TWI410170B - 驅動及監測發光二極體的電路 - Google Patents
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Description
本實施例大致係關於一種電路,其係用以監測並驅動一個或更多發光二極體。
早期的發光二極體,其發光與功率消耗比(即所知的效率)相當低。近年來在LED技術上的進步大幅增加LED的效率。舉例來說,一些現今的LED每瓦超過100流明。相對的,傳統白熾燈泡僅產生大約每瓦17流明。除了增進效率之外,LED相對於白熾燈泡也提供較佳的持久性、增進光線集中性,以及較長的壽命。顯而易見的,LED已成為極度可行的光源選擇。
相對於以紅外線發散其大多廢熱的白熾燈泡來說,使用LED的一個缺點為在發射光譜之外不發出。相反的,廢熱必須經由熱傳導來導出。換句話說,LED一般需要散熱片來帶走熱。過多的熱若沒有適當處理能造成一LED之光譜發射的一偏移,且也係導致LED過早失效。舉例來說,一些LED在與其散熱片脫離時係在幾秒內自行燒燬。因此,熱管理對於LED來說相當重要。一些例子中,僅增加散熱片至LED並不足夠的。舉例來說,一散熱片在操作期間可變成脫離自LED,而係造成該LED過熱並最終焚毀。
傳統LED發光應用一般係使用一驅動器積體電路以供應電源至一外部耦接LED。一個此等電路為
LM3402/LM3402HV,「用於驅動高功率LED的0.5A固定電流降壓穩壓器(buck regulator)」,其係由國家半導體公司所製造。此等傳統驅動器電路並不監測一經附接LED的溫度。反而需要額外的外部電路以測量該LED的溫度。舉例來說,此外部電路可涉及附接一溫度感測元件(如測溫電阻器、熱電耦,等等)至該LED本身,或更有可能至散熱片。由於該溫度感測電路係外加至該驅動IC,其對於經過該LED的電流量控制有限。舉例來說,當此等電路可以截斷所有送至該驅動電路的電源時,而不能漸增地減少流經該LED的電流。此等缺乏控制性係不可接受的,其例如在其中希望有減少的輸出而非完全沒有輸出之緊急情況下。
除了僅有過熱以外,LED係容易受到電流失控之影響。這是由於當LED的溫度增加時,電子便可更自由地移動經過該LED。這係造成流經該LED的電流增加,其依次係產生更多的熱,以此類推。一些傳統電路係監測該流經LED的電流,且經由回饋運作以防止電流失控大增。舉例來說,一種傳統實作中,係外部耦接一小型感測電阻與該LED串聯。橫跨該電阻的電壓係被量測並因而用以間接決定流經該LED的電流。此等電路可藉由削減電流來防止電流失控大增,而無法特定偵測該LED的短路。此外,此電路不能明智地確定為何必須減少電流。舉例來說,該電路不能偵測到散熱片已脫離,其造成該LED的溫度及電流增加。
因此,傳統技術並不能提供一種有效的解決方法來監
測LED的溫度並基於該溫度來控制流經該LED的電流。此外,傳統技術無法偵測經一個LED的短路或斷路,或一列或多列LED的短路或斷路。
本內容摘要係用以簡化形式介紹原則的一種選擇,其將於下面實施方法中進一步描述。本內容摘要並非用以指定該經主張主要內容的關鍵特徵或基礎特徵,也非用以限制其範疇。
除了別的以外,本文中描述的為一種電路的技術,該電路係用以控制通過一LED的電流。該創新電路包含:一調節器,用以提供該電流至該LED;一LED電壓監測電路,用以監測橫跨該LED的電壓降,並基於該電壓降提供一電壓讀取信號。該創新電路進一步包含一資料轉換邏輯電路,其與該調節器以及該LED電壓監測電路相耦接。該資料轉換邏輯電路可操作來控制該調節器,以基於該信號而調整該電流。
因此,實施例提供一種用以監測LED溫度的機制,其可包含於LED驅動器積體電路中。這係非常有利,因為其係使該通過LED的電流可漸漸調整,以便維持減少的運作模式,而不是同時切斷流至該LED的所有電流。這在應用中(如緊急照明)非常重要,其中至少有一些光照好於完全沒有光。更進一步,本文中描述的該技術可偵測出一或更多LED的失效狀況。舉例來說,實施例可運作以偵測針
對各LED的短路與斷路。
