TWI411348B - Dynamically driven light emitting device - Google Patents

Description

動態驅動的發光裝置

本發明是有關於一種發光裝置，特別是指一種動態驅動的發光裝置。

參閱圖1與圖2，早期在設計發光二極體(light emitting diode，簡稱LED)的動態驅動電路90時，是另多個LED 91、92輪流發光，如此則可以利用較少的LED驅動IC 94來驅動多個LED 91、92，由於當時LED的亮度跟現在比起來並不是很亮，所以早期的動態驅動電路90一直都沒有被發現問題，這幾年LED的製程技術有很大的進步，亮度提升了2~3倍，亮度提升後才發現舊有的動態驅動電路90會因為快速地切換電壓而產生寄生電容效應，寄生電容93在LED 91由動作期間進入非動作期間時，電壓V_LED1 並非快速降至基準位，而是呈一曲線，如圖2所示，也就是寄生電容93會對LED 91慢慢放電，使LED 91在應該要暗下來時仍會微亮。

參閱圖3，為了克服寄生電容效應造成的微亮誤動作，發展出另一種動態驅動電路90’，主要是在LED 91、92的陽極與地之間橋接一個電阻94，如此一來，寄生電容93在LED 91由動作期間進入非動作期間時，寄生電容93所累積的電荷就可以依箭頭95往電阻94的方向宣洩掉，使得電壓V_LED 可以快速降至基準位，如圖4所示，LED 91也就不會有微亮的誤動作。

但是後來的動態驅動電路90’卻有容易損毀的缺陷，如圖5所示，驅動電壓V_LED 為5伏特，當LED 91位於動作期間時，其順向偏壓V_F 為2.2伏特，則在LED驅動IC的接腳96之電位則會在2.8伏特，此時，位於非動作期間的LED 92由於沒有導通，因此接腳96的2.8伏特對LED 92來說是一個2.8伏特的逆向偏壓V_R 。一般發光二極體可承受的逆向偏壓是高出2.8伏特許多的，但由於動態驅動電路90’是讓LED 92進行快速地點亮與熄滅的週期循換，因此也會有間斷的有2.8伏特的逆向偏壓脈衝一次次衝擊LED 92，長久下來，LED 92便會被破壞而無法被再度點亮。

因此，本發明之目的，即在提供一種不會有微亮誤動作且改善逆向偏壓脈衝問題的動態驅動的發光裝置。

於是，本發明動態驅動的發光裝置，包含一具有一第一輸出端及一第二輸出端的驅動單元、一第一發光二極體、一第二發光二極體，以及一第二偏壓單元；該驅動單元的第一輸出端輸出一第一脈波，而第二輸出端輸出一第二脈波；該第一發光二極體，具有一第一陰極及一與該第一輸出端電連接的第一陽極，並接收第一脈波以進行一第一工作週期；該第二發光二極體具有一與該第一陰極電連接的第二陰極，及一與該第二輸出端電連接的第二陽極，並接收該第二脈波以進行一第二工作週期；該第二偏壓單元於該第二脈波為基準位時，偏壓該第二陽極，使該第二陽極與該第二陰極的電壓位準相當。

較佳地，驅動單元所輸出的該第一脈波與該第二脈波互為反相。

較佳地，驅動單元具有一第一開關、一第二開關及一控制模組；該第一開關的一端接收一高準位直流電力，另一端電連接該第一輸出端；該第二開關的一端接收該高準位直流電力，另一端電連接該第二輸出端；該控制模組分別電連接該第一開關與該第二開關，並可分別控制該第一開關與該第二開關的通路與斷路，以分別由該第一輸出端與該第二輸出端輸出該第一脈波與該第二脈波。

較佳地，該驅動單元的該控制模組可同時分別對該第一開關與該第二開關輸出一基準位訊號與一高準位訊號，以令該第一開關通路，而該第二開關斷路，該控制模組亦可同時分別對該第一開關與該第二開關輸出一高準位訊號與一基準位訊號，以令該第一開關斷路，而該第二開關通路。較佳地，該第二偏壓單元具有一第二npn型雙載子接面電晶體、一第二射極電阻及一第二基極電阻，該第二npn型雙載子接面電晶體的集極電連接該第二陽極，其射極透過該第二射極電阻接至地，基極透過該第二基極電阻電連接該控制模組，當該控制模組對該第二npn型雙載子接面電晶體及該第二開關的輸出由基準位訊號轉為高準位訊號，該第二npn型雙載子接面電晶體會由截止狀態進入深度飽和狀態，以偏壓該第二陽極至一第二設定準位，該第二設定準位與該第二陰極的電壓準位相當。定義該第二設定準位V_C2 、該高準位訊號的準位V_IH 、該第二npn型雙載子接面電晶體的切入電壓值V_ON 、該第二基極電阻的阻值R₁ ，及該第二射極電阻的阻值R₂ ，實際上是符合V_C2 =[(V_IH -V_ON )×R₂ ]/(R₁ +R₂ )。

