TWI651986B

TWI651986B - 發光二極體電路

Info

Publication number: TWI651986B
Application number: TW103121958A
Authority: TW
Inventors: 龔哲民; 吳擇序; 黃忠民; 黃祺峻
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2019-02-21
Also published as: CN105323897B; CN105323897A; TW201601588A

Abstract

一種發光二極體電路，包括：第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體、第四發光二極體以及組態控制模組。其中組態控制模組分別電性耦接至第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體。組態控制模組係用以依據施與此發光二極體的驅動電壓，調整第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體選擇性地切換至一第一組態、一第二組態、一第三組態或一第四組態。

Description

發光二極體電路

本發明係關於一種發光二極體電路，特別關於一種適於直接以交流電驅動的低閃爍高利用率的發光二極體電路。

發光二極體作為一種高效率的發光元件，已經被廣泛的應用於各種照明的領域中。其中適用於直接以交流電驅動的發光二極體電路由於無需交流轉直流的轉換電路(AC-DC converter)，出光的效率更高。

然而，市面上常見的直接以交流電驅動的發光二極體電路，往往隨著驅動電壓而驅動不同數量的發光二極體。隨之而來的問題是閃爍、發光二極體利用率不均勻以及發光二極體的利用率太低。更進一步的問題是由於部分的發光二極體相較於其他發光二極體有較高的利用率，因此這部份的發光二極體往往較早發生光衰等損壞。

鑒於上述問題，本發明提出一種發光二極體電路，藉由電路架構以及相應的控制程序，使發光二極體電路中的每一顆發光二極體都具有相同的利用率，且每一顆發光二極體的利用率都接近100%。

依據本發明一個或多個實施例所提出的一種發光二極體電路，包括：第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體、第四發光二極體以及組態控制模組。其中組態控制模組分別電性耦接至第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體。組態控制模組係用以依據施與此發光二極體的驅動電壓，調整第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體選擇性地切換至一第一組態、一第二組態、一第三組態或一第四組態。其中於第一組態中，第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體彼此並聯，從而在驅動電壓的輸入端與接地端之間形成四條第一電流路徑。而於第二組態中，第一發光二極體與第二發光二極體串聯，第三發光二極體與第四發光二極體串聯，從而在驅動電壓的輸入端與接地端之間形成兩條第二電流路徑。而於第三組態中，第三發光二極體與第四發光二極體並聯而串聯第一發光二極體與第二發光二極體，從而在驅動電壓的輸入端與接地端之間形成第三電流路徑。另一種接法是，第一發光二極體與第二發光二極體並聯，而後串聯於第三發光二極體與第四發光二極體。於第四組態中，第一發光二極體、第二發光二極體、第三發光二極體與第四發光二極體串聯，在驅動電壓的輸入端與接地端之間形成第四電流路徑。

依據本發明一個或多個實施例所揭露的一種發光二極體電路，具有一個輸入端與一個接地端，所述的發光二極體電路包含：N個發光二極體、(N-1)個單向元件、控制單元、(N-1) 個第一開關與(N-1)個第二開關。其中第1個發光二極體的正端電性耦接至輸入端以接收驅動電壓，第N個發光二極體的負端電性耦接至接地端，N為大於1的整數。第i個單向元件的正端電性耦接至第i個發光二極體的負端，且第i個單向元件的負端電性耦接至第(i+1)個發光二極體的正端，i為小於N的正整數。控制單元電性耦接至輸入端，用以依據驅動電壓以產生一組控制訊號。第j個第一開關電性耦接於第j個發光二極體的正端與第(j+1)個發光二極體的正端之間，每個第一開關受控於控制訊號而選擇性地導通，j為小於N的正整數。第k個第二開關電性耦接於第k個發光二極體的負端與第(k+1)個發光二極體的負端之間，每個第二開關受控於控制訊號而選擇性地導通，k為小於N的正整數。

藉由本發明提出一種發光二極體電路，依據驅動電壓的電壓值，調整多顆發光二極體之間的串聯與並聯，使發光二極體電路中的每一顆發光二極體都具有相同的利用率，且每一顆發光二極體的利用率都接近100%。如此，所有的發光二極體都同時發光，因此發光二極體電路出光的閃爍程度被減低。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧控制單元

101~105‧‧‧比較器

107~109‧‧‧互斥或閘

D₁~D₄‧‧‧單向元件

D₀₁~D_(N-1)‧‧‧單向元件

I₁~I₄‧‧‧電流源

LED₁~LED₅‧‧‧發光二極體

LED₀₁~LED_N‧‧‧發光二極體

SW₁~SW₈‧‧‧開關

SW₁₁~SW_1(N-1)‧‧‧第一開關

SW₂₁~SW_2(N-1)‧‧‧第一開關

V_ctrl1~V_ctrl3‧‧‧控制訊號

V_comp‧‧‧比較訊號

V_IN‧‧‧驅動電壓

V_DIM‧‧‧調光訊號

第1圖係依據本發明第一實施例的發光二極體電路示意圖。

第2圖係依據本發明第二實施例的發光二極體電路示意圖。

第3圖係依據本發明第三實施例的發光二極體電路示意圖。

第4圖係依據本發明第二實施例中的控制單元的部份電路示意圖。

第5圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍的發光電壓的實施狀態示意圖。

第6圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍的發光電壓至三倍的發光電壓的實施狀態示意圖。

第7圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍的發光電壓至四倍的發光電壓的實施狀態示意圖。

第8圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍的發光電壓至四倍的發光電壓的另一實施狀態示意圖。

