多单元LED装置、相关单元和制造方法

技术领域

本发明涉及用于驱动发光二极管(LED)的装置。

本发明的研发特别关注于其在包括多个LED单元的装置中的可能 应用。

背景技术

除了用作显示单元，发光二极管(LED)作为照明源变得越来越普 遍。这主要适用于所谓的高通量(high-flux)或高亮度LED。典型地， 这些LED被布置在单元中，每个单元包括一个或多个以并行/串行布局 耦合的LED。

多个各自包括一个或多个具有给定发射波长和亮度(即各自的“颜 ”)的LED的单元的组合产生组合光辐射，该组合光辐射的特性(光 谱、强度等)可以通过适当控制每个单元的贡献来选择性地调节。例 如，三个单元各自包括在三系统(例如RGB)的基本之一的波长处 发射的一组二极管，该三个单元产生白光和/或具有可选择性变化的颜 的辐射。这样的装置一般可以包括适于产生不同“温度”的白光的 所谓的可调白光系统。实际上，类似的装置可以包含各自包括一个或 多个基本上相同颜的LED的单元，并且产生光源，该光源的强度可 以选择性地被调节以满足特定照明要求(例如在给定空间、显示区域 等的不同区域中提供不同的照明水平)。

适于驱动与单个恒定电流源相关的多个这样的单元地装置在本领 域中是已知的，例如以WO-A-2004/100612或DE-A-101 03 611为证。 荷兰公司eldoLED提出了基本类似的装置作为“Quatro-350-D”。

基本上，在这些现有技术装置中，每个单元具有相关的开关(典 型地是电子开关)，该开关适于用作可选择性激活的到该单元的短路 路径。当该开关被激活(即该开关被“闭合”)时，相关的单元中的 一个或多个LED被短路并且该单元不生成辐射。相反，当该开关被去 激活(即该开关被“打开”)时，相关的单元中的一个或多个LED被 通电并且该单元生成辐射。所述装置包括被配置用于(典型地依照脉 冲宽度调制(PWM)控制法则)控制开关的操作的控制器。这样的装置 允许选择性地并且自动地调节每个单元对所产生的总光通量的贡献。 另外，通过凭借这样的装置，从来不完全关闭电源，而只是通过不同 路径来驱动电源，从而保证光源的全范围可调光性。

发明内容

尽管前面所考虑的现有技术装置能够提供令人满意的操作，但是 它们仍然不能提供当前影响前面所论述的LED装置的多个问题的解决 方案。

第一个问题与所谓的“LED分级(binning)”有关。

尽管在不断发展，现在的LED制造技术仍然不能大规模制造具有 在期望的容差范围内的亮度和发射波长特性的LED。换句话说，来自相 同制造方法的理论上相同的LED实际上在亮度(即针对相同输入电功 率所发射的光功率)和发射波长(即所发射的光的光谱特性)方面展 现出显著的差异。高通量或高亮度LED尤其易遭受到这样的制造漂移。

为了对抗发射特性的这些不期望的变化的可能负面影响，对LED 单独地进行测试和分类，以便随后成批交付给用户，其中每一批次包 括发射波长和亮度位于一定的容差范围内的LED。该方法当前被称为 “分级”(因为被分类为属于给定批次的LED理论上被置于相同“箱 子(bin)”中)。

在说明书的引言部分中所讨论的多单元装置中，该装置中的每个 单元中的LED组的发射特性指示用于驱动该单元的特定标准：基本上， 这些标准相当于定义被重新布线的相关的开关的“开”和“关”间隔， 以便产生在强度和所得到的发射光谱方面具有期望特性的总光通量。

通过保证所有LED都属于给定分级类别或种类来选择用于制造多 单元的LED将代表很大程度上不切实际(并且成本无效)的解决方案。 如果考虑低成本光源的大规模生产，则这尤其适用。这样的光源的制 造商必须能够使用供应给他们的LED，而无需过多注意LED的分级类别 并且可能无需丢弃属于某些分级类别的LED和/或调节制造方法(例如 通过应用不同的制造计划或方案，以便采用供应给他们的所有不同分 级类别的LED)。

