TWI413331B

TWI413331B - 被動式電流平衡驅動裝置

Info

Publication number: TWI413331B
Application number: TW098125239A
Authority: TW
Inventors: Che Min Lin; Yi Chun Yeh
Original assignee: Fsp Technology Inc
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2013-10-21
Also published as: TW201001862A; EP2280581A2; US8169157B2; US20110018463A1; EP2280581A3

Description

被動式電流平衡驅動裝置

本發明是有關於一種電流平衡技術，且特別是有關於一種被動式電流平衡驅動裝置。

近年來，隨著半導體科技蓬勃發展，攜帶型電子產品及平面顯示器產品也隨之興起。而在眾多平面顯示器的類型當中，液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)基於其低電壓操作、無輻射線散射、重量輕以及體積小等優點，隨即已成為各顯示器產品之主流。一般而言，由於液晶顯示面板本身並不具備自發光的特性，因此必須在液晶顯示面板的下方放置背光模組，藉以提供液晶顯示面板所需的光源。

傳統的背光模組大致可以分為兩類，其一係由冷陰極管(coldcathode Fluorescent Lamps,CCFL)所組成的背光模組，而另一則由發光二極體(light emitting diode,LED)所組成的背光模組。其中，由於發光二極體背光模組可以提升液晶顯示器的色域(color gamut)，故而現今各家面板業者大多以發光二極體背光模組來取代冷陰極管背光模組。

發光二極體背光模組具有多串並列在一起的發光二極體，且每一串發光二極體係由多顆串接在一起的發光二極體所組成。實務上，大多採用直流轉換器(DC-DC converter)將直流電源轉換成一組可以同時驅動每一串發光二極體所需的直流電壓。然而，由於每一顆發光二極體的特性不盡相同(例如發光二極體的內阻)，以至於每一串發光二極體的等效總內阻就會不同。如此可推知的是，流經每一串發光二極體的電流會不相同(亦即電流不平衡)，從而導致發光二極體背光模組所提供給液晶顯示面板的光源亮度就會不均勻。

為了要解決這樣的問題，可以藉由在發光二極體背光模組中加入一個電流平衡控制線路來調節流經每一串發光二極體的電流，藉以致使流經每一串發光二極體的電流可以相同(亦即電流平衡)。而常見的電流平衡控制線路可以是由多個主動元件(例如MOSFET)所兜成的電流鏡(current mirror)電路或是電流回授補償(current feedback compensation)電路所組成。另外，電流平衡控制線路亦可由現成的電流調節晶片(例如current sink IC)所組成。

然而，由於MOSFET此類的半導體元件常會因製程差異而導致其汲極電流(Id)與閘源極電壓(Vgs)的特性曲線(Id/Vgs)不同。因此，利用MOSFET所兜成的電流鏡電路或是電流回授補償電路來調節流經每一串發光二極體之電流的精確度是有限的。

另外，現成的電流調節晶片之調節通道數通常是固定的(常為4個或6個調節通道數)，且由於一個調節通道用以調節流經一串發光二極體的電流，所以當發光二極體背光模組具有例如10串發光二極體時，則必須選用3個具有4個調節通道數的電流調節晶片，或者是選用2個具有6個調節通道數的電流調節晶片，但無論選用哪一種都會浪費掉2個未用的調節通道，這無疑會造成多餘的成本浪費。

有鑒於此，本發明提供一種被動式電流平衡驅動裝置，其包括第一與第二驅動器。其中，第一驅動器包括第一平衡電容與第一整流單元。第一平衡電容的第一端耦接交流訊號源的第一端，而第一平衡電容的第二端則提供第一平衡交流電壓。第一整流單元耦接第一平衡電容的第二端，用以接收並整流第一平衡交流電壓，藉以輸出第一直流電壓來驅動多顆串接在一起的第一發光二極體。

另外，第二驅動器包括第二平衡電容與第二整流單元。第二平衡電容的第一端耦接交流訊號源的第一端，而第二平衡電容的第二端則提供第二平衡交流電壓。第二整流單元耦接第二平衡電容的第二端，用以接收並整流第二平衡交流電壓，藉以輸出第二直流電壓來驅動多顆串接在一起的第二發光二極體。

於本發明的一實施例中，第一平衡電容的容抗大於所有第一發光二極體的等效總內阻，而第二平衡電容的容抗大於所有第二發光二極體的等效總內阻，且第一與第二平衡電容的容抗相等。

