专利名称：交流电直接恒流驱动的led发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED (发光二极管)发光装置，特别涉及LED发光装置的交流电直接恒流驱动技术。
背景技术：
LED作为一种新型固态光源，以其节能、环保、寿命长等优点有望成为新一代照明光源。众所周知，现有LED几乎都是用直流电驱动的，而我们的生产生活用电却是交流电。因此，在目前使用的LED产品中，需要一个电源转换器，将交流电转换为直流电。电源转换器的引入，带来很多负面效应。其一，电源转换器的寿命远远低于LED自身的寿命，使得照明装置的使用寿命变短；其二，电源转换器会降低发光装置的效率；其三，在小功率应用中，电源转换器会引起功率因数的下降和电流总谐波失真的增加。为了充分发挥半导体照明的优势，可以用交流电直接驱动的LED发光装置成为当前的研究热点。在已有的交流LED公开技术中，大多是使用多颗LED组件按照反向并联或者桥式整流的电路拓扑结构连接而成，以满足交流电力的驱动要求。但是，交流电是按照一定的频率周期性波动的，由于LED自身开启电压的存在，在瞬时电压超过开启电压时，LED才会导通并发光。反之，LED是截止不发光的。这种电路使得LED的发光效率很低，并且随着交流电压波动出现发光闪烁现象。国际专利 WO 2004/023568A1 “LIGHT-EMITTING DEVICE HAVINGLIGHT-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。美国专利US7, 489, 086 B2“AC LIGHT EITTING DIODE AND AC LED DRIVE METHODSANDAPPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明是一种将多个LED集成封装的器件，利用人眼的视觉暂留效应来弥补交流电引起的LED发光闪烁现象。该专利没有从根本上解决交流电压周期性波动造成的发光闪烁现象。可见，在已公开LED交流驱动技术中，都存在一个缺点:LED的驱动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，产生发光闪烁的现象。同时，LED器件的核心是一个PN结二极管，其1-V特性为近似的指数函数，当LED两端的电压大于开启电压后，流过PN结的电流呈指数增长。现有技术的交流驱动方法，由于没有使用恒流电路，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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术交流电直接驱动LED发光装置的问题，提供一种交流电直接恒流驱动的LED发光装置。本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，交流电直接恒流驱动的LED发光装置，包括交流输入端、保护单元和整流单元，其特征在于，所述整流单元的第一输出端和第二输出端之间并联有第一支路、第二支路、……第η支路，所述第一支路由第一 LED模组和第一恒流单元串联构成，所述第二支路由第二 LED模组和第二恒流单元串联构成，……所述第η支路由第n LED模组和第η恒流单元串联构成，每个恒流单元都与采样单元连接，其中η彡I,且为整数；所述交流输入端用于连接交流电，为装置提供工作电流；所述保护单元与交流输入端连接，为装置提供保护功能；所述整流单元与保护单元连接，对保护单元输出的交流电进行整流；所述采样单元用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号到各个恒流单元；各个恒流单元与采样单元连接，恒定相应支路的电流并根据采样单元输出的控制信号接通或关断相应支路。本发明的发光装置技术方案中，η条LED模组及其串联的恒流单元构成的并联支路连接在整流电路输出端，通过设定个支路恒流单元的电流值及其关断、接通电压，可以避免交流电压变化产生的周期性闪烁现象。由于每条支路的电流是恒定的，LED模组中的LED不会因为结温的变化而引起电流的变化，提高了 LED的可靠性。通过理论分析可以知道，支路数量的增加可以使驱动电流波形接近正弦波，提高发光装置的功率因数和效率。具体的，所述LED模组由LED阵列组成。采用LED阵列可以组成大功率的LED模组。