TWI389413B

TWI389413B - 發光二極體背光源的驅動裝置

Info

Publication number: TWI389413B
Application number: TW98136410A
Authority: TW
Inventors: Chen Chiang Lee; Chi Hsin Lee; Li Wei Lin; Wen Ming Lin; Chun Chi Liao
Original assignee: Top Victory Invest Ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-03-11
Also published as: TW201115873A

Description

發光二極體背光源的驅動裝置

本發明是有關於一種背光源驅動技術，且特別是一種發光二極體背光源的驅動裝置。

現有的液晶顯示器通常採用冷陰極螢光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，簡稱CCFL)或發光二極體(Light-Emitting Diode，簡稱LED)作為背光源。但是，由於全球暖化現象日益嚴重，各國在消費性電子產品功率損耗規範上日趨嚴格，使得CCFL背光源因其功率損耗較大而漸漸為LED背光源所取代。

圖1為一種現有的LED背光源的驅動裝置之電路圖。請參照圖1，LED背光源包括m個燈串11~1m，每個燈串1i均包括n個串聯耦接的發光二極體D1~Dn，其中m、n均為正整數，i為1~m中任一正整數。LED背光源的驅動裝置包括直流至直流(DC/DC)轉換器21及LED控制器22。DC/DC轉換器21為降壓或升壓轉換器，用以將常見的5V、12V或24V等規格的直流電壓Vdc1轉換為足夠驅動燈串11~1m的直流電壓Vdc2。每個燈串1i第一端均耦接至DC/DC轉換器21以接收直流電壓Vdc2來獲得所需的電壓，每個燈串1i第二端則耦接至LED控制器22相應的通道端CHi。LED控制器22偵測每個燈串1i電流，並利用內部定電流源或可變電阻等方式使每個燈串1i電流相等或在一定誤差範圍內而達到電流平衡，故燈串11~1m得以在發光時提供均勻的亮度。為了維持每個燈串1i電流平衡且獲得所需電壓，LED控制器22還可從回授控制端FB送出脈寬調變(Pulse-Width Modulation，簡稱PWM)信號，以控制DC/DC轉換器21調整輸出的直流電壓Vdc2大小，使LED 背光源及LED控制器22可操作於最佳化。當然，LED控制器22也可不送出PWM信號，使DC/DC轉換器21輸出恆定的直流電壓Vdc2，而LED控制器22僅用於使每個燈串1i電流達到平衡。

當LED背光源的燈串11~1m數量太多或採用具有大電流的高亮發光二極體D1~Dn時，為了避免LED控制器22因接收的電流太大而過熱或燒毀，需要採用如圖2所示的外部控制方式。請參照圖2，每個燈串1i第二端需要外加相應的電晶體Qi及電阻器Ri，其中電晶體Qi為場效電晶體且工作在線性區以作為可變電阻來調整落在燈串1i上的電壓大小，使每個燈串1i電流達到平衡。LED控制器220從電流偵測端ISi偵測燈串1i電流在流過電阻器Ri時所產生與電流大小成正比的電壓值，並根據這個電壓值從通道端CHi送出信號控制電晶體Qi改變其在線性區的工作點位置，以改變電晶體Qi提供的可變電阻大小。LED控制器220從電壓偵測端VDi偵測電晶體Qi源極端上的電壓，在源極端上的電壓過高時，從通道端CHi送出信號控制電晶體Qi截止以保護電路。

為了獲得更好的電壓調整，還可以如圖3所示採用多個DC/DC轉換器以提供多個可各自調整的直流電壓到燈串11~1m。請參照圖3，每個燈串1i第一端耦接至各自相應的DC/DC轉換器21i以接收直流電壓Vdc2i來獲得所需的電壓，每個燈串1i第二端則先耦接至外加的電晶體Qi及電阻器Ri再耦接至各自相應的LED控制器22i，因此可以對LED背光源的驅動做更細緻的操控。

