Hvled穩亮寬壓驅動器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了HVLED穩亮寬壓驅動器技術方案，克服LED燈絲一維線性高壓驅動器‘電壓升LED亮數增、電壓降LED亮數減’缺陷導致的兩大痼疾：①燈光隨電網電壓高低而明暗波動②燈光有工頻閃爍。本驅動器將整串LED燈絲分段組合，隨電網電壓升降實時調控，既調LED燈絲一維‘長度’，也調其二維陣列‘寬度’，使LED照明光源亮度穩定、適應輸入電壓范圍超寬，成為本技術發明獨具亮點：既消除LED燈光工頻閃爍，又不受市電網電壓波動影響LED燈光亮度，使基于本發明HVLED穩亮寬壓驅動器的LED照明燈能獲得高品質照明效果。本發明優越之處在于：適應市電網供電各種環境，即使電網電壓大幅劇烈波動，也能可靠保障LED照明光源高效安全又穩定的照明效果。
【專利說明】HVLED穩亮寬壓驅動器
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及一種LED照明電路驅動器1C，具體涉及一種HVLED穩亮寬壓驅動器集成電路IC技術方案。本發明屬于節能環保半導體照明領域，亦屬于微電子集成電路IC領域。
【【背景技術】】
[0002]LED作為照明光源，高效節能、安全長壽，得到廣泛應用。在發展過程中，不斷涌現各類驅動方案:PWM開關電源、阻容降壓電路、恒流管CRD、…，也有無驅動器技術方案。
[0003]市電網供電LED燈具漸多采用高電壓直接驅動方案:從兩串反向并聯LED燈絲，(LED燈絲即HVLED，LED指單PN結LED，以下同)，到4段LED燈絲搭成‘發光整流橋’加單串LED燈絲段的AC LED，及各種配整流橋的單串LED燈絲。所述LED燈絲如圖1，是指由兩個以上LED串聯成一獨立組件，其伏安特性是燈絲中所有LED伏安特性線性疊加。
[0004]要使整串LED燈絲電路能實時與市電網整流脈動直流電壓高低變化相匹配而平穩工作，一維線性調控方案采用‘同比’控制導通LED數量:整串LED燈絲中導通LED正向電壓降之總和與脈動直流電壓相匹配，其余LED截止，所以有:電壓升則導通LED數量增，電壓降則導通LED數量減；脈動直流電壓數值V與導通LED個數η的關系大體為n=V / VFffl,該VFm是LED燈絲中所有LED正向電壓Vf的統計期望值。
[0005]本文的討論，僅限于單整串LED燈絲拓撲結構的范圍，至于為加大功率增加亮度而采用二整串及以上LED燈絲并聯使用的情況，其基本原理相同，在此略而不論。
[0006]動態追逐電壓LED燈絲一維線性驅動電路，最直觀的是為LED燈絲中每個LED配接電子開關逐個控制，顯然電路冗余布線擁擠成本高故障多，實不可取。實際可行方案是將整串LED燈絲優化分成若干段。圖2為大幅精簡的高壓LED燈絲一維線性驅動電路原理示意圖。對數量不多的LED燈絲段進行組合開關控制，主要分兩類:①將整串LED燈絲按二進制組合分段，以二進制可逆計數器輸出信號參與實時切換控制；②優化分段并安排各LED燈絲段LED數量，按順序逐段增減控制。此二類方案各有利弊:方案①控制細微精準，電能利用效率≥ 99%, PF ≥ 0.98，但IC尺寸大成本高PCB擁擠；方案②劃分LED燈絲段靈活，利于應用產品設計和制造，但效率稍低，介于80-94%之間，PF≥0.90，指標尚可接受。
[0007]然而，在燈光質量和用電環境適應性兩方面，一維線性驅動方案存在明顯不足。一方面，導通LED數量周期增減變化導致燈光工頻閃爍；另一方面，當電網電壓波動較大，導致燈光照度亮暗差異較大；在偏遠地區或輸變電遠端用電環境，有時照明效果會變差。
[0008]為克服一維線性驅動方案缺陷，使LED燈在電網電壓偏低時也能正常照明，并消除燈光工頻閃爍，本發明公開了 ‘HVLED穩亮寬壓驅動器’技術方案。基于本方案的HVLED穩亮寬壓驅動器IC，向LED燈絲提供穩定的功率，確保市電直接驅動的LED照明燈發光穩定，克服了工頻閃爍難題，亮度不隨電網波動而發生明暗變化，有助于推廣LED節能照明。
