TW201311031A - 發光模組中配置具有處理交錯訊號之取樣保持及積分電路之脈波寬度調變裝置 - Google Patents

Abstract

一種具有取樣保持及積分電路之電壓轉換裝置，依據LED發光裝置中的每一個發光通道之實際狀態所產生之最小差值，並藉由取樣保持及積分電路產生一個重疊電壓，並使得電壓轉換裝置能夠輸出滿足不同之PWM訊號來驅動發光裝置中的每一個發光通道；將此具有能處理交錯訊號之取樣保持及積分電路之電壓轉換裝置與調整脈波寬度功能的控制裝置一起提供給LED發光裝置時，可以進一步達到更節能之目的。

Description

發光模組中配置具有處理交錯訊號之取樣保持及積分電路之脈波寬度調變裝置

本發明係有關一種發光二極體發光模組以及發光二極體發光模組之電壓轉換裝置；特別是有關於一種在驅動發光二極體發光模組之電壓轉換裝置中，用以對發光二極體發光模組提供最適當的脈波寬度調變(PWM)，並配置一個能處理交錯訊號之取樣保持及積分電路，藉由此取樣保持及積分電路的電壓調整轉換裝置所輸出的電壓來滿足脈波調變需求，使得發光二極體發光模組能以最適當的PWM訊號來驅動發光二極體發光模組中的每一個發光通道，以達到節省能源之目的，同時也可達到發光二極體發光模組在發光照射的區域中維持亮度及彩色之一致。

目前大尺寸液晶電視(LCD TV)所使用的發光模組(backlight module)大多採冷陰極螢光管(Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL)或發光二極體(Light Emitting Diode；LED)為光源的直照方式。由於CCFL燈管是使用水銀（Hg）作為發光材料，而水銀無論在生產製造或是後續回收處理均有環保的問題，同時CCFL燈管必須與外界空氣隔離，才能增加其使用壽命；以及，再加上發光二極體技術日臻完善，其發光效率已較CCFL燈管更具優勢，且發光二極體技術對其色彩、亮度控制也極為彈性、容易，因此，由發光二極體所形成的直下式發光模組，已逐漸取代CCFL燈管成為發光模組主要的發光元件。

請參考第1A圖，係一種習知之發光二極體所形成的直下式發光模組之示意圖。如第1A圖所示，直下式發光裝置400是由多個發光通道（401-40n；n=整數）所形成，而每一個發光通道401由多個發光二極體500所形成。然而，以發光二極體作為直下式發光模組的主要缺點之一是，個別發光二極體的亮度很難達到完全一致，尤其當以紅光、綠光、藍光發光二極體三者混合而產出白光時，其白光的色溫(color temperature)是難以控制。此外，不同色光的發光二極體其亮度對於溫度變化的反應也不盡相同，當發光二極體使用一段時間後，發光二極體的溫度會隨著時間升高，且個別發光二極體的亮度差異會日漸擴大；例如，當溫度由室溫提升到溫度80℃以上時，紅光發光二極體的亮度衰減最多、其次是藍光發光二極體，再其次是綠光發光二極體。因此，這種利用多個發光二極體組成的直下式發光模組，其容易受到個別發光二極體的變異而影響其色溫與亮度的均勻。

此外，在先前技術中，用來驅動直下式發光模組中的發光二極體之類比電路驅動電路，大都將三角波產生器及放大器所產生的控制訊號輸入至直流對直流轉換器600（DC-DC Converter）中，以控制發光二極體之開啟或關掉。特別是使用降壓型(buck type)或升壓型(boost type)之直流對直流轉換器。然而，當上述的直流對直流轉換器600被用來驅動具有複數個被串聯成一體的發光二極體所形成之陣列（Array）時，每一個發光二極體的光通量會因每一發光二極體的順向電壓之偏差而變化，因此，無法有效控制發光二極體陣列（LED Array）的色溫與亮度的均勻。

此外，為解決每一個發光二極體的電壓變化，有些技術使用查表方式（look-up table）來進行，然而這些方法都需要使用大量的記憶體，使得這技術無法整合製造成一顆晶片中。

接著，請參考在第1B圖，係一種習知之驅動發光二極體發光模組之直流對直流轉換器之功能方塊示意圖。如第1B圖所示，實際輸入至輸出電壓發光裝置400的電壓訊號，是將輸入的脈波寬度調變(PWMI)與輸出電壓經過電流控制電路53調變後，再將控制每一個發光通道的脈波寬度調變(PWM)訊號經過選擇電路52後，選擇一個最小導通時之脈波高度訊號，之後將此最小的脈波高度訊號輸入至升壓電路51中，最後將一個輸出電壓（V_out）送到發光裝置400；因此，當PWM訊號在其負載週期為導通（on）時，則每一個發光通道自輸出電壓（V_out）處吸取電流；而當PWM訊號在其負載週期為關閉（off）時，則每一個發光通道都會關閉；在習知技術中，都會使用一個箝制電路-clamp circuit（未顯示於圖中）來維持在負載週期為關閉（off）時能夠提供一固定電壓。上述，經由直流對直流轉換器所產生之控制每一個發光通道的PWM訊號，其均是使用相同之頻率（frequency）、相同之相位（phrase）以及相同的負載週期（duty cycle）來驅動發光裝置400，如第1C圖所示（係第1B圖之發光裝置400的等效電路示意圖）；很明顯地，第1C圖的等效電路是無法達到改變PWM訊號之寬度(duty cycle)及相位（phrase）。同時，使用相同之相位以及相同的負載週期（duty cycle）的PWM訊號來驅動發光裝置400是不必要，其較佳之方式應該是可以依據每一個發光通道中，其實際之變化來提供適當的PWM訊號。

