TW201438512A - 發光二極體驅動系統 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體驅動系統，用於將外部交流電源電壓轉換為適合驅動發光二極體陣列工作的電壓，該發光二極體驅動系統包括電壓轉換電路、採樣電路、控制電路、回授電路、脈衝寬度調製控制器、整流器。該控制電路包括複數控制單元，每一該控制單元用於將該電壓轉換電路轉換後輸出的電壓轉換為對應電性連接的每一該發光二極體串的驅動電壓。該採樣電路包括複數採樣單元，每一該採樣單元用於根據每一該發光二極體串的電流輸出採樣電壓，該每一控制單元還用於根據每一該採樣單元所輸出的採樣電壓來輸出控制信號。

Description

發光二極體驅動系統

本發明涉及發光二極體驅動系統，尤其涉及一種背光源的發光二極體驅動系統。

發光二極體（Light Emitting Diode，LED）因省電節能，而越來越多的應用於顯示裝置的背光源中。因每一發光二極體不同的特性造成相同數量發光二極體的發光二極體串，每一發光二極體串所需的驅動電壓也不同，如何實現針對發光二極體陣列中每一個發光二極體串驅動電壓快速調整，提高電源使用效率是一大研究課題。

有鑑於此，需提供一種發光二極體驅動系統，其能提高電源使用效率。

本發明實施方式提供的一種發光二極體驅動系統，用於將外部交流電源電壓轉換為適合驅動發光二極體陣列工作的驅動電壓，該發光二極體陣列包括複數發光二極體串。該發光二極體驅動系統包括電壓轉換電路、控制電路、採樣電路、回授電路、脈衝寬度調製控制器。該電壓轉換電路用於電性連接該外部交流電源，用於轉換該外部交流電源提供的交流電壓並輸出。該控制電路用於電性連接該電壓轉換電路及該等發光二極體串的陽極，包括複數控制單元，每一該控制單元用於將該電壓轉換電路轉換後輸出的電壓轉換為對應電性連接的每一該發光二極體串的驅動電壓。該採樣電路用於電性連接於該發光二極體陣列的陰極與該控制電路之間，包括複數採樣單元，每一該採樣單元用於根據每一該發光二極體串的電流輸出採樣電壓，該每一控制單元還用於根據每一該採樣單元所輸出的採樣電壓來輸出控制信號。該回授電路用於電性連接該控制電路，用於根據該等控制單元輸出的複數控制信號產生並輸出回授信號。該脈衝寬度調製控制器用於電性連接該回授電路及該電壓轉換電路，用於根據該回授信號輸出脈衝寬度調製信號，以調節該電壓轉換電路轉換後輸出的電壓。

優選地，每一該控制單元輸出的控制信號為對應該採樣單元兩端的電壓差。

優選地，該回授電路包括比較單元、信號產生單元。該比較單元用於比較該等採樣單元兩端的電壓差，以得到該等採樣單元兩端的電壓差的最小值。該信號產生單元用於根據該等採樣單元兩端的電壓差的最小值產生並輸出該回授信號至該脈衝寬度調製控制器。

優選地，每一該控制單元還用於根據每一該採樣單元所輸出的採樣電壓得到電壓相同且佔空比不同的控制信號。

優選地，該回授電路包括佔空比檢測單元、信號產生單元。該佔空比檢測單元用於比較該等控制信號的佔空比，以得到該等控制信號佔空比的最大值。該信號產生單元用於根據該等控制信號佔空比的最大值產生並輸出該回授信號至該脈衝寬度調製控制器。

優選地，該控制電路還包括基準電壓產生單元，用於產生基準電壓。

優選地，每一該控制單元均包括比較器、電子開關、電容。該比較器，包括正向輸入端、反向輸入端及輸出端，該正向輸入端電性連接於該基準電壓產生單元，該反向輸入端電性連接於該採樣電路，用於根據該採樣電路所輸出的採樣電壓與該基準電壓輸出第一調節信號。該電子開關包括第一端、第二端與第三端，其中該第一端電性連接於該比較器的輸出端，該第二端電性連接於該電壓轉換電路，該第三端對應電性連接於該發光二極體串的陽極。該電容一端電性連接於該電子開關的第三端，另一端接地。該比較器輸出的第一調節信號用於控制電子開關的導通與斷開。

