专利名称：发光二极管串端电压控制电路以及发光二极管照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管控制技术领域，特别是涉及一种发光二极管串端电压控制 电路以及发光二极管照明装置。
背景技术：
发光二极管为特殊材质制成的的p-n 二极管，在正向偏压下，电子在接合面流动 时会在再结合而消灭的过程中发光，为电致发光效应的一种。发光二极管会因为二极晶片 制造过程中所添加的金属元素不同，化学成分比例不同而发出不同波长的光。初期的发光 二极管只能发出蓝绿黄红四种颜色，应用于指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出 现，也被应用于照明。发光二极管具有能量转换效率高、反应速度快、元件寿命长、体积小、 易于聚焦与耗电量低等优点。实际应用过程中，由于每颗发光二极管的负载特性不同，造成在相同电压下会有 不同的电流，因此产生不同的亮度，于是使用数颗发光二极管串联架构以确保同一串的发 光二极管皆具有相同的电流以及相同的亮度。现有技术中通过脉宽调制控制器(PWM IC) 撷取接收输入电压Vin的电源转换器(Power Converter)的输出电压Vtj值来控制电源转换 器的输出电流的技术方案，其电路架构如图1所示。随着发光二极管的应用不同，例如液晶电视或照明中，对于发光二极管的需求数 量增加，因此必须使用多个发光二极管串；由于每个发光二极管串间的误差值，使得流过每 个发光二极管串的电流值并非相同，因此影响发光二极管输出亮度的均勻度，图2所示电 路中为了使流过每个发光二极管串的电流值相同，在电路中有增设电流调整电路(如图2 种虚线框所示)，通过控制开关Sl、S2及S3动作来调整各个发光二极管串的低电位端电压， 让流过每个发光二极管串的电流值相同；然而，由于开关Si、S2及S3处于导通状态是呈电 阻性状态，因此无法降低每个发光二极管串及电阻间误差值，使得每个发光二极管串仍处 于输入电流不平衡情况，让输入电流无法较精确均流，并影响发光二极管输出亮度的均勻 度。电流调整电路处于电阻性状态，能量损失较大。
发明内容
因此，本发明的目的之一是提供一种发光二极管串端电压控制电路，以克服现有 技术存在的技术缺陷。本发明的再一目的是提供一种发光二极管照明装置。具体地，本发明实施例提出的一种发光二极管串端电压控制电路适用于电性耦接 于高电位端与低电位端之间的发光二极管串。本实施例中，发光二极管串端电压控制电路 包括电容、电感、二极管、开关以及检测电路。其中，电容具有第一端与第二端，电容的第一 端电性耦接于低电位端，电容的第二端电性耦接于预设电位；电感具有第一端与第二端，电 感的第一端电性耦接于低电位端；二极管具有正端与负端，二极管的正端电性耦接至电感 的第二端，二极管的负端电性耦接至高电位端；开关具有第一端与第二端，开关的第一端电性耦接至电感的第二端，开关的第二端电性耦接至预设电位；检测电路检测低电位端的电 位，并在低电位端的电位高于参考电位时控制导通开关，在低电位端的电位低于参考电位 时控制不导通开关。在本发明的实施例中，上述的检测电路可包括低通滤波器、比较器以及控制单元； 其中，低通滤波器电性耦接至低电位端以取得低电位端的电位，并将所取得的低电位端的 电位通过低通滤波器而得稳定电位；比较器比较稳定电位与参考电位以产生相对应的电位 差异信号；控制单元根据电位差异信号而产生相对应的控制信号以控制开关是否导通。本发明实施例提出的一种发光二极管照明装置，包括多个发光二极管串以及多个 发光二极管串端电压控制电路；每一发光二极管串分别电性耦接于高电位端与低电位端之 间，每一发光二极管串端电压控制电路电性耦接至上述发光二极管串中的对应的发光二极 管所电性耦接的低电位端；任一发光二极管串端电压控制电路包括电容、电感、二极管、开 关以及检测电路。