專利名稱：用于變化的輸入電壓源的led切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動(dòng)LED光源的切換電路。尤其涉及其中LED被可調(diào)電流源驅(qū)動(dòng)的電路。
背景技術(shù)：
按常規(guī)，LED可以被電流源驅(qū)動(dòng)，電流源調(diào)節(jié)流過LED的電流并因此保持LED的光輸出。圖I示出用于驅(qū)動(dòng)LED電路的典型電路，在該LED電路中，V是輸入電壓源，D代表LED串，并且G是電流源。在這樣的電路中，為了使電流流過D，由V表示的輸入電壓源必須比由D表示的LED的正向電壓高。然而，如果輸入電壓源V的電壓比D的正向電壓高得多，則在電流源G中存在大的壓降。發(fā)生這樣的事會(huì)導(dǎo)致電流源G中顯著的功率損耗，尤其是在電流源G為線性電流源的情況下。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，LED陣列切換設(shè)備包括排布成串聯(lián)路徑的多個(gè)LED陣列，每個(gè)LED陣列都具有正向電壓；耦合到多個(gè)LED陣列上的電壓源；選擇性耦合到這些LED陣列上的多個(gè)電流源，每個(gè)電流源都能夠在電流調(diào)節(jié)狀態(tài)和開路狀態(tài)之間切換；以及輸出至少一個(gè)控制信號(hào)的控制器，該控制信號(hào)基于如下至少一個(gè)而生成(a)對電壓源的電壓和至少一個(gè)參考電壓之間的至少一個(gè)比較，以及(b)通過一個(gè)或多個(gè)電流源的電流，這些控制信號(hào)控制至少一個(gè)開關(guān)以及與至少一個(gè)開關(guān)相關(guān)聯(lián)的電流源的接通和斷開。該控制器、該至少一個(gè)開關(guān)以及電流源共同配合以便當(dāng)該電壓源的電壓低于該至少一個(gè)參考電壓時(shí)，和/或者當(dāng)預(yù)定電平的電流通過一個(gè)或多個(gè)電流源時(shí)，閉合至少一個(gè)開關(guān)，而且控制一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的電流源以將該串聯(lián)路徑切斷為一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑，每一個(gè)并聯(lián)路徑所包括的LED陣列都少于所有的LED陣列。另一方面，對于電壓源的電壓低于至少一個(gè)參考電壓的時(shí)間的至少一部分時(shí)間，該一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑包括每一個(gè)路徑都包括至少一個(gè)LED陣列的多個(gè)并聯(lián)路徑，該多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。另一方面，該LED陣列切換設(shè)備還包括至少一個(gè)二極管，該至少一個(gè)二極管排布在第一組LED陣列和第二組LED陣列中間的LED陣列的串聯(lián)路徑上；以及可切換的并聯(lián)電流路徑，其將電壓源連接到該二極管和該第二組LED陣列之間的串聯(lián)路徑上的一點(diǎn)，該至少一個(gè)二極管防止來自該并聯(lián)電流路徑的電流朝該第一組LED陣列的方向流動(dòng)。另一方面，第一組LED陣列中LED陣列的數(shù)量等于第二組LED陣列中LED陣列的數(shù)量。另一方面，當(dāng)電壓源的電壓高于第一組LED陣列或第二組LED陣列兩者的正向電壓但低于所述至少一個(gè)參考電壓時(shí)，多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。另一方面，電壓源是經(jīng)整流的AC電壓，而且該切換設(shè)備還包括填谷式電路，其被配置成防止在AC電壓的過零部分發(fā)生光輸出的任何關(guān)閉周期。另一方面，該填谷式電路包括至少一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器，該能量存儲(chǔ)電容器在該經(jīng)整流的AC電壓降低至低于其峰值的一半時(shí)放電，以防發(fā)生光輸出的任何關(guān)閉周期。
另一方面，多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列包括多個(gè)LED。另一方面，形成多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列的多個(gè)LED并聯(lián)排布。另一方面，該控制器包括一個(gè)或多個(gè)電壓比較器。另一方面，該控制器包括微控制器。另一方面，將該微控制器配置成檢測LED陣列中的故障并且修改切換次序以排除有故障的LED陣列。另一方面，該至少一個(gè)參考電壓是多個(gè)參考電壓，而且該至少一個(gè)開關(guān)是多個(gè)開關(guān)，而且該多個(gè)參考電壓中各個(gè)參考電壓對應(yīng)于這些開關(guān)中各個(gè)開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，LED陣列切換設(shè)備包括排布成串聯(lián)路徑的多個(gè)LED陣列，每個(gè)LED陣列都有正向電壓；耦合到該多個(gè)LED陣列上的電壓源；將該電壓源的電壓與參考電壓比較并在該電壓源的電壓大于或等于該參考電壓時(shí)控制開關(guān)斷開的電壓比較器；以及選擇性地耦合到這些LED陣列上的多個(gè)電流源，每個(gè)電流源可在電流調(diào)節(jié)狀態(tài)和開路狀態(tài)之間切換。