TWI426816B - 發光二極體的驅動電源控制電路與驅動電源控制方法 - Google Patents

Description

發光二極體的驅動電源控制電路與驅動電源控制方法

本發明是有關於一種驅動電源控制電路與方法，且特別是有關於一種發光二極體的驅動電源控制電路與方法。

發光二極體(LED)是新一代的照明元件，其具有省電及使用壽命長等優點，因此已廣泛應用在各式裝置，特別是應用於平面顯示器(如液晶顯示器)之背光源模組中。背光源的發光二極體串必須藉由電源驅動電路來驅動發光二極體的發光行為。但是每個發光二極體串會存在著不同的負載特性，因此導致不同的發光二極體串無法有效維持亮度一致性。而在電源驅動電路內部的電子元件也有功率損耗而造成電源驅動電路之溫度過高現象。

因此在發光二極體的電源驅動電路之製造過程中，會將穩定電流電路以及補償電源電路設置在電源驅動電路中，藉此提供穩定電流與補償後的電壓以驅動發光二極體串。但是使用此種方法，電源驅動電路所輸出的電力會有漣波失真的問題，此將造成整體電路的過熱與不穩定。

本發明的目的之一就是在提供一種發光二極體的驅動電源控制電路，可應用於控制驅動多個發光二極體串的電源，其具有較高的可靠性，且可降低整體電路內部的電子元件的熱損問題。

本發明的另一目的就是在提供一種發光二極體的驅動電源控制方法，其採用上述之發光二極體的驅動電源控制電路以減少整體電路內部的電子元件的熱損問題。

本發明提出一種發光二極體的驅動電源控制電路，其包括：第一電源端、第二電源端、多個開關單元以及控制單元。其中，第一電源端提供第一輸出電壓。第二電源端提供第二輸出電壓。每個開關單元電性耦接於相對應的發光二極體串與第二電源端之間，並且每個發光二極體串電性耦接於開關單元與第一電源端之間，使第一電源端、發光二極體串、對應的開關單元與第二電源端依序組成電性導通路徑。控制單元輸出多個調節訊號至相對應的多個開關單元以控制開關單元的導通狀態。此外，控制單元還電性耦接於多個開關單元與對應的發光二極體串相電性耦接處，藉此取得相對應的多個節點電壓。再者，控制單元包括電壓選擇模組、減法器以及調節模組。電壓選擇模組接收多個節點電壓，並選取這些節點電壓之一輸出為參考節點電壓。減法器接收參考節點電壓與一個節點電壓，並將此節點電壓與參考節點電壓相減以輸出對應於此節點電壓的回授電壓。調節模組則電性耦接至減法器以接收回授電壓並進一步地根據此回授電壓而決定調節模組所輸出的調節訊號的內容。

在本發明的一個實施例中，上述之調節模組分別包括驅動電流調整模組以及工作訊號產生模組。驅動電流調整模組電性耦接於減法器以接收回授電壓，並且根據回授電壓決定流經對應的開關單元的電流。工作訊號產生模組電性耦接於驅動電流調整模組，並且根據驅動電流調整模組所決定的流經開關單元的電流而決定各開關單元之工作電源狀態。

在本發明的另一個實施例中，每一個開關單元分別包括電晶體、電阻以及比較器。電晶體包括汲極端、源極端與控制端， 此電晶體的汲極端電性耦接於對應的發光二極體串。電阻的一個通路端電性耦接至第二電源端，另一個通路端電性耦接至電晶體的源極端。比較器包括第一比較資料輸入端、第二比較比較資料輸入端以及比較結果輸出端，比較結果輸出端電性耦接至控制端，第一比較資料輸入端電性耦接至電流調節訊號，第二比較資料輸入端電性耦接至電晶體的源極端。此外，上述之驅動電流調整模組輸出電流調節訊號至比較器的第一比較資料輸入端。

在本發明的又一個實施例中，上述之電壓選擇模組取多個節點電壓中之最小者輸出為參考節點電壓。

本發明另提出一種發光二極體的驅動電源控制方法，其從多個發光二極體串的末端取得相對應的多個節點電壓，並從這些節點電壓中取一為參考節點電壓。接著即計算各節點電壓與參考節點電壓間的電壓差，並將這些電壓差輸出為相對應的多個回授電壓。最後再根據這些回授電壓以分別調整流過對應的發光二極體串的驅動電流。

