CN101738784B - 液晶显示器的发光二极管阵列、其驱动***及液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液晶显示器的发光二极管阵列，还提供了一种液晶显示器的发光二极管的驱动***和一种液晶显示器。该发光二极管阵列包含多个通过脉冲宽度调制信号控制的第一发光二极管与多个通过直流电定电流供电的第二发光二极管，并通过第一发光二极管与第二发光二极管交错排列以均匀地调整液晶显示器的显示亮度。本发明提出的错排阵列可简化发光二极管背光驱动的设计，并可降低驱动IC成本。

Description

液晶显示器的发光二极管阵列、其驱动***及液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种发光二极管阵列，尤其是一种液晶显示器的发光二极管阵列。

背景技术

冷阴极荧光灯管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)在传统上已作为液晶显示器(liquid crystal display，LCD)背光的光源。由于使用汞气体，冷阴极荧光灯管可能引起环境污染。同样地。冷阴极荧光灯管具有低反应速率及低色彩重现度(color reproducibility)，且不足以降低液晶显示器面板的重量及大小。再者，要求启动及工作电压高，再加上液晶显示器背光的光源是***中耗电量最大的部分，所以在功率限制日趋严苛的情况下，目前冷阴极荧光灯管已逐渐被发光二极管(Light Emitting Diode，LED)取代。

相较于冷阴极荧光灯管，发光二极管是环保的(environment-friendly)且能以数纳秒(nano second)快速反应，因而在视频信号流较有效率。此外，发光二极管可被脉冲驱动，以100％或更多重现色彩，以及通过调整红光、绿光、蓝光发光二极管的光量而任意改变明亮度及色温(color temperature)。发光二极管也带有导致较轻重量与较小的液晶显示器面板的优点。因此，发光二极管被积极采用作为液晶显示器面板的背光源。

发光二极管是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正向电流。

第一种方法是采用发光二极管V-I曲线，一般利用一个电压电源和一个整流电阻器，来确定产生预期正向电流所需要对发光二极管提供的电压。但这种方法，有一些缺点，例如：发光二极管正向电压的任何变化都会导致发光二极管电流的变化。

假设固定电压为3.6V、电流为20mA，当电压变为4.0V时，温度或制造变化会引起的特定压变，那么电流将可能出现30％的大幅度变化。所以正向电压出现较大改变时，会导致更大的正向电流变化，另外，压降和功耗也都会浪费功率和降低发光二极管使用寿命。

第二种方法是利用固定电流来驱动发光二极管。固定电流可消除正向电压变化所导致的电流变化，因此，可产生固定的发光二极管亮度。利用固定电流只需要调整通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源的输出电压。电源电压和电流检测电阻值决定了发光二极管电流，在驱动多个发光二极管时，只需串联就可以在每个发光二极管中达到固定电流。

除此之外，许多液晶显示器背光应用都需要调节亮度。在这一部分可以采用两种调光方式，就是模拟或脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)的方法。采用模拟调光，就像大家所熟悉的，在发光二极管上增加50％的电流，这样就可以提高50％的亮度。但这种方法是有缺点的，那就是会出现发光二极管颜色偏移，并需要采用模拟控制信号，因此，这种模式一般来说使用率并不高。

脉冲宽度调制是目前比较常见，且为应用在发光二极管最佳的亮度调节方式。脉冲宽度调制的使用随着数字控制逻辑电路的增加而普及。脉冲宽度调制提供简单的方法，可让数字控制逻辑电路建立相当于模拟的功能。

请参考图1所示，其为通过脉冲宽度调制控制发光二极管亮度的简单电路与相应的脉冲宽度调制波形。当电路的开关导通(on)时，脉冲宽度调制的波形为on的位置，当电路的开关关闭(off)时，脉冲宽度调制的波形则为off的位置。

如果缩短开关位于“导通”位置的时间长度，发光二极管将会变暗。在图1的范例中，所展示的发光二极管有50％的时间是开的，另外50％的时间是关的。利用重复性信号控制发光二极管可能会因为周期被切割成数段，利用单一周期，在一个周期之内完成，由“关闭”到“导通”，再回到“关闭”。信号可以依据信号周期作进一步特性描述，亦即“导通”的时间长短除以周期所得到的比率。长信号周期会使发光二极管变亮，短信号周期则会使发光二极管变暗。

