TW201311054A - 具發光二極體切換陣列之光引擎 - Google Patents

具發光二極體切換陣列之光引擎 Download PDF

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Abstract

一種發光二極體陣列切換裝置，其包括，在一單一印刷電路板基片上：複數個串接之發光二極體陣列D1至Dn，各發光二極體陣列具有一順向電壓；一交流電壓供應器，其被耦合至該等複數個發光二極體陣列；以及複數個固定電流源G1至Gn，其分別地被耦合至該等發光二極體陣列D1至Dn之輸出，該等固定電流源之各者可在一電流調整狀態以及一斷開狀態之間切換，以至於當該交流電壓供應器之電壓增加時，該等發光二極體陣列被導通並且發光以形成一較高順向電壓發光二極體串列，並且當該交流電壓供應器之電壓減少時，該等發光二極體陣列被斷電並且從最近發光之發光二極體陣列開始移除發光二極體串列。

Description

具發光二極體切換陣列之光引擎 有關申請之相互參考
這臺灣的申請案主張美國暫定專利申請第61/524163號案之專利權益以及優先權，其建檔於2011年8月16日，其整體內容將配合此處作為參考。
發明領域
本發明係關於具發光二極體切換陣列之光引擎。
發明背景
本發明大體上係關於用以驅動發光二極體(“LED”)，例如，那些被使用於發光二極體燈具與照明器具中者，之改進方法以及裝置，以及關於用以便利於將驅動電路以及發光二極體一起設置在一單獨封裝內之改進方法與裝置。
通常，使用發光二極體作為交流電源之光源需要一驅動器以將交流電源轉換至一調整的直流電源以供維持固定的光輸出。此一發光二極體驅動器是一具有匹配於發光二極體電氣特性(例如，順向電壓以及驅動電流)之輸出的自我內含之電源供應。通常，該驅動器被建立在一單獨的印刷電路板(PCB)上並且連接至一包含發光二極體陣列之發光二極體印刷電路板。
第1圖展示使用習知的反馳式變流器架構之交流-直流(AC-DC)發光二極體驅動器的一般電路。電路10包含具有火線(L)與中性線(N)端點之交流電源12、以及一整流器電路 14，其轉換交流電，例如，弦波，輸入波形至直流波形，例如，半波整流波形。該電路操作，因而當開關Q1導通時，電流直接地從整流的弦波被形成。電能被儲存於變壓器T1主要線圈之磁化電感器中。整流稽納二極體D1被反向偏壓並且發光二極體電流利用次要電容器Cout被供應。當Q1斷電時，二極體D1導通並且被儲存之電能被傳送至變壓器T1之第二線圈以及至輸出。控制器晶片U1，其可以是，例如，由iWatt公司所製造，用於交流/直流發光二極體驅動器之iW3620數位PWM固定電流控制器，藉由比較關於次要輸出電壓以及發光二極體電流之資訊而調整發光二極體電流，該資訊經由變壓器T1之輔助線圈，被反映至一固定參考，並且根據該比較，以調整開關Q1之責務週期。
交流-直流驅動器，例如，第1圖中被展示之一者，是複雜並且體積大的電路。由於為製造更簡單的電路之目的，發光二極體製造商已發展一交流發光二極體電路，其根本上是發光二極體發光電路，其可於交流電源上操作而不需要第1圖所展示之型式的複雜交流-直流驅動器。但是，該交流線路電壓是弦波並且多數低頻率交流發光二極體系統以整流模式操作，其以雙倍線頻率之速率將交流發光二極體斷電。
第2圖是習見的交流發光二極體電路之分解圖。於此一電路中，發光二極體可直接利用交流電源102被驅動而不必使用複雜變壓器。於所闡明之電路操作中，在例如，弦波，交流電源V之正的半週期期間，發光二極體串列S2被反向偏 壓並且發光二極體串列S1是導通並且發光。在交流電源V之負的半週期期間，發光二極體串列S1被反向偏壓並且發光二極體串列S2是導通並且發光。發光二極體串列S1以及S2之順向電壓是相等。電阻器R限定經由發光二極體串列S1以及S2之電流。
