TWI468072B - 發光二極體裝置、電路和控制方法 - Google Patents

Description

發光二極體裝置、電路和控制方法

本說明書主要係有關於發光二極體網路技術。

現今一般發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)照明的應用上存在許多缺點。於使用直流電(direct current,DC)驅動發光二極體燈泡時，利用交流直流轉換器(AC-DC converter)提供直流電流去驅動發光二極體晶片。交流直流轉換器包含許多巨大且無效率的裝置，像是變壓器(transformers)以及電解電容器。電解電容器具有較大的電容變化、較差的耐溫性，以及較其它類型電容器短之使用壽命。因此，儘管發光二極體係有效率及可靠的且具有較長使用壽命，但因為必須使用交流直流轉換器，使得直流驅動發光二極體燈泡變的不可靠且昂貴。於使用交流電(alternating current,AC)驅動發光二極體時，交流電源線耦接至複數個發光二極體，通常是兩組相反極性之串列。當交流電電壓超過串聯發光二極體之電壓降總合時，即點亮一組發光二極體，當交流電電壓轉換極性以點亮另一組發光二極體時，就將另一組發光二極體變暗。因此，使用兩倍數量之發光二極體晶粒依然會發生不連續照明的情形：當在正弦波交流電電壓接近零時，使兩組燈泡都不發亮。因此，交流驅動發光二極體具有較差之效能，且在發光二極體晶粒區域的使用上無效率且昂貴。

本發明一實施例提供一種發光二極體裝置，包括：複 數個發光二極體區段，其中每一上述發光二極體區段包括一或多個發光二極體分支，其中在每一上述發光二極體分支包括複數個串接之發光二極體晶粒，其中在上述發光二極體區段內之上述發光二極體分支係互相平行；複數個開關，用以耦接至上述發光二極體區段；以及一控制電路，根據輸入至上述發光二極體區段之一輸入電壓，用以操作上述開關且控制一步階電流，其中上述發光二極體裝置並並不具有電感器、變壓器或電解電容器。

本發明一實施例提供一種發光二極體電路，包括：一橋式整流器；複數發光二極體區段，其中每一上述發光二極體區段包括複數發光二極體結合點，且每一上述發光二極體區段在一晶粒模組；複數個開關，用以耦接至複數個發光二極體區段；以及一控制電路，根據由上述橋式整流器改變之輸出電壓，用以操作上述開關，其中施用於所有上述發光二極體區段之發光二極體接合點之一順向電壓小於由上述橋式整流器輸出之一最大輸出電壓，以及其中上述發光二極體裝置並不具有電感器、變壓器或電解電容器。。

本發明一實施例提供一種發光二極體控制方法，包括：接收一變化之輸入電壓；當上述輸入電壓升高至一第一電壓，點亮一第一發光二極體區段且在一第一電流密度驅動上述第一發光二極體區段，其中上述第一電壓係在上述第一電流密度上述第一發光二極體區段之一順向電壓；當上述輸入電壓升高至一第二電壓，點亮一第二發光二極體區段且在一第二電流密度驅動上述第一發光二極體區段 和上述第二發光二極體區段，其中上述第二電壓係在上述第二電流密度上述第一發光二極體區段和上述第二發光二極體區段之上述順向電壓；當上述輸入電壓升高至一第三電壓，點亮一第三發光二極體區段且在一第三電流密度驅動上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段和上述第三發光二極體區段，其中上述第三電壓係在上述第三電流密度上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段和上述第三發光二極體區段之上述順向電壓；以及當上述輸入電壓低於上述第一電壓，熄滅所有上述發光二極體區段。

本發明所揭露之內容提供了許多不同的實施例或範例，應用在不同實施例中之不同技術特徵，將在讀完本說明書後可了解。具體的實施例之內容和作法將在下面描述，以簡化本發明之揭露。當然，這些實施例並非用以限制本發明。此外，在不同實施例中，本發明可能會重複使用相同的索引標號和/或文字。使用這些索引標號和/或文字的目的是為了簡化和闡明本發明，但並非用以表示在不同實施例和/或所揭露之結構必須具有相同之特徵。

