專利名稱：在發(fā)光元件中用于減小熱應力的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及照明領域，具體來說涉及在發(fā)光元件中用于控制熱應 力的方法和設備，所述的發(fā)光元件經(jīng)受反復的或頻繁的熱循環(huán)。
背景技術：
由于在開發(fā)和改進發(fā)光二極管(LED)(如固態(tài)發(fā)光二極管和某些 有機的或聚合物發(fā)光二極管)的光通量方面的進展，已經(jīng)產(chǎn)生了適合 用于普通照明應用的這樣的設備；普通照明應用例如包括建筑的、娛
樂的、和道路照明。因此，與諸如白熾燈、熒光燈和高強度放電燈之 類的光源相比，發(fā)光二極管變得越來越具有竟爭力。
發(fā)光二極管有許多優(yōu)點，通常選用發(fā)光二極管是因為它們的耐用 性、長壽命、高效率、低電壓要求和獨立控制所發(fā)出的光的顏色和強 度的可能性。與精密的(delicate)氣體放電燈、白熾燈、和熒光照 明系統(tǒng)相比，發(fā)光二極管提供改進的性能。固態(tài)的和改進的有機發(fā)光 二極管具有產(chǎn)生類似照明印象的能力，同時與其它的照明技術相比， 通常還能提供較大的靈活性。
當通過發(fā)光二極管的電流迅速變化時，設備的傳熱性質(zhì)可引起超 過每個厘米大約3000°C的瞬時溫度梯度，如在"3 - 5微米平面發(fā)光結(jié) 構的傳熱映射(Heat Transfer Mapping in 3-5 Micrometer Planar Ligni一n邁i iLingdirui;Lures j 1/義/^*(^攻沐,。、J0urnai ot Applied PHysics)93 ( 11) ， 2003年，第9398 - 9400頁)中Malyutenko等人 所表述的?？焖僭鲩L的驅(qū)動電流在發(fā)光二極管內(nèi)可產(chǎn)生局部空間熱點， 峰值溫度高達約150°C，如Barton等人在"GaN/AlGaN/InGaN發(fā)光二 極管的壽命測試和失效機制"(SPIE 3279巻，1998年，第17 - 27頁) 中所表述的，與發(fā)光二極管封裝的有效冷卻無關，在一般情況下這種 有效冷卻減小了發(fā)光二極管管芯的平均結(jié)溫。在大通量發(fā)光二極管中 由快速瞬時驅(qū)動電流引起的溫度梯度還可能取決于初始電流，如 Farkas等人在"大功率光學設備中的電和熱的瞬時效應，，(第20屆 IEEE半導體熱測量和管理年會的會議錄，2004年，第168 - 176頁)中所表述的。
眾所周知，在發(fā)光二極管內(nèi)過大的熱致機械應力可導致過早的流 明下降。它還能顯著地縮短設備的壽命，因為存在一系列毀滅性的失 效模式，例如包括焊線斷裂或封裝-管芯脫離。
圖1說明在將驅(qū)動電流從約400毫安切換到約10毫安之后一個綠 色發(fā)光二極管的結(jié)溫是如何隨時間變化的。這些變化可以從圖1右側(cè) 的縱坐標上表示的所測正向電壓Uf (t)導出。如所看出的，在驅(qū)動電流 調(diào)節(jié)后結(jié)溫速率的變化速率可以達到每秒幾千的絕對溫度。眾所周知， 按照傳熱方程并且根據(jù)發(fā)光二極管的傳熱性質(zhì)，溫度的變化速率是和 對應的溫度梯度相互關聯(lián)的。存在過大的溫度梯度或熱點可能發(fā)生的 一系列應用。
例如，發(fā)光二極管已經(jīng)證明可用于在彩色電視和計算機顯示器中 使用的液晶顯示(LCD)板的背光照明，例如由Folkert等人在"利用 大通量發(fā)光二極管的發(fā)光二極管背光照明構想"(SID04摘要，2004 年，第l"6 - l"9頁)中，或者由Harbers等人在"用于液晶顯示高 清晰度電視的發(fā)光二極管背光照明"(信息顯示學會雜志(Journal of the Society for Information Display) 10 (4) ， 2002年，347 -"0頁)中，或者由Sugiura等人在"寬色域監(jiān)視器-發(fā)光二極管背光 照明液晶顯示器和新的磷光體陰極射線管"(Bellingham的光學工程 學會，WA:液晶材料、器件、和應用X和投影顯示X的會議錄，SPIE-IS&T 5289， 2004年，第151 - 160頁)中、或者由West等人在"用于 液晶顯示電視的高亮度直接發(fā)光二極管的背光照明"(SID 2003年摘 要，第1262 - 1265頁)中所討論的。
在本領域中眾所周知的是，通常將顯示系統(tǒng)設計成可以接收信號， 將信號中的信息格式化成一個串行數(shù)據(jù)流，所述的串行數(shù)據(jù)流包括一 個幀的系列。每一幀包括用于再現(xiàn)單個靜止畫面所必須的數(shù)據(jù)。此外， 信息信號可以包括能識別幀的開始或結(jié)束并且有助于同步單個靜止畫 面的顯示的數(shù)據(jù)。例如，每個幀可包括一個垂直回掃信號。足夠快的 幀系列可以產(chǎn)生沒有閃爍的運動畫面的印象?？梢园凑杖Q于顯示器 的期望應用場合的速率，產(chǎn)生和再現(xiàn)這些幀。出于多個理由，某些類 型的顯示系統(tǒng)要求背光照明發(fā)光二極管例如與垂直回掃信號同步地 截止和導通。垂直回掃信號的時間周期可以等于背光照明發(fā)光二極管
5的熱時間常數(shù)的幾倍，這個熱時間常數(shù)可能導致背光照明發(fā)光二極管 內(nèi)過大的和可能損壞的熱梯度，不利于發(fā)光二極管的長壽命。