[0009]本發明立足完全自主創新，給出多種合理而簡潔的驅動器電路設計，方便不同應用選擇最適合的設計方案，較好地解決了頻閃和電網波動導致LED燈亮度變化的難題。【
【發明內容】
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[0010] 本發明要解決的技術問題是:克服市電高壓LED燈一維線性驅動器的不足。本發明公開了 HVLED穩亮寬壓驅動器技術方案，克服LED燈絲一維線性高壓驅動器‘電壓升LED亮數增、電壓降LED亮數減’缺陷導致的兩大痼疾:①燈光隨電網電壓高低而明暗波動②燈光有工頻閃爍。本驅動器將整串LED燈絲分段組合，隨電網電壓升降實時調控，既調LED燈絲一維‘長度’，也調其二維陣列‘寬度’，使LED照明光源亮度穩定、適應輸入電壓范圍超寬，成為本技術發明獨具亮點:既消除LED燈光工頻閃爍，又不受市電網電壓波動影響LED燈光亮度，使基于本發明HVLED穩亮寬壓驅動器的LED照明燈能獲得高品質照明效果。
[0011]本發明優越之處在于:適應市電網供電各種環境，即使電網電壓大幅劇烈波動，也能可靠保障LED照明光源高效安全又穩定的照明效果。破除一維線性控制束縛，獨辟蹊徑在二維空間既調LED燈絲‘長短’，也調其陣列‘寬窄’:動態組合各LED燈絲段陣列，使市電網電壓無論偏低還是正常，LED燈絲中導通LED數量都能保持穩定，使LED燈適應市電網供電各種環境，特別是邊遠地區惡劣環境，以極低成本，實現高品質LED節能照明。
[0012]本技術方案改進之處在于，將一維線性HVLED驅動器存在三變的缺點，改進為三不變:
[0013]【I】一維驅動器所驅動LED燈絲中導通發亮LED數量，隨脈動直流電壓升降而增減；本HVLED穩亮寬壓驅動器，驅動導通發亮LED數量保持相對穩定；
[0014]【2】一維驅動器提供LED燈絲照明的功率，隨脈動直流電壓升降而增減；本HVLED穩亮寬壓驅動器提供LED燈的照明功率穩定，不隨電網電壓波動變化而變化；
[0015]【3】一維驅動器驅動的LED燈，隨市電網電壓升降，其照明亮度明暗變化；本HVLED穩亮寬壓驅動器所驅動的LED燈，即使電網電壓波動，其照明亮度不發生明暗變化。
[0016]實現三變到三不變的升級換代，要依靠合理的技術方案，現說明如下。
[0017]先按電網標準確定構成LED燈的單整串LED燈絲所需單PN結LED總數量。按AC220V并考慮電路負載，取脈動電壓上限300VDC，單整串LED燈絲LED數量N:N=300V /VFm，取VFm=3V，N=IOO,即:整串LED燈絲全部LED數量是100個。為便于均等分割整串LED燈絲以方便LED燈絲段排列組合切換變陣，取96或88個LED組成整串燈絲。
[0018]再按照理想狀態分析。本技術方案‘HVLED穩亮寬壓驅動器’在整個脈動直流電壓變化范圍內，安排整串LED燈絲中全部LED盡可能多地導通發光。欲達此技術目標，本方案采用的技術手段是=LED燈絲二維分段變陣組合法。
[0019]如同軍營96名士兵行進隊列變陣:隨著威武雄壯有節奏的“變”陣口令聲，一路縱隊，變成兩路縱隊、三路縱隊、四路縱隊，…，繼而變成方陣，再逐漸變寬，…，漸成四列橫隊、三列橫隊、二列橫隊，最后變成一列橫隊，至此為半個變陣周期；再繼續變換回到一路縱隊，完成一個方陣變換完整周期；周而復始無窮無盡，然則行進陣列中士兵總數始終未變。
[0020]據此原理，讓我們先從脈動直流電壓過零點上升時刻開始分析:當電壓上升接近
