操作电源电压小于LED的总正向电压的LED矩阵的制作方法

操作电源电压小于led的总正向电压的led矩阵
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年5月15日提交的美国临时专利申请号63/025638和2020年7月22日提交的欧洲专利申请号20187189.4的权益，其内容在此通过引用并入本文。


背景技术：

3.在发光二极管(led)照明电路中，直流(dc)电源可以被用于驱动一串串联连接的led。电源可以被实现为提供期望电流的电流源。电源的电压可以被调节到该串的led的总正向电压。换句话说，电源或电流源可以同时驱动所有的led。


技术实现要素：

4.一种照明单元，包括提供最大电压的电源和多个led照明电路。每个led照明电路包括led串、多个开关、开关序列发生器和开关控制器。led串包括多个串联连接的发射器，其总正向电压超过电源的最大电压。每个开关与led串的相应led并联耦合。开关序列发生器提供开关模式序列，使得每个开关模式中同时激活的led的总正向电压不超过电源的最大电压。开关控制器根据序列中的每个开关模式启动开关。多个led照明电路中的每一个的led串布置在二维阵列中。
附图说明
5.可从以下描述中获得更详细的理解，以下描述通过示例的方式结合所附附图给出，其中：
6.图1为示例led照明电路的框图；
7.图2为示出示例脉宽调制(pwm)开关序列的时序图；
8.图3是示出当使用图2的序列驱动时，图1的串中的led的相对光强度的示例图表；
9.图4为包括若干图1的led照明电路的示例照明单元的框图；
10.图5为可以用于led照明电路(例如图1和图4的led照明电路)的示例led阵列的俯视图；
11.图6为不包括图1-图4的实施例的元件、并且要求一串中的所有led同时打开的led照明电路的示意图；
12.图7为操作led照明电路的示例方法的流程图；
13.图8为一个示例车辆头灯系统的示意图；以及
14.图9为另一示例车辆头灯系统的示意图。
具体实施方式
15.下文将参考所附附图更全面地描述不同光照明系统和/或发光二极管实施方式的示例。这些示例不相互排斥，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征相组合，以实现另外的实施方式。因此，将被理解，所附附图中所示的示例仅
为了说明的目的而提供，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。类似的数字始终指代类似的元件。
16.将被理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语可以用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件并且第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”可以包括一个或多个相关联列出项目的任何和所有组合。
17.将被理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在”或“延伸到”另一个元件上时，它可以直接在或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”或“直接延伸到”另一个元件上时，可能没有中间元件的存在。还将被理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件和/或经由一个或多个中间元件连接或耦合到另一个元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，在该元件和另一个元件之间没有中间元件的存在。将被理解，除了图中描绘的任何取向之外，这些术语旨在涵盖元件的不同取向。
18.诸如“下面”、“上面”、“上边”、“下边”、“水平”或“垂直”的相对术语在本文可以用于描述一个元件、层或区域与图中所图示的另一个元件、层或区域的关系。将被理解，除了图中描绘的取向之外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。
