控制led的方法以及led控制器的制作方法

专利名称：控制led的方法以及led控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动LED的方法。还涉及一种LED驱动器。所述驱动器可以用于多色LED阵列。
背景技术：
传统地，由脉冲宽度调制(PWM)来驱动尤其用于LED照明工业的LED。在PWM中， 在开启状态与关闭状态之间调制LED。当在开启状态中时，典型地，将恒定电流提供给LED。 当在关闭状态中时，没有电流提供给LED。作为LED所输出的光的总量的输出通量是由电流的时间积分来确定的。因此，在保持开启状态中电流恒定的同时，通过改变脉冲宽度，可以在不改变通过LED的瞬时电流的情况下，改变LED的光输出。这点是很重要的，因为LED的波长可以具有很强的电流依赖性。波长可以减少多达30nm/A。维持从LED输出的光的恒定波长对于单色LED来说是是有用的；然而，这对于多色LED阵列来说尤为重要。典型地，在这种多色阵列中，组合具有不同颜色的三个LED集合的输出。那么组合阵列的表现颜色就取决于三个LED集合的强度比率以及它们的绝对波长。当三个LED集合相组合以便产生白光时，能够控制或维持分量LED的波长以便获得对输出的“组合色温”(CCT)的精确控制尤其重要。尽管迄今为止，尤其对于多色LED阵列来说，PWM已经是优选控制方法，但它仍然存在缺点，即，各个LED的通量输出和颜色都仍然是温度依赖的；在没有补偿的情况下，输出的可见效果在仅仅20°C的温差时就可以观测到。在国际专利申请公开W0-A-2007/090283中，已经公开了使用LED本身来确定LED 的温度。这用于估计LED的颜色，然而调节控制的占空比以便控制LED的输出通量。

发明内容
本发明的目的是提供一种控制LED的简单有效的方法。本发明还旨在提供一种用于LED或仅仅用于多色LED阵列的控制器。根据本发明，提供了一种控制LED的方法，所述方法包括在第一时间内使用DC电流驱动LED ；在第二时间内中断DC电流使得第一时间与第二时间之和为一个时间段；确定在DC电流中断时LED的至少一个特性；以及在后续时间段期间取决于至少一个特性来控制 DC电流。因此本发明的有利之处在于DC工作的简单性。通过在DC模式中而不是在例如 PWM模式中操作LED，避免了能够调节占空比所需的要求。通过在DC电流中包括中断，可以使用LED自身作为传感器以确定LED的特性。因此避免了对额外传感器的需求。在优选实施例中，第一时间和第二时间中的每一个都是恒定的。更优选地，第一时间与第二时间之比至少是99。与PWM控制相反，根据该实施例，因此可以将通过LED的瞬时电流保持在最小值，在PWM控制中，占空比很容易极大地变化。由于针对较低驱动电流，LED 典型地具有较高的效率，所以可以提高总体系统的性能。在优选实施例中，在中断DC电流时，将LED驱动为正向偏置。在中断期间将LED驱动为正向偏置便于在中断期间对LED进行测量。典型地，正向偏置导致小于100 μ A的正向电流，此夕卜，正向偏置可以导致小于10 μ A的正向电流。由于工作正向电流可以是十几mA， 因此，中断期间的正向电流比第一工作时间期间的正向电流低2或3个数量级。在中断期间使用这种低正向电流，防止了自热效应，并且最小化了二极管的功耗。在实施例中，至少一个特性包括LED温度。可以在中断期间利用第二恒定电流将 LED驱动为正向偏置，可以在第一时间期间测量LED两端的工作偏置，并且可以依据正向偏置和工作偏置来确定LED温度。此外，可以通过将正向偏置的平均值和工作偏置的平均值与查找表中的预定值相比较，来确定LED温度。因此，LED自身能够用作温度传感器，这使得与要求单独的温度传感器的情况相比，节约了成本。在另一实施例中，至少一个特性包括LED波长。具体地，可以通过在第二时间期间测量LED的CV响应来确定LED波长。此外，可以从CV响应导出相位，并且通过相位确定 LED波长。因此可以在不需要单独的波长传感器的情况下，确定波长或者波长的度量。