电容具有第一端与第二端，电容的第一端电性耦接于对应的发光二极管 串所电性耦接的低电位端，电容的第二端电性耦接于预设电位；电感具有第一端与第二端， 电感的第一端电性耦接于对应的发光二极管串所电性耦接的低电位端；二极管具有正端与 负端，二极管的正端电性耦接至电感的第二端，二极管的负端电性耦接至对应的发光二极 管串所电性耦接的高电位端；开关具有第一端与第二端，开关的第一端电性耦接至电感的 第二端，开关的第二端电性耦接至预设电位；检测电路检测对应的发光二极管串所电性耦 接的低电位端的电位，并在对应的发光二极管串所电性耦接的低电位端的电位高于参考电 位时控制导通开关，在对应的发光二极管串所电性耦接的低电位端的电位低于参考电位时 控制不导通开关。在本发明的实施例中，上述的发光二极管照明装置中发光二极管串所电性耦接的 高电位端可具有同一电位。在本发明的实施例中，上述的发光二极管串所电性耦接的高电位端可具有同一电 位且相电性导通。在本发明的实施例中，上述的检测电路可包括低通滤波器、比较器以及控制单元； 低通滤波器电性耦接至对应的发光二极管串所电性耦接的低电位端，并将所取得的电位通 过低通滤波器而得稳定电位；比较器比较稳定电位与参考电位以产生相对应的电位差异信 号；控制单元根据电位差异信号而产生相对应的控制信号以控制开关是否导通。在本发明的实施例中，上述的每一发光二极管串所对应的参考电位可设置为彼此 不同，且参考电位的选定使流过每一发光二极管串的电流为相同值。本发明实施例通过对发光二极管串端电压控制电路的架构进行新颖设计，通过检 测控制端电压来使流过发光二极管串的电流趋于相同，故可有效改善发光二极管输入电流 不平衡的现象且解决发光二极管亮度不均勻的问题。此外，因使用电容与电感的储能和释 能特性并搭配开关控制，让能量循环利用，使流过每串发光二极管的电流达精确均流效果， 并而改善能量损失。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合附图，作详细说明如下。
图1示出现有技术的一种发光二极管电路的电路架构示意图。图2示出现有技术的一种发光二极管照明装置的电路架构示意图。图3示出采用本发明实施例的发光二极管串端电压控制电路的发光二极管电路。图4A及图4B示出图3中的开关切换的控制过程。图5A、5B及5C分别示出不同条件下发光二极管串输入电流及电容电压与开关的 责任周期的关系曲线实验结果。图6示出本发明实施例的发光二极管照明装置的电路架构示意图。主要附图标记说明Si、S2、S3:开关10、10a、10b、10c 发光二极管串100 发光二极管照明装置11:电源转换器13 脉宽调制控制器Vin 输入电压VQ:输出电压15、15a、15b、15c 发光二极管串端电压控制电路150、150a、150b、150c 检测电路151、151a、151b、151c 低通滤波器153、153a、153b、153c 控制单元CMP 比较器Vref、Vrefl、Vref 2、Vref 3 参考电位Pl 高电位端P2:低电位端C、C1、C2、C3 电容VC:电容电压VL:电感电压L、L1、L2、L3 电感D、D1、D2、D3 二极管Sff, SffU SW2、SW3 开关VSS 接地电位
具体实施例方式请参阅图3，其示出采用本发明实施例的发光二极管串端电压控制电路的发光二 极管电路。如图3所示，发光二极管串10电性耦接于高电位端Pl与低电位端P2之间，电 源转换器11接收输入电压Vin进行电压转换以提供输出电压\至发光二极管串10的高电 位端Pl，脉宽调制控制器13电性耦接至高电位端Pl以获取输出电压\的大小并根据所获 取的输出电压\的大小控制电源转换器11来对输出电压\进行适当调节。承上述，发光二极管串端电压控制电路15电性耦接至低电位端P2以对低电位端P2的电压进行检测控制，借此控制流过发光二极管串10的电流值以控制发光二极管输出 亮度。在本实施例中，发光二极管串端电压控制电路15包括电容C、电感L、二极管D、开关 Sff以及检测电路150。电容C的一端电性耦接至低电位端P2，电容C的另一端电性耦接至 预设电位例如接地电位VSS ；电感L的一端电性耦接至低电位端P2 ；二极管D的正端电性耦 接至电感L的另一端，二极管D的负端电性耦接至高电位端P2 ；开关SW的一端电性耦接至 电感L的另一端，开关SW的另一端电性耦接至接地电位VSS。