TW201311035A - 具有電荷突波保護之負載驅動電路 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，包含一轉換電路、一轉換控制器、一負載驅動調整器以及一電荷突波保護電路。轉換電路係用以耦接一輸入電源並於一輸出端提供一驅動電源以驅動一負載，其中轉換電路具有一輸出電容，耦接於輸出端。轉換控制器根據負載之一電流或一電壓控制轉換電路所提供之驅動電源之大小。負載驅動調整器與負載串聯於轉換電路之輸出端以調控負載之電性狀態。電荷突波保護電路耦接負載驅動調整器與負載之連接點及輸出電容，以提供一單向電荷導通路徑至輸出電容。

Description

具有電荷突波保護之負載驅動電路

本發明係關於一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，尤指一種以電容作為電荷突波保護之負載驅動電路。

請參見第一圖，為傳統的發光二極體驅動電路之電路示意圖。發光二極體驅動電路包含了一轉換控制器100、一升壓轉換電路160、一輸出電容C、一發光二極體模組150、一最低電壓選擇電路140以及一電流平衡電路145。升壓轉換電路160為一直流轉直流升壓轉換電路，包含一電感L、一切換開關SW以及一整流元件D，電感L一端耦接一輸入電源Vin，另一端耦接切換開關SW之一端；而切換開關SW之另一端接地。整流元件D之正端耦接電感L及切換開關SW之連接點，負端耦接輸出電容C。輸出電容C接收升壓轉換電路160所傳送之電力以產生一驅動電源Vout，以驅動發光二極體模組150發光。

電流平衡電路145耦接發光二極體模組150中的每個發光二極體串150之負端，使每一發光二極體串之電流一致，如此可使每一發光二極體串發光一致。最低電壓選擇電路140耦接發光二極體模組150中的每個發光二極體串之負端，用以偵測並判斷這些負端中電壓最低者，並據此輸出一電壓迴授訊號VFB。轉換控制器100根據電壓迴授訊號VFB產生一切換訊號Sc，以控制切換開關SW之切換。

轉換控制器100具有驅動腳位及接地腳位，因此積體電路中會設計一些靜電防護路徑，將靜電的能量透過這兩腳位導出以避免損傷轉換控制器100。但這樣的電路架構中的電流平衡電路145並未有驅動腳位(VDD pin)，故並無對VDD路徑的靜電防護的功能。因此，當靜電透過電流平衡電路145與發光二極體模組150的連接點導入電流平衡電路145，很容易就造成電路的損傷而無法發揮功能。

請參見第二圖，為傳統具有靜電防護的發光二極體驅動電路之電路示意圖。相較第一圖所示的電路，第二圖的電路增加了一TVS靜電防護電路155，耦接接地電位及電流平衡電路145與發光二極體模組150的連接點。TVS靜電防護電路155為暫態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)所組成，暫態電壓抑制器最顯著的特點一是反應迅速，使瞬時脈衝在沒有對線路或元件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用於低電壓的迴路環境。如此，當靜電產生時，不論是正的靜電電壓或者是負的靜電電壓，均可透過TVS靜電防護電路155中的暫態電壓抑制器導通至接地電位，而達到電路的靜電防護作用。

然而，暫態電壓抑制器的成本高，對於整體電路的成本會大幅提高。而且暫態電壓抑制器的雪崩電壓的誤差大，應用在上述電路時，需選擇的雪崩電壓要高出驅動電源Vout的電壓一段距離，以避免在驅動電源Vout的正常操作電壓範圍時，暫態電壓抑制器卻導通而影響電路的正常運作。而此舉可能造成暫態電壓抑制器的實際雪崩電壓與電流平衡電路145的耐壓接近，使得發生靜電放電時，電流平衡電路145也短暫超過耐壓而影響電流平衡電路145的使用壽命。所以在實際的電路應用上，大部分仍選擇不使用靜電防護電路而使得實際使用時，產品的可靠度低，且也無法通過相關的靜電測試規範。

鑑於先前技術中的發光二極體驅動電路使用暫態電壓抑制器作為靜電防護電路造成的整體電路成本的大幅增加且仍無法完全避免靜電放電對電路壽命的影響，而若未加暫態電壓抑制器，則電路的靜電防護功能不佳，使得產品的可靠度下降。本發明透過增加一靜電防護電路於轉換電路的電容及未有靜電防護的晶片電路的腳位之間，透過電容的儲能功能來達到晶片電路的靜電防護效果，並同時避免對電路使用壽命的影響。