在本發明的一個實施例中，上述之參考節點電壓為多個節點電壓中最小者。

在本發明的另一個實施例中，在根據多個回授電壓以調整流過多個發光二極體串的多個驅動電流時，係在發光二極體串的驅動電流-節點電壓特性曲線中提供具固定斜率的建議線，並根據各回授電壓而在建議線上找到相對應的驅動電流。最後再根據所找到的驅動電流來調整各發光二極體串的工作時間，以使各發光二極體串得以提供預設亮度。

本發明解決前述問題的方式，乃是在多個發光二極體串的末端配置多個開關單元，並在上述驅動電源控制電路中設置控制單元，以便控制驅動多個發光二極體串的發光行為並取得節點電壓。而設置在控制單元中的調節模組則消除節點電壓的漣波而得回授電壓，並在驅動電流-節點電壓特性曲線中依照回授電壓而進行操作控制。因此，本發明之驅動電源控制電路不僅可提高電路的可靠性，且可以降低因電壓差異而造成的電子元件熱損問題。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下將配合圖式，說明本案為改善習用手段缺失所發展出來之發光二極體的驅動電源控制電路與驅動電源控制方法。如圖1為發光二極體的驅動電源控制電路的局部電路方塊圖。圖1所揭示的驅動電源控制電路500適用於各類平面顯示器(如液晶顯示器)的電源驅動電路中，藉以驅動平面顯示器之背光模組300中的多個發光二極體串302、304、...、308等。其中，驅動電源控制電路500包括第一電源端S1、第二電源端S2、控制單元400以及開關單元組200。第一電源端S1提供第一輸出電壓。第二電源端S2提供第二輸出電壓。開關單元組200中包含有多個開關單元202、204、...、208等，每一個開關單元202~208分別電性耦接至背光模組300中的一個發光二極體串302~308與第二電源端S2之間。控制單元400取得各開關單元與對應的發光二極體串相電性耦接處的節點電壓V_{cs_1} 、V_{cs_2} 、...、V_{cs_n} ，並輸出包括電流調節訊號I_{set_1} 、_{lset_2} 、...、I_{set_n} 與工作週期調節訊號PWM_1、PWM_2、...、PWM_n在內的多個調節訊號，以藉此控制相對應的開關單元202~208的導通狀態。

請參照圖2，其為根據本發明一實施例的控制單元的電路方塊圖。在本實施例中，控制單元400包括電壓選擇模組100、減法器110、112、...、118以及調節模組150。電壓選擇模組100透過導線接收多個節點電壓V_{cs_1} 、V_{cs_2} 以及V_{cs_n} 等，並且透過電壓選擇模組100選取這些節點電壓中的最小值以向外輸出為參考節點電壓V_{cs_min} 。減法器110~118分別透過導線接收節點電壓V_{cs_1} 、V_{cs_2} 以及V_{cs_n} 等，以使節點電壓V_{cs_1} 、V_{cs_2} 以及V_{cs_n} 等分別與參考節點電壓V_{cs_min} 相減，並輸出對應的回授電壓V_{cs_f1} 、V_{cs_f2} 以及V_{cs_fn} 等，如此一來，即使原本各節點電壓V_{cs_1} 、V_{cs_2} 以及V_{cs_n} 受到第一輸出電壓漣波(ripple)的影響，也可以藉由此處相減的機制而將漣波的影響消去。最後，調節模組150電性耦接至減法器110~118以接收回授電壓V_{cs_f1} 、V_{cs_f2} 以及V_{cs_fn} 等，並根據回授電壓V_{cs_f1} 、V_{cs_f2} 以及V_{cs_fn} 等決定相對應的電流調節訊號I_{set_1} 、_{Iset_2} 、…、I_{set_n} 與工作週期調節訊號PWM_1、PWM_2、...、PWM_n的內容。

一般來說，可以如圖2所示般的根據節點電壓的數量而提供相對數量的減法器，以使一個減法器能針對參考節點電壓及某一個特定節點上的節點電壓來進行減法操作，並輸出相對應的回授電壓。或者，也可以提供數量比節點電壓的數量還少的減法器，並利用多工器將兩個以上的節點電壓提供至同一個減法器，再將對應輸出的回授電壓利用多工器或時間差而分別提供到調節模組150。在達成以某一節點電壓產生相對應的回授電壓並將其提供至調節模組150的功能的前提下，此類減法器的數量與連結設計尚有許多已知的變化，在此不予贅述。

