TW201325318A - 短路偵測電路以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

短路偵測電路以及控制方法，適用於一發光二極體串之短路偵測。一短路偵測電路包含有一定電流源、一整流器、以及一偵測器。該定電流源提供一設定電流。該整流器耦接於一回饋端以及該定電流源之間。該回饋端耦接至該發光二極體之一端。當該回饋端上之一回饋電壓超過一短路參考電壓時，該整流器使該設定電流汲取該回饋端。該偵測器偵測該回饋端之一回饋電壓，當該回饋電壓高過一預設值時，觸發一短路保護，以使該發光二極體串不發光。

Description

短路偵測電路以及控制方法
本發明係關於針對發光二極體串(LED chain)之電源控制電路，尤其是關於偵測發光二極體串中是否有短路事件發生的電源控制電路。
對於講究節能減碳的這個時代而言，發光二極體(light-emitting diode，LED)已經是廣為使用的一種光源，因為其具有相當優良的發光效率以及精巧的元件體積。舉例來說，現代的液晶螢幕(LCD panel)，大都以LED來取代以往的CCFL，來當作背光。
第1圖為一種用於液晶螢幕之背光模組的LED電源供應器8，主要是控制發光二極體串L1~LN的發光，每一發光二極體串具有數個串接的發光二極體。昇壓電路(booster)4中，脈波寬度控制器23控制功率開關，使電感元件從輸入端IN汲取能量，而對輸出端OUT釋放能量，以在輸出端OUT上建立適當的輸出電壓VOUT來驅動發光二極體串。電流平衡控制器13主要控制使流經每一個發光二極體串(LED chain)的電流都大致相等，以達到均勻發光的目的。
電路12具有數個二極體，全部連接到最小電壓端MIN，用來偵測在陰極端D1~DN上的最小電壓。最小電壓端MIN上的電壓VMIN大致會對應陰極端D1~DN上的最小電壓。電流平衡控制器13能夠透過控制端CTRL，來影響昇壓電路4的傳輸功率，以使電壓VMIN維持在一預設值。如此，可以確保NMOS電晶體N1~NN操作於一比較有效率的狀態，可以降低不必要的電能損耗。
隨著使用時間的增加，發光二極體串L1~LN中的發光二極體可能老化，變成短路或是開路。這樣的異常狀態發生，電流平衡控制器13應該要做出相對應的動作，預防危險的發生。
電路14提供短路偵測。電路14具有數個二極體，全部連接到最大電壓端MAX。最大電壓端MAX上的電壓VMAX大致會對應陰極端D1~DN上的最大電壓。舉例來說，如果發光二極體串Ln中有許多個LED短路了，當發光二極體串L1~LN發光時，陰極端Dn上的陰極電壓VDn就會比其他的陰極電壓VD1~VDn-1、VD1~VDn-1來的高很多，所以也導致了最大電壓端MAX上的電壓VMAX高昇。電流平衡控制器13可以透過偵測端SD來偵測電壓VMAX。一旦電壓VMAX超過一臨界值，電流平衡控制器13可以認定有LED短路事件發生，進而使所有發光二極體串L1~LN都不發光。
但是，第1圖中的LED電源供應器8有幾個缺點。第一，電流平衡控制器13無法個別判斷發光二極體串L1~LN中哪一個發生了LED短路事件。也就是說，只要有一個發光二極體串Ln發生LED短路事件發生了，將會導致所有的發光二極體串全部不發光。第二，LED電源供應器8的整體成本將會相當可觀。LED電源供應器8需要有一個耐高壓開關，耦接於最大電壓端MAX以及偵測端SD之間，以使調光不亮(dimming off)時，高壓的陰極電壓VD1~VDN不至於進入電流平衡控制器13。相對的，電流平衡控制器13也多了一隻接腳(pin)DT來控制此耐高壓開關。
本發明之實施例揭示一種控制方法，適用於一發光二極體串之短路偵測，包含有：提供一回饋端，耦接至該發光二極體串之一端；從該回饋端汲取一參考電流，大致使該回饋電壓不高於一短路參考電壓，其中，該參考電流有一預設之最大值；於該發光二極體串發光時，比較一回饋電流以及該參考電流，其中，該回饋電流係由該發光二極體串之該端流入該回饋端；以及，當該回饋電流高於該參考電流時，觸發一短路保護，以使該發光二極體串不發光。
本發明之實施例揭示一種短路偵測電路，適用於一發光二極體串之短路偵測。該短路偵測電路包含有一定電流源、一整流器、以及一偵測器。該定電流源提供一設定電流。該整流器耦接於一回饋端以及該定電流源之間。該回饋端耦接至該發光二極體之一端。當該回饋端上之一回饋電壓超過一短路參考電壓時，該整流器使該設定電流汲取該回饋端。該偵測器偵測該回饋端之一回饋電壓，當該回饋電壓高過一預設值時，觸發一短路保護，以使該發光二極體串不發光。
