专利名称：Led辅助稳定电路的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种LED辅助稳定电路，适用于串联的LED恒流单元，特别适用于整串LED中，未接地的LED恒流单元，亦即可浮接于任一 LED恒流单元。
背景技术：
在高电压输入条件下,传统LED线性恒流(linear constant current)控制集成电路(IC)的最高耐压程度与输入电压相当，可保护控制IC不至烧毁。然而，耐压越高则所采用的集成电路制程越复杂，导通电阻也越大。欲产生等值的恒流，其相对应的面积也越 大。目前的解决方法是将数个低电压恒流控制开关串接，通过叠加方式增加整体耐压。由于制程简易，导通能力较佳，因此广泛被大众所采用；例如台湾数能科技的产品编号NU501。然而，将每一个恒流控制开关以固定电流型式串接不像定电压单元串接。实际上，每一个恒流控制开关的源极至输出端的电位都不尽相同。另外，当其中一个恒流控制开关的震荡幅度大于导通所需的最低恒流电压时，将会造成整串电流降至零。于是整串恒流控制开关将重新寻找工作电压的平衡点，在此过程中，串接路径上的寄生电感因充放电会产生震荡及造成闪烁，大幅降低实用性。因此，传统的串接恒流控制开关仅适用于噪声极低的稳定的DC输入电源，或是低串接数，甚至单级恒流控制开关运用。图I显示传统LED恒流单元的串接模式。一个完整的LED串可分成数个短串，每个LED短串末端连接恒流集成电路93的电流输入端931，提供恒流集成电路93工作电流。电流经过恒流控制开关94，由电流输出端933流出。图2显示图I中恒流控制开关94的典型结构。LED短串的电流输出端接至NMOS的漏极，NMOS的源极连接至一固定电阻R1，电阻Rl的另一端连接至后续的LED或接地。运算放大器(OPAMP)Kl的负端接至固定电阻R1，并联NMOS的源极，正端则接至参考电位(VREF)。运算放大器Kl的输出端接至NMOS的栅极，可将电阻集成电路化，且阻值特性不随制程及环境温度所改变，不需再外挂一电阻。在图I中，每一 LED短串的末端LED与一供电电路91并联，该供电电路91的两端分别连接末端LED的输入端92与恒流集成电路93的电压输入端932。供电电路91由电压输入端932供给恒流集成电路93电能，使恒流控制开关能正常工作。每一 LED短串、恒流集成电路93及供电电路91形成一 LED恒流单元，并可再串联其它恒流单元。然而，在此传统架构中，若LED电流中断，则所串接的恒流集成电路93将无法工作。为克服上述问题，本实用新型提出一解决方案，不仅在LED电流中断时，仍可维持恒流集成电路继续工作，且经济而容易应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种LED辅助稳定电路，可应用于串接的恒流单元；当LED电流中断时，仍可维持恒流集成电路继续工作，以增加系统的稳定度。[0009]本实用新型的LED辅助稳定电路电性耦合至一 LED恒流单元。该耦合的LED恒流单元为多个串接的LED恒流单元中未接地的一个，并包括n个串联的LED、一恒流集成电路及一供电电路。n个LED依序编号为LEDl、…、LEDn，n>2。恒流集成电路具有一电流输入端连接LEDn的电流输出端，一工作电压输入端经由供电电路连接至LEDm (2彡m彡n)的电流输入端，及一未接地的电流输出端。本实用新型中，除了最末端的LED恒流单元为实际接地之外，其它LED恒流单元的「电流输出端」则可视为浮接的接地端。本实用新型的LED辅助稳定电路包括一稱合电容,一端连接至LEDx (I彡x彡m)的电流输入端节点，另一端连接至该恒流集成电路的电流输出端。耦合电容的一端较佳为连接至LEDm的电流输入端节点。多个串联的LED恒流单元中，第一个LED恒流单元的电流输入端通常连接至一桥式整流器的输出端，桥式整流器则连接至一外部电源。本实用新型的LED辅助稳定电路尚可包括一加速电容，一端连接至恒流集成电路的工作电压输入端，另一端连接至桥式整流器的输出端。LED恒流单元较佳为封装于一封装体内，并以一接脚连接该封装体外的耦合电容及/或加速电容。一般整流电容的容值范围为0 400uF时，耦合电容的容值范围为0. I 20uF，则两个容值相加后的范围约为IOuF 420uF。本实用新型不仅能提高整体LED的工作耐压值，并能显著提升功率因子，在高电压条件下维持稳定的定电流输出。本实用新型能直接连接于交流电的桥式整流输出后，结构简单，不需变压器磁性组件，可大幅降低成本。
图I显示传统LED恒流单元串接模式。图2显示传统恒流集成电路的定电流结构。图3显示本实用新型第一实施例的LED辅助稳定电路并联于LED恒流单元的架构。图4显示桥式整流后电容的充放电周期。图5及图6显示本实用新型第一实施例中，末端LED恒流单元于电压输入端的震
