TW201909699A - 用於ｌｅｄ開關控制的系統 - Google Patents

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Abstract

提供了一種用於LED開關控制的系統。系統包括：恒流控制單元，恒流控制單元耦接到電晶體並且被配置為輸出第一電流；泄放單元；泄放單元與系統的輸入和泄放控制單元耦接；泄放控制單元，泄放控制單元與恒流控制單元和泄放單元耦接，並且被配置為接收感測信號；以及整流單元，被配置為對系統的輸入電壓進行整流，並且將經整流的電壓傳輸到所述泄放單元和所述恒流控制單元；其中，泄放控制單元還被配置為回應於確定感測信號滿足第一條件輸出控制信號來關閉泄放單元；並且回應於確定感測信號滿足第一條件輸出控制信號來開啟泄放單元以使得泄放單元輸出泄放電流。

Description

用於LED開關控制的系統
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED開關控制的系統。
LED作為一種節能環保的新型光源，由於具有高亮度、低功耗而且壽命長的優點而被廣泛用於各個領域。由於在接近額定電流的範圍內，LED的發光亮度與流過的電流成正比而與其兩端的電壓無關，因此LED在工作時希望恒流源來供電。
第1圖示出了傳統TRAIC調光開關的線性恒流LED照明系統100。該系統因結構簡單可靠、系統成本低的特點在LED照明等領域有廣泛應用。該系統的主要控制單元包括恒流單元110和泄放單元120(如虛線所示)。恒流單元110用於LED照明系統的恒流控制。泄放單元120是在TRAIC開關控制系統中用於產生一定量的電流來維持TRAIC調光器的正常工作，防止TRAIC調光器因維持電流不足而導致異常。
如第1圖所示，系統上電以後，AC輸入電壓(例如，VAC)被接收，並進行全波整流處理以生成經整流的電壓101(例如，VIN)。例如，經整流的電壓101不下降至0伏特以下。電容器一端與泄放單元120的輸出連接，一端接地。恒流單元110內部的U11放大器在上電後控制閘極端電壓使功率調整管M1處於導通狀態。
控制單元的誤差放大器在上電後，控制閘極端電壓使功率調整管M1處於導通狀態。當電壓101電壓高於LED的最小擊穿電壓時，電流通過LED，經功率調整管M1流入感測電阻器R1，其中電阻器R1上的電壓大小對應LED的流入電流。U1放大器對所感測的電阻R1的 電壓Vsense，以及另一輸入端的參考電壓Vref進行誤差放大來調節功率調整管M1的閘極電壓，從而實現對LED的恒流控制。輸出的LED電流Iled如等式1所示： 其中，R1代表電阻器101的阻值，並且Vref代表參考電壓。
由於TRAIC調光(TRIAC dimming)的作用，VIN是以交流信號整流並斬波後的波形進入LED的陽極。這就會導致在VIN電壓較低的市電工頻週期(例如，TRAIC調光器的關斷週期或市電穀底階段)中，LED因擊穿電壓不足而無法導通，從而也無電流流過LED。所以在這種應用場景中，輸出的LED電流Iled如等式2所示： 其中，T代表工頻週期，Ton代表工頻週期中LED的導通時間。
因此泄放單元U2需要在系統中產生足夠維持TRAIC調光器正常工作的VIN輸出電流。從系統功率角度，系統的輸入功率主要由LED功率和泄放功率組成。P in =P led +P bleeder (等式3)其中，P in 代表系統的輸入功率，P led 代表LED功率，並且P bleeder 代表泄放單元的功率。
由此帶來的問題是泄放單元產生的功率會影響系統工作效率，如等式4所示。
其中，η代表系統工作效率。由等式4可知，當泄放單元的功率P bleeder 過大時，系統的工作效率將無法保證。