不論如何，圖1~圖3所示的LED背光源的驅動裝置都必須採用專用的LED控制器22、220或221~22m。而且，隨著LED背光源的燈串11~1m數量的增加，對於圖2所示的LED背光源的驅動裝置來說，其中LED控制器220的接腳數量及外加的電晶體Qi和電阻器Ri數量均會增加，使得電路佈局困難且成本增加，而對於圖3所示的LED背光源的驅動裝置來說，其中DC/DC轉換器211~21m、LED控制器221~22m及外加的電晶體Qi和電阻器Ri數量均會增加，除了使電路佈局困難且成本增加之外，LED控制器221~22m之間的溝通及控制還會因LED控制器數量增加而相形困難。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種發光二極體(LED)背光源的驅動裝置，採用簡單的驅動控制方式，可降低電源轉換器(如DC/DC轉換器)及LED控制器的使用數量，以降低成本。

為了達成上述目的及其它目的，本發明提出一種發光二極體(LED)背光源的驅動裝置。LED背光源包括多個第一燈串及多個第二燈串，每個第一燈串及第二燈串均包括多個串聯耦接的發光二極體，每個第一燈串及第二燈串第一端均耦接以接收固定的直流電壓。LED背光源的驅動裝置包括第一電流鏡、第二電流鏡以及控制電路，其中第一電流鏡耦接至每個第一燈串第二端，第二電流鏡耦接至每個第二燈串第二端，控制電路耦接至第一電流鏡及第二電流鏡。第一電流鏡用以在致能時平衡每個第一燈串電流，在禁能時使每個第一燈串電流為零。第二電流鏡用以在致能時平衡每個第二燈串電流，在禁能時使每個第二燈串電流為零。控制電路用以在第一期間禁能第二電流鏡且根據調光信號及第一燈串總電流調整第一電流鏡致能的時長，在第二期間禁能第一電流鏡且根據調光信號及第二燈串總電流調整第二電流鏡致能的時長，而第一期間及第二期間具有相同的時長且交替地發生，其中控制電路輸出第一脈寬調變(PWM)信號及第二脈寬調變(PWM)信號以分別控制第一電流鏡及第二電流鏡的致能及禁能，其中第一PWM信號的責任週期由調光信號及第一燈串總電流所決定，第二PWM信號的責任週期由調光信號及第二燈串總電流所決定。

本發明將LED背光源分成兩組燈串(一組為第一燈串，另一組為第二燈串)進行分時控制，在每段期間(第一期間或第二期間)只驅動一組燈串發光，因此可降低每段期間從提供直流電壓的電源轉換器所抽取的電流，相對地可降低電源轉換器為穩壓穩流所需的高壓電容器之電容值及其上的電壓漣波，另外可降低電源轉換器開始動作瞬間全載運轉條件下所造成的瞬間電流過大問題。再者，本發明採用簡單的驅動控制方式，除了可降低電源轉換器及控制器的使用數量，控制電路還可採用一般通用的PWM控制器之設計而不需要專用的LED控制器之設計，可大幅降低成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖4為依照本發明一較佳實施例所繪示之LED背光源的驅動裝置之電路圖。請參照圖4，LED背光源包括多個第一燈串311~31m及多個第二燈串321~32m，每個第一燈串31i及每個第二燈串32j均包括多個串聯耦接的發光二極體D1~Dn，其中m、n均為正整數，i為1~m中任一正整數，j為1~m中任一正整數。LED背光源的驅動裝置包括第一電流鏡41、第二電流鏡42、控制電路43以及DC/DC轉換器44。

每個第一燈串31i第一端及每個第二燈串32j第一端均耦接至DC/DC轉換器44以接收固定的直流電壓Vdc2來獲得所需的電壓，每個第一燈串31i第二端耦接至第一電流鏡41，每個第二燈串32j第二端耦接至第二電流鏡42，且第一電流鏡41及第二電流鏡42均耦接至控制電路43。本領域具有通常知識者應當知道為了讓這些燈串得以正常工作，每個第一燈串31i及每個第二燈串32j 中的發光二極體D1陽極端應耦接至燈串第一端，發光二極體Dk陰極端應耦接至發光二極體Dk+1陽極端，且發光二極體Dn陰極端應耦接至燈串第二端，其中k為1~(n-1)任一正整數。

