CN103517508A - 适用于发光二极管的控制器以及相关的发光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用发光二极管的控制器以及相关的发光模块。一示例的控制器包含一高电压源端以及一低电压源端、一主开关电路、一上连接端以及一下连接端、以及一管理电路。该主开关电路耦接至该高电压源端与该低电源端的间，具有一二极管控制端，可连接至一发光二极管。该管理电路耦接至该主开关电路，配置为可通过该上连接端与一上游控制模块的一下连接端沟通，并可通过该下连接端与一下游控制模块的一上连接端沟通。该管理电路可操作于数个操作状态其中之一。

Description

适用于发光二极管的控制器以及相关的发光模块
技术领域
本发明是相关于一种关于发光二极管(light-emitting diode，LED)的控制器以及发光模块。
背景技术
对于讲究节能减碳的这个时代而言，发光二极管已经是广为使用的一种光源。举例来说，相较于60瓦的钨丝灯泡而言，LED的使用寿命大约是50倍。这样长的使用寿命让LED灯非常适合使用在更换灯泡非常困难的地方。另一方面，LED灯的发光效率大约是钨丝灯泡的10倍，萤光灯的两倍。从LED灯有这些优点来看，LED灯应渐渐地会取代其他种灯具。
要让消费大众采用LED灯，有一些条件需要克服。举例来说，能源之星(energy star)—一种美国环境保护局(U.S.Environmental Protection Agency)与美国能源部(U.S.Department of Energy)所协定的规范-规定灯具的功率因数(power factor)需要有0.7以上。而且，LED灯也需要够便宜，才能够让消费大众有动机与能力去替换当下所使用的其他种灯具。
目前传统LED灯中的驱动电源，是先将交流市电整流成一直流电源，然后再转换成适合LED的驱动电压的直流电源。这样的驱动电源一般至少需要有昂贵的一个电感元件(可能是变压器)以及一个输出电解电容。为了避免高温影响电解电容的品质，LED灯不得不采用复杂昂贵的的机构去解决散热的问题。因此，传统LED灯变的相当的昂贵，难以吸引消费者的购买。
发明内容
本发明的一实施例提供一种用于发光二极管的控制器。该控制器包含一高电压源端以及一低电压源端、一主开关电路、一上连接端以及一下连接端、以及一管理电路。该主开关电路耦接至该高电压源端与该低电源端之间，具有一二极管控制端，可连接至一发光二极管。该管理电路耦接至该主开关电路，配置为可通过该上连接端与一上游控制模块的一下连接端沟通，并可通过该下连接端与一下游控制模块的一上连接端沟通。该管理电路可操作于数个操作状态其中之一。
本发明的一实施例提供一种发光模块。该发光模块包含多个发光装置，可串接于一高主电压源与一低主电压源之间，构成一串列(string)。每一发光装置包含至少一发光二极管以及一控制器。该控制器有一高电压源端、一低电压源端、一上连接端以及一下连接端。该控制器具有一主开关电路，耦接至该高电压源端与该低电源端之间。该主开关电路有一二极管控制端，连接至该发光二极管。该控制器具有一管理电路，耦接至该主开关电路，配置为可通过该上连接端与一上游控制模块的一下连接端沟通，可通过该下连接端与一下游控制模块的一上连接端沟通。该管理电路可操作于数个操作状态其中之一。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1显示依据本发明所实施的一发光模块；
图2举例一发光装置；
图3A与图3B分别显示在开路状态以及短路状态时，一主开关电路的行为；
图4说明当直流线电源VLINE电压变化时，每个发光装置的操作状态的改变；
图5举例了一控制器中的一些信号与装置；
图6举例了一上连接电路以及一下连接电路；以及
图7显示一种使用于控制器24中的控制方法。
主要元件符号说明：
10                发光模块
12                桥式整流器
16、161~16N       发光装置
18                            主开关电路
20                            管理电路
22                            发光二极管
24                            控制器