因此，非常需要改進LED開關控制的系統。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED開關控制的系統。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED照明。但是，將認識到，本發明有更廣泛的適用範圍。
本發明介紹了一種用於LED照明系統高效率可控矽開關控制系統和方法，通過對系統泄放(bleeding)電路的使能控制，在不影響系統正常工作前提下，減少不必要的系統功率損失，從而提高系統效率。本發明的控制方法可以主要適用於TRAIC調光的線性恒流控制方式的LED照明領域。
根據一個實施例，提供了一種用於LED開關控制的系統。系統包括：恒流控制單元，恒流控制單元耦接到電晶體並且被配置為輸出第一電流；泄放單元；泄放單元與系統的輸入和泄放控制單元耦接；泄放控制單元，泄放控制單元與恒流控制單元和泄放單元耦接，並且被配置為接收感測信號；以及整流單元，所述整流單元被配置為對系統的輸入電壓進行整流和濾波，並且將經整流的電壓傳輸到所述泄放單元和所述恒流控制單元；其中，泄放控制單元還被配置為回應於確定感測信號滿足第一條件輸出控制信號來關閉泄放單元；並且回應於確定感測信號滿足第一條件輸出控制信號來開啟泄放單元以使得泄放單元輸出泄放電流。
根據另一實施例，提供了一種包括如本公開的實施例所述的用於LED開關控制的系統的LED燈具。
根據實施例，可以獲得一項或多項益處。參考隨後的詳細的說明和附圖，這些好處和本發明的各種附加的目的、特徵和優勢可得以透徹地理解。
SW1‧‧‧開關
100‧‧‧線性恒流LED照明系統
110‧‧‧恒流單元
M1、M2‧‧‧功率調整管
120‧‧‧泄放單元
CC、210‧‧‧恒流控制單元
VIN‧‧‧輸入電壓
U11、U1、221‧‧‧放大器
Vsense‧‧‧感測電壓
220、U2‧‧‧泄放單元
BD1‧‧‧整流橋
230‧‧‧泄放控制單元
VAC‧‧‧AC輸入電壓
Vref、Vref1‧‧‧恒流控制單元參考電壓
200‧‧‧系統控制器
Vrref2、Vref3‧‧‧參考電壓
201‧‧‧經整流的電壓
U3‧‧‧泄放控制單元
202‧‧‧電流感測電壓信號
Iled‧‧‧LED電流
U301‧‧‧比較器
Ibleeder‧‧‧泄放電流
U302‧‧‧延遲單元
bleeder_off‧‧‧泄放控制信號
U303‧‧‧觸發器
td‧‧‧固定延遲時間
LS‧‧‧線電壓感測埠
Vth‧‧‧電壓感測埠參考電壓
700‧‧‧系統控制器
1000‧‧‧系統控制器
R1、R2、R3、R4、R5‧‧‧感測電阻器
t0、t1、t2、t3、t4、t5‧‧‧時刻
310、320、330、510、520、530‧‧‧波形
第1圖是示出了傳統TRAIC調光開關的線性恒流LED照明系統的圖示。
第2圖是根據本公開的實施例的、用於TRAIC調光開關的LED照明系統原理圖。
第3圖是根據第2圖所述的LED照明系統的控制方式的具體時序圖。
第4圖是根據本公開的實施例的、實現泄放控制單元的電路原理圖。
第5圖是根據本公開的實施例的、LED照明系統的控制方式的另一具體時序圖。
第6圖是根據第5圖所述的實施例的、具體的泄放控制單元的電路原理圖。
第7圖是根據第5圖所述的實施例的、LED照明系統的另一實現方式。
第8圖示出了根據第7圖所述的實施例的系統泄放電流控制方法。
第9圖是根據第7圖所述的實施例的泄放控制單元的電路原理圖。
第10圖是根據本公開的實施例的、LED照明系統的控制方式的另一具體實現。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
