TW201316820A - 控制ｌｅｄ長串之方法及裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種控制LED長串之方法及裝置。將限流積體電路與對應的LED小串並聯。限流積體電路中包括複數個限流開關，可偵測LED小串中對應的LED單元的電流輸出端電壓。於輸出端電壓大於預設值的LED中，開啟最接近接地端的LED所對應的限流開關，而關閉其他限流開關。

Description

控制LED長串之方法及裝置

本發明係關於一種簡易的方法，能沿用傳統定電壓供應器驅動電流性負載LED串。並藉由適當控制調整LED串聯顆數，以改善長串LED之整體導通順向電壓(V_F)隨溫度變化所造成的影響，得到最佳化的光電轉換效率，且能與市面上常見之傳統式定電壓電源模組相結合，即可得到LED限流照明，且本發明亦可將定電流所需之定電阻積體電路化，並與LED封於同一封裝體內，形成LED限流模組，以模組為一基本單位，進行量產組裝。

第1圖顯示一種傳統的LED定電流架構。LED之電流輸出端接至NMOS汲極，NMOS源極接至一固定電阻R，電阻R的另一端接地。運算放大器(Operational Amplifier，OPAMP)K之負端接至固定電阻R及NMOS源極；正端接至參考電位(Vref)；輸出端接至NMOS之閘極。此架構可將電阻積體電路化，且阻值不隨製程及環境溫度所改變，實際應用時也不必再外掛電阻。當電流流經電阻R，電阻電壓受運算放大器K控制在Vref，故在汲極有限流轉折點(constant current knee point)，如第2圖顯示。縱軸為恆電流值，橫軸為源極電壓。恆電流值越大，轉折電壓越高。若輸入端VDS電壓超過轉折電壓後，進入限流區，其所產生多餘電壓以熱能的形式消耗。

U.S. Patent No.7439944及No.7081722指出一種LED定電流控制架構，係將長串LED區分成數小串，且每一小串有一控制電路控制限流開關，將電流導流至「共同接地端」。藉由適當切換各開關，可得高功因校正(power factor correlation，PFC)效果。然而，長串LED中，靠近電源端的LED小串因工作時間最長，壽命最短。此時，若無旁路續通電路保護，將大幅降低裝置的可靠度。此外，接近電源端的開關及相關電路需使用超高壓元件，在電路積體化過程中佔據較大面積，增加生產成本。然而，在傳統限流開關的架構下，要增加旁路續通電路相當困難。

為改善上述缺失，本發明提出一種控制LED長串之方法及裝置。

本發明之目的在於提供一種控制LED長串之方法及裝置，可克服多組大功率LED並聯後各串LED之間順向電壓(V_F)差異所產生問題，其結構簡單，價格低廉，適合大量生產，將定電流之電阻積體電路化後更可與LED封於同一封裝體內，降低生產成本。

本發明控制LED長串之方法為：提供一LED長串，包括至少一個不接地的LED小串；及提供至少一個限流積體電路對應並聯於該LED小串。該限流積體電路包括複數個限流開關。限流積體電路對應偵測該LED小串中每一LED單元的電流輸出端電壓，並使輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED單元所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉。每一個LED小串的架構可不完全相同。每一個LED單元可包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED。

本發明控制LED長串之方法較佳為：提供一LED長串，包括複數個不接地的LED小串；及提供複數個限流積體電路對應並聯於該複數個LED小串。限流積體電路為串聯形式，且包括複數個限流開關。限流積體電路對應偵測該LED小串中每一LED單元的電流輸出端電壓，並使輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉。其中每一該LED單元包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED。

