一种自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法与流程

本发明涉及LED制造领域，特别是涉及一种自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法。

背景技术：

串并联方式的LED连接组成几十伏或几百伏大功率负载已被广泛地应用在照明领域。因为LED本身为低压的半导体器件，单颗LED的正常工作电压vf为3V左右。通常为满足输出功率的要求，几颗或几十颗LED需串联成高压模组以达到输出功率的要求。更多应用需要把这些串联的高压LED模组再并联组合，以实现更大的输出电流满足应用功率要求。目前市场上应用的照明LED器件绝大多数就是按这种架构来组成的。

但因为LED生产工艺的局限，单颗LED的工作电压vf往往有一定误差，可能会在几十到几百毫伏的数量级。由这样的元器件制成的串联LED模组之间的工作电压vf的值将会有更大的误差。如图1所示，LED作为二极管器件，它的工作电流是其工作电压vf的函数，在LED两端施加正向工作电压，当正向工作电压小于LED的阈值电压时，LED不导通，不产生工作电流；当正向工作电压大于LED的阈值电压时，LED导通发光，并产生工作电流；随着正向工作电压的增大，工作电流急剧增加。如图2所示，两组不同工作电压的LED模组LED1和LED2并联在一起，假设LED1的工作电压为低于LED2的工作电压，则LED1两端的电压会被迫拉升到更高的工作电压，这样的结果是使LED1超负荷工作在大电流条件下。如图3所示，照明用LED一般是以恒流模式工作，这时两组并联LED模组的工作电流将有很大差异，大部分电流(if1)将从LED1通过使其超负荷工作，而LED2只承担少部分的电流(if2)则处于的低负荷状态。这两组LED模组的工作电压Vf差异越大，并联应用时造成的电流差异也越大。如图4所示，大电流超负荷的LED1的工作温度大幅上升(从T1上升到T2)，使其工作电压进一步下降(从vf1下降至vf1’)，而LED2的工作温度大幅下降(从T1下降至T3)，这样的负反馈将迅速恶化电流的分配，致使工作电压较低的LED1不胜负荷而开路失效，继而剩下的LED2要承受原两组LED模组的电流，也会很快因超负荷而失效。如果是多组并联的大功率LED，这样的情况会变得更明显，失效的问题更严重。上述问题是时下LED应用的可靠性失效主要机制之一，严重影响了LED照明灯具的使用寿命。

以所谓的灯丝形LED模组为例，串联的单个模组由二十多颗LED器件组成，工作电压一般在65V～75V。采用单组灯丝的电流一般在10mA左右。同类串联模组的工作电压常常有1V～2V的差异，有时甚至更大。当两组灯丝并联应用时，电流比值几乎总是不等于1的。恶劣情况下会出现数倍，甚至十几倍或更高，所以灯丝会很快过热开路失效。

目前LED工业界常用的解决方案是：1)在生产来料中筛选LED原料，采用同一类的LED芯片，使其工作电压尽量接近，这样可以减小最后生产的串联模组工作电压差值较小；2)每组高压串联模组分别恒流控制，以避开并联造成的工作电压差所致电流分配不均。

这两个方案显然都不尽理想，方案1的生产成本会比较高，更重要的是即使采用分筛不同工作电压的LED也只能带来有限地改善。如果单颗LED的工作电压标准偏差可以控制在50mV(这需要非常精准的分类筛选)，70V～80V的串联模组也会有大于1V的偏差，这仍然会引入上述同样的问题，只是程度上稍有改善。而方案2是放弃了采用并联改用分组单独恒流，且不说系统体积是否容许，增加一路恒流控制的成本会大大上升，如果是多路并联的话，系统成本更是会直接成正比上升，也可能是完全不可取的。

因此如何从根本上解决LED高压灯组在并联条件下的电流分配问题已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法，用于解决现有技术中LED串并联控制中电流分配不均引起的失效问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自反馈串并联高压LED负载，所述自反馈串并联高压LED负载至少包括：

多组并联的LED模组，各LED模组包括多个LED灯以及反馈电阻，所述LED灯及所述反馈电阻串联连接，所述反馈电阻用于调节各LED模组中的电流。

优选地，所述反馈电阻为正温度系数电阻。

更优选地，所述反馈电阻的阻值不大于300Ω。

优选地，所述LED模组为集成的LED灯丝结构。

更优选地，所述LED灯为正装LED芯片，各正装LED芯片及反馈电阻通过接着剂固定于导热基板上，以焊线连接各正装LED芯片及反馈电阻表面的焊板实现LED模组中各器件的串联。

