CN1112773A

CN1112773A - 点亮电致发光元件的方法和装置

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Publication number: CN1112773A
Application number: CN95101807A
Authority: CN
Inventors: 藤田裕司
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1995-02-09
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2015-02-09
Also published as: EP0667733A1; US5581160A; DE69510573T2; JPH0845663A; KR0166432B1; CN1070683C; EP0667733B1; DE69510573D1; KR950026316A

Abstract

一种用于EL元件的电致发光(EL)元件照明装置，包括用于自激振荡的第一电路(10，210)以产生具有第一频率的第一信号，并用于响应第一信号逐渐将所述EL元件充足电，和一第二电路(20，220)用于自振荡产生有第二频率的第二信号，和用于响应第二信号泄放贮存在所述EL元件中的电荷。该第一信号的第一频率高于第二信号的第二频率，而且第二信号仅在少于第二信号每周期的50％时间段内是有效的。

Description

本发明涉及用于点亮一电致发光（EL）元件的方法及装置，更具体地说，涉及用于点亮小尺寸高亮度的EL元件的方法和装置。

一个EL元件在薄型，重量轻和可塑造的形状方面具有种种优点并已用作液晶器件的背面照明。要点亮EL器件需要大约100V和800Hz左右的AC电压。为获得这种AC电压，通常用-DC-AC变换器将DC电压变换成AC电压。就变换器而言，现已采用的自激型变换器包括由变压器，晶体管，电阻和电容组成的一个阻塞振荡电路，如在日本专利申请审定公报JP-B-昭-62-15032中所提出的那样。此外，在日本专利申请审定公报JP-B-昭-62-11314中提出的一种变换器中，该EL元件的面积小到10cm²并用一节干电池来驱动。

在包含一阻塞振荡电路的自激型变换器中，该电路是简单的，但在供电DC电压变得较小时，变压器的一次绕组与二次绕组之比率必定变得较大，因而需要大尺寸的变压器。此外，当减小EL元件的面积时，在二次绕组之电感相同情况下，则提高了EL元件的驱动频率。然而，由于考虑到寿命与效率，不能大幅度提高该驱动频率，该驱动频率在增大变压器二次绕组电感的情况下保持在800Hz左右。在此情况下用800Hz驱动10cm²的EL元件时，例如，必需10H或更大的电感。因此，不能缩小变压器的尺寸。

以下将参考图1描述JP-B-昭-62-11314中所推荐的变换器。

该变换器主要包括充电电路1010，放电电路1020和控制电路1030。充电电路1010包括一升压电路，该升压电路由电感L1，双极晶体管Tr1和用于打开/关断晶体管TR1的振荡电路1011，和用于对升压后电流进行整流的二极管D1，组成，而放电电路1020包括晶体管Tr2。

接着下面将描述该变换器的工作情况。当控制电路1030将一充电控制信号加到如图2A所示的振荡电路1011时，振荡电路1011响应如图2B所示充电控制信号而振荡并将振荡信号加到晶体管Tr1的基极。当该振荡信号处于高电平时，晶体管Tr1便导通，使电流流过电感器L1。此时，电感器L1中贮存了（1/2）·L·I²的电磁能量，此处L是电感器L1的电感而I是流过电感器L1的电流峰值。接着，当振荡信号达到低电平时，使晶体管Tr1截止，从而使存在电感器L1的电磁能量通过二极管D1转移到容性EL元件并贮存其中。就这样，通过使振荡信号在高电平与低电平之间重复地转换工作，如图2D所示逐步地将EL元件充电。在此充电控制信号变为低电平的状态下，致使振荡电路1011停止振荡。在振荡电路1011停止振荡的同时，控制电路1030将放电控制信号加到放电电路1020，如图2C所示。放电电路1020的晶体管Tr2被导通，使EL元件放出所贮存的电荷。该变换器的一个周期的操作便如上所述而完成。该EL元件点亮两次，即，在一个周期内的充电和放电时点亮。

