TWI410172B - 背光模組的驅動電路 - Google Patents

Description

背光模組的驅動電路

本發明是有關於一種發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)的驅動電路，且特別是有關於一種可降低設計成本的驅動電路。

全球暖化議題讓節能概念當紅，電腦相關設備也都開始注重節能概念的相關設計，由於發光二極體背光模組可以降低電源的消耗，同時減少體積與熱能的產生，讓電子產品可以更加輕薄，因此各家面板廠商紛紛將發光二極體應用於顯示器的背光模組。

發光二極體背光模組的驅動電路通常會包括升壓電路(Boost Circuit)與微調電路(dimming circuit)，其中升壓電路主要用來轉換輸入電壓，然後提供LED背光模組所需的驅動電壓，微調電路則是用來調整LED所導通的電流。LED背光模組中會包括多條LED串，每一個LED串由多個LED相互串聯組成。LED的發光亮度與其導通的電流大小成正比，微調電路即是用來調整LED串的發光強度。

微調電路會接收脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)信號與致能信號，並根據PWM信號與致能信號調整LED串所導通的電流。然而在高階的電子產品中，為使每一LED串的發光強度平均，需要設置多組的調整電路，並且使用為數眾多的傳輸閘(transmission gate)來進行信號的傳輸。這不僅增加電路設計的複雜度，同時也會增加晶片面積，讓晶片成本上升。

本發明提供一種發光二極體的驅動電路，利用電晶體的組合來取代傳輸閘，藉此降低驅動電路的晶片面積與設計成本。

承上述，本發明提出一種背光模組的驅動電路，上述背光模組包括發光二極體(Light emitting diode)單元，驅動電路包括電壓轉換單元、電流調整單元、電流映射單元以及微調單元。電壓轉換單元耦接於發光二極體單元的一端，用以提供一驅動電壓至發光二極體單元。電流調整單元耦接於發光二極體單元的另一端，並根據電流調整信號調整發光二極體單元所導通的電流。微調單元耦接於電流映射單元與電流調整單元之間，包括複數個驅動單元，其中第一驅動單元根據一脈波寬度調整信號、一致能信號與電流映射單元所輸出的參考電壓輸出電流調整信號至電流調整單元。其中，第一驅動單元包括一及閘、一N型電晶體與一P型電晶體。及閘的輸入端分別接收脈波寬度調變信號與致能信號，N型電晶體的汲極耦接於參考電壓，源極耦接於電流調整單元並產生上述電流調整信號，且其閘極耦接於及閘的輸出端。P型電晶體耦接於參考電壓與接地端之間，且P型電晶體的閘極耦接於及閘的輸出端。

在本發明一實施例中，背光模組更包括複數個發光二 極體單元，分別耦接於電壓轉換單元與電流調整單元之間，該些驅動單元中分別根據對應的脈波寬度調整信號、致能信號與參考電壓輸出電流調整信號至電流調整單元以調整該些發光二極體單元所導通的電流。

在本發明一實施例中，上述電流調整單元包括第一N型電晶體、一第二N型電晶體、一比較器以及一第三N型電晶體。第一N型電晶體的汲極耦接於發光二極體單元的另一端，且其源極耦接於第二N型電晶體的汲極。第二N型電晶體的源極耦接於接地端，而閘極耦接於驅動單元。比較器的正輸入端耦接於一參考電壓，負輸入端耦接於第三N型電晶體的汲極，比較器的輸出端耦接於第一N型電晶體的閘極。第三N型電晶體的源極耦接於第一N型電晶體與第二N型電晶體的共用接點，且第三N型電晶體的閘極耦接於一第三N型電晶體的汲極。

在本發明一實施例中，上述驅動電路更包括一電壓偵測單元，耦接於發光二極體單元的另一端與電壓轉換單元之間，用以偵測發光二極體單元的另一端的電壓以調整電壓轉換單元所輸出的驅動電壓。

在本發明一實施例中，其中電流映射單元包括一第一P型電晶體、一第二P型電晶體、一第一N型電晶體、一電阻以及一比較器。其中，第一P型電晶體的源極耦接於一電壓源，第一P型電晶體的閘極耦接於第一P型電晶體的汲極。第二P型電晶體的源極耦接於電壓源，且其汲極耦接於接地端，而第二P型電晶體的閘極耦接於第一P型 電晶體的閘極。第一N型電晶體的汲極耦接於第一P型電晶體的汲極。電阻耦接於第一N型電晶體的源極與接地端之間。比較器的正輸入端耦接於一參考電壓，比較器的負輸入端耦接於第一N型電晶體的源極，比較器的輸出端耦接於第一N型電晶體的閘極。其中，第一P型電晶體與第二P型電晶體形成一電流鏡，且第一P型電晶體的閘極輸出參考電壓。

