CN100420348C - 发光二极管阵列的驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

电压调节器提供输出电压至一发光二极管阵列。电流调节器具有多个电流调节端，对应地耦合至该发光二极管阵列的多个构成分支，用于分别控制流经其中的多个电流。启动电路使该输出电压上升直到每一个电流调节端的电压皆超过一参考电压，从而确保该多个电流皆达到一调节电流。随后，选择电路从所有电流调节端的电压中选出一最小者作为一反馈控制信号，以控制该电压调节器。

Description

发光二极管阵列的驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种驱动电路，尤其涉及一种用于发光二极管阵列的驱动电路。

背景技术

在需要大面积发光来源的应用中，例如液晶显示屏幕的背光源，由多个发光二极管的构成分支彼此并联所形成的发光二极管阵列是一种省电且节省空间的光源产生方式。为了确保此种大面积光源的亮度均匀，发光二极管阵列的每一构成分支必须由完全相同的驱动电流所驱动，因为发光二极管的亮度是直接关联于流经其中的驱动电流。

图1显示已知的驱动电路10，用于驱动发光二极管阵列11。已知的驱动电路10主要具有电压调节器12与电流调节器13。电压调节器12将输入电压源V_in转换为驱动电压V_out，且提供至发光二极管阵列11。发光二极管阵列11由多个构成分支D₁至D_n彼此并联而形成。请注意在图1中虽然每一构成分支D₁至D_n仅由单一个发光二极管作为代表，但其也可由多个发光二极管串联而形成。电流调节器13具有多个电流调节端A₁至A_n，对应地耦合于发光二极管阵列11的构成分支D₁至D_n的n极(阴极)，从而维持彼此相同的驱动电流I₁至I_n对应地流经每一构成分支D₁至D_n而达成整体亮度的均匀性。

参照图2，已知的电流调节器13可由多个线性调节单元LR₁至LR_n所组成，分别用于控制驱动电流I₁至I_n。在此以线性调节单元LR₁为例说明其构造与操作如下。首先，电流调节端A₁经由晶体管Q₁与电阻R而耦合至地面电位。误差放大器EA₁的输出信号施加至晶体管Q₁的栅极而调整晶体管Q₁的漏极源极间电阻，使得电阻R两端的电位差维持于参考电压V_ir。因为驱动电流I₁流经电阻R，所以驱动电流I₁可以被调节成为一预定的调节电流(V_ir/R)。同理，其余的线性调节单元LR₂至LR_n分别使驱动电流I₂至I_n调节成为预定的调节电流(V_ir/R)。

回头参照图1，由于每一发光二极管构成分支D₁至D_n因实际制造过程中所存在的有限误差容忍范围而不可能在物理特征参数上达成完全一致的理想目标，故即使在流经每一构成分支D₁至D_n的驱动电流I₁至I_n完全相同的情况下，每一构成分支D₁至D_n两端所呈现的电位差(亦即二极管的顺向导通压降)仍可能并非完全相同。换言之，因为发光二极管阵列11的p极(阳极)并联于驱动电压V_out，所以不一致的顺向导通压降将造成电流调节端A₁至A_n的电压V₁至V_n彼此互有差异。在此种情况下，倘若误差放大器14仅固定检测单一构成分支的电流调节端，例如图1所示的构成分支D₁的电流调节端A₁，并根据所测得的电流调节端电压V₁与参考电压V_ref间的差异而产生误差信号V_orr以便对于电压调节器12进行反馈控制，则电压调节器12所提供的驱动电压V_out仅能确保电流调节端电压V₁足够维持线性调节单元LR₁的正常操作。然而，其余的电流调节端电压V₂至V_n此时可能低于实际上所检测到的电压V₁，导致线性调节单元LR₂至LR_n无法有效地调节驱动电流I₂至I_n。因此，如何提供适当的驱动电压V_out以确保所有线性调节单元LR₁至LR_n皆可有效地调节驱动电流I₁至I_n，实为目前所欲解决的问题。

发明内容

有鉴于前述问题，本发明的目的在于提供一种驱动电路，用于驱动发光二极管阵列，使其每一构成分支产生相同的亮度。并且，依据本发明的驱动电路可提供适当的驱动电压以确保所有电流调节单元皆可有效地调节驱动电流，即使每一构成分支间存在着不同的物理特征参数。

