TW201234329A - LED circuit arrangement - Google Patents

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201234329 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種LED電路配置、一種LED光源及一種 操作一 LED電路配置之方法。具體言之，本發明係關於以 一操作電壓驅動一 LED電路配置同時提供一安全且具成本 效益之設置。 【先前技術】 發光二極體（LED)係用於眾多應用，其等尤其包含信號 傳輸及現時日益增多之一般照明應用。依據應用及所使用 LED之類型而存在用於LED之各種驅動電路設計。由於操 作電流與電壓之間之指數相依性，LED(類似於其他二極 體）通常係由一恆流電源供應單元或驅動電路驅動。最簡 言之，驅動電路可由一串聯電阻器組成以在操作電壓變動 時限制輸送至發光二極體之最大電流。當然，由於相對較 高之損失，此一配置尤其不適合於（例如）與高功率LED結 合之照明應用。除具有一串聯電阻器之以上所提及簡單驅 動電路以外，此項技術中亦存在其他驅動電路。然而，此 等電路通常複雜且因此昂貴。另外，在多數情況中，電路 設計需適應於所使用LED之類型及數量，從而提供有限之 可擴展性。因此，此等電路尤其不適合於越來越多用在一 般照明應用中之LED。 因此，本發明之一目的為提供一種實現一 LED光源之有 效率操作（即，減少損失）且具有一成本最佳電路設計之 LED電路配置。 159415.doc 201234329 【發明内容】 目的係由如技術方案1之一 led電路配置、如技術方案 13之一 LED光源及如技術方案14之操作一 LED光源之一方 法實現。附屬技術方案係關於本發明之最佳實施例。 本發明之基本思想為提供一種LED電路配置，其中可依 據一電流位準而在一低電壓模式及一高電壓模式中操作一 LED光源以提供通過該lEd光源之電流之控制。因此，本 發明有利實現用一簡單且具成本效益之電壓源（諸如—典 型電源供應單元）來驅動該led光源。 根據本發明之LED電路配置包括經調適以在操作期間提 供一操作電壓之至少一電壓輸入端、與該電壓輸入端串聯 連接之一電抗元件及至少一 LED光源。該LED光源包括各 具有至少一發光二極體（LED)之一第一 LED單元與一第二 LED單元' 在一低電壓模式及一高電壓模式中將該等led 單疋與該電抗元件連接之可控切換構件及一控制單元。在 該低電壓模式中，該LED光源展現一第一正向電壓，在該 高電壓模式中，該LED光源展現高於該第一正向電壓之一 第二正向電壓。該控制單元經組態以當供應至該LED光源 之一操作電流對應於一第一電流臨限值時將該等切換構件 設定為該低電壓模式且當該供應電流對應於一第二電流臨 限值時將該等切換構件設定為該高電壓模式。 如上所提及’本發明之LED電路配置包括經調適以在操 作期間將一操作電壓提供至該LED光源之一電壓輸入端。 因此’該電壓輸入端可包括一電壓受控之適合電源供應單 159415.doc 201234329 元或可經調適以連接至一適合電壓源，例如一適合外部電 源供應器。内部/外部電源供應器可經調適以提供（例 如）3.3伏特、5伏特、12伏特、13.8伏特、24伏特或48伏特 之一標稱輸出電壓且可被充電至一界定最大電流。此一電 源供應器可（例如）為具有一整流器之一簡單市電可連接變 壓器或一電池。該電源供應器可視情況包括濾波器電路。 因此’該電壓輸入端可（例如）包括兩個電端子，諸如焊接 塾、引線接合墊或用於連接至電源之任何適合導體或插 頭。 雖然根據本發明之術語「操作電壓」意指一單極電壓 (例如一 DC電壓）’但本發明之led電路配置允許電壓之一 特定變動，諸如經由一典型非穩壓整流器而自一市電線提 供之一 DC電壓之一電壓「突波」。例如，若電路配置經設 置以自電壓源（一對應可分離電連接器）被移除，則電壓輸 入端當然可包括額外電或機械組件。 電抗元件係與電壓輸入端串聯連接以給LED單元提供 「電抗功率」《因此，電抗元件可配置於電壓輸入端與 LED光源之間，但可依據各自應用而代以與前述組件之一 者整合或部分整合。電抗元件可（例如）配置於電壓輸入端 之電端子之一者與LED光源之一對應端子之間。 電抗70件可為任何適合種類之能量儲存器（諸如一磁場 能量儲存器’例如一電感器、一耦合電感器、一變壓器、 一適合導體或任何類型之電組件）以提供電感性。然而， 電抗το件較佳為-電感器，例如具有適合類型&電感係數 159415.doc 201234329 之一線圈。 根據本發明之LED電路配置進一步包括具有一第一 LED 單元及一第二LED單元之該LED光源。該第一 LED單元及 該第二LED單元各包括至少一發光二極體，就本發明而 言，該等LED單元可包括任何類型之固態光源，諸如一無 機LED、一有機LED或一固態雷射，例如一雷射二極體。 對於一般照明應用，LED單元可較佳包括至少一高功率 LED，即，具有大於1流明之一光通量。較佳地，該高功 率LED提供大於20流明、最佳為大於50流明之一光通量。 對於改進應用，LED光源之總通量尤佳為在300流明至 10，0 0 0流明之範圍内。 最佳地，該第一LED單元及/或該第二LED單元之發光二 極體係整體形成於一單一半導體晶粒或基板上以提供一緊 密設置。 當然，LED單元可進一步包括電組件或電子組件（諸如 一驅動器單元）（例如）以設定亮度及/或色彩、一濾波狀態 或一濾波電容器。各LED單元可包括一個以上LED(例如） 以增大LED光源之光通量，或在期望對發射光進行色彩控 制之應用中（例如）使用RGB LED。 根據本發明，LED光源進一步包括可控切換構件以在一 低電壓模式及一高電壓模式中將第一LED單元及第二LED 單元與電抗元件連接。因此，切換構件可為任何適合類型 以實現可在該低電壓模式或該高電壓模式中連接該等LED 單元與該電抗元件。