CN202799281U - Led小串的控制装置 - Google Patents

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蓝耀辉
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Abstract

本实用新型提供一种LED小串的控制装置。利用高压N型组件与低压限流开关单元串接结合，藉由侦测路径上的电压或电流，于大于或小于预设值时切换低压限流组件。则高压N型组件被间接控制。亦即，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。

Description

LED小串的控制装置
技术领域
本实用新型关于藉由低压限流开关与高压N型组件的组合来控制高压LED，可简化布局过程，并降低生产成本；不仅有效降低传统高压LED所产生的120Hz光学闪烁现象，更能提高电效率。
背景技术
长串高压LED生产成本愈来愈低廉，已广为大众所采用。但是高压控制的方式仍有缺点有待改善。例如，美国专利USP No.6989807、USPNo.7439944或USP No.7081722便暴露了切换时间点及驱动电流为固定电流等的问题。
为解决上述问题，中国台湾专利公开号201134293提出一种驱动高压发光二极管灯泡的集成电路。参见其中图1及图2，该装置具有限流单元（NMOS），借着开启或关闭限流单元切换LED堆栈，可提高功因校正及降低总谐波失真。然而，数个高压NMOS的导通电压之间有制程上差异性及温度变化，因此交替时间及电流较难控制。结果，LED导通瞬间电流可能过大或电流消失时间过长，产生光学闪烁（Flicker）。而且，总电流开路会有不连续及瞬间电流过大的现象。
此外，以传统方式驱动长串LED时，前端LED因平均导通时间较长而亮度较亮，尾端LED则导通时间较短，亮度较暗；即所谓的120Hz光学涟波。而传统方式驱动高压LED的效率亦较差。若增加更多控制节点来增进效率，又会增加生产成本的困扰。
为改善上述习知技术的缺失，本实用新型提出一种LED小串的控制装置，不仅能有效提升输出瓦数，更可降低电磁干扰。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种LED小串的控制装置，可降低生产成本，降低切换噪声干扰，及简化控制电路布局。
本实用新型的LED小串可为接地或不接地；可由复数个串联的LED单元组成，而LED单元可包括一个或多个，串联或并联的LED。
本实用新型的LED小串的控制装置主要包括复数个高压N型组件及复数个低压限流开关。其中每一个高压N型组件电性连接至对应的LED单元的电流输出端。其中每一个低压限流开关包括一低压N型组件，电性连接至对应的高压N型组件，并与对应的LED单元并联，电流是由高压N型组件流向对应的低压限流开关，而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。
高压N型组件或低压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。
藉由本实用新型的控制装置，当低压限流开关的输入电流增加时，其中电位最低的低压限流开关为开启，而其它电位较高的低压限流开关的导通电流被减少，且流经该电位较高的对应高压N型组件的导通电流亦随之减少。或者，当较高电位的低压限流开关接收到较低电位的低压限流开关的“电流变小控制讯号”时，流经该较高电位的低压限流开关的导通电流减少，使流经对应高压N型组件的导通电流亦随之减少。
上述低压限流开关的开启或电流变小可经由但不限于一外部或内建的主仆控制器判定或传送讯号，亦可经由其它适当的线路设计达成。藉此，可使较高电位的低压限流开关的导通电流受控于较低电位的低压限流开关。
本实用新型的控制装置，亦可包括至少一个电压或电流侦测电路，用以侦测对应的LED单元至对应的低压限流开关的路径上的电压或电流。藉此，当所侦测的电压或电流大于一预设值时，对应的低压限流开关被关闭。或者，当所侦测的电压或电流小于该预设值时，对应的低压限流开关为开启。
本实用新型具有如下的功效：
1、监测高压N型组件的源极低压，等效于漏极高压或LED的输出电压，因此不需在高压环境设立监测点，结构较简单。
2、利用低压限流开关的切换功能控制高压LED电流，可快速开启与关闭LED，使***电流更稳定，输入电流呈现连续，大幅降低EMI干扰，及总谐波失真低。
3、布局过程简单；可简化控制传统式垂直式高压N型组件的栅极及源极与控制器集成电路联机，所造成布局绕线的困扰。
4、利用控制集成电路不接地的方式与长串LED并接，可降低控制电路功耗，更可降低长串时，因LED位置不同所造成120HZ的涟波闪烁。
附图说明
图1显示本实用新型第一实施例以低压限流开关控制高压N型组件及LED的定电流架构。
图2显示图1中高压N型组件与低压限流开关的架构。
图3显示本实用新型第二实施例的架构。
图4显示图3中高压N型组件与低压限流开关的架构。
图5显示本实用新型第三实施例的架构。
图6显示图5中高压N型组件与低压限流开关的架构。
图7显示测试用的简易架构。
图8显示在高工作电压下，PWM输入讯号与高压N型组件的源极电压的关系。
图9显示测试用的另一简易架构。
图10显示在低工作电压下，输入电压波型与高压N型组件的漏极电压的关系。
图11显示高压N型组件在不同漏极电压下的漏极电流值。
