TWI600345B

TWI600345B - 用於並聯連接之ｌｅｄ照明器具串間平均分配電流之電流分流電路

Info

Publication number: TWI600345B
Application number: TW103105712A
Authority: TW
Inventors: 傑諾巴拉茲; 斯茲波可斯史札勒斯
Original assignee: 奇異電器公司
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-09-21
Also published as: TW201442558A; EP2965591A1; US9119258B2; BR112015021460A2; CN105027675A; US20140252966A1; WO2014137501A1; MX348235B; MX2015011495A; CN105027675B; KR20150125957A

Description

用於並聯連接之LED照明器具串間平均分配電流之電流分流電路

本發明一般而言係關於用於LED燈之照明電路。更具體而言，本發明係關於用於LED照明器具中所使用之發光二極體(LED)之電流分流電路。

LED廣泛用於照明領域中。在諸多照明應用中，期望利用具有相同照射位準或亮度之諸多LED。然而，針對諸多LED達成相同或實質上相同之照射位準可係困難的且可需要大量成本及努力。

由於(例如)達成一類似照射位準之實際考量因素，LED通常串聯連接(亦即，連接成具有多個LED之串)。串聯連接一照明系統之LED亦允許照明系統達成可由照明系統之一驅動電力供應單元(PSU)遞送之一供應電壓。儘管如此，為避免超過由PSU遞送之最高電壓，串聯連接之LED串通常係並聯連接的。然而，此組態亦具有缺陷。

應注意，LED(及LED串)之電及熱參數並不精確(100%)相同。此等差異由包含(例如)材料之製造不耐受性、不一致性及諸如此類之各種因素形成。LED係藉由透過諸如磊晶生長、摻雜及諸如此類之一化學程序用各種材料塗佈一晶圓或基板來產生一半導體材料而產生。半導體材料接著經切片以形成一小晶粒。接著(例如)藉由塗佈或懸浮添加線接合或其他電連接器。總成接著經囊封以形成一完成之LED封裝。

塗佈程序及/或摻雜劑材料之不一致性形成影響LED之特性(包含LED之電壓、流明、色彩(溫度)及諸如此類)之顯著固有變差。因此，並聯放置LED串不保證電流將在個別LED串之間平均地分配。

一般而言，一個LED串(亦即，「熱」通道)將具有比其他通道(亦即，「冷」通道)多之電流。在多個LED串並聯連接之情形中，所有LED串可具有不同電流及因此不同照射位準。

此外，熱通道將產生更多熱(甚至在相同電壓下)且將因此具有比「冷」通道高之一接面(晶片)溫度。較高溫度晶片往往攜載進一步增大晶片之溫度之一越來越高電流(由於就伏安(V-A)而言之負溫度係數)。對應地，冷通道往往攜載越來越少之電流且因此降低溫度。此現象造成並聯連接之LED電路不穩定，尤其自一電流分流觀點。

由於LED取決於電流而發射光，因此不平衡LED之效能將係次最佳的。在某些例項中，高溫度LED(亦即，熱通道)可拉高電流而足以損壞照明裝置。在此情景中，並聯放置LED串將不解決問題，此乃因就V-A特性而言統計參數和將不消除負溫度係數之效應。

認識到電及熱參數之差異，LED製造者通常提供包含用於產生白色光之標稱正向電壓(Vf)之關於LED串之一資料表。用於白色光之標稱正向電壓可指示為(舉例而言)Vf=3.2V。然而，資料表亦可指示正向電壓(Vf)具有一最小值(例如，Vfmin=2.8V)及一最大值(例如，Vfmax=3.6V)。由於正向電壓之變異數(亦即，Vfmin與Vfmax之間的差)，因此兩個並聯LED串之間的電流將通常並非相等。因此，兩個並聯LED串將不具有相同照射位準或亮度。

為解決電及熱差異(尤其影響光輸出及色彩溫度之差異)，製造者通常基於流明、色彩及電壓分組或「分色(bin)」LED。「分色」允許照明器具製造者僅選擇滿足特定及所需效能範圍(例如，電壓範圍)之LED。然而，分色可係將LED分組成具有較嚴格色彩變化控制之較小色系或具有較少色彩變化控制之較大色系之一複雜程序。

最近，分色已經標準化以規定大致與由商業精巧式螢光燈(CFL)源經歷之色彩變化程度相關之一色系大小。然而，分色將大量成本添加至LED且仍然不能確保電流在並聯連接之LED串當中平均地分配。

為在兩個或兩個以上LED串之間分配電流，其他已知解決方案已針對每一LED串利用一電壓降電路。在此等系統中，第一LED串將一電流產生器用作其他LED串之一參考。然而，此解決方案具有不可在脈衝寬度調變(PWM)或連續模式中對LED串進行調光之缺點。