為達上述目的，本發明提供了一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，包含一轉換電路、一轉換控制器、一負載調整器以及一電荷突波保護電路。轉換電路係用以耦接一輸入電源並於一輸出端提供一驅動電源以驅動一負載，其中轉換電路具有一輸出電容，耦接於輸出端。轉換控制器根據負載之一電流或一電壓控制轉換電路所提供之驅動電源之大小。負載調整器與負載串聯於轉換電路之輸出端以調控負載之電性狀態。電荷突波保護電路耦接負載調整器與負載之連接點及輸出電容，以提供一單向電荷導通路徑至輸出電容。

本發明也提供了另一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，包含一轉換電路、一轉換控制器、一負載調整器以及一電荷突波保護電路。轉換電路係用以耦接一輸入電源並於一輸出端提供一驅動電源以驅動一負載，其中轉換電路具有一輸出電容，耦接於輸出端。轉換控制器根據代表驅動電源之電壓之一電壓迴授訊號控制轉換電路所提供之驅動電源之大小。負載驅動調整器與負載串聯於轉換電路之輸出端以調控負載之電性狀態。電荷突波保護電路耦接負載驅動調整器與負載之連接點及輸出電容，以提供一單向電荷導通路徑至輸出電容。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參見第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例的具有電荷突波保護之負載驅動電路的電路示意圖。負載驅動電路包含一轉換電路260、一轉換控制器200、一負載調整器245以及一電荷突波保護電路255。轉換電路260耦接一輸入電源Vin並於一輸出端提供一驅動電源Vout以驅動一負載250，其中轉換電路260具有一輸出電容C，耦接於轉換電路260的輸出端，以穩定轉換電路260的輸出。轉換電路260可以是一般常見的直流轉直流轉換電路，例如：升壓轉換電路(Boost Converter)、降壓轉換電路(Buck Converter)、反馳式轉換電路(Flyback Converter)、順向式轉換電路(Forward Converter)、LLC諧振式轉換電路等。轉換控制器200根據負載250之電壓產生一切換訊號Sc控制轉換電路260所提供之驅動電源Vout之大小。負載調整器245與負載串聯於轉換電路260之輸出端及接地電位之間，以調控負載250之電性狀態。電荷突波保護電路255耦接負載調整器245與負載250之連接點及輸出電容C，以提供一單向電荷導通路徑至輸出電容C。

負載250為一發光二極體模組，包含至少一發光二極體串，在本實施例中以兩發光二極體串為例說明。發光二極體串的一正端耦接轉換電路260的輸出端以接收驅動電源Vout之電力，一負端耦接負載調整器245。本實施例之負載調整器245調節各發光二極體串之電流，使各串電流一致。一最低電壓選擇電路240應用於此電路中，耦接各發光二極體串之負端，選擇負端之中最低電壓作為一電壓迴授訊號VFB輸出。轉換控制器200根據電壓迴授訊號VFB控制轉換電路260，使各發光二極體串中的最低電壓負端維持在一預定電壓，以使發光二極體的驅動可以維持在較高的轉換效率下操作。當然，轉換控制器200也可以根據任一發光二極體串的一電流偵測訊號，來進行上述的迴授控制而使該發光二極體串的電流流經預定的電流值，並透過負載調整器245使所有的發光二極體串的電流均落在預定的電流值上。

負載調整器245可以是電流鏡或具有電流迴授控制以調整等效電阻值的電路架構，藉此以調整負載250的流經電流大小。一般而言，負載調整器245具有對應各發光二極體串的電晶體，例如：雙載子接面電晶體(BJT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)等，以提供對應的電流控制端，在此以金氧半場效電晶體為例說明。金氧半場效電晶體的一第一端(汲極)耦接負載250中對應的發光二極體串，一第二端(源極)耦接地，而一控制端(閘極)則根據一控制訊號調整流經的電流大小。

電荷突波保護電路255包含兩個PN接面二極體，其一正端分別耦接負載250與負載調整器245的對應連接點，即上述的電流控制端，一負端均耦接到轉換電路260的輸出電容C，以提供由電流控制端到輸出電容C的單向電荷導通路徑。因此，當靜電或其他因素造成的正電壓之電荷突波，透過電流控制端打入負載調整器245時，電荷突波保護電路255的PN接面二極體被導通，以將能量(電荷)傳送至輸出電容C中儲存，故電荷突波所造成的電壓可被箝制在略高驅動電源Vout的電壓。而由於輸出電容C必須提供驅動電源Vout的穩定作用，故其電容值也足以承受這樣的電荷突波。若當負電壓之電荷突波透過電流控制端打入負載調整器245時，則電荷突波保護電路255的PN接面二極體會因負偏壓而截止。而由於金氧半場效電晶體中寄生二極體Db的負端耦接電流控制端而正端耦接地，故此時會因正偏壓而導通，使電荷突波的能量被導引至接地電位而避免損傷負載調整器245的內部電路。另外，由於金氧半場效電晶體中的閘極的耐壓能力較弱，而若電荷突波可能回流至閘極時，亦可能造成電晶體的損壞。因此，也可以在閘極與汲極以及閘極與源極之間增加二極體作為內部的靜電防護電路，使電荷突波透過電流控制端或接地電位導引出去。

