TWI397347B - 背光模組及其換流器電路 - Google Patents

Description

背光模組及其換流器電路

本發明係關於一種背光模組及其換流器電路，且特別是有關於一種以電流控制模式驅動燈管之換流器電路。

近年來，隨著光電及半導體設備技術的進步，使得平面顯示器迅速且蓬勃的發展。如以液晶顯示器為例，因其具有低功率消耗、無幅射汙染及高空間利用的特性，逐漸地成為市場的主流。液晶顯示器包括液晶顯示面板及背光模組，其中由於液晶顯示面板不具發光能力，故必須配置背光模組以提供液晶顯示面板所需之面光源，使液晶顯示面板達成其顯示影像的功能。

一般而言，背光模組通常使用冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp,CCFL)來提供背光源，因此需要配置換流器電路以產生交流驅動信號，並驅動冷陰極燈管。圖1為傳統換流器的電路圖。請參照圖1，換流器電路100包括直流電壓源110、脈寬調變器120、橋式直流/交流轉換器130、變壓器140及電壓檢測器150。橋式直流/交流轉換器130為一全橋電路，且包括開關S1~S4，其中開關S1~S4為採用電晶體來實現之。在此，將開關S1及開關S4分為一組，而開關S2及開關S3分為另一組。這兩組開關依據脈寬調變器120所產生的控制信號CON1~CON4而交替地導通，藉以將直流電壓源110所提供的直流電壓，轉換為高頻的交流方波信號。

變壓器140及電容C1及C2將高頻的交流方波信號轉換為類弦波信號，以驅動冷陰極燈管160。冷陰極燈管160的亮度為依據通過冷陰極燈管160的電流大小所決定，所以電壓檢測器150偵測通過冷陰極燈管160的電流量，並且將此電流信號轉換為電壓信號，以作為回授信號fb。脈寬調變器120依據回授信號fb來調整控制信號CON1~CON4的脈寬，藉以穩定地調整冷陰極燈管160亮度。

但是，換流器電路110的橋式直流/交流轉換器130使用較多的電子元件，例如開關S1~S4，若開關S1~S4的運作不正確，將造成換流器電路110無法驅動冷陰極燈管160，例如當開關S1及S2同時導通時。另外，傳統換流器電路100通常使用電壓控制模式來驅動冷陰極燈管160，而電壓檢測器150所產生的回授信號fb便用以調整控制信號CON1~CON4。然而，脈寬調變器120在利用這樣的外回授方式時，無法即時地調整控制信號CON1到CON4的脈寬。因此，各大廠商莫不致力於解決上述問題。

有鑑於此，本發明提供一種背光模組及其換流器電路，利用電流控制模式，有效率地驅動燈管及使燈管穩定的點亮。

本發明提出一種適於驅動燈管的換流器電路，包括開關單元、第一電容、變壓器、信號產生模組及第一檢測模組。開關單元之第一電流端及第二電流端與第一電容並 聯，且開關單元之控制端接收脈寬調變信號以控制開關單元的導通與否。變壓器之一次側線圈耦接第一電壓及開關單元的第一電流端，且變壓器之二次側線圈耦接第二電壓及燈管，以提供交流驅動信號至燈管。信號產生模組依據第一電壓產生脈寬調變信號，而脈寬調變信號的責任週期為由相應燈管之回授信號及檢測信號所決定之。第一檢測模組耦接於開關單元之第二電流端與信號產生模組之間，其依據開關單元所通過的電流而產生檢測信號。

上述之換流器電路，在一實施例中換流器更包括第二檢測模組。第二檢測模組耦接於燈管與信號產生模組之間，其依據燈管所通過的電流而產生回授信號。

本發明另提出一種背光模組，包括燈管及換流器電路。換流器電路耦接燈管，用以驅動燈管使燈管提供光源作為背光。換流器電路包括開關單元、第一電容、變壓器、信號產生模組及第一檢測模組。開關單元之第一電流端及第二電流端與第一電容並聯，且開關單元之控制端接收脈寬調變信號以控制開關單元的導通與否。變壓器之一次側線圈耦接第一電壓及開關單元之第一電流端，且變壓器之二次側線圈耦接第二電壓及燈管以提供交流驅動信號至燈管。信號產生模組用以依據第一電壓產生脈寬調變信號，而脈寬調變信號的責任週期為由相應燈管之回授信號及檢測信號所決定之。第一檢測模組耦接於開關單元之第二電流端與信號產生模組之間，其依據開關單元所通過的電流而產生檢測信號。

