TWI450639B - 基於發光二極體的照明設備之驅動方法和裝置 - Google Patents

Description

基於發光二極體的照明設備之驅動方法和裝置

本發明係有關基於發光二極體的照明裝置，尤其是有關於利用串聯或並聯組合多個基於發光二極體的照明單位之裝置和驅動方法。

發光二極體(LED)是一種基於半導體的光源，經常被應用在低耗電儀表和家電的指示器，應用發光二極體在各種照明裝置也已越來越普遍。例如，高明亮度的發光二極體已被廣泛用於交通信號燈，車輛指示燈，以及剎車燈。

發光二極體之電流對電壓(IV)特性曲線類似於一般的普通二極體，當加於發光二極體的電壓小於二極體的正向電壓時，只有非常小的電流通過發光二極體。當電壓超過正向電壓時，通過發光二極體的電流則大幅增加。一般來說，在大多數操作範圍，基於發光二極體的照明裝置之發光強度是和通過的電流成正比，但操作在高電流時則不如此。通常為基於發光二極體的照明裝置設計之驅動裝置，都是以提供一個恆定的電流為主，以便能發出穩定的光和延長發光二極體的壽命。

為了提高基於發光二極體的照明裝置之亮度，通常是將多數個發光二極體串聯在一起，形成一個基於發光二極體的照明單位，而且多數個基於發光二極體的照明單位可以更進一步串聯在一起，形成一個照明裝置。例如，美國專利6777891號揭露將多個基於發光二極體的照明單位，形成一個可由電腦控制的燈串，其中每個照明單位在燈串裡形成一個可單獨控制的節點。

每個照明裝置所需要的工作電壓，通常是取決於照明單位裡的發光二極體之正向電壓，每個照明單位裡有多少個發光二極體，每個照明單位是如何相互接聯的，以及每個照明單位在照明裝置里，是如何接收來自電源的電壓。因此，在大多數的應用中，都需要某種類型的電源電壓轉換裝置，來將一般較普遍的高電源電壓，轉換成較低的電壓，以提供給一個或多個基於發光二極體的照明單位。因為需要這樣的一個電壓轉換裝置，造成基於發光二極體的照明設備效率減低，成本增高，也難以減小其體積。

美國專利7781979號提供了一個控制串聯的發光二極體的裝置。其中有兩個或兩個以上的發光二極體串聯連接。當施加電壓時，一串聯的電流即流經發光二極體。其中至少有一個發光二極體被並聯一個或多個可控制的電流路徑，來使串聯的電流部分流經這些可控制的電流路徑，以便不需要電壓轉換裝置即可使用一般較普遍的高電源電壓。因此該裝置可使用如120V或240V的交流電壓。

因為已有越來越多的基於發光二極體的照明單位被應用在高亮度的照明設備上，如何使用牆上現有的交流電源，靈活和有效地提高發光二極體的利用率，並提供穩定性和高亮度，來驅動和連接多數個基於發光二極體的照明單位之設計方法和裝置，已經形成一種不可或缺的需求。此外，如何控制連接在一起之基於發光二極體的照明單位，使照明亮度可以根據不同的照明要求，或交流電源電壓的變化，來提供不同的照明模式，也是非常重要的。

本發明係為滿足上述基於發光二極體的照明裝置的應用之需要而創作的，主要目的是提供一種可以靈活地連接多個基於發光二極體的照明單位之照明裝置，在這樣一個基於發光二極體的照明裝置下，每一個基於發光二極體的照明單位，可以和相鄰之基於發光二極體的照明單位以串聯或並聯方式連接，或被以短路方式繞過。

因此，本發明的照明裝置包括多個基於發光二極體的照明單位與由控制器控制的多個開關單元交錯連接。每個開關單元連接一個領先的基於發光二極體的照明單位，和一個尾隨的基於發光二極體的照明單位，經由該開關單元的控制，可以將前後兩個基於發光二極體的照明單位並聯或串聯，或以短路方式繞過領先的基於發光二極體的照明單位。在本發明的照明裝置中，輸入電源的電壓連接於第一個基於發光二極體的照明單位，以提供電力給本發明的照明裝置，最後一個基於發光二極體的照明單位，則經由一個電流控制器連接到地面。

在本發明的一個優選實施範例中，每一個基於發光二極體的照明單位有各別的正極端和負極端，每個開關單元包括兩個並聯開關器和一個串聯開關器。第一個並聯開關器係用來連接前後兩個基於發光二極體的照明單位之各別正極端，第二個並聯開關器則用來連接前後兩個基於發光二極體的照明單位之各別負極端，而串聯開關器則用來連接領先的基於發光二極體的照明單位之負極端和尾隨的基於發光二極體的照明單位之正極端。