請參照圖5，其為圖4所示電流鏡41或42的一實施例之電路圖。由於第一電流鏡41及第二電流鏡42通常採用相同的電路結構，在此僅以第一電流鏡41為例進行說明。第一電流鏡41包括多個匹配的電晶體Q1~Qm，其均為雙載子接面電晶體或場效電晶體，在本例中電晶體Q1~Qm均為場效電晶體。每個電晶體Qi具有第一端(即汲極端)、第二端(即源極端)及控制端(即閘極端)，每個電晶體Qi第一端耦接至相應的第一燈串31i第二端，這些電晶體Q1~Qm第二端彼此耦接並耦接至控制電路43，且這些電晶體Q1~Qm其中之一電晶體(在本例為Q1)第一端還耦接至控制端而連接成二極體形式的電晶體(diode-connected transistor)。

當第一電流鏡41致能(enable)時，電晶體Q1~Qm會正常動作，因此在電晶體Q1被觸發後，由於電晶體Q1~Qm匹配的緣故，流過電晶體Q1~Qm的電流I311~I31m會相等或在一定誤差範圍內，進而使流過每個第一燈串電流I31i達到平衡，故第一燈串311~31m發光並提供均勻的亮度。當第一電流鏡41禁能(disable)時，電晶體Q1~Qm不會動作，沒有電流流過每個第一燈串31i，即第一燈串電流I31i均為零，故第一燈串311~31m不發光。藉由控制第一電流鏡41交替地致能及禁能，第一燈串311~31m將一下發光(亮)一下不發光(暗)。若亮暗的切換頻率在100Hz以上，人眼將因視覺暫留的影響而感覺不到亮暗的變化，只能感覺到這個變化的平均值，即人眼只能感受到平均亮度且這個平均亮度與亮暗的比例成正比。因此，藉由調整第一電流鏡41致能及禁能的時長比例，可調整第一燈串311~31m亮暗的比例，實現調整LED 背光源亮度的調光效果。

請再參照圖4，控制電路43包括控制器431、第一開關M1、第二開關M2、第一電流偵測器Rd1以及第二電流偵測器Rd2。在本例中，控制器431為一般通用的PWM控制器，可以自行設計或採用現有如TL494、OZ9938等的PWM控制晶片，而第一開關M1及第二開關M2均為場效電晶體，第一電流偵測器Rd1及第二電流偵測器Rd2均為電阻器。控制器431具有調光端DIM、控制端G1和G2及電流偵測端IS，從調光端DIM接收調光信號Vdim，從控制端G1和G2分別輸出第一PWM信號Vpwm1及第二PWM信號Vpwm2，並從電流偵測端IS偵測第一燈串總電流I31及第二燈串總電流I32。

控制器431藉由第一開關M1及第一電流偵測器Rd1控制第一電流鏡41交替地致能及禁能，並藉由第二開關M2及第二電流偵測器Rd2控制第二電流鏡42交替地致能及禁能。由於第一開關M1及第一電流偵測器Rd1、與第二開關M2及第二電流偵測器Rd2通常採用相同的電路結構，在此僅以第一開關M1及第一電流偵測器Rd1為例進行說明。第一開關M1及第一電流偵測器Rd1串聯耦接於第一電流鏡41及接地端之間，在本例中第一開關M1第一端耦接至第一電流鏡41以接收第一燈串總電流I31，第一開關M1第二端耦接至第一電流偵測器Rd1第一端，第一電流偵測器Rd1第二端耦接至接地端，其中第一燈串總電流I31為第一燈串電流I311~I31m之總和。從DC/DC轉換器44輸出的電流經過第一燈串31i、第一電流鏡41、第一開關M1、第一電流偵測器Rd1到接地端形成電流迴路。若是此電流迴路正常導通而有電流在其中流動，第一電流鏡41必然會正常動作，相當於致能第一電流鏡41；反之，若是使此電流迴路斷開而不再有電流在其中流動，第一電流鏡41必然不再動作，相當於禁能第一電流鏡41。