例如，如圖2所示，液晶顯示板的背光照明可以使用一種技術來 實現(xiàn)，在這種技術中與垂直回掃信號同步地消隱背光照明發(fā)光二極管。 在這個圖中，用于液晶顯示板的背光照明的視頻信號20的垂直回掃間 隔IO與發(fā)光二極管的截止時間35和導通時間30是同樣的，發(fā)光二極 管的截止時間35和導通時間30是由發(fā)光二極管的驅(qū)動電流ID ( t )控 制的。
例如，Yamada等人在文獻"基于利用發(fā)光二極管背光照明的OCB 的時序彩色液晶顯示器"(信息顯示學會雜志10 (1) ， 2002年，第 81-85頁)中描述了一種彩色視頻顯示器，這種顯示器利用了一個單 色的液晶顯示板，具有用于背光照明的順序啟用的紅、綠、藍(RGB) 發(fā)光二極管。這種系統(tǒng)在原理上比傳統(tǒng)的液晶顯示板更簡單，并且制 造可能更經(jīng)濟，傳統(tǒng)的液晶顯示板利用的是白色背光照明和RGB濾光 器的矩陣，其中要對每一個顯示像素配置彩色濾光器元件。然而，發(fā) 光二極管的每種顏色只能加電約1.2毫秒，或者是為傳統(tǒng)的液晶顯示 背光照明分配的時間的大約10%。因此，必須使用用于傳統(tǒng)的發(fā)光二 極管的背光照明的電流數(shù)量的約IO倍的電流來驅(qū)動發(fā)光二極管，才能 維持與同樣數(shù)目的發(fā)光二極管相同的液晶顯示屏幕亮度。如很容易理
解地，這種操作模式因而極大地增加了例如在發(fā)光二極管管芯和它的 焊線上的熱應力。
現(xiàn)有技術的用于大通量發(fā)光二極管的驅(qū)動技術使用了模擬的和數(shù) 字的兩種電流控制，如2ukauskas等人在文獻"固態(tài)照明引論" (Wiley-Interscience， 2002年)中所描述的。如所討論的，數(shù)字控 制的最普通的形式是脈沖寬度調(diào)制(PWM)。數(shù)字和模擬這兩種控制的 發(fā)光二極管背光照明在垂直回掃間隔期間的消隱包括將驅(qū)動電流從滿 功率切換到零，等待回掃間隔的持續(xù)時間，然后將驅(qū)動電流切換回到 滿功率。
美國專利No. 4190836公開了 一種發(fā)光二極管驅(qū)動電路，其中通過 與每個發(fā)光二極管并聯(lián)連接的電容器擴大驅(qū)動電流脈沖的前沿和后 沿。在圖3中表示的是電容器對于驅(qū)動電流的影響效果，其中通過電 容器的充電和放電使得驅(qū)動電流的前沿40和后沿50都加長了。然而，對于發(fā)光二極管驅(qū)動電路的這種配置來說，電容器只抑制了總電流脈 沖中的高次諧波，否則可能產(chǎn)生能干擾射頻信號的高頻電磁輻射?？?電流是發(fā)光二極管驅(qū)動電流再加上電容器電流之和。因此，電容器減 小了重復脈動的發(fā)光二極管系統(tǒng)的驅(qū)動電路負荷并且基本上抑制了高 次諧波的電磁輻射的產(chǎn)生和發(fā)射。但所公開的電子電路既不能影響通 過每個發(fā)光二極管的瞬時電流，也不能減小發(fā)光二極管內(nèi)的熱應力。
因此，需要一種新的方法和設備，來減小在操作期間如在重復的 導通和截止的循環(huán)期間加到發(fā)光元件上的熱應力。
提供這樣的背景信息是為了揭示本申請人相信的有可能與本發(fā)明 有關的信息。不必期望承認也不應該認為，任何在先的信息構成了對 抗本發(fā)明的現(xiàn)有技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供用于減小發(fā)光元件中熱應力的方法和設 備。按照本發(fā)明的一個方面，提供一種用于控制在一個或多個發(fā)光元 件的第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期期
間在一個或多個發(fā)光元件中的熱應力的設備，所述的設備包括監(jiān)測 模塊，配置成估算第一驅(qū)動電流狀態(tài)；控制系統(tǒng)，配置成根據(jù)第一驅(qū) 動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)確定驅(qū)動電流瞬時值，所述的 控制系統(tǒng)進一步還配置成估算驅(qū)動電流瞬時值以便維持一個或多個發(fā) 光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內(nèi)；和驅(qū)動電流控制裝 置，按照驅(qū)動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發(fā)光 元件的驅(qū)動電流。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于控制在一個或多個發(fā)光元 件的第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期期 間在一個或多個發(fā)光元件中的熱應力的方法，所述方法包括如下步驟 監(jiān)測第一驅(qū)動電流狀態(tài)；根據(jù)第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài) 確定驅(qū)動電流瞬時值，所確定的所述驅(qū)動電流瞬時值是為了維持一個 或多個發(fā)光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內(nèi)；和按照驅(qū) 動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發(fā)光元件的驅(qū)動 電流。