19.一些照明应用(例如机动车照明应用)将led串用于各种目的，例如用于自适应前光束或矩阵前光束。由于安全标准，用于这种照明电路的驱动器的最大输出电压通常被限制为低于车辆接地的60v，通常具有由车辆制造商定义的裕量。在这个示例中，应用可用的最大输出电压可能是55v或甚至更低。在led照明应用的情况下，考虑到led的正向电压在低温下会显著增加，这种限制可能对一串中可以包括的led的数量产生约束。例如，如果led的总正向电压通常约为4v，但在寒冷条件下上升到4.5v，则十二个这种led的总正向电压已经接近制造商的极限。如果希望使用多于这个数量的led，则可能需要第二个驱动器。这会显著增加照明应用的总成本。
20.本文所述的实施例提供了一种led照明电路，其包括配置为提供最大电压的电源和包括若干串联连接的led的led串。led串的总正向电压可能超过电源的最大电压。led照明电路还可以包括开关布置，该开关布置包括若干开关，每个开关与led串的led并联耦合。led照明电路还可以包括开关序列发生器，用于提供pwm开关模式序列，使得在开关模式中同时激活的led的总正向电压不超过电源的最大电压。开关控制器可以被配置成根据开关模式来启动开关布置的开关。
21.因此，本文所述的实施例可以提供一种led照明电路，使更多数量的led能够由电源驱动。换句话说，led照明电路可能具有总正向电压超过其驱动器能力的led。可以以这样的方式驱动led，使得该串的led决不同时全部打开，并且在任一时间打开的led的总数不超过电源的最大电压。因为led是以这样的方式开关的，使得永远不会超过驱动器容量，所以led串可以包括任意数量的led。此外，例如，led串还可以包括具有更高最大驱动电流的led。
22.图1是示例led照明电路1的框图。在图1所示的示例中，led照明电路1包括led串1s，该led串1s包括若干串联连接的led 10(例如，在所示示例中标记为#1-#14的十四个led 10)。每个led 10具有正向电压vf。led照明电路1还可以包括电源11，该电源11被配置成提
供跨led串1s的最大电压v
max
。电源11可以是例如dc-dc转换器。串1s中的led 10的数量可以使得，在led 10全部同时打开的情况下，串1s中的led 10的总正向电压∑vf将超过电源的最大电压v
max
。在图1所示的示例中，可以假设电源11被配置为提供对应于10
·vf
的最大电压v
max
。如果所有的led 10同时打开，则它们的总正向电压14
·vf
将超过电源11的最大电压v
max
。
23.两个最里面的led#7和#8可以形成中央组1s_c。led#1-#6可以形成第一外部led组1s_o1，从串阳极开始。led#9-#14可以形成第二外部led组1s_o2，终止于串阴极。
24.在图1所示的示例中，led照明电路1还包括若干开关10s，其中每个开关10s可以与led串1s的led 10并联电耦合。因为这种开关用于旁路与其并联电耦合的led，所以它可以被称为旁路开关。然而，本领域的普通技术人员将认识到，其它实施例是可能的，其中某些led没有配备旁路开关，使得这些led在连接到电源时总是打开。
25.开关序列发生器12可以提供开关模式序列p1，...，p14，下文将参照图2对其进行更详细的说明。在开关模式p1，...，p4中同时激活的led 10的总正向电压不会超过电源11的最大电压v
max
。
26.在图1所示的示例中，led照明电路1还包括开关控制器13，其可以被配置为通过产生适当的开关控制信号，根据开关模式p1，...，p14启动选定的开关10s。开关10s可以以一个或多个集成电路(ic)的形式提供，每个集成电路在单个封装中包括开关和电平移动器，该单个封装可以与led一起安装在公共载体或pcb上。如本领域技术人员将已知的，这种开关ic可以在市场上买到。
27.在图1中未示出的另一示例中，led串可以包括以阳极至阴极的顺序串联的20个led#1-#20。在该示例中，led#9-#12可以形成中央组，led#1-#8可以形成第一外部led组，并且led#13-#20可以形成第二外部led组。在实施例中，中央led组可以包括led串中led总数的至多四分之一。中央组的led可以总是打开或大部分打开，而外部组中的led可以被驱动，使得它们从不同时打开。
28.在一些实施例中，中央led组的位置可以是动态的。例如，一个热点或一直打开的led组可能移动其在串中的位置。这种动态热点在自适应前照明应用中可能是有用的，以在转弯时响应于转向策略将光引导到弯道中，或者以先发制人的方式将光引导到弯道中。
