TWI454174B - 發光二極體型照明裝置及其操做方法 - Google Patents

Description

發光二極體型照明裝置及其操做方法

本發明關於一種發光二極體型照明裝置及其操做方法。

發光二極體(Light emitting diodes，LEDs)是一種重要的固態裝置，能夠將電能轉換成光線。這些裝置的改良可運用在照明燈具上，用來取代傳統白熾燈與螢光燈光源。LEDs具有明顯較長的使用壽命，並且在某些情況下，將電能轉換成光線的效率也明顯較高。

LEDs的個別轉換效率為決定高功率LED光源成本的重要因素。LED的轉換效率定義為該LED產生每單位光線時所消耗之電功率。LED內未轉換成光線的電功率會轉換成熱，讓該LED的溫度上升。LED的光轉換效率隨著通過該LED的電流增加而降低。

LEDs通常由DC電源或調變式方波源供電，使得在LED「亮起」時有定電流流過該LED。該電流設定來提供高效率。在具有可變強度的光源中，光線的強度由改變該調變式方波的工作因子(duty factor)來控制，如此電流以提供所要效率之恆定值流過該LED。

傳統照明系統通常必須由AC電源驅動，因此LED型光源通常包括一AC-DC電源轉換器。該電源轉換器的成本就佔有一般LED光源成本的絕大部分。此外，該電源轉換器內的功率耗損降低了光源的整體效率。

為了避免這些成本，所以提出不用先將電源轉換成DC，而直接由AC電源驅動的LED光源。這種光源通常包括兩串LEDs，該等LEDs在每一串內串聯。當AC波形位於正弦波的正半邊時供電給一串，而當 AC波形位於正弦波的負半邊時供電給另一串。

這種簡單的驅動法遭受到低效率與閃爍的困擾。考慮由AC波形驅動的單一LED。一般來說，LED的特徵在於必須供應一最低電壓來將該LED順向偏壓，如此電流將流過該LED。在該二極體被順向偏壓的半個AC週期中，該LED維持熄滅狀態直到該正弦波達到該最低電壓。從電源效率的觀點來看，在該正弦波中，該LED亮起時之平均電流應設為該最佳電流。因此，在該週期之部分時間中，該電流將高於該最佳功率，並且該LED的效率將降低。在該正弦波之部分時間中，該電壓小於啟動該LED所需的該最低電壓，該LED將變暗。如此該發光強度會以該AC電源頻率的兩倍頻率閃爍。

在2009年7月17日所提出第12/504,994號共同申請的美國專利申請案中，描述一改良式AC LED光源，其中串聯串中的每一LED都並聯一個開關，在通過該串的AC電壓不足以驅動該串內所有LEDs時短路該開關。如此，該等LEDs仍舊以最接近該最佳電流的一電流來驅動，因此降低上述該效率耗損。雖然此配置改善整體轉換效率，但是此光源仍舊受到閃爍的困擾。此外，在AC電壓週期中，被供電的LEDs的平均數量並不多，因此相對於DC驅動型LED光源，提供預定光輸出所需的LEDs數量增加。

本發明包括一種照明設備及用於操作發光二極體型照明裝置之方法。該設備包括一接收器，其接收來自一輸出隨一時間函數而改變的電源之一電位、一能量儲存裝置以及一LED陣列。當該驅動電位大於一預定值時，該能量儲存裝置儲存來自該電源的能量。該 LED陣列的特徵在於具有可選擇的複數個不同的順向偏壓電位，當在第一與第二電源端子之間的一電位差大於該選取的順向偏壓電位時，該LED陣列產生光線。當來自該電源的該電位小於一預定值時，一供電選擇器(source selector)將該能量儲存裝置連接至該第一和第二電源端子。一控制器改變該順向偏壓電位，如此該順向偏壓電位與在任何已知時間上該第一與第二端子之間的該電位差間之差異小於一預定值。

正常來說，LEDs由一恆定電流來源驅動，避免由DC電源供應器操作的LED受損。如上述，電源的成本就佔了整體光源成本的絕大部分。為了避免這項成本，建議LEDs應該由任一AC電源驅動。在此做法中，一全波整流AC電源直接連接至該LED。因此，該LED由不再是恆定電流源的電源所驅動。當驅動電壓超過一最低電壓時，該LED將亮起，因為流過LED的電流為超過該最低電壓之驅動電壓的指數函數，請注意確保該電壓不會使流過該LED的電流損害該LED。此外，將該電流維持在此之下是有利的，否則該電流將會導致LED的效率降低並且產生過多的熱。

