TW201401920A - 穩定發光之ｌｅｄ裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種穩定發光之LED裝置。在LED串與對應開關的架構上，選取適當節點與電容形成串、並接。在輸入電壓漸高時，恆電流先流過LED小串，使電容充電，以增加LED發光效率。在輸入電壓漸低時，電容上的電荷經過並接LED進行放電，可增加LED發光效率。如此不僅仍具有高功因效果，更能增加驅動電路穩定度，且在相位調光操作下，不易產生閃爍。

Description

穩定發光之LED裝置

本發明係關於一種穩定發光之LED小串，藉由串並聯一電容來控制高壓LED，不僅可提高整體系統穩定度，更可持續維持高功因校正值，有效降低傳統高壓LED所產生的120Hz光學閃爍現象，並提高光電轉換效率。

具高功因的長串高壓LED由於生產成本愈來愈低廉，現已廣為大眾所採用。但是高壓控制的方式仍有缺點待改善。例如，美國專利USP No.6989807、USP No.7439944、USP No.7081722或中華民國專利公開號201134293等，強調無需電容，便可獲得高功因(power factor，PF)值。結果，在調光過程中，反而產生電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)及雜訊，容易閃爍不穩定的問題。改善此問題的方法之一是：在橋式整流輸出端放置一濾波電容；已知樺晶科技的產品DR3602及韓國首爾的產品Acrich2便是如此設計。然而，除去雜訊並增加系統穩定度的結果，卻又使PF降低。

為克服上述習知技術的缺失，本發明提出一種穩定發光之LED裝置，不僅能有效提升穩定度，更能維持高功因值。

本發明之目的在於提供一種穩定發光之LED裝置，可操作於相位調光，並可維持高功因效果。

本發明穩定發光之LED裝置主要包括一LED小串及一電容。LED小串包括複數個串聯的LED單元，每一個LED單元包括一個或多個、串聯或並聯的LED。電容與該複數個串聯的LED單元形成電性串並聯架構，且當電容充電時，充電電流須經過至少一個LED單元。

串聯的LED單元可為接地或不接地。LED裝置尚可包括一耐高壓逆偏二極體(High Reverse Breakdown Diode)，與該 電容形成電性串聯架構。亦可包括複數個開關單元，每一個開關單元電性連接至對應之LED單元的電流輸出端。開關單元並無特別限制，較佳為一限流開關；更佳為包括一高壓N型元件及一低壓限流開關。而複數個開關單元較佳為各自獨立或形成主-僕控制結構。高壓N型元件可為但不限於金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體，其他開關元件亦可適用。

換言之，本發明揭示一種使LED穩定發光之方法；亦即提供一LED小串及一電容。LED小串包括複數個串聯的LED單元，每一個LED單元可包括一個或多個、串聯或並聯的LED。電容則與複數個串聯的LED單元形成電性串並聯架構，且當電容充電時，該充電電流須經過至少一個LED單元。

上述方法尚可包括：提供一耐高壓逆偏二極體及/或複數個開關單元；其連結關係或特徵同上所述。

第1圖顯示本發明穩定發光之LED裝置的第一個實施例。在此實施例中，LED裝置包括LED小串80、控制單元CN0、耐高壓逆偏二極體D1及電容C2。

LED小串80有5個LED單元801-805，每一個LED單元可包括一個或多個、串聯或並聯的LED。LED小串80的電流輸入端連接至AC交流電源901及橋式整流器902。齊納二極體Z1經電阻R1連接至橋式整流器902，並與電容C1並聯。控制單元CN0的電壓源由齊納二極體Z1穩壓提供。LED小串80可為一LED長串的一部份，則控制單元亦可串聯控制對應之LED小串。

LED單元801-805的電流輸出端各自連接至控制單元CN0的輸入埠。控制單元CN0可為任何習知的LED控制單元，如台灣發明專利申請號100136183及101119651所揭示者，可結合於本發明中。在此實施例中，控制單元CN0包括與LED單元801-805對應的高壓N型元件HV1-HV5及低壓限流開關 31-35。每一個高壓N型元件與對應的低壓限流開關形成一開關單元。本說明書所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言。藉此，當流經低壓限流開關之導通電流增加或減少時，流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之增加或減少。

每一低壓限流開關具有一電壓輸出端及一電流輸出端。每一電壓輸出端經由一電阻R4連接至控制裝置的電壓輸出接點Vout；每一電流輸出端則連接至控制裝置的電流輸出接點Iout，最後連接至齊納二極體Z1。電壓輸出接點Vout經由電阻R2，再連接至電流輸出接點Iout。在本實施例中，電流輸出接點Iout並在連接一LED單元810，亦即LED小串80並未直接接地。