第3圖展示交流發光二極體電路之光輸出(亦即，光通量相對於時間)。從圖形可知，由於交流發光二極體電路之發光二極體電流在交流電壓波形之零跨越點是不連續的事實，此一電路中之斷電時間大約是40%。因為整流的交流電線路電壓循環從零至峰值位準並且返回至零，每當線路電壓位準下降在發光二極體串列的順向電壓之下時，發光二極體串列斷電。
發明概要
依據本發明一論點，一發光二極體陣列切換裝置包括，於一單一印刷電路板基片上：複數個串接之發光二極體陣列D1至Dn，各發光二極體陣列具有一順向電壓；一交流電壓供應器，其被耦合至該等複數個發光二極體陣列；以及；複數個固定電流源G1至Gn，其分別地被耦合至該等發光二極體陣列D1至Dn之輸出，該等固定電流源之各者可在一電流調整狀態以及一斷開狀態之間切換，以至於當該交流電壓供應器之電壓增加時，該等發光二極體陣列被導通並且發光以形成一較高順向電壓發光二極體串列，並且當該交流電壓供應器之電壓減少時，該等發光二極體陣列 被斷電並且從最近發光之發光二極體陣列開始移除發光二極體串列。
於另一論點中，該等複數個發光二極體陣列以及該等複數個固定電流源被形成為半導體晶片，並且該等半導體晶片藉由直接晶片附接(DCA)被附接至該印刷電路板基片上。
於另一論點中，該半導體晶片使用熱膠黏劑被附接至該印刷電路板基片上。
於另一論點中，在該等半導體晶片以及該印刷電路板基片之間的一電氣連接利用黏接線被提供。
於另一論點中，該黏接線是利用熱超音波金(Au)球體接合。
於另一論點中，該黏接線是利用超音波鋁(Al)楔入接合。
於另一論點中，該發光二極體陣列切換裝置進一步包括將至少該等半導體晶片封進內部之一封裝。
於另一論點中，一特定陣列之發光二極體被安置而緊鄰於其他陣列的發光二極體。
於另一論點中，用以置放供用於該等發光二極體陣列之半導體晶片的印刷電路板基片區域以及用以置放供用於固定電流源之半導體晶片的印刷電路板基片區域被設定而與分別型式的半導體晶片之消散熱量成比例。
於另一論點中，該印刷電路板基片是由陶瓷、玻璃、有機體、以及柔性基片所構成之族群的材料所形成。
圖式簡單說明
圖形是僅用於闡明目的並且不必定得依其尺度大小被繪製。但是，本發明本身，可藉由參考配合附圖之詳細說明而最佳地被了解，於附圖中：第1圖是交流-直流發光二極體驅動器之習見電路的圖形；第2圖是習見的交流發光二極體電路之分解圖；第3圖是交流發光二極體電路(例如，第2圖中所展示之一者)的光輸出波形；第4圖是依據本發明一論點之驅動電路的功能方塊圖；第5A至5F圖是展示回應於一輸入波形之第4圖電路不同階段之切換的圖形；第6圖展示依據第5A至5F圖中所展示之電路切換階段，在半個交流週期期間是導通的發光二極體陣列；第7圖展示依據本發明之電路的光輸出波形；第8圖是使用封裝發光二極體，依據本發明一論點所提議電路之詳細實作例的分解圖；第9圖是第8圖中所展示的電路之圓形印刷電路板佈局圖形；第10圖是直接晶片附接(DCA)組件之闡明圖；以及第11圖是依據本發明一論點，使用直接晶片附接組件之光引擎範例。
詳細說明
為了保留交流發光二極體電路設計之簡單交流電連接，而減低關聯習見交流發光二極體電路的光斷電時間，依據本發明之觀點，一交流電光引擎被建立於具有多數個發光二極體陣列以及可切換電流源之單一印刷電路板上。相對於習見的交流-直流電發光二極體驅動器，例如，被展示於第1圖中之一者，其是複雜並且體積龐大的，依據本發明之驅動電路是簡單並且小尺度的，而允許與發光二極體一起被封裝在一單一印刷電路板上以形成光引擎。依據本發明之切換組態可直接地利用交流電管線被供電，並且是簡單以及小的足以與發光二極體封裝以形成發光二極體光引擎/模組，其可直接地從交流電線路被供電。依據本發明，驅動電路以及該發光二極體可一起被放置在一單一印刷電路板上。
