TWI510130B - 短路偵測電路、發光二極體驅動晶片、發光二極體裝置及短路偵測方法 - Google Patents

Description

短路偵測電路、發光二極體驅動晶片、發光二極體裝置及短路偵測方法

本發明係有關於短路偵測，尤其關於一種可避免短路偵測時高壓燒毀之短路偵測電路、應用該短路偵測電路之發光二極體驅動晶片與發光二極體裝置，以及一種短路偵測方法。

近年來由於環保意識提高與技術日漸成熟，發光二極體(light-emitting diode，LED)已逐漸取代冷陰極螢光燈管(cold cathode fluorescent lamp,CCFL)成為電腦與電視螢幕背光源的主流。在習知發光二極體裝置中，為了避免發光二極體短路(LED short)造成發光二極體驅動晶片內部較大功率消耗並甚至導致發光二極體驅動晶片損毀，發光二極體驅動晶片內部通常會另設置一短路偵測電路用來偵測短路，以於短路發生時控制發光二極體驅動晶片內部之發光二極體驅動電路關閉驅動電流。

請參考第1圖，第1圖為習知一發光二極體裝置10之示意圖。圖中發光二極體裝置10係包含一發光二極體串列C1及一發光二極體驅動晶片102，而發光二極體驅動晶片102包含有一發光二極體驅動電路104及一比較器106(即短路偵測電路)，分別用來對發光二極體串列C1進行驅動及短路偵測。須注意，此圖為簡明而僅繪示單一個發光二極體串列、單一個比較器及單一個驅動電路。實際上，發光二極體裝置10可包含複數個並聯之發光二極體串列，複數個比較器及複數個驅動電路。各發光二極體串列皆與發光二極體串列C1相似，係由發光二極體驅動晶片102中相對應的驅動電路及相對應的比較器來進行驅動及短路偵測。

仔細來說，發光二極體驅動電路104可根據相關於發光二極體串列C1之一回授電壓Vfb，提供驅動電流以驅動發光二極體串列C1，使回授電壓Vfb與一升壓電壓Vbst(約20V～40V)鎖定於一合理的電壓範圍。比較器106可將發光二極體串列C1之一底部電壓Vbtm與晶片內部一參考電壓Vref(譬如約5～8V)進行比較，並當底部電壓Vbtm大於參考電壓Vref時，判斷發光二極體串列C1發生短路，進而控制發光二極體驅動電路104關閉相對應之驅動電流。

在上述配置下，一旦發光二極體串列C1當中任一或多個發光二極體發生短路而導致跨壓為零，其底部電壓Vbtm會上升而大於參考電壓Vref。於此同時，比較器106即可偵測到底部電壓Vbtm過大而判斷發光二極體串列C1發生短路，進而控制發光二極體驅動電路104關閉發光二極體串列C1之驅動電流。

於發光二極體驅動電路104關閉發光二極體串列C1之驅動電流後，底部電壓Vbtm更將上升至與升壓電壓Vbst相同之高壓位準。由於習知發光二極體驅動晶片102係以高壓製程製作而成，因此可接收此高壓位準卻不損壞。然而，在目前系統整合晶片(system on chip，SOC)的趨勢下，發光二極體驅動晶片係整合有影像處理電路，並以低壓製程(通常操作電壓不高於5V)製造以達到較高的操作速度。因此，考量到低壓單晶片在接收高壓時容易燒毀，習知短路偵測電路實有改進之必要，方能適用於低壓單晶片之技術發展趨勢。

因此，本發明之主要目的之一即在於提供一種短路偵測電路、應用該短路偵測電路之發光二極體驅動晶片與發光二極體裝置，以及一種短路偵測方法，其皆能夠適用於低壓單晶片之製程。

本發明揭露一種短路偵測電路。該短路偵測電路包含有一分壓電路，用來根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓，產生小於該底部電壓之一分壓電壓；一電壓壓制電路，耦接於該分壓電路，用來壓制該分壓電壓；以及一比較器，耦接於該分壓電路，用來比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路。

本發明另揭露一種發光二極體驅動晶片。該發光二極體驅動晶片包含有一電壓壓制電路，用來壓制一分壓電路所產生之一分壓電壓，其中該分壓電路用來根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓，產生小於該底部電壓之該分壓電壓；一驅動電路，用來產生一驅動電流以驅動該一或多個發光二極體串列；以及一比較器，用來比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路，並於短路發生時指示該驅動電路關閉該驅動電流。