該電壓比較器、該開關(guān)和電流源共同配合以便(a)當(dāng)該電壓源的電壓低于該參考電壓時(shí)，閉合該開關(guān)并控制該電流源以便將該串聯(lián)路徑切斷成一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑，每個(gè)并聯(lián)路徑所包括的LED陣列少于所有的LED陣列，以及(b)當(dāng)該電壓源的電壓大于或等于該參考電壓時(shí)，隨著該電壓源的電壓增大，這些LED陣列導(dǎo)通并發(fā)光以形成較高正向電壓LED串，而且隨著該電壓源的電壓減小，LED陣列關(guān)斷并從以最近發(fā)光的陣列開始的LED串中被去掉。另一方面，對于電壓源的電壓低于該參考電壓的時(shí)間的至少一部分時(shí)間，該一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑包括每一個(gè)路徑都包括至少一個(gè)LED陣列的多個(gè)并聯(lián)路徑，該多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。另一方面，該LED陣列切換設(shè)備還包括二極管，該二極管排布在第一組LED陣列和第二組LED陣列中間的LED陣列的串聯(lián)路徑上；以及可切換的并聯(lián)電流路徑，其將電壓源連接到該二極管和該第二組LED陣列之間的串聯(lián)路徑上的一點(diǎn)，該二極管防止來自該并聯(lián)電流路徑的電流朝該第一組LED陣列的方向流動(dòng)。另一方面，第一組LED陣列中LED陣列的數(shù)量等于第二組LED陣列中LED陣列的數(shù)量。另一方面，當(dāng)該電壓源的電壓高于該第一組LED陣列或第二組LED陣列兩者的正向電壓但低于該參考電壓時(shí)，多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。另一方面，該電壓源是經(jīng)整流的AC電壓，而且該切換設(shè)備還包括填谷式電路，其被配置成防止在AC電壓的過零部分出現(xiàn)光輸出的任何關(guān)閉周期。另一方面，該填谷式電路包括至少一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器，該至少一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器在經(jīng)整流的AC電壓降低至低于其峰值的一半時(shí)放電，以防出現(xiàn)光輸出的任何關(guān)閉周期。另一方面，該第一組LED陣列中LED陣列的正向電壓的總和近似等于該第二組LED陣列中LED陣列的正向電壓的總和。另一方面，該多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列包括多個(gè)LED。另一方面，形成該多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列的該多個(gè)LED并聯(lián)排布。


這些附圖僅是用作圖示說明，不必按比例畫圖。然而，通過參考下面的詳細(xì)描述可以最好地理解該發(fā)明本身，下面的詳細(xì)描述結(jié)合附圖進(jìn)行，其中圖I是一種常規(guī)的利用電流源的LED驅(qū)動(dòng)電路的電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于LED陣列切換的電路的功能框圖；圖3A-3F是圖示說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在該電壓源的不同電壓電平通過圖2的電路而獲得的電流路徑的圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面具有可選的一套電流源的圖2電路的功能框圖，這套電流源用于平均LED之間的使用；圖5是示出圖2中所示的電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的電路圖；圖6是橫跨圖5中節(jié)點(diǎn)A和B的電壓波形圖；圖7是通過圖5中元件Ml的電流圖；圖8是通過圖5中元件M2的電流圖；圖9是通過圖5中元件M3的電流圖；圖10是通過圖5中元件DXl的電流圖；圖11是通過圖5中元件DX3的電流圖；圖12是通過圖5中元件DX4的電流圖；圖13是圖5中的電路的光輸出波形圖；圖14是示出在圖5中的AC主源上的輸入波形的圖；圖15是分壓電路的電路，該電路可以用于圖5的電路；圖16是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于LED陣列切換的電路的功能框圖；圖17是示出微控制器如何用于圖16的電路的功能框圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于LED陣列切換的示例電路的功能框圖；圖19A-19G是圖示說明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例在電壓源的不同電壓電平通過圖18中的電路而獲得的電流路徑的圖；圖20是示出圖18中所示的電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的電路圖；圖21是圖20中經(jīng)整流的電源電壓的圖；圖22是示出在半AC周期期間導(dǎo)通的LED陣列的圖；圖23是通過圖20中的元件Dl的電流圖；圖24是通過圖20中的元件D2的電流圖25是通過圖20中的元件D3的電流圖；圖26是圖20中的電路的光輸出波形圖；圖27是AC主源的電流圖；圖28是示例性的填谷式無源功率因數(shù)校正電路圖；圖29是具有填谷式電路的電源電壓波形圖；圖30是通過具有填谷式電路的元件Dl的電流圖；圖31是通過具有填谷式電路的元件D2的電流圖；圖32是通過具有填谷式電路的元件D3的電流圖；圖33是具有填谷式電路的電路的光輸出波形圖；以及 圖34是通過具有填谷式電路的AC主源的電流波形圖。
