CN101356717A - 电源、发光控制装置和显示装置 - Google Patents

电源、发光控制装置和显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明的电源包括：电荷泵电路(54)，用于根据时钟信号(c1和c2)，周期性地接通和断开多个电荷传送开关(Q1到Q4)，从而对电荷存储电容器(C1)进行充电和放电，并从输入电压(Vi)产生所需输出电压(Vo)，以将产生的输出电压(Vo)提供给负载(LED)输出电流检测电路57，用于检测至负载的输出电流Io(图1中基准电流(Im))；以及基于输出电流(Io)的检测结果来改变时钟信号(c1和c2)的频率的装置(图1中变频电路52)。采用这种配置，无论负载大小如何，均可以获得高的电功率效率。

Description

电源、发光控制装置和显示装置
技术领域
本发明涉及采用电荷泵电路的电源，并涉及具有这种电源的发光控制装置和显示装置。具体而言，本发明涉及用于提高这些装置的电功率效率的技术。
背景技术
图6是示出了传统电荷泵电路的电路图。图6所示电荷泵电路根据时钟信号(未示出)周期性地接通和断开多个电荷传送开关101到104，从而对电荷存储电容器105进行充电和放电，以从输入电压Vi中产生所需的输出电压Vo(2Vi)。
现在具体描述上述的正升压操作。输出电压Vo是以如下方式产生的。首先，在充电时段中，开关101和102保持接通，而开关103和104保持断开。通过这种开关操作，将输入电压Vi施加至电容器105的一端(点A)，并将接地电压GND施加至电容器105的另一端(点B)。由此对电容器105充电，直到电容器105两端的电势差基本上等于输入电压Vi为止。
在完成对电容器105的充电之后，在泵浦时段中，开关101和102保持断开，开关103和104保持接通。通过这种开关操作，将点B处的电压从接地电压GND升高到输入电压Vi。这里，由于先前执行的充电，电容器105两端的电势差基本上等于输入电压Vi，当点B处的电势升高到输入电压Vi时，点A处的电势升高到2Vi(输入电压Vi加上充电电压Vi)。这里，点A经由开关104和输出电容器106与接地节点连接，从而对输出电容器106充电，直到输出电容器106两端的电势差基本上等于2Vi为止。
这样，电荷泵电路100通过上述交替的充电和泵浦时段进行操作，以周期性地接通和断开开关101至104，由此提取通过将输入电压Vi正升压2倍而得到的正升压电压2Vi，作为输出电压Vo。
作为与电荷泵电路相关的另一种传统技术，例如在专利文献1中，本发明的申请人公开并提出了一种电荷泵电路，其基于对输出电压的检测结果来改变时钟信号的频率。
专利文献1：JP-A2002-272091
发明内容
本发明要解决的问题
的确，对于上述传统电荷泵电路100，通过对输入电压Vi进行正升压，可以产生所需的输出电压Vo(2Vi)。
此外，在上述传统电荷泵电路中，操作频率fin(时钟信号的频率)与电功率效率η(输出功率与输入功率之比)之间的关系以及操作频率fin与输出电压Vo之间的关系根据负载的大小、由此也根据馈送至负载的输出电流Io的大小而变化(见图7A和7B)。
具体而言，在负载较轻的情况下，即，输出电流Io较低时，随着操作频率fin增大，电荷泵电路的电功率效率η在给定频率开始降低(见图7A中的菱形标记)。电功率效率η的降低可归因于电荷泵电路以过高速度进行操作这一事实。
与上述内容不同，在负载较重的情况下，即，输出电流Io较高时，随着操作频率fin减小，电荷泵电路的电功率效率η在给定频率开始降低(见图7A中的方形标记)。此外，当操作频率fin变得过低时，输出电压Vo和电功率效率η都降低(见图7B中的方形标记)。电功率效率η和输出电压Vo的降低可归因于电荷泵电路无法将电压提升到所需电压。
在上述传统电荷泵电路中，因为最优先考虑防止输出电压Vo的降低，所以选择相当高的恒定操作频率(例如，400到1000kHz)。因此，当负载较轻时，传统电荷泵电路以过高速度进行操作，导致电功率效率η的降低。