62                            上连接电路
64                            电阻
66                            开关
68                            下连接电路
70                            电阻
72                            开关
80ID、80OD、80DOWN            存储器
100~130                       步骤
AC                            交流市电
IByPass                       定电流
ID                            下连接端
ILED                          定电流
LED                           二极管控制端
OD                            上连接端
SDOWN、SDownward、SFull、SID、信号
SInSense、SOD、SOutSense、SUpward
VCC                           高电压源端
VDrop                         操作电压
VG                            低电压源端
VLINE                         直流线电源
具体实施方式
图1显示依据本发明所实施的一发光模块。发光模块10包含一桥式整流器(bridge rectifier)12，用以将交流市电AC全桥整流成一直流线电源VLINE以及一接地线。直流线电源VLINE的电压大于接地线的电压。串接于直流线电源VLINE与接地线之间的有N个发光装置161~16N，构成一串列。发光装置16n为发光装置16n+1的上游，因发光装置16n比起发光装置16n+1，比较靠近直流线电源VLINE。相反的，发光装置16n+1为发光装置16n的下游。
在此实施例中，每个发光装置16n具有四个端点：高电压源端VCC、低电压源端VG、上连接端OD、以及下连接端ID。从发光装置16n来看，其高电压源端VCC连接到上游发光装置16n-1的低电压源端VG；其低电压源端VG连接到下游发光装置16n+1的高电压源端VCC；其上连接端OD连接到上游发光装置16n-1的下连接端ID；以及其下连接端ID连接到下游发光装置16n+1的上连接端OD。最上游的发光装置161的高电压源端VCC与上连接端OD都连接到直流线电源VLINE。最下游的发光装置16N的低电压源端VG与下连接端ID都连接到接地线。
图2举例发光装置16，其可以是图1中的发光装置161~16N的其中之一。发光装置16具有发光二极管22与控制器24。控制器24具有四个端点分别对应发光装置16的高电压源端VCC、低电压源端VG、上连接端OD、以及下连接端ID。控制器24更具有二极管控制端LED。而发光二极管22连接在高电压源端VCC与二极管控制端LED之间。在一实施例中，控制器24可以是一集成电路，其只有5个接脚(pin):VCC、VG、OD、ID与LED。在另一个实施例中，控制器24可以有更多的接脚。
控制器24具有主开关电路18与管理电路20。主开关电路18耦接在高电压源端VCC与低电压源端VG之间，且通过二极管控制端LED耦接到发光二极管22。管理电路20耦接至主开关电路18，配置为可通过上连接端OD与一上游发光装置的一下连接端ID沟通，且可通过下连接端ID与一下游发光装置的一上连接端OD沟通。管理电路20具有存储器，可以存储当下控制器24操作于数个操作状态的其中之一。
在一实施例中，这些操作状态包含一开路状态以及一短路状态。图3A与图3B分别显示在开路状态以及短路状态时，主开关电路18的行为。如同图3A所示，当下操作状态是开路状态时，管理电路20使主开关电路18提供定电流ILED于二极管控制端LED与低电压源端VG之间。定电流ILED会流经发光二极管22，使发光二极管22发亮。此时，主开关电路18对于高电压源端VCC呈现高阻抗，所以大约没有电流从高电压源端VCC流入主开关电路18。如同图3B所示，当下操作状态是短路状态时，管理电路20使主开关电路18提供定电流IByPass于高电压源端VCC与低电压源端VG之间，且使主开关电路18的二极管控制端LED为高阻抗。所以，此时因为大致没有电流流过发光二极管22，所以发光二极管22不发亮。在一实施例中，定电流ILED与定电流IByPass的电流值相同。在另一实施例中，两者的电流值可以不同，视电路设计而定。