更進一步,如本發明的實施例中所做的直接量測LED溫度較佳為如藉由量測附接至LED的散熱片溫度,而間接量測溫度。舉例來說,可理解散熱片可自該LED脫離,此狀況中LED本身快速加熱而該散熱片係將開始冷卻。散熱片附接方法無法偵測此狀況,或是其可太晚偵測到。另一方面,該LED溫度的直接量測係提供立即回饋,因為此電路係偵測到LED溫度立即且突然的上升。
下面將對本發明較佳實施例有較詳盡的說明,其之實例係被說明在隨附圖式中。儘管本發明將配合較佳實施例來描述,但應了解其並非傾向將本發明限制為這些實施例。相反的,本發明意圖涵蓋多個替代選擇、修正,與等效者,其可包含於如申請專利範圍所定義的精神與範疇內。更進一步,本發明的詳細描述中,多種特定細節皆明定以提供對本發明的徹底了解。然而,熟習本技術人士將清楚了解本發明可在非此等特定細節的狀況下實行。其它例子中,眾所熟知的方法、程序、構件,與電路並未描述細節,以避免不必要地混淆本發明觀點。
一般說來,實施例提供一種技術,其係用於控制流經一發光二極體(LED)的電流,以回應於橫跨該LED的電壓改變。實施例可漸漸調整該LED的電流,而不僅是關閉該LED。因此,實施例可使過熱的LED操作於漸減模式,
並同時防止該LED完全失效。
可理解一LED的操作點與該LED的溫度間有一關係。因此於一個實施例中,橫跨該LED的電壓係關連於該LED的大約溫度。另一實施例中,該LED的多重操作點係抽樣以改進溫度精確性。
圖1所示係用以控制LED 140的電路100的圖,其係根據本發明各種實施例。應了解該等實施例並不侷限於單一LED。舉例來說,多重LED可以串聯、並聯,或任何其結合狀況來利用。一實施例中,電路100係包含於一單一積體電路晶片中。因此,LED 140、以及電感器120、電容器130,與電阻器150皆可外部耦接於電路100。應可理解電感器、電容器,與電阻器的其他結合在不脫離本發明實施例的精神時皆可使用。LED 140可為一個或更多適合作為光源的高功率LED。
電路100包含一調節器110,其係用以提供一電流至該LED 140。該調節器110也可作為一驅動器電路。一實施例中,該調節器110可為一PWM調節器。操作期間,由該調節器110所產生的電流經過該LED並接著經過該電阻器150。
電路100也包含一電壓監測電路160,其係用以監測一橫跨該LED 140的電壓降。一實施例中,該電壓監測電路160可為一誤差放大器。假設一固定電流I
流經該LED 140,該LED 140的溫度變化係反應為橫跨該LED 140的
電壓降V
變化。因此,該電壓監測電路160係致使該電路100監測該LED 140的溫度。
電路100也包含一資料轉換邏輯電路180,其可操作以控制該調節器110來調整流經該LED 140的電流。該資料轉換邏輯電路180可包含一些構件,其包含但不限於:類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、邏輯控制器,與類似物品。該資料轉換邏輯電路180係耦接於該電壓監測電路160的一輸出。換句話說,該資料轉換邏輯電路180可自該電壓監測電路160接收一信號,其代表橫跨該LED 140的電壓降。基於此信號,該資料轉換邏輯電路180可接著控制該調節器110以調整流經該LED 140的電流。舉例來說,操作期間該LED 140的溫度可突然開始增加。這係造成橫跨該LED 140的電壓對應增加,其係被該電壓監測電路160偵測到。在回應上,該資料轉換邏輯電路180係造成該調節器110降低流經該LED 140的電流。應了解流經該LED 140的電流的此等增加或減少可為逐步地。換句話說,電路100並不限於「全或無」的操作。因此,如上面例子中所示,該電路100能夠於降低進行模式中運作該LED以節省該LED 140,而非僅完全關閉。
電路100也可包含一電流監測電路170,其係用以監測流經該LED 140的電流。一實施例中,該電流監測電路170可為一誤差放大器,其類似於該電壓監測電路160的誤差放大器。該電流監測電路170舉例來說可藉由量測橫跨該電阻器150之電壓降而量測流經該LED 140的電流。
