TWI441143B - 一次側驅動之液晶面板背光電路 - Google Patents

Description

一次側驅動之液晶面板背光電路

本發明為一種一次側驅動之液晶面板背光電路，係一以單一的隔離元件做為一二次側的安規隔離，將位於二次側之脈波寬度調整控制器輸出的導通脈波訊號傳遞到一次側的控制方式，並搭配積體電路化的高低端驅動器來驅動功率開關組件，無論電路簡化與功能皆優於習知方式，尤其以全橋式拓樸簡化程度及功能更加顯著。

如第一圖所示，為習知半橋式之一次側驅動背光電源供應器。交流輸入端L和N經橋式整流器BD1整流後經功率因數校正電路(由電容C10、變壓器T1、電晶體Q10、電阻R1、PFC控制器8、二極體D10、電容C11)產生穩定之直流輸入電源VIN以供應轉換所需的能量。當位於二次側之推挽式脈波寬度調整控制器10開始工作以及其輸出端DRV1及DRV2開始輸出脈波寬度訊號時，隔離驅動變壓器T3的輸入端因分別耦接於推挽式脈波寬度調整控制輸出端DRV1及DRV2，所以產生具有正負脈波之驅動訊號，隔離驅動變壓器T3的兩組輸出繞組之一與輸入繞組同極性，另一輸出繞組則製作為相反極性，所以兩組輸出繞組分別感應出輸入繞組同向與反向的正負脈波訊號，驅動電路14a、14b則分別負責將正負脈波訊號之雜訊部分濾除與驅動訊號整型，以免功率開關Q11、Q12動作異常。當推挽式脈波寬度調整控制器10的輸出端DRV1呈高準位時功率開關Q11導通，輸出端DRV1轉變為低準位時功率開關Q11轉為關閉狀態，而推挽式脈波寬度調整控制器10的另一輸出端DRV2轉變為高準位時功率開關Q12導通，當輸出端DRV2轉變為低準位時功率開關Q12轉為關閉狀態，如此週而復始，使整個系統維持在穩定狀態。半橋式輸出脈波截止週期(DEAD TIME)時電流由功率開關關Q11、Q12之體二極體(BODY DIODE)接續導通，因為半橋式的功率開關關流經的電流較全橋式高一倍，因此在效率上較全橋式為差，優點是線路較全橋式簡單。

如第二圖所示，為習知全橋式之一次側驅動背光電源供應器。二次側的電路與動作方式幾乎相同，推挽式脈波寬度調整控制輸出端DRV1及DRV2分別耦接於隔離驅動變壓器T3與T4，隔離驅動變壓器T3與T4為完全相同結構的元件，分別具有一組輸入繞組與兩組與輸入繞組相同極性的輸出繞組。第二圖所示之隔離驅動變壓器T3與T4，其輸入繞組各端點接於推挽式脈波寬度調整控制器的輸出端不同處，使隔離驅動變壓器T3與T4的輸入繞組之正負脈波訊號恰巧相反，使得隔離驅動變壓器T3與T4的輸出繞組的正負脈波訊號亦恰巧相反，但是同一隔離驅動變壓器的輸出是設計成相同極性的正負脈波訊號，如此即控制處於對角位置功率開關會同時於正向脈波而另一對角位置亦功率開關同時於正向脈波，即功率開關Q11、Q14受控同時導通，而功率開關Q12、Q13亦受控同時導通於另一導通周期，而耦接於各功率開關受控端之驅動電路14a、14b、14c、14d則負責將正負脈波訊號之雜訊部分濾除與驅動訊號整型，以免功率開關動作異常。如第二圖所示之習知全橋式之一次側驅動背光電源供應器功率開關之DEAD TIME與推挽式脈波寬度調整控制器10的DEAD TIME是一致的，如果導通周期設計較小時則截止周期(DEAD TIME)變較大，截止周期內只能流經壓降較大之體二極體(BODY DIODE)，因此會產生較高功率損失。

習知的一次側驅動背光電源供應器係以變壓器將推挽式脈波寬度調整控制器的輸出端DRV1、DRV2的訊號轉換並傳遞至驅動電路DRIVER1、DRIVER2，以達到安規隔離之作用。然而，驅動變壓器的能量所需較高，推挽式脈波寬度調整控制器的輸出端DRV1、DRV2的訊號之驅動能量要求高，因此推挽式脈波寬度調整控制器的驅動能力要求高；且變壓器的成本及尺寸大小也較高，造成系統成本之增加。