进一步的，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的至少I个LED构成，或者集成封装在同一基板上的至少I个LED构成，或者集成在同一半导体衬底上的至少I个LED构成。 将LED模组中所有的LED布置在同一印制电路板上，是目前工艺条件下最简单、经济的封装方法；将LED模组中所有的LED集成封装在同一基板上，是指将LED模组中所有的LED进行二次封装，集成在同一散热基板上；将LED模组中所有的LED集成在同一半导体衬底上，这是采用半导体集成电路工艺，在同一半导体基片上实现LED的集成。这些技术都是当前比较成熟的LED集成封装技术。具体的，各个LED模组中LED并联和/或串联连接。LED模组中LED适当的连接组合，如并联、串联或混联等，更能够适应交流电直接驱动的使用环境，方便地调整各个LED模组的电流、电压参数。进一步的，第一 LED模组、第二 LED模组、……第n LED模组中包含的LED数量分别为12、22、......η2,相应的恒流单元电流分别为1、21、......nl ；1为第一;!'亘流单元电流。LED模组中LED数量的这种分布规律，可以实现个支路电流的倍数关系，使总电流波形接近正弦波，有利于提高发光装置的功率因数和效率。更进一步的，当η彡2时，同一 LED同时属于不同的LED模组。该方案可以将各个LED模组中的LED交错布置，使同一只或几只LED同时属于不同的LED模组，实现LED的复用，可以减少发光装置的LED数量，提高发光装置发光亮度的均匀性，有利于克服闪烁现象。具体的，所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。
保险丝是常用的限流保护元件，压敏电阻则是常用的限压保护元件，他们的组合可以完成最基本的限流和限压保护，并且成本低，安装方便，便于进行二次集成。进一步的，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。增加共模扼流圈和气体放电管，共模扼流圈可以抑制共模干扰，气体放电管可以保护照明装置不被雷电等伤害。具体的，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流电路或半波整流电路构成。采用整流二极管作为整流元件，体积小重量轻，便于进行二次集成封装。具体的，所述采样单元由电阻网络构成。电阻 网络非常适合采集直流参数，便于设定恒流单元断开和接通的动作点。本发明的有益效果是，使用交流电力直接恒流驱动LED模组，电路简单，体积小、重量轻，成本低。通过适当预置各支路电流和开关电压，可以减轻交流电波动时LED发光装置周期性闪烁，并且在交流电瞬时电压过高时，恒流单元关断，LED模组不发光，提高了电源的利用效率，降低了电力损耗。同时，由于采用恒流控制，避免了 LED模组因结温变化，电流过大而烧毁的情况，延长了装置的使用寿命。
图1是本发明的结构框图；图2是实施例1的电路原理图；图3是实施例2的示意图；图4是实施例3的示意图；图5为电压和电流波形。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。本发明的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，结构框图如图1所示，包括交流输入端1、保护单元2、整流单元3，以及整流单元3的第一输出端31 (通常为正极)和第二输出端32(通常为负极)之间并联的第一支路、第二支路、……第η支路。第一支路由第一LED模组51和第一恒流单元61串联构成，所述第二支路由第二 LED模组52和第二恒流单元62串联构成，……所述第η支路由第n LED模组5η和第η恒流单元6η串联构成，每个恒流单元都与采样单元连接，其中η > 1，且为整数。交流输入端I用于连接交流，为装置提供工作电流；保护单元2与交流输入端连接，为装置提供保护功能；整流单元3与保护单元2连接，对保护单元2输出的交流电进行整流，输出正弦波脉冲电流(如图5a所示)；采样单元4用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号到各个恒流单元；各个恒流单元与采样单元4连接，恒定相应支路的电流并根据采样单元4输出的控制信号接通或关断相应支路。下面简单描述本发明的工作原理:交流市电(通常为正弦波交流电)通过交流输入接口 I进入保护单元2，经整流单元3进行整流，成为正弦波脉冲电压，其电压波形如图5a所示。在一个交流电周期T内，随输入电压升高，达到第一 LED模组51开启电压，第一 LED模组51进入工作状态，电流逐渐增大，达到第一恒流单元61预设电流之后以该预设电流工作在恒流状态。