TWI407835B - 具有發光二極體驅動電路之發光二極體電路及其運作方法 - Google Patents

Description

具有發光二極體驅動電路之發光二極體電路及其運作方法

本揭示內容是有關於一種電路結構及其運作方法，且特別是有關於一種具有發光二極體驅動電路之發光二極體電路及其運作方法。

發光二極體(light emitting diode；LED)與傳統的燈泡照明工具相較下，估計效率約為傳統燈泡的四倍。並且，發光二極體並沒有傳統的燈泡含有有毒的水銀，更擁有較燈泡更長的使用壽命。種種因素下，發光二極體已經成為現代照明科技最新的主流技術。

電流汲取電路常應用於發光二極體電路中的發光二極體串中，以提供一個穩流穩壓的機制。當與發光二極體串其中之一的輸出端電壓相關的迴授電壓被用來與一個固定的參考電壓做比較，以達到迴授控制的機制時，這個輸出端電壓的電壓值常因而被維持在參考電壓的大小附近。當發光二極體串的運作模式改變而使發光二極體串的電流變小時，電流汲取電路所產生的熱卻由於固定的參考電壓的存在，而不會因為電流變小而下降，因此將在小電流運作模式下造成額外的功率損耗。

因此，如何設計一個具有發光二極體驅動電路之發光二極體電路及其運作方法，以克服上述的問題，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種發光二極體(light emitting diode；LED)驅動電路，用以驅動複數個發光二極體串(channel)，該發光二極體驅動電路包含：複數個電流汲取模組、電流鏡以及直流至直流轉換器。電流汲取模組分別連接至發光二極體串其中之一以及輸出負載，以將輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位。電流鏡包含：輸入分支以及輸出分支。輸入分支根據可變設定負載產生輸入設定電流。輸出分支產生輸出設定電流，輸出分支包含相串聯之第一負載以及第二負載，以分別根據輸出設定電流產生可變參考電壓以及設定電壓。直流至直流轉換器包含控制模組以及連接於發光二極體串之功率放大器，其中控制模組用以根據可變參考電壓以及自發光二極體串之複數個輸出端其中之一之迴授電壓產生驅動電壓，以控制功率放大器之閘極，以進一步控制發光二極體串之運作。

依據本揭示內容一實施例，當可變設定負載之阻值改變以使輸入設定電流改變，進一步使輸出設定電流根據輸入設定電流改變時，可變參考電壓產生變動。

依據本揭示內容另一實施例，各電流汲取模組包含：開關金氧半電晶體以及運算放大器。開關金氧半電晶體連接於發光二極體串其中之一以及輸出負載。運算放大器包含：正輸入端、負輸入端以及輸出端。正輸入端接收設定電壓。負輸入端連接至輸出負載以及開關金氧半電晶體，以將輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位。輸出端連接至開關金氧半電晶體之閘極。

依據本揭示內容又一實施例，輸出設定電流以及各發光二極體電流串之發光二極體電流間之電流比值，與第二負載以及輸出負載間之電阻比值相同。

依據本揭示內容再一實施例，其中第一負載為電阻或二極體。

依據本揭示內容更具有之一實施例，其中直流至直流轉換器更包含：電感、二極體以及電容。電感使供應電壓耦合至第一端。二極體連接於第一端以及發光二極體串間。電容連接於發光二極體串，其中功率放大器實質上連接於第一端以根據驅動電壓對電容進行充放電。二極體之陽極端(anode)連接至第一端，二極體之陰極端(cathode)連接至電容。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種發光二極體電路，包含：複數個發光二極體串以及發光二極體驅動電路。發光二極體驅動電路包含：複數個電流汲取模組、電流鏡以及直流至直流轉換器。電流汲取模組分別連接至發光二極體串其中之一以及輸出負載，以將輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位。電流鏡包含：輸入分支以及輸出分支。輸入分支根據可變設定負載產生輸入設定電流。輸出分支產生輸出設定電流，輸出分支包含相串聯之第一負載以及第二負載，以分別根據輸出設定電流產生可變參考電壓以及設定電壓。直流至直流轉換器包含控制模組以及連接於發光二極體串之功率放大器，其中控制模組用以根據可變參考電壓以及自發光二極體串之複數個輸出端其中之一之迴授電壓產生驅動電壓，以控制功率放大器之閘極，以進一步控制發光二極體串之運作。

