TWM579865U

TWM579865U - 發光二極體驅動電路

Info

Publication number: TWM579865U
Application number: TW107216268U
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-06-21
Also published as: US10721804B2; US20200178362A1

Abstract

本創作提供一種發光二極體（簡稱「LED」）驅動電路，其可包含：一電源供應電路，用來提供電源給一第一組LED及一第二組LED；一第一線性電流調節器及一第二線性電流調節器，其中這些線性電流調節器中之任一線性電流調節器以及這些組LED中之一對應組LED彼此串聯、且耦接於該電源供應電路之電源端子與接地端子之間；以及一控制電路，耦接至這些線性電流調節器，用來控制這些線性電流調節器以分別驅動這些組LED，使分別通過這些組LED的電流實質上相等。該任一線性電流調節器可包含比較器、功率開關與電阻器，該控制電路可包含偵測電路及參數控制電路。

Description

發光二極體驅動電路

本創作係有關於光源控制，尤指一種發光二極體（Light-Emitting Diode，可簡稱為「LED」）驅動電路。

LED光源廣泛應用於各種電子裝置。例如，目前市面上的液晶顯示器大多採用LED作為背光模組的光源。當LED光源被設計成以同一個輸入電壓驅動分別位於不同電流路徑上的多組LED時，這個輸入電壓中的一部分壓降會跨在這些電流路徑上的其它元件，而造成功率損耗。LED的亮度和電流成正比，而這些電流路徑上的電流可被控制為彼此相同，使該多組LED具有相同的亮度。一般而言，很難發生該多組LED之各自的負載電阻均相同的狀況。為了確保具有最大負載電阻的一組LED能有足夠的電壓來驅動，該輸入電壓必須夠大。由於其它組LED的負載電阻小於該最大負載電阻，故其它組LED在其各自的電流路徑上會有多餘的跨壓，這會造成額外的功率損耗。例如，單顆LED的驅動電壓的理想值可為3.5 V，但此驅動電壓的實際值的變化範圍可達0.6 V。若該多組LED中之每一組LED有12個LED，則總驅動電壓的變化範圍可達7.2 V，其可達該輸入電壓的10%或更多，這表示該額外的功率損耗相當大。若每一組LED有更多個LED，則該額外的功率損耗會更大。因此，需要一種新穎的架構，以在沒有副作用或較不可能帶來副作用之狀況下減少功率損耗。

本創作之一目的在於提供一種發光二極體（簡稱「LED」）驅動電路，以解決上述問題。

本創作之另一目的在於提供一種LED驅動電路，以在沒有副作用或較不可能帶來副作用之狀況下達到最佳（optimal）效能。

本創作之至少一實施例提供一種LED驅動電路。該LED驅動電路可包含：一電源供應電路，具有一電源端子與一接地端子，用來提供電源給一第一組LED及一第二組LED；一第一線性電流調節器及一第二線性電流調節器（linear current regulator），分別耦接至該第一組LED及該第二組LED，其中該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器中之任一線性電流調節器以及該第一組LED及該第二組LED中之一對應組LED彼此串聯、且耦接於該電源供應電路之該電源端子與該接地端子之間；以及一控制電路，耦接至該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器，用來控制該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器以分別驅動該第一組LED及該第二組LED，使分別通過該第一組LED及該第二組LED的一第一電流及一第二電流實質上相等。例如，所述任一線性電流調節器可包含：一比較器，具有一第一輸入端子、一第二輸入端子與一輸出端子；一功率開關（power switch），具有一第一端子、一第二端子與一控制端子，分別耦接至該對應組LED、該比較器之該第二輸入端子與該輸出端子；以及一電阻器，耦接於該功率開關之該第二端子與該接地端子之間。另外，該控制電路可包含：一偵測電路，耦接至該對應組LED與所述任一線性電流調節器之間的一節點，用來依據該節點上的一電壓訊號進行偵測，以產生一偵測訊號；一第一參數控制電路，用來控制所述任一線性電流調節器之一第一參數；以及一第二參數控制電路，耦接至該偵測電路，用來依據該偵測訊號控制所述任一線性電流調節器之一第二參數。此外，該比較器之該第一輸入端子與該輸出端子分別耦接至該控制電路中之該第一參數控制電路與該第二參數控制電路，且該第一參數與該第二參數分別代表該比較器之該第一輸入端子與該輸出端子之各自的電壓。

