CN201726571U - 具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，通过一外部的交流电源，经电源交直流转换后，对多组发光二极管灯串供电，以提供背光照明的应用。该均流式背光源驱动系统主要包含一隔离式DC/DC转换器、多个发光二极管灯串、多个线性电压调整器以及一定电流/定电压补偿器。利用该些线性电压调整器提供该些发光二极管灯串的均流控制，提高该些发光二极管灯串的电流平衡能力与发光效率。并且，通过该定电流/定电压补偿器提供具有适应性控制的定电压或定电流补偿，以提高该背光源驱动系统的整体效率以及反应速度。

Description

具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种均流式背光源驱动系统，尤其涉及一种具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统。

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。

利用脉冲宽度调变技术(Pulse Width Modulation，PWM)做为LED亮度(又称为灰阶调光)的控制方法，是利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器，系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，通过开启和关闭LED来改变顺向电流导通时间以达到亮度调整效果，如此能降低亮度，又能产生数千种亮度阶数，使色彩明暗变化更细致，画质呈现也更完美。

请参见图1，现有背光源驱动系统的电路方框图。该背光源驱动系统基本上包含一EMI滤波器10A、一整流器20A、一功率因子校正器30A、一隔离式DC/DC转换器40A、多个非隔离式DC/DC转换器50A(50A_1～50A_N)以及多个发光二极管灯串60A(60A_1～60A_N)。该EMI滤波器10A电性连接一交流电源Vs，用以消除通过交流线路的噪声，以防止与该背光源驱动系统连接在同一电力系统的其它装置，所产生的传导性电磁噪声经由电源导线而彼此互相干扰。该整流器20A电性连接该EMI滤波器10A，用以将该EMI滤波器10A的输出交流电源转换为直流电源。该功率因子校正器30A电性连接该整流器20A，用以改善该背光源驱动系统输入端的功率因子。该隔离式DC/DC转换器40A主要包含多个功率开关(未图示)及一主变压器(未图示)。该隔离式DC/DC转换器40A电性连接该功率因子校正器30A，可借由脉波宽度调变技术控制该些功率开关，以提供该主变压器一次侧的电压，使得该功率因子校正器30A的输出直流电源经由该主变压器做为一次侧输入与二次侧输出之间能量转换。该些非隔离式DC/DC转换器50A分别电性连接该隔离式DC/DC转换器40A，以提供不同直流电压电位需求的装置使用。该些发光二极管灯串60A分别对应地电性连接该些非隔离式DC/DC转换器50A。其中，该些发光二极管灯串60A的数量与该些非隔离式DC/DC转换器50A的数量相等。

因为每一个该些发光二极管灯串60A的顺偏电压有所差异，因此，必须通过该些非隔离式DC/DC转换器50A针对该些相异顺偏电压的该些发光二极管灯串60A予以分别驱动，以达到每一个该些发光二极管灯串60A_1～60A_N分别具有相同电压或电流。由于每一个该些发光二极管灯串60A需由一非隔离式DC/DC转换器50A对应控制，故此，将大大地增加使用该些非隔离式DC/DC转换器50A的价格，特别是在于中、大型以上的背光源驱动系统尤以明显。

因此，如何设计出一种能改善现有缺失的一种具有线性电压调整器的均流式背光源驱动系统，乃为本实用新型所欲行克服并加以解决的一大课题。

实用新型内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，是通过一外部的交流电源，经电源交直流转换后，对多组发光二极管灯串供电，以提供背光照明的应用。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，该均流式背光源驱动系统包含一EMI滤波器、一整流器、一功率因子校正器、一隔离式DC/DC转换器、多个发光二极管灯串、多个线性电压调整器、一定电流/定电压补偿器、一光耦合隔离器以及一控制器。

该EMI滤波器，电性连接该交流电源。该整流器，电性连接该EMI滤波器，以将该EMI滤波器的输出交流电源转换为直流电源。该功率因子校正器，电性连接该整流器，以改善该转换后的直流电源的功率因子。该隔离式DC/DC转换器，电性连接该功率因子校正器，以提供不同直流电压电位。每一个该些发光二极管灯串由多个发光二极管串联组成，该些发光二极管灯串为并联电性连接，并电性连接该隔离式DC/DC转换器。每一个该些线性电压调整器分别对应电性连接一个该发光二极管灯串，以调整每一个该些发光二极管灯串具有相同电压或电流。

