CN101854758B - 电流平衡电路及具此电路的背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种电流平衡电路及具此电流平衡电路的背光模组。上述电流平衡电路包括电流平衡单元、控制单元以及检测单元。上述电流平衡电路耦合至复数个发光单元，藉以稳定此复数个发光单元的电流不受输入电压影响，检测单元耦合至上述复数个发光单元与电流平衡单元，以利于侦测复数个发光单元的最小操作电压，控制单元，耦合至电流平衡单元，以控制复数个发光单元的操作。

Description

电流平衡电路及具此电路的背光模组

技术领域

本发明是有关一种电路架构，特别是关于应用于背光源的电流平衡电路及其背光模组。

背景技术

公知的发光二极管驱动方式，由于制程差异或材料上的不同，会使发光二极管的内部电阻与导通电压不相同。发光二极管的内部电阻容易受到制程或温度或耦合此电阻的电路布线长短位置影响，使得实际工作等效电阻值产生误差，输出驱动电流也因此产生误差。由耦接一个或复数个电流镜去驱动此一个或复数个不同的负载的驱动电流也将造成误差。

请参照美国专利第2006/0082412号公开案，公知技术公开一种通道共享的运算放大器的方法。多通道的电流稳压器(regulator)包含两或多个信道，每一个信道如同一电流源或个别负载的接收点(sink)。每一个信道稳压器，其负载电流是与提供至此信道的输入电压呈比例关系。通道之间是共享一运算放大器。利用旋转序列(rotating sequence)的方式选择每一个通道，以耦合至放大器。每一个通道都已被选择，初始化二阶段更新周期(refreshcycle)。在第一阶段期间，运算放大器的输出端充电，直到其输出电压与此选择的信道的驱动电压相匹配。在第二阶段期间，调整运算放大器的输出，直到此选择信道的负载电流比例至电压Vset。上述电路是利用选择器切换不同发光二极管串行，判断哪一串行的发光二极管导通而发光。

然而，上述公知技术所公开的装置或电路，其电路较复杂，所需要的运算放大器组件数亦较多，制造成本较高昂。

发明内容

基于上述，本发明的目的是在于提供一种电流平衡电路及具有此电流平衡电路的背光模组。

本发明的目的是减少复数个发光单元电流与升压电路电压的关系，或复数个发光单元内部电阻的差异，使其电流维持一常数关系，不受上述电压的影响。

本发明的目的是使复数个发光单元的操作电压可维持最小操作电压，以提高背光模组效率。

本发明公开一种电流平衡电路，包含：一参考电流源单元，以提供稳定的电流；一电流平衡单元，耦合至复数个发光单元，俾使复数个发光单元间的电流维持稳定，不受复数个发光单元的输入电压影响；一调光(Diming)控制单元，耦合于参考电流源单元与电流平衡单元，控制电流平衡单元的操作。

本发明亦公开一种具有电流平衡电路的背光模组，包含：复数个发光单元；一升压单元，耦合至该复数个发光单元，藉以转换输入电压并提供电压至该复数个发光单元；一电流平衡单元，耦合至该复数个发光单元，其中该电流平衡电路调整该复数个发光单元的电流维持稳定值，不受该升压电路的输出电压影响；一调光(Diming)控制单元，耦合于该电流平衡单元，控制该电流平衡单元的操作；一参考电流源单元，耦合至该调光控制单元，以提供稳定的电流；一控制单元，耦合至该调光控制单元，传送脉波宽度调变信号，以控制该复数个发光单元的操作；以及一检测单元，耦合至该复数个发光单元与该电流平衡单元，侦测该复数个发光单元的最小操作电压。

本发明的电流平衡电路能有效降低升压电路与发光二极管本身特性对电流所造成的影响因素，使驱动发光二极管的电流串联路径的电流维持常数关系，以提高背光源驱动电流与亮度的可靠度，并得到每颗发光二极管所期望的发光亮度。若单一个发光二极管串联路径发生毁损，本发明的电路将会忽略错误信号，让整个背光模组系统可继续正常运作，经实验结果证明发光二极管串联路径的误差量小于0.1％。