本发明的目的是提供一种无论负载大小如何均能达到高电功率效率的电源，并提供一种具有此类电源的发光控制装置和显示装置。
解决问题的手段
为实现上述目的，根据本发明一个方面，一种电源包括：电荷泵电路，用于根据时钟信号，周期性地接通和断开多个电荷传送开关，从而对电荷存储电容器进行充电和放电，并从输入电压产生所需输出电压，以将产生的输出电压提供给负载。这里，时钟信号的频率根据流经负载的电流而变化(第一配置)。
在第一配置的电源中，当流经负载的电流增大时，时钟信号的频率可以增大；而当流经负载的电流减小时，时钟信号的频率可以减小(第二配置)。
在第一和第二配置的任一电源中，可以由输出电流检测电路检测流经负载的电流，所述输出电流检测电路用于检测与输出电流相对应的电流(第三配置)。
在第三配置的电源中，输出电流检测电路可以包括：晶体管，用于提取与输出电流相对应的电流；感测电阻器，与输出电流相对应的电流流经该感测电阻器；以及比较器，其输出电平根据感测电阻器两端的电势差而变化(第四配置)。
在第四配置的电源中，输出电流检测电路可以检测输出电流是否高于预定阈值，在输出电流高于预定阈值时可以将时钟信号的频率设定在第一频率，而在输出电流低于预定阈值时可以将时钟信号的频率设定在低于第一频率的第二频率(第五配置)。
在第一配置的电源中，可以通过监控用于控制负载的驱动电流的预定控制信号，监控流经负载的电流(第六配置)。
第六配置的电源还可以包括：驱动电流产生电路，用于产生负载的驱动电流；以及数模转换器，用于从对提供给负载的驱动电流进行设定的数字控制信号中，产生适合控制驱动电流产生电路的模拟控制信号。这里，用于监控流经负载的电流的控制信号可以是所述数字控制信号(第七配置)。
在第七配置的电源中，如果基于控制信号的所需驱动电流高于预定阈值，则可以将时钟信号的频率设定在第一频率，如果所需驱动电流低于预定阈值，则可以将时钟信号的频率设定在低于第一频率的第二频率(第八配置)。
第一到第八配置的任一电源还可以包括：振荡电路，用于产生具有预定频率的时钟信号；以及变频电路，用于改变时钟信号的频率。这里，电荷泵电路的时钟信号的频率可以由变频电路改变(第九配置)。
第一到第八配置的任一电源还可以包括：振荡电路，用于产生具有预定频率的时钟信号。这里，电荷泵电路的时钟信号的频率可以由振荡电路改变(第十配置)。
根据本发明另一方面，一种发光控制装置包括：电源，用于向用作负载的光源提供电能；以及控制器，用于基于预定控制信号，改变光源的驱动电流。这里，上述向负载提供电能的电源是第一到第十配置的任一电源(第十一配置)。
根据本发明另一方面，一种显示装置包括：显示板；光源，用于照射显示板；以及控制器，用于控制光源发光。这里，用于控制光源发光的控制器是第十一配置的发光控制装置(第十二配置)。
本发明的有益效果
采用本发明可以提供一种无论负载大小如何均能达到高电功率效率的电源，并提供一种具有此类电源的发光控制装置和显示装置。
附图说明
图1是示出了本发明第一实施例的、具有LED驱动器的液晶显示装置的框图；
图2是示出了驱动器电路53的配置示例的框图；
图3是示出了时钟信号c1和c2的示例的脉冲波形图；
图4是示出了输出电流Io与电流效率η之间的关系的图；
图5是示出了本发明第二实施例的、具有LED驱动器的液晶显示装置的框图；
图6是示出了传统电荷泵电路的示例的电路图；
图7A是示出了操作频率fin与电功率效率η之间的关系的图；以及
图7B是示出了操作频率fin与输出电压Vo之间的关系的图。
附图标记列表
1            微型计算机
2            LCD驱动器
3            LCD板
4            LED光源(背光)
5            LED驱动器
51           振荡电路
52           变频电路
53           驱动器电路
531          定时产生器
532和533     缓冲器
