一種自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法與流程

本發明涉及LED制造領域，特別是涉及一種自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法。

背景技術：

串并聯方式的LED連接組成幾十伏或幾百伏大功率負載已被廣泛地應用在照明領域。因為LED本身為低壓的半導體器件，單顆LED的正常工作電壓vf為3V左右。通常為滿足輸出功率的要求，幾顆或幾十顆LED需串聯成高壓模組以達到輸出功率的要求。更多應用需要把這些串聯的高壓LED模組再并聯組合，以實現更大的輸出電流滿足應用功率要求。目前市場上應用的照明LED器件絕大多數就是按這種架構來組成的。

但因為LED生產工藝的局限，單顆LED的工作電壓vf往往有一定誤差，可能會在幾十到幾百毫伏的數量級。由這樣的元器件制成的串聯LED模組之間的工作電壓vf的值將會有更大的誤差。如圖1所示，LED作為二極管器件，它的工作電流是其工作電壓vf的函數，在LED兩端施加正向工作電壓，當正向工作電壓小于LED的閾值電壓時，LED不導通，不產生工作電流；當正向工作電壓大于LED的閾值電壓時，LED導通發光，并產生工作電流；隨著正向工作電壓的增大，工作電流急劇增加。如圖2所示，兩組不同工作電壓的LED模組LED1和LED2并聯在一起，假設LED1的工作電壓為低于LED2的工作電壓，則LED1兩端的電壓會被迫拉升到更高的工作電壓，這樣的結果是使LED1超負荷工作在大電流條件下。如圖3所示，照明用LED一般是以恒流模式工作，這時兩組并聯LED模組的工作電流將有很大差異，大部分電流(if1)將從LED1通過使其超負荷工作，而LED2只承擔少部分的電流(if2)則處于的低負荷狀態。這兩組LED模組的工作電壓Vf差異越大，并聯應用時造成的電流差異也越大。如圖4所示，大電流超負荷的LED1的工作溫度大幅上升(從T1上升到T2)，使其工作電壓進一步下降(從vf1下降至vf1’)，而LED2的工作溫度大幅下降(從T1下降至T3)，這樣的負反饋將迅速惡化電流的分配，致使工作電壓較低的LED1不勝負荷而開路失效，繼而剩下的LED2要承受原兩組LED模組的電流，也會很快因超負荷而失效。如果是多組并聯的大功率LED，這樣的情況會變得更明顯，失效的問題更嚴重。上述問題是時下LED應用的可靠性失效主要機制之一，嚴重影響了LED照明燈具的使用壽命。

以所謂的燈絲形LED模組為例，串聯的單個模組由二十多顆LED器件組成，工作電壓一般在65V～75V。采用單組燈絲的電流一般在10mA左右。同類串聯模組的工作電壓常常有1V～2V的差異，有時甚至更大。當兩組燈絲并聯應用時，電流比值幾乎總是不等于1的。惡劣情況下會出現數倍，甚至十幾倍或更高，所以燈絲會很快過熱開路失效。

目前LED工業界常用的解決方案是：1)在生產來料中篩選LED原料，采用同一類的LED芯片，使其工作電壓盡量接近，這樣可以減小最后生產的串聯模組工作電壓差值較小；2)每組高壓串聯模組分別恒流控制，以避開并聯造成的工作電壓差所致電流分配不均。

這兩個方案顯然都不盡理想，方案1的生產成本會比較高，更重要的是即使采用分篩不同工作電壓的LED也只能帶來有限地改善。如果單顆LED的工作電壓標準偏差可以控制在50mV(這需要非常精準的分類篩選)，70V～80V的串聯模組也會有大于1V的偏差，這仍然會引入上述同樣的問題，只是程度上稍有改善。而方案2是放棄了采用并聯改用分組單獨恒流，且不說系統體積是否容許，增加一路恒流控制的成本會大大上升，如果是多路并聯的話，系統成本更是會直接成正比上升，也可能是完全不可取的。

因此如何從根本上解決LED高壓燈組在并聯條件下的電流分配問題已成為本領域技術人員亟待解決的問題之一。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法，用于解決現有技術中LED串并聯控制中電流分配不均引起的失效問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種自反饋串并聯高壓LED負載，所述自反饋串并聯高壓LED負載至少包括：

多組并聯的LED模組，各LED模組包括多個LED燈以及反饋電阻，所述LED燈及所述反饋電阻串聯連接，所述反饋電阻用于調節各LED模組中的電流。

優選地，所述反饋電阻為正溫度系數電阻。

更優選地，所述反饋電阻的阻值不大于300Ω。

優選地，所述LED模組為集成的LED燈絲結構。

更優選地，所述LED燈為正裝LED芯片，各正裝LED芯片及反饋電阻通過接著劑固定于導熱基板上，以焊線連接各正裝LED芯片及反饋電阻表面的焊板實現LED模組中各器件的串聯。