第2圖顯示第1圖中開關單元的典型架構。圖示以低壓限流開關32為例，比較器K2及高阻值電阻R3形成一電壓偵測電路。而電壓偵測電路、分散式主-僕控制器52、選擇器SE1及運算放大器K1及電性連接線路則形成一控制架構。分散式主-僕控制器52包括反相器(inverter)與邏輯元件AND。運算放大器K1的輸入正端同樣連接至參考電位Vref1，輸入負端連接至低壓N型元件LV2的源極，輸出端則連接至選擇器SE1的「1」輸入端。選擇器SE1受控於較低電位的低壓限流開關內建的分散式主僕邏輯器52，若訊號輸入端S3接收的訊號為「H」，則選擇器SE1切換至運算放大器K1的輸出端；若訊號輸入端S3訊號為「L」，則選擇器SE1將低壓N型元件LV2的閘極連接至電流輸出接點Iout，關閉低壓N型元件LV2。

當LED小串80的輸入電壓增加時，低壓限流開關31-34依序開啟。以低壓限流開關32為例，當低壓N型元件LV2的汲極電壓大於參考電位Vref2時，其中的比較器K2傳送「H」訊號至分散式主僕邏輯器52。此時，若訊號輸入端S3亦接收到訊號「H」，則低壓N型元件LV2將被開啟。同時，反向器將訊號轉態為「L」，再傳送至邏輯元件AND，使訊號輸出端S4輸出訊號為「L」。於是，較高電位之低壓限流開關31接收 到訊號「L」，進而減少導通電流或關閉。而整個開與關程序控制過程中，高壓N型元件HV1-HV4及低壓限流開關34的低壓N型元件的閘極仍保持恆開狀態。

若電容C2的位置越接近高電位的橋式整流器902，則電容C2蓄能越強，但會造成PF下降。反之，若電容C2的位置越接近低電位，則電容蓄能越低，PF越好。因此，最佳位置估計約為橋整902後最高電位值的4/5~1/5處為宜。此外，電容C2的容值大小，應選擇放電時能將電壓釋放至接近LED單元804的導通電位。在此較佳實施例中，為避免電容C2無法完全放電至零電位，需於電容C2的正端串連一個耐高壓逆偏二極體(High Reverse Breakdown Diode)D1。此外，可防止上一級接近高電位的限流開關開啟後，電容電壓逆流擊穿串接LED。耐高壓逆偏二極體D1的導通電壓Vf約為0.7V。

在本實施例中，耐高壓逆偏二極體D1及一電容C2設置於LED單元803與804之間。耐高壓逆偏二極體D1的陽極連接至LED單元803的對應低壓限流開關33的電流輸入端，陰極連接至電容C2的陽極。電容C2的陰極則接地。

因電容C2可將雜訊濾除，故可提高訊號與雜訊比率(Signal to Noise Ratio，S/N)。當輸入電壓高於電容C2輸入端的電壓時，電容C2持續充電，並提供濾除雜訊的功能。當輸入電壓下降至低於電容電壓時，電位最低的LED單元805的低壓限流開關35仍然開啟，電容C2持續放電。直到LED單元804的低壓限流開關34啟動，電容C2亦持續放電。實驗結果發現，此種架構在進行相位調光時，各種角度皆不容易發生閃爍。

第3圖顯示本發明穩定發光之LED裝置的第二個實施例。與前一實施例不同的是，較高電位的LED單元801-803受控制單元CN1獨立控制，而較低電位的LED單元804-805受控制單元CN2獨立控制。控制單元CN1及CN2分別包括數個電壓偵測器，可偵測對應低壓限流開關路徑上的電壓。

在輸入電壓上升階段，限流開關31-33依序開啟。當輸入電壓高過低壓限流開關33上的設定電壓後，將使通過低壓限流開關31-33的電流減少。當電壓持續升高，至超過電容電壓時，電容C2將持續充電，而低壓限流開關34及35亦依序開啟。

當輸入電壓減少時，電容C2持續對低壓限流開關34及35放電。且當輸入電壓低於低壓限流開關33的設定電壓時，低壓限流開關33將被開啟，直到輸入電壓不足以提供電流為止。類似地，低壓限流開關32及31將被依序開啟。

在此架構下，整體光通量增加。因低壓限流開關31-33，34-35兩段式開關可同時工作，即使輸入電壓由高壓降至低壓，仍可維持較高的光通量。

此外，在本實施例中，電流輸出接點Iout並未再連接任何LED。

量測與分析：

以第一個實施例的架構為基礎，測試高壓N型元件與低壓限流開關的簡易組合，如第4圖所示。AC=110V輸入電壓。電阻R1約為200KΩ，齊納二極體Z1的崩潰電壓(Breakdown Voltage)或耐壓為24V。

將二個高壓N型元件HV1-HV2的閘級都連接至齊納二極體Z1的陰極與電阻R1的連接點，產生固定直流電壓24V。高壓N型元件HV1-HV2的汲極的崩潰電壓約600V。低壓限流開關31-32各自接至高壓N型元件HV1-HV2之源極。

低壓限流開關31的電流設定為16mA，低壓限流開關32的恆電流設定為30mA。低壓限流開關32為主式控制功能，低壓限流開關31為僕式控制，且受控於低壓限流開關32。LED單元801包括30顆LED，LED單元802包括17顆，總共47顆LED。