圖l表示在將驅(qū)動電流從400毫安切換到IO毫安之后綠色發(fā)光二 極管的按時間分辨的結(jié)溫變化(取自Farkas等人的文獻，M(M年)， 驅(qū)動電流是從右側(cè)縱坐標表示的正向電壓導出的；
圖2說明背光照明的發(fā)光二極管消隱的現(xiàn)有技術，其中與垂直回
掃信號同步地消隱背光照明發(fā)光二極管；
圖3表示現(xiàn)有技術的使用與發(fā)光二極管并聯(lián)連接的電容器的重復
脈沖式發(fā)光二極管驅(qū)動電流的驅(qū)動電流瞬時值；
圖4表示按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)的示意方塊圖； 圖5表示按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)的示意方塊圖； 圖6表示按照本發(fā)明的實施例的正向電壓瞬時值Uf(t); 圖7說明按照本發(fā)明的實施例的一個模擬驅(qū)動電流的驅(qū)動電流瞬
時值的形狀；
圖8表示按照本發(fā)明的實施例的脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動電流的瞬時 脈沖序列；
圖9表示按照本發(fā)明的實施例的脈沖式驅(qū)動電流的驅(qū)動電流瞬時 值的形狀；
圖IO表示用于按照本發(fā)明的一個實施例的驅(qū)動電流控制順序的一 個流程圖。
具體實施方式
定義
使用術語"發(fā)光元件"(LEE)來定義一種器件，當例如通過在器 件的兩端加上一個電位差時或者一個電流通過器件來激勵所述的器件 時，這個器件在電磁波譜的一個區(qū)域中或區(qū)域的組合中發(fā)射輻射，例 如在可見光區(qū)、紅外和/或紫外光區(qū)中發(fā)射輻射。因此，發(fā)光元件可 以有單色的、準單色的、多色的、或?qū)拵Ч庾V的發(fā)射特性。發(fā)光元件 的例子包括半導體、有機的或聚合物/聚合的發(fā)光二極管、涂敷光 泵磷光體的發(fā)光二極管、光泵納米晶體發(fā)光二極管、或其它類似的器 件，本領域的普通技術人員對此是容易理解的。而且，使用術語發(fā)光 元件來定義發(fā)射輻射的特定器件，例如發(fā)光二極管管芯，這個術語同 樣可以用來定義特定器件的組合，所述特定器件的組合與放置一個或多個特定器件的外殼或封裝一起發(fā)射輻射。
使用術語"控制系統(tǒng)，，來定義能夠接收輸入信號、按照參數(shù)處理 輸入信號使其成為輸出信號以及提供輸出信號的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)能夠 按可操作方式通過控制系統(tǒng)的輸入和/或輸出接口連接到一個或多個 外圍設備。外圍設備能給控制系統(tǒng)提供輸入信號或者從控制系統(tǒng)接收 輸出信號?？刂葡到y(tǒng)可以包括模擬的或數(shù)字的計算裝置，如微控制器、
中央處理單元(CPU)、或輸入/輸出接口設備。接口設備可以包括模
擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器或數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，以接收或提供足以用于外圍設備 的形式的輸入和輸出信號。外圍設備可以包括用戶輸入/輸出設備， 用于在用戶和控制系統(tǒng)之間交換期望的用戶請求或控制系統(tǒng)參數(shù)?？?制系統(tǒng)可以包括一個或多個存儲設備。存儲設備可以具有易失性和非
易失性存儲特性并且可以包括計算機存儲器，如RAM、 PR0M、 EPR0M、 EEPR0M、軟盤、光碟、光盤、磁帶、或類似物，其中的與控制系統(tǒng)耦 合的用于監(jiān)視或控制所述的設備的控制程序(如軟件、微型代碼、或 固件)和/或數(shù)據(jù)例如可由CPU存儲和執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)提供按照用戶 指定的操作條件控制某些外圍設備的操作條件的裝置?？刂葡到y(tǒng)借助 用戶接口可以接受用戶指定的指令，用戶接口例如鍵盤、觸摸板、觸 摸屏、控制臺、視覺或聽覺輸入裝置、或本領域的普通技術人員熟知 的其它形式的用戶輸入設備。
使用術語"驅(qū)動電流控制裝置"來定義配置成控制提供給一個或 多個發(fā)光元件的驅(qū)動電流的裝置。驅(qū)動電流控制裝置可以包括驅(qū)動電 流執(zhí)行裝置或其它本領域的普通技術人員公知的驅(qū)動器?？梢詫Ⅱ?qū)動 電流控制裝置集成到控制系統(tǒng)內(nèi)，或者驅(qū)動電流控制裝置可以是從控 制系統(tǒng)接收操作參數(shù)的單獨的部件。
如這里所用的，術語"大約"指的是距標稱值有±10%的偏差。應 該理解，這樣一個偏差總是包括在這里提供的任何指定的數(shù)值之內(nèi)， 而不管這個數(shù)值是否具體地指出。
除非另有規(guī)定，這里所用的所有科技術語都具有與本發(fā)明所屬領 域中普通技術人員通常所理解的相同的含義。
本發(fā)明提供用于控制熱梯度并且因而控制需要曝露給變化的驅(qū)動 電流條件的發(fā)光元件中的熱應力的方法和設備。所述的方法和設備通 過自適應地確定第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的驅(qū)動電流瞬時值來減小發(fā)光元件上的熱應力。可以使用 一個或多個發(fā)光元件 兩端的正向電壓作為發(fā)光元件的整體溫度的指示值，其中對于一個已 知的驅(qū)動電流，從操作條件下的正向電壓可以推斷出發(fā)光元件內(nèi)有關 熱梯度的見識。如果已經(jīng)過了足夠的時間以便平衡發(fā)光元件的溫度分 布，則正向電壓與發(fā)光元件的溫度相當對應。根據(jù)發(fā)光元件的尺寸和 它對環(huán)境的熱耦合狀況，在亞微秒到亞秒的時幀內(nèi)，在發(fā)光元件內(nèi)的 穩(wěn)定熱條件即可達到。
