TWI404290B - 發光二極體光源的驅動電路 - Google Patents

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Description

發光二極體光源的驅動電路
本發明是有關於一種光源驅動技術，且特別是一種發光二極體(Light-Emitting Diode，簡稱LED)光源的驅動電路。
圖1為一種現有的LED光源的驅動電路之電路圖。請參照圖1，LED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光源的驅動電路包括直流至直流(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檢測每個燈串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(即達到電流平衡)，使燈串11～1m得以提供均勻的亮度。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Mi及電阻器Ri，其中電晶體Mi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從電流檢測端ISi檢測燈串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Mi改變其在線性區的工作點位置，以改變電晶體Mi提供的可變電阻大小。LED控制器220從電壓檢測端VDi檢測燈串1i第二端上的電壓，當燈串1i第二端上的電壓過高時，表示燈串1i中有發光二極體發生短路，因此從通道端CHi送出信號控制電晶體Mi截止以保護電路。
不管是圖1還是圖2所示現有的LED光源的驅動電路通常都採用市售已積體化的LED控制器22或220。然而，市售的LED控制器可支持LED光源的燈串數量是固定的，隨著燈串11~1m數量的增加，需要採用多個LED控制器並聯使用，這些並聯使用的LED控制器之間的溝通及控制會使得設計成本上升且會使得電路變得複雜。另外，圖2所示的LED光源的驅動電路還必需外加電晶體Mi和電阻器Ri，其數量亦會隨著燈串11~1m數量的增加而增加，同樣會使得設計成本上升且會使得電路更為複雜。
有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種發光二極體(LED)光源的驅動電路，不需要採用專用的LED控制器，且驅動電路架構相當簡單，可大幅降低成本。
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)光源的驅動電路。LED光源包括多個燈串，每個燈串均包括 多個串聯耦接的發光二極體，每個燈串均具有第一端及第二端，每個燈串第一端均耦接至定電壓。LED光源的驅動電路包括定電流源、電流鏡、短路保護電路以及調光電路，其中電流鏡耦接至定電流源及每個燈串第二端，短路保護電路耦接至每個燈串第二端，調光電路耦接至電流鏡及短路保護電路。定電流源用以提供定電流。電流鏡用以在開啟時根據定電流產生多個吸取電流(sink currents)，每個吸取電流提供至一相應的燈串第二端，使流過每個燈串的電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串的電流為零。短路保護電路用以在檢測到任一燈串第二端電壓超過臨界值時輸出短路信號。調光電路用以接收脈寬調變(PWM)調光信號，在收到短路信號時關閉電流鏡，並在未收到短路信號時根據PWM調光信號交替地開啟及關閉電流鏡。
本發明之LED光源的驅動電路藉由電流鏡使流過LED光源的每個燈串的電流達到平衡，並交替地開啟及關閉電流鏡以PWM調光方式實現調整LED光源亮度的功能，另外還可藉由設定電流鏡提供的定電流大小來改變流過燈串的電流大小，且可檢測燈串是否有短路以便在燈串發生短路時藉由關閉電流鏡來保護電路。
