CN102750906A - 发光二极管的均流背光驱动电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管的均流背光驱动电路及其操作方法，对多个发光二极管提供均流背光驱动。该均流背光驱动电路包含一E类转换器与多个电源处理单元。该E类转换器接收一直流输入电压，以产生一交流输出电压。该E类转换器所输出的该交流输出电压，并经由该些电源处理单元转换该交流输出电压为一直流驱动电压，以驱动该些发光二极管提供均流背光。

Description

发光二极管的均流背光驱动电路及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种均流背光驱动电路及其操作方法，尤其涉及一种发光二极管的均流背光驱动电路及其操作方法。

背景技术

发光二极管(light emitting diode，LED)应用于可携式电子产品的背光源的地位已经不可动摇。在照明领域，LED是作为半导体照明最关键的部件，更是有许多的优点，如节能、环保、长寿命、免维护…等等。而LED驱动电路是LED产品的重要组成部分，无论在照明、背光源还是显示板领域，驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。其中，背光模块是平面显示器科技中驱动光源的关键零元件，它决定了灯管亮度(brightness)的可靠度及稳定度，其性能将直接影响到平面显示器的显像质量。

然而，当使用一电压源驱动具有多LED的发光二极管灯串时，可能会因为LED发光二极管内阻的不同而导致通过每颗LED的电流量不相等，而LED的发光亮度又正比于顺向电流，使得每颗LED的发光强度不相等，造成亮度不均匀的现象，因此将导致LED灯串的整体效率降低。因此，LED灯串的使用上需要确保各灯串的电流能平衡，以提高电视屏幕显示的发光均匀度及画质，致使各种LED驱动线路配合各种的电流平衡线路应运而生。

请参见图1与图2分别为现有技术发光二极管的半桥驱动电路的电路图与全桥驱动电路的电路图。如图所示，传统交流电源产生方式是多为利用半桥转换器(配合图1)或全桥转换器的架构(配合图2)，并利用所产生的交流电源，以提供均流(current sharing)线路所需要的驱动电源。虽然利用半桥转换器或全桥转换器可达到对后级均流线路使用，然而，由于半桥转换器与全桥转换器分别需要两个开关元件(如图1所示的一第一开关元件Q11与一第二开关元件Q12)与四个开关元件(如图2所示的一第一开关元件Q21、一第二开关元件Q22、一第三开关元件Q23以及一第四开关元件Q24)，并且，还需要配合至少一个变压器(分别如图1与图2所示的一第一变压器Tr1与一第二变压器Tr2)使用，如此，将不仅增加零件成本也因为增加零件数量而造成可靠度降低之虞。

因此，如何设计出一种发光二极管的均流背光驱动电路及其操作方法，利用提供E类转换器所产生的交流输出电压，并经由电源处理单元转换交流输出电压为直流驱动电压，以驱动发光二极管提供均流背光，乃为本发明所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种发光二极管的均流背光驱动电路，以克服现有技术的问题。

因此本发明的发光二极管的均流背光驱动电路，其是对多个发光二极管提供均流背光驱动。发光二极管的均流背光驱动电路包含E类转换器(class Econverter)与多个电源处理单元。

E类转换器接收直流输入电压，以产生交流输出电压。E类转换器包含磁性元件与功率开关。功率开关电性连接磁性元件。其中，当功率开关导通时，直流输入电压对磁性元件提供能量；当功率开关截止时，磁性元件释放所储存的能量。

每一电源处理单元包含平衡电容与整流滤波单元。平衡电容电性连接磁性元件，其中平衡电容根据磁性元件所释放的储能充电以产生谐振操作。整流滤波单元电性连接平衡电容及对应的该发光二极管，其中整流滤波单元整流并滤波交流输出电压，以产生一直流驱动电压，进而驱动所对应的发光二极管。

本发明的另一目的在于提供一种一种发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其是对多个发光二极管提供均流背光驱动。均流背光驱动电路操作方法的步骤包含：首先，提供E类转换器，E类转换器具有磁性元件与功率开关。接着，E类转换器接收直流输入电压，并利用功率开关的切换以控制磁性元件储存或释放直流输入电压所提供的能量，以产生交流输出电压。接着，提供多个电源处理单元，每一电源处理单元包平衡电容与整流滤波单元。接着，通过磁性元件所释放的储能对平衡电容充电以产生谐振操作。最后，通过整流滤波单元整流并滤波交流输出电压，以产生一直流驱动电压，进而驱动所对应的发光二极管。