本發明亦可選擇性增加一輔助電荷突波保護電路255b，以更強化對電荷突波的保護能力。在本實施例，輔助電荷突波保護電路255b具有複數個RC電路(即由電阻及電容所組成)。每一個RC電路耦接負載250與負載調整器245的對應連接點及接地。電荷突波保護電路255b中的電容具有較小的電容值，以避免影響負載驅動電路的運作。當電荷突波透過電流控制端傳送至負載調整器245時，輔助電荷突波保護電路255b可立即吸收電荷突波的部分能量。

請參見第四圖，為根據本發明之一第二較佳實施例的具有電荷突波保護之負載驅動電路的電路示意圖。負載驅動電路包含一轉換電路360、一轉換控制器300、一負載調整器345以及一電荷突波保護電路355。轉換電路360耦接一輸入電源Vin並於一輸出端提供一驅動電源Vout以驅動負載350，其中轉換電路360具有一輸出電容C，耦接於轉換電路360的輸出端，以穩定轉換電路360的輸出。一電壓偵測電路VD耦接轉換電路360的輸出端，以根據驅動電源Vout的電壓產生一電壓迴授訊號VFB。轉換控制器300根據電壓迴授訊號VFB產生切換訊號Sc以控制轉換電路360所提供之驅動電源Vout之大小。負載調整器345與負載串聯於轉換電路360之輸出端及接地電位之間，以調控負載350之電性狀態。電荷突波保護電路355耦接負載調整器345與負載350之連接點及輸出電容C，以提供一單向電荷導通路徑至輸出電容C。

負載調整器345為常見之線性穩壓器(Low Dropout Regulator，LDO)，利用一電流偵測電阻Ri偵測流經的電流大小，並透過一誤差放大器EA根據一參考訊號Vr來調整其中的金氧半場效電晶體之等效電阻值，使流經負載350的電流穩定於預定電流值。負載調整器345有一第一輸入/輸出端PIN1、一第二輸入/輸出端PIN2、一迴授控制端FB以及一接地端GD。第一輸入/輸出端PIN1耦接轉換電路360的輸出端，而第二輸入/輸出端PIN2耦接電流偵測電阻Ri之一端，而電流偵測電阻Ri之另一端耦接負載350的正端及接地端GD。電荷突波保護電路355包含一齊納二極體，其負端耦接輸出電容C，而正端耦接第二輸入/輸出端PIN2。線性穩壓器內含一誤差放大器，透過迴授控制端FB接收電流偵測電阻Ri所產生的一電流偵測訊號IFB，以據此調整金氧半場效電晶體之等效電阻值，而達到穩定電流之作用。

當靜電或其他因素造成的正電壓之電荷突波透過負載調整器345的接地端GD或迴授控制端FB打入時，將使內部的金氧半場效電晶體的一寄生二極體Db導通，而將能量導引至輸出電容C。當負電壓之電荷突波透過負載調整器345的接地端GD或迴授控制端FB打入時，則電荷突波保護電路355的齊納二極體會因超過崩潰電壓而導通，使電荷突波的能量也可被導引至輸出電容C。齊納二極體的崩潰電壓可以根據負載350的發光二極體模組發光的臨界電壓而定，以避免影響負載350驅動電路的正常操作。

如上實施例所示，不論負載調整器連接接地電位或驅動電源，其與負載連接的連接點均可透過二極體耦接至轉換電路的輸出電容以提供單向的電荷導通路徑；而且本發明可以同時利用金氧半場效電晶體中的寄生二極體來提供另一方面的電荷導通路徑。而本發明所使用PN接面二極體與齊納二極體相較於暫態電壓抑制器，可以更精準的將電荷突波造成的電壓箝制在預定的電壓上，避免使用暫態電壓抑制器時可能過高的電壓減少負載調整器的使用壽命之問題。而且PN接面二極體的反應速度更快於暫態電壓抑制器的反應速度，故可提供更快速的保護作用。另外，在電路成本增加上也低於暫態電壓抑制器的成本增加，不會使整體電路的成本明顯提高。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