基於上述可知，本發明主要是將平衡電容的容抗設計的比串接在一起的發光二極體之等效總內阻還要大，以至於流經串接在一起的發光二極體之電流主要會取決於平衡電容的容抗與交流訊號源的電壓值。如此一來，只要將被動式電流平衡驅動裝置內所有驅動器之平衡電容的容抗設計的相同的話，則流經每一串接在一起的發光二極體之電流就會相近，從而達到電流平衡的目的。

應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖1繪示為本發明一實施例之被動式電流平衡驅動裝置100的電路圖。請參照圖1，被動式電流平衡驅動裝置100包括驅動器101與103。其中，驅動器101包括平衡電容CB1、整流單元RU1以及濾波單元FU1；而驅動器103包括平衡電容CB2、整流單元RU2以及濾波單元FU2。

於本實施例中，平衡電容CB1的第一端耦接交流訊號源ACS的第一端，而平衡電容CB1的第二端則提供平衡交流電壓BACV1。其中，交流訊號源ACS例如是從直流轉換器(DC-DC converter)中之隔離變壓器(isolation transformer)的二次側所形成的，但並不限制於此。另外，整流單元RU1耦接平衡電容CB1的第二端，用以接收並整流平衡交流電壓BACV1，藉以輸出直流電壓DCV1來驅動多顆串接在一起的發光二極體L₁₁ ~L_1n 。再者，濾波單元FU1耦接整流單元RU1，用以對整流單元RU1所輸出的直流電壓DCV1進行濾波。如果在整流單元RU1之整流效果良好的狀態下，則可以省略濾波單元FU1。

由此可知，驅動器101與多顆串接在一起的發光二極體L₁₁ ~L_1n 形成一完整的電流迴路，並接收交流訊號源ACS所提供的交流電壓，以經由平衡電容CB1而得到平衡交流電壓BACV1。

於此，整流單元RU1包括二極體D₁₁ 與D₁₂ 。二極體D₁₁ 的陽極耦接平衡電容CB1的第二端，而二極體D₁₁ 的陰極則耦接發光二極體L₁₁ ~L_1n 中第1個發光二極體L₁₁ 的陽極。二極體D₁₂ 的陽極耦接發光二極體L₁₁ ~L_1n 中最後一個發光二極體L_1n 的陰極，而二極體D₁₂ 的陰極耦接二極體D₁₁ 的陽極。另外，濾波單元FU1包括濾波電容CF1。濾波電容CF1的第一端耦接二極體D₁₁ 的陰極，而濾波電容CF1的第二端則耦接二極體D₁₂ 的陽極以及交流訊號源ACS的第二端。

另一方面，平衡電容CB2的第一端耦接交流訊號源ACS的第一端，而平衡電容CB2的第二端則提供平衡交流電壓BACV2。另外，整流單元RU2耦接平衡電容CB2的第二端，用以接收並整流平衡交流電壓BACV2，藉以輸出直流電壓DCV2來驅動多顆串接在一起的發光二極體L₂₁ ~L_2n 。再者，濾波單元FU2耦接整流單元RU2，用以對整流單元RU2所輸出的直流電壓DCV2進行濾波。如果在整流單元RU2之整流效果良好的狀態下，則可以省略濾波單元FU2。

於此，整流單元RU2包括二極體D₂₁ 與D₂₂ 。二極體D₂₁ 的陽極耦接平衡電容CB2的第二端，而二極體D₂₁ 的陰極則耦接發光二極體L₂₁ ~L_2n 中第1個發光二極體L₂₁ 的陽極。二極體D₂₂ 的陽極耦接發光二極體L₂₁ ~L_2n 中最後一個發光二極體L_2n 的陰極，而二極體D₂₂ 的陰極耦接二極體D₂₁ 的陽極。另外，濾波單元FU2包括濾波電容CF2。濾波電容CF2的第一端耦接二極體D₂₁ 的陰極，而濾波電容CF2的第二端則耦接二極體D₂₂ 的陽極以及交流訊號源ACS的第二端。

由此可知，驅動器103與多顆串接在一起的發光二極體L₂₁ ~L_2n 形成一完整的電流迴路，並接收交流訊號源ACS所提供的交流電壓，以經由平衡電容CB2而得到平衡交流電壓BACV2。

