專利名稱：用于調制led的電路裝置和用于操作該led的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于調制LED的電路裝置(circuit-arrangement)、用于 調制多個LED的系統(tǒng)以及用于操作LED的方法。由于LED的低功耗和長壽命，如今LED用于許多應用中。相應 地，可提供各種類型的驅動電路來操作這種LED。
技術背景在一些應用中，能夠實現(xiàn)LED的調制是必需的。在現(xiàn)有技術中顯 示了對這個問題的一個解決方案。US 5，959，413在圖8中公開了由單個 電流源192驅動的三個LED的串聯(lián)布置。開關186、 188、 190與相應 的LED并聯(lián)布置，這能夠實現(xiàn)交替的電流路徑，這樣相應的LED可 -故短路并因此可#皮切斷和接通。盡管所示方法保證了經過每個LED的恒定電流，但是這個電路的 缺點在于LED的高頻調制可以引起帶有電流尖峰(spike)的問題。另 外，當跨過相應LED的開關關閉時，LED的本征電容被短路。 一旦該 開關4皮打開，在該LED^皮照亮之前，本征電容凈皮再次充電。因此，可 能難以實現(xiàn)高的調制頻率。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供能夠實現(xiàn)好的調制性質的電路裝置。 根據(jù)本發(fā)明，該目的通過根據(jù)權利要求1的電路裝置、根據(jù)權利 要求9用于調制多個LED的系統(tǒng)和根據(jù)權利要求11的用于操作LED 的方法來解決。從屬權利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的電路裝置包括與至少一個LED并聯(lián)的調制電路。在 調制電路內，開關設備和門限(threshold)設備串聯(lián)布置。所述調制 電路用于作為電流的可選電流路徑，所述電流施加在LED和該調制電 路的并聯(lián)處LED的正向上。所述開關設備至少能夠實現(xiàn)所述調制電路 的關閉狀態(tài)和打開狀態(tài)，使得當開關關閉時，LED基本上不被照亮。 因此，該開關設備用于作為觸發(fā)(toggle) LED照明狀態(tài)的裝置。該開 關設備具有幾乎為0歐姆的電阻，這對應于"完全，，關閉狀態(tài)，然而，這不是必需的。另外，即使在關閉狀態(tài)，提供的電流也沒必要完全經過該調制電路饋送。當所述開關設備處于關閉狀態(tài)時，LED的正向偏 置電壓減少到LED基本上不被照亮的級別，由此在當前上下文中術語 "基本上不被照亮，，被理解為包括在給定環(huán)境條件下人眼看不見的亮 度級別。所述開關設備可以是至少提供打開狀態(tài)和關閉狀態(tài)的任何類 型的電氣設備，例如簡單的開關、繼電器或優(yōu)選地為半導體開關器件。將施加在LED兩端的二極管電壓Ud限制到預定門限電壓級別U,。由 此，在這個狀態(tài)下，LED的本征電容沒有被完全放電。當開關i殳備再 次設置成打開狀態(tài)時，所述本征電容仍然是凈皮至少部分充電，以致LED 的充電和響應時間被有益地縮短。所述門限設備可以是任何類型的電 氣或電子器件，當施加其上的電壓等于或超過預定操作點時，其導通， 當所述電壓低于所述操作點時，其基本上不導通。例如，所述門限設 備可以是雙極晶體管、場效應晶體管或齊納二極管(z-diodc)。根據(jù)本發(fā)明的布置不僅僅使得能夠實現(xiàn)高頻率調制。作為另外的 優(yōu)點，消除了在LED的本征電容放電時生成的短而大的電流脈沖，這 導致開關損失減小并且電磁兼容性的級別提高。因此本發(fā)明的電路裝 置非常適用于像航空航天和汽車(automotive)之類的EMI (電磁干擾) 敏感的應用。由于所能夠實現(xiàn)的高調制速率，電信領域中的應用，例 如在收發(fā)器中的應用，是可能的。還可以在照明應用中使用根據(jù)本發(fā) 明的電路裝置以通過調制使LED變暗。