第4圖展示依據本發明一論點所提議的發光二極體驅動電路200之功能方塊圖。電路200使用一發光二極體串列並且該發光二極體串列被分離成為n個發光二極體陣列D1至Dn，其中n>1。各發光二極體陣列可包含一個或多個發光二極體。交流電源1供應交流電波形至二極體陣列2，其作用如同整流器。G1至Gn是固定電流源，其可能藉由連續電流源而不致能(亦即，被改變至一斷開電路情況)。
接著參考至第5A-5F圖，其展示電路操作於交流電源電壓從零被躍升之情況。當整流電壓正好是在發光二極體陣列D1的順向電壓之上時，電流開始流通經過發光二極體陣列D1以及電流源G1，如於第5A圖之展示。當整流電壓進一 步被增加時，電流源G1調整經過發光二極體陣列D1之電流。當整流電壓達到發光二極體陣列D1以及D2之順向電壓總和時，發光二極體陣列D2開始導通，如於第5B圖之展示。當經過發光二極體陣列D2以及電流源G2之電流增加至調整值時，經由發光二極體陣列D1以及電流源G1之電流減少至零。經由發光二極體陣列D1以及D2之電流接著利用電流源G2被調整，如於第5C圖之展示。第5D圖展示當整流電壓被增加至其中電流源Gn-1調整經由發光二極體陣列D1至Dn-1之電流的點時的電流路線。進一步增加整流電壓將導致發光二極體陣列Du導通，如於第5E圖之展示。第5F圖展示當經由發光二極體陣列Dn以及電流源Gn之電流被增加以維持電流源G1以及Gn-1至斷開情況時之電流路線。
如熟習本技術者將了解，如果整流電壓是下降，則展示於第5A-5F圖中之切換順序將被倒反。尤其是，整流電壓是高的足以經由發光二極體陣列D1至Dn以及電流源Gn通過調整電流之情況被展示於第5F圖中。當整流電壓被減少時，經由電流源Gn之電流開始減少並且電流開始流通經過電流源Gn-1，如於第5E圖之展示。當整流電壓減少至發光二極體陣列D1至Dn之順向電壓總和的總和下之數值時，經由發光二極體陣列Dn之電流被停止，如於第5D圖之展示。相同樣型將重複於整流信號之第二個半波形中。
第6圖是依據被展示於第4圖中之電路，闡明在一半週期期間被產生之順向電壓串列的圖形。如於圖形中所見，順向電壓串列初始僅包含發光二極體陣列D1。當電壓供應 器1之電壓接近其之峰值時，順向電壓串列包含發光二極體陣列D1-Dn，並且接著，當電壓供應器之電壓減少時，順向電壓串列之長度再次被減低至D1。
第7圖展示所提議的發光二極體驅動電路之光輸出波形，該發光二極體被分離成為5個陣列(亦即，n=5)的發光二極體串列，該等5個陣列具有5：4：3：2：1之陣列比率的順向電壓。如從該波形所見，使用這組態，斷電時間被減低至10%。
第8圖展示依據本發明，使用被分離成為5個陣列(A1至A5)的15個封裝LED被實作之所提議電路之分解圖。電阻器RZ1以及稽納二極體ZD1提供用於5個電流源(G1至G5)之固定參考電壓。金氧半場效電晶體M1、電阻器R1以及電晶體Q1形成第一電流源G1，其驅動LED1-5。金氧半場效電晶體M2、電阻器R2以及電晶體Q2形成第二電流源G2，其驅動LED1-9。金氧半場效電晶體M3、電阻器R3以及電晶體Q3形成第三電流源G3，其驅動LED1-12。金氧半場效電晶體M4、電阻器R4以及電晶體Q4形成第四電流源G4，其驅動LED1-14。金氧半場效電晶體M5以及電阻器R5形成第五電流源G5，其驅動LED1-15。
