CN102378443B - 用于改变输入电压源的led开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED阵列开关装置，包括：串联连接的多个LED部分D1到Dn，每个LED部分具有正向电压；与多个LED部分耦合的电压源；以及分别与LED部分D1到Dn的输出耦合的多个恒定电流源G1到Gn。每个恒定电流源可在电流调节状态和断开状态之间切换，由此当电压源的电压增大时，LED部分被导通并且发光以形成更高正向电压LED串，而当电压源的电压下降时，从最后发光部分开始关断该部分，并且从所述LED串中去掉该部分。

Description

用于改变输入电压源的LED开关电路

交叉引用相关申请

本中国专利申请要求于2010年8月12日提交的美国临时专利申请61/373,058的优先权，其全部内容并入本文中，以供参考。

技术领域

本发明涉及用于驱动LED光源的开关电路。具体而言，是其中LED由调节电流源驱动的电路。

背景技术

通常，LED可以由调节通过LED的电流的电流源驱动从而保持LED的光输出。图1显示了用于驱动LED电路的典型电路，其中V是输入电压源，D表示一串LED，而G是电流源。在这样的电路中，为了使电流流过D，V的源输入电压必须高于LED D的正向电压。

然而，如果输入电压源V的电压高于D的正向电压很多，那么大的压降出现于电流源G中。这种事件可能导致电流源G中的重大功率损耗，尤其是如果电流源G是线性电流源。

发明内容

根据本发明的第一方面，LED阵列开关装置包括：串联连接的多个LED部分D1到Dn，每个LED部分具有正向电压；与所述多个LED部分耦合的电压源；以及多个恒定电流源G1到Gn，分别与LED部分D1到Dn的输出耦合，每个恒定电流源可在电流调节状态和断开状态之间切换，由此当电压源的电压增大时，LED部分被导通并且发光以形成更高正向电压LED串，而当电压源的电压下降时，从最后发光部分开始关断该部分，并且从所述LED串中去掉该部分。

在另一个方面，LED阵列开关装置进一步包括：触发开关，其具有的输出在第一输出和与第一输出互补的第二输出之间触发；第一开关，其与触发开关的第一输出耦合；第二开关，其与触发开关的第二输出耦合并且耦合到多个恒定电流源；以及多个第二恒定电流源GT1到GTn，其分别与LED部分Dn到D1的输出耦合，并且耦合到第一开关，其中当触发开关的第一输出有效时，第一开关变为关闭，并且第二恒定电流源被禁用，而所述恒定电流源有效，以及当触发开关的第二输出有效时，第二开关关闭，并且所述恒定电流源被禁用，而第二恒定电流源有效。

在另一个方面，当触发开关的第二输出有效时，LED部分被导通，并且以和触发开关的第一输出有效时相反的顺序发光。

在另一个方面，触发开关以大于20Hz的频率触发。

在另一个方面，多个恒定电流源相继导通和断开，由此在任何给定时间多个恒定电流源中只有一个提供电流到形成LED串的LED部分。

在另一个方面，多个恒定电流源中每个都包括这样的电路：检测流过LED串的电流并且根据检测的电流使恒定电流源启用或被禁用。

在另一个方面，由电压源提供的电压是整流的AC电压信号。

在另一个方面，电压源包括具有RC计时电路的三端双向可控硅调光器，并且LED阵列开关电路进一步包括：分压电路，与电压源和恒定电流源耦合，分压电路包括旁路电阻器，当整流的输入电压足够低以至于指示三端双向可控硅开关关断时，分压电路可操作为使旁路电阻器与输入电压并联，以允许将充足的充电电流提供给RC计时电路，以及当输入电压足够高以至于指示三端双向可控硅开关导通时，断开旁路电阻器。