藉此，利用E类转换器所产生的交流输出电压，并经由电源处理单元转换交流输出电压为直流驱动电压，以驱动发光二极管提供均流背光。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术发光二极管的半桥驱动电路的电路图；

图2为现有技术发光二极管的全桥驱动电路的电路图；

图3a为本发明一发光二极管的均流背光驱动电路第一实施例的电路图；

图3b为图3a该发光二极管的均流背光驱动电路的等效电路图；

图4a为本发明该发光二极管的均流背光驱动电路第二实施例的电路图；

图4b为图4a该发光二极管的均流背光驱动电路的等效电路图；

图5为本发明该均流背光驱动电路的电流电压波形图；及

图6为本发明该发光二极管的均流背光驱动电路操作方法的流程图。

其中，附图标记

现有技术

Q11    第一开关元件

Q12    第二开关元件

Q21    第一开关元件

Q22    第二开关元件

Q23    第三开关元件

Q24    第四开关元件

Tr1    第一变压器

Tr2    第二变压器

本发明

Vin    直流输入电压

10E    类转换器

Me     磁性元件

Im     电感电流

Qs     功率开关

Vds    漏源极电压

Vac    交流输出电压

Vg     控制电压

n      匝数比值

11     第一电源处理单元

CB1    第一平衡电容

112    第一整流滤波单元

C1     第一滤波电容

D11    第一整流二极管

D12    第二整流二极管

21     第一发光二极管

12     第二电源处理单元

CB2    第二平衡电容

122    第二整流滤波单元

C2     第二滤波电容

D21    第三整流二极管

D22    第四整流二极管

22     第二发光二极管

Vcb    谐振电压

t1     第一时间

t2     第二时间

t3     第三时间

S100～S500步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参见图3a为本发明一发光二极管的均流背光驱动电路第一实施例的电路图。该发光二极管的均流背光驱动电路是对多个(N个)发光二极管提供均流背光驱动。以N＝2为例说明，亦即，该发光二极管的均流背光驱动电路是驱动两个发光二极管，分别为一第一发光二极管21与一第二发光二极管22。该均流背光驱动电路包含一E类转换器10与多个电源处理单元。如前所述，以N＝2为例说明，亦即该均流背光驱动电路包含两个该电源处理单元11，12。该E类转换器10接收一直流输入电压Vin，以产生一交流输出电压Vac，并且，该E类转换器10包含一磁性元件Me与一功率开关Qs。其中，该磁性元件Me可为一电感(inductor)或一变压器(transformer)，并且，在本实施例中，将以电感为该磁性元件Me说明，而变压器为该磁性元件Me将在另一实施例中说明。另外，该功率开关Qs可为一金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)。该功率开关Qs电性连接该电感Me，其中，当该功率开关Qs导通时，该直流输入电压Vin对该电感Me提供能量；当该功率开关Qs截止时，该电感Me释放所储存的能量。

每一该电源处理单元，亦即该第一电源处理单元11与该第二电源处理单元12分别包含一平衡电容与一整流滤波单元。其中，该第一电源处理单元11包含一第一平衡电容CB1与一第一整流滤波单元112；该第二电源处理单元12包含一第二平衡电容CB2与一第二整流滤波单元122。其中，该第一电源处理单元11的该第一平衡电容CB1与该第二电源处理单元12的该第二平衡电容CB2的容值相同。该第一平衡电容CB1系电性连接该电感Me，以通过该电感Me所释放的储能对该第一平衡电容CB1充电；同样地，该第二平衡电容CB2电性连接该电感Me，以通过该电感Me所释放的储能对该第二平衡电容CB2充电。因此，该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2所形成的等效容值则与该E类转换器10的该电感Me产生谐振操作，以产生一谐振电压Vcb，如此，通过该电感Me与该些平衡电容CB1，CB2所形成的谐振操作，能够大大地消除该功率开关Qs的切换损失并降低切换时所引起的di/dt及dv/dt会造成严重的电磁干扰(EMI)。

