TWI611722B - 發光二極體之控制電路 - Google Patents
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Abstract
本發明之實施例揭示一種對發光二極體之控制電路,可用以控制至少一LED串之調光。該調光控制電路包含有一電流驅動電路、一脈波寬度調變電路、一回饋電路、以及一離耦電路。該電流驅動電路可以依據一調光信號,選擇性的使一驅動電流流過該LED串。該調光信號可定義一發光時段與一不發光時段。該脈波寬度調變電路可產生一脈波寬度調變信號,其控制一功率開關,以在該LED串之一電源端建立一驅動電壓。該脈波寬度調變信號係依據一補償信號而產生。該回饋電路依據該LED串之一回饋電壓,可驅動一補償電容,於其上建立該補償信號。該離耦電路在該發光時段開始後的一強制時段,使該回饋電路不驅動該補償電容。
Description
本發明係關於發光二極體的控制電路。
良好的發光效率、精簡的元件體積、以及長久的元件壽命,使得發光二極體廣受照明或背光業界所採用。舉例來說,電腦或電視螢幕中的背光,大多數已經從傳統的CCFL背光模組,轉換成LED發光模組。
第1圖顯示可以用在背光模組的一習知發光二極體驅動電路10,用以驅動四個發光二極體串S1-S4。升壓器(booster)12把輸入電源VIN,升壓成驅動電源VOUT。電流控制電路CD1-CD4分別主宰流經發光二極體串S1-S4的驅動電流I1LED-I4LED。LED控制器14控制電流控制電路CD1-CD4以及升壓器12的操作。
第2圖舉例習知的LED控制器14。最小電壓產生器20依據回饋電壓V1FB-V4FB中的最小值來產生最低回饋電壓VFBMIN。回饋電壓V1FB-V4FB為發光二極體串S1-S4之回饋端FB1-FB4上的電壓。轉導器22依據最低回饋電壓VFBMIN跟參考電壓vREF的差來驅動補償端COM,對補償電容23充放電,在補償端COM上產生補償電壓VCOM。脈波寬度調變電路24根據補償電壓VCOM來產生控制功率開關28的脈波寬度調變信號SDRV。簡單的說,最小電壓產生器20、轉導器22、脈波寬度調變電路24、升壓器12、
以及發光二極體串S1-S4這樣的組合,會將最低回饋電壓VFBMIN大約穩定在參考電壓VREF。
電流驅動電路CC1-CC4分別對應控制第1圖中的電流控制電路CD1-CD4。以下將說明電流驅動電路CC1的操作與原理,至於其他的電流驅動電路可以類推得知,不再累述。電流驅動電路CC1包含有一運算放大器30’其架構可使電流偵測電壓V1CS大約穩定於電壓VCSSET。電壓VCSSET可能是0V或是預設電壓VCSON,由調光信號SDIM決定。因為電流偵測電壓V1CS對應了驅動電流I1LED,所以電流驅動電路CC1可穩定驅動電流I1LED。
調光信號SDIM可以用來調整發光二極體串S1-S4的平均發光亮度。調光信號SDIM可以是一脈波寬度調變信號。當調光信號SDIM為邏輯上的1時,LED控制器14使最低回饋電壓VFBMIN大約穩定在參考電壓VREF,且驅動電流I1LED-I4LED穩定在預設電壓VCSON,因此發光二極體串S1-S4穩定發光。當調光信號SDIM為邏輯上的0時,LED控制器14固定關閉升壓器12中的功率開關28,且驅動電流I1LED-I4LED穩定約0A,發光二極體串S1-S4不發光。以下定義調光信號SDIM為邏輯上的1時,為發光時段(Dimming-ON time)TDIM-ON;相反的,調光信號SDIM為邏輯上的0時,為不發光時段(Dimming-OFF time)TDIM-OFF。調光信號SDIM的工作週期(duty cycle),也就是發光時段TDIM-ON在調光週期所佔的比例,大約意味著發光二極體串S1-S4的亮度。調光線性度(dimming linearity)指的光源的亮度對調光信號之工作週期的關係。舉例來說,完美的調光線性度,意味著調光信號SDIM的工作週期完全線性正比於發光二極體串S1-S4的亮度。如何達到良好的調光線性度,是業界追求的目標。