100．．．轉換控制器

140．．．最低電壓選擇電路

145．．．電流平衡電路

150．．．發光二極體模組

155．．．TVS靜電防護電路

160．．．升壓轉換電路

C．．．輸出電容

L．．．電感

SW．．．切換開關

D．．．整流元件

Vin．．．輸入電源

Vout．．．驅動電源

VFB．．．電壓迴授訊號

Sc．．．切換訊號

本發明：

200、300．．．轉換控制器

240．．．最低電壓選擇電路

245、345．．．負載調整器

250、350．．．負載

255、355．．．電荷突波保護電路

260、360．．．轉換電路

Vin．．．輸入電源

Vout．．．驅動電源

C．．．輸出電容

VFB．．．電壓迴授訊號

Db．．．寄生二極體

PIN1．．．第一輸入/輸出端

PIN2．．．第二輸入/輸出端

FB．．．迴授控制端

GD．．．接地端

Ri．．．電流偵測電阻

IFB．．．電流偵測訊號

VD．．．電壓偵測電路

Sc．．．切換訊號

255b．．．輔助電荷突波保護電路

Vr．．．參考訊號

EA．．．誤差放大器

第一圖為傳統的發光二極體驅動電路之電路示意圖。

第二圖為傳統具有靜電防護的發光二極體驅動電路之電路示意圖。

第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例的具有電荷突波保護之負載驅動電路的電路示意圖。

第四圖為根據本發明之一第二較佳實施例的具有電荷突波保護之負載驅動電路的電路示意圖。

200．．．轉換控制器

240．．．最低電壓選擇電路

245．．．負載調整器

250．．．負載

255．．．電荷突波保護電路

260．．．轉換電路

Vin．．．輸入電源

Vout．．．驅動電源

C．．．輸出電容

VFB．．．電壓迴授訊號

Db．．．寄生二極體

Sc．．．切換訊號

255b．．．輔助電荷突波保護電路

Claims (13)

1. 一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，包含：一轉換電路，用以耦接一輸入電源並於一輸出端提供一驅動電源以驅動一負載，其中該轉換電路具有一輸出電容，耦接於該輸出端；一轉換控制器，根據該負載之一電流或一電壓，控制該轉換電路所提供之該驅動電源之大小；一負載驅動調整器，與該負載串聯於該轉換電路之該輸出端以調控該負載之電性狀態；以及一電荷突波保護電路，耦接該負載驅動調整器與該負載之連接點及該輸出電容，以提供一單向電荷導通路徑至該輸出電容。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該負載驅動調整器包含至少一電晶體以調整該負載之該電流大小。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該負載為一發光二極體模組。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，更包含一輔助電荷突波保護電路，該輔助電荷突波保護電路具有複數個RC電路，其中每一個RC電路連接至該負載及該負載驅動調整器之對應連接點。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中每一該電晶體有一寄生二極體，該寄生二極體之負端耦接該負載驅動調整器與該負載之連接點。
6. 如申請專利範圍第2項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該電晶體為一金氧半場效電晶體，每一該金氧半場效電晶體具有一第一端、一第二端及一控制端，而該第一端與該控制端間以及該第二端與該控制端間具有靜電防護電路。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該電荷突波保護電路具有至少一二極體，每一該二極體之正端對應耦接該負載驅動調整器與該負載之連接點，每一二極體之負端耦接該輸出電容。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，更包含一輔助電荷突波保護電路，該輔助電荷突波保護電路具有複數個RC電路，其中每一個RC電路連接至該負載及該負載驅動調整器之對應連接點。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該負載驅動調整器為一線性穩壓器，該線性穩壓器之一第一輸入/輸出端及一第二輸入/輸出端之其中之一耦接該負載，一迴授控制端接收代表該負載之該電流之一電流偵測訊號，該線性穩壓器根據該電流偵測訊號以穩定該負載之該電流。
10. 一種具有電荷突波保護之負載驅動電路，包含：一轉換電路，用以耦接一輸入電源並於一輸出端提供一驅動電源以驅動一負載，其中該轉換電路具有一輸出電容，耦接於該輸出端；一轉換控制器，根據代表該驅動電源之電壓之一電壓迴授訊號控制該轉換電路所提供之該驅動電源之大小；一負載驅動調整器，與該負載串聯於該轉換電路之該輸出端以調控該負載之電性狀態；以及一電荷突波保護電路，耦接該負載驅動調整器與該負載之連接點及該輸出電容，以提供一單向電荷導通路徑至該輸出電容。
11. 如申請專利範圍第10項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該電荷突波保護電路具有至少一二極體，每一該二極體之正端對應耦接該負載驅動調整器與該負載之連接點，每一該二極體之負端耦接該輸出電容。
12. 如申請專利範圍第10項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，其中該負載驅動調整器為一線性穩壓器，該線性穩壓器之一第一輸入/輸出端及一第二輸入/輸出端之其中之一耦接該負載，一迴授控制端接收代表該負載之該電流之一電流偵測訊號，該線性穩壓器根據該電流偵測訊號以穩定流經該負載之該電流。
13. 如申請專利範圍第10項所述之具有電荷突波保護之負載驅動電路，更包含一輔助電荷突波保護電路，該輔助電荷突波保護電路具有複數個RC電路，其中每一個RC電路連接至該負載及該負載驅動調整器之對應連接點。