54           电荷泵电路
55           驱动电流产生电路
56           数模转换电路(DAC)
57           输出电流检测电路
Q1到Q4       电荷传送晶体管
C1           电荷存储电容器
C2           输出电容器
Q5           镜像电流产生晶体管
INV          反相器
Rs           感测电阻器
CMP          比较器
LED          发光二极管
具体实施方式
图1是示出了本发明第一实施例的、具有LED(发光二极管)驱动器的液晶显示装置的框图。
如图1所示，本实施例的液晶显示装置包括微型计算机1、LCD(液晶显示器)驱动器2、LCD板3、LED光源4和LED驱动器5。
微型计算机1用作整体控制整个装置的装置，并用作从接收自媒体再现装置等(未示出)的视频信号中分离并产生对LCD板3中的RGB像素进行驱动的数据信号DATA、以及对LCD板3的屏幕显示进行同步的帧同步信号(用于帧的水平方向上的同步的水平同步信号HS和用于帧的垂直方向上的同步的垂直同步信号VS)的装置。
LCD驱动器2包括源极控制部和栅极控制部(均未示出)，并用作基于来自微型计算机1的数据信号DATA和帧同步信号(水平同步信号HS和垂直同步信号VS)而分别产生针对LCD板3的源极信号和栅极信号、并将这些信号馈送至LCD板3的装置。
LCD板3具有遍及其上的、分别沿垂直方向和水平方向放置的多根源极信号线和栅极信号线，并通过导通和截止与液晶像素相对应的有源元件(场效应晶体管)来驱动这些信号线相交处放置的液晶像素(因此，LCD板3是有源矩阵型)。
LCD驱动器2和LCD板3的配置可以与上述配置不同；它们可以是简单矩阵型。
LED光源4用作对LCD板3提供背光的装置，并包括发出白色光的发光二极管LED(一般而言，是包括红、绿和蓝色发光二极管的一组发光二极管)。虽然图1中未示出，但是在LCD板3和LED光源4之间设置有对LED光源4产生的白色光进行引导的装置，以使白色光均匀照射整个LCD板3。
LED驱动器5用作LED光源4的发光控制(亮度调整、白平衡调整和其他调整)装置。本实施例的LED驱动器5包括振荡电路51、变频电路52、驱动器电路53、电荷泵电路54、驱动电流产生电路55、数模转换电路56(以下称作“DAC(数模转换器)56”)和输出电流检测电路57。
振荡电路51用作产生具有预定频率的时钟信号“a”的装置。
变频电路52用作基于输出电流检测电路57的检测结果对时钟信号“a”执行PFM(脉冲频率调制)以产生具有频率fin的时钟信号“b”。
驱动器电路53用作产生在电荷泵电路54的切换控制中使用的时钟信号c1和c2的装置。如图2所示，驱动器电路53包括：定时产生器531，用于从时钟信号b中产生时钟信号c1和c2；以及缓冲器532和533，用于给予时钟信号c1和c2电流馈送能力然后将它们输出。在定时产生器531中，如图3所示，调整时钟信号c1和c2的定时，以使电荷泵电路54中的电荷传送开关在预定时段中同时保持断开。
电荷泵电路54用作如下装置：根据时钟信号c1和c2，周期性地接通和断开多个电荷传送开关(p沟道场效应晶体管Q1、Q3和Q4以及n沟道场效应晶体管Q2)，从而对电荷存储电容器C1进行充电和放电，以从输入电压Vi产生所需的输出电压Vo(2Vi)并将该电压馈送至负载(发光二极管LED)。输出电容器C2连接在输出节点(即，从中将输出电压Vo输出的节点)与接地节点之间。可以使用诸如锂离子电池等次级电池，或者可以使用从商用配送的交流电压产生直流电压的AC-DC变换器，作为产生输入电压Vi的直流电压源。
因此，在本实施例的LED驱动器5中，振荡电路51、变频电路52、驱动器电路53和电荷泵电路54一并构成向用作负载的LED光源4提供电能的装置(电源)。
驱动电流产生电路55用作如下装置(可变电流源)：基于从DAC56输入的模拟控制信号，产生发光二极管LED的驱动电流。