按照本發(fā)明，當驅(qū)動電流在第 一驅(qū)動電流和第二驅(qū)動電流之間變 化時，要確定驅(qū)動電流瞬時值以減小在一個或多個發(fā)光元件兩端正向 電壓的變化速率。驅(qū)動電流控制裝置耦合到一個或多個發(fā)光元件和控 制系統(tǒng)，其中驅(qū)動電流控制裝置配置成控制按照所確定的驅(qū)動電流瞬 時值在過渡周期期間加到一個或多個發(fā)光元件上的驅(qū)動電流。所述的 設備按照這種方式提供用于控制在過渡周期期間在一個或多個發(fā)光元 件中的熱應力的裝置。
在本發(fā)明的實施例中，通常可通過不同的機制來控制發(fā)光元件驅(qū)
動電流，這些機制例如有脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈碼調(diào)制(PCM)、 或包括模擬形式控制在內(nèi)的其它機制。因此，例如可以通過脈沖寬度 調(diào)制的幅度和脈沖寬度調(diào)制的占空比、脈碼調(diào)制的幅度和脈碼密度、 或驅(qū)動電流的幅度來描述驅(qū)動電流狀態(tài)。術語"驅(qū)動電流狀態(tài)"從根 本上來說描述的是驅(qū)動電流相對于時幀的移動平均值(moving average),這個時幀要足夠地短，以便能夠分辨(resolve )發(fā)光元 件的熱響應。
通過選擇適當?shù)目刂茀?shù)，例如對于脈沖寬度調(diào)制和脈碼調(diào)制的 控制系統(tǒng)的足夠的脈沖頻率或脈沖密度，可以實現(xiàn)基本上穩(wěn)定的熱操 作條件。超過1千赫茲數(shù)量級的脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動頻率通常足以維持 發(fā)光元件內(nèi)的熱梯度在可接受的限值內(nèi)。然而，當在幾個相繼的工作 循環(huán)內(nèi)發(fā)生明顯的占空因數(shù)變化時，熱梯度可能會增加的過多。在一 般情況下，在驅(qū)動電流狀態(tài)之間以快于發(fā)光元件的熱時間常數(shù)幾倍的 速率的變化可將所述的器件暴露到過量的熱致應力中。要說明的是， 相同的發(fā)光元件的不同耦合可以引起不同的熱梯度，因此可用于本發(fā) 明的不同的實施方案，同時仍可使用相同的發(fā)光元件，不同的驅(qū)動電 流瞬時值都是可以應用的以便減小這些熱梯度。如很容易理解地，驅(qū)動電流從初始狀態(tài)變化到隨后的穩(wěn)定狀態(tài)的 速率取決于參數(shù)，如實施本發(fā)明的顯示器、照明或發(fā)光系統(tǒng)的特定設 計和性質(zhì)。例如，發(fā)光元件的類型、發(fā)光元件粘結(jié)或固定的方式、和 /或與系統(tǒng)相關的散熱器類型都可能影響驅(qū)動電流變化以維持期望的 熱梯度的最大速率。
在本發(fā)明的一個實施例中，在基于LEE的背光照明的顯示系統(tǒng)的 發(fā)光元件中，對于熱應力進行控制，以使其中的驅(qū)動電流和隨后的發(fā) 光元件管芯溫度隨時間的變化在毫秒數(shù)量級。要說明的是，本發(fā)明可 用在顯示器、發(fā)光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、或其它的需要對發(fā)光元件的熱應 力進行相應管理的照明系統(tǒng)中。
由于作為例子已經(jīng)特別關注了顯示系統(tǒng)的背光照明系統(tǒng)，與系統(tǒng)
成可以需要與垂直回掃信號或水平跟蹤信號同步地導通或截止。因此 可以使用具有固定的占空比的脈沖寬度調(diào)制控制器來控制背光照明系 統(tǒng)的亮度。典型的視頻信號的幀速范圍為50 - 100赫茲，具有從亞毫 秒到毫秒長的垂直回掃信號。因此，背光照明的相應的占空因數(shù)可能 接近l。
照明設備包括用于產(chǎn)生光的一個或多個發(fā)光元件。將驅(qū)動電流控 制裝置耦合到一個或多個發(fā)光元件的每一個并且能選擇性地向一個或 多個發(fā)光元件中的每一個提供電的驅(qū)動電流，其中驅(qū)動電流控制裝置 響應于從控制系統(tǒng)接受的驅(qū)動信號。對于控制系統(tǒng)進行配置，以便響 應與照明設備的操作條件有關的所收集的信息產(chǎn)生向驅(qū)動電流控制裝 置傳送的一個或多個驅(qū)動信號。按照本發(fā)明對于驅(qū)動信號進行配置， 其中在第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的驅(qū)動電流過渡期 間，通過估算在第 一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的驅(qū)動電 流瞬時值，通過自適應地修改驅(qū)動電流信號，可以減小一個或多個發(fā) 光元件中的熱應力。
設備
本發(fā)明提供用于控制在第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流 狀態(tài)之間的過渡周期期間在一個或多個發(fā)光元件中熱應力的設備。所 述的設備包括 一個監(jiān)測模塊，用于估算第一驅(qū)動電狀態(tài)；和一個控 制系統(tǒng)，配置成根據(jù)第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)確