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3為依照本發明一較佳實施例所繪示之發光二極體(LED)光源的驅動電路之電路圖。請參照圖3，LED光源包括多個燈串11~1m，每個燈串1i均包括多個串聯耦接的發光二極體D1~Dn，其中m、n均為大於1的正整數，i為1~m中任一正整數。每個燈串1i均具有第一端及第二端，每個燈串1i第一端均耦接至定電壓 Vlb來獲取所需的電壓，這個定電壓Vlb可以是如圖1所示常見的5V、12V或24V等規格的直流電壓Vdc1，或者是將直流電壓Vdc1通過DC/DC轉換器21升壓或降壓後的直流電壓Vdc2。本領域具有通常知識者應當知道為了讓這些燈串11~1m得以正常工作，在每個燈串1i中，發光二極體D1陽極端應耦接至燈串1i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1i第二端，其中k為1~(n-1)中任一正整數。
LED光源的驅動電路包括定電流源31、電流鏡32、短路保護電路33以及調光電路34。定電流源31用以提供定電流Ibase。在本實施例中，定電流源31包括電晶體Q1、電阻器R1和R2以及積體電路TL431，其中積體電路TL431是一種可調並聯穩壓器(programmable shunt regulator)，相當於崩潰電壓可調的齊納二極體(Zener diode)。定電流源31由直流電壓Vref供電，並可通過調整電阻器R2電阻的大小來調整定電流Ibase的電流大小。
電流鏡32耦接至定電流源31及每個燈串1i第二端，用以在開啟時根據定電流Ibase產生多個吸取電流I1~Im，每個吸取電流Ii提供至相應的燈串1i第二端，使流過每個燈串1i的電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串1i的電流為零。在本實施例中，電流鏡32包括多個匹配的第一電晶體Q11~Q1m及第二電晶體Q2，每個第一電晶體Q1i及第二電晶體Q2均為NPN雙載子接面電晶體並具有第一端(即集極端)、第二端(即射極端)及控制端(即基極端)；但並非僅限於此，例如每個第一電晶體Q1i及第二電晶體Q2還可均為N通道場效電晶體。每個第一電晶體Q1i第一端耦接以提供相應的吸取電流Ii至相應的燈串1i第二端，第二電晶體Q2第一端耦接至控制端而連接成二極體電晶體 (diode-connected transistor)且第二電晶體Q2第一端還耦接至定電流源31以接收定電流Ibase，每個第一電晶體Q1i及第二電晶體Q2第二端均耦接至接地，每個第一電晶體Q1i及第二電晶體Q2控制端彼此耦接。電流鏡32在開啟時由於第一電晶體Q11~Q1m匹配的緣故，流入第一電晶體Q11~Q1m的吸取電流I1~Im會相等或在一定誤差範圍內(即達到電流平衡)，迫使流過每個燈串1i的電流同樣達到平衡，使燈串11~1m得以提供均勻的亮度。另外，可藉由將第二電晶體Q2控制端耦接至接地，使第二電晶體Q2及每個第一電晶體Q1i均截止，達到關閉電流鏡32的功能。
短路保護電路33耦接至每個燈串1i第二端，用以在檢測到燈串11~1m中任一燈串第二端電壓超過臨界值時輸出短路信號Vshort。在本實施例中，短路保護電路33包括多個二極體D11~D1m、齊納二極體ZD1、用於分壓的電阻器R3和R4以及用於穩壓的電容器C1。由於只藉由一個齊納二極體ZD1檢測這些燈串11~1m中是否有短路，燈串11~1m第二端均需耦接至齊納二極體ZD1陰極端，因此為了避免燈串11~1m第二端上的電壓電流彼此干擾，在每個燈串1i第二端及齊納二極體ZD1陰極端之間加上相應的二極體D1i。當燈串11~1m中任一燈串(如燈串11)第二端電壓超過臨界值而使得齊納二極體ZD1崩潰時，燈串11第二端電壓減去二極體D11順向偏壓及齊納二極體ZD1崩潰電壓後的壓降將落在電阻器R3和R4，設計使電阻器R4分得的電壓(即短路信號Vshort)為高準位，因此相當於短路保護電路33輸出短路信號Vshort。當燈串11~1m中任一燈串第二端電壓未超過臨界值而無法使齊納二極體ZD1崩潰時，將沒有壓降落在電阻器R3和R4，電阻器R4分得的電壓(即短路信號Vshort)為零或低準位，因此相當於短路保護電路33未輸出短路信號Vshort。另外，可藉由使用不 同崩潰電壓的齊納二極體來設計臨界值的大小，即設計當燈串中有多少個發光二極體短路時才輸出短路信號Vshort。