再接著，為了改善第1C圖無法處理不同相位(phase)之問題，另一種已知的技術是在第1C圖加上V_FB電阻及保持電路後，即可達到改變PWM訊號之相位(phase)，使得發光裝置400可以使用不同相位(phase)，的PWM訊號來驅動發光裝置400。然而，這樣會增加電路的複雜度及在晶片上增加一個回饋之接腳，故會增加製造的成本。

為了解決上述之狀態，本發明之一主要目的在於提供一種具有取樣保持及積分電路之電壓轉換裝置，依據LED發光裝置中的每一個發光通道之實際狀態所產生之最小差值，並藉由取樣保持及積分電路產生一重疊電壓，並使得電壓轉換裝置能夠輸出不同之PWM訊號來驅動發光裝置中的每一個發光通道；將此具有取樣保持及積分電路之電壓轉換裝置與調整脈波寬度功能的控制裝置一起提供給LED發光裝置時，可以進一步達到更節能之目的。

本發明之另一主要目的在於提供一種具有調整脈波寬度功能的控制裝置，藉由多條校正迴路的訊息及取樣保持及積分電路之設計，使得本發明之控制裝置能依據LED發光裝置中的每一個發光通道之實際狀態進行PWM訊號的調整，使得本發明可以在相同頻率下、用不同相位以及不同負載週期的PWM訊號來驅動發光裝置中的每一發光通道，使得本發明之控制裝置除了可以提供適當的電流至每一個發光裝置，以避免LED發光裝置驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形之外，還可以同時依據取樣保持及積分電路所產生之PWM訊號來驅動發光裝置，以達到更節能之目的。

本發明之還有一主要目的在於提供一種具有調整脈波寬度功能的調變單元，用以將一類比之PWM訊號轉換為數位PWM控制訊號，並經過校正單元處理後，再將校正處理後的數位PWM控制訊號輸入至恆定電流裝置，使得控制LED發光裝置的電流大小一至。

本發明之再一主要目的在於提供一種具有調整脈波寬度功能的控制裝置，藉由多條校正迴路的訊息，使得控制裝置能依據LED發光裝置中的每一個發光通道之實際狀態進行PWM訊號的調整，以適當的電流提供至每一個發光通道，故本發明可以在相同頻率下、用不同相位以及不同負載週期的PWM訊號來驅動發光裝置中的每一發光通道，故可以避免LED發光裝置驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形。

依據上述目的，本發明首先提供一種電壓轉換裝置，其輸出端與一恆定電流產生器所輸出之多個發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)連接，其中電壓轉換裝置之特徵包括：一最小電壓選擇電路，其輸入端分別與多個發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)及多個相應每一個發光通道的第一參考參考電壓(VLED_ref) 連接，其輸出端則輸出發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)減去參考電壓(VLED_ref)之最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)；一取樣保持及積分電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，第一輸入端與最小電壓選擇電路所輸出之最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)連接，並輸出一個重疊電壓（Vsum）；及一升壓電路，其第一輸入端與取樣保持及積分電路所輸出之重疊電壓（Vsum）連接，其第二輸入端與一個第二參考電壓（Vref）連接，其輸出端與第二分壓電路連接，並輸出一輸出電壓（Vout），而輸出電壓（Vout）與LED發光裝置中的每一該發光通道連接；其中第二分壓電路提供一節點電壓（Vovp），且節點電壓（Vovp）與取樣保持及積分器電路之第二輸入端以及升壓電路連接，而節點電壓（Vovp）是由輸出電壓（Vout）以及第二分壓電路以分壓原理獲得；而重疊電壓（Vsum）係由取樣保持及積分電路中的第一分壓電與最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)及節點電壓（Vovp）以重疊原理獲得。

本發明接著提供一種發光模組，其與一輸入脈波寬度調變訊號(PWM_in)連接，而發光模組包括：一個LED發光裝置，係由多個發光通道所組成；一個恆定電流產生器，其第一輸入端與LED發光裝置中之每一發光通道連接，其第二輸入端與輸入脈波寬度調變訊號(PWM_in)連接，並由一輸出端輸出每一發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)；一個電壓轉換裝置，其包括：一個最小電壓選擇電路，其輸入端分別與恆定電流產生器所輸出之每一發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)及多個相應每一發光通道的第一參考參考電壓(VLED_ref) 連接，其輸出端則輸出一最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)；一個取樣保持及積分電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，第一輸入端與該最小電壓選擇電路所輸出之最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)連接，並輸出一個重疊電壓（Vsum）；及一個升壓電路，其第一輸入端與取樣保持及積分電路所輸出之重疊電壓（Vsum）連接，其第二輸入端與一第二參考電壓（Vref）連接，其一輸出端與一第二分壓電路連接，並輸出一輸出電壓（Vout），而且輸出電壓（Vout）與LED發光裝置中的每一發光通道連接；其中第二分壓電路提供一節點電壓（Vovp），且節點電壓（Vovp）與取樣保持及積分電路之第二輸入端以及升壓電路連接，而節點電壓（Vovp）是由輸出電壓（Vout）以及第二分壓電路以分壓原理獲得；而重疊電壓（Vsum）係由取樣保持及積分電路中的第一分壓電路與最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)及節點電壓（Vovp）以重疊原理獲得；一個控制裝置，與輸入脈波寬度調變訊號及由恆定電流產生器所輸出之多條校正迴路連接，並輸出多個數位訊號至恆定電流產生器之輸入端。

本發明再提供一種取樣保持及積分電路包括：第一差動放大器，其第一輸入端與一個積分器連接，其第二輸入端與第一差動放大器之輸出端形成回饋連接；第二差動放大器，其第一輸入端與第二分壓電路所提供之節點電壓連接，其第二輸入端與第二差動放大器之輸出端連接；第一分壓電路，係由多個電阻所形成，其一端與第一差動放大器之輸出端連接，其第二端與第二差動放大器之輸出端連接；其中積分器與最小電壓選擇電路輸出端所輸出之最小的脈波高度訊號連接。