當然，可存在另外電路以實現該等低 159415.doc 201234329 及奇電愿模式。然而，切換構件能夠分別控制各自操作模 式，即，低及咼電壓模式。較佳地，切換構件應適應於應 用之電規格（就最大電壓與電流及有關切換頻率而言）， 即，應被週期性設定為該低電壓模式及該高電壓模式。最 佳地，切換構件係結合電抗元件及操作電壓而調適以提供 高於20千赫茲之一切換頻率。 切換構件可包括一或多個適合電切換裝置或電子切換裝 置例如或多個電晶體，尤其是一或多個雙極及/或場 效電晶體。較佳地，切換構件包括一或多個m〇sfet(金屬 氧化物半導體場效電晶體），其等在切換電流及頻率範圍 方面尤其有利。 該控制單7G通過一適合有線或無線控制連接而控制切換 構件。控制單元經組態以#供應至該LED光源之_操作電 流對應於該第-臨限值時將該等切換構件控制至低電壓模 式且當該供應電流對應於該第二臨限值時將該等切換構件 控制至高電壓模式。因此，控制單元經調適以（例如）當一 操作電壓係經由電壓輸人端而提供至電路配置時依據操作 期間之電流位準（即’通過LED光源之電流）而控制切換構 件。 如上所述，控制單元可為任何適合類型以實現切換構件 控制。因此’控制單元可包括離散及/或整合之電組件或 電子組件、-微處理器及/或—電腦單元(例如經適去程式 化）。較佳地，控制單元係與切換構件整合以提供 密設置。 、取茱 159415.doc 201234329 丄：？二臨限值可為固定設定值，例如根據各 。•根據第-LED單元及第二LED單元之LED之類 型及電流消耗)之出廠設定。替代地，第-臨限值及第二 臨限值：變動’例如儲存在一適合記憶體中。在此情： 中’可提供-使用者介面以允許使用者或安裝著設定臨限 值。替代地或另外’臨限值可由1饋單元設定或影響， 例如量測操作期間之LED單元之光通量。 曰 根據本發明，第—臨限值及第二臨限值意指界定電流位 準使得控制單元可相應地設定切換構件之操作模式以提供 一基於電流之控制。因此’根據操作電流之位準而設定切 換構件之操作模式。控制單元㈣切換構件以當操作電流 對應於該第-臨限值時以低電壓模式操作。相應地，切換 構件經控#’J以當供應電流對應力該第二臨限值時以高電壓 模式操作。 切換構件之兩個操作模式使LED光源之正向電壓彼此不 同。當一電壓係（例如）通過電壓輸入端而施加至LED光源 時，術语「LED光源之正向電壓」在本文中意指橫跨LED 光源之總壓降。 因此，低電壓模式中之根據第一正向電壓之總壓降低於 高電壓模式中之根據第二正向電壓之壓降。 假定一相對恆定或變化緩慢之操作電壓，led光源之不 同壓降有利允許控制電流’因為串聯電抗元件在某種程度 使麵作電壓與橫跨LED早元之電壓去耗合且依據各自電壓 位準而將一電流提供至LED光源。例如，在低電壓模式 159415.doc 201234329 中’電抗元件可經組態以在一充電模式中操作（即，儲存 能量）’從而導致電流增大《在高電壓模式中，電抗元件 可相應地在一放電模式中操作使得電流不斷減小《因此， 本發明之電路配置提供在根據第一臨限值及第二臨限值之 一控制裕度内調節通過第一 LED單元及第二LED單元之電 流。因此，可用一電壓源$非一固定電流源或複雜電流控 制電路來操作LED電路配置。 當然’ LED電路配置及/或LED光源可包括另外組件（諸 如一外殼、一或多個插座、一濾波級、一閃爍過濾電路及/ 或另外控制電路）（例如）以設定發射光之色彩（就至少— RGB LED單元而言）。另外，可較佳存在一通信介面以經 由一 0至10伏特控制信號、Dali、DMX、乙太網、 WLAN、Zigbee或類似物而（例如）自一壁裝式調光器接收 控制指令及/或報告狀態資訊。 如上所提及，可根據應用且尤其根據led單元之電流位 準而設定第一臨限值及第二臨限值。根據本發明之一較佳 實施例，對應於第一臨限值之電流小於對應於第二臨限值 之電流。 尤其在後一情況中，控制單元經較佳組態以控制該等切 換構件以當操作電流小於及/或等於該第一臨限值時以低 電壓模式操作。最佳地，控制單元經另外組態以控制該等 刀換構件以g操作電流高於及/或等於該第二臨限值時以 高電壓模式操作。 較佳地，在低電壓模式中，該LED光源之正向電壓 159415.doc 201234329 最佳地，在高電壓 第二正向電壓）高於 (即，第一正向電壓）小於該操作電壓 模式中，該LED光源之正向電壓（即， 操作電壓。 本實施例允許在—切換模式控制（例如對應於-切換式 電源供應n(SMPS)(諸如—㈣轉換器）之操作）下操作led 電路配置以提供-進-步增強且靈活之控制。根據本實施 例，低電壓模式中之LED光源之第一正向電壓（例如咖翠 兀之總正向電壓）低於操作電壓。對應地，在此操作模式 中，存在橫跨電抗元件之-壓降以導致電流增大。在高電 壓模式巾，LED光源之第二正向電壓高於操作電|以導致 橫跨電抗元件（其（例如）可為一串聯電感）之一負電壓，如 前所提及。相應地’電流減小。因為電抗元件因能量儲存 行為而試圖維持電流位準，所以高電壓模式中施加至led 光源之電壓高於操作電壓以實現通過LED光源之一電流流 動。因此，根據本實施例之電路對應於一升壓轉換電路。 較佳地，切換構件係適應於一連續操作使得lEE)單元被 連續供電，即，在兩個切換模式中與電抗元件連接。本實 施例有利減少光閃爍，因為兩個LED單元被穩定供予電力 且因此連續產生光。此外，可有利增大切換構件之切換頻 率，因為LED單元之固有電容未被完全放電。 根據本發明之一發展，切換構件經調適使得在該低正向 電壓模式中該第一 LED單元及該第二LED單元係彼此並聯 連接。較佳地’切換構件係進一步調適以在高電壓模式中 使第一LED單元與第二LED單元彼此串聯連接。本實施例 159415.doc 201234329 有利允許一進一步簡化之電路配置β LED單元之並聯配置提供LED光源之—相對較低第一正 向電壓，根據本實施例，該第一正向電壓實質上對應於並 聯連接之該第一 LED單元及該第二LED單元之正向電壓。 