此時請參閱第一圖，其中例示由一全波整流電源21所驅動的一LED 23。第二圖顯示該全波整流電源的兩個週期。一般而言，該LED 23的特徵在於一最低順向電壓值V_f ，其中該LED通過電流並產生光線。因為通過LED的電流就如同通過任何其他二極體的電流，當通過該二極體的電壓高於該最低電壓時，電流以指數方式增加，通常運用一電流控制器22避免通過該LED的電流達到摧毀該LED直接運作之值。在操作上，該LED以一電壓通過該LED來運作，該電 壓稍微高於V_f 。請注意，利用LEDs的串聯數量可改變V_f 之值，以有效產生具有較高V_f 的LED。

此時請參閱第二圖。當波形的電壓大於V_f 時，LED將產生光線。在電源週期中，驅動波形的電壓低於V_f 時，並不會產生光線，因此光源會閃爍。光源熄滅的時間長短取決於V_p 與V_f 的相對值。當相對於V_f 增加V_p 時會減少光源熄滅的時間。不過這造成電源浪費，因為未通過LED的電壓會通過一電流控制器51。未在LED內轉換成光線的電力會在該電流控制器內轉換成熱。因此，相對於V_f 增加V_p 會增加光源亮起的時間，明顯造成電源耗損。

在上述共同申請專利申請案中，描述一種減少這些電源耗損的方法。其中之一具體實施例，第二圖中顯示的LED由串聯的LEDs串取代，該串具有短路開關，可從該串中有效移除LEDs，以回應AC波形的電源電壓下降。此時請參閱第三圖，描繪運用這種配置的光源30之圖式。串聯的LEDs串33由全波整流的AC電源39通過一電流控制器31所供電。在第三圖所示的具體實施例中，串聯的LEDs串由五個標示為34至38的LEDs所構成。標示為41至43的一些短路開關，用來在任何已知時間控制應啟動該串中之哪個LEDs。例如：若短路開關41短路，則不再供電給LED34。同樣，若短路開關42關閉，則不再供電給LEDs 34和35。一開關控制器32根據來自其該電源39的波形之電壓，控制在任何已知時間應啟動哪個開關。

在操作上，該等開關運作如下。來自該電源39的電壓低於V_f 的兩倍時，一開關44短路並且其餘開關位於開路位置。隨著電壓增加至大約V_f 的兩倍，該開關44開路並且該開關43短路，藉此供應電壓通過LEDs 37及38。當該電壓進一步增加到至少三倍V_f 時，該開關42短路且其餘開關設定在開路位置，因此該電壓通過LEDs 36、37及38。此過程持續到來自該電源39的電壓大於五倍V_f 。在此點上，所有開關都開路並且電壓通過整個LEDs串聯串。隨著電壓從峰值電壓下降，該過程反向重複。

第三圖所示的具體實施例有閃爍的問題。當來自該光源的電壓小於V_f 時，所有LEDs都熄滅。光源熄滅的時間長短取決於來自該電源39的峰值電壓對V_f 的比率。考慮其中該峰值電壓為V_f 的八倍並且AC電源為傳統60週期AC的全波整流電源之案例。在此案例中，該光源將每8.3 ms週期熄滅大約0.6 ms。此時請參閱第四圖，其例示根據本發明一個具體實施例的光源。一光源50包括一電容器53，用於儲存該電源39的峰值電壓期間所獲得之電源，以便在該電源39的電壓太小而無法提供電源時供電給該等LEDs。當該等LEDs由該電源39直接供電時，一開關55開路並且一開關54短路。該電源39的峰值電壓由二極體56擷取至該電容器53。當一開關控制器52測定該電源39的電壓小於V_f 時，該開關54開路並且該開關55短路。此外，此時開關61-67全部開路。隨著該電容器53上的電位由流過該等LEDs的電流所消耗，這些開關會依序短路。

