彩色发光二极管的高效驱动器的制作方法

专利名称：彩色发光二极管的高效驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换器领域，特别涉及发光二极管(LED)的功率变换器领域。
LED非常适合于实现数字图像显示器中的彩色像素，方法是把数个LED组合起来在像素处产生各种所需的颜色。为了驱动由各有一种基色的三个发光二极管组成的彩色像素，通常需要分别产生不同电压的三个单独的电源。分别控制这三个电源就能使三个发光二极管产生具有理想亮度的所需颜色。多数LED工作在低电压，一般为1.5V到4V。由于红色、蓝色和绿色的LED都有不同的接通或正向电压，所以每个电源必须在不同的电压下产生电流，此外，常把许多LED并联起来以增加亮度，这样就需要电源提供足够高的电流来驱动并联的LED。
低压高电流电源的一个缺点就是效率低。这是因为大部分切换功率是通过输出二极管提供的，而该二极管具有与预期的LED负载可相比拟的正向电压。于是，产生的电压就由该二极管和LED共用，由于高电流产生高阻性损耗，使效率降低了近乎50％。
为避免需要低压电源的一种已知方法是将许多LED串联连接，这样驱动电压就是串联连接的各LED电压的总和。但这种安排降低了可靠性，因为在此串联结构中任一LED的失效都会导致整个结构的失效。
此外，对于三基色，最好只用单一的电源，而不是三个分别的电源。但是，如前所述，对应于三基色的LED对应于不同的正向电压降。通常，把一个线性驱动器与每种颜色的LED串联连接，该串联连接再连接到单一的恒压电源。驱动器消除了电源和LED之间的电压差。但这种方法显示出更大的功率耗散和低效率。由于驱动器上的电压降常可与LED的正向电压相比拟，该方法的效率也只有大约50％。这样低效的结构会产生显著的热量，于是需要散热器，既增大了产品体积，又降低了可靠性。
用于LED的已知功率变换器的缺点用本发明的实施例即可克服。以能量高效方式在低电压下提供电流来驱动多色(通常是三色)LED的可靠电源的这些以及其它优点用本发明以下详述的实施例就可实现。


图1示出能对通过非全部LED的电流进行调制的本发明的一个图2示出对应于图1所示实施例的以非连续方式工作的示范的电流波形。
图3示出对应于图1所示实施例的以连续方式工作的示范的电流波形。
图4示出能对通过全部所述LED的电流进行调制的本发明的另一实施例。
图5示出对应于图4所示实施例的以非连续方式工作的示范的电流波形。
图6示出对应于图4所示实施例的以连续方式工作的示范的电流波形。
图7示出在任何既定时候只允许三个所述LED中的两个LED发光的本发明的另一实施例。
图8示出对应于图7所示实施例的以非连续方式工作的示范的电流波形。
图9示出对应于图7所示实施例的以连续方式工作的示范的电流波形。
图10示出允许对全部LED的亮度进行调制的本发明的又一实施例。
图11示出对应于图10所示实施例的以非连续方式工作的示范的电流波形。
图12示出对应于图10所示实施例的以连续方式工作的示范的电流波形。
图13示出包括正向变换器和输入与输出之间的隔离的本发明的一个实施例。
图14示出输入和输出之间隔离的并且包括具有连接电感器的逆向变换器的本发明的一个实施例。
图15示出输入和输出之间隔离的并且使用中心抽头变压器的本发明的一个说明性实施例。
在每种配置中，组合三种基色产生一种所需的颜色，虽然对于实施本发明并不需要这种结构。相应地，每种配置一般都有三个LED，或三套LED，产生基色蓝、红和绿。在既定配置中将各LED产生颜色的不同亮度加以组合就可产生多种颜色。改变通过LED的电流就可改变LED的亮度。所述配置能调制通过器件的电流以产生基色的各种组合。
非隔离配置图1示出能对通过由功率变换器供电的非全部LED的电流进行调制的本发明的一个实施例。图1示出输入端5和10(连接到DC电源)，输入端5例如为正极，连接到电感器15上，电感器15又连接到具有一种基色(假定为红色)的发光二极管LED 20的正极。LED 20的负极连接到开关25上，与负端子10形成电路。LED 30，通常(但不是必须)提供不同的基色，其负极连接到正输入端5，其正极连接到开关25。LED 35，例如提供蓝色，直接连接到输入端5和10上，其正极接正输入端5，负极接负输入端10。
值得注意的是，每个LED，在不失其通用性的情况下，都可用各种器件的串联或并联组合来代替，以组合方式提供类似的单向电流通路。
