CN103093726B - 控制多路led的恒定电流的装置及使用该装置的液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制多路LED的恒定电流的装置，包括：多路LED，每路LED都包括LED阵列、晶体管和可变发射极电阻；反馈感测电路，用于感测每路LED的晶体管的集电极电压；以及控制器，用于响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的可变发射极电阻，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压。

Description

控制多路LED的恒定电流的装置及使用该装置的液晶显示器
本申请要求于2011年11月8日提交的韩国专利申请No.10-2011-0115614的优先权，为了所有目的在此援引该专利申请的全部内容作为参考，如同在这里完全阐述一样。
技术领域
本发明涉及一种用于控制多路LED(发光二极管)的恒定电流的装置及使用所述装置的液晶显示器。
背景技术
由于LED是电流驱动元件，所以其由恒定电流驱动，以保持亮度恒定。多个LED可配置为多路并实现为光源。每路LED包括LED阵列，所述LED阵列具有多个连接在一起的LED。多路LED通常连接到DC-DC转换器。
由于LED之间的差别，在多路LED之间，LED驱动电压，即正向电压Vf会有差异。DC-DC转换器针对具有较高正向电压Vf的一路LED的LED阵列产生输出电压。为保持流过多路LED的电流恒定，控制与每路的LED阵列连接的晶体管，以控制流过多路LED的恒定电流。为此，给设置于每路LED中的晶体管的基极设定等于或大于预定参考电压的电压，以控制流过多路LED的电流。
在用于控制多路LED的恒定电流的常规装置中，由于多路LED之间的正向电压的差异，可给用于驱动恒定电流的晶体管的两端施加大于所需电平的电压。在该情形中，要求晶体管具有更大的尺寸，因为其需要高容量的沟道。结果，用于控制多路LED的恒定电流的常规装置的晶体管不是集成在集成电路(之后称为“IC”)内，而是设置在IC外部。
图1是显示在用于控制多路LED的恒定电流的常规装置中，每路LED的功耗的例子的示图。
如图1中所示，在用于控制多路LED的恒定电流的装置中，假定第一路LED的LED阵列LED 1的正向电压Vf1为9V，第二路LED的LED阵列LED2的正向电压Vf2为8V，且当晶体管Q1和Q2导通时流过LED阵列LED 1和LED 2的电流I为0.1A。在该情形中，DC-DC转换器(未示出)针对具有较高正向电压Vf1的第一路LED的LED阵列，输出驱动第一和第二路LED所需的10V电压。
第一路LED的LED阵列LED 1中消耗的电功率PLED1为“PLED1＝9V×0.1A＝0.9W”。其中，0.1W是当仅使用在晶体管Q1的线性操作区域中能进行电流控制的集电极-发射极电压Vce1时损耗的最小电功率。因为发射极电阻R1的电压Vr1固定为“Vr1＝5Ω×0.1A＝0.5V”，所以发射极电阻R1中消耗的功率Pr1为“Pr1＝0.5V×0.1A＝0.05W”。晶体管Q1的集电极-发射极电压Vce1等于0.5V的电压，该电压是通过从DC-DC转换器的输出电压10V中减去LED阵列LED 1的正向电压Vf1和发射极电阻R1的电压Vr1获得的。因此，由于Vce1＝0.5V，所以晶体管Q1的功耗Pq1等于Pq1＝Vce1×I＝0.5V×0.1A＝0.05W。
因为第二路LED的LED阵列LED 2的正向电压Vf2为8V，所以第二路LED的LED阵列LED 2中消耗的电功率为“PLED2＝8V×0.1A＝0.8W”。由于发射极电阻R2的电压Vr2固定为“Vr2＝5Ω×0.1A＝0.5V”，所以发射极电阻R2中消耗的功率Pr2为“Pr2＝0.5V×0.1A＝0.05W”。如果第二路LED的参考电压提高到1.5V，则晶体管Q2的集电极-发射极电压Vce2等于1.5V的电压，该电压是通过从DC-DC转换器的输出电压10V中减去LED阵列LED2的正向电压Vf2和发射极电阻R2的电压Vr2而获得的。因此，由于Vec2＝1.5V，所以晶体管Q2的功耗Pq2等于Pq2＝Vce2×I＝1.5V×0.1A＝0.15W。
从图1可以看出，由于LED阵列LED 1和LED 2之间的正向电压的差异，第二路LED的晶体管Q2比第一路LED的晶体管Q1具有更高的功耗，并增加同样多的热量。因此，晶体管Q1和Q2的尺寸变得更大，因为它们需要制造成具有一定沟道比，来经受与第二晶体管Q2的额定功耗一样多的功耗，这使得很难将晶体管集成在IC内。
发明内容