優選地，該基準電壓產生單元包括基準電壓源、第一電阻、二級管。該基準電壓源正極電性連接於該比較器的正向輸入端，負極接地。該第一電阻電性連接於該基準電壓源正極與該比較器的正向輸入端之間。該二級管正極電性連接於該比較器的正向輸入端，負極電性連接於該電子開關的第二端。

優選地，該控制單元還包括驅動電路，該驅動電路的輸入端電性連接於該比較器的輸出端，該驅動電路的輸出端電性連接於該電子開關的第一端，用於將該比較器輸出的第一調節信號轉換為能控制該電子開關導通與斷開的第二調節信號。

優選地，該電子開關為N型金屬氧化物半導體場效應管，該電子開關元件的第一端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的閘極，該關元件的第二端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的汲極，該電子開關元件的第三端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的源極。

優選地，每一該採樣單元均為一採樣電阻，每一該採樣電阻一端電性連接於每一該發光二極體串的陰極，另一端接地。

優選地，該發光二極體驅動系統還包括整流器，該整流器電性連接於該外部交流電源與該電壓轉換電路之間。

優選地，該電壓轉換電路為反激式變換電路、正激式變換電路、橋式變換電路、諧振變換電路中的任意一種。

上述發光二極體驅動系統經由控制電路根據流經發光二極體陣列中每一發光二極體串的電流來調整每一發光二極體串的驅動電壓，達到即時根據流經當前的發光二極體串的電流實現對每一發光二極體串驅動電壓快速調整，同時提高了電源使用效率。

10．．．外部交流電源

20、20a、20b、20c．．．發光二極體驅動系統

30．．．發光二極體陣列

301、302、303．．．發光二極體串

201．．．電壓轉換電路

202．．．採樣電路

2021、2022、2023．．．採樣單元

203、203a、203b．．．控制電路

2031、2032、2033、2031a、2032a、2033a．．．控制單元

2034．．．基準電壓產生單元

204、204a、204b．．．回授電路

2041．．．比較單元

2042．．．信號產生單元

2043．．．佔空比檢測單元

205．．．脈衝寬度調製控制器

206．．．整流器

Q1、Q2、03．．．第一至第三電子開關

U1、U2、U3．．．驅動電路

A1、A2、A3．．．第一至第三比較器

R1、R2、R3．．．第一至第三採樣電阻

C1、C2、C3．．．第一至第三電容

Ra．．．第一電阻

S1．．．基準電壓源

D1．．．二極體

圖1為本發明發光二極體驅動系統一實施方式的模組圖。

圖2為本發明發光二極體驅動系統一實施方式的電路圖。

圖3為本發明發光二極體驅動系統另一實施方式的電路圖。

圖4為本發明發光二極體驅動系統又一實施方式的電路圖。

圖1為本發明發光二極體（Light Emitting Diode, LED）驅動系統20一實施方式的模組圖，在本實施方式中，發光二極體驅動系統20驅動發光二極體陣列30發光。發光二極體陣列30包括複數並聯的發光二極體串301、301、303（在本實施方式中，僅以三個為例，但是不以三個為限，可以包含少於或多於三個LED串），每個發光二極體串301、302、303由複數發光二極體順向串聯組成，每個發光二極體串301、302、303的陽極是指該發光二極體串依據電流方向的第一個發光二級管的陽極，每個發光二極體串301、302、303的陰極是指該發光二極體串最後一個發光二級管的陰極。發光二極體驅動系統20將外部交流電源10提供的交流電壓轉換為合適驅動發光二極體陣列30工作的驅動電壓。

發光二極體驅動系統20包括電壓轉換電路201、採樣電路202、控制電路203、回授電路204、脈衝寬度調製控制器205。電壓轉換電路201電性連接外部交流電源10，將外部交流電源10提供的交流電壓轉換並輸出。控制電路203電性連接電壓轉換電路201及複數發光二極體串301、302、303的陽極，包括複數控制單元2031、2032、2033，每一控制單元2031、2032、2033將電壓轉換電路201轉換後輸出的電壓轉換為對應電性連接的每一發光二極體串301、302、303的驅動電壓。採樣電路202電性連接於複數發光二極體串301、302、303的陰極與控制電路203之間，包括複數採樣單元2021、2022、2023，每一採樣單元2021、2022、2023根據每一發光二極體串301、302、303的電流輸出採樣電壓，每一控制單元2031、2032、2033還根據每一採樣單元2021、2022、2023所輸出的採樣電壓來輸出控制信號。在本實施方式中，採樣單元2021、2022、2023以及控制單元2031、2032、2033的數量與發光二極體串301、302、303的數量相對應，因在本實施方式中發光二極體陣列30是以三個發光二極體串301、302、303為例，故相應的採樣單元2021、2022、2023為三個，控制單元2031、2032、2033亦為三個。回授電路204電性連接控制電路203，回授電路204根據複數控制單元2031、2032、2033輸出的複數控制信號產生並輸出回授信號。脈衝寬度調製控制器205電性連接回授電路204及電壓轉換電路201，根據回授電路204輸出的回授信號，輸出脈衝寬度調製信號，以調節電壓轉換電路201轉換後輸出的電壓。

