一种发光二极管驱动装置制造方法
一种发光二极管驱动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块和LED模块，所述整流模块与多个LED负载串联构成一个回路。所述LED模块包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组采用LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。本实用新型的发光二极管驱动装置采用了改进后的整流模块，可以有效的降低LED频闪深度，提高照明体验。同时采用了不同的LED芯片结构，能够提升发光二极管的发光效率和稳定性。
【专利说明】一种发光二极管驱动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种驱动装置，尤其涉及一种发光二极管驱动装置。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，能源的消耗也日益增大，节能，降低能耗成了当今发展的重点工作之一，在照明领域，新型的LED照明技术，高能效利用率受到人们的青睐，但是LED的民用推广确实困难重重，究其原因，还是价格太高，还没达到普通大众可以接受的程度。同时传统的开关电源在LED应用中，成了制约LED实际使用寿命的瓶颈。简化，优化LED驱动技术，成了当务之急，交流直接驱动技术在很大程度上解决了这些问题，但是却导致了 LED的频闪问题，虽然现在还没有确凿的证据表明频闪对人的伤害，但是高品质的照明是我们追求的目标。
[0003]随着电气化时代的发展，交流电的整流方式也随之发展，桥式整流电路广泛应用于各种电路中，特别是用来将交流电AC整流成直流电DC。如图1所示为一种常规的桥式整流电路。该桥式整流电路包括4只二极管101、102、103、104，这4只二极管成电桥连接。在第一供电端INl和第二供电端IN2处输入的交流电，通过该桥式整流电路，在输出OUTl和0UT2处变换为直流电。通常在实际应用中可以在输出OUTl和0UT2之间连接电容105，以便输出更加稳定的直流电压。
[0004]由于滤波电容105的影响，该电路接入负载后功率因数较低，造成了电力资源的浪费，故在实际应用中，经常可见如图2所示的电路，在图1的桥式整流电路后端接入由二极管206、207、208以及电容205、209组成的填谷式功率因数校正电路。在开关电源的应用中，该电路可以将功率因数校正至0.8左右，但是增加了三颗二极管和两颗电解电容，使得体积增加，同时在应用时，如果做降压使用其实际输出的电压只有输入电压的1/2。
[0005]国际专利 W02004/023568A1 “LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTINGELEMENTS”中，提出了在蓝宝石衬底上集成LED芯片阵列，从而提供一种交流电力驱动的发光装置，但没有解决LED的发光闪烁问题。
[0006]美国专利US7, 489，086B2“AC LIGHT EITTING D1DE AND AC LED DRIVE METHODS ANDAPPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明是一种将多个LED发光单元集成封装的器件，利用人眼的视觉暂留效应来弥补交流周波电力工作下LED的发光频闪现象。但是，同样没有解决交流电压波动而造成的发光闪烁现象，也没有使用恒流电路。
[0007]专利CN100464111C公布了一种利用不同发光颜色的LED芯片并联在交流电源中的交流LED灯，主要描述不同颜色的LED芯片在一起构成白光及其具体电路，而没有涉及发光粉。
[0008]可见，在已公开交流LED发光装置中，都存在如下缺点:其一，在交流电周期中，LED芯片存在发光间隔，使装置具有发光频闪现象；其二，LED电流会随着交流电压的波动而波动，导致LED发光时出现亮度变化，具有发光闪烁的现象。其三，没有使用恒流电路，在LED结温升高时，其开启电压会下降，由于输入电压不变，使得LED的正向电流急剧增加，严重时会使LED的PN结造成热击穿，永久损坏。
实用新型内容
[0009]为了克服现有发光二极管驱动装置技术存在的上述不足，本实用新型提供了一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块和LED模块，所述整流模块与多个LED负载串联构成一个回路，
[0010]其特征在于，
[0011]所述LED模块包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组的所述多个LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
[0012]根据一个优选实施方式，所述LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底、N型GaN层、多量子阱、P型GaN层、TCL层和P型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
[0013]根据一个优选实施方式,所述LED芯片为垂直结构时,每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层、反射体，P型GaN层、多量子阱、N型GaN层和N型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
[0014]根据一个优选实施方式，所述LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，LED芯片倒装在基板上，LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。
[0015]根据一个优选实施方式，所述整流模块包括正半周整流支路、正半周馈电支路、负半周整流支路和负半周馈电支路，其中，
[0016]所述正半周整流支路包括:第一二极管、第二二极管和第六二极管，其中，第二二极管的正极连接第一供电端，负极与第一二极管的正极相连；第一二极管的负极与所述整流模块的第一输出端相连；第六二极管的正极与所述整流模块的第二输出端相连，负极与第二供电端相连；
[0017]所述负半周整流支路包括:第三二极管、第四二极管和第五二极管，其中，第三二极管的负极与第一供电端相连，正极与所述整流模块的第二输出端相连；第五二极管的正极连接第二供电端，负极与第四二极管的正极相连；第四二极管的负极与所述整流模块的第一输出端相连；
[0018]所述正半周馈电支路还包括第一电容和第四电容，其中，第一电容的一端与第四二极管的正极相连，另一端与第一供电端相连；第四电容的一端连接第二供电端，另一端连接所述整流模块的第二输出端；
[0019]所述负半周馈电支路还包括第二电容和第三电容，其中，第二电容的一端连接第一供电端，另一端连接所述整流模块的第二输出端；第三电容的一端连接第一二极管的正极，另一端连接第二供电端。
[0020]根据一个优选实施方式，所述驱动装置还包括开关模块，所述开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与所述整流模块的所述第二输出端之间，以便根据所述电压采样单元的电压信号进行通断控制。
[0021]根据一个优选实施方式,每个开关单兀的电压米样单兀分别包括第一米样电阻、第二采样电阻和第一稳压二极管，其中，所述第一采样电阻与所述第二采样电阻按照彼此串联的方式连接在所述整流模块的第一输出端与第二输出端之间，并且所述第一稳压二极管按照正极连接第二输出端且负极连接所述第一采样电阻的方式并联至所述第二采样电阻。
[0022]根据一个优选实施方式，所述开关模块中的每个开关单元分别包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一开关管、第二开关管和第二稳压二极管，其中，
[0023]所述第一电阻的一端连接在所述第一采样电阻与所述第二采样电阻两者之间的连接节点处，并且所述第一电阻的另一端连接至第一开关管的栅极；
[0024]所述第一开关管的漏极经由第二电阻连接至第二开关管的漏极和相应LED负载的输出端，所述第一开关管的源极连接至所述第二输出端，并且所述第一开关管的漏极还经由第三电阻连接至所述第二开关管的栅极；并且
[0025]所述第二开关管的源极连接至所述第二输出端，所述第二稳压二极管的正极连接所述第二输出端，并且所述第二稳压二极管的负极连接所述第一开关管的源极。
[0026]根据一个优选实施方式，所述第一开关管和所述第二开关管为M0SFET。
[0027]根据一个优选实施方式，所述整流模块中的二极管为整流二极管或肖特基二极管，所述整流二极管反向耐压至少为所述整流模块的输入电压峰值的2倍。
[0028]根据一个优选实施方式，所述整流模块中的所述第一、第二、第三和第四电容为无极性电容，所述第一、第二、第三和第四电容的耐压至少为所述整流模块的输入电压峰值的
1.5倍，所述整流模块中的所述第一、第二、第三和第四电容的取值范围为22nF至330nF。
[0029]根据一个优选实施方式，在所述整流模块的第一输出端与第二输出端之间连接有平滑电路，所述平滑电路通过彼此串联的稳压电阻和滤波电容构成，并且所述稳压电阻小于2000欧姆，所述滤波电容为有极性电容或无极性电容。
[0030]根据一个优选实施方式，所述驱动装置带有由压敏电阻、热敏电阻和/或保险丝构成的断路保护单元。