本发明旨在提供一种用于控制多路LED的恒定电流的装置，所述装置能降低晶体管的功耗并能将晶体管制造成具有足以集成在IC内的尺寸。
根据本发明的用于控制多路LED的恒定电流的装置包括：多路LED，每路LED都包括LED阵列、晶体管和可变发射极电阻；反馈感测电路，用于感测每路LED的晶体管的集电极电压；以及控制器，用于响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的可变发射极电阻，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压。
附图说明
给本发明提供进一步理解并组成说明书一部分的附图图示了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是显示在用于控制多路LED的恒定电流的常规装置中，每路LED的功耗的例子的示图。
图2是显示根据本发明典型实施方式的用于控制多路LED的恒定电流的装置的框图；
图3是显示根据本发明典型实施方式的液晶显示器的框图。
具体实施方式
之后，将参照附图描述本发明的典型实施方式。在整个说明书中，相同的参考标记表示相同的部件。在下面的描述中，如果确定与本发明相关的公知功能或结构的详细描述会使本发明的主题不清楚，则省略这些详细描述。
参照图2，根据本发明典型实施方式的用于控制多路LED的恒定电流的装置100包括多路LED，用于产生驱动多路LED所需的电压的DC-DC转换器12，以及集成在IC 110内的晶体管Qa到Qd。晶体管Qa到Qd可由诸如BJT(双极性结型晶体管)或FET(场效应晶体管)这样的晶体管器件实现。
尽管图2将多路LED图示为包括第一到第四路LED的四路LED，但本发明并不限于此。例如，LED的路数包括N(N为等于或大于2的正整数)路LED。
第一路LED包括第一LED阵列20a、第一晶体管Qa、第一可变发射极电阻VR1以及第一比较器36a。第二路LED包括第二LED阵列20b、第二晶体管Qb、第二可变发射极电阻VR2以及第二比较器36b。第三路LED包括第三LED阵列20c、第三晶体管Qc、多个发射极电阻R1和R2以及多个开关元件S1和S2。第四路LED包括第四LED阵列20d、第四晶体管Qd、多个发射极电阻R3和R4以及多个开关元件S3和S4。可通过第三和第四路LED的电阻和开关元件的组合实现第一和第二路LED的可变电阻VR1和VR2。LED阵列20a到20d中的每一个可包括如图2中所示的串联连接的多个LED，但本发明并不限于此，每个LED阵列可包括串联/并联连接的LED。
比较器36a到36d中的每一个由运算放大器实现，所述运算放大器包括被提供有参考电压Vref的非反相输入端(+)，与晶体管Qa到Qd的发射极端子(或源极端子)连接的反相输入端(-)，以及与晶体管Qa到Qd的基极端子(或栅极端子)连接的输出端。比较器36a到36d根据参考电压Vref控制晶体管Qa到Qd的基极电压，从而保持流过多路LED的电流恒定。
DC-DC转换器12的输出端通常与多路LED的LED阵列连接，以给LED阵列20a至20d的阳极提供输出电压。
DC-DC转换器12在控制器120的控制下，产生比第一到第四LED阵列20a到20d的正向电压Vf1到Vf4之中最高的电压还高的输出电压。例如，如果第一到第四LED阵列20a到20d的正向电压Vf1到Vf4为如图2中所示，则DC-DC转换器12可针对具有最高正向电压的第一LED阵列20a输出10V的电压。
本发明的多路LED恒定电流控制装置100进一步包括反馈感测电路30、控制器120和晶体管控制器36。
反馈感测电路30以时分方式感测每个晶体管Qa到Qd的集电极(或漏极)电压，并将该电压提供给控制器120。为此，反馈感测电路30包括用于在控制器120的控制下以时分方式输出每个晶体管Qa到Qd的集电极电压(或漏极电压)的多路复用器32、和用于将多路复用器(MUX)32的输出电压转换为数字数据的ADC(模拟-数字转换器)34。
晶体管控制器36给比较器36a到36d提供参考电压Vref，从而能够实现用于控制DC-DC转换器12的输出电压的反馈控制。晶体管控制器36在控制器120的控制下调整参考电压Vref。
控制器120控制每路LED的参考电压Vref，从而通过控制反馈感测电路30的操作时序并分析每路LED的反馈电压来保持流过多路LED的电流I恒定。此外，控制器120改变可变电阻的电阻值，以降低多路LED的晶体管Qa到Qd的功耗。为此，控制器120可产生用于控制开关元件S1到S4的ON/OFF的开关控制信号。
之后，将参照图2详细描述根据本发明的多路LED恒定电流控制装置100的操作。