本發明之換流器電路及使用其之背光模組為採用電流驅動模式來驅動燈管。如上所述，換流器電路所包含之變壓器會依據一次側線圈的信號變化，而產生交流驅動信號來驅動燈管。檢測信號為依據開關單元所通過的電流而產生之，且檢測信號為用來控制脈寬調變信號的責任週期。當檢測信號達到預設值時，脈寬調變信號可控制開關單元不導通，以避免過電流發生，藉此提昇開關單元的切換效率。檢測信號的回授路徑為屬於內部的閉迴路，因此不僅能立即地調整脈寬調變信號，也能有效率地驅動燈管及使燈管穩定地點亮。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖2為本發明之一實施例的背光模組的方塊圖。請參照圖2，背光模組包括換流器電路200及燈管210。在此實施例中燈管210係以冷陰極燈管實現之，以提供光源作為背光。換流器電路200包括信號產生模組220、開關單元230、電容C1、變壓器260、第一檢測模組250及第二檢測模組240。開關單元230之控制端接收脈寬調變(pulse width modulation,PWM)信號F3，並據以控制開關單元230導通與否。而開關單元230之第一電流端(即節點A)及第二電流端(即節點B)與電容C1並聯耦接。在本實施例中，開關單元230以N型電晶體N1為例，而開關單元230更包括二極體D1。因此，電晶體N1之閘極、第一源/汲極及 第二源/汲極分別為開關單元230的控制端、第一電流端及第二電流端。二極體D1之陰極及陽極分別耦接電晶體N1的第一源/汲極及第二源/汲極。值得一提的是，雖然本實施例採用電晶體N1實現開關單元230，但本領域具有通常知識者可採用其他元件實現之，例如：P型電晶體或開關。

變壓器260的一次側線圈耦接第一電壓Vin及開關單元230的第一電流端，且變壓器260的二次側線圈耦接燈管210及第二電壓，在此第一電壓Vin為直流電壓，且第二電壓為接地電壓GND。變壓器260依據其一次側線圈的信號變化，而產生交流驅動信號DR來驅動燈管210。第一檢測模組250耦接開關單元230的第二電流端，並依據開關單元230所通過的電流，產生檢測信號FS。第二檢測模組240耦接於燈管210與信號產生模組220之間，信號產生模組220依據燈管210所通過的電流，產生回授信號FB。信號產生模組220依據第一電壓Vin，產生脈寬調變信號F3，其中脈寬調變信號F3的責任週期係依據回授信號FB及檢測信號FS而決定。以下詳細敘述換流器電路200的運作方式。

請參照圖2，第一檢測模組250包括電阻單元252及低通濾波單元251。電阻單元252耦接開關單元230的第二電流端，用以將開關單元230所通過的電流轉換為電壓信號，亦即檢測信號FS。低通濾波單元251耦接於電阻單元252及信號產生模組220之間，用以將檢測信號FS進行低通濾波處理，並將檢測信號FS傳送到信號產生模組 220。在本實施例中，電阻單元252以電阻R1實現之，而電阻R1的第一端及第二端分別耦接開關單元230的第二電流端及第二電壓(在此為接地電壓GND)。低通濾波單元251包括電阻R2及電容C4。電阻R2之第一端及第二端分別耦接電阻R1的第一端及信號產生模組220。電容C4之第一端及第二端分別耦接電阻R2的第二端及第二電壓。

圖3A、圖3B及圖3C分別為本發明實施例圖2中脈寬調變信號F3、開關單元230之第一電流端及檢測信號FS的電壓波形圖。請參照圖2、圖3A、圖3B及圖3C，為了便於敘述，節點A及B分別表示開關單元230的第一及第二電流端，且以電晶體N1為例來說明開關單元230之運作。當脈寬調變信號F3從邏輯高電位(“1”)改變為邏輯低電位(“0”)時，電晶體N1為不導通。此時，變壓器260的一次側線圈、電容C1及第一檢測單元250內的電阻R1組成一串聯RLC電路。當串聯RLC電路的頻率小於共振頻率時，RLC電路為電容式，使得電晶體N1的第一源/汲極(即節點A)的電壓增加。同時，電晶體N1的第二源/汲極(即節點B)的電壓，亦即檢測信號FS，會因通過電阻R1的電流減少而降低。當串聯RLC電路的頻率大於響應頻率時，RLC電路為電感式，使得電晶體N1的第一源/汲極(即節點A)的電壓減少。同時，電流流過電阻R1的方向會反向，因而電晶體N1的第二源/汲極(即節點B)的電壓變為負。