[0031 ] 根据一个优选实施方式，所述LED模组米用发光寿命为1-1OOms的发光粉，所述发光粉为一种或多种无机和/或有机发光材料的组合，所述发光材料为CaS:Eu ；CaS:Bi, Tm ；ZnS:Tb ；CaSrS2:Eu, Dy ；SrGa2S4:Dy ；Ga203:Eu ； (Y, Gd) BO3: Eu3+ ；Zn2Si04:Mn2+ ；YB03:Tb3+ ；Y(V, P) O4: Eu3+ ；SrAl204:Eu2+ ；SrAl2O4: Eu2+, B ；SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, B ；BaAl2O4: Eu2+ ；CaAl2O4: Eu2+ ；Sr3S15: Eu2+, Dy3+ ;BaMgAIltlO17: Eu2+, Mn2+ ；Tb (acac) 2 (AA)phen ；Y202S:Eu3+, Y2S15: Tb3+ ；SrGa2S4: Ce3+ ；Y3(A1, Ga) 5012:Tb3+ ；Ca2Zn4Ti15036: Pr3+ ；CaTi03:Pr3+ ；Zn2P2O7: Tm3+ ；Ca2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Sr2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Lu203:Tb, Sr2Al6O11: Eu2+ ；Mg2Sn04:Mn2+ ;CaAl204: Ce3+, Tb3+ ；Sr4Al14O25: Tb3+ ；Ca10 (PO4) 6 (F, Cl): Sb, Mn ；Sr2MgSi2O7: Eu2+ ；Sr2CaSi2O7IEu2+ ; Zn3 (P04) 2: Mn2+, Ga3+ ；CaO:Eu3+ ；Y202S:Mg2+, Ti3+ ；Y202S: Sm3+ ；SrMg2 (PO4)2: Eu2+, Gd3+ ;BaMg2 (PO4) 2: Eu2+, Gd3+ ；Zn2Si04:Mn, As ；KLaF4:Er ；CdSi03:Dy3+ ；MgS13:Eu2+, Mn2+中的一种或多种混合。
[0032]本实用新型的有益效果是:
[0033]LED芯片采用垂直结构，使P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，同时具有较高的出光效率。LED芯片采用水平结构能提高提高了 LED芯片的封装效率。LED芯片采用倒装结构可提高LED的发光效率和散热能力，延长LED的使用寿命。同时，整流单元采用带功率因数校正功能的桥式整流电路，在实际应用电路中能够有效提高功率因数至0.9以上。通过开关模块控制LED模块中LED负载的点亮个数，即LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。在整流桥后连接串联的小于2000欧姆的电阻和滤波电容，可使输出直流电压更加稳定并且具有高功率因数。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是传统桥式整流电路原理图；
[0035]图2是传统桥式整流电路接入填谷式功率因数校正电路的原理图；
[0036]图3是本实用新型的整流单元基本电路原理图；
[0037]图4 (a)是本实用新型电路在交流电正半周的电容充放电说明图；
[0038]图4 (b)是本实用新型电路在交流电负半周的电容充放电说明图；
[0039]图4 (c)是本实用新型改进功率因数的整流单元基本电路原理图；
[0040]图5 Ca)是本实用新型的交流直接驱动的分段点亮LED的一种基本原理框图；
[0041]图5 (b)是本实用新型的交流直接驱动的分段点亮LED的优选方案原理图；
[0042]图5 (C)是本实用新型的一种交流直接驱动的LED方案的基本应用原理图；
[0043]图6是水平结构LED芯片的结构示意图；
[0044]图7是垂直结构LED芯片的结构示意图；
[0045]图8是倒装结构LED芯片的结构示意图；
[0046]图9 Ca)是图5 (C)对应的输入电流波形图；
[0047]图9 (b)是图5 (b)对应的输入电流波形图；和
[0048]图9 (C)是图5 (b)对应的LED光通量波形图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合【专利附图】
【附图说明】本实用新型。本实用新型的发光二极管驱动装置包括彼此连接的整流模块120和LED模块130。整流模块120与多个LED负载串联构成一个回路。LED模块130包括若干LED模组，LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且LED模组采用LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
[0050]如图6所示，LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底Sapphire、N型GaN层n_GaN、多量子阱MQff, P型GaN层p-GaN、TCL层TCL和P型引线电极。将一定数量的LED芯片放置在基板上，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。本实用新型的水平结构的LED芯片使得LED芯片在封装制造中，适用于更多的LED芯片的封装方式，提高了 LED芯片的封装效率。
[0051]图7为垂直结构LED芯片的结构示意图，每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层ConductiveSubstrate、反射体 Reflector、P 型 GaN 层 ρ-GaN、多量子讲 MQW、N 型 GaN 层 η-GaN 和 N 型引线电极，基板上放置每个LED芯片的区域相互电气隔离，LED芯片之间用金属线实现串联、并联或者混联。
[0052]该垂直结构的LED芯片，P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，而且采用单引线键合，兼容性较好，使用方便；此外，电极结构还能够采用透明导电膜，不仅可减少金属电极造成的光线吸收损耗，而且电流分布均匀有利于降低热阻，提高器件提取效率及出光效率。
[0053]如图8所示，LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，每个发光单元具有一个P电极和N电极。LED芯片倒装在基板上，基板通常采用硅基板Si Submount。LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。传统正装结构的LED芯片，一般需要在P型GaN层p-GaN上镀一层半透明的导电层使电流分布更均匀，而这一导电层会对LED发出的光产生部分吸收，而且P电极会遮挡住部分光，这就限制了 LED芯片的出光效率。而采用倒装结构的LED芯片，不但可以同时避开P电极上导电层吸收光和电极垫遮光的问题，还可以通过在P型GaN层p-GaN表面设置低欧姆接触的反光层来将往下的光线引导向上，这样可同时降低驱动电压及提高光强。倒装焊技术通过共晶焊将LED芯片倒装到具有更高导热率的硅衬底上(导热系数约120W/mK，传统正装芯片蓝宝石导热系数约20W/mK)，芯片与衬底间的金凸点和硅衬底同时提高了 LED芯片的散热能力，保障LED的热量能够快速从芯片中导出。因此，与传统正装结构以蓝宝石衬底Sapphire作为散热通道相比，倒装结构的LED芯片具有更好的散热能力。
[0054]图3是本实用新型的整流模块120基本电路原理图。根据图3可以看出，本实用新型提供的发光二极管驱动装置包括整流模块120、LED模块130和开关模块，其中，LED模块130由彼此串联的多个LED负载LED1、LED2、-,LEDn构成，整流模块120与多个LED负载串联构成一个回路，开关模块用于控制多个LED负载的通断。整流模块120中带功率因数校正功能的桥式整流电路由6颗二极管301、302、303、304、305、306以及4颗小容量的无极性电容307、308、309、310组成。LED模块130由彼此串联的多个LED负载构成，其中每个LED负载分别包括一个或多个串联连接的LED芯片。开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与整流模块120的第二输出端0UT2之间，以便根据电压采样单元的电压信号进行通断控制。
[0055]由图3可见，第一供电端INl连接在第二二极管302的正端、第三二极管303负端、第一电容307 —端、第二电容308 —端。第二二极管302负端连接第一二极管301正端和第三电容309 —端。第一电容307的另一端连接第四二极管304的正端和第五二极管305的负端。第五二极管305的正端连接第三电容309的另一端、第二供电端IN2、第六二极管306的负端和第四电容310的一端。第一二极管301的负端和第四二极管304的负端共同连接至第一输出端OUTl。第三二极管303的正端、第六二极管306的正端、第二电容308的另一端和第四电容310的另一端连接至第二输出端0UT2。通常在实际应用中可以在第一输出端OUTl和第二输出端0UT2之间连接滤波电容311。滤波电容311可以是有极性电容或者是无极性电容，若在该整流桥后边添加较大滤波电容，则功率因数受输出滤波电容的影响，可达0.85。
[0056]以下结合实际应用原理图说明本实用新型工作原理。为方便说明，图中二极管均以普通整流二极管为例予以说明。负载单元可以是阻性、容性、感性等任意性质的负载单元。如图4所示为本实用新型实际应用原理图，在交流电正半周，电流经电力线、整流二极管402、整流二极管401、负载、整流二极管406回到电力线，形成回路向负载供电。在电压上升阶段，通过整流二极管402、电容409，形成回路为电容409充电。同时通过电容408、整流二极管406，形成回路为电容408充电。在充电过程中电容408、409在电路结构上为并联关系(如图4 (a)中实线箭头所示回路)。同时，电容407和电容410中存储的电荷经过整流二极管404向LED模块放电。此时电容407和电容410在电路结构上与交流源为串联关系，相当于增大了交流源的电压以便负载能够导通(如图4 Ca)中虚线箭头所示回路)。