綜合上述，本發明提供一種背光模組的驅動電路，利用較少的元件來實現微調單元，以一個N型電晶體與一個P型電晶體來取代傳輸閘(transmission gate)，藉此降低驅動電路的晶片面積，降低電路成本。

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。

請參照圖1，圖1為根據本發明一實施例之背光模組的驅動電路。驅動電路100包括電流調整單元120、驅動單元131、電流映射單元140、電壓轉換單元150以及電壓偵測單元160。驅動電路100耦接於背光模組(包括發光二極體單元111)的一端，而發光二極體單元111的另一端則耦接於電流調整單元120與電壓偵測單元160，其中發光二極體單元111由多個LED相互串聯所組成。電流映射單元140耦接於驅動單元131，驅動單元131的另一端耦接於電流調整單元120。

電壓轉換單元150提供驅動電壓V_OUT至發光二極體單元111的一端，而電壓偵測單元160則負責偵測發光二極體單元111的另一端的電壓值，並據以判斷發光二極體單元111兩端的電壓差是否符合預設值，然後據以調整電壓轉換單元150所輸出的驅動電壓V_OUT。藉由電壓轉換單元150，發光二極體單元111便可維持穩定的偏壓而得到所期望的發光強度。

電流調整單元120耦接於發光二極體單元111的另一端，其電路結構如圖1所示。電流調整單元120包括N型電晶體N1、N2、N3與比較器122。N型電晶體N1與N2串聯耦接於發光二極體單元111與接地端GND之間，N型電晶體N1的閘極耦接於比較器122的輸出端，而N型電晶體N2的閘極則耦接於驅動單元131以接收電流調整信號AS。N型電晶體N3則耦接於N型電晶體N1與N2的共用接點與比較器122的負輸入端之間，且N型電晶體N3的閘極耦接於汲極。比較器122的正輸入端耦接於參考電壓V_REF1。比較器122與N型電晶體N3可用來偵測發光二極體單元111是否短路或開路以調整N型電晶體N3的導通狀態。當發光二極體單元111短路時，比較器122便會關閉N型電晶體N1以保護驅動電路100。

電流調整單元120會根據所接收到的電流調整信號AS來調整N型電晶體N2的導通電流，電流調整信號AS愈大，N型電晶體N2所導通的電流則愈高。驅動單元131會根據脈波寬度調整信號PWM、致能信號EN與電流映射 單元140所輸出的參考電壓V_MIR產生電流調整信號AS。

電流映射單元140主要包括電流鏡電路(未繪示於圖1)，用以輸出一參考電壓V_MIR(即電流鏡中用來映射電流的參考電壓)。驅動單元131則包括及閘132、N型電晶體N4與P型電晶體P1，N型電晶體N4耦接於參考電壓V_MIR與N型電晶體N2的閘極之間，P型電晶體P1耦接於參考電壓V_MIR與接地端GND之間。及閘132的兩個輸入端分別接收脈波寬度調變信號PWM與致能信號EN，而其輸出端則耦接於N型電晶體N4與P型電晶體P1的閘極。當致能信號EN致能(邏輯高電位)時，N型電晶體N4會依照脈波寬度調變信號PWM的佔空比調整導通時間，進而將參考電壓V_MIR傳導至N型電晶體N2(即電流調整信號AS)。N型電晶體N2便可映射電流映射單元140以導通相對應的電流。當致能信號EN失能時，P型電晶體P1會導通，將參考電壓V_MIR拉低至低電位(接近接地位準)。

因此，使用者可經由脈波寬度調變信號PWM與致能信號EN來調整發光二極體單元111的導通電流以調整其發光強度。此外，在本發明另一實施例中，電流調整單元120中的N型電晶體N3可利用電阻(未繪示)取代，由於N型電晶體N3的功能主要避免在回授路徑上產生過多的電流，因此利用電阻來取代，同樣具有降低回授電流的功效。再者，當N型電晶體N3工作在飽和區時，N型電晶體N3在小訊號分析下可視為一個小電阻(1/gm，gm為跨導值(transconductance))。在考慮肌膚效應(body effect)下，其整 體的阻抗會變的更小(1/(gm+gmb)，其中gmb為body transconductance)。由於N型電晶體N3所導通的電流會隨著溫度變化而變化，進而產生較小的電阻值，讓參考電壓V_REF1可以完全地落在N型電晶體N1與N2的共用接點。