這些串聯串中的LEDs數量標示為N。在第四圖中顯示的範例中，N為八。該電容器53內可儲存的電荷總量取決於電容值，以及對該電容器53充電的電壓。該電源39的峰值電壓大約是NV_f 。當該電容器53上的電壓到達V_f 時，沒有多出的電荷流過電流控制器進入該LED串。因此，該電容器53上所儲存的有用電荷為該電容器53電容量的(N-1)V_f 倍。此電荷在該電源39輸出給電源串60的電壓不足期間，提供 電流給該電源串60。考慮其中該電源39的峰值電壓為120V並且其中串60中LEDs的數量為八之具體實施例。在此案例中，V_f 需要為15 V。具有15 V V_f 的LED可由其V_f 為3 V的五個LEDs串聯構成。假設，該等LEDs的大小需吸收100 mA。因此，該電容器53必須儲存足夠電荷，在0.6 ms內提供100 mA。如此該電荷等於60 μC。因此，所需的電容量為0.6 μF。在用來製造開關的矽基板上，可容易製造這種電容器。若該電容器53的電容量提高至大約1.5 μF，並且若電源供應器在電壓低於兩倍V_f 時切換至該電容器，則整個週期內至少兩個LEDs仍舊亮起。

雖然上列具體實施例藉由至少一或兩個LEDs全程亮起來顯著減少閃爍，不過在該輸入AC波形的週期上仍舊有光輸出變化。將第四圖所示串聯的LEDs串用可重新設置的LEDs串取代，如此可進一步降低這些變化。此時請參閱第五圖，其例示根據本發明的可重新設置LED陣列之一個具體實施例。陣列70由複數個LED區段構成，包括一第一LED區段71、一或多個中間LED區段72以及一第三LED區段73。

每一中間區段72都包括一個LED和三個開關。一開關75將該LED的陽極連接至一電源匯流排77。一開關76將該LED的陰極連接至一電源匯流排78。一開關74將該LED的陽極連接至該串內與之相鄰的LED之陰極。初始區段71缺乏該開關74。同樣地，最後區段73缺乏該開關76。

該等許多開關由類似於上述的開關控制器所操作，利用適當設定陣列內的該等開關，該陣列可設置成為並聯操作的複數個串聯LED串，或具有可變LEDs數量串聯的單一LED串。在本發明的一個態樣中，該陣列內LEDs的數量為二的次方。此時請參閱 第六A圖至第六H圖，其例示用於八個該等LEDs的情況下之切換方式。為了簡化圖式，已經省略上面討論的電流控制器、開關控制器以及能源儲存區段。此時請參閱第六A圖，其例示當來自該電源的該電壓足夠供電給所有八個LEDs時的該等開關位置。在此案例中，該等LEDs連接成八個LEDs串聯的單一串。當該電壓下降至無法再供電給八個LEDs時，一開關91短路來從該串中將LED 92剔除，如第六B圖所示。類似地，當來自該電源的該電壓無法再供電給七個LEDs時，一開關93短路，如第六C圖所示，藉此將該串設置成六個LEDs串聯。當來自該電源的該電壓進一步下降而無法再供電給六個LEDs時，一開關94短路，如第六D圖所示，讓該串設置成五個LEDs串聯。

當該電源無法再支持五個LEDs串聯時，該陣列重新設置成提供兩組四個LEDs串聯並且並聯驅動，如第六E圖所示。利用短路開關95和96並且開路開關97，就可達成此重新設置。因此，產生光線的LEDs數量從五個增加回到八個。

當該電源無法再支持四個LED串聯時，該陣列重新設置成提供兩組三個LEDs串聯並且並聯驅動，如第六F圖所示。利用短路開關98和99並且開路開關95就可達成。此時，產生光線的LEDs數量減少為六個。

當該電源無法再支持三個LEDs串聯時，該陣列重新設置成提供四組兩個LEDs串聯並且並聯驅動，如第六G圖所示。因此，產生光線的LEDs數量回到八個。當該電源無法再支持兩個LEDs串聯時，該陣列重新設置成提供八個LEDs並聯驅動，如第六H圖所示。因此，產生光線的LEDs數量維持八個。最後 當該電源無法再支持一個LED時，由上面討論的該電容性來源取代該全波整流電源，並且該陣列設置成提供八個LEDs串聯，如第四圖所示。在其中該等LEDs由該電容器53驅動的時期，該串的操作方式如同第四圖所示具體實施例。也就是，在由靜電容量電源53驅動期間，該串並不重新設置成提供並聯串。