本創作的好處之一是，透過前饋式控制（feed-forward control）及相關參數調整，本創作能針對該些線性電流調節器的運作進行妥善的控制，尤其，能在維持LED光源的均勻亮度之狀況下最小化功率損耗。相較於相關技術，本創作能在沒有副作用或較不可能帶來副作用之狀況下達到最佳效能。

第1圖為依據本創作一實施例之一種LED驅動電路100，其中該多組LED中之每一組LED可彼此串聯以形成一LED模組，諸如LED模組121、122與123的其中之一。LED驅動電路100可包含一電源供應電路101、控制電路110與分別耦接至該多組LED（例如多個LED模組）之複數個線性電流調節器，且控制電路110可包含一偵測電路112與分別用來控制複數個參數之複數個參數控制電路，諸如分別用來控制第一參數與第二參數之一第一參數控制電路與一第二參數控制電路。於本實施例中，該複數個線性電流調節器可實施成分別耦接至3個LED模組121、122與123之3個線性電流調節器131、132與133，該第一參數控制電路與該第二參數控制電路可分別實施成用來控制電壓{Vx}與{Vg}之Vx控制電路111與Vg控制電路113，且電壓{Vx}（諸如電壓{Vx1, Vx2, Vx3}）與電壓{Vg}（諸如電壓{Vg1, Vg2, Vg3}）可分別作為該些第一參數與該些第二參數的例子。

依據本實施例，電源供應電路101可具有一電源端子與一接地端子（諸如其上方端子與下方端子），且該電源端子與該接地端子可用來提供電源給該多組LED。該複數個線性電流調節器中之任一線性電流調節器以及該多組LED中之一對應組LED彼此串聯、且耦接於電源供應電路101之該電源端子與該接地端子之間，其中該對應組LED係耦接於該電源端子與上述任一線性電流調節器之間。例如線性電流調節器131、132與133分別以串聯方式連接至LED模組121、122與123。為了便於理解，接地GND的電壓位準可為0 V，且電源供應電路101輸出之驅動電壓可為電壓Vin。此狀況下，該電源端子與該接地端子之間的跨壓諸如電壓V _in可等於電壓Vin（V _in= (Vin - 0) = Vin）。若該對應組LED的跨壓是電壓V _o且上述任一線性電流調節器的跨壓是電壓V _loss，則V _loss= V _in- V _o，其中電壓V _loss必須達到（例如大於或等於）此線性電流調節器的操作條件以維持正常操作，且通過這組LED的電流I _o可被此線性電流調節器所控制。舉例來說，LED模組121、122與123各自的跨壓可分別為電壓V _o(1)、V _o(2)與V _o(3)（其可分別簡稱為Vo1、Vo2與Vo3），而線性電流調節器131、132與133各自的跨壓可分別為電壓V _loss(1)、V _loss(2)與V _loss(3)。在某一時間點，線性穩流電路131、132與133各自的功率損耗可分別正比於電壓V _loss(1)、V _loss(2)與V _loss(3)，其中V _loss(1) = V _in- V _o(1)，V _loss(2) = V _in- V _o(2)，且V _loss(3) = V _in- V _o(3)。