在液晶顯示器的應用中，背光模組通常會包括多組發光二極體單元，上述驅動電路100亦可延伸用來驅動具有多組發光二極體的背光模組，其電路結構請參照圖2，圖2為根據本發明另一實施例之背光模組的驅動電路。

圖2與圖1的主要差異在於背光模組210中包括多組發光二極體單元L₁~L_n(n為正整數)，而驅動單元220會對應每一組發光二極體單元L₁~L_n配置對應的N型電晶體N1~N3(如圖2所示)，但會共用同一比較器122。微調單元230中則包括多組驅動單元DU₁~DU_n，分別接收脈波寬度調變信號PWM₁~PWM_n與致能信號EN₁~EN_n。微調單元230中的驅動單元DU₁~DU_n會一對一對應於發光二極體單元L₁~L_n，然後根據脈波寬度調變信號PWM₁~PWM_n與致能信號EN₁~EN_n分別輸出電流調整信號AS₁~AS_n至電流調整單元220以分別調整發光二極體單元L₁~L_n所導通的電流。

值得注意的是，圖2中的個別驅動單元DU₁~DU_n的電路結構相同，主要差異在於所接收的脈波寬度調變信號與致能信號不同，其操作方式請參照圖1的說明，在此不再贅述。此外，對比電流調整單元220與電流調整單元120，電流調整單元220中利用同一個比較器122來偵測所 有發光二極體單元L₁~L_n的開路狀態，而每一個發光二極體單元L₁~L_n所對應的晶體N1~N3則是以相同的電路結構重複設置，本技術領域具有通常知識者在經由本發明之揭露後，應可輕易推知，在此不再贅述。

電流映射單元240包括P型電晶體P2、P3，N型電晶體N5、電阻R_EXT與比較器242。P型電晶體P2、P3的汲極耦接於電壓源VDD，其閘極相互耦接以形成電流鏡的架構。N型電晶體N5耦接於P型電晶體P2與電阻R_EXT之間，而電阻R_EXT的另一端則耦接於接地端GND。比較器242的正輸入端耦接於參考電壓V_REF2與，其負輸入端耦接於N型電晶體N5與電阻R_EXT的共用接點。比較器242、N型電晶體N5與電阻R_EXT可作為一電流源，用來產生參考電流I_REF。在電路設計上，可利用電晶體的尺寸大小來調整其映射電流的大小，因此若欲調整各別發光二極體L₁~L_n的導通電流，可各別調整電流調整單元220中的N型電晶體N3的通道長寬比。此外，電阻R_EXT可設置於驅動電路的晶片外，利用外部調整的方式來調整其參考電流I_REF。

此外，值得注意的是，上述N型電晶體為N通道金氧半導場效電晶體(n-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)，P型電晶體為P通道金氧半導場效電晶體(p-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。由於電晶體的源極與汲極在元件結構上並無分別，因此本發明之電路結構並不受 限於上述實施例中關於電晶體的源極與汲極等耦接關係的描述。

綜上所述，本發明利用N型電晶體與P型電晶體的組合來實現驅動單元的電路，避免使用傳輸閘等複雜的電路元件，藉此可降低晶片的設計面積與製程成本。

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，故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‧‧‧驅動電路

120、220‧‧‧電流調整單元

122、242‧‧‧比較器

131、DU₁~DU_n‧‧‧驅動單元

140、240‧‧‧電流映射單元

150、250‧‧‧電壓轉換單元

160、260‧‧‧電壓偵測單元

230‧‧‧微調單元

V_OUT‧‧‧驅動電壓

AS、AS₁~AS_n‧‧‧電流調整信號

PWM、PWM₁~PWM_n‧‧‧脈波寬度調變信號

EN、EN₁~EN_n‧‧‧致能信號

R_EXT‧‧‧電阻

VDD‧‧‧電壓源

GND‧‧‧接地端

V_REF1、V_REF2‧‧‧參考電壓

V_MIR‧‧‧參考電壓

N1~N4‧‧‧N型電晶體

P1~P3‧‧‧P型電晶體

L₁~L_n‧‧‧發光二極體單元

圖1為根據本發明一實施例之背光模組的驅動電路。

圖2為根據本發明另一實施例之背光模組的驅動電路。

200‧‧‧驅動電路

220‧‧‧電流調整單元

122、242‧‧‧比較器

240‧‧‧電流映射單元

250‧‧‧電壓轉換單元

260‧‧‧電壓偵測單元

230‧‧‧微調單元

V_OUT‧‧‧驅動電壓

AS₁~AS_n‧‧‧電流調整信號

PWM₁~PWM_n‧‧‧脈波寬度調變信號

EN₁~EN_n‧‧‧致能信號

R_EXT‧‧‧電阻

VDD‧‧‧電壓源

GND‧‧‧接地端

V_REF1、V_REF2‧‧‧參考電壓

V_MIR‧‧‧參考電壓

DU₁~DU_n‧‧‧驅動單元

N1~N4‧‧‧N型電晶體

P1~P3‧‧‧P型電晶體

L₁~L_n‧‧‧發光二極體單元

Claims (9)

