專利名稱：一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提高發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)發(fā)光效能的驅(qū)動方法和驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術：
由于近年來在固態(tài)照明技術上取得的巨大進展，發(fā)光二極管的發(fā)光性能目前已經(jīng)接近于傳統(tǒng)光源。其在提供使用壽命、流明維持率、顯色性能、可靠性及操作安全性方面，均超越傳統(tǒng)電燈泡和熒光燈管。由于LED的操作電壓非常低，燈管驅(qū)動器的設計相對較容易， 并且更加可靠，這是因為與熒光燈管相比，施加到驅(qū)動組件上的電壓更小。而熒光燈管在啟動期和調(diào)光過程中均需要高啟動電壓和精確控制燈絲上加熱電流。因此LED的使用變得越來越普及，并且迅速替代了家庭、商業(yè)和工業(yè)的應用的白熾燈、鹵素燈和熒光燈。隨著LED越來越多地用于各種照明應用，對具有優(yōu)化控制電路的高效驅(qū)動器的需要變得更加重要。因為LED是電流驅(qū)動裝置，其中的光是通過半導體結(jié)中的注入電洞和電子的結(jié)合來產(chǎn)生的。LED發(fā)光強度一般是通過控制流過該裝置的正向電流來進行的。因為 LED只在一個方向上導通電流，默認的LED驅(qū)動方法是使用恒定的直流(DC)電流，被稱為振幅模式驅(qū)動技術。然而，有發(fā)現(xiàn)表明LED的峰值發(fā)射波長隨著正向電流偏移，這將導致不同亮度水平上的色度變化。當LED被用于液晶顯示屏(IXD)背光照明時，這一問題帶來了重大的挑戰(zhàn)，因為這時的色度的穩(wěn)定性是極其重要的。白光可通過各個單獨的LED生成的三原色來組合獲得，或者可通過使用藍色或紫外LED的熒光粉轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生。當不同正向電流驅(qū)動時，所有這些都易于產(chǎn)生色度變化。這使得當正向電流必須根據(jù)不同亮度水平進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并且同時期望取得穩(wěn)定的色度的應用上，振幅模式驅(qū)動技術無法兼?zhèn)浞洗藘煞N要求所需的條件。甚至在沒有進行調(diào)光操作時，LED非常小的動態(tài)電阻也會帶來對直流電流控制精度的苛刻要求，因為波紋效應也會導致同樣的色度變化問題。而且，當驅(qū)動多個LED 時，LED串聯(lián)連接的數(shù)量受到直流電源的輸出電壓所限制，因此常常需要使用升壓裝置才能達到所要求的電壓水平。對于并聯(lián)連接的LED來說，因為生產(chǎn)過程造成的差異、老化以及溫度變化使得LED支路之間分配的電流不相等，也將導致發(fā)光強度和色度的分布不均勻，繼而影響一致性。此外，LED最吸引人的特點之一是它們的超長壽命，因此LED驅(qū)動器也應該有相當?shù)膲勖?。然而，用在直流電源輸出端的典型電解電容器已?jīng)限制了這些驅(qū)動器壽命， 特別是當驅(qū)動器必須在高環(huán)境溫度下連續(xù)運行的時候，如在燈具內(nèi)部或靠近大功率LED。上面討論的某些問題可以通過使用交流(AC)電流驅(qū)動LED來解決。如果直接使用市電供電作為電源，AC電流可以不需要進一步的功率轉(zhuǎn)換而直接用于驅(qū)動LED。由于不存在電解電容，不僅降低了成本，也提高了 LED驅(qū)動器的壽命。因為LED是單極裝置，用于 AC電流驅(qū)動的LED可連接為反式平行或組成全橋模塊，從而使得在交流電的兩個半周期中都可以產(chǎn)生光。然而，當流經(jīng)各支路的LED電流的交流頻率為50或60Hz時，光的質(zhì)量會因閃爍而顯著降低。為了消除這一問題，需使用高頻AC電流，但這額外需要一個交流-交流功率轉(zhuǎn)換階段，這無疑將增加驅(qū)動器的復雜性和成本，抵消其可直接連接市電的優(yōu)點。當使用AC電流時，可以對該電流加入高頻率開關和控制占空比以求達到調(diào)光功能。由于采用了高頻率開關，原來的50或60Hz的AC電流被周期性切斷而形成脈沖電流。由此可見，使用脈沖電流驅(qū)動可以達到驅(qū)動和調(diào)光的雙重功能。 使用脈沖直流電流驅(qū)動LED的技術通常被稱作脈沖寬度調(diào)制 (pulse-width-modulation, PWM)驅(qū)動技術。這是一種在高頻下開啟和關閉LED，并且通過調(diào)節(jié)占空比(裝置開啟的時間與開關周期的比率)，從而調(diào)節(jié)平均正向電流來控制發(fā)光強度的方法。因為在開關期間，峰值電流水平保持恒定，所以通過調(diào)節(jié)占空比來控制亮度水平不會對色度造成任何影響，因而改進了色度的穩(wěn)定性。在實踐中，峰值電流里常常出現(xiàn)一些波紋，這些波紋應該被盡量減少甚至消除以便平均驅(qū)動電流可以得到精確控制，尤其是在 LED被用作液晶顯示屏(LCD)的背光燈時。盡管改進了色度的穩(wěn)定性和調(diào)光的良好功能性， PWM驅(qū)動卻變得較復雜，因為通常需要將直流電源(交流-直流或直流-直流轉(zhuǎn)換)與開關網(wǎng)絡相結(jié)合，這增加了驅(qū)動器的復雜性。開關LED電流所產(chǎn)生的快速瞬變也會引起電磁干擾(EMI)問題，這必須通過增加成本的附加電磁兼容性(EMC)設計來克服。在上述驅(qū)動技術中，雖然振幅模式和PWM模式驅(qū)動是LED行業(yè)最常采用的技術，但是其所使用的電流波形(直流電與PWM)與LED發(fā)光效能之間的關系卻很少被研究。在高正向電流下，LED的發(fā)光強度趨于飽和。這一特性使LED在相同均值的直流電和PWM電流驅(qū)動時產(chǎn)生不同亮度水平。一般來說，對于給定的平均正向電流，振幅模式驅(qū)動技術相對于 PWM模式驅(qū)動技術而言總是產(chǎn)生更高的發(fā)光強度，這是因為后者運行在更高的峰值電流水平，此時由于飽和現(xiàn)象使得產(chǎn)生的光降低。