控制led的方法以及led控制器的制作方法

專利名稱：控制led的方法以及led控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動LED的方法。還涉及一種LED驅動器。所述驅動器可以用于多色LED陣列。
背景技術：
傳統地，由脈沖寬度調制(PWM)來驅動尤其用于LED照明工業的LED。在PWM中， 在開啟狀態與關閉狀態之間調制LED。當在開啟狀態中時，典型地，將恒定電流提供給LED。 當在關閉狀態中時，沒有電流提供給LED。作為LED所輸出的光的總量的輸出通量是由電流的時間積分來確定的。因此，在保持開啟狀態中電流恒定的同時，通過改變脈沖寬度，可以在不改變通過LED的瞬時電流的情況下，改變LED的光輸出。這點是很重要的，因為LED的波長可以具有很強的電流依賴性。波長可以減少多達30nm/A。維持從LED輸出的光的恒定波長對于單色LED來說是是有用的；然而，這對于多色LED陣列來說尤為重要。典型地，在這種多色陣列中，組合具有不同顏色的三個LED集合的輸出。那么組合陣列的表現顏色就取決于三個LED集合的強度比率以及它們的絕對波長。當三個LED集合相組合以便產生白光時，能夠控制或維持分量LED的波長以便獲得對輸出的“組合色溫”(CCT)的精確控制尤其重要。盡管迄今為止，尤其對于多色LED陣列來說，PWM已經是優選控制方法，但它仍然存在缺點，即，各個LED的通量輸出和顏色都仍然是溫度依賴的；在沒有補償的情況下，輸出的可見效果在僅僅20°C的溫差時就可以觀測到。在國際專利申請公開W0-A-2007/090283中，已經公開了使用LED本身來確定LED 的溫度。這用于估計LED的顏色，然而調節控制的占空比以便控制LED的輸出通量。

發明內容
本發明的目的是提供一種控制LED的簡單有效的方法。本發明還旨在提供一種用于LED或僅僅用于多色LED陣列的控制器。根據本發明，提供了一種控制LED的方法，所述方法包括在第一時間內使用DC電流驅動LED ；在第二時間內中斷DC電流使得第一時間與第二時間之和為一個時間段；確定在DC電流中斷時LED的至少一個特性；以及在后續時間段期間取決于至少一個特性來控制 DC電流。因此本發明的有利之處在于DC工作的簡單性。通過在DC模式中而不是在例如 PWM模式中操作LED，避免了能夠調節占空比所需的要求。通過在DC電流中包括中斷，可以使用LED自身作為傳感器以確定LED的特性。因此避免了對額外傳感器的需求。在優選實施例中，第一時間和第二時間中的每一個都是恒定的。更優選地，第一時間與第二時間之比至少是99。與PWM控制相反，根據該實施例，因此可以將通過LED的瞬時電流保持在最小值，在PWM控制中，占空比很容易極大地變化。由于針對較低驅動電流，LED 典型地具有較高的效率，所以可以提高總體系統的性能。在優選實施例中，在中斷DC電流時，將LED驅動為正向偏置。在中斷期間將LED驅動為正向偏置便于在中斷期間對LED進行測量。典型地，正向偏置導致小于100 μ A的正向電流，此夕卜，正向偏置可以導致小于10 μ A的正向電流。由于工作正向電流可以是十幾mA， 因此，中斷期間的正向電流比第一工作時間期間的正向電流低2或3個數量級。在中斷期間使用這種低正向電流，防止了自熱效應，并且最小化了二極管的功耗。在實施例中，至少一個特性包括LED溫度。可以在中斷期間利用第二恒定電流將 LED驅動為正向偏置，可以在第一時間期間測量LED兩端的工作偏置，并且可以依據正向偏置和工作偏置來確定LED溫度。此外，可以通過將正向偏置的平均值和工作偏置的平均值與查找表中的預定值相比較，來確定LED溫度。因此，LED自身能夠用作溫度傳感器，這使得與要求單獨的溫度傳感器的情況相比，節約了成本。在另一實施例中，至少一個特性包括LED波長。具體地，可以通過在第二時間期間測量LED的CV響應來確定LED波長。此外，可以從CV響應導出相位，并且通過相位確定 LED波長。