本發明的另一個目的是提供一個根據輸入電源電壓變化，或照明裝置中的電流控制器上的電壓變化，或是這兩者的電壓變化，來控制多個基於發光二極體的照明單位之連接的照明裝置。在本發明的優選實施例中，電流控制器可能是一個電流檢測電阻器或可變電流源。

根據本發明的優選實施範例之一，當輸入電源電壓在最高電壓時，所有的基於發光二極體的照明單位都以串聯方式連接，當輸入電源電壓在最低電壓時，所有的基於發光二極體的照明單位都以並聯方式連接，而當輸入電源電壓從最高電壓逐漸下降時，以並聯方式連接的基於發光二極體的照明單位則逐漸增加。相反的，當輸入電源電壓從最低電壓逐漸上升時，以串聯方式連接的基於發光二極體的照明單位則逐漸增加。

本發明的另一個目的是為基於發光二極體的照明單置提供各種驅動方法，藉由串聯一些基於發光二極體的照明單位，或並聯一些基於發光二極體的照明單位，或者以短路方式繞過一些基於發光二極體的照明單位，以提供多種照明模式。本發明提供了五種不同的驅動方式之例子，每種驅動方式藉由控制器來控制多個開關單元，以不同的方式連接多數個基於發光二極體的照明單位，來提供多種照明模式。

以下是根據本發明幾個優選實施範例，參照附屬的圖式之詳細說明，對於熟悉本技術速領域的人，閱讀以下根據本發明幾個優選實施範例之詳細說明，再參照附屬的圖式，應可很清楚的了解本發明。附圖是為了讓本發明能更進一步的被了解，並且也構成本發明之說明規範的一部分。藉由附屬的圖示來說明本發明的實施範例，並解釋本發明的原則。

圖一係根據本發明的一優選實施範例，用於控制多數個基於發光二極體的照明單位的照明裝置之電路示意圖。該照明裝置包括連接在節點N_A 與節點N_C 之間的多數個基於發光二極體的照明單位101，輸入電源電壓V_IN 從節點N_A 提供電壓給此多數個基於發光二極體的照明單位101，電流檢測電阻器103連接節點N_C 至地面。每個基於發光二極體的照明單位101有各別的正極端A和負極端C，並包括至少有一個或更多的發光二極體以串聯或並聯或其組合的方式連接在正極端A和負極端C之間。

從圖一可以看出，該照明裝置還包括多數個開關單元102，與該多數個基於發光二極體的照明單位101交錯連接。每個開關單元102藉由兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101之正極端A和負極端C來連接該兩個相鄰的照明單位101。每個開關單元102包括兩個並聯開關器1021，用來各別連接兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101之正極端A和負極端C，每個開關單元102還包括一個串聯開關器1022來連接領先的基於發光二極體的照明單位101之負極端C和尾隨的基於發光二極體的照明單位101之正極端A。

根據本發明，開關單元102有三個不同的操作模式。在第一操作模式下，兩個並聯開關器1021係不接通，而串聯開關器1022則接通。因此，領先的基於發光二極體的照明單位101之負極端C，連接到尾隨的基於發光二極體的照明單位101之正極端A。換句話說，當其間的開關單元102被控制在第一操作模式時，兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101形成串聯。

在第二操作模式下，兩個並聯開關器1021係接通，而串聯開關器1022則不接通。因此，領先的基於發光二極體的照明單位101之正極端A和負極端C，分別連接到尾隨的基於發光二極體的照明單位101之正極端A和負極端C。所以當其間的開關單元102被控制在第二操作模式時，兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101形成並聯。

在第三操作模式下，連接兩個相鄰的照明單位101之正極端A的並聯開關器1021係接通，同時串聯開關器1022也接通，但是連接兩個相鄰的照明單位101之負極端C的並聯開關器1021則不接通。因此，領先的基於發光二極體的照明單位101之正極端A和負極端C，同時都被連接到尾隨的基於發光二極體的照明單位101之正極端A，於是領先的照明單位101被短路了。因此，當其間的開關單元102被控制在第三操作模式時，領先的基於發光二極體的照明單位101是以短路方式被繞過。