ii定驅(qū)動電流瞬時值?？刂葡到y(tǒng)進一步還配置成估算驅(qū)動電流瞬時值， 以便將一個或多個發(fā)光元件兩端的正向電壓變化速率維持在預先確定 的限值之內(nèi)。所述的設備進一步還包括驅(qū)動電流控制裝置，用于按照驅(qū) 動電流瞬時值控制在過渡周期傳送到一個或多個發(fā)光元件的驅(qū)動電 流。
在本發(fā)明的 一 個實施例中，用于收集代表第 一驅(qū)動電流狀態(tài)的信 息的監(jiān)測模塊是一個驅(qū)動電流傳感器。監(jiān)測模塊的這種配置可以提供 驅(qū)動電流狀態(tài)的一個基本上是直接的指示。例如，驅(qū)動電流傳感器可 以是一個固定電阻器、可變電阻器、電感器、霍爾效應電流傳感器、 或者具有已知的電壓-電流關系并且能提供流過一個或多個發(fā)光元件 的電流測量值的其它元件。
在本發(fā)明的一個實施例中，監(jiān)測模塊是一個正向電壓傳感器，用 于估算提供給一個或多個發(fā)光元件的正向電壓，并且由此可確定給其 提供的第一驅(qū)動電流。
在另一個實施例中，監(jiān)測模塊配置成檢測某些脈沖寬度調(diào)制的或 脈碼調(diào)制的參數(shù)，或檢測代表瞬時操作狀態(tài)(即驅(qū)動電流狀態(tài))的其 它裝置。例如，從幅度、占空因數(shù)、或脈沖密度的組合，可以確定或 導出第一驅(qū)動電流狀態(tài)。
為了進行總體的強度控制，可以實現(xiàn)用于產(chǎn)生恒定的脈沖寬度調(diào) 制幅度和變化的脈沖寬度調(diào)制占空因數(shù)的一種機制，以便向一個或多 個發(fā)光元件提供通常期望的驅(qū)動電流。
通過一種才幾制或機制的組合可以實現(xiàn)驅(qū)動電流瞬時控制。在一個 實施例中，通過控制脈沖寬度調(diào)制的幅度可以配置在一個脈沖寬度調(diào) 制脈沖的開始和結(jié)束時的驅(qū)動電流瞬時值。在另一個實施例中，當脈 沖寬度調(diào)制的頻率足夠高時，通過逐漸改變脈沖寬度調(diào)制的占空因數(shù)， 可以配置驅(qū)動電流瞬時值。在本發(fā)明的另一個實施例中并且根據(jù)期望 的應用場合，可以在超過一個脈沖寬度調(diào)制的占空比上，可以擴展驅(qū) 動電流瞬時值的對應幅度控制。
圖4是具有按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)的照明系統(tǒng)675 的方塊圖?？刂葡到y(tǒng)654從監(jiān)測模塊655接收反饋信息，它提供代表 第一驅(qū)動電流狀態(tài)的信息。根據(jù)第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動 電流狀態(tài)，控制系統(tǒng)654估算驅(qū)動電流瞬時值，以維持在一個或多個發(fā)光元件"6兩端的正向電壓變化速率在預先確定的限值之內(nèi)。控制 系統(tǒng)654根據(jù)估算的驅(qū)動電流瞬時值向驅(qū)動器652提供控制信號，驅(qū) 動器652控制向一個或多個發(fā)光元件656供給電流。以此方式，在估 算驅(qū)動電流瞬時值時，驅(qū)動器652在過渡周期期間能控制驅(qū)動電流， 從而可以在過渡周期期間將電壓隨時間的變化減至最小。
圖5是用按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)配置的照明系統(tǒng) 700的方塊圖，所述的控制系統(tǒng)可用于背光照明設備，因為這個控制系 統(tǒng)此外還要響應于消隱信號?？刂葡到y(tǒng)704監(jiān)測消隱信號線712，以便 確定什么時間經(jīng)過與之連接的驅(qū)動器702啟動和控制發(fā)光元件的驅(qū)動 電流瞬時值。而且5控制系統(tǒng)704從監(jiān)測模塊接收反饋信息；反饋信
息提供代表第 一驅(qū)動電流狀態(tài)的信息。根據(jù)第 一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望 的第二驅(qū)動電流狀態(tài)，控制系統(tǒng)704可估算驅(qū)動電流瞬時值，以維持 在一個或多個發(fā)光元件706兩端的正向電壓的變化速率在預先確定的 限值之內(nèi)。 一個或多個發(fā)光元件706連接到地708并且經(jīng)過驅(qū)動器702 連接到電源710。以此方式，在估算預先確定的驅(qū)動電流瞬時值時，驅(qū) 動電流控制裝置在過渡周期期間控制驅(qū)動電流，以使電壓在過渡周期 期間隨時間的變化最小。
根據(jù)以上所述，本領域的普通技術人員容易理解如何修改如圖4 或5所示的方塊圖，以便在操作條件下減小發(fā)光元件中的熱應力。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過例如可控的可變電源、調(diào)節(jié)來自 恒流源的電流的可控的可變電阻、和/或另外的恒定驅(qū)動電流的脈沖 寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制、或者本領域的普通技術人員容易理解的其它方 式，都可以改變提供給一個或多個發(fā)光元件的驅(qū)動電流。
