LED工作模式控制装置

摘要

本发明为一种耐压高、发光效率高的LED工作模式控制装置。由用于整流交流电源的整流电路、LED模块组、连接于整流电路和所述的LED模块组之间的、用来限制和稳定电路中LED的工作电流的LED限流装置以及连接于整流电路和LED模块之间，用来判断整流电路输出端正极与门限电路单独控制的LED模块输出端之间的电压，并控制LED模块中的LED的点亮和熄灭的门限电路4个部分构成；本发明具有耐压高、高效率、长寿命等诸多优点。

权利要求

1.一种LED工作模式控制装置，其特征在于：它包括：

(1)整流电路：用于整流交流电源的电路；

(2)LED模块组：由一组或一组以上依次串联的LED模块构成，

(3)LED限流装置：连接于整流电路和所述的LED模块组之间的、用来限制和稳定电路中LED的工作电流的装置；

(4)门限电路：连接于整流电路和LED模块之间，用来判断整流电路输出端正极与门限电路单独控制的LED模块输出端之间的电压，并控制LED模块中的LED的点亮和熄灭的电路；

每一个LED模块由单独一个门限电路进行控制，所述的门限电路能够判断整流电路输出电压减去已发光LED模块的累加正向压降后的电压是否大于该门限电路对应控制的LED模块中未点亮的LED的正向电压累加值，只有大于时才断开与该LED模块中的LED并联的第一开关，该LED模块的LED才被点亮；

所述的门限电路为包含有第二开关和电压比较器的电路，所述的第二开关在门限电路中的电压比较器启动时，第二开关从断开变为短路，并以第二开关的短路去驱动LED模块中的第一开关从短路变为断开，此时，该LED模块的LED才被点亮；电压比较器串联有第二电阻，电压比较器的输入端连接于整流电路输出端的正极，电压比较器的输出端连接门限电路第二开关的控制端；第二开关的输入端与第一开关的控制端相连，第二开关的输出端与第一开关输出端相连。

2.根据权利要求1所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：所述的LED模块包含控制LED点亮和熄灭的第一开关、能够限制第一开关驱动电流和电压大小的第一电阻以及若干个串联或并联的LED；所述的第一开关的开与关由门限电路控制。

3.根据权利要求1所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：第一开关的耐压值除以单个LED的正向压降取整数即是该LED模块中LED的允许最大个数。

4.根据权利要求1所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：LED模块中的第一开关的输入端与LED的正极相连，第一开关的输出端与LED的负极相连，第一开关控制端与门限电路中的第二开关的输入端相连，第一开关控制端还与整流电路输出端的正极相连，第一电阻位于第一开关控制端与整流电路输出端的正极之间。

5.根据权利要求2所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：

两组及以上的LED模块的连接关系为：第一组LED模块中LED输入端正极与所述LED限流装置的输出端连接，除第一组LED模块的其他任意一组LED模块中LED输入端正极连接相邻一组LED模块中LED输出端负极。

6.根据权利要求1所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：限流装置为电阻或具有限流功能的电路，限流装置输入端与整流电路输出端的正极相连，限流装置的输出端与LED模块中的LED输入端正极相连。

7.根据权利要求1所述的LED工作模式控制装置，其特征在于：整流电路输出端的负极与LED模块中LED的负极相连。

说明书

LED工作模式控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种LED工作模式控制装置。

背景技术

[0002] LED光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具而异军突起、广受关注、如火如荼地迅速发展。目前的LED光源是低电压(VF＝2→3.6V)、大电流(IF＝200→1500mA)工作的半导体器件，必须提供合适的直流流才能正常发光。直流(DC)驱动LED光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流(AC100～220V)，所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流(AC)变换成直流(DC)，再变换成直流恒流源，才能促使LED光源发光。因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是：变压器+整流(或开关电源)+恒流源(图1)。

[0003] LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个模块，但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED在交流、直流之间转换时约15％～30％的电力被损耗，系统效率很难做到90％以上。

[0004] 参考AC LED光源的工作原理，将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串，AC LED晶粒串组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流源，另两端联接一串LED晶粒，交流的正半周沿蓝色通路流动，3串LED晶粒发光，负半周沿绿色通路流动，又有3串LED晶粒发光，四个桥臂上的LED晶粒轮番发光，相对桥臂上的LED晶粒同时发光，中间一串LED晶粒因共用而一直在发光。