本發明另揭露一種短路偵測方法，包含有根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓，產生小於該底部電壓之一分壓電壓；壓制該分壓電壓小於一耐受電壓；以及比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例中一發光二極體裝置20之架構示意圖。發光二極體裝置20之架構及運作與發光二極體裝置10部份相似，因此用途相同的元件及訊號以相同符號表示。發光二極體裝置20與發光二極體裝置10之主要相異處在於當中之短路偵測電路206與短路偵測電路106具有與不同之結構。以下將會說明，短路偵測電路206可用來進行發光二極體之短路偵測，卻不會造成發光二極體驅動晶片202接收高壓而損壞。

詳細言之，短路偵測電路206包含有一分壓電路208、一電壓壓制電路(voltage clamp circuit)210及一比較器212。換言之，短路偵測電路206與習知短路偵測電路106之主要差異在於，短路偵測電路206係額外增設了分壓電路208及電壓壓制電路210。此外，短路偵測電路206係可部分(如第2圖所示)或全部與發光二極體驅動電路102整合於發光二極體驅動晶片202中。

分壓電路208可根據發光二極體串列C1之底部電壓Vbtm，產生小於底部電壓Vbtm之一分壓電壓Vd。於第2圖中，分壓電路208係繪示為部分設置於發光二極體驅動晶片202之外部而部分設置於發光二極體驅動晶片202之外部。然於其他實施例中，分壓電路208可全部設置於發光二極體驅動晶片202之外部，或全部設置於發光二極體驅動晶片202之內部。

電壓壓制電路210則可用來壓制分壓電壓Vd。於較佳之情況下，電壓壓制電路210係使分壓電壓Vd不超過發光二極體驅動晶片202能忍受不燒壞之最大電壓，即耐受電壓；於更佳之情況下，電壓壓制電路210係使分壓電壓Vd不超過(即小於或等於)發光二極體驅動晶片202本身之低操作電壓Vlp。比較器212可將分壓電壓Vd與一參考電壓Vref’進行比較，並於分壓電壓Vd大於參考電壓Vref’時，判斷發光二極體串列C1發生短路，進而控制發光二極體驅動電路104關閉相對應之驅動電流。類似地，參考電壓Vref可設計為不超過耐受電壓，並且較佳的情況為不超過低操作電壓Vlp。

於一特定實施例中，電壓壓制電路21係依據分壓電壓Vd之位準來啟動其壓制功能。具體而言，當短路未發生或短路發生但驅動電流尚未關閉時，分壓電壓Vd之位準不足以啟動電壓壓制電路210之壓制功能。然當短路發生且驅動電流關閉而導致底部電壓Vbtm過高到達一特定位準(其可約為一範圍)時，電壓壓制電路210開始壓制分壓電壓Vd以使其幾乎維持為該特定位準，而此特定位準可設計為不超過耐受電壓或低操作電壓Vlp。結果，分壓電壓Vd可於未發生短路及發生短路時，皆不超過耐受電壓或低操作電壓Vlp。

綜合以上，分壓電路208可避免短路偵測時直接接收底部電壓Vbtm之高壓進入發光二極體驅動晶片202內部。此外，電壓壓制電路210則可於短路發生、驅動電流關閉而導致底部電壓Vbtm上升時，壓制分壓電壓Vd。透過分壓電路208及電壓壓制電路210之協同運作，可避免發光二極體驅動晶片202直接接收高壓而損壞。

在第2圖中，分壓電路208及電壓壓制電路210兩者之實現方式皆不限於特定架構及操作。有種種不同結構之電路均可實現分壓電路208及電壓壓制電路210。以下將利用第3及第4圖來舉例說明不同實施例之分壓電路208及電壓壓制電路210之細部結構及操作。

請參考第3圖，第3圖為依據一實施例之第2圖中發光二極體裝置20之一細部電路示意圖。如第3圖所示，分壓電路208包含有相耦合之一第一電阻Rext及一第二電阻Rd。透過第一電阻Rext接收底部電壓Vbtm，再透過第二電阻Rd輸出小於底部電壓Vbtm的分壓電壓Vd(即Vbtm*Rd/(Rext+Rd))至發光二極體驅動晶片202內部之比較器106，比較器106即可進行比較以判斷是否發生短路。如此一來，在短路偵測電路206於短路偵測時，進入發光二極體驅動晶片202內部的是底部電壓Vbtm經分壓而降低位準所得的分壓電壓Vd，而非是底部電壓Vbtm之高位準。第一電阻Rext與第二電阻Rd之阻值比例，譬如可取決於所欲得到之分壓電壓Vd之位準。舉例而言，第一電阻Rext之阻值可大於第二電阻Rd之阻值，俾以有效進行降壓。此外，值得注意的是，於較佳之情況下，第一電阻Rext與第二電阻Rd分別可設置於發光二極體驅動晶片202之外部及內部(如圖所示)。於其他實施例中，亦可設計第一電阻Rext及第二電阻Rd兩者皆位於發光二極體驅動晶片202之外部或內部。