荡噪声量测值。图7显示本实用新型第一实施例的LED恒流单元封装体与耦合电容的关系图。图8显示本实用新型第二实施例加入第二(加速)电容的架构图。图9显示本实用新型第三实施例的LED辅助稳定电路并联于LED恒流单元的架构。符号说明AC交流电源901 桥式整流器902供电电路91 LEDn的电流输入端92恒流集成电路93电流输入端931工作电压输入端 932 电流输出端933[0031]恒流控制开关94整流电容 CO耦合电容Cl加速电容 C2运算放大器Kl接脚Pl P6固定电阻Rl
具体实施方式
图3显示本实用新型的第一实施例，AC交流电源901提供输入电压VIN，并经桥式整流器902及整流电容CO并联后，电压为约155V(= IlOX V 2)，再接至LED串的输入端。图中，本实用新型的辅助稳定电路电性耦合至多个未接地的LED恒流单元。每一个LED恒流单元包括n个LED，依序编号为LEDI、…、LEDn，n彡2。在此实施例中，恒流集 成电路93的电压输入端932与耦合电容Cl并联。耦合电容Cl的一端连接至每一 LED短串末端的LEDn的输入端92，另一端连接至恒流集成电路93的电流输出端933。当输入电压VIN起始瞬间，电流会经过耦合电容Cl，藉此降低电压突波的冲击，保护恒流集成电路93的电压输入端932。经过一段时间后，恒流控制开关94建立恒流，则耦合电容Cl的电压值相等于末端LED的电压值。通常，恒流控制开关在量产过程中存在些许差异，因此输出电压不尽相同，造成每一恒流集成电路93的电流输入端931对电流输出端933压差不同。此外，由于线路寄生电感等因素，LED串容易产生闪烁。本实用新型增加耦合电容Cl后，因为耦合电容Cl可持续提供恒流集成电路93电源，将可有效解决上述电路不稳定，甚至无电流流经LED的问题。如此，恒流集成电路93内部的运算放大器Kl可将NMOS开启，降低整个电路的电阻。结果使得电路能迅速恢复恒流，而大幅降低震荡。图4显示整流电容CO的周期包括充电时间Tl及放电时间T2。平均输出电流IAVG=(I1XT1+I2XT2)/(T1+T2);其中Il =整流电容CO充电时的平均电流，12 =整流电容CO放电时的平均电流。在此实施例中，AC为110V，单一 LED的VF为3. 5V，恒流集成电路93的电压输入端932耐压为约35V，电流输入端931耐压为约30V，压差为约5V。考虑整体耐压，故选一个LED跨在电压输入端932与电流输入端931之间，使得两者耐压有最佳化的运用。恒流控制开关94平均耗电流 1mA。在此实施例中，LED串包括39颗LED,则LED串的总VF为136. 5V ( = 3. 5 X 39)，效率为约88% (= 136. 5/155)。每13颗LED配置一个恒流控制开关，可形成三个恒流单元。量测结果LED峰值电流(IPEAK)为50mA，峰值电压(VF-PEAK)为3. 8V，最小电流(IMIN)为35mA，最小电压(VF-MIN)为3. 2V。故恒流控制开关的恒流设计为50mA，使得LED串的电流不超过50mA。耦合电容Cl与整流电容CO的容值设计如下在整流电容CO放电期间，耦合电容Cl应能维持LED短串正常工作。因耦合电容Cl为较便宜的低压电容，故可选择较大容值，例如20uF的耦合电容Cl，耐压约25V。通常LED灯具的寿命要求为至少8万小时，而整流电容CO为较贵的耐高电压组件。若考虑经济因素，则不宜选择太大容值的整流电容CO。例如约12uF的整流电容CO，即可在放电期间提供LED所需能量。[0043]在此实施例中，经实际量测IAVG为约39. 8mA,功率因子(Power Factor, PF)为约0. 58，符合预期的IAVG为约40mA。输出功率计算为约5. 4ff( = 136. 35X0. 0398)。此外，量测最后一个恒流单元的电压输入端932的震荡噪声，结果如第5及图6所示。图5中，纵轴间隔为500mV，显示无耦合电容Cl时，其震荡振幅大于I. 3V。图6中，纵轴间隔为50mV，显示加入容值为20uF的耦合电容Cl时，其震荡振幅不超过0. 15V。图7显示本实施例的封装架构，其中LED、恒流控制开关94及供电电路91于同一封装体中，可省去集成电路封装费用。封装体除了有LED专用的电流输出入接脚Pl及P2，并有接脚P3 P6与耦合电容Cl连接。图8显示本实用新型第二实施例。在此实施例中，输入较高电压220V，可串接较多恒流单元(图中未一一绘示)。每一恒流单元于初始启动瞬间，电压分布不一。经量测得知， 较接近桥式整流器902的恒流单元会有较大压差，且与最后一个恒流单元是否已形成电流通道有关。因此，可再加一加速电容C2跨接于电源输入端VIN或桥式整流器902与恒流集成电路93的电压输入端932的间。