主要组件符号说明
低压限流开关                21-25、31-34、41-44
外部的主-仆控制器           51
内建的分布式主-仆控制器     52
LED小串                     70、80
LED单元                     701-705、801-805
AC交流电源                  901
桥式整流器                  902
电容                        C1
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                 LV2
电阻                        R1、R2、R4、R5
高阻值电阻                  R3
讯号输入端                  S1、S3
讯号输出端                  S2、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显示本实用新型高压LED的控制装置的较佳实施例之一。LED小串70有5个LED单元701-705，每一个LED单元包括数颗LED。控制装置由高电位至低电位依序包括5个对应的高压N型组件（HV NMOS）HV1-HV5、5个低压限流开关（或恒流开关）21-25及一外部的主-仆控制器51。本说明书的“外部”或“内建”是相对于低压限流开关而言。
LED小串70的电流输入端连接至AC交流电源901及桥式整流器902。LED小串70可为一LED长串的一部份，则控制装置亦可串联控制对应的LED小串。
在LED小串70中，每一个LED单元的电流输出端连接至对应的高压N型组件的漏极。高压N型组件的源极连接至对应的低压限流开关21-25，栅极则连接至齐纳二极管Z1，提供固定偏压。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。控制装置的电压源由齐纳二极管Z1稳压提供。
每一低压限流开关具有一讯号输入端S1及一讯号输出端S2，分别连接至主-仆控制器（master-slave）51对应的讯号输出端及讯号输入端。每一低压限流开关亦具有一电压输出端及一电流输出端，分别连接至控制装置的电压输出接点Vout及电流输出接点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。
图2是说明图1中高压N型组件与对应的低压限流开关的架构，以高压N型组件HV2及低压限流开关22为例。低压限流开关22包括一低压N型组件（LV NMOS）LV2、一比较器K2及一高阻值电阻R3。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、主-仆控制器及运算放大器（OPAMP）K1及电性连接线路则形成一控制架构。低压N型组件LV2的漏极连接至对应的高压N型组件HV2的源极、比较器K2的输入正端及电阻R3；栅极连接至低压限流开关的讯号输入端S1，接受主-仆控制器51输出讯号控制；源极连接至电压输出接点Vout。电流由LED单元的电流输出端，经高压N型组件HV2至低压限流开关21。电阻R3再连接至电流输出接点Iout。比较器K2的输入负端连接至参考电位（Vref2），作为限流转折点参考电位。低压限流开关22的讯号输出端S2连接至主-仆控制器51的讯号输入端。主-仆控制器51并连接一运算放大器K1，与电阻R2相连结形成主式限流效果。
当LED小串70的输入电压增加时，低压限流开关21-25依序开启。当低压限流开关22的电压大于参考电位Vref2时，其中的比较器K2经讯号输出端S2传送“H”讯号至主-仆控制器51。此时，若主-仆控制器51亦传送“H”讯号至讯号输入端S1，则低压N型组件LV2将被开启。同时，主-仆控制器51将低压限流开关22的输出讯号反相后，传送一讯号至较高电位的低压限流开关21，令其减少导通电流或关闭。在此过程中，高压N型组件HV1-HV4及低压限流开关25的低压N型组件的栅极都保持恒开状态。
同样地，当低压限流开关23的电压大于参考电位Vref2时，其中的比较器K2传送“H”讯号至主-仆控制器51。此时，主-仆控制器51将传送一讯号至低压限流开关23，令其开启；同时传送一讯号至较高电位的低压限流开关21及22，令其减少导通电流或关闭。
反之，当LED小串70的输入电压减少，低压限流开关25的电压小于参考电位Vref2时，其中的比较器K2传送“L”讯号至主-仆控制器51。此时，主-仆控制器51将低压限流开关25的输出讯号反相后，传送一讯号至低压限流开关24，令其增加导通电流。
由上述架构可知，本实用新型装置的特征为：较高电位的低压N型组件或低压限流开关的导通电流是受控于较低电位者。此外，LED单元的开启或关闭是藉由低压限流开关控制，而非高压N型组件。因启动及关闭低压组件速度较快，故切换过程中，可减少LED串不连续电流的问题。
图3显示本实用新型高压LED的控制装置第二个较佳实施例。本实施例的LED小串80有5个LED单元801-805，每一个LED单元则包括数颗串接的LED。LED单元801-804各自连接对应的高压N型组件HV1-HV4及低压限流开关31-34，LED单元805则接地。相较于前一实施例，本实施例无外部的主-仆控制器51的特定主体，而是将分布式主-仆控制器内建于每一个低压限流开关31-34中。