這里，若干lOKHz范圍內的 高調制速率對于實現(xiàn)平滑的過渡效果是必要的。一般應該根據(jù)所用設備的特性來選擇預定門限電壓Uz,使得在開 關設備的關閉狀態(tài)下LED的本征電容不被完全放電，而同時LED基 本上不被照亮。如本申請期望的，LED可以是任何類型的。 一般地，應該選擇LED 和調制電路設備，使得調制電路的設備的組合的內部電容小于LED的 本征電容。附加的LED以與所述LED串聯(lián)或并聯(lián)。在這種情況下， 所述正向偏置(forward bias )是LED的總的組合的正向偏置，所述本 征電容是LED的全面組合的本征電容。在優(yōu)選實施例中，LED是有才幾發(fā)光設備(OLED)。最近OLED 被用于顯示和一般照明應用。由于它的分層結構和類似板電容器(plate-capacitor-like)設置，OLED對于電極之間大約500nm的典型 層厚度通常展現(xiàn)100-500pF/ mm2的大電容。由于高的電容，本發(fā)明在 此尤其有益。在另外的優(yōu)選實施例中，門限設備是齊納二極管。齊納二極管是 商業(yè)可提供的可以被應用來穩(wěn)定LED兩端電壓的電子器件。特別優(yōu)選 的是，齊納二極管以與LED的正向偏置取向相反的方向的正向偏置取 向來布置。在這個配置中，如果施加了大于齊納電壓Uz的電壓，那么 齊納二極管導通。如果所述電壓落到Uz以下，那么齊納二極管不導通。在本實施例中，齊納二極管用于開關設備的關閉狀態(tài)中。在這種 情況下，當電流朝LED的正向施加至電路裝置中時，所述齊納二極管 將二極管電壓Ua穩(wěn)定到Uz。由此，齊納二極管防止LED的本征電容 的完全放電。優(yōu)選的是，在0，l和l，5xUf之間選擇門限設備的門限電壓Uz，其 中Uf是LED的正向偏置電壓。在電路裝置中串聯(lián)使用了多于一個LED 的情況下，Uf是LED的組合正向電壓。試驗的結果已表明，這個范圍 導致高得多的調制速率。然而，應該注意的是，由于Uf取決于操作參 數(shù)，當使用了極端操作條件或老化的LED時，情況就可能不是這樣。 在這種情況下，可以針對所使用的特定LED考慮這些效應來選擇Uz。 進一步優(yōu)選的是，Uz處于0，9xUf和1，2xUf之間，由此特別優(yōu)選的是， Uz小于Uf 。根據(jù)本發(fā)明的研制，所述開關設備是被驅動的開關器件，并且優(yōu) 選地是半導體開關器件。這種半導體開關器件的典型實例是晶體管， 特別是BJT、 FET、半導體閘流管等。所述開關設備應該能夠實現(xiàn)高 的開關周期和適當?shù)膲勖?，甚至在高電流下也能實現(xiàn)，當在電路裝置 中并聯(lián)使用多個LED時，便會出現(xiàn)所述高電流。為了獲得高的調制速 率，所述開關設備通常應該展現(xiàn)出低的內部電容。在用于獨立調制多個LED的系統(tǒng)中，根據(jù)本發(fā)明的多個電路裝置 串聯(lián)至單個電流源。當在單個設備中使用多個LED時，可期望保持電 流^f艮低。因而，優(yōu)選串聯(lián)方法來減少通過寄生電阻的功率損失。如果期望若干LED的每一個的亮度都彼此相等，例如在要求用分 別為紅、綠、藍的三個LED進行顏色混合的應用中，那么這種設置特 別有益。另外，多個包括LED的電路裝置的串聯(lián)能夠實現(xiàn)每個LED的獨立調制控制。如前面提到的，電路裝置中的每個LED也可以伴隨 有附加的LED以形成組，例如以增大每個獨立組的亮度。還可以在根 據(jù)US 6,249,088或US 6,201,353的三維晶格結構LED陣列中布置多個 電路裝置。本發(fā)明的這些和其他方面將根據(jù)下面描述的實施例變得清楚明 白，并將參考所述實施例進行闡述。