本說明書中,具有相同之符號元件或裝置,為具有相同或是類似功能、結構、或特性之元件或是裝置,為業界人士能以具本說明書之教導而得知或推知,但不必然完全的相同。為簡潔緣故,不會重複說明。
本發明之實施例揭示一種對發光二極體之控制電路,可用以控制至少一LED串之調光。該調光控制電路包含有一電流驅動電路、一脈波寬度調變電路、一回饋電路、以及一離耦電路。該電流驅動電路可以依據一調光信號,選擇性的使一驅動電流流過該LED串。該調光信號可定義一發光時段與一不發光時段。該脈波寬度調變電路可產生一脈波寬度調變信號,其可控制一功率開關,以在該LED串之一電源端建立一驅動電壓。該脈波寬度調變信號係依據一補償信號而產生。該回饋電路依據該LED串之一回饋電壓,可驅動一補償電容,於其上建立該補償信號。該離耦電路在該發光時段開始後的一強制時段,使該回饋電路不驅動該補償電容。
10‧‧‧發光二極體驅動電路
12‧‧‧升壓器
14‧‧‧LED控制器
20‧‧‧最小電壓產生器
22‧‧‧轉導器
23‧‧‧補償電容
24‧‧‧脈波寬度調變電路
28‧‧‧功率開關
30‧‧‧運算放大器
60‧‧‧LED控制器
62‧‧‧離耦電路
64‧‧‧轉導器
66‧‧‧脈波產生器
68‧‧‧開關
70‧‧‧轉導器
80‧‧‧LED控制器
82‧‧‧離耦電路
84‧‧‧最大選擇器
86‧‧‧比較器
88‧‧‧邏輯閘
CC1-CC4‧‧‧電流驅動電路
CD1-CD4‧‧‧電流控制電路
COM‧‧‧補償端
DRV‧‧‧驅動端
EN‧‧‧致能端
FB1-FB4‧‧‧回饋端
GAT1-GAT4‧‧‧控制端
I1LED-I4LED‧‧‧驅動電流
S1-S4‧‧‧發光二極體串
SDIM‧‧‧調光信號
SDRV‧‧‧脈波寬度調變信號
SEN‧‧‧致能信號
SPLS‧‧‧脈波
t0、t1、t2‧‧‧時間點
TDIM-OFF‧‧‧不發光時段
TDIM-ON‧‧‧發光時段
TFORCE‧‧‧強制時段
V1CS-V4CS‧‧‧電流偵測電壓
V1FB-V4FB‧‧‧回饋電壓
V1GAT-V4GAT‧‧‧控制電壓
VCOM‧‧‧補償電壓
VCOMON‧‧‧穩態電壓值
VCSON‧‧‧預設電壓
VCSSET‧‧‧電壓
VCS-OK‧‧‧參考電壓
VFBMIN‧‧‧最低回饋電壓
VIN‧‧‧輸入電源
VOUT‧‧‧驅動電源
VREF‧‧‧參考電壓
第1圖顯示習知可以用在背光模組的一發光二極體驅動電路。
第2圖舉例習知的LED控制器。
第3圖顯示第1圖與第2圖之習知技術,可能出現的信號波形。
第4圖舉例依據本發明所實施的LED控制器。
第5圖顯示LED控制器60取代第1圖之LED控制器時,所可能出現的信號波形。
第6圖顯示轉導器的一種實施例。
第7圖舉例依據本發明所實施的另一LED控制器。
第8圖顯示LED控制器80取代第1圖之LED控制器時,所可能出現的信號波形。
第3圖顯示第1圖與第2圖之習知技術,可能出現的信號波形。在第3圖中,由上而下,依序是調光信號SDIM、最低回饋電壓VFBMIN、補償電壓VCOM、在電流驅動電路CC1之控制端GAT1的控制電壓V1GAT、電流偵測電壓V1CS、以及脈波寬度調變信號SDRV。
發光時段TDIM-ON如果太短,可能會因為電流驅動電路CC1的有限驅動能力,使得第1圖之調光線性度變差,或是發光二極體串S1-S4產生閃爍的現象。
請參閱第3圖。在習知技術中,不發光時段光線TDIM-OFF時,補償電壓VCOM會維持在先前發光時段結束時的電壓值VCOMON,而電流偵測電壓V1CS大約是0V,如同第3圖中時間點t0之前的不發光時段TDIM-OFF所示。此時,最低回饋電壓VFBMIN大約會等於驅動電源VOUT,其值可能高達數十伏特。
在時間點t0,調光信號SDIM由0轉成1,發光時段TDIM-ON開始。運算放大器30開始拉高控制電壓V1GAT,期望將電流偵測電壓V1CS快速的拉到預設電壓VCSON。然而,控制端GAT1的電容性負載,因為外接功率電晶體的存在,可能相當的大,所以導致了控制電壓V1GAT緩慢的上升。當控制電壓V1GAT到一定程度時,電流偵測電壓V1CS才開始緩慢地往預設電壓VCSON逼近,也就是驅動電流I1LED漸漸地往發光時段TDIM-ON的穩態電流值逼近。
在一實施例中,預設電壓VCSON約為0.4V。