請參照圖3A，其為根據本發明一實施例的調節模組中的局部電路方塊圖。此實施例中的調節模組包括多個局部電路120，每一個局部電路120對應到一個輸入的回授電壓，且每一個局部電路120包括了一個驅動電流調整模組152以及一個工作訊號產生模組154。以對應於回授電壓V_{cs_fn} 的局部電路120為例，驅動電流調整模組152接收回授電壓V_{cs_fn} ，並且根據回授電壓V_{cs_fn} 而決定所輸出的電流調節訊號I_{set_n} 。工作訊號產生模組154則電性耦接至驅動電流調整模組152而接收前述的電流調節訊號I_{set_n} ，並且根據此電流調節訊號I_{set_n} 來調整所輸出的工作週期調節訊號PWM_n的狀態。

接下來請一併參照圖1、圖3A、圖3B與圖3C。其中，圖3B為參考節點的節點電壓與流經二極體串的電流間的關係曲線圖，圖3C則為流經二極體串的電流與相對應的開關單元所需的工作週期調節訊號間的關係曲線圖。首先，假設節點電壓V_{cs_1} 為所有節點電壓中的最小者，那麼參考節點電壓V_{cs_min} 就會等同於節點電壓V_{cs_1} ，而相對應的二極體驅動電流I_LED 就會是此時流過二極體串302的電流I_LED1 。其次，建議線L2與直線L1相平行且通過工作點P1，而直線L1則是節點電壓與流經二極體串的電流間成線性關係時的線段及此線段的延長線。工作點P1則選擇在即使節點電壓受到第一輸出電壓漣波的影響，也仍然可以維持固定電流的點上。

現在假設圖3B處於上述的狀況，則工作點P1就會對應到節點電壓V_{cs_1} 以及相對應流過二極體串302的電流。在一開始的時候，每一個二極體串(以二極體串308為例)會使用與二極體串302同樣的電流I_{LED_1} ，但是這樣將會導致相對應的節點電壓V_{cs_n} 落在工作點P2所示的位置。為了減少非必要的功率損耗，驅動電流調整模組152會以工作點P1為基準，在建議線L2的右側(包含建議線L2本身)找一個電壓值小於目前的節點電壓V_{cs_n} ，且電流大於目前的電流I_{LED_1} 的點為二極體串304的新工作點(前提是要增加電流值，如果是要降低電流值的話，當然就選擇電流小於目前的電流I_{LED_1} 的點為二極體串304的新工作點)。這樣的一個新工作點可能選擇為工作點P3、工作點P4或工作點P5。原則上工作點P3、工作點P4或工作點P5都可以是二極體串304的新工作點，但是因為在建議線L2右側所有的點之中，當電流值相同的時候，對應電壓值最小的點會落在建議線L2上，所以較佳的新工作點選擇會是工作點P4或P5。當然，若額外有工作電流值的考量，或許可以進一步從工作點P4或P5中選擇一個比較合用的工作點。

假設，經由上述的方式選擇了工作點P4為二極體串308的新工作點，那麼二極體串308接下來就會被調整為工作於節點電壓為V_{cs_n} ，以及電流為I_{LED_2} 的狀態。為此，驅動電流調整模組152會輸出相對應的電流調節訊號I_{set_n} 以驅動後續對應的開關單元208。最後，為了穩定輸出的功率值，工作訊號產生模組154也將根據由驅動電流調整模組152所輸出的電流調節訊號I_{set_n} ，參照圖3C所示的關係曲線而得到相對應的週期調節訊號PWM_n並將其輸出。

接下來請參照圖4，其為根據本發明一實施例的開關單元組的部分電路圖。如圖4所示，本實施例中的開關單元組200包括了電路結構相同的多個開關單元202與208等等。開關單元202包括了電晶體T₁ 、電阻R₁ 與比較器C₁ ，而開關單元208則類似的包括了電晶體T_n 、電阻R_n 與比較器C_n 。由於本實施例中的各開關單元為相同的電路結構，因此以下將以開關單元202來說明相關的電路耦接關係與運作過程。

在開關單元202之中，電晶體T₁ 的汲極端10電性耦接至對應的發光二極體串302的末端(低電壓端)。電阻R₁ 具有第一通路端20與第二通路端22，其中的第一通路端20電性耦接至電晶體T₁ 的源極端14，而第二通路端22則電性耦接至第二電源端S2。比較器C₁ 包括第一比較資料輸入端16、第二比較資料輸入端18與比較結果輸出端26，其中的比較結果輸出端26電性耦接至電晶體T₁ 的閘極端(或稱控制端)12，第一比較資料輸入端16接收電流調節訊號I_{set_1} ，第二比較資料輸入端18則電性耦接至電晶體T₁ 的源極端14。