具體實(shí)施例方式圖2-34圖示說明LED陣列切換設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的各方面。對于使用變化的輸入電壓源比如經(jīng)整流的AC源來工作的LED發(fā)光裝置，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所述的切換設(shè)備將LED串分成一系列的多個(gè)陣列。當(dāng)輸入電壓低時(shí),只有第一個(gè)LED陣列發(fā)光。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，隨后的LED陣列連續(xù)切換以形成更高的正向電壓串。相反地，如果輸入電壓減小，則該次序顛倒并從以最后發(fā)光的陣列開始的串中去掉陣列。圖2示出所提出的電路的功能框。假設(shè)LED串分成n個(gè)LED陣列或陣列Dl至Dn，在此n> I。每個(gè)LED陣列可由以任何已知方式排布的一個(gè)或多個(gè)LED組成，即按次序或并列地，或者兩種排布方式的組合。Gl至Gn是可以被來自各個(gè)連續(xù)的電流源的電流感應(yīng)信號(hào)禁用，即變成開路情況的電流源。接著參照圖3A-3F描述圖2電路對于電壓Vl從零斜升的情況的運(yùn)行。當(dāng)電壓Vl剛好高于LED陣列Dl的正向電壓時(shí)，電流開始流過LED陣列Dl和電流源G1，如圖3A所示。隨著電壓Vl進(jìn)一步增加，電流源Gl調(diào)節(jié)通過LED陣列Dl的電流。當(dāng)Vl達(dá)到LED陣列Dl和LED陣列D2的正向電壓的總和時(shí)，LED陣列D2開始導(dǎo)通。隨著通過LED陣列D2的電流增加至閾值(該閾值優(yōu)選設(shè)置為低于電流源G2的調(diào)節(jié)值)，電流源Gl被禁止，變?yōu)殚_路。然后通過LED陣列Dl和LED陣列D2的電流被電流源G2調(diào)節(jié)，如圖3C所示。圖3D示出當(dāng)Vl已經(jīng)增加至電流源Gn-I調(diào)節(jié)電流通過LED陣列Dl至Dn-I的點(diǎn)時(shí)該電路中的電流路徑。進(jìn)一步增加Vl導(dǎo)致LED陣列Dn導(dǎo)通，如圖3E所示。圖3F示出當(dāng)通過LED陣列Dn的電流增加以致觸發(fā)電流源Gl至Gn-I處于開路情況的電流路徑。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)理解的，如果電壓Vl衰減則圖3A-3F中所示的切換序列顛倒。尤其是，在圖3F中示出了以下情況電壓Vl高得足以使經(jīng)調(diào)節(jié)的電流通過LED陣列Dl至Dn和電流源Gn。隨著Vl減小，通過Gn的電流開始減小并達(dá)到低于閾值的一點(diǎn)，如圖3E所示，電流源Gn-I啟用而且電流開始流過電流源Gn-1。當(dāng)Vl減小到低于LED陣列Dl至Dn的正向電壓和的總和的值時(shí)，通過LED陣列Dn的電流停止，如圖3D所示。從上面的描述可見，在圖2的電路中，LED陣列Dl在這些電流源中任何一個(gè)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通。另一方面，LED陣列Dn只在電流源Gn導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通。所以，運(yùn)行時(shí)，LED陣列Dl會(huì)比LED陣列Dn使用得更頻繁。圖4是平均LED陣列Dl至Dn之間的使用的電路的框圖。該電路包括一組附加的電流源GTl-GTn和添加到圖2的電路中的電流源組撥動(dòng)開關(guān)TS1。
如圖4所見，電流源組撥動(dòng)開關(guān)TSl具有兩個(gè)互補(bǔ)的信號(hào)輸出Q和G優(yōu)選地，撥動(dòng)
o
開關(guān)TSl被配置，使得以20Hz以上的頻率觸發(fā)這些輸出，以免察覺到閃爍。當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)TSl的Q被激活時(shí)，連接到這個(gè)輸出的開關(guān)STl閉合，電流源GTl至GTn被禁用，而且開關(guān)SI打開。在這種情況，圖4的電路與圖2中所示的電路實(shí)質(zhì)上相同，而且一旦輸入電壓Vl斜升或斜降則像上述那樣運(yùn)行。當(dāng)G激活且Q沒有激活時(shí)，開關(guān)SI閉合，電流源Gl至Gn被禁用，開關(guān)STl打開，而且電流源GTl至GTn能夠運(yùn)行。在這種情況下，如果Vl從零電壓起斜升，則不像圖I的電路中那樣，Dn將是第一個(gè)導(dǎo)通的陣列，接著是Dn-1，與圖2的電路中所發(fā)生的恰恰相反。所以，經(jīng)過一段時(shí)間，這些LED的使用將最終得到平衡。圖5示出圖2中所提出的電路在n = 3時(shí)的實(shí)際具體實(shí)施方式