而利用脉冲宽度调制调节亮度的关键是，为确保使用者的眼睛看不到脉冲宽度调制的脉冲现象，一般而言，脉冲宽度调制信号的频率必须高于100Hz。

如上所述，许多公开文献已提出以脉冲宽度调制脉冲技术控制背光模块中的发光二极管的亮度，借此提高背光效率，并保持背光亮度的均匀性。此外更可降低背光模块温度并减少能量损耗，如美国专利US 20070091057与欧盟专利EP 1780701所示。

另外，中国专利CN 11013559公开一种发光二极管亮度控制电路，其主要特征通过脉冲宽度调制单独调控至少一对背光模块的发光二极管，并且于调控时不会影响其余发光二极管的亮度。

然而，通过脉冲宽度调制调节亮度则需要脉冲宽度调制驱动电路(PWMIC)来驱动，当发光二极管数量越多时，脉冲宽度调制驱动电路的数量也随之增加，因而提高制造成本，并使发光二极管背光驱动设计更趋复杂化。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，为了符合产业上某些利益的需求，本发明提供一种液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的发光二极管(Light EmittingDiode，LED)阵列可用以解决上述传统的液晶显示器未能达成的标的。

本发明的一目的是提供一种液晶显示器的发光二极管阵列，其包含多个通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号控制的第一发光二极管与多个通过直流电定电流供电的第二发光二极管，其中至少一第一发光二极管构成一调光模块，以调整该液晶显示器的亮度。而至少一第二发光二极管构成一恒光模块，以提供液晶显示器恒定光源，并且调光模块与恒光模块交错排列。

本发明的另一目的是提供一种液晶显示器的发光二极管驱动***，其包含多道(channel)调光区、多道恒光区、多个脉冲宽度调制驱动电路(PWM IC)与一定电流电源装置。上述的每一道调光区包含多个串联的调光模块，并且每一道恒光区包含多个串联的恒光模块，其中多个调光模块与多个恒光模块交错排列。上述的每一个脉冲宽度调制驱动电路输出脉冲宽度调制信号至部分的调光区，以调整第一发光二极管的亮度，并且定电流电源装置输出稳定的电流至恒光区，以使第二发光二极管的亮度恒定。

本发明的另一目的是提供一种液晶显示器，其包含一液晶显示模块与上述的发光二极管驱动***，其中脉冲宽度调制驱动电路根据一亮度控制信号调整第一发光二极管的亮度，以均匀地调整液晶显示模块的显示亮度。

本发明提出的错排阵列可简化发光二极管背光驱动的设计，并可降低驱动IC成本。

附图说明

图1为脉冲宽度调制电路及其脉冲宽度调制波形示意图；

图2A、图2B与图2C为调光模块与恒光模块交错排列的结构示意图；

图3为液晶显示器的发光二极管驱动***；

图4A与图4B为发光二极管驱动电路；以及

图5为一液晶显示器的示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：

11发光二极管串列            12脉冲宽度调制驱动器

13开关                      100液晶显示器

110发光二极管驱动***       120调光区

130恒光区                   140调光模块

142第一发光二极管           150恒光模块

152第二发光二极管           160脉冲宽度调制驱动电路

170定电流电源装置           180液晶显示模块

190亮度控制信号             D二极管

L电感器                     Vin直流电流源

Rs电压检测电阻              S开关

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种液晶显示器的发光二极管阵列。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于液晶显示器的发光二极管阵列的技术人员所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以所附的权利要求为准。

基于让液晶显示器(liquid crystal display，LCD)可维持在基本亮度的前提下进行均匀调光，本发明提出一种液晶显示器100的发光二极管(LightEmitting Diode，LED)阵列，参考图2A所示。上述的发光二极管阵列包含一个或一个以上通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号控制的第一发光二极管142与一个或一个以上通过直流电定电流供电的第二发光二极管152，其中至少一第一发光二极管142构成一调光模块140，并且至少一第二发光二极管152构成一恒光模块150。

