TW200423021A - Color temperature correction for phosphor converted LEDs - Google Patents

Description

200423021 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發光二極體的操作方法。更明確言之，本 發明係關於用於發光二極體發射光譜的彩色更正的技術。 【先前技術】 在現有市％中’白色發光二極體燈可自Nichia，LumiLeds 以及其他光半導體製造商獲得。單晶片之白光發光二極體 在照明市場中具有巨大潛力。白光發光二極體無需複雜的 控制及驅動電路或彩色混合光學裝置，且其具有幾乎統一 的製造方法。産生基於單晶片之發光二極體白光之現有媒 劑基於波長轉換技術，該技術使用不同類型的螢光材料及 磷光材料。原則上，會使用發射自發光二極體接面之藍光 或紫外線波長發射來抽汲一用於光譜降頻的塗佈之磷光物 貪° 一貫例爲具有黃鱗的LumiLeds白色發光二極體。 麟的餘輝一般可由指數衰減形式，或冪定律t_n，亦 或此兩種形式之組合來近似表徵。在此討論之中，不失一 般性地用如下形式的方程式來近似磷光之衰減過程： ν' (1) 此處心爲移除藍光或紫外線激發時刻之初始磷光發射。 當餘輝達到10%的水準（用衰減時間表示），磷光時間 將根據所用材料之特性自小於1微秒至超過1秒的範圍内變 化。在現有高功率磷光轉換發光二極體樣本之中，已量測 之衰減時間常數（6)低於1微秒。應注意的是心4科心。表現 出快速上升及衰減特徵的磷光物質通常具有幾乎不足習知

O:\88\88632.DOC 200423021 中等水準之P2G黃/綠磷之5_發光效帛其衰減持續時間 一般介於職秒到⑽毫秒。據可用㈣光轉換發光二極體 的資料表顯示，碟上升時間^通常小於衰減時間的幾倍。 吾人理想地設計了用於鱗光轉換白色發光二極體中的碟， 使其餘輝時間在約1 00微秒到i 〇毫秒的範圍中。 圖10 ,、、’員示了在不同直流驅動電流下白光—光轉換發光二 極體封衣之典型功率輪射譜。第—譜峰值在約彻奈米處， 此歸因於源於發光二極體接面（InGaN)之發射；第二峰值具 有較寬的帶寬，其頂點在約爆_奈米處，此歸因於受: 46奈米光子抽汲之黃磷的發射。 一旦在製造過程中環繞模罩塗料光材料，漏定了磷 光轉換白色發光二極體之相對發射光譜。纟I常的直流電 流驅動條件下，所得之白光相關彩色溫度（CCT)及顏色指數 (CRI)幾乎固定在一個特定接面操作溫度，即25。〇。當接面 溫度自25 t變化至8〇t：時，試驗結果顯示會造成幾乎 800KCCT的增加。CCT偏移被認爲是填光轉換白色發光二 極體-遺撼且不合需要之特徵。發光二極體之⑽偏移對 人們對於受發光二極體照明之物體的色彩感覺有相應的偏 移影響。 此外，改變多色彩發光二極體發射的光譜内容之現有方 法需求助於多、變量量值之電流源，^吉果增加了複雜性與 成本。因而，期望提供一種使用現有磷光轉換白色發光二 極體的方法來克服該等及其他侷限性。 【發明内容】