检测电路150可包括低通滤 波器151、比较器CMP以及控制单元153，但本发明并不以此为限，只要其能达成适时控制开 关SW的导通/不导通动作即可。低通滤波器151电性耦接至低电位端P2以取得低电位端 P2处的电位(亦即电容电压Vc)并将所取得的低电位端P2的电位Vc通过低通滤波器151 而得稳定电位，比较器CMP比较稳定电位与参考电位Vref以产生相对应的电位差异信号， 控制单元153根据电位差异信号而产生相对应的控制信号以适时控制开关SW切换(亦即 控制开关SW的责任周期)，让流过发光二极管串10的电流值经由开关SW切换能适时作调 整，使流过发光二极管串10的电流值维持均流状态，并让发光二极管输出亮度维持相同。下面将结合图4A及图4B详细说明本发明实施例的开关SW切换的控制过程。如 图4A所示，当电容电压V。变大时，发光二极管串10的高电位端Pl与低电位端P2之间的 电压值相对应地变小，且流过发光二极管串10的电流值变小，当检测电路150检测到电容 电压\高于参考电位Vref则会控制开关SW为导通状态，让电流有短路路径至地，而使二 极管D呈现不导通状态，因此电源转换器11的输出电流及电容C释能对电感L进行储能动 作至电感电压\。如图4B所示，当电容电压\变小时，发光二极管串10的高电位端Pl与 低电位端P2之间的电压值相对应地变大，且流过发光二极管串10的电流值变大，当检测电 路150检测到电容电压\低于参考电位Vref则会控制开关SW为不导通状态，而电感L进 行释能动作，使得二极管D呈现导通状态，因此电源转换器11的输出电流及电感L释能对 电容C进行储能动作。简而言之，本发明实施例提出的发光二极管串端电压控制电路15通过检测电容 电压vc，适时控制开关SW的导通/不导通动作，让流过发光二极管串10的电流值维持均流 状态，并维持发光二极管输出亮度相同。线路上利用电容C与电感L的储能和释能特性，让 控制电路15上的能量循环再利用，故可有效降低整控制电路15上的能量损失。图5A示出在输入电压Vin = 64. 5V，发光二极管串的正向偏压Vf = 59. 4V，电容C =20 μ F，电感L = 13. 6 μ H且开关SW的切换频率为200ΚΗζ的条件下发光二极管串输入电 流及电容电压Vc与开关SW的责任周期(Duty)的关系曲线实验结果，从图5A可以得知发 光二极管串输入电流会随着电容电压\的上升而下降，电容电压\会开关SW的责任周期 下降而增加，所以控制开关SW的责任周期可以控制发光二极管串输入电流。图5B示出将图5A中的正向偏压Vf变更为57V而其他条件不变时发光二极管串 输入电流及电容电压Vc与开关SW的责任周期(Duty)的关系曲线实验结果，从图5B可以 得知控制开关SW的责任周期也可以控制发光二极管串输入电流。图5C示出将图5A中的输入电压Vin变更为68V而其他条件不变时发光二极管串 输入电流及电容电压Vc与开关SW的责任周期(Duty)的关系曲线实验结果，从图5C可以 得知控制开关SW的责任周期也可以控制发光二极管串输入电流。从图5A至图5C所示的关系曲线实验结果可以得出结论不论输入电压Vin或正向偏压Vf改变皆能通过发光二极管串端电压控制电路15改变开关SW的责任周期来控制发 光二极管串输入电流。请参阅图6，其示出相关本发明实施例的发光二极管照明装置的电路架构示意图。 如图6所示，发光二极管照明装置100包括电源转换器11、脉宽调制控制器13、多个发光二 极管串10a、10b及10c、以及多个发光二极管串端电压控制电路15a、15b及15c ；电源转换 器11接收输入电压Vin进行电压转换以提供输出电压Vq至发光二极管串10a、IOb及IOc的 高电位端，脉宽调制控制器13电性耦接至高电位端以获取输出电压％的大小并根据所获 取的输出电压\的大小控制电源转换器11来对输出电压\进行适当调节。本实施例仅示 出三个发光二极管串以及相对应的三个发光二极管串端电压控制电路作为举例，并非用来 限制本发明，任何本领域普通技术人员可根据实际应用的需要适当增加或减少发光二极管 串的数量以及相对应的发光二极管串端电压控制电路的数量。