根据本发明的另一个方面，提供一种驱动LED阵列的方法，所述LED阵列包括串联连接的多个LED部分D1到Dn，每个LED部分具有正向电压；与多个LED部分耦合的电压源；以及分别与LED部分D1到Dn的输出耦合的多个恒定电流源G1到Gn。该方法包括：(a)当电压源的电压增大时：相继导通恒定电流源，以便形成LED部分的更高正向电压LED串，并且使其它恒定电流源被禁用，由此在任何给定时间多个恒定电流源中只有一个恒定电流源提供电流到形成LED串的LED部分；以及(b)当电压源的电压下降时：以与步骤(a)中执行的导通相反的顺序相继导通恒定电流源，以便形成LED部分的更低正向电压LED串，并且使其它恒定电流源被禁用，由此在任何给定时间多个恒定电流源中只有一个恒定电流源提供电流到形成LED串的LED部分。

在另一个方面，当电压源增大时，LED部分被相继添加到LED部分的串中。

在另一个方面，当电压源下降时，LED部分被相继从LED部分的串中去掉。

在另一个方面，多个恒定电流源中的电路检测流过LED部分的电流，并且根据检测的电流执行各个恒定电流源的导通和禁用。

附图说明

附图只为了示例的目的而不一定是按比例制图。然而，当结合附图参考下面的详细说明时，可以最好地理解发明本身，其中：

图1是使用电流源的传统LED驱动电路的电路图；

图2是根据本发明实施例的LED阵列开关电路的功能方块图；

图3A-3F是示例根据本发明实施例以不同的源电压电平通过图2的电路的电流通路的示图；

图4是根据本发明一个方面的图2电路的功能方块图，所述电路具有可选电流源组以平均LED的利用率；

图5是显示图2中所示电路的实际执行的电路图；

图6是通过图5中节点A和B的电压波形的示图；

图7是通过图5中元件M1的电流的示图；

图8是通过图5中元件M2的电流的示图；

图9是通过图5中元件M3的电流的示图；

图10是通过图5中元件DX1的电流的示图；

图11是通过图5中元件DX3的电流的示图；

图12是通过图5中元件DX4的电流的示图；

图13是显示图5中AC主电源的输入波形的示图；

图14是可以和图5的电路一起使用的分压电路的电路。

具体实施方式

图2-14示例了LED阵列开关装置的优选实施例的多个方面。对于使用变化的输入电压源(诸如经整流的AC源)进行工作的LED照明设备，根据本发明的开关装置将LED串分为一系列多个LED部分。当输入电压为低时，只有第一个LED部分发光。当输入电压升高时，之后的LED部分连续切换以形成更高的正向电压串。相反地，如果输入电压降低，顺序反向并且从最后发光的部分开始将LED部分从该串中去掉。

图2显示了所提出电路的功能块。假设LED串被分成n个LED部分D1到Dn，其中n＞1。每个LED部分可以由一个或多个LED组成。G1到Gn是可以被禁用的恒定电流源，也就是说，由来自逐个电流源的电流检测信号转换为开路情况。

接下来对于其中V1的电压从零上升的情况，参考图3A-3F描述图2的电路的运行。当V1的电压刚超过LED部分D1的正向电压时，电流开始流过LED部分D1和电流源G1，如图3A所示。当V1的电压进一步增大时，电流源G1调节通过LED部分D1的电流。当V1达到LED部分D1和LED部分D2正向电压之和时，LED部分D2开始导通，如图3B所示。当通过LED部分D2的电流增大到阈值时，电流源G1被禁用，变为开路，所述阈值被优选地设置为低于电流源G2的调节值。然后电流源G2调节通过LED部分D1和LED部分D2的电流，如图3C所示。

图3D显示了当V1已增大到电流源Gn-1调节通过LED部分D1到Dn-1的电流的那个值时的电路中的电流通路。进一步增大的V1使得LED部分Dn导通，如图3E所示。图3F显示了当通过LED部分Dn的电流增大到触发电流源G1到Gn-1处于断开的情况的电流通路。

正如本领域普通技术人员理解的，如果V1的电压下降，则图3A-3F显示的切换顺序就是反向的。具体而言，V1的电压足够高以使调节过的电流流过LED部分D1到Dn和电流源Gn，具体情况显示在图3F中。当V1减小时，通过Gn的电流开始减小并且减小到低于阈值的点，电流源Gn-1被启用并且电流开始流过电流源Gn-1，如图3E所示。当V1减小到低于LED部分D1到Dn的正向电压之和的值时，通过LED部分Dn的电流被停止，如图3D所示。