该定电流/定电压补偿器，电性连接该些发光二极管灯串与该些线性电压调整器，以检测每一个该些发光二极管灯串的电压与电流，以提供具有适应性控制的定电压或定电流补偿，使每一个该些发光二极管灯串分别具有相同电压或电流。

该光耦合隔离器，电性连接该定电流/定电压补偿器，以接收该定电流/定电压补偿器所输出的电压或电流信号，并传送该电压或电流信号至另一隔离侧，以达到电路隔离效果。

该控制器，电性耦接该光耦合隔离器，以接收由该光耦合隔离器所传送的电压或电流信号，以控制该功率因子校正器与该隔离式DC/DC转换器。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，该些线性电压调整器与该定电流/定电压补偿器分别接收一外部PWM调光信号，并于进入PWM调光控制时，控制该些发光二极管灯串的输出电压随该PWM调光信号改变。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，该PWM调光信号包括高亮度调光、低亮度调光，该PWM调光信号为高亮度调光时，该输出电压处于高电位；该PWM调光信号为低亮度调光时，该输出电压处于低电位。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，该隔离式DC/DC转换器为一返驰式转换器、一顺向式转换器或一推挽式转换器。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，该隔离式DC/DC转换器为一半桥式共振式转换器或一全桥式共振式转换器。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，当该隔离式DC/DC转换器提供的输出电压未达到该些发光二极管灯串的门坎电压，则该些发光二极管灯串为定电压控制。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，当该隔离式DC/DC转换器提供的输出电压达到该些发光二极管灯串的门坎电压，则该些发光二极管灯串为定电流控制。

上述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其中，该PWM调光信号通过一微控制器或一PWM调光信号产生电路提供。

本实用新型的功效在于，利用该些线性电压调整器取代现有背光源驱动系统所使用的该些非隔离式DC/DC转换器，调整该些发光二极管灯串因不同支路阻抗，所造成的电压与电流的差异，进而提供均流控制，提高该些发光二极管灯串的电流平衡能力，而提高发光效率并维持背光照明输出亮度的均匀度。此外，由于该些线性电压调整器取代该些非隔离式DC/DC转换器的使用，而能以降低该些非隔离式DC/DC转换器的使用数量与成本达50％～90％。并且，通过具有适应性控制的该定电流/定电压补偿器，可在高亮度调光与低亮度调光时，分别控制该输出电压在高电位与低电位，以提供该PWM调光信号的快速响应并且减少控制回路的功率损耗。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为现有背光源驱动系统的电路方框图；

图2为本实用新型均流式背光源驱动系统的电路方框图；

图3为本实用新型具有线性电压调整器的均流式背光源驱动系统的电路方框图；

图4为本实用新型定电流/定电压补偿器的较佳实施例的电路图；

图5A为现有定电流/定电压补偿器控制的波形图；及

图5B为本实用新型定电流/定电压补偿器具有适应性控制的波形图。

其中，附图标记

现有技术

Vs     交流电源

10A    EMI滤波器

20A    整流器

30A    功率因子校正器

40A    隔离式DC/DC转换器

50A    非隔离式DC/DC转换器

60A    发光二极管灯串

本实用新型

Vs      交流电源

10      EMI滤波器

20      整流器

30      功率因子校正器

40      隔离式DC/DC转换器

50      线性电压调整器

60      发光二极管灯串

70      定电流/定电压补偿器

702     定电压补偿电路

704     定电流补偿电路

706     稳压电路706

708     保护电路708

80      光耦合隔离器

90      控制器

Vrefl   第一参考电压

Vref2   第二参考电压

Vout    输出电压

Vres    电阻跨压

Dv      二极管

Dc      二极管

Uv      定电压比较器

Uc      定电流比较器

Vth     上临界电压

Vpri    下临界电压

Ton     导通时间

Toff    截止时间

具体实施方式

有关本实用新型的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参见图2与图3，分别为本实用新型均流式背光源驱动系统的电路方框图以及具有线性电压调整器的均流式背光源驱动系统的电路方框图。该具有线性电压调整器的均流式背光源驱动系统，通过一外部的交流电源，经电源交直流转换后，对多组发光二极管灯串供电，以提供背光照明的应用。该均流式背光源驱动系统包含一EMI滤波器10、一整流器20、一功率因子校正器30、一隔离式DC/DC转换器40、多个发光二极管灯串60(60_1～60_N)以及多个线性电压调整器50(linear regulator)(50_1～50_N)。该均流式背光源驱动系统还包含一定电流/定电压补偿器70、一光耦合隔离器80以及一控制器90。

