專利名稱：用于發(fā)光二極管光學(xué)引擎的智能驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)光二極管(LED )光學(xué)引擎(light engine) 的控制裝置，尤其涉及能夠有效地控制被提供給LED光學(xué)引擎的驅(qū)動 電流的控制裝置。
背景技術(shù)：
這種包含LED以將其作為光源的光學(xué)引擎是所熟知的。與工作 在給定光輸出的白熾燈相比，被用作光源的LED會隨時間老化，然后 在某個特定時間熄滅并完全停止工作。對LED輸出的光的長期降級進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方式是在最初的時 候，以比期望的光輸出所需要的驅(qū)動電流高的多的驅(qū)動電流來驅(qū)動 LED。例如，最初的時候可以以例如，比期望的光輸出所需要的驅(qū)動 電流高30%的驅(qū)動電流驅(qū)動LED。這樣，當(dāng)LED慢慢地隨時間老化 時，從LED中輸出的光將會減少，但是光輸出可能減少30%并仍然 輸出期望的光量。例如在這種情況下，如果LED在5年中老化到輸出 的光減少30%的程度，則通過在最初的時候以比需要的驅(qū)動電流高30 %的驅(qū)動電流驅(qū)動LED而使LED具有高出30 %的光輸出，這樣LED 將會在其光輸出下降到期望水平之前，正常地工作5年的時間。而且，在采用這種背景技術(shù)的系統(tǒng)中，當(dāng)LED最終的光輸出低 于期望的光輸出時，即在該例子中當(dāng)光輸出降級超過30%時，并沒有 提供這種明確的指示，即LED輸出的光顯著地減少或降低到確定閾值 以下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的申請人知道釆用這種背景技術(shù)來驅(qū)動LED具有嚴(yán)重的 缺點，這是因為這種方法要求比正常需要更有力地驅(qū)動LED，并且消 耗比提供期望的光輸出所需要的多得多的能量。即，當(dāng)在最初的時候 以比實現(xiàn)希望的光輸出所需要的驅(qū)動電流高30%的驅(qū)動電流驅(qū)動 LED時，LED消耗的能量將會比需要能量多得多。由于使用LED的 一個優(yōu)點在于LED與白熾燈泡相比能效更高，因此以比期望的光輸出 所需要的能量更多的能量驅(qū)動LED就減少了使用LED的一個優(yōu)勢。 而且，以更多的能量驅(qū)動LED也加速了 LED的老化并縮短了 LED 的使用壽命，從而又減少了使用LED的另一個優(yōu)勢。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于驅(qū)動LED光學(xué)引擎的 新的裝置和方法，所述裝置和方法能夠解決和減少上述背景技術(shù)中的 缺點。本發(fā)明的一個更加具體的目的是提供一種用于驅(qū)動LED光學(xué)引 擎的新的控制裝置，由于不是在最初的時候以比期望的光輸出所需要 的驅(qū)動電流更高的驅(qū)動電流驅(qū)動LED,因此所述控制裝置能效更高并 且能夠使LED具有更長的使用壽命。本發(fā)明的新的控制裝置智能地改 變提供給LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流，以驅(qū)動LED在其整個使用壽命 中都輸出不變的期望的光輸出。另外，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于當(dāng)LED的光輸出 降級到某種程度以下時提供指示的新的系統(tǒng)和方法。


參考下面的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖進(jìn)行考慮，就會更好地理解本發(fā) 明及其隨附的許多優(yōu)點，也就易于得到對本發(fā)明及其隨附的許多優(yōu)點 的更加全面的理解，其中圖l表示本發(fā)明的控制系統(tǒng)的概括圖；圖2表示在本發(fā)明的圖1的控制系統(tǒng)中執(zhí)行的控制操作；圖3表示在本發(fā)明的圖1的控制系統(tǒng)中執(zhí)行的其它控制操作；圖4表示在本發(fā)明的圖1的控制系統(tǒng)中執(zhí)行的另一個控制操作；