本說明書所使用發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)係一半導體照明裝置，其用以在一特定波長或一波長範圍產生照明。發光二極體傳統用以作為指示燈，且亦漸漸廣泛使用在傳統照明和顯示裝置上。當驅動一電流在一pn接面(pn junction)時，發光二極體就發出光線，其中pn接面係由摻雜相反型態雜質之半導體層所形成。可藉由變 化半導體層之能量間隙以及藉由在pn接面製作一主動層，來使用不同原料以產生不同波長之光源。為了使發光二極體發光，在半導體層之結構中，至少需要一驅動電壓或一順向電壓通過二極體。順向電壓根據操作條件和所提供之電流會產生微小的變化。當電流增加，順向電壓就增加，且兩者之關係滿足一多項式函數。雖然不是以直接的比例增加，但當電流和順向電壓增加時，光線之輸出亦會增加。然而，當超過此額定電流時，發光二極體之效能會隨著電流增加而降低，因而發生衰減之現象。通常來說，製造商會定義在發光二極體呈現較有效率時之電流或電流範圍為額定電流。當操作在電流範圍時，發光二極體所發出的光線將會較大。舉例來說，較高的電流(過電壓驅動發光二極體)也就是多倍之額定電流，可施用在發光二極體上以使得產生較大的光線輸出，其中光源輸出透過計算每功率所施用之光源效率可量化為流明/瓦特(lumens/watt)。在非常高的電流下，發光二極體將會燒掉。

根據本發明不同實施例所述，本發明所揭露之發光二極體裝置和電路中包括一橋式整流器(bridge rectifier)、複數個發光二極體區段、發光二極體區段間的開關以及一控制電路，其中控制電路係用以操作開關以及根據橋式整流器所輸出電壓之變化來控制步階電流。因此，和傳統直流驅動發光二極體裝置或電路相比，因為並未使用到電感器、變壓器或電解電容器。本發明所揭露之發光二極體裝置或電路具有更好的可靠度。此外，和傳統交流驅動發光二極體裝置或電路相比，本發明之發光二極體裝置或電路 具有一較小的發光二極體區域，因此，對於本發明所揭露之發光二極體電路來說，這些裝置之組成或相關之電路會具有更可靠之操作，也因此節省了製作發光二極體裝置之成本。和傳統直流驅動發光二極體方法相比，即使降低了成本，本發明不同實施例所揭露之發光二極體照明裝置仍有良好的效能。和傳統交流驅動發光二極體方法相比，本發明所揭露之發光二極體裝置之設計方式，不用藉由限制過電壓驅動發光二極體以減少了發光二極體晶粒區域卻因而犧牲了可靠度。

根據本發明不同實施例所述，本發明亦揭露一操作發光二極體之方法。複數個發光二極體連接至一橋式整流器，上述橋式整流器根據交流電輸出不同之正電壓。當輸出電壓變化時，藉由一控制電路控制開關，以控制發光二極體為不發光、不同部分發光或全部發光。

第1圖係顯示根據本發明之實施例所述之發光二極體電路100之架構圖。電壓源105提供交流電壓Vac以及電流Iac至整流器110。在一些實施例中，電壓Vac之波形係以正弦波方式呈現。

整流器110接收電壓Vac，其中電壓Vac之波形係以具有正電壓和負電壓之全波形之正弦波形式來呈現，此外，整流器110提供整流後僅具有正電壓之全波形形式之電壓V0。根據本說明書所述，整流後之波形之每一半波視為一週期。一週期開始於整流電壓為零或接近零的時候，接著當整流電壓為最大值時則到達半點(half point)，最後當整流電壓回到初始值時則表示一週期結束。

在第1圖所述之發光二極體網路120包括三個發光二極體區段SG1、SG2和SG3。每一發光二極體區段SG1、SG2和SG3包括複數個發光二極體，複數個發光二極體係以一列或多列(或多個分支)串聯的方式配置。在每一區段之發光二極體具有相同或不同之晶粒區域。根據本發明一實施例，發光二極體區段SG1包括四分支，發光二極體區段SG2包括三分支以及發光二極體區段SG3包括兩分支。每一發光二極體區段SG1、SG2和SG3之每一分支包括複數個發光二極體，發光二極體之數目在不同區段間會有所變化，但在每一平行分支則係相同的。在本發明不同實施例所述之發光二極體不同的配置，也就是說每一發光二極體區段會有不同數目之分支，且每一分支亦會有不同數目之發光二極體。根據本發明一實施例，發光二極體區段SG1、SG2和SG3之發光二極體分別稱為第1組發光二極體(LED1s)、第2組發光二極體(LED2s)以及第3組發光二極體(LED3s)。

