CN102202444A - 发光二极管驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管驱动电路，包括一晶体管、一电流调节器、一释放二极管以及一电压箝制结构。晶体管以串联方式与一发光元件串连接。发光元件串连接至晶体管与总线电压之间。电流调节器连接至晶体管，用以将流经晶体管与发光元件串的电流调节至预定电流上。电压箝制结构连接至发光元件串与晶体管之间，用以箝制晶体管至预定电压。当晶体管由于调光控制而被截止时，电压箝制结构保护晶体管免于击穿崩溃。

Description

发光二极管驱动电路
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light-emitting diode，LED)驱动电路，尤其涉及一种利用电压箝制结构的发光二极管驱动电路。
背景技术
用于电视(TV)与个人电脑(personal computer，PC)的液晶显示器(LCDdisplay)的发光二极管(LED)背光技术逐渐受到欢迎，因为以LED作为背光光源能做出更轻薄、更省电的显示器。利用LED背光模组的驱动电路通常驱动许多的发光元件串。每一串发光元件串包括多个LED串联。
举例而言，图1为现有的恒定电流的LED驱动电路100的示意图。预先调节的启动阶段(未示出)将输入电压(未示出)提供至总线电压VBUS。LED驱动电路100驱动8个发光元件串111～118。LED驱动电路100包括8个段落(section)，而每一段落驱动一串发光元件串111～118。举例而言，驱动发光元件串118的段落包括运算放大器(operational amplifier，简称OPA)138、N型通道金属氧化物半导体场效晶体管(N型晶体管，简称N型晶体管)128以及电阻148。LED驱动电路100的每一个段落均具备相同的功能与电路结构。
LED的亮度与流经LED的电流成正比。为了一致地亮度与显示品质，电流与发光元件串的匹配是相当重要的。由于诸如制造变异等因素，这些发光元件串于导通时难以确切具有同样的正向电压。因此，必须要有一个控制机制来实现电流与发光元件串的匹配。
以发光元件串118为例。N型晶体管128、运算放大器138与电阻148构成一个负反馈的控制回路，其可将流经电阻148与发光元件串118的电流调节至一预设值I118。I118＝Vref/R148。只要参考电压Vref稳定，并且电阻141～148具有匹配良好的阻抗，则流经发光元件串111～118的电流就会大致上相同。在此请注意，N型晶体管128与运算放大器138的操作像是低压降(low-drop-out，LDO)线性稳压器。
再者，LED驱动电路100提供了LED多层阶调光的功能。LED的调光层阶受控于调光信号PWMD。图2为图1的LED驱动电路100内一些信号的波形图，具体的图2为LED驱动电路100内的调光信号PWMD、每个LED串驱动段落中的运算放大器OPA的输出、与流经每个发光元件串的电流的波形图。在时间点T1～T2与T3～T4的期间(亦即导通期间Ton)中，调光信号PWMD位于高准位。输出至相应N型晶体管的栅极的运算放大器OPA将会导通。相应的N型晶体管亦随之导通。运算放大器OPA将流经相应N型晶体管与发光元件串的电流调节至预设值。而在时间点T2～T3与T4～T5的期间(亦即截止期间Toff)中，调光信号PWMD位于低准位。输出至相应N型半导体的栅极的运算放大器OPA将会截止。相应的N型半导体亦随之截止。流经发光元件串的电流将降至零。LED的平均电流正比于调光信号PWMD的工作周期。也就是说，Iave＝D×Ion。Iave是LED的平均电流，而Ion则是当相应N型晶体管121～128导通时充分稳定的LED电流。工作周期则定义为，D＝Ton/(Ton+Toff)＝(T2-T1)/(T3-T1)。因此，通过调光信号PWMD的工作周期的变化，便可以控制LED的平均电流Iave，进而控制发光元件串111～118的有效亮度。
目前而言，大部分应用于背光技术的LED均使用20mA的设备。操作于20mA的LED的正向电压VF与其制造容忍度的范围为3.0V到3.8V之间，其温度范围则在-20℃至80℃之间。目前已有多家的IC供应商提供许多6通道至8通道LED背光驱动器。举例而言，美信集成(Maxim)的MAX8790A芯片、德州仪器(Texas Instrument)的TPS61181芯片以及英特硅尔半导体(Intersil)有限公司的ISL97636A芯片均为6通道驱动器。MAX17061芯片与凌特科技(Linear Technology)的LT3760芯片则为8通道驱动器。大部分这些6通道或8通道驱动器拥有内建的N型晶体管，而其N型晶体管具有40V至45V的Vdss等级。一般而言，每个通道能够驱动每一串最多10个LED串联的发光元件串。因此，8通道的LED背光驱动器能够驱动最多80个LED。