图4以四个发光装置161~164当成一串列为例，说明当直流线电源VLINE电压变化时，每个发光装置的操作状态的改变。在图4中，一发光装置标示为”短路”，表示其操作于短路状态；标示为”开路”，表示其操作于开路状态。假定当下的直流线电源VLINE使发光装置161与162操作于短路状态，而发光装置163与164操作于开路状态，如同图4的中间部分所示。当直流线电源VLINE下降到一定程度时，通过发光装置162与163之间的沟通，发光装置163的操作状态，会从开路状态转变为短路状态，如同图4的左边部分所示。此时，只有发光装置164中的发光二极管发光。当直流线电源VLINE上升到一定程度时，通过发光装置162与163之间的沟通，发光装置162的操作状态，会从短路状态转变为开路状态，如同图4的右边部分所示。此时，发光装置162、163与164中的发光二极管发光。至于发光装置之间的沟通方法，将稍后说明。
从图4的操作状态改变可以发现，随着直流线电源VLINE的电压上升，串联发光的发光二极管数量也会由串列的下游往上游依序增加。这样的行为模式可以降低电能损耗，增加发光二极管的发光效率。这样的行为模式能使整个发光模块也达到高功率因数。另一方面，由图1可以发现，发光模块10并不需要有任何的变压器或是电源转换器，所以发光模块10的成本可以相当的便宜。
图5举例了控制器24中的一些信号与装置。管理电路20具有上连接电路62、下连接电路68、存储器80ID、80OD与80DOWN。存储器80ID、80OD与80DOWN分别提供存储信号SID、SOD与SDOWN，其逻辑值大致分别代表主开关电路18的开路或关路状态、呼叫上游管理电路与否、以及呼叫下游管理电路与否。主开关电路18接受信号SID，据以操作于图3A的开路状态或是图3B的短路状态。主开关电路18也提供了信号SFull，以告知管理电路20当下高电压源端VCC与低电压源端VG所提供的能量是否足够使发光二极管发光。
管理电路20可以通过上连接端OD与一上游控制模块的管理电路沟通。图6举例了一下游管理电路20DownStream中，驱动上连接端OD的上连接电路62，以及一上游管理电路20UpStream中，驱动下连接端ID的下连接电路68。上连接电路62具有电阻64与开关66，串联于上连接端OD与低电压源端VG之间。下连接电路68有电阻70与开关72，并联于高电压源端VCC与下连接端ID之间。当开关66为短路时，下游管理电路20DownStream可以检测信号SOutSense的电压，来辨认上游管理电路20UpStream中开关72为开路或是短路。当开关72为开路时，上游管理电路20UpStream可以检测信号SInSense的电压，来辨认下游管理电路20DowenStream中开关66是开路还是短路。因此，上游管理电路20UpStream与下游管理电路20DownStream可以双向沟通，传递数字信号。
图7显示一种使用于控制器24中的控制方法。请一同参照图5与图6。控制方法从步骤100开始。步骤102检查高电压源端VCC与低电压源端VG之间的操作电压VDrop是否足够控制器24的稳定操作。如果操作电压VDrop不足(在图7中为小于5V)，则步骤104持续重置(reset)存储器80ID、80OD与80DOWN，使信号SID、SOD与SDOWN的逻辑值都为0。步骤106检查操作电压VDrop是否过高(在图7中与38V作比较)。如果过高，则控制器24将操作电压VDrop箝制在一个安全值内，预防操作电压VDROP过高导致控制器24毁损。步骤110检查信号SInSense的电压。如果信号SInSense的电压表示了一下游控制器中的开关66是短路。这意味着下游控制器正在呼叫控制器24(步骤112的是)，则步骤114设定存储器80ID，所以信号SID的逻辑值变成1。此时，控制器24操作于开路状态，发光二极管应该要发光。通过信号SFull，步骤116可以得知当下操作电压VDrop是否已经有足够能量让上游发光装置发光。当操作电压VDrop有足够能量时(步骤116的是)，步骤118使信号SOD的逻辑值变成1，准备呼叫上游控制器。