經由本發明所提供之具有調整脈波寬度調變功能的控制裝置以及使用本具有調整脈波寬度調變功能的控制裝置所形成之發光模組，可以避免驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形。

由於本發明係揭露一種發光二極體（LED）發光模組調整裝置，特別是有關於一種在驅動LED發光模組前，對LED發光模組的每一通道進行調整以提供最適當的脈波寬度調變；其中所利用到的一些關於LED、LED所形成之發光模組係利用現有技術來達成，故在下述說明中，並不作完整描述。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本發明特徵有關之示意圖。

此外，在後續說明中，會將如下之名詞以英文字母來取代，例如：發光二極體以LED來取代、脈波寬度調變以PWM來取代、輸入的脈波寬度調變訊號以PWM_in來取代及具有調整功能的脈波寬度調變以DPWM來取代。

首先，請參閱第2圖，係本發明之LED發光模組的系統方塊示意圖。如第2圖所示，LED發光模組10包括一個電壓轉換裝置100、一個PWM控制裝置200、一個與PWM控制裝置200連接的恆定電流產生器300以及一個與電壓轉換裝置100及恆定電流產生器300連接的LED發光裝置400所組成。很明顯地，本發明之LED發光裝置400分別與電壓轉換裝置100的輸出端及恆定電流產生器300的輸入端連接，使得電壓轉換裝置100的輸出端可經由LED發光裝置400與恆定電流產生器300產生一迴路；其中電壓轉換裝置100的輸出端提供一個電壓控制訊號並與LED發光裝置400上的多個發光通道並聯連接，而恆定電流產生器300的每一個第一輸入端與PWM控制裝置200所提供的多個PWM控制訊號連接；同時，恆定電流產生器300的每一個第二輸入端則分別與LED發光裝置400上的多個發光通道連接；藉由本發明所揭露之控制方式，使得本發明之LED發光裝置400中的每一個發光通道之間可以由不同相位以及不同負載週期的PWM訊號來驅動發光裝置。

接著，如第2圖所示，電壓轉換裝置100用以將一個輸入電壓（Vin）轉換成一個較高的輸出電壓（V_out）；其中此電壓轉換裝置100可以是直流對直流轉換器；接著，將轉換後的輸出電壓輸入至一個LED所形成之發光裝置400，例如一種使用在液晶電視中的LED背光模組；LED發光裝置400可以是由多個LED元件500所形成，或是由多個LED發光通道401所形成，其中每一個LED發光通道由多個LED元件500所形成，如第1A圖所示。接著，本發明之LED發光模組還包括一個具有調整功能的脈波寬度調變控制裝置200（Dimming PWM Controller；DPWM Controller），係將一個PWM_in轉換為多個DPWM控制訊號（DPWM Channel；DPWM_ch），其中，PWM_in是由配置有LED發光裝置400的顯示系統所提供；例如：由液晶電視的控制器提供；其中，PWM控制裝置200由PWM量測單元210、校正單元230及DPWM調變單元250所組成。之後，DPWM控制裝置200將轉換後的每一個數位的DPWM控制訊號輸出至恆定電流產生器300（Current Regulator）的第一輸入端中，再由恆定電流產生器300之另一輸入端與LED發光裝置400的一端連接；同時，電壓轉換裝置100的輸出端可將每一個通道的電流輸入至一個LED發光裝置400中。另外，本發明之具有調整功能的脈波寬度調變控制裝置，用以將PWM訊號轉換為數位訊號，並經過校正單元處理後，再將校正處理後的數位控制訊號轉換成相應之數位訊號，使得本發明之具有調整功能的脈波寬度調變控制裝置，能夠以半導體製程形成晶片來控制PWM類比訊號。

再請參考第2圖，恆定電流產生器300會將多個預設數量的迴授訊號與DPWM控制裝置200中的校正單元230連接，以形成一個電流互動校正迴路310（current calibration handshake loop）；在本發明中，為了避免過於複雜的說明，本實施例之恆定電流產生器300的預設迴授訊號為3個；即本發明之電流互動校正迴路310是以每通道有3條迴授訊號將恆定電流產生器300與校正單元230連接，因此可以使校正單元230產生N個通道校正之訊號Ch0_cal[2:0]~ChN_cal[2:0]，其中[2:0]即代表每個通道有三條迴授訊號（即3 bits）。在此要強調，本發明中的電流互動校正迴路310其可以是2條迴授訊號（使校正單元230產生N通道校正之訊號Ch0_cal[1:0]~ChN_cal[1:0]）、4條迴授訊號（使校正單元230產生N通道校正之訊號Ch0_cal[3:0]~ChN_cal[3:0]）或是其他大於四條迴授訊號者，對此本發明並不加以限制；而在本實施例則是以預設為3條迴授訊號。很明顯地，這些多條的校正之訊號都是以數位訊號方式傳遞。

當本發明之LED發光裝置400開機後，電流互動校正迴路310即經由3條迴授訊號送至校正單元230，並使校正單元230產生N條校正之訊號（即Ch0_cal[2:0]~ChN_cal[2:0]），其主要目的是經由恆定電流產生器300將LED發光裝置400中的每一個通道的LED元件500或是多個LED String 401之目前狀態送至PWM控制裝置200中的校正單元230，並使校正單元230產出生N條校正之數位訊號（Ch0_cal[2:0]~ChN_cal[2:0]），並將此N條校正之數位訊號送至DPWM調變單元250中；其中，所述之目前狀態是指每一個發光通道（例如：每一通道的LED元件500或是每一個LED String 401）的偏壓狀態不相同，因此，需要以不同的電流去驅動；特別是要以PWM來達到節省能源的目的時，更是需要視每一個發光通道的狀態而給予適當的驅動電流，以避免驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形。