因此可以在不需要單獨的波長傳感器的情況下，確定波長或者波長的度量。在另一實施例中，至少一個特性包括輸出通量。因此，根據本發明的實施例，可以在不需要單獨的光電二極管或其他傳感器的情況下，確定輸出通量。可以通過在第二時間期間測量LED的CV響應來確定輸出通量，在實施例中，這可以通過測量被繪制為電容-電壓曲線圖的CV響應中負最大值的尖銳處來實現。顯而易見的是，在實施例中，可以確定通量、溫度和波長中的至少兩項，或者可以確定通量、溫度和波長的任何組合。此外，本發明不限制于這些特性；可以在中斷期間確定的其他有用特性對技術人員來說將是顯而易見的。根據本發明的另一方面，提供了一種用于LED的控制器，配置所述控制器以便利用根據任意所述方法來工作。根據本發明的另一方面，提供了一種用于多色LED陣列的控制器，配置所述控制器以便利用根據任意所述方法來工作。參考下文所述的實施例對本發明的這些和其他方面進行說明，本發明的這些和其他方面是顯而易見的。


參考附圖僅作為示例對本發明的實施例進行描述。在附圖中圖1示出了針對傳統PWM控制LED的驅動電流；圖2示出了根據本發明實施例所布置的驅動電路示意圖；圖3示出了根據本發明實施例的針對DC控制LED的驅動電流，所述驅動電流包括中斷；圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)針對根據本發明實施例來操作的LED，分別示出了工作電流帶處的正向偏壓測量、這種測量的直方圖、以及低正向電壓的溫度依賴性，其中所述工作電流帶負載電流；圖5針對根據本發明實施例來驅動的LED，示出了正向低電壓的溫度依賴性的實驗測量；圖6所示的能帶圖示出了在LED中可用的誤差躍遷(transition)；圖7示出了針對具有兩個相異柵極氧化物的相似MOS晶體管的演示CV曲線圖8示出了與圖7所示的CV曲線圖相對應的相位角曲線圖與電壓的關系；圖9示出了用于數個藍色LED的對應相位角曲線圖；以及圖10示出了針對一組藍色LED的相位角與峰值波長之間的相關性。應注意的是，附圖是演示性的而非按比例繪制。在附圖中，為了清晰和方便的目的，已經對這些圖的相關尺寸和比例進行了尺寸上的擴大或減小。在修改的實施例或不同實施例中，相同的參考標記通常用于表示對應或相似的特征。
具體實施例方式圖1示出了針對傳統PWM控制器的LED驅動電流信號。在開啟狀態，控制向LED (如果控制是控制多個LED的，則是LED串)提供電流I。。調制的時間段T是恒定的。控制在時間段Ton是開啟的，在時間段Toff是關閉的。忽略LED自熱效應，LED光通量輸出與電流的積分相對應，也就是與位于周期的Ton部分下的面積1相對應。為了增加KED的光通量，占空比是變化的；也就是說，Ton Toff之比增加。圖表的右側顯示了該種情況，其中 Ton' > Ton, Toff' < Toff,因此，相對于與面積1相對應的通量，與面積2相對應的通量增加，但時間段T保持恒定。相反地，圖3示出了根據本發明實施例用于驅動LED的DC調制電流的示例。該圖示出了驅動電流(I)隨時間(t)的變化。用于控制的時間段是常數T，時間段分為兩部分在時間段的第一部分期間，將電流施加給LED ；在時間段的第二部分期間(由Tm表示)， 電流中斷。換言之，中斷以固定的頻率發生，并且具有固定的持續時間，這與PWM控制系統不同，在PWM控制系統中，中斷具有變化的持續時間，持續時間取決于占空比。中斷可以非常短，對于以IkHz頻率工作的控制來說，中斷典型地持續少于10 μ s，因此時間時間段T 為1ms，從而不會顯著減小系統的最大輸出。同樣，驅動器可以工作在更低的頻率上，比如 100Hz，并且具有的中斷是100 μ s數量級，或者比100 μ s短。在示例中，驅動器的占空比都恒定地維持為99%。然而，這不是限制值，如果要求中斷更長，可以接受諸如95%的更低占空比，以便適當地確定LED的特性，以下將更詳細地對此進行討論。圖2中示出了被配置成根據本發明的實施例來進行工作的LED的控制器。