1. 一種背光模組的驅動電路，該背光模組包括一第一發光二極體單元，該驅動電路包括：一電壓轉換單元，耦接於該第一發光二極體單元的一第一端，用以提供一驅動電壓至該第一發光二極體單元；一電流調整單元，耦接於該第一發光二極體單元的一第二端，並根據一第一電流調整信號調整該第一發光二極體單元所導通的電流；一電流映射單元，輸出一參考電壓；以及一微調單元，耦接於該電流映射單元與該電流調整單元之間，該微調單元包括複數個驅動單元，其中一第一驅動單元根據一第一脈波寬度調整信號、一第一致能信號與該參考電壓輸出該第一電流調整信號；其中，該第一驅動單元包括：一及閘，該及閘的一第一輸入端與一第二輸入端分別接收該脈波寬度調變信號與該致能信號；一N型電晶體，該N型電晶體的汲極耦接於該參考電壓，該N型電晶體的源極耦接於該電流調整單元並輸出該第一電流調整信號，且該N型電晶體的閘極耦接於該及閘的輸出端；以及一P型電晶體，耦接於該參考電壓與一接地端之間，且該P型電晶體的閘極耦接於該及閘的輸出端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該背光模組更包括一第二發光二極體單元，耦接於該電壓轉換 單元與該電流調整單元之間，該些驅動單元中之一第二驅動電路根據一第二脈波寬度調整信號、一第二致能信號與該參考電壓輸出一第二電流調整信號至該電流調整單元以調整該第二發光二極體單元所導通的電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述之驅動電路，其中該第二驅動單元與該第一驅動單元的電路結構相同。
4. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電壓轉換單元包括一升壓電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電流調整單元包括：一第一N型電晶體，該第一N型電晶體的汲極耦接於該第一發光二極體單元的該第二端；一第二N型電晶體，該第二N型電晶體的汲極耦接於該第一N型電晶體的源極，該第二N型電晶體的源極耦接於該接地端，該第二N型電晶體的閘極耦接於該第一驅動單元中之該N型電晶體的源極；一比較器，該比較器的正輸入端耦接於一第一參考電壓，該比較器的輸出端耦接於該第一N型電晶體的閘極；以及一第三N型電晶體，該第三N型電晶體的汲極耦接於該比較器的負輸入端，該第三N型電晶體的源極耦接於該第一N型電晶體與該第二N型電晶體的共用接點，且該第三N型電晶體的閘極耦接於該一第三N型電晶體的汲極。
6. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電流調整單元包括：一第一N型電晶體，該第一N型電晶體的汲極耦接於該第一發光二極體單元的該第二端；一第二N型電晶體，該第二N型電晶體的汲極耦接於該第一N型電晶體的源極，該第二N型電晶體的源極耦接於該接地端；一比較器，該比較器的正輸入端耦接於一參考電壓，該比較器的輸出端耦接於該第一N型電晶體的閘極；以及一電阻，耦接於該比較器的負輸入端與該第一N型電晶體的源極之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，更包括：一電壓偵測單元，耦接於該發光二極體單元的該第二端與該電壓轉換單元之間，用以偵測該第二端的電壓以調整該電壓轉換單元所輸出的該驅動電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電流映射單元包括：一第一P型電晶體，該第一P型電晶體的汲極耦接於一電壓源，該第一P型電晶體的閘極耦接於該第一P型電晶體的源極；一第二P型電晶體，該第二P型電晶體的汲極耦接於該電壓源，該第二P型電晶體的源極耦接於該接地端，該第二P型電晶體的閘極耦接於該第一P型電晶體的閘極；一第一N型電晶體，該第一N型電晶體的汲極耦接 於該第一P型電晶體的源極；一電阻，耦接於該第一N型電晶體的源極與該接地端之間；以及一比較器，該比較器的正輸入端耦接於一第一參考電壓，該比較器的負輸入端耦接於該第一N型電晶體的源極，該比較器的輸出端耦接於該第一N型電晶體的閘極；其中，該第一P型電晶體與該第二P型電晶體形成一電流鏡，且該第一P型電晶體的閘極輸出該參考電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該發光二極體單元包括複數個發光二極體，其中該些發光二極體相互串聯。