在高電壓模式中，即，在LED單元串聯連接後，LED光源 之第二正向電壓實質上對應於第一LED單元及第二led單 元之正向電壓之和。因此，本實施例提供一進一步簡化電 路設計之該等低及高電壓模式之前面所提及控制且進一步 有利實現一連續操作以減少LED單元之光輸出中之光閃 傑0 切換構件可經設置以根據任何適合設計而切換於該等並 聯與串聯操作之間。較佳地，切換構件包括至少兩個切換 裝置以使LED單元彼此並聯或串聯連接。 例如，在一第一切換狀態中，兩個切換裝置可經設置以 使LED單元彼此並聯連接。在此情況中，第一led單元及 第二LED單元之總配置係分別與電抗元件及電壓輸入端串 聯連接。在一第二狀態中，第一LED單元及第二LED單元 係（例如）通過包括一反向電壓保護二極體及/或另—切換裝 置（諸如一 MOSFET)之一適合橋接電路而彼此串聯連接。 亦在此時’串聯連接之兩個lED單元係與電抗元件串聯連 如上所論述’在第一LED單元及第二LED單元係彼此串 聯連接之情況中，led光源之正向電壓對應於第—LED翠 元及第二LED單元之正向電壓之和。可根據應用而選擇第 I59415.doc •12· 201234329 一 LED單元及第二LED單元之正向電壓。為使大多數應用 獲得一高品質光輸出’較佳的是該第一 LED單元之正向電 壓實質上對應於第二LED單元之正向電壓，此導致一尤其 有利電壓比，例如接近於1:1。當然，可能尤其由於一典 型批量製程之製造容限而難以提供具有相等正向電壓之該 第一 LED早元及該第二LED單元。然而，若該第一 LED單 元及該第·一 LED早元係彼此並聯連接，則一偏差導致不相 等電流均流以導致LED單元之不相等應力及不相等光產 生。因此，該第一LED單元之正向電壓較佳在該第二led 單元之正向電壓之90%至110%之一範圍内。 適合電壓範圍亦可取決於所使用LED之正向特性。對於 正向電壓之間之一給定差，LED(即，LED單元）之電流-電 壓曲線越陡’一可能電流均流「失配」可越高。因此，替 代於一正向電壓匹配要求或除一正向電壓匹配要求以外， LED單元可適應於一給定電壓下之一界定正向電壓匹配， 即，根據特定應用而設定。在此一情況中，在一給定正向 電壓處，第一LED單元之電流實質上應對應於第二lED單 元之電流’例如在第二LED單元之電流之90%至110%之一 範圍内》 根據本發明之一發展’切換構件係由控制單元控制以具 有400赫兹至40兆赫茲、較佳為16千赫茲至1〇兆赫茲及最 佳為20千赫茲至4兆赫茲之一切換頻率。本實施例有利提 供一進一步減少之光閃爍以增強LED電路配置之光輸出》 較佳地’控制單元包括電流偵測電路以測定通過led光 159415.doc -13- 201234329 源之電流》電流偵測電路可為任何適合類型以實現㈣電 路配置之操作期間之可靠偵測。電流偵測電路應將一信號 (對應於操作期間通過LED光源及/或LED單元之電流之存 在電流位準)提供至控制單元。電流偵測電路可與該控制 單元整體形成(例如)於一對應微控制器令，或可經分離設 置且通過一適合有線或無線信號傳輸連接而連接至控制單 元。較佳地，電流偵測單元包括與第一LED單元及第二 LED單το串聯連接之一電流感測電阻器以將對應於通過 LED單元之電流之一電壓信號提供至控制單元。 最佳地，經由適合電路（例如一去耦二極體、一濾波電 今器及一線性電壓調節器）而用操作期間自存在於LED光源 中之電壓產出之一輔助供應電壓（諸如LED單元之任一者之 操作電壓或正向電壓）來操作控制單元。使辅助供應電壓 自已存在於LED光源中之電壓產出係有利的，因為LED光 源接著無需額外端子來供給一外部產生之輔助供應電壓。 如上所論述’ LED單元之發光二極體係較佳形成於一共 同半導體晶粒、基板或模組上。尤其當使用高功率led 時’若干LED(即，pn接面）可形成於一單一晶粒上以給照 明或一般照明應用提供所需光通量。相應地，可尤其在後 一情況中形成在該共同晶粒上之第一 LED單元及第二LED 單元。 根據本發明之另一發展，LED單元、切換構件及/或控制 單元係彼此整體形成（例如）於一單一晶粒上或一共同封裝 或模組中。本實施例允許本發明之電路配置之尺寸進一步 159415.doc 201234329 減小以提供一高度緊密設置。 LED單元、切換構件及/或控制單元可設置在一單一半導 體晶粒上以提供一進一步簡化製程。替代地，可存在一電 基台以機械支撐及/或電連接LED單元，該基台包括切換構 件及/或控制單元。當然，該基台可包括另外電或機械元 件’諸如（例如）一散熱器或散熱管以驅散由LED光源之 LED單元或另外電子組件產生之熱。 進一步較佳地’電抗元件係與LED光源（即，LED單元、 切換構件及/或控制單元）形成一體。最佳地，電抗元件係 與該電基台形成一體。 根據本發明之另一較佳實施例，LED光源係一雙極裝 置。就本解釋而言，一雙極或雙接針裝置係具有用於連接 至該LED電路配置之兩個電端子之一電組件。 本實施例在將LED光源安裝至一印刷電路板方面係尤其 有利。雖然LED光源包括一内部電流控制（如上所論述）， 但一使用者可以與一常見先前技術led光源相同之方式將 裝置整合至一 PCB佈局中。因此，LED光源可被視為具有 一「準陽極」及一「準陰極」。 根據本發明之一發展，LED電路配置包括與電壓輸入端 串聯連接之一個以上LED光源。根據本實施例，可藉由多 個LED光源之一對應串聯連接而進一步增加本發明之電路 配置之光通量，如上所解釋。特定言之，本實施例實現使 一 LED電路配置與連接至多個LED光源之一單一電抗元件 一起使用。因為電壓輸入端提供一操作電壓且電流係由各 159415.doc •15· 201234329 LED光源内部控制，所以無需進一步調適電路。然而，當 然’在一標準電源供應器被使用且與電壓輸入端連接之情 況中，電壓、電流及功率額定值應允許操作各自數量之 LED光源。