DAC 56用作如下装置：从对馈送至发光二极管LED的驱动电流进行设定的数字控制信号CTL中，产生适合控制驱动电流产生电路55的模拟控制信号，并将该模拟控制信号馈送至驱动电流产生电路55。DAC 56也用作临时保持输入其中的数字控制信号CTL的寄存器。
因此，在本实施例的LED驱动器5中，驱动电流产生电路55和DAC 56一并构成用于基于数字控制信号CTL来控制LED光源4的驱动电流的装置。采用这种具有驱动电流控制装置的配置，可以基于数字控制信号CTL对LED光源4进行发光控制(亮度调整、白平衡调整和其他调整)。
输出电流检测电路57用作检测至发光二极管LED的输出电流Io(在本实施例中，检测电流值随输出电流Io而变化的基准电流Im)的装置，并包括n沟道场效应晶体管Q5、感测电阻器Rs和比较器CMP。
现在，更详细地描述先前所述的电荷泵电路54的配置和操作。
在电荷泵电路54中，晶体管Q1的源极与输入节点(即，输入电压Vi所输入到的节点)(以下称作“输入电压输入端子”)连接。晶体管Q1的漏极与电容器C1的一端(点A)连接。晶体管Q1的栅极经由反相器INV与驱动器电路53的第一输出端子连接；时钟信号c1被反相并馈送至该栅极。从上述内容可以理解，晶体管Q1用作导通和切断输入电压输入端子与电容器C1的所述一端(点A)之间的连接路径的开关装置。
晶体管Q2的漏极与电容器C1的另一端(点B)连接。晶体管Q2的源极与接地节点连接。晶体管Q2的栅极与驱动器电路53的第一输出端子连接，以接收时钟信号c1。从上述内容可以理解，晶体管Q2用作导通和切断接地节点与电容器C1的所述另一端(点B)之间的连接路径的开关装置。
晶体管Q3的源极与输入电压输入端子连接。晶体管Q3的漏极与电容器C1的另一端(点B)连接。晶体管Q3的栅极与驱动器电路53的第二输出端子连接，以接收时钟信号c2。从上述内容可以理解，晶体管Q3用作导通和切断输入电压输入端子与电容器C1的所述另一端(点B)之间的连接路径的开关装置。
晶体管Q4的源极与电容器C1的一端(点A)连接。晶体管Q4的漏极与从中将输出电压Vo输出的输出节点(以下称作“输出电压输出端子”)连接。晶体管Q4的栅极与驱动器电路53的第二输出端子连接，以接收时钟信号c2。从上述内容可以理解，晶体管Q4用作导通和切断输出电压输出端子与电容器C1的所述一端(点A)之间的连接路径的开关装置。
具体描述上述配置的电荷泵电路54的正升压操作。输出电压Vo是以如下方式产生的。首先，在充电时段中，晶体管Q1和Q2保持导通，晶体管Q3和Q4保持截止(即，时钟信号c1和c2保持为高)。通过这种开关操作，将输入电压Vi施加至电容器C1的一端(点A)；将接地电压GND施加至电容器C1的另一端(点B)。由此，对电容器C1充电，直到电容器C1两端的电势差基本上等于输入电压Vi为止。
在完成对电容器C1的充电之后，在泵浦时段中，晶体管Q1和Q2保持截止，晶体管Q3和Q4保持导通(即，时钟信号c1和c2保持为低)。通过这种开关操作，将点B的电压从接地电压GND升高到输入电压Vi。这里，由于先前执行的充电，电容器C1两端的电势差基本上等于输入电压Vi，当点B处的电势升高到输入电压Vi时，点A处的电势升高到2Vi(输入电压Vi加上充电电压Vi)。这里，点A经由晶体管Q4和输出电容器C2与接地节点连接，从而对输出电容器C2充电，直到输出电容器C2两端的电势差基本上等于2Vi为止。
如上所述，电荷泵电路54通过上述充电和泵浦时段交替进行操作，以周期性导通和截止晶体管Q1到Q4，从而提取通过将输入电压Vi正升压2倍而得到的正升压电压2Vi作为输出电压Vo。
现在详细描述输出电流检测电路57的配置以及变频电路52基于输出电流检测电路57的检测结果的操作。