另外，控制電路110可用來控制該複數個線性電流調節器諸如線性電流調節器131、132與133以分別透過動態調整的電流諸如電流I _o(1)、I _o(2)與I _o(3)（其可分別簡稱為Io1、Io2與Io3）驅動該多組LED諸如LED模組121、122與123，尤其，可針對該複數個線性電流調節器進行前饋式控制，以達到LED驅動電路100之最佳效能。上述每一組LED（諸如LED模組121、122與123的其中之一）可由該些動態調整的電流的其中之一所驅動。控制電路110可動態調整電流I _o(1)、I _o(2)與I _o(3)，且可分別透過電流I _o(1)、I _o(2)與I _o(3)驅動LED模組121、122與123。於本實施例中，偵測電路112可耦接至該對應組LED與上述任一線性電流調節器之間的一節點，且可依據該節點上的一電壓訊號進行偵測以產生一偵測訊號，以供控制電路110針對上述任一線性電流調節器進行前饋式控制。例如，偵測電路112可分別依據LED模組121與線性電流調節器131之間的第一節點上的一第一電壓訊號、LED模組122與線性電流調節器132之間的第二節點上的一第二電壓訊號與LED模組123與線性電流調節器133之間的第三節點上的一第三電壓訊號進行偵測以產生一第一偵測訊號、一第二偵測訊號與一第三偵測訊號。該第一參數控制電路諸如Vx控制電路111可控制線性電流調節器131、132與133各自的第一參數（諸如電壓{Vx1, Vx2, Vx3}），而該第二參數控制電路諸如Vg控制電路113可分別依據該第一偵測訊號、該第二偵測訊號與該第三偵測訊號控制線性電流調節器131、132與133各自的第二參數（諸如電壓{Vg1, Vg2, Vg3}）。於本實施例中，該第一參數控制電路諸如Vx控制電路111可產生參考電壓Vref1、Vref2與Vref3，而偵測電路112可分別基於參考電壓Vref1、Vref2與Vref3進行偵測以產生該第一偵測訊號、該第二偵測訊號與該第三偵測訊號。

第2圖為第1圖所示LED驅動電路100於一實施例中之實施細節。本實施例之LED驅動電路200可作為LED驅動電路100的例子，其中LED模組221、222與223可分別作為LED模組121、122與123的例子，線性電流調節器231、232與233可分別作為線性電流調節器131、132與133的例子，且偵測電路212可作為偵測電路112的例子。為了便於理解，於LED模組221、222與223中之每一LED模組中繪示了5個串聯的LED。於某些實施例中，上述每一LED模組中之LED的數量可予以變化。

依據本實施例，線性電流調節器231可包含一比較器COMP1、一功率開關（power switch）Q1與一電阻器Rx1，線性電流調節器232可包含一比較器COMP2、一功率開關Q2與一電阻器Rx2，且線性電流調節器233可包含一比較器COMP3、一功率開關Q3與一電阻器Rx3。例如，比較器COMP1具有一第一輸入端子（諸如非反向輸入端子「+」）、一第二輸入端子（諸如反向輸入端子「-」）與一輸出端子，其中比較器COMP1之該第一輸入端子與該輸出端子分別耦接至控制電路110中之Vx控制電路111與Vg控制電路113，且比較器COMP1之第一參數與第二參數分別代表比較器COMP1之該第一輸入端子與該輸出端子之各自的電壓（諸如電壓Vx與Vg）。功率開關Q1具有分別耦接至LED模組221、比較器COMP1之該第二輸入端子與該輸出端子之一第一端子、一第二端子與一控制端子（例如其上方端子、下方端子與左方端子，諸如汲極端子、源極端子與閘極端子）。電阻器Rx1耦接於功率開關Q1之該第二端子與該接地端子之間，例如耦接於電壓Vs1與接地GND之間。由於線性電流調節器232與233各自的元件以及耦接方式和線性電流調節器231的元件以及耦接方式相仿，故類似的描述予以省略。請注意，基於Vx控制電路111與Vg控制電路113之參數控制，線性電流調節器231、232與233分別控制其各自的電壓Vs1、Vs2與Vs3以及其各自的電流Io1、Io2與Io3。