在另一实施例中，至少一个特性包括输出通量。因此，根据本发明的实施例，可以在不需要单独的光电二极管或其他传感器的情况下，确定输出通量。可以通过在第二时间期间测量LED的CV响应来确定输出通量，在实施例中，这可以通过测量被绘制为电容-电压曲线图的CV响应中负最大值的尖锐处来实现。显而易见的是，在实施例中，可以确定通量、温度和波长中的至少两项，或者可以确定通量、温度和波长的任何组合。此外，本发明不限制于这些特性；可以在中断期间确定的其他有用特性对技术人员来说将是显而易见的。根据本发明的另一方面，提供了一种用于LED的控制器，配置所述控制器以便利用根据任意所述方法来工作。根据本发明的另一方面，提供了一种用于多色LED阵列的控制器，配置所述控制器以便利用根据任意所述方法来工作。参考下文所述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明，本发明的这些和其他方面是显而易见的。


参考附图仅作为示例对本发明的实施例进行描述。在附图中图1示出了针对传统PWM控制LED的驱动电流；图2示出了根据本发明实施例所布置的驱动电路示意图；图3示出了根据本发明实施例的针对DC控制LED的驱动电流，所述驱动电流包括中断；图4(a)、图4(b)和图4(c)针对根据本发明实施例来操作的LED，分别示出了工作电流带处的正向偏压测量、这种测量的直方图、以及低正向电压的温度依赖性，其中所述工作电流带负载电流；图5针对根据本发明实施例来驱动的LED，示出了正向低电压的温度依赖性的实验测量；图6所示的能带图示出了在LED中可用的误差跃迁(transition)；图7示出了针对具有两个相异栅极氧化物的相似MOS晶体管的演示CV曲线图8示出了与图7所示的CV曲线图相对应的相位角曲线图与电压的关系；图9示出了用于数个蓝色LED的对应相位角曲线图；以及图10示出了针对一组蓝色LED的相位角与峰值波长之间的相关性。应注意的是，附图是演示性的而非按比例绘制。在附图中，为了清晰和方便的目的，已经对这些图的相关尺寸和比例进行了尺寸上的扩大或减小。在修改的实施例或不同实施例中，相同的参考标记通常用于表示对应或相似的特征。
具体实施例方式图1示出了针对传统PWM控制器的LED驱动电流信号。在开启状态，控制向LED (如果控制是控制多个LED的，则是LED串)提供电流I。。调制的时间段T是恒定的。控制在时间段Ton是开启的，在时间段Toff是关闭的。忽略LED自热效应，LED光通量输出与电流的积分相对应，也就是与位于周期的Ton部分下的面积1相对应。为了增加KED的光通量，占空比是变化的；也就是说，Ton Toff之比增加。图表的右侧显示了该种情况，其中 Ton' > Ton, Toff' < Toff,因此，相对于与面积1相对应的通量，与面积2相对应的通量增加，但时间段T保持恒定。相反地，图3示出了根据本发明实施例用于驱动LED的DC调制电流的示例。该图示出了驱动电流(I)随时间(t)的变化。用于控制的时间段是常数T，时间段分为两部分在时间段的第一部分期间，将电流施加给LED ；在时间段的第二部分期间(由Tm表示)， 电流中断。换言之，中断以固定的频率发生，并且具有固定的持续时间，这与PWM控制系统不同，在PWM控制系统中，中断具有变化的持续时间，持续时间取决于占空比。中断可以非常短，对于以IkHz频率工作的控制来说，中断典型地持续少于10 μ s，因此时间时间段T 为1ms，从而不会显著减小系统的最大输出。同样，驱动器可以工作在更低的频率上，比如 100Hz，并且具有的中断是100 μ s数量级，或者比100 μ s短。在示例中，驱动器的占空比都恒定地维持为99%。然而，这不是限制值，如果要求中断更长，可以接受诸如95%的更低占空比，以便适当地确定LED的特性，以下将更详细地对此进行讨论。图2中示出了被配置成根据本发明的实施例来进行工作的LED的控制器。LED或 LED串201与LED驱动器202串联。