假定第一路LED的LED阵列20a所需的正向电压Vf1为9V，第二到第四路LED的LED阵列20d到20d所需的正向电压Vf2到Vf4为8V，且当晶体管Qa到Qd导通时流过LED阵列20d到20d的恒定电流I为0.1A。此外，DC-DC转换器12针对具有最高正向电压的第一路LED的LED阵列输出10V的电压。
在将多路LED恒定电流控制装置100初始化之后，紧接着，晶体管控制器36在控制器120的控制下输出被设为默认电压的0.5V的参考电压Vref，并且DC-DC转换器12产生10V的输出电压。然后，晶体管Qa到Qd的基极电压上升到参考电压Vref，以导通晶体管Qa到Qd。此刻，反馈感测电路30感测晶体管Qa到Qd的集电极电压，并将该电压提供给控制器120。由于LED阵列20a到20d之间的正向电压的差异，感测到第一晶体管Qa的集电极电压为2V，而感测到第二到第四晶体管Qb到Qd中的每一个的集电极电压为1V。
控制器120提高参考电压Vref，以保持第二到第四路LED中的电流恒定，在第二到第四路LED中晶体管的集电极电压高于预定电压，且控制器120提高发射极电阻值，由此抑制晶体管Qb到Qd的功耗增加。所述预定电压可设为1V，其是所述默认参考电压Vref的两倍。如果晶体管的集电极电压比所述预定电压高，则随着晶体管的集电极电压变高，控制器120可控制进一步提高参考电压Vref。在图2中，响应于晶体管的集电极电压的感测结果，控制器120将第一路LED的参考电压保持为1V，并将第一可变发射极电阻VR1的电阻值保持为5Ω。另一方面，响应于晶体管的集电极电压的感测结果，控制器120将第二到第四路LED中的每路的参考电压提高到1.5V。
第一LED阵列20a的功耗为0.9W，与图1的第一路LED中相同，第二到第四LED阵列20b到20d的每一个的功耗为0.8W，与图1的第二路LED中相同。
第一路LED的晶体管Qa和第一可变发射极电阻VR1中消耗的电功率为0.1W。由于第一可变发射极电阻VR1的电阻值为5Ω，因此第一可变发射极电阻VR1的功耗为0.05W，与图1中所示的相同。第一晶体管Qa的集电极-发射极电压Vce1等于0.5V电压，该电压是通过从DC-DC转换器12的输出电压10V减去第一LED阵列20a的正向电压和第一可变发射极电阻VR1的两端的电压而得到的。因此，由于Vec1＝0.5V，所以晶体管Qa的功耗Pq1等于Pa1＝Vce1×I＝0.5V×0.1A＝0.05W。第一晶体管Qa的集电极-发射极电压Vce1等于FET的漏极-源极电压。
响应于第二到第四路LED的晶体管的集电极电压的感测结果，控制器120将第二到第四路LED中的每路的参考电压Vref提高到1.5V，并将发射极电阻值从默认电阻值5Ω提高到15Ω。在该情形中，第二可变发射极电阻VR2的电压Vr2提高到“Vr2＝15Ω×0.1A＝1.5V”，其功耗Pr2为“Pr2＝1.5V×0.1A＝0.15W”。晶体管Qb的集电极-发射极电压Vce2等于0.5V电压，该电压是通过从DC-DC转换器12的输出电压10V中减去第二LED阵列20b的正向电压8V和第二可变发射极电阻VR2的电压1.5V获得的。因此，由于第二可变发射极电阻VR2的电阻值增加，所以第二晶体管Qb的功耗Pq2降低到Pq2＝Vce2×I＝0.5V×0.1A＝0.05W。
如上所述，在第三和第四路LED中，可通过开关元件S1到S4与第一和第二电阻R1和R2的组合实现可变发射极电阻VR1和VR2。第一电阻R1的电阻值可设为15Ω，第二电阻R2的电阻值可设为7.5Ω。控制器120提高具有相对低的正向电压的一路LED，例如第三路LED的参考电压，并导通第一开关元件S1，以将发射极电阻的电阻值提高到15Ω。另一方面，如果晶体管Qc的集电极电压等于或小于预定电压，则控制器120将参考电压保持为默认值，并导通第一和第二开关元件S1和S2，以控制发射极电阻的电阻值，使该电阻值具有5Ω，该电阻值为第一和第二电阻的并联电阻值。
同图2中的与第三路LED连接的电阻R1和R2一样，电阻R1到R4可设置在IC 110外部。在另一个实例中，同与第四路LED连接的第四电阻R4一样，电阻R1到R4中的一个或多个可与其它元件一起集成在IC 110内。
第三路LED的第一和第二开关元件S1和S2与第三晶体管Qc的发射极端子并联连接。第一电阻R1连接在第一开关元件S1与地电压源GND之间。第二电阻R2连接在第二开关元件S2与地电压源GND之间。同样地，第四路LED的第三和第四开关元件S3和S4与第四晶体管Qd的发射极端子并联连接。第三电阻R3连接在第三开关元件S3与地电压源GND之间。第四电阻R4连接在第四开关元件S4与地电压源GND之间。