在采用诸如象JP-B-昭-62-11314中的干电池之类的低压电源的EL元件照明装置中，由于要求振荡频率要比EL元件的驱动频率高出2个数量级，故电感器L1的电感必须约为几百μH。该值比包括阻塞振荡电路的上述自激型变换器中的变压器电感要小5个数量级。不过该EL元件照明装置除充电电路和放电电路以外还需控制电路。而且，该控制电路必需产生两个不同的复杂控制信号，以控制充电电路和放电电路。结果，该该照明装置变得如此之复杂以致不能减小尺寸，从而导致该照明装置的高成本。

此外，在使用诸如干电池之类的低电压电源的情况下，用于驱动电感器L1的开关元件限于具有低工作电压的双极性晶体管。由于双极性晶体管通常具有长的截止时间，例如1μS以上，在双极性晶体管从导通至截止状态的转换期间，要流入EL元件的一部分电流流过双极性晶体管，其结果减小了用于EL元件的充电能量致使发光效率减退，故使其难以获得EL元件的高度明亮的照度。

本发明的一个目的是提供一种用于点亮小尺寸和薄结构的EL元件的方法和装置。

本发明的另一目的是提供一种用于点亮具有高发光效率的EL元件的方法和装置。

本发明的再一目的是提供用于照明能以高亮度点亮一EL元件的EL元件的方法和装置。

为获得按本发明的一个方面用于EL元件的电致发光（EL）元件照明装置，包括第一电路，以便自激振荡以产生具有第一频率的第一信号，并用于响应第一信号将所述EL元件逐步充电，和一个第二电路用于自激振荡以产生具有第二频率的第二信号和用于响应第二信号泄放存入所述EL元件内的电荷。该第一信号的第一频率高于第二信号的第二频率，而该第二信号仅在少于每个第二信号周期50%的时间间隔期间是有效的（active）。

为获得本发明另一方面的一种点亮电致发光（EL）元件的方法，该方法包括以下步骤：

使第一和第二信号发生自激振荡;

在第一信号每个周期的一部分期间，贮存能量;

在第一信号每周期的另一部分期间将所贮存能量转移到所述EL元件;和

响应第二信号泄放来自所述EL元件的电荷。

图1是表示包括一变换器的传统式EL元件照明装置的方块图;

图2A至2D是用于解释图1所示传统EL元件照明装置工作的时序图;

图3是表示根据本发明第一实施例的EL元件照明装置的方块图;

图4A至4D是用于说明根据第一实施例的EL元件照明装置的操作时序图;

图5是表示对按本发明第一实施例的EL元件照明装置的一个改型的方块图;

图6是表示可用于按第一实施例的EL元件照明装置中的一个多谐振荡器的方块图;

图7是表示按本发明第二实施例的EL元件照明装置的方块图;

图8A至8C是用于解释按第二实施例的EL元件照明装置的操作时序图;

图9是表示用于按第二实施例的EL元件照明装置中的一个FET的漏电流-栅电压特性曲线图;

图10是表示按本发明第三实施例的EL元件照明装置的方块图;

图11A至11C是用于解释按第三实施例的EL元件照明装置的操作时序图;和

图12是表示按本发明第四实施例的EL元件照明装置的方块图。

以下将参照诸附图详述根据本发明的EL元件照明装置。

首先，以下将参照图3描述按本发明第一实施例的EL元件照明装置。参照图3，该EL元件照明装置1被连接在DC电源Vin和容性EL元件之间。该EL元件照明装置1主要包括充电电路10和放电电路20。充电电路10包括升压电路12，电路12包括有电感L作为电感元件并连到电源终端的电感器L1，一个作为第一开关元件的双极性晶体管Tr1，其集电极连到电感器L1而发射极接地和一振荡电路11，用以产生加到晶体管Tr1基极的振荡信号使晶体管Tr1导通/截止，和其阳极连到电感器而阴极连到EL元件的二极管D1，用以整流升压后的电流，该放电电路20包括晶体管Tr2和振荡电路21，晶体管Tr2作为第二开关元件，其集电极连接到EL元件而其发射极接地，振荡电路21用于产生供给晶体管Tr2的基极的振荡信号。