在給出前述缺陷之情況下，需要用以在不需要對LED串進行分色之情況下在兩個或兩個以上並聯連接之LED串之間實質上平均地分配電流之系統及方法。亦期望提供一種在兩個或兩個以上並聯連接之LED串之間平均地分配電流且在PWM模式及連續模式兩者中對電流源進行調光之系統及方法。進一步期望提供一種顯著地減小給系統供電所需之電壓同時亦確保在並聯連接之LED串之間分配一相等電流之系統及方法。

本發明之實施例提供包含並聯連接之兩個或兩個以上LED串之一照明電路及包含兩個或兩個以上電晶體之一電流分流電路。

在實施例中，照明電路經組態以在並聯連接之LED串當中平均地分配由一電力供應器供應之電流。電流分流電路包含連接至一第一LED串之一參考通道及連接至其他LED串之一或多個複製通道。一或多個複製通道在參考通道處分接及分發電壓以確保供應至每一LED串之電壓係相同的。

在至少一項態樣中，實施例提供包含一電源、一第一串固態照明裝置、一第二串固態照明裝置之一照明電路及一電流分流電路。第一串固態照明裝置包含彼此串聯連接之個別照明裝置。第二串固態照明裝置包含彼此串聯連接之個別照明裝置。

電流分流電路與第一串固態照明裝置及第二串固態照明裝置連通。電流分流電路包含一第一電晶體及一第二電晶體。第一電晶體與第一串固態照明裝置串聯連接。第二電晶體與第一電晶體連通且與第二串固態照明裝置串聯連接。

在一項例示性實施例之操作期間，電流分流電路實質上平均地分發一電流給第一串固態照明裝置與第二串固態照明裝置之間。第一串固態照明裝置及第二串固態照明裝置以實質上相同亮度位準照射。第一串固態照明裝置及第二串照明裝置可在脈衝寬度調變模式及連續模式兩者中進行調光。

在至少另一態樣中，實施例提供包含一電源、複數個發光二極體串之一照明電路及一電流分流電路。複數個發光二極體串中之每一者連接至電源且彼此並聯。電流分流電路連接至複數個發光二極體串。

電流分流電路包含一參考電晶體及一或多個複製電晶體。參考電晶體與複數個發光二極體串中之一第一者串聯連接。一或多個複製電晶體各自與複數個發光二極體串中之一者串聯連接。

下文參考隨附圖式詳細闡述本發明之其他特徵及優點以及本發明之各種實施例之結構及操作。應注意，本發明並不限於本文中所闡述之特定實施例。此等實施例僅出於說明性之目的而呈現於本文中。額外實施例將基於本文中所含有之教示對熟習此項技術者顯而易見。

100‧‧‧照明電路

110‧‧‧發光二極體串

110(a-j)‧‧‧發光二極體

112‧‧‧發光二極體串

112(a-j)‧‧‧發光二極體

120‧‧‧恆定電壓產生器

122‧‧‧電阻器

130‧‧‧電流分流電路

132‧‧‧參考電晶體

134‧‧‧複製電晶體

200‧‧‧照明電路

210‧‧‧發光二極體串

210(a-c)‧‧‧發光二極體

212‧‧‧發光二極體串

212(a-c)‧‧‧發光二極體

214‧‧‧發光二極體串

214(a-c)‧‧‧發光二極體

216‧‧‧發光二極體串

216(a-c)‧‧‧發光二極體

220‧‧‧恆定電流產生器

230‧‧‧電流分流電路

232‧‧‧參考電晶體

234‧‧‧複製電晶體/第一複製電晶體

236‧‧‧複製電晶體/第二複製電晶體

238‧‧‧複製電晶體/最終複製電晶體

併入本文中且形成本說明書之部分之隨附圖式圖解說明本發明且與說明一起進一步用以闡釋本發明之原理且使熟習相關技術者能夠製作且使用本發明。

圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一照明電路。

圖2圖解說明根據本發明之一替代實施例之一照明電路。

本發明可採取各種組件及組件配置及各種程序操作及程序操作配置之形式。本發明圖解說明於隨附圖式中，貫穿隨附圖式，類似參考編號可指示各圖中之對應或類似部件。圖式僅係出於圖解說明較佳實施例之目的且不被視為限制本發明。在給出圖式之以下實現性說明之情況下，本發明之新穎態樣應變得對熟習此項技術者顯而易見。

以下詳細說明在本質上僅係例示性的且不意欲限制本文中所揭示之應用及用途。此外，不存在藉由前述背景或發明內容或以下詳細說明中所呈現之任何理論進行約束之意圖。可以獲悉本文中所提供之教示之熟習此項技術者將認識到本發明之範疇內之額外修改、應用及實施例及其中本發明將具顯著效用之額外領域。