O:\88\88632.DOC 200423021 本發明之目的係針對一種系統及方法，其提供了在脈寬 凋l:(PWM)電流驅動下，磷光轉換發光二極體（pc_LED)的 么射光邊中之彩色更正。確定用於驅動電流訊號的調變。 基於已確定的調變，來調變一恒定量電流訊號。應用該調 變電流訊號以產生發光二極體的發射光譜中之彩色溫度更 正。 根據本發明之另一態樣，其提供了 一種可提供磷光轉換 么光一極體的發射光譜中之彩色溫度更正的裝置。該裝置 匕括彩色更正控制電路及一麵合至該控制電路的填光轉 換發光二極體。 本發明進一步包括用於提供受恒定電流脈寬調變驅動的 ^4光轉換白色發光二極體發射光譜中之彩色溫度更正之系 統。该系統包含：確定一驅動電流調變以産生發射光譜彩 色更正之構件；運用已確定的調變來調變一電流訊號之構 件，及運用已調變的電流訊號産生發光二極體的發射光譜 中之彩色溫度更正之構件。 【實施方式】 圖1展示在低頻力及Γσ//>>< Τρ之時，典型驅動電流/藍光 發射100及其對應之磷光輸出110。一般而言，磷光轉換白 色發光二極體由方波電流驅動，此電流具有恒定的振幅與 頻率/〇。驅動訊號的工作比率爲/) = ΓΜ/Γ= LA。相應地，假定發光二極體響應時間不足5〇毫微秒， 當Λ< /0 時，源於發光二極體接面之藍光發射通常跟 隨驅動電流訊號。本實例假定g㈨好z。在此種條件之

O:\88\88632.DOC 200423021 :，破光上升及衰減時間遠小於非使用時間rQ//，可忽略 計。可確定—參考了國際照明委員會（CIE)之比色圖 ，座標對’其描述了發光二極體接面與磷光之混合發射t 可用方程式來確定自光彩色點座標〜D，其形式如下.

^I__I__I yb yy 1 1 — —

(2) 此處與卜,w分別爲藍光與黃色磷光之彩色座 標。其強度分別爲： ^b^onfo Γ广及 h LJ〇nf^L/onn LyTonf0 (3) "LbTonf〇^LyTonf0 (4) 圖2與圖3分別展示了在中頻人以情況下，如力2〇〇且 岑Tp ’及/3 300且Γο/厂4 τρ，典型發光二極體之驅動電洛 盖光發射及其對應之鱗光輸出210、310。在中頻範圍内 磷光衰減過程開始影響發光二極體之白光彩色點。藍光; 度保持爲Lr㈣，而黃光強度由如下方程式表示：!yif—hf〇Ly T f f Τ Ύ \· Tr上 a l-e T， 丄T* +i芦 /-e《 - \ j ^ Λ a > 白光彩色點可基於方程式（2)、（3)及（5)來確定。 圖4展示在南頻/〃且7^分< 4 Tp之時，典型鱗光轉換發光二 極體之驅動電流/藍光發射400及其對應之磷光輸出410。在

O:\88\88632.DOC 423021 门頻範圍内，磷光衰減過程對發光二極體的白光彩色點具 有灵貝的影響。當藍光強度依舊保持爲A，黃光強度 開始變爲圖2、圖3所示之先前偏移與歸因於更高頻驅動訊 唬之進一步增加的線性組合。於是黃光強度可用如下方程 式表示：

I T2 τ / Τρ e + /,

y〇J (6) α> 石2光彩色座標點“^則可再次基於方程式⑺、⑺及⑻ ^ μ '主的疋，由於脈寬調變'驅動電流工作比率與驅 動包机頻率無關’所以或者可使用工作循環以發光二極體 總光輸出中相應的增加來調變CCT彩色偏移。此外，可以 將，作循環與頻率調變兩者應用於恒定量的脈寬調變電流 w、以在補㈣色溫度偏移的同時維持恒定之光輸出。 γ述方式中’可以使用—已調變的脈寬調變電流訊號來 調變磷光轉換發光二極體發射光譜之量值及形狀。 在下文的描述中，術語"輕合"意指所述物品之間的直接 =連接’或藉由—個或多個被動或主動组件之連接。短語 彩色座‘指"白光彩色座標，，。 圃』场隹尽發明一實絲 、例中％色更正之磷光轉換發另 極脰糸統之方塊圖。圖5屏干、<"洛 ㈡展不一衫色更正之磷光轉換發夫 極脰系統5 0 〇，其包拓 a壬 、匕括衫色更正控制電路600，以及一 光轉換發光二極體520。 在圖5中，顯示彩色更正控制電 600(此後稱控制電路）j入 口蝣光轉換發光二極體520(此

