技术领域
[0001] 本
发明有关基于
发光二极管(LED)的照明装置，尤其是一种使用高输入电压，适用于基于发光二极管的照明装置，并且低成本的驱动电路。
背景技术
[0002] 近年来，因为节能优势，使用高电压的发光二极管照明装置已经被开发和部署，以取代传统的
白炽灯和
荧光灯。
[0003] 发光二极管的
电流对电压(IV)特性曲线类似于一般的普通二极管，当加于发光二极管的电压小于二极管的正向电压时，只有非常小的电流通过发光二极管。当电压超过正向电压时，通过发光二极管的电流则大幅增加。一般来说，在大多数操作范围，基于发光二极管的照明装置的发光强度是和通过的电流成正比，但操作在高电流时则不如此。通常为基于发光二极管的照明装置设计的驱动装置，都是以提供一个恒定的电流为主，以便能发出稳定的光和延长发光二极管的寿命。
[0004] 为了提高基于发光二极管的照明装置的
亮度，通常是将多个发光二极管
串联在一起，形成一个基于发光二极管的照明单元，而且多个基于发光二极管的照明单元可以更进一步串联在一起，形成一个照明装置。每个照明装置所需要的工作电压，通常是取决于照明单元里的发光二极管的正向电压，每个照明单元里有多少个发光二极管，每个照明单元是如何相互连接的，以及每个照明单元在照明装置里，是如何接收来自电源的电压。
[0005] 许多技术已经被开发出来使发光二极管的照明装置能够使用诸如110伏交流电压或220伏交流电压的工作电压，而不需要使用电压转换装置。通常，在照明装置中的发光二极管包括一个或多个发光二极管照明单元，每个发光二极管照明单元进一步分为多个发光二极管段，每个发光二极管段可以通过相关的
开关或电流源，选择性地导通或切断，并且随着操作的交流电压增加或减少，以
控制器来控制开关或电流源。
[0006] 一个使用高电压如110伏交流电压或220伏交流电压，而且不使用电压转换装置的发光二极管驱动电路的缺点之一是，串联连接在发光二极管驱动电路内的发光二极管的总数必须是相当大，使得跨接在发光二极管的正向电压不比所施加的高输入电压小得太多，以保持足够的效率，避免过大的功率损耗。换句话说，串联连接在发光二极管驱动电路内的发光二极管的总数决定于输入高电压的大小，发光二极管装置的成本也因高电压而提高。
[0007] 随着越来越多基于发光二极管的照明设备被应用于以高输入电压为电源的高亮度照明设备中，设计一种驱动装置，减少必须串联连接的发光二极管的总数，而且可以提供良好效率并低成本的使用来自墙上容易获得的电源的交流高电压为输入电压，已经形成非常必要的强烈需求。
发明内容
[0008] 本发明提供一种能够直接使用一高交流输入电压有效地驱动并且连接较少数目的串联的发光二极管，以降低成本的发光二极管驱动电路。因此，本发明的发光二极管驱动电路包括一发光二极管单元其正端和负端之间具有多个串联连接的发光二极管，联结一个电压充电和放电单元，并且以输入交流电压的整流后的交流电压供电。
[0009] 根据本发明，上述的电压充电和放电单元具有第一二极管其正端连接到上述发光二极管单元的负端，第二二极管其负端连接到上述发光二极管单元的正端，和一个
存储电容器。经由发光二极管单元和第一二极管形成一充电路径，以及经由第二二极管形成一放电路径，从而提供存储电容器一个稳定状态的电容器电压，降低必须串联连接在发光二极管单元内的发光二极管的数量。
[0010] 一可控电流限制单元用于控制流过发光二极管单元和存储电容器的电流。存储电容器具有充电阶段而上述的可控电流限制单元不应在充电阶段期间被导通。如果交流输入电压为60Hz，在该存储电容器的充电阶段，与上述的可控电流限制单元的导通期之间的时间间隙至少是13.78微秒，如果交流输入电压为50Hz，则该时间间隙至少是16.53微秒。
[0011] 在本发明的第一优选
实施例中，发光二极管单元与由控制器控制的可控电流限制单元串联连接。在电压充电和放电单元内的存储电容器的正
端子与第一二极管的负端和第二二极管的正端连接。在电压充电和放电单元内，一电流限制单元将存储电容器的负端子接地。放电路径中的电流从地端流经电流限制单元的寄生反向电流路径而放电。
[0012] 在本发明的第二优选实施例中，存储电容器的正端子连接到第二二极管的正端，而存储电容器的负端子则接地。在电压充电和放电单元内，电流限制单元连接在第一二极管的负端和存储电容器的正端子之间。因此，在放电路径中的电流不需经由电流限制单元的寄生反向电流路径而放电。