本發明之功效在於，本發明利用第二偏壓單元在第二發光二極體的非工作期間內，在第二陽極產生相當於第二陰極的電壓準位的偏壓，使得第二發光二極體既不會有誤動作而微亮，也不會因為連續承受逆向偏壓的衝擊而損壞。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖6與圖7，本發明動態驅動的發光裝置10之較佳實施例包含一具有一第一輸出端51及一第二輸出端52的驅動單元5、一與該第一輸出端51電連接的第一發光二極體1(light emitting diode，以下簡稱第一LED)、一與該第二輸出端52電連接的第二發光二極體2(以下簡稱第二LED)，以及一第一偏壓單元3與一第二偏壓單元4。

該驅動單元5具有一控制模組55、受控於控制模組55的一第一開關53及一第二開關54，以及一驅動第一LED 1和第二LED 2運作的LED驅動IC 56。第一開關53是一端接收一高準位直流電力V_H ，另一端則電連接該第一輸出端51，控制模組55可由其第一控制輸出端551對第一開關53以一定週期切換輸出高準位訊號V_IH 及基準位訊號V_IL ，如圖7中的波形81所示，在本實施利中V_IH 與V_H 為5伏特，而V_IL 為0伏特(接地)，然並不以本實施例及對應圖示為限。當該第一開關53由第一控制輸出端551接收到高準位訊號V_IH 時，第一開關53的兩端之間形成斷路，當接收到基準位訊號V_IL 時，兩端之間形成通路，第一開關53依著接收到的訊號以一定週期形成斷路或通路，驅動單元5即可在第一輸出端51輸出一高準位為V_H 的第一脈波，如圖7中的波形82所示，令第一LED 1進行第一工作週期。

需要注意的是，在本實施例中，第一開關53實為具有一pnp型第一雙載子接面電晶體531(bipolar junction transistor，以下簡稱第一pnp BJT)的電晶體開關，第一pnp BJT 531的射極接收該高準位直流電力V_H ，其基極透過一電阻532電連接至該控制模組55的第一控制輸出端551，第一pnp BJT 531的集極則電連接該第一輸出端51；當第一控制輸出端551輸出的是高準位訊號V_IH 時，第一pnp BJT 531為截止狀態(cut-off)，也就是第一開關53的兩端可以視為斷路，而當第一控制輸出端551輸出的是基準位訊號V_IL 時，第一pnp BJT 531的射極與基極的跨壓超過切入電壓值V_ON (cut-in voltage)，第一pnp BJT 531為飽和狀態(saturation)，令該第一輸出端51輸出高準位直流電力V_H 。

如同第一開關53，在本實施例的第二開關54為具有一第二pnp型第二雙載子接面電晶體541(以下簡稱第二pnp BJT)的電晶體開關，其射極接收該高準位直流電力V_H ，其基極透過一電阻542電連接至該控制模組55的第二控制輸出端552，第二pnp BJT 541的集極則電連接該第二輸出端52。需要注意的是，控制模組5在第二控制輸出端552所輸出的高準位V_IH 及基準位V_IL 的週期訊號，如圖7中的波形83所示，是與第一控制輸出端551所輸出的訊號(波形81)反相。同第一開關53的運作，當第二控制輸出端552輸出高準位訊號V_IH 予第二開關54時，第二pnp BJT 541為截止狀態，第二開關54的兩端可視為斷路，而當第二控制輸出端552輸出的是基準位訊號V_IL 時，第二pnp BJT 541的射極與基極的跨壓超過切入電壓值V_ON ，第二pnp BJT 541為飽和狀態，令該第二輸出端52輸出高準位直流電力V_H ，如此一來，驅動單元5亦可在第二輸出端52輸出一高準位為V_H 且與第一脈波反相的第二脈波，如圖7中的波形84所示，以令第二LED 2進行第二工作週期。