有鑑於此，本發明乃提供一次側驅動之液晶面板背光電路，係一以單一的隔離元件做為一二次側的安規隔離，將位於二次側之脈波寬度調整控制器輸出的導通脈波訊號傳遞到一次側的控制方式，並搭配積體電路化的高低端驅動器來驅動功率開關組件，因此能降低電源供應器電路成本、增加工作效率與簡化PCB電路板的佈局。

為達上述目的，本發明提供一種一次側驅動之液晶面板背光電路，具有一變壓器、一功率開關組件、一脈波寬度調整控制器、一隔離裝置及一高低端驅動器。上述變壓器具有一一次側及一二次側，用以將該一次側接收之能量轉換而從二次側輸出，以驅動一光源模組。上述功率開關組件耦接一輸入電源及該變壓器的該一次側，將該輸入電源輸入該變壓器之該一次側。上述脈波寬度調整控制器具有至少一個回授控制端與輸入訊號控制端，以及具有至少一個輸出端，該脈波寬度調整控制器根據該至少一個回授控制端與該輸入訊號控制端所接受之訊號於該至少一個輸出端產生輸出訊號。上述隔離裝置具有一輸入端與一輸出端，輸入端接收脈波寬度調整控制器之該輸出訊號，於輸出端輸出一隔離訊號。上述高低端驅動器耦接該隔離裝置及該功率開關組件，根據該隔離訊號控制以控制該功率開關組件傳遞該輸入電源至該變壓器之該一次側之時間。

因此，本發明利用一隔離元件做為一二次側的安規隔離，將位於二次側之脈波寬度調整控制器輸出的導通脈波訊號傳遞到一次側的控制方式，並搭配積體電路化的高低端驅動器來驅動功率開關組件，因此能降低電源供應器電路成本、增加工作效率與簡化PCB電路板的佈局之優點。

第三圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路代表圖，包括脈波寬度調整控制器110、隔離元件112、高低端驅動器114、功率開關Q11與Q12以及變壓器T2，用以驅動一光源模組(由多數個冷陰極燈管LAMP1~LAMPn所組成)。在本實施例中，脈波寬度調整控制器110位於二次側，其具有電流回授輸入端、電壓回授輸入端、類比調光輸入端、數位調光輸入端以及致能控制端，這些控制端將控制脈波寬度調整控制器輸出對應的輸出波形。當系統供電正常而脈波寬度調整控制器110工作時，脈波寬度調整控制器110接收電流回授輸入端、電壓回授輸入端、類比調光輸入端、數位調光輸入端以及致能控制端，並據此產生輸出訊號於輸出端DRV。例如：致能控制端控制脈波寬度調整控制器110的輸出端DRV開始或停止輸出脈波訊號；電流回授輸入端與電壓回授輸入端控制脈波寬度調整控制器110的輸出訊號之脈波寬度而達到穩定燈管電流及電壓的目的；類比調光輸入端與數位調光輸入端則以不同方式改變導通周期達到調整亮度的需求。第三圖所示的脈波寬度調整控制器110輸出一連續脈波訊號到隔離元件112輸入端，隔離元件112據此輸出一連續脈波訊號到高低端驅動器114的輸入端，高低端驅動器114將輸入端接收的連續脈波訊號分相處理，其中奇數脈波傳遞到高端輸出以驅動高端之功率開關Q11，而偶數脈波則傳遞到低端 輸出以驅動低端之功率開關Q12，因此高低端驅動器114的高端輸出或低端輸出脈波頻率為輸入端的一半，且高端輸出或低端輸出脈波呈相同波寬但180°反相，而變壓器因高端功率開關Q11導通(此時低端功率開關Q12截止)而直流電源輸入端VIN能量流經高端功率開關Q11、變壓器T2之一次側繞組、電容器C12回到地端，低端功率開關Q12導通時(此時高端功率開關Q11截止)則電容器C12釋放能量流經變壓器T2之一次側繞組、功率開關Q12回到地端，如此週而復始，使整個系統維持在穩定狀態。當然，脈波寬度調整控制器110主要作用為傳遞可穩定輸出電流的脈波寬度之訊息給高低端驅動器114，實際應用時，高低端驅動器114的頻率可以與脈波寬度調整控制器110之頻率無關，上述實施例所述之兩者間之頻率關係僅用以說明而非限制本發明之範圍。