在相同區段之發光二極體可在相同晶粒模組形成。一晶粒模組包括複數個發光二極體晶粒，且具有內連線層(interconnect layer)和鈍化層(passivation layer)。一晶粒模組之發光二極體晶粒形成在相同的生長基板。首先以外延生長方式(epitaxially)將一發光結構(light-emitting structure)形成於一生長基板，舉例來說一藍寶石(sapphire)基板。發光結構之生長基板亦稱為矽磊晶片(epi wafer)。矽磊晶片藉由蝕刻發光結構進入高台(mesa)中來分割發光二極體晶粒。在本發明一實施例中，在生長基板移除前，高台會黏 合在一載體基板，舉例來說：矽。不同製程過程像是沈積鈍化層、微影製程(lithography)、以及沈積金屬層，在載體/發光二極體晶粒封裝中形成已組成發光二極體晶粒模組。然後切割載體基板至個別發光二極體晶粒模組中，每一發光二極體晶粒模型包括數個發光二極體晶粒和不同的層。發光二極體晶粒模組之使用使得半導體生產科技可應用在發光二極體製程上。若使用一矽基板，發光二極體之電路和元件會在矽基板和積體電路上製程。

在本發明一些實施例中，在前半個週期，一開始所有的發光二極體先熄滅，然後點亮發光二極體區段SG1之第1組發光二極體(LED1s)，接著點亮發光二極體區段SG2之第2組發光二極體(LED2s)，最後點亮發光二極體區段SG3之第3組發光二極體(LED3s)。在後半個週期，第3組發光二極體持續點亮一段時間後就熄滅。接著熄滅第2組發光二極體，最後熄滅第1組發光二極體。在接下來的週期持續點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體、地3組發光二極體。當在一週期之半點也就是到達最大電壓時，所有的發光二極體均發光。

控制電路115控制開關S1、S2和S3以點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體、第3組發光二極體。舉例來說，當開關S1為導通，然而開關S2和S3是不導通時，就點亮第1組發光二極體。當開關S2導通，然而開關S1和S3是不導通時，就點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體。當開關S3導通，然而開關S1和S2是不導通時，就點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發 光二極體。控制電路115根據來自整流器110之電壓V0控制開關。

在本發明一些實施例中，當電壓V0為足以點亮第1組發光二極體之特定電壓時，控制電路115導通開關S1，驅動流過第1組發光二極體之電流I1。換句話說，當電壓V0為順向電壓且使得發光二極體區段SG1之發光二極體具有電流I1時，導通開關S1且驅動電流I1流過控制電路115。電壓V0則持續增加到足以點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體，此時，控制電路115用以不導通開關S1，導通開關S2以及驅動電流I2。換句話說，當電壓V0為順向電壓且使得發光二極體區段SG1和發光二極體區段SG2之發光二極體具有電流I2時，不導通開關S1，導通開關S2，且驅動電流I1流過控制電路115，因此，點亮了第1組發光二極體和第2組發光二極體。電壓V0持續增加且當電壓V0到達足以點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體之順向電壓時，控制電路115不導通開關S2，導通開關S3以及驅動電流I3，因此，點亮了第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體。

第2圖係顯示根據本發明之實施例所述之操作發光二極體電路100之一波形圖。波形圖之水平軸為時間軸。波形圖左邊之第一垂直軸為電壓V0之電壓值，右邊之第二垂直軸為流I0之電流值。曲線210顯示電壓V0對應時間之變化。曲線220則顯示電流I0對應時間之變化。

第3圖係顯示根據本發明之實施例所述之在一週期操 作一發光二極體元件之流程圖301。於流程圖301中，在步驟303，整流一輸入之交流電壓為一僅具有正電壓變化之電壓V0。電壓V0產生之波形為一半正弦波。在前半週期，電壓V0為增加，且在後半週期電壓V0則為下降。在第2圖中，在前半週期，電壓V0由0伏特開始增加至300伏特，在後半週期，電壓V0則由300伏特下降至0伏特。在一開始時，所有開關S1、S2和S3都為不導通，電壓V0在時間點t0時為0伏特，因此，在發光二極體電路100之發光二極體都未點亮。電流I0於此時也為0安培。

如第2圖所示，從時間點t0到時間點t1為止，電壓V0為上升。因此，在第3圖之步驟305中，當整流之電壓V0上升至一第一電壓，點亮一第一發光二極體區段，且在時間點t1以一第一電流密度驅動第一發光二極體區段。第一電壓通常為用以點亮在第一發光二極體區段之發光二極體之順向電壓且亦可高過順向電壓。換句話說，在時間點t1，控制電路115偵測到稍微超過150伏特之電壓V0係足以點亮第1組發光二極體。控制電路115導通開關S1，且控制電路115亦驅動一預設電流，舉例來說，如第2圖所示之20毫安培，以點亮第1組發光二極體。因此，用以點亮第1組發光二極體之發光二極體電壓V0大約150伏特。