作為本發明一實施例之進一步改進，發光二極體驅動系統20還包括整流器206，電性連接於外部交流電源10與電壓轉換電路201之間，用於對外部交流電源10輸出的交流電壓進行整流濾波。

圖2詳解了本發明發光二極體驅動系統20a一實施方式的電路圖。圖2a中控制電路203a、回授電路204a分別為圖1中控制電路203、回授電路204一具體實施例。

電壓轉換電路201包含有變壓器，可以為反激式變換電路、正激式變換電路、橋式變換電路、諧振變換電路中的任意一種。本發明一實施方式中電壓轉換電路201採用現有電壓變換電路技術來實現對輸入外部電壓進行轉換，故此處不再詳述。

採樣電路202包括複數採樣單元2021、2022、2023。在本實施方式中，採樣單元2021為第一採樣電阻R1，採樣單元2022為第二採樣電阻，採樣單元2023為第三採樣電阻。第一採樣電阻R1一端電性連接於發光二極體串301的陰極，另一端接地。第二採樣電阻R2一端電性連接於發光二極體串302的陰極，另一端接地。第三採樣電阻R3一端電性連接於發光二極體串303的陰極，另一端接地。每一採樣電阻R1、R2、R3用於採集流經所對應電性連接的發光二極體串301、302、303的電流並轉換成電壓信號傳送至控制電路203a.

控制電路203a包括複數控制單元2031、2032、2033及基準電壓產生單元2034。在本實施方式中，每一控制單元2031、2032、2033一一對應電性連接於每一採樣單元2021、2022、2023。每一控制單元2031、2032、2033的電路相似，以下僅以控制單元2031為例做詳細介紹。控制單元2031包括第一比較器A1、第一電子開關Q1、第一電容C1。第一比較器A1包括正向輸入端、反向輸入端及輸出端。第一比較器A1的正向輸入端電性連接於基準電壓產生單元2034，第一比較器A1的反向輸入端電性連接於第一採樣電阻R1的一端。第一電子開關Q1包括第一端、第二端與第三端，第一電子開關Q1的第一端電性連接於第一比較器A1的輸出端，第一電子開關Q1的第二端電性連接於電壓轉換電路201，第一電子開關Q1的第三端電性連接於發光二極體串301的陽極。第一電容C1一端電性連接於第一電子開關Q1的第三端，另一端接地。控制單元2031根據採樣單元2021所輸出的採樣電壓與基準電壓產生單元2034所輸出的基準電壓進行比較並輸出第一調節信號來控制第一電子開關Q1的導通與斷開，從而實現將電壓轉換電路201轉換後輸出的電壓轉換為發光二極體串301所需要的驅動電壓。基準電壓產生單元2034用於產生基準電壓，包括基準電壓源S1、第一電阻Ra、二極體D1。基準電壓源S1正極電性連接於每一比較器A1、A2、A3的正向輸入端，負極接地。第一電阻Ra電性連接於基準電壓源S1的正極與每一比較器A1、A2、A3的正向輸入端之間。二級管D1正極電性連接於每一比較器A1、A2、A3的正向輸入端，負極電性連接於每一電子開關Q1、Q2、Q3的第二端。當電壓轉換電路201輸出為高電平時，即脈衝寬度調製控制器205輸出的脈衝寬度調製信號為正半週期時，基準電壓產生單元2034產生並輸出基準電壓至每一比較器A1、A2、A3的正向輸入端，當電壓轉換電路201輸出為低電平時，即脈衝寬度調製控制器205輸出的脈衝寬度調製信號為負半週期時，由於二級管D1的正極電性連接於基準電壓源S1，負極電性連接於電壓轉換電路輸出端，此時基準電壓產生單元2034無基準電壓輸出至每一比較器A1、A2、A3的正向輸入端，每一比較器A1、A2、A3均無第一調節信號輸出，實現對每一發光二極體串301、302、303同步整流。