为了使液晶显示器可均匀地调整亮度，上述的调光模块140与恒光模块150可交错排列，如图2A、图2B与图2C。图2A显示多个调光模块140与多个恒光模块150于横向与纵向皆为间隔排列，其中每两个调光模块140间配置一恒光模块150。

图2B显示多个调光模块140与多个恒光模块150也为横向与纵向间隔排列，也即在横向的方向上，调光模块140与恒光模块150的配置方式皆如图2A所示。然而，在图2B中的纵向方向上，调光模块140与恒光模块150的间隔距离较横向间隔距离大。在本发明的一优选实施例中，调光模块140与恒光模块150的间隔距离为横向间隔距离的两倍。

图2C显示多个调光模块140与多个恒光模块150为斜向间隔排列，也即在斜向的方向上，每两个调光模块140间配置一恒光模块150。再者，根据不同的调光目的，本发明更可包含其他类型的交错排列的发光二极管阵列，不以上述图示为限。然而本发明提出的错排阵列可简化发光二极管背光驱动的设计，并可降低驱动IC成本。

上述的发光二极管阵列还包含一个或一个以上脉冲宽度调制驱动电路(PWM IC)160，其中每一个脉冲宽度调制驱动电路160输出脉冲宽度调制信号至一道或一道以上(channel)调光区120，并且每一道调光区120包含一个或一个以上串联的调光模块140。当同串的调光模块140中有某颗发光二极管失效时，本发明的设计可将局部亮带模糊化。

每一个调光模块140与恒光模块150除了可如图2A所示的分别包含一个第一发光二极管142与一个第二发光二极管152以外，每一个调光模块140更可包含多个串联的第一发光二极管142。每一个恒光模块150亦然，更可包含多个串联的第二发光二极管152。在本发明的另一优选实施例中，上述的调光模块140可包含二个第一发光二极管142，而恒光模块150包含二个第二发光二极管152，如图2C所示。

参考图3所示，本发明还提出一种液晶显示器100的发光二极管驱动***110，其包含多道(channel)调光区120、多道恒光区130、多个脉冲宽度调制驱动电路160与一定电流电源装置170。

每一道调光区120包含多个串联的调光模块140，并且每一个调光模块140包含至少一第一发光二极管142，其中每一个脉冲宽度调制驱动电路160输出脉冲宽度调制信号至部分的调光区120，以调整第一发光二极管142的亮度。

每一道恒光区130包含多个串联的恒光模块150，并且每一个恒光模块150包含至少一第二发光二极管152，其中定电流电源装置170输出稳定的电流至多个恒光区130，以使第二发光二极管152的亮度恒定。再者，上述多个调光模块140与多个恒光模块150可交错排列以适应不同的调光目的。

如上述，如果在液晶显示器背光模块中使用串联的多个发光二极管，则需要驱动电路以提供发光二极管固定的电流。更详言之，当使用者调整亮度与色校温度或补偿温度时，则需要用于调整亮度的调光电路。而直流电源转换器通常利用脉冲宽度调制机制来控制导通元件，此技术会改变负载周期，也就是晶体管导通时间和关闭时间的比值，再配合电感的电力储存能力，让输出电压在有限的输入电压和负载电流范围内保持固定。如图4A与图4B所示，其显示公知发光二极管驱动电路。

首先，图4A为公知降压直流-直流转换器(buck DC-DC converter)的发光二极管驱动电路的范例电路图。如图4A所示，在发光二极管驱动电路中使用传统降压直流对直流转换器，电感器L与发光二极管串列串联在直流电流源Vin的正极末端，而二极管D与电感器L和发光二极管串列11并联。此外，开关13与电压检测电阻Rs串联在发光二极管串列11与二极管D的连接节点与直流电流源Vin的负极末端。将电压检测电阻器Rs所检测的电压值输入至脉冲宽度调制驱动器12，根据检测的电压值，调整开关13的导通/关闭占空比(duty ratio)。如图4A所示，开关13可采用金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)，当施加切换脉冲至MOSFET的栅极电压时，该MOSFET可以当作开关使用。