另外，偵測電路212包含分別對應於該複數個線性電流調節器之複數個子電路，諸如分別對應於線性電流調節器231、232與233之一第一子電路、一第二子電路與一第三子電路，其中該第一子電路包含一二極體D1、一誤差放大器（Error Amplifier）EA1與一電阻器Rm1，該第二子電路包含一二極體D2、一誤差放大器EA2與一電阻器Rm2，且該第三子電路包含一二極體D3、一誤差放大器EA3與一電阻器Rm3。例如，二極體D1具有一第一端子與一第二端子（例如其上方端子與下方端子），且其跨壓（諸如這兩個端子的電壓差）可為電壓Vf1，其中二極體D1之該第二端子耦接至該第一節點。誤差放大器EA1具有一第一輸入端子（諸如非反向輸入端子「+」）、一第二輸入端子（諸如反向輸入端子「-」）與一輸出端子，其中誤差放大器EA1之該第一輸入端子與該第二輸入端子分別耦接至二極體D1之該第一端子與參考電壓Vref1，誤差放大器EA1之該輸出端子輸出該第一偵測訊號，且電阻器Rm1耦接於誤差放大器EA1之該第一輸入端子與該輸出端子之間。又例如，二極體D2具有一第一端子與一第二端子（例如其上方端子與下方端子），且其跨壓（諸如這兩個端子的電壓差）可為電壓Vf2，其中二極體D2之該第二端子耦接至該第二節點。誤差放大器EA2具有一第一輸入端子（諸如非反向輸入端子「+」）、一第二輸入端子（諸如反向輸入端子「-」）與一輸出端子，其中誤差放大器EA2之該第一輸入端子與該第二輸入端子分別耦接至二極體D2之該第一端子與參考電壓Vref2，誤差放大器EA2之該輸出端子輸出該第二偵測訊號，且電阻器Rm2耦接於誤差放大器EA2之該第一輸入端子與該輸出端子之間。又例如，二極體D3具有一第一端子與一第二端子（例如其上方端子與下方端子），且其跨壓（諸如這兩個端子的電壓差）可為電壓Vf3，其中二極體D3之該第二端子耦接至該第三節點。誤差放大器EA3具有一第一輸入端子（諸如非反向輸入端子「+」）、一第二輸入端子（諸如反向輸入端子「-」）與一輸出端子，其中誤差放大器EA3之該第一輸入端子與該第二輸入端子分別耦接至二極體D3之該第一端子與參考電壓Vref3，誤差放大器EA3之該輸出端子輸出該第三偵測訊號，且電阻器Rm3耦接於誤差放大器EA3之該第一輸入端子與該輸出端子之間。

為了便於理解，LED驅動電路200的相關實施細節進一步說明如下。依據某些實施例，二極體D1、D2與D3可分別用來偵測LED模組221、222與223各自的負端子（例如陰極）的電壓，即線性電流調節器231、232與233各自的跨壓諸如電壓V _loss(1)、V _loss(2)與V _loss(3)。舉例來說，誤差放大器EA1、EA2與EA3各自的第一輸入端子（諸如非反向輸入端子「+」）上的電壓分別為電壓(V _loss(1) + Vf1)、(V _loss(2) + Vf2)與(V _loss(3) + Vf3)。控制電路110可動態地調整該些第一參數（諸如電壓{Vx1, Vx2, Vx3}）與該些第二參數（諸如電壓{Vg1, Vg2, Vg3}），而調整的目標是儘量控制電壓V _loss(1)、V _loss(2)與V _loss(3)分別趨近於零，而使對應的功率損耗趨近於零。誤差放大器EA1、EA2與EA3各自的第二輸入端子（諸如反向輸入端子「-」）上的電壓分別為參考電壓Vref1、Vref2與Vref3。藉助於誤差放大器EA1、EA2與EA3，控制電路110可依據反饋訊號諸如該第一偵測訊號、該第二偵測訊號與該第三偵測訊號決定對應的穩壓值。例如，功率開關Q1、Q2與Q3可實施成電晶體諸如功率電晶體，而Vg控制電路113可分別針對功率開關Q1、Q2與Q3找尋最佳化的閘極驅動電壓作為電壓{Vg1, Vg2, Vg3}，並調整負載電流，以達到LED模組221、222與223之效率的最佳化。

