CN102548114A - 发光二极管驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光二极管驱动装置，包括：第一运算放大器，其正输入端用以接收一关联于流经发光二极管串的电流的预设电压；第一电阻，其第一端耦接第一运算放大器的负输入端，而其第二端则耦接至接地电位；功率晶体管，其栅极耦接第一运算放大器的输出端，其漏极耦接发光二极管串的阴极，而其源极则耦接第一电阻的第一端；误差放大器，其一输入端耦接功率晶体管的栅极，其另一输入端用以接收一参考电压，而其输出端则用以输出一控制电压；以及电源转换级，用以根据所输出的控制电压大小而提供一直流电压至发光二极管串的阳极。

Description

发光二极管驱动装置
技术领域
本发明涉及一种发光二极管驱动技术，尤其涉及一种可以控制发光二极管的流通电流与操作电压的发光二极管驱动装置。
背景技术
图1为传统发光二极管驱动装置10的示意图。请参照图1，发光二极管驱动装置10适于驱动由多个发光二极管(light emitting diode，LED)L串接在一起的发光二极管串(LED string)101，且其包括有电源转换级(power conversion stage)103、N型功率晶体管(N-type powertransistor)Q、电阻(resistor)Rcs、运算放大器(operationalamplifier)OP、误差放大器(error amplifier)EA、开关(switch)SW、电流源(current source)I1与I2，以及PNP型双载子晶体管(bipolarjunction transistor，BJT)B1与B2。
一般而言，运算放大器OP的正输入端(+)所接收的预设电压VSET会决定流经发光二极管串101的电流。如此一来，运算放大器OP即可比较预设电压VSET与检测电压Vcs以切换功率晶体管Q，从而使得流经发光二极管串101的电流为一定电流(constant current)。另一方面，为了要使得发光二极管驱动装置10在定电流操作过程中不要造成过多的功率损耗(power loss，其等于流经发光二极管串101的电流乘上节点N1上的电压)，可以藉由误差放大器EA所输出的控制电压(controlvoltage)VCTR来控制电源转换级103所提供给发光二极管串101的直流电压(DC voltage)VBUS大小，藉以降低节点N1上的电压(也就是功率晶体管Q的漏极的电压)。
更清楚来说，开关SW会于在定电流操作过程中导通(turn on)，藉以使得误差放大器EA对节点N2上的电压与节点N3上的参考电压Verf进行比较与误差放大，从而输出控制电压VCTR以控制电源转换级103所提供的直流电压VBUS大小。可见得，传统发光二极管驱动装置10乃是从功率晶体管Q的漏极拉回授以控制电源转换级103所提供的直流电压VBUS的大小。
然而，传统发光二极管驱动装置10的架构存在着以下几点的问题：
1、用以决定参考电压Vref的基准电压(basic voltage)Vledmin必须随着预设电压VSET的改变而改变(也就是改变参考电压Vref的大小)；
2、由于功率晶体管Q导通时的导通电阻(Rds-on)(属于正温度系数)会随着温度的提升而增加，以至于用以决定参考电压Vref的基准电压Vledmin也必须随着温度的改变而改变(也就是改变参考电压Vref的大小)，从而使得发光二极管驱动装置10的控制机制(controlmechanism)会变得相对复杂；以及
3、在未调光过程中(也就是流经发光二极管L的电流为零时)，由于节点N1上的电压为一相对高的电压准位(一般为数十伏特)，所以必须将开关SW关闭(turn off)以避免发光二极管驱动装置10的内部组件发生损毁(damage)。同时，此开关SW必需为高压组件。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种发光二极管驱动装置，藉以改善先前技术所述及的问题。
本发明提供一种发光二极管驱动装置，其适于驱动至少一发光二极管串，而且此发光二极管驱动装置包括第一运算放大器、第一电阻、功率晶体管、误差放大器，以及电源转换级。其中，第一运算放大器的正输入端用以接收一关联于流经所述发光二极管串的电流的预设电压。第一电阻的第一端耦接第一运算放大器的负输入端，而第一电阻的第二端则耦接至接地电位。