随电压继续升高，电压到达到第一恒流单元61预设关断电压，第一恒流单元61关断，第一 LED模组51不发光。此时第二恒流单元62接通，第二 LED模组52开始工作，第二 LED模组52进入恒流状态后以第二恒流单元62设定的电流维持恒流工作状态，随着电压继续上升，第二恒流单元62关断，以此类推，直到第nLED模组5n开始工作，前面的恒流单元全部关断。如果设定第一恒流单元61恒流电流为I，第二恒流单元62恒流电流为21，……第η恒流单元恒流电流为nl,理论上,分组越多，电流波形越接近正弦波,如图5b所示,功率因数也越高,效率也越高，但是电路也越复杂，布局布线也越困难。因此，在实际应用中，选取有限个恒流单元与对应数量的LED模组构成有限条支路。实施例1如图2所示，本例保护单元2由保险丝F和压敏电阻VR构成，保险丝F串联在交流输入端I的相线L上，压敏电阻VR并联在交流输入端I的相线L和零线N之间。保护单元2与全波整流电路Dl构成的整流单元3连接，整流单元3输出端并联4条支路。第一支路由第一 LED模组和第一恒流单元串联构成，第一 LED模组由一只LEDll构成，其正端连接整流电路Dl正极,负端通过第一;〖亘流单元连接到整流电路Dl负极。本例采样由电阻网络构成，包括电阻Rl R8。电阻Rl与电阻R2串联后并联在整流电路Dl正极和负极之间，电阻Rl和电阻R2的连接点为第一恒流单元的采样点，并与第一恒流单元控制端连接。本例第二支路中，第二 LED模组由4只LED构成的2X2的阵列组成，包括LED21、LED22、LED31和LED32，他们以两只LED同向串联后两组同极并联的方式连接，如图
2所示。第二 LED模组正端连接整流电路Dl正极，负端通过第二恒流单元连接到整流电路Dl负极。电阻R3与电阻R4串联后并联在整流电路Dl正极和负极之间，电阻R3和电阻R4的连接点为第二恒流单元的采样点，并与第二恒流单元控制端连接。本例第三支路中的第三LED模组由9只LED构成的3X3的阵列组成，包括LED41、LED42、LED43 ;LED51、LED52、LED53 ;LED61、LED62、LED63。这些LED以三只同向串联后三组同极并联的方式连接，参见图
2。第三LED模组正端连接整流电路Dl正极，负端通过第三恒流单元连接到整流电路Dl负极。电阻R5与电阻R6串联后并联在整流电路Dl正极和负极之间，电阻R5和电阻R6的连接点为第三恒流单元的采样点，并与第三恒流单元控制端连接。本例第四支路中，第四LED模组由 16 只 LED 构成的 4X4 的阵列组成，包括 LED71、LED72、LED73、LED74 ;LED81、LED82、LED83、LED84 ;整流电路 Dl 负极 LED91、LED92、LED93、LED94 ;LED01、LED02、LED03、LED04。这些LED以四只同向串联后四组同极并联的方式连接，参见图2。第四LED模组正端连接整流电路Dl正极，负端通过第四恒流单元连接到。电阻R7与电阻R8串联后并联在整流电路Dl正极和负极之间，电阻R7和电阻R8的连接点为第四恒流单元的采样点，并与第四恒流单元控制端连接。本例整流电路Dl负极为公共地端。通过插头与电网连接，本例发光装置获得交流电力，交流电经过保护单元，并由整流单元，整流成直流电(严格的说是正弦波脉冲直流电，波形如图5a所示)提供给电压采样单元、恒流单元和LED模 组。在每个交流周期T中，整流电路Dl输出电压从零开始上升，当电压升高达到第一 LED模组的开启电压时，第一恒流单元接通，第一 LED模组开始发光，进入工作状态。电压继续升高，恒流单元I以设定的恒定电流20mA工作，使第一 LED模组电流达到20mA额定电流。当电压升高达到预设关断电压时，第一恒流单元关断，第一 LED模组停止工作，第一 LED模组熄灭，第二 LED模组开始发光，进入工作状态。电压进行升高，第二恒流单元以设定的恒定电流40mA工作，使第二 LED模组电流达到40mA额定电流。当电压升高到第二恒流单元达预设的关断电压时，第二恒流单元关断，第二 LED模组停止工作，第三LED模组开始工作，随着电压进行升高，第三恒流单元以设定的恒定电流60mA工作，使第三LED模组电流达到60mA额定电流。当电压升高达到预设关断电压时，第三恒流单元关断，第四恒流单元接通，第四LED模组开始工作，当电压继续升高，第四恒流单元以恒定电流80mA工作，使第四LED模组电流达到80mA额定电流。