依據本揭示內容一實施例，當可變設定負載之阻值改變以使輸入設定電流改變，進一步使輸出設定電流根據輸入設定電流改變時，可變參考電壓產生變動。

依據本揭示內容另一實施例，各電流汲取模組包含：開關金氧半電晶體以及運算放大器。開關金氧半電晶體連接於發光二極體串其中之一以及輸出負載其中之一。運算放大器包含：正輸入端、負輸入端以及輸出端。正輸入端接收設定電壓。負輸入端連接至輸出負載以及開關金氧半電晶體，以將輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位。輸出端連接至開關金氧半電晶體之閘極。

依據本揭示內容又一實施例，輸出設定電流以及各發光二極體電流串之發光二極體電流間之電流比值，與第二負載以及輸出負載間之電阻比值相同。

依據本揭示內容再一實施例，其中第一負載為電阻或二極體。

依據本揭示內容更具有之一實施例，其中直流至直流轉換器更包含：電感、二極體以及電容。電感使供應電壓耦合至第一端。二極體連接於第一端以及發光二極體串間。電容連接於發光二極體串，其中功率放大器實質上連接於第一端以根據驅動電壓對電容進行充放電。二極體之陽極端(anode)連接至第一端，二極體之陰極端(cathode)連接至電容。

本揭示內容之再一態樣是在提供一種發光二極體電路運作方法，應用於發光二極體電路中，發光二極體電路包含複數發光二極體串，發光二極體電路運作方法包含下列步驟。根據可變設定負載於電流鏡之輸入分支產生輸入設定電流；根據輸入設定電流於電流鏡之輸出分支產生輸出設定電流，其中輸出分支包含相串聯之第一負載以及第二負載，以分別根據輸出設定電流產生可變參考電壓以及設定電壓；將連接於發光二極體串其中之一之輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位；以及由發光二極體電路之控制模組接收可變參考電壓以及自發光二極體串之複數個輸出端其中之一之迴授電壓，以控制功率放大器之閘極，以進一步控制發光二極體串之運作。

依據本揭示內容另一實施例，發光二極體電路運作方法更包含下列步驟：改變可變設定負載之阻值以使輸入設定電流改變；以及根據輸入設定電流改變輸出設定電流，以使可變參考電壓產生變動。

依據本揭示內容又一實施例，輸出設定電流以及各發光二極體電流串之發光二極體電流間之電流比值，與第二負載以及輸出負載間之電阻比值相同。

應用本揭示內容之優點係在於藉由可變設定負載以及電流鏡之設置，建立一個可隨運作模式改變的可變參考電壓，以在切換至不同的運作模式時動態地調整迴授控制機制的運作，達到降低功率消耗的功效，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1圖。第1圖為本揭示內容之一實施例中，發光二極體電路1之示意圖。發光二極體電路1包含：複數發光二極體串10以及發光二極體驅動電路。發光二極體驅動電路包含：複數個電流汲取模組12(於第1圖以一個方塊繪示)、直流至直流轉換器以及電流鏡16。

直流至直流轉換器包含電感140、二極體142、電容144、控制模組146以及功率放大器148。

電感140用以將供應電壓Vp耦合至第一端P。二極體142連接於第一端P以及發光二極體串10之間。其中，二極體142之陽極端連接至第一端P，而二極體142之陰極端則連接至電容144以及發光二極體串10。需注意的是，此些發光二極體串10的所具有的串數以及各發光二極體串中包含的發光二極體的數目於不同實施例中，可視情況進行調整。

於一實施例中，控制模組146包含誤差放大器及波寬調變器(未繪示)，其中誤差放大器根據一個參考電壓Vr以及一個與此些發光二極體串10的電壓相關的迴授電壓Vfb產生一個比較結果。波寬調變器進一步根據比較結果與一個振盪訊號產生驅動電壓Vd。當驅動電壓Vd為高態時，功率放大器148將被導通。而當驅動電壓Vd為低態時，功率放大器148將關閉。功率放大器148因此可以在導通及關閉間切換，以對電容144進行充放電。電容144的充放電過程則可使發光二極體串10據以導通或關閉。

此些電流汲取模組12分別連接於這些發光二極體串10其中之一，以提供一穩壓或穩流機制。請同時參照第2圖。第2圖為本揭示內容一實施例中，第1圖之電流鏡16、兩個發光二極體串100、102以及兩個電流汲取模組120、122之示意圖。