隨著驅動電流I1LED逐漸上升,最低回饋電壓VFBMIN漸漸地下降。但是,在時間點t0時,第2圖中作為回饋電路的轉導器22,發現最低回饋電壓VFBMIN高過參考電壓VREF,所以轉導器22快速地放電補償電容23,拉低補償電壓VCOM。低的補償電壓VCOM產生小工作週期的脈波寬度調變信號SDRV,如同時間點t0到時間點t1的時段所示。
時間點t1開始,最低回饋電壓VFBMIN掉到低於參考電壓vREF,所以補償電壓VCOM才上升往發光時段時的穩態電壓值VCOMON逼近。
時間點t2,發光時段TDIM-ON結束,不發光時段TDIM-OFF開始。從時間點t1到時間點t2的時段可以發現,發光時段TDIM-ON中,最低回饋電壓VFBMIN的穩態值是參考電壓VREF,電流偵測電壓V1CS的穩態值是預設電壓VCSON。預設電壓VCSON對應驅動電流I1LED-I4LED的一穩態操作值。
從時間點t0到t1的起始時段可以發現,補償電壓VCOM遠低於穩態電壓值VCOMON。所以在此起始時段中,升壓器12所傳輸的電功率,將遠低於發光時段TDIM-ON中穩定時的值。不足的電功率將導致電流偵測電壓V1CS上升的速度相當的慢,使得電流偵測電壓V1CS從0V開始而穩定到預設電壓VCSON所需的上升時間大幅的增長。這意味著發光時段TDIM-ON相當短的時候,第1圖之發光二極體驅動電路10將有很差的調光線性度。而且,發光時段TDIM-ON短的時候,第1圖之發光二極體串S1-S4極容易會有閃爍的現象。
第4圖舉例依據本發明所實施的LED控制器60。儘管本說明書中以控制四個發光二極體串S1-S4作為實施例,但是本發明不限於此。有些依據本發明所實施例只控制單一發光二極體串,其他的實施例可控制超
過四以上的發光二極體串。LED控制器60中與第2圖中的LED控制器14相同之部分,為習知人士能了解,為簡潔緣故,不再累述。
LED控制器60與第2圖中的LED控制器14不同的,具有離耦(decoupling)電路62,其控制轉導器64的致能端EN。離耦電路62依據調光信號SDIM來產生致能信號SEN。當致能信號SEN為邏輯上的1時,轉導器64依據最低回饋電壓VFBMIN跟參考電壓VREF的差來驅動補償電容23;當致能信號SEN為邏輯上的0時,轉導器64的輸出為高阻抗,補償端COM上的補償電壓VCOM大致會維持在致能信號SEN切換至0之前的值。
在一實施例中,離耦電路62包含有一上升緣觸發之脈波產生器66以及一邏輯閘。脈波產生器66在調光信號SDIM的上升緣出現時,產生一脈波SPLS,用以定義一強制時段TFORCE。在第4圖之實施例中,離耦電路62所定義出的強制時段TFORCE具有固定時間長度。舉例來說,這個固定時間長度可以是固定的10微秒,或是兩個脈波寬度調變信號SDRV之開關週期(switch cycle time)。在不發光時段TDIM-OFF以及強制時段TFORCE,離耦電路62使致能信號SEN為邏輯上的0;而在強制時段TFORCE之外的發光時段TDIM-ON中,致能信號SEN為邏輯上的1。
第5圖顯示LED控制器60取代第1圖之LED控制器14時,所可能出現的信號波形。由上而下,依序是調光信號SDIM、最低回饋電壓VFBMIN、脈波SPLS、補償電壓VCOM、控制電壓V1GAT、電流偵測電壓V1CS、以及脈波寬度調變信號SDRV。
在第5圖中,發光時段TDIM-ON開始後的強制時段TFORCE內,轉導器64不驅動補償電容23,所以補償電壓VCOM大約依然維持在前一次發
光時段TDIM-ON結束時的穩態電壓值VCOMON。這跟先前技術有相當大的不同。在先前技術之第3圖中,時間點t0到t1的起始時段,補償電壓VCOM是快速的減少以至於遠低於穩態電壓值VCOMON。因此,在第5圖之強制時段TFORCE內,補償電壓VCOM將使脈波寬度調變信號SDRV有相當大的工作週期,也使升壓器12所傳輸的電功率,大約就是發光時段TDIM-ON中穩定時所需用的值。因為在強制時段TFORCE中,升壓器12就提供了發光二極體串S1-S4穩定發光的電功率,因此可以預期的,電流偵測電壓V1CS以及最低回饋電壓VFBMIN將會相當快速的逼近其穩定值,分別是預設電壓VCSON與參考電壓VREF,如同第5圖所示。