[0057]在交流电负半周，电流经电力线、整流二极管405、整流二极管404、负载、整流二极管403回到电力线，形成回路向负载供电。在电压绝对值上升阶段，通过整流二极管405、电容407，形成回路向电容407充电。同时通过电容410、整流二极管403，形成回路向电容410充电。在充电过程中电容407、410在电路结构上为并联关系(如图4 (b)中实线箭头所示回路)。同时，电容408和电容409中存储的电荷通过整流二极管401向负载放电。此时电容408和电容409在电路结构上与交流源为串联关系，相当于增大交流源电压绝对值以便LED模块能够导通(如图4 (b)中虚线箭头所示回路)。
[0058]通过以上过程，四颗电容交替充放电，提高了交流电每个半周期的利用率，增大了每个交流电周期内电流导通时间，使得输入电流波形尽量接近输入电压波形，降低了电流谐波，从而提高了输出电压的稳定性，并且提高了电路的功率因数。在实际应用电路中能够有效提闻功率因数至0.9以上。通过开关I旲块中的开关单兀控制相应的LED负载的点売或熄灭，可以实现LED模块130中LED负载的分段点亮，可起到降低频闪，提高交流电利用率的效果。
[0059]根据一个优选实施方式，整流模块120中二极管301、302、303、304、305、306可以是普通整流二极管，整流二极管反向耐压至少为输入交流电压峰值的2倍，也可以是满足该耐压条件的肖特基二极管或者是可以实现相同功能的其他元器件。整流模块120中无极性小电容307、308、309、310耐压至少为输入交流电峰值的1.5倍，其电容值为22nF?330nF。电容307、308、309、310所承受的电压值大于输出电源的峰值，避免电压峰值的冲击，所述电容耐压至少要输入电压峰值的1.5倍。同时，在电压值低于负载工作电压的阶段电容并联充电，故所用电容不宜太大，否则会影响电路的整体性能，降低对电路的功率因数校正效果，电容太小则不能提供足够的输出功率，根据负载需要采用所述电容取值22nF-330nFo
[0060]如图4 (C)所示，整流模块120的第一输出端OUTl通过稳压电阻312连接滤波电容311，所述滤波电容311连接第二输出端0UT2，并且所述稳压电阻312小于2000欧姆，所述滤波电容311为有极性电容或无极性电容。通常在实际应用中会增加滤波电容，以便获得更加稳定的直流电压。由于上述本实用新型工作原理的作用，本实用新型提供的技术方案的功率因数不会受此滤波电容的影响或影响很小。然而传统的桥式整流电路的功率因数会受滤波电容的影响而变得非常低。本实用新型在整流桥后边添加较大滤波电容311，功率因数受输出滤波电容的影响，可达0.85。通过在滤波电容上串联一个小于2000欧姆的电阻如图4(c)，可以使功率因因数保持0.9以上。
[0061]图5 (a)示出了本实用新型一种带功率因数校正的交流直接驱动的分段点亮LED的一种基本原理框图，由本实用新型带功率因数校正的整流桥替代传统的整流桥，同时还包括输入保护，电压采样单元，开关单元。当整流桥后的电压达到第一组LED负载LEDl的点亮电压时，开个单元I闭合，开关单元2到开关单元N-1断开；电压升高到第二切换电压时，开关单元2闭合，其他开关全部断开。输入保护对电源输入的过流，过压具有保护作用。开关单元能控制相应的LED负载，实现LED分段点亮。现有LED交流直接驱动电路存在不发光的时间段，表现为LED频闪，采用本实用新型的交流电整流电路结合LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。
[0062]如图5 (b)所示为一种带功率因数矫正的交流直接驱动的分段点亮LED的优选方案原理图，包括输入保护单元，带功率因数校正的整流桥，采样单元，开关单元。所述带功率因数校正的整流桥，即是本实用新型一种带功率因数校正功能的桥式整流电路；采样单元由采样电阻组成。开关单元由MOSFET和MOSFET的驱动电路构成，开关管也可以是其他具有同等功效的电子元器件。在应用中可以根据实际的需要，分两段或者多段的方式。所述保护单元可以由压敏电阻、热敏电阻、保险丝构成，应用于特殊环境时还可包括共模扼流圈以及气体放电管。输入保护电路是对交流输入回路中的过流、过压保护以及限流作用。保险丝提供安全保护，一般保险丝规格可选取1.5-2倍的额定输入电流，如果整流模块的输入电压范围相当宽，保险丝应该选择2倍的最大输入电流。
[0063]交流市电经保护单元进入电路系统，即一种带功率因数校正的整流桥的供电端，有关该整流桥的工作过程不再赘述。稳压电阻312 —端连接到整流桥输出正端，稳压电阻312另一端连接到滤波电容311的一端，滤波电容311的另一端连接到整流桥输出负端。稳压电阻312和滤波电容311的作用是在一定程度上平滑整流桥后的电压波形，减小LED的频闪深度。第一采样电阻313的一端连接到整流桥输出正端。第一采样电阻313的另一端、第二米样电阻314的一端、第一电阻316的一端、第一稳压二极管315负端连接在一起。第一电阻316的另一端连接到第一开关管317的栅极。第二电阻318的一端与第二开关管320的漏极连接在一起作为第二输出端。第二电阻318的另一端、第三电阻321的一端和第二稳压二极管319的负端共同连接到第一开关管317的漏极。第二采样电阻314另一端、第一稳压二极管315正端、第一开关管317的源极、第二稳压二极管319的正端和第二开关管320的源极共同连接到整流模块120的第二输出端0UT2。第一级负载LEDl的正端连接到整流模块120的第一输出端OUTl。第一级负载LEDl的负端连接到第二输出端。第二级负载LED2的输入端连接第二输出端，第二级负载LED2的输出端连接整流模块120的第二输出端0UT2。
[0064]当整流模块120的输出电压低于第一开关单元切换电压时，第二开关管320导通，第二级负载LED2短路，只有第一级负载LEDl接入。当整流模块120的输出电压逐渐升高到切换电压之后，第一开关单元断开，第一级负载LEDl和第二级负载LED2接入，两个LED负载同时工作发光。由于本实用新型一种带功率因数校正的整流桥具有在电压高于LED负载的导通电压时，整流桥上的电容并联充电。在低于LED负载导通电压时，串联放电的特性，因此本实用新型一种带功率因数校正的整流桥，可以使LED在输入市电瞬态值低于LED负载导通电压的时间段里，也能使LED导通发光，从而达到降低LED频闪深度的效果。输入电流波形如图9 (b)所示，同时采用本实用新型所述LED，整体光通量波形如图9 (c)所示。
[0065]LED模组包括基板、集成封装在基板上的LED芯片和能够在被LED芯片激发具有特殊寿命的发光粉。LED芯片可以采用图6、图7与图8的芯片结构。
[0066]具有特殊寿命的发光粉为一种或多种无机和/或有机发光材料的组合。比如:CaS:Eu ；CaS:Bi, Tm ；ZnS:Tb ；CaSrS2:Eu, Dy ；SrGa2S4:Dy ；Ga203:Eu ； (Y, Gd)BO3:Eu3+ ；Zn2Si04:Mn2+ ；YB03:Tb3+ ；Y(V, P) O4: Eu3+ ；SrAl204:Eu2+ ；SrAl2O4: Eu2+, B ；SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, B ；BaAl2O4: Eu2+ ；CaAl2O4: Eu2+ ； Sr3S15: Eu2+, Dy3+ ;BaMgAIltlO17: Eu2+, Mn2+ ;Tb (acac) 2 (AA)phen ；Y202S:Eu3+, Y2S15: Tb3+ ；SrGa2S4: Ce3+ ；Y3(A1, Ga) 5012:Tb3+ ；Ca2Zn4Ti15036: Pr3+ ；CaTi03:Pr3+ ；Zn2P2O7: Tm3+ ；Ca2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Sr2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Lu203:Tb, Sr2Al6O11: Eu2+ ；Mg2Sn04:Mn2+ ;CaAl204: Ce3+, Tb3+ ；Sr4Al14O25: Tb3+ ；Ca10 (PO4) 6 (F, Cl): Sb, Mn ；Sr2MgSi2O7: Eu2+ ；Sr2CaSi2O7IEu2+ ; Zn3 (P04) 2: Mn2+, Ga3+ ；CaO:Eu3+ ；Y202S:Mg2+, Ti3+ ；Y202S: Sm3+ ；SrMg2 (PO4)2: Eu2+, Gd3+ ;BaMg2 (PO4) 2: Eu2+, Gd3+ ；Zn2Si04:Mn, As ；KLaF4:Er ；CdSi03:Dy3+ ；MgS13:Eu2+, Mn2+中的一种或多种混合。
[0067]所述发光粉的发光寿命是I — 10ms (优选l_30ms)。表I给出了 11种发光粉的试验例，对应不同激发波长的发光粉的配方与发光寿命。
[0068]表I
[0069]
LED芯片种，,
试验发光粉的;, 类(发光波发光粉的配方例 μ ^ 发光寿命__长)___
I紫外光 _SrVlgj(PO ),:丨:u」’(;cT_ 13 ms
[0070]__(254 纳米)___
紫外光.2Zn’Si 0.: Mn,/\s7 ms
__(254 纳米)___
3CdS13: Dy3+ ms__(254 纳米)___
紫外光30wt%
428ms__(254 纳米)SrMg」(丨)():)」:丨:U」，(;cf，70%Sr:!S i(),: Kif，Dy 5__
紫外光。+
5Ζη?Οτ:Τν bo ms__(310 纳米)___
紫夕卜光
6Tb (acac)。(AA) phen IU ms__(360 纳米)___
紫光10wL%YAS:Sm:!，,10wL%CaTi():1:l)r3
78ms__(400 纳米)__50wt%Ca2P20:: Eu2+, Y3+__
紫光3+
8YO-SiKu-1 ms
__(400 纳米)___
蓝光3,
9Sr Λ I, 0.。: l“r，Dy', 1525 ms
__(460 纳米)_____
蓝光2, ?