以及圖5A和5B表示在本發(fā)明的圖1的控制系統(tǒng)中執(zhí)行的又一個控 制操作。
具體實施方式
現(xiàn)在參照附圖所示，其中在整個附圖中相同的參考標(biāo)記表示相同 或相應(yīng)的部件，更具體地參照其中的圖l所示，表示用于驅(qū)動LED光 學(xué)引擎5的控制系統(tǒng)的概括圖，其中所述LED光學(xué)引擎5包含用于進(jìn) 行照明的多個LED或者至少一個LED。在圖1中，溫度傳感器7檢測LED光學(xué)引擎5處的溫度，并根 據(jù)檢測到的溫度輸出檢測的溫度信號T(s)。電流波形傳感器8檢測 LED光學(xué)引擎5的驅(qū)動電流，并輸出相應(yīng)的檢測的電流波形信號I(s)。 電壓差分傳感器9檢測LED光學(xué)引擎5的LED兩端的電壓差分，并 輸出相應(yīng)的電壓差分信號V(s)?？刂破?驅(qū)動器IO接收檢測的溫度信號T(s)、檢測的電流波形信 號I(s),以及檢測的電壓差分信號V(s)?？刂破?驅(qū)動器IO還包括監(jiān)視 LED光學(xué)引擎5的工作時間的計時器11。即，當(dāng)LED光學(xué)引擎最初 開始工作時，計時器ll開始時間計數(shù)，并繼續(xù)對LED光學(xué)引擎工作 的時間進(jìn)行計數(shù)。控制器/驅(qū)動器10還輸出驅(qū)動信號D(s)，該驅(qū)動信 號D(s)對LED光學(xué)引擎5進(jìn)行驅(qū)動。控制器/驅(qū)動器10還連接到或包 括可選的指示控制裝置12，當(dāng)已經(jīng)計算出LED光學(xué)引擎5的光輸出 降級到某個特定值以下時，指示控制裝置12提供指示。圖2表示圖1的控制器/驅(qū)動器IO執(zhí)行的控制操作；即，圖2中 所示的操作模塊是由控制器/驅(qū)動器IO執(zhí)行的。參照圖2所示，在操作模塊21中，在時間上對檢測的LED電流 I(s)進(jìn)行積分，以輸出電流密度信號。該操作基本上計算了 LED光學(xué) 引擎5隨時間消耗的總的驅(qū)動電流。將LED電流I(s)、檢測的LED 上的電壓差分信號V(s),以及檢測的溫度信號T(s)提供給計算結(jié)溫 (junction temperature )的操作模塊24。
如上所述，電壓差分傳感器9檢測LED光學(xué)引擎5的LED兩端 的電壓差分。電壓差分傳感器9精確地測量電壓并將這種測量的電壓 提供給電壓差分傳感器9內(nèi)部的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器(未示出)。A/D 轉(zhuǎn)換器對電壓進(jìn)行測量并將數(shù)字轉(zhuǎn)換作為電壓差分信號V(s)發(fā)送到控 制器/驅(qū)動器10?？刂破?驅(qū)動器10重新測量LED光學(xué)引擎5的LED 兩端的LED電壓實際測量的讀數(shù)。在操作才莫塊24中，LED差分電壓V(s)與LED電流I(s)的乘積除 以LED的數(shù)量，得到在每個裝置中消耗的能量。每個裝置中消耗的能 量乘以結(jié)畫板熱阻(junction to board thermal resistance) ( 。C/W), 得到LED光學(xué)引擎5的LED板和LED結(jié)之間的溫度差。LED結(jié)是 發(fā)射光的半導(dǎo)體PN結(jié)。將溫度差加到板溫度上就得到LED結(jié)溫。該 LED結(jié)溫是操作模塊24的輸出。接著將電流密度和結(jié)溫輸入到操作模塊23中，操作模塊23根據(jù) LED制造商的數(shù)據(jù)利用LED老化計算執(zhí)行老化估計。LED制造商根據(jù)驅(qū)動電流、時間，以及結(jié)溫測量其制造的LED 的老化百分比。操作模塊23利用來自LED制造商的數(shù)據(jù)，根據(jù)電流 計算出的密度、計算的結(jié)溫，以及計時器ll監(jiān)視的LED光學(xué)引擎的 工作時間，來確定LED的老化。