下面，参考图4A至4D描述按本发明第一实施例EL元件照明装置的工作。振荡电路11以一个如图4A所示的短周期在一高电平和一低电平之间转换振荡并将该振荡信号加到晶体管Tr1的基极。当振荡信号有高电平时，晶体管Tr1导通以通过电感器L1流过如图4B所示电流。此时，正比于流过电感器L1的电流平方I²的电磁能量被贮存在电感器L1中。接着，当振荡信号到达低电平时，晶体管Tr1截止以使贮存在电感器L1中的电磁能量通过二极管D1被转移到容性EL元件并存在其中。就这样，在高电平与低电平之间重复转换振荡电路11的工作，如图4D中所示EL元件被逐步充电。当充电电压超过EL元件的阈值电压时，EL元件便点亮。振荡电路11的振荡频率在几十KHz到几MHz的范围内。也就是说，该频率比EL元件（待稍后说明）的驱动信号频率高出1至3个数量级，因此电感器L1的电感仅为几百μH，以致可用小电感器获得该照明装置。

在EL元件已充电状态下，振荡电路21给晶体管Tr2的基极供以一个如图4C中所示，有预定占空比并在一高电平和一低电平之间变换的作为驱动信号的振荡信号。该驱动信号的频率，即驱动频率等于EL元件的照度频率，通常约为800Hz。就放电电路20而言，当来自振荡电路21的振荡信号处于低电平时，晶体管Tr2截止以使放电操作停止。结果，EL元件借助充电电路10的充电操作被如此充电，致使EL元件两端电压增高。当来自振荡电路21的振荡信号变为高电平时，晶体管Tr2被导通，致使存在EL元件中的电荷如图4D所示通过晶体管Tr2泄放。因此，EL元件两端的电压下降。在此情况下，由于充电电路10总是工作，故充电电路10和放电电路20两者同时工作。然而，若放电晶体管Tr2具有极大电流量（great current Capacity）则几乎可将贮存在EL元件中的电荷全部泄放掉。所以，EL元件的充电和放电操作能可靠完成同时发光亮度也决不会下降。而且，由于充电电路10和放电电路20两者同时工作，故在放电周期期间，充电电路10的功耗是损耗功耗。然而，放电时间间隔被设置成等于或小于EL元件点亮周期的10%左右。换言之，来自振荡电路21的振荡信号的占空比等于或小于10%。所以，该损耗极小并不有害地影响功耗。

如上所述，在本发明中充电电路包括振荡电路，电感器，晶体管和二极管，而放电电路包括振荡电路和一晶体管。所以，不需要具有复杂结构的传统式控制电路，而且该EL元件照明装置有尺寸小和薄型结构可以低成本提供。

图5是表示按第一实施例的EL元件照明装置的一个改型的方块图，其中变压器T1用来替代电感器。从缩小尺寸角度论，该改型由于采用了变压器，与使用电感器的第一实施例相比较为不利。不过，由于可提高加到EL元件的电压，使得以高亮度点亮EL元件成为可能。其一次绕组末端连到DC电源而二次绕组末端连到二极管D1。变压器T1的中心抽头连接到晶体管Tr1的集电极。这些组成部分与图3所示第一实施例的相同，所以，采用变压器的EL元件照明装置的工作原理基本上与用电感器的上述第一实施例的相同。变压器T1的二次绕组侧的输出，基于由变压器T1之一次侧的电感所贮存的能量而通过二次绕组被提升至一较高电压。这样，变压器T1的一次绕组侧的电感可近似等于几百μH的电感器L1的电感，变压器T1的二次绕组侧的电感最大为同mH。所以，可使该变压器具有比自激型变换器中所用电感大约小四个数量级的电感。