[0013] 在本发明的第三优选实施例中，发光二极管驱动电路除了在电压充电和放电单元里还具有第三二极管，其正端接地而负端连接到存储电容器的负端子使在放电阶段期间，电流得以绕过电流限制单元之外，与第一优选实施例相同。在放电路径中的电流流经第三二极管，而不是电流限制单元的寄生反向电流路径，以减少功率损耗。
[0014] 在本发明的第四优选实施例中，发光二极管驱动电路类似于第三优选实施例。然而，在电压充电和放电单元里，存储电容器的负端子经由第四二极管连接到上述电流限制单元，使得在放电路径中的电流完全不流过电流限制单元。
[0015] 在本发明的第五优选实施例中，连接到发光二极管单元的可控电流限制单元被一开关和第一电流限制单元取代，以一控制器导通或关闭该开关。另外，在电压充电和放电单元内，有第二电流限制单元连接在存储电容器的正端子和上述第二二极管的正端之间，并且存储电容器的负端子连接到第一电流限制单元而不是接地。结果，放电路径的电流是经由上述的开关流过一放电回路而放电，并不通过地端。
[0016] 在本发明的第六优选实施例中，连接到发光二极管单元的可控电流限制单元也类似于第五优选实施例，被一开关和第一电流限制单元所替代。但是在电压充电和放电单元内，第二电流限制单元被去除，并且上述第二二极管的正端被直接连接到存储电容器的正端子。
[0017] 此外，又有一第三二极管从地端连接到存储电容器的负端子，以及一第四二极管从存储电容器的负端子连接到第一电流限制单元。换句话说，在第六优选实施例中，充电和放电路径共享上述的第一电流限制单元。
附图说明
[0018] 图1A显示了根据本发明的第一优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方
块图。
[0019] 图1B显示了图1A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0020] 图2显示了在图1A所示的发光二极管驱动电路中的存储电容器的稳定状态电压图，其中包括充电，保持以及放电的阶段。
[0021] 图3显示了在图1A所示的发光二极管驱动电路中的存储电容器的另一个稳定状态电压图，其中包括充电，保持以及放电的阶段。
[0022] 图4A显示了可以在图1A所示的发光二极管驱动电路的整流后的交流电压和发光二极管单元的正端之间加入额外的发光二极管以减少充电所引起的过多的功率损耗。
[0023] 图4B显示了可以在图1A所示的发光二极管驱动电路的发光二极管单元的负端和可控电流限制单元之间加入额外的发光二极管以减少放电所引起的过多的功率损耗。
[0024] 图5显示图1A所示的发光二极管驱动电路的一个稳定状态电压图，可控电流限制单元的控制
信号，和可控电流限制单元的导通期间与存储电容器的充电阶段之间的不重叠的时间。
[0025] 图6A显示了根据本发明的第二优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。
[0026] 图6B示出了图6A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0027] 图7A显示了根据本发明的第三优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。
[0028] 图7B显示了图7A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0029] 图8A显示了根据本发明的第四优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。
[0030] 图8B显示了图8A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0031] 图9A显示了根据本发明的第五优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。
[0032] 图9B显示了图9A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0033] 图10A显示了根据本发明的第六优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。
[0034] 图10B显示了图10A所示的发光二极管驱动电路的充电和放电路径。
