TWI403216B - 光源亮度控制電路及亮度控制方法 - Google Patents

Description

光源亮度控制電路及亮度控制方法

本發明係與光源控制電路有關，特別是關於一種光源亮度控制電路及亮度控制方法。

隨著科技發展與進步，液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)在電腦、通訊與消費性3C電子產業中已經大規模地取代了一般傳統之陰極射線管顯示器(cathode ray tube,CRT)。LCD顯示器與傳統CRT顯示器相較之下具有厚度較薄、重量較輕以及低輻射之優點，故液晶顯示面板可適用於時下熱門的電子產品，如筆記型電腦、個人行動助理(personal digital assistant,PDA)、行動電話、數位相機、平面電視、投影機、數位攝影機、以及數位相框等。

在LCD顯示器中，其係利用背光模組而提供顯示器之背光源。一般而言，為了讓使用者能在各種環境下清晰觀看液晶顯示面板所顯示之畫面，背光源之亮度必須是可調整的。在室外強光環境下，背光源之亮度必須較背景光線還亮，而若是在較黑暗的環境中，則須減弱背光源之亮度以提供柔和的光線並降低眼睛的疲勞。液晶顯示面板通常係藉由調整(regulate)背光源開關之時間的比例或調整通過背光源之電流而控制其亮度。液晶顯示面板之背光模組通常包含光源以及用以驅動光源之換流器電路。上述換流器電路將輸入端之直流電壓轉換為交流電壓，並以交流電壓驅動光源。如熟悉此領域之技藝者所知，電路設計者可利用LC振盪原理而將直流電轉換為交流電。

另外，為控制光源之亮度，一常見之方法係利用一脈波寬度調變器(pulse width modulator,PWM)所提供之訊號而調整供應至燈管的交流電壓之脈寬(時間的長度)。當上述交流電壓之脈寬越寬時，燈管之亮度越高，反之，當交流電壓之脈寬越窄時，則燈管之亮度越低。然而，採用上述LC振盪原理及脈波寬度調變器之燈管亮度控制電路卻在關閉燈管時(即PWM訊號為0時)因LC振盪而使燈管亮度難以降低之缺點。參照第一圖，其為習知燈管亮度控制電路之脈波寬度調變器的輸出電壓vs.時間圖與換流器之輸出電壓vs.時間圖(時間單位為毫秒)。如圖所示，當脈波寬度調變器之訊號為1時，換流器將把交流電壓輸出至燈管，並藉由PWM訊號之時間長度W(脈寬)而控制燈管的亮度。然而，當PWM訊號切換為0時，換流器之輸出電壓卻仍需經過一段時間之電壓振盪方可回歸於0伏特，使得燈管亮度難以降低。

參照第二圖，其為習知燈管亮度控制電路之脈波寬度調變器的輸出電壓vs.時間圖與換流器之輸出電壓vs.時間圖。其時間單位為微秒，由圖可明顯觀察到PWM訊號由1切換為0時，換流器所經歷之電壓振盪。

美國專利第5,939,830號揭露了一種調整LCD顯示器之背光模組燈管亮度的方法與裝置，用以縮短上述電壓振盪之時間。參照第三圖，其為習知技術(美國專利第5,939,830號)之燈管亮度控制電路圖。當燈管亮度控制電路300之開關S1為關閉時(導通狀態)，直流電源+V將透過電感器L1施加於變壓器340之中間接點346。由於電容器C1與變壓器之一次側繞組(primary winding)342並聯，搭配開關控制器330所控制之開關元件S2與S3之交錯關閉將使一次側繞組342與電容器C1之間產生LC振盪。如此一來，直流電源+V將轉換為交流電源，並透過變壓器340之二次側繞組(secondary winding)344而施加於待控裝置310上。為了控制待控裝置310之亮度，燈管亮度控制電路300利用脈波寬度調變器320控制開關元件S1關閉及打開之時間長度，以調整待控裝置310之通電時間。

為了改善上述PWM訊號由1切換至0時所產生之LC振盪問題，其於電感器L1與中間接點346間加入了一由脈波寬度調變器320之輸出訊號324所控制的開關元件S4。當開關元件S1打開時(輸出訊號322為0時)，輸出訊號324將由0切換為1，以使開關元件S4關閉(導通)。如此一來，儲存於一次側繞組342之能量將被導入地面，因而大幅縮短待控裝置310之電壓振盪時間。

然而，由於上述解決方案係主要利用一次側繞組342接地來改善LC效應之影響，但也因而導致能量浪費，當待控裝置310亮度越低時，背光模組之電器效率也就越差。另外，即使開關元件S4適時關閉，但由於電容器C1與變壓器之一次側繞組342仍具有電性連結，故依然會產生LC振盪。因此，待控裝置310上之電壓仍需經過一段時間方可回歸至0伏特。因而當待控裝置310亮度越低時，待控裝置310之亮度仍然難以降低。

