CN102638918A - 发光二极管驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管驱动装置，包括：功率开关，其第一端耦接第一节点，而其第二端耦接第二节点，其中一发光二极管串耦接在直流电压与第一节点之间；第一电阻，耦接在第二节点与接地电位之间；以及控制晶片，用以在发光二极管驱动装置的启动期间，反应于第二节点的电压与一稳定电压而产生驱动信号来切换功率开关，从而使得发光二极管串得以运行在定电流之下而发光，并反应于第一节点的电压而获得检测电压以与预设电压进行比较，从而当检测电压高于预设电压时，停止产生驱动信号。控制晶片中的检测单元能保护控制晶片与功率开关免受高压的影响而损坏，而且此检测单元的架构并不须随着发光二极管串的运行电压的改变而改变，适于内建/整合在控制晶片中。

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，且特别涉及一种具有保护功能的发光二极管驱动装置。
背景技术
图1显示为传统发光二极管(light emitting diode，LED)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(LED)L串接在一起的发光二极管串(LED string)101，且其包括有控制晶片(control chip)103、外挂电路(extensioncircuit)105、功率开关(power switch)Q，以及电阻(resistor)Rcs。其中，控制晶片103会反应于节点(node)N2上的电压Vcs而产生驱动信号(driving signal)VPW来切换功率开关Q，从而使得发光二极管串101得以运行在定电流(constant current)之下而发光。
另外，外挂电路105由齐纳二极管(Zener diode)ZD、电阻R、电容C，以及比较器(comparator)CMP所组成。而且，在发光二极管驱动装置10的启动期间(activation phase)，齐纳二极管ZD、电阻R与电容C用以检测节点N1上的电压VD，藉以产生检测电压VSLP。其中，检测电压VSLP在直流电压VBUS大于齐纳二极管ZD的电压值(Vz)时，其值等于流经齐纳二极管ZD的电流(Iz)乘上电阻R的阻值，亦即：VSLP＝Iz*R。
与此同时，一旦比较器CMP比较出检测电压VSLP高于预设电压(predetermined voltage)VSET时，亦即发光二极管串101中有部分或全部的发光二级体L已发生短路(short)，则比较器CMP就会输出错误信号(fault signal)FS给控制晶片103，藉以使得控制晶片103停止产生驱动信号VPW，从而保护控制晶片103与功率开关Q免于受高电(直流电压VBUS)的影响而损坏。
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、通常在某些情况下(例如发光二极管串101中全部的发光二级体L已发生短路，或者功率开关Q在发光二极管驱动装置10的关闭期间而关闭时)，节点N1的电压VD会很高(一般为好几百伏特)，所以必须利用齐纳二极管ZD来挡住高压(直流电压VBUS)对于低压制程的比较器CMP与/或控制晶片103的影响；以及
2、齐纳二极管ZD的电压值(Vz)必须随着直流电压VBUS的改变而改变(例如：当直流电压VBUS为200V时，则必须选用电压值(Vz)为200V的齐纳二极管ZD，请依此类推)，以至于传统发光二极管驱动装置10的架构无法将齐纳二极管ZD内建/整合在控制晶片103中。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种发光二极管驱动装置，以改善背景技术所述及的问题。
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，而且该发光二极管驱动装置包括功率开关、第一电阻，以及控制晶片。其中，功率开关的第一端耦接至第一节点，而功率开关的第二端则耦接至第二节点，且发光二极管串耦接在直流电压与第一节点之间。第一电阻耦接在第二节点与接地电位之间。控制晶片耦接功率开关的控制端以及第一与第二节点，用以在发光二极管驱动装置的启动期间，反应于第二节点的电压与稳定电压而产生驱动信号来切换功率开关，从而使得发光二极管串运行在定电流之下而发光，并且反应于第一节点的电压而获得检测电压以与预设电压进行比较，从而当所述检测电压高于所述预设电压时，停止产生所述驱动信号。
在本发明的一实施例中，控制晶片还用以在发光二极管驱动装置的关闭期间，限制流经发光二极管串的电流，从而使得发光二极管串停止发光。
在本发明的一实施例中，控制晶片包括驱动单元、检测单元，以及控制主体。其中，驱动单元耦接功率开关的控制端与第二节点，用以在发光二极管驱动装置的启动期间，反应于控制信号而比较第二节点的电压与所述稳定电压，并据以产生所述驱动信号来切换功率开关，从而使得发光二极管串运行在定电流之下而发光。检测单元耦接第一节点，用以在发光二极管驱动装置的启动期间，反应于使能信号而检测第一节点的电压，藉以获得所述检测电压以与所述预设电压进行比较，从而当所述检测电压高于所述预设电压时，发出错误信号。控制主体耦接驱动单元与检测单元，用以产生所述控制信号与使能信号以各别控制驱动单元与检测单元的运作，并且反应于所述错误信号而控制驱动单元停止产生所述驱动信号。