该第一整流滤波单元112与该第二整流滤波单元122分别包含两整流二极管与一滤波电容。亦即，该第一整流滤波单元112包含一第一滤波电容C1、一第一整流二极管D11以及一第二整流二极管D12；该第二整流滤波单元122包含一第二滤波电容C2、一第三整流二极管D21以及一第四整流二极管D22。该第一整流滤波单元112与该第二整流滤波单元122分别电性连接该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2，以整流与滤波该交流输出电压Vac而产生一直流驱动电压(未标示)，进而分别驱动所对应的该第一发光二极管21与该第二发光二极管22。

藉此，利用该E类转换器10所产生的该交流输出电压Vac，并经由该第一电源处理单元11与该第二电源处理单元12转换该交流输出电压Vac为该直流驱动电压，以驱动该第一发光二极管21与该第二发光二极管22提供均流背光。

本发明发光二极管的均流背光驱动电路的电路结构与操作原理将可由以下实施例说明而得到充份的了解，使得本领域技术人员可据以完成之。然而本发明的实施并非可由下列实施例而被限制为其精确的实施型态。请配合参见图5为本发明该均流背光驱动电路的电流电压波形图。由上而下，为具有一控制电压Vg、一漏源极电压Vds、一电流Im以及一谐振电压Vcb。此外，该发光二极管的均流背光驱动电路还包含一控制器(未图示)以切换该功率开关Qs的导通与截止。

在一第一时间t1时，该控制器输出一高准位的该控制电压Vg，以导通该功率开关Qs，此时，流经该磁性元件Me的该电流Im呈线性逐渐增加，使得该直流输入电压Vin对该磁性元件Me提供能量而储存在该磁性元件Me内。该功率开关Qs的漏源极间如同短路，因此，该电流Im并无流至该些电源处理单元11，12，而是直接流过该磁性元件Me与该功率开关Qs。

直到一第二时间t2时，该控制器输出一低准位的该控制电压Vg，以截止该功率开关Qs，此时，该功率开关Qs的该漏源极电压Vds增加，使得原来储存在该磁性元件Me内的能量，则经由该些电源处理单元11，12释放，因此，流经该磁性元件Me的该电流Im逐渐减少。同时，该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2所形成的等效容值则与该E类转换器10的该磁性元件Me产生谐振操作，以产生弦波形式的一谐振电压Vcb，跨压在每一平衡电容CB1，CB2上。因此，利用该E类转换器10的该磁性元件Me与该功率开关Qs接收该直流输入电压Vin，而产生该交流输出电压Vac，以提供该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2的交流充电电压，而与该磁性元件Me产生谐振。如此当该功率开关Qs完成一次切换周期，将产生的能量输出为Po＝1/2×C×V^2×f，其中，Po为输出能量、f为切换频率、C为该些平衡电容所形成的等效容值以及V为该谐振电压的大小，另外符号^为平方运算符号。如此，当该磁性元件Me储能释放结束后，该功率开关Qs则再次导通，即为一第三时间t3时，再进入下一周期的操作。

此外，该第一整流滤波单元112的该第一滤波电容C1、该第一整流二极管D11与该第二整流二极管D12对该交流输出电压Vac进行整流与滤波，而提供该第一发光二极管21所需要的直流驱动电压。同理，该第二整流滤波单元122的该第二滤波电容C2、该第三整流二极管D21与该第四整流二极管D22对该交流输出电压Vac进行整流与滤波，而提供该第二发光二极管22所需要的直流驱动电压。

配合参见图3b为图3a该发光二极管的均流背光驱动电路的等效电路图。通过该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2所产生的阻抗值远大于该第一发光二极管21与该第二发光二极管22的内阻抗值，因此，可忽略该第一发光二极管21与该第二发光二极管22的内阻抗值而等效视之，如此，利用该第一滤波电容C1与该第二滤波电容C2的容值相等，可提供该第一发光二极管21与该第二发光二极管22的均流(current sharing)操作，以提高该些发光二极管21，22的电流平衡能力，进而提高发光效率并维持背光照明输出亮度的均匀度。