更优选地，所述LED灯为倒装LED芯片，各倒装LED芯片及反馈电阻通过底部的焊料与导热基板上的金属线连接，以实现LED模组中各器件的串联。

更优选地，所述导热基板的材质为金属、陶瓷、玻璃、蓝宝石、氮化铝或石英。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述自反馈串并联高压LED负载的电流分配方法，所述自反馈串并联高压LED负载的电流分配方法至少包括：

所述自反馈串并联高压LED负载采用恒流控制，流过各LED模组的总电流为设定值；

各LED模组中的LED灯串的工作电压不等，工作电压低的LED模组中通过较大的分电流，则工作电压低的LED模组中的反馈电阻上的电压增加，反馈电阻上的电压补偿LED灯串的工作电压，限制流过工作电压低的LED模组中的电流继续上升；反之，工作电压高的LED模组中通过较小的分电流，则工作电压高的LED模组中的反馈电阻上的电压减小，反馈电阻上的电压抵消所述LED灯串的工作电压，阻碍流过所述LED模组中的电流继续下降；

流过各LED模组的分电流的差值减小，避免电流分配不均引起的失效。

优选地，分电流大的LED模组温度上升，正温度系数的反馈电阻的阻值也随温度上升，反馈电阻上的电压进一步增加；分电流小的LED模组温度下降，正温度系数的反馈电阻的阻值也随温度下降，反馈电阻上的电压进一步减小。

如上所述，本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法，具有以下有益效果：

本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法在并联的LED灯串中增加反馈电阻，通过反馈电阻限制并联的LED模组之间的电流差，避免出现较大差异；同时，通过反馈电阻的正温度系数，可进一步阻止因LED工作电压的漂移而加剧电流分配不均匀的恶化；从而有效地保证并联状态下高压灯组的正常使用寿命。

附图说明

图1显示为现有技术中的LED的伏安特性曲线的示意图。

图2显示为现有技术中的LED负载的结构示意图。

图3显示为现有技术中的LED负载中电流分配不均的原理示意图。

图4显示为现有技术中的LED负载中温度变化加剧电流分配不均的原理示意图。

图5显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载的结构示意图。

图6显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载由LED灯丝实现的结构示意图。

图7显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载的物理结构示意图。

图8显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载的正装结构示意图。

图9显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载的倒装结构示意图。

图10显示为本发明的自反馈串并联高压LED负载的工作原理示意图。

元件标号说明

1 导热基板

2 正装LED芯片

3 反馈电阻

4 接着剂

5 焊板

6 焊线

7 绝缘体

8 倒装LED芯片

9 焊料

10 金属线

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图5～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图5～图9所示，本发明提供一种自反馈串并联高压LED负载，所述自反馈串并联高压LED负载至少包括：

多组并联的LED模组，各LED模组包括多个LED灯以及反馈电阻，所述LED灯及所述反馈电阻串联连接，所述反馈电阻用于调节各LED模组中的电流。

具体地，如图5所示，在本实施例中，以2组并联的LED模组为例，分别为第一LED模组LED1及第二LED模组LED2，所述第一LED模组LED1包括串联的第一LED灯及与所述第一LED灯串联的第一反馈电阻R1，所述第二LED模组LED2包括串联的第二LED灯及与所述第二LED灯串联的第二反馈电阻R2。所述第一反馈电阻R1可串联于所述第一LED灯串的任何位置，同样地所述第二反馈电阻R2可串联于所述第二LED灯串的任何位置，不以本实施例为限。所述第一LED模组LED1及所述第二LED模组LED2并联连接，且串联连接于一设定电流Ic，所述设定电流Ic为LED恒流控制芯片输出的恒定电流。

具体地，所述第一反馈电阻R1及所述第二反馈电阻R2为正温度系数电阻。电阻的正温度系数是指材料的电阻值会随温度上升而上升，正温度系数越大，在相同温度变化下，电阻的阻值增加越多。

具体地，在本实施例中，所述第一反馈电阻R1及所述第二反馈电阻R2的阻值相等，设定为不大于300Ω。也可根据不同工作电压，将各反馈电阻设置为不同的阻值，不以本实施例为限。