儘管本文中主要結合LED闡述本發明之實施例，但概念亦適用於包含固態照明裝置之其他類型之照明裝置。固態照明裝置包含(舉例而言)LED、有機發光二極體(OLED)、半導體雷射二極體及諸如此類。類似地，儘管固態照明裝置圖解說明為本文中之實例，但本文中所揭示之技術及設備易於應用於諸如白熾燈、鹵素燈、其他聚光燈源及諸如此類之其他類型之光源。

圖1圖解說明根據本發明之實施例之一照明電路。在圖1中，一照明電路100包含並聯連接之兩個LED串110、112。LED串110、112經由一電阻器122藉由一恆定電壓產生器120供電。LED串110、112分別包含個別LED 110(a-j)及112(a-j)。每一LED串110、112之個別LED 110(a-j)及LED 112(a-j)分別串聯連接。LED串110、112經由一電流分流電路130並聯連接。

電流分流電路130包含配置為一電流鏡之兩個雙極電晶體，包含參考電晶體132及複製電晶體134。參考電晶體132及LED串110形成一參考通道110、132。複製電晶體134及LED串112形成一複製通道112、134。複製電晶體134在參考電晶體132處分接電流以使得電流在參考通道110、132與複製通道112、134之間實質上平均地分配(亦即，小於大致一5%之電流差)。電流分流電路130藉此允許在不需要針對正向電壓對LED串進行分色之情況下LED串110、112之均勻照射。

均勻照射提供LED串110、112之實質上所有LED(亦即，所有LED之90%至95%或95%以上)以實質上相同照射位準照射。如本文中所使用，舉例而言，術語實質上相同照射位準暗示小於2%之照射變差以使得照射位準之任何差異不可由人眼感知。消除在正向電壓下對LED串110、112進行分色之必要性藉此實質上減小與製造LED照明器具相關聯之成本。此外，由於照明電路100不利用一電壓降電路，因此其允許在連續及PWM模式兩者中對LED串110、112進行調光。

儘管已就包含形成一鏡電路之雙極電晶體之一電流分流電路而言闡述本發明，但在不背離本發明之情況下設想包含(例如)場效應電晶體(FET)或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)之其他電晶體類型之其他電流分流電路。亦應注意，儘管已就並聯連接之兩個LED串而言闡述本發明，但在不背離本發明之情況下設想包含並聯連接之多個LED串(例如，三個、四個或五個LED串)及諸如此類之其他實施例。

此外，儘管已就並聯連接之一單個組LED而言闡述本發明，但在不背離本發明之情況下設想具有串聯連接以提供一模組化組態之多個組並聯連接之LED之實施例。此外，在不背離本發明之情況下，一恆定電壓產生器或者一恆定電流產生器可用以給兩個或兩個以上並聯連接之LED串供電。

圖2圖解說明根據本發明之一替代實施例之一照明電路。如圖2中所圖解說明，照明電路200包含並聯連接之多個LED串(例如，210、212、214、216)。照明電路200具有與照明電路100類似之一功能，如上文所論述。照明電路200在需要大量LED且其中需要降低系統電壓之應用中具有特定效用以進一步分發電流。

儘管圖2中所圖解說明之實施例繪示四個LED串，但在不背離本發明之精神及範疇之情況下設想多個LED串(例如，6、8、10或10個以上串)之使用。LED串210、212、214、216藉由一恆定電流產生器220供電。LED串210、212、214及216分別包含個別LED 210(a-c)、212(a-c)、214(a-c)及216(a-c)。LED串210、212、214及216經由一電流分流電路230並聯連接。

電流分流電路230包含配置為一電流鏡之多個雙極電晶體，包含參考電晶體232及複製電晶體234、236及238。參考電晶體232及LED串210形成一參考通道210、232。

一第一複製電晶體234及LED串212形成一第一複製通道。一第二複製電晶體236及LED串214形成一第二複製通道。一最終複製電晶體238及LED串216形成一最終複製通道。複製電晶體234、236及238在參考電晶體232處分接電流以使得電流在參考通道210、232、第一複製通道212、234、第二複製通道214、236與最終複製通道216、238之間實質上平均地分配。

因此，電流分流電路230實質上藉由多次分發由恆定電流產生器220輸出之電壓而減小整個系統電壓。電流分流電路230亦允許在不需要針對正向電壓對LED串進行分色之情況下多個LED串210、212、214及216之均勻照射。另外，電流分流電路230允許在連續及PWM模式兩者中對多個LED串210、212、214及216進行調光。

尤其鑒於上述教示，可由熟習此項技術者做出仍將由本發明涵蓋之替代實施例、實例及修改。此外，應理解，用以闡述本發明之術語意欲在本質上係為闡述性詞語而非限制性詞語。

熟習此項技術者亦將瞭解，上文所闡述之較佳及替代實施例之各種調適及修改可在不背離本發明之範疇及精神之情況下經組態。因此，將理解，在隨附申請專利範圍之範疇內，可以不同於如本文中具體闡述之方式實踐本發明。