CN103517510A - 稳定发光的led装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稳定发光的LED装置。在LED串与对应开关的架构上，选取适当节点与电容形成串、并接。在输入电压渐高时，恒电流先流过LED小串，使电容充电，以增加LED发光效率。在输入电压渐低时，电容上的电荷经过并接LED进行放电，可增加LED发光效率。如此不仅仍具有高功因效果，更能增加驱动电路稳定度，且在相位调光操作下，不易产生闪烁。
Description
技术领域
本发明是关于一种稳定发光的LED小串，通过串并联一电容来控制高压LED，不仅可提高整体***稳定度，更可持续维持高功因校正值，有效降低传统高压LED所产生的120Hz光学闪烁现象，并提高光电转换效率。
背景技术
具高功因的长串高压LED由于生产成本愈来愈低廉，现已广为大众所采用。但是高压控制的方式仍有缺点待改善。例如，美国专利USP No.6989807、USP No.7439944、USP No.7081722或台湾专利公开号201134293等，强调无需电容，便可获得高功因（power factor，PF）值。结果，在调光过程中，反而产生电磁干扰（Electromagnetic interference，EMI）及噪声，容易闪烁不稳定的问题。改善此问题的方法之一是：在桥式整流输出端放置一滤波电容；已知桦晶科技的产品DR3602及韩国首尔的产品Acrich2便是如此设计。然而，除去噪声并增加***稳定度的结果，却又使PF降低与产生严重的交流周期的光学涟波。
为克服上述已知技术的缺失，本发明提出一种稳定发光的LED装置，不仅能有效提升稳定度，更能维持高功因值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定发光的LED装置，可操作于相位调光，并可维持高功因效果，有效抑制交流周期的光学涟波。
本发明稳定发光的LED装置主要包括一LED小串及一电容。LED小串包括多个串联的LED单元，每一个LED单元包括一个或多个串联或并联的LED。电容与该多个串联的LED单元形成电性串并联架构，且当电容充电时，充电电流须经过至少一个LED单元。
串联的LED单元可为接地或不接地。LED装置尚可包括一耐高压逆偏二极管（High Reverse Breakdown Diode），与该电容形成电性串联架构。亦可包括多个开关单元，每一个开关单元电性连接至对应的LED单元的电流输出端。开关单元并无特别限制，较佳为一限流开关；更佳为包括一高压N型组件及一低压限流开关。而多个开关单元较佳为各自独立或形成主仆控制结构。高压N型组件可为但不限于金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）晶体管或双载子（Bi-polar）晶体管，其它开关组件亦可适用。
换言之，本发明揭示一种使LED稳定发光的方法；亦即提供一LED小串及一电容。LED小串包括多个串联的LED单元，每一个LED单元可包括一个或多个、串联或并联的LED。电容则与多个串联的LED单元形成电性串并联架构，且当电容充电时，该充电电流须经过至少一个LED单元。
上述方法尚可包括：提供一耐高压逆偏二极管及/或多个开关单元；其连结关系或特征同上所述。
附图说明
图1显示本发明LED装置的第一实施例。
图2显示图1中开关单元的架构。
图3显示本发明LED装置的第二实施例。
图4显示测试用的简易架构。
主要组件符号说明
低压限流开关 31-35
内建的分布式主仆控制器 52
LED小串 80
LED单元 801-805、810
AC交流电源 901
桥式整流器 902
电容 C1、C2
控制单元 CN0、CN1、CN2
耐高压逆偏二极管 D1
高压N型组件 HV1-HV5
电流输出接点 Iout
运算放大器 K1
比较器 K2
低压N型组件 LV1、LV2
电阻 R1、R2、R4
高阻值电阻 R3
信号输入端 S3
信号输出端 S4
选择器 SE1
电压输出接点 Vout
齐纳二极管 Z1
具体实施方式
图1显示本发明稳定发光的LED装置的第一个实施例。在此实施例中，LED装置包括LED小串80、控制单元CN0、耐高压逆偏二极管D1及电容C2。
LED小串80有5个LED单元801-805，每一个LED单元可包括一个或多个串联或并联的LED。LED小串80的电流输入端连接至AC交流电源901及桥式整流器902。齐纳二极管Z1经电阻R1连接至桥式整流器902，并与电容C1并联。控制单元CN0的电压源由齐纳二极管Z1稳压提供。LED小串80可为一LED长串的一部份，则控制单元亦可串联控制对应的LED小串。