图1所示实施例的工作如下述。开关25以高频率接通和断开。当开关25接通时，电流升高一段时间，该电流流过LED 20。当开关25断开时，电流通过电感器15流过LED 30。直接连接在输入端的LED 35有恒定电流流过。每个LED的结果电流波形示于图2。对于电感量和开关频率的适当组合，装置工作在连续方式时电感器电流不会降到零。这样，在电感器15的电感量或开关25的开关频率足够高的情况下，就可得到连续方式的工作。图3示出对应于连续方式工作的电流波形。
图2中的电流波形表示在非连续方式时通过三个LED的电流。波形不同反映每个LED不同的亮度。实际上，LED 20和LED 30的相对亮度可用电流比来表示iLED20iLED30=VF30+VinVin-VF20]]>方程1式中，Vin是输入电压，VF20和VF30为各LED的正向电压，改变输入电压Vin就可改变通过LED 20和30的电流比。前端变换器或可变电压源提供用于调节相对亮度的可变Vin，以产生不同的颜色。
图3中的电流波形表示在连续方式时通过三个LED的电流。LED 20和LED 30的相对亮度可用各自的电流之比来表示iLED20iLED30=11-D]]>方程2式中，D为负载周期。电流比可用负载周期来调节。这可与可变输入电压相配合，产生更多的颜色变化。
通过LED 35的电流取决于输入电压和器件固有的特性，因为它是连接在输入端的。因此，此公开的实施例提供了无损耗功率变换。不需要例如熟知的线性驱动器等耗能元件，使变换器能以高工作效率将其能量的全部或大部分提供给照明。但使用电阻或其他耗能元件与该设计是兼容的。
图4示出能对通过全部所述LED的电流进行调制的另一实施例。图1的实施例中，LED之一直接和输入电源相连，故限制了输入电压的范围。在图4所示实施例中，克服了这一限制，因为第三LED与输入电源串联，因而可控制通过所有LED的电流。图4部分示出连接到DC源的一对输入端50和55。正端50连接到LED 60的正极，其负极连接到电感器65，电感器65再连接到产生另一种颜色的LED70的正极。LED 70的负极连接到开关75。接着，开关75连接到负输入端55。能产生又一种颜色的LED 80与电感器65和LED 70的串联组合并联。
图4所示实施例的的工作如下述。开关75能够以高频率接通和断开，当开关75接通时，引起通过电感器65的电流积聚。当开关75断开时，通过电感器65的电流流过LED 80。图5示出在非连续方式下通过三个LED的电流波形。如果电感器65的电感或开关频率足够高，则变换器工作在连续方式，相应的电流波形示于图6。
通过图4所示的三个LED 70、80和60的平均电流在非连续方式为iLED60iLED30=VF70+VF80Vin-VF60-VF70]]>方程3iLED70iLED80=VF80+Vin-VF60Vin-VF60-VF70]]>方程4式中，Vin是输入电压，VF60、VF70和VF80为各LED的正向电压。
这样，通过调节输入电压就可改变通过三个LED的三个电流，就可控制亮度。
图6的电流波形表示在连续方式下通过三个LED的电流。以下方程描述了各个LED的相对亮度iLED60iLED80=D1-D]]>方程5iLED70iLED80=1D]]>方程6式中，D为负载周期。每个电流比都可通过改变负载周期来调节，再与可变输入电压相配合，以控制LED产生的颜色。
图7示出本发明的又一实施例，即在任何既定时间只允许三个所示LED中的两个发光。图7示出一对输入端100和105，用来连接到DC电源。当然，包括整流等的其它改动的设计也可用其他电源作为输入电源。一个或多个LED，统称为LED 110，直接连接在正负输入端上。LED 110的亮度取决于输入电压和器件的固有特性。与正端子100相连接的电感器115连接到LED 120和125的正极。LED120的负极与开关130相连，开关130再连接到负端子105。LED 125的负极也与负端子105相连。如前所述，LED 125也可用多个串联的器件来代替，这样在激活时总电压就会比输入电压值高。
图7所示实施例的工作与前述实施例类似。简要地说，高频开关130接通，通过电感器115的电流就增加。高频开关130断开时，电感器115使电流流过LED 125。在本发明的该实施例中，在LED 125上的总电压降高于在端子100和105的输入电压。这种结构在开关130断开后减少了通过LED 125的电流。非连续工作的LED电流波形示于图8。正如在前面上下文或其他实施例中所述，如果电感器115的电感或开关130的开关频率足够高，则变换器工作在连续方式，如图9所示。
非连续方式时的电流方程如下iLED120iLED125=VF125-VinVin-VF120]]>方程7
式中，Vin是输入电压，VF125和VF120为各LED的正向电压。如前所述，输入电压可以控制电流比。
