TWI394126B - 用於發光二極體背光系統之驅動電路 - Google Patents

Description

用於發光二極體背光系統之驅動電路

本發明係指一種用於發光二極體背光系統之驅動電路，尤指一種以定電流源方式驅動發光二極體背光系統之驅動電路。

由於液晶面板本身不會發光，因此液晶顯示器必須依賴背光模組提供充足且分布均勻的光源，以正常地顯示圖像。傳統上，冷陰極管(Code Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)因具有高亮度及低成本等優點，而成為液晶顯示器之主要照明光源。然而，隨著環保意識的抬頭及發光二極體(Light Emitting Diode，LED)技術的發展，含汞成分的冷陰極管已逐漸被色彩飽和度高、體積小、省電及反應速度快之發光二極體取代，以滿足使用者對液晶顯示器在色彩、體積、壽命等特性上的需求。

一般而言，發光二極體的驅動方式大致可分為電壓源驅動與電流源驅動兩種。請參考第1圖，第1圖說明了以電壓源方式驅動一發光二極體背光系統10之示意圖。如第1圖所示，發光二極體背光系統10係由發光二極體D1～Dn並聯組成，並透過限流電阻S1～Sn控制流經每一發光二極體之電流大小，以達到控制每一發光二極體之亮度的目的。然而，此種驅動方式容易因限流電阻及發光二極體順向導通電壓間之誤差，使得流經每一發光二極體的電流不同，而導致背光系統產生亮度分佈不均的現象。

為了改善亮度分布不均的現象，背光系統可將發光二極體由並聯排列方式改為串聯排列，如第2圖所示，如此不但可使每顆發光二極體之電流相同，且由於減少限流電阻的使用，而提高背光系統之電源使用效率。然而，由於發光二極體之順向導通電壓會隨溫度升高而下降，因此在相同驅動電壓之下，流經發光二極體串聯組之電流將隨溫度升高而上升，導致發光二極體之亮度會隨溫度變化而改變。

因此，習知背光系統一般會以電流源方式驅動發光二極體串聯組，以使流經每一發光二極體之電流大小相等，並避免其電流大小隨溫度變化而改變，從而有效地控制發光二極體的亮度，如第3圖所示。在此情形下，如何於背光系統中提供一有效率的定電流源驅動電路變成一個重要的課題。

因此，本發明之目的即在於提供一種用於發光二極體背光系統之驅動電路。

本發明係揭露一種用於發光二極體背光系統之驅動電路。該驅動電路包含有一輸入電壓、一輸入電阻、一運算放大器、一第一電晶體及一電流運算單元。該運算放大器具有一正輸入端，一負輸入端及一輸出端，該正輸入端透過該輸入電阻電性連接於該輸入電壓，而該輸出端透過一回授網路電性連接於該負輸入端。該第一電晶體具有一第一端電性連接於該運算放大器之該正輸入端，一第二端透過一參考電阻電性連接於一參考電壓，以及一第三端電性連接於該運算放大器之該輸出端，用來根據該輸入電壓及該輸入電阻，汲取一參考電流，以控制該運算放大器之一輸出電壓。該電流運算單元電性連接於該運算放大器之該輸出端及該參考電壓，用來根據該運算放大器之該輸出電壓，產生與該參考電流成比例之複數個工作電流，以驅動複數個發光二極體串聯組。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區別的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「電性連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置電性連接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。

請參考第4圖，第4圖為本發明實施例用於一發光二極體(Light Emitting Diode，LED)背光系統之一驅動電路40之示意圖。驅動電路40包含有一輸入電壓Vin、一輸入電阻Rin、一運算放大器OP1、一第一電晶體Q1及一電流運算單元42。運算放大器OP1之正輸入端透過輸入電阻Rin電性連接於輸入電壓Vin，而其輸出端透過一回授網路41電性連接於負輸入端。第一電晶體Q1較佳地係一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，其集極電性連接於運算放大器OP1之正輸入端，射極透過一參考電阻R1電性連接於一參考電壓Vgg，以及基極電性連接於運算放大器OP1之輸出端，用來根據輸入電壓Vin及輸入電阻Rin，汲取一參考電流I1，以控制運算放大器OP1之一輸出電壓Vout。電流運算單元42電性連接於運算放大器OP1之輸出端及參考電壓Vgg，用來根據運算放大器之輸出電壓Vout，產生與參考電流I1成比例之工作電流I2～In，以驅動發光二極體串聯組LED_2～LED_n。

