封装916和LED 908，其中使用在朝着设备背侧的位置处的激光划线来分离LED 908。灯902可以用于任何类型的通用照明。例如灯902可以使用于车头灯、路灯、置顶灯中或者任何其它通用照明应用中。照明设备904包括电耦合到灯912(可以配置为灯902)的电源910。在一个方面中，电源910可以是电池或者任何其它适当类型的电源(比如太阳能电池)。路灯906包括连接到灯914(可以配置为灯902)的电源。应当注意，这里描述的LED的方面适合于与实质上任何类型的LED组件一起使用，该组件又可以使用于任何类型的照明设备中而不限于图17中所示设备。
提供本公开内容的各种方面以使本领域普通技术人员能够实现本发明。本领域技术人员将容易清楚对在本公开内容全文中呈现的方面的各种修改，并且这里公开的概念可以延及其它LED灯配置而无论玻璃罩和基部的形状或者直径以及灯上的电接触的布置如何。因此，权利要求并非旨在于限于本公开内容的各种方面，但是将被赋予与权利要求的语言一致的整个范围。本领域普通技术人员已知或者以后变得已知的与在本公开内容全文中描述的各种方面的要素等效的所有结构和功能等效要素通过引用明确结合于此并且旨在于由权利要求涵盖。另外，无论是否在权利要求中明确记载这里公开的内容，这里的公开内容都并非旨在于贡献给公众。除非使用短语“用于的……装置”来明确记载权利要求要素或者在方法权利要求的情况下使用短语“用于……的步骤”来记载该要素，否则不按照35U.S.C.§112第六段的规定来理解该要素。

Claims (12)

1.一种发光设备，包括
功率源，可操作地供应功率；
开关控制，耦合到所述功率源；以及
多个固态发光器，耦合到所述开关控制并且被配置为选择性地激活至少一部分所述多个固态发光器，其中所述开关控制在所述功率源向所述多个固态发光器供应功率的同时，响应于所述供应功率的变化而改变所述多个固态发光器的哪些固态发光器被激活。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关控制包括多个开关，所述多个开关能够选择性地激活或者去激活所述多个固态发光器中的至少一个固态发光器，所述至少一个固态发光器在所述供应功率的变化之后被激活或者去激活以增加所述供应功率的转换效率。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关控制包括多个开关，所述多个开关能够在所述供应功率的变化之后激活或者去激活所述多个固态发光器中的至少一个固态发光器，来增加所述多个固态发光器的在生成光的固态发光器的数目。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述功率源是未经调节的直流(“DC”)功率源，并且其中所述开关控制响应于所述功率源所提供的电压变化来激活或去激活所述多个固态发光器中的一个固态发光器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述功率源提供交流(“AC”)电功率，并且其中所述开关控制响应于所述功率源所提供的AC电压的变化来激活或去激活所述多个固态发光器中的一个固态发光器。
6.一种发光二极管(“LED”)灯，包括：
封装，以及
LED装置，耦合到所述封装并且包括：
功率源，可操作地供应功率；
开关控制，耦合到所述功率源；以及
多个LED，耦合到所述开关控制，所述开关控制被配置为选择性地激活所述多个LED的至少一部分，所述多个LED的至少一部分响应于所述供应功率的变化而被所述功率源供电且被激活。
7.根据权利要求6所述的灯，其中所述开关控制在所述供应功率的变化之后激活或者去激活所述多个LED中的至少一个LED来增加所述多个LED中在生成光的LED的数目。
8.根据权利要求6所述的灯，其中所述功率源提供AC电功率，并且其中所述开关控制响应于所述功率源所提供的AC电压的变化而激活或去激活所述多个LED之一。
9.根据权利要求8所述的灯，其中所述功率源是未经调节的DC功率源，并且其中所述开关控制响应于所述功率源所提供的电压的变化而激活或去激活所述多个LED之一。
10.根据权利要求6所述的灯，其中所述开关控制在所述供应功率的变化之后激活或去激活所述多个LED中的至少一个LED来增加所述LED装置中所述供应功率到光的转换效率。
11.一种生成光的方法，包括：
获得在功率周期期间的AC功率行为；
响应于来自所述AC功率的AC电压的变化，而选择性地激活或去激活包括多个LED的光源中的一个或多个LED来增加所述光源在所述功率周期内所述AC功率到光的功率转换效率。
12.根据权利要求11的方法，进一步包括：激活或去激活所述多个LED中的一个LED来增加所述光源在所述功率周期内的光输出。
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