在前述之電流互動校正迴路310操作的過程中，DPWM控制裝置200中的PWM量測單元210會對PWM_in的訊號進行計數（counting），以量測出DPWM控制裝置200是要以多少位元來傳遞數位訊號，並將這些位元的數位訊號傳遞至DPWM調變單元250中，以產生多個DPWM控制訊號（即DPWM_ch0~ DPWM_chN），並將這些DPWM控制訊號傳送至恆定電流產生器300。例如：當LED發光模組10的時脈訊號（time clock）為20MHz，而PWM_in的訊號有效週期（duty cycle）為1KHz時，則由當PWM量測單元210以LED發光模組10的時脈訊號對PWM_in的訊號進行計數後，可以數20,000次，而將20,000轉換成二進碼時，即可使用15位元來表示20,000這個數字並以PWM_pulse[14:0]表示。

接著，請參考第3圖，係本發明之DPWM調變單元的系統方塊示意圖。如第3圖所示，DPWM調變單元包括一個DPWM的有限狀態機(DPWM Finite State Machine；DPWM FSM)2510；一個多功單元（Multiplexer）2530以及一個波形產生單元（Waveform Generator）2550；其中，DPWM FSM 2510會將由PWM量測單元210輸入的15位元之數位訊號（即PWM_pulse[14:0]）並依據預設的PWM訊號控制要求將進行數位編碼，此一控制要求為一等比例降低PWM_in的有效週期；例如：如果預設之控制要求是以將PWM_in依序降低0.4％的有效週期來提供發光通道時，則DPWM FSM 2510會依序送出8個經校正之後的DPWM數位訊號(Cal0_DPWM_pulse[14:0]~Cal7_DPWM_pulse[14:0])，其中每一校正的DPWM控制是將PWM_in依序降低4％；則DPWM FSM 2510會依序送出8個校正後的DPWM數位訊號如下：

此時，每一個DPWM FSM 2510的通道所對應的數位訊號計算如下：

首先，若由PWM量測單元210輸入的15位元訊號PWM_pulse[14:0]=101_1011_0111_0100時，15位元訊號換算後的十進制(decimal)的數值為23412。

接著，由於DPWM FSM 2510第1校正的數位Cal0_DPWM_pulse[14:0]因為不調整，故經由DPWM FSM 2510所輸出的Cal0_DPWM_pulse[14:0]之15位元數位訊號為101_1011_0111_0100；之後將此15位元數位訊號送到多功單元2530中。

再接著，由於DPWM FSM 2510第2通道的數位Cal1_DPWM_pulse[14:0]設定為將PWM_in降低4％，故其十進制的計算方式為23412/1.04=22512（尾數四捨五入）。但因在數位電路中，無法直接用除法來得到降低4％後的數值，因而，必須使用DPWM FSM 2510來計算第2通道數值。其計算方式說明如下：

將15位元數位訊號101_1011_0111_0100有1的相對十進制的數值計算出來並且將每一十進制數值都除以1.04；這是因為在二進制中，具有實際數值的位置為有1者，因此可得到

01_1011_0111_0100=23412(十進制)

= 16384+4096+2048+512+256+64+32+16+4(十進制)

則

23412/1.04=(16384+4096+2048+512+256+64+32+16+4)/1.04

=(16384/1.04)+(4096/1.04)+(2048/1.04)+(512/1.04)+(256/1.04)+(64/1.04)+(32/1.04)+(16/1.04)+(4/1.04)

再接著，將每一項進行如下之換算

16384/1.04=6384–(16384*(1-(1/1.04)))=16384–630 (1)

4096/1.04=4096–(4096*(1-(1/1.04)))=4096–158 (2)

2048/1.04=2048–(2048*(1-(1/1.04)))=2048–79 (3)

512/1.04=512–(512*(1-(1/1.04)))=512–20 (4)

256/1.04=256–(256*(1-(1/1.04)))=256–10 (5)

64/1.04=64–(64*(1-(1/1.04)))=64–2 (6)

32/1.04=32–(32*(1-(1/1.04)))=32–1 (7)

16/1.04=16–(16*(1-(1/1.04)))=16–1 (8)

4/1.04=4–(4*(1-(1/1.04)))=4–0 (9)

接著，將(1)+(2)+(3)+…(9)=>23412/1.04=23412–(630+158+79+20+10+1+1)

=22782–(158+79+20+10+1+1)

=22624–(79+20+10+1+1)

=22545–(20+10+1+1)

=22525–(10+1+1)

=22515–(1+1)

=22514–1

=22513

此時，將22513轉換為二進制的101_0111_1111_0001後，則由DPWM FSM 2510所輸出的Cal1_DPWM_pulse[14:0]之15位元數位訊號為101_0111_1111_0001；之後將此15位元數位訊號送到多功單元2530中。

其他通道的依前述方式計算並換算成15位元數位訊號，可得到

Cal2_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.08=21678(十進制)

=101_0100_1010_1110

Cal3_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.12=20904(十進制)

=101_0001_1010_1000

Cal4_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.16=20183(十進制)

=100_1110_1101_0111

Cal5_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.2=19510(十進制)

=100_1100_0011_0110

Cal6_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.24=18881(十進制)

=100_1001_1100_0001

Cal7_DPWM_pulse[14:0]=23412/1.28=18291(十進制)

=100_0111_0111_0011

之後將上述計算出的第2至第8校正的15位元數位訊號分別送到多功單元2530中。此外，要強調的是，本發明之DPWM FSM 2510依據預設的PWM訊號控制方式進行數位編碼時，其可以將8個校正值同時進行數位編碼，如第4圖所示；當然，也可以是將8個校正值依序進行數位編碼，對此本發明並不加以限制。再者，如前所述，本發明之DPWM FSM 2510的通道數N可以設定成8個通道、16個通道或是32個通道或是更高的通道數量，對此本發明並不加以限制，而在說明書中只是以N個通道來做實施例的說明。