本發明之LED長串裝置包括：至少一個LED長串及至少一個限流積體電路。每一個LED長串包括一個或複數個連續或不連續串聯的LED小串；每一個LED小串皆不接地且由複數個串聯之LED單元組成；每一個LED單元包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED。每一個限流積體電路與一對應之LED小串並聯，且包括複數個限流開關及一主-僕控制器。每一個限流開關包括一電流輸入端、一電流輸出端、一訊號輸出端及一訊號輸入端。電流輸入端連接至對應之LED單元之電流輸出端，以偵測該電流輸出端之電壓。電流輸出端共同連接至電流輸出電位。訊號輸出端將對應之LED單元之輸出端電壓訊號傳送至該主-僕控制器。訊號輸入端接收主-僕控制器傳送之開啟或關閉訊號。主-僕控制器接收每一限流開關輸出之訊號，並使電流輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED單元所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉。

本發明之限流開關較佳為恆流開關。

本發明之LED長串可為複數個，且為並聯形式。每一個LED長串若包括複數個LED小串，則亦包括複數個串聯之限流積體電路。

本發明之限流開關之電流輸出端可共同連接至一電阻，再連接至該電流輸出電位。該電阻的阻值範圍通常為100Ω~1MΩ，較佳為1KΩ~1MΩ。

本發明之限流開關之電流輸出端亦可共同連接至一小電流限流漏電裝置，再連接至該電流輸出電位。該小電流限流漏電裝置通常為電流鏡。

本發明之LED長串裝置中，被開啟之限流開關與被關閉之限流開關之開啟及關閉的時間最好為部分重疊；而開啟及關閉時間重疊以不超過1ms為佳。

本發明之LED長串裝置中，最接近接地端的LED所對應的限流開關之輸出電流最好比恆電流值增加約10%。

本發明之限流積體電路可再包括一運算放大器，且對應連接兩個以上限流開關。

較佳地，本發明之限流積體電路更並聯一電容，其正端連接至高於其電流輸出端之電位，負端連接至限流積體電路之電流輸出端。

較佳地，本發明之限流積體電路更包括複數個斷路旁路導通(open-bypass)開關，與對應之限流開關並聯。當對應之LED單元發生斷路時，斷路旁路導通開關便可將輸入電流導通至下一LED單元。

本發明之LED長串裝置中，每一LED長串中，最後一個LED小串對應之限流積體電路之電流輸出端更串聯至少一個LED或至少一個限流積體電路。

第3圖顯示本發明LED裝置之實施例之一。在此實施例中，AC交流電源901提供輸入電壓，經橋式整流器902及與電容C0並聯後，提供LED裝置電源。LED裝置包括一個LED長串51及數個限流積體電路10。LED長串51的電流輸入端及限流積體電路10的電源輸入端(VCC)連接至橋式整流器902及與電容C0的輸出端。

LED長串51包括數個串聯且不接地的LED小串501，每一個LED小串501由數個串聯之LED單元組成。在此實施例中，數個LED小串501為連續，且每一個LED單元僅有一個LED。

每一個限流積體電路10與一對應之LED小串501並聯；LED小串501的每一LED單元的電流輸出端設有偵測電壓電路，可偵測輸出端電壓，及連接至對應的限流積體電路10中對應的電流輸入端。每一個限流積體電路10的電壓輸入端101連接至電源輸入端VCC，電壓輸出端102則串聯至下一個限流積體電路10之電壓輸入端101。限流積體電路10之電源輸入端VCC可為較高電位的任一LED的電流輸入端，以提升效率及穩定限流積體電路之電源電壓。

本發明裝置的特徵之一為：每一個限流積體電路10之電壓輸出端102皆未接地。如本實施例，LED長串51的末端有數個LED未連接至任何限流積體電路。在其他實施例，LED長串51的末端則為串聯其他適當的元件或裝置。

此外，當數個限流積體電路10串接時，每一個限流積體電路10之電流輸出端102的電位都不盡相同。當其中一個限流積體電路10的輸入電壓因震盪而小於導通所需的最低限流電壓時，將會造成整串電流降至零。於是整串限流積體電路10將重新尋找工作電壓之平衡點。在此過程中，串接路徑上的寄生電感因充放電會產生震盪及造成閃爍，大幅降低實用性。因此每一個LED小串501需要外掛一電容C1。電容C1的正端接於限流積體電路10的電源輸入端(VCC)，或更高電位的LED端，負端則接至限流積體電路10的電流輸出端102。