回授電路204a包括比較單元2041、信號產生單元2042。比較單元2041用於比較複數採樣單元2021、2022、2023兩端的電壓差，以得到複數採樣單元2021、2022、2023兩端的電壓差的最小值。信號產生單元2042根據複數採樣單元2021、2022、2023兩端的電壓差的最小值產生並輸出回授信號至脈衝寬度調製控制器205，脈衝寬度調製控制器205產生並輸出脈衝寬度調製信號至電壓轉換電路201，實現對電壓轉換電路201所輸出的電壓進行調節，從而實現對發光二極體陣列30的每一發光二極體串301、302、303的驅動電壓進行調節。

在本實施方式中，第一電子開關Q1為N型金屬氧化物半導體場效應管，第一電子開關Q1的第一端為閘極，第一電子開關Q1的第二端為汲極，第一電子開關Q1的第三端為源極。第二電子開關Q2為N型金屬氧化物半導體場效應管，第二電子開關Q2的第一端為閘極，第二電子開關Q2的第二端為汲極，第二電子開關Q2的第三端為源極。第三電子開關Q3為N型金屬氧化物半導體場效應管，第三電子開關Q3的第一端為閘極，第三電子開關Q3的第二端為汲極，第三電子開關Q3的第三端為源極。在其他實施方式中，第一電子開關Q1、第二電子開關Q2、第三電子開關Q3也可以為P型金屬氧化物半導體場效應管，也可為晶體三極管。

作為對本實施方式的進一步改進，每一控制單元2031a、2032a、2033a均還對應包括驅動電路U1、U2、U3，具體電路架構如圖3所示。圖3詳解了本發明發光二極體驅動系統20b另一實施方式的電路圖。本實施方式的電路及電路工作原理與圖2發光二極體驅動系統20a基本相同，不同之處在於控制電路203b包括複數驅動電路U1、U2、U3。每一控制單元2031a、2032a、2033a的電路相似，以下同樣僅以控制單元2031a做詳細介紹。驅動電路U1的輸入端電性連接於第一比較器A1的輸出端，驅動電路U1的輸出端電性連接於第一電子開關Q1的第一端，將第一比較器A1輸出的第一調節信號轉換為能控制第一電子開關Q1導通與斷開的第二調節信號，避免第一比較器A1輸出的第一調節信號過小，未能達到控制第一電子開關Q1導通與斷開的門限值。本發明一實施方式中驅動電路U1採用現有驅動電路技術來實現將較低的輸入電壓轉換為所需要的較高的輸出電壓，故此處不再詳述。

圖4詳解了本發明發光二極體驅動系統20c又一實施方式的電路圖。本實施方式中發光二極體驅動系統20c與圖3所示發光二極體驅動系統20b的電路基本相同，區別在於回授電路204b包括佔空比檢測單元2043、信號產生單元2042。佔空比檢測單元2043用於比較控制電路203b輸出的複數控制信號的佔空比，以得到複數控制信號佔空比的最大值。信號產生單元2042根據複數控制信號佔空比的最大值產生並輸出回授信號至脈衝寬度調製控制器205。在本實施方式中，控制電路203b輸出的複數控制信號為複數比較器A1、A2、A3輸出的第一調節信號。

本實施方式的電路工作原理與圖3所示發光二極體驅動系統20b工作原理基本相同，不同之處在於每一控制單元2031a、2032a、2033a根據每一採樣單元2021、2022、2023所輸出的採樣電壓得到電壓相同且佔空比不同的控制信號，佔空比檢測單元2043比較控制單元203b輸出的複數控制信號的佔空比並得到複數控制信號佔空比的最大值，信號產生單元2042根據複數控制信號佔空比的最大值產生並輸出回授信號至脈衝寬度調製控制器205，脈衝寬度調製控制器205產生並輸出脈衝寬度調製信號至電壓轉換電路201，實現對電壓轉換電路201所輸出的電壓進行調節，從而實現對發光二極體陣列30的每一發光二極體串301、302、303的驅動電壓進行調節。

上述發光二極體驅動系統20、20a、20b，20c經由控制電路根據流經發光二極體陣列中每一發光二極體串的電流來調整每一發光二極體串的驅動電壓，達到即時根據流經當前的發光二極體串的電流實現對每一發光二極體串驅動電壓快速調整，同時提高了電源使用效率。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。