在本發(fā)明的一個實施例中，為了對于提供給一個或多個發(fā)光元件 的電流進行數(shù)字控制，可以保持有足夠高頻率的脈沖序列的占空因數(shù) 或脈沖密度不變，同時在一個足夠長的時幀內(nèi)平滑地改變脈沖幅度， 這樣就可以確定啟動在第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間轉(zhuǎn) 變的驅(qū)動電流瞬時值。
驅(qū)動電流瞬時值的估算
對于在第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期， 自適應地確定驅(qū)動電流瞬時值，其中確定驅(qū)動電流瞬時值是為了在過 渡周期期間維持正向電壓變化速率在預先確定的限值之內(nèi)。能對于在
13第 一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期期間的正向電 壓的變化進行充分的控制，可以減小在過渡周期期間在發(fā)光元件上產(chǎn) 生的熱應力。
通過起始評估一個或多個發(fā)光元件的瞬時值或第一驅(qū)動電流狀 態(tài)，可以估算驅(qū)動電流瞬時值。如以上所述，第一驅(qū)動電流狀態(tài)可以 直接檢測出來或者例如從幅度、占空因數(shù)、或脈沖密度的組合導出。 隨后，根據(jù)所估算的有關發(fā)光元件的當前運行特性的信息，并且還要 根據(jù)有關照明裝置本身特性的信息，例如熱管理設計、發(fā)光元件類型、 等等，所述的控制系統(tǒng)可以估算出在第一驅(qū)動電流瞬時值和第二驅(qū)動 電流狀態(tài)之間的過渡周期的驅(qū)動電流瞬時值。
在估算驅(qū)動電流瞬時值時，控制系統(tǒng)還要向驅(qū)動電流控制裝置提 供驅(qū)動電流信號，以便按照所確定的驅(qū)動電流瞬時值瞬時地調(diào)節(jié)驅(qū)動 電流或驅(qū)動電流的占空比。才艮據(jù)第一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀 態(tài)之間的關系，這種調(diào)節(jié)可能增加或者可能減小驅(qū)動電流。
按照本發(fā)明的一個實施例，圖6示意地表示用于期望的正向電壓 瞬時值Uf ( t )的驅(qū)動電流瞬時值的例子。正向電壓的變化可以具有S 狀的時間依賴性，例如Uf (t) (l+exp(—t/a))'，或者其它的可減
小發(fā)光元件內(nèi)的熱梯度的基本上平滑的瞬時值，其中可以將參數(shù)a適 當?shù)剡x擇為一個正數(shù)，這個正數(shù)稱之為瞬時速率常數(shù)。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過對于本發(fā)明的一個實施方案求解 傳熱方程可以確定驅(qū)動電流瞬時值Uf (t)。根據(jù)驅(qū)動電流的控制是按 照模擬方式還是按照數(shù)字方式來確定估算和應用期望的驅(qū)動電流瞬時 值的步驟。
可以使用其它的驅(qū)動電流瞬時值配置，它可以具有例如包括線性 的、拋物線的、曲線的、指數(shù)的形狀、或者容易理解的其它形狀，條 件只是正向電壓的變化速率要保持在預先確定的范圍之內(nèi)，由此可以 減小在一個或多個發(fā)光元件中的熱應力。
模擬電流的控制
模擬電流的控制指的是對于通過發(fā)光元件的連續(xù)電流的控制，與 控制的實現(xiàn)是用數(shù)字方式還是用模擬方式無關，這里所述的連續(xù)電流 與模擬電流同義。
在本發(fā)明的 一個實施例中，模擬發(fā)光元件驅(qū)動電流控制裝置可以通過明顯減小所加正向電壓的變化速率至最小，并且按照預先確定的
瞬時形狀，例如直線的、指數(shù)的、s狀、或者可減小一個或多個發(fā)光元
件中由驅(qū)動電流引起的熱應力的其它形狀，控制驅(qū)動電流瞬時值。用 于控制驅(qū)動電流瞬時值的形狀的控制系統(tǒng)例如可以包括一個預先確定 的硬接線的電子驅(qū)動器電路或者一個可編程數(shù)字控制的模擬驅(qū)動電 路。
在本發(fā)明的一個實施例中，使用數(shù)字控制的模擬驅(qū)動電路。數(shù)字 控制的模擬驅(qū)動電路可提供較大的靈活性和適應性。但這種配置比較 復雜，并且成本有效性較差。
圖7表示的是模擬驅(qū)動電流的時間依賴性的例子，模擬驅(qū)動電流 提供了按照本發(fā)明的一個實施例的各個連續(xù)變化的高和低電平驅(qū)動電 流之間的基本上平滑的驅(qū)動電流瞬時值70。當按照模擬方式控制驅(qū)動 電流時，按照本發(fā)明的方法和設備可以根據(jù)瞬時的或第一驅(qū)動電流狀 態(tài)和期望的或第二驅(qū)動電流狀態(tài)確定驅(qū)動電流瞬時值。做為選擇，通 過這個控制系統(tǒng)可以擴大顯著突然的驅(qū)動電流變化以便按照希望遵照 平滑的驅(qū)動電流瞬時值70，從而可以限制在一個或多個發(fā)光元件中的 熱梯度和熱應力。然后產(chǎn)生驅(qū)動電流控制信號，并將其提供給驅(qū)動電 流控制裝置以影響對應的驅(qū)動電流瞬時值。
例如，當使用光學傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)還要配備正向電壓傳感 器時，可將這個控制系統(tǒng)配置成能夠維持一個期望的發(fā)光元件亮度， 同時還能夠限制正向電壓的變化速率。這樣的配置可以實現(xiàn)用于控制 一個或多個發(fā)光元件的控制系統(tǒng)，從而可以迅速而穩(wěn)定地進行一個或 多個發(fā)光元件的運行調(diào)節(jié)，而不會出現(xiàn)不期望的亮度偏離。