具体地，如图6所示，所述LED模组可集成于一灯丝内，形成一根LED灯丝，通过多根LED灯丝的并联实现所述自反馈串并联高压LED负载，在本实施例中，仅显示2根LED灯丝的并联所实现的所述自反馈串并联高压LED负载。如图7所示，所述LED模组可通过焊接于导热基板上的LED芯片及电阻器的串联实现。所述导热基板1的材质包括但不限于金属、陶瓷、玻璃、蓝宝石、氮化铝或石英，所述导热基板1用于散热以减小温度对工作电压及工作电流的影响。

更具体地，如图8所示，所述LED灯丝包括所述导热基板1、正装LED芯片2以及反馈电阻3，其中，所述正装LED芯片2及所述反馈电阻3通过接着剂4固定于所述导热基板1上，所述正装LED芯片2及所述反馈电阻3的表面设置有焊板5，通过焊线6将多个正装LED芯片2及所述反馈电阻3串联在一起构成一LED模组。其中，所述导热基板1的材质选用金属，则在所述导热基板1的一端设置绝缘体7以将所述LED灯丝的正负电极隔绝开，避免短路。

更具体地，如图9所示，所述LED灯丝包括所述导热基板1、倒装LED芯片8以及反馈电阻3，其中，所述倒装LED芯片8及所述反馈电阻3通过底部的焊料10与所述导热基板1上的金属线9连接，以实现多个倒装LED芯片8与所述反馈电阻3的串联，进而构成一LED模组。所述焊料8的材质包括但不限于金锡合金、锡膏、银浆，不以本实施例为限。其中，所述导热基板1的材质选用陶瓷，则所述LED灯丝的正负电极直接与所述反馈电阻3及所述倒装LED芯片8连接，无需额外的绝缘体。

如图10所示，所述自反馈串并联高压LED负载的电流分配方法如下：

所述自反馈串并联高压LED负载采用恒流控制，流过各LED模组的总电流为设定值。

各LED模组中的LED灯串的工作电压不等，工作电压低的LED模组中通过较大的分电流，则工作电压低的LED模组中的反馈电阻上的电压增加，反馈电阻上的电压补偿LED灯串的工作电压，限制流过工作电压低的LED模组中的电流继续上升；反之，工作电压高的LED模组中通过较小的分电流，则工作电压高的LED模组中的反馈电阻上的电压减小，反馈电阻上的电压抵消所述LED灯串的工作电压，阻碍流过所述LED模组中的电流继续下降；

流过各LED模组的分电流的差值减小，避免电流分配不均引起的失效。

具体地，在本实施例中，以2个LED模组并联为例，流过所述第一LED模组LED1的电流为if1，流过所述第二LED模组LED2的电流为if2，总电流为Ic＝if1+if2。在固定的工作电流下，LED模组的工作电压是vw＝vf+vr，其中vf为LED灯串上的工作电压，vr为反馈电阻上的电压。处于并联条件时，两组(多组并联也同样适用)LED模组的工作电压相等，即vw1＝vw2，如果各LED灯串上的工作电压vf，假定所述第一LED灯串上的工作电压小于所述第二LED灯串上的工作电压，即vf2>vf1；则工作电压较低的第一LED模组LED1中将流过较大的电流，反之，工作电压较高的第二LED模组LED2中将流过较小的电流，即if1>if2；那么，所述第一反馈电阻R1上的电压将上升，而所述第二反馈电阻R2上的电压将下降，即vr1>vr2；所述第一反馈电阻R1上的电压vr1补偿所述第一LED灯串的工作电压vf1，从而限制了流经所述第一LED模组LED1的电流if1继续上升，而所述第二反馈电阻R2上的电压vr2抵消所述第二LED灯串的工作电压vf2，从而阻碍了流经所述第二LED模组LED2的电流if2继续下降。流过所述第一LED模组LED1及所述第二LED模组LED2的分电流的差值减小，有效避免电流分配不均引起的失效。

进一步地，分电流大的LED模组温度上升，正温度系数的反馈电阻的阻值也随温度上升，反馈电阻上的电压进一步增加；分电流小的LED模组温度下降，正温度系数的反馈电阻的阻值也随温度下降，反馈电阻上的电压进一步减小。