根據本發明之照明裝置，每個開關單元102都可以被單獨控制，如圖一所示，該裝置還包括一個控制器110，用來發送一組控制信號P和S到每個開關單元102。這兩個控制信號P和S可以控制所屬的開關單元102，使其運作於三個不同的操作模式之一。因為每兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101，都可並聯或串聯，或者以短路方式繞過領先的基於發光二極體的照明單位101，該照明裝置可藉由控制器110來控制每個開關單元102，以不同的方式連接多數個基於發光二極體的照明單位101，來提供多種照明模式。

在這個優選實施範例中，最後的基於發光二極體的照明單位101，在節點N_C 與電流檢測電阻器103的一端連接，電流檢測電阻器103的另一端則連接到地面。節點N_C 也被連接到控制器110，所以控制器110可以偵測到節點N_C 的電壓。因此，控制器110可以根據電流檢測電阻器103在節點N_C 上的電壓值，或輸入電源V_IN 的電壓值，或是這兩個電壓值，來控制多個開關單元102。

圖二顯示了圖一的實施範例中控制器110的示意圖。控制器110包括一個A/D轉換器1101用來將輸入電壓V_IN 轉換成數位信號，該數位信號被送到一個狀態機1102。控制器110又包括一個檢測放大器1103，用來檢測在節點N_C 上的電壓值，該檢測放大器1103輸出一個信號到狀態機1102。在控制器110裡用來控制多個開關單元102的控制邏輯，就裝置在狀態機1102和儲存記憶元件1104中，以發送控制信號P和S到每個開關單元102。

根據本發明，在基於發光二極體的照明單位101中的發光二極體，是泛指所有類型的發光二極體，如一般半導體發光二極體和有機發光二極體，這些發光二極體可能在各種頻譜發光。本發明的照明裝置，可包括任何數量的基於發光二極體的照明單位，每個基於發光二極體的照明單位，可能包括任何數量的發光二極體，這些數量都可根據設備或裝置上實際應用的要求而定。開關單元102也是泛指一般包含有可以適當接通或關閉一個或多個電路的開關元件，開關單元102裡的開關器，可以是機械式的或電力式的，也可以是用積體電路製造的半導體開關器。

圖三係根據本發明的另一優選實施範例，用於控制多數個基於發光二極體的照明單位的單位裝置之電路示意圖。如圖三所示，該單位裝置同樣的包括了多數個基於發光二極體的照明單位101與多數個開關單元102在節點N_A 與節點N_C 之間交錯連接。與圖一不同的是，電流檢測電阻器103被一個可變的電流源105所取代。該照明裝置也包括一個控制器120來控制這個可變的電流源105以及每個開關單元102。

在此優選實施範例中，可變電流源105在節點N_C 的電壓的也可由控制器120來偵測。因此，控制器120可以根據可變電流源105在節點N_C 上的電壓值，或輸入電源V_IN 的電壓值，或是這兩個電壓值，來控制多個開關單元102。

圖四顯示了圖三的實施範例中控制器120的示意圖。控制器120包括一個檢測放大器1203，用來檢測在節點N_C 上的電壓值，該檢測放大器1203輸出一個信號到狀態機1202。在控制器120裡用來控制多個開關單元102的控制邏輯，就裝置在狀態機1202和儲存記憶元件1204中，以發送控制信號P和S到每個開關單元102。控制器120還包括一個電流控制電路1205，以控制可變電流源105。

按照本發明的基於發光二極體的照明裝置，兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位，可以被控制成並聯或串聯連接，或者以短路方式繞過領先的基於發光二極體的照明單位101。根據照明裝置中每個照明單位如何連接其相鄰的照明單位，可以產生不同的照明模式。因此，本發明的照明裝置可以用不同的驅動方法，來控制多個開關單元用不同的方式連接多個基於發光二極體的照明單位101，以提供許多不同的照明模式。例如，該照明裝置可以根據輸入電壓V_IN 的變化，從一種照明模式切換到另一種照明模式。

圖五顯示了一個根據本發明而提供多種照明模式的例子。該照明裝置可以根據輸入電壓V_IN 的變化，而被控制成提供照明模式-0，照明模式-1，...，照明模式-M。當輸入電壓V_IN 在最高電壓值時，該照明裝置處於照明模式-M，其中每兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101被其間的開關單元102控制連接成串聯，因此照明裝置裡所有基於發光二極體的照明單位101都以串聯方式連接。當輸入電壓V_IN 從最高電壓值逐漸下降時，該照明裝置逐漸切換照明模式，一部分基於發光二極體的照明單位101逐漸被其間的開關單元102控制連接成並聯，照明裝置則從照明模式-M切換成照明模式-(M-1)，照明模式-(M-2)，...，等等。