LED单元801-805的电流输出端各自连接至控制单元CN0的输入端口。控制单元CN0可为任何已知的LED控制单元，如台湾发明专利申请号100136183及101119651所揭示者，可结合于本发明中。在此实施例中，控制单元CN0包括与LED单元801-805对应的高压N型组件HV1-HV5及低压限流开关31-35。每一个高压N型组件与对应的低压限流开关形成一开关单元。本说明书所称的低压及高压是依据其相对崩溃电压（Breakdown Voltage）而言。藉此，当流经低压限流开关的导通电流增加或减少时，流经对应高压N型组件的导通电流亦随之增加或减少。
每一低压限流开关具有一电压输出端及一电流输出端。每一电压输出端经由一电阻R4连接至控制装置的电压输出接点Vout；每一电流输出端则连接至控制装置的电流输出接点Iout，最后连接至齐纳二极管Z1。电压输出接点Vout经由电阻R2，再连接至电流输出接点Iout。在本实施例中，电流输出接点Iout并在连接一LED单元810，亦即LED小串80并未直接接地。
图2显示图1中开关单元的典型架构。图示以低压限流开关32为例，比较器K2及高阻值电阻R3形成一电压侦测电路。而电压侦测电路、分布式主仆控制器52、选择器SE1及运算放大器K1及电性连接线路则形成一控制架构。分布式主仆控制器52包括反相器（inverter）与逻辑组件AND。运算放大器K1的输入正端同样连接至参考电位Vref1，输入负端连接至低压N型组件LV2的源极，输出端则连接至选择器SE1的“1”输入端。选择器SE1受控于较低电位的低压限流开关内建的分布式主仆逻辑器52，若信号输入端S3接收的信号为“H”，则选择器SE1切换至运算放大器K1的输出端；若信号输入端S3信号为“L”，则选择器SE1将低压N型组件LV2的闸极连接至电流输出接点Iout，关闭低压N型组件LV2。
当LED小串80的输入电压增加时，低压限流开关31-34依序开启。以低压限流开关32为例，当低压N型组件LV2的漏极电压大于参考电位Vref2时，其中的比较器K2传送“H”信号至分布式主仆逻辑器52。此时，若信号输入端S3亦接收到信号“H”，则低压N型组件LV2将被开启。同时，反向器将信号转态为“L”，再传送至逻辑组件AND，使信号输出端S4输出信号为“L”。于是，较高电位的低压限流开关31接收到信号“L”，进而减少导通电流或关闭。而整个开与关过程控制过程中，高压N型组件HV1-HV4及低压限流开关34的低压N型组件的闸极仍保持恒开状态。
若电容C2的位置越接近高电位的桥式整流器902，则电容C2蓄能越强，但会造成PF下降。反之，若电容C2的位置越接近低电位，则电容蓄能越低，PF越好。因此，最佳位置估计约为桥整902后最高电位值的4/5～1/5处为宜。此外，电容C2的容值大小，应选择放电时能将电压释放至接近LED单元804的导通电位。在此较佳实施例中，为避免电容C2无法完全放电至零电位，需于电容C2的正端串连一个耐高压逆偏二极管（High Reverse BreakdownDiode）D1。此外，可防止上一级接近高电位的限流开关开启后，电容电压逆流击穿串接LED。耐高压逆偏二极管D1的导通电压Vf约为0.7V。
在本实施例中，耐高压逆偏二极管D1及一电容C2设置于LED单元803与804之间。耐高压逆偏二极管D1的阳极连接至LED单元803的对应低压限流开关33的电流输入端，阴极连接至电容C2的阳极。电容C2的阴极则接地。
因电容C2可将噪声滤除，故可提高信号与噪声比率(Signal to Noise Ratio，S/N)。当输入电压高于电容C2输入端的电压时，电容C2持续充电，并提供滤除噪声的功能。当输入电压下降至低于电容电压时，电位最低的LED单元805的低压限流开关35仍然开启，电容C2持续放电。直到LED单元804的低压限流开关34启动，电容C2亦持续放电。实验结果发现，此种架构在进行相位调光时，各种角度皆不容易发生闪烁。
图3显示本发明稳定发光的LED装置的第二个实施例。与前一实施例不同的是，较高电位的LED单元801-803受控制单元CN1独立控制，而较低电位的LED单元804-805受控制单元CN2独立控制。控制单元CN1及CN2分别包括多个电压侦测器，可侦测对应低压限流开关路径上的电压。
在输入电压上升阶段，限流开关31-33依序开启。当输入电压高过低压限流开关33上的设定电压后，将使通过低压限流开关31-33的电流减少。当电压持续升高，至超过电容电压时，电容C2将持续充电，而低压限流开关34及35亦依序开启。
当输入电压减少时，电容C2持续对低压限流开关34及35放电。且当输入电压低于低压限流开关33的设定电压时，低压限流开关33将被开启，直到输入电压不足以提供电流为止。类似地，低压限流开关32及31将被依序开启。
在此架构下，整体光通量增加。因低压限流开关31-33，34-35两段式开关可同时工作，即使输入电压由高压降至低压，仍可维持较高的光通量。