另一方面，電壓壓制電路210包含有一單位增益緩衝器(unit gain buffer)302及一壓制二極體304。單位增益緩衝器302，其具有第一輸入端耦接至一壓制電壓Vcl，以及具有第二輸入端及一輸出端彼此相耦接，用於維持其輸出端之一輸出電壓Vo於該壓制電壓Vcl之位準。此外，壓制二極體304(譬如為PN接面二極體)，其耦接至單位增益緩衝器302之輸出端與該分壓電壓Vd之間，則用於在導通時維持其跨壓為一導通電壓Vc(Vc譬如約為0.7V)。因此，當短路發生、驅動電流關閉而導致底部電壓Vbtm上升至升壓電壓Vbst之高壓位準(約20V～40V)後，分壓電壓Vd會上升而讓壓制二極體304導通而具有幾乎為固定的導通電壓Vc之跨壓，同時配合單位增益緩衝器302維持輸出電壓Vo之位準為壓制電壓Vcl之位準，結果分壓電壓Vd可維持於壓制電壓Vcl與導通電壓Vc之和之位準，即Vd=Vo+Vc=Vcl+Vc。換言之，第3圖之壓制電壓Vcl與導通電壓Vc之和即等於第2圖之說明中所述之特定位準，其可設計為小於或等於發光二極體驅動晶片202之耐受電壓或低操作電壓Vlp。結果，即使發生短路導致底部電壓Vbtm上升過高，發光二極體驅動晶片202所接收之分壓電壓Vd仍不超過耐受電壓或低操作電壓Vlp而不會燒毀。須注意，於其他實施例中，電壓壓制電路210譬如可實施為複數個串連之PN接面二極體，甚至搭配其他如電阻之類的阻抗元件。

舉例來說，假設低操作電壓Vlp為3.3V，可設計第一電阻Rext阻值為1M歐姆，第二電阻Rd阻值為180k歐姆，參考電壓Vref’為1.2V，壓制電壓Vcl為1.6V而升壓電壓Vbst為40V。因此，當發光二極體串列C1之底部電壓Vbtm大於7.9V時，分壓電壓Vd大於參考電壓Vref’的1.2V，比較器212可判斷發光二極體串列C1發生短路，並控制發光二極體驅動電路104關閉發光二極體串列C1之驅動電流，進而導致底部電壓Vbtm持續上升至升壓電壓Vbst的40V。此時，透過電壓壓制電路210之運作，可將分壓電壓Vd壓制為壓制電壓Vcl與導通電壓Vc之和，即2.3V(小於低操作電壓Vlp的3.3V)。相較而言，若無電壓壓制電路210，則分壓電壓Vd會上升至6.1V而遠大於低操作電壓Vlp的3.3V。因此，發光二極體驅動晶片202可避免因短路偵測電路206接收高壓而損壞。

請參考第4圖，第4圖為依據另一實施例之第2圖中發光二極體裝置20之一電路示意圖。第4圖與第3圖之差別主要在於電壓壓制電路210之內部結構。如第4圖所示，電壓壓制電路210可以一蕭基特(Schottky)二極體402實現。當短路發生、驅動電流關閉而導致壓制分壓電壓Vd上升過高時，逆偏之蕭基特二極體402崩潰(breakdown)，並且其跨壓會幾乎維持為一固定的崩潰電壓Vbr。換言之，崩潰電壓Vbr即等於第2圖所述之特定位準，其並不超過發光二極體驅動晶片202之耐受電壓或低操作電壓Vlp(譬如5V)。結果，即使發生短路導致底部電壓Vbtm上升過高，發光二極體驅動晶片202所接收之分壓電壓Vd仍不超過耐受電壓或低操作電壓Vlp而不會燒毀。須注意，於其他實施例中，電壓壓制電路210譬如可實施為複數個串連之蕭基特二極體，或是單個或複數個順偏之PN接面二極體，或甚至搭配其他如電阻之類的阻抗元件。另一方面，此圖之分壓電路208與第3圖所示者相同，然不限於所示之電路結構，只要能達到分壓功能即可。