[0005] 在60Hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流，LED的发光也是闪动的，LED有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果人眼对LED光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少40％～20％。因此AC LED的使用寿命较DC LED长。但由于个数大幅度增加，导致成本上升。

[0006] 目前阶段的AC LED还有两个缺点，其一是接近一半的LED只在交流电的半个周期工作，利用率低，发光效率并没有DC LED高；由于在每个半周当中还只能在电压高过一定值时才开始导通发光，发光亮度、功率提升都受到限制。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种耐压高、发光效率高的LED工作模式控制装置。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：它包括：整流电路：用于整流交流电源的电路；

[0009] (2)LED模块组：由一组或一组以上依次串联的LED模块构成，

[0010] (3)LED限流装置：连接于整流电路和所述的LED模块组之间的、用来限制和稳定电路中LED的工作电流的装置；

[0011] 门限电路：连接于整流电路和LED模块之间，用来判断整流电路输出端正极与门限电路单独控制的LED模块输出端之间的电压，并控制LED模块中的LED的点亮和熄灭的电路；

[0012] 本发明的目的实现了以下优点：

[0013] 1、可实现耐压高

[0014] 在LED颗数足够的情况下，比如150颗串联，就可承受450V以上的高压，确保其使用的安全性。

[0015] AC驱动方式中这是不可思议的。AC驱动方式，如果串联颗数太多，LED的导通时间将进一步减小，而且AC电压偏低时就无法工作，彻底熄灭。

[0016] 而DC驱动方式在极高压的情况下，极易导致驱动开关电源损坏。

[0017] 2、可实现高效率

[0018] 由于该方案的损耗主要在限流电阻上，而限流电阻的压降始终被控制在LED导通压降附近，损耗值也就被限定在极低状态。

[0019] 假定LED压降为3V，导通电流20mA，那么总的损耗P＝3*0.02＝0.06w，在310V的脉动电压情况下，可有103颗LED被顺序电亮，估算LED发光功率可达到Peffect＝(310/1.414)*0.024.4W，效率＝4.4/(4.4+0.06)＝98.6％

[0020] 对AC驱动而言，一般启动点设置在150V，由于导通时间短，电流假定设为20mA，总损耗P＝((310-150)/1.414)*0.02＝2.26W，有效功率Pe＝150V*0.02＝3W，效率＝3/(3+2.26)＝57％远远低于本案的效率

[0021] 对DC驱动而言，由于高效开关恒流电源的配合，能做到90％的效率已经是奢望了，而且成本也极高，大大限制了产品的推广。

[0022] 3、可轻松实现高功率

[0023] 将上图中各组的LED采用多组并联并提高限流电阻的限制即可轻松提升灯具的功率，对控制电路无需改变，最多就是限流电阻的功率加大一些或者散热更好一些。从上述效率计算可以看出，该方案的效率与工作电流无关，提升电流、加大整灯功率不会影响效率。

[0024] 对AC方案而言，在效率不高的情况下如果要加大整灯功率就相当困难，发热、散热、可靠性将是极大的挑战。

[0025] 对DC驱动而言，最大的困难在驱动电源变压器、电感、电解电容等器件的加大，成本、温升、可靠性也是极大的挑战。

[0026] 4、长寿命

[0027] 由于本案全部实现半导体驱动，驱动部分寿命甚至超过LED本身寿命，所以整灯寿命就是LED的最长寿命

[0028] 对AC驱动，由于驱动部分只是限流电阻，所以起寿命也取决于LED的寿命，但是，由于整灯效率比本案要低很多，所以相同发光效率的情况下LED的温度要比本方案高，导致寿命缩短。

[0029] 对DC驱动而言，其寿命基本取决于驱动电源，特别是驱动电源中的电解电容寿命很有限，而且元件点数的增加导致故障率大幅上升，所以目前DC LED灯具的市场反馈基本是感觉不到长寿命，甚至比成熟的普通灯具还要短命很多就是这个原因。

[0030] 5、可实现超低成本

[0031] 由于驱动部分实现完全的半导体化，采用目前的IC集成技术，上量后成本有望控制在1元以内，可与LED实现2次集成，即将驱动IC及LED芯片邦定在同一陶瓷基板上，不占用灯具空间，与LED同步散热，整灯成本得以大幅度下降，大大提高产品的竞争力。