調光電路34耦接至電流鏡32及短路保護電路33，用以接收脈寬調變(PWM)調光信號DIM(以下簡稱調光信號DIM)，在收到短路信號Vshort時關閉電流鏡32，並在未收到短路信號Vshort時根據調光信號DIM交替地開啟及關閉電流鏡32。在調光電路34根據調光信號DIM交替地開啟及關閉電流鏡32時，燈串11~1m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，可藉由調整調光信號DIM的責任週期(duty cycle)來調整電流鏡32開啟及關閉的時間比例，進而調整燈串11~1m亮暗的比例，實現調整LED光源亮度的調光效果。
在本實施例中，調光電路34包括第一開關SW1以及第二開關SW2，其中第一開關SW1具有第一端P11、第二端P12及控制端P13，第二開關SW2具有第一端P21、第二端P22及控制端P23。第一開關SW1第一端P11接收調光信號DIM，第一開關SW1第二端P12耦接至第二開關SW2控制端P23，第一開關SW1控制端P13耦接至短路保護電路33以接收短路信號Vshort。第二開關SW2第一端P21耦接至電流鏡32，第二開關SW2第二端P22接收關閉信號Voff，第二開關SW2控制端P23耦接至第一開關SW1第二端P12。
在第一開關SW1控制端P13收到短路信號Vshort時，第一開關SW1不導通(即第一端P11及第二端P12不連接)，第二開關SW2因控制端P23未收到任何信號而導通(即第一端P21及第二端P22連接)，此時電流鏡32因收到關閉信號Voff而關閉。在第一開關SW1控制端P13未收到短路信號Vshort時，第一開關SW1導通(即 第一端P11及第二端P12連接)，第二開關SW2因控制端P23收到調光信號DIM而根據調光信號DIM交替地不導通及導通，其中在第二開關SW2不導通時，電流鏡32因未收到關閉信號Voff而開啟，在第二開關SW2導通時，電流鏡32因收到關閉信號Voff而關閉。在本實施例中，藉由將電流鏡32的第二電晶體Q2控制端耦接至接地來實現電流鏡32收到關閉信號Voff的態樣，並藉由將電流鏡32的第二電晶體Q2控制端不再耦接至接地來實現電流鏡32未收到關閉信號Voff的態樣。
圖4為圖3所示調光電路34的一替代實施例之電路圖。請同時參照圖3及圖4，調光電路44包括第一開關SW1以及第二開關SW2。調光電路44的第一開關SW1及第二開關SW2所具有的三個端點及這些端點對外耦接關係與調光電路34的第一開關SW1及第二開關SW2相同，在此不再贅述。在調光電路44中，第一開關SW1包括電阻器R5~R8以及電晶體Q3和Q4，第二開關SW2包括電阻器R9以及電晶體Q5和Q6，而電阻器R5、R8和R9用以限流以保護電路。下面將針對調光電路44的第一開關SW1及第二開關SW2的工作原理及所具有的功能進行說明。
在第一開關SW1控制端P13收到短路信號Vshort時(此時短路信號Vshort為高準位)，電晶體Q4因控制端收到高準位的信號而導通，電晶體Q3因控制端耦接至接地而截止，因此第一開關SW1不導通。此時，電晶體Q5因控制端未收到任何信號而截止，電晶體Q6因控制端收到高準位的直流電壓Vcc而導通，因此第二開關SW2導通，使電流鏡32因收到關閉信號Voff而關閉。在第一開關SW1控制端P13未收到短路信號Vshort時(此時短路信號Vshort為低準位)，電晶體Q4因控制端收到低準位的信號而截止，電晶體Q3將根據調光信號DIM交替地不導通及導通，即在調光信號DIM 為低準位時，電晶體Q3因控制端收到低準位的信號而截止，而在調光信號DIM為高準位時，電晶體Q3因控制端所收到電阻器R7分得的電壓為高準位而導通，因此第一開關SW1根據調光信號DIM交替地不導通及導通。在第一開關SW1不導通時，電晶體Q5截止而電晶體Q6導通，因此第二開關SW2導通，使電流鏡32因收到關閉信號Voff而關閉；反之，在第一開關SW1導通時，電晶體Q5因控制端收到高準位的調光信號DIM而導通，電晶體Q6因控制端耦接至接地而截止，因此第二開關SW2不導通，使電流鏡32因未收到關閉信號Voff而開啟。