此外，在本实施例中，电流输出接点Iout并未再连接任何LED。
量测与分析：
以第一个实施例的架构为基础，测试高压N型组件与低压限流开关的简易组合，如图4所示。AC=110V输入电压。电阻R1约为200KΩ，齐纳二极管Z1的崩溃电压（Breakdown Voltage）或耐压为24V。
将二个高压N型组件HV1-HV2的栅极都连接至齐纳二极管Z1的阴极与电阻R1的连接点，产生固定直流电压24V。高压N型组件HV1-HV2的漏极的崩溃电压约600V。低压限流开关31-32各自接至高压N型组件HV1-HV2的源极。
低压限流开关31的电流设定为16mA，低压限流开关32的恒电流设定为30mA。低压限流开关32为主式控制功能，低压限流开关31为仆式控制，且受控于低压限流开关32。LED单元801包括30颗LED，LED单元802包括17颗，总共47颗LED。
低压限流开关31的电流输入端（LED单元801的第30颗LED的阴极）接至耐高压逆偏二极管D1的阳极，且该耐高压逆偏二极管D1的阴极与电容C2的阳极连接，电容C2的阴极接地。
由量测数据得知：
功率因子（Power Factor，PF）=0.95
总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）=30%
根据上述实施例架构及测试结果，可证明本发明具有如下的功效：
1.在不影响PF值条件下，利用蓄能电容充放机制，不仅可滤除噪声，更可稳定控制电路。
2.在输入电压由高电位转至低电位时，电容持续放电，可增加整体发光效率，改善已知技术的缺失。
3.在输入电压较低时，增加LED发光亮度，有效降低因输入交流电源衍生的光学涟波。
4.因滤波电容置于较低电位，仍具高功因特性，且电容不须耐高电压，故成本较低，且体积较小。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求中所界定的内容为准。
Claims (16)
1.一种稳定发光的LED装置；其特征在于，包括：
一LED小串，包括多个串联的LED单元，每一个LED单元包括一个或多个串联或并联的LED；及
一电容，与该多个串联的LED单元形成电性串并联架构，且当该电容充电时，充电电流须经过至少一个LED单元。
2.如权利要求1所述的LED装置，其特征在于，该LED小串为接地或不接地。
3.如权利要求1所述的LED装置，其特征在于，更包括：
一耐高压逆偏二极管，与该电容形成电性串联架构。
4.如权利要求1所述的LED装置，其特征在于，更包括：
多个开关单元，每一个开关单元电性连接至对应的LED单元的电流输出端。
5.如权利要求4所述的LED装置，其特征在于，该开关单元包括一限流开关。
6.如权利要求4所述的LED装置，其特征在于，该多个开关单元为各自独立或形成主仆控制结构。
7.一种稳定发光的LED装置；其特征在于，包括：
一LED小串，包括多个串联的LED单元，每一个LED单元包括一个或多个串联或并联的LED；
一电容，与该多个串联的LED单元形成电性串并联架构，且当该电容充电时，充电电流须经过至少一个LED单元；及
一耐高压逆偏二极管，与该电容形成电性串联架构。
8.如权利要求7所述的LED装置，其特征在于，该LED小串为接地或不接地。
9.如权利要求7所述的LED装置，其特征在于，更包括：
多个开关单元，每一个开关单元电性连接至对应的LED单元的电流输出端。
10.如权利要求9所述的LED装置，其特征在于，该开关单元包括一限流开关。
11.如权利要求9所述的LED装置，其特征在于，该多个开关单元为各自独立或形成主仆控制结构。
12.一种使LED稳定发光的方法，其特征在于，包括：
提供一LED小串，该LED小串是由多个串联的LED单元组成，每一个LED单元可包括一个或多个串联或并联的LED；及
提供一电容，与该多个串联的LED单元形成电性串并联架构，且当该电容充电时，充电电流须经过至少一个LED单元。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，更包括：
提供一耐高压逆偏二极管，与该电容形成电性串联架构。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，更包括：
提供多个开关单元，每一个开关单元电性连接至对应的LED单元的电流输出端。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该开关单元包括一限流开关。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该多个开关单元为各自独立或形成主仆控制结构。
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