CN101626647B

CN101626647B - 高功率消耗效能的发光二极管驱动系统及方法

Info

Publication number: CN101626647B
Application number: CN2008101360634A
Authority: CN
Inventors: 陈进荣
Original assignee: Himax Display Inc
Current assignee: Himax Display Inc
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: CN101626647A

Abstract

一种发光二极管的驱动系统及方法。该系统依次切换于定电流模式与定电压模式。藉此，发光二极管的顺向电压得以维持于固定值，其功率消耗的效能因而得以增高。

Description

高功率消耗效能的发光二极管驱动系统及方法

技术领域

本发明是有关于发光二极管(LED)的驱动，特别是关于一种高功率消耗效能的LED驱动系统及方法。

背景技术

发光二极管(LED)普遍使用于各种电子装置中并具有各种用途。例如，LED可以使用于液晶显示器(LCD)的背光模块以提供背光源，或者使用于电荷耦合装置(CCD)照相机中以提供闪光照射。LED实际上为一种温度相关元件，换句话说，LED的特性会随着温度的变化而改变。图1显示LED及其等效电路。一个LED相当于电压源与负温度系数(negative-temperature-coefficient，NTC)电阻的串联。当通过LED的电流造成温度上升时，此NTC电阻的阻值会跟着下降，反之亦然。因此，当通过LED的电流为固定时，则跨于LED阳极与阴极之间的电位(或称为顺向电压VF)会随着温度的上升而下降，反之亦然。

传统LED驱动有两种方法：定电压(constant-voltage，CV)驱动及定电流(constant-current，CC)驱动。于传统定电压驱动方法中，LED的阳极接收定电压源。如前所述，即使阳极接收定电压，通过LED的电流仍然会改变。因此，LED会因驱动电流的变化而改变其亮度。再者，传统定电压驱动方法通常需串联限流(current-limiting)电阻，其造成功率消耗的浪费。

于传统定电流驱动方法中，控制通过LED的电流使其为定值。虽然传统定电流驱动的LED电流(及其亮度)不会随着顺向电压VF的变动而改变，但是，LED需与检流(current-sensing)电阻串联，其也造成功率消耗的浪费。

鉴于传统定电压或定电流驱动方法会造成功率消耗的浪费，因此亟需提出一种新的驱动机制，其不但可以增高功率消耗的效能，且可以维持驱动电流的稳定。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的之一为提供一种LED的驱动系统及方法，以稳定LED驱动电流及亮度，并增高功率消耗的效能。

根据本发明实施例，驱动系统包含定电流模式电路，用以提供固定电流给发光二极管；及定电压模式电路，用以提供固定电压给发光二极管。使用开关以切换定电流模式电路与定电压模式电路，使其分别进入定电流模式及定电压模式。藉此，发光二极管的顺向电压得以维持于固定值，其功率消耗的效能因而得以增高。

本发明提供了一种发光二极管驱动系统，包含：定电流模式电路，用以提供固定电流给该发光二极管；定电压模式电路，用以提供固定电压给该发光二极管；及开关，用以切换该定电流模式电路与该定电压模式电路，使其分别进入定电流模式及定电压模式。

本发明还提供了一种发光二极管驱动方法，包含：于定电流模式中维持通过该发光二极管的固定电流；取得该发光二极管的输出电压的分压；得到该发光二极管的顺向电压值；于定电压模式中将该发光二极管的阴极接地；及维持该发光二极管的顺向电压等于该得到的顺向电压值。

附图说明

图1显示LED及其等效电路。

图2显示本发明实施例的发光二极管驱动系统。

图3A显示图2的LED驱动系统处于定电流模式时的等效系统。

图3B显示图2的LED驱动系统处于定电压模式时的等效系统。

图4显示定电流模式(图3A)与定电压模式(图3B)的工作周期。

图5显示图2至3B所示驱动系统的流程图。

[主要元件标号说明]