於本實施例中，由於每一顆發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的特性不盡相同(例如每一發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的內阻不盡相同)，以至於這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻就會不同。

如此一來，如果使用相同的直流電壓來驅動這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n ，由於這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻不同，以至於流經這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的電流就會不同(亦即電流不平衡)，從而導致這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的亮度相異。

有鑒於此，本實施例特將平衡電容CB1與CB2的容抗(1/ωC)設計的相同，並將平衡電容CB1的容抗設計的比發光二極體L₁₁ ~L_1n 的等效總內阻還要大，且將平衡電容CB2的容抗設計的比發光二極體L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻還要大。如此一來，讓流經發光二極體L₁₁ ~L_1n 的電流實質上取決於交流訊號源ACS之第一端與第二端的電壓差值與平衡電容CB1的容抗(而非發光二極體L₁₁ ~L_1n 的等效總內阻)，並讓流經發光二極體L₂₁ ~L_2n 的電流實質上取決於交流訊號源ACS之第一端與第二端的電壓差值與平衡電容CB2的容抗(而非發光二極體L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻)。也亦因如此，即可確保流經這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的電流會相近(亦即電流平衡)，從而使得這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的亮度相同。

於此值得一提的是，圖1中所繪示的交流訊號源ACS之第二端亦可耦接發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 中第1個發光二極體L₁₁ 與L₂₁ 的陽極，如此亦可達到相似的技術功效。

除此之外，圖2繪示為本發明另一實施例之被動式電流平衡驅動裝置200的電路圖。請合併參照圖1與圖2，被動式電流平衡驅動裝置200包括驅動器201與203。與上一實施例不同的是，驅動器201比驅動器101多了平衡電容CB1’與整流單元RU1’；而驅動器203比驅動器103多了平衡電容CB2’與整流單元RU2’；另外，濾波電容CF1與CF2的第二端並不需耦接至交流訊號源ACS的第二端。

於本實施例中，平衡電容CB1’的容抗仍是設計的比發光二極體L₁₁ ~L_1n 的等效總內阻還要大，但與平衡電容CB1的容抗相等。相似地，平衡電容CB2’的容抗仍是設計的比發光二極體L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻還要大，但與平衡電容CB2的容抗相等。更清楚來說，平衡電容CB1、CB1’、CB2與CB2’的容抗是相等的。

於本實施例中，平衡電容CB1與CB2的第一端仍是耦接交流訊號源ACS的第一端，而平衡電容CB1與CB2的第二端則各別提供平衡交流電壓BACV1與BACV2。另外，平衡電容CB1’與CB2’的第一端耦接交流訊號源ACS的第二端，而平衡電容CB1’與CB2’的第二端則各別提供平衡交流電壓BACV1’與BACV2’。

於此，整流單元RU1’耦接平衡電容CB1’的第二端，用以接收並整流平衡交流電壓BACV1’，藉以輸出直流電壓DCV1來驅動串接在一起的發光二極體L₁₁ ~L_1n 。其中，整流單元RU1’包括二極體D₁₁ ’與D₁₂ ’。二極體D₁₁ ’的陽極耦接平衡電容CB1’的第二端，而二極體D₁₁ ’的陰極則耦接二極體D₁₁ 的陰極。二極體D₁₂ ’的陽極耦接二極體D₁₂ 的陽極，而二極體D₁₂ ’的陰極耦接二極體D₁₁ ’的陽極。

相似地，整流單元RU2’耦接平衡電容CB2’，用以接收並整流平衡交流電壓BACV2’，藉以輸出直流電壓DCV2來驅動串接在一起的發光二極體L₂₁ ~L_2n 。其中’整流單元RU2’包括二極體D₂₁ ’與D₂₂ ’。二極體D₂₁ ’的陽極耦接平衡電容CB2’的第二端，而二極體D₂₁ ’的陰極則耦接二極體D₂₁ 的陰極。二極體D₂₂ ’的陽極耦接二極體D₂₂ 的陽極，而二極體D₂₂ ’的陰極耦接二極體D₂₁ ’的陽極。

