CN102956202A - 电流控制级、定电流控制系统、以及电流控制方法 - Google Patents

电流控制级、定电流控制系统、以及电流控制方法 Download PDF

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Abstract

电流控制级、定电流控制系统、以及电流控制方法，适用于一背光系统。该背光系统包含有一电压控制级，在一输出端提供一输出电压，具有一补偿端。该补偿端的补偿电压大约决定该电压控制级的输出功率。该背光系统具有一发光元件，其一端耦接于该输出端。该电流控制级包含有一电流控制器以及一反馈装置。该电流控制器耦接至该发光元件的另一端，使流经该发光元件的发光电流大约为一电流预设值。该电流控制器具有一控制端，其控制电压大约控制该发光电流。该反馈装置，依据该控制电压，来影响该补偿电压，以使得该控制电压大约维持在一第一电压预设值。

Description

电流控制级、定电流控制系统、以及电流控制方法
技术领域
本发明涉及背光系统，尤其涉及关于背光系统的发光元件的电源供应电路。
背景技术
对于手持式与移动型电子装置，像是智能手机以及笔记型计算机等，能量使用的效率一直是业界不断追求的一个目标。唯有携带有足够的电能以及有效率的运用，才能延展手持式与移动型电子装置的使用时间。在手持式与移动型电子装置中，屏幕的背光，也是一个主要的能量消耗源。目前背光一般都已经以发光二极管(1ight emitted diode)来做为光源，因为其具有比较好的电光转换效能。但是，如何能够有效率的驱动LED，则是电源供应器设计者努力的目标之一。
图1显示已知的一背光系统8。背光系统8大约可以区分成三个部分：电压控制级4、电流控制级6、以及作为背光的发光二极管串(LEDchains)L1～LN。通过反馈端FB以及补偿端COM所提供的反馈机制，以及功率开关15控制电感元件PRM的释能与储能，电压控制级4在输出端OUT上建立输出电压VOUT。电流控制级6中的控制单元20控制了NMOS晶体管N1～NN的栅极端(gate)，使得每个发光二极管串所流经的电流都相等，如此，每个发光二极管的亮度大致都会差不多，可以达到亮度均匀的目标。每个发光二极管串中的发光二极管的数目，可以一样，也可以不一样。
每一个NMOS晶体管N1～NN都可以视为一个电压控制电流源，流经其中的电流，大致上是由其栅极端的控制电压所决定。举NMOS晶体管N1为例，NMOS晶体管N1的漏极到源极的压降VDS，需要到达一定最小值VDS-MIN以上，NMOS晶体管N1才能表现出电压控制电流源的行为。如果压降VDS太高，NMOS晶体管N1便会消耗太多电能，减低了整个背光系统8的效率。因此，要让背光系统8的效率最佳化，就应该让NMOS晶体管N1～NN的漏极电压不低于，但越靠近最小值VDS-MIN越好。因此，电流控制级6具有二极管阵列12，把NMOS晶体管N1～NN的漏极电压中的最小值送给控制单元20，控制单元20通过端CRT，据以调整反馈端FB的反馈电压VFB，也调整了补偿端COM的补偿电压VCOM，改变了电压控制级4的输出功率。
举例来说，控制单元20通过二极管阵列12发现当下NMOS晶体管N1～NN的漏极电压中最小值是0.6V，高于最小值目标电压0.5V。因此，控制单元20从端CRT灌出电流，拉高反馈电压VFB，补偿电压VCOM所以被降低，电压控制级4的输出功率下降，输出电压VOUT也就下降。因此，NMOS晶体管N1～NN的漏极电压中最小值就跟着下降，往目标电压0.5V接近，可以增加电能使用效率。
如果背光系统8有调光控制(dimming control)，那二极管阵列12就必须耐受高压，所以可能不适合与控制单元20一同整合于一单芯片(monolithic)集成电路(integrated circuit)中。对于制造成本而言，背光系统8可能需要改善。
发明内容