然而，PWM模式驅(qū)動技術卻因為其具有更好的色度和調(diào)光功能性而更受歡迎。因此，需要在PWM模式的基礎上進行改進，提高其發(fā)光效能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有PWM驅(qū)動技術所驅(qū)動的發(fā)光二極管發(fā)光效能較低的缺陷，提供一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法和驅(qū)動系統(tǒng)。在第一個優(yōu)選的方面，提供了一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法，該方法包括在第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間周期性切換提供給LED的直流電流，所述第一電流水平Ih高于第二電流水平、，所述第二電流水平l·固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置，并且通過縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比以將平均電流保持在給定電流值T5,同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，可以保持第一電流水平IH，增加第二電流水平Iy并減少第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 5。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，可以保持第二電流水平Iy減少第一電流水平IH，并增加第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 ^。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，可以增加第二電流水平Iy同時減少第一電流水平 IH，并調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 ψ。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，將所述第一電流水平Ih保持在1000mA，將所述第二電流水平l·調(diào)節(jié)至200mA，并調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值If。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，LED可以由兩個獨立的電源驅(qū)動，每一個電源被分別設置為輸送第一電流水平Ih和第二電流水平l·，并且使用獨立的開關網(wǎng)絡調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比。在本發(fā)明所述的驅(qū)動方法中，LED可以由具有兩個輸出電壓或電流的單個電源驅(qū)動。在第二個方面，提供了一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LED驅(qū)動電源，用于輸出輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平込；開關網(wǎng)絡，用于在第一電流水平Ih和第二電流水平込之間周期性切換提供給LED 的直流電流，所述第一電流水平Ih高于第二電流水平l·，將第二電流水平l·固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置，并且通過縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比以將平均電流保持在給定電流值 ψ，同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。在本發(fā)明所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)中，所述LED驅(qū)動電源為兩個獨立的電源驅(qū)動，每一個電源被分別設置為輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平 l·，并且使用獨立的開關網(wǎng)絡調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比。在本發(fā)明所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)中，所述LED驅(qū)動電源為具有兩個輸出電壓或電流的單個電源。在本發(fā)明所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)中，所述開關網(wǎng)絡縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值包括通過減少第一電流水平IH，或增加第二電流水平Iy或在增加第二電流水平l·的同時減少第一電流水平IH。實施本發(fā)明的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法和驅(qū)動系統(tǒng)，具有以下有益效果本發(fā)明通過縮小PWM的第一電流水平和第二電流水平之間的差距來提高LED的發(fā)光效能，在整個過程當中，由于第一電流水平即高水平電流之降低，LED的光效也將得到相應的改善。


本發(fā)明的實例將根據(jù)附圖來進行說明，其中圖Ia為采用并聯(lián)電源來實現(xiàn)兩個電壓之間的切換從而生成雙級電流(bi-level) 的驅(qū)動方法示意圖；圖Ib為采用串聯(lián)電源來實現(xiàn)兩個電壓之間的切換從而生成雙級電流(bi-level) 的驅(qū)動方法示意圖；圖Ic為相關驅(qū)動波形圖；圖2為LED亮度圖，其示出了使用雙級電流(bi-level)與使用常規(guī)PWM電流相比 LED亮度的改善；圖3是降壓變換器的電路圖，該降壓變換器具有兩個輸出電壓，用于產(chǎn)生雙級電流(bi-level)波形；圖4a是PWM控制信號iPWM、LED的對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流仁在降壓變換器運行在占空比為10%時最高值Ih= 1000mA，最低值 IL = 100mA ；