上述本發明的具體實施例運用特定的LED陣列組態以及特定儲存裝置。不過可運用其他種儲存裝置形式以及其他種LED陣列形式。此時請參閱第七圖，其例示根據本發明的光源之其他具體實施例。一光源110運用由來自一控制器112的控制信號所選擇，具有順向偏壓電位的LED陣列。可隨時間改變來提供順向偏壓電位的LEDs與開關之任何配置都可運用。

該光源110運用一可變電源113，其中輸出電源隨時間函數而變。此變化可為上述的正弦波，或具有最大電位大於該LED陣列最大順向偏壓電位並且最小輸出電位小於該控制器112所選最小順向偏壓電位之任何其他電壓波形。

當來自該可變電源113的輸出電位大於某個預定值時，該能量儲存裝置114儲存來自該可變電源113的能量。在上述的具體實施例中，該能量儲存裝置114運用一電容器，其可充電至該可變電源113的輸出電位最大值之電位。不過，可運用其他裝置，例如該能量儲存裝置114可包括一小型可充電電池。

一電源選擇器115在該可變電源113與該能量儲存裝置114的輸出間切換以供電給該LED陣列111。在本發明的一個態樣中，當該可變電源113的輸出不再提供電位高於該LED陣列111的順向偏壓電位最小值之電源時，該控制器112切換電源。

一電流控制器116用來維持通過該LED陣列111 的電壓以及一值，如此保護該等LEDs避免過載。提供給該LED陣列111的電流可取決於目前所選順向偏壓電位的特定值，例如，若該LED陣列111可從串聯的LEDs串重新設置成並聯驅動的兩LEDs串，則該電流控制器116提高供給該LED陣列111的電流，來供應驅動該等串並聯時所需的額外電流。在第七圖所示的具體實施例中，該控制器112也控制該電流控制器，如此該電流與驅動該LED陣列111所需電流一致。

上述本發明的具體實施例用來例示本發明許多態樣，不過吾人瞭解，在不同特定具體實施例中顯示的本發明不同態樣可結合，以提供本發明的其他具體實施例。此外，從上面的描述以及附圖當中可瞭解本發明的許多修改。因此，本發明只受限於下列申請專利範圍。

21‧‧‧全波整流電源

23‧‧‧LED

22‧‧‧電流控制器

30‧‧‧光源

31‧‧‧電流控制器

32‧‧‧開關控制器

33‧‧‧LED串

39‧‧‧全整流AC電源

34-38‧‧‧LED

41-43‧‧‧短路開關

44‧‧‧開關

50‧‧‧光源

51‧‧‧電流控制器

52‧‧‧開關控制器

53‧‧‧電容器

54-55‧‧‧開關

56‧‧‧二極體

60‧‧‧電源串

61-67‧‧‧開關

70‧‧‧陣列

71‧‧‧第一LED區段

72‧‧‧中間LED區段

73‧‧‧第三LED區段

74-76‧‧‧開關

77‧‧‧電源匯流排

78‧‧‧電源匯流排

91‧‧‧開關

92‧‧‧LED

93-99‧‧‧開關

110‧‧‧光源

111‧‧‧LED陣列

112‧‧‧控制器

113‧‧‧可變電源

114‧‧‧能量儲存裝置

115‧‧‧電源選擇器

116‧‧‧電流控制器

第一圖例示由全波整流電源所驅動的LED。

第二圖例示全波整流電源的兩個週期。

第三圖例示具有短路開關的串聯LEDs串。

第四圖例示根據本發明一個具體實施例的光源。

第五圖例示根據本發明的可重新設置LED陣列之一個具體實施例。

第六A圖至第六H圖例示用於八個該等LEDs的情況下之切換模式。

第七圖例示根據本發明的光源之其他具體實施例。

110‧‧‧光源

111‧‧‧LED陣列

112‧‧‧控制器

113‧‧‧可變電源

114‧‧‧能量儲存裝置

115‧‧‧電源選擇器

116‧‧‧電流控制器

Claims (18)