[0035] 其中，附图标记说明如下：
[0036] 100、600、700、800、900、1000 电压充电和放电单元
[0037] 101、601、701、801、901、1001 发光二极管单元
[0038] 102、602、702、802 可控电流限制单元
[0039] 103、603、703、803、903、1003 控制器
[0040] 104、604、704、804、904、1004 存储电容器
[0041] 105、605、705、805、902、905、1002 电流限制单元
[0042] 401、402 发光二极管
[0043] 906、1006 开关
具体实施方式
[0044] 本
说明书提供附图，使本发明更能进一步的被理解，同时附图也构成本说明书的一部分。该附图显示出了本发明的实施例，并与说明书一起，用来解释本发明原理。
[0045] 图1A示出根据本发明的第一优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。在本实施例中，发光二极管驱动电路包括具有多个发光二极管串联连接，由交流输入电压的整流后的交流电压供电的发光二极管单元101。发光二极管单元101具有正端连接于整流后的交流电压，以及负端连接到一由控制器103控制并连接到地端的可控电流限制单元102。
[0046] 发光二极管单元101与电压充电和放电单元100联结，电压充电和放电单元100包括至少两个二极管D1和D2和一个存储电容器104。如图1A所示，二极管D1具有一个正端连接到发光二极管单元101的负端，以及一负端连接到存储电容器104的正端子。二极管D2具有一负端连接到发光二极管单元101的正端，以及一正端连接到存储电容器104的正端子。在电压充电和放电单元100内，存储电容器104具有一负端子连接到一与地端连接的电流限制单元105。
[0047] 图1B示出了发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。为了简单起见，在下面的描述中，假设两个二极管D1和D2都是具有零正向电压的理想二极管。当整流后的交流电压大于跨在发光二极管单元101的正向电压加上存储电容器104的电压时，存储电容器104是被充电的，所以存储电容器104的电压增大。充电电流流过由发光二极管单元101，二极管D1，存储电容器104，和限制充电电流大小的电流限制单元105所形成的充电路径。
[0048] 当整流后的交流电压小于存储电容器104的电压时，在发光二极管单元101正端的电压是和电容器电压相同的。在这一时间，如果可控电流限制单元102被导通，存储电容器104即被放电，电容器电压将随着放电而下降。放电电流流经包括电流限制单元105的寄生反向电流路径，存储电容器104，二极管D2，发光二极管单元101和可控电流限制单元102的放电路径。如果可控电流限制单元102被关闭时，存储电容器104的电压将保持不变。
[0049] 在本发明中，如图2所示，存储电容器104根据可控电流限制单元102的导通与关闭发生充电和放电，因此存储电容器104的电压达到稳定状态。当整流后的交流电压增加至其电压值比跨在发光二极管单元101的正向电压VLED再加上存储电容器104的电压Vcap,low更大的A点时，存储电容器104进入充电阶段，直到整流后的交流电压降低到其电压值小于跨在发光二极管单元101的正向电压再加上存储电容器104的电压Vcap,high的B点。此时，存储电容器104进入保持阶段。
[0050] 当整流后的交流电压继续下降至在发光二极管单元101的正端的电压值，相同于存储电容器104的电压Vcap,high的C点时，存储电容器104进入放电阶段，直到整流后的交流电压增加到比电容器电压Vcap,low还大，也就是D点。在此时，发光二极管单元101的正端上的电压值是相同于整流后的交流电压。
[0051] 从图2中所示的存储电容器104的稳定状态电压图，可以看出，如果可控电流限制单元102在整流后的交流电压到达C点时或之前被导通，存储电容器104即开始放电进入放电阶段。如果可控电流限制单元102在整流后的交流电压到达D点时或之后被关闭，存储电容器104即停止放电并进入保持阶段。
[0052] 图3示出了存储电容器104的另一个稳定状态电压图。图2与图3的稳定状态电压图不同之处，是在于可控电流限制单元102导通和关闭的时间点。如图3所示，可控电流限制单元102是在整流后的交流电压达到C点之后导通，使存储电容器104进入放电阶段，而在整流后的交流电压达到D点之前关闭，使存储电容器104进入保持阶段。