類似於該電壓監測電路160,該電流監測電路170可提供一信號至該資料轉換邏輯電路180,其代表流經該LED 140的電流。舉例來說,該資料轉換邏輯電路180可利用此資訊以防止該LED 140失控。此外,基於該電壓監測電路160與該電流監測電路170的輸出,該資料轉換邏輯電路180可操作以決定該LED 140的電流操作點。基於該操作點,該資料轉換邏輯電路180可接著估計該LED 140的溫度。因此,該資料轉換邏輯電路180可使用此經結合資料以決定如果有需要對流經該LED的電流做哪些調整。
除了偵測該LED 140的溫度變化之外,電路100也可運作以偵測該LED 140的各種其他失效狀況。舉例來說,一實施例中,該資料轉換邏輯電路180可運作以偵測該LED 140的斷路或短路。即使在複數個LED 140中有一個歷經失效時的情況裡,此偵測也是可行的。單一LED的情況下,當電流中偵測到突降或是橫跨LED的電壓偵測到突升時,即偵測到了斷路(其為一般失效模式)。單一LED短路時,可在橫跨該LED的電壓中偵測到突降。有數個LED串聯的情況裡,該斷路的狀況係影響全部的LED及與單一LED相同,並且單一短路係突然使得橫跨整串LED的電壓降減低。有數個LED並聯的情況裡,短路的狀況與單一LED相同,因為大部分或全部的電流經過該失效的LED都係短路,且單一斷路LED係突然使得橫跨該等並聯LED的電壓降增加。
該資料轉換邏輯電路180係包含一個或更多校正及/或
診斷輸入/輸出,下文中稱為介面185。介面185可用以校正電路100至一特定LED 140。此外,介面185可用以提供數種診斷資訊的形式。該診斷資訊可包含但不限於下列:一連串資料流、LED 140的估計溫度、流經LED 140的電流、橫跨LED 140的電壓降,與LED 140的一種失效狀況。
圖2所示係用以控制LED 140的另一種電路200,其係根據本發明各種實施例。電路200提供超越電路100的加強的精確度。電路200包含該調節器110、電壓監測電路160,與該電流監測電路170。電路200也包含一資料轉換邏輯電路280,其可操作以控制該調節器110來調整流經該LED 140的電流。該資料轉換邏輯電路280可進一步操作以控制該調節器來輸出一可變電流,其於第一值(ip2
)與第二值(ip1
)間變化。該LED 140的可視輸出反應一iav
的平均(DC)值。該電流波形可如圖所示為一鋸齒狀波形。然而,應理解實施例並不限於此。
電路200也包含取樣與保持電路290與295。取樣與保持電路290係耦接於該電壓監測電路160與該資料轉換邏輯電路280之間,並可操作以取樣並保持該電壓監測電路160的輸出值(V s
)。取樣與保持電路295係耦接於該電流監測電路170與該資料轉換邏輯電路280之間,並可操作以取樣並保持該電流監測電路170的輸出值(I s
)。因此,當流經該LED 140的電流改變時,該等取樣與保持電路290與295係致使該資料轉換邏輯電路280將來自該
LED 140的多個資料點的收集同步化。具備此種能力,該資料轉換邏輯電路280可基於兩個資料點來決定該溫度:(V 1 , I 1
)與(V 2 , I 2
)。利用多個資料點,該溫度可基於一差量(deltas)比例(即∂V
/∂I
)來決定,其說明自電路至電路與自LED至LED的偏移及其他變化。換句話說,基於差量來計算溫度係減少校正的需要。該等用以基於多個資料點來決定二極體接面溫度的過程與方程式係為本技術領域中廣為人知的,而不需要於本文中大幅討論。
一實施例中,該等取樣與保持電路290與295係由一保持信號控制,該信號係由該資料轉換邏輯電路280產生。當流經該LED 140的電流超越一臨界值時,該信號轉換邏輯電路280可確立該保持信號。舉例來說,當該電流成為在其變化範圍的上部10%之上或是在其變化範圍的下部10%之下時,該資料轉換邏輯電路280可確立該保持信號。舉例來說,可藉由直接將該電流監測電路170耦接至該資料轉換邏輯電路280來達成此決定。內部來說,該資料轉換電路280可具有一個或更多比較器(未顯示於圖中),其係耦接至該電流監測電路的輸出,並設定為此等臨界值。