第2圖為依據本發明所實施的電源控制電路18，用來控制發光二極體串LI~LN的發光。發光二極體串L1~LN具有陰極端D1~DN，透過電阻R1~RN分別耦接到背光控制器20的回饋端FB1~FBN。背光控制器20透過閘端G1~GN，控制NMOS電晶體N1~NN，從電流偵測端CS1~CSN，大致偵測流經NMOS電晶體N1~NN的電流。背光控制器20也從驅動端DRV，控制昇壓電路(booster)4中的功率開關，以增能或是釋能其中的電感。在一實施例中，背光控制器20為一單晶積體電路。
第3圖顯示第2圖中的背光控制器20，其包含有脈波寬度控制器30、最小電壓選擇器26、以及數個驅動模組281~28N。
最小電壓選擇器26依據回饋端FB1~FBN上的回饋電壓VFB1~VFBN中的最小值，在最小回饋端FB-MIN上，產生最小回饋電壓VFB-MIN。從驅動端DRV，脈波寬度控制器30控制昇壓電路4中的功率開關，以使輸出端OUT的電壓VOUT增加或是減少，目的是使最小回饋電壓VFB-MIN大致維持在一預設值。如此，可以使NMOS電晶體N1~NN工作的比較有效率。舉例來說，脈波寬度控制器30將最小回饋電壓VFB-MIN控制在約1V，相對地回饋電壓VFB1~VFBN中的最小值也可能約是1V。
驅動模組281~28N分別對應到發光二極體串L1~LN。驅動模組281~28N其中的電路、架構、或是功能可以是相同或是類似。以下將以驅動模組281作為一例子來解說。業界具有普通能力者可以依據驅動模組281的說明，簡單的推知或是實現其他驅動模組282~28N的內部結構、連接關係、以及功能。
第4圖顯示驅動模組281以及相關之電路，其中有LED短路偵測器221以及LED串驅動器241。
要使發光二極體串L1發光時，LED串驅動器241透過閘端G1以及電流偵測端CS1，大致上使流經發光二極體串L1的電流為一預定值。因為運算放大器641所提供的負回饋(negative feedback)機制，流經發光二極體串L1的電流大約會等於固定的設定電壓VISET除以偵測電阻RS1之電阻值。設定電壓VISET在驅動模組281~28N都一樣。只要偵測電阻RS1~RSN都一樣，那流經每個LED的電流就都差不多，可以達到發光亮度大約一致的目的。
LED短路偵測器221耦接到回饋端FB1，在發光二極體串L1發光時，據以判斷是否發光二極體串L1發生有LED短路事件。如果LED短路偵測器221認定發光二極體串L1發生有LED短路事件，就透過信號SH1，強制禁能(disable)LED串驅動器241。此時，紀錄器25會固定禁能運算放大器641，使NMOS電晶體N1維持在關閉，呈現開路狀態，大致使發光二極體串L1不發光。
LED短路偵測器221中，比較器C1比較了回饋端FB1上的回饋電壓VFB1以及短路參考電壓VREF-SH。定電流源CC1透過偵測端SE1耦接到開關SW1以及緩衝器BU。一旦回饋電壓VFB1高於短路參考電壓VREF-SH，開關SW1會被開啟，定電流源CC1所提供設定電流ISET中，至少有一部分會成為參考電流IREF，流經開關SW1，從回饋端FB1汲取電流，嘗試降低回饋電壓VFB1。參考電流IREF的最大值就是設定電流ISET。換言之，只要從電阻R1流到回饋端FB1的電流IFB1不大於設定電流ISET，回饋電壓VFB1大致會被維持在不大於短路參考電壓VREF-SH的範圍內。只要電流IFB1小於設定電流ISET，偵測端SE1的電壓就會維持在一低位準(譬如說0V)，可以視為邏輯上的0。此時，緩衝器BU維持信號SH1為邏輯上的0，LED串驅動器241驅使發光二極體串L1發光。
從另一個角度來看，當回饋電壓VFB1低於短路參考電壓VREF-SH時，電流IFB1大約是0，所以回饋電壓VFB1大約等於陰極電壓VD1。如此，第3圖中的脈波寬度控制器30與最小電壓選擇器26可以正常的工作。
一旦電流IFB1大於設定電流ISET，回饋電壓VFB1就會開始超過短路參考電壓VREF-SH。此時，因為開關SW1的全開(fully-ON)，偵測端SE1的電壓會大約等於回饋電壓VFB1。緩衝器BU等同一偵測器，偵測偵測端SE1的電壓，也等同於偵測回饋電壓VFB1。如果偵測端SE1的電壓高達一定臨界值VTH，譬如說3V，則緩衝器BU會視其為邏輯上的1，緩衝器BU將輸出邏輯上為1的信號SH1，發光二極體串L1被認為有發生LED短路事件。此時，LED串驅動器241會被強制禁能，大致使發光二極體串L1不發光。
在一實施例中，短路參考電壓VREF-SH高於緩衝器BU所用於辨認邏輯的臨界值VTH。如此，被認定發生LED短路事件時，設定電流ISET、短路參考電壓VRES-SH、觸發陰極電壓VD1-TH、以及電阻R1彼此將會有以下公式I的關係。