藉此，利用该E类转换器所产生的该交流输出电压，并经由该些电源处理单元转换该交流输出电压为一直流驱动电压，以驱动该些发光二极管提供均流背光。

请参见图4a为本发明该发光二极管的均流背光驱动电路第二实施例的电路图。承上所述，该实施例与第一实施例最大差异在于本实施例的该磁性元件Me为一变压器，其中，该变压器的一、二次侧匝数比为n∶1。同样地，该发光二极管的均流背光驱动电路是对多个(N个)发光二极管提供均流背光驱动，以N＝2为例说明，亦即，该发光二极管的均流背光驱动电路是驱动一第一发光二极管21与一第二发光二极管22，并且，该均流背光驱动电路包含一第一电源处理单元11与一第二电源处理单元12。

该E类转换器10接收一直流输入电压Vin，以产生一交流输出电压Vac，并且，该E类转换器10包含该变压器Me与一功率开关Qs。该功率开关Qs电性连接该变压器Me，其中，当该功率开关Qs导通时，该直流输入电压Vin对该变压器Me提供能量；当该功率开关Qs截止时，该变压器Me释放所储存的能量。

该第一电源处理单元11与该第二电源处理单元12分别包含一平衡电容与一整流滤波单元。其中，该第一电源处理单元11包含一第一平衡电容CB1与一第一整流滤波单元112；该第二电源处理单元12包含一第二平衡电容CB2与一第二整流滤波单元122。其中，该第一电源处理单元11的该第一平衡电容CB1与该第二电源处理单元12的该第二平衡电容CB2的容值相同。

配合参见图4b为图4a该发光二极管的均流背光驱动电路的等效电路图。由于该变压器Me的一、二次侧匝数比为n∶1，因此，可通过将二次侧等效转换的一次侧，如此，该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2的容值将等效转换为匝数比值的平方倍(如图所标示)。该第一平衡电容CB1电性连接该变压器Me，以通过该变压器Me所释放的储能对该第一平衡电容CB1充电；同样地，该第二平衡电容CB2电性连接该变压器Me，以通过该变压器Me所释放的储能对该第二平衡电容CB2充电。因此，该第一平衡电容CB1与该第二平衡电容CB2所形成的等效容值则与该E类转换器10的该变压器Me产生谐振操作，以产生一谐振电压Vcb，如此，通过该变压器Me与该些平衡电容CB1，CB2所形成的谐振操作，能够大大地消除该功率开关Qs的切换损失并降低切换时所引起的di/dt及dv/dt会造成严重的电磁干扰(EMI)。

请参见图6为本发明该发光二极管的均流背光驱动电路操作方法的流程图。该发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，是对多个发光二极管提供均流背光驱动。该均流背光驱动电路操作方法的步骤包含：首先，提供一E类转换器(S100)，其中，该E类转换器具有一磁性元件与一功率开关。其中，该磁性元件可为一电感或一变压器。另外，该功率开关系为一金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)。并且，该发光二极管的均流背光驱动电路还包含一控制器以切换该功率开关的导通与截止。

接着，该E类转换器接收一直流输入电压，并利用该功率开关的切换以控制该磁性元件储存或释放该直流输入电压所提供的能量(S200)。该E类转换器接收一直流输入电压，以产生一交流输出电压。该功率开关电性连接该磁性元件，其中，当该功率开关导通时，该直流输入电压对该磁性元件提供能量，此时，流经该磁性元件的一电流呈线性逐渐增加，使得该直流输入电压对该磁性元件提供能量而储存在该磁性元件内。当该功率开关截止时，原来储存在该磁性元件内的能量则释放。

接着，提供多个电源处理单元(S300)，其中，每一该电源处理单元包一平衡电容与一整流滤波单元。其中，每一该整流滤波单元包含两整流二极管与一滤波电容。并且，该些电源处理单元的该些平衡电容的容值相同。

接着，通过该磁性元件所释放的储能对该些平衡电容充电以产生一谐振电压(S400)。该些平衡电容所形成的等效容值则与该E类转换器的该磁性元件产生谐振操作，以产生弦波形式的一谐振电压，跨压在每一平衡电容上。因此，利用该E类转换器的该磁性元件与该功率开关接收该直流输入电压，而产生该交流输出电压，以提供该些平衡电容的交流充电电压，而与该磁性元件产生谐振。如此，通过该磁性元件与该些平衡电容所形成的谐振操作，能够大大地消除该功率开关的切换损失并降低切换时所引起的di/dt及dv/dt会造成严重的电磁干扰(EMI)。