[0053] 可以理解的是，可控电流限制单元102也可在整流后的交流电压达到C点时或之前导通，使存储电容器104进入放电阶段，而在整流后的交流电压达到D点之前关闭，使存储电容器104进入保持阶段。相类似的，可控电流限制单元102也可在整流后的交流电压达到C点之后导通，使存储电容器104进入放电阶段，而在整流后的交流电压达到D点时或之后关闭，使存储电容器104进入保持阶段。
[0054] 如果在整流后的交流电压达到C点之前可控电流限制单元102就导通，使存储电容器104进入放电阶段，或者在整流后的交流电压已经达到D点之后可控电流限制单元102才关闭，使存储电容器104进入保持阶段，因为可控电流限制单元102的导通，会导致较高的电压跨在可控电流限制单元102上，也就是发光二极管单元101的负端会有较高的电压，这也导致较高的功率损耗。上述较高的功率损耗的情况下的优点是，控制器103的电路设计可以被简化。
[0055] 按照本发明，为了满足图1所示的发光二极管驱动电路中的充电状态，整流后的交流电压的峰值电压VAC，peak必须大于发光二极管单元101的正向电压VLED加上存储电容器104的电压VCAP，也就是VAC，peak>＝VLED+VCAP。在另一方面，为了满足放电状态，存储电容器104的电压VCAP必须比发光二极管单元101的正向电压更大，也就是VCAP>＝VLED。
[0056] 从以上描述的两个电压的条件下，可以得出VAC，peak>＝VLED+VLED，也就是VLED<＝VAC，peak/2。可以看出，根据本发明有了电压充电和放电单元100联到发光二极管单元101之后，图1中的发光二极管驱动电路里的发光二极管单元101的发光二极管的数量，可以被减少。换言之，比起没有本发明的电压充电和放电单元100，而整流后的交流电压被施加到发光二极管单元101的一般传统式发光二极管驱动电路，本发明在发光二极管单元101内的发光二极管的数量仅需要一半。
[0057] 值得指出的是，如果在发光二极管单元101的发光二极管的数量被过度减少，可能发生两种情况。在第一种情况下，电容器电压VCAP比发光二极管单元101的正向电压VLED稍大。在这种情况下，放电时的功率损耗低，但是充电则会造成过度的功率损耗。为了减少充电的功率损耗，可以如图4A所示，在整流后的交流电压与发光二极管单元101之间串联加入额外的发光二极管401。
[0058] 在第二种情况中，电容器电压VCAP比VAC，peak-VLED略小，在这种情况下，存储电容器104被充电到较高的电压，因充电造成的功率损耗低，但是放电则会造成过度的功率损耗。
为了降低放电的功率损耗，可以如图4B所示，在发光二极管单元101的负端与可控电流限制单元102之间串联插入额外的发光二极管402。
[0059] 上述两种情况下，如果额外的发光二极管的正向电压是VLED，extra，驱动电路需要满足条件VLED+VLED，extra<＝VAC，peak-VLED。因为要减少功率损失，并保持发光二极管驱动电路的效率所增加如图4A和4B的额外的发光二极管，需要额外的成本。因此过分降低发光二极管单元101内的发光二极管数量，可能会增加而不是减少发光二极管驱动电路的总成本。
[0060] 本发明中，在最坏的情况下，串联连接在发光二极管单元101内和额外的发光二极管的发光二极管的总数，最好是比符合最佳状态，也就是如上所述VLED<＝VAC，peak/2时的发光二极管数量，增加了不超过80％。换句话说，在最坏情况的条件下，最好能符合VLED+VLED，extra＝1.8*VAC，peak/2＝0.9*VAC，peak。在这种条件下，可以导出VLED>＝VAC，peak/10必须能被满足。因此，假设每个发光二极管的正向电压为VF，在发光二极管单元101内串联连接的发光二极管的数量NLED，必须是在以下所表达的范围内：
[0061]
[0062] 其中 系表示x的下限整数。
[0063] 根据本发明，为了避免过多的功率损耗，当发光二极管单元101的负端上的电压值变得太高时，可控电流限制单元102必须被关闭。因此，在存储电容器104的电压已经达到稳定状态之后，控制器103的操作必须满足如图5中示出的可控电流限制单元102的
控制信号的两个条件。