在圖中，圖1表示根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的實施例的電路圖，圖2表示用在圖1的實施例中的例示性OLED的等效網絡，圖3表示用在圖1的實施例中的例示性OLED的電壓/電流圖，圖4a表示圖1的實施例中開關狀態(tài)關于時間的曲線圖，圖4b表示圖1的實施例中二極管電壓Ud關于時間的曲線圖，圖4c表示圖1的實施例中二極管電流Id關于時間的曲線圖，圖4d表示圖1的實施例中開關電流I，關于時間的曲線圖，圖5表示用于調制多個OLED的系統(tǒng)的實例的電路圖，圖6表示用于調制多個OLED的系統(tǒng)的另外的實例的電路圖，以及圖7表示根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的另一個實施例的電路圖。
具體實施方式
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的一個實施例的電路圖。這里， 電流源1向OLED 2和調制電路3的并聯(lián)提供電流IQ=5A，調制電路3 包括齊納二極管4和開關5。開關5用作開關設備并至少能夠實現(xiàn)打開 狀態(tài)和關閉狀態(tài)。在關閉狀態(tài)下，調制電路3短路OLED 2 ，以致OLED 2不被照亮。為了針對變暗來調制OLED2,開關5在打開和關閉狀態(tài) 之間周期地交替。齊納二極管4以相對OLED 2的正向的反偏置方向 布置，并展現(xiàn)齊納電壓UZ=5V，相應的齊納電流為1A。如所示的，當電流lo施加至所述電路裝置以及開關5處于打開狀 態(tài)時，該電流充電OLED 2的本征電容C。當本征電容C被完全充電 并且因此施加在OLED 2處的電壓達到正向偏置電壓Uf時，那么OLED 2被照亮。圖2中表示例示性的OLED 2的等效網絡。這里，本征電容C與等效電流源6并聯(lián)，電流源6提供電流I-I(Ud)。電阻Rj皮提供與電容 C和電流源6串聯(lián)，并代表OLED 2的內部電阻。流經OLED 2的電流 由如下等式確定I(Ud) =gain*(U-Uf)2，其中gain表示每1112的增益系數(shù)，Uf是OLED的正向偏置電壓。 這里使用的OLED 2表示增益值gain-0，3mA/mm2/v2以及正向偏置電 壓U產5V。圖3中顯示了這個例示性的OLED 2的電壓/電流圖。對于 0，5m2大小的OLED而言，最終產生的驅動電流為I=5A 。根據(jù) 200pF/mm2的典型特定設備電容，電容C最終為C=100nF。如前所述，周期地切斷和接通開關5以使OLED 2變暗。為了減 少閃爍，頻率凈皮選擇為10KHz。圖4a-4d對于開關5的一些開關周期 分別描繪了開關5的狀態(tài)、二極管電壓Ua、 二極管電流Id和開關電流 Isw。當使開關5在給定的時間t0進入關閉狀態(tài)時，二極管電壓Ud在 Uz以上，因此齊納二極管4在反向偏置方向上是導通的。相應地，由 于開關電流Isw的流過，二極管電壓Ua減小，齊納二極管4將該電壓 限制到預定的操作點，在使用理想開關5的情況下，該電壓為UZ(=5V)， 否則，二極管電壓Ud被限到Uz+Usw，由此Uw是開關5兩端的電勢差。使TJd穩(wěn)定以便OLED 2的本征電容C保持被部分充電，盡管OLED 2不被照亮(UD《UF)。另外，開關電流Iw被限到預定的級別，避免 了會由OLED 2的本征電容的完全充電導致的大的電流尖峰，在現(xiàn)有 技術的電路裝置中所述電流尖峰可以超過大約IOA，如從圖4c中虛線 lw，p可以看到的。與之相比較，曲線Isw只表示小于1A的小的放電電 流尖峰。圖5表示用于調制多個OLED21， 22， 23的系統(tǒng)的實例，該系統(tǒng) 使用根據(jù)圖1中所示實施例的三個電路裝置的串聯(lián)。該系統(tǒng)由在每個 OLED21， 22， 23中基本恒定的電流Io驅動，導致每個OLED21， 22， 23的恒定亮度。這里，OLED21, 22， 23分別發(fā)射紅色光、藍色光和 綠色光，這使得能夠實現(xiàn)RGB顏色混合。由于該顏色混合，每個OLED 21， 22， 23的恒定亮度是有益的。與每個OLED21， 22， 23并聯(lián)的開 關51， 52， 53被布置分別用于使每個OLED21， 22， 23變暗，并形成 到每個OLED 21， 22， 23的交替電流路徑。