第2圖是根據本公開的實施例的、用於TRAIC調光開關的LED照明系統原理圖。第2圖僅是示例，其不應不適當地限制申請專利範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。系統控制器 200包括恒流控制單元(Constant Current,CC)210，泄放單元(bleeder)220和泄放控制單元230。如第2圖所示，根據一個實施例，AC輸入電壓(例如，VAC)被接收和整流(例如，進行全波整流)以生成整流電壓201(例如，VIN)。例如，經整流的電壓201沒有落在晶片地(例如，零伏特)以下。功率調整管M1的源極(Source)與感測電阻器R1連接，閘極與放大器U1的輸出端連接，並且漏極(Drain)與LED的陰極連接。
第2圖中給出了泄放單元220的一種具體實現電路。根據一個實施例，泄放單元220包括放大器U2，功率調整管M2、電阻器R2和開關SW1。電阻器R2一端接地，一端輸入U2。U2基於電阻器R2上的感測電壓和Vref2生成到功率調整管M2。當開關SW1閉合時，泄放單元關閉或停止工作。泄放單元220的泄放電流Ibleed根據下式確定：Ibleed=Vref2/R2 (等式5)其中，Vref2代表放大器221的輸入參考電壓，並且R2代表電阻器R2的阻值。
在一個實施例中，泄放控制單元230被配置為感測恒流單元中輸出電流的變化，當恒流單元輸出電流滿足第一條件(例如，大於第一閾值)時關閉泄放單元從而不輸出泄放電流。例如，控制泄放單元使能開關SW1，使得泄放單元關閉或停止工作。根據一個實施例，泄放控制單元230還被配置為當恒流單元輸出電流滿足第一條件時開啟泄放單元從而輸出泄放電流，維持VIN為一定的輸出電流，從而TRAIC調光器能正常工作。
根據一個實施例，泄放控制單元230還被配置為回應於確定感測信號滿足第一條件(例如，感測信號大於第一閾值信號)輸出控制信號來關閉泄放單元；並且回應於確定感測信號滿足第一條件輸出控制信號來開啟泄放單元以使得泄放單元輸出泄放電流。泄放控制單元230包括放大器，被配置為接收感測信號和第一閾值信號，並且基於感測信號和所述第一閾值信號生成控制信號。
在一個實施例中，恒流控制單元(CC)210通過取樣電流感測電壓信號202每個週期的峰值幅度、並且將所取樣的峰值幅度發送至作為恒流控制器210的一部分的放大器U1，來以逐週期為基礎處理電流感測電壓信號202。
在第2圖的示例中，功率調整管是是場效應電晶體(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semieonductor Field-Effect Transistor,MOSFET))。在另一示例中，功率調整管是絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。在另一示例中，功率調整管是雙極結型電晶體。在各種示例中，控制系統200可以包括更多或更少的元件，其中參考電壓Vref的值可以由本領域技術人員根據需要設置。
第3圖是根據第2圖所述的LED照明系統的控制方式的具體時序圖。波形310表示作為時間函數的輸入電壓VIN，波形320表示作為時間函數的LED電流Iled，並且波形330表示作為時間函數的泄放電流I bleeder 。根據一些實施例，從時刻t0到時刻t3的持續時間表示AC輸入電壓的半週期。在半週期的持續時間期間，輸入電壓VIN具有從時刻t1到時刻t3的脈寬，如波形310所示。
當系統200正常工作時，輸入電壓VIN因TRAIC調光器的斬波作用在TRAIC關斷週期(例如，t0~t1時間段)時VIN電壓較低(接近0V)，恒流控制單元(CC)210無法輸出電流。此時開啟泄放電流。在時刻t1以後，TRAIC開始開啟週期(例如，t1~t3時間段)，其中t1~t2時間段VIN電壓足夠高時恒流單元可以輸出設定的電流，關閉泄放電流。t2~t3時間段VIN電壓較低無法使恒流控制單元(CC)210輸出設定的電流，則開啟泄放電流。在t3~t4時間段期間，TRAIC工作在關斷週期，恒流控制單元(CC)210無輸出電流，開啟泄放電流。