更優選地，所述LED燈為倒裝LED芯片，各倒裝LED芯片及反饋電阻通過底部的焊料與導熱基板上的金屬線連接，以實現LED模組中各器件的串聯。

更優選地，所述導熱基板的材質為金屬、陶瓷、玻璃、藍寶石、氮化鋁或石英。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種上述自反饋串并聯高壓LED負載的電流分配方法，所述自反饋串并聯高壓LED負載的電流分配方法至少包括：

所述自反饋串并聯高壓LED負載采用恒流控制，流過各LED模組的總電流為設定值；

各LED模組中的LED燈串的工作電壓不等，工作電壓低的LED模組中通過較大的分電流，則工作電壓低的LED模組中的反饋電阻上的電壓增加，反饋電阻上的電壓補償LED燈串的工作電壓，限制流過工作電壓低的LED模組中的電流繼續上升；反之，工作電壓高的LED模組中通過較小的分電流，則工作電壓高的LED模組中的反饋電阻上的電壓減小，反饋電阻上的電壓抵消所述LED燈串的工作電壓，阻礙流過所述LED模組中的電流繼續下降；

流過各LED模組的分電流的差值減小，避免電流分配不均引起的失效。

優選地，分電流大的LED模組溫度上升，正溫度系數的反饋電阻的阻值也隨溫度上升，反饋電阻上的電壓進一步增加；分電流小的LED模組溫度下降，正溫度系數的反饋電阻的阻值也隨溫度下降，反饋電阻上的電壓進一步減小。

如上所述，本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法，具有以下有益效果：

本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法在并聯的LED燈串中增加反饋電阻，通過反饋電阻限制并聯的LED模組之間的電流差，避免出現較大差異；同時，通過反饋電阻的正溫度系數，可進一步阻止因LED工作電壓的漂移而加劇電流分配不均勻的惡化；從而有效地保證并聯狀態下高壓燈組的正常使用壽命。

附圖說明

圖1顯示為現有技術中的LED的伏安特性曲線的示意圖。

圖2顯示為現有技術中的LED負載的結構示意圖。

圖3顯示為現有技術中的LED負載中電流分配不均的原理示意圖。

圖4顯示為現有技術中的LED負載中溫度變化加劇電流分配不均的原理示意圖。

圖5顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載的結構示意圖。

圖6顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載由LED燈絲實現的結構示意圖。

圖7顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載的物理結構示意圖。

圖8顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載的正裝結構示意圖。

圖9顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載的倒裝結構示意圖。

圖10顯示為本發明的自反饋串并聯高壓LED負載的工作原理示意圖。

元件標號說明

1 導熱基板

2 正裝LED芯片

3 反饋電阻

4 接著劑

5 焊板

6 焊線

7 絕緣體

8 倒裝LED芯片

9 焊料

10 金屬線

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖5～圖10。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。

如圖5～圖9所示，本發明提供一種自反饋串并聯高壓LED負載，所述自反饋串并聯高壓LED負載至少包括：

多組并聯的LED模組，各LED模組包括多個LED燈以及反饋電阻，所述LED燈及所述反饋電阻串聯連接，所述反饋電阻用于調節各LED模組中的電流。

具體地，如圖5所示，在本實施例中，以2組并聯的LED模組為例，分別為第一LED模組LED1及第二LED模組LED2，所述第一LED模組LED1包括串聯的第一LED燈及與所述第一LED燈串聯的第一反饋電阻R1，所述第二LED模組LED2包括串聯的第二LED燈及與所述第二LED燈串聯的第二反饋電阻R2。所述第一反饋電阻R1可串聯于所述第一LED燈串的任何位置，同樣地所述第二反饋電阻R2可串聯于所述第二LED燈串的任何位置，不以本實施例為限。所述第一LED模組LED1及所述第二LED模組LED2并聯連接，且串聯連接于一設定電流Ic，所述設定電流Ic為LED恒流控制芯片輸出的恒定電流。

具體地，所述第一反饋電阻R1及所述第二反饋電阻R2為正溫度系數電阻。電阻的正溫度系數是指材料的電阻值會隨溫度上升而上升，正溫度系數越大，在相同溫度變化下，電阻的阻值增加越多。