从以上描述可以看出，在图2的电路中，如果任何一个恒定电流源导通，则LED部分D1导通。相反，如果电流源Gn导通，则只有LED部分Dn导通。因而在运行中，LED部分D1的使用会比LED部分Dn更频繁。图4是平均LED部分D1到Dn之间利用率的电路的方块图。该电路包括被加到图2电路中的一组附加电流源GT1-GTn以及电流源组触发开关TS1。

正如在图4中能够看到的，电流源组触发开关TS1有两个互补的信号输出Q和Q。优选地，触发开关TS1被配置为使这两个输出以超过20Hz的频率触发以避免感觉到闪烁。当触发开关TS1的Q有效时，连接到该输出的开关ST1变为关闭，电流源GT1到GTn被禁用，并且开关S1打开。在该情况里下，图4的电路本质上和图2显示的电路一致，并且如上所述在出现输入电压V1上升或者下降的时候运行。

当Q变为有效并且Q变为无效时，开关S1变为关闭，电流源G1到Gn被禁用，开关ST1打开，并且电流源GT1到GTn是运行的。在这种情况下，如果V1从零电压上升，则不像图1的电路中那样，Dn将是第一个导通的部分，后面是Dn-1，和图2的电路中出现的情况恰恰相反。因而随着时间过去，LED的利用率将达到平衡。

图5显示了当n＝3时在图2中显示的所提出的电路的实际详细的执行。在该图中，AC 220V主电压源是整流信号。穿过节点A和B的电压波形显示在图6中。LED串由四个LED DX1-DX4组成，每个具有50V的正向电压，并且被分成3个部分。第一部分有2个LED(DX1和DX2)，而第二和第三部分每个有一个LED(分别是DX3和DX4)。

正如从附图中能够看出的，晶体管M1、电阻器R1和R11、晶体管Q1和二极管D1形成驱动LED DX1和DX2的恒定电流源。当通过晶体管M2的电流达到阈值时，晶体管Q11关断晶体管M1。

图7显示了晶体管M1的电流波形。与晶体管M2和M3中的电流相应的波形分别显示在图8和9中。图10、11和12分别显示LED DX1、DX3和DX4的电流波形。LED DX1的电流是晶体管M1、M2和M3的电流和，而LED DX3的电流是晶体管M2和M3的电流和。

图13显示了来自AC主电源的输入电流波形。遍及大部分半直线环(half line cycle)，电流是连续的，这使得该电路适于和可选的三端双向可控硅调光器(triac dimmer)一起运行，如图5所示。可以增加可选的分压电路，以当三端双向可控硅开关关断时为三端双向可控硅调光器的RC计时电路提供电流通路。图14显示了一种形式的分压电路，其连接到图5的节点A和B。当三端双向可控硅开关不导通时，分压电路作为调光器的电阻负载。当整流的输入电压为低时(其指示三端双向可控硅开关关断)，旁路电阻器110由晶体管2N60导通以并联整流的输入电压。由于有旁路电阻器形成电路，能够将充足的充电电流提供给三端双向可控硅调光器的内部RC计时电路以保证正常操作。当整流的输入电压为高时(其指示三端双向可控硅开关导通)，旁路电阻器由晶体管2N60断开以最小化浪费的功耗。

虽然本文已经示例和描述特定的实施例，但是本领域的普通技术人员能够意识到，在不脱离本发明范围的情况下，多个可代替和/或同等的实现方式可以代替所显示和描述的特定实施例。该临时的应用是要覆盖本文论述的特定实施例的修改或者变化。因此，意味着本发明仅仅由权利要求书及其同等物限定。

Claims (11)