图5所示变压器T1是其一次绕组电气连接到二次绕组的变压器。但也可采用象通常那样其一次绕组与二次绕组电气绝缘的变压器。

在图3或5所示EL元件照明装置中，可将图6所示多谐振荡器用作振荡电路。结果使该振荡电路的结构简单，并可制造成集成电路（IC），从而缩小照明装置的尺寸。

接着下面将参照图7描述按本发明第二实施例采用诸如干电池等的低电压DC电源的EL元件照明装置。参照图7，该EL元件照明装置包括充电电路110，放电电路120和控制电路130。充电电路110包括升压电路112和一个阳极连到电源Vin和阴极连到E1元件的二极管D1。该升压电路112包括连接在电源Vin和地之间的振荡电路111，以产生振荡信号，一个FET驱动电路113，连接在电源Vin和二极管D1之间的电感器，一个FET，其漏极连接到电感器L1和二极管D1之间的连接结点，其源极连到地。该FET驱动电路113包括连接到电源Vin的电感器L2，阳极连到电感器L2的二极管D2，一个晶体管Tr3，其集电极连到二极管D2的阴极，其基极连到振荡电路111以接收振荡信号，其发射极接地，以及一个连接在晶体管Tr3的集电极和地之间的电容器C1。FET的栅极连接到晶体管Tr3的集电极。连接到FET栅极的电容器C1是为稳定FET的栅极电压。所以，当栅极电容大时，可省去电容器C1。放电电路120包括晶体管Tr2，该晶体管Tr2的集电极连接到EL元件，基极连到控制电路130，发射极接地。控制电路130产生一充电控制信号和一放电控制信号。

接着下面将参照图8A至8C描述按第二实施例的EL元件照明装置的工作原理。该照明装置的工作原理与第一实施例的基本相同。振荡电路111响应来自控制电路130的充电控制信号而振荡以产生振荡信号。图8A表示充电电路110中的振荡电路111的输出信号波形。该输出信号具有以预定周期交替出现高电平和低电平的波形。晶体管Tr3根据该振荡信号的高或低电平导通或截止。当振荡信号为高电平时，致使晶体管Tr3导通，则如图8B所示电流从DC电源Vin流入电感器L2。此时，与电流平方成正比的能量贮存在电感器L2中。当振荡信号变为低电平状态时，致使晶体管Tr3截止，能量通过二极管D2放出和贮存在FET的栅极电容器与电容器C1中。这样，FET的栅极被供以如图8C所示高于一阈值电压的电压同时使FET导通。此时，能量被存贮在电感器L1中。当振荡信号再次达到高电平时电感器L2执行充电操作，与此同时，存在电容器C1中的电荷通过晶体管Tr3放电，以使FET截止。结果，在FET导通状态期间存入电感器L1中的能量在FET截止状态期间通过二极管D1存入EL元件。重复该充电操作直至EL逐渐地或逐步地被充电达到一预定电压。在EL元件充电达预定电压之后，放电电路120中的晶体管Tr2响应来自控制电路130的放电控制信号而工作以泄放存在EL元件中的电荷致使EL元件导通发光。

当EL元件照明装置用于例如以1.5V干电池点亮10cm²的EL元件时，则在用双极性晶体管的传统型EL元件照明装置中用60mW仅获得3cd/m²的亮度。另一方面，在按本发明的EL元件照明装置中，在相同条件下可获得8cd/m²的亮度，即为传统装置亮度值的2.5倍。

在电源供电电压高于FET阈值电压几伏特的情况下，则即使未设有FET驱动电路113也能采用FET。然而，由于可获得较大的漏极电流，即，当栅极电压如图9所示处于高于FET阈值电压（2.5V）的较高栅压区域内，导通电阻较小时，按本发明的EL元件照明装置可获得高的发光效率。

此外，振荡电路111和221可由一多谐振荡器构成，该多谐振荡器如图6所示包括两个晶体管，两个电容器和四个电阻。在此情况下，无需高成本的IC也能进一步减小尺寸。

根据本实施例，由于该EL元件照明装置包括控制电路，故就小尺寸和薄结构而言，不如第一实施例更优越。但其发光效率高于第一实施例的发光效率并有较高的实用性。此外，象第一实施例的改型中那样，可用变压器替代图7中的电感器L1。在此情况下，可给EL元件施加较高电压以致可获得该EL元件的较高亮度下的照度。

接着下面将描述按照第三实施例的EL元件照明装置200，其中省去了第二实施例的控制电路130，从而可以低成本获得EL元件照明装置的小尺寸薄结构和高发光效率。参考图10，EL元件照明装置200如上述第二实施例中那样使用了FET和FET驱动电路213，但省去了控制电路。也就是说，充电电路总是在工作而放电晶体管Tr2是以预定占空比下的预定周期导通的。结果，如图3所示的第一实施例一样，贮存在EL元件中的电荷是间歇放电的。就这样，该EL元件被供以与第一实施例的相同方式的电压并被点亮。