功率晶体管的栅极耦接第一运算放大器的输出端，功率晶体管的漏极耦接所述发光二极管串的阴极，而功率晶体管的源极则耦接第一电阻的第一端。误差放大器的一输入端耦接功率晶体管的栅极，误差放大器的另一输入端用以接收一参考电压，而误差放大器的输出端则用以输出一控制电压。电源转换级耦接于误差放大器的输出端与发光二极管串的阳极之间，用以根据所述控制电压的大小而提供一直流电压至所述发光二极管串的阳极。
在本发明的一实施例中，所述参考电压为一固定值，且此固定值决定于第一运算放大器操作于饱和区的电压值。
在本发明的一实施例中，当功率晶体管的栅极的电压大于所述参考电压时，则误差放大器所输出的控制电压会致使电源转换级所提供的直流电压上升。反之，当功率晶体管的栅极的电压小于所述参考电压时，则误差放大器所输出的控制电压会致使电源转换级所提供的直流电压下降。
基于上述，本发明所提出的发光二极管驱动装置主要是从功率晶体管的栅极拉回授以控制电源转换级所提供的直流电压的大小，而且误差放大器所接收的参考电压又被设计成第一运算放大器操作于饱和区的电压值。如此一来，相较于以往，不但可以大幅地简化发光二极管驱动装置的控制机制，而且又不需改变误差放大器所接收的参考电压(在改变流经发光二极管串的电流的情况下)以及采用开关来避免发光二极管驱动装置的内部组件发生损毁。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，绘出了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1为传统发光二极管驱动装置10的示意图。
图2为本发明一实施例的发光二极管驱动装置20的示意图。
主要组件符号说明
10、20：发光二极管驱动装置
101、201：发光二极管串
103、203：电源转换级
Q：N型功率晶体管
Rcs、R2：电阻
R1：可变电阻
OP、OP1、OP2：运算放大器
EA：误差放大器
SW：开关
I1、I2：电流源
B1、B2：双载子晶体管
L：发光二极管
N1-N3：节点
MP1、MP2：P型晶体管
Vref：参考电压
VSET：预设电压
Vcs：检测电压
VCTR：控制电压
VBUS：直流电压
Vledmin：基准电压
VDD：***电压
VG：功率晶体管的栅极的电压
VBG：稳定电压
Ad：发光二极管串的阳极
Ng：发光二极管串的阴极
具体实施方式
现将详细参考本发明的具体实施例，在附图中说明所述具体实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件代表相同或类似部分。
图2为本发明一实施例的发光二极管驱动装置20的示意图。请参照图2，发光二极管驱动装置20适于驱动由多个发光二极管(lightemitting diode，LED)L串接在一起的至少一发光二极管串(LED string)201，而且发光二极管驱动装置20包括有电源转换级(power conversionstage)203、运算放大器(operational amplifier)OP1与OP2、误差放大器(error amplifier)EA、N型功率晶体管(N-type powertransistor)Q、可变电阻(variable resistor)R1、电阻(resistor)R2与Rcs，以及P型晶体管(P-type transistor)MP1与MP2。
在本实施例中，运算放大器OP1的正输入端(positive terminal，+)用以接收一关联于流经发光二极管串201的电流的预设电压(predetermined voltage)VSET。电阻Rcs的第一端耦接运算放大器OP1的负输入端(negative terminal，-)，而电阻Rcs的第二端则耦接至接地电位(ground)。N型功率晶体管Q的栅极(gate)耦接运算放大器OP1的输出端，N型功率晶体管Q的漏极(drain)耦接发光二极管串201的阴极(cathode)Ng，而N型功率晶体管Q的源极(source)则耦接电阻Rcs的第一端。