[0064] 第一个条件是可控电流限制单元102必须在存储电容器104的充电阶段期间关闭。换句话说，可控电流限制单元102的开与关的切换时间必须在存储电容器104的保持阶段中发生。如图5所示，控制信号必须在整流后的交流电压到达A点之前关闭可控电流限制单元
102，整流后的交流电压到达B点之后导通可控电流限制单元102。可以看出，可控电流限制单元102的导通期间不能与存储电容器104的充电阶段重叠。
[0065] 第二个条件是，上述不重叠的时间必须足够大，才能减少因电容器104的保持阶段造成的功率损耗。以不重叠的时间为零的最坏条件所引起的额外功率损耗为基准，本发明中的不重叠的时间必须大到至少足以减少上述最坏条件所引起的额外功率损耗的10％以上，才能算是有好处的。
[0066] 因为存储电容器104的保持阶段造成的功率损耗与图5所示的阴影区域成比例，可以看出，存储电容器104的电压越低，保持阶段时间就越短而且阴影区域也越小。较低的电容器电压也意味着在发光二极管单元101中串联连接的发光二极管的数量可以较少。因此，本发明中的不重叠的时间之下限是决定于VCAP＝V LED＝VAC，peak/10。
[0067] 为了简单起见，可将图5所示的阴影区域近似为一三
角形。在60Hz的交流输入电压的情况下，不重叠的时间的下限是约等于13.78微秒。如果交流输入电压为50Hz，则不重叠的时间的下限是约等于16.53微秒。
[0068] 图6A示出了根据本发明的第二优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。在本实施例中，发光二极管驱动电路包括具有多个发光二极管串联连接，由交流输入电压的整流后的交流电压供电的发光二极管单元601。类似于图1A中所示的第一优选实施例，发光二极管单元601具有正端连接于整流后的交流电压，以及负端连接到一由控制器603控制并连接到地端的可控电流限制单元602。
[0069] 发光二极管单元601的正负端连接到两个二极管D1和D2。如图6A所示，类似于图1A，二极管D1具有一正端连接到发光二极管单元601的负端，以及一负端连接到电流限制单元605的一端。二极管D2具有一负端连接到发光二极管单元601的正端。存储电容器604的正端子连接到二极管D2的正端和电流限制单元605的另一端，存储电容器604的负端子则连接到地。
[0070] 从图6A中可以看出，在第二优选实施例的电压充电和放电单元600中，电流限制单元605被连接在第一二极管D1的负端和存储电容器604的正端子之间。因此，放电路径中的电流不需要流经电流限制单元的寄生反向电流路径。
[0071] 图6B示出图6A中所示的第二优选实施例的发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。如图6B所示，存储电容器604的充电路径由发光二极管单元601，二极管D1，电流限制单元605和存储电容器604所形成。放电路径则包括有存储电容器604，二极管D2，发光二极管单元601和可控电流限制单元602。
[0072] 该实施例具有的优点是，因为存储电容器604的负端子被接地，所以放电路径不依靠电流限制单元605的寄生反向电流路径，从而减少放电中的功率损耗。
[0073] 图7A示出了根据本发明的第三优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。在本实施例中，除了在电压充电和放电单元700中增加的二极管D3之外，发光二极管驱动电路几乎与图1A所示的第一优选实施例相同。
[0074] 发光二极管驱动电路包括具有多个发光二极管串联连接，由交流输入电压的整流后的交流电压供电的发光二极管单元701，由控制器703控制的可控电流限制单元702，存储电容器704和电流限制单元705。除了在图1A中示出的第一优选实施例的二极管D1和D2，二极管D3从地端连接到存储电容器704的负端子，与电流限制单元705并联。
[0075] 图7B示出图7A中所示的第三优选实施例的发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。如图7B所示，存储电容器704的充电路径与图1B所示的充电路径相同。然而放电路径则是由二极管D3，存储电容器704，二极管D2，发光二极管单元701和可控电流限制单元702所构成。