請再參考第3圖，當DPWM FSM 2510已經產生出8個校正後的DPWM15位元數位編碼訊號後，會將此8個校正的DPWM數位編碼訊號送至多功單元2530的第一輸入端，而多工單元2530的第二輸入端則是與校正單元230所產生多條校正訊號（即Ch0_cal[2:0]~ChN_cal[2:0]）連接。

多工單元2530的操作方式，請參考第5圖，係本發明之多工單元的實際電路示意圖。如第5圖所示，多工單元2530是由多個電路元件所形成，在本實施例中，此電路元件可以是一種多工選擇器。此外，本發明之多功單元2530也可以設定成16個通道或是32個通道或是更高的通道數量，對此本發明並不加以限制。多功單元2530中的每一個多工選擇器之第一輸入端與DPWM FSM 2510所送出的8個DPWM訊號連接，而每個DPWM訊號中包含15位元數位編碼訊號，同時，多工選擇器的第二輸入端則是與一個由校正單元230所產生校正訊號（Ch0_cal[2:0]~ChN_cal[2:0]）連接；因此，當本實施例之電流互動校正迴路310是以3條迴路與校正單元230連接而使校正單元230產生8條校正訊號後，每一個多工選擇器的第二輸入端是與一個校正訊號（Ch_cal[2:0]）連接；接著，每一個多工選擇器以校正訊號對由第一輸入端的8個的15位元數位編碼訊號進行選擇，選出針對該通道最佳的數位編碼訊號（Ch_PWM_pulse[14:0]）並將其輸出至波形產生單元2550之第一輸入端。

依據上述，很明顯地，多工單元2530可以是由多個多工選擇器來形成多個通道，而此多工單元2530之通道數量可以依據波形產生單元2550所要控制的LED的數量而定。例如：在第5圖的實施例中，當多工單元2530是用來控制N個LED時，此多工單元2530是由N個多工選擇器來形成N個輸出通道，且每一個多工選擇器都會依據第二端所輸入的一條校正訊號（Ch_cal[2:0]）來選擇由第一輸入端所輸入的8個校正後的DPWM15位元數位編碼訊號，以得到一組最佳的數位編碼訊號（Ch_PWM_pulse[14:0]），之後，將得到的N個通道的最佳15位元數位編碼訊號（Ch_PWM_pulse[14:0]）輸入至波形產生單元2550中。

再次要強調，在本實施例中，多單元2530是由N個多工選擇器來形成N個輸出通道，而每一個多工選擇器之第一輸入端與DPWM FSM 2510所送出的8個DPWM連接，而多功單元2530的第二輸入端則是與校正單元230所產生N條校正訊號中的一條連接；因此，當多工單元2530是個輸出通道時，則其連接方式之一可以選擇將多工單元2530的第1至第N個多工選擇器依序與一條校正訊號連接；當多功單元2530操作時，每一個多工選擇器會從第一輸入端的8個15位元數位編碼訊號中，由一條校正訊號選擇出一組最佳的數位編碼訊號並輸出；因此，當多功單元2530具有N個輸出通道時，其每一個通道所輸出的15位元數位編碼訊號可以是相同或是不相同，但其一定是從第一輸入端的8個15位元數位編碼訊號中選出。

再請參考第3圖，當多工單元2530已經選出N個通道的15位元數位編碼訊號後，會將此N個通道的數位編碼訊號送至波形產生單元2550中的第一輸入端，而波形產生單元2550中的第二輸入端則是與量測單元210所提供的15位元之數位訊號（即PWM_pulse[14:0]）連接。最後，由波形產生單元2550依據第一輸入端的N個通道的數位編碼訊號(Ch0_DPWM_pulse[14:0]~ChN_DPWM_pulse[14:0])與由第二輸入端提供的一個15位元之數位訊號（即PWM_pulse[14:0]），經過處理後輸出N個類比的DPWM控制訊號（即類比的PWM訊號DPWM_ch0~DPWM_chN），並將這些類比的DPWM控制訊號傳送至恆定電流產生器300。當每一個類比的DPWM控制訊號輸入至恆定電流產生器300（Current Regulator）中，再由恆定電流產生器300將每一個類比的DPWM控制訊號經過適當的處理後，將每一個通道的電流輸入至一個LED發光裝置400中。

當本發明之LED發光裝置400經過前述之開機過程後，藉由電流互動校正迴路310與校正單元230間的迴路所產生N條校正之訊號，將此N條校正之訊號與經過DPWM FSM 2510所輸出的8個15位元數位訊號在多工單元2530中選出一個數位編碼訊號（Ch_PWM_pulse[14:0]）後，將選擇後的最佳15位元數位編碼訊號輸入至波形產生單元2550中，以轉換成類比的DPWM控制訊號。再經由DPWM控制裝置200所輸出的DPWM控制訊號至恆定電流產生器300。其主要目的是經由恆定電流產生器300將LED發光裝置400中的每一個通道的LED元件500或是多個LED String 401之目前狀態送至PWM控制裝置200中的校正單元230，並使校正單元230產出生N條校正之數位訊號，並將此N條校正之數位訊號送至DPWM調變單元250中；其中，所述之目前狀態是指每一個發光通道（例如：每一通道的LED元件500或是每一個LED String 401）的偏壓狀態不相同，因此，需要以不同的電流去驅動；特別是要以PWM來達到節省能源的目的時，更是需要視每一個發光通道的狀態而給予適當的驅動電流，以避免驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形。

接著，請參閱第6圖，係本發明之電壓轉換裝置的系統方塊示意圖。如第6圖所示，電壓轉換裝置100之一端與恆定電流產生器300所輸出之每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)連接；其中，每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED)是將LED發光裝置400中之每一個發光通道（例如：LED1-LED8）經過恆定電流產生器300及輸入脈波寬度調變訊號(PWM_in)調變後，輸出每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(例如：VLED1-8)。