齊納二極管41， 42， 43 被布置成在交替電流路徑中與相應的開關51， 52， 53串聯(lián)，以限制相應的OLED兩端的電壓Ud。由此OLED的本征電容保持在定義的充電 級別。圖6表示用于調制多個OLED21， 22的系統(tǒng)的另一個實例。這里， 兩個電路裝置被串聯(lián)，由此每個電路裝置包括兩個并聯(lián)的OLED 21， 22的組，用于提高每個單獨可調光(dimmable)組中的亮度。由于每 組中OLED21， 22的并聯(lián)，組合電容甚至更高，這使得本發(fā)明在這個 例子中特別有效。在沒有任何限制的情況下，可以在每組中布置多于兩個的OLED。 在這種情況下，設備的參數(shù)必須適合于特定的設置。在圖5的實例中， 可以容易地串聯(lián)布置少于三個或多于三個的電路裝置。還可以組合圖5 和6的實例以布置并聯(lián)的OLED組彼此串聯(lián)。圖7表示根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的另一個實施例的電路圖。這里 所示的該實施例類似于圖1中所示的實施例，然而，半導體開關設備， 即MOSFET 7用作開關設備。到MOSFET 7的柵極端的控制連接(未 示出)使得通過調制信號容易控制OLED2的變暗狀態(tài)。這里描述的實施例旨在說明而沒有限制的意思。權利要求中任何 附圖標記的使用不將限制相應權利要求的范圍。
權利要求
1.用于調制LED的電路裝置，包括并聯(lián)的至少一個LED和調制電路(3)，其中調制電路(3)包括與門限設備串聯(lián)的開關設備。
2. 根據(jù)權利要求1電路裝置，其中LED是有機發(fā)光設備(OLED，2)。
3. 根據(jù)前述權利要求任一項的電路裝置，其中門限設備是齊納二 極管(z-diodc， 4)。
4. 根據(jù)權利要求3的電路裝置，其中齊納二極管(4)在與LED 正向偏置取向相反的方向上以正向偏置取向來布置。
5. 根據(jù)前述任一項權利要求的電路裝置，其中如果向門限設備施 加在門限電壓Uz以上的電壓，那么該門限設備是導通的，根據(jù)LED 的正向偏置電壓Uf在0,l*Uf^Uz《l，5*Uf的范圍中選擇所述門限電壓 Uz。
6. 根據(jù)權利要求5的電路裝置，其中門限電壓Uz為 0，9*Uf《Uz^l，2*Uf，其中Uf是LED的正向偏置電壓。
7. 根據(jù)前述任一項權利要求的電路裝置，其中門限電壓Uz《Uf， 其中Uf是LED的正向偏置電壓。
8. 根據(jù)前述權利要求任一項的電路裝置，其中開關設備是被驅動 的開關器件。
9. 用于調制多個LED的系統(tǒng)，其中根據(jù)前述任一項權利要求的多 個電路裝置與電流源(1)串聯(lián)。
10. 根據(jù)前述任一項權利要求的電路裝置在照明設備中的使用，用 于通過調制使LED變暗。
11. 操作LED的方法，其中電流(IJ施加到LED和調制電路(3) 的并聯(lián)，其中所述調制電路(3)包括串聯(lián)的開關設備和門限設備，且 通過使所述開關設備在關閉狀態(tài)和打開狀態(tài)之間交替來調制LED。
全文摘要
為了在調制LED時實現(xiàn)高的調制頻率，用于調制至少一個LED的電路裝置包括與LED并聯(lián)的調制電路(3)，其中調制電路(3)包括串聯(lián)的開關設備和門限設備。在用于操作LED的方法中，通過使所述開關設備在關閉狀態(tài)和打開狀態(tài)之間交替來調制所述LED。
文檔編號H05B33/08GK101331797SQ200680047102
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月4日 優(yōu)先權日2005年12月14日
發(fā)明者D·亨特, G·索爾蘭德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司