數(shù)字電流控制
數(shù)字電流控制指的是對通過發(fā)光元件的非連續(xù)電流的控制，與控 制的實現(xiàn)是通過數(shù)字方式還是模擬方式無關，非連續(xù)電流在這里與數(shù) 字電流同義。
在本發(fā)明的一個實施例中，使用數(shù)字發(fā)光元件驅(qū)動電流控制裝置 來控制驅(qū)動電流瞬時值，例如通過分別調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制序列或脈碼 調(diào)制脈沖的脈沖寬度調(diào)制的占空因數(shù)或脈碼調(diào)制的脈沖速率來實現(xiàn)這 種控制，以使脈沖寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制的平均電流遵循所確定的驅(qū)動 電流瞬時值的形狀，例如是直線的、S形的、指數(shù)的、或能夠減小一個或多個發(fā)光元件中驅(qū)動電流引起的熱應力的其它形狀。應該理解，數(shù)
字驅(qū)動電流的控制系統(tǒng)除了可以利用脈沖寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制之外，
還可以使用數(shù)字控制技術。
在本發(fā)明的一個實施例中，當驅(qū)動電流的控制是通過數(shù)字驅(qū)動電 流控制裝置實現(xiàn)的時候，按照本發(fā)明的設備例如通過瞬時的占空因數(shù) 或者對其進行直接檢測可以確定第 一驅(qū)動電流狀態(tài)。控制系統(tǒng)隨后估 算一個驅(qū)動電流瞬時值的序列，以便從代表第 一驅(qū)動電流狀態(tài)的瞬時 占空因數(shù)到代表期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)的期望的占空因數(shù)轉(zhuǎn)換按時 間平均的驅(qū)動電流。然后將控制信號提供給驅(qū)動電流控制裝置，以便 適當?shù)卦黾踊驕p小在預先確定的時間周期的占空比或脈沖密度。
例如圖8表示一個脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動脈沖的一個序列，按照本發(fā) 明的一個實施例，該序列具有隨時間幀62增加的占空比。這個序列可 以被認為是一種基本上平滑的驅(qū)動電流瞬時值的形式，因為它的配置 通過平滑地轉(zhuǎn)換平均驅(qū)動電流基本上避免了平均驅(qū)動電流的突然跳 躍，因而避免了從一個占空比到下一個占空比的溫度梯度和熱致應力 的突然變化。
在本發(fā)明的一個實施例中，當脈沖頻率足夠高，以致發(fā)光元件內(nèi) 的溫度梯度只是可忽略地上下漲落，而所述的溫度梯度則被這些脈沖 反復地激活和退激，脈沖的上升肩和下降肩(rising and falling shoulders )的準確形狀通常不太可能引起有效數(shù)量的熱致應力。
在一個實施例中，能使驅(qū)動電脈沖的上升肩和下降肩配置成，每 當截止時間與發(fā)光元件的特征熱動力行為(characteristic thermal dynamics )相比較長的時候，遵循平滑的瞬時值。 一旦脈沖頻率或脈
沖密度實質(zhì)上很低，就可能發(fā)生相當長的截止時間。在圖9中表示的 是具有平滑的驅(qū)動電流瞬時值的驅(qū)動電流脈沖的例子，圖9表示平滑
上升的驅(qū)動電流瞬時值72和平滑下降的驅(qū)動電流瞬時值74。
圖10表示用于按照本發(fā)明的一個實施例的驅(qū)動電流控制順序600 的一個流程圖。驅(qū)動電流控制順序600按照前饋方式控制驅(qū)動電流。 要說明的是，例如通過使用光學傳感器和正向電壓傳感器，還可以使 用反饋控制方式控制驅(qū)動電流瞬時值。這個程序在步驟602啟動，在 這里將參數(shù)i初始設定為l;在步驟604監(jiān)測驅(qū)動電流變化信號，例如 垂直回掃信號。在步驟606，將驅(qū)動電流的當前值與期望的新的驅(qū)動電流值進行比較。如果新的驅(qū)動電流值和當前驅(qū)動電流不同，則在步驟
608按照預先確定的或自適應的驅(qū)動電流瞬時值將當前的驅(qū)動電流設 定到新的驅(qū)動電流值。驅(qū)動電流在過渡周期期間的變化，即驅(qū)動電流 瞬時值，可以根據(jù)預先確定的線性的或非線性的時間函數(shù)(temporal function)進行確定，對于所述的時間函數(shù)進行選擇，以使正向電壓 的變化速率在這個過渡周期期間仍舊在預定的限值之內(nèi)，并且驅(qū)動電 流可以從第 一驅(qū)動電流狀態(tài)轉(zhuǎn)變到第二驅(qū)動電流狀態(tài)，同時明顯地減 小了在一個或多個發(fā)光元件中產(chǎn)生的熱應力。
顯然，本發(fā)明的上述實施例都是一些實例，并且能以許多方式改 變上述實施例。這樣一些現(xiàn)在的或?qū)淼淖兓疾槐徽J為是背離了本 發(fā)明的構思和范圍，期望在本領域中的所有的這樣一些改進都包括在 下面的權利要求書的范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種設備，用于控制在一個或多個發(fā)光元件的第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期期間在一個或多個發(fā)光元件中的熱應力，所述的設備包括a)監(jiān)測模塊，配置成估算第一驅(qū)動電流狀態(tài)；b)控制系統(tǒng)，配置成根據(jù)第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)確定驅(qū)動電流瞬時值，所述的控制系統(tǒng)進一步還配置成估算驅(qū)動電流瞬時值以便維持一個或多個發(fā)光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內(nèi)；和c)驅(qū)動電流控制裝置，按照驅(qū)動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發(fā)光元件的驅(qū)動電流。