圖4b是PWM控制信號iPWM、LED對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流仁在降壓變換器運行在占空比為10%時最高值Ih= 1000mA，最低值 Il = 200mA ；圖5a是PWM控制信號iPWM、LED對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流“在降壓變換器運行在占空比為50%時最高值Ih = 1000mA，最低值 Il = IOOmA ；圖5b是PWM控制信號iPWM、LED對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流“在降壓變換器運行在占空比為50%時最高值Ih = 1000mA，最低值 Il = 200mA ；

圖6a是PWM控制信號iPWM、LED對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流“在降壓變換器運行在占空比為90%時最高值Ih = 1000mA，最低值 Il = IOOmA ；圖6b是PWM控制信號iPWM、LED對應的正向電壓Vf和正向電流if的實驗波形圖； 其中，LED對應的正向電流“在降壓變換器運行在占空比為90%時最高值Ih = 1000mA，最低值 Il = 200mA ；圖7是在振幅模式下、常規(guī)PWM模式下和雙級電流(bi-level)驅(qū)動技術下測得的 Lumileds LUXEON K2 LXK2-PW14-U00 的照度(Φν)圖；圖8是在振幅模式下、常規(guī)PWM模式下和雙級電流(bi-level)驅(qū)動技術下測得的 CREE XLAMP XREffHT-L 1-WC-P4-0-01 的照度(Φν)圖；圖9是在應用雙級電流(bi-level)驅(qū)動技術(Ih Il = 5 1)、(Ih Il = 10 1)和其它常規(guī)驅(qū)動技術下測得的Lumileds LUXEON K2 LXK2-PW14-U00的光效(ην) 圖；圖10是在應用雙級電流(bi-level)驅(qū)動技術(Ih Il = 5 1)、(Ih Il = 10 1)和其它常規(guī)驅(qū)動技術下測得的CREE XLAMP XREWHT-L1-WC-P4-0-01的光效(ηv)圖。
具體實施例方式以下所提及之“高水平”和“低水平”電流分別指前文中所述的“第一電流水平”和 “第二電流水平”。此處使用“高水平”和“低水平”是為了便于說明電流水平的升高對LED 光效所帶來的負面影響。本發(fā)明所提到的色度的穩(wěn)定性和調(diào)光的良好功能性都可以于PWM驅(qū)動模式中實現(xiàn)，然而PWM驅(qū)動所使用的高水平電流同時也導致光效的下降。因此，為了改善這個問題， 本發(fā)明通過將PWM的高水平電流降低，并同時將低水平電流從零升高并通過調(diào)節(jié)高水平電流的占空比達到與常規(guī)PWM的平均電流相同，這樣持續(xù)執(zhí)行以上的步驟，高水平和低水平電流的差距將逐步縮小，直到最后兩個電流水平達成同一水平，即成為恒定直流(DC)驅(qū)動。在整個過程當中，由于高水平電流不斷降低，LED的光效也將得到相應的改善。因此， 本發(fā)明是在常規(guī)PWM驅(qū)動技術上進行改進，從而改善驅(qū)動下之LED的光效，該改進后的驅(qū)動模式被稱為“雙級電流(bi-level)驅(qū)動”。本文中所使用的術語“發(fā)光效能”是指每單位電功率輸入使光源產(chǎn)生光通量的衡量標準。光通量的單位是流明(Im)，電功率輸入的單位是瓦特(W)。每單位照明區(qū)域的光通量被稱為照度，其單位是流明每平方米(Imm2)或勒克斯(lx)，所以發(fā)光效能也可以用照度效能(lxW—1)來定義。本發(fā)明不僅限于討論到的度量單位，也包括用于相似目的或表達類似含義的所有度量單位。本發(fā)明提供了一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法和驅(qū)動系統(tǒng)。請參照圖 Ic,由PWM模式驅(qū)動的LED的發(fā)光強度可以通過聯(lián)合調(diào)節(jié)電流水平(第一電流水平IH，第二電流水平Iy其中第一電流水平Ih高于第二電流水平IJ和第一電流水平Ih的占空比來提高。因此，本發(fā)明提供的驅(qū)動系統(tǒng)包括開關網(wǎng)絡，用于在第一電流水平Ih和第二電流水平込之間周期性切換提供給LED的直流電流，所述第一電流水平Ih高于第二電流水平Iy將第二電流水平l·固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置，并且通過縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比以將平均電流保持在給定電流值 5，同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。請參閱圖Ia至圖lb，其中，圖Ia為采用并聯(lián)電源來實現(xiàn)兩個電壓之間的切換從而生成雙級電流(bi-level)的驅(qū)動方法示意圖；圖Ib為采用串聯(lián)電源來實現(xiàn)兩個電壓之間的切換從而生成雙級電流(bi-level)的驅(qū)動方法示意圖。在本發(fā)明中，為了產(chǎn)生雙級電流(bi-level)波形，跨接在LED上的兩個電壓必須交替切換。因此，可以采用兩個獨立的電源驅(qū)動，每一個電源被分別設置為輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平l·并且使用獨立的開關網(wǎng)絡調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比。如圖 Ia和圖Ib中電源1和電源2可以并聯(lián)也可以串聯(lián)，通過開關管Q控制其在第一電流水平Ih 和第二電流水平l·之間切換，為LED供電。本發(fā)明也可以采用具有兩個輸出電壓或電流的單個電源驅(qū)動。前一種方法包含兩個獨立的電源，意味著零件數(shù)是常規(guī)PWM驅(qū)動器的雙倍。 驅(qū)動器增加的復雜性和成本可以通過采用后一種方法得到減少。在該實例中，使用照度或勒克斯(Ix)作為單位來測量其發(fā)光強度。這種改進的 PWM驅(qū)動技術的工作原理被稱為雙級電流(bi-level)驅(qū)動技術。一般來說，該平均電流和平均照度I為