10．．．外部交流電源

20．．．發光二極體驅動系統

201．．．電壓轉換電路

202．．．採樣電路

2021、2022、2023．．．採樣單元

203．．．控制電路

2031、2032、2033．．．控制單元

204．．．回授電路

205．．．脈衝寬度調製控制器

206．．．整流器

30．．．發光二極體陣列

301、302、303．．．發光二極體串

Claims (13)

1. 一種發光二極體驅動系統，用於將外部交流電源電壓轉換為適合驅動發光二極體陣列工作的驅動電壓，該發光二極體陣列包括複數發光二極體串，該發光二極體驅動系統包括：
   電壓轉換電路，用於電性連接該外部交流電源，用於轉換該外部交流電源提供的交流電壓並輸出；
   控制電路，用於電性連接該電壓轉換電路及該等發光二極體串的陽極，包括複數控制單元，每一該控制單元用於將該電壓轉換電路轉換後輸出的電壓轉換為對應電性連接的每一該發光二極體串的驅動電壓；
   採樣電路，用於電性連接於該等發光二極體串的陰極與該控制電路之間，包括複數採樣單元，每一該採樣單元用於根據每一該發光二極體串的電流輸出採樣電壓，其中，該每一控制單元還用於根據每一該採樣單元所輸出的採樣電壓來輸出控制信號；
   回授電路，用於電性連接該控制電路，用於根據該等控制單元輸出的複數控制信號產生並輸出回授信號；及
   脈衝寬度調製控制器，用於電性連接該回授電路及該電壓轉換電路，用於根據該回授信號輸出脈衝寬度調製信號，以調節該電壓轉換電路轉換後輸出的電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中每一該控制單元輸出的控制信號為對應該採樣單元兩端的電壓差。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動系統，其中該回授電路包括：
   比較單元，用於比較該等採樣單元兩端的電壓差，以得到該等採樣單元兩端的電壓差的最小值；及
   信號產生單元，用於根據該等採樣單元兩端的電壓差的最小值產生並輸出該回授信號至該脈衝寬度調製控制器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中每一該控制單元還用於根據每一該採樣單元所輸出的採樣電壓得到電壓相同且佔空比不同的控制信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動系統，其中該回授電路包括：
   佔空比檢測單元，用於比較該等控制信號的佔空比，以得到該等控制信號佔空比的最大值；及
   信號產生單元，用於根據該等控制信號佔空比的最大值產生並輸出該回授信號至該脈衝寬度調製控制器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中該控制電路還包括基準電壓產生單元，用於產生基準電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體驅動系統，其中每一該控制單元均包括：
   比較器，包括正向輸入端、反向輸入端及輸出端，該正向輸入端電性連接於該基準電壓產生單元，該反向輸入端電性連接於該採樣電路，用於根據該採樣電路所輸出的採樣電壓與該基準電壓輸出第一調節信號；
   電子開關，包括第一端、第二端與第三端，其中該第一端電性連接於該比較器的輸出端，該第二端電性連接於該電壓轉換電路，該第三端對應電性連接於該發光二極體串的陽極；及
   電容，一端電性連接於該電子開關的第三端，另一端接地；
   其中，該比較器輸出的第一調節信號用於控制電子開關的導通與斷開。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動系統，其中該基準電壓產生單元包括：
   基準電壓源，正極電性連接於該比較器的正向輸入端，負極接地；
   第一電阻，電性連接於該基準電壓源正極與該比較器的正向輸入端之間；
   二級管，正極電性連接於該比較器的正向輸入端，負極電性連接於該電子開關的第二端。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動系統，其中該控制單元還包括驅動電路，該驅動電路的輸入端電性連接於該比較器的輸出端，該驅動電路的輸出端電性連接於該電子開關的第一端，用於將該比較器輸出的第一調節信號轉換為能控制該電子開關導通與斷開的第二調節信號。
10. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動系統，其中該電子開關為N型金屬氧化物半導體場效應管，該電子開關元件的第一端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的閘極，該關元件的第二端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的汲極，該電子開關元件的第三端為該N型金屬氧化物半導體場效應管的源極。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中每一該採樣單元均為一採樣電阻，每一該採樣電阻一端電性連接於每一該發光二極體串的陰極，另一端接地。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，更包括整流器，該整流器電性連接於該外部交流電源與該電壓轉換電路之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中該電壓轉換電路為反激式變換電路、正激式變換電路、橋式變換電路、諧振變換電路中的任意一種。