依据本发明的一个方面，一种驱动电路用于驱动由多个构成分支所形成的发光二极管阵列，其包含：一电压调节器、一电流调节器、一启动电路、以及一选择电路。电压调节器提供一输出电压至该发光二极管阵列。电流调节器具有多个电流调节端，对应地耦合至该多个构成分支，用于分别控制流经该多个构成分支的多个电流。启动电路施加一启动控制信号至该电压调节器，使该输出电压上升直到该多个电流调节端的每一个的电压皆超过一第一参考电压，从而确保该多个电流的每一个皆达到一预定的调节电流。在该多个电流调节端的每一个的该电压皆超过该第一参考电压之后，选择电路从该多个电流调节端的每一个的该电压中选出一最小者作为一反馈控制信号，用于控制该电压调节器。

依据本发明的另一方面，一种驱动电路用于驱动一由多个构成分支所形成的发光二极管阵列，其包含：一电压调节器、一电流调节器、一启动电路、一检测电路、以及一选择电路。电压调节器提供一输出电压至该发光二极管阵列。电流调节器具有多个电流调节端，对应地耦合至该多个构成分支，用于分别控制流经该多个构成分支的多个电流。启动电路施加一启动控制信号至该电压调节器，使该输出电压上升直到该多个电流调节端的每一个的电压皆超过一第一参考电压。检测电路轮流检测该多个电流调节端的每一个的该电压，并产生一检测信号。选择电路比较该检测信号与一第二参考电压，使得当该检测信号小于该第二参考电压时，该选择电路允许该检测信号输出作为一反馈控制信号，用于控制该电压调节器。

依据本发明的又一方面，一种驱动方法用于驱动多个发光二极管分支，该多个发光二极管分支的每一个具有一第一电极与一第二电极。提供一输出电压至该多个发光二极管分支的每一个的该第一电极。分别经由该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极控制流经该多个发光二极管分支的每一个的电流。提高该输出电压直到该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极的电压皆超过一第一参考电压，从而确保流经该多个发光二极管分支的每一个的该电流皆达到一预定的调节电流。从该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极的该电压中选出一最小者作为一反馈控制信号。基于该反馈控制信号而控制该输出电压。

附图说明

图1显示已知的驱动电路的电路图。

图2显示已知的电流调节器的详细电路图。

图3显示依据本发明第一实施例的驱动电路的电路模块图。

图4显示依据本发明第一实施例的过电压启动电路的详细电路图。

图5显示依据本发明第一实施例的反馈选择电路的详细电路图。

图6显示依据本发明第二实施例的驱动电路的电路模块图。

图7显示依据本发明第二实施例的时钟脉冲信号的波形时序图。

图8显示依据本发明第二实施例的离散检测电路的详细电路图。

图9显示依据本发明第二实施例的过电压启动电路与反馈选择电路的详细电路图。

主要组件符号说明

10，30，60驱动电路

11，31，61发光二极管阵列

12，32，62电压调节器

13，33，63电流调节器

14，34，64误差放大器

35，65过电压启动电路

36，66反馈选择电路

37，67切换电路

41锁存器

42开关

43电流源

44电容

45-1~45-n比较器

46逻辑电路

51，52，53，54，57晶体管

55，56电流源

68离散检测电路

69时钟脉冲产生器

81锁存器

82开关

83电流源

84电容

85比较器

86-1~86-n D型触发器

87逻辑电路

88比较器

89传输门

90电容

91开关

A₁~A_n电流调节端

CK₁~CK_n时钟脉冲信号

D₁~D_n发光二极管构成分支

DK₁~DK_n延迟时钟脉冲信号

EA₁~EA_n误差放大器

EN使能信号

G₁~G_n传输门

I₁~I_n驱动电流

LR₁~LR_n线性调节单元

Q₁~Q_n晶体管

R电阻

SC切换控制信号

V₁~V_n电流调节端电压

V_dd离散检测信号

V_err误差信号

V_rb反馈控制信号

V_in输入电压源

V_ref，V_ir，V_r1~V_r4参考电压

V_os启动控制信号

V_out输出电压

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的前述与其它目的、特征、与优点更明显。这里将参照附图详细说明依据本发明的较佳实施例。