图9的电流波形表示在连续方式下通过三个LED的电流。LED的相对亮度用以下方程表示iLED120iLED125=D1-D]]>方程8式中，D为负载周期。所述电流比可用负载周期来调节，再与可变输入电压相配合，以调制LED产生的颜色。
图10示出本发明的又一实施例，可对所有LED的亮度进行调制。与图7所示实施例的(其中只有两个LED有可变的亮度)不同，图10可以改变全部三个LED的亮度。为此目的，图10示出LED 160与输入电压源串联以控制通过全部LED的电流，如下述。
图10示出连接到DC源的输入端150和155。正输入端150连接到LED 160的正极，LED 160的负极连接到电感器165。电感器165再连接到LED 170和175的负极。LED 175配置成其总正向电压大于输入电压加LED 160的正向电压。LED 175的负极连接到负输入端155。LED 175的负极连接到开关180，开关180又连接到负输入端155。
图10所示实施例的工作如下述。当高频开关180接通时，通过与LED 160和170形成串联电路的电感器165的电流就增加。断开开关180导致电流流过电感器165和LED 175。图10所示三个LED中每个LED在非连续工作方式下的相应电流波形示于图11。图12示出对应于连续方式的示范的电流波形。在非连续方式下通过三个LED的平均电流可分析如下iLED170iLED175=VF175-VF160-VinVin-VF160-VF170]]>方程9iLED160iLED175=VF175-VF170-2VF160Vin-VF160-VF170]]>方程10
式中，Vin是输入电压，VF160，VF170和VF175分别为LED 160，LED170和LED 175的正向电压。利用输入电压可以改变电流比。
图12的电流波形表示在连续方式下通过三个LED的电流，LED的相对亮度用以下方程表示iLED170iLED175=D1-D]]>方程11iLED160iLED175=11-D]]>方程12式中，D为负载周期。电流比可用负载周期来调节。再与可变输入电压相配合，就可进行最佳的颜色改变。
如以上方程所示，改变通过各LED 170、LED 175和LED 160的电流就可调制各自的亮度。已经说明，改变负载周期D和/或输入电压就可进行这种调制。
上述四个实施例提供了LED产生基色的非隔离配置，但这些配置也适合于驱动LED产生其他的颜色。
隔离配置在此节中有三个实施例，一个实施例包括正向变换器，另一实施例包括逆向变换器，还有一个实施例使用中心抽头正向变换器来驱动LED。
图13示出包括正向变换器的本发明的示范实施例。图13中，电源变压器200具有初级绕组205和至少一个次级绕组210。次级绕组210有两个端子215和220。端子215连接到LED 225的正极，而端子220连接到LED 230的正极。LED 225和230的负极会合在一个结点处，该结点再与电感器235的一端相连。电感器235的另一端连接LED 240的正极，LED 240再通过其负极连接到端子220，完成此电路。
以下说明图13所示实施例的工作。初级绕组205，作为正向变换器(包括已知的各种正向变换器)的变压器的初级绕组，接收一系列脉冲，在次级绕组210侧，对初级侧的脉冲作出响应，感应出交变电压脉冲。对连接到次级绕组210的正电压作出响应，端子215的极性改变为正。该电压使通过电感器235，LED 225和LED 240的电流增加。当感应电压为负时，端子215具有负极性，LED 225为反偏置。于是，通过电感器235的电流流过LED 230，而不是LED 225，类似于在图4中本发明实施例的工作。
有利的是，虽然并非实施本发明所必须，每个LED 225，230或240产生三种基色之一，并组合起来产生所需的颜色。对通过LED225、230或240中任一个LED的电流进行调制以产生所需的亮度，再将三个LED组合就可获得各种各样的可能色彩中的理想颜色。负载周期和输入电压决定了通过每个LED 225、230或240的电流，如在前面图4的说明中所述。在不失通用性的情况下，应指出每个LED都可用LED组合或其他产生类似单向电流通路的元件来替代。
图14示出本发明的另一实施例，它包括具有耦合电感器250的逆向变换器。耦合电感器250有初级绕组255和多个次级绕组，例如图中所示的次级绕组265、270和275。绕组260连接到LED 280，绕组265连接到LED 285，绕组270连接到LED 290。如前所述，LED280，285和290各产生三基色中的一种，再组合起来产生所需的颜色。此外，次级绕组数可以根据需要的颜色数或由共用功率变换器驱动的LED数而改变。