10 发光二极管驱动系统 12 调节器

13 控制器 14 分压V1的取得

16 参考电压 18 误差比较器

51-55 驱动流程步骤 CC 定电流驱动

CV 定电压驱动 NTC 负温度系数电阻

VF 顺向电压 D1 发光二极管

Q1 晶体管 Q2 晶体管

Vin 供应电压 Vout 输出电压

L1 电感 D2 整流二极管

R3 检流电阻 R1-R2 电压分压器

c 端点 d 分压端点

V1 分压 SW 开关

具体实施方式

图2显示本发明实施例的发光二极管(LED)驱动系统10。虽然本实施例以一个LED作为说明，然而本领域技术人员当可以使用多个LED，且这些LED彼此可以为串联或并联。在本实施例中，调节器(regulator)12连续地依次开启(on)与关闭(off)(切换)晶体管Q2，使得供应电压Vin可以于晶体管Q2为开启时将能量储存于电感L1，并于晶体管Q2为关闭时将所储存的能量传送至LED D1的输出电压端点Vout。整流(rectifying)二极管D2是用以阻止输出电压端点Vout的电流不当流回供应电压Vin处。调节器12的切换工作周期(switching duty cycle)会根据误差比较器(error comparator)18的输出作改变。例如，当误差比较器18的输出增加时(其代表LED输出电压或电流降低)，则调节器12的切换工作周期会随着增加，反之亦然。

根据本实施例，LED驱动系统10包含检流电阻R3，其串联于LED D1阴极与地之间。LED驱动系统10还包含电压分压器(voltage divider)R1-R2，其连接于LED D1的阳极(或电压输出端点Vout)与地之间。误差比较器18用以比较(反向输入端)输入电压与(非反向输入端)参考电压。于不同模式下，该输入电压与参考电压会有所不同，此将于以下详细描述。控制器13(其细节将于以下详述)用以控制及调节LED驱动系统10的操作。控制器13可以为硬件电路、软件程序或其组合。再者，实务上，控制器13也可以区分为多个连接或分离的功能方块。

于操作时，LED驱动系统10依次操作于两种模式，亦即定电流(CC)模式及定电压(CV)模式。于图式中，此两种模式之间的切换是以开关SW来表示，其受控于控制器13。当开关SW中的a1-a2及b1-b2为闭路(close)时，即为定电流模式，其等效系统如图3A所示。相反地，当开关SW中的a2-b1为闭路且a1、b2为浮接(floating)时，即为定电压模式，其等效系统如图3B所示。定电流(CC)模式及定电压(CV)模式的工作周期例示于图4的时序图，其中定电流(CC)期间远小于定电压(CV)期间。例如，定电流(CC)期间可以为数毫秒(ms)，而定电压(CV)期间则可持续数分钟或者更久。

于定电流模式时，如图3A所示的系统方块及图5所示的流程，控制器13关闭(off)晶体管Q1(步骤51)。接着，于方块14及步骤52，取得分压端点d的分压V1，其是由跨于电压输出端点Vout与地之间的电压分压器R1-R2所提供。在本实施例中，取得的分压V1可以通过模拟数字转换器(ADC)转换为数字形式，并暂存于控制器13中作为后续操作之用。位于端点c的电压(或者为跨于检流电阻R3的电位)通过误差比较器18的控制，使其维持于预设的参考电压Vref(方块16)。根据基本电路原理得知：

V1＝(R2/(R1+R2))*Vout

或

Vout＝(V1/R2)*(R1+R2)

藉此，控制器13可推导得到LED D1的顺向电压VF如下(步骤53)：

VF＝Vout-Vref＝(V1/R2)*(R1+R2)-Vref

接下来，LED驱动系统10进入定电压(CV)模式(模式的切换可以由控制器13来执行)，如图3B所示的系统方块及图5所示的流程。控制器13开启(on)晶体管Q1(步骤54)(作为旁路晶体管之用)，因而将LED D1的阴极连接至地，并旁路(bypass)或绕过电阻R3。换句话说，没有电流会通过电阻R3，因而于定电压(CV)模式中，电阻R3也就没有功率消耗了。接着，于步骤55，输入至误差比较器18的参考电压16被改变为一个新参考电压值V1-Vref*R2/(R1+R2)。在本实施例中，控制器13通过数字模拟转换器(DAC)提供模拟形式的新参考电压值给误差比较器18。位于端点d的电压即会趋向此新参考电压值V1-Vref*R2/(R1+R2)。根据基本电路原理可得到以下关系：