最后，通过该些整流滤波单元整流并滤波该交流输出电压，以产生一直流驱动电压，进而驱动所对应的该发光二极管(S500)。该些整流滤波单元的该滤波电容与该些整流二极管对该交流输出电压进行整流与滤波，而提供该些发光二极管所需要的直流驱动电压。

藉此，利用该E类转换器所产生的该交流输出电压，并经由该些电源处理单元转换该交流输出电压为该直流驱动电压，以驱动该些发光二极管提供均流背光。

综上所述，本发明具有以下的优点：

1、仅使用到一个开关元件(功率开关)及一个磁性元件即可产生交流电源，以提供后级的多组直流负载(发光二极管)的均流线路使用，而达到多组直流负载所需的电流平衡效果，以提高该些发光二极管的电流平衡能力，进而提高发光效率并维持背光照明输出亮度的均匀度；

2、由于仅使用到一个开关元件与一磁性元件，如此，将降低零件成本，也因为零件使用数量上减少而提高均流背光驱动电路的可靠度。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种发光二极管的均流背光驱动电路，对多个发光二极管提供均流背光驱动；其特征在于，该均流背光驱动电路包含：

一E类转换器，接收一直流输入电压，以产生一交流输出电压，该E类转换器包含：

一磁性元件；

一功率开关，电性连接该磁性元件，其中，当该功率开关导通时，该直流输入电压对该磁性元件提供能量；当该功率开关截止时，该磁性元件释放所储存的能量；及

多个电源处理单元，其中，每一该电源处理单元包含：

一平衡电容，电性连接该磁性元件，其中该平衡电容根据该磁性元件所释放的储能充电以产生谐振操作；

一整流滤波单元，电性连接该平衡电容及对应的该发光二极管，其中该整流滤波单元整流并滤波该交流输出电压，以产生一直流驱动电压，进而驱动所对应的该些发光二极管。

2.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该发光二极管的均流背光驱动电路还包含一控制器以切换该功率开关的导通与截止。

3.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该磁性元件为一电感。

4.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该磁性元件为一变压器。

5.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该功率开关为一金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该整流滤波单元包含两整流二极管与一滤波电容。

7.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该些电源处理单元的该些平衡电容的容值相同。

8.根据权利要求1所述的发光二极管的均流背光驱动电路，其特征在于，该些平衡电容的等效容值与该磁性元件提供谐振操作。

9.一种发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，对多个发光二极管提供均流背光驱动；其特征在于，该均流背光驱动电路操作方法的步骤包含：

(a)提供一E类转换器，该E类转换器具有一磁性元件与一功率开关；

(b)该E类转换器接收一直流输入电压，并利用该功率开关的切换以控制该磁性元件储存或释放该直流输入电压所提供的能量，以产生一交流输出电压；

(c)提供多个电源处理单元，每一该电源处理单元包一平衡电容与一整流滤波单元；

(d)通过该磁性元件所释放的储能对该些平衡电容充电以产生谐振操作；及

(e)通过该些整流滤波单元整流并滤波该交流输出电压，以产生一直流驱动电压，进而驱动所对应的该些发光二极管；

藉此，利用该E类转换器所产生的该交流输出电压，并经由该些电源处理单元转换该交流输出电压为该直流驱动电压，以驱动该些发光二极管提供均流背光。

10.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，在该步骤(b)中，当该功率开关导通时，该磁性元件储存该直流输入电压所提供的能量；当该功率开关截止时，该磁性元件释放该直流输入电压所提供的能量。

11.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该发光二极管的均流背光驱动电路还包含一控制器以切换该功率开关的导通与截止。

12.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该磁性元件为一电感。

13.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该磁性元件为一变压器。

14.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该功率开关为一金属氧化物半导体场效应晶体管。

15.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该整流滤波单元包含两整流二极管与一滤波电容。

16.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该些电源处理单元的该些平衡电容的容值相同。

17.根据权利要求9所述的发光二极管的均流背光驱动电路的操作方法，其特征在于，该些平衡电容的等效容值与该磁性元件谐振提供谐振操作。

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