在一個實施例中，電晶體在第一時刻(例如，t0)起導通；並且其中，在從第一時刻到第二時刻(例如，t1)的第一時間段期間 感測信號小於第一閾值信號，控制信號為第一邏輯位準(例如，邏輯低位準)；在從第二時刻到第三時刻(例如，t2)的第二時間段期間感測信號大於第一閾值信號，控制信號為第二邏輯位準(例如，邏輯高位準)；並且在從第三時刻到第四時刻(例如，t4)的第三時間段期間感測信號小於第一閾值信號，控制信號為第一邏輯位準。
第4圖是根據本公開的實施例的、實現泄放控制單元的電路原理圖。第4圖僅是示例，其不應不適當地限制申請專利範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。第4圖中的泄放控制(例如，第2圖中的泄放控制器230)包括比較器U301。比較器輸接收參考電壓Vref3和感測電壓VSense，比較器輸出泄放控制信號(bleeder_off)。系統通過感測恒流輸出感應電阻R1的電壓VSense判斷輸出電流大小。
在一個實施例中，比較器U301比較參考電壓Vref3和感測電壓VSense(第4圖中未標注)。在另一示例中，如果VSense>Vref3，則比較器U301生成邏輯高位準的泄放控制信號。此時判斷恒流控制單元(CC)輸出電流高於維持電流，泄放控制信號關閉泄放電流。在又一示例中，如果VSense<Vref3，則比較器U301生成邏輯低位準的泄放控制信號。此時判斷恒流控制單元(CC)輸出電流較低，泄放控制信號開啟泄放電流。
第5圖是根據本公開的實施例的、LED照明系統的控制方式的另一具體時序圖。如第5圖所示，本發明在第3圖控制方法基礎上給出了另一種優化的泄放電流控制方式。由於TRAIC調光器在開啟週期期間需要一定的維持電流，否則將發生不啟動(misfire)，這將導致系統恒流工作異常，但是在恒流單元不工作的時間段TRAIC即使發生不啟動，對系統輸出電流也不會產生影響，即LED燈的亮度不發生變化。
根據第5圖給出的泄放電流控制實施例，當系統正常工作時，輸入電壓VIN因TRAIC調光器的斬波作用在TRAIC關斷週期(如t0~t1時間段)因VIN電壓較低(接近0V)，恒流單元無法輸出電流。此 時泄放單元開啟泄放電流。進入t1以後，TRAIC開始開啟週期(如t1~t4時間段)，其中t1~t2時間段VIN電壓足夠高時恒流單元可以輸出設定的電流，關閉泄放電流。
在t2~t3時間段期間，VIN電壓較低無法使恒流單元輸出設定的電流，此時間段設置固定延遲時間td，繼續關閉泄放電流，減少泄放電流帶來的損耗。待延遲時間結束的t3時刻再打開泄放電流，t3~t4時間段TRAIC工作在開啟週期，因VIN電壓較低，泄放電流的損耗也較低。t4~t5時間段，TRAIC工作在關斷週期，恒流單元無輸出電流，泄放電流開啟。
第6圖是根據第5圖所述的實施例的、具體的泄放控制單元的電路原理圖。第6圖電路由比較器U301和延遲電路U302組成。比較器輸入端為參考電壓Vref3和電壓感測端Sense(第6圖中未標注)，比較器輸出信號接入延遲電路U302。系統通過感測恒流輸出感應電阻R1的電壓Sense判斷輸出電流大小，參考電壓Vref3需小於恒流控制單元參考電壓Vref1。當Sense電壓大於Vref3時，判斷恒流單元輸出電流高於維持電流，泄放控制信號關閉泄放電流，當Sense電壓小於Vref3時，判斷恒流單元輸出電流較低，此時經過延遲單元U302延遲設定的時間(td)後泄放控制單元輸出泄放控制信號開啟泄放電流。
例如，根據一個實施例，泄放控制單元(例如，第2圖中的泄放控制單元230)還包括延遲器，延遲器被配置為設置預定延遲時間段，用於在第二時間段之後延遲預定延遲時間段，在預定延遲時間段期間控制信號保持第二邏輯位準。
第7圖是根據第5圖所述的實施例的、LED照明系統的另一實現方式。對於如第5圖系統的泄放電流控制方式，另外一種減少泄放電流損耗的方法是通過感測VIN電壓來替代固定的延遲電路功能。以這種方式，也可以控制泄放電流損耗。如第7圖所示，控制系統需要在泄放控制單元U3中增加線電壓感測埠LS，LS通過連接在VIN和地的分壓電阻 R3和R5來感測VIN電壓變化。其它元件和連接方式，以及控制時序如上所述，在此不再贅述。