具體地，在本實施例中，所述第一反饋電阻R1及所述第二反饋電阻R2的阻值相等，設定為不大于300Ω。也可根據不同工作電壓，將各反饋電阻設置為不同的阻值，不以本實施例為限。

具體地，如圖6所示，所述LED模組可集成于一燈絲內，形成一根LED燈絲，通過多根LED燈絲的并聯實現所述自反饋串并聯高壓LED負載，在本實施例中，僅顯示2根LED燈絲的并聯所實現的所述自反饋串并聯高壓LED負載。如圖7所示，所述LED模組可通過焊接于導熱基板上的LED芯片及電阻器的串聯實現。所述導熱基板1的材質包括但不限于金屬、陶瓷、玻璃、藍寶石、氮化鋁或石英，所述導熱基板1用于散熱以減小溫度對工作電壓及工作電流的影響。

更具體地，如圖8所示，所述LED燈絲包括所述導熱基板1、正裝LED芯片2以及反饋電阻3，其中，所述正裝LED芯片2及所述反饋電阻3通過接著劑4固定于所述導熱基板1上，所述正裝LED芯片2及所述反饋電阻3的表面設置有焊板5，通過焊線6將多個正裝LED芯片2及所述反饋電阻3串聯在一起構成一LED模組。其中，所述導熱基板1的材質選用金屬，則在所述導熱基板1的一端設置絕緣體7以將所述LED燈絲的正負電極隔絕開，避免短路。

更具體地，如圖9所示，所述LED燈絲包括所述導熱基板1、倒裝LED芯片8以及反饋電阻3，其中，所述倒裝LED芯片8及所述反饋電阻3通過底部的焊料10與所述導熱基板1上的金屬線9連接，以實現多個倒裝LED芯片8與所述反饋電阻3的串聯，進而構成一LED模組。所述焊料8的材質包括但不限于金錫合金、錫膏、銀漿，不以本實施例為限。其中，所述導熱基板1的材質選用陶瓷，則所述LED燈絲的正負電極直接與所述反饋電阻3及所述倒裝LED芯片8連接，無需額外的絕緣體。

如圖10所示，所述自反饋串并聯高壓LED負載的電流分配方法如下：

所述自反饋串并聯高壓LED負載采用恒流控制，流過各LED模組的總電流為設定值。

各LED模組中的LED燈串的工作電壓不等，工作電壓低的LED模組中通過較大的分電流，則工作電壓低的LED模組中的反饋電阻上的電壓增加，反饋電阻上的電壓補償LED燈串的工作電壓，限制流過工作電壓低的LED模組中的電流繼續上升；反之，工作電壓高的LED模組中通過較小的分電流，則工作電壓高的LED模組中的反饋電阻上的電壓減小，反饋電阻上的電壓抵消所述LED燈串的工作電壓，阻礙流過所述LED模組中的電流繼續下降；

流過各LED模組的分電流的差值減小，避免電流分配不均引起的失效。

具體地，在本實施例中，以2個LED模組并聯為例，流過所述第一LED模組LED1的電流為if1，流過所述第二LED模組LED2的電流為if2，總電流為Ic＝if1+if2。在固定的工作電流下，LED模組的工作電壓是vw＝vf+vr，其中vf為LED燈串上的工作電壓，vr為反饋電阻上的電壓。處于并聯條件時，兩組(多組并聯也同樣適用)LED模組的工作電壓相等，即vw1＝vw2，如果各LED燈串上的工作電壓vf，假定所述第一LED燈串上的工作電壓小于所述第二LED燈串上的工作電壓，即vf2>vf1；則工作電壓較低的第一LED模組LED1中將流過較大的電流，反之，工作電壓較高的第二LED模組LED2中將流過較小的電流，即if1>if2；那么，所述第一反饋電阻R1上的電壓將上升，而所述第二反饋電阻R2上的電壓將下降，即vr1>vr2；所述第一反饋電阻R1上的電壓vr1補償所述第一LED燈串的工作電壓vf1，從而限制了流經所述第一LED模組LED1的電流if1繼續上升，而所述第二反饋電阻R2上的電壓vr2抵消所述第二LED燈串的工作電壓vf2，從而阻礙了流經所述第二LED模組LED2的電流if2繼續下降。流過所述第一LED模組LED1及所述第二LED模組LED2的分電流的差值減小，有效避免電流分配不均引起的失效。

進一步地，分電流大的LED模組溫度上升，正溫度系數的反饋電阻的阻值也隨溫度上升，反饋電阻上的電壓進一步增加；分電流小的LED模組溫度下降，正溫度系數的反饋電阻的阻值也隨溫度下降，反饋電阻上的電壓進一步減小。