發光裝置10的第一LED 1的陽極11(以下簡稱第一陽極)電連接第一輸出端51，而其第一陰極12電連接在LED驅動IC 56的腳位561，第二LED 2的第二陽極21電連接第二輸出端52，而其第二陰極22亦同樣電連接腳位561，第一LED 1與第二LED 2分別隨著第一脈波與第二脈波進行閃爍的第一工作週期與第二工作週期，當第一LED 1熄滅時，第二LED 2則會點亮，反之亦然。由於人眼的視覺暫留，會看不出非常鄰近的第一LED 1或第二LED 2是在閃爍，反而看起來像是持續點亮的一個光源，因此，以此種動態方式驅動LED比起持續以直流電力靜態驅動LED，效果不會差太多，又更為節省電力，並且由於是以同一個LED驅動IC 56來驅動多個LED，所以製作成本更低。

參閱圖7與圖8，當第一控制輸出端551所輸出的為高準位訊號V_IH ，而第二控制輸出端552所輸出的為基準位訊號基準位訊號V_IL ，第一開關53與第二開關54分別因此形成斷路與通路，此時第一LED 1為熄滅，第二LED 2則由第二陽極21接收到高準位電力V_H 而被點亮，在本實施例中，當第二LED 2被高準位電力V_H 驅動，其跨壓V_F 則為2.2伏特(此僅為示例，不以此為限)，所以第二陰極22連同LED驅動IC 56的腳位561，其電壓準位為5-2.2=2.8伏特，而同時間，第一LED 1的第一陰極12的電壓準位亦為2.8伏特。本發明之第一偏壓單元3為了避免第一LED 1承受逆向偏壓，會透過第一輸出端51產生相當於2.8伏特的第一設定準位V_C1 ，讓第一陽極11的電壓準位與第一陰極12(即為LED驅動IC的腳位的電壓)相當，如此一來，第一LED 1既不會有誤動作，也不會有承受逆向偏壓而損壞的問題。

在本實施例中，第一偏壓單元3具有一第一npn型雙載子接面電晶體31(以下簡稱第一npn BJT)、一阻值為R₂ 的第一射極電阻32，及一阻值為R₁ 的第一基極電阻33；第一npn BJT 31的集極透過第一輸出端51電連接至第一LED 1的第一陽極11，而其射極透過該第一射極電阻32接至地。當第一控制輸出端551對該第一npn BJT 31及該第一開關53輸出基準位訊號V_IL 時，寄生電容71(假想線所示)會充飽，並在基準位訊號V_IL 轉為高準位訊號V_IH 的一瞬間，往第一npn BJT 31的集極宣洩所累積的電荷，第一LED 1的第一陽極11的電壓準位也就從高準位電力V_H 的5伏特降至第一設定準位V_C1 的2.8伏特，而第一npn BJT 31也由主動狀態進入深度飽和狀態，其第一npn BJT 31的詳細作動請參閱下段描述。

首先定義第一npn BJT 31的基極電壓V_B 、集極電壓V_C 、射極電壓V_E 、基極電流I_B 、集極電流I_C ，與射極電流I_E 。當第一npn BJT 31進入深度飽和狀態時，其基極與射極的跨壓約為切入電壓V_ON (0.7伏特)，而其集極與射極跨壓V_CE 以及集極電流I_C 都非常小，因此可以導出運算式(a)：

V_IH =I_B ×R₁ +V_ON +V_E .................................................(a)

又由於集極電流I_C 非常小，所以導出運算式(b)：

I_B =I_E =V_E /R₂ .........................................................(b)

將(b)帶入(a)，得到運算式(c)：

V_IH =(V_E /R₂ )×R₁ +V_ON +V_E .........................................(c)

又由於集極與射極跨壓V_CE 非常小，所以V_E 趨近於V_C ，再由(c)可導出運算式(d)：

V_C =V_E =[(V_IH -V_ON )×R₂ ]/(R₁ +R₂ )..............................(d)

為了使深度飽和狀態的第一npn BJT 31的集極電壓V_C 約呈第一設定準位V_C1 (2.8伏特)，在本實施例中設定R₁ 為2.5k歐姆，R₂ 為4.7k歐姆，再將V_ON =0.7伏特，V_IH =5伏特帶入運算式(d)中，可確實得到集極電壓V_C 趨近於2.8伏特。如此一來，由第一輸出端51所輸出的第一脈波，便成為高準位為5伏特，低準位為2.8伏特的工作脈波，如圖7中的波形82所示。需要注意的是，R₁ 與R₂ 的阻值設定並非以本實施例為限，可依實際情況做出不同的電阻比例設計。