當脈寬調變信號F3從邏輯低電位(“0”)改變為邏輯高 電位(“1”)時，電晶體N1為導通。而導通的電晶體N1提供一最短路徑使電流通過。因此，電晶體N1的第一源/汲極(即節點A)的電壓會降低至0V，且電晶體N1的第二源/汲極(即節點B)的電壓會線性地上升。在本實施例中，第一檢測模組250的電阻單元252將開關單元230所通過的電流轉換為電壓信號(此為檢測信號FS)，並回授檢測信號FS到信號產生模組220，以控制脈寬調變信號F3的責任週期。當檢測信號FS達到預設值EA_out時，脈寬調變信號F3會立即從邏輯高電位(“1”)改變為邏輯低電位(“0”)，使電晶體N1為不導通。檢測信號FS的回授路徑為屬於內部迴路，且在此為電流控制模式。

值得注意的是，變壓器260的二次側線圈會感應一次側線圈的信號變化量，並且透過開關單元230的切換而產生交流驅動信號DR。請參照圖2，第二檢測模組240包括二極體D2及D3及可變電阻R3。二極體D2之陰極及陽極分別耦接燈管210之第二端及第二電壓(在此為接地電壓GND)。二極體D3之陰極及陽極分別耦接信號產生模組220及二極體D2之陰極。可變電阻R3之第一端及第二端分別耦接二極體D3之陰極及第二電壓。圖3D為本發明實施例圖2中回授信號FB的電壓波形圖。請參照圖2及圖3D，通過燈管210的電流信號經由二極體D2及D3整流。依據分壓定理，可變電阻R3會產生壓降，而此壓降即為回授信號FB。第二檢測單元240傳送回授信號FB到信號產生模組220，以控制脈寬調變信號F3的責任週期。回授 信號FB的回授路徑為屬於外部迴路，且在此為電壓控制模式。

接下來敘述如何經由檢測信號FS及回授信號FB，而控制脈寬調變信號F3的責任週期。圖4A為本發明實施例圖2中信號產生模組220的電路圖。請參照圖4A，信號產生模組220包括壓控振盪單元221、脈寬調變單元222及電壓調整單元223。電壓調整單元223產生經調整之第一電壓到壓控振盪單元221。壓控振盪單元221耦接電壓調整單元223，以產生時脈信號CLK。脈寬調變單元222包括誤差放大器222a、比較器222b及閂鎖單元222c。誤差放大器222a接收參考信號REF及回授信號FB，並且輸出第一誤差信號F1。比較器222b將檢測信號FS及第一誤差信號F1(亦即上述之預設值EA_out)進行比較，並據以輸出第二誤差信號F2。接著，閂鎖單元222c接收時脈信號CLK及第二誤差信號F2，藉此產生脈寬調變信號F3。

圖4B為本發明實施例圖4A中脈寬調變單元222的時序圖。請參照圖4B，曲線401表示第一誤差信號F1，且曲線402表示檢測信號FS。第一誤差信號F1的波形依據回授信號FB及參考信號REF而產生。在本實施例中，誤差放大器222a之第一誤差信號F1可以由許多不同頻率的弦波所組成。本領域具有通常知識者可利用其他放大器電路，來實現本實施例所提及的誤差放大器222a，故發明不侷限於此。

請參照圖4A及圖4B，當時脈信號CLK觸發時，閂 鎖單元222c所輸出的脈寬調變信號F3會從邏輯低電位(“0”)改變為邏輯高電位(“1”)，以使電晶體N1導通。同時，電晶體N1之第二源/汲極(即節點B)的電壓(此為檢測信號FS)會趨於線性地上升。當檢測信號FS達到第一誤差信號F1的準位時，比較器222b便會輸出邏輯高電位(“1”)的第二誤差信號F2，使控制閂鎖單元222c重置，進而產生為邏輯低電位(“0”)的脈寬調變信號F3，讓電晶體N1不導通。依據上述，回授信號FB反應燈管210所通過的電流，且回授信號FB為用來確認燈管210是否穩定地點亮。另外，檢測信號FS反應開關單元230所通過的電流，且檢測信號FS為用來提供過電流保護機制以及增加開關單元230的切換效率。