V1-Vref*R2/(R1+R2)＝(R2/(R1+R2))*Vout

或

Vout＝(V1-Vref*R2/(R1+R2))*((R1+R2)/R2)＝

(V1/R2)*(R1+R2)-Vref＝VF

藉此，LED D1的顺向电压VF即可维持于固定电压值VF。值得注意的是，电阻R3于定电压模式中不再是作为限流电阻，因此于此模式下电阻R3不会有功率消耗。通过增加定电压(CV)模式的工作周期(图4)使其尽可能大，则功率消耗的效能即可较传统定电流驱动方法或定电压驱动方法来得高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在上述的权利要求范围内。

Claims

1.一种发光二极管驱动系统，包含：

定电流模式电路，用以提供固定电流给该发光二极管；

定电压模式电路，用以提供固定电压给该发光二极管；及

开关，用以切换该定电流模式电路与该定电压模式电路，使其分别进入定电流模式及定电压模式，

其中上述的定电流模式电路包含：

检流电阻，串联至该发光二极管的阴极；及

误差比较器，耦接该检流电阻并接收预设参考电压及跨于该检流电阻的电压，

其中上述的定电压模式电路包含：

电压分压器，连接于该发光二极管的阳极与地之间；

装置，用以取得该电压分压器的分压；

装置，用以得到该发光二极管的固定顺向电压；

旁路晶体管，耦接于该发光二极管的阴极与地之间；及

装置，根据该分压，用以将该误差比较器接收的预设参考电压改变为新参考电压值，藉此使得该发光二极管的顺向电压得以维持于该得到的固定顺向电压。

2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动系统，其中上述的定电流模式与定电压模式是依次进入。

3.根据权利要求1所述的发光二极管驱动系统，还包含供应电源，用以提供电源给该发光二极管。

4.根据权利要求3所述的发光二极管驱动系统，其中上述的供应电源包含：

供应电压；

电感；

切换晶体管，连接于该电感与地之间；

端点，位于该电感与该切换晶体管之间，用以电性耦接至该发光二极管的阳极；

其中该切换晶体管被依次开启与关闭，使得该供应电压于该切换晶体管为开启时将能量储存于该电感，并于该切换晶体管为关闭时将所储存的能量传送至该发光二极管。

5.根据权利要求4所述的发光二极管驱动系统，还包含整流二极管，连接于该端点与该发光二极管阳极之间。

6.一种发光二极管驱动方法，包含：

于定电流模式中将通过该发光二极管的电流维持为固定；

取得该发光二极管的输出电压的分压；

得到该发光二极管的固定顺向电压值；

于定电压模式中将该发光二极管的阴极接地；及

维持该发光二极管的顺向电压等于该得到的固定顺向电压值。

7.根据权利要求6所述的发光二极管驱动方法，通过比较跨于检流电阻的电压与预设参考电压，以维持上述定电流模式时通过该发光二极管的电流为固定。

8.根据权利要求6所述的发光二极管驱动方法，通过连接于该发光二极管阳极与地之间的电压分压器，以取得上述发光二极管输出电压的分压。

9.根据权利要求7所述的发光二极管驱动方法，根据该发光二极管输出电压与该预设参考电压，以得到上述发光二极管的固定顺向电压值。

10.根据权利要求6所述的发光二极管驱动方法，通过旁路晶体管，用以于定电压模式中将上述发光二极管的阴极接地。

11.根据权利要求6所述的发光二极管驱动方法，通过将预设参考电压改变为新参考电压，以维持上述发光二极管的顺向电压等于该得到的固定顺向电压值。

12.根据权利要求6所述的发光二极管驱动方法，还包含间歇地将供应电压的能量储存起来，并接着将所储存能量传送至该发光二极管，以供应电源给该发光二极管。