專利名稱：Led控制方法及結構的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及電子學，更具體地，涉及形成半導體器件的方法 及結構。
背景技術：
在過去，電子工業將發光二極管(LED)用于各種應用。發光二 極管(LED)的品質和效率的改進促進了 LED在汽車照明應用例如 剎車燈和尾燈中的使用。LED的進一步改進促進了更傳統的AC照明 應用例如交通燈、熒光燈、路燈和其他照明應用的使用。LED應用的 典型控制系統將AC波形轉換為DC電壓并利用該DC電壓來給LED 供能。在于2001年9月4日發布給Mohamed Ghanem的美國專利 No.6,285，139以及于2006年1月24日發布給Johnson Chiang的美國 專利No.6，989，807中7>開了控制LED的系統。大部分這樣的LED控 制系統具有高成本。期望將每個LED系統配置成控制功率因數(power factor)以便降低運行成本。還期望將成本保持得很低。因此，期望有一種設計簡單的LED控制系統，其具有低成本并 將功率因數控制為基本上為單一值。


圖1簡要示出了根據本發明的LED系統的一部分的實施例； 圖2為具有曲線的圖，其示出根據本發明的圖1的系統的一些信號；圖3簡要示出了 LED系統的一部分的實施例，該LED系統為根 據本發明的圖1的LED系統的可選實施例；圖4簡要示出了另一LED系統的一部分的實施例，該LED系統為根據本發明的圖1的LED系統的另一可選實施例；以及圖5簡要示出了包括根據本發明的圖1的LED系統的一部分的 半導體器件的放大平面視圖。為了說明的簡單和明了，圖中的元件不一定按照比例，并且在不 同的圖中相同的參考號代表相同的元件。此外，為了說明的簡要，省 略了眾所周知的步驟和元件的說明和細節。這里使用的載流電極是指 器件的元件，例如MOS晶體管的源極或漏極、或雙極晶體管的發射 極或集電極、或二極管的正極或負極，其承栽通過該器件的電流，控 制電極是指器件的元件，例如MOS晶體管的柵極或者雙極晶體管的 基極，其控制通過該器件的電流。雖然這里把器件解釋為確定的N溝 道或P溝道器件，本領域的普通技術人員應認識到，根據本發明，互 補器件也是可能的。本領域的普通技術人員應認識到，這里使用的詞 匯"在…期間"、"在…的時候"、以及"當…時，，不是表示一旦開始操作 馬上就會出現反應的準確術語，而是可能會在被初始操作激起的反應 之間有一些微小但合理的延遲，例如傳播延遲。
具體實施方式
圖1簡要示出了 LED系統10的一部分的優選實施例，該LED 系統運行具有基本上為單一功率因數的多個LED。系統10包括連接 在串聯結構中的多個LED 20-28，并且LED電流29流過該結構。系 統10的開關電源控制器如脈寬調制(PWM)控制器55將電流29控 制為基本上恒定的值。如下文中將進一步看到的，LED 25-28接收以 第一公共電壓為參考的輸入電壓，而PWM控制器55以不同于第一 公共電壓的第二公共電壓為參考。此外，誤差放大器耦合至LED 25-28 以形成表示電流29的值的感測信號。誤差放大器以第一公共電壓為 參考。系統10還包括橋式整流器15、諸如分路調節器41的誤差放大 器、光耦合器37、感應器22、諸如二極管19的整流器、能量存儲電 容器21、以及功率變換器46。功率變換器46用于為控制器55形成運行功率。變換器46包括二極管47、電阻器48、以及將來自整流器 15的時變電壓轉換為用于運行控制器55的基本上為DC電壓的電容 器49。PWM控制器55 —般包括形成基本上恒定的頻率時鐘信號的振 蕩器64、響應于自振蕩器64接收時鐘信號而形成斜波信號的斜波發 生器或斜波65、 PWM比較器67、 OR門68、 PWM鎖存器66、諸如 功率晶體管73的功率開關、電流限制比較器71、以及參考發生器或 參考70。 PWM控制器55在電壓輸入57和電壓返回60之間接收功 率。