。在該圖中，AC220V主電壓源是整流信號(hào)。橫跨結(jié)點(diǎn)A和B的電壓波形在圖6中示出。LED串由四個(gè)LED DX1-DX4組成而且劃分成3個(gè)陣列，這四個(gè)LED每一個(gè)的正向電壓都為50V。第一個(gè)陣列具有2個(gè)LED (DXl和DX2)，而第二個(gè)和第三個(gè)陣列每一個(gè)都具有單個(gè)LED (分別為DX3和DX4)。如從該圖中所見，晶體管Ml、電阻器Rl和R11、晶體管Ql和二極管Dl形成驅(qū)動(dòng)LEDDXl和DX2的電流源。當(dāng)通過晶體管M2的電流達(dá)到閾值時(shí)，晶體管Qll關(guān)斷晶體管Ml。圖7示出晶體管Ml的電流波形。與晶體管M2和M3中的電流對應(yīng)的波形分別在圖8和9中示出。圖10、11和12分別示出LED DXU DX3和DX4的電流波形。LED DXl的電流是晶體管Ml、M2和M3的電流總和，而LED DX3的電流是晶體管M2和M3的電流總和。圖13示出所有LED陣列的光輸出波形。圖14示出來自AC主電源的輸入電流波形。在半個(gè)波形周期的大部分時(shí)間段，電流連續(xù)不斷，這使該電路適合與可選的三端雙向可控硅調(diào)光器一起運(yùn)作，如圖5中所示?？梢栽黾涌蛇x的分壓電路以便在三端雙向可控硅開關(guān)斷開時(shí)提供用于三端雙向可控硅調(diào)光器的RC定時(shí)電路的電流路徑。圖15示出一種形式的分壓電路，該分壓電路連接到圖5的結(jié)點(diǎn)A和B上。當(dāng)該三端雙向可控硅開關(guān)不導(dǎo)通時(shí)，該分壓電路用作該調(diào)光器的電阻負(fù)載。當(dāng)經(jīng)整流的輸入電壓為低時(shí)(這表明該三端雙向可控硅開關(guān)斷開)，旁路電阻器110被晶體管2N60接通以跨接該經(jīng)整流的輸入電壓。隨著該旁路電阻器完成該電路，可以將充足的充電電流施加到三端雙向可控硅調(diào)光器的內(nèi)部RC定時(shí)電路上以確保正確運(yùn)行。當(dāng)經(jīng)整流的輸入電壓為高(這表明三端雙向可控硅開關(guān)接通)時(shí)，該旁路電阻被晶體管2N60斷開連接以使浪費(fèi)掉的功耗最小。在第一實(shí)施例中，輸入電壓處在低電平時(shí),只有第一陣列Dl和第二陣列D2導(dǎo)通。這種情況導(dǎo)致光輸出電流波形在輸入電壓處于低電平期間降低，如上面論述的圖13中可見的。LED切換設(shè)備的第二實(shí)施參照圖16-34來描述。該第二實(shí)施例提供在低輸入電壓時(shí)并聯(lián)支路中的所有LED陣列都導(dǎo)通電流的時(shí)間段，在減輕了圖13中所示的上述問題。圖16示出根據(jù)該第二實(shí)施例用于LED切換的電路的功能框。在圖16中所示的電路中，Vl是可變DC電壓源。Dl至Dn是LED陣列，其中每一個(gè)都可以是多于一個(gè)LED，形成串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)和并聯(lián)的組合形式。Gl至Gn是電流源。SI至Sn是開關(guān)。Dbl至Dbn是二極管。每個(gè)單個(gè)二極管Dbi用來在開關(guān)Si接通時(shí)防止電流通過開關(guān)Si至電流源Gi，在此i可以是I至n?？刂菩盘?hào)CSi用來選擇開關(guān)Si和電流源Gi的導(dǎo)通狀態(tài)或開路狀態(tài)。當(dāng)CSl至CSn未激活時(shí)，開關(guān)SI至Sn-I斷開而且電流源Gl至Gn-I處于開路情況。所有LED陣列Dl至Dn通過二極管Dbl至Dbn串聯(lián)，而且電流由電流源Gn控制。在這種情況下，如果Vl低于Dl至Dn的總的正向電壓，則這些LED陣列將不發(fā)光。然而，根據(jù)所公開的該實(shí)施例，這個(gè)低電壓情況可以感應(yīng)到，例如通過可以進(jìn)行電壓比較的控制器來感應(yīng)，然后優(yōu)選地該控制器可以施加一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)以便將串聯(lián)路徑切斷為并聯(lián)路徑，每一個(gè)路徑都有一個(gè)比Vl低的正向電壓排布，使并聯(lián)路徑上的這些LED即使在電壓低時(shí)也得以發(fā)光。例如，當(dāng)單個(gè)控制信號(hào)CSi激活時(shí)，Gi導(dǎo)通而且通過LED陣列Dl至Di的電流將被Gi控制。此外，開關(guān)Si導(dǎo)通而且電流從Vl直接供應(yīng)給LED陣列Di+1至Dn。在這種情況下，形成兩個(gè)并聯(lián)電流路徑，即被Gi控制的從Dl至Di的電流路徑而且被Gn控制的從Di+1至Dn的電流路徑。如果另一個(gè)控制信號(hào)CSj激活，則電路將變成分別被Gi、Gj和Gn控制
的三個(gè)并聯(lián)的電流路徑D1至Di、Di+l至Dj以及Dj+1至Dn，在此j > i。當(dāng)所有的控制信號(hào)CSl至CSn激活，所有的LED陣列Dl至Dn將分別通過電流源Gl至Gn并聯(lián)到Vl上。不同的并聯(lián)路徑的形成使這些LED即使在輸入電壓Vl為低時(shí)也得以發(fā)光。例如，為了使LED陣列即使在輸入電壓Vl低時(shí)也得以發(fā)光，可以控制這些控制信號(hào)的激活，使得對于輸入電壓越低，形成的并聯(lián)路徑越多，每個(gè)路徑都具有可以被本輸入電壓觸發(fā)的正向電壓。隨著輸入電壓Vl增加，可以通過施加如上所述的控制信號(hào)而形成較少量的并聯(lián)路徑，每個(gè)路徑都有更多的LED陣列，直到輸入電壓Vl高于某個(gè)電壓，如大于或等于LED陣列Dl至Dn的正向電壓的電壓時(shí)，形成LED陣列Dl至Dn構(gòu)成的單個(gè)串，在上面的例子中是在沒有控制信號(hào)激活時(shí)形成。 