3.6V前，整串LED燈絲被拆成96段:1個LED為I段組成96并，相當士兵一列橫隊，這樣即使脈動電壓在不到3.6VD。低壓下，也能確保100%的LED正常導通發光；隨著脈動電壓繼續上升，超過3.6VDC但不到7.2VDC，立即重排LED燈絲使其變‘窄’:每段2個LED串聯、48個LED燈絲段并聯，即2串48并，相當于士兵陣列兩列橫隊，仍然是100%的LED導通發光；電壓繼續升高，LED燈絲再度變‘窄’變‘長’:變成3串32并，接著4串24并、6串16并、8串12并、12串8并、16串6并、24串4并、32串3并、48串2并，在脈動直流電壓接近峰值時，最終變成一串96個LED串聯的最‘長’單串完整LED燈絲，如一路縱隊士兵陣列，完成了 LED燈絲段陣列由‘寬’變‘長’的半個變換組合周期，全過程始終100% ‘全員’ LED導通，自然亮度不變；緊接下來脈動直流電壓從峰值下降，便啟動另半個由‘長’變‘寬’的組合變換周期，…，如是等等，其原理相同方法類似，不再贅述。
[0021]上述所有變陣排列組合中，LED是100% E常導通正常發光，可見本技術方案‘HVLED穩亮寬壓驅動器’，以二維變陣法巧妙地從根本上解決了工頻閃爍難題。至于應對電網電壓波動，本技術方案穩定燈光亮度的原理完全一樣，顯然拓寬了電壓輸入范圍，無需贅述。
[0022]以上是基于本技術方案基本原理的理想化討論，實際電路不能像理想化分析那樣設計，LED燈絲切分細節錙銖必較。事實上，在LED燈絲分段的任何節點，二維變陣功能的實現，都需要依靠電子開關陣列按照嚴苛時序執行精準操作，還要有精益求精的電路設計配合。
[0023]圖3為實用電路原理圖，整串LED燈絲分四段:LEDSUA、LEDsuB, LEDsuC和LEDsuD,簡記A、B、C、D，四段LED串聯長度N相等，此例N為24，AC220V系統20≤N≤26，其余電網據此類推N并可適當增減；整流脈動直流電壓Vh加至IC和LED燈絲段A正極；虛線方框為IC封裝界限、其內為基于本發明驅動集成電路IC(以下同)；IC外各LED燈絲段不直接相連，由IC內部開關陣列On / Off組合狀態實施調控。表1反映電路工作過程。
[0024]表1左第一欄‘脈動電壓段’、‘Vp=標稱峰值’，在AC220V可設Vp為300VDC。
[0025]表1
[0026]
【權利要求】
1.一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:隨電網整流脈動直流電壓高低變化，作為LED照明光源電路驅動控制核心的本驅動器1C，對其外以下述連接方式的LED燈絲電路，以下述調控方式進行驅動:所述連接方式是:驅動器IC的有些引腳分別連接至少兩段LED燈絲段的正極和負極，而所述至少兩段LED燈絲段在IC外相互隔離，沒有任何電路連接；所述調控方式進行驅動是:當所述脈動直流電壓較低時，IC內部電路將所述至少兩段LED燈絲段組成并聯形式并使工作電流驅動其正常發光，而當電壓較高時，IC內部電路將所述至少兩段LED燈絲段組成串聯形式并使工作電流驅動其正常發光。
2.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC有不少于9只引腳或腹部帶接地金屬片的8只引腳，其中8只引腳用于連接構成LED燈發光電路的四段LED燈絲段，各LED燈絲段的串聯LED數量相等，且每段僅與IC的2只引腳連接，各段之間相互不直接相連；在電網電壓正常的正弦變化周期內，當電壓較低時四段LED燈絲被組成并聯電路而導通發光，當電壓較高時四段LED燈絲被組成串聯電路而導通發光。
3.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC有不少于10只引腳或腹部帶接地金屬片的9只引腳；9只引腳連接LED燈發光電路的五段LED燈絲段，其中三段串聯LED數量相等，且僅與驅動器IC引腳連接，各LED燈絲段之間無電路相連，也不與剩下兩LED燈絲段連接；剩下兩LED燈絲段首尾相接串聯在一起，其LED數量之和與前三段中任一段LED數量相等；這兩段LED燈絲段LED數量比例大致為2:1 ;第一、第二、第三各段LED燈絲段串聯LED數量相等且等于其它兩段串聯LED數量之和的原則不變，各段實際串聯LED數量細節可適當調整；在電網電壓正常的正弦變化周期內，電壓低時四路五段并聯，電壓高時五段串聯。