在運作的時候，假如比較器C₁ 的第一比較資料輸入端16的電位大於第二比較資料輸入端18的電位，則在比較器C₁ 被致能的時候，其比較結果輸出端26就會處於高準位狀態。此時，電晶體T₁ 是否導通就會受到週期調節訊號PWM_1的控制。換句話說，當週期調節訊號PWM_1被致能，比較器C₁ 才會被致能並因此而使比較結果輸出端26輸出高準位，如此方能導通電晶體T₁ 。反過來看，假如比較器C₁ 的第一比較資料輸入端16的電位小於第二比較資料輸入端18的電位，則在比較器C₁ 被致能的時候，其比較結果輸出端26仍然會處於低準位狀態。此時，電晶體T₁ 是否導通就與週期調節訊號PWM_1無關。

通常來說，第一通路端20(或第二比較資料輸入端18)上的電位與電晶體T₁ 的汲極端10的電位可視為幾乎相同，也就是兩者約同樣為節點電壓V_{cs_1} 。因此，在要增加流過二極體串302的電流的時候，電流調節訊號I_{set_1} 的電位會上升而大於原本的節點電壓V_{cs_1} ，並因此使電晶體T₁ 的導通/截止受到週期調節訊號PWM_1的控制。而在要降低流過二極體串302的電流的時候，電流調節訊號I_{set_1} 的電位會下降而小於原本的節點電壓V_{cs_1} ，並因此使電晶體T₁ 固定處於截止的狀態，直到第一通路端20(或第二比較資料輸入端18)上的電位下降到小於電流調節訊號I_{set_1} 的電位時為止。

從另一個角度來看，本發明先從各發光二極體串的末端取得相對應的多個節點電壓，並從這些節點電壓中取一以做為參考節點電壓，之後再獲得這些節點電壓與參考節點電壓間的電壓差，並將這些電壓差輸出為相對應的多個回授電壓，最後再根據這些回授電壓以調整流過相對應的發光二極體串的多個驅動電流。而在實際處理上，則可以以節點電壓中的最小者或最大者為參考節點電壓。當然也可以以其他任一個節點電壓為參考節點電壓，惟此將使電路設計較為複雜而增加量產上的困難性。

而在根據回授電壓以調整流過相對應的發光二極體串的驅動電流的時候，則是先在發光二極體串的驅動電流-節點電壓特性曲線中提供具固定斜率的建議線，並根據前述的回授電壓而在建議線上找到與回授電壓相對應的驅動電流。最後再根據所得到的驅動電流而調整發光二極體串的工作時間，以使發光二極體串得以提供預設亮度。

應注意的是，在要找到與回授電壓相對應的驅動電流的時候，只要找到建議線右側(包含建議線本身)，且與原本設定的基準點(例如圖3B中的工作點P1)的電位相差在對應的回授電壓以內的任意一點皆可。

綜上所述，本發明利用減法器消除漣波對回授控制的影響，並利用驅動電流-節點電壓特性曲線，依照回授電壓來進行發光功率的操作控制。因此，本發明之驅動電源控制電路不僅因消除漣波而使得回授控制更加可靠，而且也可以降低不必要的功率耗損，並因而降低電子元件所散發的熱能。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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。