另外或替代地，根據先前技術，led電路配置 較佳具有與本發明之該一或多個LED光源及該至少一電抗 元件串聯連接之一或多個LED。此一組合電路配置尤其具 成本效益且同時提供一增加光通量。 此外，多個LED電路配置可並聯連接至該電源供應器以 增加光通量。 切換模式操作之切換頻率及因此之作用時間循環主要取 決於操作電壓。因為通過第一 LED單元及第二LED單元之 電流在低及高電壓模式中可不同’所以兩個模式中之光通 量可不同以導致光通量與操作電壓之相依性。雖然此可有 利實現在一特定範圍内容易地設定光通量（尤其在使用一 非穩壓電源供應器之情況中），但會損害光輸出之品質。 根據本發明之另一較佳實施例’控制單元經組態以調適 第一臨限值及/或第二臨限值使得通過LED光源之電流對應 於一預定義平均燈電流。因為光通量取決於平均燈電流， 所以本實施例允許設定與輸入電壓位準無關之光通量，因 此提供一進一步穩定光輸出。平均燈電流可根據應用而設 定（例如藉由一使用者利用一對應使用者介面）且被儲存在 一適合記憶體中或在出廠時被設定。替代地或另外，平均 燈電流可變動且由控制單元調適，例如使用經設置以量測 輸出光通量且將平均燈電流設定為一給定設定通量之一回 159415.doc -16· 201234329 饋裝置。因此’本實施例有利允許補償（例如）老化及溫度 效應。 較佳地’控制單元經組態以測定輸入電壓（例如使用一 電壓量測電路）且相應地調適平均燈電流。在此情況中， 控制單元可經組態以設定平均燈電流以提供與輸入電壓基 本無關之一恆定光通量。替代地或另外，控制單元可經組 態以根據與輸入電壓之一給定關係而設定平均燈電流。相 應地，可藉由控制輸入電壓而設定LED光源之光通量， 即，無需另一控制信號或使用者介面。最佳地，控制單元 經組態以調適第一（例如較低）電流臨限值以提供預定義平 均燈電流。 根據本發明之led光源經調適以與一 LED電路配置一起 操作，如上所論述。LED光源包括各具有至少一發光二極 體之一第-LED單元與-第二LED單元、在__低電壓模式 及一高電壓模式中將該等LED單元與一電抗元件連接之可 控切換構件及-控制單元。在該低電壓模式中，led光源 展現一第-正向電壓。在該高電壓模式中，led光源展現 门；i帛正向電壓之一第二正向電|。該控制單元經組 心乂田由該電壓供應器供應之一電流對應於一第一臨限值 時將該等切換構件設;t為該低電壓模式且#該供應電流對 應於-第二臨限值時將該等㈣構件設^為該高電壓模 式。當然’ LEDS源可較佳適應於以上較佳實施例。 根據用一操作電壓來操作-LED光源之發明方法，該 LED光源包括各具有至少一發光 二極體之一第一 LED單元 159415.doc •17· 201234329 與一第二LED單元及在一低電壓模式及一高電壓模式令將 該等LED單元與一電抗元件連接之可控切換構件。在該低 電壓模式中’ LED光源展現一第一正向電壓。在該高電壓 模式中，LED光源展現高於該第一正向電壓之一第二正向 電壓。該等切換構件在供應至該LED光源之一操作電流對 應於一第一臨限值時被設定為該低電壓模式且在該供應電 流對應於一第二臨限值時被設定為該高電壓模式。當然， 可較佳使用根據以上實施例之一 LED電路配置來操作led 光源。 【實施方式】 將自較佳實施例之描述明白本發明之以上及其他目的、 特徵及優點。 圖1展示根據本發明之一第一實施例之一 LED電路配置1 之一電路示意圖。LED電路配置1包括與一LED光源3連接 之一 LED供應電路2。LED光源3係形成為一單一模組或晶 片’如以下參考圖2所解釋。LED供應電路2包括一電壓輸 入端4a及一電壓輸入端4b ’即’根據本實施例之用於連接 至提供一 15伏特直流電壓之一電壓供應器5之兩個端子。 供應器5可（例如）為連接至一對應市電線且包含一整流器以 以提供該直流電壓之一切換式電源供應單元。 LED供應電路2進一步包括串聯連接於電壓輸入端4(及 因此之電壓供應器5)與LED光源3之間之一電抗元件6， 即，本實例中之具有一 100微亨電感係數之一線圈。 LED光源3包括用於與LED供應電路2連接之兩個端子7& 159415.doc • 18- 201234329 及7b因此，根據本實例之LED光源3可被稱為「雙極」 或雙接針」|置使得LED光源3可容易地整合至一既有 供應電路中。根據本貫施例之端子7&及係設置為用於連 接至（例如）一印刷電路板之金屬焊接墊。led光源3進一步 包括一第-LED單元8及一第二LED單元9,根據本實例， 其等各包括串聯配置之三個高功率發光二極體48(圖ι中未 ，不）以導致約9伏特之—界定正向電堡。根據本實施例， 提供包括兩個可控開關11之切換構件1〇以將第一 led單元 8及第二LED單元9與電抗元件6連接且因此將第一 LED單元 8及第二LED單元9與電壓供應器5連接。一控制單元丨之通 過圖1中虛線所指示之一適合控制連接而操作開關丨丨。根 據本實例，控制單元12包括經適當程式化以用於電流控制 之一微控制器，如下所論述。此外，控制單元12係與電流 偵測器13連接以量測通過電路配置丨之電流。切換構件w 經設置以在一高電壓模式及一低電壓模式中操作led光源 3。 ’、 在高電壓模式中，開關U係斷開，如圖i中所示。相應 地，第一 LED單元8與第二LED單元9係通過包括一反向電 壓保s筻一極體15之橋接電路14而與彼此及電抗元件6串聯 連接以導致LED光源3之一界定第一總正向電壓。在低電 壓模式中，兩個開關11係閉合使得第一 LED單元8與第_ LED單元9係彼此並聯連接以導致LED光源3之—界定第一 正向電壓。在此模式中，反向電壓保護二極體15防止—短 路。因此，可在兩個模式中設定LED光源3。（例如）量測於 159415.doc -19· 201234329 兩個端子7a與7b之間之LED光源3(及因此之LED單元8、9) 之總正向電壓可被相應設定為低電壓模式中之LED光源之 一9伏特第一正向電壓及高電壓模式中之lED光源3之一 18 伏特第二正向電壓。