同樣的，參閱圖9，本實施例的第二偏壓單元4也具有一第二npn型雙載子接面電晶體41(以下簡稱第二npn BJT)、一阻值為R₂ 的第二射極電阻42，及一阻值為R₁ 的第二基極電阻43；第二npn BJT 41的集極透過第二輸出端52電連接至第二LED 2的第二陽極21，而其射極透過該第二射極電阻42接至地。當第二控制輸出端552對該第二npn BJT 41及該第二開關54輸出基準位訊號V_IL 時，寄生電容72(假想線所示)會充飽，並在基準位訊號V_IL 轉為高準位訊號V_IH 的一瞬間，往第二npn BJT 41的集極宣洩所累積的電荷，第二LED 2的第二陽極21的電壓準位也就從高準位電力V_H 的5伏特降至第二設定準位V_C2 的2.8伏特，而第二npn BJT 41也由主動狀態進入深度飽和狀態，同樣地，由第二輸出端52所輸出的第二脈波，便成為高準位為5伏特，低準位為2.8伏特的工作脈波，如圖7中的波形84所示。第一npn BJT 31的詳細作動同之前第二npn BJT 41的作動，在此不多贅述。相同地，第二基極電阻43的阻值R₁ 與第二射極電阻42的阻值R₂ ，分別為2.5k歐姆與4.7k歐姆，但此設定亦並非以本實施例為限，可依實際情況做出不同的比例設計。

綜合以上所述，本發明利用第一偏壓單元3與第二偏壓單元4分別在第一LED 1與第二LED 2的非工作期間內，在第一、二陽極11、12產生相當於第一、二陰極12、22的電壓準位的偏壓，使得第一、二LED 1、2既不會有誤動作而微亮，也不會因為連續承受逆向偏壓的衝擊而損壞，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10．．．發光裝置

1．．．第一發光二極體

11．．．第一陽極

12．．．第一陰極

2．．．第二發光二極體

21．．．第二陽極

22．．．第二陰極

3．．．第一偏壓單元

31．．．第一npn型雙載子接面電晶體(第一npn BJT)

32．．．第一射極電阻

33．．．第一基極電阻

4．．．第一偏壓單元

41．．．第二npn型雙載子接面電晶體(第二npn BJT)

42．．．第二射極電阻

43．．．第二基極電阻

5．．．驅動單元

51．．。．第一輸出端

52．．．第二輸出端

53．．．第一開關

531．．．第一pnp型雙載子接面電晶體(第一pnp BJT)

532．．．電阻

54．．．第二開關

541．．．第二pnp型雙載子接面電晶體(第二pnp BJT)

542．．．電阻

55．．．控制模組

551．．．第一控制輸出端

552．．．第二控制輸出端

56．．．LED驅動IC

561．．．腳位

71．．．寄生電容

72．．．寄生電容

81～84．．．波形

圖1為早期在發光二極體的動態驅動電路的電路示意圖；

圖2為圖1中發光二極體所接收的驅動電壓V_LEDl 與驅動電壓V_LED2 的波形圖；

圖3為另一種習知的發光二極體的動態驅動電路的電路示意圖；

圖4為圖3中發光二極體所接收的驅動電壓V_LEDl 與驅動電壓V_LED2 的波形圖；

圖5為發光二極體承受逆向偏壓的電路示意圖；

圖6為本發明動態驅動的發光裝置之較佳實施例的電路示意圖；

圖7為本實施例對各個特定端點量測的電壓波形圖；

圖8為電路示意圖，顯示本實施在第二發光單元被點亮時的作動狀況；及

圖9為電路示意圖，顯示本實施在第一發光單元被點亮時的作動狀況。

10．．．發光裝置

1．．．第一發光二極體

11．．．第一陽極

12．．．第一陰極

2．．．第二發光二極體

21．．．第二陽極

22．．．第二陰極

3．．．第一偏壓單元

4．．．第一偏壓單元

5．．．驅動單元

51．．．第一輸出端

52．．．第二輸出端

53．．．第一開關

531．．．第一pnp型雙載子接面電晶體(第一pnp BJT)

532．．．電阻

54．．．第二開關

541．．．第二pnp型雙載子接面電晶體(第二pnp BJT)