图3显示依据本发明第一实施例的驱动电路30，用于驱动一发光二极管阵列31。第一实施例的驱动电路30主要具有一电压调节器32、一电流调节器33、一误差放大器34、一过电压启动电路35、一反馈选择电路36、以及一切换电路37。电压调节器32将一输入电压源V_in转换为一驱动电压V_out，且提供至发光二极管阵列31的p极(阳极)。输入电压源V_in可为任何形式的直流电压源，例如电池或其它电压调节器所产生的直流电压输出等等。电压调节器32可由任何形式的电压调节器所实施，例如降压式、升压式、升降压式、脉冲宽度调变式、脉冲频率调变式、线性调节单元、或电容性电荷泵等等。由于电压调节器32的电路构造与操作方式皆属本领域的技术人员所熟知，故此处省略与其相关的详细说明，不再赘述。发光二极管阵列31由多个构成分支D₁至D_n彼此并联而形成。请注意在图3中虽然每一构成分支D₁至D_n仅由单一个发光二极管作为代表，但其亦可由多个发光二极管串联而形成。电流调节器33具有多个电流调节端A₁至A_n，对应地耦合于发光二极管阵列31的构成分支D₁至D_n的n极(阴极)，从而维持彼此相同的驱动电流I₁至I_n对应地流经每一构成分支D₁至D_n而达成整体亮度的均匀性。电流调节器33可由图2所示的已知的电流调节器13所实施，其由多个线性调节单元LR₁至LR_n所形成。因此，驱动电流I₁至I_n的每一个皆得以被调节成为一预定的调节电流(V_ir/R)。

为了达成发光二极管阵列31的亮度均匀性，依据本发明第一实施例的驱动电路30操作于由两个阶段所组成的驱动方法，其中第一阶段称为「过电压启动阶段」而第二阶段称为「反馈选择阶段」。具体而言，一旦驱动电路30被使能以便开始操作时，例如当输入电压源V_in被升高至适当电平并耦合于驱动电路30时，过电压启动电路35产生一启动控制信号V_os，经由切换电路37而施加至电压调节器32。启动控制信号V_os用于在启动初期控制电压调节器32所产生的输出电压V_out举例而言，当电压调节器32是一切换式调节器时，启动控制信号V_os用于决定切换式功率晶体管的工作循环(Duty Cycle)，从而控制输出电压V_out的大小。当电压调节器32是一电容性电荷泵时，启动控制信号V_os用于决定电容的充电电流的大小，从而控制输出电压V_out的大小。为了确保电流调节端电压V₁至V_n足够大而使电流调节器33的所有线性调节单元LR₁至LR_n可将驱动电流I₁至I_n皆调节成为一预定的调节电流(V_ir/R)，在「过电压启动阶段」中，启动控制信号V_os持续地提升电压调节器32的输出电压V_out，直到全部的电流调节端电压V₁至V_n皆大于一预定的第二参考电压V_r2为止。此第二参考电压V_r2是依据所期望的驱动电流I₁至I_n与所使用的电流调节器33的组件参数而预先决定的，并且所设定的第二参考电压V_r2必须大于任何线性调节单元LR₁至LR_n皆可进行正常操作所需的最低限度电压。因此，在「过电压启动阶段」完成后，电流调节器33的所有线性调节单元LR₁至LR_n皆能进行正常操作，故驱动电流I₁至I_n皆调节成为一预定的调节电流(V_ir/R)，使得发光二极管阵列31达成亮度均匀性。

一旦「过电压启动阶段」完成，过电压启动电路35随即产生一切换控制信号SC，使切换电路37停止传递启动控制信号V_os并且转而允许误差放大器34的输出端耦合于电压调节器32。换言之，驱动电路30的操作进入「反馈选择阶段」，使得输出电压V_out由反馈选择电路36所控制。反馈选择电路36从电流调节端电压V₁至V_n中选择出一最小的电压作为反馈控制信号V_fb。误差放大器34基于反馈控制信号V_fb与第一参考电压V_r1间的比较而产生一误差信号V_err。误差信号V_err经由切换电路37施加至电压调节器32，使得输出电压V_out被调节成维持反馈控制信号V_fb实质上等于第一参考电压V_r1。因为反馈控制信号V_fb选自于电流调节端电压V₁至V_n中的最小的电压，所以维持反馈控制信号V_fb实质上等于第一参考电压V_r1意味着确保每一电流调节端电压V₁至V_n皆不小于第一参考电压V_r1。由于第一参考电压V_r1设定成大于任何线性调节单元LR₁至LR_n皆可进行正常操作所需的最低限度电压，故在「反馈选择阶段」中，电流调节器33的所有线性调节单元LR₁至LR_n皆有效地调节驱动电流I₁至I_n成为预定的调节电流(V_ir/R)。请注意在第二实施例中，第一与第二参考电压V_r1与V_r2间的大小关系满足右列的不等式：V_r1≤V_r2。