LED或 LED串201與LED驅動器202串聯。將LED驅動器202布置為電流源。LED驅動器202能夠提供恒定電流，典型地提供IOmA至50mA數量級的恒定電流。LED驅動器202還能夠與低正向偏壓相對應地為LED提供恒定電流第二恒定電流典型地使用1 μ A至50 μ A的范圍， 并且在中斷期間被提供給DC電流輸出，如上文中參考圖3所述。典型地，將DC電壓V+提供給驅動器。利用控制器203來控制LED驅動器202。控制器203感測LED210兩端的電壓降。可以由Kelvin探針204執行所述感測。(Kelvin探針幾乎不承載電流，因此對歐姆損耗不明顯)。除了提供低電平正向電流外，驅動器202還適于在低電平正向電流之外提供高頻率AC信號，以便利于CV測量，以下將更詳細地討論CV測量。驅動器提供的電流是直流，其在任意單個時間段內恒定(除非如上述受到中斷的影響)。然而，可以調制DC電流；在后續時間段期間，電流I'可以比電流I高。圖3示出了三個這種時間段，在三個連續時間段期間，它們具有增加的電流I、Γ prime和1〃。在施加DC電流的時間期間內，每個時間段的光線通量輸出隨驅動電流的積分而增加，驅動電流的積分分別與曲線下方的面積Φ、面積Φ'和面積Φ"相對應。換句話說，來自LED的光通量將從Φ增加至Φ'，再增加至Φ"。要注意的是，該控制方法與PWM控制不同，這是由于占空比保持固定并且相對較高。由于占空比非常接近于1，所以平均電流非常接近于瞬時電流。因此可以最大化LED的效率，這是由于，典型地針對較低驅動電流，LED具有較
高的效率。通過在時間Tm期間向驅動器電流提供中斷，使得允許在LED處于休止 (quiescent)狀態時，在LED上直接進行測量。如將在下文中更詳細地描述的，對于一些測量，以低正向偏置驅動LED是有用的。由于低正向偏置典型地引起數量級比驅動器電流的數量級低100倍或者甚至1000倍的正向電流，這在圖3中沒有示出。在驅動電流中斷的同時，LED可以作為傳感器工作。使用LED自身作為傳感器具有數個優點。首先并且最明顯地，避免了對額外、單獨的傳感器的需求。其次，節省成本并節省空間，并且減小電路復雜性，這是因為，例如可以集成驅動器IC。第三，使用LED自身來測量LED結點溫度尤其方便，因為精確地在LED處確定溫度，而不是僅在一些其他位置上確定溫度，如使用單獨的溫度傳感器的情況。現在將參考圖4來描述確定LED結點溫度的新穎方法，該方法在控制器提供DC電流的同時，利用在中斷期間做出電壓測量來確定LED結點溫度。圖4(a)中示出了當LED由 DC電流(Vfhigh)驅動以及當LED在中斷期間處于正向偏壓(Vflmt)時，LED兩端的正向偏壓的測量。χ軸表示時間，該圖明顯不是按比例繪制的。通過在時間上對測量求平均，可以產生當由DC電流驅動以及當在中斷期間被偏置時，二極管兩端的電壓的直方圖。圖4(b)示出了這種情況。直方圖具有兩個峰值，分別與正常工作期間的正向偏置以及中斷期間的低電流所導致的正向偏置(或正向電壓)相對應；因此可以對除去由熱噪聲等引起的峰值的測量進行求平均。如圖4(c)所示，與特定電流相對應的正向偏置隨溫度而相反地變化。對于任何特定二極管類型，可以預先確定該變化的性質，并可以將該變化的性質存儲在例如查找表中。 因此通過測量值或者平均值，可以確定LED結點的溫度，其中，可以利用所示的直方圖，或者技術人員所知的任何其他傳統方法來確定測量值或平均值。圖5示出了實驗結果，實驗結果顯示正向偏置隨溫度的變化。電流在工作電流電平511與10 μ A的低電流電平512之間循環，并具有500Hz的頻率。在圖中，針對樣本LED， 相對于工作電流(Iop)繪制在多個溫度處處于低電流中的正向電壓Vf-low。橫坐標上的工作電流的范圍從0至70mA。示出的正向電壓縱坐標在1.32V與1.5V之間。繪圖501至繪圖512所示的數據分別與以5°C為間距，從25°C至80°C范圍變化的管芯(die)溫度相對應。