具體地，在所述第一LED模組LED1中，大電流if1造成溫度上升，由于所述第一反饋電阻R1為正溫度系數器件，因此，在溫度升高的情況下所述第一反饋電阻R1的阻值將變大，從而導致所述第一反饋電阻R1上的電壓上升更快。而在所述第二LED模組LED2中，小電流if1造成溫度下降，由于所述第二反饋電阻R2為正溫度系數器件，因此，在溫度降低的情況下所述第而反饋電阻R2的阻值將變小，從而導致所述第二反饋電阻R2上的電壓下降更快。

本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流分配方法可以很好地限制并聯模組之間的電流差，避免出現較大差異，只要依工作電流設計好合適的補償電阻，并聯模組之間的電流差就可以有效地控制在一個有限的范圍之內。更重要的是，因為正溫度系數的電阻反饋，阻止了高電流下工作電壓向下進一步漂移而加劇電流分配不均勻的惡化；從而有效地保證并聯狀態下高壓燈組的正常使用壽命。

以燈絲形的高壓LED模組為例，通常工作電壓為68V，設計工作電流為10mA：

例1，如并聯的兩組燈絲的工作電壓分別為67V和69V，并聯工作電流為19mA，那么按現有技術的方案并聯，兩組燈絲的電流分別為18mA和1mA，2V的工作電壓的差異將造成電流比達18倍，嚴重影響使用壽命。而采用本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流分配方法，在每組燈絲上串聯一顆800Ω的反饋電阻，穩態電流則分別控制為11mA和8mA，電流比則改善為1.37，可大大減小電流分配不均引起的失效問題。

例2，如并聯的兩組燈絲的工作電壓分別為67V和68V，并聯工作電流為20mA，那么按現有技術的方案并聯，兩組燈絲的電流分別為13mA和7mA，1V的工作電壓的差異將造成電流比達1.68倍。而采用本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流分配方法，在每組燈絲上串聯一顆200Ω的反饋電阻，穩態電流則分別控制為10.7mA和9.3mA，電流比為1.15，同樣改善了電流分配不均問題。

本發明提供的電阻反饋系統設計，可以很好地改善并聯條件下的電流分配問題，工作電壓的差異越大，反饋補償電阻也需增大，消耗在反饋電阻上的功耗也會增加。如例1條件下，反饋電阻將帶來320mW的功耗，同時并聯的工作電壓將上升16V。而例2條件下，反饋電阻的功耗為40mW，工作電壓上升了約2V。考慮到反饋電阻的功耗帶來的系統效率下降，實用條件下容許的反饋電阻可能應在300Ω以下。同時本發明在結合工作電壓分類工藝控制下應用更有效，即首先對LED器件進行分篩，確保各LED燈串的工作電壓控制在一定范圍內。

如上所述，本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法，具有以下有益效果：

本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法在并聯的LED燈串中增加反饋電阻，通過反饋電阻限制并聯的LED模組之間的電流差，避免出現較大差異；同時，通過反饋電阻的正溫度系數，可進一步阻止因LED工作電壓的漂移而加劇電流分配不均勻的惡化；從而有效地保證并聯狀態下高壓燈組的正常使用壽命。

綜上所述，本發明提供一種自反饋串并聯高壓LED負載及電流分配方法，包括：多組并聯的LED模組，各LED模組包括多個LED燈以及反饋電阻，所述LED燈及所述反饋電阻串聯連接，所述反饋電阻用于調節各LED模組中的電流。所述自反饋串并聯高壓LED負載采用恒流控制，流過各LED模組的總電流為設定值；各LED模組中的LED燈串的工作電壓不等，工作電壓低的LED模組中通過較大的分電流，則工作電壓低的LED模組中的反饋電阻上的電壓增加，反饋電阻上的電壓補償LED燈串的工作電壓，限制流過工作電壓低的LED模組中的電流繼續上升；反之，工作電壓高的LED模組中通過較小的分電流，則工作電壓高的LED模組中的反饋電阻上的電壓減小，反饋電阻上的電壓抵消所述LED燈串的工作電壓，阻礙流過所述LED模組中的電流繼續下降；流過各LED模組的分電流的差值減小，避免電流分配不均引起的失效。本發明的自反饋串并聯高壓LED負載及電流控制方法在并聯的LED燈串中增加反饋電阻，通過反饋電阻限制并聯的LED模組之間的電流差，避免出現較大差異；同時，通過反饋電阻的正溫度系數，可進一步阻止因LED工作電壓的漂移而加劇電流分配不均勻的惡化；從而有效地保證并聯狀態下高壓燈組的正常使用壽命。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。