10MgSi(K: Eu2丁，Mn)?ιι
__(450 纳米)___
蓝光
11SrA IjO: Ι.?Γ，ΙΓ100 ms
(460纳米)
[0071]本实用新型至少具有以下优点:
[0072]1、LED芯片采用垂直结构，使P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，同时具有较高的出光效率。
[0073]2、LED芯片采用倒装结构可提高LED的发光效率和散热能力，延长LED的使用寿命O
[0074]3、整流单元采用带功率因数校正功能的桥式整流电路，在实际应用电路中能够有效提高功率因数至0.9以上。
[0075]4、在整流桥后连接串联的小于2000欧姆的电阻和滤波电容，可使输出直流电压更加稳定并且具有高功率因数。
[0076]5、通过开关模块控制LED模块中LED负载的点亮个数，即LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。
[0077]需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本实用新型的目的，并非用于限制本实用新型。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块(120)和LED模块(130)，所述整流模块(120)与多个LED负载串联构成一个回路， 其特征在于， 所述LED模块(130)包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组的所述多个LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底(Sapphire)、N 型 GaN 层(η-GaN)、多量子讲(MQff)、P 型 GaN 层(p-GaN)、TCL 层(TCL)和P型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
3.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为垂直结构时，每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层(Conductive Substrate)、反射体(Reflector), P型GaN层(p-GaN)、多量子阱(MQW)、N型GaN层(n_GaN)和N型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
4.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，LED芯片倒装在基板上，LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。
5.根据权利要求1至4之一所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)包括正半周整流支路、正半周馈电支路、负半周整流支路和负半周馈电支路，其中， 所述正半周整流支路包括:第一二极管(301)、第二二极管(302)和第六二极管(306)，其中，第二二极管(302)的正极连接第一供电端(IN1)，负极与第一二极管(301)的正极相连；第一二极管(301)的负极与所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)相连；第六二极管(306)的正极与所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)相连，负极与第二供电端(IN2)相连； 所述负半周整流支路包括:第三二极管(303)、第四二极管(304)和第五二极管(305)，其中，第三二极管(303)的负极与第一供电端(INl)相连，正极与所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)相连；第五二极管(305)的正极连接第二供电端(IN2)，负极与第四二极管(304)的正极相连；第四二极管(304)的负极与所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)相连； 所述正半周馈电支路还包括第一电容(307)和第四电容(310)，其中，第一电容(307)的一端与第四二极管(304)的正极相连，另一端与第一供电端(INl)相连；第四电容(310)的一端连接第二供电端(IN2)，另一端连接所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)； 所述负半周馈电支路还包括第二电容(308)和第三电容(309)，其中，第二电容(308)的一端连接第一供电端(INl)，另一端连接所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2);第三电容(309)的一端连接第一二极管(301)的正极，另一端连接第二供电端(IN2)。
6.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括开关模块，所述开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与所述整流模块(120)的所述第二输出端(0UT2)之间，以便根据所述电压采样单元的电压信号进行通断控制。
7.根据权利要求6所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，每个开关单元的电压采样单兀分别包括第一米样电阻(313)、第二米样电阻(314)和第一稳压二极管(315),其中，所述第一采样电阻(313)与所述第二采样电阻(314)按照彼此串联的方式连接在所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)与第二输出端(0UT2)之间，并且所述第一稳压二极管(315)按照正极连接第二输出端(0UT2)且负极连接所述第一采样电阻(313)的方式并联至所述第二采样电阻(314)。
8.根据权利要求7所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述开关模块中的每个开关单元分别包括第一电阻(316)、第二电阻(318)、第三电阻(321)、第一开关管(317)、第二开关管(320)和第二稳压二极管(319)，其中， 所述第一电阻(316)的一端连接在所述第一采样电阻(313)与所述第二采样电阻(314)两者之间的连接节点处，并且所述第一电阻(316)的另一端连接至第一开关管(317)的栅极； 所述第一开关管(317)的漏极经由第二电阻(318)连接至第二开关管(320)的漏极和相应LED负载的输出端，所述第一开关管(317)的源极连接至所述第二输出端(0UT2)，并且所述第一开关管(317)的漏极还经由第三电阻(321)连接至所述第二开关管(320)的栅极；并且 所述第二开关管(320)的源极连接至所述第二输出端(0UT2)，所述第二稳压二极管(319)的正极连接所述第二输出端(0UT2)，并且所述第二稳压二极管(319)的负极连接所述第一开关管(317)的源极。
9.根据权利要求8所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述第一开关管(317)和所述第二开关管(320)为M0SFET。
10.根据权利要求9所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)中的二极管为整流二极管或肖特基二极管，所述整流二极管反向耐压至少为所述整流模块(120)的输入电压峰值的2倍。
11.根据权利要求10所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)中的所述第一、第二、第三和第四电容为无极性电容，所述第一、第二、第三和第四电容的耐压至少为所述整流模块(120)的输入电压峰值的1.5倍，所述整流模块(120)中的所述第一、第二、第三和第四电容的取值范围为22nF至330nF。
12.根据权利要求11所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，在所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)与第二输出端(0UT2)之间连接有平滑电路，所述平滑电路通过彼此串联的稳压电阻(312)和滤波电容(311)构成，并且所述稳压电阻(312)小于2000欧姆，所述滤波电容(311)为有极性电容或无极性电容。
13.根据权利要求12所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述驱动装置带有由压敏电阻、热敏电阻和/或保险丝构成的断路保护单元。
【文档编号】H05B37/02GK203951640SQ201320838254
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】李东明, 封正勇, 龙文涛, 杨冕 申请人:四川新力光源股份有限公司
【专利摘要】本实用新型涉及一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块和LED模块，所述整流模块与多个LED负载串联构成一个回路。所述LED模块包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组采用LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。本实用新型的发光二极管驱动装置采用了改进后的整流模块，可以有效的降低LED频闪深度，提高照明体验。同时采用了不同的LED芯片结构，能够提升发光二极管的发光效率和稳定性。