以下说明图14中本发明实施例的工作，初级绕组255连接到一系列交变方电压脉冲。该装置作为逆向变换器工作，即当初级绕组255通电时，连接到相应次级绕组的LED为反偏置，因为没有电流流经这些LED，故没有能量传递给它们。当绕组255的电压极性相反时，储存在耦合电感器250中的能量就释放到每个LED。在实际中，这类变换器在连接到前端AC-DC二极管桥时通常工作在非连续方式。用于初级绕组255的一系列适合的交变方电压脉冲能使从AC电源提取的电流随交变电压而变化，从而获得高的功率因子。
如前所述，可以改变LED的亮度以创造不同的色彩组合，而通过各LED的电流取决于关联的次级绕组的匝数以及负载周期。
图15示出采用中心抽头变压器的本发明的又一说明性实施例。所示中心抽头变换器包括变压器300，它具有初级绕组305、次级绕组310和315，二者连接在一个结点。次级绕组310连接到LED320的正极，次级绕组315连接到LED325的正极。LED320和325的负极连接在一起，再连接到电感器330的一端。此外，LED335的正极连接到电感器330，其负极连接到次极绕组310和315的接合结点。有利的是，LED 325、320和335各发不同颜色的光，将它们各自的发光组合起来就能产生其他颜色。
以下说明图15中本发明实施例的工作。初级绕组305，可能由半桥接电路或象大多数正向变换器一样由全桥接电路驱动，接收一系列电压脉冲，使次级绕组310和315通电。来自次级绕组310和315的电流通过LED320或通过LED325流到电感器330，再到LED335。改变次级和初级绕组之比、开关频率、负载周期、输入电压以及电感器330的值就可对通过LED320、325和335的电流加以调制。这样，适当调节通过每个LED的电流就可产生所需的亮度，与其他LED产生的颜色组合起来就可产生所需的颜色。
虽然图13-15包括交变电源，但这并不表示只能用正弦交流电源。实际上能驱动次级绕组的方波或甚至不规则波形都可包括在所述的交变电源之内。交变电源包括一个或多个开关正向功率变换器、变压器、开关逆向功率变换器、开关桥接功率变换器等等。
前述实施例包括与第一LED串联的电感器，第二发光二极管与电感器和第一LED并联。第二LED的方向应为当电源驱动电流通过电感器和第一LED时，第二LED反向偏置。此外，一个开关控制所述电感器和第一LED与电源的连接。而且，可以添加附加的LED、例如第三LED、与第一发光二极管并联、并且连接到电源的第一端子和第二端子。或者，第三发光二极管与第一发光二极管串联并且连接到电源的第一端子和第二端子。
另一实施例包括与第一LED串联的电感器；控制所述电感器和第一LED与电源的连接的开关，后者又通过开关和第二LED与电感器串联。第二LED具有的正向电压高于电源的输入电压，并与开关和第一LED并联。第二LED与电感器和电源串联，完成此电路。如前所述，可以添加附加的LED，例如使用一组LED而不是单个LED，或者，例如将第三发光二极管与电源的第一和第二输入端并联。第三发光二极管也可与电源的第一或第二输入端串联。
如果需要输入侧和输出侧之间的隔离，则在设计中包括磁耦合。一个实例装置包括带变压器的开关正向功率变换器；连接到该变压器的次级绕组；连接到该次级绕组和电感的LED。另一LED也连接到电感器和次级绕组的另一端子，第三LED与第二发光二极管和电感器的串联组合并联。此配置的工作如结合图13-15所述。
另一个提供隔离的设计使用开关逆向功率变换器、变压器、多个连接到变压器的次级绕组以及连接到次级绕组的LED。此外，该装置可包括将交流电流转换为直流电流的桥式整流器，具有使逆向变换器以非连续方式工作的装置，且交变电源提供的电流具有随相应的交变电压而变化的相位角。
这对应于非连续逆向变换器的工作。在固定负载周期时，输入电流与输入电压成正比，使变换器的输入阻抗为电阻性的。如果输入电压从由正弦电压驱动的桥式整流器得到，则输入电流也是正弦形的，与驱动电压同相。得到的输出LED电流可能也是正弦形的，但它们的按照线路频率的亮度变化人眼无法觉察。
还有一种配置包括开关桥式功率变换器；变压器；两个或多个次级绕组，其中第一次级绕组第一端子的极性与第二次级绕组第一端子的极性相反。其负极连接在一起的两个LED连接到电感器。第一发光二极管的正极连接到第一次级绕组的第一端子，第二发光二极管的正极连接到第二次级绕组的第一端子。连接到LED负极的电感器通过第三发光二极管再连接到第一次级绕组的第二端子和第二次级绕组的第二端子，完成此设计。