因此，控制器431輸出第一PWM信號Vpwm1至第一開關M1控制端以控制其交替地開路(open)及閉合(closed)。當第一開關M1開路時，第一開關M1第一端及第二端彼此未連接，上述電流迴路斷開而相當於禁能第一電流鏡41。當第一開關M1閉合時，第一開關M1第一端及第二端彼此連接，上述電流迴路正常導通而相當於致能第一電流鏡41。另外，控制器431藉由第一電流偵測器Rd1偵測到第一燈串總電流I31大小，並據以調整第一PWM信號Vpwm1的責任週期，此即調整第一開關M1開路及閉合的時長比例，進而調整第一電流鏡41致能及禁能的時長比例，實現調整LED背光源亮度的調光效果。

圖6為圖4所示控制器431於最大亮度需求下之控制時序圖。請同時參照圖4及圖6，控制器431由內部振盪器(圖中未繪示)振盪產生脈衝信號Vpulse作為其操作頻率。脈衝信號Vpulse可視為由多個時長為T的週期所組成，每個週期包括一個時長為td(或稱為脈寬為td)的脈衝，脈衝的脈寬td遠小於週期的時長T，另外這些脈衝可用來區隔第一PWM信號Vpwm1及第二PWM信號Vpwm2以避免波形重疊(overlap)而造成第一燈串311~31m及第二燈串321~32m會同時發光。在這裡將奇數個週期稱為第一期間T1、偶數個週期稱為第二期間T2，因此第一期間T1及第二期間T2具有相同的時長T且交替地發生。

在第一期間T1，控制器431輸出的第一PWM信號Vpwm1部份為高準位、其餘為低準位，第一PWM信號Vpwm1在高準位時控制第一開關M1閉合，致能第一電流鏡41使第一燈串311~31m發光，而在低準位時控制第一開關M1開路，禁能第一電流鏡41使第一燈串311~31m不發光。控制器431會根據調光信號Vdim及第一燈串總電流I31調整輸出的第一PWM信號Vpwm1的責任週期(其為 Ton1/2T)，以調整第一電流鏡41致能的時長(其即第一PWM信號Vpwm1在高準位時的時長Ton1)。控制器431輸出的第二PWM信號Vpwm2恆為低準位，第二PWM信號Vpwm2在低準位時控制第二開關M2開路，禁能第二電流鏡42使第二燈串321~32m不發光。

在第二期間T2，控制器431輸出的第一PWM信號Vpwm1恆為低準位，第一PWM信號Vpwm1在低準位時控制第一開關M1開路，禁能第一電流鏡41使第一燈串311~31m不發光。控制器431輸出的第二PWM信號Vpwm2部份為高準位、其餘為低準位，第二PWM信號Vpwm2在高準位時控制第二開關M2閉合，致能第二電流鏡42使第二燈串321~32m發光，而在低準位時控制第二開關M2開路，禁能第二電流鏡42使第二燈串321~32m不發光。控制器431會根據調光信號Vdim及第二燈串總電流I32調整輸出的第二PWM信號Vpwm2的責任週期(其為Ton2/2T)，以調整第二電流鏡42致能的時長(其即第二PWM信號Vpwm2在高準位時的時長Ton2)。

所以，本發明將LED背光源分成第一燈串311~31m及第二燈串321~32m兩組燈串進行分時控制，在第一期間T1只驅動第一燈串311~31m發光而在第二期間T2只驅動第二燈串321~32m發光。而且利用人眼視覺暫留的影響，使人眼並不會感受到在第一期間T1只有第一燈串311~31m發光而在第二期間T2只有第二燈串321~32m發光。藉由調整第一PWM信號Vpwm1的責任週期以調整第一電流鏡41致能及禁能的時長比例，進而調整第一燈串311~31m亮暗的比例來改變人眼所能感受到第一燈串311~31m的平均亮度；同樣地，藉由調整第二PWM信號Vpwm2的責任週期以調整第二電流鏡42致能及禁能的時長比例，進而調整第二燈串321~32m亮暗的比例來改變人眼所能感受到第二燈串321~32m的平均亮度。