【专利说明】一种发光二极管驱动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种驱动装置，尤其涉及一种发光二极管驱动装置。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，能源的消耗也日益增大，节能，降低能耗成了当今发展的重点工作之一，在照明领域，新型的LED照明技术，高能效利用率受到人们的青睐，但是LED的民用推广确实困难重重，究其原因，还是价格太高，还没达到普通大众可以接受的程度。同时传统的开关电源在LED应用中，成了制约LED实际使用寿命的瓶颈。简化，优化LED驱动技术，成了当务之急，交流直接驱动技术在很大程度上解决了这些问题，但是却导致了 LED的频闪问题，虽然现在还没有确凿的证据表明频闪对人的伤害，但是高品质的照明是我们追求的目标。
[0003]随着电气化时代的发展，交流电的整流方式也随之发展，桥式整流电路广泛应用于各种电路中，特别是用来将交流电AC整流成直流电DC。如图1所示为一种常规的桥式整流电路。该桥式整流电路包括4只二极管101、102、103、104，这4只二极管成电桥连接。在第一供电端INl和第二供电端IN2处输入的交流电，通过该桥式整流电路，在输出OUTl和0UT2处变换为直流电。通常在实际应用中可以在输出OUTl和0UT2之间连接电容105，以便输出更加稳定的直流电压。
[0004]由于滤波电容105的影响，该电路接入负载后功率因数较低，造成了电力资源的浪费，故在实际应用中，经常可见如图2所示的电路，在图1的桥式整流电路后端接入由二极管206、207、208以及电容205、209组成的填谷式功率因数校正电路。在开关电源的应用中，该电路可以将功率因数校正至0.8左右，但是增加了三颗二极管和两颗电解电容，使得体积增加，同时在应用时，如果做降压使用其实际输出的电压只有输入电压的1/2。
[0005]国际专利 W02004/023568A1 “LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTINGELEMENTS”中，提出了在蓝宝石衬底上集成LED芯片阵列，从而提供一种交流电力驱动的发光装置，但没有解决LED的发光闪烁问题。
[0006]美国专利US7, 489，086B2“AC LIGHT EITTING D1DE AND AC LED DRIVE METHODS ANDAPPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明是一种将多个LED发光单元集成封装的器件，利用人眼的视觉暂留效应来弥补交流周波电力工作下LED的发光频闪现象。但是，同样没有解决交流电压波动而造成的发光闪烁现象，也没有使用恒流电路。
[0007]专利CN100464111C公布了一种利用不同发光颜色的LED芯片并联在交流电源中的交流LED灯，主要描述不同颜色的LED芯片在一起构成白光及其具体电路，而没有涉及发光粉。
[0008]可见，在已公开交流LED发光装置中，都存在如下缺点:其一，在交流电周期中，LED芯片存在发光间隔，使装置具有发光频闪现象；其二，LED电流会随着交流电压的波动而波动，导致LED发光时出现亮度变化，具有发光闪烁的现象。其三，没有使用恒流电路，在LED结温升高时，其开启电压会下降，由于输入电压不变，使得LED的正向电流急剧增加，严重时会使LED的PN结造成热击穿，永久损坏。
实用新型内容
[0009]为了克服现有发光二极管驱动装置技术存在的上述不足，本实用新型提供了一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块和LED模块，所述整流模块与多个LED负载串联构成一个回路，
[0010]其特征在于，
[0011]所述LED模块包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组的所述多个LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
[0012]根据一个优选实施方式，所述LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底、N型GaN层、多量子阱、P型GaN层、TCL层和P型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
[0013]根据一个优选实施方式,所述LED芯片为垂直结构时,每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层、反射体，P型GaN层、多量子阱、N型GaN层和N型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
[0014]根据一个优选实施方式，所述LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，LED芯片倒装在基板上，LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。
[0015]根据一个优选实施方式，所述整流模块包括正半周整流支路、正半周馈电支路、负半周整流支路和负半周馈电支路，其中，
[0016]所述正半周整流支路包括:第一二极管、第二二极管和第六二极管，其中，第二二极管的正极连接第一供电端，负极与第一二极管的正极相连；第一二极管的负极与所述整流模块的第一输出端相连；第六二极管的正极与所述整流模块的第二输出端相连，负极与第二供电端相连；
[0017]所述负半周整流支路包括:第三二极管、第四二极管和第五二极管，其中，第三二极管的负极与第一供电端相连，正极与所述整流模块的第二输出端相连；第五二极管的正极连接第二供电端，负极与第四二极管的正极相连；第四二极管的负极与所述整流模块的第一输出端相连；
[0018]所述正半周馈电支路还包括第一电容和第四电容，其中，第一电容的一端与第四二极管的正极相连，另一端与第一供电端相连；第四电容的一端连接第二供电端，另一端连接所述整流模块的第二输出端；
[0019]所述负半周馈电支路还包括第二电容和第三电容，其中，第二电容的一端连接第一供电端，另一端连接所述整流模块的第二输出端；第三电容的一端连接第一二极管的正极，另一端连接第二供电端。
[0020]根据一个优选实施方式，所述驱动装置还包括开关模块，所述开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与所述整流模块的所述第二输出端之间，以便根据所述电压采样单元的电压信号进行通断控制。
[0021]根据一个优选实施方式,每个开关单兀的电压米样单兀分别包括第一米样电阻、第二采样电阻和第一稳压二极管，其中，所述第一采样电阻与所述第二采样电阻按照彼此串联的方式连接在所述整流模块的第一输出端与第二输出端之间，并且所述第一稳压二极管按照正极连接第二输出端且负极连接所述第一采样电阻的方式并联至所述第二采样电阻。
[0022]根据一个优选实施方式，所述开关模块中的每个开关单元分别包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一开关管、第二开关管和第二稳压二极管，其中，
[0023]所述第一电阻的一端连接在所述第一采样电阻与所述第二采样电阻两者之间的连接节点处，并且所述第一电阻的另一端连接至第一开关管的栅极；
[0024]所述第一开关管的漏极经由第二电阻连接至第二开关管的漏极和相应LED负载的输出端，所述第一开关管的源极连接至所述第二输出端，并且所述第一开关管的漏极还经由第三电阻连接至所述第二开关管的栅极；并且
[0025]所述第二开关管的源极连接至所述第二输出端，所述第二稳压二极管的正极连接所述第二输出端，并且所述第二稳压二极管的负极连接所述第一开关管的源极。
[0026]根据一个优选实施方式，所述第一开关管和所述第二开关管为M0SFET。
[0027]根据一个优选实施方式，所述整流模块中的二极管为整流二极管或肖特基二极管，所述整流二极管反向耐压至少为所述整流模块的输入电压峰值的2倍。
[0028]根据一个优选实施方式，所述整流模块中的所述第一、第二、第三和第四电容为无极性电容，所述第一、第二、第三和第四电容的耐压至少为所述整流模块的输入电压峰值的
1.5倍，所述整流模块中的所述第一、第二、第三和第四电容的取值范围为22nF至330nF。
[0029]根据一个优选实施方式，在所述整流模块的第一输出端与第二输出端之间连接有平滑电路，所述平滑电路通过彼此串联的稳压电阻和滤波电容构成，并且所述稳压电阻小于2000欧姆，所述滤波电容为有极性电容或无极性电容。
[0030]根据一个优选实施方式，所述驱动装置带有由压敏电阻、热敏电阻和/或保险丝构成的断路保护单元。