图4显示依据本发明第一实施例的过电压启动电路35的详细电路图。在驱动电路30启动后，使能信号EN转态成高电平以便设定锁存器41。使能信号EN由一未示出的电源启动重设电路(Power-OnReset Circuit)响应于输入电压源V_in而产生，由于其电路结构与操作均为本领域技术人员所已知，故此处省略详细说明。从锁存器41所产生的切换控制信号SC使一开关42形成断路，从而允许电流源43对于电容44充电。结果，跨于电容44上的电位差逐渐上升，用作为启动控制信号V_os。此时的切换控制信号SC也使图3的切换电路37耦合成允许启动控制信号V_os施加至电压调节器32。响应于启动控制信号V_os，电压调节器32使输出电压V_out持续升高，最终导致每一构成分支D₁至D_n导通并且电流调节端电压V₁至V_n持续升高。比较器45-1至45-n分别用于判断每一电流调节端电压V₁至V_n是否已经超过第二参考电压V_r2。一旦每一电流调节端电压V₁至V_n皆超过第二参考电压V_r2，逻辑电路46即输出一高电平信号以便重设锁存器41。具体而言，逻辑电路46由一NAND逻辑门与一反相器所组成，用于对比较器45-1至45-n的比较结果执行AND逻辑运算。响应于锁存器41的重设，切换控制信号SC一方面使开关42形成短路而让电容44放电，另一方面使切换电路37变成允许误差信号V_err施加至电压调节器32。

图5显示依据本发明第一实施例的反馈选择电路36的详细电路图。首先，电流调节端电压V₁至V_n经由电平移动(level-shifting)晶体管51而提高，以方便后续的信号处理。晶体管52的作用如同一反相放大器，故电流调节端电压V₁至V_n中最小的信号经过晶体管52后变成最大的信号。此反相放大后的信号施加至晶体管53的栅极。晶体管53与54以及电流源55构成差动放大对，并且当电流源55的大小设定为I时，电流源56的大小则设定为(n-0.5)*I。在达成稳定状态的情况下，晶体管54的栅极电压实质上等于反相放大后的信号中的最大者。因此，经由输出级晶体管57，反馈选择电路36可有效地从电流调节端电压V₁至V_n中选出一最小的电压作为反馈控制信号V_fb。

图6显示依据本发明第二实施例的驱动电路60的电路模块图。第二实施例不同于第一实施例之处在于第二实施例的驱动电路60利用一离散检测电路68与一时钟脉冲产生器69，依照一预定的检测顺序轮流检测电流调节端电压V₁至V_n。如图7所示，从时钟脉冲产生器69而来的时钟脉冲信号CK₁至CK_n依序触发离散检测电路68，以便一次检测电流调节端电压V₁至V_n其中之一，用作为离散检测信号V_dd。如图8所示，离散检测电路68由多个传输门G₁至G_n所构成，其对应地耦合于电流调节端A₁至A_n。时钟脉冲信号CK₁至CK_n是彼此不相重叠的脉冲信号，当其中任一个处于高电平时，受其控制的传输门即被导通而允许该传输门所耦合的电流调节端的电压作为离散检测信号V_dd。

第二实施例的驱动电路60的操作同样由「过电压启动阶段」与「反馈选择阶段」所组成。如图9所示，在驱动电路60启动后，使能信号EN转态成高电平以便设定锁存器81。从锁存器81所产生的切换控制信号SC使一开关82形成断路，从而允许电流源83对于电容84充电。结果，跨于电容84上的电位差逐渐上升，用作为启动控制信号V_os。此时的切换控制信号SC亦使图6的切换电路67耦合成允许启动控制信号V_os施加至电压调节器62。响应于启动控制信号V_os，电压调节器62使输出电压V_out持续升高，最终导致每一构成分支D₁至D_n导通并且电流调节端电压V₁至V_n持续升高。比较器85用于判断离散检测信号V_dd是否超过第二参考电压V_r2。D型触发器86-1至86-n依据从时钟脉冲产生器69而来的延迟时钟脉冲信号DK₁至DK_n的触发而记录比较器85的比较结果。延迟时钟脉冲信号DK₁至DK_n系由时钟脉冲信号CK₁至CK_n经过一段时间的延迟而形成，如图7所示。在每一检测循环中，当所有电流调节端电压V₁至V_n皆超过第二参考电压V_r2时，每一个D型触发器86-1至86-n所记录的比较结果皆变为高电平。在此情况下，逻辑电路87即输出一高电平信号用于重设锁存器81。具体而言，逻辑电路87由一NAND逻辑门与一反相器所组成，用于对于D型触发器86-1至86-n所储存的记录执行AND逻辑运算。响应于锁存器81的重设，切换控制信号SC一方面使开关82形成短路而让电容84放电，另一方面使切换电路67变成允许误差信号V_err施加至电压调节器62。因此，电压调节器62即改由误差放大器64与反馈选择电路66所控制。在反馈选择电路66中，比较器88的反相输入端(一)用于接收离散检测信号V_dd，并且仅于离散检测信号V_dd小于第三参考电压V_r3时才允许传输门89导通而输出离散检测信号V_dd作为反馈控制信号V_fb。当离散检测信号V_dd大于第三参考电压V_r3时，虽然传输门89不导通，但电容90上保持着先前所取样的离散检测信号V_dd。因此，反馈选择电路66可有效地从所有电流调节端电压V₁至V_n中选出一最小的电压作为反馈控制信号V_fb。