第4圖顯示第3圖中單一LED小串501與限流積體電路10的關係。在此實施例中，假設每一LED小串501有8個LED單元，則每一個限流積體電路10對應地包括8個相同的限流開關(或恆流開關)20-27及一主-僕控制器30。主-僕控制器30具有8個訊號輸入端及8個訊號輸出端，分別連接至對應的限流開關20-27。

電流由LED單元的電流輸出端，經限流積體電路10的電流輸入端至對應之限流開關。每一限流開關具有一訊號輸出端S2及一訊號輸入端S1，分別連接至主-僕控制器(master-slave)30對應之訊號輸入端及訊號輸出端。每一限流開關亦具有一電壓輸出端及一電流輸出端，分別連接至限流積體電路10的電壓輸出接點Vout及電流輸出接點Iout。電壓輸出接點Vout再連接一電阻R1後，與電流輸出接點Iout相接，最後共同連接至限流積體電路10的電流輸出端102。

在此LED小串501中，若一LED單元的電流輸入端的電壓大於限流轉折電壓，則開啟對應的限流開關。此時，電流流入對應之LED單元，並由一預設端輸出，形成限流架構。此預設端可以是限流積體電路10的電流輸出端102，也可以是任一LED單元的電流輸出端，只要此電流輸出端之電位較輸入端電壓為低。

若有一個以上LED單元的電流輸入端的電壓大於限流轉折電壓，主-僕控制器30將判斷最接近接地端的LED單元的電流輸入端為「主式」控制端，其他較接近電源端的LED單元的電流輸入端為「僕式」控制端。此時，僅有「主式」控制端的限流開關開啟，其他開關關閉。由於主-僕控制器30判斷結果僅有一個端點具有限流特性，故一個限流積體電路10僅需一個運算放大器(OPAMP)K1與一個積體電路化電阻R1，與該端點相連結形成主式限流效果。

另外，當一限流開關被開啟而另一限流開關被關閉時，其開啟及關閉的時間應有部分重疊。如此，可使整串限流值不受開關的影響，增加系統穩定度，避免閃爍。重疊的時間通常不超過1ms。

第5圖顯示第4圖中限流開關的架構，包括一NMOS元件、一比較器K2及一高阻值電阻R2。為了偵測LED單元的電流輸入端的電壓及提高真實訊號/背景雜訊比例(訊/雜比，signal/noise ratio)，在實務上，應使每一個LED單元的電流輸入端有小電流流經。因此，在限流開關的電流輸入端並聯高阻值電阻R2，或小電流限流漏電裝置(例如電流鏡)，且該電流輸出至限流積體電路10的電流輸出端Iout。偵測電流的大小通常小於限流的十分之一。NMOS元件之汲極連接至對應之限流積體電路10的電流輸入端及LED單元的電流輸出端；閘極連接至限流開關的訊號輸入端S1，接受主-僕控制器30輸出訊號控制；源極接至固定電阻R2及比較器K2的輸入正端。比較器K2的輸入負端接至參考電位(Vref2，約0.8V)，作為限流轉折點參考電位。限流開關的訊號輸出端S2連接至主-僕控制器30的訊號輸入端。若比較器K2的輸入正端電位高於0.8V，則比較器K2輸出為高電位。當某一限流開關被選定後，將形成第1圖的限流型態。若不被選定，則限流開關關閉無電流通過。

主-僕控制器30可對限流開關輸出的高電位進行主-僕關係判斷。判讀優先順序為限流開關27、26...20。此結果包含LED斷路保護功能。例如，若LED小串501中，前5個LED的電流輸出端的電壓皆大於0.8V，則主-僕控制器30僅會啟動限流開關24，使限流開關20~23關閉。關閉動作需較緩慢，以避免切換時電流劇烈變化。