第四圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第一實施例之示意圖。如第四圖所示，一次側端的開關動作型式為一半橋式拓樸，二次側端的脈波寬度調整控制器210為推挽式雙輸出的控制器。將控制器210兩輸出各耦接一快速二極體D01、D02，快速二極體D01、D02的N端耦接在一起，產生一合成且連續的脈波訊號，此合成的脈波訊號的頻率是脈波寬度調整控制器210的一倍。此合成的脈波訊號與第三圖所示脈波寬度調整控制器110之輸入於隔離元件112輸入端相同型式，在一次側端的元件型 式與動作則完全與第三圖所示相同，即隔離元件212輸出一連續脈波訊號再輸入到高低端驅動器214的輸入端，高低端驅動器214將輸入端的連續脈波訊號分相處理，其中奇數脈波傳遞到高端輸出驅動高端之功率開關Q11，而偶數脈波則傳遞到低端輸出驅動低端之功率開關Q12，因此高低端驅動器的高端輸出或低端輸出脈波頻率為輸入端的一半，且高端輸出或低端輸出脈波呈相同波寬但180°反相，而變壓器因高端功率開關Q11導通而直流電源輸入端VIN能量流經高端功率開關Q11、變壓器T2之一次側繞組、電容器C12回到地端，低端功率開關Q12導通則電容器C12釋放能量流經變壓器T2之一次側繞組、功率開關Q12回到地端，如此週而復始，使整個系統維持在穩定狀態。

第五圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第二實施例之示意圖。如第五圖所示，一次側端的開關動作型式為一全橋式拓樸，此一全橋式拓樸與如第二圖所示之習知全橋式拓樸動作方式不同。第二圖所示之習知全橋式拓樸動作是對角同時導通同時關閉，而第五圖所示之全橋式動作方式是一連續脈波訊號中的奇數脈波驅動低端左側之功率開關Q12，而偶數脈波則驅動低端右側之功率開關Q14，藉此控制位於低端之左右兩個功率開關Q12與Q14的導通週期，左右兩側高端之兩功率開關Q11與Q13導通周期與同側低端驅動訊號為互補型式，高低端之間的脈波設置有非常短暫的非交錯時間控制防止同側高低端之功率開關短路發生，此一新式全橋式拓樸開關動作方式已被普遍應用在二次側直流轉交流的背光電源電路中，應用在一次側端需搭配本發明之所述專用高低端驅動單元314a、314b才能完成動作，而此一高低端驅動單元314a、314b在全橋式拓樸又包含奇數脈波控制之高低端驅動單元314a與偶數脈波控制之高低端驅動單元314b，分別驅動左側高低端功率開關Q11、Q12與右側高低端功率開關Q13、Q14，因為各功率開關只有短暫的非交錯時間讓功率開關的體二極體當電流路徑，所以功率損失相較減少，效率可大幅提高。

第六圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第三實施例之示意圖，第六圖所示，將第五圖示之脈波寬度調整控制器310變換為推挽式雙輸出的控制器410，將控制器410兩輸出各耦接一快速二極體D01、D02，快速二極體D01、D02的N端耦接在一起，產生一合成且連續的脈波訊號，透過隔離元件412傳遞脈波訊號，達到如第五圖所示之一次側相同動作模式。

第七圖為本發明應用於全橋式拓樸之高低端驅動器方塊圖。第七圖(1)為左側高低端驅動器400，左側高低端驅動器400輸入端經奇數脈波選擇器410選取奇數脈波到邏輯閘NOR和AND輸入端，奇數脈波選擇器410選取奇數脈波也經過延遲控制電路420產生一延遲訊號到邏輯閘NOR和AND之另一輸入端。邏輯閘NOR接收奇數脈波選擇器410與延遲控制電路420之輸出訊號以產生高端輸入訊號，此一高端輸入訊號經移位電路430再經輸出驅動器440產生不同於高端輸入訊號參考電位之左側高端脈波驅動訊號。另外一方面，邏輯閘AND也接收奇數脈波選擇器410與延遲控制電路420之輸出訊號以產生一低端輸入訊號，此一低端輸入訊號經輸出驅動器445產生左側低端脈波驅動訊號。再參考第七圖(2)，為右側高低端驅動器450，右側高低端驅動器450輸入端經偶數脈波選擇器460選取偶數脈波到邏輯閘NOR和AND輸入端，偶數脈波選擇器460選取偶數脈波也經過延遲控制電路470產生一延遲訊號到邏輯閘NOR和AND之另一輸入端。邏輯閘NOR接收偶數脈波選擇器460與延遲控制電路470之輸出訊號以產生一高端輸入訊號，此一高端輸入訊號經移位電路480再經輸出驅動器490產生不同於高端輸入訊號參考電位之右側高端脈波驅動訊號。另外一方面，邏輯閘AND也接收偶數脈波選擇器460與延遲控制電路470之輸出訊號以產生一低端輸入訊號，此一低端輸入訊號經輸出驅動器495產生右側低端脈波驅動訊號。