用于42时LCD电视的背光系统通常使用800至1200个LED。因此将会需要10至15个上述的8通道驱动器。
然而，使用如此多的驱动器将会使电流的匹配效能复杂化。这是由于这些驱动芯片的参考电压Vref可能有所不同。再者，过多的驱动芯片增加了布线复杂度与背光模组(backlight module，BLU)的成本。因此，理想的状况便是大幅度增加每个通道中LED的数量，以降低驱动芯片数量与布线复杂度。但是，每个通道能够支持LED的数量取决于N型晶体管的电压等级。
图3为现有的N型晶体管的输出击穿崩溃的示意图，此N型晶体管具有40V的额定输出击穿电压Vdss。图3的水平轴为N型晶体管的漏极到源极的电压差Vds，而图3的垂直轴则为N型晶体管的漏极到源极的电流Ids。当栅极到源极的电压差Vgs为零时，N型晶体管显示出电流-电压的特性曲线310。而栅极到源极的电压差Vgs为2V时，N型晶体管显示出电流-电压的特性曲线320。
当连接至发光元件串的N型晶体管截止(栅极到源极的电压差Vgs＝0V)，并且总线电压VBUS高于N型晶体管的输出击穿电压Vdss时，N型晶体管的漏极到源极的电压差Vds将会朝向总线电压VBUS增加，直到N型晶体管击穿崩溃。一旦N型晶体管击穿崩溃，其漏极到源极的电流将会急速上升。击穿电流的电流值会达到多高将重度依赖半导体制程与N型晶体管设备的结构。一般而言，N型晶体管在击穿区的行为是不稳定且难以预测的。在极端的情况下，可能导致破坏性设备故障。总线电压VBUS大致等于发光元件串上每个LED的正向电压VF的总合。同时，为了要防止击穿崩溃，总线电压VBUS不应超过额定的输出击穿电压Vdss。因此，发光元件串的合并的正向电压VF应该不能超过输出击穿电压Vdss。换句话说，发光元件串中LED的数量应限制于相应N型晶体管的额定的输出击穿电压Vdss上。
发明内容
因此，本发明针对LED驱动电路，使其得以驱动更长的发光元件串。此LED驱动电路于发光元件串的驱动电压或正向电压VF的总合超过N型晶体管的额定击穿电压时，利用电压箝制结构来防止N型晶体管击穿崩溃。
根据本发明一实施例，在此提出一LED驱动电路，其包括一晶体管、一电流调节器与一电压箝制结构。晶体管与发光元件串以串联方式连接。发光元件串连接晶体管与总线电压之间。电流调节器连接至晶体管，用以将流经晶体管与发光元件串的一电流调节至一预定电流上。电压箝制结构连接至发光元件串与晶体管之间，用以箝制晶体管至预定电压。
在本发明一实施例中，上述的总线电压等于发光元件串中LED的数量乘以一第一电压，第一电压是在发光二极管驱动电路的工作温度范围内，一第一电流流经多数个样品LED时测量的正向电压的最大值。
在本发明一实施例中，发光元件串内LED的数量等于电压箝制结构的预定电压除以第一电压与第二电压的差值。第二电压是在上述样品LED间，且于相同工作温度范围内当第二电流流经这些样品LED时测量的正向电压的最小值。第二电流低于样品LED发出不可见光的电流水平。
在本发明的其他可供选择的实施例中，电压箝制结构包括一寄生晶体管装置，其能够在电压层级大致等于前述的预定电压的时候遭到击穿崩溃，并且能够将第二电流分流。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
附加的各图式可让人更进一步了解本发明，而且也属于此文件的一部份。各图将会具体描绘本发明，也会伴随文字来说明本发明的运作原理。
图1为现有的恒定电流的LED驱动电路100的示意图。
图2为图1的LED驱动电路100内一些信号的波形图。
图3为现有的N型晶体管的输出击穿崩溃的示意图。
图4为本发明一实施例所示的一LED驱动电路500的示意图。
图5为本发明实施例中所示的典型LED所产生的电流-电压特性曲线图。
图6为图4中LED驱动电路500的部分制程剖面图。
主要附图标记说明：
100、500：发光二极管驱动电路；    111～118：发光元件串；
121～128：N型晶体管；             131～138：运算放大器；
141～148：电阻；                  151～158：释放二极管；
161：电压箝制装置；               162：电阻；
178：电流调节器；                 180：电压箝制结构；
I118：流经电阻148与发光元件串118的电流；
A、B、C：0℃、20℃与80℃时LED的电流-电压特性曲线；
T0～T5：时间点；                  Ton：导通期间；