例如，根據一個實施例，泄放控制單元(例如，第2圖中的泄放控制單元230)包括電壓感測埠，電壓感測埠被配置為通過連接在系統的整流單元前輸入電壓和地之間的一個或多個分壓電阻來感測輸入電壓，並且基於輸入電壓和閾值電壓來生成控制信號，第8圖示出了根據第7圖所述的實施例的系統泄放電流控制方法。當系統正常工作時，輸入電壓VIN因TRAIC調光器的斬波作用在TRAIC關斷週期(如t0~t1時間段)因VIN電壓較低(接近0V)，恒流單元無法輸出電流，此時泄放單元開啟泄放電流。進入t1以後，TRAIC開始開啟週期(如t1~t3時間段)，其中t1~t2時間段VIN電壓足夠高時恒流單元可以輸出設定的電流，關閉泄放電流。
t2~t3時間段期間，VIN電壓較低無法使恒流單元輸出設定的電流，此時間段繼續關閉泄放電流，減少泄放電流帶來的損耗。LS感測到VIN電壓較低(LS小於設置的電壓感測埠參考電壓Vth)的t3時刻再打開泄放電流，t3~t4時間段，TRAIC工作在關斷週期，恒流單元無輸出電流，泄放電流開啟。
第9圖是基於第7圖時序控制的一種具體的泄放控制單元的電路原理圖，第9圖電路包括比較器U301、U302和觸發器U303。比較器U301和U302輸出端接入觸發器U303。系統通過感測恒流輸出感應電阻R1的電壓Sense(第9圖中未標注)判斷輸出電流大小，參考電壓Vref3需小於恒流控制單元參考電壓Vref1。當Sense電壓大於Vref3時，判斷恒流單元輸出電流高於維持電流，輸出控制泄放控制信號關閉泄放電流，當LS電壓小於參考電壓Vref4時，判斷VIN電壓較低，此時泄放控制單元輸出泄放控制信號開啟泄放電流。
第10圖是根據本公開的實施例的、LED照明系統的控制方式的另一具體實現。根據一個實施例，對於系統線電壓的感測也可以通 過整流橋BD1前的電壓實現，如第10圖所示，電阻R3、R4和R5分別接在系統輸入電壓VAC的LN和地端，通過VAC電壓的感測同樣可以控制泄放電流，第10圖系統具體控制方法同第8圖、第9圖。其它元件和連接方式，以及控制時序分別與第8圖、第9圖類似，在此不再贅述。
根據另一實施例，可以向LED提供在AC輸入電壓的正半週期和負半週期之間對稱的電流，以防止可能由AC輸入電壓的正半週期和負半週期之間的不對稱電流引起的LED閃爍。
本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED開關控制的系統。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED照明。但是，將認識到，本發明有更廣泛的適用範圍。
例如，使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中，本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。
雖然已經描述了本發明的特定實施例，但本領域的技術人員應該理解，存在等同於所描述的實施例的其它實施例。因此，應該理解，本發明並不限於所示出的具體實施例，而僅由所附申請專利範圍所限定。

Claims (12)

  1. 一種用於LED開關控制的系統，包括：恒流控制單元，所述恒流控制單元耦接到電晶體並且被配置為輸出第一電流；泄放單元；所述泄放單元與所述系統的輸入和泄放控制單元耦接；以及泄放控制單元，所述泄放控制單元與所述恒流控制單元和所述泄放單元耦接，並且被配置為接收所述感測信號；以及整流單元，所述整流單元被配置為對系統的輸入電壓進行整流，並且將經整流的電壓傳輸到所述泄放單元和所述恒流控制單元；其中，所述泄放控制單元還被配置為回應於確定所述感測信號滿足第一條件輸出控制信號來關閉所述泄放單元；並且回應於確定所述感測