10．．．汲極端

12．．．閘極端

14．．．源極端

16．．．第一比較資料輸入端

18．．．第二比較資料輸入端

20．．．第一通路端

22．．．第二通路端

26．．．比較結果輸出端

100．．．電壓選擇模組

110~118．．．減法器

120．．．局部電路

150．．．調節模組

152．．．驅動電流調整模組

154．．．工作訊號產生模組

200．．．開關單元組

202~208．．．開關單元

300．．．背光模組

302~308．．．發光二極體串

400．．．控制單元

S1．．．第一電源端

S2．．．第二電源端

T₁ 、T_n ．．．電晶體

R₁ 、R_n ．．．電阻

C1、C_n ．．．比較器

V_{cs_1} 、V_{cs_2} 、V_{cs_n} 、V_{cs_n’} ．．．節點電壓

V_{cs_min} ．．．參考節點電壓

V_{cs_f1} 、V_{cs_f2} 、V_{cs_fn} ．．．回授電壓

I_{set_1} 、I_{set_2} 、I_{set_n} ．．．電流調節訊號

PWM_1、PWM_2、PWM_n．．．週期調節訊號

I_LED 、I_{LED_1} 、I_{LED_2} ．．．電流

P1、P2、P3、P4、P5．．．工作點

圖1為發光二極體的驅動電源控制電路的局部電路方塊圖。

圖2為根據本發明一實施例的控制單元的電路方塊圖。

圖3A為根據本發明一實施例的調節模組中的局部電路方塊圖

圖3B為參考節點的節點電壓與流經二極體串的電流間的關係曲線圖。

圖3C為流經二極體串的電流與相對應的開關單元所需的工作週期調節訊號間的關係曲線圖。

圖4為根據本發明一實施例的開關單元組的部分電路圖。

S1．．．第一電源端

S2．．．第二電源端

200．．．開關單元組

202、204、208．．．開關單元

302、304、308．．．發光二極體串

300．．．背光模組

400．．．控制單元

500．．．驅動電源控制電路

V_{cs_1} 、V_{cs_2} 、V_{cs_n} ．．．節點電壓

I_{set_1} 、I_{set_2} 、I_{set_n} ．．．電流調節訊號

PWM_1、PWM_2、PWM_n．．．工作週期調節訊號

Claims (9)

1. 一種發光二極體的驅動電源控制電路，適用於控制驅動多個發光二極體串的電源，該驅動電源控制電路包括：一第一電源端，提供一第一輸出電壓；一第二電源端，提供一第二輸出電壓；多個開關單元，每一該些開關單元電性耦接於該些發光二極體串之一與該第二電源端之間，且每一該些發光二極體串電性耦接於該些開關單元之一與該第一電源端之間，使該第一電源端、任一該些發光二極體、對應的該些開關單元之一與該第二電源端依序組成電性導通路徑；以及一控制單元，輸出多個調節訊號來控制相對應的該些開關單元的導通狀態，並取得該些開關單元與對應的該些發光二極體串相電性耦接處的多個節點電壓，該控制單元包括：一電壓選擇模組，接收該些節點電壓並取該些節點電壓之一輸出為一參考節點電壓；一減法器，使每一該些節點電壓與該參考節點電壓相減以輸出對應的多個回授電壓；以及一調節模組，根據該些回授電壓決定該些調節訊號的內容。
2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電源控制電路，其中該調節模組包括：一驅動電流調整模組，電性耦接至該減法器以接收該些回授電壓，並根據該些回授電壓決定流經對應的該些開關單元的電流；以及一工作訊號產生模組，電性耦接至該驅動電流調整模組， 並根據該驅動電流調整模組所決定的流經該些開關單元的電流來決定該些開關的工作電源狀態。
3. 如申請專利範圍第2項所述之驅動電源控制電路，其中每一該些開關單元包括：一電晶體，包括一控制端、一汲極端與一源極端，該汲極端電性耦接至對應的該發光二極體串；一電阻，一端電性耦接至該第二電源端，另一端電性耦接至該源極端；以及一比較器，包括一第一比較資料輸入端、一第二比較資料輸入端與一比較結果輸出端，該比較結果輸出端電性耦接至該控制端，該第一比較資料輸入端電性耦接至一電流調節訊號，該第二比較資料輸入端電性耦接至該電晶體的該源極端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之驅動電源控制電路，驅動電流調整模組輸出該電流調節訊號至該比較器的該第一比較資料輸入端。
5. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電源控制電路，其中該電壓選擇模組取該些節點電壓中之最小者輸出為該參考節點電壓。
6. 一種發光二極體的驅動電源控制方法，包括：從多個發光二極體串的末端取得相對應的多個節點電壓；從該些節點電壓中取一為參考節點電壓；獲得該些節點電壓與該參考節點電壓間的多個電壓差，並將該些電壓差輸出為相對應的多個回授電壓；以及根據該些回授電壓以調整流過該些發光二極體串的多個驅動電流。
7. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電源控制方法，其中該參考節點電壓為該些節點電壓中最小者。
8. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電源控制方法，其中根據該些回授電壓以調整流過該些發光二極體串的多個驅動電流，包括：在發光二極體串的驅動電流-節點電壓特性曲線中提供具固定斜率的一建議線；以及根據該些回授電壓，在該建議線上找到與該些回授電壓相對應的該些驅動電流。
9. 如申請專利範圍第8項所述之驅動電源控制方法，更包括：根據所調整的該些驅動電流，調整該些發光二極體串的工作時間以使該些發光二極體串提供預設亮度。