相反的，當輸入電壓V_IN 在最低電壓值時，該照明裝置處於照明模式-0，其中每兩個相鄰的基於發光二極體的照明單位101被其間的開關單元102控制連接成並聯，因此照明裝置裡所有基於發光二極體的照明單位101都以並聯方式連接。當輸入電壓V_IN 從最低電壓值逐漸上升時，該照明裝置也逐漸切換照明模式，一部分基於發光二極體的照明單位101逐漸被其間的開關單元102控制連接成串聯，照明裝置則從照明模式-0切換成照明模式-1，照明模式-2，...，等等。

圖六所顯示的圖，係用來說明在本發明的照明裝置之不同的照明模式下，輸入電壓V_IN 的電壓值和相對應的流經照明裝置之串聯電流值。一般而言，交流電源都先經過整流之後，才提供電壓給基於發光二極體的照明裝置。因此，輸入電壓V_IN 的電壓值，隨著經過整流的正弦波之正週期而變化。為簡單起見，圖六使用一個三角波電壓來說明本發明的照明裝置，在輸入電壓V_IN 的變化下所操作之不同的照明模式。圖六中以60赫的120伏交流電壓為例，隨時間變化之輸入電壓V_IN 的三角波可以表示為(V_M /T_M )t，其中V_M =120伏，T_M =(1/240)秒。

如圖六所示，輸入電壓V_IN 的電壓值，從0增加到V₀ 時，該照明裝置處於照明模式-0。換言之，在時間0到T₀ 之間，是照明模式-0。在時間從T₀ 到T₁ ，輸入電壓V_IN 的電壓值從V₀ 增加到V₁ ，照明裝置則處於照明模式-1。同理，在時間T_M-1 到T_M ，輸入電壓V_IN 的電壓值從V_M-1 增加到V_M ，該照明裝置處於照明模式-M。從圖六可以出，在時間點T₀ ，T₁ ，…，T_M ，流經基於發光二極體的照明裝置之串聯電流值I_LED 為最大值I_MAX 。此串聯電流值在每一T_i-1 到T_i 區間都驟然下降，然後又逐漸增加至最大值I_MAX 。當輸入電壓V_IN 的電壓值從最高電壓值V_M 下降時，該照明裝置，以類似但反向的方式運作。

為進一步解釋本發明的照明裝置的操作和照明模式，以下將說明幾種對多數個基於發光二極體的照明單位之驅動方法的例子，其中每一種驅動方法都可以利用多數個基於發光二極體的照明單位之間的聯結，提供多數個照明模式。為了簡單起見，假設該照明裝置裡，有N個基於發光二極體的照明單位，每個基於發光二極體的照明單位裡，只有一個發光二極體。在每一種驅動方法中，本發明提供了M個不同的照明模式，其中M取決於N。但是每一種不同的驅動方法，M則不一定相同。圖七說明了第一種驅動方法，其中所有的基於發光二極體的照明單位，在輸入電壓V_IN 的電壓值為最高時，都以串聯方式連接。當輸入電壓V_IN 從最高電壓值逐漸下降時，該照明裝置逐漸切換照明模式，一部分基於發光二極體的照明單位逐漸被連接成並聯，反之亦然。

從圖七中可以看出，在該驅動方法中，本發明提供了M+1個不同的照明模式，而N=2^M 。最左邊的照明模式上，輸入電壓V_IN 的電壓值為最高，所有的基於發光二極體的照明單位，都以串聯方式連接。當輸入電壓下降時，該照明裝置切換到下一照明模式。如左二之圖所示，每一組兩個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接。因此，整個照明裝置有N/2組串聯的基於發光二極體的照明單位組，而每一基於發光二極體的照明單位組，則有兩個基於發光二極體的照明單位並聯。

當輸入電壓V_IN 的電壓值進一步降低，該照明裝置又切換到下一照明模式，其中整個照明裝置有N/4組串聯的基於發光二極體的照明單位組，而每一組基於發光二極體的照明單位組，則有四個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接。隨著輸入電壓V_IN 的電壓值更進一步降低，串聯的基於發光二極體的照明單位組的數量減少，每個組則有更多以並聯方式連接的基於發光二極體的照明單位。如圖七中的最右圖所顯示，當輸入電壓V_IN 的電壓值下降到最低時，所有的基於發光二極體的照明單位，都以並聯方式連接。相反的，當輸入電壓V_IN 的電壓值從最低時開始增加，該照明裝置則以反向的方式切換照明模式。因為總共有N=2^M 個基於發光二極體的照明單位，本發明的每一種驅動方式提供了M+1個不同的照明模式。