上述先前技術亦提及可將開關元件S4設置於變壓器340之二次側繞組344上，以於開關元件S1打開之際將儲存於變壓器340之能量導引至地面。如此依然會導致能量耗損情形，因此待控裝置310亮度越低時，背光模組之電器效率越差。如此，開關元件S4必須能承受極大的電壓，進而提高燈管亮度控制電路之成本。

有鑑於上述，本發明提出一種光源亮度控制電路及亮度控制方法，其具有在低亮度時提高背光模組之電器效率的效果，並可以較低成本達到更容易降低燈管亮度之目的，且亦可減少能量之損耗。

本發明之一目的係在於提供一種光源亮度控制電路，以使燈管在較低亮度的情況下，仍可輕易調降其亮度。

本發明之另一目的係在於提供一種光源亮度控制電路，以在燈管亮度較低的情況下提高背光模組效率。

本發明之又一目的係在於提供一種光源亮度控制電路，以使電路中之電容器與電感器之間形成電性隔絕，避免LC振盪的發生，進而使燈管上之電壓迅速降低至接近0伏特之準位，且將能量儲存於電容器中，以漸少能量之損耗。

本發明提供一種光源亮度控制電路，用以控制一待控裝置之亮度，其包含一換流器電路及一驅動電路，上述換流器電路係電性耦合至待控裝置，用以將輸入之直流電轉換成交流電，並輸出交流電至待控裝置。上述換流器電路包含一變壓器、一與變壓器並聯之電容器及位於電容器兩端之複數開關元件。上述驅動電路係電性連結至上述換流器電路，用以控制直流電之供給，並於直流電停止輸入至變壓器時控制複數開關元件，使電容器與變壓器形成電性隔絕。

本發明提供一種光源亮度控制電路，其包含：一光源、一直流電源供應器、一電源開關元件、一換流器電路及一脈波寬度調變器。上述直流電源供應器係用以提供直流電，而電源開關元件係電性連結至直流電源供應器。上述換流器電路係與光源電性連結，用以將直流電轉換為交流電，其包含：一具有一次側繞組及二次側繞組之變壓器；一與變壓器之一次側繞組並聯之電容器；與變壓器之一次側繞組電性連結之第一組開關元件；與第一組開關元件電性連結之開關控制器，用以控制第一組開關元件之交錯關閉，使電容器與一次側繞組產生LC振盪；及設置於電容器兩側之第二組開關元件。上述脈波寬度調變器與電源開關元件及第二組開關元件電性連結，用以控制電源開關元件之輸出訊號，並於直流電停止輸出時，控制第二組開關元件，使電容器與變壓器電性隔絕。

本發明提供一種光源亮度控制方法，該方法包含下列步驟。首先，提供直流電源至換流器，使換流器輸出交流電源至待控光源。接著，於直流電源停止輸入至換流器時，絕緣換流器內之電容器與變壓器，並控制換流器與地面電性隔絕，以使能量儲存於換流器之電容器中。

本發明將配合其較佳實施例與隨附之圖示詳述於下。應可理解者為本發明中所有之較佳實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之較佳實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。

參照第四圖，其係本發明之光源亮度控制電路之示意圖。如圖所示，光源亮度控制電路400耦合至一直流電源410，驅動電路420係電性耦合至換流器電路430及開關元件S3。在一實施例中，換流器電路430包含一振盪電路432、一變壓器434、一電容器C1及開關元件S1與S2。一待控制裝置440耦合於上述之換流器電路430，於本例中所述待控裝置440可為一光源，例如燈管。電容器C1係與變壓器434之一次側繞組436並聯，而開關元件S1與S2則連結於電容器C1之兩端。開關元件S1及S2之開關係透過驅動電路420控制。當直流電源410透過開關元件S3(由驅動電路420所控制)施加於變壓器434之中間接點438時，由於電容器C1與變壓器434之一次側繞組436並聯，搭配振盪電路432將使電容器C1與一次側繞組436之間產生LC振盪，進而將直流電源轉換為交流電源。

在若干實施例中，當直流電源410停止輸入至變壓器434時，可透過驅動電路420將開關元件S1與S2打開(斷路)，使電容器C1與變壓器434形成電性隔絕，如此將可避免電壓振盪並可將能量儲存於電容器C1中。驅動電路420可透過開關元件S3控制電源之供應，藉控制光源440之導通時間而調整光源440之亮度。