本发明可侦测发光二极管串联路径最小操作电压值，并调整输出电压以提供复数个发光单元最小操作电压，以减少额外功率损耗，提高背光模组效率。

再者，本发明的电流平衡电路设计较先前技术电路结构简单(仅使用两个运算放大器)，减少了功率消耗、芯片的面积，使用的组件亦较少，因此可降低成本。另外，Rext是置放于芯片之外的电阻，将其置放于芯片外部将可减少发光二极管驱动电路芯片的接脚数目；另一优点是可使用者自行定义发光二极管的驱动电流，经由芯片外部调整其电流值，不需要重新修改芯片内部电路。

附图说明

上述组件，以及本发明其它特征与优点，藉由阅读实施方式的内容及其图式后，将更为明显：

图1根据本发明的较佳实施例，为具有电流平衡电路的背光模组的示意图；

图2根据本发明的较佳实施例，为电流平衡单元的电路图；

图3根据本发明的较佳实施例，为最小电压与开回路检测单元的电路图；

图4根据本发明的较佳实施例，为电压与电流的关系图。

【主要组件符号说明】

100    背光模组                  102    升压单元

103    脉波宽度调变信号产生器    104    复数个发光单元

106    误差放大器                108    电流平衡电路

1081   电流平衡单元              1082   参考电流源单元

1083   调光控制单元

110    最小电压与开回路检测单元  112    控制单元

具体实施方式

本发明将配合其较佳实施例与后附的图式详述于下。应可理解，本发明中的较佳实施例是仅用以说明，而非用以限定本发明。此外，除文中的较佳实施例外，本发明亦可广泛应用于其它实施例，并且本发明并不限定于任何实施例，而应视上述的权利要求范围而定。

贯穿本说明书的「一实施例(one embodiment)」或「实施例(aembodiment)」，其意指描述关于较佳实施例的一特殊特征、结构或特性，且包含至少一个本发明的较佳实施例。因此，于本发明书的各处出现的词组于「一实施例中(in one embodiment)」或「于实施例中(in a embodiment)」，不须完全参照相同的实施例。再者，其特殊特征、结构或特性可以任何适当的方式结合于一个或多个较佳实施例中。

本发明是公开一种电流平衡电路及具有此电路的背光模组。本发明利用电流平衡电路降低升压电路(boost converter)与发光二极管(LightEmitting Diode，LED)本身特性对电流所造成的影响因素，使趋动发光二极管串联路径的电流维持常数关系，以提高背光源驱动电流与亮度的可靠度。经实验结果证明两发光二极管串联路径之间的电流误差量小于0.1％。

参考图1，根据本发明的较佳实施例，为具有电流平衡电路的背光模组100的示意图。背光模组100包括升压单元102、复数个发光单元104、误差放大器106、电流平衡电路108、最小电压与开回路检测单元110以及控制单元112。升压单元102包括电感L、功率晶体管Q₁、二极管D₁组成的升压电路与脉波宽度调变信号产生器103所组成。于一实施例中，电感L一端耦合至功率晶体管Q₁漏极与二极管D₁的正极；电感L其另一端耦合至输入端V_in。脉波宽度调变(Pulse width Modulation，PWM)信号产生器103输入端耦合至误差放大器106的输出端；其信号产生器103的输出端耦合功率晶体管Q₁栅极。

升压单元102耦合至复数个发光单元104与误差放大器106。升压单元102的目的是调整输入电压V_in，并提供至复数个发光单元104。藉由信号产生器103所传送的PWM信号，可控制功率晶体管Q1导通时间，进而改变升压单元102的输出电压，藉以调整复数个发光单元104的亮度。功率晶体管的导通时间与电感L的充电时间成正比，因此若其导通时间越长则升压单元102提供至复数个发光单元104的电压也增加，其输出电压V_out也越高，反之，则输出电压V_out越小。

复数个发光单元104是由红、绿及蓝三种光源所组成，以构成背光模组100的光源。于较佳实施例，上述红、绿、蓝光源可为红、绿、蓝的发光二极管(light emitting diode，LED)。于此实施例中，复数个发光单元104由复数个发光二极管串联路径所组成。

误差放大器106的输入端耦合至参考电压V_ref，另一端则耦合至最小电压与开回路检测电路110。误差放大器106并将结果输出至信号产生器103。误差放大器106拉取最小电压与开回路检测电路110的回授电压与参考电压V_ref作比较，以决定脉波宽度信号的脉波宽度，进而调整升压单元102的输出电压。

