具有差分電壓源的發(fā)光二極管驅(qū)動器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于發(fā)光二極管(LED)光源的驅(qū)動電路領(lǐng)域，并且更特別地涉及用于LED的交流到直流(AC-DC)或直流到直流(DC-DC)變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]LED通常用包括遞送至少一個經(jīng)調(diào)節(jié)輸出的AC-DC或DC-DC變換器的驅(qū)動電路來驅(qū)動，從而使得能夠生成和供應(yīng)相對恒定的電流一一響應(yīng)于變化的輸入電壓或者任何其他擾動，諸如可能由于負載的溫度變化或老化而產(chǎn)生的負載阻抗的變化。
[0003]固態(tài)發(fā)光(SSL)行業(yè)對于用于LED的小型和緊湊型功率管理單元的需求正在增加，這種情況在其中來自電源的能量必須盡可能高效地以恒定電流的形式來遞送的功率LED領(lǐng)域甚至更加突出。理想情況下，大小與LED本身可比的LED驅(qū)動器代表實現(xiàn)新的照明概念的顯著的突破。這樣的解決方案需要具有高水平的可靠性和效率的系統(tǒng)，以便滿足壽命、大小和散熱的要求。
[0004]當(dāng)前，已知的LED驅(qū)動器通?；趦蓚€主要技術(shù):線性驅(qū)動器和開關(guān)模式電源(SMPS)0
[0005]用于DC-DC變換的線性驅(qū)動器具有以低成本提供高集成能力的優(yōu)點，因為這樣的驅(qū)動器可以僅包括能夠使用成熟的技術(shù)來單片集成的長延遲半導(dǎo)體開關(guān)和電阻器;另一方面，基于線性驅(qū)動器的解決方案可能由于設(shè)計容限或者可能源于負載的溫度變化或者老化或者兩者的諸如負載阻抗的變化的系統(tǒng)中的擾動而在輸入與輸出之間的電壓差變高時具有差的效率。
[0006]下文中詳細描述的圖1中圖示的LED的電流電壓特性在電壓達到通常由VF來指定的某個正向電壓閾值時突然起作用?？梢杂葾 VF來指定的對于給定LED的正向電壓閾值的變化通常在±10%的數(shù)量級并且因此產(chǎn)生顯著的功率損失，這表示LED驅(qū)動器的功率管理單元受到挑戰(zhàn)。實際上，線性驅(qū)動器僅可以用于亞瓦特應(yīng)用。
[0007]使用電感性存儲裝置的SMPS驅(qū)動器使得能夠?qū)崿F(xiàn)更好的效率;然而所有SMPS元件(實際上為無功部件，并且更特別地為電感器)的單片集成尚未成熟到足以滿足所考慮的應(yīng)用的要求。
[0008]使用電容性能量存儲裝置的SMPS驅(qū)動器一一主要包括開關(guān)電容器變換器(SCC)或電荷栗(CP)的SMPS—一可以在僅使用電容器和半導(dǎo)體開關(guān)的情況下提供高效的DC到DC電壓變換。因此，與電感型SMPS相比，電容型SMPS可能更容易集成。在用于LED的驅(qū)動器中使用CP是已知的，并且一些可用的現(xiàn)成的集成電路包括電荷栗。然而，所有這些產(chǎn)品基本上包括將CP傳動系和線性調(diào)節(jié)器與相關(guān)聯(lián)的控制集成的單片芯片，這些產(chǎn)品廣泛地用在移動電話背光中，通常用于最高達一瓦特的功率。在這些解決方案中，通常由鋰離子電池供應(yīng)的輸入電壓首先逐漸增加或者逐漸下降到LED的正向電壓以上的最接近的電壓。這些芯片借助于線性驅(qū)動器來提供電流調(diào)節(jié)，線性驅(qū)動器在多數(shù)情況下轉(zhuǎn)化成差的效率，通常在80%以下。
[0009]尚沒有已知的解決方案用于在通常等同于LED本身的體積的小體積與最小化的由LED的正向電壓的變化所致的損失之間折衷的大功率LED驅(qū)動器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一個目的在于通過提出一種使得能夠?qū)崿F(xiàn)特別地被適配成不受LED正向電壓的變化的影響的用于LED的小體積驅(qū)動器的解決方案來解決以上提及的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本發(fā)明還使得能夠?qū)崿F(xiàn)可以很容易地集成在LED封裝件內(nèi)的用于LED的功率管理單元。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，提出了用浮動差分電壓來對LED驅(qū)動器供電，浮動差分電壓由一個第一偏置電壓和一個第二偏置電壓限定，兩個偏置電壓之差等于或大于LED正向電壓的期望變化。小的差分電源電壓釋放了驅(qū)動器的部件中的應(yīng)力并且明顯減小其電路系統(tǒng)的復(fù)雜性，尤其是在這樣的驅(qū)動器由SCC組成時。
[0012]出于這一目的，本發(fā)明提出了一種用于驅(qū)動一個或多個LED的驅(qū)動器，驅(qū)動器包括被適配成由一個第一偏置電壓與一個第二偏置電壓之間的差分電壓供電的驅(qū)動單元，差分電壓被適配成等于或大于上述一個或多個LED的正向電壓的最大期望變化。
[0013]在本發(fā)明的示例性實施例中，驅(qū)動器可以包括被適配用于根據(jù)上述差分電壓供應(yīng)輸出電壓的電壓變換器，輸出電壓的時間特性基本上為方波。
[0014]在本發(fā)明的示例性實施例中，上述電壓變換器可以由開關(guān)電容器變換器形成。
[0015]在本發(fā)明的示例性實施例中，上述電壓變換器可以基于迪克森(Dickson)階梯拓撲。