為了降低生產成本，可將產生定電流的電阻R2積體電路化，並與LED置於同一封裝體內。

在此實施例中，假設AC端的輸入電壓V_IN為110V，LED的順向電壓(V_F)為3.5V(40℃時)，輸出電流I_OUT為40mA，限流積體電路10的電壓輸入端101的耐壓為35V，LED的電流輸入端的耐壓為30V，平均耗電流約為1mA。考慮整體耐壓，選擇一個LED介於V_CC與第一個限流開關20的電流輸入端之間，如第4圖所示。則每一個限流積體電路10最多可處理8顆LED(30V/3.5V)。

若LED長串共44顆LED，則V_F總和為154V(=3.5V×44)。考慮LED工作溫度的範圍約-40℃~120℃，V_F的溫度係數為-1.8×10^-3V/℃，則V_F總和隨溫度變化改變的壓差(ΔV_F)為

另外，考慮輸入電壓AC具有±20%變化，

則整流後V_IN電壓範圍為124V~187V，壓差(ΔV_IN)為

ΔV_IN=187-124=63V，

全部壓差變化=ΔV_F+ΔV_IN=63V+12.7V=75.7V。因壓差變化而影響的LED顆數最多為約22顆(=75.7V/3.5V)。40℃恰為中間溫度，若只考慮升溫至120℃及升壓20%，則可增加的LED數為11顆(=22/2)。LED數總和為55顆(=原先44顆+調節用11顆)，則必要時，限流積體電路10最多可為7個(55/8=6.8>6)，最少可為2個(11/8=1.4>1)。

效率計算：

以僅使用2個限流積體電路10為例，若每一個LED單元的電流輸入端的電壓均大於0.8V，且不論在任何溫度皆可使NMOS達到預設限流值(40mA)，僅需考慮在兩個串接LED作切換。亦即，僕式限流開關的輸出端的電壓應大於本身限流最低電壓，且小於可使下一個LED的V_F導通的最低電壓值。因此，任何一個LED單元的電流輸出端的電壓範圍介於主式最低限流轉折電壓0.8V與本身限流最低電壓之間，亦即0.8V~4.3V(=3.5V+0.8V)。在固定輸入電壓DC為154V時，可得整體效率最差約94.4%(=(154-4.3×2)/154)，最佳約98.97%(=(154-0.8×2)/154)，平均約96.68%(=(94.4+98.97)/2)。

上述說明可得最佳化功率轉換。但在實際運用上，限流積體電路的輸出端的電流需增加約10%，以藉此啟動下一限流積體電路。

此外，積體電路中最接近接地端的LED所對應的限流開關之輸出電流比其他恆開關的電流值增加約10%。

在上述實施例中，LED小串為連續串接；但在其他實施例中，LED小串可為不連續。此外，每一個LED單元亦可包括複數個LED，如第6圖所示。圖中，LED小串502包括數個LED單元。每一個LED單元包括2組並聯的LED，每一組LED則包括2個串聯的LED。限流積體電路10的每一電流輸入端(或限流開關)則連接至對應LED單元的電流輸出端。亦即，本發明的限流積體電路10所連接的LED並無形式或數量的限制，而可視實際需要來配置。

第7圖顯示本發明LED裝置的另一實施例。圖中，LED裝置包括數個並聯的LED長串52，並由一直流電源(DC)供應電能。每一個LED長串52僅有一個LED小串501，前後再配置數個LED。每一個LED小串501與一限流積體電路10及電容C1並聯，藉此亦可對LED作最佳化控制。

第8圖顯示本發明限流積體電路中，斷路旁路導通(open-bypass)開關的架構。圖中，LED單元不僅連接一限流開關20，尚並聯一斷路旁路導通開關60。當LED發生斷路時，斷路旁路導通開關60能將輸入電流導通至下LED小串。當限流開關20開啟後，即偵測LED單元之輸入與輸出電壓是否大於額定電壓(Vref3)。通常額定電壓約為LED導通電壓V_F(3.5V)的1.2~2.2倍，例如，6V(=1.7×3.5V)。當LED單元之輸入與輸出電壓大於額定電壓，高電壓計時器D1便開始計時。若高電壓維持時間約10μs，便可將該LED單元視為處於斷路狀態。此時，旁路導通開關60被開啟，將電流傳送至下一LED單元。