基於上述，本實施例同樣將平衡電容CB1、CB1’、CB2與CB2’的容抗設計的相同，並將平衡電容CB1與CB1’的容抗設計的比發光二極體L₁₁ ~L_1n 的等效總內阻還要大，且將平衡電容CB2與CB2’的容抗設計的比發光二極體L₂₁ ~L_2n 的等效總內阻還要大。如此一來，讓流經發光二極體L₁₁ ~L_1n 的電流實質上取決於交流訊號源ACS之第一端與第二端的電壓差值與平衡電容CB1與CB1’的容抗，並讓流經發光二極體L₂₁ ~L_2n 的電流實質上取決於交流訊號源ACS之第一端與第二端的電壓差值與平衡電容CB2與CB2’的容抗。也亦因如此，即可確保流經這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的電流會相近(亦即電流平衡)，從而使得這兩串發光二極體L₁₁ ~L_1n 與L₂₁ ~L_2n 的亮度相同。

再者，圖3繪示為本發明再一實施例之被動式電流平衡驅動裝置300的電路圖。請合併參照圖2與圖3，被動式電流平衡驅動裝置300包括驅動器301與303。與上一實施例不同的是，驅動器301比驅動器201少了平衡電容CB1’；而驅動器303比驅動器203少了平衡電容CB2’，但是被動式電流平衡驅動裝置200與300實際的運作流程相似，放在此並不再加以贅述之。

就應用層面來看，只要將被動式電流平衡驅動裝置100、200、300內各驅動器加以模組化並增加其數量的話，被動式電流平衡驅動裝置100、200、300就可以被用來驅動液晶顯示器之發光二極體背光模組中的每一串發光二極體，藉以致使流經每一串發光二極體的電流相同(亦即電流平衡)，從而使得發光二極體背光模組所提供給液晶顯示面板的光源亮度更加均勻。

然而，被動式電流平衡驅動裝置100、200、300並不限制於僅能驅動液晶顯示器之發光二極體背光模組中的每一串發光二極體而已。換言之，只要在同時間驅動多串發光二極體的條件下(例如：大型的發光二極體廣告看板)，被動式電流平衡驅動裝置100、200、300就可以被應用來平衡電流之用。

另外，由於被動式電流平衡驅動裝置100、200、300內每一驅動器僅需由幾個被動元件所組成即可。因此，所需花費的製作成本將遠低於傳統技藝利用多個主動元件(MOSFET)或是電流調節晶片(current sink IC)所組成之電流平衡控制線路的成本。

綜上所述，本發明主要是將平衡電容的容抗設計的比串接在一起的發光二極體之等效總內阻還要大，以至於流經串接在一起的發光二極體之電流主要會取決於平衡電容的容抗與交流電壓的電壓值。如此一來，只要將被動式電流平衡驅動裝置內所有驅動器之平衡電容的容抗設計的相同的話，則流經每一串接在一起的發光二極體之電流就會相等，從而達到電流平衡的目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300．．．被動式電流平衡驅動裝置