從時間點t1到時間點t2為止，電壓V0持續上升。在第3圖之步驟307中，當整流之電壓V0上升至一第二電壓，點亮一第二發光二極體區段，且在時間點t2以一第二電流密度驅動第一發光二極體區段和第二發光二極體區段。第二電壓通常為用以啟動在第一發光二極體區段和第 二發光二極體區段之發光二極體之順向電壓且亦可高過順向電壓。換句話說，在時間點t2，控制電路115偵測到稍微超過220伏特之電壓V0係足以點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體。控制電路115不導通開關S1且導通開關S2，且控制電路115亦驅動一預設電流，舉例來說，如第2圖所示之40毫安培，因此，此時電流I0大約為40毫安培，可用以點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體。因此，用以點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體之發光二極體電壓V0大約220伏特。

從時間點t2到時間點t3為止，電壓V0持續上升。在第3圖之步驟309中，當整流之電壓V0上升至一第三電壓，點亮一第三發光二極體區段，且在時間點t3以一第三電流密度驅動第一發光二極體區段、第二發光二極體區段和第三發光二極體區段。第三電壓通常為用以啟動在第一發光二極體區段、第二發光二極體區段和第三發光二極體區段之發光二極體之順向電壓且亦可高過順向電壓。換句話說，在時間點t3，控制電路115偵測到稍微超過275伏特之電壓V0係足以點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體。控制電路115不導通開關S2且導通開關S3，且控制電路115亦驅動一預設電流，舉例來說，如第2圖所示之70毫安培，因此，此時電流I0大約70毫安培，可用以點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體。因此，用以點亮第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體之發光二極體電壓V0大約275伏特。

在本發明一些實施例中，可使用超過3個發光二極體區段。若使用多個發光二極體區段，在步驟311中，在一時間點，點亮額外的發光二極體區段，且驅動對應之電流通過「點亮」之發光二極體區段。當包括下一區段之發光二極體區段之電壓V0到達順向電壓時，則點亮額外的發光二極體區段。

如第2圖所示，從時間點t3到時間點t4為止電壓V0為上升到半個正弦波形之最大值。因此，從時間點t4到t5電壓V0開始下降。在時間點t5，控制電路115偵測到之電壓V0大約為275伏特。電壓V0少於275伏特並不足以點亮全部第1組發光二極體、第2組發光二極體和第3組發光二極體。因此，控制電路115不導通開關S3且導通開關S2，控制電路115亦驅動一預設電流，舉例來說，大約40毫安培。此外，控制電路115於時間點t5至時間點t6之操作類似在時間點t2至時間點t3之操作，點亮第1組發光二極體和第2組發光二極體，但熄滅第3組發光二極體。

從時間點t5到時間點t6為止，電壓V0持續下降。在時間點t6，控制電路115偵測到之電壓V0大約為220伏特。電壓V0少於220伏特並不足以點亮全部第1組發光二極體和第2組發光二極體。因此，控制電路115不導通開關S2且導通開關S1，且控制電路115亦驅動一預設電流，舉例來說，大約20毫安培。此外，控制電路115於時間點t6至時間點t7之操作類似在時間點t1至時間點t2之操作，點亮第1組發光二極體，但熄滅第2組發光二極體和第3組發光二極體。

從時間點t6至到時間點t7為止電壓V0持續下降。在第3圖之步驟313中，當整流之電壓V0小於足以啟動剩餘之發光二極體區段之順向電壓時，每次熄滅一個發光二極體區段，且當電壓V0小於第一電壓，熄滅全部的發光二極體區段。在時間點t7，控制電路115偵測到之電壓V0大約為150伏特。電壓V0少於150伏特並不足以點亮第1組發光二極體區段。因此，控制電路115不導通開關S1,也就是說，熄滅任何發光二極體。此時之電流I0與在時間點t0和t1間之電流I0相同係為0毫安培。電壓V0持續下降到時間點t8，時間點t8係為此週期的結束或為一個新週期開始時對應之時間點t0。

上述討論係根據本發明一實施例所述步階電流之變化。在不同實施例中，會配置不同發光二極體電路100。每個步階電流的變化不會係完全的或立即的，舉例來說，在一些步階電流或步階電流的變化係呈現傾斜變化的趨勢。舉例來說，發光二極體之配置可根據達成低總系統功率、高功率效率、或低總晶粒區域等目的設計。發光二極體電路100配置一個目標光源輸出(targeted light output,LOP)，和傳統的照明裝置相比，目標光源輸出通常會制定在一特定的規格。舉例來說，一1200流明燈泡所發出的光線可和一75瓦之白熾燈泡相比。為了取代75瓦之白熾燈泡，發光二極體裝置或燈泡之規格會規定在1200流明。