相應地，低電壓模式中之LED光源3 之總正向電壓低於電壓供應器5之電壓。在高電壓模式 中’正向電壓高於供應電壓。 下文中參考圖2之時序圖而解釋根據圖丨之實施例之本發 明之LED電路配置1之操作原理。圖中顯示隨時間逝去而 變化之通過電抗元件6且因此通過led光源3之端子7a及7b 之電流IL及I】UNC，開始於LED電路配置1連接至電源，即， 至電壓供應器5。 電流I】unc意指各LED單元8、9之LED之每接點有效電 流。取決於LED光源3係處於低電壓模式或高電壓模式 3 3，電流IL分別流動通過並聯或串聯之兩個單元8及 9。因此，每LED單元8、9之有效電流I;UNc對應於高電壓 模式33下之電流IL及低電壓模式32下之電流1之一半，因 為此時兩個LED單元8、9係並聯連接使得電流II被均分。 根據本實例，假定LED單元8、9展現對應電特性，即， LED單元8、9之正向電壓之電壓比為1:卜因此，電流— 均分。如上所提及，控制單元12經調適以使用電流偵測器 13來量測通過LED光源3之電流lL。控制單元12經調適以控 制切換構件10之開關11，自該低電壓模式（即，並聯連接） 至該串聯連接。根據本實例，控制單元12係程式化以使一 第一電流臨限值30為700毫安培且使一第二電流臨限值31 159415.doc -20· 201234329 為1400毫安培，即，比第一臨限值30高出700毫安培之 「電流突波」Δί。當量測電流低於或對應於該第一臨限值 3〇時，控制單元12控制切換構件1〇以在低電壓模式32下操 作。即使電流IL進—步增Α，切換構件1〇亦保持處於低電 壓模式。若電流達到（即，等於或高於）該第二臨限值31， 則切換構件10經控制以在高電壓模式33下操作。此外，切 換構件10係保持處於高電壓模式33直至電流^等於或低於 第-臨限值30。因此，可根據本發明而適當利用電流控制 以貫現使電流IL保持處於操作狀態，即，在第一臨限值與 第二臨限值之間之正常操作狀況下。本實例導致約3〇千赫 茲之一切換頻率。 當然，切換構件1〇之作用時間循環或切換頻率取決於臨 限值30、31且因此取決於電流突波Δί、電抗元件6之電感 係數及LED單元8、9之特性（即，尤其是正向電壓）。為給 前面所提及之臨限值提供20千赫兹至4兆赫兹範圍内之1 切換頻率，約150微亨至750奈亨之一電感係數係尤佳。 因此’設置之操作f質上對應於一升壓轉換器之操作使 得一熟習此項技術者可使用已知設計標準及公式根據各自 應用而設定一作用時間循環或切換頻率。 參考圖2,藉由將電路丨連接至電壓供應器5而開始控制 單元12之操作。最初，控制單元12將切換構件1〇設定為低 電壓模式32。電流IL將相應為零。因為在低電壓模式u下 LED光源3之有效總正向電壓低於電壓供應器5之操作電 壓，如上所論述，所以存在橫跨電抗元件6之—壓降。相 159415.doc 21 201234329 應地，電流IL在低電壓模式/相位3 2期間增大。 當電流IL達到第二臨限值3 1時，控制單元丨2將切換構件 ίο之開關11設定為斷開狀態，即，高電壓模式/相位33。 在此模式中，LED單元8、9之總正向電壓因串聯連接而高 於電壓供應器5之電壓。然而，因為電抗元件6將試圖抵抗 II之變化’所以LED光源3之端子7處之電壓增大至一位 準’其中電流可流動通過串聯連接之第一 Led單元8、第 二LED單元9及反向電壓保護二極體15。電壓之增大與切 換構件10之切斷程序同時發生以導致一連續電流流動且因 此導致第一 LED單元8及第二LED單元9之LED之一連續操 作。 因為根據該高電壓模式33之總正向電壓高於電壓供應器 5之操作電壓，所以橫跨電抗元件6之電壓為負以導致高電 壓模式3 3下電流IL之一減小，如圖2中所示。當電流iL達到 第一臨限值30時，控制單元12再次控制切換構件1〇之開關 11以在低電壓模式32(即，第一 LED單元8及第二LED單元9 之並聯操作模式）下操作。相應地，電流1在隨後低電壓模 式32下增大且重複以上所論述之操作。因此，LED光源3 之控制單元12之操作提供兩個臨限值30、3 1内之電流控制 且因此允許用一電壓供應器5來操作LED光源3，同時使電 流穩定。因此’可有利省略一複雜電流調節器》另外， LED單元8、9之LED 48連續具有操作電流以由於高切換頻 率而導致不滅且實質上無閃爍之一光輸出。當用高於高電 壓模式33下之LED光源3之總正向電壓之一電壓來操作電 159415.doc •22· 201234329 路配置1時’内部電流調節無效。相反，接著可操作LED 光源3(如一系列典型led 48)，其中電流需由外部控制。 相應地，相同光源3(其操作為一特定供應電壓範圍内之一 自控裝置）可在被暴露於高於高電壓模式33下之總正向電 壓之一供應電壓時被操作為一正常高電壓LED光源3。此 時，一限流裝置應設置在外部。因此，LED光源3及電路 配置1具有非常多之功能。當然，應根據各自應用且尤其 相關於所使用之供應電壓及特定電組件而調適電特性以及 電流臨限值《然而，一般技術者可進行此調適。 如上所論述，LED光源3可形成為一整合模組，因此具 有一有利小型尺寸《圖3a展示實質上對應於圖實施例 之一光源3’之一實施例之一橫截面圖。如圖所示，第一 LED單元8及第二LED單元9係各由包括二極體半導體結構 之一磊晶半導體層20a、20b(如此項技術中所知）形成。磷 光體層21a、21b係設置在磊晶半導體層2〇a、2〇b之頂上以 提供一白光輸出。通過一標準半導體製程而形成LED光源 模組3’之以上所提及層2〇a、2〇b、2U、2lb以允許一具成 本效益设置。半導體層2〇a、2〇b係經由焊接點22而連接至 一電基台23以提供所需電連接及機械固定。 如圖3a中所扼不’電基台23包括圖1中所示之LED光源 模組3’之其餘電組件’即，切換構件1〇、控制單元12、電 流偵測器13及具有反向電壓保護二極體“之橋接電路14。 