電壓轉換裝置100包括一個升壓電路110、一個最小電壓選擇電路120、一個取樣保持及積分電路（a sampling-hold and integrating circuit）140及一過電壓保護電路144所組成。最小電壓選擇電路120，其輸入端分別與每一個的脈波寬度調變訊號(VLED1-8)及多個相應每一個發光通道的參考電壓(VLED_ref1-8) 連接，其輸出端則輸出一個經過比較後之最小導通時的脈波高度訊號(dVLED_min)，再將此最小導通時的脈波高度訊號輸入至一個取樣保持及積分電路140中，藉由此取樣保持及積分電路140的電路設計，並以電路之重疊原理（SUPERPOSITION THEORY）得到一個重疊電壓（V_sum）；之後，再將此重疊電壓輸出至升壓電路110並與一參考電壓(V_ref)比較後，將一個輸出電壓（V_out）送到LED發光裝置400以形成一個迴路。此外，輸出電壓（V_out）會與一過電壓保護電路144（Over Voltage Protect circuit；OVP）連接，其中，過電壓保護電路144是由R_O1及R_O2電阻串聯所形成，因此串聯電阻R_O1及R_O2的一端與升壓電路110之輸出電壓（V_out）連接，另一端則接地，而串聯電阻R_O1及R_O2之間所形成之節點電壓（V_OVP）可由分壓方式得到；同時，此節點電壓（V_OVP）會回饋至升壓電路110及取樣保持及積分電路140。再者，輸出電壓（V_out）會與一個電容器147連接，當PWM控制訊號為導通時，輸出電壓（V_out）即可提供LED發光裝置400所需電流並同時對電容器147進行充電；而當PWM控制訊號為關閉時，輸出電壓（V_out）藉由電容器147保持住電壓。

再接著，請參考第7圖，為本發明之最小電壓選擇電路之示意圖。如第7圖所示，最小電壓選擇電路120係由多個第一比較器1210及一個第二比較器1220所組成；其中，每一個第一比較器1210之第一輸入端與經過恆定電流產生器300調變後的每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(VLED1-8)連接，而第二輸入端則分別與一個參考電壓(VLED_ref1-8)連接；之後，每一比較器1210之輸出端均會輸出一電壓差值（dVLED）至第二比較器1220的輸入端，而第二比較器1220再將多個輸入電壓中之最小導通時的脈波高度電壓（dVLED_min）輸出。在本發明之實施例中，參考電壓(VLED_ref)可以各別提供（例如：提供VLED_ref_1；VLED_ref_2…等）並與相應之每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(例如：VLED_1；VLED_2…等)進行比較，並將比較結果輸出至第二比較器1220；此外，參考電壓也可以是提供一個的參考電壓值(VLED_ref)，分別與相應之每一個發光通道的脈波寬度調變訊號(例如：VLED_1；VLED_2…等)進行比較，並將比較結果輸出至第二比較器1220；對此參考電壓(VLED_ref)的提供方式，並不加以限制，可依設計者選擇。

請接著參考第8圖，係為本發明之取樣保持及積分電路之示意圖。如第8圖所示，取樣保持及積分電路140包括一個第一差動放大器141，其第一輸入端與一個積分器145連接，用以將輸入至第一差動放大器141第一輸入端的電壓保持大於0V；其第二輸入端與第一差動放大器141之輸出端V1形成回饋連接；同時，第一差動放大器141之輸出端V1與一個由多個電阻所形成之第一分壓電路142連接；例如：在本實施例中，是以R1、R2及R3形成第一分壓電路142，其中R3與R1、R2並聯；一第二差動放大器143，其第一輸入端與過電壓保護電路144所形成之節點電壓（V_OVP）連接；由於，節點電壓（V_OVP）是由電壓保護電路144回饋至第二差動放大器143的第一輸入端；而其第二輸入端與第二差動放大器143之輸出端V2連接，同時，第二差動放大器141之輸出端V2也與第一分壓電路142連接。

在本發明之取樣保持及積分電路140之實施例中，最小電壓選擇電路120所輸出之最小導通時的脈波高度電壓（dVLED_min）會輸入至取樣保持及積分電路140中的積分器145，因此，積分器145會將最小電壓提高至一個保持電壓（V_hold）；而在一較佳實施例中，取樣保持及積分電路140之第一差動放大器141之增益值（gain）可以設計為1，因此，在第一差動放大器141中，其V_hold=V1；同時，取樣保持及積分電路140之第二差動放大器143之增益值（gain）也可以設計為1，因此，在第二差動放大器143中，其V_OVP=V2。很明顯地，由取樣保持及積分電路140之第一分壓電路142可以依據保持電壓（V_hold）及節點電壓（V_OVP）以重疊原理可以得到重疊電壓（V_sum），其中

而當重疊電壓（V_sum）確定後，即可輸出至第6圖的升壓電路110中，並與一個參考電壓（V_ref）比較後，由升壓電路110送出一個輸出電壓（V_out）；而此輸出電壓（V_out）與過電壓保護電路144連接，並由分壓原理得到節點電壓（V_OVP），而此節點電壓（V_OVP）即被回饋至第二差動放大器143之第一輸入端；據此，重疊電壓（V_sum）也可視為升壓電路110的放大誤差回饋電壓。同時，而當重疊電壓（V_sum）確定後，即可得知第二差動放大器143之輸出端V2之電壓值，進而決定過電壓保護電路144（也可稱為第二分壓電路）所形成之節點電壓（V_OVP），其中