[0031 ] 根据一个优选实施方式，所述LED模组米用发光寿命为1-1OOms的发光粉，所述发光粉为一种或多种无机和/或有机发光材料的组合，所述发光材料为CaS:Eu ；CaS:Bi, Tm ；ZnS:Tb ；CaSrS2:Eu, Dy ；SrGa2S4:Dy ；Ga203:Eu ； (Y, Gd) BO3: Eu3+ ；Zn2Si04:Mn2+ ；YB03:Tb3+ ；Y(V, P) O4: Eu3+ ；SrAl204:Eu2+ ；SrAl2O4: Eu2+, B ；SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, B ；BaAl2O4: Eu2+ ；CaAl2O4: Eu2+ ；Sr3S15: Eu2+, Dy3+ ;BaMgAIltlO17: Eu2+, Mn2+ ；Tb (acac) 2 (AA)phen ；Y202S:Eu3+, Y2S15: Tb3+ ；SrGa2S4: Ce3+ ；Y3(A1, Ga) 5012:Tb3+ ；Ca2Zn4Ti15036: Pr3+ ；CaTi03:Pr3+ ；Zn2P2O7: Tm3+ ；Ca2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Sr2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Lu203:Tb, Sr2Al6O11: Eu2+ ；Mg2Sn04:Mn2+ ;CaAl204: Ce3+, Tb3+ ；Sr4Al14O25: Tb3+ ；Ca10 (PO4) 6 (F, Cl): Sb, Mn ；Sr2MgSi2O7: Eu2+ ；Sr2CaSi2O7IEu2+ ; Zn3 (P04) 2: Mn2+, Ga3+ ；CaO:Eu3+ ；Y202S:Mg2+, Ti3+ ；Y202S: Sm3+ ；SrMg2 (PO4)2: Eu2+, Gd3+ ;BaMg2 (PO4) 2: Eu2+, Gd3+ ；Zn2Si04:Mn, As ；KLaF4:Er ；CdSi03:Dy3+ ；MgS13:Eu2+, Mn2+中的一种或多种混合。
[0032]本实用新型的有益效果是:
[0033]LED芯片采用垂直结构，使P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，同时具有较高的出光效率。LED芯片采用水平结构能提高提高了 LED芯片的封装效率。LED芯片采用倒装结构可提高LED的发光效率和散热能力，延长LED的使用寿命。同时，整流单元采用带功率因数校正功能的桥式整流电路，在实际应用电路中能够有效提高功率因数至0.9以上。通过开关模块控制LED模块中LED负载的点亮个数，即LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。在整流桥后连接串联的小于2000欧姆的电阻和滤波电容，可使输出直流电压更加稳定并且具有高功率因数。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是传统桥式整流电路原理图；
[0035]图2是传统桥式整流电路接入填谷式功率因数校正电路的原理图；
[0036]图3是本实用新型的整流单元基本电路原理图；
[0037]图4 (a)是本实用新型电路在交流电正半周的电容充放电说明图；
[0038]图4 (b)是本实用新型电路在交流电负半周的电容充放电说明图；
[0039]图4 (c)是本实用新型改进功率因数的整流单元基本电路原理图；
[0040]图5 Ca)是本实用新型的交流直接驱动的分段点亮LED的一种基本原理框图；
[0041]图5 (b)是本实用新型的交流直接驱动的分段点亮LED的优选方案原理图；
[0042]图5 (C)是本实用新型的一种交流直接驱动的LED方案的基本应用原理图；
[0043]图6是水平结构LED芯片的结构示意图；
[0044]图7是垂直结构LED芯片的结构示意图；
[0045]图8是倒装结构LED芯片的结构示意图；
[0046]图9 Ca)是图5 (C)对应的输入电流波形图；
[0047]图9 (b)是图5 (b)对应的输入电流波形图；和
[0048]图9 (C)是图5 (b)对应的LED光通量波形图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合【专利附图】
【附图说明】本实用新型。本实用新型的发光二极管驱动装置包括彼此连接的整流模块120和LED模块130。整流模块120与多个LED负载串联构成一个回路。LED模块130包括若干LED模组，LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且LED模组采用LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
[0050]如图6所示，LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底Sapphire、N型GaN层n_GaN、多量子阱MQff, P型GaN层p-GaN、TCL层TCL和P型引线电极。将一定数量的LED芯片放置在基板上，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。本实用新型的水平结构的LED芯片使得LED芯片在封装制造中，适用于更多的LED芯片的封装方式，提高了 LED芯片的封装效率。
[0051]图7为垂直结构LED芯片的结构示意图，每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层ConductiveSubstrate、反射体 Reflector、P 型 GaN 层 ρ-GaN、多量子讲 MQW、N 型 GaN 层 η-GaN 和 N 型引线电极，基板上放置每个LED芯片的区域相互电气隔离，LED芯片之间用金属线实现串联、并联或者混联。
[0052]该垂直结构的LED芯片，P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，而且采用单引线键合，兼容性较好，使用方便；此外，电极结构还能够采用透明导电膜，不仅可减少金属电极造成的光线吸收损耗，而且电流分布均匀有利于降低热阻，提高器件提取效率及出光效率。
[0053]如图8所示，LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，每个发光单元具有一个P电极和N电极。LED芯片倒装在基板上，基板通常采用硅基板Si Submount。LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。传统正装结构的LED芯片，一般需要在P型GaN层p-GaN上镀一层半透明的导电层使电流分布更均匀，而这一导电层会对LED发出的光产生部分吸收，而且P电极会遮挡住部分光，这就限制了 LED芯片的出光效率。而采用倒装结构的LED芯片，不但可以同时避开P电极上导电层吸收光和电极垫遮光的问题，还可以通过在P型GaN层p-GaN表面设置低欧姆接触的反光层来将往下的光线引导向上，这样可同时降低驱动电压及提高光强。倒装焊技术通过共晶焊将LED芯片倒装到具有更高导热率的硅衬底上(导热系数约120W/mK，传统正装芯片蓝宝石导热系数约20W/mK)，芯片与衬底间的金凸点和硅衬底同时提高了 LED芯片的散热能力，保障LED的热量能够快速从芯片中导出。因此，与传统正装结构以蓝宝石衬底Sapphire作为散热通道相比，倒装结构的LED芯片具有更好的散热能力。
[0054]图3是本实用新型的整流模块120基本电路原理图。根据图3可以看出，本实用新型提供的发光二极管驱动装置包括整流模块120、LED模块130和开关模块，其中，LED模块130由彼此串联的多个LED负载LED1、LED2、-,LEDn构成，整流模块120与多个LED负载串联构成一个回路，开关模块用于控制多个LED负载的通断。整流模块120中带功率因数校正功能的桥式整流电路由6颗二极管301、302、303、304、305、306以及4颗小容量的无极性电容307、308、309、310组成。LED模块130由彼此串联的多个LED负载构成，其中每个LED负载分别包括一个或多个串联连接的LED芯片。开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与整流模块120的第二输出端0UT2之间，以便根据电压采样单元的电压信号进行通断控制。
[0055]由图3可见，第一供电端INl连接在第二二极管302的正端、第三二极管303负端、第一电容307 —端、第二电容308 —端。第二二极管302负端连接第一二极管301正端和第三电容309 —端。第一电容307的另一端连接第四二极管304的正端和第五二极管305的负端。第五二极管305的正端连接第三电容309的另一端、第二供电端IN2、第六二极管306的负端和第四电容310的一端。第一二极管301的负端和第四二极管304的负端共同连接至第一输出端OUTl。第三二极管303的正端、第六二极管306的正端、第二电容308的另一端和第四电容310的另一端连接至第二输出端0UT2。通常在实际应用中可以在第一输出端OUTl和第二输出端0UT2之间连接滤波电容311。滤波电容311可以是有极性电容或者是无极性电容，若在该整流桥后边添加较大滤波电容，则功率因数受输出滤波电容的影响，可达0.85。
[0056]以下结合实际应用原理图说明本实用新型工作原理。为方便说明，图中二极管均以普通整流二极管为例予以说明。负载单元可以是阻性、容性、感性等任意性质的负载单元。如图4所示为本实用新型实际应用原理图，在交流电正半周，电流经电力线、整流二极管402、整流二极管401、负载、整流二极管406回到电力线，形成回路向负载供电。在电压上升阶段，通过整流二极管402、电容409，形成回路为电容409充电。同时通过电容408、整流二极管406，形成回路为电容408充电。在充电过程中电容408、409在电路结构上为并联关系(如图4 (a)中实线箭头所示回路)。同时，电容407和电容410中存储的电荷经过整流二极管404向LED模块放电。此时电容407和电容410在电路结构上与交流源为串联关系，相当于增大了交流源的电压以便负载能够导通(如图4 Ca)中虚线箭头所示回路)。
