Led阵列发光设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种连接在AC源和LED阵列的驱动器之间的无损LED正向电压匹配网络，其中，LED阵列串联连接并且在LED驱动的输出电压超出LED阵列的各自正向电压时被相继地激活。匹配网络将来自AC源的电压大致降低到串联连接的LED阵列的总正向电压，从而增加了设备的效率。
【专利说明】LED阵列发光设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及驱动发光二极管(LED)阵列的电源。具体地，为了提高总正向电压明显低于AC电源的电压的串联LED阵列的效率，在AC电源和LED驱动器阵列之间提供无损正向电压匹配网络。无损正向电压匹配网络降低了 AC电源输入到LED驱动器的电压以匹配串联LED阵列的总正向电压，使设备的效率更高。
[0002]【背景技术】
[0003]市场上存在两种主要类型的用于LED照明的电源-常规行频电源和开关电源。行频或线性电源的结构相对简单，但效率低下。开关电源的效率较高，但设计复杂而且电磁干扰高。
[0004]图1示出了驱动LED阵列的简单线性电源。LED设备100包括具有火线和中性端子的AC电压源102，AC电压源102产生正弦AC源电压。AC源电压施加到桥式整流器104上，该桥式整流器104将正弦AC输入电压转换成具有纹波的DC电压。DC电压施加到LED阵列106上。每个LED阵列106具有正向电压，当施加的电压超出正向电压时，LED将开始发光。线性电流源108调节流过LED阵列106的电流。
[0005]图2示出了 LED设备100随时间的光输出。由于AC电压被整流并且被施加到LED阵列106上，当施加到LED阵列上的电压超出串联连接的LED阵列的正向电压总和时，LED阵列开启并提供光。由于整流的AC线电压周期地从零至峰值水平，并再次降回零，无论何时线电压水平降低到LED串的正向电压之下，LED串关闭。此外，在AC电压波形的零交叉点，LED电流是不连续的。如图2所示，LED阵列仅仅在大约60%的时间内提供照明，关断时间大约为40%。
[0006]为了保持用于LED 阵列的线性模式电源的简单设计，同时提高效率并降低光关断时间，制造商提出了下述设想:当源电压不足以开启整个LED串时，仅为LED串的一部分供电。在于2010年8月12日提交的美国临时专利申请N0.61/373，058、Leung等人的美国专利申请公开N0.2012/0038615以及Leung等人的美国专利申请公开N0.2012/0038285中更详细地解释了这些设备的主要内容和运行，通过引用将这些申请并入本文中。这些申请公开了根据激活的LED阵列的数量控制电流源的各种设备和方法。
[0007]简化的示例电路在图3中示出，图3是示出了在半个线周期中产生可变正向电压串的概念的图示。如图3所示，LED串可以分成η个LED阵列Dl-Dn，其中，η≥I。每个LED阵列可包括一个或多个LED。AC电压302 (其可以是AC电源)由桥式整流器或LED驱动器304整流，并且施加到LED阵列Dl-Dn上。LED阵列Dl-Dn由电流源Il-1n供电。电流源Il-1n由比较器306控制，比较器306跨接到LED驱动器304的输出上。当AC电压302越过LED阵列Dl的正向电压时，比较器306使得电流源Il被激活并且LED阵列dl发光。随着电压增加并超出LED阵列的每个累积正向电压，各个LED阵列和电流源将相继地被打开。
[0008]这在图4中从概念上示出。在图4中，桥式整流器304的输出上的整流的电压被示为电压曲线402。位于电压曲线402之下的LED阵列Dl-Dn和线性电流源Il-1n的图示表示在特定时间、在特定电压水平下处于激活状态的元件。因此，当电压曲线402等于由比较器306确定的电压水平并且超出LED阵列Dl的正向电压时，LED阵列Dl被激活，如404所示。随着电压升高并超出LED阵列Dl和D2的正向电压的总和，比较器306使得电流源12被激活，并且使LED阵列Dl和D2被激活，如406所示。继续这种过程，直到达到最大电压，如图中的中心部分所示，其中LED阵列Dl-Dn和电流源In被激活，如408所示。随着施加的电压降低，LED阵列相继地被停用。应该注意到，当n=l时，LED仅仅是单串，并且驱动器被减少到如图1所示的单个线性电流源。
[0009]图5示出了 LED驱动方法的光输出波形，其中，LED阵列被分成5个阵列(即，n=5)，阵列的正向电压比率为5:4:3:2:1。正如从波形中看出的那样，利用这种配置，关断时间被降低至IJ 10%。