該控制信號(hào)可以由電壓比較器或電流感應(yīng)器生成，電壓比較器將電壓Vl與某一閾值電壓比較，電流感應(yīng)器感應(yīng)通過各電流源的電流。更精密的控制可以用微控制器來完成。圖17示出可以用于圖16的電路的微控制器的功能框圖。在圖17中，Vvi和Ivi分別表示橫跨Vl的電壓和通過Vl的電流。Vm和Im分別表示橫跨Gi的電壓和通過Gi的電流。微控制器優(yōu)選取樣并處理各種電壓/電流信號(hào)，而且根據(jù)算法生成控制信號(hào)CSl至CSn，該算法被設(shè)計(jì)成優(yōu)化效率、輸入功率質(zhì)量、LED陣列使用以及光輸出均勻性等。例如，這種算法一個(gè)簡單的例子是保持VI和組合后的LED陣列的正向電壓之間的電壓差小，以使效率最高。假設(shè)所有LED陣列Dl至Dn的正向電壓等于相同的值Vd，而且Vl的最大值高于Dl至Dn的正向電壓總和，即nVd。當(dāng)Vl < 2Vd時(shí)，所有的控制信號(hào)都被激活而且Dl至Dn分別通過Gl至Gn并聯(lián)。當(dāng)2Vd彡Vl < 3Vd時(shí)，只有控制信號(hào)CSi被激活，在此i是偶數(shù)值并且i彡n。當(dāng)3Vd彡Vl < 4Vd時(shí)，只要控制信號(hào)CSi被激活，在此i是3的倍數(shù)并且i彡n。當(dāng)jVd彡Vl < (j+l)Vd時(shí)，只有控制信號(hào)CSi被激活，在此i是j的倍數(shù)并且i彡n。當(dāng)nVd彡Vl時(shí)，所有控制信號(hào)失效，而且Dl至Dn通過電流源Gn串聯(lián)起來。這只是一個(gè)例子并且該發(fā)明不限于這一示例性實(shí)施例。此外，該微控制器可以被編程以具有故障操控能力，如該微控制器可以檢測出任何一個(gè)有故障的LED陣列而且重新排布該切換次序以排除該有故障的LED陣列。例如，該微控制器可以被編程，使得如果Di有短路故障，控制信號(hào)CSi-I將永久失效以使Di-I和Di可以被認(rèn)為是單個(gè)陣列。如果Di有開路故障，電流將不再流過Di并且控制信號(hào)CSi將被永久激活，以使電流從Vl供應(yīng)到Di+1。圖18示出由電壓比較器和電流感應(yīng)器生成的控制信號(hào)的電路的一個(gè)例子。在該電路中，電流源Gl和開關(guān)SI被電壓比較器Xl控制。電流源G2可以被來自電流源G3的電流感應(yīng)信號(hào)禁用。參考電壓源Vref耦合到該電壓比較器Xl上。應(yīng)當(dāng)指出的是在這個(gè)示例性電路D2和D3被直接串聯(lián)起來而它們之間沒有任何二極管。這是因?yàn)樵谶@個(gè)例子中只需要兩個(gè)并聯(lián)的電流支路(Dl和D2+D3)，并因而不需要將開關(guān)和隔離二極管連到D3的陽極。出于解釋說明的目的，假設(shè)LED陣列Dl的正向電壓大于D2和D3的正向電壓總和，然而這不是必須的。接下來示出圖18中所示的電路針對電壓Vl從零起斜升的情況的運(yùn)行。當(dāng)電壓Vl小于參考電壓Vref時(shí)，比較器Xl輸出激活信號(hào)，其使電流源Gl和開關(guān)D2都啟用。當(dāng)電壓源的電壓Vl剛剛高于D2的正向電壓時(shí)，如圖19A所示電流開始流過開關(guān)SULED陣列D2和電流源G2。隨著電壓Vl進(jìn)一步增大，電流源G2調(diào)節(jié)通過LED陣列D2的電流。當(dāng)Vl達(dá)到LED陣列D2和D3的正向電壓的總和時(shí)，LED陣列D3開始通過電流源 G3導(dǎo)通，如圖19B所示。隨著通過LED陣列D3和電流源G3的電流增大到某個(gè)閾值，優(yōu)選為低于電流源G3的調(diào)節(jié)值，電流源G2被禁用，如圖19C中所示。隨著Vl變得更高從而達(dá)到Dl的正向電壓，LED陣列Dl開始通過電流源Gl導(dǎo)通，如圖19D所示。優(yōu)選的是將Vref設(shè)置成比LED陣列Dl和D2的正向電壓的總和稍高。圖19E示出當(dāng)Vl增加到Vref或高于Vref時(shí)的電流路徑。在這種情況下，開關(guān)SI和電流源Gl被電壓比較器Xl設(shè)置成開路情況。電流流過LED陣列D1、二極管Dbl (其防止反向電流)、LED陣列D2以及電流源G2。進(jìn)一步增加Vl導(dǎo)致LED陣列D3導(dǎo)通，如圖19F所示。圖19G示出當(dāng)通過LED陣列D3的電流增加以致觸發(fā)電流源G2處于開路情況時(shí)的電流路徑。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)理解的，如果Vl的電壓衰減則圖19A-19G中所示的切換次序顛倒。尤其是，如圖19G中所示電壓Vl高到足以使經(jīng)調(diào)節(jié)的電流通過LED陣列Dl至D3和電流源G3的情況。隨著Vl減小，通過電流源G3的電流開始減小并達(dá)到低于該閾值的一點(diǎn)，啟用電流源G2而且電流開始流過電流源G2，如圖19F中所示。當(dāng)Vl減小到低于LED陣列Dl至D3的正向電壓和的總和的一個(gè)數(shù)值時(shí)，電流停止通過LED陣列D3，如圖19E所