Toff：截止期间；                  PWMD：调光信号；
VBUS：总线电压；                  VDD：电压；
Vref：参考电压；                  Vdss：输出击穿电压；
VSS：驱动电路芯片的接地端；       Vds：漏极到源极的电压差；
Vgs：栅极到源极的电压差；         Ids：漏极到源极的电流；
VD1～VD8：电压；                  Rch：金属线路；
Fox：隔绝电场氧化物。
具体实施方式
现将详细参考本发明示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件/符号代表相同或类似部分。
图4是本发明一实施例所示的一LED驱动电路500的示意图。LED驱动电路可在液晶显示器的背光模组中驱动用于驱动LED。LED驱动电路500包括八个相同的段落。每一段落驱动发光元件串111～118其中之一。由于每个段落是相同的，下面的讨论便以驱动发光元件串118的段落举例说明。
驱动发光元件串118的段落包括N型晶体管128、电流调节器178以及释放二极管158。N型晶体管128与发光元件串118以串联方式连接。发光元件串118连接N型晶体管128与总线电压VBUS之间。电流调节器178连接至N型晶体管128。释放二极管158的阳极连接发光元件串118与N型晶体管128的漏极间。电压箝制装置连接至释放二极管的阴极与接地端之间，并且释放二极管158的阴极连接电压箝制装置161。释放二极管158与电压箝制装置161组成电压箝制结构180。
电流调节器178包括电阻148与运算放大器138。电阻148的上部接线端连接N型晶体管128的源极，而电阻148的下部接线端则为接地。运算放大器138的非反向输入端连接参考电压Vref。运算放大器138的反向输入端连接电阻148的上部接线端。运算放大器138的输出端用以控制流经N型晶体管128与发光元件串118的电流。N型晶体管128、运算放大器138与电阻148构成一个负反馈的稳定回路，其调节流经N型晶体管128与发光元件串118的电流至一预设工作电流。此预设工作电流等于参考电压Vref除以电阻148的阻抗值。
与LED驱动电路100相似，LED驱动电路500亦提供多层阶调光的功能。运算放大器OPA 131～138的每一个控制端接收调光信号PWMD。每一个运算放大器OPA131～138依据调光信号而导通或截止。调光信号PWMD控制发光元件串111～118的调光层级。
当调光信号PWMD截止N型晶体管121～128时，其Vds电压(VD1至VD8)将会拉升。位于释放二极管151～158阴极的电压VDD亦会拉升。当VDD高于预定电压时，电压箝制装置161将会启动，并且将电压VDD箝制于预定电压上。如此便等同于将N型晶体管121～128箝制于预定电压上。当预定电压略低于N型晶体管121～128的额定的输出击穿电压Vdss时，电压箝制装置161能够保护N型晶体管121～128免于击穿崩溃。举例而言，电压箝制装置161的预定电压可能比N型晶体管121～128的输出击穿电压Vdss低1V或2V。
可供选择的电阻162的上部接线端连接至总线电压VBUS，而电阻162的下部接线端连接电压箝制装置161。电阻162提供小电流(大约1uA)以维持稳态电压层级VDD于电压箝制装置161上。当调光信号PWMD将N型晶体管121～128导通时，基本上位于N型晶体管121～128的漏极电压将下降至零。当N型晶体管121～128导通时，释放二极管151～158将电压VDD与N型晶体管121～128的漏极电压分离。
虽然电压箝制装置161位于LED驱动电路500的外面，在本发明其他实施例中电压箝制装置161亦可能包含在LED驱动电路500中。本实施例仅显示电压箝制装置161的其中一种实现方式。或是在本发明的一些其他实施例中，每一发光元件串可分别使用独立的电压箝制装置。
在本实施例中，电压箝制装置161为一齐纳二极管。齐纳二极管161的阴极连接释放二极管151～158的阴极，而齐纳二极管161的阳极接地。电压箝制装置的预定电压是齐纳二极管161的齐纳电压。
LED驱动电路500比现有的LED驱动电路能够在每个通道支持更多的LED。计算每一个发光元件串内LED数量的程序将如下描述。图5为本发明实施例中所示的典型LED产生的电流-电压特性曲线图。首先，全开(fully-on)电流与全关(fully-off)电流由LED所决定。全开电流等于电流调节器178的预定电流。由于本实施例中的LED是20mA的设备，全开电流便为20mA。全关电流是低于LED发射不可见光的电流水平。全关电流的电流大小通常大约为几uA。