低壓限流開關31之電流輸入端(LED單元801的第30 顆LED的陰極)接至耐高壓逆偏二極體D1的陽極，且該耐高壓逆偏二極體D1的陰極與電容C2的陽極連接，電容C2的陰極接地。

由量測數據得知：功率因數(Power Factor，PF)=0.95

總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)=30%

根據上述實施例架構及測試結果，可證明本發明具有如下的功效：

1.在不影響PF值條件下，利用蓄能電容充放機制，不僅可濾除雜訊，更可穩定控制電路。

2.在輸入電壓由高電位轉至低電位時，電容持續放電，可增加整體發光效率，改善習知技術之缺失。

3.在輸入電壓較低時，增加LED發光亮度，有效降低因輸入交流電源衍生的光學漣波。

4.因濾波電容置於較低電位，仍具高功因特性，且電容不須耐高電壓，故成本較低，且體積較小。

31-35‧‧‧低壓限流開關

52‧‧‧內建的分散式主-僕控制器

80‧‧‧LED小串

801-805、810‧‧‧LED單元

901‧‧‧AC交流電源

902‧‧‧橋式整流器

C1、C2‧‧‧電容

CN0、CN1、CN2‧‧‧控制單元

D1‧‧‧耐高壓逆偏二極體

HV1-HV5‧‧‧高壓N型元件

Iout‧‧‧電流輸出接點

K1‧‧‧運算放大器

K2‧‧‧比較器

LV1、LV2‧‧‧低壓N型元件

R1、R2、R4‧‧‧電阻

R3‧‧‧高阻值電阻

S3‧‧‧訊號輸入端

S4‧‧‧訊號輸出端

SE1‧‧‧選擇器

Vout‧‧‧電壓輸出接點

Z1‧‧‧齊納二極體

第1圖顯示本發明LED裝置的第一實施例。

第2圖顯示第1圖中開關單元的架構。

第3圖顯示本發明LED裝置的第二實施例。

第4圖顯示測試用的簡易架構。

31-35‧‧‧低壓限流開關

80‧‧‧LED小串

801-805‧‧‧LED單元

901‧‧‧AC交流電源

902‧‧‧橋式整流器

C1、C2‧‧‧電容

CN1、CN2‧‧‧控制單元

D1‧‧‧耐高壓逆偏二極體

HV1-HV5‧‧‧高壓N型元件

Iout‧‧‧電流輸出接點

R1、R2、R4‧‧‧電阻

S3‧‧‧訊號輸入端

S4‧‧‧訊號輸出端

Vout‧‧‧電壓輸出接點

Z1‧‧‧齊納二極體

Claims (16)

1. 一種穩定發光之LED裝置；包括：一LED小串，包括複數個串聯的LED單元，每一個LED單元包括一個或多個、串聯或並聯的LED；及一電容，與該複數個串聯的LED單元形成電性串並聯架構，且當該電容充電時，充電電流須經過至少一個LED單元。
2. 如請求項1之LED裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
3. 如請求項1之LED裝置，更包括：一耐高壓逆偏二極體，與該電容形成電性串聯架構。
4. 如請求項1之LED裝置，更包括：複數個開關單元，每一個開關單元電性連接至對應之LED單元的電流輸出端。
5. 如請求項4之LED裝置，其中該開關單元包括一限流開關。
6. 如請求項4之LED裝置，其中該複數個開關單元為各自獨立或形成主-僕控制結構。
7. 一種穩定發光之LED裝置；包括：一LED小串，包括複數個串聯的LED單元，每一個LED單元包括一個或多個、串聯或並聯的LED；一電容，與該複數個串聯的LED單元形成電性串並聯架構，且當該電容充電時，充電電流須經過至少一個LED單元；及一耐高壓逆偏二極體，與該電容形成電性串聯架構。
8. 如請求項7之裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
9. 如請求項7之LED裝置，更包括： 複數個開關單元，每一個開關單元電性連接至對應之LED單元的電流輸出端。
10. 如請求項9之LED裝置，其中該開關單元包括一限流開關。
11. 如請求項9之LED裝置，其中該複數個開關單元為各自獨立或形成主-僕控制結構。
12. 一種使LED穩定發光之方法，包括：提供一LED小串，該LED小串係由複數個串聯的LED單元組成，每一個LED單元可包括一個或多個、串聯或並聯的LED；及提供一電容，與該複數個串聯的LED單元形成電性串並聯架構，且當該電容充電時，充電電流須經過至少一個LED單元。
13. 如請求項12之方法，更包括：提供一耐高壓逆偏二極體，與該電容形成電性串聯架構。
14. 如請求項12之方法，更包括：提供複數個開關單元，每一個開關單元電性連接至對應之LED單元的電流輸出端。
15. 如請求項14之方法，其中該開關單元包括一限流開關。
16. 如請求項14之方法，其中該複數個開關單元為各自獨立或形成主-僕控制結構。