O:\88\88632.DOC 200423021 稱磷光轉換發光二極體）。接下來將參考圖6詳細描述控制 電路600之實施例。 控制電路600通常是多個系統及多個設備的組合，其提供 了對磷光轉換發光二極體520的彩色更正控制。組態控制電 路600,以在運作過程中確定驅動電流訊號之調變，基於已 確定調變來調變恒定量值之電流訊號，然後將已調變電流 訊號應用於磷光轉換發光二極體520,用以産生磷光轉換發 光二極體520輸出發射光譜中之彩色更正。 每光轉換發光二極體520爲適合彩色更正的任何碟光轉 換奄光一極體。特別地，碟光轉換發光二極體52〇通常具有 由操作溫度引起的cct偏移。但是，當需要任何CCT偏移之 時，可將本發明應用於磷光轉換發光二極體52〇以供色彩轉 換，此時無論偏移是否會逆轉操作溫度引起的CCT偏移。 舉例而3，低成本的白光填光轉換發光二極體520在用於枱 燈或夜明燈等特定用途時，其可能具有不合需要之彩色座 標組，且因此使用控制電路600根據實際應用上移或下移 CCT，可以實現對發光二極體輸出之彩色調節。應注意的 是，儘管本討論應用於磷光轉換白光發光二極體，但可將 本發明應用於任何磷光轉換發光二極體，其包括設計成具 有除白色以外的光谱輸出的罐光轉換發光二極體。 圖6爲本發明一實施例中彩色更正控制電路之方塊圖。圖 6展示一彩色更正控制電路6〇〇,其包括··一電源65〇; 一脈 寬調變調變器660;以及一處理器控制系統67〇。如圖所示， 電源650耦合至處理器控制系統67〇及脈寬調變調變器

O:\88\88632.DOC 200423021 66〇。如圖所示，處理器控制系統_亦輕合至脈寬調變調 變器_。控制電路600亦可包括一些附加組件（未_)，如 電壓和電流調節組件、溫度監控裝置、用戶控制器等等。 電源650有選擇地將已調節或未調節之功率與工負㈣合，且 其可包括多種調節電路。 。在運作過程中，基於來自處理器控制系統67〇之控制訊 號，電源650有選擇地耦合至脈寬調變調變器66〇。熟悉此 項技術者應知産生和控制—已脈寬調變電流訊號以及將此 訊號與負載㈣合之多種構件及方法，下文將不再詳述。 處理器控制系統670爲一控制系統，其通常包括一處理 器^如微控制器（未圖示）以及各種連接組件，例如輸入/輸 出介面、記憶體（未圖示），該記憶體包含儲存的處理器可執 行指令（未圖示）以及儲存的資料（未圖示）。處理器控制系統 可具有一包含預定參考資料的記憶體，該參考資料可例 如，根據方程式（1)確定的彩色座標點，該方程式參考了發 光二極體操作溫度曲線。在一實施例中（未圖示），組態處理 器控制系統670以接收發光二極體操作溫度資訊，從而允許 根據計算出的彩色座標查詢表來進行基於發光二極體溫度 的彩色更正。 在運作過程中，可組態處理器控制系統670以確定一調變 方案來産生如磷光轉換發光二極體520等發光二極體之輸 出光瑨中的CCT偏移。啓用處理器控制系統67〇以確定用於 脈見调變驅動電流訊號的頻率及/或工作循環調變。在一實 施例中’處理器控制系統670可以根據發光二極體之輸出來