本發明藉由偵測每一LED單元的電流輸出端電位，於限流積體電路中判讀是否合乎限流條件，便可對LED作最佳化管理。在維持原有恆電流原則下，消除因輸入電壓浮動及LED發熱所引起的V_F變異，並對所管理LED作精準增減切換。藉由多端點控制機制，可實現以單一LED為微調之解析度單位，進而使得整串LED在任何電壓及溫度環境變化下有最佳化之輸出效率。綜而言之，本發明的效果包括：

1.　使用低壓積體電路，故成本較低。

2.　可針對單一LED單元作切換，在固定限流條件下，追蹤輸入電壓變動，使得整體燈具達到最佳功率轉換效果。

3.　此架構具有LED斷路之旁路續通功能，大幅提升可靠度。

4.　將構成限流裝置的重要元件-定電阻，進行積體電路化，使整個控制積體電路與LED可封在同一封裝體內形成模塊結構，再以模組方式串並聯，應用於各類LED照明系統，以大幅降低生產成本。

10．．．限流積體電路

101．．．限流積體電路的電壓輸入端

102．．．限流積體電路的電壓輸出端

20~27．．．限流開關

30．．．主-僕控制器

51、52．．．LED長串

501、502．．．LED小串

60．．．斷路旁路導通開關

901．．．交流電源

902．．．橋式整流器

C0、C1．．．電容

D1．．．高電壓計時器

K、K1、K3．．．運算放大器(OPAMP)

K2．．．比較器

R、R1．．．固定電阻

R2．．．高阻值電阻

S1．．．限流開關的訊號輸入端

S2．．．限流開關的訊號輸出端

Vout．．．限流積體電路的電壓輸出接點

Iout．．．限流積體電路的電流輸出接點

第1圖顯示一種傳統的LED定電流架構。

第2圖顯示LED之限流轉折點(constant current knee point)。

第3圖顯示本發明LED裝置串聯之實施例。

第4圖顯示第3圖中單一LED小串與限流積體電路的關係。

第5圖顯示第4圖中限流開關的架構。

第6圖顯示本發明LED單元的另一實施例。

第7圖顯示本發明LED裝置並聯之實施例。

第8圖顯示限流積體電路中斷路旁路導通開關之架構。

10．．．限流積體電路

101．．．限流積體電路的電壓輸入端

102．．．限流積體電路的電壓輸出端

51．．．LED長串

501．．．LED小串

901．．．交流電源

902．．．橋式整流器

C0、C1．．．電容

Claims (30)