參照第五圖，其係本發明之燈管亮度控制電路的較佳實施例之電路示意圖。當燈管亮度控制電路500中之開關元件S1為關閉(導通狀態)，且開關元件S4、S5亦為關閉(導通)時，直流電源+V將透過電感器L1而施加於變壓器540之中間接點546。由於電容器C1係與變壓器540之一次側繞組542並聯，透過開關控制器530使得開關元件S2、S3交錯關閉，使一次側繞組542及電容器C1之間產生LC振盪。因此，直流電源+V將轉換為交流電源，此交流電源將經由變壓器540之二次側繞組544及安定器(ballast)L2而施加於待控裝置510上。安定器L2可避免過大之電流進入待控裝置510而造成損壞。

在此實施例中，開關元件S4、S5係分別設置於電容器C1之兩側，並利用脈波寬度調變器520之輸出訊號526控制其開關(導通或斷路)。在驅動待控裝置510發光時，脈衝寬度調變器520之輸出訊號526為1，故開關元件S4、S5係處於關閉(導通)狀態。而欲調整待控裝置510之亮度時，輸出訊號522將由1變為0，以調整時間長度W，進而控制待控裝置510之亮度。輸出訊號522由1變為0的同一時間，脈波寬度調變器520之另一輸出訊號526亦將同時由1變為0。如此，開關元件S4、S5均處於打開之狀態(斷路)，使電容器C1完全與變壓器540之一次側繞組542電性隔絕。此外，透過開關控制器530將開關元件S2、S3打開(斷路)。如此一來，由於電容器C1與變壓器540之一次側繞組542完全電性隔絕，LC振盪之現象將不會發生。因此施加於待控裝置510之電壓將於輸出訊號522由1變為0之後迅速掉回至0伏特附近，亦不會再有電壓振盪之現象發生。在若干實施例中，上述待控裝置510可為一光源，例如冷陰極螢光燈、發光二極體、白熾燈或鹵素燈。

第六圖為習知技術與本發明之燈管亮度控制電路的脈波寬度調變器之輸出電壓vs.時間圖及換流器之輸出電壓vs.時間圖。如圖所示，電壓波形A與B分別為習知技術之脈波寬度調變器320之輸出訊號322之電壓波形及待控裝置310於理論上之電壓波形，而電壓波形C與D則分別為本發明之脈波寬度調變器520之輸出訊號522之電壓波形及待控裝置510於理論上之電壓波形。比較電壓波形B與D之後可明顯看出依據本發明而施加於待控裝置510之電壓未有任何電壓振盪。由於輸出訊號522從1變為0之後未有電壓振盪之現象，因此對待控裝置510發光之貢獻將絕大部分來自於時間長度W內之電壓波形。換言之，相較於習知技術，本發明中之待控裝置510在較低亮度之情況下，其亮度將可更容易被調降，因此亮度下降之餘裕度將更大。

另外，由於開關元件S4、S5均已打開(斷路)，且開關元件S2、S3亦為斷路狀態，因此能量將被儲存於電容器C1中。由於本發明所提供之燈管亮度控制電路可儲存能量，因此在背光模組亮度較低時將更為省電，並將具有較佳之電器效率。此外，由於開關元件S5及S6毋需承受極大之電壓，因此可採用一般電晶體之開關元件，進而降低燈管亮度控制之成本。

根據本發明之觀點，本發明進一步提供了一種控制燈管亮度之方法。其所需之步驟係如下所述。

本發明首先將提供一直流電源至一換流器(包括電容器與變壓器)，以使換流器輸出一交流電源。接著，輸出交流電源至一燈管之兩端，以使燈管發光。然後，利用一脈波寬度調變器控制直流電源輸入至換流器之時間長度W。於直流電源停止輸入至換流器的期間，控制換流器內之電容器與變壓器電性隔絕，並控制換流器與地面電性隔絕，以使能量儲存於換流器之電容器中。

上述敘述係本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

300．．．燈管亮度控制電路

310．．．待控裝置

320．．．脈波寬度調變器

322．．．輸出訊號

324．．．輸出訊號

330．．．開關控制器

340．．．變壓器

342．．．一次側繞組

344．．．二次側繞組

346．．．中間接點

400．．．光源亮度控制電路

410．．．直流電源

420．．．驅動電路

430．．．換流器電路

432．．．振盪電路

434．．．變壓器

436．．．一次側繞組

438．．．中間接點

440．．．光源

500．．．燈管亮度控制電路

510．．．待控裝置

520．．．脈波寬度調變器

522．．．輸出訊號

526．．．輸出訊號

530．．．開關控制器

540．．．變壓器

542．．．一次側繞組

544．．．二次側繞組

546．．．中間接點

本發明可藉由說明書中若干較佳實施例及詳細敘述以及後附圖式得以瞭解。然而，此領域之技藝者應得以領會所有本發明之較佳實施例係用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍，其中：