当开关13是“导通”时，从直流电流源Vin供应的电流经由电感器L传送到发光二极管串列。在这个时候，在电感器L累积能量。当开关13是“关闭”(off)时，通过累积在电感器L的能量供应电源至发光二极管串列11。依照电压检测电阻Rs调节供应至发光二极管串列11的电源，脉冲宽度调制驱动器12调整开关13的导通/关闭的占空比。

图4B为公知增压直流-直流转换器(boost DC-DC converter)的发光二极管驱动电路范例的电路图。如图4B所示，在发光二极管驱动电路中采用公知增压直流对直流转换器，电感器L与二极管D串联在直流电流源Vin的正极端，而电容器C与发光二极管串列11彼此并联在二极管与直流电流源Vin的负极末端之间。开关13与电压检测电阻Rs串联在电感器L与二极管D的连接节点以及直流电源Vin的负极末端之间。输入在电压检测电阻Rs所检测的电压值至脉冲宽度调制驱动器12，根据检测的电压值，调整开关13的导通/关闭的占空比。如图4B所示，开关13可采用MOSFET，通过调整其栅极电压，MOSFET可以当作开关使用。

当开关13“导通”时，从直流电流源Vin供应的电流流通过电感器L与开关S，而能量储存在电感器L中。当开关13“关闭”时，累积在直流电流源Vin中与电感器L的能量的总合流通过二极管D而传送至发光二极管串列11。在这里，通过平滑电容器(smoothing capacitor)C平滑电压并传送至发光二极管串列11，而其电压值是大于或相等于输入电压Vin。

在这样的发光二极管驱动电路中，调整电压检测电阻器Rs的电阻值以修改从电压检测电阻Rs所检测的电压值，借此调整开关13的导通/关闭占空比，进而操控了发光二极管的亮度。

美国专利US 20080002102便提出一种背光模块的发光二极管驱动***，其通过电源转换反馈回路的切换式电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)中的交流-直流转换器(AC-DC converter)以将外部的交流电转换成直流电，并以SMPS中的直流-直流转换器(DC-DC converter)将直流电转换至预定数值，借此以驱动背光模块中的发光二极管串列。

另外，日本专利JP 2007013183提出一种以定电流控制方法驱动的发光二极管驱动电路，其主要技术是以脉冲宽度调制控制器所包含的比较器(comparator)比较预设的内部参考电压与电压检测电阻所测得的电压，并通过脉冲宽度调制控制器所包含的控制器根据此一比较结果来测量占空比(dutyratio)，随后据此以输出一切换脉冲(switch pulse)至MOSFET。

参考图5所示，本发明还提出一种液晶显示器100，其包含一发光二极管驱动***110与一液晶显示模块180。此一发光二极管驱动***110包含如上所述的多道调光区120、多道恒光区130、多个脉冲宽度调制驱动电路160与一固定电流电源装置170。

当脉冲宽度调制驱动电路160接收一亮度控制信号190时(例如当使用者欲调整液晶显示器的亮度时，液晶显示器即会产升一亮度控制信号至脉冲宽度调制驱动电路)，脉冲宽度调制驱动电路160根据此一亮度控制信号190输出脉冲宽度调制信号至部分的调光区120，以调整第一发光二极管142的亮度。

当脉冲宽度调制驱动电路160调整第一发光二极管142的亮度时，定电流电源装置170仍持续稳定地输出电流至多个恒光区130，故第二发光二极管152仍会提供恒定的亮度。因此，第一发光二极管142与第二发光二极管152在数量上的配置比例将可决定液晶显示器100在调光时的最低亮度。

例如，当第一发光二极管142与第二发光二极管152的数量比为1∶1，并通过脉冲宽度调制驱动电路160将第一发光二极管142调至最暗(也即关闭第一发光二极管142)时，仅剩下第二发光二极管152仍持续发光，故此时液晶显示器100的最低亮度系为50％。