圖5A至圖5D為使用圖4所示調光電路44的LED光源的驅動電路之信號模擬圖。請同時參照圖3、圖4及圖5A至圖5D，此模擬使用的LED光源包括6個燈串，每個燈串包括13個發光二極體，理想上每個發光二極體順向導通偏壓為3.3V、導通電流為20mA，因此理想上每個燈串順向導通偏壓為43V(=3.3V×13)、導通電流為20mA。另模擬實際上每個發光二極體順向導通偏壓均有誤差，使得實際上每個燈串具有不同的順向導通偏壓。在圖5A中，定電流源31由5V的直流電壓Vref供電後可提供20mA的定電流Ibase。在圖5B中，電流鏡32在開啟時根據定電流Ibase產生吸取電流I1~I6提供至各自相應的燈串，從圖中可知藉由電流鏡32的均流功能，吸取電流I1~I6及定電流Ibase彼此幾乎相等或在一誤差範圍內，而吸取電流I1~I6將迫使這些具有不同順向導通偏壓的燈串所流過的電流彼此幾乎相等或在一誤差範圍內，故有相當好的均流或電流平衡效果。在圖5C中，電流鏡32根據調光信號DIM交替地開啟及關閉，在開啟時如圖5B一樣流過這些燈串的電流彼此幾乎相等或在一誤差範圍內，而在關閉時流過這些燈串的電流均為零。在圖5D中，當這些燈串中沒有燈串第二端電壓 超過臨界值時，短路保護電路33未輸出短路信號Vshort(此時短路信號Vshort為低準位)，調光電路34在未收到短路信號Vshort時將根據調光信號DIM交替地開啟及關閉電流鏡32，故流過這些燈串的電流如圖5C一樣；當這些燈串中任一燈串第二端電壓超過臨界值時，短路保護電路33輸出短路信號Vshort(此時短路信號Vshort變為高準位)，調光電路34在收到短路信號Vshort時將關閉電流鏡32，故流過這些燈串的電流均為零。
綜上所述，本發明之LED光源的驅動電路藉由電流鏡使流過LED光源的每個燈串的電流達到平衡，並交替地開啟及關閉電流鏡以PWM調光方式實現調整LED光源亮度的功能，另外還可藉由設定電流鏡提供的定電流大小來改變流過燈串的電流大小，且可檢測燈串是否有短路以便在燈串發生短路時藉由關閉電流鏡來保護電路。本發明由於不需要採用專用的LED控制器，且驅動電路架構相當簡單，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‧‧‧直流至直流(DC/DC)轉換器
22、220‧‧‧LED控制器
CH1~CHm‧‧‧通道端
FB‧‧‧回授控制端
IS1~ISm‧‧‧電流檢測端
VD1~VDm‧‧‧電壓檢測端
31‧‧‧定電流源
32‧‧‧電流鏡
33‧‧‧短路保護電路
34、44‧‧‧調光電路
C1‧‧‧電容器
D1~Dn‧‧‧發光二極體
D11~D1m‧‧‧二極體
M1~Mm‧‧‧電晶體
Q1、Q3~Q6‧‧‧電晶體
Q11~Q1m‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
R1~Rm‧‧‧電阻器
SW1‧‧‧第一開關
P11‧‧‧第一開關第一端
P12‧‧‧第一開關第二端
P13‧‧‧第一開關控制端
SW2‧‧‧第二開關
P21‧‧‧第二開關第一端
P22‧‧‧第二開關第二端
P23‧‧‧第二開關控制端
TL431‧‧‧可調並聯穩壓器
ZD1‧‧‧齊納二極體
DIM‧‧‧脈寬調變調光信號
Ibase‧‧‧定電流
I1~Im‧‧‧吸取電流
Vdc1、Vdc2‧‧‧直流電壓
Vcc、Vref‧‧‧直流電壓
Vlb‧‧‧定電壓
Voff‧‧‧關閉信號
Vshort‧‧‧短路信號
圖1及圖2分別為現有的LED光源的驅動電路之電路圖。
圖3為依照本發明一較佳實施例所繪示之LED光源的驅動電路之電路圖。
圖4為圖3所示調光電路的一替代實施例之電路圖。
圖5A至圖5D為使用圖4所示調光電路的LED光源的驅動電 路之信號模擬圖。
11～1m．．．燈串
31．．．定電流源
32．．．電流鏡
33．．．短路保護電路
34．．．調光電路
C1．．．電容器
D1～Dn．．．發光二極體
D11～D1m．．．二極體
Q1．．．電晶體
Q11～Q1m．．．第一電晶體
Q2．．．第二電晶體
R1～R4．．．電阻器
SW1．．．第一開關
P11．．．第一開關第一端
P12．．．第一開關第二端
P13．．．第一開關控制端
SW2．．．第二開關
P21．．．第二開關第一端
P22．．．第二開關第二端
P23．．．第二開關控制端