/Jn o隨著Vl進(jìn)一步減小到低于Vref，開關(guān)SI和電流源Gl得以導(dǎo)通。通過LED陣列Dl的電流被電流源Gl調(diào)節(jié)。通過LED陣列D2和D3的電流被電流源G3調(diào)節(jié)。進(jìn)一步減小Vl導(dǎo)致通過電流源Gl的電流減小到零。當(dāng)通過電流源G3的電流減小到低于閾值的一點(diǎn)時(shí)，電流源G2啟用，如圖19B中所示。當(dāng)Vl減小到低于LED陣列D2和D3的正向電壓的總和時(shí)，電流可以只流過LED陣列D2和電流源G2，如圖19A中所示。從上述內(nèi)容可見，圖18中所示的電路的設(shè)計(jì)提供驅(qū)動(dòng)所有并聯(lián)的LED陣列的時(shí)間段，甚至在這個(gè)時(shí)間段電壓源的電壓低于Vref。這將對給LED陣列的電流供應(yīng)提供改進(jìn)，并因此與第一個(gè)實(shí)施例的設(shè)計(jì)相比改進(jìn)了在低電壓運(yùn)行期間的光輸出。圖20示出圖18所示的被提出的電路的起示范作用的詳細(xì)的實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式。在該圖中，230VAC電壓源是經(jīng)整流的信號(hào)。橫跨節(jié)點(diǎn)A和B的電壓波形在圖21中示出。使用三個(gè)LED陣列D1-D3。在該圖示說明的實(shí)施例中，LED陣列Dl的正向電壓為150V而且LED陣列D2和D3的正向電壓均為75V。
從該圖中可以看出，晶體管Ml、電阻器Rl和Rll以及齊納二極管ZDl形成驅(qū)動(dòng)LED陣列Dl的電流源(一般對應(yīng)于圖18和19中的電流源G1)。電阻器R4、R14和晶體管Q4形成與圖18和19中的Xl對應(yīng)的電壓比較器。晶體管M2、電阻器R2、R12和齊納二極管ZD2形成與圖18和19中的晶體管G2對應(yīng)的電流源。晶體管M3、電阻器R3、R33以及R13和齊納二極管ZD3形成與圖18和19中的G3對應(yīng)的電流源。當(dāng)經(jīng)整流的電源電壓低時(shí)，晶體管Ml和Q6導(dǎo)通，以使LED陣列Dl與LED陣列D2和D3并聯(lián)。在該示范性實(shí)施例中，當(dāng)經(jīng)整流的電源電壓電平高于225VDC時(shí)，晶體管Q4關(guān)斷晶體管Ml，晶體管Q5和接下來的晶體管Q6使LED陣列D1、D2和D3串聯(lián)起來。圖22是示出在半AC周期期間導(dǎo)通的LED陣列的圖形。從圖22的圖形以及上述與圖19A-19G相關(guān)的描述中可以看出，在電壓源的電壓等于或大于該參考電壓的時(shí)間段，形成串聯(lián)的LED陣列的正向電壓串，其隨著電壓源的電壓在該參考電壓之上繼續(xù)增大而增長，而且其隨著該電壓開始衰減而減小。在該圖中，該正向電壓串初始時(shí)包括DI和D2。隨著電壓源的電壓接近其峰值，該正向電壓串包括D1-D3，然后隨著電壓源的電壓減小，該正向電壓串的長度減少為Dl和D2。 還如該圖形中所示，在每個(gè)時(shí)間段中的電壓源的電壓低于參考電壓的那部分期間，電流將流過所有LED陣列D1-D3，但是這將在并聯(lián)布置時(shí)出現(xiàn)，其中一個(gè)支路具有LED陣列Dl，另一個(gè)支路具有LED陣列D2和D3，如參照圖19A-19G所述的。圖23示出LED陣列Dl的電流波形。LED陣列D2和D3的波形分別在圖24和25中示出。圖26示出所有LED陣列的光輸出波形。應(yīng)當(dāng)指出的是在AC電源電壓的過零期間的關(guān)閉時(shí)間比圖13中的短。全部的光輸出時(shí)間還比圖13中的長。圖27示出來自AC主電源的輸入電流波形。該示例性電路的功率因數(shù)大約為0.85。在半個(gè)波形周期的大部分時(shí)間，該電流連續(xù)不斷，其使該電路適合與三端雙向可控硅調(diào)光器一起運(yùn)作。該示例性電路的效率大約為84%?？梢栽黾涌蛇x的填谷式無源功率因數(shù)校正電路以改進(jìn)該功率因數(shù)并去掉上述過零時(shí)的關(guān)閉期。圖28示出填谷式電路的一個(gè)示范性實(shí)施例，使用時(shí)可能會(huì)被用來連到圖20的節(jié)點(diǎn)A和B上。在運(yùn)行時(shí)，該經(jīng)整流的電源電壓使填谷式電容器通過路徑Cl、D5、R7和C2來充電。當(dāng)該經(jīng)整流的電源電壓降至低于其峰值的一半時(shí)，Cl開始通過D7放電而且C2開始通過D6放電。圖29示出利用該示例性填谷式電路的該經(jīng)整流的電源電壓波形?？梢钥闯鲆?yàn)樵撎罟仁诫娐分写嬖趦?chǔ)能電容器Cl和C2，所以該電壓不會(huì)降到低于150VDC。圖30示出使用該填谷式電路的LED陣列Dl的電流波形。要指出的是因?yàn)樵撎罟仁诫娐罚摬ㄐ尾话P(guān)閉期。圖31示出LED陣列D2的電流波形，當(dāng)使用該填谷式電路時(shí)，該電流波形與LED陣列Dl的波形相似。應(yīng)當(dāng)指出的是由于該經(jīng)整流的電壓在該示例性電路中總是高于150V(在該例子中為LED陣列D2和D3的正向電壓的總和)，上面圖19A中所示的情況將不會(huì)在使用該填谷電路時(shí)出現(xiàn)。圖32示出使用該示例性填谷式電路的LED陣列D3的電流波形。圖33示出所有的LED陣列的光輸出波形。應(yīng)當(dāng)指出的是由于有該填谷式電路，沒有光輸出的關(guān)閉期。圖34示出使用該示例性填谷式電路時(shí)來自AC主電源的輸入電流波形。該功率因數(shù)被改進(jìn)到0. 9，而該電路的效率保持在大約84%。
雖然已經(jīng)圖示說明并在文中描述具體實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易明白各種各樣的替換和/或等效實(shí)現(xiàn)方式可以替代所示和所述的這些具體實(shí)施例而不脫離本發(fā)明的范圍。這個(gè)申請意圖在于覆蓋文中所述這些具體實(shí)施例的任何調(diào)整和變型。