另外，因为液晶显示模块180的显示亮度是通过第一发光二极管142与第二发光二极管152所提供，因此，上述的调光模块140与恒光模块150可通过交错排列以均匀地调整液晶显示模块180的显示亮度。

一般而言，采用上述发光二极管的液晶显示器背光依据光源的位置包括侧光式(edge-type)背光与直下式(direct-type)背光。在前者中，光源被设计成长条状且配置在导光板(light guide plate)的侧边以将光照射到液晶显示器面板上。在后者中，表面光源与液晶显示器面板的大小实质上相等，并配置在液晶显示器面板下方以将光直接照射到液晶显示器面板上。而本发明提出的发光二极管阵列相当适合应用于直下式液晶显示器。

显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种液晶显示器的发光二极管阵列，包含：

一个或一个以上通过脉冲宽度调制信号控制的第一发光二极管，至少一第一发光二极管构成一调光模块，以调整该液晶显示器的亮度；以及

一个或一个以上通过直流电定电流供电的第二发光二极管，至少一第二发光二极管构成一恒光模块，以提供该液晶显示器恒定光源，并且该调光模块与该恒光模块交错排列。

2.根据权利要求1所述的液晶显示器的发光二极管阵列，还包含多个脉冲宽度调制驱动电路，其中每一个脉冲宽度调制驱动电路输出脉冲宽度调制信号至一道或一道以上调光区，并且每一道调光区包含一个或一个以上串联的调光模块。

3.根据权利要求1所述的液晶显示器的发光二极管阵列，其中上述的调光模块与该恒光模块的交错排列方式可为间隔排列，其中每两个调光模块间配置一恒光模块。

4.一种直下式液晶显示器的发光二极管驱动***，包含：

一道或一道以上调光区，每一道调光区包含多个串联的调光模块，并且每一个调光模块包含至少一第一发光二极管；

多个脉冲宽度调制驱动电路，其中每一个脉冲宽度调制驱动电路输出脉冲宽度调制信号至部分的调光区，以调整该第一发光二极管的亮度；

一道或一道以上恒光区，每一道恒光区包含一个或一个以上串联的恒光模块，并且每一个恒光模块包含至少一第二发光二极管，其中该多个调光模块与该多个恒光模块交错排列；以及

一定电流电源装置，输出稳定的电流至该恒光区，以使该第二发光二极管的亮度恒定。

5.根据权利要求4所述的直下式液晶显示器的发光二极管驱动***，其中上述的调光模块与该恒光模块的交错排列方式可为间隔排列，其中每两个调光模块间配置一恒光模块。

6.根据权利要求4所述的直下式液晶显示器的发光二极管驱动***，其中上述的调光模块可由多个串联的第一发光二极管所构成。

7.一种直下式背光液晶显示器，包含：

一液晶显示模块；以及

一发光二极管驱动***，包含：

一道或一道以上调光区，每一道调光区包含一个或一个以上串联的调光模块，并且每一个调光模块包含至少一第一发光二极管；

一个或一个以上脉冲宽度调制驱动电路，每一个脉冲宽度调制驱动电路根据一亮度控制信号输出脉冲宽度调制信号至部分的调光区，以调整该第一发光二极管的亮度；

一道或一道以上恒光区，该一道或一道以上恒光区与该一道或一道以上调光区交错排列，其中每一道恒光区包含一个或一个以上串联的恒光模块，并且每一个恒光模块包含至少一第二发光二极管；及

一定电流电源装置，输出稳定的电流至该恒光区，以使该第二发光二极管的亮度恒定；

其中该调光模块与该恒光模块交错排列，以均匀地调整该液晶显示模块的显示亮度。

8.根据权利要求7所述的直下式液晶显示器，其中上述的调光模块与该恒光模块的交错排列方式可为间隔排列，其中每两个调光模块间配置一恒光模块。

9.根据权利要求7所述的直下式液晶显示器，其中上述的调光模块可由多个串联的第一发光二极管所构成。

10.根据权利要求7所述的直下式液晶显示器，其中上述的恒光模块可由多个串联的第二发光二极管所构成。

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