承上述，发光二极管串10a、10b及IOc的高电位端接收电源转换器11提供的输出 电压I，而发光二极管串端电压控制电路15a、Mb及15c分别电性耦接至相对应的发光二 极管串10a、10b及IOc的低电位端。发光二极管串端电压控制电路15a包括电容Cl、电感 Li、二极管D1、开关SWl及检测电路150a，且检测电路150a可包括低通滤波器151a、比较器 CMP与控制单元153a ；类似地，发光二极管串端电压控制电路15b包括电容C2、电感L2、二 极管D2、开关SW2及检测电路150b，且检测电路150b可包括低通滤波器151b、比较器CMP 与控制单元15 ；发光二极管串端电压控制电路15c包括电容C3、电感L3、二极管D3、开 关SW3及检测电路150c，且检测电路150c可包括低通滤波器151c、比较器CMP与控制单元 153c。本实施例中各个发光二极管串端电压控制电路15a、Mb及15c中的电路元件的电连 接关系与图3所示的发光二极管串端电压控制电路15中的电路元件的电连接关系相同，故 在此不再赘述。需要说明的是，实际应用时，由于多个发光二极管串10a、10b及IOc的负载特性不 同，为使流过各个发光二极管串10a、IOb及IOc的电流趋于相同，在各个发光二极管串10a、 IOb及IOc的高电位端皆连接至同一电位V。且相电性导通的情形下，各个比较器CMP所采用 的参考电位Vrefl、Vref2及Vref3通常需设置为彼此不同。当然，各个发光二极管串10a、 IOb及IOc的高电位端也可分别接收不同的输入电压，及/或各个发光二极管串10a、IOb及 IOc的高电位端可设置为相互独立。此外，对于图6所示的发光二极管照明装置100的操作过程可概述为当流过发光 二极管串10a、10b及IOc的电流不相同时，各个检测电路150a、150b及150c分别检测相对 应的电容C1、C2及C3上的电压并与参考电位Vrefl、Vref2及Vref3分别进行比较，再根据 比较结果适时控制开关SW1、SW2及SW3的导通/不导通动作，并有效搭配电容C1、C2及C3 与电感L1、L2及L3的储能和释能特性，让流过每个发光二极管串10a、10b及IOc的电流达 精确均流效果，并改善发光二极管串端电压控制电路15a、1 及15c上的能量损失，让控制 电路15a、1 及15c上的能量循环再利用，并维持每个发光二极管串10a、10b及IOc的输 出亮度相同。综上所述，本发明实施例通过对发光二极管串端电压控制电路的架构进行新颖设 计，通过检测控制端电压来使流过发光二极管串的电流趋于相同，故可有效改善发光二极 管输入电流不平衡的现象且解决发光二极管亮度不均勻的问题。此外，因使用电容与电感的储能和释能特性并搭配开关控制，让能量循环利用，使流过每串发光二极管的电流达精 确均流效果，并而改善能量损失。 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普 通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保 护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种发光二极管串端电压控制电路，适用于电性耦接于一高电位端与一低电位端之 间的一发光二极管串，该发光二极管串端电压控制电路包括一电容，具有第一端与第二端，该电容的第一端电性耦接于该低电位端，该电容的第二 端电性耦接于一预设电位；一电感，具有第一端与第二端，该电感的第一端电性耦接于该低电位端； 一二极管，具有正端与负端，该二极管的正端电性耦接至该电感的第二端，该二极管的 负端电性耦接至该高电位端；一开关，具有第一端与第二端，该开关的第一端电性耦接至该电感的第二端，该开关的 第二端电性耦接至该预设电位；以及一检测电路，检测该低电位端的电位，并在该低电位端的电位高于一参考电位时控制 导通该开关，在该低电位端的电位低于该参考电位时控制不导通该开关。