误差放大器EA的一输入端(例如正输入端)耦接N型功率晶体管Q的栅极，误差放大器EA的另一输入端(例如负输入端)用以接收一参考电压(reference voltage)Vref，而误差放大器EA的输出端则用以输出一控制电压(control voltage)VCTR。电源转换级203耦接于误差放大器EA的输出端与发光二极管串201的阳极(anode)Ad之间，用以根据误差放大器EA所输出的控制电压VCTR的大小而提供一直流电压(DCvoltage)VBUS至发光二极管串201的阳极Ad。
运算放大器OP2的负输入端用以接收一稳定电压(bandgapvoltage)VBG。P型晶体管MP1的栅极耦接运算放大器OP2的输出端，P型晶体管MP1的源极耦接至一***电压(system voltage)VDD，而P型晶体管MP1的漏极则耦接运算放大器OP2的正输入端。可变电阻R1的第一端耦接运算放大器OP2的正输入端，而可变电阻R1的第二端则耦接至接地电位。P型晶体管MP2的栅极耦接运算放大器OP2的输出端，P型晶体管MP2的源极耦接至***电压VDD，而P型晶体管MP2的漏极则用以产生预设电压VSET。电阻R2的第一端耦接P型晶体管MP2的漏极，而电阻R2的第二端则耦接至接地电位。
在本实施例中，可变电阻R1与电阻R2的阻值具有一比例关系(ratio relationship)，且此比例关系决定预设电压VSET的大小，也就是说：流经发光二极管串201的电流的大小。另外，参考电压Vref为一固定值(fixed value)，且此固定值决定于运算放大器OP1操作于饱和区(saturation area)(也就是高增益运作)的电压值。再者，反应于N型功率晶体管Q的组件特性(element characteristic)，当N型功率晶体管Q的栅极的电压VG大于参考电压Vref时，误差放大器EA所输出的控制电压VCTR会致使电源转换级203所提供的直流电压VBUS上升。反之，当N型功率晶体管Q之栅极的电压VG小于参考电压Vref时，误差放大器EA所输出的控制电压VCTR会致使电源转换级203所提供的直流电压VBUS下降。
基于上述，藉由调整可变电阻R1与电阻R2的阻值的比例关系，即可决定关联于流经发光二极管串201的电流大小的预设电压VSET。如此一来，运算放大器OP1即可比较所决定的预设电压VSET与检测电压Vcs以切换N型功率晶体管Q，从而使得流经发光二极管串201的电流为一定电流(constant current)。另一方面，为了要使得发光二极管驱动装置20在定电流操作过程中不要造成过多的功率损耗(power loss，其等于流经发光二极管串201的电流乘上节点N1上的电压)，可以藉由误差放大器EA所输出的控制电压VCTR来控制电源转换级203所提供给发光二极管串201的直流电压VBUS大小，藉以降低节点N1上的电压(也就是N型功率晶体管Q的漏极的电压)。
然而，与先前技术不同的是，本实施例主要是从N型功率晶体管Q的栅极拉回授以控制电源转换级203所提供的直流电压VBUS的大小，而且误差放大器EA所接收的参考电压Vref又被设计成运算放大器OP1操作于饱和区的电压值。因此，在改变预设电压VSET的状况下，并不需改变参考电压Vref，其是因N型功率晶体管Q的栅极的电压VG并不会随之改变。另外，就算N型功率晶体管Q导通时的导通电阻(Rds-on)(属于正温度系数)会随着温度的提升而增加，但由于本实施例主要是从N型功率晶体管Q的栅极拉回授以控制电源转换级203所提供的直流电压VBUS的大小，所以也不需改变参考电压Vref，其是因N型功率晶体管Q的栅极的电压VG也不会随之改变。如此一来，即可大幅地简化发光二极管驱动装置20的控制机制(control mechanism)。
再者，就算在未调光过程中(也就是流经发光二极管L的电流为零时)，节点N1上的电压为一相对高的电压准位(例如为数十伏特)，但由于本实施例主要是从N型功率晶体管Q的栅极拉回授以控制电源转换级203所提供的直流电压VBUS的大小，所以在未调光过程中，N型功率晶体管Q的栅极的电压VG也为一相对低的电压准位。如此一来，本实施例并不须如先前技术般采用高压开关(switch)以避免发光二极管驱动装置20的内部组件发生损毁(damage)。