[0016]在本發(fā)明的示例性實施例中，上述開關(guān)電容器變換器可以包括供應(yīng)中間電壓的多個內(nèi)部節(jié)點，并且驅(qū)動器還可以包括被適配成將驅(qū)動器輸出電壓選擇性地連接到上述內(nèi)部節(jié)點中的任一個內(nèi)部節(jié)點的復(fù)用器。
[0017]在本發(fā)明的示例性實施例中，驅(qū)動器可以包括由輸入電壓供電并且被適配成供應(yīng)上述兩個偏置電壓的電壓源。
[0018]在本發(fā)明的示例性實施例中，電壓源可以被適配成根據(jù)由LED的溫度和逝去的操作時間組成的組中的至少一項的變化來改變兩個偏置電壓的值。
[0019]在本發(fā)明的示例性實施例中，電壓源可以被適配成通過將確定的偏移值與每個偏置電壓的值相加來改變每個偏置電壓的值，偏移值取決于由LED的溫度和逝去的操作時間組成的組中的至少一項的估計的變化。
[0020]在本發(fā)明的示例性實施例中，電壓源可以包括降壓變換器，上述兩個偏置電壓中的較低偏置電壓由降壓變換器來供應(yīng)。
[0021]在本發(fā)明的示例性實施例中，降壓變換器可以基于迪克森階梯拓撲。
[0022]本發(fā)明的另一方面為一種LED封裝件，其包括至少一個LED以及根據(jù)所描述的實施例中的任何實施例的相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動單元。
[0023]在本發(fā)明的示例性實施例中，LED封裝件可以被集成為系統(tǒng)級功率芯片或者系統(tǒng)級功率封裝件。
[0024]本發(fā)明的又一方面為一種光模塊，其包括具有基本上相同的電壓電流特性的多個LED，每個LED由根據(jù)所描述的實施例中的任何實施例的驅(qū)動單元來驅(qū)動。
[0025]在本發(fā)明的示例性實施例中，光模塊還可以包括電壓源，電壓源由輸入電壓供電并且被適配成向多個驅(qū)動單元供應(yīng)上述兩個偏置電壓。
[0026]本發(fā)明的另一方面為一種操作至少一個負載的方法，包括:提供被適配成由一個第一偏置電壓與一個第二偏置電壓之間的差分電壓供電的至少一個驅(qū)動單元，差分電壓被適配成等于或大于上述至少一個負載的正向電壓的最大期望變化。
[0027]本發(fā)明的在其實施例中的一些實施例中的另一優(yōu)點在于，與現(xiàn)有的架構(gòu)相比，可以簡化根據(jù)所描述的實施例中的任何實施例的LED驅(qū)動器或驅(qū)動單元的架構(gòu)，尤其是在所需要的部件的數(shù)目方面。比如，如果驅(qū)動器或者驅(qū)動單元包括SCC，則與現(xiàn)有的基于SCC的驅(qū)動器架構(gòu)相比，可以極大地減小開關(guān)和電容器的數(shù)目，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)?shù)墓β首儞Q率。
[0028]本發(fā)明的另一優(yōu)點在于，根據(jù)所描述的實施例中的任何實施例的LED驅(qū)動器、驅(qū)動單元或LED光模塊可以非常功率高效使得其不需要散熱器或低電阻熱通路。
【附圖說明】
[0029]本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點鑒于被提供僅作為說明和非限制性示例的優(yōu)選實施例的下面給出的詳細描述以及附圖將更清楚，附圖表示:
[0030]圖1，圖示LED的典型的電流電壓特性的圖；
[0031]圖2，圖示根據(jù)本發(fā)明的包括多個LED和LED驅(qū)動單元的光模塊的架構(gòu)的框圖；
[0032]圖3，圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的LED驅(qū)動器的詳細結(jié)構(gòu)的圖；
[0033]圖4A和4B，圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的LED驅(qū)動器的操作原理的時序圖。
【具體實施方式】
[0034]在下面的詳細描述中，出于解釋而非限制的目的，給出公開具體細節(jié)的代表性實施例以便提供對本教示的透徹理解。然而，得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，偏離本文中所公開的具體細節(jié)的根據(jù)本教示的其他實施例保持在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。另外，可以省略對眾所周知的裝置和方法的描述以免模糊對代表性實施例的描述。這樣的方法和裝置明顯在本教示的范圍內(nèi)。
[0035]圖1示出圖示LED的典型的電流電壓特性的圖。圖1旨在支持對本發(fā)明的正確理解；注意，正向電壓和標(biāo)稱正向電壓的變化的相對值僅在于說明而不一定對應(yīng)于LED的實際特性。
[0036]圖1描繪一個第一曲線11，其用實線繪制并且表示正向區(qū)域中的二極管的標(biāo)稱電壓電流特征，也就是，其中縱坐標(biāo)表示沿著從陽極到陰極的方向流經(jīng)LED的電流的強度I并且橫坐標(biāo)表示LED兩端的電壓V的圖。當(dāng)LED電壓V達到給定的正向電壓降值VF時，LED電流I變得可感知并且LED呈現(xiàn)非常低的電阻。然而，給定LED的標(biāo)稱正向電壓VF由于制造變化而可以稍微變化;正向電壓VF在操作中也可以由于通過負載的電流的變化以及還由于環(huán)境參數(shù)(諸如溫度)的變化而顯著變化;其也可以由于LED的老化而顯著變化。考慮到以上提及的所有可能的成因，可以認為LED的正向電壓的最大期望變化在最小正向電壓VFmin與最大正向電壓VFmax之間的間隔中，這一間隔的長度表示為AVF。正向電壓為最小或最大的極限情況下LED的V-1特性分別用虛