除了前述的基本问题，现有技术装置还不能提供多个附加问题的 可行解决方案，即：

-检测与该装置中的单元相关的开关的正确操作，

-检测该装置中的任何单元的正确操作，和

-检测该单元的温度/老化/功率消耗。

因而，本发明的目的是提供前述问题的完全令人满意的解决方案。

依照本发明，所述目的通过具有随后的权利要求中所述的特征的 驱动器装置来实现。本发明还涉及用于这样的装置中的LED以及与这 样的装置的使用相关的方法。

权利要求是这里提供的本发明的公开内容的组成部分。

因此，本发明的优选实施例是包括以下部分的装置：

-多个单元，每个单元包括至少一个相应的LED，该LED具有作为 其发射波长和亮度特性的函数的分级类别，

-多个分别与所述单元耦合的阻抗元件，每个所述阻抗元件具有指 示相应的单元中所包含的所述至少一个LED的分级类别的阻抗值，和

-控制器，被配置用于感测所述阻抗元件的阻抗值并且按照与每个 所述单元耦合的阻抗元件所指示的其分级类别来自适应地驱动每个所 述单元。

因此，本发明的单元的优选实施例是包括以下部分的LED单元：

-至少一个相应的LED，该LED具有作为其发射波长和亮度特性的 函数的分级类别，和

-与所述单元耦合的阻抗元件，所述阻抗元件具有指示所述至少一 个LED的分级类别的阻抗值。

最后，本发明的方法的优选实施例是制造用于多单元LED装置的 LED单元的方法，其中所述单元包括至少一个相应的LED，该LED具有 作为其发射波长和亮度特性的函数的分级类别，该方法包括使阻抗元 件分别与所述单元耦合的步骤，每个所述阻抗元件(R0，R1，R2，R3) 具有指示相应的单元中所包括的所述至少一个LED的分级类别的阻抗 值。

基本上，这里所述的装置完全利用选择性地适配于每个单元中所 包含的光源的“分级”特性的可能变化的能力(现有技术驱动器装置 中已经包括)。特别地，这里所述的装置提供使驱动器控制器“知道” 或“学习”每个单元中所包含的一个或多个LED的分级特性(发射波 长和亮度)的简单而有效的方式。

除了提供与“分级”相关的问题的完全令人满意的解决方案之外， 这里所述的装置还检测该装置中的任何单元和与该单元相关的开关的 操作，同时还允许检测与LED温度/老化/功率消耗有关的参数。

附图说明

现在将参考附图仅仅借助例子来描述本发明。该图是这里所描述 的LED驱动器装置的框图。

具体实施方式

在所述附图中的框图中，附图标记0、1、2、3标明多单元照明装 置中所包含的四个LED单元。单元0、1、2、3中的每一个都包含具有 确定的光发射特性的一组LED(也就是说一个或多个LED)。

例如，单元0、1和2中所包含的LED具有与三原(即三)系 统的三个基本或原对应的波长发射特性，所述三原系统诸如是 RGB系统。RGB是红-绿-蓝的众所周知的首字母缩写词，并且表示基于 加性原的颜模型。这样的系统被充分确定为多个技术领域、诸如 电视、计算机显示器、照相机、摄像机、摄像放像机等中的标准。用3 标明的第四个单元可以包括重复这些原之一(例如“G”组分，从而 产生所谓的RGBG系统)或生成“白”光的一个或多个LED。

尽管这里例示了四个单元0-3，但本领域的技术人员将理解所讨论 的单元实际上可以是任何数目(因而在附图中示出四个单元的可能存 在只是纯粹示范性的)。

每个单元0-3可以包括以实线示出的单个LED、或多个LED，其中 以虚线表示两个或更多LED的可能存在。另外，将假定(再次为了举 例说明的目的，这样的特征决不限制本发明的范围)每个单元0、1、2、 3中所包含的一个或多个LED属于各自的、不同的“分级”类别或种类。