在本发明的一实施例中，检测单元还用以在发光二极管驱动装置的关闭期间，反应于所述使能信号而限制流经发光二极管串的电流，从而使得发光二极管串停止发光。
在本发明的一实施例中，检测单元包括第一与第二晶体管、第二至第四电阻，以及比较器。其中，第一晶体管的漏极耦接第一节点，而第一晶体管的基极则用以接收参考电压。第二晶体管的栅极用以接收所述使能信号，第二晶体管的漏极耦接第一晶体管的栅极，而第二晶体管的源极则耦接至接地电位。第二电阻的第一端耦接第一晶体管的源极，而第二电阻的第二端则用以产生所述检测电压。第三电阻的第一端耦接第二电阻的第二端，而第三电阻的第二端则耦接至接地电位。第四电阻的第一端耦接第一晶体管的栅极，而第四电阻的第二端则耦接第一晶体管的源极。比较器的一输入端耦接第二电阻的第二端以接收所述检测电压，比较器的另一输入端用以接收所述预设电压，而比较器的输出端则用以输出所述错误信号。在此条件下，第一晶体管为N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管，而第二晶体管为N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管。
在本发明的另一实施例中，检测单元包括第一至第六晶体管、第二至第五电阻，以及比较器。其中，第一晶体管的漏极耦接第一节点，而第一晶体管的基极则用以接收参考电压。第二晶体管的栅极用以接收所述使能信号，第二晶体管的漏极耦接第一晶体管的栅极，而第二晶体管的源极则耦接至接地电位。第二电阻的第一端耦接第一晶体管的源极，而第三电阻的第一端则耦接第二电阻的第二端。第四电阻的第一端耦接第一晶体管的栅极，而第四电阻的第二端则耦接第一晶体管的源极。第三晶体管的栅极与漏极耦接第三电阻的第二端，而第三晶体管的源极则耦接至接地电位。第四晶体管的栅极耦接第三晶体管的栅极，而第四晶体管的源极则耦接至接地电位。第五晶体管的源极耦接至***电压，而第五晶体管的栅极与漏极则耦接第四晶体管的漏极。第六晶体管的源极耦接至所述***电压，而第六晶体管的栅极则耦接第五晶体管的栅极。第五电阻的第一端耦接第六晶体管的漏极以产生所述检测电压，而第五电阻的第二端则耦接至接地电位。比较器的一输入端耦接第五电阻的第一端以接收所述检测电压，比较器的另一输入端用以接收所述预设电压，而比较器的输出端则用以输出所述错误信号。在此条件下，第一晶体管为N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管；第二至第四晶体管分别为N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管；而第五与第六晶体管分别为P通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管。
基于上述，本发明所提出的发光二极管驱动装置主要是根据空乏型金属氧化物半导体场效晶体管的元件特性以设计出用以保护控制晶片与功率开关免于受高压(直流电压VBUS)的影响而损坏的检测单元。而且，所设计出的检测单元的架构并不须随着发光二极管串的运行电压(直流电压VBUS)的改变而改变，从而适于内建/整合在控制晶片中。
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，显示了本发明的示例实施例，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。
图3A为本发明一实施例的检测单元209的电路图。
图3B为本发明另一实施例的检测单元209的电路图。
主要元件符号说明：
10、20：发光二极管驱动装置
101、201：发光二极管串
103、203：控制晶片
105：外挂电路
205：控制主体
207：驱动单元
209：检测单元
L：发光二极管
Q：功率开关
Rcs、R、R1～R4：电阻
ZD：齐纳二极管
C：电容
CMP：比较器
M1～M6：晶体管
N1、N2：节点
EN：使能信号
CS：控制信号
FS：错误信号
VPW：驱动信号
VSLP：检测电压
VBUS：直流电压
VSET：预设电压
VBG：稳定电压
Vref：参考电压
Vcs、VD：节点电压
VDD：***电压
Ag：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示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/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(light emitting diode，LED)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(LED)L串接在一起的至少一发光二极管串(LEDstring)201，而且发光二极管驱动装置20包括有功率开关(powerswitch)Q、电阻(resistor)Rcs，以及控制晶片(control chip)203。