1. 一種控制LED長串之方法，包括：提供一LED長串，包括至少一個不接地的LED小串；提供至少一個限流積體電路對應並聯於該LED小串，該限流積體電路包括複數個限流開關，對應偵測該LED小串中每一LED單元的電流輸出端電壓，並使輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED單元所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉，其中每一該LED單元包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED。
2. 如請求項1之方法，其中該限流開關為一恆流開關。
3. 一種控制LED長串之方法，包括：提供一LED長串，包括複數個不接地的LED小串；提供複數個限流積體電路對應並聯於該複數個LED小串，該限流積體電路為串聯形式，且包括複數個限流開關，對應偵測該LED小串中每一LED單元的電流輸出端電壓，並使輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉，其中每一該LED單元包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED。
4. 如請求項3之方法，其中該限流開關為一恆流開關。
5. 一種LED長串裝置，包括：至少一個LED長串，每一個LED長串包括一個或複數個連續或不連續串聯的LED小串，每一個LED小串皆不接地且由複數個串聯之LED單元組成，每一個LED單元包括一個LED或複數個串聯或並聯之LED；及至少一個限流積體電路，每一個限流積體電路與一對應之LED小串並聯，且包括複數個限流開關及一主-僕控制器，其中，每一個限流開關包括：一電流輸入端，連接至對應之LED單元之電流輸出端，以偵測該電流輸出端之電壓；一電流輸出端，共同連接至電流輸出電位；一訊號輸出端，將對應之LED單元之輸出端電壓訊號傳送至該主-僕控制器；及一訊號輸入端，接收主-僕控制器傳送之開啟或關閉訊號；該主-僕控制器接收每一限流開關輸出之訊號，並使電流輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED單元所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉。
6. 如請求項5之LED長串裝置，其中該LED長串為複數個，且為並聯形式。
7. 如請求項5之LED長串裝置，其中每一個LED長串包括複數個LED小串及複數個串聯之限流積體電路。
8. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流開關為一恆流開關。
9. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流開關之電流輸出端共同連接至一電阻，再連接至該電流輸出電位。
10. 如請求項9之LED長串裝置，其中該電阻的阻值為100Ω~1MΩ。
11. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流開關之電流輸出端共同連接至一小電流限流漏電裝置，再連接至該電流輸出電位。
12. 如請求項11之LED長串裝置，其中該小電流限流漏電裝置為一電流鏡。
13. 如請求項5之LED長串裝置，其中被開啟之限流開關與被關閉之限流開關之開啟及關閉的時間為部分重疊。
14. 如請求項13之LED長串裝置，其中開啟及關閉時間重疊不超過1ms。
15. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流積體電路更包括複數個斷路旁路導通(open-bypass)開關，與對應之限流開關並聯，於對應之LED單元發生斷路時，將輸入電流導通至下一LED單元。
16. 如請求項5之LED長串裝置，其中該最接近接地端的LED所對應的限流開關之輸出電流比恆電流值增加約10%。
17. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流積體電路並聯一電容，其正端連接至高於其電流輸出端之電位，負端連接至限流積體電路之電流輸出端。
18. 如請求項5之LED長串裝置，其中該限流積體電路更包括一運算放大器，且對應連接兩個以上限流開關。
19. 如請求項5之LED長串裝置，其中每一LED長串中，最後一個LED小串對應之限流積體電路之電流輸出端更串聯至少一個LED或至少一個限流積體電路。
20. 一種限流積體電路，包括複數個限流開關、一主-僕控制器及複數個斷路旁路導通開關；其中：每一限流開關具有：一電流輸入端，連接至至少一個對應之LED單元之電流輸出端，以偵測該電流輸出端之電壓；一電流輸出端，共同連接至電流輸出電位；一訊號輸出端，將對應之LED單元之輸出端電壓訊號傳送至該主-僕控制器；及一訊號輸入端，接收該主-僕控制器傳送之開啟或關閉訊號；該主-僕控制器接收每一限流開關輸出之訊號，並使LED單元之電流輸出端電壓大於一預設值且最接近接地端的LED單元所對應的限流開關為開啟，而其他限流開關為關閉；及每一斷路旁路導通開關與一對應之限流開關並聯，於對應之LED單元發生斷路時，將輸入電流導通至下一LED單元。
21. 如請求項20之限流積體電路，其中該限流開關為一恆流開關。
22. 如請求項20之限流積體電路，其中該限流開關之電流輸出端共同連接至一電阻，再連接至該電流輸出電位。
23. 如請求項22之限流積體電路，其中該電阻的阻值為100Ω~1MΩ。
24. 如請求項20之限流積體電路，其中該LED單元為複數個串聯或並聯之LED。
25. 如請求項20之限流積體電路，其中該限流開關之電流輸出端共同連接至一小電流限流漏電裝置，再連接至該電流輸出電位。
26. 如請求項25之限流積體電路，其中該小電流限流漏電裝置為一電流鏡。
27. 如請求項20之限流積體電路，其中被開啟之限流開關與被關閉之限流開關之開啟及關閉的時間為部分重疊。
28. 如請求項27之限流積體電路，其中開啟及關閉時間重疊不超過1ms。
29. 如請求項20之限流積體電路，其中該最接近接地端的LED所對應的限流開關之輸出電流比恆電流值增加約10%。
30. 如請求項20之限流積體電路，其中該限流積體電路並聯一電容，其正端連接至高於其電流輸出端之電位，負端連接至限流積體電路之電流輸出端。