LED驱动电路500的工作温度范围从摄氏0度到80度。图5的曲线A、B与C分别于摄氏0度、20度与80度的情况下来产生LED的电流-电压特性曲线。当20mA的全开电流流经图5的LED时，所测得的正向电压VF为3.0V至3.2V。另一方面，全关电流在本实施例中定义为1uA。而位于全关电流所测量的正向电压VF为2.2V至2.3V之间。
为了简化描述，在此定义名词VF1与VF2。VF1是当LED进行一全开电流时的正向电压，而VF2是当LED进行一全关电流时的正向电压。LED的电压层级VF1与VF2都依据他们的制造忍受力、工作温度、设备老化与其他因素。VF1与VF2的范围能够利用可代表所有装置变异的一批样品LED来测定。接着，在此定义电压VF1M与VF2N。电压VF1M是在工作温度范围中利用这批样品LED所测定的VF1的最大值。电压VF2N则是在相同温度范围中利用这批样品LED所测定的VF2的最小值。
当调光信号PWMD将N型晶体管121～128导通时，总线电压VBUS提供正向电压VF的总合，此时LED运作于20mA的全开电流中。由于越过N型晶体管121～128与电阻141～148的电压相对较少，总线电压VBUS必须大致上等于N×VF1M，其中N为每一个发光元件串内LED的数量。因此，
VBUS＝N×VF1M  -----(式1)
总线电压VBUS等于N×VF1M时能够驱动N个LED，此时每一个LED都具有电压VF1M。VBUS与发光元件串内实际的正向电压VF总合间的平衡会由Vds的电流所吸收，并为了此发光元件串来调整N型晶体管。
当调光信号PWMD将N型晶体管121～128截止时，N型晶体管121～128的漏极到源极的电压差Vds将会拉升，但会因电压箝制装置161而受到箝制。由于释放二极管151～158的电压降相对较少，VBUS与齐纳电压Vzener的差值大致上等于N×VF2N，使得LED的进行小于1uA而完全截止。八个通道的电流总合后流进齐纳二极管161时小于8uA，使其相当安全，并产生非常低的功耗，此时这些LED都完全截止而无法被看见。因此，
Vzener＝VBUS-N×VF2N  ----(式2)
但从式1我们可以知道VBUS＝N×VF1M。因此，
Vzener＝N×(VF1M-VF2N)----(式3)
换句话说，能够被支持的LED的数量为：
N＝Vzener/(VF1M-VF2N)----(式4)
举例来说，如果VF1M是3.8V，VF2N为2.0V，并且齐纳电压Vzener是38V。当N型晶体管的输出击穿电压Vdss为40V时，便能够支持38/(3.8-2.0)＝21.11的LED(以整数记为21个LED)。总线电压VBUS能够被拉升至N×VF1M，于平常状况下将高于Vzener的两倍。假如LED具有较严格的容忍力，因而具有较低的VF1M与较高的VF2N时，相同的额定40V的N型晶体管反而能够支持更多LED。举例而言，如果VF1M是3.6V并且VF2N是2.1V，然后LED驱动电路500于每一发光元件串中能够驱动38V/(3.6-2.1)＝25.3个LED(以整数记25个LED)。于此例中，8通道的驱动电路能够驱动至少25×8＝200个LED，如此便远远超过现有LED驱动电路能够驱动的数量。这些可支持LED数量的增加起因于电压箝制结构180。如果没有电压箝制结构180，LED驱动电路500仅能够于每一发光元件串中支持最多40V/3.8V＝10.5个LED(以整数记为10个LED)。
在本发明的一些其他实施例中，电压箝制结构180可以包括其他形式的半导体结构，例如寄生晶体管，其能够一致地在击穿电压门槛值时击穿崩溃，并且将前述的全关电流分流。击穿电压门槛值大致上可以等于电压箝制装置161的预设电压。
在本发明其他可供选择的实施例中，在此使用静电放电(electrostaticdischarge，简称ESD)保护二极管作为电压箝制装置161中的释放二极管。图6为图4中LED驱动电路500的部分制程剖面图，具体的，图6为LED驱动电路500的ESD二极管158与N型晶体管128的制程剖面图。由于LED驱动电路500中的每一个驱动段落均为相同，其他ESD二极管151～157与相应的N型晶体管121～127的制造方式亦为相同。
金属线路Rch形成于P基底区661，并且从P型掺杂区(P+)631连接至驱动电路芯片的接地端VSS。N型晶体管128的源极(S)612包括P型掺杂区632以及N型掺杂区(N+)633，并形成于P基底区(P-base)642。P基底区被形成于N井区(N-well)652上。N井区652被形成于P基底区661中。金属线路Rch从N型晶体管128的源极612连接至电阻148。N型晶体管128的栅极(G)613具有形成于N井区652上的栅极氧化物623。N型晶体管128的漏极(D)614包括形成于N井区652上的N型掺杂区634。