除此之外，虽然上述实施例仅以发光二极管驱动装置20用来驱动单一发光二极管串为例来进行说明，但是本发明并不限制于此。更清楚来说，若利用发光二极管驱动装置20来驱动多组并接在一起的发光二极管串的话，则控制流经各发光二极管串的电流的方式皆与上述实施例类似，故而在此并不再加以赘述。而关于控制电源转换级203所提供的直流电压VBUS的部分，必须在发光二极管驱动装置20中加入一个最大电压选择电路(maximum voltage selection circuit，未示出)，藉以选择所有N型功率晶体管中具有最大栅极电压(VGmax)者给误差放大器EA，从而使得误差放大器EA据以控制电源转换级203所提供的直流电压VBUS的大小。
综上所述，本发明所提出的发光二极管驱动装置主要是从功率晶体管的栅极拉回授以控制电源转换级所提供的直流电压的大小，而且误差放大器所接收的参考电压又被设计成第一运算放大器操作于饱和区的电压值。如此一来，相较于以往，不但可以大幅地简化发光二极管驱动装置的控制机制，而且又不需改变误差放大器所接收的参考电压(在改变流经发光二极管串的电流的情况下)以及采用开关来避免发光二极管驱动装置的内部组件发生损毁。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，可作些许的更动与润饰，而脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种发光二极管驱动装置，适于驱动至少一发光二极管串，而该发光二极管驱动装置包括：
一第一运算放大器，其正输入端用以接收一关联于流经该发光二极管串之电流的预设电压；
一第一电阻，其第一端耦接该第一运算放大器的负输入端，而其第二端则耦接至一接地电位；
一功率晶体管，其栅极耦接该第一运算放大器的输出端，其漏极耦接该发光二极管串的阴极，而其源极则耦接该第一电阻的第一端；
一误差放大器，其一输入端耦接该功率晶体管的栅极，其另一输入端用以接收一参考电压，而其输出端则用以输出一控制电压；以及
一电源转换级，耦接于该误差放大器的输出端与该发光二极管串的阳极之间，用以根据该控制电压的大小而提供一直流电压至该发光二极管串的阳极。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其中该参考电压为一固定值，且该固定值决定于该第一运算放大器操作于一饱和区的一电压值。
3.根据权利要求2所述的发光二极管驱动装置，其中当该功率晶体管的栅极的电压大于该参考电压时，则该误差放大器所输出的该控制电压会致使该电源转换级所提供的该直流电压上升。
4.根据权利要求2所述的发光二极管驱动装置，其中当该功率晶体管的栅极的电压小于该参考电压时，则该误差放大器所输出的该控制电压会致使该电源转换级所提供的该直流电压下降。
5.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其中还包括：
一第二运算放大器，其负输入端用以接收一稳定电压；
一第一晶体管，其栅极耦接该第二运算放大器的输出端，其源极耦接至一***电压，而其漏极则耦接该第二运算放大器的正输入端；
一第二电阻，其第一端耦接该第二运算放大器的正输入端，而其第二端则耦接至该接地电位；
一第二晶体管，其栅极耦接该第二运算放大器的输出端，其源极耦接至该***电压，而其漏极则用以产生该预设电压；以及
一第三电阻，其第一端耦接该第二晶体管的漏极，而其第二端则耦接至该接地电位。
6.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其中该第二电阻与该第三电阻的阻值具有一比例关系。
7.根据权利要求6所述的发光二极管驱动装置，其中该比例关系决定该预设电压的大小。
8.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其中该第二电阻为一可变电阻。
9.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其中该第一与该第二晶体管为P型晶体管，而该功率晶体管为N型晶体管。
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