即，LED制造商根據(jù)下面三個參數(shù)提供相關(guān)的光輸出數(shù)據(jù)驅(qū) 動電流、結(jié)溫，以及工作小時。在本發(fā)明中，制造商采用的方法變?yōu)?數(shù)學(xué)等式，其根據(jù)老化參數(shù)說明了相對強(qiáng)度的變化。制造商還提供了 被比作驅(qū)動電流的相對強(qiáng)度的圖形。如下面進(jìn)一步的討論，本發(fā)明根 據(jù)歷史和當(dāng)前測量(操作模塊22和23)，計算在任何給定時間的老 化，接著相應(yīng)地將驅(qū)動信號D(s)補(bǔ)償?shù)絃ED光學(xué)引擎5上(操作模 塊30)，以根據(jù)制造商的驅(qū)動電流和相對強(qiáng)度的曲線保持光輸出。隨 時間記錄老化的速率，并且由于補(bǔ)償系數(shù)指數(shù)地增加，因為不斷增加 的驅(qū)動電流又增加了能量和結(jié)溫，因此將老化速率比作確定使用壽命 是否結(jié)束的闊值(操作模塊40)。此外，如果驅(qū)動電流不能增加的足 夠多以補(bǔ)償由于老化而產(chǎn)生的光損失，則由于電流與相對強(qiáng)度的對數(shù) 性質(zhì)，其也用信號通知使用壽命的結(jié)束(操作模塊41)。還將操作模塊24輸出的結(jié)溫提供給操作模塊25,在操作模塊25 中確定基于溫度的強(qiáng)度降級系數(shù)。制造商的來自LED的數(shù)據(jù)提供了關(guān) 于溫度的升高能夠降低LED光學(xué)引擎5的輸出光強(qiáng)度的程度的信息。 這種信息將是顏色特定的。即，已知當(dāng)LED的溫度升高時則輸出較少 的光。操作模塊25進(jìn)行計算以根據(jù)特定顏色的LED溫度，確定LED 光學(xué)引擎5的光輸出強(qiáng)度降級的程度。將來自操作模塊25的確定的基于溫度的強(qiáng)度降級系數(shù)提供給操 作模塊26。而且，同時也將來自操作模塊23的確定的LED老化提供 給操作模塊26。操作模塊26組合來自操作模塊25和23的依賴于溫度和電流密 度的強(qiáng)度降級，以確定LED的總體強(qiáng)度降級。操作模塊26然后輸出 表示LED的強(qiáng)度降級多少的電流補(bǔ)償系數(shù)，即，根據(jù)確定的總體LED 強(qiáng)度降級輸出電流補(bǔ)償系數(shù)。而且，在操作模塊23中根據(jù)LED制造數(shù)據(jù)輸出的LED老化計 算被提供給操作模塊22,操作模塊22利用歷史數(shù)據(jù)來辨別LED的老 化?？刂破?驅(qū)動器IO周期性地在存儲器中存儲計算的老化速率信息， 并且控制器/驅(qū)動器10根據(jù)該歷史數(shù)據(jù)計算老化速率的斜率。老化速 率的變化和老化速率本身指示LED光學(xué)引擎5的用效使用壽命何時結(jié) 束。即，操作模塊22輸出指示老化速率的斜率的信息，也就是，LED 光學(xué)引擎5輸出光的降級速率的信息。當(dāng)該速率變得非常高時，就可 以確定LED光學(xué)引擎5已經(jīng)失效了。這種計算也是根據(jù)LED光學(xué)引 擎5的制造商的數(shù)據(jù)執(zhí)行的。即，制造商的LED光學(xué)引擎5的數(shù)據(jù)將 表示老化斜率何時達(dá)到LED光學(xué)引擎5的用效使用壽命已經(jīng)結(jié)束的某 個特定值。操作模塊22計算并輸出LED光學(xué)引擎5的老化斜率。在圖3的操作中執(zhí)行控制驅(qū)動信號D(s)以驅(qū)動LED光學(xué)引擎的 操作。更具體地，在圖3中執(zhí)行操作模塊30以根據(jù)操作模塊26輸出 的電流補(bǔ)償系數(shù)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整驅(qū)動信號D(s)。例如，如果由于溫度的增 加和LED的老化，LED輸出的光降級了 10%,則電流補(bǔ)償系數(shù)可能