[0010]然而，整个LED串的正向电压必须接近输入电压源的峰电压值，以实现良好的效率。这需要正向电压大于峰输入电压的93%，以实现90%的效率。例如，对于220V AC的峰值电压为31IV的电源来说，为了实现90%的效率，需要290V的正向电压LED串。如果使用正向电压较低的LED串，效率将明显下降。例如，由220V AC电源供电的150V正向电压LED串仅能够实现60%的效率。LED正向电压的这种局限限制了 LED的选择。
[0011 ] 因此，基于这些考虑以及其他考虑，提出了本实用新型。
实用新型内容
[0012]鉴于上述原因，需要进一步改进现有技术。
[0013]根据本实用新型的第一实施方式，AC电源为LED正向电压匹配网络提供AC电流，该LED正向电压匹配网络在馈入到LED驱动器中之前降低了电压水平。LED驱动器将AC电流转换成从O到峰值变化的已整流信号。已整流信号随后施加到一系列LED阵列上。随着输出电压超出每个LED阵列的正向电压，各个LED阵列开启，并且通过关联的电流源为LED阵列提供电流。在一种实施方式中，LED正向电压匹配网络将电压水平降低到等于或略大于该系列LED阵列的正向电压水平的电压水平。
[0014]作为示例性实施方式，LED正向电压匹配网络可以采取串联连接的电感、串联连接的电容或串联连接的电容和电感的组合的形式。在本实用新型的另一实施方式中，LED正向电压匹配网络补偿由降低AC电源的电压的元件所导致的相移。
[0015]在示例性实施方式中，LED阵列发光设备，包括:布置在串联路径上的多个LED阵列，每个LED阵列具有正向电压；LED驱动器，其连接到多个LED阵列上并为该多个LED阵列输出已整流电压；一个或多个电流源，连接在LED阵列之间并且配置为在LED驱动器的输出电压超出串联路径中的各自LED阵列的正向电压时为每个各自的LED阵列提供电流；及连接到LED驱动器上的LED正向电压匹配网络，用于降低由电压源提供的电压，由此减小LED驱动器输出和串联路径中的多个LED阵列的全部的正向电压的总和之间差值。
[0016]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络降低了由电压源提供给LED驱动器的电压，从而串联路径中的多个LED阵列的正向电压的总和至少为LED驱动器的峰值输入电压的93%。
[0017]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络在LED正向电压匹配网络的输入和输出之间包含与至少一个电感串联连接的至少一个电容。[0018]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络在LED正向匹配网络的输入之间包含与至少一个额外的电感串联连接的至少一个额外的电容，以补偿消耗的电流的相移。
[0019]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入和输出之间串联连接的至少一个电容。
[0020]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络包含连接在LED正向匹配网络的输入之间的至少一个电感，以补偿消耗的电流的相移。
[0021]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入和输出之间串联连接的至少一个电感。
[0022]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入之间连接的至少一个电容，以补偿消耗的电流的相移。
[0023]在另一例性实施方式中，一种为LED阵列发光设备提供电能的方法,包括:降低输入到LED驱动器中的AC电源的电压；在LED驱动器整流AC电源的降低的电压；将已整流的电压施加到布置在串联路径中的多个LED阵列上，每个LED阵列具有正向电压；在1^0驱动器的输出电压超出串联路径中的各自LED阵列的正向电压时，激活连接在各个LED阵列之间的一个或多个电流源；并且其中，至LED驱动器的AC电源的降低的电压稍大于多个LED阵列的正向电压的总和。
[0024]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络降低了由电压源提供给LED驱动器的电压，从而串联路径中的多个LED阵列的全部的正向电压的总和至少为LED驱动器的峰值输入电压的93%。
[0025]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络通过LED正向匹配网络的输入之一和输出之一之间与至少一个电`感串联连接的至少一个电容降低电压。