依據某些實施例，功率開關Q1、Q2與Q3諸如該些功率電晶體需操作於線性區，也就是說，對該些功率電晶體中之每一功率電晶體而言，V _gs- V _th＞ V _ds，其中V _gs代表閘極對源極電壓，V _ds代表汲極對源極電壓，而V _th代表臨界電壓（Threshold Voltage）。例如功率開關Q1、Q2與Q3各自的閘極對源極電壓V _gs(1)、V _gs(2)與V _gs(3)可分別為(Vg1 - Vs1)、(Vg2 - Vs2)與(Vg3 - Vs3)，而功率開關Q1、Q2與Q3各自的汲極對源極電壓V _ds(1)、V _ds(2)與V _ds(3)可分別為(V _loss(1) - Vs1)、(V _loss(2) - Vs2)與(V _loss(3) - Vs3)。另外，比較器COMP1、COMP2與COMP3諸如操作放大器（Operational Amplifier）需操作於飽和區。

舉例來說，針對上述任一線性電流調節器中之功率開關（例如功率開關Q1、Q2與Q3的其中之一），諸如該些功率電晶體中之某一個功率電晶體，V _gs- V _th＞ V _ds，這表示V _gs- V _ds＞ V _th，其可表示如下： V _gd＞ V _th；或 V _g- V _d＞ V _th；其中V _gd代表閘極對汲極電壓，諸如閘極電壓V _g與汲極電壓V _d之間的電壓差(V _g- V _d)。由於這個功率電晶體的汲極端子直接連接到該節點，故V _d= V _loss。已知V _loss= V _in- V _o，假設R _o代表該對應組LED（例如對應的LED模組，諸如LED模組221、222與223的其中之一）的電阻，則可得： V _d= V _loss= V _in- V _o= V _in- I _o* R _o；或 V _d= V _in- I _o* R _o；將V _d= V _in- I _o* R _o代入V _g- V _d＞ V _th，可得： V _g- (V _in- I _o* R _o) ＞ V _th；由於電流I _o通過這個功率電晶體的源極端子與該接地端子之間的電阻器（例如電阻器Rx1、Rx2與Rx3的其中之一），故I _o= (V _x/ R _x)。將I _o= (V _x/ R _x)代入上列方程式，可得：其中R _x代表上述任一線性電流調節器中的電阻器（例如電阻器Rx1、Rx2與Rx3的其中之一）的電阻，V _x代表電壓{Vx}當中對應於這個線性電流調節器的Vx。已知：其中k代表導電參數。將上列方程式代入其前一個方程式，可得：重新整理上列方程式，可得：將V _in= V _o+ V _d代入上列方程式，可得：由上列方程式可以看出，在R _o及V _o固定的條件下，調整V _x及R _x即可調變功率電晶體之汲極電壓V _d，進而調變V _in= V _o+ V _d。例如，透過調整電壓V _x及電阻R _x可調整功率電晶體之閘極電壓V _g。

基於整合的前饋式控制架構及相關參數調整，本創作能針對該些線性電流調節器的運作進行妥善的控制，尤其，能在維持LED光源的均勻亮度之狀況下最小化功率損耗。本創作的好處例如：設計參數單純；反饋控制訊號設計與電晶體特性無關，不受溫度特性影響；負載LED特性變動時，能即時調整電流調節器之驅動電壓，使其操作在最佳效率點；前饋式控制電路易於實現；即使LED模組與線性電流調節器所形成的LED-線性電流調節器組合電路的數量隨著該多組LED的數量增加而增加，仍可實現電路效率最佳化。