根據本發明的第一種驅動方法，所提供給基於發光二極體的照明裝置的亮度，可以利用發光二極體之電流對電壓(IV)特性來分析。圖八A顯示了一個典型的發光二極體之電流對電壓(IV)特性曲線。為簡單起見，該電流對電壓特性曲線可以視為是分段線性的。當施加於發光二極體的輸入電壓V _LED 比正向電壓V _f0 還高時，流經發光二極體的電流I _LED 與輸入電壓V _LED 是成線性正比。當輸入電壓V _LED 達到V _Lm 時，流經發光二極體的電流I _LED 達到一個最大值I _Lm 。圖八B顯示了一個沒有最低電壓V _min 限制之理想的電流源。

分段線性化的發光二極體之電流對電壓特性(IV)曲線，可以下列方程式表示：

當V _LED V _{f 0} 時，I _LED =0和

當V _LED V _{f 0} 時，I _LED = (V _LED -V _{f 0} )

其中I _Lm 是電流源提供給發光二極體之最大電流值。以下的分析是假設每個基於發光二極體的照明單位，都只有一個有相同正向電壓V _f0 和相同電流對電壓(IV)特性的發光二極體，而且沒有功率損耗的照明裝置。此照明裝置中，基於發光二極體的照明單位的總數是：

其中代表(V _M /V _f0 )的整數部分，V _M 是經由輸入電源V_IN 供給照明裝置的最大電壓值。

一個包含多個基於發光二極體的照明單位之照明裝置的總亮度，是與流經每個發光二極體的平均電流的總和成正比，也就是說：

其中I _LED(j,k) 代表了如圖六所示，假設每個基於發光二極體的照明單位只有一個發光二極體，在照明模式-k，流經第j 個發光二極體的電流值。

圖七所顯示的第一種驅動方法，可使一個由N個基於發光二極體的照明單位組成的照明裝置，提供了M+1個不同的照明模式，其中M=log₂ N。在照明模式-k下，通過發光二極體的電流是：

I _LED(1,k) =I _LED(2,k) =…=I _LED(N,k) ，

其中k=0，1，2，...，M。在照明模式-0時，流經每個發光二極體的總電流是：

I _{LED(j ,0 )} dt = I _{LED(j ,0 )} dt ，其中當t<T _Z(0) 時，I _LED(j,0) =0。

因為T ₀ =×T _M 和T _{Z (0)} =×T _M ，上述總電流可以進一步表明如下：

同樣的，對於照明模式-k而言，流經每個發光二極體的總電流是：

I _{LED(j , k)} dt = I _{LED(j , k )} dt ，其中當t<T _Z(k) 時，I _LED(j,k) =0。

因為T _k =×T _M 和T _Z(k) =×T _M ，上述總電流可以進一步表明如下：

圖九說明了本發明的第二種驅動方法，其中所有的基於發光二極體的照明單位，在輸入電壓V_IN 的電壓值為最高時，也都以串聯方式連接。當輸入電壓V_IN 從最高電壓值逐漸下降時，該照明裝置逐漸切換照明模式，愈來愈多基於發光二極體的照明單位逐漸被連接成並聯，反之亦然。圖九最左邊的照明模式上，輸入電壓V_IN 的電壓值為最高，所有的基於發光二極體的照明單位，都以串聯方式連接。當輸入電壓下降時，該照明裝置切換到下一照明模式。如圖九所示，整個照明裝置中只有一組基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，其餘的基於發光二極體的照明單位仍以串聯方式連接。每切換到下一照明模式，就多一個基於發光二極體的照明單位被併入並聯方式連接。因此，當輸入電壓V_IN 的電壓值下降到最低時，所有的基於發光二極體的照明單位，都變成以並聯方式連接。

參照圖九，其中左二圖所示的照明模式有兩個並聯之基於發光二極體的照明單位，左三圖的照明模式則有三個並聯之基於發光二極體的照明單位，最右圖的照明模式裡，所有基於發光二極體的照明單位都是並聯。和圖七所示的第一種驅動方法類似，當輸入電壓V_IN 的電壓值從最低時開始增加，該照明裝置以反向的方式切換照明模式。從圖九可以看出，如果基於發光二極體的照明單位總數是N，利用此驅動方法，可以提供N個不同的照明模式。

在圖九所示的第二種驅動方法中，有N個不同的照明模式。在照明模式-k下，有個基於發光二極體的照明單位，以串聯方式連接到一組包含(N-k)個並聯的基於發光二極體的照明單位組。通過發光二極體的電流是：