电流平衡电路108耦合至复数个发光单元104与控制单元112。电流平衡电路108是用来保持复数个发光单元104中每一个发光二极管串联路径皆保持电流平衡，藉以维持复数个发光单元亮度平衡。

最小电压与开回路检测单元110耦合至复数个发光单元104与电流平衡电路108。最小电压与开回路检测单元110可侦测复数个发光单元104是否烧毁(或开路)，或判断复数个发光单元104中的发光二极管串联路径的最小操作电压。

当控制单元112选择某路径不亮(开路)，复数个发光单元104的发光二极管串联路径并未导通，因而没有电压降，检测单元110将侦测到高电压并忽略此信号，升压单元102继续维持固定电压输出。若为正常模式，检测单元110会侦测发光二极管路径的最小操作电压，并将信号提供至升压单元102，则信号产生器103会调整功率晶体管Q1的导通时间，使升压单元102输出最小的操作电压。最小电压检测是为了使发光模块100达到最佳的效率。例如，若复数个发光单元104的复数个发光二极管路径的最小操作电压为16伏特，而升压单元102提供的电压为18伏特，则此时可调整功率晶体管的导通时间，只需升压到16伏特即可达到最高效率。

控制单元112耦合至电流平衡电路108。透过控制传送至电流平衡电路108的PWM及EN端的信号，控制单元112可控制发光二极管路径的操作与亮度。

请参照图2，为电流平衡电路108的较佳具体的电路实施例示意图。电流平衡电路108由电流平衡单元1081、参考电流源单元1082以及调光控制单元1083所构成。电流平衡单元1081耦合至复数个发光单元104与最小电压和开回路检测单元110。复数个发光单元104是由复数个发光二极管串联路径所组成。发光二极管串联路径的数目必须为偶数，因为最小电压与开回路检测单元110是比较每两个串联路径的电压大小，最后筛选路径的最小操作电压。

参考电流源单元1082为一电流镜电路，连接至调光控制单元1083。参考电流源单元1082的目的是用以提供稳定的电流供应，避免单一发光二极管串联路径的电流扰动影响整体电流偏移。调光控制单元1083耦合于参考电流源单元1082与电流平衡单元1081之间，控制电流平衡单元1081的操作。

电流平衡电路108包括两个运算放大器(OPA)OPA₁及OPA₂。运算放大器OPA₁是用于产生稳定的参考电流源；运算放大器OPA₂则是用于稳压控制的目的。利用参考电流源单元1082的电流镜电路可简易且直接控制电流，但通道调变效应(channel length modulation effect)将会影响其电流镜效能，藉由电流平衡单元1081中的运算放大器OPA₂耦合电阻(R_f1-R_f8)与金氧半导体开关(M_B1-M_B8)所组成的路径可抑制电流镜所产生的通道调变效应。

升压单元102的输出电压受到内部温度与操作时间的影响，若使用常数电流控制方式，复数个发光单元104的发光二极管亮度将可抑制升压单元102输出电压的直接影响。

$I_{\mathrm{LED}}=\frac{V_{\mathrm{REF}1}}{R_{\mathrm{ext}}}\×N\×K---\left(1\right)$

电阻R_ext是置放于驱动芯片外的电阻，只要透过调整V_REF1电压值或电阻R_ext，即可控制电流I_LED。本发明的电流平衡电路108可提供一常数的电流，以达到较高电流平衡特性并维持高且稳定的电流。

于调光控制单元1083中，控制闸(AND₁-AND₈)的输入端PWM与EN₁接收控制单元112的控制信号，以作为调光(Dimming)与致能的控制，即控制上述发光二极管串联路径的操作。传输闸(TG1-TG8)则用于控制由参考电流源的电流输出。当输入端EN₁信号为开启时，将允许发光二极管串联路径导通，而当EN₁信号为关闭时，发光二极管则不需要发光，与影响其它路径无关。输入端PWM则用以控制发光二极管的导通时间。