29.在实施例中，可以使用100％的占空比或更小的占空比(诸如90％)驱动始终打开的热点或led组，以便节能或保护led避免过热。
30.图2为示出示例脉宽调制(pwm)开关序列的时序图。在图2所示的示例中，该序列包括十四个模式p1-p14的集合，并且该序列可以无限重复。然而，本领域的普通技术人员将认识到，序列可以包括任意数量的模式，并且图2中所示的模式p1-p14仅仅是示例性的。时序图的每一行对应于图1中的串中的led，并指示相应的led如何在打开状态和关闭状态之间切换。示例序列的每个模式p1，...，p14可以定义该串中led的打开/关闭状态。例如，在模式p1中，led#1-#6关闭，并且所有其他led打开。在模式p3中，led#1-#10打开，并且所有其他led关闭。
31.图2的时序图还说明了两个最里面的led#7和#8可以如何始终打开。在图2中还清楚地指示了外部led组1s_o1、1s_o2中的led的不同占空比。例如，led#1和led#14可以各自具有仅30％的占空比，而led#6和led#9可以各自具有90％的占空比。因此，串1s的激活led
的总正向电压可能永远不会超过驱动器的最大值。例如，模式p1的总正向电压p1_∑vf为8
·vf
，而模式p9的总正向电压p9_∑vf为10
·vf
。
32.在一些实施例中，图1的开关序列发生器12可以被配置为编译开关模式序列，其中外部led组的led的占空比短于中央led组的led的占空比。例如，外部led组的led可以都具有50％的占空比，并且外部led组的led的互补对可以交替开关，使得在任一时间每个这样的对中只有一个led打开。替代地，开关序列发生器12可以被配置为编译开关模式序列，其中外部led组的最外面的led的占空比比该外部led组的最里面的led的占空比短。换句话说，led的占空比可以随着离串中央距离的增加而减小。在一些实施例中，外部led组的最外面的led的占空比可以至多为30％。在其他实施例中，外部led组的最里面的led的占空比可以至多为90％。中央led组的led的占空比可以是100％，例如，每当串连接到电源，串中央的led就可以打开。
33.图3为示出当使用图2的序列驱动时，图1的串10s中的led 10的相对光强度的示例图表。在图3的图表中，每一列对应于图1的串1s的led，如标签#1-#14所指示。如果两个中央led#7和#8的强度被认为是1或100％，那么最外面的led#1和#14的相对强度可能仅仅是0.3或30％。
34.图4为示例照明单元的框图，该示例照明单元包括若干图1的led照明电路1。在图4所示的示例中，照明电路的五个led串1s布置在二维阵列40中，并且每个串1s包括16个串联连接的led(表示为阵列40的像素正方形)。驱动器模块41包括用于每个led串1s的一个驱动器11。每个驱动器可以递送有限的电压v
max
，该电压v
max
可能小于图中所示的串1s的总正向电压。照明单元4可能是有利的，因为阵列尺寸可以更大(即，在阵列中可以有更多的图像像素)，只要在任一时间在串中打开的led的总数不超过可以由对应的电源驱动的最大数量。
35.驱动器模块41可以包括与图1中所述的类似的单个开关序列发生器，但其可以配置为向每个led串1s提供开关模式序列。驱动器模块41还可以包括开关控制器，该开关控制器可以根据开关模式产生用于led串1s的开关的控制信号。
36.在驱动器尺寸不变的情况下，图像尺寸的增加可能是紧凑型应用(例如机动车信令灯)的一个重要方面。例如，现代车辆配备有可以向车主和/或其他交通参与者传达信息的照明单元。增加的图像尺寸可以提高可以示出的信息的质量。在一些实施例中，照明单元可以是：机动车自适应前光束、机动车日间行车灯等；或非机动车应用，例如室内照明应用或其中期望对led进行动态控制的动态聚光灯照明应用。
37.在一些实施例中，照明单元包括多个led照明电路，并且led串可以布置在二维阵列中。这样的实施例可以被用作矩阵灯，其中每个led充当像素或发射器。
38.图5为可以用于led照明电路(例如图1和图4的led照明电路)的示例led阵列510的俯视图。在图5所示的示例中，led阵列510是发射器511的阵列或矩阵。led阵列可以用于任何应用，例如需要精确控制led阵列发射器的应用。led阵列510中的发射器511可以是单独可寻址的，或者可以是分组/分子集可寻址的。