輸入57被耦合以通過功率變換器46在端子13上接收來自第一 一&共電壓的功率，而返回60耦合至橋式整流器15的端子14上的第 二公共電壓。振蕩器64、斜波65、鎖存器66、比較器67、門68、參 考70、以及比較器71連接成接收輸入57和返回60之間的功率。控 制器55還包括接收表示電流29的值的FB信號的反饋(FB )輸入58、 耦合成控制電流29的值的輸出56、以及接收表示通過晶體管73的電 流的值的信號的電流限制輸入59。上拉電阻器63連接在輸入58和輸 入57之間以便為耦合器37的輸出提供上拉電壓。電阻器36用于選 擇通過調節器41的電流的期望值。盡管電阻器36示為連接成自輸入 18接收功率，電阻器36可以連接至其他點以接收例如節點32處的功 率，如虛線所示。將電阻器36連接至節點32降低了功率耗散。整流器15接收端子11和12之間的AC輸入電壓，例如來自家 用電網的體輸入(bulk input)電壓的AC信號，并在端子13和14之間 形成整流AC信號。該整流AC信號為時變信號。因而，由輸入18 和端子13之間的LED 25-28接收的DC電壓以端子13上的時變信號 為參考，因此，DC電壓在該時變電壓附近浮動。頻率補償電容器43 —般連接在輸入58和端子14的公共參考電 壓之間，而另一頻率補償電容器44可以耦合在調節器41的感測輸入 和施加電壓以運4亍調節器41的端子之間。電容器43和44為系統10 的控制回路提供回路頻率補償。電容器43和44的值一般選擇成為在 端子11和12之間具有60周數(cycle)AC信號的系統提供大約為10Hz的帶寬，并為具有50周數(cycle)AC信號的系統提供大約為8Hz的帶 寬。在運行中，當電流29流過LED 25-28和電阻器34時，電阻器 34形成表示電流29的值的電壓。電阻器34兩端的電壓使電流42流 過分路調節器41，其還表示電流29的值。電流42也流過電阻器36 和光耦合器37的LED38。如果電流29的值增加，電流42的值也會 增加，這使耦合器37的晶體管39傳導更多的電流。通過晶體管39 的增加的電流會減少控制器55的輸入58上的反饋(FB)信號。FB 信號的減少導致振蕩器64的周數部分降低，這使晶體管73被啟動， 因此，導致控制器55的晶體管73的占空因數(dutycycle)降低。因為 振蕩器64具有基本上固定的頻率，控制器55以具有固定周期的固定 頻率接通或關斷晶體管73。在晶體管73被啟動的周期部分期間，輸 入電流16從端子13通過感應器22、晶體管73、輸入59、以及電阻 器61流至端子14。在晶體管73被禁止的周期部分中，存儲在感應器 22中的能量通過二極管19被傳送，以給電容器21充電并維持LED 輸入18和端子13之間的LED電壓。本領域的技術人員應認識到， 盡管輸入18和端子13之間的LED電壓被控制為基本上恒定的DC 電壓，LED電壓以端子13上的電壓為參考。因為端子13上的電壓為 整流AC電壓，LED電壓表現為強加在端子13上的時變參考電壓上 的DC電壓。時變參考電壓改變端子11和12之間的電壓的整流值的 速率( 一般為100Hz或者120Hz )。當電流流過電阻器16時，其形成表示電流16的值的感測信號。 比較器71接收感測信號。如果電流16的值變得過高，感測信號的值 增加至迫使比較器的輸出為高的值。來自比較器71的高信號迫使門 68的輸出為高，這使鎖存器66復位并禁止晶體管73。這提供了防止 晶體管73傳導可能損壞晶體管73或LED 25-28的電流的過電流保護。 如果在系統10中存在短路或其他問題的情況，通常出現電流16的這 樣的過電流值。圖2為具有示出系統10的一些信號的曲線的圖。橫坐標表示時7間，而縱坐標表示所示信號的增加值。曲線85示出了電流16的峰值 循環的一部分。曲線86示出了在振蕩器64的一個周期期間的電流16。 曲線87和88示出了在振蕩器64的子周期期間的電流16。曲線89示 出了由控制器55和系統10形成的電流16的平均值。