第9圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍的發光電壓下的實施狀態示意圖。

第10圖係依據本發明第四實施例的發光二極體電路示意圖。

第11圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第12圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第13圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第14圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第15圖係依據本發明第五實施例的發光二極體電路示意圖。

第16圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第17圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第18圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第19圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第20圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第21圖係依據本發明第六實施例的發光二極體電路示意圖。

第22圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第23圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第24圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第25圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

第26圖係依據本發明一實施例中的驅動電壓與驅動電流時序圖。

第27圖係依據本發明第七實施例的發光二極體電路示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照第1圖，其係依據本發明第一實施例的發光二極體電路示意圖。如第1圖所示，發光二極體電路可以包括發光二極體LED₁、發光二極體LED₂、發光二極體LED₃、開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、單向元件D₁、單向元件D₂與控制單元10。其中，發光二極體LED₁的負端耦接至整個發光二極體電路的接地端，發光二極體LED₁的正端耦接至單向元件D₁的負端以及開關SW₁的一端。單向元件D₁的正端耦接至發光二極體LED₂的負端以及開關SW₂的一端。開關SW₂的另一端接至整個發光二極體電路的接地端。發光二極體LED₂的正端耦接至開關SW₁的另一端、開關SW₃的一端與單向元件D₂的負端。開關SW₃的另一端耦接至整個發光二極體電路的輸入端。單向元件D₂的正端耦接至發光二極體LED₃的負端以及開關SW₄的一端。開關SW₄的另一端耦接至整個發光二極體電路的接地端。而發光二極體LED₃的正端耦接至整個發光二極體電路的輸入端。驅動電壓V_IN從輸入端被輸入。控制單元10耦接至開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃與開關SW₄，因此控制單元10連同開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃與開關SW₄可以被視為一整個用來控制發光二極體電路組態的組態控制模組。

其中，每個單向元件可以是一個二極體，僅允許電流由其正端流至其負端。且假設每個發光二極體可以在其兩端的順向電壓差(正端到負端的電壓差)大於發光電壓V_F(舉例來說為70伏特)時被驅動發光。當控制單元10判斷驅動電壓V_IN不大於兩倍的發光電壓V_F的時候，控制單元10控制開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃與開關SW₄導通，使發光二極體電路形成第一組態。其中，由於開關SW₄被導通，所以單向元件D₂的正端與發光二極體LED₃的負端的電壓等於接地端的電壓，也就是可以視為0伏特。由於開關SW₂被導通，所以單向元件D₁的正端與發光二極體LED₂的負端的電壓等於接地端的電壓，也就是可以視為0伏特。由於開關SW₁與開關SW₃被導通，所以發光二極體LED₁的正端、發光二極體LED₂的正端、單向元件D₁的負端與單向元件D₂的負端的電壓等於驅動電壓V_IN。此時，單向元件D₁與單向元件D₂都是斷路，所以可以看成發光二極體LED₁、發光二極體LED₂與發光二極體LED₃個別形成從輸入端到接地端的電流路徑，也就是發光二極體LED₁、發光二極體LED₂與發光二極體LED₃彼此並聯，三個發光二極體都被驅動電壓V_IN驅動而發光。

當控制單元10判斷驅動電壓V_IN大於兩倍的發光電壓V_F而小於三倍的發光電壓V_F的時候，控制單元10控制開關SW₁與開關SW₂導通，且控制單元10控制開關SW₃與開關SW₄不導通(斷路)，從而使發光二極體電路形成第二組態。由於開關SW₂被導通，所以單向元件D₁的正端與發光二極體LED₂的負端的電壓等於接地端的電壓，也就是可以視為0伏特。由於開關SW₁被導通，所以發光二極體LED₁的正端、發光二極體LED₂的正端、單向元件D₁的負端與單向元件D₂的負端的電壓相等且大於0伏特。此時，單向元件D₁是斷路而單向元件D₂是通路，所以可以看成發光二極體LED₁並聯於發光二極體LED₂而與發光二極體LED₃串聯形成從輸入端到接地端的電流路徑，也就是電流從輸入端流入，經過發光二極體LED₃後分流給第二發光二極體LED₂ 與第一發光二極體LED₁，三個發光二極體都被驅動電壓V_IN驅動而發光。