由第6圖所示，升壓電路110中的參考電壓（V_ref）是可以依據使用者之需求來設計；而在一穩態狀況（steady state）下，參考電壓（V_ref）會被設計成與重疊電壓（V_sum）相等，此時，第二分壓電路所形成之節點電壓（V_OVP）可以表示為

如上式所示，當參考電壓（V_ref）確定後，節點電壓（V_OVP）會隨著保持電壓（V_hold）之狀態而改變；例如，當保持電壓（V_hold）在上升階段時，節點電壓（V_OVP）會下降，同時，也使得輸出電壓（V_out）下降；而當保持電壓（V_hold）在下降階段時，節點電壓（V_OVP）會上升，同時，也使得輸出電壓（V_out）上升。因此，當參考電壓（V_ref）經由設計確定後，輸出電壓（V_out）能夠被調整到較佳的設計規格；例如：將輸出電壓（V_out）設計至吻合最小電壓為0之規格（即dVLED_min=0）；同時，在本實施例之過電壓保護電路144的啟動不會受到整個系統之控制方法之影響。

因此，當PWM訊號在其負載週期為導通（on）時，則LED發光裝置400中的每一個發光通道(401-408)自輸出電壓（V_out）處吸取電流；而當PWM訊號在其負載週期為關閉（off）時，升壓電路110會被關閉，此時，可由與節點電壓（V_out）連接的電容147來提供每一個發光通道(401-408)所需之電壓，而不會造成在PWM訊號在其負載週期為關閉（off）時，使得輸出電壓產生變化。此外，本發明之電壓轉換裝置100可以依據LED發光裝置400上的複數個發光通道(401-408)之PWM訊號狀態，並從複數個發光通道(401-408)之PWM訊號狀態中選擇一個與參考電壓差值最小的PWM訊號，經過取樣保持及積分電路140及升壓電路110之運算後，輸出一輸出電壓（Vout）；很明顯地，本發明之電壓轉換裝置100可以依據LED發光裝置400上的複數個發光通道(401-408)之PWM訊號狀態產生一個適當之輸出電壓（V_out）來驅動LED發光裝置400。

請再參考第2圖及第9圖，其中，第9圖為本發明之PWM控制LED發光模組之訊號示意圖。如第2圖所示，當恆定電流產生器300將多個控制訊號經過適當的處理後，輸出多個電流大小接近的電流至LED發光裝置400中的每一個發光通道(401-408)；而LED發光裝置400中的每一個發光通道(401-408)會輸出多個調變後的脈波寬度調變訊號(VLED1-8)；很明顯地，當PWM訊號在其負載週期為導通（on）時，則每一個發光通道(401-408)自輸出電壓（V_out）處吸取電流，而其實際吸取的電壓為輸出電壓（V_out）與每一個發光通道(401-408)的脈波寬度調變訊號(VLED)之組合，如第9圖所示。由於本發明之提供給LED發光裝置400中的每一個發光通道(401-408)的偏壓是經由DPWM控制裝置200所輸出的DPWM控制訊號再至恆定電流產生器300；而如前所述，其每一個發光通道(401-408)的偏壓狀態可以不相同。因此，當要以PWM訊號來達到節省能源的目的時，本發明即可由DPWM控制裝置200來依據每一個發光通道的狀態而給予適當的驅動電流，以避免驅動不良而造成亮度或彩色不一致情形；同時，再經過本發明之具有取樣保持及積分電路140的電壓轉換裝置100來提供一個依據最小之電壓差值所產生輸出電壓（V_out）至LED發光裝置400中的每一個發光通道(401-408)。故本發明使用PWM控制裝置及具有取樣保持及積分電路140的電壓轉換裝置100來提供每一個發光通道的偏壓狀態的控制迴路，其可以提供不同相位、及不同週期（DUTY CYCLE）之PWM訊號至LED發光裝置400中；以進一步達到節省能源之目的。很明顯地，當本發明之控制迴路經過適當之設計後，以相同相位、相同頻率及相同週期之PWM訊號至LED發光裝置400即為本發明之一特定實施例。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．LED發光模組

100．．．電壓轉換裝置

110．．．升壓電路

120．．．最小電壓選擇電路

1220．．．比較器

140．．．取樣保持及積分電路

141．．．第一差動放大器

142．．．第一分壓電路

143．．．第二差動放大器

144．．．第二分壓電路(過電壓保護電路)

147．．．電容

145．．．積分器

200．．．PWM控制裝置

210．．．PWM量測單元

230．．．校正單元

250．．．DPWM調變單元

2510．．．DPWM的有限狀態機

2530．．．多工單元

2550．．．波形產生單元

300．．．恆定電流產生器

310．．．校正迴路

400．．．LED發光裝置

401~40n．．．發光通道

500．．．LED元件

600．．．直流對直流轉換器

第1圖 係一種習知之發光二極體所形成的直下式發光模組之示意圖；

第2圖 係本發明之LED發光模組的系統方塊示意圖；

第3圖 係本發明之DPWM調變單元的系統方塊示意圖；

第4圖 係為本發明之DPWM FSM進行數位編碼之示意圖；

第5圖 係本發明之多功單元的實際電路示意圖；

第6圖 係為本發明之電壓轉換裝置之系統方塊示意圖；

第7圖 係為本發明之最小電壓選擇電路之示意圖；

第8圖 係為本發明之取樣保持及積分電路之示意圖；

第9圖 係為本發明之PWM控制LED發光模組之訊號示意圖；

100．．．電壓轉換裝置

110．．．升壓電路

120．．．最小電壓選擇電路

140．．．取樣保持及積分電路

144．．．過電壓保護電路

147．．．電容

300．．．恆定電流產生器

400．．．LED發光裝置

401-408．．．發光通道

Claims (10)