[0032] 对AC驱动，驱动成本为大功率限流电阻和热敏电阻构成，成本也极低。

[0033] 对DC驱动，由于高性能开关驱动电源的高成本，极大地影响整灯的性价比。高效率的驱动甚至占去整灯成本的15-20％

[0034] 6、轻松满足EMC

[0035] 由于没有高频开关电路、没有电感器件，电路完全工作在类电阻状态，不会对电网和周围空间产生任何高频干扰。

[0036] 对AC驱动，情况类似，也无需EMC对策

[0037] 对DC驱动而言，解决EMC问题一直是一个艰巨的工作，稍微一点变更，就需要重新对策、开发新部品，极大地影响产品开发进度和成本控制。

[0038] 7、驱动体积无形化，不影响整灯结构设计

[0039] 由于IC技术的采用，整个驱动不足一颗一角钱的硬币，并且可以和LED二次集成化，其所占用空间可以忽略。

[0040] 对AC驱动而言，由于限流电阻功率大以及热敏电阻无法集成，还是需要考虑他们的安装空间。

[0041] 对DC而言，开关驱动电源的安装始终是一个大问题，要考虑外形尺寸、三热、安全、EMC等等因素，既影响灯具外观设计又影响成本，始终是劳心费神的事情

[0042] 8、使用灵活性极强，便于推广

[0043] 通过简单设置即可适应不同特性的LED，LED厂家和灯具厂家不需要对LED的导通电压进行挑选，这也可大大降低LED的成本。

[0044] 对AC驱动，根据不同的LED导通压降要匹配不同的限流电阻和热敏电阻，使用不方便、成本上升。

[0045] 对DC驱动，导通电压差异回导致各组之间电流平衡，并为此增加平衡电阻，增加损耗。

[0046] 9、轻松实现高功率因数

[0047] 由于不断跟踪输入电压并始终保持稳定的电流，随着输入电压的升高提高功率、随着电压的下降降低功率，几乎呈现电阻的特性，完全没有功率因数的问题并且接近1，对电网不产生任何不良影响。

附图说明

[0048] 图1本发明实施例1的结构示意图；

[0049] 图2本发明实施例2的结构示意图；

具体实施方式

[0050] 本发明主要包括：

[0051] 1、一种LED工作模式控制装置，其特征在于：它包括：

[0052] (1)整流电路：用于整流交流电源的电路；

[0053] (2)LED模块组：由一组或一组以上依次串联的LED模块构成，

[0054] (3)LED限流装置：连接于整流电路和所述的LED模块组之间的、用来限制和稳定电路中LED的工作电流的装置；

[0055] (4)门限电路：连接于整流电路和LED模块之间，用来判断整流电路输出端正极与门限电路单独控制的LED模块输出端之间的电压，并控制LED模块中的LED的点亮和熄灭的电路；

[0056] 其中所述的LED模块包含控制LED点亮和熄灭的第一开关、能够限制第一开关驱动电流和电压大小的第一电阻以及若干个串联或并联的LED；所述的第一开关的开与关由门限电路控制。

[0057] 每一个LED模块由单独一个门限电路进行控制，即门限电路和LED模块一一对应，所述的门限电路能够判断整流电路输出电压减去已发光LED模块的累加正向压降后的电压是否大于该门限电路对应控制的LED模块中未点亮的LED的正向电压累加值，只有大于时才断开与该LED模块中的LED并联的第一开关，该LED模块的LED才被点亮。

[0058] LED的允许最大个数由第一开关的耐压值决定，具体关系为第一开关的耐压值除以单个LED的正向压降取整数即是该LED模块中LED的允许最大个数。由于LED的个数限定了第一开关两端的最高电压，在LED个数较少的情况下，第一开关的耐压要求就很低，这大大降低了对半导体器件的要求，成本得到下降的同时可靠性也大大提高。

[0059] 所述的门限电路为包含有第二开关和电压比较器的电路，所述的第二开关在门限电路中的电压比较器导通时，第二开关从断开变为短路，并以第二开关的短路去驱动LED模块中的第一开关从短路变为断开，此时，该LED模块的LED才被点亮；上述电压比较器可以是稳压二极管并串联有第二电阻，稳压二极管的负极连接于整流电路输出端的正极，稳压二极管的正极连接门限电路第二开关的控制端；电压比较器还可以是具有电压比较功能的运放电路。第二开关的输入端与第一开关的控制端相连，第二开关的输出端与第一开关输出端相连。