值得注意的是，在第2圖中，分壓電路208及電壓壓制電路210係分別進行分壓與電壓壓制之運作，兩者之實現方式不限於特定規則。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於第3及4圖所示之細部結構及操作。

另外，亦須注意的是，與第1圖相似，第2圖至第4圖為簡明起見而分別僅繪示單一個發光二極體串列、單一個壓制電路、單一個分壓電路、單一個比較器及單一個驅動電路。實際上，發光二極體裝置10可包含一至多組之發光二極體串列，一至多個壓制電路、一至多個分壓電路、一至多個比較器，以及一至多個驅動電路。每一組發光二極體串列皆包含一或多個發光二極體串列，並且由發光二極體驅動晶片202中相對應的驅動電路來進行驅動，以及由相對應的分壓電路、壓制電路及比較器來進行短路偵測。細部的架構與操作與上述相同，於此不再贅述。

短路偵測電路206之短路偵測操作，可歸納為一短路偵測流程50，如第5圖之實施例所示，其包含以下步驟：

步驟500：開始。

步驟502：根據發光二極體串列C1之底部電壓Vbtm，產生小於底部電壓Vbtm之分壓電壓Vd。

步驟504：壓制分壓電壓Vd，以使其不超過耐受電壓或低操作電壓Vlp。

步驟506：比較分壓電壓Vd與一參考電壓Vref’，以依據比較結果來決定發光二極體串列C1是否發生短路。

步驟508：結束。

其中各步驟之細節可由短路偵測電路206之對應組件之操作類推而得，在此不另作贅述。

上述實施例並不直接接收高壓而改採較低之分壓電壓來作短路偵測，且對於分壓電壓更進行抑制，因此可避免短路偵測時之晶片損壞問題。更仔細言之，首先產生小於底部電壓Vbtm之一分壓電壓Vd並依據該分壓電壓Vd來進行短路偵測，因此能避免底部電壓Vbtm之高壓直接進入發光二極體驅動晶片202內部。此外，更壓制於發光二極體驅動晶片202內部的分壓電壓Vd小於晶片之耐受電壓或低操作電壓Vlp，因此即便短路發生、驅動電流關閉而導致底部電壓Vbtm上升過高，分壓電壓Vd仍維持為低壓。結果，發光二極體驅動晶片可避免短路偵測時之損壞問題。

綜合上述，在目前系統整合晶片的趨勢且高操作速度的要求下，發光二極體驅動晶片整合有影像處理相關電路並以低壓製程來製造。然而，習知技術因直接接收底部電壓Vbtm來進行短路偵測而發生高壓進入晶片內部導致晶片損壞之問題。相較之下，上述實施例並不直接接收高壓而改採分壓電壓來作短路偵測，且對於分壓電壓更進行壓制，故可避免高壓進入晶片造成晶片燒毀，從而可配合低壓製程單晶片之技術發展趨勢。

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、20．．．發光二極體裝置

102、202．．．發光二極體驅動晶片

104．．．發光二極體驅動電路

106、212．．．比較器

206．．．短路偵測電路

208．．．分壓電路

210．．．電壓壓制電路

302．．．單位增益緩衝器

304．．．壓制二極體

402．．．蕭基特二極體

50．．．短路偵測流程

500～508．．．步驟

C1．．．發光二極體串列

Vfb．．．回授電壓

Vbtm．．．底部電壓

Vref、Vref’．．．參考電壓

Vbst．．．升壓電壓

Vd．．．分壓電壓

Rext．．．第一電阻

Rd．．．第二電阻

Vcl．．．壓制電壓

Vo．．．輸出電壓

第1圖為習知一發光二極體裝置之示意圖。

第2圖為本發明實施例中一發光二極體裝置之架構示意圖。

第3圖為依據一實施例之第2圖中發光二極體裝置之一細部電路示意圖。

第4圖為依據另一實施例之第2圖中發光二極體裝置之一電路示意圖。

第5圖為本發明實施例之一短路偵測流程之示意圖。

20．．．發光二極體裝置

202．．．發光二極體驅動晶片

104．．．發光二極體驅動電路

206．．．短路偵測電路

208．．．分壓電路

210．．．電壓壓制電路

212．．．比較器

C1．．．發光二極體串列

Vfb．．．回授電壓

Vbtm．．．底部電壓

Vref’．．．參考電壓

Vbst．．．升壓電壓

Vd．．．分壓電壓

Claims (22)