将LED驱动器202布置为电流源。LED驱动器202能够提供恒定电流，典型地提供IOmA至50mA数量级的恒定电流。LED驱动器202还能够与低正向偏压相对应地为LED提供恒定电流第二恒定电流典型地使用1 μ A至50 μ A的范围， 并且在中断期间被提供给DC电流输出，如上文中参考图3所述。典型地，将DC电压V+提供给驱动器。利用控制器203来控制LED驱动器202。控制器203感测LED210两端的电压降。可以由Kelvin探针204执行所述感测。(Kelvin探针几乎不承载电流，因此对欧姆损耗不明显)。除了提供低电平正向电流外，驱动器202还适于在低电平正向电流之外提供高频率AC信号，以便利于CV测量，以下将更详细地讨论CV测量。驱动器提供的电流是直流，其在任意单个时间段内恒定(除非如上述受到中断的影响)。然而，可以调制DC电流；在后续时间段期间，电流I'可以比电流I高。图3示出了三个这种时间段，在三个连续时间段期间，它们具有增加的电流I、Γ prime和1〃。在施加DC电流的时间期间内，每个时间段的光线通量输出随驱动电流的积分而增加，驱动电流的积分分别与曲线下方的面积Φ、面积Φ'和面积Φ"相对应。换句话说，来自LED的光通量将从Φ增加至Φ'，再增加至Φ"。要注意的是，该控制方法与PWM控制不同，这是由于占空比保持固定并且相对较高。由于占空比非常接近于1，所以平均电流非常接近于瞬时电流。因此可以最大化LED的效率，这是由于，典型地针对较低驱动电流，LED具有较
高的效率。通过在时间Tm期间向驱动器电流提供中断，使得允许在LED处于休止 (quiescent)状态时，在LED上直接进行测量。如将在下文中更详细地描述的，对于一些测量，以低正向偏置驱动LED是有用的。由于低正向偏置典型地引起数量级比驱动器电流的数量级低100倍或者甚至1000倍的正向电流，这在图3中没有示出。在驱动电流中断的同时，LED可以作为传感器工作。使用LED自身作为传感器具有数个优点。首先并且最明显地，避免了对额外、单独的传感器的需求。其次，节省成本并节省空间，并且减小电路复杂性，这是因为，例如可以集成驱动器IC。第三，使用LED自身来测量LED结点温度尤其方便，因为精确地在LED处确定温度，而不是仅在一些其他位置上确定温度，如使用单独的温度传感器的情况。现在将参考图4来描述确定LED结点温度的新颖方法，该方法在控制器提供DC电流的同时，利用在中断期间做出电压测量来确定LED结点温度。图4(a)中示出了当LED由 DC电流(Vfhigh)驱动以及当LED在中断期间处于正向偏压(Vflmt)时，LED两端的正向偏压的测量。χ轴表示时间，该图明显不是按比例绘制的。通过在时间上对测量求平均，可以产生当由DC电流驱动以及当在中断期间被偏置时，二极管两端的电压的直方图。图4(b)示出了这种情况。直方图具有两个峰值，分别与正常工作期间的正向偏置以及中断期间的低电流所导致的正向偏置(或正向电压)相对应；因此可以对除去由热噪声等引起的峰值的测量进行求平均。如图4(c)所示，与特定电流相对应的正向偏置随温度而相反地变化。对于任何特定二极管类型，可以预先确定该变化的性质，并可以将该变化的性质存储在例如查找表中。 因此通过测量值或者平均值，可以确定LED结点的温度，其中，可以利用所示的直方图，或者技术人员所知的任何其他传统方法来确定测量值或平均值。图5示出了实验结果，实验结果显示正向偏置随温度的变化。电流在工作电流电平511与10 μ A的低电流电平512之间循环，并具有500Hz的频率。在图中，针对样本LED， 相对于工作电流(Iop)绘制在多个温度处处于低电流中的正向电压Vf-low。横坐标上的工作电流的范围从0至70mA。示出的正向电压纵坐标在1.32V与1.5V之间。绘图501至绘图512所示的数据分别与以5°C为间距，从25°C至80°C范围变化的管芯(die)温度相对应。显而易见的是，低电流处的正向电压Vf-Iow实质上与工作电流相独立。