該說明參考圖1 和圖2。系統IO還配置成為端子11和12之間接收的輸入AC信號提 供基本上單一的功率因數。對于振蕩器64的每個周期(T),電流 16的波形與通過感應器22和晶體管73的電流16的波形基本相同。 因此，功率因數由電流16控制，如下所示輸入電流16的斜度可以由感應器電壓等式確定，E=L(di/dt)，所以Vin=(L)(dipk/ton)。對ipk進行置換，得到ipk-Vjn(t。n/L()其中Vh—端子11和12之間的輸入電壓，L一感應器22的感應系數； ipk—電流16的峰值；以及t。n—在振蕩器64的周期(T)期間晶體管73被啟動的時間。在圖2中，由曲線89示出振蕩器64的每個周期內的電流16的 平均值。因為通過晶體管73的每個電流脈沖的波形為三角形，因而 電流16的每個脈沖的曲線下的面積為峰值(ipk)乘以其在振蕩器64 的周期期間流過的時間長度再除以2,如下所示Iav=(l/2)((ipk)*(ton/T))其中，Iav—電流16的平均值， T一振蕩器64的周期，以及 t。n/T—晶體管被啟動的每個周期的部分。 將ipk的等式代回到Iav的等式中，得到 Iav-(l/2)Vin((ton)2/(L*T))選擇電阻器34的值和調節器41的參考電壓值以便為電流29 提供特定值。此外，選擇頻率補償元件(例如電容器41或電容器43) 的值以將FB信號的任何振蕩的頻率保持為低于端子13和14之間的 整流AC信號的頻率。對于60Hz或者50Hz的輸入電壓頻率，端子 13和14之間的整流AC信號分別具有120Hz或者100Hz的頻率。為 了保證控制器55不調整晶體管73的占空因數，以便去除在整流AC 信號的頻率處出現的紋波分量，選擇由頻率補償元件形成的電極以保 證系統10的帶寬小于120或100Hz。在大部分實施例中，元件被選 擇成將帶寬限制為不大于大約15Hz，并且優選地不大于用于60Hz系 統的大約10Hz或者不大于用于50Hz系統的大約8Hz。這幫助將FB 信號保持為基本上為DC信號，并幫助將晶體管73的占空因數保持 為基本恒定。因為由LED 25-28形成的負載基本恒定， 一旦達到電流 29的期望值，控制器55控制電流29的值以維持基本上恒定。為了將 電流29的基本恒定的值以振蕩器64的基本恒定的周期提供至基本恒 定的負載，控制器55控制晶體管73以具有基本恒定的占空因數。感 應器22的值恒定，并且因為電流16的周期和占空因數基本恒定，所 以Iav的等式中的t。n和T項也恒定，而且Iav的等式變為Iav=(l/2)Vin((Kl)2/(K2))其中，Kl和K2恒定。因此，Iav"Vin，或除非另有說明，Iav與Vin成比例。 因此，對于固定的頻率和占空因數，電流16遵循輸入電壓Vin。 因此，電流16的平均值的波形與Vin的波形基本上相同，這導致系統 10的基本上單一的功率因數。單一功率因數導致系統10的較低的運 行成本。對于大量的LED用于提供大面積的照明的應用而言，由系 統IO提供的成本節約是非常重要的。應該注意，系統10形成基本上 單一的功率因數而沒有感測輸入電壓或整流AC信號的值或波形，以 及沒有利用包括用于使輸入AC電壓與輸入電流相乘的乘法器電路的 乘法器電路。不感測輸入電壓幫助降低控制器55和系統10的成本，并且不使用乘法器電路也降低了復雜性和成本。為了給系統IO提供這項功能，LED25的正極連接至輸入18,而 負極連接至LED 26的正極。LED 26的負極連接至LED 27的正極， LED 27具有連接至LED 28的正極的負極。LED 28的負極一般連接 至電阻器34的第一端子、電容器44的第一端子、以及調節器41的 感測輸入。電容器44的第二端子連接至輸入18，并可選地連接至LED 26的負極。電阻器34的第二端子一般連接成自端子13接收第一公共 參考信號并連接至調節器41的參考輸入。調節器41的輸出連接至 LED38的負極，LED38具有連接至電阻器36的第一端子的正極。