1.一种LED阵列开关装置，包括：

串联连接的多个LED部分D1到Dn，每个LED部分具有正向电压；

与多个LED部分耦合的电压源；以及

多个恒定电流源G1到Gn，分别与LED部分D1到Dn的输出耦合，每个恒定电流源可在电流调节状态和断开状态之间切换，由此当电压源的电压增大时，LED部分被导通并且发光以形成更高正向电压LED串，而当电压源的电压下降时，从最后发光部分开始关断该部分，并且从所述LED串中去掉该部分，

其中电压源包括具有RC计时电路的三端双向可控硅调光器，并且LED阵列开关装置进一步包括：

与电压源和恒定电流源耦合的分压电路，分压电路包括旁路电阻器，当整流的输入电压足够低以指示三端双向可控硅开关关断时，分压电路能够操作为使旁路电阻器与输入电压并联，以允许将充足的充电电流提供给RC计时电路，以及当输入电压足够高以指示三端双向可控硅开关导通时，断开旁路电阻器。

2.根据权利要求1的LED阵列开关装置，进一步包括：

触发开关，具有在第一输出和与第一输出互补的第二输出之间触发的输出；

与触发开关的第一输出耦合的第一开关；

与触发开关的第二输出和多个恒定电流源耦合的第二开关；以及

多个第二恒定电流源GT1到GTn，分别与LED部分Dn到D1的输出耦合，并且耦合到第一开关，其中

当触发开关的第一输出有效时，第一开关变为关闭，并且第二恒定电流源被禁用，而恒定电流源有效，以及

当触发开关的第二输出有效时，第二开关关闭，并且恒定电流源被禁用，而第二恒定电流源有效。

3.根据要求2的LED阵列开关装置，其中当触发开关的第二输出有效时，LED部分被导通，并且以和触发开关的第一输出有效时相反的顺序发光。

4.根据权利要求3所述的LED阵列开关装置，其中触发开关以大于20Hz的频率触发。

5.根据权利要求1所述的LED阵列开关装置，其中多个恒定电流源相继导通和断开，由此在任何给定时间所述多个恒定电流源中只有一个提供电流到形成LED串的LED部分。

6.根据权利要求1所述的LED阵列开关装置，其中多个恒定电流源中每个都包括这样的电路：检测流过LED串的电流并且根据检测的电流使恒定电流源启用或被禁用。

7.根据权利要求1所述的LED阵列开关装置，其中由电压源提供的电压是整流的AC电压信号。

8.一种驱动LED阵列的方法，所述LED阵列包括串联连接的多个LED部分D1到Dn，每个LED部分具有正向电压，与多个LED部分耦合的电压源，以及分别与LED部分D1到Dn的输出耦合的多个恒定电流源G1到Gn，其中电压源包括具有RC计时电路的三端双向可控硅调光器，并且LED阵列进一步包括：

与电压源和恒定电流源耦合的分压电路，分压电路包括旁路电阻器，当整流的输入电压足够低以指示三端双向可控硅开关关断时，分压电路能够操作为使旁路电阻器与输入电压并联，以允许将充足的充电电流提供给RC计时电路，以及当输入电压足够高以指示三端双向可控硅开关导通时，断开旁路电阻器，该方法包括：

（a）当电压源的电压增大时：

相继导通恒定电流源，以形成LED部分的更高正向电压LED串，并使其他恒定电流源被禁用，由此在任何给定时间所述多个恒定电流源中只有一个提供电流到形成LED串的LED部分；以及

（b）当电压源的电压减小时：

以与步骤（a）中执行的导通相反的顺序相继导通恒定电流源，以便形成LED部分的更低正向电压LED串，并且使其它恒定电流源被禁用，由此在任何给定时间所述多个恒定电流源中只有一个提供电流到形成LED串的LED部分。

9.根据权利要求8所述的驱动LED阵列的方法，其中当电压源增大时，LED部分被相继添加到LED部分的串中。

10.根据权利要求8所述的驱动LED阵列的方法，其中当电压源下降时，LED部分被相继从LED部分的串中去掉。

11.根据权利要求8所述的驱动LED阵列的方法，其中多个恒定电流源中的电路检测流过LED部分的电流，并且根据检测的电流执行各个恒定电流源的导通和禁用。

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