I _LED(1,k) =I _LED(2,k) =… =I _LED(k,k) =I _Lm ，和

I _LED(k+1,k) =I _LED(k+2,k) =… =I _LED(N,k) =I _Lm /(N -k ),

其中k=0，1，...，N-1。在照明模式-0下，流經每個發光二極體的總電流與先前討論之第一種驅動方法是一樣的，也就是說：

對於照明模式-k而言，假設

V ₀ =V _Lm 和V _k =k ×V _Lm +其中k 1。

同時

流經每個發光二極體的電流可以表示為：

因此，

如果V _{f 0} ，流經每個發光二極體的總電流是：

其中

除了以上說明和討論的第一種和第二種驅動方法，圖十顯示本發明的第三種驅動方法。假設基於發光二極體的照明單位的總數是N，而N有(M+1)個可以除盡N的因數，從小到大的順序分別為n₀ ，n₁ ，…，n_M 。也就是說N/n_k 是一整數，其中k=0，1，2，...，M。本發明的第三種驅動方法，提供M+1個不同的照明模式。如圖十所示，在照明模式-k下，有n_k 組基於發光二極體的照明單位組以串聯方式連接，每照明單位組內則有N/n_k 個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接。

對於照明模式-k而言，通過發光二極體的電流是：

I _LED(1,k) =I _LED(2,k) =… =I _LED(N,k) 。

同時

如果V _{f 0} ×V _Lm ，則流經每個發光二極體的總電流是：

其中

圖十一顯示本發明的第四種驅動方法。假設基於發光二極體的照明單位的總數是N，如圖所示，在第四種驅動方法所提供的照明模式-k下，所有的基於發光二極體的照明單位，被分成k+1組基於發光二極體的照明單位組以串聯方式連接，每照明單位組內則有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，其中代表N/(k+1)的整數部分，k=0，1，2，...，N-1。

因為N/(k+1)可能不是一個整數，在N/(k+1)不是一個整數的時候，則有N _z =(N -(k +1)×)個基於發光二極體的照明單位，必須以短路方式被繞過。因此，第四種驅動方法，可提供N個照明模式。對於照明模式-k，通過發光二極體的電流是：

同時

I _{LED (1, k )} =×，並且T _k =×T _M ，

如果V _{f 0} ×V _Lm ，則流經每個發光二極體的總電流是：

其中

本發明又有如圖十二所顯示的第五種驅動方法，來提供多種照明模式。第五種驅動方法與第四種驅動方法類似，只不過上述第四種驅動方法裏，N _Z 個必須被以短路方式繞過的基於發光二極體的照明單位，在第五種驅動方法裏則被均勻的分到某一些照明單位組內。換句話說，在k+1組以串聯方式連接之基於發光二極體的照明單位組裏，有些照明單位組內有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，另外的照明單位組內則有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接。舉例來說，在以串聯方式連接的k+1組中，分成A_k 組和B_k 組，A_k +B_k =(k+1)。其中的A_k 組是有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，另外的B_k 組內則有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接。

對於照明模式-k而言，

V _k =A _k ×V _Lm +B _k ×(V _{f 0} +C _k ×(V _Lm -V _{f 0} ))，其中C_k =，並且

流經每個發光二極體的電流可以表示為：

因此，如果V _{f 0} ，則流經每個發光二極體的總電流是：

其中

為了將利用本發明所提供的驅動方法所產生的照明裝置之亮度，與利用在業界已知的美國專利號7781979中揭露的驅動方法所產生的照明裝置之亮度來比較，上述的分析方法，也可以用來分析美國專利號7781979中揭露的驅動方法所產生的基於發光二極體的照明裝置之亮度。該專利已被轉讓給飛利浦固態照明解決方案公司(Philips Solid-State Lighting Solutions,Inc.)，以下簡稱該驅動方法為飛利浦，假設它也有N個照明模式，對於照明模式-k，通過發光二極體的電流是：

I _LED(1,k) =I _LED(2,k) =… =I _LED(k+1,k) =I _Lm ，和

I _{LED ( k+2,k)} =I _LED(k+3,k) =… =I _LED(N,k) =0。

因此，對於照明模式-0和模式-1而言，通過發光二極體的電流分別是：

對於k>=2的照明模式-k而言，

I _{LED (1, k )} =，而且T _k =×T _M ，

因此，如果V _{f 0} V _Lm ，則流經每個發光二極體的總電流是：

否則，流經每個發光二極體的總電流是：

圖十三顯示了一個比較利用本發明所提供的第四種驅動方法，和利用飛利浦提供的驅動方法，所產生的照明亮度比較圖。圖中假設照明裝置裡有32個基於發光二極體的照明單位，共有32個Cree的發光二極體，來產生32個不同的照明模式。在比較時，假定為輸入電壓V_IN 為60赫的120伏。從圖中可以看出，本發明的第四種驅動方法，在許多照明模式下，都在照明裝置裡產生較高的照明亮度。