响应于从反馈感测电路30输入的反馈感测结果，控制器120同时导通下述一路LED的开关元件S1和S2(或者S3和S4)，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压低于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而电阻R1和R2(或者R3和R4)并联连接。因此，在具有较高正向电压的一路LED中，发射极电阻值较低。
响应于从反馈感测电路30输入的反馈感测结果，控制器120导通下述一路LED的开关元件S1和S2(或者S3和S4)之一，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而电阻R1和R2(或者R3和R4)之一与晶体管的发射极端子串联连接。因此，在具有较低正向电压的一路LED中，发射极电阻值较高。
如图3中所示，根据本发明的多路LED恒定电流控制装置100可用于液晶显示器的背光单元。
参照图3，本发明的液晶显示器包括液晶显示面板200、用于驱动液晶显示面板200的数据线201的源极驱动器210、用于驱动液晶显示面板200的栅极线202的栅极驱动器220、用于控制源极驱动器210和栅极驱动器220的时序控制器230、用于给液晶显示面板200照射光的背光单元300、以及用于驱动背光单元300的光源的多路LED恒定电流控制装置100。
液晶显示面板200具有形成在两个玻璃基板之间的液晶层。在液晶显示面板200中，根据数据线201和栅极线202的交叉结构，以矩阵形式布置液晶单元。液晶显示面板200的薄膜晶体管(之后称为“TFT”)阵列基板包括形成在其上的数据线201、栅极线202、TFT、与TFT连接的液晶单元的像素电极以及存储电容器。液晶显示面板200的滤色器基板包括形成在其上的黑矩阵、滤色器以及公共电极。液晶显示面板200可以诸如扭曲向列(TN)模式和垂直取向(VA)模式这样的垂直电场驱动模式、诸如面内切换(IPS)模式和边缘场开关(FFS)模式这样的水平电场驱动模式、或任何公知的液晶模式实现。
时序控制器230从外部主机系统接收时序信号Vsync、Hsync、DE和DCLK，并给源极驱动器210提供数字视频数据RGB。时序信号Vsync，Hsync，DE和DCLK包括垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、数据使能信号DE和点时钟信号DCLK。时序控制器230基于来自主机系统的时序信号Vsync、Hsync、DE和DCLK产生用于控制源极驱动器210和栅极驱动器220的操作时序的时序控制信号DDC和GDC。时序控制器230可通过画面质量补偿算法调制从主机系统接收的数字视频数据RGB，并将调制后的数字视频数据R’G’B’提供给源极驱动器210。
主机系统由下述任意一种实现：导航系统、机顶盒、DVD播放器、蓝光播放器、个人计算机(PC)、家庭影院系统、广播接收器和电话系统。主机系统包括其中结合有缩放器的SoC(芯片上系统(system on chip))，从而随输入图像数据一起给时序控制器230传输时序信号。
源极驱动器210在时序控制器230的控制下锁存数字视频数据R’G’B’。此外，源极驱动器210使用正/负伽马补偿电压将数字视频数据R’G’B’转换为正/负模拟数据电压，并将正/负模拟数据电压提供给数据线201。栅极驱动器220给栅极线202顺序地提供与在数据线201上的数据电压同步的栅极脉冲(或扫描脉冲)。
背光单元300布置在液晶显示面板200下方。背光单元300包括由多路LED恒定电流控制装置100驱动的光源，即LED，背光单元300向液晶显示面板200均匀地照射光。背光单元300可由直下型背光单元或边缘型背光单元实现。
如上所述，多路LED恒定电流控制装置100能够控制流过多路LED的电流，并调整发射极电阻值，以降低晶体管的功耗。多路LED恒定电流控制装置100的控制器120从局部调光电路(未示出)或其中结合有局部调光电路的时序控制器230接收调光值，并根据调光值执行DC-DC转换器12的PWM(脉宽调制)，以调整背光单元的亮度。
尽管参照多个示例性的实施方式描述了本发明，但应当理解，本领域技术人员能设计出多个其它修改例和实施方式，这落在本发明的原理的范围内。更具体地说，在说明书、附图和所附权利要求的范围内，在组成部件和/或主题组合构造的配置中可进行各种变化和修改。除了组成部件和/或配置中的变化和修改之外，可选择的使用对于本领域技术人员来说也将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种用于控制多路LED的恒定电流的装置，所述装置包括：