因为每一个发光二极管路径LED及相对的电路皆为相同的配置，故重复的电路结构及操作程序将不再赘述。发光二极管路径LED₁的操作请参照表一。

PWM1	EN1	AND1
			0	0	0
0	1	0
			1	0	0
1	1	1

表一

当PWM₁输入为低电压「0」(代表无控制信号输入)，EN₁输入为低电压「0」(代表不允许信号通过传输闸TG₁)，与门AND₁输出为「0」，传输闸TG₁关闭(Off)，开关M_B1导通，将参考电流源单元1082产生的电流与电流平衡单元1081上的开关耐压释放，避免电流平衡单元1081内的开关产生热而损耗。

当PWM₁为低电压「0」，EN₁为高电压「1」，则与门AND₁输出为「0」，无法触发传输闸TG₁导通，开关M_B1导通，将参考电流源单元1082产生的电流与电流平衡单元1081上的开关耐压释放，避免电流平衡单元1081内的开关产生热而损耗。

当PWM₁为高电压「1」，EN₁为低电压「0」，则与门AND₁输出为「0」，传输闸TG₁关闭，开关M_B1导通，将参考电流源单元1082产生的电流与电流平衡单元1081上的开关耐压释放，避免电流平衡单元1081内的开关产生热而损耗。

当PWM₁为高电压「1」，EN₁为高电压「1」，则与门AND₁输出为「1」，触发传输闸TG₁导通，开关MB1关闭。预先设定的电流I₁可提供至开关M₁栅极，开关M₁导通，因此路径LED₁导通而发光(ON)。可透过控制输入至PWM的控制信号，调整发光二极管路径的导通时间(发光亮度)。

最小电压与开回路检测单元110的具体电路图，请参照图3的实施例。为简化说明，图3内的检测单元电路仅表示最基本的架构，只有两个发光二极管路径输入时的电路架构。因为最小电压与开回路检测单元110是比较每两个串联路径的电压大小，来侦测发光二极管路径的最小操作电压。

最小电压与开回路检测单元110是由两个开回路检测电路、一个比较器与一个模拟选择器(多任务器)Mux所组成。开回路检测电路是由2个反相器、1个传输闸、1个晶体管开关所组成。晶体管开关可包括NMOS开关。输入S₀与S₁分别耦合至个别地发光二极管串联路径，以撷取电压信号。而EN₀与EN₁的信号则是由控制单元112所提供。最小电压与开回路检测单元110撷取发光二极管串联路径的电压信号，透过误差放大器106将其回馈至升压单元102，升压单元102将视其电压信号调整输出电压以提供复数个发光单元104最小操作电压，以减少额外功率损耗，提高背光模组效率。

开回路检测电路可判断不正确的输入信号，若复数个发光单元104的发光二极管串联路径发生烧毁或不动作模式，则开回路检测电路的输入S将会为「0」，在此逻辑电路架构中，输入「0」值代表输入不正确的错误信号；而输入小于电源电压V_DD且大于接地GND的正确电压信号为「1」，如表二所示。

S0	EN0	S1	EN1	Comp+	Comp-	Cout	Out
								0	1	0	1	VDD	VDD	X(未知)	1(开路)
0	1	1	0	VDD	data	1	S1(data)
								1	0	0	1	data	VDD	0	S0(data)
1	0	1	0	data	data	min	Min

表二

当S₀为错误信号「0」，传输闸不导通，晶体管开关导通，比较器comp+输入值为V_DD。当S1为错误信号，传输闸不导通，晶体管开关导通，则比较器comp-输入值为V_DD，如此则比较器输出C_out无法得知。模拟选择器Mux的输出则为「1」代表开路(open)。

当S₀为「0」，传输闸关闭，晶体管开关导通，比较器输入comp+为VDD值；当S₁为「1」，传输闸导通，晶体管开关关闭，比较器输入comp-为data值(检测电路所撷取的实际电压信号值)，如此比较器输出C_out为「1」值，模拟选择器Mux选择输出S₁电压信号。

当S₀为「1」，传输闸导通，晶体管开关关闭，比较器输入comp+为data值；当S₁为「0」，传输闸关闭，晶体管开关导通，比较器输入comp-为VDD，如此比较器输出C_out为「0」值，模拟选择器Mux选择输出S₀信号。