因此，意圖在于本發(fā)明只受權(quán)利要求及其等效物所限制。
權(quán)利要求
1.一種LED陣列切換設(shè)備，包括 排布成串聯(lián)路徑的多個(gè)LED陣列，每個(gè)LED陣列都具有正向電壓； 耦合到所述多個(gè)LED陣列上的電壓源； 選擇性耦合到所述LED陣列上的多個(gè)電流源，每個(gè)電流源都能夠在電流調(diào)節(jié)狀態(tài)和開路狀態(tài)之間切換；以及 輸出至少一個(gè)控制信號(hào)的控制器，所述控制信號(hào)基于如下至少一個(gè)而生成(a)電壓源的電壓和至少一個(gè)參考電壓之間的至少一個(gè)比較，以及(b)通過所述電流源中一個(gè)或多個(gè)電流源的電流，所述控制信號(hào)控制至少一個(gè)開關(guān)以及與所述至少一個(gè)開關(guān)相關(guān)聯(lián)的電流源的接通和斷開， 所述控制器、所述至少一個(gè)開關(guān)以及電流源共同配合以便 當(dāng)所述電壓源的電壓低于所述至少一個(gè)參考電壓時(shí)，和/或者當(dāng)預(yù)定電平的電流通過所述一個(gè)或多個(gè)電流源時(shí)，閉合至少一個(gè)開關(guān)，而且控制一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的電流源以將所述串聯(lián)路徑切斷為一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑，每一個(gè)并聯(lián)路徑所包括的LED陣列都少于所有的LED陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中對于所述電壓源的電壓低于至少一個(gè)參考電壓的時(shí)間的至少一部分時(shí)間，所述一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑包括多個(gè)并聯(lián)路徑，該多個(gè)并聯(lián)路徑的每一個(gè)路徑都包括至少一個(gè)LED陣列，所述多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，還包括 至少一個(gè)二極管，所述至少一個(gè)二極管排布在第一組LED陣列和第二組LED陣列中間的LED陣列的串聯(lián)路徑上；以及 可切換的并聯(lián)電流路徑，其將所述電壓源連接到所述二極管和所述第二組LED陣列之間的串聯(lián)路徑上的一點(diǎn)， 所述至少一個(gè)二極管防止來自所述并聯(lián)電流路徑的電流朝所述第一組LED陣列的方向流動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述第一組LED陣列中LED陣列的數(shù)量等于所述第二組LED陣列中LED陣列的數(shù)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED陣列切換設(shè)備，其中當(dāng)所述電壓源的電壓高于所述第一組LED陣列或第二組LED陣列兩者的正向電壓但低于所述至少一個(gè)參考電壓時(shí)，多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述電壓源是經(jīng)整流的AC電壓，而且所述切換設(shè)備還包括 填谷式電路，其被配置成防止在所述AC電壓的過零部分發(fā)生光輸出的任何關(guān)閉周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述填谷式電路包括至少一個(gè)儲(chǔ)能電容器，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電容器在所述經(jīng)整流的AC電壓降低至低于其峰值的一半時(shí)放電，以防出現(xiàn)光輸出的任何關(guān)閉時(shí)期。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列包括多個(gè)LED。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED陣列切換設(shè)備，其中形成所述多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列的多個(gè)LED并聯(lián)排布。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述控制器包括一個(gè)或多個(gè)電壓比較器。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述控制器包括微控制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED陣列切換設(shè)備，其中將所述微控制器配置成檢測LED陣列中的故障并且修改切換次序以排除有故障的LED陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述至少一個(gè)參考電壓是多個(gè)參考電壓，而且所述至少一個(gè)開關(guān)是多個(gè)開關(guān)，而且所述多個(gè)參考電壓中的每個(gè)參考電壓對應(yīng)于所述開關(guān)中的各個(gè)開關(guān)。