在強制時段TFORCE結束後,致能信號SEN為邏輯上的1,所以轉導器64將依據最低回饋電壓VFBMIN跟參考電壓VREF的差來驅動補償電容23,直到發光時段TDIM-ON結束,如第5圖所示。
與第3圖相較之下,在發光時段TDIM-ON開始後,第5圖中的預設電壓VCSON以及最低回饋電壓VFBMIN分別具有有較快的上升速度與下降速度。因此,以LED控制器60取代第1圖之LED控制器14時,可以改善第1圖之發光二極體驅動電路10的調光線性度,並減輕發光二極體串S1-S4可能發生的閃爍現象。
第6圖顯示轉導器64的一種實施例,其具有一開關68以及一轉導器70。當開關68為開路時,轉導器64的輸出端為高阻抗。當開關68短路時,轉導器70依據最低回饋電壓VFBMIN跟參考電壓VREF的差,所產生的電流就可以到達轉導器64的輸出端。第6圖並非用以限制轉導器64的實施。電路設計業界可依據本說明書的解釋與教導,簡單的以其他方式設計出其它
種轉導器,使其具有與轉導器64一樣或是類似的功能目的。
第7圖舉例依據本發明所實施的LED控制器80。與第4圖之離耦電路62不同的,第7圖中的離耦電路82所定義出的強制時段TFORCE不一定是有固定時間長度,其結束時間是由電流偵測電壓V1CS-V4CS所決定。
離耦電路82包含有最大選擇器84、比較器86、以及邏輯閘88。最大選擇器84提供最大電流偵測電壓VCSMAX,對應電流偵測電壓V1CS-V4CS中的最大值。從離耦電路82可以推知,當調光信號SDIM由0轉成1,宣告發光時段TDIM-ON開始時,致能信號SEN將因為電流偵測電壓V1CS-V4CS全部都還在0V附近,所以依然停留在邏輯上的0。一直到電流偵測電壓V1CS-V4CS其中任何一個足夠高,比較器86的輸出轉態,才會使致能信號SEN從邏輯上的0變為1。因此,離耦電路82所定義的強制時段TFORCE,其開始是由調光信號SDIM決定,而結束是由電流偵測電壓V1CS-V4CS中的最大值決定。
舉例來說,在一實施例中,當電流偵測電壓V1CS-V4CS中的最大值大於一預設參考電壓VCS-OK時,離耦電路82就宣告強制時段TFORCE結束;而參考電壓VCS-OK很接近,但小於使LED串穩定發光的預設電壓VCSON。舉例來說,預設電壓VCSON為0.4V而參考電壓VCS-OK為0.3V。參考電壓VCS-OK對應驅動電流I1LED-I4LED的一預設驅動電流值ICS-OK。換言之,當驅動電流I1LED-I4LED超過該預設驅動電流值ICS-OK,很接近其穩態操作值時,離耦電路82就宣告強制時段TFORCE結束。
第8圖顯示LED控制器80取代第1圖之LED控制器14時,所可能出現的信號波形。由上而下,依序是調光信號SDIM、最低回饋電壓VFBMIN、致能信號SEN、補償電壓VCOM、控制電壓V1GAT、電流偵測電壓V1CS、以及
脈波寬度調變信號SDRV。如同第8圖所示的,當電流偵測電壓V1CS高過參考電壓VCS-OK時,強制時段TFORCE結束。與第5圖類似的,因為有強制時段TFORCE的存在,第8圖中的電流偵測電壓V1CS以及最低回饋電壓VFBMIN分別具有有較快的上升速度與下降速度。因此,LED控制器80取代第1圖之LED控制器14時,也可以有較佳的調光線性度,並減輕發光二極體串S1-S4可能發生的閃爍現象。
不論是在第4圖中的離耦電路62或是第7圖的離耦電路82所定義的強制時段TFORCE,升壓器12的回饋控制都是被打斷,所以升壓器12被迫傳輸一固定的電功率。如果補償電壓VCOM因為某些原因飄移且高過穩態電壓值VCOM-ON,一旦離耦電路62定義了一個太長且固定之強制時段TFORCE,那升壓器12在強制時段TFORCE中所傳輸的電功率將很有機會使驅動電源VOUT發生不必要的過高電壓。相較之下,離耦電路82在驅動電流I1LED-I4LED建立的差不多時,也就是在電流偵測電壓V1CS-V4CS大於等於參考電壓VCS-OK時,就把對升壓器12的回饋控制恢復,有機會避免強制時段TFORCE可能引發的過高電壓。