当S₀为「1」，传输闸导通，晶体管开关关闭，比较器输入comp+为data值；当S₁为「1」，传输闸导通，晶体管开关关闭，比较器输入comp-为data值，如此比较器输出C_out为「min」值，意指模拟选择器Mux选择输出S₀与S₁中两者较低的电压信号值，以实现最小电压检测目的。

参照图4的分析结果，若电压变动值小于0.2V，电流的变动值约为0.01％。若电压变动值超过1.1V时，则变动值约为0.1％。上述验证本发明能提供稳定的电流供应，不受升压电路电压的直接影响，有效提高发光二极管驱动电流与亮度的可靠度。

本发明的电流平衡电路能有效降低升压电路与发光二极管本身特性对电流所造成的影响因素，使驱动发光二极管的电流串联路径的电流维持常数关系，以提高背光源驱动电流与亮度的可靠度，并得到每颗发光二极管所期望的发光亮度。若单一个发光二极管串联路径发生毁损，本发明的电路将会忽略错误信号，让整个背光模组系统可继续正常运作，经实验结果证明两发光二极管串联路径间的电流误差量小于0.1％。

$\mathrm{\δ}(\%)=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_D}{\frac{I_{D1}^{\′}+I_{D2}^{\′}}{2}}=\frac{K_n^{\′}{(V_{\mathrm{GS}}-v_t)}^2\mathrm{\λ}\left({2I}_{R}R\right)}{K_n^{\′}{(V_{\mathrm{GS}}-v_t)}^2(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{REF}})}=\frac{2\mathrm{\λ}{I}_{R}R}{(1+\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{REF}})}\≅2\mathrm{\λ}{I}_{R}R\≅0.1$

λ＝10^-3；I_R＝10^-3；R＝0.5K

本发明可侦测发光二极管串联路径最小操作电压值，并调整输出电压以提供复数个发光单元最小操作电压，以减少额外功率损耗，提高背光模组效率。

再者，本发明的电流平衡电路设计较先前技术电路结构简单(仅使用两个运算放大器)，减少了功率消耗、芯片的面积，使用的组件亦较少，因此可降低成本。另外，R_ext是置放于芯片之外的电阻，将其置放于芯片外部将可减少发光二极管驱动电路芯片的接脚数目；另一优点是可使用者自行定义发光二极管的驱动电流，经由芯片外部调整其电流值，不需要重新修改芯片内部电路。

本发明以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视上述的权利要求范围及其等同领域而定。凡熟悉此领域的技艺者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，都应包含在上述的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，包含：

复数个发光单元；

一升压单元，耦合至该复数个发光单元，藉以转换输入电压并提供电压至该复数个发光单元；

一电流平衡电路，调整该复数个发光单元的电流维持稳定值，不受该升压单元的输出电压影响，该电流平衡电路包含：

一电流平衡单元，耦合至该复数个发光单元；

一调光控制单元，耦合于该电流平衡单元，控制该电流平衡单元的操作；以及

一参考电流源单元，耦合至该调光控制单元，以提供稳定的电流；

一控制单元，耦合至该调光控制单元，传送脉波宽度调变信号，以控制该复数个发光单元的操作；以及

一检测单元，耦合至该复数个发光单元与该电流平衡单元，侦测该复数个发光单元的最小操作电压；

其中，该检测单元包括：

一比较器；

复数个开回路检测电路，个别地连接至该比较器的复数个输入端；以及

一模拟选择器，连接至该比较器的输出端，用以选择输入的信号。

2.如权利要求1所述的具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，该复数个发光单元包含复数个发光二极管串联路径组成。

3.如权利要求2所述的具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，该发光二极管串联路径的数目为偶数。

4.如权利要求1所述的具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，该检测单元传送回馈信号至该升压单元，藉以调整该升压单元的该输出电压为该最小操作电压。

5.如权利要求1所述的具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，该检测单元还包括最小电压与开回路检测单元，该最小电压与开回路检测单元可检测该复数个发光单元中的发光二极管串联路径是否开路或是否工作于最小操作电压。

6.如权利要求1所述的具有电流平衡电路的背光模组，其特征在于，该开回路检测电路包括：

一第一反相器与第二反相器，其中该第一反相器输出端连接至与第二反相器输入端；

一传输闸，连接于该第二反相器的输出端与该比较器的该输入端；以及

一半导体开关，连接于该传输闸与该比较器的该输入端。

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