O:\88\88632.DOC -11- 200423021 2地收集量測資料（如圖7所示）。在—實施例中，處理哭 二67°藉*根據方程式⑴、基於如磷光轉換發光二二 5 2 〇之輸出強度等多種f料計算彩色座標確 變。熟悉此項技術者庫知t 疋凋 、㈣者應知建構處理器控制系統670之各種电 態，下文將不再詳述。 合禋、、且 一悉此項技術者必將咅％ 將-識到用於實施本發明的其它電路 貫施例也疋可能的，例如圖9所示之簡化電 調變應用於發光二極體串。 /、將 圖7爲在本發明另一實施例中，彩色更正之鱗光轉換發光 二極體系統之方塊圖，此系統具有彩色感應。圖7展示了彩 色更正罐光轉換發光二極體系統7〇〇,其包括一彩色更正控 制電路600’ 一磷光轉換發光二極體52〇及一彩色感應系統 "如圖7所示，彩色更正控制電路_麵合至嶙光轉換發 光二極體520。磷光轉換發光二極體52Q呈現出輕射光線: 彩色感應系統730。 除了形色感應系統730，彩色更正系統7〇〇包括與圖5所示 之杉色更正系統500相同的元件。彩色感應系統爲被設計用 於回應於一光源，例如磷光轉換發光二極體52〇感應色彩的 任何系統。 在運作過私中，可組態彩色感應系統73〇以感應鱗光轉換 發光二極體520光發射之CCT，並基於被感應的光發射提供 彩色訊號至彩色更正電路。該彩色感應系統可發射任何形 式的彩色訊號，如數位調變或類比訊號，其代表了磷光轉 換發光二極體520光發射之光譜内容。接著，介於彩色感應

O:\88\88632.DOC -12- 顺控制電路刚之間的反饋控制迴路可以隨著時間 ，在各種參數之下，控則光轉換發光二極體52〇 譜之CCT。熟悉此項技術者應知在彩色更正系統7。。 :建構一彩色感應系統730之各種其它、组態，下文將不再詳 或 在以下過程描述中’在不偏離本發明的前提下，將 多項步驟組合或同時執行。 圖8展示在脈寬調變電流驅動下，提供碟光轉換發光二極 體的發射光譜中之彩色更正之過程。過程_開始於步驟 ^。、在㈣810中，確$ 了用於驅動電流訊號之調變。此 凋’又通常爲應用於方波脈寬調變電流訊號的頻率或工作比 率调變。此調變可在任何時候確定。舉例而言，，可回應於 資料訊號、接通循環或用戶輸人而確定此調變。通常:如 =5、圖6、目7所示的彩色更正控帝】電路的系統來執行此確 疋過程。或者，亦可基於出廠資料根據方程式（1)來預先確 定調變確定，並且將該調變確定提供於查詢表中以供處理 器（例如處理器控制系統670)參考。基於標準，例如磷光轉 換發光二極體之理想CCT，在變化的運作條件下，例如溫 度、總光輸出以及磷光組份來進行調變確定。亦可藉由以 方私式（1)同牯解方程式（2)、（3)、（4)或（5)來確定調變，此 處座標對^J已預先選定。 在步驟820中，基於在步驟81〇中確定的調變對恒定量值 電流訊號進行調變。恒定量值電流訊號通常由一經調節電 源提供，例如電源650。在一實施例中，基於步驟81()中確

O:\88\88632.DOC -13- 200423021 定的調變，處理器控制系纪丄 ”涴670有選擇地將一脈寬調變調變 器660與來自電源650的功產如人 士 的功革耦合，以産生已調變電流訊 號。對於熟悉此項技術去而^ _ 仃耆而$，以電流及/或頻率調變對恒 定量值脈寬調變電流訊號進 死進仃调變的其它方法顯而易見， 下文將不再進一步描述。 在步驟830中，已調變電 包’巩成5虎用於産生磷光轉換發光二 極體之發射光譜中之彩色更正。將已調變電流訊號應用於 發先二極體，如磷光轉換發光二極體520。在一實施例中， 將在步驟820中調變的電流訊號自彩色更正電路_傳遞至 麟光轉換發光二極^ I. 體20。在步驟82〇中對電流訊號進行調 變之後，此已調變雷消$ % γ , 支私机汛唬可在任何時間加以應用。將已 調變電流訊號㈣於磷光轉換發光二極體520可實現對 CCT偏移之更正或其它目的，該CCT偏移由溫度所引發的漂 夕引（纟只把例中，所應用的電流訊號包括一頻率 及一工作比率調變兩者，以提供CCT更正，此更正不影塑 受5訊號作用之磷光轉換發光二極體之總光輸出。8 “已展7F和描述了本發明較佳實施例，但熟悉此項技 術者必將聯想起衆多變化以及替代實施例。因而希望本發 明僅受附加之申請專利範圍的限制。 【圖式簡單說明】 义口附圖閱碩，自上述詳細闡述的例示性實施例可明瞭 本毛月的月’j逑和其他特點及優點。詳細闊述及圖式僅用於 本t月而非限定本發明，本發明之範圍將由隨附申 專利範圍及其均等物所界定。 w