具体地，在所述第一LED模组LED1中，大电流if1造成温度上升，由于所述第一反馈电阻R1为正温度系数器件，因此，在温度升高的情况下所述第一反馈电阻R1的阻值将变大，从而导致所述第一反馈电阻R1上的电压上升更快。而在所述第二LED模组LED2中，小电流if1造成温度下降，由于所述第二反馈电阻R2为正温度系数器件，因此，在温度降低的情况下所述第而反馈电阻R2的阻值将变小，从而导致所述第二反馈电阻R2上的电压下降更快。

本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流分配方法可以很好地限制并联模组之间的电流差，避免出现较大差异，只要依工作电流设计好合适的补偿电阻，并联模组之间的电流差就可以有效地控制在一个有限的范围之内。更重要的是，因为正温度系数的电阻反馈，阻止了高电流下工作电压向下进一步漂移而加剧电流分配不均匀的恶化；从而有效地保证并联状态下高压灯组的正常使用寿命。

以灯丝形的高压LED模组为例，通常工作电压为68V，设计工作电流为10mA：

例1，如并联的两组灯丝的工作电压分别为67V和69V，并联工作电流为19mA，那么按现有技术的方案并联，两组灯丝的电流分别为18mA和1mA，2V的工作电压的差异将造成电流比达18倍，严重影响使用寿命。而采用本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流分配方法，在每组灯丝上串联一颗800Ω的反馈电阻，稳态电流则分别控制为11mA和8mA，电流比则改善为1.37，可大大减小电流分配不均引起的失效问题。

例2，如并联的两组灯丝的工作电压分别为67V和68V，并联工作电流为20mA，那么按现有技术的方案并联，两组灯丝的电流分别为13mA和7mA，1V的工作电压的差异将造成电流比达1.68倍。而采用本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流分配方法，在每组灯丝上串联一颗200Ω的反馈电阻，稳态电流则分别控制为10.7mA和9.3mA，电流比为1.15，同样改善了电流分配不均问题。

本发明提供的电阻反馈系统设计，可以很好地改善并联条件下的电流分配问题，工作电压的差异越大，反馈补偿电阻也需增大，消耗在反馈电阻上的功耗也会增加。如例1条件下，反馈电阻将带来320mW的功耗，同时并联的工作电压将上升16V。而例2条件下，反馈电阻的功耗为40mW，工作电压上升了约2V。考虑到反馈电阻的功耗带来的系统效率下降，实用条件下容许的反馈电阻可能应在300Ω以下。同时本发明在结合工作电压分类工艺控制下应用更有效，即首先对LED器件进行分筛，确保各LED灯串的工作电压控制在一定范围内。

如上所述，本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法，具有以下有益效果：

本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法在并联的LED灯串中增加反馈电阻，通过反馈电阻限制并联的LED模组之间的电流差，避免出现较大差异；同时，通过反馈电阻的正温度系数，可进一步阻止因LED工作电压的漂移而加剧电流分配不均匀的恶化；从而有效地保证并联状态下高压灯组的正常使用寿命。

综上所述，本发明提供一种自反馈串并联高压LED负载及电流分配方法，包括：多组并联的LED模组，各LED模组包括多个LED灯以及反馈电阻，所述LED灯及所述反馈电阻串联连接，所述反馈电阻用于调节各LED模组中的电流。所述自反馈串并联高压LED负载采用恒流控制，流过各LED模组的总电流为设定值；各LED模组中的LED灯串的工作电压不等，工作电压低的LED模组中通过较大的分电流，则工作电压低的LED模组中的反馈电阻上的电压增加，反馈电阻上的电压补偿LED灯串的工作电压，限制流过工作电压低的LED模组中的电流继续上升；反之，工作电压高的LED模组中通过较小的分电流，则工作电压高的LED模组中的反馈电阻上的电压减小，反馈电阻上的电压抵消所述LED灯串的工作电压，阻碍流过所述LED模组中的电流继续下降；流过各LED模组的分电流的差值减小，避免电流分配不均引起的失效。本发明的自反馈串并联高压LED负载及电流控制方法在并联的LED灯串中增加反馈电阻，通过反馈电阻限制并联的LED模组之间的电流差，避免出现较大差异；同时，通过反馈电阻的正温度系数，可进一步阻止因LED工作电压的漂移而加剧电流分配不均匀的恶化；从而有效地保证并联状态下高压灯组的正常使用寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。