另一個參數為發光效率(light efficacy,Leff)其單位為流明/瓦特(lumens/watt,lm/W)，發光效率係關於發光二極體晶粒或整個系統之一特定的操作條件。發光效率係持續 改善的，當發光效率到達大約150流明/瓦特時，可使用發光二極體晶粒，且當系統發光效率到達大約120流明/瓦特時可使用發光二極體燈泡。像是能源之星(Energy Star)之認證單位，亦制定最小發光效率在能源之星標籤認證中。

一發光二極體晶粒之發光效率係隨著操作條件而變化。在高電流，發光效率會明顯的下降，舉例來說，當使用35安培/平方公分之電流密度時，發光二極體晶粒之發光效率設定為120流明/瓦特，其中此電流密度對應大約3.2伏特之順向電壓，但若電流密度降低至25安培/平方公分，發光效率上升至130流明/瓦特且順向電壓下降至3.12伏特，然而，輸出光線也降低為原先的75%。若在較高的電流密度，例如：大約70安培/平方公分，發光效率降低至98流明/瓦特且順向電壓上升至3.39伏特，但輸出光線也上升為原先的173%。發光效率、順向電壓以及隨著輸入電流密度變化之輸出光線間的關係可以滿足一曲線分布。然而，不同發光二極體晶粒會使用於不同之曲線分布以滿足所使用之發光二極體結構之設計。在此特別注意的是，在本發明一實施例中，當電流密度變為兩倍時，例如：由35安培/平方公分上升至70安培/平方公分，因為順向電壓上升很小的幅度(由3.2伏特上升至3.39伏特)，功率會增加略大於兩倍。即使功率超過兩倍，輸出光線也僅上升為原先的73%。

發光二極體電路100中發光二極體之數目係根據交流電壓而決定。發光二極體之數目受到電壓Vac和順向電壓之峰值電壓所限制。舉例來說，110伏特之電壓Vac之峰 值電壓約156伏特，每一發光二極體具有範圍為3.1伏特到3.4伏特之間的順向電壓，因此，發光二極體數目的最大值為156除3.4或約46。在一實施例中，發光二極體數目設為40以適合任何電壓之波動。相同地來說，使用220伏特電壓Vac之區域之發光二極體燈泡會具有不同發光二極體數目。在此，發光二極體數目係指在一分支之所有區段之發光二極體的總合。

可藉由試驗和更正選擇發光二極體區段和每一發光二極體區段之發光二極體數目以達成其它變數的理想值，其它變數像是成本、效率以及晶粒區域。當發光二極體區段之數目為任何大於1之整數且發光二極體數目為任何大於0的整數時，具有兩發光二極體區段之電路，若一發光二極體區段有1個發光二極體，另一發光二極體區段則有39個發光二極體，將會造成無效率或使用太多晶粒區域。使用的發光二極體區段越多會越有效率，但相對的也會增加電路設計之複雜度以及需要一複雜的控制方法，也因此造成成本的提高。在一實施例中，發光二極體區段之數目會選擇3至5個。

在本發明一實施例中，一電路具有3個發光二極體區段SG1、SG2、SG3，發光二極體區段SG1、SG2、SG3分別具有發光二極體數目Ns1、Ns2、Ns3為28、6和6個發光二極體。換句話說，每一發光二極體區段包括SG1、SG2、SG3分別包括28、6和6個發光二極體。當點亮發光二極體區段之發光二極體，發光二極體之數目Ns1、Ns2、Ns3決定了所需之順向電壓。每一發光二極體之順向電壓係根 據流過發光二極體之電流密度。在一第一近似方法，順向電壓大約會介於3.1伏特到3.4伏特之間。因為發光二極體區段SG1包括28個發光二極體，且使用3.3伏特點亮每一發光二極體，發光二極體區段SG1使用之電壓Vs1為28乘3.3伏特或約92伏特。因為發光二極體區段SG2包括6個發光二極體，且使用3.3伏特點亮每一發光二極體，發光二極體區段SG2使用之電壓Vs2為6乘3.3伏特或約20伏特。類似地來說，發光二極體區段SG3使用之電壓Vs3為20伏特，因為發光二極體區段SG3所包括之發光二極體數目和區段SG2都為6個。在本實施例所述之三個發光二極體區段，具有特定的電流密度，特定的電流密度可視為介於t1~t2和t6~t7間之I1；介於t2~t3和t5~t6間之I2；介於t3~t5間之I3。藉由設定電流密度和在每一發光二極體區段發光二極體之數目，可計算在依次點亮之每一發光二極體區段中的順向電壓。