增加輸入到LED的驅(qū)動電流，從而驅(qū)動電流增加以彌補(bǔ)10%的降級 減少。由于上述的操作，控制器/驅(qū)動器10能夠進(jìn)行操作，從而LED 光學(xué)引擎5輸出不變的光量。當(dāng)LED光學(xué)引擎開始老化時，增加驅(qū)動 信號D(s)，從而更有力地驅(qū)動LED光學(xué)引擎5，并因此更有力地驅(qū)動 LED光學(xué)引擎5中的LED，從而保持LED光學(xué)引擎5輸出的光不變。 因此，進(jìn)行這種操作后，就不需要在最初的時候以比需要更高的驅(qū)動 電流驅(qū)動LED光學(xué)引擎5，來實現(xiàn)期望的光輸出了，相反地在本發(fā)明 中，通過按照需要隨時間和溫度變化增加驅(qū)動電流D(s),驅(qū)動LED 光學(xué)引擎5使其在整個有效的使用壽命中不變地輸出相同的光輸出。再次參照圖1，作為可選的特征，可以提供指示控制裝置12以為 LED單元的操作者提供LED單元已經(jīng)老化到期望水平以下的指示。 即，如上所述，LED隨時間和溫度的增加而發(fā)生老化。如果LED老 化地太多，則提供給LED光學(xué)引擎5的驅(qū)動信號D(s)就不能足夠有 力地驅(qū)動LED光學(xué)引擎5來提供期望的光輸出。本發(fā)明的一項操作是 確定LED光源l何時老化到其再也不能被使用的程度，即，老化到驅(qū) 動信號D(s)不足以實現(xiàn)LED光學(xué)引擎5適當(dāng)?shù)墓廨敵龅某潭?。在圖4 中公開了這種操作。在圖4中，將操作模塊22輸出的老化斜率提供給操作模塊40， 在操作模塊40中將老化斜率與允許的極限值相比較。當(dāng)確定老化斜率 超過允許的極限值時，操作繼續(xù)進(jìn)行到操作模塊41。在操作模塊41 中，通過任何期望的通信操作，例如借助于RF信號、通過隨電力線 提供信號、通過在獨(dú)立的電纜或電線上提供信號、通過提供光(可見 或紅外的)信號、通過改變輸入阻抗、通過串行通信，或者通過提供 LED信號如何轉(zhuǎn)換到開或關(guān)狀態(tài)的視覺變化等，將表示使用壽命結(jié)束 的信號傳輸?shù)絃ED的操作者。此外，如果操作模塊40中的比較結(jié)果表示老化斜率還沒有達(dá)到 允許極限值，則在操作模塊42中仍然可以提供對LED的狀態(tài)的傳輸。 在操作模塊42中，可以提供LED的使用壽命狀態(tài)的數(shù)據(jù)，例如可以
傳輸LED已經(jīng)老化了 5%， 10%等的指示。也可以以上面關(guān)于操作模 塊41所述的任何通信方式進(jìn)行這種通信。提供LED已經(jīng)老化到期望極限值以下的指示的一種具體的方式 是當(dāng)LED轉(zhuǎn)換到開或關(guān)狀態(tài)時，提供可見指示，這種方式在圖5A、 5B中示出。提供這種視覺指示的一種方式是當(dāng)確定LED光學(xué)引擎5已經(jīng)老 化到某個特定值以下時，即其老化斜率超過了操作模塊40確定的最大 的允許的極限值時(圖5A的步驟500)，則改變控制器/驅(qū)動器10輸 出的驅(qū)動信號D(s)，例如在從開或關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的最初幾毫秒(例如， 500ms)內(nèi)幾次增加強(qiáng)度(圖5A的步驟505)。這之后，驅(qū)動信號 D(s)中的變化給出視覺指示，驅(qū)動信號D(s)返回到其正常值(圖5A的 步驟510)。在圖5B中示出了裝置信號D(s)的這種變化的具體形式， 圖5B表示在轉(zhuǎn)換到開狀態(tài)后驅(qū)動信號D(s)的強(qiáng)度增加持續(xù)較短的 500ms的時間；在轉(zhuǎn)換到關(guān)狀態(tài)時驅(qū)動信號D(s)也會發(fā)生相同的變化。 驅(qū)動信號D(s)的這種變化將使LED光學(xué)引擎5的輸出的光明顯地閃 爍。當(dāng)LED光學(xué)引擎5的操作者注意到這種閃爍時，就指示應(yīng)該替換 這個單元了 。明顯地，根據(jù)上述教導(dǎo)可以對本發(fā)明進(jìn)行許多修改和變換。