本发明的一实施例提供一电流控制级，适用于一背光系统。该背光系统包含有一电压控制级，在一输出端提供一输出电压，具有一补偿端。该补偿端的补偿电压大约决定该电压控制级的输出功率。该背光系统具有一发光元件，其一端耦接于该输出端。该电流控制级包含有一电流控制器以及一反馈装置。该电流控制器耦接至该发光元件的另一端，使流经该发光元件的发光电流大约为一电流预设值。该电流控制器具有一控制端，其控制电压大约控制该发光电流。该反馈装置，依据该控制电压，来影响该补偿电压，以使得该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
本发明的一实施例提供一定电流控制系统，包含有一电压控制级、一负载、以及一电流控制级。该电压控制级在一输出端提供一输出电压。该电流控制级，包含有一电压控制电流源以及一定电流装置。该电压控制电流源具有一控制端，控制流经该负载的电流。该负载耦接于该输出端与该电压控制电流源之间。该定电流装置控制该控制端的一控制电压，以使流经该负载的该电流大约为一电流预设值。该反馈装置依据该控制电压，来影响该电压控制级的一输出功率，以使该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
本发明的一实施例提供一电流控制方法，适用于控制一发光元件的亮度。该电流控制方法包含有：以一输出功率，在该发光元件的一端建立一输出电压。提供一控制电压，来大约控制流经该发光元件的另一端的发光电流；控制该控制电压，以使该发光电流大约为一预设定电流；以及，依据该控制电压，来调整该输出功率，以使该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
附图说明
图1显示已知的一背光系统。
图2与图3显示依据本发明所实施的二背光系统。
【主要元件符号说明】
4电压控制级
6电流控制级
8背光系统
12二极管阵列
15功率开关
20控制单元
44电压控制级
60背光系统
62电流控制级
641运算放大器
66反馈装置
68运算放大器
70最大值供应器
72电流控制级
76反馈装置
80背光系统
C、C1～CN电流控制器
COM补偿端
CRT端
FB反馈端
GATE、GATE1～GATEN栅极端
L、L1～LN发光二极管串
N1～NNNMOS晶体管
OUT输出端
PRM电感元件
RS1检测电阻
VCOM补偿电压
VFB反馈电压
VOUT输出电压
Vref设定电压
Vtrgt目标电压
Vtrgt2目标电压
具体实施方式
在本说明书中，具有相同符号的元件，为具有大致相同或是类似的功能、结构、组织、或应用的元件，不必然需要彼此完全相同。此业界具有普通相关知识者，基于本说明书的教导，将知道替换或是改变实施例中的元件，来实现本发明。本发明的实施例，并不用于限制本发明的权利范围。
图2显示依据本发明所实施的背光系统60，其包含有电压控制级4、电流控制级62、以及作为背光的发光二极管串L1～LN。
电压控制级4，如同图1所示，可以是一升压电路(booster)。在图1中，电源管理器18依据在补偿端COM的补偿电压VCOM，来大致控制功率开关15，决定电感元件PRM所转换的电能，也决定电压控制级4的输出功率，以在输出端OUT上建立输出电压VOUT。
电流控制级62有N个电流控制器C1～CN，分别对应到发光二极管串L1～LN。每个发光二极管串的阳极，都共同连接到输出端OUT；每个发光二极管串的阴极，都连接到一相对应NMOS晶体管的漏极。每个电流控制器C1～CN最好是都有一样的电路架构。
电流控制器C1，举例来说，具有运算放大器641、NMOS晶体管N1、以及检测电阻RS1。运算放大器641的非反相输入耦接到设定电压Vref，反相输入耦接到检测电阻RS1，输出则驱动NMOS晶体管N1的栅极端GATE1。检测电阻RS1则是耦接于NMOS晶体管N1的源极到接地线之间。NMOS晶体管N1需要流过相当大的电流，所以是一种功率晶体管。栅极端GATE1上的控制电压，大约控制着流经NMOS晶体管N1的电流，也大约等于流经发光二极管串L1的电流，所以NMOS晶体管N1也可以视为一电压控制电流源。从电路架构可推知，电流控制器C1会将流经NMOS晶体管N1的电流，大约控制在Vref/RRS1这样的电流预设值，其中，RRS1为检测电阻RS1的电阻值。