在本实施例中，功率开关Q的第一端耦接至节点(node)N1，而功率开关Q的第二端则耦接至节点N2，且发光二极管串201耦接在直流电压VBUS与节点N1之间，亦即：发光二极管串201的阳极(anode)Ad耦接至直流电压VBUS，而发光二极管串201的阴极(cathode)Ng则耦接至节点N1。电阻Rc s耦接在节点N2与接地电位(ground)之间。控制晶片203耦接功率开关Q的控制端以及节点N1与N2，用以在发光二极管驱动装置20的启动期间(activation phase)，反应于节点N2的电压Vcs与稳定电压(bandgap voltage)VBG(其值用以决定流经发光二极管串201的电流)而产生驱动信号VPW来切换功率开关Q，从而使得发光二极管串201运行在定电流(constant current)之下而发光。
另外，控制晶片203还可以反应于节点N1的电压VD而获得检测电压(detection voltage，如图3A与图3B所绘示的VSLP，容后再详述)以与预设电压(predetermined voltage，如图3A与图3B所绘示的VSET)进行比较，从而当检测电压VSLP高于预设电压VSET时，停止产生驱动信号VPW。再者，控制晶片203还可以在发光二极管驱动装置20的关闭期间(shut-down phase)，限制流经发光二极管串201的电流，从而使得发光二极管串201停止发光。
更清楚来说，控制晶片203可以包括有控制主体(control body)205、驱动单元(driving unit)207，以及检测单元(detection unit)209。其中，控制主体205耦接驱动单元207与检测单元209，用以产生控制信号(control signal)CS与使能信号(enable signal)EN来各别控制驱动单元207与检测单元209的运作。
驱动单元207耦接功率开关Q的控制端与节点N2，用以在发光二极管驱动装置20的启动期间，反应于控制主体205所产生的控制信号CS(例如逻辑“1”)而比较节点N2的电压Vcs与稳定电压VBG，并据以产生驱动信号VPW来切换功率开关Q，从而使得发光二极管串201得以运行在定电流之下而发光。
检测单元209耦接节点N1，用以在发光二极管驱动装置20的启动期间，反应于控制主体205所产生的使能信号EN(例如逻辑“0”)而检测节点N1的电压VD，藉以获得检测电压VSLP以与预设电压VSET进行比较，从而当检测电压VSLP高于预设电压VSET时，发出错误信号(faultsignal)FS给控制主体205。如此一来，控制主体205便会反应于在检测单元209所发出的错误信号FS而产生控制信号CS(例如逻辑“0”)，藉以控制驱动单元207停止产生驱动信号VPW。此外，检测单元209还可以在发光二极管驱动装置20的关闭期间，反应于在控制主体205所产生的使能信号EN(例如逻辑“1”)而限制流经发光二极管串201的电流，从而使得发光二极管串201停止发光。
在此，图3A绘示为本发明一实施例的检测单元209的电路图。请合并参照图2与图3A，图3A所示的检测单元209包括(高压)N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管(N-channel depletion typeMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Eff ectTransistor))M1(以下简称为晶体管M1)、N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管(N-channel enhancement type MOSFET)M2(以下简称为晶体管M2)、电阻(resistor)R1～R3，以及比较器(comparator)CMP。其中，晶体管M1的漏极(drain)耦接节点N1，而晶体管M1的基极(body)则用以接收参考电压(reference voltage)Vref(例如接地电位，但并不限制于此)。
晶体管M2的栅极(gate)用以接收控制主体205所产生的使能信号EN，晶体管M2的漏极耦接晶体管M1的栅极，而晶体管M2的源极(source)则耦接接地电位。电阻R1的第一端耦接晶体管M1的源极，而电阻R1的第二端则用以产生检测电压VSLP。电阻R2的第一端耦接电阻R1的第二端，而电阻R2的第二端则耦接至接地电位。电阻R3的第一端耦接晶体管M1的栅极，而电阻R3的第二端则耦接晶体管M1的源极。比较器CMP的一输入端耦接电阻R1的第二端以接收检测电压VSLP，比较器CMP的另一输入端用以接收预设电压VSET，而比较器CMP的输出端则用以输出错误信号FS。