该EMI滤波器10电性连接该交流电源Vs，以消除该交流电源Vs的噪声，并防止传导性电磁噪声的干扰。该整流器20电性连接该EMI滤波器10，以将该EMI滤波器10的输出交流电源转换为直流电源。该功率因子校正器30电性连接该整流器20，以改善该转换后的直流电源的功率因子。该隔离式DC/DC转换器40主要包含多个功率开关(未图示)及一主变压器(未图示)。该隔离式DC/DC转换器40电性连接该功率因子校正器30，做为该主变压器一次侧输入与二次侧输出之间能量转换，以提供不同直流电压电位。其中，该隔离式DC/DC转换器40可为一返驰式(flyback)转换器、一顺向式(forward)转换器、一推挽式(push-pull)转换器、一半桥式(half-bridge)转换器或一全桥式(full-bridge)转换器。

每一个该些发光二极管灯串60_1～60_N是由多个发光二极管(未标示)串联组成，该些发光二极管灯串60为并联电性连接，并电性连接该隔离式DC/DC转换器40。其中该些线性电压调整器50的数量可以与该些发光二极管灯串60的数量相等，但不以此为限。每一个该些线性电压调整器50_1～50_N是分别对应电性连接一个该些发光二极管灯串60_1～60_N，以细微地调整每一个该些发光二极管灯串60_1～60_N具有相同电压或电流。值得一提，当该均流式背光源驱动系统开始动作(启动)时，该隔离式DC/DC转换器40逐渐地增加其输出电压，当该隔离式DC/DC转换器40所提供的输出电压未达到该些发光二极管灯串60的门坎电压，则该些发光二极管灯串60是以定电压(constant voltage)控制。举例说明：若每一个该些发光二极管灯串60_1～60_N的顺偏电压介于100伏特～120伏特之间，因此，若当该隔离式DC/DC转换器40所提供的输出电压未达到该些发光二极管灯串60的门坎电压(即为120伏特)，则该些发光二极管灯串60是以定电压控制。甚至于，若有任何一该发光二极管灯串60发生故障(异常)而无法导通，则该些发光二极管灯串60仍会以定电压控制。反之，当该隔离式DC/DC转换器40提供的输出电压达到该些发光二极管灯串60的门坎电压，则该些发光二极管灯串是以定电流(constant current)控制。

该定电流/定电压补偿器70电性连接该些发光二极管灯串60与该些线性电压调整器50，以检测每一个该些发光二极管灯串60_1～60_N的电压与电流，以提供定电压或定电流的补偿，使每一个该些发光二极管灯串60_1～60_N分别具有相同电压或电流。该光耦合隔离器80是电性连接该定电流/定电压补偿器70，以接收该定电流/定电压补偿器70所输出的电压或电流信号，并传送该电压或电流信号至另一隔离侧，以达到电路隔离效果。该控制器90是电性耦接该光耦合隔离器80，以接收由该光耦合隔离器80所传送的电压或电流信号，以控制该功率因子校正器30与该隔离式DC/DC转换器40。

此外，该些线性电压调整器50与该定电流/定电压补偿器70分别接收一外部PWM调光信号(未标示)，以控制该些线性电压调整器50导通(turn-on)与关闭(turn-off)，同时控制隔离转换器的输出，而对该些发光二极管灯串60进行调光的控制。其中，该PWM调光信号(配合参见图5B)是由一微控制器(microcontroller)(未图示)或一PWM调光信号产生电路(未图标)提供，其为一低频(约100赫兹～500赫兹)方波信号。