如图4所示，以低压限流开关32为例，比较器K2及高阻值电阻R3亦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，若讯号输入端S3接收的讯号为“H”，则选择器SE1切换至运算放大器K1的输出端；若讯号输入端S3讯号为“L”，则选择器SE1将低压N型组件LV2的栅极连接至电流输出接点Iout，关闭低压N型组件LV2。
在此实施例中，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”讯号至分布式主仆逻辑器52。此时，若讯号输入端S3亦接收到讯号“H”，则低压N型组件LV2将被开启。同时，反向器将讯号转态为“L”，再传送至逻辑组件AND，使讯号输出端S4输出讯号为“L”。于是，较高电位的低压限流开关31接收到讯号“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型组件的栅极仍保持恒开状态。
图5显示本实用新型高压LED的控制装置第三个较佳实施例。相较于第一及二实施例，本实施例无外部的主-仆控制器，低压限流开关41-44内亦无分布式主-仆控制器。
如图6所示，以低压限流开关42为例，比较器K2及高阻值电阻R3亦形成一电压侦测电路。而电压侦测电路、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。比较器K2的输出端由内部线路连接至选择器SE1。选择器SE1的“0”输入端连接至比较器K2的输出端，“1”输入端则连接至电流输出接点Iout。
当LED小串80的输入电压增加，使低压N型组件LV2的漏极电压大于参考电位Vref2时，比较器K2传送“H”讯号至选择器SE1的控制端，SE1输出端连接至“1”输入端。于是，低压N型组件LV2的栅极连接至电流输出接点Iout，以减少导通电流或将其关闭。反之，若低压N型组件LV2的漏极电压小于参考电位Vref2，比较器K2传送“L”讯号至选择器SE1，使低压N型组件LV2的栅极连接运算放大器K3的输出端，以开启低压限流开关42。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44的低压N型组件的栅极都保持恒开状态。
量测与分析：
以第二个实施例的架构为基础，测试单一高压N型组件与简易的低压限流开关的组合，如图7所示。电阻R1约为200KΩ，齐纳二极管Z1的崩溃电压（Breakdown Voltage）或耐压为12V。高压N型组件HV2的漏极的崩溃电压约600V，漏极设定DC电压为150V，栅极接至齐纳二极管Z1与电阻R1的连接点。简易的低压限流开关接至高压N型组件HV2的源极，恒电流设定I=56mA，且低压组件的漏极崩溃电压为30V。简易的低压限流开关的讯号输入端S3输入固定PWM讯号（方波频率=20KHz，Duty cycle=50%）。PWM讯号为“H”时，低压限流开关为开启状态；PWM讯号为“L”时，低压限流开关为关闭状态。量测结果如图8所示，图下方为PWM输入讯号，图上方为高压N型组件HV2的源极电压。切换过程中，因高压N型组件的漏极电压与寄生电感会产生噪声。然而，高压N型组件的源极噪声电压仅限于11.5V，且恒小于栅极电位12V。在高压N型组件HV2的漏极进行瞬间切换150V电压时，对于该组件源极串接的低压限流开关具有保护作用。
图9显示类似图7的简易组合架构，但高压N型组件HV2的漏极串接一电阻R5约30Ohm，且接至DC=8V电压，栅极固定电压为12V。测试结果如图10所示。图下方为输入电压波型，图上方为高压N型组件漏极量测到的电位。切换时间约在14us时，即可达到预设的恒电流值（56mA），并保持恒流状态。关闭时间约小于2us，故能迅速等效于完成高压组件切换。
低压限流开关设定为两个恒电流值（56mA与156mA），图11显示高压N型组件在不同漏极电压下的漏极电流值。当高压N型组件的漏极电压高于转折电压（VKnee-Point）0.6V及1.3V时，电流为恒流区，且低压N型组件的漏极电压也随着高压N型组件的漏极电压上升而上升，两者相差仅~0.4V。
另外，使用图3实施例的架构，LED单元801有6颗LED，LED单元802-804各自有13颗LED，LED单元805有7颗LED，则总共52颗LED。每一颗LED的Vf约为3V，AC端的输入电压为110V，峰值电压为155V。
将四个高压N型组件HV1-HV4的栅极都连接至齐纳二极管Z1的阴极，产生固定直流电压24V。每一个N型高压组件的源极对应一个限流开关。整个控制电路的最低电位接至最后一个LED单元805的电流输入端，可提升能量利用率。最大输出电流为250mA，则输出瓦数约为18.7W（=110V×250/√2mA）。当输入电压峰值约大于21V时，LED单元801的6颗LED与LED单元805的7颗LED“最先”且“同时”被启动点亮，有助于灯具的整体发光均匀度。由量测数据得知：
功率因子校正（Power Factor Correction，PFC）=0.98
总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）=12%
光通量=120lm/W
根据上述实施例架构及测试结果，可证明本实用新型具有如下的功效：