另外，图3B为本发明另一实施例的检测单元209的电路图。请合并参照图2、图3A与图3B，图3B所示的检测单元209包括(高压)N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管M1(以下简称为晶体管M1)、N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管M2～M4(以下简称为晶体管M2～M4)、P通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管M5与M6(以下简称为晶体管M5与M6)、电阻R1～R4，以及比较器CMP。其中，晶体管M1的漏极耦接节点N1，而晶体管M1的基极则用以接收参考电压Vref(例如接地电位，但并不限制于此)。
晶体管M2的栅极用以接收控制主体205所产生的使能信号EN，晶体管M2的漏极耦接晶体管M1的栅极，而晶体管M2的源极则耦接至接地电位。电阻R1的第一端耦接晶体管M1的源极，而电阻R2的第一端则耦接电阻R1的第二端。电阻R3的第一端耦接晶体管M1的栅极，而电阻R3的第二端则耦接晶体管M1的源极。晶体管M3的栅极与漏极耦接电阻R2的第二端，而晶体管M3的源极则耦接至接地电位。晶体管M4的栅极耦接晶体管M3的栅极，而晶体管M4的源极则耦接至接地电位。晶体管M5的源极耦接至***电压(system voltage)VDD，而晶体管M5的栅极与漏极则耦接晶体管M4的漏极。
晶体管M6的源极耦接至***电压VDD，而晶体管M6的栅极则耦接晶体管M5的栅极。电阻R4的第一端耦接晶体管M6的漏极以产生检测电压VSLP，而电阻R4的第二端则耦接至接地电位。比较器CMP的一输入端耦接电阻R4的第一端以接收检测电压VSLP，比较器CMP的另一输入端用以接收预设电压VSET，而比较器CMP的输出端则用以输出错误信号FS。
基于上述，在发光二极管驱动装置20的启动期间，控制主体205会产生逻辑“1”的控制信号CS给驱动单元207，藉以致使驱动单元207比较节点N2的电压Vcs与稳定电压VBG，并据以产生驱动信号VPW来切换功率开关Q，从而使得发光二极管串201得以运行在定电流之下而发光。与此同时，控制主体205会产生逻辑“0”的使能信号EN给检测单元209，藉以关闭晶体管M2。如此一来，由于此时晶体管M1的源极的电压(Vsource)小于在其夹止电压(pinch-off voltage，Vpinch_dep)，且晶体管M1的漏极的电压(Vdrain)约等于其源极的电压(Vsource)，所以检测电压VSLP在图3A与图3B中即可以分别表示如下式子1与2：
                    VSLP＝Vsource*R2/(R1+R2)...1
                    VSLP＝Vsource*R4/(R1+R2)...2
其中，R1、R2与R4分别表示为电阻R1、R2与R4的阻值。
一旦比较器CMP比较出检测电压VSLP高于预设电压VSET时，亦即发光二极管串201中有部分或全部的发光二级体L已发生短路(short)，则比较器CMP就会输出错误信号FS给控制主体205。如此一来，控制主体205便会产生逻辑“0”的控制信号CS以控制驱动单元207停止产生驱动信号VPW，从而保护控制晶片203与功率开关Q免于受直流电压VBUS的影响而损坏。
另一方面，在发光二极管驱动装置20的关闭期间，控制主体205会产生逻辑“1”的使能信号EN给检测单元209，藉以导通晶体管M2。如此一来，由于此时晶体管M1的漏极的电压(Vdrain)等于直流电压VBUS，且晶体管M1的源极的电压(Vsource)约等于其夹止电压(Vpinch_dep)，所以流经发光二极管串201的电流(ILED)即可以表示如下式子3：
                    ILED＝Vpinch_dep/R3...3
其中，R3表示为电阻R3的阻值。
由此可知，只要将电阻R3的阻值提高，流经发光二极管串201的电流(ILED)就会越小。因此，本实施例仅须大幅地提升电阻R3的阻值，就可在发光二极管驱动装置20的关闭期间，限制流经发光二极管串201的电流(ILED)(亦即低于发光二极管串201的最小导通电流)，从而使得发光二极管串201停止发光。
由此可知，本实施例乃是透过晶体管M1来挡住高压(直流电压VBUS)对于低压制程的比较器CMP与/或控制晶片203的影响。另外，本实施例还可以藉由改变晶体管M1的基极(body)所接收的参考电压Vref来改变晶体管M1的夹止电压(Vpinch_dep)，藉以符合实际应用(application)的需求。
综上所述，本发明所提出的发光二极管驱动装置20主要是根据空乏型金属氧化物半导体场效晶体管M1的元件特性以设计出用以保护控制晶片203与功率开关Q免于受高压(VBUS)的影响而损坏的检测单元209。而且，所设计出的检测单元209的架构并不须随着发光二极管串201的运行电压(VBUS)的改变而改变，从而适于内建/整合在控制晶片203中。