2.如权利要求1所述的二极管串端电压控制电路，其中该检测电路包括一低通滤波器，电性耦接至该低电位端以取得该低电位端的电位，并将所取得的该低 电位端的电位通过该低通滤波器而得一稳定电位；一比较器，比较该稳定电位与该参考电位以产生相对应的一电位差异信号；以及 一控制单元，根据该电位差异信号而产生相对应的一控制信号以控制该开关是否导ο
3.一种发光二极管照明装置，包括多个发光二极管串，每一所述多个发光二极管串分别电性耦接于一高电位端与一低电 位端之间；以及多个发光二极管串端电压控制电路，每一所述多个发光二极管串端电压控制电路电性 耦接至所述多个发光二极管串中的对应的一个所电性耦接的该低电位端，任一所述多个发 光二极管串端电压控制电路包括一电容，具有第一端与第二端，该电容的第一端电性耦接于对应的该发光二极管串所 电性耦接的该低电位端，该电容的第二端电性耦接于一预设电位；一电感，具有第一端与第二端，该电感的第一端电性耦接于对应的该发光二极管串所 电性耦接的该低电位端；一二极管，具有正端与负端，该二极管的正端电性耦接至该电感的第二端，该二极管的 负端电性耦接至对应的该发光二极管串所电性耦接的该高电位端；一开关，具有第一端与第二端，该开关的第一端电性耦接至该电感的第二端，该开关的 第二端电性耦接至该预设电位；以及一检测电路，检测对应的该发光二极管串所电性耦接的该低电位端的电位，并在对应 的该发光二极管串所电性耦接的该低电位端的电位高于一参考电位时控制导通该开关，在 对应的该发光二极管串所电性耦接的该低电位端的电位低于该参考电位时控制不导通该 开关。
4.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其中所述多个发光二极管串所电性耦接 的所述多个高电位端具备同一电位。
5.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其中所述多个发光二极管串所电性耦接 的所述多个高电位端具备同一电位且相电性导通。
6.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其中该检测电路包括一低通滤波器，电性耦接至对应的该发光二极管串所电性耦接的该低电位端，并将所 取得的电位通过该低通滤波器而得一稳定电位；一比较器，比较该稳定电位与该参考电位以产生相对应的一电位差异信号；以及 一控制单元，根据该电位差异信号而产生相对应的一控制信号以控制该开关是否导ο
7.如权利要求6所述的发光二极管照明装置，其中所述多个发光二极管串所电性耦接 的所述多个高电位端具备同一电位。
8.如权利要求6所述的发光二极管照明装置，其中所述多个发光二极管串所电性耦接 的所述多个高电位端具备同一电位且相电性导通。
9.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其中每一所述多个发光二极管串所对应 的该参考电位彼此不同，且该参考电位的选定使流过每一所述多个发光二极管串的电流为 相同值。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管串端电压控制电路以及发光二极管照明装置，该发光二极管串端电压控制电路，适用于电性耦接于高电位端与低电位端之间的发光二极管串且包括电容、电感、二极管、开关以及检测电路。电容的第一端与第二端分别电性耦接于低电位端与预设电位；电感的第一端电性耦接于低电位端；二极管的正端与负端分别电性耦接于电感的第二端与高电位端；开关的第一端与第二端分别电性耦接至电感的第二端与预设电位；检测电路检测低电位端的电位并在低电位端的电位高于考考电位时控制导通开关，在低电位端的电位低于参考电位时控制不导通开关。本发明可有效改善发光二极管输入电流不平衡的现象且解决发光二极管亮度不均匀的问题。
文档编号H05B37/02GK102131332SQ201110102468
公开日2011年7月20日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年12月24日
发明者张佳源, 张文地, 林晃蒂, 黄俊杰 申请人:友达光电股份有限公司