當順向電壓為已知，即可計算每一發光二極體區段之工作週期。因為電壓V0隨著一正弦波曲線變化，因此，可藉由計算正弦函數到達所需順向電壓時之角度，並再轉換角度為一時間點，例如t1、t2、t3。

可藉由電流、順向電壓以及一工作週其中的每一時間區間來計算發光二極體所使用之總功率。可藉由使用順向電壓、電流、效率以及工作週期計算在每一時間區間每一晶粒區域所輸出之光線量。每一晶粒區域所輸出之光線量用以求得所需之總晶粒尺寸以產生一定的光線。一般來說，在本發明所述之不同實施例中，與全部時間區間都處 於有效率之狀態之情況相比，因為在一些時間區間會無效率的驅動發光二極體以及在一些時間會熄滅發光二極體，所以需要使用比直流驅動發光二極體電路還多之晶粒區域。然而，使用額外的晶粒區域來補償不使用電路中不可靠且昂貴之元件像是電感器、變壓器或電解電容器等，卻可能需要更高的成本。

藉由整合在步階電流之每一步階正弦電壓之變化以計算發光二極體使用之總功率。不同於直流驅動之發光二極體，本發明實施例所述之不同電路不會產生因使用像是電解電容器、電感器以及變壓器等元件所造成之巨大的效率衰減。因此，根據本發明不同實施例所述之發光二極體之電源效率(power efficiency,PE)，也就是發光二極體功率佔總功率之百分比，會超過產生相同輸出光線之等效的直流驅動發光二極體。然而，因為發光二極體晶粒在一些時間區段會有較低的效率，因此會需要消耗比直流驅動發光二極體燈泡更多的功率以產生相同之光線。

根據上述談論，將發光二極體晶粒區域視為可改變之變數將在之後有更多討論。若縮減發光二極體晶粒區域是一目標，可藉由改變一或多個參數求得最小總晶粒區域的一個輸入設定值，其中一或多個參數可係指每一發光二極體區段接面的數目以及步階電流每一步階之電流密度。在本發明一些實施例中，步階電流每一步階之電流密度可保持為一常數。在一些其它實施例中，在一發光二極體區段只使用一分支之發光二極體。

根據本發明不同實施例，當為有效率之光線輸出，可 由發光二極體之額定電流密度選取操作之電流密度之最小值，舉例來說：時間點t1和t2間之電流密度，當點亮所有發光二極體時，選取在最高順向電壓之最大電流密度為發光二極體最大操作電流密度。在一些發光二極體中，當電流密度高於發光二極體所能保證之額度將會停止使用，舉例來說，具有在電流密度為35安培/平方公分時，順向電壓為3.2伏特之發光二極體，為了達到120流明/瓦特之發光效率需使用70安培/平方公分之電流密度。當發光效率和發光二極體結構持續改善時，最大電流密度也會增加。在本發明不同實施例中，所應用之發光二極體所具有之發光效率和最大電流密度會超過上述的例子。

在本發明一實施例所述之配置，分別具有28、6、6個發光二極體之三個發光二極體區段，所使用之電流密度分別為28、60、70安培/平方公分。換句話說，在第一步階，在電流密度為28安培/平方公分時，點亮28個發光二極體；在第二步階，在電流密度為60安培/平方公分時，點亮34個發光二極體；在第三步階，在電流密度為70安培/平方公分時，點亮40個發光二極體。平均電流密度為33.370安培/平方公分。發光二極體之功率大約11.8瓦，總系統功率大約13瓦，且電源效率約為91%。總晶粒區域估計大約為16900平方千分之一吋(mil² )，換算後大約為10.9平方毫米(mm² )。發光二極體製造一般使用之晶粒區域單位為平方千分之一吋，而不是國際單位平方毫米。

與具有相同平均電流密度和光線輸出之直流驅動配置相比，直流驅動配置中的總晶粒區域估計約為14900平方 千分之一吋(mil² )，換算後大約為9.6平方毫米(mm² )。發光二極體功率大約9.9瓦，總系統功率大約11.6瓦，且功率效率估計約為85%。

與具有相同平均電流密度和光線輸出之交流驅動之配置相比，交流驅動之配置中的發光二極體係根據輸入之交流電壓之正負來啟動，且交流驅動配置中的總晶粒區域估計約為30000平方千分之一吋(mil² )，換算後大約為19.4平方毫米(mm² )。發光二極體功率大約和直流驅動配置相同，總系統功率大約11瓦，且電源效率估計約為90%。