圖7A及圖7B分別為圖4所示LED背光源之配置圖，在這裡以LED背光源包括3個第一燈串311~313及3個第二燈串321~323為例。請先參照圖7A，其採用側邊式背光源，故第一燈串311~313設於液晶面板5的左半側邊，而第二燈串321~323設於液晶面板5的右半側邊。請再參照圖7B，其採用直下式背光源，故第一燈串311~313設於液晶面板5’的左半面，而第二燈串321~323設於液晶面板5’的右半面。但是，LED背光源的配置並不僅限於將第一燈串311~313設於液晶面板的一半側邊或半面並將第二燈串321~323設於液晶面板的另一半側邊或半面，例如還可以將第一燈串311~313及第二燈串321~323彼此交錯設於液晶面板的側邊或整面。

綜上所述，本發明將LED背光源分成兩組燈串(一組為第一燈串311~31m，另一組為第二燈串321~32m)進行分時控制，在每段期間(第一期間T1或第二期間T2)只驅動一組燈串發光，因此可降低每段期間從提供直流電壓Vdc2的電源轉換器44所抽取的電流，相對地可降低電源轉換器44為穩壓穩流所需的高壓電容器之電容值及其上的電壓漣波，另外可降低電源轉換器44開始動作瞬間全載運轉條件下所造成的瞬間電流過大問題。再者，本發明採用簡單的驅動控制方式，除了可降低電源轉換器及控制器的使用數量，控制電路43還可採用一般通用的PWM控制器之設計而不需要專用的LED控制器之設計，可大幅降低成本。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11~1m‧‧‧燈串

21、211~21m‧‧‧直流至直流(DC/DC)轉換器

22、220、221~22m‧‧‧LED控制器

CH、CH1~CHm‧‧‧通道端

FB‧‧‧回授控制端

IS、IS1~ISm‧‧‧電流偵測端

VD、VD1~VDm‧‧‧電壓偵測端

311~31m‧‧‧第一燈串

321~32m‧‧‧第二燈串

41‧‧‧第一電流鏡

42‧‧‧第二電流鏡

43‧‧‧控制電路

431‧‧‧控制器

DIM‧‧‧調光端

G1、G2‧‧‧控制端

IS‧‧‧電流偵測端

44‧‧‧直流至直流(DC/DC)轉換器

5、5’‧‧‧液晶面板

D1~Dn‧‧‧發光二極體

M1‧‧‧第一開關

M2‧‧‧第二開關

Q1~Qm‧‧‧電晶體

R1~Rm‧‧‧電阻器

Rd1‧‧‧第一電流偵測器

Rd2‧‧‧第二電流偵測器

Vpulse‧‧‧脈衝信號

Vdc1、Vdc2、Vdc21~Vdc2m‧‧‧直流電壓

Vdim‧‧‧調光信號

Vpwm1‧‧‧第一脈寬調變(PWM)信號

Vpwm2‧‧‧第二脈寬調變(PWM)信號

I31‧‧‧第一燈串總電流

I311~I31m‧‧‧第一燈串電流

I32‧‧‧第二燈串總電流

I321~I32m‧‧‧第二燈串電流

T‧‧‧週期的時長

T1‧‧‧第一期間

T2‧‧‧第二期間

Td‧‧‧脈衝的時長(或脈寬)

Ton1‧‧‧第一脈寬調變(PWM)信號致能的時長

Ton2‧‧‧第二脈寬調變(PWM)信號致能的時長

圖1~圖3分別為現有的LED背光源的驅動裝置之電路圖。

圖4為依照本發明一較佳實施例所繪示之LED背光源的驅動裝置之電路圖。

圖5為圖4所示電流鏡的一實施例之電路圖。

圖6為圖4所示控制器於最大亮度需求下之控制時序圖。

圖7A及圖7B分別為圖4所示LED背光源之配置圖。