如图5b所示为本例的电流波形示意图，由图可见电流在不同的阶段成倍增加，其波形趋近正弦。使本例发光装置具有很高的效率和功率因数。第四恒流单元也有保护功能，当电压超过预设关断电压时，第四恒流单元关断。整个发光装置中的LED模组全部关断，保护发光装置不至于损坏。本例中各个LED模组中的LED阵列(本例第一支路的LED模组也可以看成是I X I的LED阵列)，可以是布置在同一印制电路板上的LED构成，或者采用集成封装技术，将他们集成封装在同一散热基板上构成，也可以利用集成电路工艺，将他们集成在同一半导体衬底上构成。实施例2图3所示为本例电路示意图，可以看出，本例除了 LED模组结构及其连接方式与实施例I不同外，其他结构与实施例1相同。下面仅就四条支路的LED模组结构进行描述，其他结构及其工作过程请参见实施例1的描述，此处恕不赘述。本例第一支路中的第一 LED模组由一只LED31组成，第一 LED模组正端与整流电路Dl正极连接，第一 LED模组负端通过第一恒流单元连接到整流电路Dl负极。本例第二支路中的第二 LED模组包括LED31、LED32，LED21、LED22共4只LED。当第一恒流单元关断时，这4只LED构成2X2的阵列，其中LED31与LED32同向串联为一组，LED21与LED22同向串联为一组，这两组同极并联构成第二 LED模组，该第二 LED模组正端与整流电路Dl正极连接，负端通过第二恒流单元连接到整流电路Dl负极。本例第三LED模组包括LED31、LED32、LED33, LED21、LED22、LED23,LEDl1、LED12、LED13共9只LED。当第一恒流单元和第二恒流单元都关断时，这9只LED构成3X3的阵列，其中LED31、LED32、LED33同向串联为一组，LED21、LED22、LED23同向串联一组，LEDlU LED12、LED13同向串联为一组，这三组同极本例构成第三LED模组。该第三LED模组正端与整流电路Dl正极连接，负端通过第三恒流单元连接到整流电路Dl负极。同样的，当图3中第一恒流单元、第二恒流单元和第三恒流单元都关断时，四组同向串联的 LED31、LED32、LED33、LED34，LED21、LED2 2、LED23、LED24，LED 11、LED 12、LED 13、LED14，LED01、LED02、LED03、LED04构成的4X4的LED阵列组成本例的第四LED模组，该第四LED模组正端与整流电路Dl正极连接，负端通过第四恒流单元连接到整流电路Dl负极。本例中，各支路电路与实施例1 一样，也是成倍数关系，如果第一支路电流为I，其他支路依次为
21,31和 41。本例各个LED模组中的LED采用了串联和并联结合的方式，并且部分LED同时属于多个LED模组。如图3中，LED31同时属于所有LED模组，LED22和LED32同时属于第二、第三和第四LED模组，LED33、LED23和LED13同时第三和第四LED模组。采用这种复用结构，大大的减少了发光单元的数量，降低了发光装置成本，并且有利于克服闪烁现象。
实施例3如图4所示,本例电路示意图与实施例2相比,各个LED模组连接方式做了进一步的优化，四条支路中的四个LED模组由16只LED组成，采用4X4的矩阵拓扑结构。本例第一 LED模组由LED01、LED11、LED21和LED31共4只并联的LED构成的1X4阵列组成。本例第二 LED 模组由 LEDOl、LEDl1、LED21、LED31, LED02、LED12、LED22、LED32 共 8 只串联并联结合的LED构成的2X4阵列组成。本例第三LED模组由LEDOU LEDlU LED21、LED31，LED02、LED12、LED22、LED32, LED03、LED13、LED23、LED33 共 12 只 LED 串联并联结合构成的 3X4 阵列组成，本例第四 LED 模组由 LEDOl、LEDl1、LED21、LED31, LED02、LED12、LED22、LED32，LED03、LED13、LED23、LED33，LED04、LED14、LED24、LED34 共 16 只 LED 串联并联结合构成的4X4阵列组成，其他部分的连接关系以及工作原理请参见上述实施例的描述。本例电路最大特点是各支路电流相同，即所有恒流单元设定的电流相同，均为一只LED恒流驱动电流的4倍。经上述详细的阐释，可以看出，本发明的电压采样单元监测输入电压，同时还具有对LED模组的保护功能。当交流电压出现大的波动的时候，恒流单元也能及时断开，保护LED模组不因电流过大而损坏。