電流汲取模組120連接於發光二極體串100以及輸出負載20間。電流汲取模組122連接於發光二極體串102以及輸出負載22間。請再同時參照第3圖。第3圖為電流汲取模組120以及輸出負載20更詳細之示意圖。電流汲取模組120包含運算放大器30以及開關金氧半電晶體32。開關金氧半電晶體32連接於所對應的發光二極體串100以及輸出負載20。運算放大器30具有正輸入端(標記為+)、負輸入端(標記為-)以及輸出端。正輸入端用以接收設定電壓Vset。負輸入端連接至輸出負載20以及開關金氧半電晶體32，以將輸出負載20之電壓，亦即第3圖中標記為N點之電壓，栓鎖於設定電壓準位Vset。運算放大器30的輸出端連接至開關金氧半電晶體32之閘極。

電流鏡16包含：輸入分支160以及輸出分支162。輸入分支160根據可變設定負載161產生輸入設定電流Iset1。換句話說，可變設定負載161可為一可變電阻，以讓使用者可以藉由調整其阻值而改變輸入設定電流Iset1的大小。由於為電流鏡16之形式，輸出分支162可以依據輸入設定電流Iset1產生輸出設定電流Iset2。

輸出分支162包含相串聯之第一負載163以及第二負載165。於本實施例中，第一負載163以及第二負載165均為電阻。於一實施例中，第一負載163亦可為一個二極體以於其兩端得到一個電壓差。因此，在第一負載163以及第二負載165上可根據輸出設定電流Iset2產生兩個電壓。

於第二負載165上產生的電壓是做為前述之設定電壓Vset，並傳送至各電流汲取模組120及122的運算放大器的正輸入端，以提供電壓栓鎖之機制。由於電壓栓鎖之機制，輸出設定電流Iset2以及各個發光二極體串的發光二極體電流(如第2圖及第3圖中繪示的發光二極體電流Id)間具有之電流比值，與第二負載165以及輸出負載20間之電阻比值相同。舉例來說，當輸出負載20的阻值為R1，且第二負載165之阻值為200*R1，則輸出設定電流Iset2及發光二極體電流Id間的電流比值亦為200。

第一負載163上的電壓則做為可變參考電壓Vr，以傳送至第1圖中所繪示的控制模組146。因此，控制模組146實質上根據可變參考電壓Vr以及迴授電壓Vfb產生驅動電壓Vd。需注意的是，迴授電壓Vfb是根據此些發光二極體串10其中之一的輸出端產生，如發光二極體串100的輸出端O。於一實施例中，迴授電壓Vfb可從這些輸出端的電壓中，經由一個最小值選擇機制選擇出。

因此，當可變設定負載161的之阻值被改變，以使輸入設定電流Iset1改變，輸出設定電流Iset2將根據輸入設定電流Iset1改變。而改變的設定電流Iset2，將進一步使可變參考電壓Vr以及發光二極體電流Id產生變動。

在一個例子中，於初始的運作模式下，發光二極體電流Id為40毫安培，且可變參考電壓Vr為0.8伏特。當發光二極體電路1的運作模式由於可變設定負載161被調整至較小的值而改變，進一步使得發光二極體電流Id降至20毫安培時，如控制模組146仍採用固定的參考電壓實現迴授機制，則電流汲取模組將由於迴授機制將發光二極體串的輸出端電壓栓鎖在固定的參考電壓值(即0.8V)附近，而無法隨著降低發光二極體電流Id之調整而大幅降低其功率消耗。

若控制模組146採用上述實施例中的可變參考電壓Vr，則迴授控制機制將在運作模式改變(如發光二極體電流Id由40毫安培變為20毫安培)時，將由可變設定負載161的變化，而調整可變參考電壓Vr至一個較小的值。因此，發光二極體串的輸出端電壓將隨運作模式的改變而栓鎖在較低的電壓值(如0.6伏特)，功率可因此達到大幅下降的效果。

舉例來說，在原運作模式下，迴授控制機制使發光二極體串的輸出端電壓栓鎖在0.8伏特，則功率消耗將為0.8伏特*40毫安培。如果採用固定參考電壓的方式，改變後的運作模式之功率消耗將為0.8伏特*20毫安培。另一方面，如果採用可變參考電壓的方式，改變後的運作模式之功率消耗將下降為0.6伏特*20毫安培。當發光二極體電路中與所有的發光二極體串相連接的電流汲取模組均由於可變參考電壓的設計而大幅降低功率消耗，則整體發光二極體電路的功率消耗降低的量是非常可觀的。