TL431．．．可調並聯穩壓器
ZD1．．．齊納二極體
DIM．．．脈寬調變調光信號
Ibase．．．定電流
I1～Im．．．吸取電流
Vref．．．直流電壓
V1b．．．定電壓
Voff．．．關閉信號
Vshort．．．短路信號

Claims (6)

  1. 一種發光二極體光源的驅動電路，該發光二極體光源包括多個燈串，每個燈串均包括多個串聯耦接的發光二極體，每個燈串均具有一第一端及一第二端，每個燈串第一端均耦接至一定電壓，該發光二極體光源的驅動電路包括：一定電流源，用以提供一定電流；一電流鏡，耦接至該定電流源及每個燈串第二端，用以在開啟時根據該定電流產生多個吸取電流，每個吸取電流提供至一相應的燈串第二端，使流過每個燈串的電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串的電流為零；一短路保護電路，耦接至每個燈串第二端，用以在檢測到任一燈串第二端電壓超過一臨界值時輸出一短路信號；以及一調光電路，耦接至該電流鏡及該短路保護電路，用以接收一脈寬調變調光信號，在收到該短路信號時關閉該電流鏡，並在未收到該短路信號時根據該脈寬調變調光信號交替地開啟及關閉該電流鏡。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源的驅動電路，其中該電流鏡包括多個匹配的第一電晶體及一第二電晶體，每個第一電晶體及該第二電晶體均具有一第一端、一第二端及一控制端，每個第一電晶體第一端耦接以提供一相應的吸取電流至一相應的燈串第二端，該第二電晶體第一端耦接至控制端且耦接至該定電流源以接收該定電流，每個第一電晶體及該第二電晶體第二端均耦接至一接地，每個第一電晶體及該第二電晶體控制端彼此耦接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體光源的驅動電路，其中每個第一電晶體及該第二電晶體均為雙載子接面電晶體或均為場效電晶體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體光源的驅動電路，其中藉由將該第二電晶體控制端耦接至該接地以關閉該電流鏡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源的驅動電路，其中該調光電路包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第一開關第一端接收該脈寬調變調光信號，該第一開關控制端耦接至該短路保護電路以接收該短路信號，該第一開關在收到該短路信號時不導通，並在未收到該短路信號時導通；以及一第二開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第二開關第一端耦接至該電流鏡，該第二開關第二端接收一關閉信號，該第二開關控制端耦接至該第一開關第二端，該第二開關在該第一開關不導通時導通，並在該第一開關導通時根據收到的該脈寬調變調光信號交替地不導通及導通，該電流鏡在該第二開關不導通時未收到該關閉信號而開啟，並在該第二開關導通時收到該關閉信號而關閉。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源的驅動電路，其中該調光電路包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第一開關第一端接收該脈寬調變調光信號，該第一開關控制端耦接至該短路保護電路以接收該短路信號，該第一開關在收到該短路信號時不導通，並在未收到該短路信號時根據該脈寬調變調光信號交替地不導通及導通；以及 一第二開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第二開關第一端耦接至該電流鏡，該第二開關第二端接收一關閉信號，該第二開關控制端耦接至該第一開關第二端，該第二開關在該第一開關不導通時導通，並在該第一開關導通時不導通，該電流鏡在該第二開關不導通時未收到該關閉信號而開啟，並在該第二開關導通時收到該關閉信號而關閉。
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