當控制單元10判斷驅動電壓V_IN大於三倍的發光電壓V_F的時候，控制單元10控制開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃與開關SW₄不導通，使發光二極體電路形成第三組態。此時，單向元件D₁與單向元件D₂都是通路，而從輸入端到接地端只有一條電流路徑，所以可以看成發光二極體LED₁、發光二極體LED₂與發光二極體LED₃三者串聯，被驅動電壓V_IN驅動而發光。

依據本發明前述精神，本發明的另一實施例請參照第2圖，其係依據本發明第二實施例的發光二極體電路示意圖。如第2圖所示，發光二極體電路可以包括發光二極體LED₁、發光二極體LED₂、發光二極體LED₃、發光二極體LED₄、開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、開關SW₅、開關SW₆、單向元件D₁、單向元件D₂、單向元件D₃與控制單元10。其中，發光二極體LED₁的負端耦接至整個發光二極體電路的接地端，發光二極體LED₁的正端耦接至單向元件D₁的負端以及開關SW₁的一端。單向元件D₁的正端耦接至發光二極體LED₂的負端以及開關SW₂的一端。開關SW₂的另一端接至整個發光二極體電路的接地端。發光二極體LED₂的正端耦接至開關SW₁的另一端、開關SW₃的一端與單向元件D₂的負端。開關SW₃的另一端耦接至整個發光二極體電路的輸入端。單向元件D₂的正端耦接至發光二極體LED₃的負端、開關SW₄的一端與開關SW₆的一端。開關SW₄的另一端耦接至整個發光二極體電路的接地端。發光二極體LED₃的正端耦接至開關SW₅的一端與單向元件D₃的負端。開關SW₅的另一端耦接至整個發光二極體電路的輸入端。單向元件D₃的正端耦接至發光二極體LED₄的負端。開關SW₆的另一端也耦接至發光二極體LED₄的負端。而發光二極體LED₄的正端耦接至整個發光二極體電路的輸入端。驅動電壓V_IN從輸入端被輸入。控制單元10耦接至開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、開關SW₅與開關SW₆，因此控制單元10連同開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、開關SW₅與開關SW₆可以被視為一整個用來控制發光二極體電路組態的組態控制模組。

因此，依照本發明的精神，於另一實施例中，請參照第3圖，其係依據本發明第三實施例的發光二極體電路示意圖。如第3圖所示，相較於第二實施例的發光二極體電路架構，第三實施例的發光二極體電路架構更包括發光二極體LED₅、開關SW₇、開關SW₈與單向元件D₄。其中，發光二極體LED₅的正端耦接至發光二極體電路的輸入端，開關SW₅係耦接於發光二極體LED₃的正端與發光二極體LED₄的正端之間，而開關SW₇係耦接於發光二極體LED₄的正端與整個發光二極體電路的輸入端之間，單向元件D₄的正端耦接至發光二極體LED₅的負端，而單向元件D₄的負端耦接至發光二極體LED₄的正端，同時，開關SW₈耦接於發光二極體LED₅的負端與接地端之間。控制單元10耦接至開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、開關SW₅、開關 SW₆、開關SW₇與開關SW₈，因此控制單元10連同開關SW₁、開關SW₂、開關SW₃、開關SW₄、開關SW₅、開關SW₆、開關SW₇與開關SW₈可以被視為一整個用來控制發光二極體電路組態的組態控制模組。

以下以第二實施例的發光二極體電路架構為例，說明發光二極體在各種驅動電壓之下的連結與作動方式。首先，請一併參照第4圖與下表一，其中第4圖係依據本發明第二實施例中的控制單元的部份電路示意圖，而表一係用以描述控制單元輸出多個訊號來控制開關SW₁至開關SW₆的真值表。

如第4圖所示，控制單元10可以包括比較器101、比較器103、比較器105、互斥或閘(XOR-gate)107與互斥或閘109。其中，比較器101、比較器103與比較器105三者的負輸入端都耦接至發光二極體電路的輸入端以接收驅動電壓V_IN。而比較器101的正輸入端耦接至一個第一門檻電壓V_REF1，第一門檻電壓V_REF1可以等於兩倍的發光電壓V_F，因此當驅動電壓V_IN小於第一門檻電壓V_REF1的時候，比較器101的輸出端輸出的第一控制訊號V_ctrl1的電壓位準是高電壓，而當驅動電壓V_IN大於第一門檻電壓V_REF1的時候，第一控制訊號V_ctrl1的電壓位準是低電壓。使用這個第一控制訊號V_ctrl來控制開關SW₅與開關SW₆，則只有當驅動電壓V_IN小於等於兩倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₅與開關SW₆導通。當驅動電壓V_IN大於兩倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₅與開關SW₆斷路。