[0026]在另一示例性实施方式中，LED正向电压匹配网络通过LED正向匹配网络的输入之间的与至少一个额外的电感串联连接的至少一个额外的电容补偿相移。
[0027]在另一示例性实施方式中，一种LED阵列发光设备，包括:布置在串联路径上的多个LED阵列，每个LED阵列具有正向电压；LED驱动器，其连接到多个LED阵列上并为该多个LED阵列提供输出电压；用于在LED驱动器的输出电压超出串联路径中的各自LED阵列的正向电压时，激活每个LED阵列的装置；及用于降低由电压源提供给LED驱动器的电压的
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[0028]在另一示例性实施方式中，LED阵列发光设备还包括用于补偿相移的装置，其中用于降低由电压源提供给LED驱动器的电压的装置导致了该相移。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]附图仅用于展示的目的，并且未必按比例绘制。然而，可以结合附图参考下文中详细说明而更好地理解本实用新型本身，附图中:
[0030]图1示出了驱动LED阵列的简单线性电源；
[0031]图2不出了图1中的设备随时间的光输出；
[0032]图3是示出了在半个线周期中产生可变正向电压串的概念的图示；
[0033]图4从概念上示出了桥式整流器的输出上的整流电压，其施加到LED阵列上，其中，在特定时间、在特定电压时被激活的LED阵列被示为处于曲线之下；
[0034]图5示出了图4中的LED驱动方法的光输出波形，其中，LED阵列被分成5个阵列；
[0035]图6示出了本实用新型的匹配网络连接至LED驱动器的一种实施方式；
[0036]图7示出了以一般形式展示的无损LED正向电压匹配网络的一种实施方式；
[0037]图8a_8d示出了无损LED正向电压匹配网络的其他实施方式；及
[0038]图9示出了匹配网络的输入、输出电压和电流波形。
【具体实施方式】
[0039]下文将参考附图描述各种实施方式，附图形成说明书的一部分并且以展示的方式示出了特定实施方式。然而，本实用新型可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限制在本文列出的【具体实施方式】中。而且，提供这些实施方式，以使得本公开文本彻底和完整，并且将全面地将本实用新型的范围传达给本领域技术人员。如下所述，可以轻易地结合本实用新型的各种实施方式，而不脱离本实用新型的范围和精神。
[0040]下文简要地描述了本实用新型的实施方式，以提供对本实用新型一些方面的基本理解。其目的既不是确定关键或重要的元件，也不是描绘或以其他方式缩小本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式呈现一些概念。
[0041]无损LED正向电压匹配网络的大体位置在图6中示出。匹配网络602连接在AC电压源604和LED驱动器或桥式整流器606之间。匹配网络602将AC源电压作为输入并且为LED驱动器606输出幅度降低的AC电压。LED驱动器606为串联连接的LED阵列608提供整流信号，其中，随着LED驱动器606的输出电压超出LED阵列的各自正向电压，LED阵列608相继地被激活。比较器610基于LED驱动器606的输出电压激活各个电流源612，以为LED阵列提供驱动电流。尽管本文提供了相继激活LED阵列的方法的一般实施方式，但本文以及Leung等人的美国专利申请公开N0.2012/0038615中提供的任意方法都可以用于激活连接到LED驱动器606的LED阵列配置并为之供电。
[0042]图7示出了无损LED正向电压匹配网络的一种实施方式。在该实施方式中，在匹配网络的输入和输出之间提供了串联的电容Cs和电感Ls。基于输入电压和需要的输出电压(其中输出电压取决于LED阵列的正向电压的总和)之间的比值选择电容和电感的值，从而降低供给到LED驱动器上的输出电压。假设LED驱动器的阻抗大约是电阻的(resistive)，并且Cs和Ls的总串联阻抗(由Xs表示)是纯粹电抗的。频率F上的输入电压Vi施加到网络上，以产生输出电压Vo，从而驱动LED驱动器。LED驱动器引起平均电流为Id，这也是通过Cs和Ls的电流。Vi和Vo之间的电流关系可以写为下式:
[0043]Vi2=Id2Xs2+Vo2 (I)
[0044]其中
[0045]Xs=I/(2 F Cs)-2 F Ls (2)