為清晰起見’圖3a中未顯示前面所提及組件之全部。亦藉 由標準已知半導體陶究或印刷電路板製程而形成電基台 159415.doc •23- 201234329 23 °總配置可通過對應焊接端子73及7b而連接至LED供應 電路2(圖3a中未顯示）。一散熱介面24經設置以驅散由LED 單元8、9及電基台23產生之熱。圖3b展示一 LED光源3'，之 另一實施例。 除充當電抗元件6,之另一電感層25以外，圖3b之實施例 實質上對應於圖3a之實施例。相應地，LED光源3'，提供一 經進一步整合設置使得LED光源3"可通過電壓輸入端4a及 4b而容易地連接至電壓供應器5。 圖3c展示本發明之Led光源3，，'之另一實施例。除此處不 存在電基台23以外，圖3c之實施例實質上對應於圖3a之實 施例。相應地’第一LED單元8及第二LED單元9係經由焊 接點22而連接至包括led光源3"，之前面所提及另外組件 (即’可控切換構件10、控制單元12、電流偵測器13及橋 接電路14(圖3c中未顯示））之一印刷電路板26。 圖4展示根據另一實施例之一 led電路配置Γ之一電路示 意圖。 除經修改之切換構件1〇,及控制單元12，以外，圖4之電路 配置1 ’之實施例實質上對應於以上參考圖1而解釋之實施 例。根據本實例之切換構件1 〇,包括由一控制單元12,控制 之兩個MOSFET 40a及40b。根據圖4之實施例，控制單元 12包括一正反器裝置46，其之輸出端Q係連接至閘極驅動 器47。閘極驅動器47用來將正反器裝置46之信號放大至適 。於駆動MOSFET 40之閘極之一位準。根據本實例， MOSFET 40a為N通道型’而MOSFET 40b為P通道型。取 -24· 159415.doc

201234329 決於所使用MOSFET 40a、40b之特定類型，可無需位準位 移來驅動P通道MOSFET 40b，即，在高正向電壓低於p通 道MOSFET 40b之允許閘極-源極電壓之條件下。此項技術 中存在用於MOSFET閘極驅動之多個驅動板（c〇ncept)及驅 動器1C。對於前面所提及之整合裝置，一適合電路係基於 基台23而實現以考量MOSFET 40之輸入特性、電壓位準及 預期切換頻率。此外，控制單元12·包括分別連接至一第一 參考電壓產生器42及第二參考電壓產生器43之一第一比較 器44及一第二比較器45。 比較器44、45比較輸送至其等輸入連接件之電壓位準。 若各自非反相輸入端（圖4中標記「+」記號）處之電壓高於 各自另一反相輸入端處之電壓，則至正反器裝置46之輸出 信號為高態。相應地，若非反相輸入端處之電壓低於反相 輸入端處之電壓，則輸出信號為低態。比較器44、杉應具 有一適當共模電壓範圍以允許期望切換操作。為使效率高 效，橫跨感測電阻器41之壓降應相當小，例如低於1〇〇毫 伏特。因此，比較器44、45必須用接近於接地電位之一輸 入信號來操作，可將該接地電位設置為最大負供應電壓。 可在市場上料用於本應用之多個類型比較^，通常被稱 為單電源」或甚至「軌對轨輸入」比較器。最簡言之， 一適合差動放大器可用作為一比較器。 參考電壓產生器42可包括由具有—適合電壓位準及穩定 性之—共同辅助供應器供電之個別偏壓齊納二極體、能帶 隙參考或簡單分壓器。 159415.doc -25- 201234329 第一比較器44及第二比較器45係與電流偵測器13連接， 根據本實例，電流偵測器13包括一電流感測電阻器4丨。電 阻器41將對應於通過燈3·"·之存在電流之一電壓提供至第 一比較器44及第二比較器45 »比較器44、45比較信號與由 s亥第一參考電壓產生器42及該第二參考電壓產生器43供應 之參考電壓，該等參考電壓經設定以對應於第一電流臨限 值3 0及第二電流臨限值3 1。在起動階段期間，在裝置初始 化之後，比較器45產生一高態信號以設定正反器裝置46。 相應地，正反器46之輸出端Q為高態以導致m〇SFet 40處 於閉合狀態。因此，LED光源3""被設定為低電壓模式。 當橫跨電阻器41之壓降達到第一臨限值3〇時，比較器45產 生一低態輸出信號’但開關將因正反器裝置46而保持處於 閉合狀態。當橫跨電阻器41之壓降達到第二臨限值 3 1(即’由第二參考電壓產生器43設定之電壓）時，比較器 44產生一高態輸出信號以重新設定正反器裝置私使得 MOSFET 40被撤銷啟動，即，被設定為斷開狀態。因此， LED光源3"''被設定為高電壓模式以導致電流減小，如以 上參考圖2所論述。圖4之實施例提供LED光源3'M，之一簡 單且因此具成本效益之設置。如上所論述，由對應第一參 考電壓產生器42及第二參考電壓產生器43設定第一電流臨 限值30及第二電流臨限值31。雖然在兩個模式（即，低電 壓模式與高電壓模式）下兩個LED單元8、9(各包括軍— LED 48)連續具有一操作電流，但兩個模式中之光通量因 LED單元8、9自一並聯連接切換至一串聯連接而當然不 -26- 159415.doc

201234329 同。因此，LED單元8、9之光通量取決於控制之作用時間 循環且因此至少在某種程度上取決於電壓供應器5之電 壓，雖然能夠藉由變動高正向電壓與低正向電壓之間之操 作電壓而有利控制光通量，但用一不夠穩壓之電壓源5來 操作電路Γ使相依性無法令人滿意。 圖5展示根據本發明之另一實施例之一 LED電路配置广 t 之一電路示意圖。除控制單元12M及第一 LED單元8，與第二 LED單元9’以外，圖5之實施例實質上對應於以上參考圖4 而解釋之實施例。參考圖5，第一LED單元8,及第二單 元9’各僅包括一單一LED 48。控制單元12"包括另一電壓 源52以測定第一臨限值3〇與第二臨限值3 1之間之差值且因 此測定通過電抗元件6之電流II之電流突波Δί ^ 一第一 op- amp(運算 放大器 ）50設定第 一電流 臨限值3〇及第二電流臨 限值31。