比較器103的正輸入端耦接至一個第二門檻電壓V_REF2，第二門檻電壓V_REF2可以等於三倍的發光電壓V_F，因此當驅動電壓V_IN小於第二門檻電壓V_REF2的時候，比較器103的輸出端輸出的第二控制訊號V_ctrl2的電壓位準是高電壓，而當驅動電壓V_IN大於第二門檻電壓V_REF2的時候，第二控制訊號V_ctrl2的電壓位準是低電壓。使用這個第二控制訊號V_ctr2來控制開關SW₃與開關SW₄，則只有當驅動電壓V_IN小於等於三倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₃與開關SW₄導通。當驅動電壓V_IN大於三倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₃與開關SW₄斷路。

比較器105的正輸入端耦接至一個第三門檻電壓V_REF3，第三門檻電壓V_REF3可以等於四倍的發光電壓V_F，因此當驅動電壓V_IN小於第三門檻電壓V_REF3的時候，比較器105的輸出端輸出的比較訊號V_comp的電壓位準是高電壓，而當驅動電壓V_IN大於第三門檻電壓V_REF3的時候，比較訊號V_comp的電壓位準是低電壓。以互斥或閘107對第一控制訊號V_ctrl1與第二控制訊號V_ctrl2進行互斥或(exclusive-or,XOR)邏輯運算得到一個邏輯訊號後，再以互斥或閘109對這個邏輯訊號與比較訊號V_comp進行互斥或邏輯運算，則可以得到第三控制訊號V_ctrl3。只有當驅動電壓V_IN小於兩倍的發光電壓V_F或是驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，第三控制訊號V_ctrl3的電壓位準才會是高電壓，否則第三控制訊號V_ctrl3的電壓位準是低電壓。因此以第三控制訊號V_ctrl3來控制開關SW₁與開關SW₂，則只有當驅動電壓V_IN小於兩倍的發光電壓V_F或是驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，開關SW₁與開關SW₂才會導通，否則開關SW₁與開關SW₂會形成斷路。

接著，請參照第5圖、第6圖、第7圖與第9圖，其中第5圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍的發光電壓的實施狀態示意圖，第6圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍的發光電壓至三倍的發光電壓的實施狀態示意圖，第7圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍的發光電壓至四倍的發光電壓的實施狀態示意圖，而第9圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍的發光電壓下的實施狀態示意圖。

如第5圖所示，對照上列表一，當驅動電壓V_IN小於兩倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₁至開關SW₆都導通。因此電流從發光二極體電路的輸入端到接地端的路徑如第5圖上的虛線所示，也就是說，發光二極體LED₁、發光二極體LED₂、發光二極體LED₃與發光二極體LED₄彼此並聯耦接在輸入端與接地端之間。

如第6圖所示，對照上列表一，當驅動電壓V_IN介於兩倍的發光電壓V_F到三倍的發光電壓V_F的時候，只有開關SW₃與開關SW₄導通。因此電流從發光二極體電路的輸入端到接地端的路徑如第6圖上的虛線所示，也就是說，發光二極體LED₁與發光二極體LED₂串聯而耦接在輸入端與接地端之間，而發光二極體LED₃與發光二極體LED₄串聯耦接在輸入端與接地端之間。

如第7圖所示，對照上列表一，當驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F到四倍的發光電壓V_F的時候，只有開關SW₁與開關SW₂導通。因此電流從發光二極體電路的輸入端到接地端的路徑如第7圖上的虛線所示，也就是說，電流從輸入端先流經發光二極體LED₁，而後經過發光二極體LED₂，接著電流被分流至並聯的發光二極體LED₃與發光二極體LED₄最終流至接地端。

如第9圖所示，對照上列表一，當驅動電壓V_IN大於四倍的發光電壓V_F的時候，沒有開關導通。因此電流從發光二極體電路的輸入端到接地端的路徑如第9圖上的虛線所示，也就是說，電流從輸入端依序流經發光二極體LED₁、發光二極體LED₂、發光二極體LED₃與發光二極體LED₄最終流至接地端。四個發光二極體串聯於輸入端與接地端之間。

此外，於本發明另一實施例中，請參照上表一與第8圖，第8圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍的發光電壓至四倍的發光電壓的另一實施狀態示意圖。假設使用這個第一控制訊號V_ctrl來控制開關SW₁與開關SW₂，且使用第三控制訊號V_ctrl3來控制開關SW₅與開關SW₆，則只有當驅動電壓V_IN小於等於兩倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₁與開關SW₂導通。當驅動電壓V_IN大於兩倍的發光電壓V_F的時候，開關SW₁與開關SW₂斷路。且當驅動電壓V_IN小於等於兩倍的發光電壓V_F或是介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，開關SW₅與開關SW₆會導通，其餘狀態下開關SW₅與開關SW₆會形成斷路。藉此，當驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，電流從發光二極體電路的輸入端到接地端的路徑如第8圖上的虛線所示，也就是說，電流從輸入端先分別流經發光二極體LED₁與發光二極體LED₂，接著電流匯流至串聯的發光二極體LED₃與發光二極體LED₄最終流至接地端。