圖3所示係用以控制一LED 140的另一種電路300,其係根據本發明各種實施例。類似於電路200,電路300也係使流經該LED 140的電流變化。然而,該實作有輕微的不同。該電路300包含一調節器310,其除了具有回餽輸入(FB)之外也具有一輸入(ON),以使該資料轉換
邏輯電路380可觸發其開啟與關閉。操作期間,該資料轉換邏輯電路380係週期性地觸發該調節器310關閉並接著再度開啟。因此,該調節器310輸出作為一方形波或PWM波的電流至該LED 140。因此,該資料轉換邏輯電路380係在該LED 140的空白期間收集資料點,並且當該電流為回復至LED 140時係再度收集。該資料轉換邏輯電路380的其他操作(諸如決定該二極體140的溫度、產生診斷資訊等等)係實質上與圖2的資料轉換邏輯電路280相同。
下列討論提出用以控制一LED之本技術的操作細節。參考圖式4-6、流程圖400、460A,與460B,各圖由用以控制LED的本技術各種實施例所使用的範例操作。流程圖400、460A,與460B包含於各種實施例中由一積體電路內之電路所實行的程序。雖然流程圖400、460A,與460B揭示特定操作,此等操作係為範例。即實施例係適於實行流程圖400、460A,與460B中所陳述的操作變化或是各種其它操作。可瞭解流程圖400、460A,與460B中的操作可以不同於所呈現的順序來實行,且並非流程圖400、460A,與460B中所有操作皆可被實行。
圖4所示係用以控制一LED之程序的流程圖400,其係根據本發明各種實施例。下文中的討論係重複指出「一LED」,但了解可使用多個串聯的LED、並聯的LED,或其之合併者。方塊410牽涉產生一電流予一LED。應瞭解此可以多種方法完成。舉例來說,該電流可為定值(即DC)
或可變的。在可變電流的狀況中,該電流可為數種形式,例如鋸齒狀電流、方型波等等。
在方塊420,係監測到橫跨該LED的電壓降。舉例來說,此可牽涉週期性地取樣橫跨該LED的電壓,但並不限於此。在方塊430,係監測到流經該LED的電流。一實施例中,這係藉由監測橫跨一電阻的電壓來達成,該電阻接收與該LED相同的電流。類似於方塊420,監測該電流可牽涉週期性地取樣流經該LED的電流,但不限於此。
一實施例中,流程圖400包含關於偵測該LED的失效狀況的操作。舉例來說,方塊440牽涉偵測該LED的一斷路。在單一LED的情況中,這係藉由監測該電流的突降或橫跨該LED的電壓突升來達成。在有數個LED串聯的例子中,該斷路狀況係影響所有的LED並且等於單一LED。在有數個LED並聯的例子中,一斷路狀況係造成橫跨該等LED的電壓突然增加。方塊450牽涉偵測該LED的一短路。在單一LED發生短路的例子中,能偵測到橫跨該LED的電壓突降。在有數個LED串聯的例子中,單一短路係突然減少橫跨整串LED的電壓降。在有數個LED並聯的例子中,單一短路係突然減少橫跨該整串LED的電壓降(至近乎於0)。
方塊460牽涉調整流經該LED的電流。此調整可回應於該LED的電壓及/或電流變化而發生。應了解此可以數種方法達成。舉例來說,圖5所示流程圖460A係用以調整流經一LED之電流的程序,其係根據本發明各種實施
例。舉例來說,當一DC電流被產生予該LED時,流程圖460A可實作。方塊510中,作出一決定關於橫跨該LED的電壓是否增加。若是,則流經該LED的電流係減少(方塊520)。若否,作出一決定關於橫跨該LED的電壓是否減少(方塊530)。若是,則流經該LED的電流係增加(方塊520)。
圖6所示係流程圖460B,其為用以調整流經一LED之電流的另一種程序,其係根據本發明各種實施例。舉例來說,當爲該LED所產生的電流為一可變電流時,流程圖460B可實作。方塊610中,第一資料點係基於該LED的一第一電壓降與一對應第一電流來決定。方塊620中,第二資料點係基於一第二電壓降與一對應第二電流來決定。方塊630牽涉基於該等第一與第二資料點來調整流經該LED的電流。舉例來說,此調整可基於該等兩個資料點之間的差量。