例如，通过假定这样的类别或种类在不同亮度值和不同(中心) 发射波长值的基础上被定义，即使预期发射相同“颜”的两个单元 (例如，如果联系附图假定RGBG系统，则单元1和3都预期发射“绿” 光)也可能实际上属于不同的分级类别，因为它们具有不同的亮度特 性和/或因为它们展示出不同的光谱特性(例如，大体上发射“绿”光， 但是在彼此略微间隔开的中心波长附近)。

例如，假定在两个不同亮度值B1和B2以及两个发射波长L1和L2的 基础上执行“分级”，那么对于这些理论上相同的单元来说可能有四 个不同的分级类别，即：

-B1L1＝类别I

-B1L2＝类别II

-B2L1＝类别III

-B2L2＝类别IV

很显然，刚刚联系预期发射相同颜的两个单元所描述的内容也 更加适用于预期发射不同颜的两个单元或预期发射“白”光的两个 或更多个单元。

附图标记4标明恒流源，为了对单元0-3的LED馈电而(通过未 示出的已知装置)向该恒流源馈送电功率。

附图标记5标明与电流源4合作驱动四个开关(典型地是电子开 关、诸如MOSFET)S0、S1、S2、S3的控制器，开关S0、S1、S2、S3 各自控制链中的单元0、1、2、3中的相应一个的通电。当电流源4向 包括单元0-3的整个LED模块提供功率时，控制器5例如依照PWM控 制法则(通过控制开关S0、S1、S2、S3)选择性地使电流偏离LED。 每个开关S0、S1、S2和S3被控制以用作可选择性激活的到单元的短 路路径。当开关被激活(即开关被“闭合”)时，相关的单元中的一 个或多个LED被短路并且该单元不生成辐射。相反，当开关被去激活 (即开关被“打开”)时，该相关的单元中的一个或多个LED被通电 并且该单元生成辐射。这样，电流源4从不关闭，并且由此在输出线7 上生成的电流根据开关S0、S1、S2、S3在控制器5的控制下所采取的 开-关转换布局通过不同路径被简单地驱动。以此方式保证了组合源的 全范围可调光性(0.3-100％)

(如至今为止所述的)图1中所示的装置的操作对应于本说明书 的引言部分中所讨论的现有技术，因此这里不必提供更详细的描述。

附图标记R0、R1、R2、R3示范与每个单元0、1、2、3耦合以便 提供各自具有相关的阻抗(例如电阻)值的电压和/或电流感测装置的 阻抗(典型地是电阻、即电阻器的形式)。选择性地确定该值以便表 示一种指示相关的单元中所包含的一个或多个LED的分级类别的“标 签”或“签名”。

例如，通过假定(这又只是例子)附图中所示的四个单元0、1、2 和3中的一个或多个LED属于四个不同的分级类别，电阻器R0、R1、 R2、R3将具有四个不同的电阻值。典型地，这样的电阻值在0到2.2 欧姆的范围内，所以电阻器上的电压降不影响LED行为，同时避免产 生任何可感知的功率损耗。应理解提到在以0欧姆为下界的范围内的 电阻值是为了强调所讨论的一个或多个电阻器实际上可以具有0值； 因此，即使在附图中在理论上示出，这些电阻器实际上也只是用导线、 即0欧姆电阻的电阻器来表示。在任何情况下，这样的零值“电阻器” 将表示能够容易地与任何非零值区分开的电阻(即阻抗)值：如在下 文中更详细所述的，这里所述的装置的操作依赖于区分阻抗R0、R1、 R2和R3的不同值的可能性，而不是依赖于这些阻抗的绝对值。

在这里所示的目前优选的实施例中，电阻器R0、R1、R2和R3与 相关的开关S0、S1、S2、S3简单地串联连接。因而，当相关的开关S0、 S1、S2、S3被关闭时每个电阻器将变得导电(因而使馈电电流偏离相 关的LED单元)，并且当相关的开关被打开时每个电阻器被断电(而 相关的单元中的相应的一个或多个LED被通电/被激活)。

附图标记80-83标明到达模数转换器6的多个感测线，以便提供 每个单元0、1、2、3(或，相同地，当相应的开关被关闭时相关的电 阻器R0、R1、R2和R3)上的电压感测动作。