信號滿足第一條件輸出所述控制信號來開啟所述泄放單元以使得所述泄放單元輸出泄放電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述泄放控制單元包括放大器，所述放大器被配置為接收所述感測信號和第一閾值信號，並且基於所述感測信號和所述第一閾值信號生成所述控制信號，其中所述第一條件為所述感測信號大於所述第一閾值信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中所述電晶體在第一時刻起導通；並且其中，在從所述第一時刻到第二時刻的第一時間段期間所述感測信號小於所述第一閾值信號，所述控制信號為第一邏輯位準，在從所述第二時刻到第三時刻的第二時間段期間所述感測信號大於所述第一閾值信號，所述控制信號為第二邏輯位準，並且在從所述第三時刻到第四時刻的第三時間段期間所述感測信號小於所述第一閾值信號，所述控制信號為所述第一邏輯位準。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的系統，其中所述第一邏輯位準用於開啟泄放單元，所述第二邏輯位準用於關閉泄放單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的系統，其中所述泄放控制單元還包括延遲器，所述延遲器被配置為設置預定延遲時間段，用於在所述第二時間段之後延遲所述預定延遲時間段，在所述預定延遲時間段期間所述控制信號保持所述第二邏輯位準。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述泄放控制單元包括電壓感測埠，所述電壓感測埠被配置為通過連接在所述系統的整流單元後輸入電壓和地之間的一個或多個分壓電阻來感測所述輸入電壓，並且基於所述輸入電壓和閾值電壓來生成所述控制信號，
  7. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中所述電晶體在第一時刻起導通；並且其中，在從所述第一時刻到第二時刻的第一時間段期間所述輸入電壓小於所述閾值電壓，所述控制信號為第一邏輯位準，在從所述第二時刻到第三時刻的第二時間段期間所述感測信號大於所述第一閾值信號，所述控制信號為第二邏輯位準，並且在從所述第三時刻到第四時刻的第三時間段期間所述輸入電壓小於所述閾值電壓，所述控制信號為所述第一邏輯位準。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中所述第一邏輯位準用於開啟泄放單元，所述第二邏輯位準用於關閉泄放單元。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述泄放控制單元包括電壓感測埠，所述電壓感測埠被配置為通過連接在所述系統的整流單元前輸入電壓和地之間的一個或多個分壓電阻來感測所述輸入電壓，並且基於所述輸入電壓和閾值電壓來生成所述控制信號，
  10. 如申請專利範圍第9項所述的系統，其中所述電晶體在第一時刻起導通；並且其中，在從所述第一時刻到第二時刻的第一時間段期間所述輸入電壓小於所 述閾值電壓，所述控制信號為第一邏輯位準，在從所述第二時刻到第三時刻的第二時間段期間所述感測信號大於所述第一閾值信號，所述控制信號為第二邏輯位準，並且在從所述第三時刻到第四時刻的第三時間段期間所述輸入電壓小於所述閾值電壓，所述控制信號為所述第一邏輯位準。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中所述第一邏輯位準用於開啟泄放單元，所述第二邏輯位準用於關閉泄放單元。
  12. 一種包括如申請專利範圍第1-11項中的任何一項所述的用於LED開關控制的系統的LED燈具。
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