較佳地，回授網路41係由一回授電容Cf及一回授電阻Rf組成。回授電容Cf之一端電性連接於運算放大器OP1之輸出端，另一端則電性連接於運算放大器OP1之負輸入端；回授電阻Rf之一端電性連接於運算放大器OP1之負輸入端及回授電容Cf，另一端則電性連接於一地端，如第4圖所示。此外，電流運算單元42另包含有第二電晶體Q2～Qn，其皆為雙載子接面電晶體，且具有相同於第一電晶體Q1之電氣特性。第二電晶體Q2～Qn之集極分別電性連接於發光二極體串聯組LED_2～LED_n，射極分別透過限流電阻R2～Rn電性連接於參考電壓Vgg，而基極則分別電性連接於運算放大器OP1之輸出端，用來根據運算放大器之輸出電壓Vout及相對應限流電阻之大小，產生與參考電流I1成比例之工作電流I2～In。關於驅動電路40之詳細運作原理，請繼續參考以下說明。

由於運算放大器OP1操作於負回授組態，因此運算放大器OP1之正輸入端與負輸入端具有虛短路(virtual ground)之特性，而使得運算放大器OP1之正輸入端電位等於負輸入端之電位，其可表示為：

V₍₊₎ =V_(-) =0　(1)

在此情形下，第一電晶體Q1所汲取的參考電流I1之大小將等於：

由於第一電晶體Q1之集極電流近似於射極電流，因此運算放大器之輸出電壓Vout可表示為：

Vout =Vbe +I 1×R 1+Vgg 　(3)

其中，Vbe代表電晶體基極至射極之電壓差。此外，由於第二電晶體Q2～Qn亦需滿足(3)式，因此當限流電阻R2～Rn之大小相等於參考電阻R1時，即R 1=R 2=…=Rn ，第二電晶體Q2～Qn所產生之工作電流I2～In亦相等於參考電流I1，其可由下式表示：

換句話說，當第一電晶體Q1透過輸入電阻Rin汲取參考電流I1時，同時亦決定了運算放大器之輸出電壓Vout大小，以控制第二電晶體Q2～Qn產生大小相等於參考電流I1之工作電流I2～In。

因此，本發明驅動電路40可根據輸入電壓Vin與輸入電阻Rin，產生與負載無關之穩定工作電流I2～In，以驅動發光二極體串聯組LED_2～LED_n。如此一來，本發明不但可有效降低每一發光二極體串聯組間之電流差，亦可避免其電流大小隨溫度變化而改變，從而有效地控制發光二極體的亮度。

值得注意的是，上述實施方式僅為本發明之一舉例說明，本領域具通常知識者當可根據實際需求做適當地修改，例如調整限流電阻R2～Rn之大小，以控制第二電晶體Q2～Qn所產生之工作電流I2～In與參考電流I1之比例關係等等，其亦屬本發明之範圍。

除此之外，本發明驅動電路亦可實現具有調光功能之背光系統，以對發光二極體的亮度進行控制。舉例來說，請參考第5圖，第5圖為本發明用於發光二極體背光系統之一驅動電路50之實施例示意圖。驅動電路50大致類似於第4圖之驅動電路40，不同之處在於驅動電路50另包含有一電壓調整電路55，耦接於輸入電壓Vin，用來調整輸入電壓Vin之大小。如此一來，本發明驅動電路50可藉由調整輸入電壓Vin，控制所產生之工作電流大小，以調整發光二極體串聯組LED_2～LED_n之亮度。

另一方面，請繼續參考第6圖，第6圖為本發明用於發光二極體背光系統之一驅動電路60之實施例示意圖。相較於第5圖，驅動電路60包含有一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器65，耦接於輸入電壓Vin，用來對輸入電壓Vin進行調變，以藉由調整輸入電壓Vin之訊號寬度，對發光二極體串聯組LED_2～LED_n進行調光。相關訊號波形圖如第7圖所示，其操作方式係本領域具通常知識者所熟知，於此不多加贅述。

綜上所述，本發明驅動電路可根據輸入電壓與輸入電阻，產生與負載無關之穩定工作電流，以驅動發光二極體串聯組。如此一來，本發明不但可有效降低每一發光二極體串聯組間之電流差，亦可避免其電流大小隨溫度變化而改變，從而有效地控制發光二極體的亮度。此外，本發明另可藉由簡單的電路實現具有調光功能之背光系統，以降低電路複雜度與成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．發光二極體背光系統