依據上述，當驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍發光電壓V_F之間時，電路的組態可以如第7圖所示，也可以如第8圖所示，其差別在於第4圖中的第一控制訊號V_ctrl1與第三控制訊號V_ctrl3分別用來控制哪些開關。因此，控制單元10中可以更包括一個有限狀態機(finite state machine,FSM)，用來切換第一控制訊號V_ctrl1與第三控制訊號V_ctrl3控制的開關。舉例來說，當驅動電壓V_IN第(2n-1)次介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，第一控制訊號V_ctrl1控制開關SW₁與開關SW₂，而第三控制訊號V_ctrl3控制開關SW₅與開關SW₆。而當驅動電壓V_IN第(2n)次介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，第一控制訊號V_ctrl1控制開關SW₅與開關SW₆，而第三控制訊號V_ctrl3控制開關SW₁與開關SW₂，其中n為正整數。藉此，長期平均下來流過四個發光二極體LED₁至LED₄的電流總量是固定的，因此較不易發生其中一個發光二極體比較早發生電路老化及光衰的現象。

此外，依據本發明第四實施例，請參照第10圖，其係依據本發明第四實施例的發光二極體電路示意圖。如第10圖所示，相較於第2圖的實施例，發光二極體電路的開關SW₆並非耦接於發光二極體LED₃的負端與發光二極體LED₄的負端之間，開關SW₆是耦接於發光二極體LED₄的負端與發光二極體電路的接地端之間。第四實施例相較於第二實施例來說，發光二極體LED₄與接地端之間單獨有一個開關SW₆。相較之下，第二實施例中的發光二極體LED₄的電流會流經開關SW₆與開關SW₄。更明確的說，第四實施例中的開關SW₄所必須承受的最大電流會小於第二實施例中的開關SW₄所必須承受的最大電流，因此第四實施例中開關SW₄的壽命更長。

關於本發明第四實施的發光二極體電路實際運作方式，舉例來說，請參照第11圖至第14圖，其中第11圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖，第12圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖，第13圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖，而第14圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

如第11圖所示，當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，所有的開關都導通，因此從發光二極體電路的輸入端到接地端有如圖示的四條電流路徑，四條電流路徑分別經過發光二極體LED₁~LED₄。如第12圖所示，當驅動電壓V_IN介於兩倍的發光電壓V_F與三倍的發光電壓V_F之間時，只有開關SW₃與開關SW₄導通，因此從發光二極體電路的輸入端到接地端之間有兩條電流路徑，其中一條電流路徑經過發光二極體LED₃與發光二極體LED₄，另一條電流路徑經過發光二極體LED₁與發光二極體LED₂。

如第13圖所示，當驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，只有開關SW₁與開關SW₂導通，因此電流從發光二極體電路的輸入端先流經發光二極體LED₄，接著流經發光二極體LED₃，而後分流，分別經由發光二極體LED₁與發光二極體LED₂而到接地端。如第14圖所示，當驅動電壓V_IN大於四倍的發光電壓V_F時，沒有開關導通，因此電流從發光二極體電路的輸入端先流經發光二極體LED₄，接著依序流經發光二極體LED₃、發光二極體LED₂與發光二極體LED₁而到接地端。

由此可以看出，在此一實施例中，當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，開關SW₄所需承受的電流等於流經發光二極體LED₃的電流。相對的，第二實施例當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，開關SW₄所需承受的電流等於流經發光二極體LED₃的電流與流經發光二極體LED₄的電流的總和。因此於本實施例中的開關SW₄相較於第二實施例中的開關SW₄具有更長的壽命。

依據本發明第五實施例，請參照第15圖，其係依據本發明第五實施例的發光二極體電路示意圖。如第15圖所示，相較於第2圖的實施例，發光二極體電路更包括電流源I₁、電流源I₂與電流源I₃。其中電流源I₁電性耦接於發光二極體LED₁的負端與接地端之間，電流源I₂電性耦接在開關SW₂與接地端之間，而電流源I₃電性耦接在開關SW₄與接地端之間。並且電流源I₁至I₃可以受控於控制單元10來配合驅動電壓V_IN的電壓值而調整電流大小。更明確來說，控制單元10可依據驅動電壓V_IN來控制調光訊號V_DIM以控制電流源I₁至I₃。其中，調光訊號V_DIM可以包括多個訊號分別控制電流源I₁至I₃。

舉例來說，請參照第16圖，其係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖。如第16圖所示，經過電流源I₁到接地端的電流只有流過發光二極體LED₂，而經過電流源I₂到接地端的電流只有流過發光二極體LED₁，經過電流源I₃到接地端的電流等於流經發光二極體LED₃與發光二極體LED₄的電流的和。因此可以讓電流源I₁與電流源I₂分別提供發光電流I_F，而讓電流源I₃提供兩倍的發光電流I_F。則如此一來，發光二極體LED₁至發光二極體LED₄都平均的被發光電流I_F驅動發光。