在上述比較中，本發明實施例所揭露之電源效率和總功率高於直流驅動配置，但和交流驅動配置相似。更進一步說明，本發明之實施例使用比直流驅動配置大之總晶粒區域以產生相同光線輸出，但使用比交流驅動配置小之總晶粒區域。然而，如上所述，因為避免了不可靠之電路元件，本發明之實施所述之配置花費較少成本且持續較久。

在本發明另一實施例所述之配置，分別具有20、10、10個發光二極體之三個發光二極體區段，所使用之電流密度分別為20、40、70安培/平方公分。換句話說，在第一步階，在電流密度為20安培/平方公分時，點亮20個發光二極體；在第二步階，在電流密度為40安培/平方公分時，點亮30個發光二極體；在第三步階，在電流密度為70安培/平方公分時，點亮40個發光二極體。平均電流密度為31.8安培/平方公分。發光二極體之功率大約11.5瓦，總系統功率大約13.1瓦，且電源效率約為88%。總晶粒區域估計大約為17400平方千分之一吋(mil² )，換算後大約為11.2 平方毫米(mm² )。

與具有相同平均電流密度和光線輸出之直流驅動之配置相比，直流驅動之配置中的總晶粒區域估計約為15400平方千分之一吋(mil² )，換算後大約為9.9平方毫米(mm² )。發光二極體功率大約9.8瓦，總系統功率大約11.5瓦，且功率效率估計約為85%。

在上述比較中，在第一個例子，本發明實施例所揭露之電源效率高於直流驅動配置，但也使用較多的功率和較大的晶粒區域以產生相同光線輸出。然而，根據上述，因為避免了不可靠之電路元件，本發明之實施所述之配置花費較少成本且持續較久。

在本發明另一實施例所述之配置，同上述第二個範例分別具有20、10、10個發光二極體之三個發光二極體區段，但所有步階都在一常數電流密度54.2安培/平方公分下操作，且會產生相同之平均電流密度和光線輸出。在這樣的配置中，總晶粒區域會略小於上述第二個範例使用之總晶粒區域，發光二極體功率會減少，且具有大約相同之總系統功率但較低之功率效率。

雖然本說明書係使用所揭露之實施例來描述本發明之主題，但所揭露之實施例係用以保護本發明之專利要求範圍，並非用以限定本發明之範圍。舉例來說，發光二極體裝置所使用之參數係為了描述本發明，並非限定需使用特定之光線輸出或特定型號的發光二極體燈泡。在本發明不同實施例中會選擇不同發光二極體燈泡之型號。在上述揭露之不同的電流密度以及切換方法也係為了描述本發明。 在本發明不同實施例中，在不脫離本發明之精神和範圍內，不會限定特定的電流密度以及限定所選擇的電壓位準。

因此，本說明書所揭露之實施例，對於任何在本領域熟悉此技藝者，將很快可以理解上述之優點。在閱讀完說明書內容後，任何在本領域熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，可以廣義之方式作適當的更動和替換。

100‧‧‧發光二極體電路

105‧‧‧電壓源

110‧‧‧整流器

115‧‧‧控制電路

120‧‧‧發光二極體網路

I0、Iac、I1、I2、I3‧‧‧電流

Ns1、Ns2、Ns3‧‧‧發光二極體數目

S1、S2、S3‧‧‧開關

SG1、SG2、SG3‧‧‧發光二極體區段

V0、Vac‧‧‧電壓

210、220‧‧‧曲線

301‧‧‧流程圖

303、305、307、309、311、313‧‧‧步驟

第1圖係顯示根據本發明之實施例所述之發光二極體電路100之架構圖。

第2圖係顯示根據本發明之實施例所述之操作發光二極體電路100之一波形圖。

第3圖係顯示根據本發明之實施例所述之在一週期操作一發光二極體元件之流程圖301。

100‧‧‧發光二極體電路

105‧‧‧電壓源

110‧‧‧整流器

115‧‧‧控制電路

120‧‧‧發光二極體網路

I0、Iac、I1、I2、I3‧‧‧電流

Ns1、Ns2、Ns3‧‧‧發光二極體數目

S1、S2、S3‧‧‧開關

SG1、SG2、SG3‧‧‧發光二極體區段

V0、Vac‧‧‧電壓

Claims (10)