[0060] LED模块中的第一开关的输入端与LED的正极相连，第一开关的输出端与LED的负极相连，第一开关控制端与门限电路中的第二开关的输入端相连，第一开关控制端还与整流电路输出端的正极相连，第一电阻位于第一开关控制端与整流电路输出端的正极之间。

[0061] 由于LED模块存在两组以上的情况，两组LED模块为串联关系，两组及以上的LED模块的连接关系为：任意一组LED模块中LED输入端正极连接相邻一组LED模块中LED输出端负极。

[0062] 限流装置为电阻或具有限流功能的电路，限流装置输入端与整流电路输出端的正极相连，限流装置的输出端与LED模块中的LED输入端正极相连。

[0063] 整流电路输出端的负极与LED模块中LED的负极相连。

[0064] 一般来说：所述的第一开关和第二开关为晶体管、达林顿管、MOS管或者由晶体管、MOS管组合形成的具有开关功能的单管和复合管。

[0065] 所述的LED模块中的LED可通过并联连接并同时提高限流装置的限流规格来实现LED个数增加提升功率。

[0066] 实际应用中，可以将每个LED模块中的第一开关、第一电阻、第二开关、电压比较器等集成为一颗小IC，再将IC与LED组一一对应封装在一起就可以实现电源隐形，外部只有整流电路和限流电阻等器件；非常适合长条形灯条、灯管等产品的开发。而如果将多个这样的小IC集成在一起，就可以直接应用于灯泡产品，甚至可将整流电路和限流器一起集成在一起，这将彻底改变LED灯泡的设计思路和结构，而且由于IC当中的半导体器件耐压值和低，IC成本得到显著下降，将大大加快LED灯具产品的普及，创造巨大的社会效益和经济效益。

[0067] 下面结合实施例对本发明进行说明

[0068] 实施例1

[0069] 如图1所示：其连接关系如下：

[0070] 1、整流电路为桥式整流，输出端正极接限流装置的输入端及各LED模块中第一电阻和各门限电路的稳压二极管负极连接成为C点；整流电路输出端负极Vin-与最后一组LED模块的输出端连接。

[0071] 2、CL20为限流装置。其输入端与整流输出端正极相连，输出端与第一个LED模块中LED的输入端相连。

[0072] 3、各LED模块由LED、第一开关Q1和第一电阻R1构成，其中第一电阻R1与第一开关Q1的控制端基极及门限电路中的第二开关Q2的输入端集电极相连；第一开关Q1的输入端集电极与LED的输入端相连，输出端与LED的输出端及第二开关的输出端即Q2的发射极相连。

[0073] 4、门限电路由稳压二极管ZD、第二电阻R2、第二开关Q2构成。其中稳压管和第二电阻串联后接第二开关的控制端基极。

[0074] 5、Ni组的LED组输入端与Ni-1组的LED输出端相连，Ni组的LED组输出端与Ni+1组的LED输入端相连，如此各LED模块互相串联连接；最后一组LED模块的输出端与整流电路输出端负极Vin-连接。

[0075] 下面介绍其工作原理：

[0076] AC为220V交流，经桥式整流后输出100HZ的脉动电压Vin+，负极为Vin-。Vin+与恒流器CL20的输入端相连为c点，并与LED模块的门限电路输入端C1～C35相连，C点同时经各模块的第一电阻R1～R35与各模块的第一开关Q1-1～Q1-35的控制端基极以及各模块中第二开关Q2-1～Q2-35的输入端集电极相连；第一开关Q1-1～Q1-35的输入端集电极与各模块中LED组的输入端相连，第一开关Q1-1～Q1-35的输出端发射极与第二开关Q2-1～Q2-35的输出端发射极以及各模块中的LED组的输出端相连；Ni组的LED组输入端与Ni-1组的LED输出端相连，Ni组的LED组输出端与Ni+1组的LED输入端相连，如此各LED模块互相连接；C点与各LED模块的第二开关Q2-1～Q2-35的控制断基极之间分别接有串联了第二电阻R2-1～R2-35的稳压二极管ZD1～ZD35；最后一个LED模块的LED的输出端与Vin-相连。图中各LED模块中LED的个数均为3个，累计压降约9V，考虑恒流器的最低工作电压约2V，所以ZD1～ZD35至少选用稳压值12V以上的稳压管，假设第一开关的饱和压降为0.2v，35个第一开关导通至少产生7V压降，所以ZD35的稳压值最佳为12+7＝19V。