应当指出，此处说明的特征可以单独使用，也可组合使用。故本发明不仅限于此文中具体说明的实施例。虽然以上的描述和附图代表了本发明的实施例，但是，显然，各种添加、更改或代替都可以在不背离所附权利要求书中定义的本发明的精神和范围的前提下作出。特别是，对于本专业的技术人员来说，在不背离本发明的精神或其基本特征的前提下，很明显可以用其他的形式、结构和装置，用其他的元件和组件来实施本发明。本专业的技术人员会理解，可以对结构、装置以及元件作各种适合于具体环境和工作要求的更改以在实际中使用本发明，而不背离本发明的原理。所以，本公开的实施例从各方面来说都只能被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书表明，不限于上述说明书。
权利要求
1.一种向多个发光二极管提供功率以便产生所需颜色和亮度的装置，所述装置包括电感器，它与第一发光二极管串联；第二发光二极管，它与所述第一发光二极管和所述电感器并联、使得当电源驱动电流通过所述电感器和所述第一发光二极管时，所述第二发光二极管反向偏置；开关，它控制所述电感器和所述第一发光二极管与所述电源的连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括第三发光二极管，它与所述第一发光二极管并联后连接到所述电源的第一端子和第二端子。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括第三发光二极管，它与所述第一发光二极管串联后连接到所述电源的第一端子和第二端子。
4.一种提供驱动多个发光二极管的功率的装置，它包括电感器，它与第一发光二极管串联；开关，它控制所述电感器和所述第一发光二极管与电源的连接；以及所述电源的第一端子和第二端子，它们通过所述开关和至少一个第二发光二极管与所述电感器串联，所述至少一个第二发光二极管的正向电压高于所述第一和第二端子两端的输入电压，此外，所述第二发光二极管与所述开关和所述第一发光二极管并联，还有，所述第二发光二极管与所述电感器和所述电源串联。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于还包括第三发光二极管，它与所述第一和第二端子并联。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于还包括第三发光二极管，它与所述第一或第二端子串联。
7.一种提供驱动多个发光二极管的功率的装置，它包括带变压器的开关正向功率变换器；连接到所述变压器、具有至少两个端子的次级绕组；具有第一端和第二端的第一发光二极管，所述第一发光二极管的所述第一端连接到所述次级绕组的第一端子、而所述第一发光二极管的所述第二端连接到电感器的第一端和第二发光二极管的第一端，此外，所述第二发光二极管的第二端连接到所述次级绕组的第二端子；而第三发光二极管与所述第二发光二极管和所述电感器的串联组合并联。
8.一种提供驱动多个发光二极管的功率的装置，它包括带变压器的开关逆向功率变换器；连接到所述变压器的多个次级绕组；以及连接到所述多个次级绕组的两个中每个次级绕组的至少一个发光二极管。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于还包括桥式整流器，用于将交流电流转换为直流电流；以及一种装置，它操作所述逆向变换器使其以非连续方式工作、同时由交变电流源提供的电流具有跟随相应的交变电压的相角。
10.一种提供驱动多个发光二极管的功率的装置，它包括带变压器的开关桥式功率变换器；至少包括第一次级绕组和第二次级绕组的多个次级绕组，所述第一次级绕组和第二次级绕组这样连接到所述变压器、使得所述第一次级绕组的第一端子的极性与所述第二次级绕组的第一端子的极性相反；其负极连接在一起的第一和第二发光二极管，其中，所述第一发光二极管的正极连接到所述第一次级绕组的所述第一端子，而所述第二发光二极管的正极连接到所述第二次级绕组的所述第一端子；以及电感器，它连接到所述第一和第二发光二极管的所述负极，所述电感器还通过第三发光二极管连接到所述第一次级绕组的第二端子和所述第二次级绕组的第二端子。
全文摘要
公开一种彩色发光二极管(LED)的高效功率驱动器，用于驱动多个LED以产生不同的所需颜色。包括具有不同基色的LED的这种LED组合适合于实现显示数字图像的像素。本发明提供了开关功率变换实施例，使得可以用单一装置来驱动不同颜色的LED。此外，本发明提供了输入和输出隔离和非隔离的配置，能够例如通过电感器或工作条件来控制通过每个LED的电流。
文档编号H05B33/08GK1426270SQ0215741
公开日2003年6月25日 申请日期2002年12月14日 优先权日2001年12月14日
发明者潘毅杰, 庞敏熙, 廖柱帮 申请人:香港大学