电流控制级62中还具有反馈装置66，其包含有运算放大器68以及最大值供应器70。最大值供应器70具有二极管阵列，其中每一二极管的阳极连接到一相对应的电流控制器Cn中的栅极端GATEn，而每一二极管的阴极共同连接到运算放大器68的反相输入。如果最大值供应器70中的二极管皆为理想二极管，运算放大器68的反相输入的电压会等于位于栅极端GATE1～GATEN的控制电压中的最大值VGATE-MAX。运算放大器68的非反相输入耦接到一目标电压Vtrgt，其输出耦接至电压控制级4的端CRT。端CRT可以视为一目标电压控制端。如果端CRT的电压降低，则输出电压VOUT的目标值会被提高。
从电流控制级62与电压控制级4的电路可以推知，在平衡时，运算放大器68的反相输入会大约维持在目标电压Vtrgt。换句话说，最大值VGATE-MAX会大约维持在跟目标电压Vtrgt对应的一电压预设值。举例来说，目标电压Vtrgt是4V，而当下运算放大器68的反相输入的电压为4.3V。则运算放大器68从端CRT汲取电流，降低反馈电压VFB，补偿电压VCOM所以被升高，所以电压控制级4的输出功率增加，输出电压VOUT也就增加。增加的输出电压VOUT意味着栅极端GATE1～GATEN的控制电压可能需要降低，才可以维持流经NMOS晶体管N1～NN的电流不变。因此，电流控制器C1～CN降低栅极端GATE1～GATEN的控制电压，所以使运算放大器68的反相输入的电压也随之降低，往目标电压Vtrgt接近。
维持栅极端GATE1～GATEN的控制电压中的最大值VGATE-MAX，就等同于维持NMOS晶体管N1～NN的最低沟道电阻(channel resistance)，可以有效的控制电能使用效率。
相较于图1的背光系统8，图2的背光系统60中不需要有耐高压的二极管阵列12，而反馈装置66也不必要耐受高压，所以可以与电流控制器C1～CN一起形成于一单芯片集成电路。而且，图1中的控制单元20，如果以一单芯片集成电路形成，则需要有一特别引脚(pin)连接至二极管阵列12，来检测NMOS晶体管N1～NN的最低漏极电压。图2的电流控制级62，如果以一单芯片集成电路形成，就不需要有这样特别引脚，因为检测的是NMOS晶体管N1～NN的最高控制电压，都是集成电路内部信号。因此，电流控制级62可以有比较小的引脚数目(pin count)。
图2的实施例驱动了数个发光二极管串L1～LN，但本发明也可以运用于驱动单一个发光二极管串。本发明另一个实施例跟图2的背光系统60一样，只是电流控制级62只有一个电流控制器C1，背光系统也只有单一发光二极管串L1。
虽然图2中的电压控制级4为一升压电路，但是本发明并不限于此。在此业界具有一般知识者可以以其他种电源转换电路，譬如降压转换器(buckconverter)、返驰式转换器(flyback converter)等等，来取代图2中的电压控制级4，一样地实现本发明。
图3显示依据本发明实施的一背光系统80。电压控制级44可以是任何的电源转换电路，譬如升压电路(booster)、降压转换器(buck converter)、返驰式转换器(flyback converter)等等。电压控制级44具有补偿端COM，其补偿电压VCOM大约决定电压控制级44对输出端OUT的输出功率。举例来说，补偿电压VCOM越高，电压控制级44的输出功率越高。电流控制级72具有电流控制器C以及反馈装置76。电流控制器C的电路架构与原理可以由先前实施例所推知，不再重述。反馈装置76为一运算放大器，其反相输入耦接到目标电压Vtrgt2，非反相输入耦接到栅极端GATE，其输出连接到补偿端COM，可以影响补偿电压VCOM。