接着下面参照图12描述按第四实施例的EL元件照明装置。在本实施例中，一个多谐振荡器用作振荡电路和FET驱动电路作为一部件。也就是说，FET驱动电路的晶体管Tr3用作该多谐振荡器的一个驱动晶体管Tr4。而且电感器L2和二极管D2用作驱动晶体管Tr4的一个负载，而连到晶体管Tr3的集电极供时间常数之用的电容器C2是用作FET驱动电路中的电容器C1。结果，驱动晶体管Tr3的集电极电压由于电容器C2的电压之故而升高到当晶体管Tr3截止即使采用如干电池之类的电压电源时，也足以导通FET的电压。为此缘故，可在用低电压电源的EL元件照明装置中使用FET。与第一实施例相比，只是添加了电感器L2，二极管D2和FET三部件。

如上所述，按照本发明的EL元件照明装置用作感性元件的电感或变压器比传统EL元件照明装置的感性元件小了4到5个数量级。此外，无需复杂的控制电路。再者，诸如晶体管之类的开关元件受振荡电路控制。所以，该EL元件照明装置属于小尺寸薄型和低成本的。振荡电路总是在工作因为省去了控制电路。在此情况下，由于放电电路仅在每一周期的一小段时间间隔期间，例如小于该周期的50%的时间内工作，（最好小于周期的10%的时间间隔内），故可最大限度地减少功耗损失。

此外，由于即使在采用干电池之类的低电压电源作为DC电源情况下也能用具有较快开关速度的FET，EL元件可以高亮度点亮。在此情况下，若诸如晶体管和电阻器之类元件构成的多谐振荡器用于驱动FET和这些晶体管之一公用于该多谐振荡器和FET驱动电路，则可将该EL元件照明电路的元件数减至最少并可获得高亮度的照度。由于这些特点，按本发明的EL元件照明装置适用于小型电子设备的液晶显示器中的背面照明。

Claims

1、用于电致发光(EL)元件的电致发光元件照明装置，包括：

第一电路(10，210)用于自激振荡，以产生具有第一频率的第一信号，并用于响应第一信号逐渐将所述EL元件充足电；和

第二电路(20，220)，用于自激振荡以产生具有第二频率的第二信号，并用于响应第二信号泄放存于所述EL元件中的电荷，和

其中第一信号的第一频率高于第二信号的第二频率，而且第二信号仅仅在小于第二信号每一周期的50%预定部分期间是有效的。

2、根据权利要求1的EL元件照明装置，所述第一电路（10，210）包括一电感元件（L1，T1），并将能量贮存在所述电感元件中和将所贮存能量转移到所述EL元件。

3、根据权利要求2的EL元件照明装置，其特征在于所述电感元件不是电感器（L1）便是变压器（T1）。

4、根据权利要求1的EL元件照明装置，其特征在于第二信号每个周期的所述预定部分小于每一周期的10%。

5、根据权利要求1的EL元件照明装置，其特征在于所述第一电路包括：

-耦合到一DC电源的电感元件（L1）;

-阳极连到所述电感元件，阴极连到所述EL元件的整流元件（D1）;

-耦合到所述电感元件和所述整流元件结点之间的一个与耦合到地的开关元件（Tr1，FET），用于响应第一信号进行开关转换;和

-驱动电路（310），用于产生第一信号以驱动所述开关元件使得在所述开关元件处接通状态期间将能量贮存在所述电感元件中而在所述开关元件关断状态期间将能量转移到所述EL元件。

6、根据权利要求1的EL元件照明装置，其特征在于：所述第一电路包括：

耦合到-DC电源的电感元件（L1）。

阳极连到所述电感元件和阴极连到所述EL元件的整流元件（D1）;

开关元件（213），耦合到所述电感元件和所述整流元件之间的结点与地，用于响应第一信号进行开关转换;

自激振荡电路（211），用于产生第一信号，和

驱动电路（213），用于响应第一信号驱动所述开关元件，使得所述开关元件处于接通（on）状态期间将能量存入所述电感元件中而在所述开关元件关断（off）状态期间将能量转移到所述EL元件。