[0057]在交流电负半周，电流经电力线、整流二极管405、整流二极管404、负载、整流二极管403回到电力线，形成回路向负载供电。在电压绝对值上升阶段，通过整流二极管405、电容407，形成回路向电容407充电。同时通过电容410、整流二极管403，形成回路向电容410充电。在充电过程中电容407、410在电路结构上为并联关系(如图4 (b)中实线箭头所示回路)。同时，电容408和电容409中存储的电荷通过整流二极管401向负载放电。此时电容408和电容409在电路结构上与交流源为串联关系，相当于增大交流源电压绝对值以便LED模块能够导通(如图4 (b)中虚线箭头所示回路)。
[0058]通过以上过程，四颗电容交替充放电，提高了交流电每个半周期的利用率，增大了每个交流电周期内电流导通时间，使得输入电流波形尽量接近输入电压波形，降低了电流谐波，从而提高了输出电压的稳定性，并且提高了电路的功率因数。在实际应用电路中能够有效提闻功率因数至0.9以上。通过开关I旲块中的开关单兀控制相应的LED负载的点売或熄灭，可以实现LED模块130中LED负载的分段点亮，可起到降低频闪，提高交流电利用率的效果。
[0059]根据一个优选实施方式，整流模块120中二极管301、302、303、304、305、306可以是普通整流二极管，整流二极管反向耐压至少为输入交流电压峰值的2倍，也可以是满足该耐压条件的肖特基二极管或者是可以实现相同功能的其他元器件。整流模块120中无极性小电容307、308、309、310耐压至少为输入交流电峰值的1.5倍，其电容值为22nF?330nF。电容307、308、309、310所承受的电压值大于输出电源的峰值，避免电压峰值的冲击，所述电容耐压至少要输入电压峰值的1.5倍。同时，在电压值低于负载工作电压的阶段电容并联充电，故所用电容不宜太大，否则会影响电路的整体性能，降低对电路的功率因数校正效果，电容太小则不能提供足够的输出功率，根据负载需要采用所述电容取值22nF-330nFo
[0060]如图4 (C)所示，整流模块120的第一输出端OUTl通过稳压电阻312连接滤波电容311，所述滤波电容311连接第二输出端0UT2，并且所述稳压电阻312小于2000欧姆，所述滤波电容311为有极性电容或无极性电容。通常在实际应用中会增加滤波电容，以便获得更加稳定的直流电压。由于上述本实用新型工作原理的作用，本实用新型提供的技术方案的功率因数不会受此滤波电容的影响或影响很小。然而传统的桥式整流电路的功率因数会受滤波电容的影响而变得非常低。本实用新型在整流桥后边添加较大滤波电容311，功率因数受输出滤波电容的影响，可达0.85。通过在滤波电容上串联一个小于2000欧姆的电阻如图4(c)，可以使功率因因数保持0.9以上。
[0061]图5 (a)示出了本实用新型一种带功率因数校正的交流直接驱动的分段点亮LED的一种基本原理框图，由本实用新型带功率因数校正的整流桥替代传统的整流桥，同时还包括输入保护，电压采样单元，开关单元。当整流桥后的电压达到第一组LED负载LEDl的点亮电压时，开个单元I闭合，开关单元2到开关单元N-1断开；电压升高到第二切换电压时，开关单元2闭合，其他开关全部断开。输入保护对电源输入的过流，过压具有保护作用。开关单元能控制相应的LED负载，实现LED分段点亮。现有LED交流直接驱动电路存在不发光的时间段，表现为LED频闪，采用本实用新型的交流电整流电路结合LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。
[0062]如图5 (b)所示为一种带功率因数矫正的交流直接驱动的分段点亮LED的优选方案原理图，包括输入保护单元，带功率因数校正的整流桥，采样单元，开关单元。所述带功率因数校正的整流桥，即是本实用新型一种带功率因数校正功能的桥式整流电路；采样单元由采样电阻组成。开关单元由MOSFET和MOSFET的驱动电路构成，开关管也可以是其他具有同等功效的电子元器件。在应用中可以根据实际的需要，分两段或者多段的方式。所述保护单元可以由压敏电阻、热敏电阻、保险丝构成，应用于特殊环境时还可包括共模扼流圈以及气体放电管。输入保护电路是对交流输入回路中的过流、过压保护以及限流作用。保险丝提供安全保护，一般保险丝规格可选取1.5-2倍的额定输入电流，如果整流模块的输入电压范围相当宽，保险丝应该选择2倍的最大输入电流。
[0063]交流市电经保护单元进入电路系统，即一种带功率因数校正的整流桥的供电端，有关该整流桥的工作过程不再赘述。稳压电阻312 —端连接到整流桥输出正端，稳压电阻312另一端连接到滤波电容311的一端，滤波电容311的另一端连接到整流桥输出负端。稳压电阻312和滤波电容311的作用是在一定程度上平滑整流桥后的电压波形，减小LED的频闪深度。第一采样电阻313的一端连接到整流桥输出正端。第一采样电阻313的另一端、第二米样电阻314的一端、第一电阻316的一端、第一稳压二极管315负端连接在一起。第一电阻316的另一端连接到第一开关管317的栅极。第二电阻318的一端与第二开关管320的漏极连接在一起作为第二输出端。第二电阻318的另一端、第三电阻321的一端和第二稳压二极管319的负端共同连接到第一开关管317的漏极。第二采样电阻314另一端、第一稳压二极管315正端、第一开关管317的源极、第二稳压二极管319的正端和第二开关管320的源极共同连接到整流模块120的第二输出端0UT2。第一级负载LEDl的正端连接到整流模块120的第一输出端OUTl。第一级负载LEDl的负端连接到第二输出端。第二级负载LED2的输入端连接第二输出端，第二级负载LED2的输出端连接整流模块120的第二输出端0UT2。
[0064]当整流模块120的输出电压低于第一开关单元切换电压时，第二开关管320导通，第二级负载LED2短路，只有第一级负载LEDl接入。当整流模块120的输出电压逐渐升高到切换电压之后，第一开关单元断开，第一级负载LEDl和第二级负载LED2接入，两个LED负载同时工作发光。由于本实用新型一种带功率因数校正的整流桥具有在电压高于LED负载的导通电压时，整流桥上的电容并联充电。在低于LED负载导通电压时，串联放电的特性，因此本实用新型一种带功率因数校正的整流桥，可以使LED在输入市电瞬态值低于LED负载导通电压的时间段里，也能使LED导通发光，从而达到降低LED频闪深度的效果。输入电流波形如图9 (b)所示，同时采用本实用新型所述LED，整体光通量波形如图9 (c)所示。
[0065]LED模组包括基板、集成封装在基板上的LED芯片和能够在被LED芯片激发具有特殊寿命的发光粉。LED芯片可以采用图6、图7与图8的芯片结构。
[0066]具有特殊寿命的发光粉为一种或多种无机和/或有机发光材料的组合。比如:CaS:Eu ；CaS:Bi, Tm ；ZnS:Tb ；CaSrS2:Eu, Dy ；SrGa2S4:Dy ；Ga203:Eu ； (Y, Gd)BO3:Eu3+ ；Zn2Si04:Mn2+ ；YB03:Tb3+ ；Y(V, P) O4: Eu3+ ；SrAl204:Eu2+ ；SrAl2O4: Eu2+, B ；SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, B ；BaAl2O4: Eu2+ ；CaAl2O4: Eu2+ ； Sr3S15: Eu2+, Dy3+ ;BaMgAIltlO17: Eu2+, Mn2+ ;Tb (acac) 2 (AA)phen ；Y202S:Eu3+, Y2S15: Tb3+ ；SrGa2S4: Ce3+ ；Y3(A1, Ga) 5012:Tb3+ ；Ca2Zn4Ti15036: Pr3+ ；CaTi03:Pr3+ ；Zn2P2O7: Tm3+ ；Ca2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Sr2P2O7: Eu2+, Y3+ ；Lu203:Tb, Sr2Al6O11: Eu2+ ；Mg2Sn04:Mn2+ ;CaAl204: Ce3+, Tb3+ ；Sr4Al14O25: Tb3+ ；Ca10 (PO4) 6 (F, Cl): Sb, Mn ；Sr2MgSi2O7: Eu2+ ；Sr2CaSi2O7IEu2+ ; Zn3 (P04) 2: Mn2+, Ga3+ ；CaO:Eu3+ ；Y202S:Mg2+, Ti3+ ；Y202S: Sm3+ ；SrMg2 (PO4)2: Eu2+, Gd3+ ;BaMg2 (PO4) 2: Eu2+, Gd3+ ；Zn2Si04:Mn, As ；KLaF4:Er ；CdSi03:Dy3+ ；MgS13:Eu2+, Mn2+中的一种或多种混合。
[0067]所述发光粉的发光寿命是I — 10ms (优选l_30ms)。表I给出了 11种发光粉的试验例，对应不同激发波长的发光粉的配方与发光寿命。
[0068]表I
[0069]
LED芯片种，,
试验发光粉的;, 类(发光波发光粉的配方例 μ ^ 发光寿命__长)___
I紫外光 _SrVlgj(PO ),:丨:u」’(;cT_ 13 ms
[0070]__(254 纳米)___
紫外光.2Zn’Si 0.: Mn,/\s7 ms
__(254 纳米)___
3CdS13: Dy3+ ms__(254 纳米)___
紫外光30wt%
428ms__(254 纳米)SrMg」(丨)():)」:丨:U」，(;cf，70%Sr:!S i(),: Kif，Dy 5__
紫外光。+
5Ζη?Οτ:Τν bo ms__(310 纳米)___
紫夕卜光
6Tb (acac)。(AA) phen IU ms__(360 纳米)___
紫光10wL%YAS:Sm:!，,10wL%CaTi():1:l)r3
78ms__(400 纳米)__50wt%Ca2P20:: Eu2+, Y3+__
紫光3+
8YO-SiKu-1 ms
__(400 纳米)___
蓝光3,
9Sr Λ I, 0.。: l“r，Dy', 1525 ms
__(460 纳米)_____
蓝光2, ?