O:\88\SS632.DOC -14- 200423021 圖1展在低頻力及Γ咕〉XTp之時，典型碟光轉換發光 二極體之驅動電流/藍光發射及其對應之麟光輸出。 圖2展不Γο//> 4 Tp之時在中頻力，典型磷光轉換發光二 極體之驅動電流/藍光發射及其對應之麟光輸出。 圖3展示：Tf 4 Tp之時在中頻力，*型鱗光轉換發光二 極體之驅動電流/藍光發射及其對應之填光輸出。 圖4展不：Γο//< 4 Τρ之時在中頻力，典型磷光轉換發光二 極體之驅動電流/藍光發射及其對應之磷光輸出。 圖5展不在本發明一實施例中彩色更正之磷光轉換發光 二極體系統之方塊圖。 圖6展不在本發明一實施例中彩色更正控制電路之方塊 圖。 圖· 7展示在本發明另一實施例中，彩色更正之磷光轉換發 光一極體系統之方塊圖，此系統具有彩色感應。 圖8展示在脈寬調變電流驅動下，提供磷光轉換發光二極 體的發射光譜中之彩色更正之過程。 圖9展示先前技術的簡化電路實施例，用於將調變施加至 發光二極體串。 圖10展示白光磷光轉換發光二極體之先前技術功率輻射 譜。 【圖式代表符號說明】 100，200，300，400 驅動電流/藍光發射 110，210，310，410 磷光輸出 600 控制電路 O:\88\88632.DOC -15- 520200423021 500 670 650 660 730 700 800 810 820 830 發光二極體 彩色更正磷光轉換發光二極體系統 處理器控制系統 電源 脈寬調變調變器 彩色感應系統 具有彩色感應之彩色更正磷光 轉換發光二極體系統 步驟 步驟 步驟 步驟 O:\88\88632.DOC -16-

Claims (1)