2、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中對于驅(qū)動電流控制裝置進 行配置，以便使用脈沖寬度調(diào)制、脈碼調(diào)制、或模擬控制來控制驅(qū)動 電流。
3、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中監(jiān)測模塊是驅(qū)動電流傳感器。
4、 根據(jù)權利要求3所述的設備，其中驅(qū)動電流傳感器是從下面 的組中選擇出來的固定電阻器、可變電阻器、電感器、和霍爾效應 電流傳感器。
5、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中監(jiān)測模塊是正向電壓傳感器。
6、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中對于驅(qū)動電流控制裝置進 行配置，以便使用脈沖寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制來控制驅(qū)動電流，并且其 中對于監(jiān)測模塊進行配置，以便檢測脈沖寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制的參 數(shù)。
7、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其用于背光照明裝置中，其中對 于控制系統(tǒng)進行配置以便響應一個消隱信號，其中對于一個或多個發(fā) 光元件的控制與消隱信號同步。
8、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中驅(qū)動電流瞬時值具有從下 面的組中選擇出來的形狀直線的、拋物線的、曲線的、指數(shù)的和S 形的。
9、 一種用于控制在一個或多個發(fā)光元件的第一驅(qū)動電流狀態(tài)和期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)之間的過渡周期期間在一個或多個發(fā)光元件中的熱應力的方法，所述方法包括如下步驟a) 監(jiān)測第 一驅(qū)動電流狀態(tài)；b) 根據(jù)第 一驅(qū)動電流狀態(tài)和第二驅(qū)動電流狀態(tài)確定驅(qū)動電流瞬時 值，所確定的所述驅(qū)動電流瞬時值是為了維持一個或多個發(fā)光元件兩 端的正向電壓變化速率在預定的限制內(nèi)；和c) 按照驅(qū)動電流瞬時值在過渡周期期間控制傳送到一個或多個發(fā) 光元件的驅(qū)動電流。
10、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中驅(qū)動電流瞬時值具有從 下面的組中選擇出來的形狀直線的、拋物線的、曲線的、指數(shù)的、 和S形的。
11、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中監(jiān)測第一驅(qū)動電流狀態(tài) 包括收集驅(qū)動電流數(shù)據(jù)。
12、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中監(jiān)測第一驅(qū)動電流狀態(tài) 包括收集正向電壓數(shù)據(jù)。
13、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中使用脈沖寬度調(diào)制或脈 碼調(diào)制來實現(xiàn)驅(qū)動電流的控制，并且其中監(jiān)測第一驅(qū)動電流狀態(tài)包 括檢測脈沖寬度調(diào)制或脈碼調(diào)制的參數(shù)。
14、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中使用脈沖寬度調(diào)制或脈 碼調(diào)制或模擬控制來實現(xiàn)驅(qū)動電流的控制。
全文摘要
本發(fā)明提供用于控制發(fā)光元件中熱梯度并因而可以控制發(fā)光元件中的熱應力的方法和設備，其中發(fā)光元件暴露到在操作條件下改變驅(qū)動電流引起的溫度梯度中。按照本發(fā)明的方法和設備通過自適應地確定用于從第一驅(qū)動電流狀態(tài)到期望的第二驅(qū)動電流狀態(tài)所需的驅(qū)動電流變化的驅(qū)動電流瞬時值可以減小發(fā)光元件中的熱應力，其中自適應地確定驅(qū)動電流瞬時值，以使在轉(zhuǎn)變周期期間所加電壓隨時間的變化實質(zhì)上減至最小。
文檔編號H01L23/34GK101507360SQ200780030620
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月10日 優(yōu)先權日2006年8月17日
發(fā)明者I·阿什當 申請人:Tir科技公司