顯而易見的是，低電流處的正向電壓Vf-Iow實質上與工作電流相獨立。在沒有將驅動電流提供給LED時，在中斷期間可以確定的LED的另一特性是產生光的波長。現在將描述確定產生光的波長的一個示例方法。通常作為雙異類結構或多量子阱結構來制造(fabricate)LED，其中，晶格失配始終出現在不同層與基板之間。由于這種失配，結構中出現缺陷，這導致界面狀態的出現。 由于永遠也不能完全控制雙異類結構的制造過程，來自同一批次的LED的界面陷阱將具有輕微不同的密度，并因此具有輕微不同的波長。除此之外，合金(針對藍色和綠色LED AlInGaN和紅色LED AlInGaP結構)中銦的簇導致不同尺寸的量子點的形成，以及GaN或 GaP層與這些銦量子點之間的界面上的界面狀態。
圖6在能帶圖中示出了可以發生在導帶61與價帶62之間的多種躍遷。一個躍遷 604是電子64從價帶62到導帶61的直接激發。靠近導帶的淺陷阱601能夠提供向價帶返回的二級躍遷在從導帶到陷阱的第一躍遷602之后是從陷阱601回到價帶的非輻射躍遷 605。備選地，可以將電子從陷阱601激發回導帶61。此外，發光中心610可以位于靠近價帶62的位置。電子可以通過607從價帶激發至發光中心，然后經由躍遷608返回。最后， 并且對于LED的工作來說最重要的是，可以存在從導帶61和淺陷阱601到發光中心610的輻射躍遷609和606。上述界面狀態可以產生更多淺陷阱狀態；因此，可以存在更多非輻射躍遷。相反地，量子點可以產生更多淺輻射狀態，淺輻射狀態可以導致更多輻射躍遷。電容-電壓(CV)測量是針對例如CMOS器件做出的常規測量(以便確定柵極氧化物或p-n結的厚度和品質)。圖7演示地示出了針對MOS晶體管中的兩個不同氧化物柵極上所做的兩個CV測量71和72。兩個曲線的最小值之間的差異是由于存在界面狀態導致的差異。由于界面狀態導致非輻射躍遷，所以界面密度的增加導致輻射躍遷的相對減小，這與發光通量的類似減小相對應。因此，CV曲線的形狀，尤其是CV響應中負峰的尖銳處，起到LED的發光通量的度量(measure)的作用。類似地，圖82針對圖7中所述的相同器件， 示出了相位(Φ)電壓(V)關系。此外，兩個曲線81與82之間的差異與界面陷阱密度的差異相對應，或者，對于直接帶隙潛在輻射器件來說，兩個曲線81與82之間的差異與發光中心的密度的差異相對應。通過直接測量LED上電容和電壓，可以將曲線底部處的電容值的差異與出現在結界面上的界面狀態相關聯，對于LED，與波長相關。此外，該差異可以給出發光中心的密度的信息，并且因此給出LED的發光通量的信息。圖9示出了針對五個LED的實驗相位電壓曲線圖。與圖8類似，相對于電壓V繪制相位Φ。曲線圖91至曲線圖95示出了五個不同的藍色LED的響應。在每種情況中，在 IMHz處做出測量。圖10示出了藍色LED組的峰值波長λ與低電壓相位Φ之間的相關性。縱坐標示出了從46611111至47111111的范圍的波長，橫坐標具有從90.02°至91. 2°的范圍的相位。 在每種情況中，在30毫安的正向電流處測量峰值波長，在IMHz處測量CV曲線。與每個相應LED相對應的點1000清楚地示出了相關性，通過所述相關性所獲得的趨勢繪制在線1001 上。如已經簡要提到的，CV曲線圖也可以用于確定LED中發光中心的密度。由于這直接與觀測來自LED的發光通量相關，可以使用三種測量來確定發光通量的量利用CV測量， 可以確定或定量界面狀態的密度，界面狀態的密度與淺陷阱狀態的密度相關聯。利用該測量，并且與第一校準測量相比較，淺陷阱狀態的變化表示了非輻射躍遷的變化，并且因此表示引起發光通量的輻射躍遷的相反變化。因此，電容對電壓的曲線圖中負最大值的尖銳處可以用于提供LED的發光通量的確定，在中斷時間期間，通過已知的CV測量技術來測量所述電容對電壓的曲線圖中負最大值的尖銳處，所述中斷時間也可以稱作中斷時間段或中斷間隔，或者中斷持續時間。通過閱讀本公開，其他變體或修改對技術人員來說將是顯而易見的。這種變體和變化可以包括相同或其他的特征，所述相同或其他的特征在LED驅動器領域中是已知的， 并且可以用于代替在此已經描述的特征，或者作為在此已經描述的特征的補充。