与图2的操作原理类似的，在图3中，如果栅极端GATE的控制电压VGATE低于目标电压Vtrgt2，补偿电压VCOM会被反馈装置76拉低，输出端OUT的输出电压VOUT降低。因此，电流控制器C会拉高控制电压VGATE，使其大约维持在目标电压Vtrgt2附近，且维持流经发光二极管串L的电流为一电流预设值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电流控制级，适用于一背光系统，该背光系统包含有一电压控制级，在一输出端提供一输出电压，具有一补偿端，该补偿端的补偿电压大约决定该电压控制级的输出功率，该背光系统具有一发光元件，其一端耦接于该输出端，该电流控制级包含有：
一电流控制器，耦接至该发光元件的另一端，使流经该发光元件的发光电流大约为一电流预设值，该电流控制器具有一控制端，其控制电压大约控制该发光电流；以及
一反馈装置，依据该控制电压，来影响该补偿电压，以使得该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
2.如权利要求1所述的电流控制级，其中，该背光系统包含有多个发光元件，该电流控制级包含有多个电流控制器，分别耦接至并对应所述发光元件，该反馈装置包含有：
一最大值提供器，耦接至所述电流控制器的所述控制端，以提供一主信号，对应所述控制端的所述控制电压中的最大值；
其中，该主信号影响该补偿信号，以使该主信号大约维持在一第二电压预设值。
3.如权利要求1所述的电流控制级，该电压控制级包含有一目标电压控制端，可控制该输出电压，其中，当该控制电压高于该第一电压预设值时，该反馈装置通过该目标电压控制端，提高该输出电压。
4.如权利要求1所述的电流控制级，其中，该电流控制器包含有：
一功率晶体管，具有该控制端、一电流输入端以及一电流输出端，该电流输入端耦接至该发光元件的另一端；
一检测电阻，耦接于该电流输出端与一接地线之间；以及
一运算放大器，具有一反相输入、一非反相输入、以及一输出，该反相输入耦接至该检测电阻，该非反相输入耦接至一设定电压，该输出耦接至该控制端。
5.一种定电流控制系统，包含有：
一电压控制级，在一输出端提供一输出电压；
一负载；以及
一电流控制级，包含有：
一电压控制电流源，具有一控制端，控制流经该负载的电流，该负载耦接于该输出端与该电压控制电流源之间；
一定电流装置，控制该控制端的一控制电压，以使流经该负载的该电流大约为一电流预设值；以及
一反馈装置，依据该控制电压，来影响该电压控制级的一输出功率，以使该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
6.如权利要求5所述的定电流控制系统，其中，该负载包含有多个发光二极管。
7.如权利要求5所述的定电流控制系统，其中，该电压控制级为一开关式电源供应器，包含有一补偿端，该补偿端的补偿电压大约决定该开关式电源供应器的一功率开关的工作比例(duty ratio)，该反馈装置依据该控制电压，影响该补偿电压。
8.如权利要求5所述的定电流控制系统，其中，该定电流控制系统包含有多个负载，该电流控制级包含有多个电压控制电流源，分别耦接并对应所述负载，该反馈装置包含有：
一最大值提供器，耦接至所述电压控制电流源的所述控制端，以提供一主信号，对应所述电压控制电流源的所述控制电压中的最大值；
其中，该主信号影响该电压控制级的该输出功率，以使该主信号大约维持在一第二电压预设值。
9.一种电流控制方法，适用于控制一发光元件的亮度，包含有：
以一输出功率，在该发光元件的一端建立一输出电压；
提供一控制电压，来大约控制流经该发光元件的另一端的发光电流；
控制该控制电压，以使该发光电流大约为一预设定电流；以及
依据该控制电压，来调整该输出功率，以使该控制电压大约维持在一第一电压预设值。
10.如权利要求9所述的电流控制方法，适用于控制多个发光元件，该电流控制方法包含有：
以该输出功率，在所述发光元件的一共同端建立一输出电压；
提供多个控制电压，每一大约控制流经一相对应发光元件的另一端的一相对应发光电流；
依据所述控制电压中的一最大值，来调整该输出功率，以使该最大值大约维持在一第一电压预设值。
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