1. 一種電壓轉換裝置，其一端與一恆定電流產生器連接，且該恆定電流產生器接收多個可調整脈波寬度調變訊號的控制裝置所輸出之多個發光通道的脈波寬度調變訊號連接，其中該電壓轉換裝置之特徵包括：一最小電壓選擇電路，其輸入端分別與該多個發光通道的脈波寬度調變訊號及多個相應每一該發光通道的多個第一參考電壓連接，其輸出端則輸出一最小導通時的脈波高度訊號；一取樣保持及積分電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端與該最小電壓選擇電路所輸出之該最小導通時的脈波高度訊號連接，並輸出一個重疊電壓；及一升壓電路，其第一輸入端與取樣保持及積分電路所輸出之該重疊電壓連接，其第二輸入端與一第二參考電壓連接，其一輸出端與一第二分壓電路連接，並輸出一輸出電壓，且該輸出電壓與該LED發光裝置中的每一該發光通道連接；其中該第二分壓電路提供一節點電壓，且該節點電壓與該取樣保持及積分電路之該第二輸入端以及升壓電路連接，而該節點電壓是由該輸出電壓以及該第二分壓電路以分壓原理獲得；而該重疊電壓係由該取樣保持及積分電路中的第一分壓電路與該最小導通時的脈波高度訊號及該節點電壓以重疊原理獲得。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換裝置，其中該取樣保持及積分電路包括：一第一差動放大器，其第一輸入端與一個積分器連接，其第二輸入端與第一差動放大器之輸出端形成回饋連接；一第二差動放大器，其第一輸入端與該第二分壓電路所提供之節點電壓連接，其第二輸入端與第二差動放大器之輸出端連接；一第一分壓電路，係由多個電阻所形成，其一端與該第一差動放大器之輸出端連接，其第二端與該第二差動放大器之輸出端連接；其中該積分器與該最小電壓選擇電路輸出端所輸出之該最小導通時的脈波高度訊號連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換裝置，其中該第一差動放大器及該第二差動放大器之增益值為1。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換裝置，其中該第一差動放大器之輸出電壓始終大於0V。
5. 一種發光模組，其與一輸入脈波寬度調變訊號連接，該發光模組包括：一LED發光裝置，係由多個發光通道所組成；一恆定電流產生器，其第一輸入端與該LED發光裝置中之每一該發光通道連接，其第二輸入端與該輸入脈波寬度調變訊號連接，並由一輸出端輸出每一該發光通道的脈波寬度調變訊號；一電壓轉換裝置，包括：一最小電壓選擇電路，其輸入端分別與該恆定電流產生器所輸出之每一發光通道的脈波寬度調變訊號及多個相應每一該發光通道的第一參考參考電壓連接，其輸出端則輸出一最小導通時的脈波高度訊號；一取樣保持及積分電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端與該最小電壓選擇電路所輸出之該最小導通時的脈波高度訊號連接，並輸出一個重疊電壓；及一升壓電路，其第一輸入端與取樣保持及積分電路所輸出之該重疊電壓連接，其第二輸入端與一第二參考電壓連接，其一輸出端與一第二分壓電路連接，並輸出一輸出電壓，且該輸出電壓與該LED發光裝置中的每一該發光通道連接；其中該第二分壓電路提供一節點電壓，且該節點電壓與該取樣保持及積分電路之該第二輸入端以及升壓電路連接，而該節點電壓是由該輸出電壓以及該第二分壓電路以分壓原理獲得；而該重疊電壓係由該取樣保持及積分電路中的第一分壓電路與該最小導通時的脈波高度訊號及節點電壓以重疊原理獲得；一控制裝置，與該輸入脈波寬度調變訊號及由該恆定電流產生器所輸出之多條校正迴路連接，並輸出多個數位訊號至恆定電流產生器之輸入端。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光模組，其中該取樣保持及積分電路包括：一第一差動放大器，其第一輸入端與一個積分器連接，其第二輸入端與第一差動放大器之輸出端形成回饋連接；一第二差動放大器，其第一輸入端與該第二分壓電路所提供之節點電壓連接，其第二輸入端與第二差動放大器之輸出端連接；一第一分壓電路，係由多個電阻所形成，其一端與該第一差動放大器之輸出端連接，其第二端與該第二差動放大器之輸出端連接；其中該積分器與該最小電壓選擇電路輸出端所輸出之該最小導通時的脈波高度訊號連接。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光模組，其中該第一差動放大器及該第二差動放大器之增益值為1。
8. 如申請專利範圍第5項所述之發光模組，其中該控制裝置包括：一量測單元，係對該輸入脈波寬度調變訊號進行計數，將該輸入脈波寬度轉換為多個位元之第一數位訊號並輸出該多個位元之第一數位訊號；一校正單元，與該多條校正迴路連接並產生多個不同編碼的第二數位訊號；一調變單元，其輸入端與該多個位元之第一數位訊號及該多個不同編碼的第二數位訊號連接，並將該多個位元之第一數位訊號以一預設的控制要求進行編碼，並依據該控制要求輸出多個類比訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光模組，其中該調變單元與該多個位元之第一數位訊號及該多個不同編碼的第二數位訊號連接，該調變單元包括：一有限狀態機，其一輸入端與該多個位元之第一數位訊號連接，並將該第一數位訊號以該預設的控制要求進行編碼，並產生及輸出多個不同編碼的第三數位訊號；一多工單元，係由多個電路元件所組成，每一該電路元件之一第一輸入端與該多個不同的第三數位訊號連接，而每一該電路元件之一第二輸入端與該多個不同編碼的第二數位訊號其中一個連接，並輸出多個不同編碼的第四數位訊號；以及一個波形產生單元，其一第一輸入端與該多個位元之第一數位訊號連接，而一第二輸入端與該多個不同編碼的第四數位訊號連接，並將該多個不同編碼的第四數位訊號其轉換成多個類比訊號。
10. 如申請專利範圍第5項所述之發光模組，其進一步包括一電容與該節點電壓連接。