綜上所述，本實施例透過開關單元230的導通狀態來產生交流驅動信號DR，以驅動燈管210。燈管210所通過的電流經由第二檢測模組240而轉換為電壓回授信號FB。而利用電壓回授信號FB來控制脈寬調變信號F3的責任週期，可以調整燈管210通過的電流，因而稱為電壓控制模式。在本實施例中，第一檢測模組250連接開關單元230的第二電流端，以偵測開關單元230所通過的電流，藉此產生檢測信號FS。當檢測信號FS達到誤差放大器222a的輸出(此為第一誤差信號F1)時，信號產生模組250可以立即地關閉開關單元230，以避免過電流的發生及增加開關單元230的切換效率。由於檢測信號FS可以反應開關單元230所通過的電流，因而利用檢測信號FS來控 制脈寬調變信號F3的責任週期，則稱為電流控制模式。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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。

100、200‧‧‧換流器電路

110‧‧‧直流電壓源

120‧‧‧脈寬調變器

130‧‧‧橋式直流/交流轉換器

140‧‧‧變壓器

150‧‧‧電壓檢測器

160‧‧‧冷陰極燈管

210‧‧‧燈管

220‧‧‧信號產生模組

221‧‧‧壓控振盪單元

222‧‧‧脈寬調變單元

222a‧‧‧誤差放大器

222b‧‧‧比較器

222c‧‧‧閂鎖單元

223‧‧‧電壓調整單元

230‧‧‧開關單元

240‧‧‧第二檢測模組

250‧‧‧第一檢測模組

251‧‧‧低通濾波單元

252‧‧‧電阻單元

260‧‧‧變壓器

401、402‧‧‧曲線

A、B‧‧‧節點

C1~C4‧‧‧電容

CON1~CON4‧‧‧控制信號

CLK‧‧‧時脈信號

D1~D3‧‧‧二極體

DR‧‧‧交流驅動信號

EA_out‧‧‧預設值

F1‧‧‧第一誤差信號

F2‧‧‧第二誤差信號

F3‧‧‧脈寬調變信號

fb、FB‧‧‧回授信號

GND‧‧‧接地電壓

N1‧‧‧電晶體

R1、R2‧‧‧電阻

R3‧‧‧可變電阻

REF‧‧‧參考信號

S1~S4‧‧‧開關

Vin‧‧‧第一電壓

FS‧‧‧檢測信號

圖1為傳統換流器的電路圖。

圖2為本發明之一實施例的背光模組的方塊圖。

圖3A、圖3B及圖3C分別為本發明實施例圖2中脈寬調變信號、開關單元之第一電流端及檢測信號的電壓波形圖。

圖3D為本發明實施例圖2中回授信號的電壓波形圖。

圖4A為本發明實施例圖2中信號產生模組的電路圖。

圖4B為本發明實施例圖4A中脈寬調變單元的時序圖。

200‧‧‧換流器電路

210‧‧‧燈管

220‧‧‧信號產生模組

230‧‧‧開關單元

240‧‧‧第二檢測模組

250‧‧‧第一檢測模組

251‧‧‧低通濾波單元

252‧‧‧電阻單元

260‧‧‧變壓器

A、B‧‧‧節點

C1~C4‧‧‧電容

D1~D3‧‧‧二極體

DR‧‧‧交流驅動信號

F3‧‧‧脈寬調變信號

FB‧‧‧回授信號

GND‧‧‧接地電壓

N1‧‧‧電晶體

R1、R2‧‧‧電阻

R3‧‧‧可變電阻

Vin‧‧‧第一電壓

FS‧‧‧檢測信號

Claims (20)