[0076] 该实施例具有的优点是，因为电压充电和放电单元700内有二极管D3，减少了流经电流限制单元705的寄生反向电流路径的放电电流，从而减少放电中的功率损耗。
[0077] 图8A示出了根据本发明的第四优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。该实施例除了在电压充电和放电单元800里的存储电容器804的负端子和电流限制单元805之间增加一二极管D4，以及二极管D3被连接到存储电容器804的负端子之外，非常类似于图7所示的第三优选实施例。
[0078] 图8B示出图8A中所示的第四优选实施例的发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。可以看出，存储电容器804的充电路径由发光二极管单元801，二极管D1，存储电容器804，二极管D4和电流限制单元805所形成。存储电容器804的放电路径则包括有二极管D3，存储电容器804，二极管D2，发光二极管单元801和可控电流限制单元802。控制器803控制可控电流限制单元802，使存储电容器804充电和放电。二极管D4防止放电电流流经电流限制单元805的寄生反向电流路径。
[0079] 图9A示出了根据本发明的第五优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。在本实施例中，发光二极管驱动电路包括具有多个发光二极管串联连接，由交流输入电压的整流后的交流电压供电的发光二极管单元901。发光二极管单元901具有一正端连接于整流后的交流电压，以及一负端连接到由控制器903控制的开关906的第一端子，第一电流限制单元902连接在开关906的第二端子与地之间。
[0080] 发光二极管单元901的正负端分别又进一步连接到二极管D2的负端和二极管D1的正端。在电压充电和放电单元900内，第二电流限制单元905连接在二极管D2的正端和二极管D1的负端之间。存储电容器904的正端子连接到二极管D1的负端，而存储电容器904的负端子则连接到与电流限制单元902相连接的开关906的第二端子。
[0081] 图9B示出图9A中所示的发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。存储电容器904的充电路径由发光二极管单元901，二极管D1，存储电容器904和第一电流限制单元902所形成。放电路径则是由第二电流限制单元905，二极管D2，发光二极管单元901，开关906和存储电容器904所形成的。应当注意的是，第五优选实施例中的放电路径是一个放电回路，不经过地端，是由控制器903控制开关906以形成一放电回路。
[0082] 图10A示出了根据本发明的第六优选实施例的使用高输入电压的发光二极管驱动电路的方块图。在本实施例中，发光二极管驱动电路包括具有多个发光二极管串联连接，由交流输入电压的整流后的交流电压供电的发光二极管单元1001。发光二极管单元1001具有一正端连接于整流后的交流电压，以及一负端连接到由控制器1003控制的开关1006的第一端子，并有一电流限制单元1002连接在开关1006的第二端子与地端之间。
[0083] 在第六优选实施例中，发光二极管单元1001的正负端也分别连接到的二极管D2的负端的和二极管D1的正端。但是在本实施例中的电压充电和放电单元1000里，图9A里的第二电流限制单元905被去除了，并且二极管D2的正端被直接连接到存储电容器1004的正端子和二极管D1的负端。存储电容器1004的负端子被连接到二极管D3的负端和二极管D4的正端。二极管D4的负端被连接到开关1006的第二端子，二极管D3的正端则连接到地。
[0084] 图10B示出图10A中所示的发光二极管驱动电路的充电路径与放电路径。存储电容器1004的充电路径由发光二极管单元1001，二极管D1，存储电容器1004，二极管D4和电流限制单元1002所形成。放电路径则是由二极管D3，存储电容器1004，二极管D2，发光二极管单元1001，开关1006和电流限制单元1002所形成的。应当注意的是，在第六优选实施例中充电和放电路径共享相同的电流限制单元1002，并且控制器1003控制开关1006，以形成放电路径。
[0085] 虽然以上只藉由几个优选的实施范例来描述本发明，然而熟悉本技术领域的人，很明显的可以了解，仍有许多未描述的变通及
修改，都在不偏离以下所定义的本发明的
申请专利范围之内。