[0077] 交流电220V经整流后的脉动电压，峰值约320V，当脉动电压从0上升到9V前，电路电流为零，当脉动电压继续上升，到达19V前，Vin电压经R1-35驱动Q1-35导通，各模块中的第一开关Q1-1～Q1-35全部饱和，电能只消耗在恒流器CL20，脉动电压上升超过19V时，ZD35导通，N35的第二开关导通，控制第一开关进入截止状态，电流流过N35的LED发光，之后随着Vin电压继续上升，每上升9V，就多一组LED发光，发光顺序依次为N34、N33、N32、........N1，只要电压足够高，N1就会发光。Vin到达最高值后开始往下降，随着电压的下降，各组LED又会依次熄灭，顺序为N1、N2、N3、......N35。

[0078] 实施例2

[0079] 该实施例适用于交流120V 3WLED灯。

[0080] 如图2所示：其连接关系如下：

[0081] 1、整流电路为桥式整流，输出正极接限流装置的输入端及各LED模块中第一电阻和各门限电路的稳压二极管负极连接成为C点；各LED模块串联后与另外26颗LED继续串联，整流电路输出负极Vin-与最后一颗LED的负极连接。

[0082] 2、CL20为限流装置。其输入端与整流电路输出正极相连，输出端与第一个LED模块中LED的输入端相连。

[0083] 3、各LED模块由LED、第一开关Q1和第一电阻R1构成，其中第一电阻R1与第一开关Q1的控制端基极及门限电路中的第二开关Q2的输入端集电极相连；第一开关Q1的输入端集电极与LED的输入端相连，输出端与LED的输出端及第二开关的输出端即Q2的发射极相连。

[0084] 4、门限电路由稳压二极管ZD、第二电阻R2、第二开关Q2构成。其中稳压管和第二电阻串联后接第二开关的控制端基极。

[0085] 5、Ni组的LED组输入端与Ni-1组的LED输出端相连，Ni组的LED组输出端与Ni+1组的LED输入端相连，如此各LED模块互相串联连接；最后一组LED模块的输出端与26颗串联LED组的输入端正极相连，LED组的输出端负极与整流电路输出负极Vin-连接。

[0086] 在图2中在最靠近Vin-端的LED模块的输出端与Vin-之间串联了26颗LED，这样，当整流后得到的脉动电压上升到78V前，LED都不会发光。当电压超过78V之后，工作原理与实例1相同。各模块都是3颗LED串联，压降9V，各模块中第一开关的饱和压降累计为9*0.2＝1.8V，所以ZD1-ZD9选用稳压值＝9+1.8＝10.8V以上，比如13V，当脉动电压上升到81V时，M9的ZD9导通，第二开关Q2-9饱和，控制第一开关Q1-9截止，电流流过M9的LED发光。同样，随着脉动电压的逐步上升，M9、M8、。。。。。M1都会陆续发光，能否全部被点亮，取决交流电压是否足够高。经过使用26个直接串联的LED，使得限流器的电流规格可以大幅度提高，由于占空比变小，所以平均电流不会超出LED的规格又可以提高亮度，效率也得到进一步提升。

[0087] 这样设置能够实现以下好处：

[0088] 如果在很低电压时就将LED点亮，由于在整个交流电周期中都亮着，其平均电流不能超过20mA的规格值，否则寿命缩短；而对于最迟被点亮的LED，由于点亮时间很短，20mA的电流无法使其达到理想亮度，要达到理想亮度就必须提高电流，这与低压时点亮的LED的工作电流不能超过20mA产生矛盾。为减少这样的矛盾，让所有的LED发光尽量平衡，办法之一就是让LED的发光时间尽量接近，这样就可以设置一个较高的电流让迟发光的LED提高亮度又可以不至于导致早发光的LED的工作电流超标。

[0089] 上述方案的另一个好处是在LED灯具产品上，使用控制芯片的个数降低，进一步降低成本。