39.图5中还示出了led阵列510的3
×
3部分的分解图。如3
×
3部分的分解图所示，led阵列510可以包括发射器511，每个发射器具有宽度w1。在实施例中，宽度w1可以是大约100μm或更小(例如，40μm)。发射器511之间的通道513的宽度可以是w2。在实施例中，宽度w2可以是大约20μm或更小(例如，5μm)。通道513可以在相邻发射器之间提供气隙，或者可以包含其他
材料。从一个发射器511的中央到相邻发射器511的中央的距离d1可以是大约120μm或更小(例如，45μm)。将理解，本文提供的宽度和距离仅仅是示例，并且实际的宽度和/或尺寸可以变化。
40.将理解，尽管图5所示为布置在对称矩阵中的矩形发射器，但任何形状和布置的发射器均可以应用于本文所述的实施例。例如，图5的led阵列510可以包括超过20000个按照任何适当布置的发射器，例如200
×
100矩阵、对称矩阵、非对称矩阵等。还将理解，多组发射器、矩阵和/或板可以按照任何适当的形式布置，以实现本文描述的实施例。
41.如上所述，led阵列(诸如led阵列510)可以包括多达20000个或更多个发射器。这种阵列可能具有90mm2或更大的表面积，并且可能需要相当大的电力(例如60瓦或更大)来给它们供电。像这样的led阵列可以被称为微型led阵列或简称为微型led。微型led可以包括设置在衬底上的单个发射器的阵列，或者可以是分成形成发射器的片段的单个硅晶片或管芯。后一种类型的微型led可以被称为单片led。
42.图6为不包括图1-图4实施例的元件、并且要求一串中的所有led同时打开的led照明电路示意图。如上所述，控制串联连接的led串的通常方式一般包括其中该串的所有led同时打开的模式。然而，驱动器的最大电压不能超过制造商定义的阈值。在还必须能够在极冷条件下工作的机动车应用中，十二个4v led的总正向电压已经接近60v电源的上限(扣除制造商的安全裕量后)。因此，为了驱动与图1的led照明电路相同数量的led，图6所示的led照明电路需要两个驱动器11a、11b，每个驱动器可以驱动一个串段。这里，该电路将第一驱动器11a用于十二个led#1-#12的第一串1sa，并且将第二驱动器11b用于具有两个附加led#13和#14的第二串1sb。开关电路的元件相应地连接，例如与用于led#13和#14的开关的附加ic连接。
43.图7为操作照明单元(例如图4的照明单元)的示例方法的流程图700。在图7所示的示例中，可以提供照明单元(702)。照明单元可以是本文描述的任何照明单元。例如，照明单元可以包括被配置为提供最大电压的至少一个电源、二维发射器矩阵、具有超过至少一个电源的最大电压的总正向电压的至少一组二维发射器、多个开关(多个开关中的每一个与发射器中的相应一个并联耦合)、至少一个开关序列发生器、和至少一个开关控制器。
44.该方法还可以包括从至少一个开关序列发生器中检索至少一个开关模式序列(704)。在实施例中，至少一个开关模式序列使得每个开关模式中同时激活的led的总正向电压不超过至少一个电源的最大电压。
45.该方法还可以包括将开关模式序列应用于开关控制器(706)。在实施例中，开关控制器可以根据序列中的每个开关模式来启动开关。
46.图8为一个示例车辆头灯系统800的示意图，该示例车辆头灯系统800可以结合本文所描述的实施例和示例中的一个或多个。图8中所示的示例车辆头灯系统800包括电力线802、数据总线804、输入滤波器和保护模块806、总线收发器808、传感器模块810、led直流到直流(dc/dc)模块812、逻辑低压差(ldo)模块814、微控制器816、和主动式头灯818。在实施例中，主动式头灯818可以是信号灯，其可以(潜在地与车辆头灯系统800的其他部件和/或车辆头灯系统800外部的机动车部件相结合)被配置为在同一时间或在不同时间实现多种照明功能，并且在一些实施例中可以被用于确保可以满足各种安全规定。
47.电力线802可以具有从车辆接收电力的输入，并且数据总线804可以具有输入/输
出，通过该输入/输出可以在车辆和车辆头灯系统800之间交换数据。例如，车辆头灯系统800可以从车辆中的其他位置接收指令、诸如打开转向信号或打开头灯的指令，并且如果合期望，则可以向车辆中的其他位置发送反馈。在实施例中，主动式头灯818可以包括一个或多个led照明电路或照明单元，如上面关于图1-图4所述。