请参见图4，为本实用新型定电流/定电压补偿器的较佳实施例的电路图。如图所示，该定电流/定电压补偿器70主要包含一定电压补偿电路702、一定电流补偿电路704、一稳压电路706以及一保护电路708。其中，该定电压补偿电路702与该定电流补偿电路704分别由一运算放大器与一电阻电容网络所组成。该稳压电路706是由一TL431稳压器与一电阻电容网络所组成。该稳压电路706分别提供该定电压补偿电路702与该定电流补偿电路704所需的一第一参考电压Vrefl与一第二参考电压Vref2。该PWM调光信号是通过该保护电路708而被该定电流/定电压补偿器70所接收。

对该些发光二极管灯串60进行反馈控制时，通过反馈该些发光二极管灯串60的输出电压Vout，利用该定电压补偿电路702的一定电压比较器Uv，与上述的该第一参考电压Vrefl进行比较。当该第一参考电压Vrefl大于该输出电压Vout时(即该定电压比较器Uv的非反相端电压大于反相端电压)，该定电压比较器Uv输出为正，使得一串接二极管Dv逆偏截止，因此该光耦合隔离器80不动作，相对地该光耦合隔离器80的一次侧则无产生感应电流。此时，该PWM调光信号的责任周期(duty cycle)增加，使得该些发光二极管灯串60的外加电压(即该隔离式DC/DC转换器的输出电压)逐渐增大。当该外加电压尚未达到其顺向导通电压(forward voltage)时，则该些发光二极管灯串60采用以定电压操作模式(constant voltage，CV)。

一旦该些发光二极管灯串60的外加电压逐渐增大，流经该些发光二极管灯串60的电流逐渐增大，因此，通过检测并反馈串联于该些发光二极管灯串60的电阻上的跨压Vres，利用该定电流补偿电路704的一定电流比较器Uc，与上述的该第二参考电压Vrefl进行比较。当该第二参考电压Vref2小于该电阻上的跨压Vres时(即该定电流比较器Uc的非反相端电压小于反相端电压)，该定电流比较器Uc输出为负，使得一串接二极管Dc顺偏导通，因此该光耦合隔离器80动作，相对地该光耦合隔离器80的一次侧则产生感应电流。当该外加电压达到该些发光二极管灯串60的顺向导通电压时，则该些发光二极管灯串60进入定电流操作模式(constant current，CC)。

为了维持该些发光二极管灯串60的定电流操作，并抑制该些发光二极管灯串60的外加电压持续增大，亦即，当该PWM调光信号的责任周期(duty cycle)足够大到能维持定电流操作时，此时，该些发光二极管灯串60的输出电压Vout大于该第一参考电压Vrefl(即该定电压比较器Uv的反相端电压大于非反相端电压)，该定电压比较器Uv输出为负，使得该串接二极管Dv顺偏通通，因此该光耦合隔离器80动作，相对地该光耦合隔离器80的一次侧则产生感应电流。此时，该PWM调光信号的责任周期(duty cycle)减小。如此，该定电流/定电压补偿器70的操作将进入重复的反馈调整。

另外，该保护电路708是用以防止在调光控制过程中，因高低电位转态时所造成瞬间电流增大的抑制。

值得一提，请参见图5A与图5B，分别为现有定电流/定电压补偿器控制的波形图以及本实用新型定电流/定电压补偿器具有适应性控制的波形图。在现有的调光控制技术中，在高亮度调光(高责任周期)控制或在低亮度调光(低责任周期)时，该些发光二极管灯串60A的输出电压Vout分别受一上临界电压Vth与一下临界电压Vpri所控制。由图5A可明显看出，所提供该PWM调光信号的导通时间Ton是为当该输出电压Vout由该下临界电压Vpri上升至该略大于该上临界电压Vth所需的时间；同样地，该截止时间Toff是为当该输出电压Vout由略大于该上临界电压Vth下降至该下临界电压Vpri所需的时间。

然而，在本实用新型所提出的该定电流/定电压补偿器具有适应性控制技术，请参见图5B，可明显看出，在高亮度调光(高责任周期)控制时，该输出电压Vout是被控制在高电位，所提供该PWM调光信号的导通时间Ton是为当该输出电压Vout由该略低于该上临界电压Vth上升至该略大于该上临界电压Vth所需的时间；同样地，该截止时间Toff是为当该输出电压Vout由略大于该上临界电压Vth下降至略小于该上临界电压Vth所需的时间。此外，在低亮度调光(低责任周期)控制时，该输出电压Vout是被控制在低电位，亦即该输出电压Vout可受控于低于该下临界电压Vpri。如此，当该PWM调光信号为高亮度调光时，该输出电压是被控制在高电位，可提供该PWM调光信号的快速响应，同时降低电压应力；当该PWM调光信号为低亮度调光时，该输出电压是被控制在低电位，可减少控制回路的功率损耗。