1. 一種短路偵測電路，包含有：一分壓電路，用來根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓，產生小於該底部電壓之一分壓電壓；一電壓壓制電路，耦接於該分壓電路，用來壓制該分壓電壓；以及一比較器，耦接於該分壓電路，用來比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路。
2. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中該電壓壓制電路係壓制該分壓電壓以使其不超過一晶片之一低操作電壓及一耐受電壓當中之一者。
3. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中當該底部電壓上升到達一特定位準時，該電壓壓制電路開始壓制該分壓電壓以使其實質上維持為該特定位準。
4. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中於該一或多個發光二極體串列所接收之一驅動電流切斷而導致該底部電壓升高之後，該電壓壓制電路對該分壓電壓進行壓制。
5. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中該分壓電路包含有：一第一電阻，耦接至該底部電壓；以及一第二電阻，耦接至該第一電阻，用以輸出該分壓電壓。
6. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中該電壓壓制電路包含有：一單位增益緩衝器(unit gain buffer)，具有第一輸入端耦接至一壓制電壓，以及第二輸入端及一輸出端彼此相耦接，用來將該輸出端之電壓維持為該壓制電壓之位準；以及一壓制二極體，耦接於該分壓電路與該輸出端之間，用來於導通時維持一導通電壓之跨壓。
7. 如請求項1所述之短路偵測電路，其中該電壓壓制電路包含有至少一蕭基特(Schottky)二極體，耦接至該分壓電路，用來產生一崩潰電壓(breakdown voltage)來壓抑該分壓電壓。
8. 一種發光二極體(light-emitting diode，LED)驅動晶片，包含有：一電壓壓制電路，用來壓制一分壓電路所產生之一分壓電壓，其中該分壓電路用來根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓，產生小於該底部電壓之該分壓電壓；一驅動電路，用來產生一驅動電流以驅動該一或多個發光二極體串列；以及一比較器，用來比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結 果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路，並於短路發生時指示該驅動電路關閉該驅動電流。
9. 如請求項8所述之發光二極體驅動晶片，其中該發光二極體驅動晶片係以低壓製程製作而成之一低壓單晶片。
10. 如請求項8所述之發光二極體驅動晶片，更包括該分壓電路之至少之一部分。
11. 一種發光二極體(light-emitting diode，LED)裝置，包含有：一或多個發光二極體串列；以及如申請專利範圍第8項所述之發光二極體驅動晶片，用來驅動該一或多個發光二極體串列並偵測其是否發生短路。
12. 一種短路偵測方法，包含有：根據一或多個發光二極體串列之一底部電壓來產生小於該底部電壓之一分壓電壓；壓制該分壓電壓；以及比較該分壓電壓與一參考電壓，以依據比較結果來決定該一或多個發光二極體串列是否發生短路。
13. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中壓制該分壓電壓之步驟係包括壓制該分壓電壓以使其不超過一晶片之一低操作電壓 及一耐受電壓當中之一者。
14. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中壓制該分壓電壓之步驟係包括當該底部電壓上升到達一特定位準時，開始壓制該分壓電壓以使其實質上維持為該特定位準。
15. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中壓制該分壓電壓之步驟係於該一或多個發光二極體串列所接收之一驅動電流切斷而導致該底部電壓升高之後被實施。
16. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中產生該分壓電壓之步驟包含有：耦接一第一電阻至該底部電壓；以及耦接一第二電阻至該第一電阻，用以輸出該分壓電壓。
17. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中壓制該分壓電壓之步驟包含有：將一單位增益緩衝器(unit gain buffer)之一第一輸入端耦接至一壓制電壓，以及其一第二輸入端及其一輸出端彼此相耦接，以將該輸出端之電壓維持為該壓制電壓之位準；以及耦接一壓制二極體於該分壓電路與該輸出端之間，以於該壓制二極體導通時維持一導通電壓之跨壓。
18. 如請求項12所述之短路偵測方法，其中壓制該分壓電壓之步驟包含有耦接至少一蕭基特(Schottky)二極體至該分壓電路，以產生一崩潰電壓(breakdown voltage)來壓抑該分壓電壓。
19. 如請求項6所述之短路偵測電路，其中該壓制電壓為一固定準位。
20. 如請求項7所述之短路偵測電路，其中該蕭基特二極體之一端耦接於該分壓電路而另一端耦接於地。
21. 如請求項17所述之短路偵測電路，其中該壓制電壓為一固定準位。
22. 如請求項18所述之短路偵測電路，其中該蕭基特二極體之一端耦接於該分壓電路而另一端耦接於地。