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技术人员，当可作些许更动与润饰，而不脱离本发明的精神和范围。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭示的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (8)

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：
一功率开关，其第一端耦接至一第一节点，而其第二端则耦接至一第二节点，其中该发光二极管串耦接在一直流电压与该第一节点之间；
一第一电阻，耦接在该第二节点与一接地电位之间；以及
一控制晶片，耦接该功率开关的控制端以及该第一与该第二节点，用以在该发光二极管驱动装置的一启动期间，反应于该第二节点的电压与一稳定电压而产生一驱动信号来切换该功率开关，从而使得该发光二极管串运行在一定电流之下而发光，并且反应于该第一节点的电压而获得一检测电压以与一预设电压进行比较，从而当该检测电压高于该预设电压时，停止产生该驱动信号。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动装置，其中该控制晶片还用以在该发光二极管驱动装置的一关闭期间，限制流经该发光二极管串的电流，从而使得该发光二极管串停止发光。
3.根据权利要求2所述的发光二极管驱动装置，其中该控制晶片包括：
一驱动单元，耦接该功率开关的控制端与该第二节点，用以在该发光二极管驱动装置的该启动期间，反应于一控制信号而比较该第二节点的电压与该稳定电压，并据以产生该驱动信号来切换该功率开关，从而使得该发光二极管串运行在该定电流之下而发光；
一检测单元，耦接该第一节点，用以在该发光二极管驱动装置的该启动期间，反应于一使能信号而检测该第一节点的电压，藉以获得该检测电压以与该预设电压进行比较，从而当该检测电压高于该预设电压时，发出一错误信号；以及
一控制主体，耦接该驱动单元与该检测单元，用以产生该控制信号与该使能信号以分别控制该驱动单元与该检测单元的运作，并且反应于该错误信号而控制该驱动单元停止产生该驱动信号。
4.根据权利要求3所述的发光二极管驱动装置，其中该检测单元还用以在该发光二极管驱动装置的该关闭期间，反应于该使能信号而限制流经该发光二极管串的电流，从而使得该发光二极管串停止发光。
5.根据权利要求4所述的发光二极管驱动装置，其中该检测单元包括：
一第一晶体管，其漏极耦接该第一节点，而其基极则用以接收一参考电压；
一第二晶体管，其栅极用以接收该使能信号，其漏极耦接该第一晶体管的栅极，而其源极则耦接该接地电位；
一第二电阻，其第一端耦接该第一晶体管的源极，而其第二端则用以产生该检测电压；
一第三电阻，其第一端耦接该第二电阻的第二端，而其第二端则耦接至该接地电位；
一第四电阻，其第一端耦接该第一晶体管的栅极，而其第二端则耦接该第一晶体管的源极；以及
一比较器，其一输入端耦接该第二电阻的第二端以接收该检测电压，其另一输入端用以接收该预设电压，而其输出端则用以输出该错误信号。
6.根据权利要求5所述的发光二极管驱动装置，其中
该第一晶体管为一N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管；以及
该第二晶体管为一N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管。
7.根据权利要求4所述的发光二极管驱动装置，其中该检测单元包括：
一第一晶体管，其漏极耦接该第一节点，而其基极则用以接收一参考电压；
一第二晶体管，其栅极用以接收该使能信号，其漏极耦接该第一晶体管的栅极，而其源极则耦接该接地电位；
一第二电阻，其第一端耦接该第一晶体管的源极；
一第三电阻，其第一端耦接该第二电阻的第二端；
一第四电阻，其第一端耦接该第一晶体管的栅极，而其第二端则耦接该第一晶体管的源极；
一第三晶体管，其栅极与漏极耦接该第三电阻的第二端，而其源极则耦接至该接地电位；
一第四晶体管，其栅极耦接该第三晶体管的栅极，而其源极则耦接至该接地电位；
一第五晶体管，其源极耦接至一***电压，而其栅极与漏极则耦接该第四晶体管的漏极；
一第六晶体管，其源极耦接至该***电压，而其栅极则耦接该第五晶体管的栅极；
一第五电阻，其第一端耦接该第六晶体管的漏极以产生该检测电压，而其第二端则耦接至该接地电位；以及
一比较器，其一输入端耦接该第五电阻的第一端以接收该检测电压，其另一输入端用以接收该预设电压，而其输出端则用以输出该错误信号。
8.根据权利要求7所述的发光二极管驱动装置，其中
该第一晶体管为一N通道空乏型金属氧化物半导体场效晶体管；
该第二至该第四晶体管分别为一N通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管；以及
该第五与该第六晶体管分别为一P通道增强型金属氧化物半导体场效晶体管。
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