再度參考圖4,方塊470牽涉估計該LED的溫度。該溫度的決定可基於橫跨該LED的電壓。該決定也可基於自該LED所收集的多個電壓-電流資料點。
方塊470牽涉產生診斷資訊。舉例來說,該診斷資訊可被提供於一積體電路的輸出處。該診斷資訊可包含但不限於下列:串列資料流、該LED的大略溫度、流經該LED的電流、橫跨該LED的電壓降,以及該LED的失效狀況。
因此,實施例係提供用於監測該LED之溫度的一種機制,該LED可被包含於一LED驅動器積體電路中。這是
非常有優勢的,因為其使流經該LED的電流可逐步調整,以便維持操作的減少模式,而非截斷至該LED的全部電流。這在例如緊急照明的應用中係非常重要的,其中至少有一些光照遠好過完全沒有光線。更甚者,本文中描述的技術使得一個或更多LED的失效狀況可偵測。舉例來說,可操作實施例以偵測針對於該等LED的短路與斷路。
更甚者,如本發明實施例中所做的直接量測一LED之溫度係較佳為諸如藉由量測附接至一LED的散熱片溫度而間接量測溫度。舉例來說,可理解一散熱片可脫離自該LED,該此例子中,該LED本身快速加熱而散熱片係開始冷卻。一散熱片附接方法可能無法偵測此狀況,或可能係太晚偵測到。另一方面,直接量測該LED的溫度將提供一即時回饋,因為此種電路係偵測LED溫度立即與突然的上升。
該等揭示實施例的先前描述係提供以使熟習本技術的任何人士可製造或使用本發明。對這些實施例的各種修正對於熟習本技術人士來說很清楚明顯的,且本文中所定義的普遍原則可被施加至其他實施例而不脫離本發明的精神或範疇。因此,本發明並非打算侷限於本文中所示的實施例,而係使與該最寬廣範疇相一致而符合於本文所揭示的原理與創新特徵。
100‧‧‧電路
110‧‧‧調節器
120‧‧‧電感器
130‧‧‧電容器
140‧‧‧LED
150‧‧‧電阻器
160‧‧‧電壓監測電路
170‧‧‧電流監測電路
180‧‧‧資料轉換邏輯電路
185‧‧‧介面
200‧‧‧電路
280‧‧‧資料轉換邏輯電路
290、295‧‧‧取樣與保持電路
300‧‧‧電路
310‧‧‧調節器
380‧‧‧資料轉換邏輯電路
該等被納入本說明書且形成其之一部分的隨附圖式係
說明本發明實施例,並且係與該說明一起作為解釋本發明實施例的原理:圖1所示係一種根據本發明多種實施例用以控制一LED的電路圖。
圖2所示係另一種根據本發明多種實施例用以控制一LED的電路。
圖3所示係另一種根據本發明多種實施例用以控制一LED的電路。
圖4所示係一種根據本發明多種實施例用以控制一LED的過程流程圖。
圖5所示係一種根據本發明多種實施例用以調整流經一LED之電流的過程流程圖。
圖6所示係另一種根據本發明多種實施例用以調整流經一LED之電流的過程流程圖。
100‧‧‧電路
110‧‧‧調節器
120‧‧‧電感器
130‧‧‧電容器
140‧‧‧LED
150‧‧‧電阻器
160‧‧‧電壓監測電路
170‧‧‧電流監測電路
180‧‧‧資料轉換邏輯電路
185‧‧‧介面
Claims (19)
- 一種用以控制流經一LED之電流的電路,其包含:一調節器,其用以提供該電流至該LED;一LED電壓監測電路,其用以監測橫跨該LED的一電壓降,並基於該電壓降提供一電壓讀取信號;一資料轉換邏輯電路,其耦接至該調節器與該LED電壓監測電路,其中該資料轉換邏輯電路可操作來控制該調節器,以基於該電壓讀取信號調整該電流;一LED電流監測電路,其用以監測流經該LED的電流,並基於該電流提供一電流讀取信號;一第一取樣與保持電路,其耦接於該LED電壓監測電路與該資料轉換邏輯電路,該第一取樣與保持電路係用以捕捉並提供該電壓讀取信號的第一即時值;以及一第二取樣與保持電路,其耦接於該LED電流監測電路與該資料轉換邏輯電路,該第二取樣與保持電路係用以捕捉並提供該電流讀取信號的第二即時值,其中該資料轉換邏輯電路係被耦接以接收被捕捉的該等第一與第二即時值,並可操作以基於其來控制該調節器。