101、103、201、203、301、303．．．驅動器

CB1、CB1’、CB2、CB2’．．．平衡電容

RU1、RU1’、RU2、RU2’．．．整流單元

FU1、FU2．．．濾波單元

CF1、CF2．．．濾波電容

L₁₁ ~L_1n 、L₂₁ ~L_2n ．．．發光二極體

D₁₁ 、D₁₂ 、D₁₁ ’、D₁₂ ’、D₂₁ 、D₂₂ 、D₂₁ ’、D₂₂ ’．．．二極體

ACS．．．交流訊號源

BACV1、BACV1’、BACV2、BACV2’．．．平衡交流電壓

DCV1、DCV2．．．直流電壓

圖1繪示為本發明一實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路圖。

圖2繪示為本發明另一實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路圖。

圖3繪示為本發明再一實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路圖。

100．．．被動式電流平衡驅動裝置

101、103．．．驅動器

CB1、CB2．．．平衡電容

RU1、RU2．．．整流單元

FU1、FU2．．．濾波單元

CF1、CF2．．．濾波電容

L₁₁ ~L_1n 、L₂₁ ~L_2n ．．．發光二極體

D₁₁ 、D₁₂ 、D₂₁ 、D₂₂ ．．．二極體

ACS．．．交流訊號源

BACV1、BACV2．．．平衡交流電壓

DCV1、DCV2．．．直流電壓

Claims

一種被動式電流平衡驅動裝置，包括：一第一驅動器，包括：一第一平衡電容，其第一端耦接一交流訊號源的第一端，而其第二端則提供一第一平衡交流電壓；以及一第一整流單元，耦接該第一平衡電容的第二端，用以接收並整流該第一平衡交流電壓，藉以輸出一第一直流電壓來驅動多顆串接在一起的第一發光二極體；以及一第二驅動器，包括：一第二平衡電容，其第一端耦接該交流訊號源的第一端，而其第二端則提供一第二平衡交流電壓；以及一第二整流單元，耦接該第二平衡電容的第二端，用以接收並整流該第二平衡交流電壓，藉以輸出一第二直流電壓來驅動多顆串接在一起的第二發光二極體，其中，在該第一平衡電容的容抗大於所有第一發光二極體的等效總內阻，該第二平衡電容的容抗大於所有第二發光二極體的等效總內阻，以及該第一與該第二平衡電容的容抗相等的條件下，該第一與該第二平衡電容經配置以平衡各別流經該些第一發光二極體與該些第二發光二極體的電流。
如申請專利範圍第1項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一整流單元包括：一第一二極體，其陽極耦接該第一平衡電容的第二端，而其陰極則耦接該些第一發光二極體中第1個第一發光二極體的陽極；以及一第二二極體，其陽極耦接該些第一發光二極體中最後一個第一發光二極體的陰極，而其陰極耦接該第一二極體的陽極。
如申請專利範圍第2項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一驅動器更包括：一濾波單元，耦接該第一整流單元，用以對該第一整流單元所輸出的該第一直流電壓進行濾波。
如申請專利範圍第3項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該濾波單元包括：一濾波電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接該第二二極體的陽極。
如申請專利範圍第4項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該濾波電容的第一端或第二端更耦接至該交流訊號源的第二端。
如申請專利範圍第4項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一驅動器更包括：一第三平衡電容，耦接該交流訊號源的第二端，而其第二端則提供一第三平衡交流電壓；以及一第三整流單元，耦接該第三平衡電容的第二端，用以接收並整流該第三平衡交流電壓，藉以輸出該第一直流電壓來驅動該些第一發光二極體，其中，該第三平衡電容的容抗大於所有第一發光二極體的等效總內阻，且該第一與該第三平衡電容的容抗相等。
如申請專利範圍第6項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第三整流單元包括：一第三二極體，其陽極耦接該第三平衡電容的第二端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；以及一第四二極體，其陽極耦接該第二二極體的陽極，而其陰極耦接該第三二極體的陽極。
如申請專利範圍第4項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一驅動器更包括：一第三整流單元，包括：一第三二極體，其陽極耦接該交流訊號源的第二端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；以及一第四二極體，其陽極耦接該第二二極體的陽極，而其陰極耦接該第三二極體的陽極。
如申請專利範圍第1項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第二整流單元包括：一第一二極體，其陽極耦接該第二平衡電容的第二端，而其陰極則耦接該些第二發光二極體中第1個第二發光二極體的陽極；以及一第二二極體，其陽極耦接該些第二發光二極體中最後一個第二發光二極體的陰極，而其陰極耦接該第一二極體的陽極。
如申請專利範圍第9項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第二驅動器更包括：一濾波單元，耦接該第二整流單元，用以對該第二整流單元所輸出的該第二直流電壓進行濾波。
如申請專利範圍第10項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該濾波單元包括：一濾波電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接該第二二極體的陽極。
如申請專利範圍第11項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該濾波電容的第一端或第二端更耦接至該交流訊號源的第二端。
如申請專利範圍第11項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第二驅動器更包括：一第三平衡電容，耦接該交流訊號源的第二端，而其第二端則提供一第三平衡交流電壓；以及一第三整流單元，耦接該第三平衡電容的第二端，用以接收並整流該第三平衡交流電壓，藉以輸出該第二直流電壓來驅動該些第二發光二極體，其中，該第三平衡電容的容抗大於所有第二發光二極體的等效總內阻，且該第二與該第三平衡電容的容抗相等。
如申請專利範圍第13項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第三整流單元包括：一第三二極體，其陽極耦接該第三平衡電容的第二端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；以及一第四二極體，其陽極耦接該第二二極體的陽極，而其陰極耦接該第三二極體的陽極。
如申請專利範圍第11項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第二驅動器更包括：一第三整流單元，包括：一第三二極體，其陽極耦接該交流訊號源的第二端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；以及一第四二極體，其陽極耦接該第二二極體的陽極，而其陰極耦接該第三二極體的陽極。
如申請專利範圍第1項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該被動式電流平衡驅動裝置至少適於驅動一液晶顯示器的一發光二極體背光模組。