權(quán)利要求
1.一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法，其特征在于，所述方法包括在第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間周期性切換提供給LED的直流電流，所述第一電流水平高于第二電流水平l·，所述第二電流水平l·固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置，并且通過縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平Ih 的占空比以將平均電流保持在給定電流值Ti，同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動方法，其特征在于，保持第一電流水平IH，增加第二電流水平l·并減少第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值$。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動方法，其特征在于，保持第二電流水平Iy減少第一電流水平IH，并增加第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 ^。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，增加第二電流水平Iy同時減少第一電流水平IH，并調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 ^。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動方法，其特征在于，將所述第一電流水平保持在 1000mA，將所述第二電流水平L調(diào)節(jié)至200mA，并調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比，以將平均電流保持在給定電流值 ^。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述LED由兩個獨立的電源驅(qū)動，每一個電源被分別設置為輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平l·并且使用獨立的開關網(wǎng)絡調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述LED由具有兩個輸出電壓或電流的單個電源驅(qū)動。
8.一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括LED驅(qū)動電源，用于輸出輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平込；開關網(wǎng)絡，用于在第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間周期性切換提供給LED的直流電流，所述第一電流水平Ih高于第二電流水平l·將第二電流水平l·固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置，并且通過縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比以將平均電流保持在給定電流值$，同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述LED 驅(qū)動電源為兩個獨立的電源驅(qū)動，每一個電源被分別設置為輸送所述第一電流水平Ih和第二電流水平l·，并且使用獨立的開關網(wǎng)絡調(diào)節(jié)第一電流水平Ih的占空比。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述 LED驅(qū)動電源為具有兩個輸出電壓或電流的單個電源。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述開關網(wǎng)絡縮小第一電流水平Ih和第二電流水平l·之間的差值包括通過減少第一電流水平IH， 或增加第二電流水平l·，或在增加第二電流水平l·的同時減少第一電流水平IH。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效能的驅(qū)動方法和驅(qū)動系統(tǒng)，該方法包括在第一電流水平IH和第二電流水平IL之間周期性切換提供給LED的直流電流，所述第一電流水平IH高于第二電流水平IL，第二電流水平IL固定在零或者高于零以產(chǎn)生直流偏置；并且通過縮小第一電流水平IH和第二電流水平IL之間的差值，并對應調(diào)節(jié)第一電流水平IH的占空比以將平均電流保持在給定電流值If，同時提高發(fā)光二極管發(fā)光效能。實施本發(fā)明的驅(qū)動方法和系統(tǒng)，可以有效地提高發(fā)光二極管的發(fā)光效能。
文檔編號H05B37/02GK102159002SQ20101012879
公開日2011年8月17日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者倫偉強, 盧家航, 謝智剛, 陳秀聰, 黎沃銘 申請人:香港理工大學