需注意的是，第2圖中是以兩個發光二極體串為例進行說。實質上，在不同的情形中，發光二極體串之數目可進行不同之調整。

請參照第4圖。第4圖為本揭示內容一實施例中，一種發光二極體電路運作方法之流程圖。發光二極體電路運作方法可應用於如第1圖所繪示的發光二極體電路1中。發光二極體電路運作方法包含下列步驟(應瞭解到，在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)。

於步驟401，根據可變設定負載161於電流鏡16之輸入分支160產生輸入設定電流Iset1。接著於步驟402，根據輸入設定電流Iset1於電流鏡16之輸出分支162產生輸出設定電流Iset2，其中輸出分支162包含相串聯之第一負載163以及第二負載165，以分別根據輸出設定電流Iset2產生可變參考電壓Vr以及設定電壓Vset。於步驟403，將連接於發光二極體串10其中之一之輸出負載之電壓栓鎖於設定電壓準位Vset。於步驟404，由發光二極體電路1之控制模組146接收可變參考電壓Vr以及自發光二極體串10之複數個輸出端其中之一之迴授電壓Vfb，以控制功率放大器148之閘極，以進一步控制發光二極體串10之運作。

應用本揭示內容之優點在於藉由可變設定負載以及電流鏡之設置，建立一個可隨運作模式改變的可變參考電壓，以在切換至不同的運作模式時動態地調整迴授控制機制的運作，達到降低功率消耗的功效。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．發光二極體電路

10．．．複數發光二極體串

100、102．．．發光二極體串

12．．．複數電流汲取模組

120、122．．．電流汲取模組

140．．．電感

142．．．二極體

144．．．電容

146．．．控制模組

148．．．功率放大器

16．．．電流鏡

160．．．輸入分支

161．．．可變設定負載

162．．．輸出分支

163．．．第一負載

165．．．第二負載

20、22．．．輸出負載

30．．．運算放大器

32．．．開關金氧半電晶體

401-404．．．步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為本揭示內容之一實施例中，發光二極體電路之示意圖；

第2圖為本揭示內容一實施例中，第1圖中的電流鏡、兩個發光二極體串以及兩個電流汲取模組之示意圖；

第3圖本揭示內容一實施例中，第2圖中的電流汲取模組以及輸出負載更詳細之示意圖；以及

第4圖為本揭示內容一實施例中，一種發光二極體電路運作方法之流程圖。

100、102．．．發光二極體串

120、122．．．電流汲取模組

16．．．電流鏡

160．．．輸入分支

161．．．可變設定負載

162．．．輸出分支

163．．．第一負載

165．．．第二負載

20、22．．．輸出負載

Claims (17)