再者，反馈选择电路66还设置有一开关91与一第四参考电压V_r4。开关91由逻辑电路87的输出信号所控制。在每一检测循环中，当所有电流调节端电压V₁至V_n皆超过参考电压V_r2时，逻辑电路87的输出信号使开关91形成短路，允许第四参考电压V_r4作为反馈控制信号V_fb。请注意在第二实施例中，第一至第四参考电压V_r1至V_r4间的大小关系满足右列的不等式：V_r1≤V_r3≤V_r2≤V_r4。在一较佳实施例中，第一至第四参考电压V_r1至V_r4设定成满足V_r1＝V_r3＜V_r2＜V_r4，其中较大的第四参考电压V_r4可提高输出电压V_out下降的速度。

虽然本发明业已通过较佳实施例作为例示加以说明，应了解者为：本发明不限于此被揭露的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域技术人员而言是明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求书的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (10)

1. 一种驱动电路，用于驱动由多个构成分支所形成的发光二极管阵列，包括：

电压调节器，用于提供一输出电压至该发光二极管阵列；

电流调节器，具有多个电流调节端，对应地耦合至该多个构成分支，用于分别控制流经该多个构成分支的多个电流；

启动电路，用于施加一启动控制信号至该电压调节器，使该输出电压上升直到该多个电流调节端的每一个的电压皆超过一第一参考电压，从而确保该多个电流的每一个皆达到一预定的调节电流；以及

选择电路，用于在该多个电流调节端的每一个的该电压皆超过该第一参考电压之后，从该多个电流调节端的每一个的该电压中选出一最小者作为一反馈控制信号，用于控制该电压调节器。

2. 如权利要求1所述的驱动电路，还包括：

误差放大器，用于基于该反馈控制信号与第二参考电压而产生一误差信号以控制该电压调节器，以及

切换电路，用于选择性地允许该启动控制信号或该误差信号施加至该电压调节器。

3. 如权利要求2所述的驱动电路，其中：

该第二参考电压小于或等于该第一参考电压。

4. 一种驱动电路，用于驱动由多个构成分支所形成的发光二极管阵列，包括：

电压调节器，用于提供一输出电压至该发光二极管阵列；

电流调节器，具有多个电流调节端，对应地耦合至该多个构成分支，用于分别控制流经该多个构成分支的多个电流；

启动电路，用于施加一启动控制信号至该电压调节器，使该输出电压上升直到该多个电流调节端的每一个的电压皆超过一第一参考电压；

检测电路，用于轮流检测该多个电流调节端的每一个的该电压，并产生-检测信号；以及

选择电路，用于比较该检测信号与一第二参考电压，使得当该检测信号小于该第二参考电压时，该选择电路允许该检测信号输出作为一反馈控制信号，用于控制该电压调节器。

5. 如权利要求4所述的驱动电路，其中：

该第二参考电压小于或等于该第一参考电压。

6. 如权利要求4所述的驱动电路，还包括：

误差放大器，用于基于该反馈控制信号与一第三参考电压而产生一误差信号以控制该电压调节器，以及

切换电路，用于选择性地允许该启动控制信号或该误差信号施加至该电压调节器。

7. 如权利要求6所述的驱动电路，其中：

该第三参考电压小于或等于该第一参考电压，并且

该第三参考电压小于或等于该第二参考电压。

8. 一种驱动方法，用于驱动多个发光二极管分支，该多个发光二极管分支的每一个具有一第一电极与一第二电极，该方法包括：

提供一输出电压至该多个发光二极管分支的每一个的该第一电极；

分别经由该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极控制流经该多个发光二极管分支的每一个的电流；

提高该输出电压直到该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极的电压皆超过一第一参考电压，从而确保流经该多个发光二极管分支的每一个的该电流皆达到一预定的调节电流；

从该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极的该电压中选出一最小者作为一反馈控制信号；以及

基于该反馈控制信号而控制该输出电压。

9. 如权利要求8所述的驱动方法，还包括：

轮流检测该多个发光二极管分支的每一个的该第二电极的该电压。

10. 如权利要求8所述的驱动方法，其中：

所述基于该反馈控制信号而控制该输出电压的步骤是基于该反馈控制信号与一第二参考电压而产生一误差信号来控制该输出电压的。

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