電 阻器36的第二端子連接至電容器44的第二端子。電容器21的第一 端子連接至輸入18，而第二端子連接至端子13。 二極管19的正極連 接至控制器55的輸出56和感應器22的第一端子。二極管19的負極 連接至輸入18。感應器22的第二端子連接成接收來自端子13的第一 公共參考信號并連接至變換器46的輸入。變換器46的輸出連接至輸 入57。 二極管47的正極連接至變換器46的輸入，而負極連接至電阻 器48的第一端子。電阻器48的第二端子一般連接至電容器49的第 一端子、以及變換器46的輸出。電容器49的第二端子連接至端子14。 耦合器37的晶體管39具有連接至端子14的發射極以及連接至電容 器43的第一端子和控制器55的輸入58的集電極。電容器43的第二 端子連接至端子14。電阻器63的第一端子連接至輸入58，而第二端 子連接至輸入57。振蕩器64的輸出連接至鎖存器66的置位輸入和斜 波65的輸入。斜波65的輸出連接至比較器67的非反向輸入。比較 器67的反向輸入連接至反饋輸入58。比較器67的輸出連接至門68 的第一輸入，門68的第二輸入連接至比較器71的輸出。門68的輸 出連接至鎖存器66的復位輸入。鎖存器66的g輸出連接至晶體管73 的柵極。晶體管73的漏極連接至輸出56，而源極一般連接至輸入59 和比較器71的非反向輸入。比較器71的反向輸入連接至參考70的 輸出。電阻器61的第一端子連接至輸入59，而第二端子連接至端子 14。控制器55的返回60連接至端子14。圖3簡要示出了 LED系統90的一部分的實施例，該系統為圖1 和圖2的描述中解釋的系統10的可選實施例。系統90類似于系統10， 除了系統90包括PWM控制器91。控制器91類似于控制器55，除 了控制器91沒有包括諸如晶體管73的功率開關。控制器91包括由 晶體管93和94示出的驅動器電路，其配置成驅動諸如晶體管96的 外部功率開關。圖4簡要示出了 LED系統100的一部分的實施例，該系統為圖 l和圖2的描述中解釋的系統10的可選實施例。系統IOO類似于系統 10，除了系統100用變壓器101代替感應器22，使得系統100連接在 回掃(flyback)結構中。系統100包括整流二極管102和公共返回端子 103，整流二極管102用于將來自變壓器101的信號整流成在LED輸 入18和^〉共返回端子103之間基本上為DC電壓，z厶共返回端子103 連接至變壓器101的一個端子。公共返回端子103上的電壓不具有時 變信號如圖1的端子13上的信號，因此，輸入18和端子103之間的 電壓不在時變電壓的附近浮動。圖5簡要示出了在半導體管芯(die)lll上形成的半導體器件或集 成電路110的實施例的一部分的放大平面視圖。控制器55在管芯111 上形成。管芯lll還可以包括為了簡化視圖而未在圖5中示出的其他 電路。控制器55和器件或者集成電路110通過本領域的技術人員公 知的半導體制備技術在管芯111上形成。控制器91可以可選地在管 芯111上形成。在一個實施例中，控制器55在半導體基底上形成為 具有不多于6個外部導線56-60和一個可選導線的集成電路。鑒于上述內容，顯然公開了一種新穎的器件和方法。包括其他特 征的是，通過配置開關電源控制器以按基本上固定的頻率和基本上固 定的占空因數運行而控制LED系統的功率因數。在LED系統的升壓 結構的一個實施例中，LED系統的輸入電流基本上等于通過LED系 統的功率開關的電流。盡管用具體的優選實施例對本發明的主題進行了描述，但是顯然 對于半導體技術領域的技術人員而言很多替換和變更是明顯的。例如，控制器55和系統IO還可以配置在包括反向升壓結構的其他升壓 結構中。詞語"基本上，，或"大約"的使用意指元件的值具有被期望非常 接近于規定的值或位置的參數。但是，正如本領域中公知的，總有微 小變化阻止所述值或位置確切地為所規定的。本領域中恰當地規定， 高達大約10%的變化被認為是偏離確切地如所描述的理想目標的合 理變化。另外，為了清楚地描述，始終使用詞語"連接(connect)"， 但是，其被規定為與詞語"耦合(couple)，，具有相同的意思。因此， 應該將"連接"解釋為包括直接連接或間接連接。