100, 200‧‧‧LED驅動電路

101‧‧‧電源供應電路

110‧‧‧控制電路

111‧‧‧Vx控制電路

112, 212‧‧‧偵測電路

113‧‧‧Vg控制電路

121, 122, 123, 221, 222, 223‧‧‧LED模組

131, 132, 133, 231, 232, 233‧‧‧線性電流調節器

COMP1, COMP2, COMP3‧‧‧比較器

Q1, Q2, Q3‧‧‧功率開關

Rx1, Rx2, Rx3, Rm1, Rm2, Rm3‧‧‧電阻器

D1, D2, D3‧‧‧二極體

EA1, EA2, EA3‧‧‧誤差放大器

GND‧‧‧接地

Vref1, Vref2, Vref3‧‧‧參考電壓

Vx1, Vx2, Vx3, Vg1, Vg2, Vg3, V_in, V_o, V_loss, Vin, Vo1, Vo2, Vo3, Vf1, Vf2, Vf3, Vs1, Vs2, Vs3‧‧‧電壓

Io1, Io2, Io3‧‧‧電流

第1圖為依據本創作一實施例之一種LED驅動電路。第2圖為第1圖所示LED驅動電路於一實施例中之實施細節。

Claims

一種發光二極體驅動電路，包含：一電源供應電路，具有一電源端子與一接地端子，用來提供電源給一第一組發光二極體及一第二組發光二極體；一第一線性電流調節器及一第二線性電流調節器，分別耦接至該第一組發光二極體及該第二組發光二極體，其中該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器中之任一線性電流調節器以及該第一組發光二極體及該第二組發光二極體中之一對應組發光二極體彼此串聯、且耦接於該電源供應電路之該電源端子與該接地端子之間，以及所述任一線性電流調節器包含：一比較器，具有一第一輸入端子、一第二輸入端子與一輸出端子；一功率開關（power switch），具有一第一端子、一第二端子與一控制端子，分別耦接至該對應組發光二極體、該比較器之該第二輸入端子與該輸出端子；以及一電阻器，耦接於該功率開關之該第二端子與該接地端子之間；以及一控制電路，耦接至該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器，用來控制該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器以分別驅動該第一組發光二極體及該第二組發光二極體，使分別通過該第一組發光二極體及該第二組發光二極體的一第一電流及一第二電流實質上相等，其中該控制電路包含：一偵測電路，耦接至該對應組發光二極體與所述任一線性電流調節器之間的一節點，用來依據該節點上的一電壓訊號進行偵測，以產生一偵測訊號；一第一參數控制電路，用來控制所述任一線性電流調節器之一第一參數；以及一第二參數控制電路，耦接至該偵測電路，用來依據該偵測訊號控制所述任一線性電流調節器之一第二參數；其中該比較器之該第一輸入端子與該輸出端子分別耦接至該控制電路中之該第一參數控制電路與該第二參數控制電路，且該第一參數與該第二參數分別代表該比較器之該第一輸入端子與該輸出端子之各自的電壓。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該第一組發光二極體及該第二組發光二極體中之每一組發光二極體彼此串聯。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該對應組發光二極體係耦接於該電源端子與所述任一線性電流調節器之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該偵測電路依據該節點上的該電壓訊號進行該偵測，以產生該偵測訊號，以供該控制電路針對所述任一線性電流調節器進行前饋式控制。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其中該偵測電路包含：分別對應於該第一線性電流調節器及該第二線性電流調節器之一第一子電路及一第二子電路，其中該第一子電路及該第二子電路中之對應於所述任一線性電流調節器之一子電路包含：一二極體，具有一第一端子與一第二端子，其中該二極體之該第二端子耦接至該節點；一誤差放大器，具有一第一輸入端子、一第二輸入端子與一輸出端子，其中該誤差放大器之該第一輸入端子與該第二輸入端子分別耦接至該二極體之該第一端子與一參考電壓，以及該誤差放大器之該輸出端子輸出該偵測訊號；以及一電阻器，耦接於該誤差放大器之該第一輸入端子與該輸出端子之間。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其中該第一參數控制電路耦接至該偵測電路，且產生一參考電壓，以及該偵測電路基於該參考電壓進行該偵測以產生該偵測訊號。