ISET=IFB1=(VD1-TH-VREF-SH)/R1　...... I
公式I整理後，可以得到以下公式II。
R1=(VD1-TH-VREF-SH)/ISET　........II
可以依據公式II，透過選取一個適當的電阻R1，來設定發生LED短路時，觸發陰極電壓VD1-TH的值。假定，舉例來說，當脈波寬度控制器30正常操作時，回饋電壓VFB1~VFBN中的最小值，也等同於陰極電壓VD1~VDN的最小值，大約會維持在1V；每個發光二極體串中的LED數目一樣多；每個發光二極體正常操作時，跨壓約3.5V；設定電流ISET為20微安培(uA)；短路參考電壓VRES-SH為4V；臨界值VTH為3V；當至少有三個LED短路時，就應該視為發生LED短路。那麼，觸發陰極電壓VD1-TH就應該等於11.5(=3.5*3+1)V，電阻R1應該選定為(11.5-4)/20百萬歐姆。
在另一個實施例中，短路參考電壓VREF-SH低於緩衝器BU所用於辨認邏輯的臨界值VTH。如此，只要把公式I與II中的短路參考電壓VREF-SH取代為臨界值VTH，一樣可以得到選取適當之電阻R1的公式。
第4圖中的驅動模組281可以辨識出是否發光二極體串L1發生有LED短路事件。而且，當LED短路偵測器221禁能LED串驅動器241後，並不會影響其他驅動模組中LED短路偵測器的操作。
第5圖顯示驅動模組28A1，可以用以取代第3圖中的驅動模組281。與驅動模組281之固定短路參考電壓VREF-SH不同的，在第5圖中的驅動模組28A1中，短路參考電壓VREF-SH是關聯於最小回饋電壓VFB-MIN，其關聯於陰極電壓VD1~VDN中的最小值。在第5圖中，定電壓源VSF把最小回饋端FB-MIN上的最小回饋電壓VFB-MIN增加一預定值後，作為短路參考電壓VREF-SH。
第4圖與第5圖中，比較器C1以及開關SW1的組合，可以等同視為一整流器。當回饋端FB1上之回饋電壓VFB1超過短路參考電壓VREF-SH時，整流器導通，設定電流ISET汲取回饋端FB1；否則，整流器關閉，設定電流ISET無法汲取回饋端FB1。所以，整流器的臨界電壓就是短路參考電壓VREF-SH。
第6A圖以及第6B圖顯示LED短路偵測器22A1與22B1，在實施例中，每一個都可以取代第4圖中的LED短路偵測器221。在第6A圖中，回饋端FB1到偵測端SE1之間串接有數個二極體。串接的二極體，其等效的臨界電壓將會是其個別臨界電壓的總和。這個臨界電壓，可以作為一短路參考電壓。譬如說，假定第6A圖中的二極體串之等效臨界電壓為3V，那只有在回饋端FB1上之回饋電壓VFB1超過3V時，設定電流ISET才會汲取回饋端FB1。比較第6A圖中的LED短路偵測器22A1以及第4圖之LED短路偵測器221，可以發現他們彼此的操作原理是雷同的，可以達到類似的目的。第6B圖中的LED短路偵測器22B1，是以一基納二極體來取代第6A圖中的二極體串。基納二極體的崩潰臨界電壓，也可以作為一短路參考電壓。業界具有一般能力者，將能夠依據以上之解說，理解第6B圖之操作與原理，故不再累述。
在一實施例中，第4圖中的回饋端FB1到地之間連接有一基納二極體，用以箝制(clamp)回饋端FB1的最大電壓，預防其他元件遭受高壓應力毀損。如此，背光控制器20可以用一低電壓製程，形成於一單晶積體電路上，可以節省成本。
相較於第1圖中的LED電源供應器8，第2圖中的電源控制電路18可以不需要有耐受高壓元件，所以成本有機會可以比較便宜。而且，第2圖中的背光控制器20可以獨立地偵測發生於不同LED串之短路事件。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
4．．．昇壓電路
8．．．LED電源供應器
12．．．電路
13．．．電流平衡控制器
14．．．電路
18．．．電源控制電路
20．．．背光控制器
221．．．LED短路偵測器
22A1、22B1．．．LED短路偵測器
23．．．脈波寬度控制器
241．．．LED串驅動器
25．．．紀錄器
26．．．最小電壓選擇器
281~28N．．．驅動模組
28A1．．．驅動模組
30．．．脈波寬度控制器
641．．．運算放大器
BU．．．緩衝器
C1．．．比較器
CC1．．．定電流源
CS1~CSN．．．電流偵測端
CTRL．．．控制端
D1~DN．．．陰極端
DRV．．．驅動端
FB1~FBN．．．回饋端
FB-MIN．．．最小回饋端
G1~GN．．．閘端
IN．．．輸入端
IREF．．．參考電流
ISET．．．設定電流
L1~LN．．．發光二極體串
MAX．．．最大電壓端