在没有将驱动电流提供给LED时，在中断期间可以确定的LED的另一特性是产生光的波长。现在将描述确定产生光的波长的一个示例方法。通常作为双异类结构或多量子阱结构来制造(fabricate)LED，其中，晶格失配始终出现在不同层与基板之间。由于这种失配，结构中出现缺陷，这导致界面状态的出现。 由于永远也不能完全控制双异类结构的制造过程，来自同一批次的LED的界面陷阱将具有轻微不同的密度，并因此具有轻微不同的波长。除此之外，合金(针对蓝色和绿色LED AlInGaN和红色LED AlInGaP结构)中铟的簇导致不同尺寸的量子点的形成，以及GaN或 GaP层与这些铟量子点之间的界面上的界面状态。
图6在能带图中示出了可以发生在导带61与价带62之间的多种跃迁。一个跃迁 604是电子64从价带62到导带61的直接激发。靠近导带的浅陷阱601能够提供向价带返回的二级跃迁在从导带到陷阱的第一跃迁602之后是从陷阱601回到价带的非辐射跃迁 605。备选地，可以将电子从陷阱601激发回导带61。此外，发光中心610可以位于靠近价带62的位置。电子可以通过607从价带激发至发光中心，然后经由跃迁608返回。最后， 并且对于LED的工作来说最重要的是，可以存在从导带61和浅陷阱601到发光中心610的辐射跃迁609和606。上述界面状态可以产生更多浅陷阱状态；因此，可以存在更多非辐射跃迁。相反地，量子点可以产生更多浅辐射状态，浅辐射状态可以导致更多辐射跃迁。电容-电压(CV)测量是针对例如CMOS器件做出的常规测量(以便确定栅极氧化物或p-n结的厚度和品质)。图7演示地示出了针对MOS晶体管中的两个不同氧化物栅极上所做的两个CV测量71和72。两个曲线的最小值之间的差异是由于存在界面状态导致的差异。由于界面状态导致非辐射跃迁，所以界面密度的增加导致辐射跃迁的相对减小，这与发光通量的类似减小相对应。因此，CV曲线的形状，尤其是CV响应中负峰的尖锐处，起到LED的发光通量的度量(measure)的作用。类似地，图82针对图7中所述的相同器件， 示出了相位(Φ)电压(V)关系。此外，两个曲线81与82之间的差异与界面陷阱密度的差异相对应，或者，对于直接带隙潜在辐射器件来说，两个曲线81与82之间的差异与发光中心的密度的差异相对应。通过直接测量LED上电容和电压，可以将曲线底部处的电容值的差异与出现在结界面上的界面状态相关联，对于LED，与波长相关。此外，该差异可以给出发光中心的密度的信息，并且因此给出LED的发光通量的信息。图9示出了针对五个LED的实验相位电压曲线图。与图8类似，相对于电压V绘制相位Φ。曲线图91至曲线图95示出了五个不同的蓝色LED的响应。在每种情况中，在 IMHz处做出测量。图10示出了蓝色LED组的峰值波长λ与低电压相位Φ之间的相关性。纵坐标示出了从46611111至47111111的范围的波长，横坐标具有从90.02°至91. 2°的范围的相位。 在每种情况中，在30毫安的正向电流处测量峰值波长，在IMHz处测量CV曲线。与每个相应LED相对应的点1000清楚地示出了相关性，通过所述相关性所获得的趋势绘制在线1001 上。如已经简要提到的，CV曲线图也可以用于确定LED中发光中心的密度。由于这直接与观测来自LED的发光通量相关，可以使用三种测量来确定发光通量的量利用CV测量， 可以确定或定量界面状态的密度，界面状态的密度与浅陷阱状态的密度相关联。利用该测量，并且与第一校准测量相比较，浅陷阱状态的变化表示了非辐射跃迁的变化，并且因此表示引起发光通量的辐射跃迁的相反变化。因此，电容对电压的曲线图中负最大值的尖锐处可以用于提供LED的发光通量的确定，在中断时间期间，通过已知的CV测量技术来测量所述电容对电压的曲线图中负最大值的尖锐处，所述中断时间也可以称作中断时间段或中断间隔，或者中断持续时间。通过阅读本公开，其他变体或修改对技术人员来说将是显而易见的。这种变体和变化可以包括相同或其他的特征，所述相同或其他的特征在LED驱动器领域中是已知的， 并且可以用于代替在此已经描述的特征，或者作为在此已经描述的特征的补充。