1. 一種發光二極體(light emitting diode；LED)驅動電路，用以驅動複數個發光二極體串(channel)，該發光二極體驅動電路包含：複數個電流汲取模組，分別連接至該等發光二極體串其中之一以及一輸出負載，以將該輸出負載之電壓栓鎖於一設定電壓準位；一電流鏡，包含：一輸入分支，用以根據一可變設定負載產生一輸入設定電流；以及一輸出分支，用以產生一輸出設定電流，該輸出分支包含相串聯之一第一負載以及一第二負載，以分別根據該輸出設定電流產生一可變參考電壓以及該設定電壓；以及一直流至直流轉換器，包含一控制模組以及連接於該等發光二極體串之一功率放大器，其中該控制模組用以根據該可變參考電壓以及自該等發光二極體串之複數個輸出端其中之一之一迴授電壓產生一驅動電壓，以控制該功率放大器之閘極，以進一步控制該等發光二極體串之運作。
2. 如請求項1所述之發光二極體驅動電路，其中當該可變設定負載之一阻值改變以使該輸入設定電流改變，進一步使該輸出設定電流根據該輸入設定電流改變時，該可變參考電壓產生變動。
3. 如請求項1所述之發光二極體驅動電路，其中各該等電流汲取模組包含：一開關金氧半電晶體，連接於該等發光二極體串其中之一以及該輸出負載；以及一運算放大器，包含：一正輸入端，以接收該設定電壓；一負輸入端，連接至該輸出負載以及該開關金氧半電晶體，以將該輸出負載之電壓栓鎖於該設定電壓準位；以及一輸出端，連接至該開關金氧半電晶體之閘極。
4. 如請求項1所述之發光二極體驅動電路，其中該輸出設定電流以及各該等發光二極體電流串之一發光二極體電流間之一電流比值，與該第二負載以及該輸出負載間之一電阻比值相同。
5. 如請求項1所述之發光二極體驅動電路，其中該第一負載為一電阻或一二極體。
6. 如請求項1所述之發光二極體驅動電路，其中該直流至直流轉換器更包含：一電感，使一供應電壓耦合至一第一端；一二極體，連接於該第一端以及該等發光二極體串間；以及一電容，連接於該等發光二極體串，其中該功率放大器實質上連接於該第一端以根據該驅動電壓對該電容進行充放電。
7. 如請求項6所述之發光二極體驅動電路，其中該二極體之一陽極端(anode)連接至該第一端，該二極體之一陰極端(cathode)連接至該電容。
8. 一種發光二極體電路，包含：複數個發光二極體串；以及一發光二極體驅動電路，包含：複數個電流汲取模組，分別連接至該等發光二極體串其中之一以及一輸出負載，以將該輸出負載之電壓栓鎖於一設定電壓準位；一電流鏡，包含：一輸入分支，用以根據一可變設定負載產生一輸入設定電流；以及一輸出分支，用以產生一輸出設定電流，該輸出分支包含相串聯之一第一負載以及一第二負載，以分別根據該輸出設定電流產生一可變參考電壓以及該設定電壓；以及一直流至直流轉換器，包含一控制模組以及連接於該等發光二極體串之一功率放大器，其中該控制模組用以根據該可變參考電壓以及自該等發光二極體串之複數個輸出端其中之一之一迴授電壓產生一驅動電壓，以控制該功率放大器之閘極，以進一步控制該等發光二極體串之運作。
9. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中當該可變設定負載之一阻值改變以使該輸入設定電流改變，進一步使該輸出設定電流根據該輸入設定電流改變時，該可變參考電壓產生變動。
10. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中各該等電流汲取模組包含：一開關金氧半電晶體，連接於該等發光二極體串其中之一以及該輸出負載其中之一；以及一運算放大器，包含：一正輸入端，以接收該設定電壓；一負輸入端，連接至該輸出負載以及該開關金氧半電晶體，以將該輸出負載之電壓栓鎖於該設定電壓準位；以及一輸出端，連接至該開關金氧半電晶體之閘極。
11. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中該輸出設定電流以及各該等發光二極體電流串之一發光二極體電流間之一電流比值，與該第二負載以及該輸出負載間之一電阻比值相同。
12. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中該第一負載為一電阻或一二極體。
13. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中直流至直流轉換器更包含：一電感，使一供應電壓耦合至一第一端；一二極體，連接於該第一端以及該等發光二極體串間；以及一電容，連接於該等發光二極體串，其中該功率放大器實質上連接於該第一端以根據該驅動電壓對該電容進行充放電。
14. 如請求項8所述之發光二極體電路，其中該二極體之一陽極端連接至該第一端，該二極體之一陰極端連接至該電容。
15. 一種發光二極體電路運作方法，應用於一發光二極體電路中，該發光二極體電路包含複數發光二極體串，該發光二極體電路運作方法包含下列步驟：根據一可變設定負載於一電流鏡之一輸入分支產生一輸入設定電流；根據該輸入設定電流於該電流鏡之一輸出分支產生一輸出設定電流，其中該輸出分支包含相串聯之一第一負載以及一第二負載，以分別根據該輸出設定電流產生一可變參考電壓以及該設定電壓；將連接於該等發光二極體串其中之一之一輸出負載之電壓栓鎖於一設定電壓準位；以及由該發光二極體電路之一控制模組接收該可變參考電壓以及自該等發光二極體串之複數個輸出端其中之一之一迴授電壓，以控制一功率放大器之閘極，以進一步控制該等發光二極體串之運作。
16. 如請求項15所述之發光二極體電路運作方法，更包含下列步驟：改變該可變設定負載之一阻值以使該輸入設定電流改變；以及根據該輸入設定電流改變該輸出設定電流，以使該可變參考電壓產生變動。
17. 如請求項15所述之發光二極體電路運作方法，其中該輸出設定電流以及各該等發光二極體電流串之一發光二極體電流間之一電流比值，與該第二負載以及該輸出負載間之一電阻比值相同。