圖十四顯示了另一個圖表，來比較利用本發明所提供的第四種驅動方法和第五種驅動方法，所產生的照明亮度之差異。從圖表可以看出，兩個驅動方法是非常相似的，第四種驅動方法在某些照明模式下，在照明裝置裡產生了稍微高一點的照明亮度。

總之，本發明提供了一種控制和連接多個基於發光二極體的照明單位的照明裝置和方法，其中一些基於發光二極體的照明單位可串聯連接，而一些基於發光二極體的照明單位可並聯連接。如圖十五所示，每個照明單位可以包括一個或多個發光二極體串聯，並聯或者是兩者都有之組合方式連接。這裡應該注意的是，雖然圖十五只有顯示三個如何連接發光二極體的例子，熟悉本技術領域的人應該很容易就可看出，本發明的每個照明單位，還可以其他方式來連接多個發光二極體。

通過使用本發明的驅動方法，可為基於發光二極體的照明裝置，提供多種照明模式。如圖十三所示的照明亮度比較圖，可以看出本發明能增加發光二極體的利用效率，因而產生較高的照明亮度。本發明也可以為各種不同的照明需求，根據本發明的驅動方法，提供許多不同的照明模式。此外，利用本發明中適當的驅動方法，也可以使在照明裝置裡流經發光二極體的電流更為均勻。

雖然以上只藉由幾個優選的實施範例來描述本發明，然而熟悉本技術領域的人，很明顯的可以了解，仍有許多未描述的變通及修改，都在不偏離以下所定義之本發明的申請專利範圍之內。

101．．．基於發光二極體的照明單位

102．．．開關單元

1021．．．並聯開關器

1022．．．串聯開關器

103．．．電流檢測電阻器

105．．．可變的電流源

110．．．控制器

1101．．．A/D轉換器

1102．．．狀態機

1103．．．檢測放大器

1104．．．儲存記憶元件

120．．．控制器

1202．．．狀態機

1203．．．檢測放大器

1204．．．儲存記憶元件

1205．．．電流控制電路

圖一係本發明的一優選實施範例，用於控制多數個基於發光二極體的照明單位的照明裝置之電路示意圖。

圖二顯示了圖一的實施範例中控制器的示意圖。

圖三係本發明的另一優選實施範例，用於控制多數個基於發光二極體的照明單位的照明裝置之電路示意圖。

圖四顯示了圖三的實施範例中控制器的示意圖。

圖五顯示了本發明中隨著輸入電源電壓的變化而提供多種照明模式的例子。

圖六係顯示在本發明的照明裝置之不同的照明模式下，輸入電壓的電壓值和相對應的流經照明裝置之串聯電流值。

圖七說明了本發明的第一種驅動方法。

圖八A顯示了一個典型的發光二極體之電流對電壓(IV)特性曲線。

圖八B顯示了一個沒有最低電壓限制之理想的電流源。

圖九說明了本發明的第二種驅動方法。

圖十說明了本發明的第三種驅動方法。

圖十一說明了本發明的第四種驅動方法。

圖十二說明了本發明的第五種驅動方法。

圖十三顯示了比較利用本發明所提供的第四種驅動方法，和利用飛利浦提供的驅動方法，所產生的照明亮度比較圖。

圖十四顯示了比較利用本發明所提供的第四種驅動方法和第五種驅動方法，所產生的照明亮度之差異比較圖。

圖十五說明本發明之基於發光二極體的照明單位中，可能有至少一個或多個發光二極體串聯，並聯或以並聯和串聯組合方式連接。

101．．．基於發光二極體的照明單位

102．．．開關單元

1021．．．並聯開關器

1022．．．串聯開關器

103．．．電流檢測電阻器

110．．．控制器

Claims (17)