多路LED，每路LED都包括LED阵列、晶体管和可变发射极电阻；
反馈感测电路，用于感测每路LED的晶体管的集电极电压；以及
控制器，用于响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的可变发射极电阻，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中每路LED还包括比较器，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的参考电压，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压，
其中所述比较器根据所述参考电压控制所述晶体管。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述可变发射极电阻包括：
与所述晶体管的发射极端子并联连接的第一和第二开关元件；
连接在所述第一开关元件与地电压源之间的第一电阻；以及
连接在所述第二开关元件与所述地电压源之间的第二电阻，
其中所述控制器控制所述第一和第二开关元件，以改变所述可变发射极电阻的电阻值。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，同时导通下述一路LED的第一和第二开关元件，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压低于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而所述第一和第二电阻与所述晶体管的发射极端子并联连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，导通下述一路LED的第一和第二开关元件之一，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而所述第一和第二电阻之一与所述晶体管的发射极端子串联连接。
6.一种液晶显示器，包括：
液晶显示面板；
背光单元，用于将从多路LED发出的光照射给所述液晶显示面板，每路LED都包括LED阵列、晶体管以及可变发射极电阻；以及
多路LED恒定电流控制装置，用于控制所述多路LED的电流，所述多路LED恒定电流控制装置包括：
反馈感测电路，用于感测每路LED的晶体管的集电极电压；以及
控制器，用于响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的可变发射极电阻，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压。
7.根据权利要求6所述的液晶显示器，其中每路LED还包括比较器，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，提高下述一路LED的参考电压，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压，
其中所述比较器根据所述参考电压控制所述晶体管。
8.根据权利要求6所述的液晶显示器，其中所述可变发射极电阻包括：
与所述晶体管的发射极端子并联连接的第一和第二开关元件；
连接在所述第一开关元件与地电压源之间的第一电阻；以及
连接在所述第二开关元件与所述地电压源之间的第二电阻，
其中所述控制器控制所述第一和第二开关元件，以改变所述可变发射极电阻的电阻值。
9.根据权利要求8所述的液晶显示器，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，同时导通下述一路LED的第一和第二开关元件，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压低于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而所述第一和第二电阻与所述晶体管的发射极端子并联连接。
10.根据权利要求9所述的液晶显示器，其中所述控制器响应于从所述反馈感测电路输入的反馈感测结果，导通下述一路LED的第一和第二开关元件之一，即在所述一路LED中，晶体管的集电极电压高于其它几路LED的晶体管的集电极电压，从而所述第一和第二电阻之一与所述晶体管的发射极端子串联连接。
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