4.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC有8只引腳，分別連接四段LED數量相等的LED燈絲段兩端，各段互不相連；驅動電路地線Vss/Gnd和脈動高壓地線共用IC腹部金屬片，高電壓Vh輸入端與某段LED燈絲段正極共用IC 一引腳；在電網電壓正常的正弦變化周期內，電壓低時四段并聯，電壓高時四段串聯。
5.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC至少有7只引腳或6只引腳加腹部接地金屬片，LED燈發光電路有四段LED燈絲段，第一段由占總數一半的LED串聯而成，其首尾兩端僅連IC兩只引腳；第二段LED數量是第一段的一半，第三段是第二段的三分之二，剩下LED串聯成第四段；第二、第三、第四段首尾相接串聯成與第一段LED數量相等的LED燈絲段，其兩端和中間兩個接點連接到IC另外4只引腳；在實施電路中，第一 LED燈絲段串聯LED數量等于其它三段串聯LED數量之和的原則不變，各段實際串聯LED數量可適當調整；在電網電壓正常的正弦周期內，電壓低時二路并聯，電壓高時I路串聯。
6.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC至少有7pin或6pin加腹部接地金屬片，LED燈有四段LED燈絲段，LED總數是14N，在AC220V，N=8,其余電網類推；第一段用7N顆LED，其兩端僅連IC兩只引腳，第二段4N顆，第三段2N顆，剩下IN顆串聯成第四段；第二、第三、第四段串聯成與第一段LED數量相等的LED燈絲段，其兩端和中間兩個接點僅連到IC另外4只引腳；在實施電路中，第一段串聯LED數量等于其它三段串聯LED數量之和的原則不變，各段實際串聯LED數量可適當調整；在電網電壓正常的正弦周期內，電壓低時二路并聯，電壓高時I路串聯。
7.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器IC至少有6pin或腹部帶金屬片的5pin，LED燈有三段LED燈絲段，LED總數是6N，在AC220V，N=16，其余電網類推；第一段有3N顆LED，兩端僅連IC兩引腳；第二段2N顆LED，第三段1N顆LED ；第二、第三段串聯，其兩端和中間接點僅連IC另3只引腳；在實施電路中，第一段LED數量等于其它兩段LED數量之和的原則不變，各段實際串聯LED數量可適當調整；在電網電壓正常的正弦周期內，電壓低時二路并聯，電壓高時1路串聯。
8.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:該驅動器至少有4pin加腹部金屬片，LED燈有2段LED數量相等且互不連接的LED燈絲段連到IC，電網脈動直流電壓正極與其中一段正極共用一只IC引腳，在4腳IC中電路地線和脈動直流電壓負極連到腹部金屬片；在實施電路中，兩段LED燈絲段互不連接且串聯LED數量相等的原則不變，各LED燈絲 段實際串聯LED數量細節可調整；在電網電壓正常的正弦周期內，電壓低時二路并聯，電壓聞時1路串聯。
9.根據權利要求1所述的一種HVLED穩亮寬壓驅動器，其特征是:整串LED燈絲分成僅連到IC引腳、相互隔離的N個組合段，各組合段細分成串聯LED數比例相同的M段；在HVLED穩亮寬壓驅動器IC調控的脈動直流電壓正弦變化周期中，有這N段并聯導通的工作階段，也有全部LED串聯組合成一整串LED燈絲的單整串導通工作階段；并聯階段還可細分成M個小階段以提高效率、改善控制效果；N和M為2≤ N ≤4、2≤ M ≤ 3的整數。
【文檔編號】H05B37/02GK103648205SQ201310556376
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】呂大明 申請人:呂大明