[0046]假设总正向电压为150V的20mA (Id)的LED串由220Vac (Vi)/50Hz (F)的电源供电，期望的是通过无损LED正向电压匹配网络使输入电压降低到120Vac (Vo)，从而实现良好的效率。在这种情况下，Xs可以计算为9220ohm。通过为Cs指定0.33uF的实用值,Ls可以被计算为1335mH。通过降低供给到LED驱动器上的输出电压，为LED阵列608提供了较低的电压，当适当选择电压时，这克服了在利用线性LED驱动器驱动低正向电压LED时的低效率问题。Cs和Ls的添加为从AC源604流出的电流引入了相移(超前或滞后)。因此，在另一实施方式中，提供电感Lp和电容Cp以补偿该相移。
[0047]图8a_8d示出了匹配网络的其他实施方式。匹配网络602可以减少到其最简形式，该最简形式使用单个串联连接的电感Ls或串联连接的电容Cs。
[0048]图8d中示出的匹配网络的效率增益的具体实例由图9的图形示出。图9示出了来自AC源604 (采用图6的配置)的输入电压902、来自匹配网络602的输出电压904以及匹配网络602 (采用图8d的匹配电流网络)的电流波形906。Cs的值为0.33uF。在该实例中，输入电压为220Vac，输出电压为145Vac。在该具体实例中，LED正向电压是150V。输出电压(比220Vac更接近LED正向电压(150V))为线性LED驱动器供电，从而在较高效率运行状态下工作。由220Vac源供电的150V正向电压LED串的效率可以从59%增加至80%，其中，通过本实用新型的匹配网络将电压降低至145Vac。考虑220Vac源的半个线周期，峰电压为311V。当相位角在29。(0.51rad)和151° (2.64rad)之间时(其中，线电压高于150V)，将流过LED电流。假设LED电流恒定并由I表示，由LED驱动器消耗的电力为:
[0049]
【权利要求】
1.一种LED阵列发光设备,包括: 布置在串联路径上的多个LED阵列，每个LED阵列具有正向电压； LED驱动器，连接到所述多个LED阵列上并为所述多个LED阵列输出已整流电压； 一个或多个电流源，连接在LED阵列之间并且配置为在LED驱动器的输出电压超出串联路径中的各自LED阵列的正向电压时，为每个各自的LED阵列提供电流 '及 LED正向电压匹配网络，连接到LED驱动器上，用于降低由电压源提供的电压，由此减小LED驱动器输出和串联路径中的所述多个LED阵列的全部正向电压的总和之间差值。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络降低了由电压源提供给LED驱动器的电压，从而串联路径中的所述多个LED阵列的正向电压的总和至少为LED驱动器的峰值输入电压的93%。
3.根据权利要求1所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络在LED正向电压匹配网络的输入和输出之间包含与至少一个电感串联连接的至少一个电容。
4.根据权利要求3所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络在LED正向匹配网络的输入之间包含与至少一个额外的电感串联连接的至少一个额外的电容，以补偿被消耗电流的相移。
5.根据权利要求1所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入和输出之间串联连接的至少一个电容。
6.根据权利要求5所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络包含连接在LED正向匹配网络的输入之间的至少一个电感，以补偿被消耗电流的相移。
7.根据权利要求1所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入和输出之间串联连接的至少一个电感。
8.根据权利要求7所述的发光设备，其中，LED正向电压匹配网络包含在LED正向匹配网络的输入之间连接的至少一个电容，以补偿被消耗电流的相移。
9.一种LED阵列发光设备,包括: 布置在串联路径上的多个LED阵列，每个LED阵列具有正向电压； LED驱动器，连接到所述多个LED阵列上并为所述多个LED阵列提供输出电压； 用于在LED驱动器的输出电压超出串联路径中的各自LED阵列的正向电压时，激活每个LED阵列的装置；及 用于降低由电压源提供给LED驱动器的电压的装置。
10.根据权利要求9所述的LED阵列发光设备，还包括: 用于补偿相移的装置，其中用于降低由电压源提供给LED驱动器的电压的装置导致了该相移。
【文档编号】H05B37/02GK203590520SQ201320416283
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】梁华兴, 萧锦华 申请人:惠州元晖光电股份有限公司