附图中所示的驱动器(块4、5和6)和LED模块(单元0、1、2 和3)装置的操作典型地包括当该装置被(首次)激活时的自调节阶段。

在这样的自调节阶段中，控制器5相继地关闭开关S0、S1、S2、 S3。每个单元上的电压经由A/D转换器6被传送给控制器5。因而控制 器5能够“感测”电阻器R0、R1、R2、R3上的电压降。

以此方式，控制器5能够“读取”这些电阻器的值，该值如所述 的那样表示一种标识相应单元中的一个或多个LED的分级类别的“标 签”或“签名”。

因而控制器5能够“学习”各单元0-3的分级类别，并且可以通 过使开关S0、S1、S2和S3的驱动动作(即依照PWM驱动法则选择性 地将这些开关“打开”或“关闭”，以便实现期望的操作，即选择性 调光、改变所发射的总辐射的颜、可调白操作等等)适配于该LED 模块中的每个单元的“分级类别”来开始其(已知类型的)电流控制 例程。

例如，可以再次参考在上文中所列举的两个理论上相同的单元可 能基于两个不同亮度值B1和B2以及两个发射波长L1和L2被分配四个分 级类别I到IV的例子。所有其它参数相同，如果例如B1＞B2，那么“类 别I”单元或“类别II”单元(具有较高的亮度值，即B1)与“类别 III”单元或“类别IV”单元相比将分别在更短的间隔内被驱动为“开”， 因为这些“类别III”单元或“类别IV”单元具有较低的亮度值，即 B2。

同时，控制器5可以依赖于在线路80-83上所获得的如经由A/D 转换器6所中继的感测信号来执行多个附加的感测/检测功能，即：

-检测开关S0、S1、S2和S3的正确操作，以便检测例如由于在需 要时任何这样的开关未能打开或关闭而引起的故障，

-检测每个LED单元的正确操作(再次可能通过检测在相关的开关 打开时不希望的开路状态，以及预期流过该单元的电流实际上没有流 过该单元，或者在开关被关闭时LED单元的不希望的短路状态并且因 为电流通过该单元被短路而没有电流流过电阻器)，以及

-测量每个单元0、1、2和3上的电压，因而能够监视超过设计安 排的温度变化(例如，不希望的过热)、老化现象或功率消耗。

本领域技术人员将迅速理解诸如电阻器R0、R1、R2、R3的电阻器 是广泛的可能替代物的选项中的仅仅一种选择的示范。例如，在LED 模块的交流驱动(代替如这里所述的直流驱动)的情况下，具有不同 电感值的感应器可以被用于“标记”或“签署”单元中的各LED的分 级类别。类似地，具有不同电容值的电容器可以表示实现这里所述的 装置的另一种形式。

提供前述的阻抗感测功能的电阻器R0、R1、R2、R3的实际电路实 现可以包括借助分立元件和替代装置，诸如薄膜、厚膜或IC技术。

在特别优选的实施例中，当为了分级目的而测试单元LED时，电 阻器/阻抗R0、R1、R2和R3(无论存在的电阻器的数目可能是多少) 可以以单个电阻器(或者更一般地阻抗)的形式来提供，该单个电阻 器生成的布局/配置随后在与给定单元相关时或者甚至在制造方法中 在上游被“微调”为意义明确的阻抗值。这样的单个阻抗生成的布局/ 配置的示范是可能在支承相关单元的相同板上提供的带状电阻器(例 如微带电阻器)；该带的长度(并且因而其阻抗值)随后可以例如通 过切削该带的长度来调节，以便获得表示相关单元的分级类别的期望 “签名”的所得到的阻抗值。

最后，本领域技术人员将理解，这里诸如“光”、“照明”等措 词依照在LED技术领域中的当前用途来使用，并且因而除了可见光之 外包含例如紫外线(UV)和红外线(IR)范围的波长范围内的电磁辐 射。

当然，在不影响本发明的基本原理的情况下，细节和实施例可以 相对于前面仅仅借助例子所述的内容被改变、甚至被显著改变，而不 会偏离如所附的权利要求所定义的本发明的范围。