1. 一個基於發光二極體的照明裝置，包括：多個基於發光二極體的照明單位，每個照明單位有一正極端，一負極端，和一個或多個發光二極體連接於正極端和負極端之間；多個開關單元與上述多數個基於發光二極體的照明單位交錯連接，每個開關單元被放置於一領先的基於發光二極體的照明單位與一尾隨的基於發光二極體的照明單位之間；一輸入電源連接到上述多數個基於發光二極體的照明單位裏的第一個照明單位的正極端；一控制器，用來控制上述多個開關單元；一電流控制器包括有第一端和第二端，其中第一端連接到上述多個基於發光二極體的照明單位裏的最後一個照明單位的負極端，而第二端則連接到地面；其中上述控制器可以分別控制上述多個開關單元裏的每個開關單元，每個開關單元包括一第一操作模式用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之負極端連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之正極端，一第二操作模式用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之正負極端分別連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之正負極端，和一第三操作模式用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之正負極端都連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之正極端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述多個開關單元裏的每個開關單元包括：第一並聯開關器用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之正極端連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之正極端，第二並聯開關器用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之負極端連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之負極端，和一串聯開關器用來將其領先的基於發光二極體的照明單位之負極端連接到其尾隨的基於發光二極體的照明單位之正極端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述電流控制器的第一端發送一電壓值至上述控制器，而上述控制器根據該電壓值來控制上述多個開關單元，使其運作於不同的操作模式。
4. 如申請專利範圍第3項所述之照明裝置，其中上述控制器根據上述電流控制器的第一端發送的電壓值，和上述輸入電源的電壓值來控制上述多個開關單元，使其運作於不同的操作模式。
5. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述電流控制器是一電流檢測電阻器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述電流控制器是一可變的電流源。
7. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述多個基於發光二極體的照明單位之每一照明單位包括一個或多個發光二極體串聯於該照明單位的正極端和負極端之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述多個基於發光二極體的照明單位之每一照明單位包括多個發光二極體並聯於該照明單位的正極端和負極端之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述多個基於發光二極體的照明單位之每一照明單位包括多個發光二極體以並聯和串聯的組合連接於該照明單位的正極端和負極端之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述控制器根據上述輸入電源的電壓值來控制上述多個開關單元，使其運作於不同的操作模式。
11. 如申請專利範圍第10項所述之照明裝置，其中當上述輸入電源的電壓值在最高電壓值時，所有的上述多個開關單元都操作在上述第一操作模式；當上述輸入電源的電壓值在最低電壓值時，所有的上述多個開關單元都操作在上述第二操作模式；而當上述輸入電源的電壓值在最高電壓值和最低電壓值之間變化時，上述多 個開關單元裡，有的開關單元操作在上述第一操作模式，有的開關單元則操作在上述第二操作模式。
12. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中當上述輸入電源的電壓值從最高電壓值逐漸下降到最低電壓值時，上述多個開關單元裡，操作在上述第二操作模式的開關單元逐漸增加。
13. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該照明裝置包括N個基於發光二極體的照明單位，和M+1個不同的照明模式，其中N=2^M ；在照明模式-k下，該照明裝置有2^k 組的照明單位組，以串聯方式連接，而其中每一照明單位組裡有N/2^k 個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，其中k=0，1，2，...，M。
14. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該照明裝置包括N個基於發光二極體的照明單位，和N個不同的照明模式；在照明模式-k下，該照明裝置有N-k個基於發光二極體的照明單位並聯成一組照明單位組，其餘所有的k個基於發光二極體的照明單位都以串聯方式連接，再與該照明單位組串聯連接，其中k=0，1，2，...，N-1。
15. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該照明裝置包括N個基於發光二極體的照明單位，N有(M+1)個可以除盡N的因數，從小到大的順序分別為n₀ ，n₁ ，…，n_M ；在照明模式-k下，該照明裝置有n_k 組的照明單位組，以串聯方式連接，而其中每一照明單位組裡有N/n_k 個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連接，其中k=0，1，2，...，M。
16. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該照明裝置包括N個基於發光二極體的照明單位，和N個照明模式；在照明模式-k下，該照明裝置有k+1組的照明單位組，以串聯方式連接，而 其中每一照明單位組裡有個基於發光二極體的照明單位以 並聯方式連接，其餘個基於發光二極體的照 明單位，以短路方式被連接，其中代表N/(k+1)的整數部 分，k=0，1，2，...，N-1。
17. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該照明裝置包括N個基於發光二極體的照明單位，和N個照明模式；在照明模式-k下，該照明裝置有k+1組的照明單位組，以串聯方式連接；而其中上述k+1組照明單位組分成A_k 組和B_k 組，A_k 組中的每一照明 單位組裡有個基於發光二極體的照明單位以並聯方式連 接，而B_k 組中的每一照明單位組裡有個基於發光二極 體的照明單位以並聯方式連接，其中A_k +B_k =(k+1)，而代表N/(k+1)的整數部分，k=0，1，2，...，N-1。