第八圖為本發明應用於全橋式拓樸之動作波形圖。請配合參考第五圖，第八圖(1)所示之方波形為隔離元件輸入端波形，第八圖(2)為隔離元件輸出端波形。第八圖(3)~(6)分別顯示Q12、Q14、Q11、Q13為功率開關之導通周期，其中△t代表延遲控制電路所造成的時間延遲，接著第八圖(7)為功率開關之體二極體導通周期，其導通順序為Q13、Q12、Q11、Q14、Q13、…，最後第八圖(8)是變壓器T2一次側繞組之電壓波形。功率開關之體二極體導通周期寬度等於△t，由延遲控制電路所控制，通常設定在100~300奈秒左右，控制非常短的時間讓大部份的時間由功率開關做為電流流經的路徑，比習知全橋式電源供應器效率更佳。

第九圖為本發明應用於半橋式拓樸之動作波形圖。請配合參考第四圖，第九圖(1)所示之方波形為隔離元件輸入端波形，第九圖(2)為隔離元件輸出端波形，其次第九圖(3)~(4)分別顯示Q11、Q12為功率開關之導通周期，接著第九圖(5)為功率開關之體二極體導通周期，最後第九圖(6)是變壓器T2一次側繞組之電壓波形。

第十圖為本發明應用於半橋式拓樸之高低端驅動器方塊圖。如第十圖所示，輸入之脈波經奇數脈波選擇器510及偶數脈波選擇器520進行輸入訊號選取。奇數脈波選擇器510選取奇數脈波作為高端輸入訊號，經移位電路530產生不同於高端輸入訊號參考電位後再經輸出驅動器540產生高端脈波驅動訊號。偶數脈波選擇器520選取偶數脈波作為低端輸入訊號，經輸出驅動器550產生低端脈波驅動訊號。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

PFC控制器．．．8

脈波寬度調整控制器．．．10、110、210、310、410

隔離元件．．．112、212、312、412

驅動電路．．．14a、14b、14c、14d

高低端驅動器．．．114、214、314a、314b

高低端驅動單元．．．414a、414b

功率開關．．．Q10、Q11、Q12、Q13、Q14

變壓器．．．T1、T2、T3、T4

二極體．．．D01、D02、D10、D20、D21~D2n

諧振電容．．．C01、C02

電容器．．．C10~C12

橋式整流器．．．BD1

電阻器．．．R1、R21~R2n

電源輸入端電壓．．．VIN

背光燈管．．．LAMP1~LAMPn

燈管電流平衡組件．．．CURRENT BALANCE DEVICE

脈波選擇器．．．410、460、510、520

移位電路．．．430、480、530

輸出驅動器．．．440、445、490、495、540、550

延遲控制電路．．．420、470

時間延遲．．．△t

邏輯閘．．．NOR、AND

第一圖為習知半橋式之一次側驅動背光電源供應器示意圖；第二圖為習知全橋式之一次側驅動背光電源供應器示意圖；第三圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路代表圖；第四圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第一實施例之示意圖；第五圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第二實施例之示意圖；第六圖為本發明之一次側驅動之液晶面板背光電路第三實施例之示意圖；第七圖為本發明應用於全橋式拓樸之高低端驅動器方塊圖；第八圖為本發明應用於全橋式拓樸之動作波形圖；。

第九圖為本發明應用於半橋式拓樸之動作波形圖；第十圖為本發明應用於半橋式拓樸之高低端驅動器方塊圖。

脈波寬度調整控制器．．．110

隔離元件．．．112

高低端驅動器．．．114

功率開關．．．Q10、Q11、Q12

變壓器．．．T1、T2

二極體．．．D10、D20、D21~D2n

諧振電容．．．C01、C02

電容器．．．C10~C12

橋式整流器．．．BD1

電阻器．．．R1、R21~R2n

電源輸入端電壓．．．VIN

背光燈管．．．LAMP1~LAMPn

燈管電流平衡組件．．．CURRENT BALANCE DEVICE

Claims (19)