本發明的實施例中,在該發光時段開始後的一強制時段,離耦電路使補償電容持守住補償電壓,強制一升壓器提供了相當的電功率給二極體串發光。因此,在本發明之實施例可以獲得較佳的調光線性度,甚至消除可能的閃爍現象。
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。
20‧‧‧最小電壓產生器
24‧‧‧脈波寬度調變電路
30‧‧‧運算放大器
60‧‧‧LED控制器
62‧‧‧離耦電路
64‧‧‧轉導器
66‧‧‧脈波產生器
CC1-CC4‧‧‧電流驅動電路
COM‧‧‧補償端
EN‧‧‧致能端
FB1-FB4‧‧‧回饋端
GAT1‧‧‧控制端
DRV‧‧‧驅動端
SDIM‧‧‧調光信號
SDRV‧‧‧脈波寬度調變信號
SEN‧‧‧致能信號
GAT1‧‧‧控制端
DRV‧‧‧驅動端
SDIM‧‧‧調光信號
SDRV‧‧‧脈波寬度調變信號
SEN‧‧‧致能信號
SPLS‧‧‧脈波
V1CS‧‧‧電流偵測電壓
V1FB-V4FB‧‧‧回饋電壓
V1GAT‧‧‧控制電壓
VCOM‧‧‧補償電壓
VCSON‧‧‧預設電壓
VCSSET‧‧‧電壓
VFBMIN‧‧‧最低回饋電壓
VREF‧‧‧參考電壓
Claims (11)
- 一種對發光二極體之控制電路,可用以控制至少一LED串(string)之調光,該調光控制電路包含有:一電流驅動電路,可以依據一調光信號,選擇性的使一驅動電流流過該LED串,該調光信號可定義一發光時段與一不發光時段;一脈波寬度調變電路,可產生一脈波寬度調變信號,其可控制一功率開關,以在該LED串之一電源端建立一驅動電壓,該脈波寬度調變信號係依據一補償信號而產生;一回饋電路,依據該LED串之一回饋電壓,可驅動一補償電容,於其上建立該補償信號;以及一離耦(decoupling)電路,在該發光時段開始後的一強制時段,使該回饋電路不驅動該補償電容;其中,該強制時段從該不發光時段結束後開始。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,該強制時段係為一固定時間長度。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,當該驅動電流高於一預設值時,該強制時段結束。
- 如申請專利範圍第3項所述之控制電路,其中,當該調光信號使該LED串發光時,該驅動電流大約為一穩態操作值,且該預設值低於該穩態操作值。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,該控制電路可用以控制數個LED串之調光,該控制電路包含有: 該脈波寬度調變電路,可產生該脈波寬度調變信號,其可控制該功率開關,以在該等LED串共用之一電源端建立該驅動電壓;以及該回饋電路,依據一最小回饋電壓,來驅動該補償電容,其中,該等LED串分別提供複數回饋電壓,該最小回饋電壓對應該等回饋電壓中之最小值。
- 如申請專利範圍第5項所述之控制電路,其中,該電流驅動電路,可以依據一調光信號,選擇性的分別使數個驅動電流分別流過該等LED串。
- 如申請專利範圍第6項所述之控制電路,其中,當該等驅動電流其中之一高於一預設值時,該強制時段結束。
- 如申請專利範圍第5項所述之控制電路,其中,該強制時段係為一固定時間長度。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,該離耦電路包含有:一離耦開關,耦接於該回饋電路與該補償電容之間;以及一脈波產生器,當該不發光時段結束時,用以產生一脈波(pulse),以定義該強制時段。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,該離耦電路包含有:一比較器,用以比較該驅動電流與一預設值,當該驅動電流高於該預設值時,該比較器結束該強制時段。
- 如申請專利範圍第1項所述之控制電路,其中,該回饋電路包含有一轉導器(transconductor),以及,於該強制時段以及該不發光時段,該轉導器的一輸出為高阻抗。
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