D1～Dn．．．發光二極體

S1～Sn、R2～Rn．．．限流電阻

Vdc．．．電壓源

Is．．．電流源

40、50、60．．．驅動電路

Vin．．．輸入電壓

Rin．．．輸入電阻

OP1．．．運算放大器

Q1～Qn．．．電晶體

41、51、61．．．回授網路

42、52、62．．．電流運算單元

Vgg．．．參考電壓

I1．．．參考電流

Vout．．．輸出電壓

I2～In．．．工作電流

LED_2～LED_n．．．發光二極體串聯組

Cf．．．回授電容

Rf．．．回授電阻

55．．．電壓調整電路

65．．．脈波寬度調變控制器

第1圖說明了以電壓源方式驅動一發光二極體背光系統之示意圖。

第2圖說明了以電壓源方式驅動另一發光二極體背光系統之示意圖。

第3圖說明了以電流源方式驅動一發光二極體背光系統之示意圖。

第4圖為本發明實施例用於發光二極體背光系統之一驅動電路之示意圖。

第5圖為本發明用於發光二極體背光系統之另一驅動電路之實施例示意圖。

第6圖為本發明用於發光二極體背光系統之另一驅動電路之實施例示意圖。

第7圖為第6圖驅動電路之相關訊號波形圖。

R2～Rn．．．限流電阻

40．．．驅動電路

Vin．．．輸入電壓

Rin．．．輸入電阻

OP1．．．運算放大器

Q1～Qn．．．電晶體

41．．．回授網路

42．．．電流運算單元

Vgg．．．參考電壓

I1．．．參考電流

Vout．．．輸出電壓

I2～In．．．工作電流

LED_2～LED_n．．．發光二極體串聯組

Cf．．．回授電容

Rf．．．回授電阻

Claims (10)

1. 一種用於發光二極體(Light Emitting Diode，LED)背光系統之驅動電路，包含有：一輸入電壓；一輸入電阻；一運算放大器，具有一正輸入端，一負輸入端及一輸出端，該正輸入端透過該輸入電阻電性連接於該輸入電壓，該輸出端透過一回授網路電性連接於該負輸入端；一第一電晶體，具有一第一端電性連接於該運算放大器之該正輸入端，一第二端透過一參考電阻電性連接於一參考電壓，以及一第三端電性連接於該運算放大器之該輸出端，用來根據該輸入電壓及該輸入電阻，汲取一參考電流，以控制該運算放大器之一輸出電壓；以及一電流運算單元，電性連接於該運算放大器之該輸出端及該參考電壓，用來根據該運算放大器之該輸出電壓，產生與該參考電流成比例之複數個工作電流，以驅動複數個發光二極體串聯組。
2. 如請求項1所述之驅動電路，其中該回授網路包含有：一回授電容，具有一第一端電性連接於該運算放大器之該輸出端，以及一第二端電性連接於該運算放大器之該負輸入端；以及一回授電阻，具有一第一端電性連接於該運算放大器之該負輸入端及該回授電容之該第二端，以及一第二端電性連接於一地端。
3. 如請求項1所述之驅動電路，其中該第一電晶體係一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，該第一電晶體之該第一端係一集極，該第二端係一射極，該第三端係一基極。
4. 如請求項1所述之驅動電路，其中該電流運算單元包含有複數個第二電晶體，該複數個第二電晶體之每一第二電晶體具有一第一端電性連接於該複數個發光二極體串聯組之一發光二極體串聯組，一第二端透過一限流電阻電性連接於該參考電壓，以及一第三端電性連接於該運算放大器之該輸出端，用來根據該運算放大器之該輸出電壓及該限流電阻，產生與該參考電流成比例之一工作電流。
5. 如請求項4所述之驅動電路，其中該複數個第二電晶體之每一第二電晶體係一雙載子接面電晶體，每一第二電晶體之該第一端係一集極，該第二端係一射極，及該第三端係一基極。
6. 如請求項4所述之驅動電路，其中於該限流電阻與該參考電阻之大小相同時，該複數個第二電晶體之每一第二電晶體所產生之該工作電流相等於該參考電流。
7. 如請求項4所述之驅動電路，其中該複數個第二電晶體之電氣特性相同於該第一電晶體。
8. 如請求項1所述之驅動電路，其另包含一電壓調整電路，耦接於該輸入電壓，用來調整該輸入電壓之大小，以對該複數個發光二極體串聯組進行調光(Dimming)。
9. 如請求項1所述之驅動電路，其另包含一脈波寬度調變(PWM，Pulse Width Modulation)控制器，耦接於該輸入電壓，用來對該輸入電壓進行調變，以對該複數個發光二極體串聯組進行調光。
10. 如請求項1所述之驅動電路，其中該驅動電路係用於一液晶顯示器。