7、根据权利要求1的EL元件照明装置，其特征在于：所述第一电路在第一信号每一周期的一部分期间贮存能量而在第一信号每一周期的另一部分期间将所贮存的能量转移到的所述EL元件。

8、根据权利要求7的EL元件照明装置，其特征在于：所述第一电路包括：

-耦合到-DC电源的电感元件（L1）;

-阳极连到所述电感元件而阴极连到所述EL元件的整流元件（D1）;

-开关元件（Tr1，FET），耦合到所述电感元件和所述整流元件之间的一个结点与地，用于响应一驱动信号进行开关转换;

-振荡电路（211）用于自激振荡以产生第一信号;和

-响应第一信号的驱动电路（213），用于产生驱动信号并将其供至所述开关元件以使得在第一信号每一周期预定部分期间将能量贮存在所述电感元件内，而在第一信号每一周期的另一部分期间将能量转移到所述EL元件。

9、根据权利要求5的EL元件照明装置，其特征在于所述第一路包括：

耦合到-DC电源的电感元件（L1）;

其阳极连到所述电感元件而阴极连到所述EL元件的整流元件（D1）;

开关元件（FET），该元件耦合到所述电感元件和所述整流元件之间的结点并连到地，用于在开（on）状态与关（off）状态之间进行转换;和

驱动装置（213，310），用于当自激振荡产生第一信号时驱动所述开关元件，以使第一信号每一周期预定部分期间将能量存入所述电感元件并在第一信号每一周期的另一部分期间将能量转移到所述EL元件。

10、根据权利要求1的EL元件照明装置，其特征在于所述第一电路被连接到具有低于FET的阈值电压的供电电压的DC电源，并包括：

一个电感元件（L1）耦合到DC电源;

一个整流元件（D1），其阳极连到所述电感元件阴极连到所述EL元件;

一个FET（场效应晶体管），其漏极耦合到所述电感元件和所述整流元件间的一个结点，而其源极接地，用于在开状态和关状态之间进行转换;和

升压装置（211，213），用于自激振荡以产生第一信号，并响应第一信号将供电电压提升至一个高于所述FET的阈值电压的一个电压使得在所述FET开状态期间将能量贮存在所述电感元件中而在所述FET关状态期间将能量转移到所述EL元件。

11、根据权利要求5的EL元件照明装置，其特征在于所述驱动电路包括一另一电感元件（L2），用以借助贮存在所述另一电感元件中的能量驱动所述开关元件。

12、根据权利要求5的EL元件照明装置，其特征在于所述驱动电路包括：

一多谐振荡器（310），它包括两晶体管和耦合到两晶体管之一的集电极的另一电感元件，用以在产生第一信号的同时驱动所述开关元件使得当所述一个晶体管截止时所述开关元件由存在所述另一电感元件中的能量转为接通。

13、用于一EL元件的电致发光（EL）元件照明装置，包括：

响应第一控制信号的第一电路，用于产生具有第一频率的第一信号和用于响应该第一信号逐渐地将所述EL元件充足电;

响应一第二控制信号的第二电路，用于产生有第二频率的第二信号，和用于响应第二信号泄放存在所述EL元件中的电荷，该第一信号的第一频率高于第二信号的第二频率;

产生和分别将第一和第二控制信号加到所述第一和第二电路的控制电路;和

其中所述第一电路包括：

用于响应第一控制信号产生第一信号的信号产生电路;

一端耦合到一DC电源的电感元件;和

在其另一端耦合到所述电感元件和连到地的FET，并响应第一信号，用以响应一驱动信号执行开关转换操作;和

一驱动电路，用于响应第一信号驱动所述FET以使所述FET在“开”状态期间存入所述电感元件中的能量在所述FET“关”状态期间转移到所述EL元件。

14、根据权利要求13的EL元件照明装置，其特征在于所述电感元件是电感器或变压器。

15、一种点亮电致发光（EL）元件的方法，该方法包括以下步骤：

使第一和第二信号自激振荡;

在第一信号每一周期一部分期间，贮存能量;

在第一信号每一周期的另一部分期间将所存能量转移到所述EL元件;和

响应第二信号泄放所述EL元件的电荷。