ESD二极管158由N井区的P通道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOSFET，简称P型晶体管)来实现。P型晶体管的漏极(D)615包括形成于P型顶区(P-top)645的P型掺杂区635，并且P型顶区645形成于N井区655。N井区655在P基底区661上形成。P型晶体管的栅极(G)616具有形成于N井区655上的栅极氧化物626。P型晶体管的源极(S)617包括形成于N井区655的P型掺杂区637。P型晶体管的基极(B)618包括形成于N井区655的N型掺杂区638。P型晶体管的栅极616与源极617相互短路。P型晶体管装置的漏极615到基极618的基极二极管用以作为ESD二极管158。N型晶体管128的漏极614连结至P型晶体管的漏极615。ESD二极管158从N型晶体管128的漏极614连接至金属线路VDD。金属线路VDD从ESD二极管158的阴极连接至电压箝制装置161。位于P基底区661的隔绝电场氧化物(insulating field oxide)在图6中表示为Fox。
虽然本发明以实施例揭示如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意改动或等同替换，故本发明的保护范围当以本申请权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种发光二极管驱动电路，包括：
一晶体管，其以串联方式与一发光元件串连接，其中该发光元件串连接该晶体管与一总线电压之间；
一电流调节器，连接至该晶体管，用以将流经该晶体管与该发光元件串的一电流调节至一预定电流上；以及
一电压箝制结构，连接至该发光元件串与该晶体管之间，用以箝制该晶体管至一预定电压。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其中该电流调节器包括：
一第一电阻，该第一电阻包括一第一端以及一第二端，该第一电阻的第一端连接该晶体管，该第一电阻的第二端接地；以及
一运算放大器，该运算放大器包括一非反向输入端、一反向输入端以及一输出端，该运算放大器的该非反向输入端连接至一参考电压，该运算放大器的该反向输入端连接该第一电阻的该第一端，该运算放大器的该输出端用以控制流经该晶体管与该发光元件串的该电流，其中该预定电流等于该参考电压除以该第一电阻的阻抗值。
3.根据权利要求2所述的发光二极管驱动电路，其中该运算放大器还包括一控制端，该运算放大器的该控制端接收一调光信号，并且该运算放大器依据该调光信号而导通或截止。
4.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其中该总线电压等于该发光元件串的发光二极管的数量乘以一第一电压，该第一电压是在该发光二极管驱动电路的一工作温度范围内且当一第一电流流经多个样品发光二极管时，测量正向电压所得的最大值。
5.根据权利要求4所述的发光二极管驱动电路，其中该发光元件串内的发光二极管的数量等于该电压箝制结构的该预定电压除以该第一电压与一第二电压的差值，该第二电压是在该工作温度范围内且当一第二电流流经所述样品发光二极管时，测量的正向电压的最小值，该第二电流低于所述样品发光二极管发射不可见光的电流水平。
6.根据权利要求5所述的发光二极管驱动电路，其中该第一电流等于该电流调节器的该预定电流，并且该第一电流至少大于该第二电流100倍以上。
7.根据权利要求5所述的发光二极管驱动电路，其中该电压箝制结构包括一寄生晶体管，该寄生晶体管的一击穿电压门槛值等于该预定电压，其中该寄生晶体管能够将该第二电流分流。
8.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其中该电压箝制结构的该预定电压低于该晶体管的一输出击穿电压。
9.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其中该电压箝制结构包括一释放二极管以及一齐纳二极管，其中该释放二极管的阳极连接该发光元件串与该晶体管之间，该齐纳二极管连接该释放二极管的阴极与一接地端之间，该电压箝制结构的该预定电压是该齐纳二极管的齐纳电压。
10.根据权利要求9所述的发光二极管驱动电路，其中该齐纳二极管的阴极连接该第二电阻的第一端，该第二电阻的第二端连接该总线电压。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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