10MgSi(K: Eu2丁，Mn)?ιι
__(450 纳米)___
蓝光
11SrA IjO: Ι.?Γ，ΙΓ100 ms
(460纳米)
[0071]本实用新型至少具有以下优点:
[0072]1、LED芯片采用垂直结构，使P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，从而电流分布更均匀，同时具有较高的出光效率。
[0073]2、LED芯片采用倒装结构可提高LED的发光效率和散热能力，延长LED的使用寿命O
[0074]3、整流单元采用带功率因数校正功能的桥式整流电路，在实际应用电路中能够有效提高功率因数至0.9以上。
[0075]4、在整流桥后连接串联的小于2000欧姆的电阻和滤波电容，可使输出直流电压更加稳定并且具有高功率因数。
[0076]5、通过开关模块控制LED模块中LED负载的点亮个数，即LED分段点亮方式，可以有效的降低频闪深度，提高照明体验。
[0077]需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本实用新型的目的，并非用于限制本实用新型。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种发光二极管驱动装置，其包括彼此连接的整流模块(120)和LED模块(130)，所述整流模块(120)与多个LED负载串联构成一个回路， 其特征在于， 所述LED模块(130)包括若干LED模组，所述LED模组由基板和多个LED芯片组成，并且所述LED模组的所述多个LED芯片结构为水平结构、垂直结构或倒装结构。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为水平结构时，每个LED芯片的P电极和N电极位于芯片顶端，每个LED芯片自下而上依次包括:蓝宝石衬底(Sapphire)、N 型 GaN 层(η-GaN)、多量子讲(MQff)、P 型 GaN 层(p-GaN)、TCL 层(TCL)和P型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
3.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为垂直结构时，每个LED芯片的N电极和P电极分别位于芯片的顶端和底端，每个LED芯片自下而上依次包括:P型电极层、导电层(Conductive Substrate)、反射体(Reflector), P型GaN层(p-GaN)、多量子阱(MQW)、N型GaN层(n_GaN)和N型引线电极，LED芯片之间用金属线串联、并联或混联。
4.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述LED芯片为倒装结构时，LED芯片具有若干发光单元，LED芯片倒装在基板上，LED芯片上每个发光单元通过基板上的金属层串联、并联或混联。
5.根据权利要求1至4之一所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)包括正半周整流支路、正半周馈电支路、负半周整流支路和负半周馈电支路，其中， 所述正半周整流支路包括:第一二极管(301)、第二二极管(302)和第六二极管(306)，其中，第二二极管(302)的正极连接第一供电端(IN1)，负极与第一二极管(301)的正极相连；第一二极管(301)的负极与所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)相连；第六二极管(306)的正极与所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)相连，负极与第二供电端(IN2)相连； 所述负半周整流支路包括:第三二极管(303)、第四二极管(304)和第五二极管(305)，其中，第三二极管(303)的负极与第一供电端(INl)相连，正极与所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)相连；第五二极管(305)的正极连接第二供电端(IN2)，负极与第四二极管(304)的正极相连；第四二极管(304)的负极与所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)相连； 所述正半周馈电支路还包括第一电容(307)和第四电容(310)，其中，第一电容(307)的一端与第四二极管(304)的正极相连，另一端与第一供电端(INl)相连；第四电容(310)的一端连接第二供电端(IN2)，另一端连接所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2)； 所述负半周馈电支路还包括第二电容(308)和第三电容(309)，其中，第二电容(308)的一端连接第一供电端(INl)，另一端连接所述整流模块(120)的第二输出端(0UT2);第三电容(309)的一端连接第一二极管(301)的正极，另一端连接第二供电端(IN2)。
6.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述驱动装置还包括开关模块，所述开关模块由电压采样单元和彼此并联的多个开关单元构成，其中，每个开关单元设置在其中一个LED负载的输出端与所述整流模块(120)的所述第二输出端(0UT2)之间，以便根据所述电压采样单元的电压信号进行通断控制。
7.根据权利要求6所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，每个开关单元的电压采样单兀分别包括第一米样电阻(313)、第二米样电阻(314)和第一稳压二极管(315),其中，所述第一采样电阻(313)与所述第二采样电阻(314)按照彼此串联的方式连接在所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)与第二输出端(0UT2)之间，并且所述第一稳压二极管(315)按照正极连接第二输出端(0UT2)且负极连接所述第一采样电阻(313)的方式并联至所述第二采样电阻(314)。
8.根据权利要求7所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述开关模块中的每个开关单元分别包括第一电阻(316)、第二电阻(318)、第三电阻(321)、第一开关管(317)、第二开关管(320)和第二稳压二极管(319)，其中， 所述第一电阻(316)的一端连接在所述第一采样电阻(313)与所述第二采样电阻(314)两者之间的连接节点处，并且所述第一电阻(316)的另一端连接至第一开关管(317)的栅极； 所述第一开关管(317)的漏极经由第二电阻(318)连接至第二开关管(320)的漏极和相应LED负载的输出端，所述第一开关管(317)的源极连接至所述第二输出端(0UT2)，并且所述第一开关管(317)的漏极还经由第三电阻(321)连接至所述第二开关管(320)的栅极；并且 所述第二开关管(320)的源极连接至所述第二输出端(0UT2)，所述第二稳压二极管(319)的正极连接所述第二输出端(0UT2)，并且所述第二稳压二极管(319)的负极连接所述第一开关管(317)的源极。
9.根据权利要求8所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述第一开关管(317)和所述第二开关管(320)为M0SFET。
10.根据权利要求9所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)中的二极管为整流二极管或肖特基二极管，所述整流二极管反向耐压至少为所述整流模块(120)的输入电压峰值的2倍。
11.根据权利要求10所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述整流模块(120)中的所述第一、第二、第三和第四电容为无极性电容，所述第一、第二、第三和第四电容的耐压至少为所述整流模块(120)的输入电压峰值的1.5倍，所述整流模块(120)中的所述第一、第二、第三和第四电容的取值范围为22nF至330nF。
12.根据权利要求11所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，在所述整流模块(120)的第一输出端(OUTl)与第二输出端(0UT2)之间连接有平滑电路，所述平滑电路通过彼此串联的稳压电阻(312)和滤波电容(311)构成，并且所述稳压电阻(312)小于2000欧姆，所述滤波电容(311)为有极性电容或无极性电容。
13.根据权利要求12所述的发光二极管驱动装置，其特征在于，所述驱动装置带有由压敏电阻、热敏电阻和/或保险丝构成的断路保护单元。
【文档编号】H05B37/02GK203951640SQ201320838254
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】李东明, 封正勇, 龙文涛, 杨冕 申请人:四川新力光源股份有限公司
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