1、监测高压N型组件的源极低压，等效于漏极高压或LED的输出电压，因此不需在高压环境设立监测点，结构较简单。
2、利用低压限流开关的切换功能控制高压LED电流，可快速开启与关闭LED，使***电流更稳定，输入电流呈现连续，大幅降低EMI干扰，及总谐波失真低。
3、布局过程简单；可简化控制传统式垂直式高压N型组件的栅极及源极与控制器集成电路联机，所造成布局绕线的困扰。
4、利用控制集成电路不接地的方式与长串LED并接，可降低控制电路功耗，更可降低长串时，因LED位置不同所造成120HZ的涟波闪烁。

Claims (15)

1.一种LED小串的控制装置，该LED小串是由复数个串联的LED单元组成；其特征在于，该装置包括：
复数个高压N型组件，其中每一个高压N型组件电性连接至对应的LED单元的电流输出端；及
复数个低压限流开关，其中每一个低压限流开关包括一低压N型组件，电性连接至对应的高压N型组件，并与对应的LED单元并联，电流是由高压N型组件流向对应的低压限流开关，而所称的低压及高压是依据其相对崩溃电压而言。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该LED小串为接地或不接地。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该高压N型组件或低压N型组件为金属氧化物半导体晶体管或双载子晶体管。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：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。
5.一种LED小串的控制装置，该LED小串是由复数个串联的LED单元组成；其特征在于，该装置包括：
复数个高压N型组件，其中每一个高压N型组件电性连接至对应的LED单元的电流输出端；及
复数个低压限流开关，其中每一个低压限流开关包括一低压N型组件，电性连接至对应的高压N型组件，并与对应的LED单元并联，电流是由高压N型组件流向对应的低压限流开关，而所称的低压及高压是依据其相对崩溃电压而言；
藉此，当低压限流开关的输入电流增加时，其中电位最低的低压限流开关为开启，而其它电位较高的低压限流开关的导通电流被减少，且流经该电位较高的对应高压N型组件的导通电流亦随之减少。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：该LED小串为接地或不接地。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：该高压N型组件或低压N型组件为金属氧化物半导体晶体管或双载子晶体管。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于：该低压限流开关的开启或电流变小是经由一外部或内建的主仆控制器判定。
9.一种LED小串的控制装置，该LED小串是由复数个串联的LED单元组成；其特征在于，该装置包括：
复数个高压N型组件，其中每一个高压N型组件电性连接至对应的LED单元的电流输出端；及
复数个低压限流开关，其中每一个低压限流开关包括一低压N型组件，电性连接至对应的高压N型组件，并与对应的LED单元并联，电流是由高压N型组件流向对应的低压限流开关，而所称的低压及高压是依据其相对崩溃电压而言；
藉此，当较高电位的低压限流开关接收到较低电位的低压限流开关的“电流变小控制讯号”时，流经该较高电位的低压限流开关的导通电流减少，使流经对应高压N型组件的导通电流亦随之减少。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：该LED小串为接地或不接地。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：该高压N型组件或低压N型组件为金属氧化物半导体晶体管或双载子晶体管。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于：该较高电位的低压限流开关是经由一主仆控制器，接收到较低电位的低压限流开关的“电流变小控制讯号”。
13.一种LED小串的控制装置，该LED小串是由复数个串联的LED单元组成；其特征在于，该装置包括：
至少一个高压N型组件，其中每一个高压N型组件电性连接至对应的LED单元的电流输出端；及
至少一个低压限流开关，其中每一个低压限流开关包括一低压N型组件，电性连接至对应的高压N型组件，并与对应的LED单元并联，电流是由高压N型组件流向对应的低压限流开关，而所称的低压及高压是依据其相对崩溃电压而言；
至少一个电压或电流侦测电路，用以侦测对应的LED单元至对应的低压限流开关的路径上的电压或电流；
藉此，当所侦测的电压或电流大于一预设值时，对应的低压限流开关被关闭，或者，当所侦测的电压或电流小于该预设值时，对应的低压限流开关为开启。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：该LED小串为接地或不接地。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于：该高压N型组件或低压N型组件为金属氧化物半导体晶体管或双载子晶体管。
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