在输出电流检测电路57中，晶体管Q5的源极与晶体管C1的一端(点A)连接。晶体管Q5的漏极经由感测电阻器Rs与输出电压输出端子连接。晶体管Q5的栅极与驱动器电路53的第二输出端子连接，以接收时钟信号c2。从上述内容可以理解，晶体管Q5用作与晶体管Q4同步导通和截止、以从电容器C1的一端(点A)提取基准电流Im的开关装置。晶体管Q5设计为具有的栅极面积是晶体管Q4的栅极面积的1/N(例如，1/10000)。因此，基准电流Im是输出电流Io的1/N。这样检测基准电流Im消除了在至负载的电流路径中放置感测电阻器的需要，从而有助于防止电能损失。
比较器CMP的非反相输入端子(+)与感测电阻器Rs的一端(晶体管Q5侧)连接。比较器CMP的反相输入端子(-)与感测电阻器Rs的另一端(输出电压输出端子侧)连接。比较器CMP的输出端子与变频电路52的控制端子连接。因此，比较器CMP根据感测电阻器Rs两端的电势差(对应于基准电流Im，并由此对应于输出电流Io)是否大于预定阈值，移动其输出电平。
即，本实施例的输出电流检测电路57用于检测输出电流Io是否高于预定阈值电流Ith。
基于输出电流检测电路57的检测结果，本实施例的变频电路52在输出电流Io高于预定阈值电流Ith时将时钟信号b的频率fin(从而将时钟信号c1和c2的频率fin、由此将电荷泵电路54的操作频率fin)设定在第一频率fin1；相反，当输出电流Io低于预定阈值电流Ith时，变频电路52将时钟信号b的频率fin设定在低于第一频率fin1的第二频率fin2(见图4)。即，在本实施例的变频电路52中，当负载较轻时，改变时钟信号b的频率fin，以降低电荷泵电路54的操作频率fin；相反，当负载较重时，改变时钟信号b的频率fin，以提高电荷泵电路54的操作频率fin。
不同于电荷泵电路54的操作频率固定的传统配置，对于这种采用输出电流反馈的配置，可以避免轻负载时的过度高速操作和重负载时升压性能的降低。这有助于增强电功率效率η，而与负载大小无关。
对于这种配置，变频电路52设置在驱动器电路53的前一级中，这不仅可以改进电荷泵电路54的电功率效率，还可以降低驱动器电路53的功耗。这有助于降低整个LED驱动器5的功耗。
考虑电荷泵电路54的操作频率fin与电功率效率η之间的关系(如图7A所示)以及电荷泵电路54的操作频率fin与输出电压Vo之间的关系(如图7B所示)，适当设定上述阈值电流Ith、第一和第二频率fin1和fin2。
参照图5，将描述作为本发明第二实施例的具有LED驱动器的液晶显示装置。
图5是示出了根据本发明第二实施例的具有LED驱动器的液晶显示装置的框图。
本实施例的液晶显示装置具有与第一实施例基本上相同的配置。因此，用共同的附图标记标识第一实施例中也存在的部分，并不再重复对这些部分的详细描述。因此，以下描述着重关注本实施例独有的特征。
如图5所示，在本实施例的LED驱动器5中，省略了上述输出电流检测电路57；取而代之地，变频电路52使用用于改变发光二极管LED的驱动电流的数字控制信号CTL，以使时钟信号b的频率fin基于数字控制信号CTL而变化。
具体而言，基于数字控制信号CTL，本实施例的变频电路52在发光二极管LED所需的驱动电流(由此，输出电流Io)高于预定阈值电流Ith时，将时钟信号b的频率fin(从而将时钟信号c1和c2的频率fin、由此将电荷泵电路54的操作频率fin)设定在第一频率fin1；相反，当所需的驱动电流低于预定阈值电流Ith时，变频电路52将时钟信号b的频率fin设定在低于第一频率fin1的第二频率fin2(见图4)。即，在本实施例的变频电路52中，如第一实施例中一样，当负载较轻时，改变时钟信号b的频率fin，以降低电荷泵电路54的操作频率；相反，当负载较重时，改变时钟信号b的频率fin，以提高电荷泵电路54的操作频率。
相比于第一实施例，对于这种采用寄存器设定的配置，可以在无需输出电流检测电路57的情况下，避免轻负载时的过度高速操作和重负载时升压性能的降低。因此，可以采用更简单的配置来得到与第一实施例相同的有益效果。
虽然上述实施例针对的是将本发明应用于液晶显示装置中结合的LED驱动器的电源的情况，但是这并不是要限制本发明的应用。本发明可以广泛应用于通常具有电荷泵电路的电源中。
在不背离本发明范围的前提下，可以存在多种修改和变化。