本发明的恒流单元可以采用分离元件和/或集成电路构成，要求具有开关控制功能(能进行关断和接通控制)，由于具体电路属于本领域成熟技术，本发明不作详细描述。需要说明的是，虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，凡是本领域技术人员从上述实施例中不经过创造性劳动就可以想到的替换结构，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.交流电直接恒流驱动的LED发光装置，包括交流输入端、保护单元和整流单元，其特征在于，所述整流单元的第一输出端和第二输出端之间并联有第一支路、第二支路、……第η支路，所述第一支路由第一 LED模组和第一恒流单元串联构成，所述第二支路由第二 LED模组和第二恒流单元串联构成，……所述第η支路由第n LED模组和第η恒流单元串联构成，每个恒流单元都与采样单元连接，其中n ^ 1，且为整数； 所述交流输入端用于连接交流电，为装置提供工作电流； 所述保护单元与交流输入端连接，为装置提供保护功能； 所述整流单元与保护单元连接，对保护单元输出的交流电进行整流； 所述采样单元用于对整流单元的输出电压进行采样，并输出控制信号到各个恒流单元; 各个恒流单元与采样单元连接，恒定相应支路的电流并根据采样单元输出的控制信号接通或关断相应支路。
2.根据权利要求1所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，各个LED模组由LED阵列组 成。
3.根据权利要求2所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，所述LED阵列由布置在同一印制电路板上的至少I个LED构成，或者集成封装在同一基板上的至少I个LED构成，或者集成在同一半导体衬底上的至少I个LED构成。
4.根据权利要求2所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，各个LED模组中LED并联和/或串联连接。
5.根据权利要求2所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，第一LED模组、第二 LED模组、……第n LED模组中包含的LED数量分别为12、22、……n2，相应的恒流单元电流分别为1、21、……nl ；1为第一恒流单元电流。
6.根据权利要求2所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，当η> 2时，同一 LED同时属于不同的LED模组。
7.根据权利要求1所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，所述保护单元包括保险丝和/或压敏电阻，所述保险丝串联在交流输入端，所述压敏电阻并联在交流输入端。
8.根据权利要求7所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，所述保护单元还包括共模扼流圈和/或气体放电管，所述共模扼流圈串联在交流输入端，所述气体放电管并联在交流输入端。
9.根据权利要求1所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，所述整流单元由整流二极管组成的全波整流电路或半波整流电路构成。
10.根据权利要求1所述的交流电直接恒流驱动的LED发光装置，其特征在于，所述采样单元由电阻网络构成。
全文摘要
本发明涉及LED发光装置的交流电直接恒流驱动技术。本发明针对现有技术交流电直接驱动LED发光装置的问题，公开了一种交流电直接恒流驱动的LED发光装置。本发明的交流电直接恒流驱动的LED发光装置技术方案中，n条LED模组及其串联的恒流单元构成的并联支路连接在整流电路输出端，通过设定个支路恒流单元的电流值及其关断、接通电压，可以避免交流电压变化产生的周期性闪烁现象。由于每条支路的电流是恒定的，LED模组中的LED不会因为结温的变化而引起电流的变化，提高了可靠性。通过理论分析可以知道，支路数量的增加可以使驱动电流波形接近正弦波，提高发光装置的功率因数和效率。
文档编号H05B37/02GK103200729SQ201210005718
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者李东明, 杨冕, 封正勇, 龙文涛, 赵昆, 张明 申请人:四川新力光源股份有限公司