1. 一種發光二極體裝置，包括：複數個發光二極體區段，其中每一上述發光二極體區段包括一或多個發光二極體分支，且每一上述發光二極體區段包括不同數目之上述發光二極體分支，其中在每一上述發光二極體分支包括複數個串接之發光二極體晶粒，其中在上述發光二極體區段內之上述發光二極體分支係互相平行；複數個開關，用以耦接至上述發光二極體區段；以及一控制電路，根據輸入至上述發光二極體區段之一輸入電壓，用以操作上述開關且控制一步階電流；其中上述發光二極體裝置並不具有電感器、變壓器或電解電容器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中上述控制電路用以控制一操作，包括：當上述輸入電壓到達一第一電壓時，驅動一第一電流流過一第一發光二極體區段；當上述輸入電壓到達大於上述第一電壓之一第二電壓時，驅動大於或等於上述第一電流之一第二電流流過上述第一發光二極體區段和一第二發光二極體區段；以及當上述輸入電壓少於上述第一電壓時，停止驅動電流至上述發光二極體區段。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，其中在具有上述第一電流之上述第一發光二極體區段中，上述第一電壓係為一順向電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中驅動之所有上述二極體區段之一最大電流密度高於上述發光二極體晶粒之一額定電流密度。
5. 一種發光二極體電路，包括：一橋式整流器；複數發光二極體區段，其中每一上述發光二極體區段包括複數發光二極體，且每一上述發光二極體區段在一晶粒模組；複數個開關，用以耦接至複數個發光二極體區段；以及一控制電路，根據由上述橋式整流器改變之輸出電壓，用以操作上述開關；其中施用於所有上述發光二極體區段之發光二極體接合點之一順向電壓小於由上述橋式整流器輸出之一最大輸出電壓；其中上述發光二極體裝置不具有電感器、變壓器或電解電容器；以及其中每一上述發光二極體區段包括平行連接之一或多個發光二極體分支，且每一上述發光二極體區段包括不同數目之上述發光二極體分支。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體電路，其中上述控制電路用以控制一操作，包括：當由上述橋式整流器輸出之上述輸出電壓到達一第一電壓時，點亮一第一發光二極體區段，其中上述第一電壓係為施用在上述發光二極體第一區段之一順向電壓； 當由上述橋式整流器輸出之上述輸出電壓到達一第二電壓時，點亮上述第一發光二極體區段和一第二發光二極體區段，其中上述第二電壓係為施用在上述發光二極體第一區段和發光二極體第二區段之一順向電壓；以及當由上述橋式整流器輸出之上述輸出電壓少於上述第一電壓時，熄滅所有上述發光二極體區段。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體電路，其中上述控制電路更用以驅動一常數電流流過上述發光二極體區段。
8. 一種發光二極體控制方法，包括：接收一變化之輸入電壓；當上述輸入電壓升高至一第一電壓，點亮一第一發光二極體區段且在一第一電流密度驅動上述第一發光二極體區段，其中上述第一電壓係在上述第一電流密度上述第一發光二極體區段之一順向電壓；當上述輸入電壓升高至一第二電壓，點亮一第二發光二極體區段且在一第二電流密度驅動上述第一發光二極體區段和上述第二發光二極體區段，其中上述第二電壓係在上述第二電流密度上述第一發光二極體區段和上述第二發光二極體區段之上述順向電壓；當上述輸入電壓升高至一第三電壓，點亮一第三發光二極體區段且在一第三電流密度驅動上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段和上述第三發光二極體區段，其中上述第三電壓係在上述第二電流密度上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段和上述第三發光 二極體區段之上述順向電壓；以及當上述輸入電壓低於上述第一電壓，熄滅所有上述發光二極體區段；其中上述第一發光二極體區段、第二發光二極體區段以及第三發光二極體區段分別包括平行連接之一或多個發光二極體分支，且每一上述發光二極體區段包括不同數目之上述發光二極體分支。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體控制方法，更包括：當上述輸入電壓下降至上述第三電壓且在第二電流密度驅動第一發光二極體區段和第二發光二極體區段，熄滅上述第三發光二極體區段；以及當上述輸入電壓下降至上述第二電壓且在第一電流密度驅動第一發光二極體區段，熄滅上述第二發光二極體區段。
10. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體控制方法，更包括：當上述輸入電壓升高至一第四電壓，點亮一第四發光二極體區段且在一第四電流密度驅動上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段、上述第三發光二極體區段以及上述第四發光二極體區段，其中上述第四電壓係在上述第四電流密度上述第一發光二極體區段、上述第二發光二極體區段、上述第三發光二極體區段和上述第四發光二極體區段之上述順向電壓。