简而言之，本实用新型利用该些线性电压调整器50取代现有背光源驱动系统所使用的该些非隔离式DC/DC转换器50A(参见图1)。借此，利用该些线性电压调整器50调整该些发光二极管灯串60因不同支路阻抗，所造成的电压与电流的差异，进而提供均流控制，提高该些发光二极管灯串60的电流平衡能力，而提高发光效率并维持背光照明输出亮度的均匀度。此外，由于该些线性电压调整器50取代该些非隔离式DC/DC转换器50A的使用，依不同的DC/DC转换器电路结构(topology)，而能以降低该些非隔离式DC/DC转换器50A的使用数量与成本达50％～90％。并且，通过具有适应性控制的该定电流/定电压补偿器70，可在高亮度调光与低亮度调光时，分别控制该输出电压Vout在高电位与低电位，以提供该PWM调光信号的快速响应并且减少控制回路的功率损耗。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型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实用新型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实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，通过一外部的交流电源，经电源交直流转换后，对多组发光二极管灯串供电，以提供背光照明的应用；其特征在于，该均流式背光源驱动系统包含：

一EMI滤波器，电性连接该交流电源；

一整流器，电性连接该EMI滤波器，以将该EMI滤波器的输出交流电源转换为直流电源；

一功率因子校正器，电性连接该整流器，以改善该转换后的直流电源的功率因子；

一隔离式DC/DC转换器，电性连接该功率因子校正器，以提供不同直流电压电位；

多个发光二极管灯串，每一个该些发光二极管灯串由多个发光二极管串联组成，该些发光二极管灯串为并联电性连接，并电性连接该隔离式DC/DC转换器；

多个线性电压调整器，每一个该些线性电压调整器分别对应电性连接一个该些发光二极管灯串，以调整每一个该些发光二极管灯串具有相同电压或电流；

一定电流/定电压补偿器，电性连接该些发光二极管灯串与该些线性电压调整器，以检测每一个该些发光二极管灯串的电压与电流，以提供具有适应性控制的定电压或定电流补偿，使每一个该些发光二极管灯串分别具有相同电压或电流；

一光耦合隔离器，电性连接该定电流/定电压补偿器，以接收该定电流/定电压补偿器所输出的电压或电流信号，并传送该电压或电流信号至另一隔离侧，以达到电路隔离；及

一控制器，电性耦接该光耦合隔离器，以接收由该光耦合隔离器所传送的电压或电流信号，以控制该功率因子校正器与该隔离式DC/DC转换器。

2.根据权利要求1所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，该些线性电压调整器与该定电流/定电压补偿器分别接收一外部PWM调光信号，并于进入PWM调光控制时，控制该些发光二极管灯串的输出电压随该PWM调光信号改变。

3.根据权利要求2所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，该PWM调光信号包括高亮度调光、低亮度调光，该PWM调光信号为高亮度调光时，该输出电压处于高电位；该PWM调光信号为低亮度调光时，该输出电压处于低电位。

4.根据权利要求1所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，该隔离式DC/DC转换器为一返驰式转换器、一顺向式转换器或一推挽式转换器。

5.根据权利要求1所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，该隔离式DC/DC转换器为一半桥式共振式转换器或一全桥式共振式转换器。

6.根据权利要求1所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，当该隔离式DC/DC转换器提供的输出电压未达到该些发光二极管灯串的门坎电压，则该些发光二极管灯串为定电压控制。

7.根据权利要求1所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，当该隔离式DC/DC转换器提供的输出电压达到该些发光二极管灯串的门坎电压，则该些发光二极管灯串为定电流控制。

8.根据权利要求2所述的具有适应性控制功能的均流式背光源驱动系统，其特征在于，该PWM调光信号通过一微控制器或一PWM调光信号产生电路提供。

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