步骤120检查信号SOD的逻辑值。如果信号SOD为1，步骤122通过信号SUpward，使开关66短路，来呼叫上游控制器。步骤124检查三件事。第一件事为控制器24是否为开路状态的控制器中，最上游的那一个。这可以通过检查信号SOutSense的电压，来辨识上游控制器是否正在呼叫控制器24而得知。第二件事是操作电压VDrop是否依然有足够能量，可以通过信号SFull而得知。第三件事则是信号SID是否为1，也就是控制器24是否操作在开路状态。当这三件事都符合时，步骤126将信号SDOWN设定为1。
步骤128检查信号SDOWN的逻辑值。如果信号SDOWN为1，步骤130使信号SID与SOD都转变成0。步骤130同时通过信号SDownward，使图6中的开关72短路，用以呼叫下游控制器。步骤102接在步骤130之后，重新检查操作电压VDROP。
经过电路模拟后可以发现，图4中控制器的操作状态变化确实可以达成。因此，本发明的实施例可以达成增加发光效率、高功率因数、以及产品便宜的优点。
虽然图6以开关66与72的短路或开路，来作为上下两个控制器的呼叫沟通方法，但是本发明并不限于此。业界具有普通技术的人士能够依据以上实施例的教导与精神，推知其他种可以适用于两个控制器的呼叫沟通方法。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种适用于发光二极管的控制器，包含：
一高电压源端以及一低电压源端；
一主开关电路，耦接至该高电压源端与该低电源端之间，具有一二极管控制端，该二极管控制端连接至一发光二极管；
一上连接端以及一下连接端；以及
一管理电路，耦接至该主开关电路，配置为可通过该上连接端与一上游控制模块的一下连接端沟通，可通过该下连接端与一下游控制模块的一上连接端沟通；
其中，该管理电路可操作于数个操作状态其中之一。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，这些操作状态包含一开路状态，该管理电路使流经该发光二极管的一二极管电流大约为一预设值，使该发光二极管发光。
3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，这些状态包含一短路状态，该管理电路使流经该发光二极管的一二极管电流大约为零，且使该高电压源端通过该管理电路流到该低电压源端的一旁路电流为一预设值。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，该主开关电路包含一定电流源，与该发光二极管发光串接于该高电压源端与该低电压源端之间。
5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，该主开关电路提供给该管理电路信息，以决定该管理电路的一当下操作状态。
6.一种发光模块，包含：
多个发光装置，可串接于一高主电压源与一低主电压源之间，构成一串列，每一发光装置包含：
至少一发光二极管；以及
一控制器，包含：
一高电压源端以及一低电压源端；
一主开关电路，耦接至该高电压源端与该低电源端之间，具有一二极管控制端，该二极管控制端连接至该发光二极管；
一上连接端以及一下连接端；以及
一管理电路，耦接至该主开关电路，配置为可通过该上连接端与一上游控制模块的一下连接端沟通，可通过该下连接端与一下游控制模块的一上连接端沟通；
其中，该管理电路可操作于数个操作状态其中之一。
7.如权利要求6所述的发光模块，其特征在于，这些操作状态包含一开路状态，该管理电路使流经该发光二极管的一二极管电流大约为一预设值，使该发光二极管发光。
8.如权利要求6所述的发光模块，其特征在于，这些状态包含一短路状态，该管理电路使流经该发光二极管的一二极管电流大约为零，且使该高电压源端通过该管理电路流到该低电压源端的一旁路电流为一预设值。
9.如权利要求6所述的发光模块，其特征在于，当该高主电压源与该低主电压源的间的一跨压上升时，这些发光装置依照一固定顺序，依序发光。
10.如权利要求6所述的发光模块，其特征在于，该主开关电路包含一定电流源，与该发光二极管发光串接于该高电压源端与该低电压源端之间。
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