1. 一種一次側驅動之液晶面板背光電路，包括有：一變壓器，具有一一次側及一二次側，用以將該一次側接收之能量轉換而從二次側輸出，以驅動一光源模組；一功率開關組件，耦接一輸入電源及該變壓器的該一次側，將該輸入電源之能量輸入該變壓器之該一次側；一脈波寬度調整控制器，具有至少一個回授控制端與輸入訊號控制端，以及具有至少一個輸出端，該脈波寬度調整控制器根據該至少一個回授控制端與該輸入訊號控制端所接受之訊號於該至少一個輸出端產生輸出訊號；一隔離裝置，具有一輸入端與一輸出端，輸入端接收脈波寬度調整控制器之該輸出訊號，於輸出端輸出一隔離訊號，其中該隔離裝置為一光耦合器；以及一高低端驅動器，耦接該隔離裝置及該功率開關組件，並接收該隔離訊號且將該隔離訊號分相處理為一奇數脈波訊號與一偶數脈波訊號，以控制該功率開關組件傳遞該輸入電源至該變壓器之該一次側之時間；其中該脈波寬度調整控制器具有兩個輸出端，該兩個輸出端耦接至該光耦合器之該輸入端。
2. 如申請專利範圍第2項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該功率開關組件包含兩功率開關，與該變壓器構成半橋式驅動裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，更包含一儲能電容，耦接於該變壓器的該一次側。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該高低端驅動器具有一高端輸出端與一低端輸出端，以分別控制該兩功率開關之關開動作。
5. 如申請專利範圍第4項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該高低端驅動器具有一移位電路，用以調整該高端輸出端輸出之驅動訊號準位。
6. 如申請專利範圍第3項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該輸入電源係由一功率因素校正電路所產生，該功率因素校正電路調整一交流輸入之功率因素並輸出該輸入電源。
7. 如申請專利範圍第3項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該脈波寬度調整控制器的該兩個輸出端各自透過一二極體耦接至該光耦合器之該輸入端。
8. 如申請專利範圍第1項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該功率開關組件包含四功率開關，與該變壓器構成全橋式驅動裝置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該高低端驅動器具有兩高低端驅動單元，每個高低端驅動單元具有一高端輸出端與一低端輸出端，以分別控制該四功率開關之關開動作。
10. 如申請專利範圍第9項所述之一次側驅動之液晶面板背光 電路，其中該高低端驅動單元具有一移位電路，用以調整該高端輸出端輸出之驅動訊號準位。
11. 如申請專利範圍第9項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該兩高低端驅動單元各自具有一脈波選擇器，該些脈波選擇器之一選擇該隔離訊號之奇數脈波訊號，另一則選擇該隔離訊號之偶數脈波訊號，以分別輸入對應之高低端驅動單元進行訊號處理。
12. 如申請專利範圍第9項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該兩高低端驅動單元各自具有一延遲控制電路，用以控制該高低端，驅動單元之輸出使該高/低端輸出端輸出訊號的時間存在一時間間隔。
13. 如申請專利範圍第8項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該輸入電源係由一功率因素校正電路所產生，該功率因素校正電路調整一交流輸入之功率因素並輸出該輸入電源。
14. 如申請專利範圍第8項所述之一次側驅動之液晶面板背光電路，其中該脈波寬度調整控制器的該兩個輸出端各自透過一二極體耦接至該光隔離器之該輸入端。
15. 一種液晶面板背光電路，包括有：一功率因素校正電路，接收一交流電源以產生一直流輸入電源；一功率開關組件，耦接該直流輸入電源；一變壓器，具有一一次側及一二次側，該變壓器之該一 次側耦接該功率開關組件，以將接收的該直流輸入電源之能量轉換而從二次側輸出，以驅動一光源模組；一脈波寬度調整控制器，根據該光源模組之狀態產生輸出訊號；一光耦合器，具有一輸入端與一輸出端，輸入端接收脈波寬度調整控制器之該輸出訊號，於輸出端輸出一隔離訊號；以及一高低端驅動器，耦接該光耦合器及該功率開關組件，並接收該隔離訊號且將該隔離訊號分相處理為一奇數脈波訊號與一偶數脈波訊號，以控制該功率開關組件傳遞該輸入電源至該變壓器之該一次側之時間；其中該脈波寬度調整控制器具有兩個輸出端，該兩個輸出端耦接至該光耦合器之該輸入端。
16. 如申請專利範圍第15項所述之液晶面板背光電路，其中該脈波寬度調整控制器的該兩個輸出端各自透過一二極體耦接至該光耦合器之該輸入端。
17. 如申請專利範圍第15項所述之液晶面板背光電路，其中該高低端驅動器具有一移位電路，用以調整部分輸出訊號之準位。
18. 如申請專利範圍第17項所述之液晶面板背光電路，其中該高低端驅動單元具有一延遲控制電路，用以控制所輸出訊號間之時間間隔。
19. 如申請專利範圍第17項所述之液晶面板背光電路，其中該 功率開關組件係為一半橋式功率開關組件或一全橋式功率開關組件。