第9圖展示第8圖之電路的較佳圓形印刷電路板佈局400之範例。於這實施例中，LED以及第8圖之電路構件被安置於一單一印刷電路板401上，並且至交流電源之連接被標明為中性(N)402以及火線(L)403。依據所闡明之實施例，一特定陣列之LED最好是被安置而緊鄰於其他陣列之 LED，以平均不同陣列的亮度。因此，例如，於所闡明之實施例中，陣列A1之LED2，被安置於接近至陣列A2之LED8，但是A1被安置於陣列A1之LED4末端。
為達成最佳熱性能，用以置放LED以及電流源構件之印刷電路板區域應該最好是成比例於它們消散的熱量。例如，如果85%的熱被消散於LED中並且其餘15%的熱被消散於其他構件中，則用於LED之印刷電路板區域應該是大約85%，而用於構件之印刷電路板區域應該是大約15%。
取代如一個別印刷電路板所經受的傳統組件以及銲接，依據本發明一論點，直接晶片附接(DCA)可被使用以產生光引擎。於這技術中，LED以及其他構件是半導體晶片之形式，其直接地被裝設並且電氣地互連至其之最後的電路板上。第10圖展示一直接晶片附接組件範例。於該範例中，印刷電路板基片502被形成。各構件，不論其是否一LED，或一相關的構件，被形成如半導體晶片503並且使用熱膠黏劑504被固定至基片。從晶片503至印刷電路板基片502之連接利用黏接線506被提供，黏接線506藉由接合墊505被附接至印刷電路板基片502並且利用晶片接合墊508被附接至晶片503。最好是，整個電路被封入一矽封裝體510內，例如，其可作用以使濕氣以及灰塵遠離晶片以及相關的連接，並且使電路較不易遭受機械與化學損害。
除此習見的印刷電路板之外，各種基片可依據本發明被使用於製造發光二極體光引擎。例如，陶瓷以及玻璃陶瓷基片，其展現傑出之介電質以及熱性質，可被使用。另 一選擇是有機體基片，其有較少之重量與成本而提供低的介電質常數。此外，依據本發明另一有利論點，柔性基片，其是易曲折的，具有彎折能力而可被採用。
藉由施加晶片附接膠黏劑504至基片502，複數個發光二極體以及構件晶片503被裝設在基片502上以形成一完整驅動電路。一硬化處理，例如，暴露於熱或紫外線光，接著進行，其允許熱膠黏劑504達到其之最後機械、熱以及電氣性質，並且電氣連接以展示於第10圖中供於一單一晶片之方式藉由打線接合被完成。
依據本發明這論點被使用之打線接合處理是相似於被使用於傳統半導體組件中者，並且熱超音波金球體接合或超音波鋁楔入接合可被採用以連接在晶片以及基片之間的金屬線。最後，如上所述，晶片與結合金屬線以及其他構件被封進內部以保護它們避免機械以及化學損害。
第11圖展示光引擎之直接晶片附接佈局之範例。於闡明之範例中，發光二極體晶片被安置於區域601中並且使用接合線604被打線接合，以形成高電壓之發光二極體陣列串。其他構件，亦即，整流器以及電流源，被安置於構件區域602上並且被打線接合至發光二極體陣列。於此一組態中，僅需一簡單交流電源連接以供電於光引擎。
雖然特定實施例已於此處被闡明並且被描述，熟習本技術者應了解，多種替代及/或等效實作例可取代被展示以及被說明之特定實施例而不脫離本發明之範疇。這暫定申請案是欲涵蓋此處討論之特定實施例的任何適應性或變 化。因此，預期本發明是僅受限於申請專利範圍以及其等效者。
1‧‧‧交流電源
2‧‧‧二極體陣列
10‧‧‧發光二極體驅動器電路
12‧‧‧交流電源
14‧‧‧整流器電路
100‧‧‧交流發光二極體電路
102‧‧‧交流電源
200‧‧‧發光二極體驅動電路
300‧‧‧電路
400‧‧‧圓形印刷電路板佈局
401‧‧‧印刷電路板
402‧‧‧中性(N)連接
403‧‧‧火線(L)連接
500‧‧‧直接晶片附接組件
502‧‧‧印刷電路板基片
503‧‧‧半導體晶片
504‧‧‧熱膠黏劑
505、508‧‧‧接合墊
506‧‧‧黏接線
510‧‧‧矽封裝體
600‧‧‧光引擎直接晶片附接佈局
601‧‧‧區域
602‧‧‧構件區域