1. 200423021 拾、申請專利範園： 種提供％色溫度更正之方法，用於在脈寬調變電流驅 動下，提供一磷光轉換發光二極體之發射光譜中的彩色 溫度更正，包括： 確疋一用於一驅動電流訊號之調變（步驟8丨〇); 基於3已確疋调變，調變一恒定量值電流訊號（步驟 820);及 應用A已调變電流訊號來産生該發光二極體的發射光 瑨中之一彩色溫度更正（步驟83〇)。 女申明專利範圍第1項之方法，其中確定一調變8丨〇包括 確&一第一發光二極體52〇之發射光譜彩色座標組及一 第二發光二極體520之發射光譜彩色座標組；其中該第一 彩色座標組代表在一第-發光二極體520操作溫度下之 發光二極體520發射光譜，且該第二彩色座標組代表由於 該發光-極體520在-第二操作溫度下運作，該發光二極 體520發射光譜中之一 CCT偏移。 3·如申明專利範圍第2項之方法，其中確定該電流訊號調變 810，使得將該已確定電流訊號調變83〇應用於該發光二 極體520’會導致當該發光二極體別之操作溫度自該第 一發光二極體520操作溫度變化至該第二發光二極體52〇 操作服度％，在該第一彩色座標組處的該發光二極體$如 發射光譜大體上恒定。 4·如申请專利範圍第！項之方法，其中該調變包括改變該電 流訊號之頻率。 O:\88\88632.DOC 200423021 5 ·如申請專利範圍第1項之古^ 、之方去，其中該調變包括改變該電 流訊號之工作循環。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該發光二極體52〇之 總光輸出隨該電流訊號工作循環之該改變而改變。 7. 士申明專利範圍第5項之方法，其中改變該電流訊號頻率 以維持該發光二極體520之—桓定總光輪出。 8. 如申請專利範圍第W之方法，其中應用該已調變電流訊 號830包括基於該已確定調變，有選擇地將一電源⑽輛 合至一鱗光轉換發光二極體520。 9. 如申明專利範圍第8項之方法，其中該發光二極體52〇爲 一鱗光轉換白光發光二極體。 10·如申明專利範圍第9項之方法，其中該發光二極體52〇接 面啦射強度在該磷光發射強度隨該電流訊號調變而增加 時大體上恒定。 11. 一種提供彩色溫度更正之裝置，用於提供在一磷光轉換 發光二極體520之一發射光譜中的彩色溫度更正，包括： 一彩色更正控制電路600 ;及 一磷光轉換發光二極體520，其耦合至該控制電路6〇〇 其中組悲该控制電路以爲一發光二極體52〇之驅動電 流訊號確定一調變（步驟810)，基於該已確定調變來調變 一恒定量值電流訊號（步驟820)，並將該已調變電流訊號 應用於該發光二極體520以産生該發光二極體52〇之發射 光譜中的一彩色溫度更正（步驟830)。 12·如申請專利範圍第丨丨項之裝置，其中該控制電路6〇〇包括 O:\88\88632.DOC 200423021 一恒定電流量值之脈寬調變器電路66〇，其具有可組辦 頻率與工作循環。 W 13·如申請專利範圍第12項之裝置，其中該控制電路_包括 一電源650，其被選擇性地配置以向該脈寬調變器電路 660傳遞功率。 14. 如申請專利範圍第u項之裝χ，其中該控制電路_包括 一處理器控制系統670。 15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中啓用該處理器控制 系統670以控制如下步驟： 爲一發光二極體520之驅動電流訊號確定一調變（步驟 810)； 基於該已確定調變來調變一恒定量值之電流訊號（步驟 820);及 將該已調變電流訊號應用於該發光二極體52〇，以産生 該發光二極體520之發射光譜中的一彩色溫度更正（步驟 830) 〇 16. 如申明專利範圍苐15項之裝置，其中確定一調變（步驟“ο) 包括確定一第一發光二極體520之發射光譜彩色座標組 及一第二發光二極體520之發射光譜彩色座標組；其中該 第一彩色座標組代表在一第一發光二極體52〇操作溫度 下之發光二極體520發射光譜，且該第二彩色座標組代表 由於該發光二極體520在一第二操作溫度下運作，該發光 二極體520發射光譜中之一 CCT偏移；且其中確定該電流 訊號調變（步驟8 10)，使得將該已確定電流訊號調變（步驟 O:\88\88632.DOC 200423021 830)應用於該發光二極體52〇，會導致當該發光二極體52〇 之操作溫度自該第一發光二極體520操作溫度變化至該 第二發光二極體52〇操作溫度時，在該第一彩色座標組處 的該發光二極體520發射光譜大體上恒定。 如申請專利範圍第1丨項之裝置，其中該發光二極體52〇爲 一白光磷光轉換發光二極體。 18·如申請專利範圍第15項之裝置，其中該發光二極體52〇爲 一 InGaN鱗光轉換之白光發光二極體。 19· 一種提供彩色溫度更正的系統，用於提供一恒定電流脈 寬調變驅動之磷光轉換白光發光二極體52〇的一發射光 譜中的彩色溫度更正，包括： 用於確定一驅動電流調變以産生該發射光譜中之一彩 色更正（步驟810)之構件； 用於以該已確定的調變來調變一電流訊號（步驟82〇)之 構件； 用於應用該已調變的電流訊號來產生該發光二極體的 發射光鳟中之一彩色溫度更正（步驟83〇)之構件。 O:\88\88632.DOC 4-