虽然上述实施例针对的是将变频电路52用作控制时钟信号c1和c2的频率fin(由此，电荷泵电路54的操作频率fin)的情况，但是本发明不限于这种配置。例如，可以用单相时钟信号控制电荷泵电路54；可以省略变频电路52，并提供可以自由改变振荡频率的振荡电路51，以使振荡电路52的振荡频率基于输出电流Io的检测结果或基于从装置外部馈入的控制信号CTL而变化。
虽然第一实施例针对的是将比较器CMP用作输出电流检测电路57的一个组件的情况，本发明不限于这种配置。可以提供对感测电阻器Rs两端的电压进行放大的放大器来取代比较器CMP，以使电荷泵电路54的操作频率fin基于放大输出而变化。
虽然上述实施例针对的是使用将电压正升压两倍的电荷泵电路54的情况，但是本发明不限于这种配置。任何电荷泵电路，无论是正升压型还是负升压型，或者升压倍数为多少，只要能够根据时钟信号周期性地接通和断开电荷传送开关、从而对电荷存储电容器进行充电和放电以从输入电压产生所需电压，就可以使用。
工业实用性
本发明的技术在提高具有电荷泵电路的电源的电功率效率方面十分有用，并适合用在例如以电池为电源的便携式装置中。

Claims (12)

1.一种电源，包括：
电荷泵电路，用于根据时钟信号，周期性地接通和断开多个电荷传送开关，从而对电荷存储电容器进行充电和放电，并从输入电压产生所需输出电压，以将产生的输出电压提供给负载，
其中所述时钟信号的频率根据流经所述负载的电流而变化。
2.根据权利要求1所述的电源，
其中当流经所述负载的电流增大时，所述时钟信号的频率增大；而当流经所述负载的电流减小时，所述时钟信号的频率减小。
3.根据权利要求1所述的电源，
其中由输出电流检测电路检测流经所述负载的电流，所述输出电流检测电路用于检测与所述输出电流相对应的电流。
4.根据权利要求3所述的电源，
其中所述输出电流检测电路包括：
晶体管，用于提取与所述输出电流相对应的电流；
感测电阻器，与所述输出电流相对应的电流流经该感测电阻器；以及
比较器，其输出电平根据所述感测电阻器两端的电势差而变化。
5.根据权利要求4所述的电源，
其中所述输出电流检测电路检测所述输出电流是否高于预定阈值，在所述输出电流高于所述预定阈值时将所述时钟信号的频率设定在第一频率，而在所述输出电流低于所述预定阈值时将所述时钟信号的频率设定在低于第一频率的第二频率。
6.根据权利要求1所述的电源，
其中通过监控用于控制所述负载的驱动电流的预定控制信号，监控流经所述负载的电流。
7.根据权利要求6所述的电源，还包括：
驱动电流产生电路，用于产生所述负载的驱动电流；以及
数模转换器，用于从对提供给所述负载的驱动电流进行设定的数字控制信号中，产生适合控制所述驱动电流产生电路的模拟控制信号，
其中所述用于监控流经所述负载的电流的控制信号是所述数字控制信号。
8.根据权利要求7所述的电源，
其中如果基于所述控制信号的所需驱动电流高于预定阈值，则将所述时钟信号的频率设定在第一频率，如果所需驱动电流低于所述预定阈值，则将所述时钟信号的频率设定在低于第一频率的第二频率。
9.根据权利要求1到8任一项所述的电源，还包括：
振荡电路，用于产生具有预定频率的时钟信号；以及
变频电路，用于改变所述时钟信号的频率，
其中所述电荷泵电路的时钟信号的频率由变频电路改变。
10.根据权利要求1到8任一项所述的电源，还包括：振荡电路，用于产生具有预定频率的时钟信号，
其中所述电荷泵电路的时钟信号的频率由振荡电路改变。
11.一种发光控制装置，包括：
电源，用于向用作负载的光源提供电能；以及
控制器，用于基于预定控制信号，改变所述光源的驱动电流，
其中用于向所述负载提供电能的装置是权利要求1到8任一项所述的电源。
12.一种显示装置，包括：
显示板；
光源，用于照射所述显示板；以及
控制器，用于控制所述光源发光；
其中用于控制所述光源发光的装置是权利要求11所述的发光控制装置。
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