如图所示，由电压输入端932的等效加速电容C2与耦合电容Cl并联，通过电容耦合可迅速将能量传递至其它恒流单元，并同时接收到VIN变化，缩短恒流控制集成电路反应时间。此外，电压输入端932的等效电容值增大为两者相加(=C2+C1)。图9显示本实用新型第三实施例。在此实施例中，为考虑电路布局，耦合电容Cl跨接在恒流集成电路93及供电电路91上；亦即耦合电容Cl的一端由末端LED的输入端92前移至其它LED的输入端。同样地，当电源无法提供LED输入电压VIN，或LED无电流经过时，耦合电容Cl仍可提供恒流单元中LED所需电压VF，使NMOS开启。PF值与整流电容CO息息相关，整流电容CO越小则PF越高。此时，整流电容CO造成压降亦愈大，亦即图4中放电曲线的斜率会愈陡。当电压低于整串LED的VF值时，将无电流流经LED，使恒流集成电路无法正常工作，并导致NMOS关闭。在某些电路设计中，为了提高PF值(例如0.9以上)，甚至未设置整流电容CO。结果，恒流集成电路必须频繁地重新启动，容易造成LED闪烁。本实用新型提供的LED辅助稳定电路通过耦合电容Cl适时供应电能，将可解决上述问题。然而，耦合电容Cl的容值若能配合整流电容CO的容值，更可将效果发挥到最佳状态。以下为本实用新型经实验所得的较佳结果，例如(I)当CO范围为0 20uF时，Cl较佳为I 20uF，且C0+C1较佳为10 40uF，更佳为IOuF 30uF。(2)当CO范围为20uF IOOuF时，Cl较佳为0. I 10uF，C0+C1较佳为25uF IlOuF,更佳为 35uF 105uF。(3)当 CO 范围为 IOOuF 400uF 时，Cl 较佳为 0. I luF。本实用新型中，LED恒流单元的串联数并无特别限制。每一 LED恒流单元中，LED的串联数亦无特别限制，就目前常用的LED的VF推估，较佳约为2 40个。
权利要求1.一种LED辅助稳定电路，其特征在于，电性耦合至一 LED恒流单元；该耦合的LED恒流单元为多个串联的LED恒流单元中未接地的一个，包括n个LED、一恒流集成电路及一供电电路；其中 该n个LED为串联，并依序编号为LED1.....LEDn, n ^ 2 ;及 该恒流集成电路具有一电流输入端连接LEDn的电流输出端，一工作电压输入端经由该供电电路连接至LEDm (2 ^m^n)的电流输入端，及一未接地的电流输出端； 该LED辅助稳定电路包括一稱合电容,一端连接至LEDX(1 < X < m)的电流节点，另一端连接至该恒流集成电路的电流输出端。
2.如权利要求I所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，该耦合电容的一端连接至LEDm的电流节点。
3.如权利要求I所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，该LED恒流单元封装于一封装体内，并以至少一个接脚连接该封装体外的该耦合电容。
4.如权利要求I所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，该多个串联的LED恒流单元的第一个LED恒流单元的电流输入端连接至一桥式整流器的输出端，该桥式整流器系连接至一外部电源。
5.如权利要求4所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，更包括一加速电容，一端连接至该恒流集成电路的工作电压输入端，另一端连接至该桥式整流器的输出端。
6.如权利要求4所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，该LED恒流单元封装于一封装体内，并以至少一个接脚连接该封装体外的该加速电容。
7.如权利要求4所述的LED辅助稳定电路，其特征在于，该桥式整流器的输出端并联一整流电容，且该整流电容的容值范围为O 400uF，该耦合电容的容值范围为0. I 20uF。
8.如权利要求4的LED辅助稳定电路，其特征在于，该桥式整流器的输出端并联一整流电容，且该整流电容的容值与该耦合电容的容值之和为10 420uF。
专利摘要本实用新型提供一种LED辅助稳定电路，通过一电容与恒流集成电路及LED并联，使LED电流中断时，仍可提供恒流集成电路工作电流。本实用新型不仅能提高整体LED的工作耐压值，并能显著提升功率因子，在高电压条件下维持稳定的定电流输出。本实用新型能直接连接于交流电的桥式整流输出后，结构简单，不需变压器磁性组件，可大幅降低成本。
文档编号H05B37/02GK202587488SQ20122010421
公开日2012年12月5日 申请日期2012年3月19日 优先权日2011年9月1日
发明者王弘宗, 彭元佑 申请人:主一科技股份有限公司