604‧‧‧接合線Cout…次要電容器
D1‧‧‧整流稽納二極體
D1-Dn‧‧‧發光二極體陣列
T1‧‧‧變壓器
U1‧‧‧控制器晶片
S1、S2‧‧‧發光二極體串列
V‧‧‧交流電源
R‧‧‧電阻器
G1-Gn‧‧‧固定電流源
R1-R5‧‧‧電阻器
Q1‧‧‧開關
Q1-Q4‧‧‧電晶體
M1-M5‧‧‧金氧半場效電晶體
A1-A5‧‧‧LED陣列
第1圖是交流-直流發光二極體驅動器之習見電路的圖形；第2圖是習見的交流發光二極體電路之分解圖；第3圖是交流發光二極體電路(例如，第2圖中所展示之一者)的光輸出波形；第4圖是依據本發明一論點之驅動電路的功能方塊圖；第5A至5F圖是展示回應於一輸入波形之第4圖電路不同階段之切換的圖形；第6圖展示依據第5A至5F圖中所展示之電路切換階段，在半個交流週期期間是導通的發光二極體陣列；第7圖展示依據本發明之電路的光輸出波形；第8圖是使用封裝發光二極體，依據本發明一論點所提議電路之詳細實作例的分解圖；第9圖是第8圖中所展示的電路之圓形印刷電路板佈局圖形；第10圖是直接晶片附接(DCA)組件之闡明圖；以及第11圖是依據本發明一論點，使用直接晶片附接組件之光引擎範例。
200‧‧‧發光二極體驅動電路
D1-Dn‧‧‧發光二極體陣列
G1-Gn‧‧‧固定電流源
1‧‧‧交流電源
2‧‧‧二極體陣列

Claims (10)

  1. 一種發光二極體陣列切換裝置，其包括，在一單一印刷電路板基片上：複數個串接之發光二極體陣列D1至Dn，各發光二極體陣列具有一順向電壓；一交流電壓供應器，其被耦合至該等複數個發光二極體陣列；以及複數個固定電流源G1至Gn，其分別地被耦合至該等發光二極體陣列D1至Dn之輸出，該等固定電流源之各者可在一電流調整狀態以及一斷開狀態之間切換，以至於當該交流電壓供應器之電壓增加時，該等發光二極體陣列被導通並且發光以形成一較高順向電壓發光二極體串列，並且當該交流電壓供應器之電壓減少時，該等發光二極體陣列被斷電並且從最近發光之發光二極體陣列開始移除發光二極體串列。
  2. 依據申請專利範圍第1項之發光二極體陣列切換裝置，其中該等複數個發光二極體陣列以及該等複數個固定電流源被形成為半導體晶片，並且該等半導體晶片藉由直接晶片附接(DCA)被附接至該印刷電路板基片上。
  3. 依據申請專利範圍第2項之發光二極體陣列切換裝置，其中該半導體晶片使用熱膠黏劑被附接至該印刷電路板基片上。
  4. 依據申請專利範圍第2或第3項之發光二極體陣列切換裝置，其中在該等半導體晶片以及該印刷電路板基片之 間的一電氣連接利用黏接線被提供。
  5. 依據申請專利範圍第4項之發光二極體陣列切換裝置，其中該黏接線是利用熱超音波金(Au)球體接合。
  6. 依據申請專利範圍第4項之發光二極體陣列切換裝置，其中該黏接線是利用超音波鋁(Al)楔入接合。
  7. 依據申請專利範圍第2至6項之任一項的發光二極體陣列切換裝置，進一步包括將至少該等半導體晶片封進內部之一封裝。
  8. 依據申請專利範圍第1至7項之任一項的發光二極體陣列切換裝置，其中一特定陣列之發光二極體被安置而緊鄰於其他陣列的發光二極體。
  9. 依據申請專利範圍第2至8項之任一項的發光二極體陣列切換裝置，其中用以置放供用於該等發光二極體陣列之半導體晶片的印刷電路板基片區域以及用以置放供用於固定電流源之半導體晶片的印刷電路板基片區域被設定而與分別型式的半導體晶片之消散熱量成比例。
  10. 依據申請專利範圍第1至9項之任一項的發光二極體陣列切換裝置，其中該印刷電路板基片由陶瓷、玻璃、有機體、以及柔性基片所構成之族群的材料所形成。
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