又舉例來說，請參照第17圖，其係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖。如第17圖所示，經過電流源I₁到接地端的電流由輸入端流過發光二極體LED₂後流經發光二極體LED₁，而沒有電流經過電流源I₂到接地端，經過電流源I₃到接地端的電流由輸入端流過發光二極體LED₄後流經發光二極體LED₃。因此可以讓電流源I₁與電流源I₃分別提供發光電流I_F，而讓電流源I₂不提供電流。則如此一來，發光二極體LED₁至發光二極體LED₄都平均的被發光電流I_F驅動發光。

再舉例來說，請參照第18圖，其係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。如第18圖所示，電流由輸入端流過發光二極體LED₄後流經發光二極體LED₃，而後分別流過發光二極體LED₂與發光二極體LED₁，因此如果讓電流源I₁與電流源I₂分別提供二分之一的發光電流I_F，則發光二極體LED₁與發光二極體LED₂都被二分之一的發光電流I_F所驅動，而發光二極體 LED₃與發光二極體LED₄都被發光電流I_F所驅動。

同樣的，請參照第19圖，其依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。如第19圖所示，電流由輸入端分別流過發光二極體LED₄與發光二極體LED₃，而後匯流經發光二極體LED₂與發光二極體LED₁而流到電流源I₁，因此如果讓電流源I₁提供發光電流I_F，則發光二極體LED₁與發光二極體LED₂都被發光電流I_F所驅動，而發光二極體LED₃與發光二極體LED₄都被二分之一的發光電流I_F所驅動。

再來，請參照第20圖，其係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。如第20圖所示，電流由輸入端依序流過發光二極體LED₄、發光二極體LED₃、發光二極體LED₂與發光二極體LED₁而流到電流源I₁，因此如果讓電流源I₁提供發光電流I_F，則發光二極體LED₁至發光二極體LED₄都被發光電流I_F所驅動。

此外，依據本發明第六實施例，請參照第21圖，其係依據本發明第六實施例的發光二極體電路示意圖。如第21圖所示，相較於第15圖的實施例，發光二極體電路更包括一個電流源I₄，電流源I₄並受控於調光訊號V_DIM。並且開關SW₆並非耦接於發光二極體LED₃的負端與發光二極體LED₄的負端之間，開關SW₆是耦接於發光二極體LED₄的負端與電流源I₄之間，而電流源I₄的一端耦接至接地端。第六實施例相較於第五實施例來說，發光二極體LED₄經由開關SW₆而耦接至電流源I₄。因此，第六實施例中的發光二極體LED₄的電流可以單獨受控於電流源I₄，且發光二極體LED₃的電流可以單獨受控於電流源I₃。更明確的說，第六實施例中的每一個發光二極體的電流可以單獨受控於一個電流源，因此控制單元對於發光強度的控制更為精確。

關於本發明第六實施的發光二極體電路實際運作方式，舉例來說，請參照第22圖至第25圖，其中第22圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓小於兩倍發光電壓時的實施狀態示意圖，第23圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於兩倍發光電壓與三倍發光電壓時的實施狀態示意圖，第24圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓介於三倍發光電壓與四倍發光電壓時的實施狀態示意圖，而第25圖係依據本發明一實施例的發光二極體電路運作在驅動電壓大於四倍發光電壓時的實施狀態示意圖。

如第22圖所示，當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，所有的開關都導通，因此從發光二極體電路的輸入端到接地端有如圖示的四條電流路徑，四條電流路徑分別經過發光二極體LED₁~LED₄。並且，流經四個發光二極體LED₁至LED₄的電流分別由電流源I₁至I₄所決定。如第23圖所示，當驅動電壓V_IN介於兩倍的發光電壓V_F與三倍的發光電壓V_F之間時，只有開關SW₃與開關SW₄導通，因此從發光二極體電路的輸入端到接地端之間有兩條電流路徑，其中一條電流路徑經過發光二極體LED₃ 與發光二極體LED₄，而這條電流路徑上的電流可以由電流源I₃所決定。另一條電流路徑經過發光二極體LED₁與發光二極體LED₂，並且其電流可以由電流源I₁所決定。

如第24圖所示，當驅動電壓V_IN介於三倍的發光電壓V_F與四倍的發光電壓V_F之間時，只有開關SW₁與開關SW₂導通，因此電流從發光二極體電路的輸入端先流經發光二極體LED₄，接著流經發光二極體LED₃，而後分流，分別經由發光二極體LED₁與發光二極體LED₂而到電流源I₁與電流源I₂，最後流入接地端。於此狀態下，流過發光二極體LED₁的電流與發光二極體LED₂的電流可以分別由電流源I₁與電流源I₂所決定，並且流經發光二極體I₃與發光二極體I₄的電流即為電流源I₁與電流源I₂所提供的電流的總和。