權利要求
1.一種功率因數LED控制系統，其包括多個串聯的LED，其耦合成在輸入和第一公共返回之間接收LED電流；誤差放大器，其耦合成形成表示所述LED電流的誤差信號；以及PWM控制器，其耦合成接收表示所述LED電流的信號并將所述LED電流控制為基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器耦合在所述第一公共返回和第二公共返回之間以接收所述PWM控制器的工作電壓，其中，所述PWM控制器不感測由所述功率因數LED控制系統接收的AC輸入電壓的波形。
2. 根據權利要求1所述的LED控制系統，其中，所述第一公共 返回具有時變信號。
3. 根據權利要求1所述的LED控制系統，其中，所述第二公共 返回具有基本上固定的信號。
4. 根據權利要求1所述的LED控制系統，其中，所述多個串聯 的LED包括第一LED和第二LED，所述第一 LED具有負極并具有 耦合至所述輸入的正極，所述第二 LED具有耦合至所述第一公共返 回的負極并具有正極。
5. 根據權利要求4所述的LED控制系統，其中，所述誤差放大 器具有耦合至所述第二 LED的所述負極的感測輸入和耦合至所述第 一公共返回的參考輸入。
6. —種功率因數LED控制系統，其包括 多個串聯的LED,其以第一公共參考信號為參考； 誤差放大器，其耦合成提供表示通過所述多個串聯的LED的電流的誤差信號，其中，所述誤差放大器以所述第一公共參考信號為參 考；以及PWM控制器，其可操作地耦合成接收表示通過所述多個串聯的LED的所述電流的信號，并形成用于運行所述多個串聯的LED的基 本上為DC電壓，其中，所述PWM控制器配置成以基本上固定的頻 率和基本上固定的占空因數運行，以及其中，所述PWM控制器以第 二公共參考信號為參考。
7. 根據權利要求6所述的功率因數LED控制系統，其中，所述 多個串聯的LED以時變信號為參考。
8. 根據權利要求7所述的功率因數LED控制系統，其中，所述 誤差放大器以所述時變信號為參考。
9. 一種形成LED系統的方法，其包括配置控制系統來運行PWM控制器，以將通過多個串聯的LED 的電流控制為基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器配置成以基 本上恒定的頻率和基本上恒定的占空因數運行。
10. —種形成LED系統的方法，其包括 將所述LED系統配置在升壓結構中； 將多個LED串聯；以及配置所述LED系統以使所述LED系統的輸入電流的波形形成為 基本上等于通過功率開關的電流波形，所述功率開關調節通過所述多 個LED的電流，其中，所述功率開關以基本上恒定的頻率和基本上 恒定的占空因數運行。
全文摘要
本發明公開了LED控制方法及結構，其包括多個串聯的LED，其耦合成在輸入和第一公共返回之間接收LED電流；誤差放大器，其耦合成形成表示所述LED電流的誤差信號；以及PWM控制器，其耦合成接收表示所述LED電流的信號并將所述LED電流控制為基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器耦合在所述第一公共返回和第二公共返回之間以接收所述PWM控制器的工作電壓，其中，所述PWM控制器不感測由所述功率因數LED控制系統接收的AC輸入電壓的波形在一個實施例中，LED系統被控制成具有基本上單一的功率因數。
文檔編號H05B37/02GK101257751SQ20071019605
公開日2008年9月3日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年2月26日
發明者阿蘭·R.·保爾 申請人:半導體元件工業有限責任公司