尽管所附权利要求是针对特征的具体组合，但应该理解的是，不论其是否涉及如任意权利要求中在此所声明的相同发明，也不论其是否如本发明一样解决了任何或所有相同的技术问题，本发明的公开范围也包括在此明确地或含蓄地公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，或者它们的任何概括。也可以将分别的实施例的上下文中所述的特征作为组合来提供在单个实施例中。 相反地，为简洁起见，也可以将单个实施例的上下文中所述的不同特征分开地或者以任何适当的子组合的形式来提供。申请人:在此声明，在本申请的执行期间，或者在得自于本申请的任何其他申请的执行期间，这种特征和/或这种特征的组合可以构成新的权利要求。为了完整性的目的，也作出如下声明，动词“包括”的使用并不排除存在除了在权利要求中所列元件或步骤以外的其他元件或步骤，对元件的单数引用并不排除对元件的复数引用，单个处理器或其他单元可以执行权利要求中所列的若干装置的功能，并且不应将权利要求中的参考标记理解为限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种控制LED的方法，包括在第一时间内，使用DC电流驱动LED ；在第二时间内中断DC电流，使得第一时间与第二时间之和为一个时间段； 测量第二时间期间LED的CV响应；确定在DC电流中断时LED的输出通量和波长中的至少一个；以及在后续时间段期间取决于LED的相应输出通量或波长来控制DC电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一时间和第二时间中的每一个是恒定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，第一时间与第二时间之比至少是99。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，在DC电流中断时，将LED驱动为正向偏置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，正向偏置导致正向电流，所述正向电流小于 100 μ Ao
6.根据权利要求4所述的方法，其中，正向偏压导致正向电流，所述正向电流小于 10 μ Ao
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，从CV响应中导出相位，并且通过相位确定LED波长。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，根据被绘制为电容-电压曲线图的 CV响应中负最大值的尖锐处，来确定输出通量。
9.一种用于LED的控制器，所述控制器被配置为根据前述任一项权利要求所述的方法 来工作。
10.一种用于多色LED阵列的控制器，所述控制器被配置为根据权利要求1至8中任一项所述的方法来工作。
全文摘要
公开了一种控制LED的方法，所述方法包括在第一时间内使用DC电流驱动LED；在第二时间内中断DC电流使得第一时间与第二时间之和为一个时间段，确定在中断DC电流时LED的至少一个特性；以及在后续时间段期间取决于至少一个特性对DC电流进行控制。因此本发明的有利之处在于DC操作的简单性。通过在DC模式中而不是例如PWM模式中操作LED，避免了能够调节占空比所需的要求。通过在DC电流中包括中断，可以使用LED自身作为传感器以确定LED的特性。因此避免了对额外传感器的需求。
文档编号H05B33/08GK102356696SQ201080012235
公开日2012年2月15日 申请日期2010年2月25日 优先权日2009年3月20日
发明者G-J·科林, 伯努特·巴泰娄, 吉安·霍赫扎德, 帕斯卡尔·贝思肯, 彼得·胡贝图斯·弗朗西斯科·德兰博格, 拉杜·苏尔代亚努, 霍安 菲特·恩古耶恩 申请人:Nxp股份有限公司