此等值不再恆定，因為第一〇p_AMp 5〇之輸入端 係連接至電容器58、電阻器56、57之配置及正反器裝置钧 之反相輸出端使得第一電流臨限值3〇主要取決於作用時間 循環。切換操作之一熱熔斷器55提供過熱保護。一第二 OP AMP 5 1係與電阻器41連接以提供對應於通過led光源 1’’之存在電流之一信號，如上所論述。與圖4之實施例對 應，閘極驅動器53(例如OP-AMP)用來將正反器裝置46之 信號放大至適合於驅動M0SFET 5牦及54b之間極之一位 準。正反器裝置46之反相輸出端係連接至一第一閘極驅動 器53且正反器裝置46之輸出端（^係連接至一第二閘極驅動 器53。 159415.doc •27- 201234329 根據本實施例’第一電流臨限值3〇及第二電流臨限值3 i 可變動且取決於切換操作之作用時間循環使得輸出光通量 與電壓供應器5之輸入電壓線性相依，藉此實現調光能力 且無需額外控制構件。由電阻器57及電容器58形成之RC 電路過濾MOSFET 54a及54b之作用時間循環之任何高頻分 量使得平均值係用以設定第一電流臨限值3〇及第二電流臨 限值3 1。當LED電路配置1"之溫度達到一上限時，熱溶斷 器5 5將作用時間循環信號箝位至一低值使得平均電感器電 II將為低態以用一低或零功率位準驅動led 48。 開關54a及54b之作用時間循環係界定為： dK=^ = Ji-{\__,

Ts Vfhlgh) 其中Vsupply為施加至LED光源3M,M之端子7之電壓且Vfhigh係 高電壓模式33下LED光源3""·之總正向電壓。時間Tup係電 抗元件6之充電時間，時間Ts描繪切換時間，及

其中vf1()w係低電壓模式32下LED光源3，，，，，之總正向電壓 以上實施例之特定情況如下：

Vfhigh 4=2-1- 切換頻率可表達為： 159415.doc • 28 - 201234329

p __ ^supply ~~ low dK 5 Zj Δ/ * 其中Ai係電抗元件6之電流突波振幅。 在K=2之情況中’且假定LED正向電壓在穩態操作中不 變動，輸送至LED 48之總平均功率可計算為：

LED vh

igh ' ^avO 其中Iav〇係電抗元件6之平均電感器電流，根據上述實施 例’ Iav〇與Vsupply無關且等於： r _ τ ΑΙ αν〇 — L) min > 其中iLlminS穩態下電感器電流波形之最小值。

可自以上表式明白，輸送至LED 48之平均功率隨V 处 Supply 而線性變動。最大功率跨度對應於〇51>啊。最大功率輸送 Pmax係隨vsuppiy接近vfhigh而實現。相應地，最小 . "丁 [ m in 係隨vsupply接近¥(。*而獲得。 —根據圖5，電壓源52界定電流突波ΔΙ，而〇P_AMp 5〇設 疋1Umin。後者不再恆定，因為OP-AMP 50之輸入對應於卜 d2因此，0P_AMp 5〇產生一輸出信號使得：

’Umin ⑷=/tlmin〇 + WH 本組 其中1umin0&mx係由電壓源52之設定值界定。因此 態中之平均輸出電流為： 159415.doc -29- 201234329 '…卜⑷+教1-,)¾ » 已在圖式及先前描述中詳細繪示及描述本發明。此繪示 及描述被視為說明性或例示性且非限制性；本發明不受限 於所揭示實施例。例如’可根據一實施例而操作本發：： 其中： -LED單疋8、9包括_聯連接或並聯連接或其等之一組 合之更尚或更低數量之發光二極體48 ; -LED單元8、9包括0LED或雷射二極體作為發光元件； -電抗元件6係與LED光源模組3、3,、3，，、3,,,、3,,,,、 3m"整合； -在電路配置1、1，、1，，中，多個LED光源3、3,、3,，、 3"’、3""、3…"係串聯連接至電抗元件6; -電Μ供應器5係與LED供應電路2整合； -端子7a及7b係設置為（例如）一或多個燈頭之連接接 針’而非設置為引線接合墊或焊接墊；及/或 -控制單元12、12’、12M可具有經配置以將控制單元 12、12'、12"設定為一界定控制設定值之一模式開關。 此可經由正常端子7而執行，例如藉由在一特定模式中 啟動（例如加強）供應信號。接著，啟動或撤銷啟動切換 構件10且可用低或高模式電壓操作LED光源3、3'、3'，、 3’"、3’"，、3"’"。取決於 LED 光源 3、3,、3，，、3"，、3，，·，、 3"’"中模式開關之實現，此設定值可具非揮發性（永久儲 存在LED光源中）、具揮發性（在端子7處存在供應電壓時 159415.doc -30- 201234329 有效，但在停止供電後失效）或具動態性（僅在指令發出 後之一有限時間内有效，使得需要不時更新設定值以保 持處於期望控制模式，否則led光源3、3,、3"、3,，，、 3，M，' 3·’，，’進入正常内部控制模式，如上所提及 在申請專利範圍中，用語「包括」不排除其他元件或步 驟，且不定冠詞「一」不排除複數個。在互不相同之附屬 請求項或實施例中列舉某些措施之純事實並非指示不能有 利使用此等措施之一組合。申請專利範圍中之任何參考元 件符號不應被解譯為限制本發明之範圍。 【圖式簡單說明】 圖1展示根據本發明之一第一實施例之具有一 LED光源 之一 LED電路配置之一電路示意圖； 圖2展示操作期間圖1之LED電路配置中之電流之一時序 圖； 圖3a展示根據一第二實施例之一 LED光源之一橫截面 圖； 圖3b展示根據一第三實施例之一 led光源之一橫截面 園， 圖3c展示根據一第四實施例之一 LED光源之一橫截面 圖； 圖4展示根據本發明之另一實施例之led電路配置之一 電路示意圖；及 圖5展示根據本發明之另一實施例之LED電路配置之一 電路示意圖。 