14.一種LED陣列切換設(shè)備，包括 排布成串聯(lián)路徑的多個(gè)LED陣列，每個(gè)LED陣列都有正向電壓； 耦合到所述多個(gè)LED陣列上的電壓源； 電壓比較器，其將所述電壓源的電壓與參考電壓比較并在所述電壓源的電壓大于或等于所述參考電壓時(shí)控制開關(guān)斷開；以及 選擇性地耦合到所述LED陣列上的多個(gè)電流源，每個(gè)電流源能夠在電流調(diào)節(jié)狀態(tài)和開路狀態(tài)之間切換， 所述電壓比較器、所述開關(guān)和電流源共同配合以便 (a)當(dāng)所述電壓源的電壓低于所述參考電壓時(shí)，閉合所述開關(guān)并控制所述電流源以將所述串聯(lián)路徑切斷成一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑，每個(gè)并聯(lián)路徑所包括的LED陣列少于所有的LED陣列，以及 (b)當(dāng)所述電壓源的電壓大于或等于所述參考電壓時(shí)，隨著所述電壓源的電壓增大，LED陣列導(dǎo)通并發(fā)光以形成較高正向電壓LED串，而且隨著所述電壓源的電壓減小，LED陣列關(guān)斷并從以最近發(fā)光的陣列開始的LED串中被去掉。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的LED陣列切換設(shè)備，其中對于所述電壓源的電壓低于所述參考電壓的時(shí)間的至少一部分時(shí)間，所述一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑包括多個(gè)并聯(lián)路徑，該多個(gè)并聯(lián)路徑的每一個(gè)路徑都包括至少一個(gè)LED陣列，所述多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的LED陣列切換設(shè)備，還包括 二極管，所述二極管排布在第一組LED陣列和第二組LED陣列中間的LED陣列的串聯(lián)路徑上；以及 可切換的并聯(lián)電流路徑，其將所述電壓源連接到所述二極管和所述第二組LED陣列之間的串聯(lián)路徑上的一點(diǎn)， 所述二極管防止來自所述并聯(lián)電流路徑的電流朝所述第一組LED陣列的方向流動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述第一組LED陣列中LED陣列的數(shù)量等于所述第二組LED陣列中LED陣列的數(shù)量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的LED陣列切換設(shè)備，其中當(dāng)所述電壓源的電壓高于所述第一組LED陣列或第二組LED陣列兩者的正向電壓但低于所述參考電壓時(shí)，多個(gè)并聯(lián)路徑供應(yīng)電流給所有的LED陣列。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述電壓源是經(jīng)整流的AC電壓，而且所述切換設(shè)備還包括 填谷式電路，其被配置成防止在AC電壓的過零部分發(fā)生光輸出的任何關(guān)閉周期。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述填谷式電路包括至少一個(gè)儲(chǔ)能電容器，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電容器在經(jīng)整流的AC電壓降低至低于其峰值的一半時(shí)放電，以防出現(xiàn)光輸出的任何關(guān)閉周期。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述第一組LED陣列中LED陣列的正向電壓的總和近似等于所述第二組LED陣列中LED陣列的正向電壓的總和。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的LED陣列切換設(shè)備，其中所述多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列包括多個(gè)LED。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的LED陣列切換設(shè)備，其中形成所述多個(gè)LED陣列中的至少一個(gè)陣列的多個(gè)LED并聯(lián)排布。
全文摘要
一種LED陣列切換設(shè)備，包括排布成串聯(lián)路徑的多個(gè)LED陣列；耦合到多個(gè)LED陣列的電壓源；選擇性耦合到LED陣列的多個(gè)電流源，每個(gè)電流源都可在電流調(diào)節(jié)狀態(tài)和開路狀態(tài)之間切換；以及輸出至少一個(gè)控制信號(hào)的控制器?？刂破鳌⒅辽僖粋€(gè)開關(guān)以及電流源共同配合以便當(dāng)電壓源的電壓低于至少一個(gè)參考電壓時(shí)，和/或者當(dāng)預(yù)定電平的電流通過一個(gè)或多個(gè)電流源時(shí)，閉合至少一個(gè)開關(guān)而且控制一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián)的電流源以將串聯(lián)路徑切斷為一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)路徑，每一個(gè)并聯(lián)路徑所包括的LED陣列都少于所有的LED陣列。
文檔編號(hào)H05B37/02GK102804926SQ201180011657
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者梁華興, 蕭錦華 申請人:惠州元暉光電股份有限公司