因此 應(yīng)該理解在隨附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以與這里的具體描述不同地 實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種用于控制發(fā)光二極管(LED)光學(xué)引擎的控制器，所述 控制器包括溫度傳感器，所述溫度傳感器被設(shè)置為檢測所述LED光學(xué)引擎 的溫度；電流傳感器，所述電流傳感器被設(shè)置為檢測所述LED光學(xué)引擎 的驅(qū)動電流；電壓傳感器，所述電壓傳感器被設(shè)置為檢測所述LED光學(xué)引擎 的LED兩端的電壓差分；計時器，所述計時器被設(shè)置為監(jiān)視所述LED光學(xué)引擎的操作時 間；以及控制裝置，所述控制裝置被設(shè)置為根據(jù)所述檢測的溫度、所述檢 測的驅(qū)動電流、所述檢測的電壓差分，以及所述監(jiān)視的操作時間，控 制到所述LED光學(xué)引擎的所述驅(qū)動電流，從而所述LED光學(xué)引擎在 其整個有效使用壽命中輸出相同的期望的光輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制裝置根據(jù)所述檢 測的驅(qū)動電流在時間上的積分，控制所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流。
3. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制裝置根據(jù)所述檢 測的溫度與存儲的強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，控制所述驅(qū)動電流 以保持LED的光輸出，所述強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)將強(qiáng)度降級系數(shù)與溫度 和所述LED的顏色相關(guān)聯(lián)。
4. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制裝置根據(jù)所述監(jiān) 視的時間與存儲的數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，控制所述驅(qū)動電流以保持LED的 光輸出，所述存儲的數(shù)據(jù)將強(qiáng)度降級系數(shù)與時間相關(guān)聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制裝置還輸出所述 強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)是否超過預(yù)定的閾值的指示。
6，如權(quán)利要求5所述的控制器，其中所述指示是在所述LED光 學(xué)引擎從開或關(guān)狀態(tài)開始的轉(zhuǎn)換中，在預(yù)定的時間段內(nèi)輸入到所述 LED光學(xué)引擎的所述驅(qū)動電流的強(qiáng)度的變化。
7. —種用于控制發(fā)光二極管(LED)光學(xué)引擎的控制器，所述 控制器包括控制裝置，所述控制裝置被設(shè)置為確定所述LED光學(xué)引擎的老 化斜率是否超過預(yù)定的閾值，并且被設(shè)置為當(dāng)確定所述老化斜率超過 所述預(yù)定的閾值時，在所述LED光學(xué)引擎從開或關(guān)狀態(tài)開始的轉(zhuǎn)換 中，在預(yù)定的時間段內(nèi)改變輸入到所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流的強(qiáng) 度。
8. —種用于控制發(fā)光二極管(LED)光學(xué)引擎的控制器，所述 控制器包括用于檢測所述LED光學(xué)引擎的溫度的裝置； 用于檢測所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流的裝置； 用于檢測所述LED光學(xué)引擎的LED兩端的電壓差分的裝置； 用于監(jiān)視所述LED光學(xué)引擎的操作時間的裝置；以及 用于根據(jù)所述檢測的溫度、所述檢測的驅(qū)動電流、所述檢測的電 壓差分，以及所述監(jiān)視的操作時間，控制到所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動 電流，從而所述LED光學(xué)引擎在其整個有效使用壽命中輸出相同的期 望的光輸出的裝置。
9. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述用于控制的裝置根據(jù) 所述檢測的驅(qū)動電流在時間上的積分，控制所述LED光學(xué)引擎的所述 驅(qū)動電流。
10. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述用于控制的裝置根據(jù) 所述檢測的溫度與存儲的強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，控制所述驅(qū) 動電流以保持LED的光輸出，所述強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)將強(qiáng)度降級系數(shù) 與溫度和所述LED的顏色相關(guān)聯(lián)。
11. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述用于控制的裝置根據(jù) 所述監(jiān)視的時間與存儲的數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，控制所述驅(qū)動電流以保持 LED的光輸出，所述存儲的數(shù)據(jù)將強(qiáng)度降級系數(shù)與時間相關(guān)聯(lián)。
12. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中所述用于控制的裝置還輸 出表示所述強(qiáng)度降級系數(shù)數(shù)據(jù)是否超過預(yù)定的閾值的指示。
13. 如權(quán)利要求12所述的控制器，其中所述指示是在所述LED 光學(xué)引擎從開或關(guān)狀態(tài)開始的轉(zhuǎn)換中，在預(yù)定的時間段內(nèi)輸入到所述 LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流的強(qiáng)度的變化。
14. 一種用于控制發(fā)光二極管(LED)光學(xué)引擎的控制器，所述 控制器包括控制裝置用于確定所述LED光學(xué)引擎的老化斜率是否超過預(yù)定 的閾值，并且用于當(dāng)確定所述老化斜率超過所述預(yù)定的閾值時，在所 述LED光學(xué)引擎從開或關(guān)狀態(tài)開始的轉(zhuǎn)換中，在預(yù)定的時間段內(nèi)改變 輸入到所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流的強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制發(fā)光二極管(LED)光學(xué)引擎的控制器。所述控制器包括溫度傳感器，所述溫度傳感器被設(shè)置為檢測所述LED光學(xué)引擎的溫度。電流傳感器檢測所述LED光學(xué)引擎的驅(qū)動電流。電壓差分傳感器檢測所述LED光學(xué)引擎的LED兩端的電壓差分。計時器監(jiān)視所述LED光學(xué)引擎的操作時間。而且，控制裝置根據(jù)所述檢測的溫度、所述檢測的驅(qū)動電流、所述檢測的電壓差分，以及所述監(jiān)視的操作定時，控制到所述LED光學(xué)引擎的所述驅(qū)動電流。而且，所述控制裝置輸出LED的強(qiáng)度降級的指示，如果所述強(qiáng)度降級超過預(yù)定的閾值，則所述控制裝置能夠向用戶輸出這種指示，從而能夠通知所述用戶需要更換所述LED。
文檔編號H05B41/36GK101124703SQ200580027134
公開日2008年2月13日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月9日
發(fā)明者加勒特·楊 申請人:迪亞光公司