- 如申請專利範圍第1項的電路,其中該LED電壓監測電路包含一誤差放大器。
- 如申請專利範圍第1項的電路,其中當該電流超過一臨界值時,該資料轉換邏輯電路係可操作以使得該等第一與第二取樣與保持電路捕捉該等第一與第二即時值。
- 如申請專利範圍第1項的電路,其中該LED電流監 測電路包含一誤差放大器。
- 如申請專利範圍第1項的電路,其中當該電壓降超過臨界值時,該資料轉換邏輯電路係可操作以控制該調節器來調整該電流。
- 一種用以控制流經一LED之電流的積體電路,其包含:一驅動器電路,其用以將該電流提供至該LED;一LED電壓監測電路,其用以監測橫跨該LED的電壓降,並基於該電壓降提供一電壓讀取信號;一邏輯電路,其係耦接於該驅動器電路與該LED電壓監測電路,其中該邏輯電路可操作來控制該驅動器電路,以基於該電壓讀取信號調整該電流;一LED電流監測電路,其用以監測流經該LED的電流,並基於該電流提供一電流讀取信號;一第一取樣與保持電路,其耦接於該LED電壓監測電路與該邏輯電路,該第一取樣與保持電路係用以捕捉並提供該電壓讀取信號的第一即時值;以及一第二取樣與保持電路,其耦接於該LED電流監測電路與該邏輯電路,該第二取樣與保持電路係用以捕捉並提供該電流讀取信號的第二即時值,其中該邏輯電路係被耦接以接收被捕捉的該等第一與第二即時值,並可操作以基於其來控制該驅動器電路。
- 如申請專利範圍第6項的電路,其中該邏輯電路可操作來控制該驅動器電路,以回應該電壓降的增加而減少該 電流,且其中該邏輯電路進一步可操作來控制該驅動器電路,以回應該電壓降的減少而增加該電流。
- 如申請專利範圍第6項的電路,其中該邏輯電路可操作以基於該電壓降的變化來偵測該LED的一短路。
- 一種用以控制流經一LED之電流的方法,其包含:產生該電流予該LED;監測橫跨該LED的電壓降;基於該電壓降來調整該電流;監測流過該LED的該電流;捕捉並提供該電壓降的一第一即時值;捕捉並提供該電流的一第二即時值;以及基於該等第一與第二即時值對產生用於該LED之該電流進行控制。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其中該電流於一第一值與一第二值之間變化,且其中進一步調整該電流係包含調整該電流的一DC組成。
- 如申請專利範圍第10項的方法,其中於該第一值與該第二值之間變化的電流係包含一鋸齒狀電流或一PWM電流。
- 如申請專利範圍第10項的方法,其進一步包含:基於一第一資料點與一第二資料點來估計該LED的一溫度,其中一特定資料點包含該電流的一特定值以及該電壓降的一對應值。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其進一步包含: 將該電壓降與該LED的一估計溫度做關聯。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其進一步包含:偵測該LED的一斷路。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其進一步包含:偵測該LED的一短路。
- 如申請專利範圍第15項的方法,其進一步包含:回應偵測該短路而減少該電流。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其中基於該電壓降調整該電流進一步包含:回應於該電壓降中的一減少而增加該電流。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其中基於該電壓降調整該電流進一步包含:回應於該電壓降中的一增加而減少該電流。
- 如申請專利範圍第9項的方法,其進一步包含:產生診斷資訊,其中該診斷資訊係被挑選自由下列所組成的群體:一串列資料流、該LED的一估計溫度、流經該LED的電流、橫跨該LED的電壓降,與該LED的一失效狀況。
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