48.传感器模块810可以通信地耦合到数据总线804，并且可以向车辆头灯系统800或车辆中的其他位置提供附加数据，该附加数据例如与环境条件(例如，一天中的时间、雨、雾、或周围环境光水平)、车辆状态(例如，已停放、运动中、运动速度、或运动方向)、以及其他物体(例如，车辆或行人)的存在/位置有关。与通信耦合到车辆数据总线的任何车辆控制器分离的头灯控制器也可以被包括在车辆头灯系统800中。在图8中，头灯控制器可以是微控制器，诸如微控制器(μc)816。微控制器816可以通信地耦合到数据总线804。
49.输入滤波器和保护模块806可以电耦合到电力线802，并且例如可以支持各种滤波器，以减少传导发射并提供电力抗扰度(power immunity)。附加地，输入滤波器和保护模块806可以提供静电放电(esd)保护、抛负载保护、交流发电机场衰减保护、和/或反极性保护。
50.led dc/dc模块812可以耦合在输入滤波器和保护模块806与主动式头灯818之间，以接收滤波后的电力并提供驱动电流，从而为主动式头灯818中的led阵列中的led供电。led dc/dc模块812可以具有在7伏和18伏之间的输入电压，其标称电压大约为13.2伏，并且输出电压可以略高(例如，0.3伏)于led阵列的最大电压(例如，如由因素或局部校准以及由于负载、温度或其他因素引起的操作条件调整来确定)。
51.逻辑ldo模块814可以耦合到输入滤波器和保护模块806，以接收滤波后的电力。逻辑ldo模块814也可以耦合到微控制器816和主动式头灯818，以向微控制器816和/或主动式头灯818中的电子器件(诸如cmos逻辑)提供电力。
52.总线收发器808可以例如具有通用异步接收器发送器(uart)或串行外设接口(spi)接口，并可以耦合到微控制器816。微控制器816可以基于或包括来自传感器模块810的数据来转换车辆输入。转换后的车辆输入可以包括可传输到主动式头灯818中的图像缓冲器的视频信号。此外，微控制器816可以在启动期间加载默认图像帧并测试开路/短路像素。在实施例中，spi接口可以加载cmos中的图像缓冲器。图像帧可以是全帧、差分或部分帧。微控制器816的其他特征可以包括cmos状态的控制接口监控，包括管芯温度以及逻辑ldo输出。在实施例中，可以动态控制led dc/dc输出以最小化净空(headroom)。除了提供图像帧数据之外，还可以控制其他头灯功能，诸如与侧标志灯或转向信号灯结合互补使用，和/或日间行车灯的激活。
53.图9为另一示例车辆头灯系统900的示意图。图9中示出的示例车辆头灯系统900包括应用平台902、两个led照明系统906和908、以及次级光学器件910和912。
54.led照明系统908可以发射光束914(图9中箭头914a和914b之间所示)。led照明系统906可以发射光束916(图9中箭头916a和916b之间所示)。在图9中所示的实施例中，次级光学器件910邻近led照明系统908，并且从led照明系统908发射的光穿过次级光学器件910。类似地，次级光学器件912邻近led照明系统906，并且从led照明系统906发射的光穿过次级光学器件912。在替代实施例中，在车辆头灯系统中没有提供次级光学器件910/912。
55.应用平台902可以经由线路904向led照明系统906和/或908提供电力和/或数据，该线路904可以包括图8的电力线802和数据总线804中的一条或多条或一部分。一个或多个
传感器(其可以是车辆头灯系统900中的传感器或其他附加传感器)可以在应用平台902的壳体内部或外部。替代地或另外，如图8的示例车辆头灯系统800中所示，每个led照明系统908和906可以包括其自己的传感器模块、连接和控制模块、电源模块、和/或led阵列。
56.在实施例中，车辆头灯系统900可以代表具有可操纵光束的机动车，其中可以选择性激活led以提供可操纵光。例如，led或发射器的阵列可以用于限定或投射形状或图案，或者仅照亮道路的选定部分。在示例实施例中，led照明系统906和908内的红外相机或检测器像素可以是识别场景中需要光照的部分(例如，道路或行人交叉路)的传感器(例如，类似于图8的传感器模块810中的传感器)。
57.已经详细描述了实施例，本领域技术人员将领会，给定本描述，可以对本文描述的实施例进行修改而不脱离本发明构思的精神。因此，没有意图将本发明的范围局限于图示的和描述的具体实施例。