159415.doc -31· 201234329 【主要元件符號說明】 1 發光二極體（LED)電路配置 Γ LED電路配置 1" LED電路配置 2 LED供應電路 3 LED光源 3' LED光源 3" LED光源 3 "1 LED光源 3，，，， LED光源 3,"II LED光源 4 電壓輸入端 4a 電壓輸入端 4b 電壓輸入端 5 電壓供應器 6 電抗元件 6' 電抗元件 7 端子 7a 端子 7b 端子 8 第一 LED單元 8, 第一 LED單元 9 第二LED單元 9' 第二LED單元 159415.doc -32- 201234329 10 切換構件 10' 切換構件 11 開關 12 控制單元 12， 控制單元 12" 控制單元 13 電流偵測器 14 橋接電路 15 反向電壓保護二極體 20a 蟲晶半導體層 20b 遙晶半導體層 21a 磷光體層 21b 磷光體層 22 焊接點 23 電基台 24 散熱介面 25 電感層 26 印刷電路板 30 第一電流臨限值 31 第二電流臨限值 32 低電壓模式/相位 33 南電壓模式/相位 40a MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體） 40b MOSFET 159415.doc -33 - 201234329 41 電阻器 42 第一參考電壓產生器 43 第二參考電壓產生器 44 第一比較器 45 第二比較器 46 正反器裝置 47 閘極驅動器 48 LED 50 第一 OP-AMP(運算放大器） 51 第二 OP-AMP 52 電壓源 53 閘極驅動器 54a MOSFET 54b MOSFET 55 熱熔斷器 56 電阻器 57 電阻器 58 電容器 159415.doc • 34·

Claims (1)

1. 201234329 七、申請專利範圍： 1. 一種發光二極體（LED)電路配置，其至少具有： 一電壓輸入端（4) ’其經調適以提供一操作電壓； 一電抗元件（6)，其與該電壓輸入端串聯連接；及 一LED光源（3)，其包括： 一第一 LED單元及一第二LED單元（8、9)，其等各 具有至少一發光二極體； 可控切換構件（10)，其等在一低電壓模式及一高電 壓模式中將S亥等LED單元（8、9)與該電抗元件（6)連 接’該LED光源（3)具有該低電壓模式中之一第一正向 電壓及該高電壓模式中之一第二正向電壓，該第二正 向電壓高於該第一正向電壓；及 一控制單元（12)，其經組態以： 當供應至該LED光源（3)之一操作電流對應於一第 一臨限值（30)時將該等切換構件（1〇)設定為該低電 壓模式；及 當該供應電流對應於一第二臨限值（3 !)時將該等 切換構件（1 〇)設定為該高電壓模式。 2-如明求項1之LED電路配置，其中該LED光源（3)之該第 一正向電壓低於該操作電壓且該LED光源（3)之該第二正 向電壓高於該_作電壓。 3.如刖述凊求項中任一項之LED電路配置，其中該等lED 單元（8、9)係在該低電壓模式與該高電壓模式兩者下與 該電抗元件（6)連接。 159415.doc 201234329 4. 如前述請求項中任一項之LED電路配置，其中該等切換 構件（10)經調適使得： 在該低電壓模式中，該第-LED單元與該第二LED單 元（8、9)係彼此並聯連接；及 在該高電壓模式中，該第一LED單元與該第二led單 元（8、9)係彼此串聯連接。 5. 如前述請求項中任一項之LED電路配置，其中該第一 LED單元（8)之該正向電壓實質上對應於該第二led單元 (9)之該正向電壓。 6. 如則述請求項中任一項之LED電路配置，其中該等切換 構件（10)係由該控制單元（12)控制以具有4〇〇赫茲至4〇兆 赫茲之一切換頻率。 7. 如前述請求項中任一項之LED電路配置，其中該控制單 兀（12)包括電流偵測電路（13)以測定通過該led光源 之電流。 8. 如請求項7之LED電路配置，其中該控制單元（12)經組態 以調適該第一臨限值及/或該第二臨限值（3〇、31)使得通 過該LED光源（3)之該電流對應於一預定義平均燈電流。 9_如前述請求項中任一項之LED電路配置，其中該等]led 單元（8、9)、該等切換構件（1〇)及/或該控制單元（12)係 彼此形成一體。 10.如前述請求項中任一項之LED電路配置，其中該電抗元 件（6)係與鵁LED光源（3)形成一體。 11·如前述請求項中任一項之led電路配置，其中該led光 159415.doc 201234329 源（3)係一雙極裝置β 12. 如前述請求項中任一項之LED電路配置，其包括與該電 壓輸入端（4)串聯連接之一個以上led光源（3)。 13. 種用於與如前述請求項中任一項之LED電路配置（丨）一 起操作之LED光源，其包括·· 一第一 LED單元及一第二LED單元（8、9)，其等各具 有至少一發光二極體； 可控切換構件（10)，其等在一低電壓模式及一高電壓 模式中將該等LED單元（8、9)與一電抗元件（6)連接，該 LED光源（3)具有該低電壓模式中之一第一正向電壓及該 高電壓模式中之一第二正向電壓，該第二正向電壓高於 該第一正向電壓；及 一控制單元（12)，其經組態以： 當由該電壓供應器供應之一電流對應於一第一臨限 值（30)時將該等切換構件（1〇)設定為該低電壓模式；及 當該供應電流對應於一第二臨限值（3丨）時將該等切 換構件（10)設定為該高電壓模式。 —種用一操作電壓操作一LED光源（3)之方法，該led光 源（3)包括各具有至少一發光二極體之一第一LED單元與 ' 一第二LED單元（8、9)及在一低電壓模式及一高電壓模 式中將該等LED單元（8、9)與一電抗元件（6)連接之可控 切換構件（10)，該LED光源（3)具有該低電壓模式中之一 第一正向電壓及該高電壓模式中之一第二正向電壓，該 第一正向電壓咼於該第一正向電壓，其中該等切換構件 159415.doc 201234329 (10)在供應至該LED光源（3)之一操作電流對應於一第一 臨限值（30)時被設定為該低電壓模式且在該供應電流對 應於一第二臨限值（3 1)時被設定為該高電壓模式。 159415.doc