第一圖為一習知燈管亮度控制電路之脈波寬度調變器的輸出電壓vs.時間圖及換流器的輸出電壓vs.時間圖(時間單位為毫秒)；

第二圖為一習知燈管亮度控制電路之脈波寬度調變器的輸出電壓vs.時間圖及換流器的輸出電壓vs.時間圖(時間單位為微秒)；

第三圖為一習知技術之燈管亮度控制電路圖；

第四圖係本發明之光源亮度控制電路之示意圖

第五圖係本發明之燈管亮度控制電路的較佳實施例之電路示意圖；

第六圖為習知技術與本發明之燈管亮度控制電路的脈波寬度調變器之輸出電壓vs.時間圖及換流器之輸出電壓vs.時間圖(時間單位為微秒)。

500．．．燈管亮度控制電路

510．．．待控裝置

520．．．脈波寬度調變器

522．．．輸出訊號

526．．．輸出訊號

530．．．開關控制器

540．．．變壓器

542．．．一次側繞組

544．．．二次側繞組

546．．．中間接點

Claims (15)

1. 一種光源亮度控制電路，用以控制一待控裝置之亮度，包含：一換流器電路，電性耦合至該待控裝置，用以將輸入之直流電轉換成交流電，並輸出該交流電至該待控裝置，其中該換流器電路包含：一變壓器；一電容器，與該變壓器並聯；複數開關元件，位於該電容器兩端；及一驅動電路，電性連結至該換流器電路，用以控制該直流電之供給，並於該直流電停止輸入至該變壓器時控制該複數開關元件，使該電容器與該變壓器形成電性隔絕。
2. 如請求項1所述之光源亮度控制電路，其中更包含振盪電路電性連結至該變壓器之兩端，使該變壓器與該電容器產生LC振盪。
3. 如請求項2所述之光源亮度控制電路，其中該振盪電路包含一開關控制器及二個接地之開關元件。
4. 如請求項1所述之光源亮度控制電路，其中該驅動電路包含一脈波寬度調變器。
5. 如請求項1所述之光源亮度控制電路，更包含一安定器設置於該光源及該換流器電路之間。
6. 如請求項1所述之光源亮度控制電路，其中該光源可為冷陰極螢光燈、發光二極體、白熾燈或鹵素燈。
7. 一種光源亮度控制電路，包含：一直流電源供應器，用以提供直流電；一電源開關元件，與該直流電源供應器電性連結；一換流器電路，與該光源電性連結，用以將該直流電轉換為交流電，該換流器電路包含：一變壓器，具有一次側繞組及二次側繞組；一電容器，與該變壓器之該一次側繞組並聯；第一組開關元件，與該變壓器之該一次側繞組電性連結；開關控制器，與該第一組開關元件電性連結，用以控制該第一組開關元件之交錯關閉，使該電容器與該一次側繞組產生LC振盪；第二組開關元件，設置於該電容器之兩側；及一脈波寬度調變器，與該電源開關元件及該第二組開關元件電性連結，用以控制該電源開關元件之輸出訊號，並於該直流電停止輸出時，控制該第二組開關元件，使該電容器與該變壓器電性隔絕。
8. 如請求項7所述之光源亮度控制電路，更包含一安定器設置於該光源及該變壓器之二次側繞組之間。
9. 如請求項7所述之光源亮度控制電路，其中該光源可為一冷陰極螢光燈、一發光二極體、一白熾燈或一鹵素燈。
10. 一種光源亮度控制方法，該方法包含：提供直流電源至換流器，使該換流器輸出交流電源至待控光源；於該直流電源停止輸入至該換流器時，絕緣該換流器內之電容器與變壓器，並控制該換流器與地面電性隔絕，以使能量儲存於該換流器之該電容器。
11. 如請求項10所述之光源亮度控制方法，更包含設置一安定器於該光源及該變壓器之間。
12. 如請求項10所述之光源亮度控制方法，更包含利用一脈波寬度調變器控制該直流電輸入至該換流器之時間。
13. 如請求項10所述之光源亮度控制方法，其中更包含提供一振盪電路電性連結至該變壓器之兩端，使該變壓器與該電容器產生LC振盪。
14. 如請求項13所述之光源亮度控制方法，其中該振盪電路包含一開關控制器及二個接地之開關元件。
15. 如請求項10所述之光源亮度控制方法，其中更包含提供一組開關位於該電容器之兩端，以利於控制該電容狀態。