1. 一種發光二極體型照明裝置，包括：一電源耦合器，其接收來自隨著一時間函數而變的一電源之一驅動電位；一能量儲存裝置，其在當該驅動電位大於一預定值時，儲存來自該電源的能量；一發光二極體陣列，其具有一順向偏壓電位，該電位具有複數個不同可選擇值，而當第一與第二電源端子之間的一電位大於該選取的順向偏壓電位時，該發光二極體陣列產生光線；一電源選擇器，其在當來自該電源的該電位小於一預定值時，將該能量儲存裝置連接至該第一和第二電源端子；以及一控制器，其改變該順向偏壓電位，如此該順向偏壓電位與該第一與第二端子之間的該電位間之差異小於一預定值。
2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體型照明裝置，包括一電流控制器，其在當該電位大於該順向偏壓電位時，調節通過該發光二極體陣列的一電流，將該電流維持在小於一預定電流值之一值。
3. 如申請專利範圍第1項之發光二極體型照明裝置，其中該電源包括一整流交流電流電源。
4. 如申請專利範圍第1項之發光二極體型照明裝置，其中該能量儲存裝置包括一電容器，其由該電源充電。
5. 如申請專利範圍第1項之發光二極體型照明裝置，其中該發光二極體陣列包括複數個發光二極體以及一切換網路，用於將該等發光二極體設置為不同連接配置，至少之一該連接配置具有與該等連接配置 的另一者不同之一順向偏壓電位。
6. 如申請專利範圍第5項之發光二極體型照明裝置，其中該等連接配置的其中之一者包括複數個串聯的發光二極體。
7. 如申請專利範圍第5項之發光二極體型照明裝置，其中該等連接配置的其中之一者包括複數個並聯的發光二極體串，每一發光二極體串都包括複數個串聯的發光二極體。
8. 如申請專利範圍第1項之發光二極體型照明裝置，其中當通過該陣列的該電流小於一預定值時，該控制器降低該順向偏壓電位。
9. 如申請專利範圍第2項之發光二極體型照明裝置，其中當通過該發光二極體陣列的該電流大於該預定電流值時，該控制器提高該順向偏壓電位。
10. 一種操作發光二極體型照明裝置之方法，包括：接收來自一電源的電力，該電源提供隨著一時間函數而變的一驅動電位；在當該驅動電位大於一預定值時，將來自該電源的能量儲存在一能量儲存裝置內；提供一發光二極體陣列，其具有一順向偏壓電位，該順向偏壓電位具有複數個不同的可選擇值，而當第一與第二電源端子之間的一電位大於該順向偏壓電位時，該發光二極體陣列產生光線；在當來自該電源的該電位小於一預定值時，將該能量儲存裝置連接至該第一和第二電源端子；以及改變該順向偏壓電位，如此該順向偏壓電位與該第一與第二端子之間的該電位間之差異小於一預定值。
11. 如申請專利範圍第10項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中在當該電位大於該順向偏壓電位時，調節通過該發光二極體陣列的一電流，將該電流維持在小於一預定電流值之一值。
12. 如申請專利範圍第10項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中該電源包括一整流交流電流電源。
13. 如申請專利範圍第10項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中該能量儲存裝置包括一電容器，其由該電源充電。
14. 如申請專利範圍第10項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中該發光二極體陣列包括複數個發光二極體以及一切換網路，用於將該等發光二極體設置為不同連接配置，該等連接配置的至少之一者具有與該等連接配置的另一者不同之一順向偏壓電位，並且其中改變該順向偏壓電位包括改變該切換網路。
15. 如申請專利範圍第14項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中該等連接配置的其中之一者包括複數個串聯的發光二極體。
16. 如申請專利範圍第14項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中該等連接配置的其中之一者包括複數個並聯的發光二極體串，每一該發光二極體串包括複數個串聯的發光二極體。
17. 如申請專利範圍第10項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中當通過該發光二極體陣列的該電流小於一預定值時，降低該順向偏壓電位。
18. 如申請專利範圍第11項之操作發光二極體型照明裝置之方法，其中當通過該發光二極體陣列的該電流大於該預定電流值時，提高該順向偏壓電位。