MIN．．．最小電壓端
N1~NN．．．NMOS電晶體
OUT．．．輸出端
R1~RN．．．電阻
RS1~RSN．．．偵測電阻
SD．．．偵測端
SE1．．．偵測端
SH1．．．信號
SW1．．．開關
VREF-SH．．．短路參考電壓
VISET．．．設定電壓
VSF．．．定電壓源
第1圖為一種用於液晶螢幕之背光模組的LED電源供應器。
第2圖為依據本發明所實施的電源控制電路。
第3圖顯示第2圖中的背光控制器。
第4圖顯示第3圖中的一驅動模組以及相關之外接電路。
第5圖顯示另一驅動模組。
第6A圖以及第6B圖顯示二LED短路偵測器。
221．．．LED短路偵測器
241．．．LED串驅動器
25．．．紀錄器
281．．．驅動模組
641．．．運算放大器
BU．．．緩衝器
C1．．．比較器
CC1．．．定電流源
CS1．．．電流偵測端
D1．．．陰極端
FB1．．．回饋端
G1．．．閘端
IREF．．．參考電流
ISET．．．設定電流
L1．．．發光二極體串
N1．．．NMOS電晶體
R1．．．電阻
RS1．．．偵測電阻
SE1．．．偵測端
SH1．．．信號
SW1．．．開關
VREF-SH．．．短路參考電壓
VISET．．．設定電壓

Claims (11)

  1. 一種控制方法，適用於一發光二極體串之短路偵測，包含有：提供一回饋端，耦接至該發光二極體串之一端；從該回饋端汲取一參考電流，大致使該回饋電壓不高於一短路參考電壓，其中，該參考電流有一預設之最大值；於該發光二極體串發光時，比較一回饋電流以及該參考電流，其中，該回饋電流係由該發光二極體串之該端流入該回饋端；以及當該回饋電流高於該參考電流時，觸發一短路保護，以使該發光二極體串不發光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：提供數個回饋端，耦接至對應之數個發光二極體串；偵測該等回饋端上之一最低回饋電壓；以及依據該最低回饋電壓，控制一開關式電源供應器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其中，該短路參考電壓係相關於該最低回饋電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：當該回饋電壓低於該短路參考電壓時，使該參考電流大致為0。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：提供一設定電阻，耦接於該發光二極體串之該端以及該回饋端之間。
  6. 一種短路偵測電路，適用於一發光二極體串之短路偵測，包含有：一定電流源，提供一設定電流；一整流器(rectifier)，耦接於一回饋端以及該定電流源之間，其中，該回饋端耦接至該發光二極體之一端，當該回饋端上之一回饋電壓超過一短路參考電壓時，使該設定電流汲取該回饋端；以及一偵測器，偵測該回饋端之一回饋電壓，當該回饋電壓高過一預設值時，觸發一短路保護，以使該發光二極體串不發光。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，其中，該整流器包含有：一比較器，具有一二輸入端，分別耦接至該短路參考電壓以及該回饋端；以及一開關，耦接至該回饋端以及一監測端之間，具有一控制端，耦接至該比較器之一輸出；其中，該定電流源耦接至該監測端。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，其中，該偵測器耦接至該監測端，透過該開關，監測該回饋電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，其中，該整流器包含有：一二極體串(diode chain)或是一基納二極體(zener diode)，其具有一臨界電壓，大約等於該短路參考電壓。
  10. 一電源控制電路，適用於控制數個發光二極體串之發光，包含有：數個如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，透過數個回饋端耦接至該等發光二極體串；一最小值偵測器，耦接至該等回饋端，以提供一最低回饋電壓；以及一轉換控制器，依據該最低回饋電壓，來控制一電源轉換器之電能轉換。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源控制電路，另包含有一參考電壓產生器，依據該最低回饋電壓，提供每一短路偵測電路中的該短路參考電壓。
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