如第14圖所示，當驅動電壓V_IN大於四倍的發光電壓V_F時，沒有開關導通，因此電流從發光二極體電路的輸入端先流經發光二極體LED₄，接著依序流經發光二極體LED₃、發光二極體LED₂與發光二極體LED₁而到接地端。而此一電流路徑上的電流可以單獨由電流源I₁所提供。

由此可以看出，在此一實施例中，當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，開關SW₄所需承受的電流等於流經發光二極體LED₃的電流。相對的，第二實施例當驅動電壓V_IN小於兩倍發光電壓V_F時，開關SW₄所需承受的電流等於流經發光二極體LED₃的電流與流經發光二極體LED₄的電流的總和。因此於本實施例中的開關SW₄相較於第五實施例中的開關SW₄其有更長的壽命。並且對於流過每一個發光二極體的電流，可以由電流源I₁至電流源I₄進行更精確的控制。

因此，至少依據本發明第五實施例及/或第六實施例所揭露的包括四個發光二極體的發光二極體電路，當被耦接至一個整流電路(未繪示)時，其驅動電壓與驅動電流的時序圖如第26圖所示。其中，第26圖的上圖係所述的驅動電壓時序圖，而下圖係對應的驅動電流時序圖。也就是說整流電路電性耦接至發光二極體電路的驅動電壓V_IN的輸入端與接地端，用以限制驅動電壓V_IN大於等於零。於本實施例中，整流電路可以是全波整流器(full-wave rectifier)但不以此為限。

綜合本發明上述多個發光二極體電路的精神，本發明的發光二極體電路結構與控制方法可以應用於具有任意多數個發光二極體的發光二極體電路中。舉例來說，請參照第27圖，其係依據本發明第七實施例的發光二極體電路示意圖。如第27圖所示，發光二極體電路可以包括發光二極體LED₀₁至發光二極體LED_N共N個發光二極體、單向元件D₀₁至單向元件D_(N-1)共(N-1)個單向元件、第一開關SW₁₁至第一開關SW_1(N-1)、第二開關SW₂₁至第二開關SW_2(N-1)與控制單元10，N為大於一的整數。其中，第i個單向元件，也就是單向元件D_i，的正端電性耦接至第i個發光二極體，也就是LED_i，的負端，且第i個單向元件的負端電性耦接至第(i+1)個發光二極體的正端。更明確來說，單向元件 D₀₂的正端電性耦接至發光二極體LED₀₂的負端，而單向元件D₀₂的負端電性耦接至發光二極體LED₀₃的正端。第j個第一開關，也就是第一開關SW_1j，電性耦接於第j個發光二極體的正端與第(j+1)個發光二極體的正端之間，且第k個第二開關，也就是第二開關SW_2k，電性耦接於第k個發光二極體的負端與第(k+1)個發光二極體的負端之間。更明確來說，第一開關SW₁₂電性耦接於發光二極體LED₀₂的正端與發光二極體LED₀₃的正端之間，而第二開關SW₂₂電性耦接於發光二極體LED₀₂的負端與發光二極體LED₀₃的負端之間。此外，控制單元10電性耦接至發光二極體的輸入端以接收驅動電壓V_IN，控制單元10也電性耦接至所有的第一開關與所有的第二開關。其中i、j、k均為小於N的正整數。

控制單元10可以依據驅動電壓V_IN來產生一組共(N-1)個控制訊號。於本發明一個實施例中，第1個控制訊號同時控制第一開關SW₁₁與第二開關SW₂₁，而第(N-1)個控制訊號同時控制第一開關SW_1(N-1)與第二開關SW_2(N-1)。也就是，第m個第一開關與第m個第二開關會同時導通或不導通。藉此，N個發光二極體中任意相鄰的兩個或多個發光二極體可以受控於控制單元而串聯或並聯。因此無論驅動電壓如何變化，發光二極體電路中的所有發光二極體都同時被驅動而發光。

由前述實施例可知，本實施例中的單向元件可以是二極體，而本實施例中的控制單元10可以把驅動電壓與(N-1)個門檻電壓比較來產生前述一組共(N-1)個控制訊號，其中(N-1)個門檻電壓可以分別為N倍發光電壓V_F、N-1倍發光電壓V_F...三倍發光電壓V_F與兩倍發光電壓V_F。此外，控制單元10還可以包括一個有限狀態機來調變(N-1)個控制訊號，從而使得N個發光二極體中每一個發光二極體長期而言所受到的平均驅動電流相等。

因此，可以看出藉由本發明的電路架構，以四個發光二極體的架構為例，使用相應的控制單元，不管驅動電壓是發光電壓的幾倍(從零到稍微高於四倍)，四個發光二極體都被驅動而發光。藉此可以達到接近100%的發光二極體利用率，且由於多數的操作狀態下皆維持四個發光二極體發光，所以閃爍的程度也會下降。更甚者，依據本發明其中一個實施方式，長期而言四個發光二極體所接受到的驅動電流的平均值大致相等，因此較不易發生其中一個發光二極體提前老化或產生光衰的現象。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims

一種發光二極體電路，包含：一第一發光二極體；一第二發光二極體；一第三發光二極體；一第四發光二極體；以及一組態控制模組，分別電性耦接至該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體，用以依據一驅動電壓，調整該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體選擇性地切換至一第一組態、一第二組態、一第三組態或一第四組態；其中於該第一組態中，該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體彼此並聯，在該驅動電壓的輸入端與一接地端之間形成四條第一電流路徑，於該第二組態中，該第一發光二極體與該第二發光二極體串聯，該第三發光二極體與該第四發光二極體串聯，在該驅動電壓的輸入端與該接地端之間形成兩條第二電流路徑，於該第三組態中，該第三發光二極體與該第四發光二極體並聯而串聯該第一發光二極體與該第二發光二極體，在該驅動電壓的輸入端與該接地端之間形成一第三電流路徑，且於該第四組態中，該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體串聯，在該驅動電壓的輸入端與該接地端之間形成一第四電流路徑；其中，該第一發光二極體的正端電性耦接至該驅動電壓的輸入端，且該組態控制模組包括：一第一開關，電性耦接於該第一發光二極體的負端與該第二發光二極體的負端之間；一第二開關，電性耦接於該驅動電壓的輸入端與該第二發光二極體的正端之間；一第三開關，電性耦接於該第二發光二極體的負端與該接地端之間；一第四開關，電性耦接於該驅動電壓的輸入端與該第三發光二極體的正端之間；一第五開關，電性耦接於該第三發光二極體的負端與該接地端之間；一第六開關，電性耦接於該第三發光二極體的正端與該第四發光二極體的正端之間；一控制單元，用以依據該驅動電壓、一第一門檻電壓、一第二門檻電壓與一第三門檻電壓，控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關與該第六開關，該控制單元包括：一第一比較器，電性耦接至該第一開關與該第二開關，用以比較該驅動電壓與該第一門檻電壓，輸出一第一控制訊號以控制該第一開關與該第二開關；一第二比較器，電性耦接至該第三開關與該第四開關，用以比較該驅動電壓與該第二門檻電壓，輸出一第二控制訊號以控制該第三開關與該第四開關；一第三比較器，用以比較該驅動電壓與該第三門檻電壓，以輸出一比較訊號；一第一互斥或閘(XOR-gate)，電性耦接至該第一比較器與該第二比較器，用以依據該第一控制訊號與該第二控制訊號，輸出一邏輯訊號；以及一第二互斥或閘(XOR-gate)，電性耦接至該第三比較器、該第一互斥或閘、該第五開關與該第六開關，用以依據該比較訊號與該邏輯訊號，輸出一第三控制訊號以控制該第五開關與該第六開關；一第一單向元件，具有一第一正端與一第一負端，該第一正端電性耦接至該第一發光二極體的負端，該第一負端電性耦接至該第二發光二極體的正端；一第二單向元件，具有一第二正端與一第二負端，該第二正端電性耦接至該第二發光二極體的負端，該第二負端電性耦接至該第三發光二極體的正端；以及一第三單向元件，具有一第三正端與一第三負端，該第三正端電性耦接至該第三發光二極體的負端，該第三負端電性耦接至該第二發光二極體的正端。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，其中，當該驅動電壓小於該第一門檻電壓時，該控制單元導通該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關與該第六開關，從而使該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體被切換至該第一組態。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，其中，當該驅動電壓大於等於該第一門檻電壓，且該驅動電壓小於該第二門檻電壓時，該控制單元導通該第三開關與該第四開關，並且該控制單元斷開該第一開關、該第二開關、該第五開關與該第六開關，從而使該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體被切換至該第二組態。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，其中，當該驅動電壓大於等於該第二門檻電壓，且該驅動電壓小於該第三門檻電壓時，該控制單元導通該第五開關與該第六開關，並且該控制單元斷開該第一開關、該第二開關、該第三開關與該第四開關，從而使該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體被切換至該第三組態。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，其中，當該驅動電壓大於等於該第三門檻電壓時，該控制單元斷開該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關與該第六開關，從而使該第一發光二極體、該第二發光二極體、該第三發光二極體與該第四發光二極體被切換至該第四組態。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，更包括：一第一電流源，電性耦接於該第三開關與該接地端之間，用以受控於該控制單元以提供一第一電流；一第二電流源，電性耦接於該第五開關與該接地端之間，用以受控於該控制單元以提供一第二電流；以及一第三電流源，電性耦接於該第四發光二極體的負端與該接地端之間，用以受控於該控制單元以提供一第三電流。
如申請專利範圍第1項所述的發光二極體電路，更包括一整流電路，電性耦接至該驅動電壓的輸入端與該接地端，用以限制該驅動電壓大於等於零。