1. 一種換流器電路，適於驅動一燈管，包括：一開關單元，具有第一電流端、第二電流端及控制端，且其控制端接收一脈寬調變信號，以控制該開關單元的導通與否；一第一電容，並聯該開關單元之第一電流端及第二電流端；一變壓器，其一次側線圈耦接一第一電壓及該開關單元之第一電流端，其二次側線圈耦接一第二電壓及該燈管，以提供一交流驅動信號至該燈管；一信號產生模組，依據該第一電壓產生該脈寬調變信號，其中該脈寬調變信號的責任週期決定於相應該燈管之一回授信號及一檢測信號；以及一第一檢測模組，耦接該開關單元之第二電流端與該信號產生模組之間，用以依據該開關單元所通過的電流，而產生該檢測信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，其中該信號產生模組包括：一壓控振盪單元，用以產生一時脈信號；以及一脈寬調變單元，耦接於該壓控振盪單元，用以依據該時脈信號的頻率，產生該脈寬調變信號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之換流器電路，其中該脈寬調變單元包括：一誤差放大器，用以依據一參考信號及該回授信號， 輸出一第一誤差信號；一比較器，用以比較該檢測信號及所接收的該第一誤差信號，並輸出一第二誤差信號；以及一閂鎖單元，用以依據所接收的該時脈信號及該第二誤差信號，產生該寬調變信號。
4. 如申請專利範圍第2項所述之換流器電路，其中該信號產生模組更包括：一電壓調整單元，耦接該壓控振盪單元，用以提供經調整之該第一電壓至該壓控振盪單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，更包括：一第二檢測模組，耦接於該燈管與該信號產生模組之間，用以依據該燈管所通過的電流，產生該回授信號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，其中該第一檢測模組包括：一電阻單元，耦接該開關單元之第二電流端，用以輸出該檢測信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之換流器電路，其中該第一檢測模組更包括：一低通濾波單元，耦接於該電阻單元與該信號產生模組之間，用以將該檢測信號進行低通濾波處理。
8. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，其中該第一電壓為一直流電壓源。
9. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，其中該第二電壓為一接地電壓。
10. 如申請專利範圍第1項所述之換流器電路，其中該燈管為一冷陰極燈管。
11. 一種背光模組，包括：一燈管，用以提供一光源；以及一換流器電路，耦接該燈管，用以驅動該燈管，包括：一開關單元，具有第一電流端、第二電流端及控制端，且其控制端接收一脈寬調變信號，以控制該開關單元的導通與否；一第一電容，並聯該開關單元之第一電流端及第二電流端；一變壓器，其一次側線圈耦接一第一電壓及該開關單元之第一電流端，其二次側線圈耦接一第二電壓及該燈管，以提供一交流驅動信號至該燈管；一信號產生模組，依據該第一電壓產生該脈寬調變信號，其中該脈寬調變信號的責任週期決定於相應該燈管之一回授信號及一檢測信號；以及一第一檢測模組，耦接該開關單元之第二電流端與該信號產生模組之間，用以依據該開關單元所通過的電流，而產生該檢測信號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，其中該信號產生模組包括：一壓控振盪單元，用以產生一時脈信號；以及一脈寬調變單元，耦接於該壓控振盪單元，用以依據該時脈信號的頻率，產生該脈寬調變信號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之背光模組，其中該脈寬調變單元包括：一誤差放大器，用以依據一參考信號及該回授信號，輸出一第一誤差信號；一比較器，用以比較該檢測信號及所接收的該第一誤差信號，並輸出一第二誤差信號；以及一閂鎖單元，用以依據所接收的該時脈信號及該第二誤差信號，產生該寬調變信號。
14. 如申請專利範圍第12項所述之背光模組，其中該信號產生模組更包括：一電壓調整單元，耦接該壓控振盪單元，用以提供經調整之該第一電壓至該壓控振盪單元。
15. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，更包括：一第二檢測模組，耦接於該燈管與該信號產生模組之間，用以依據該燈管所通過的電流，產生該回授信號。
16. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，其中該第一檢測模組包括：一電阻單元，耦接該開關單元之第二電流端，用以輸出該檢測信號。
17. 如申請專利範圍第16項所述之背光模組，其中該第一檢測模組更包括：一低通濾波單元，耦接於該電阻單元與該信號產生模組之間，用以將該檢測信號進行低通濾波處理。
18. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，其中該 第一電壓為一直流電壓源。
19. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，其中該第二電壓為一接地電壓。
20. 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，其中該燈管為一冷陰極燈管。