盡管所附權利要求是針對特征的具體組合，但應該理解的是，不論其是否涉及如任意權利要求中在此所聲明的相同發明，也不論其是否如本發明一樣解決了任何或所有相同的技術問題，本發明的公開范圍也包括在此明確地或含蓄地公開的任何新穎特征或特征的任何新穎組合，或者它們的任何概括。也可以將分別的實施例的上下文中所述的特征作為組合來提供在單個實施例中。 相反地，為簡潔起見，也可以將單個實施例的上下文中所述的不同特征分開地或者以任何適當的子組合的形式來提供。申請人:在此聲明，在本申請的執行期間，或者在得自于本申請的任何其他申請的執行期間，這種特征和/或這種特征的組合可以構成新的權利要求。為了完整性的目的，也作出如下聲明，動詞“包括”的使用并不排除存在除了在權利要求中所列元件或步驟以外的其他元件或步驟，對元件的單數引用并不排除對元件的復數引用，單個處理器或其他單元可以執行權利要求中所列的若干裝置的功能，并且不應將權利要求中的參考標記理解為限制權利要求的范圍。
權利要求
1.一種控制LED的方法，包括在第一時間內，使用DC電流驅動LED ；在第二時間內中斷DC電流，使得第一時間與第二時間之和為一個時間段； 測量第二時間期間LED的CV響應；確定在DC電流中斷時LED的輸出通量和波長中的至少一個；以及在后續時間段期間取決于LED的相應輸出通量或波長來控制DC電流。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，第一時間和第二時間中的每一個是恒定的。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，第一時間與第二時間之比至少是99。
4.根據權利要求2或權利要求3所述的方法，其中，在DC電流中斷時，將LED驅動為正向偏置。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，正向偏置導致正向電流，所述正向電流小于 100 μ Ao
6.根據權利要求4所述的方法，其中，正向偏壓導致正向電流，所述正向電流小于 10 μ Ao
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，從CV響應中導出相位，并且通過相位確定LED波長。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，根據被繪制為電容-電壓曲線圖的 CV響應中負最大值的尖銳處，來確定輸出通量。
9.一種用于LED的控制器，所述控制器被配置為根據前述任一項權利要求所述的方法 來工作。
10.一種用于多色LED陣列的控制器，所述控制器被配置為根據權利要求1至8中任一項所述的方法來工作。
全文摘要
公開了一種控制LED的方法，所述方法包括在第一時間內使用DC電流驅動LED；在第二時間內中斷DC電流使得第一時間與第二時間之和為一個時間段，確定在中斷DC電流時LED的至少一個特性；以及在后續時間段期間取決于至少一個特性對DC電流進行控制。因此本發明的有利之處在于DC操作的簡單性。通過在DC模式中而不是例如PWM模式中操作LED，避免了能夠調節占空比所需的要求。通過在DC電流中包括中斷，可以使用LED自身作為傳感器以確定LED的特性。因此避免了對額外傳感器的需求。
文檔編號H05B33/08GK102356696SQ201080012235
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月25日 優先權日2009年3月20日
發明者G-J·科林, 伯努特·巴泰婁, 吉安·霍赫扎德, 帕斯卡爾·貝思肯, 彼得·胡貝圖斯·弗朗西斯科·德蘭博格, 拉杜·蘇爾代亞努, 霍安 菲特·恩古耶恩 申請人:Nxp股份有限公司