542．．．電阻

55．．．控制模組

551．．．第一控制輸出端

552．．．第二控制輸出端

56．．．LED驅動IC

561．．．腳位

Claims (6)

1. 一種動態驅動的發光裝置，包含：一驅動單元，用以產生一第一脈波及一不同於第一脈波且與該第一脈波互為反相的第二脈波，並具有一輸出該第一脈波的第一輸出端，及輸出該第二脈波的第二輸出端，且該驅動單元還具有：一第一開關，一端接收一高準位直流電力，另一端電連接該第一輸出端，一第二開關，一端接收一高準位直流電力，另一端電連接該第二輸出端，及一控制模組，分別電連接該第一開關與該第二開關，並可分別控制該第一開關與該第二開關的通路與斷路，以分別由該第一輸出端與該第二輸出端輸出該第一脈波與該第二脈波，且可同時分別對該第一開關與該第二開關輸出一基準位訊號與一高準位訊號，以令該第一開關通路，而該第二開關斷路，亦可同時分別對該第一開關與該第二開關輸出一高準位訊號與一基準位訊號，以令該第一開關斷路，而該第二開關通路，其中，該第一開關與該第二開關分別具有一第一pnp型雙載子接面電晶體與一第二pnp型雙載子接面電晶體，其射極各接收該高準位直流電力，基極分別透過一電阻電連接該控制模組，集極分別電連接該第一輸出端與該第二輸出端，當該第一開 關與該第二開關分別接收到該基準位訊號，該第一pnp型雙載子接面電晶體與第二pnp型雙載子接面電晶體為飽和狀態，當該第一開關與該第二開關分別接收到該高準位訊號，該第一pnp型雙載子接面電晶體與第二pnp型雙載子接面電晶體為截止狀態；一第一發光二極體，具有一第一陰極及一與該第一輸出端電連接的第一陽極，並接收該第一脈波以進行一第一工作週期；一第二發光二極體，具有一與該第一陰極電連接的第二陰極，及一與該第二輸出端電連接的第二陽極，並接收該第二脈波以進行一第二工作週期；及一第二偏壓單元，於該第二脈波為基準位時，偏壓該第二陽極，使該第二陽極與該第二陰極的電壓位準相當。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之動態驅動的發光裝置，其中，該第二偏壓單元具有一第二npn型雙載子接面電晶體、一第二射極電阻及一第二基極電阻，該第二npn型雙載子接面電晶體的集極電連接該第二陽極，其射極透過該第二射極電阻接至地，基極透過該第二基極電阻電連接該控制模組，當該控制模組對該第二npn型雙載子接面電晶體及該第二開關的輸出由基準位訊號轉為高準位訊號，該第二npn型雙載子接面電晶體會由截止狀態進入深度飽和狀態，以偏壓該第二陽極至一第二設定 準位，該第二設定準位與該第二陰極的電壓準位相當。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之動態驅動的發光裝置，其中，定義該第二設定準位V_C2 、該高準位訊號的準位V_IH 、該第二npn型雙載子接面電晶體的切入電壓值V_ON 、該第二基極電阻的阻值R₁ ，及該第二射極電阻的阻值R₂ ，實際上是符合V_C2 =[(V_IH -V_ON )×R₂ ]/(R₁ +R₂ )。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之動態驅動的發光裝置，還包含一第一偏壓單元，於該第一脈波為基準位時，偏壓該第一陽極，使該第一陽極與該第一陰極的電壓位準相當。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之動態驅動的發光裝置，其中，該第一偏壓單元具有一第一npn型雙載子接面電晶體、一第一射極電阻及一第一基極電阻，該第一npn型雙載子接面電晶體的集極電連接該第一陽極，其射極透過該第一射極電阻接至地，基極透過該第一基極電阻電連接該控制模組，當該控制模組對該第一npn型雙載子接面電晶體及該第一開關的輸出由基準位訊號轉為高準位訊號，該第一npn型雙載子接面電晶體會由截止狀態進入深度飽和狀態，以偏壓該第二陽極至一第一設定準位，該第一設定準位與該第一陰極的電壓準位相當。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之動態驅動的發光裝置，其中，定義該第一設定準位V_C1 、該高準位訊號的準位V_IH 、該第一npn型雙載子接面電晶體的切入電壓值V_ON 、該第一基極電阻的阻值R₁ ，及該第一射極電阻的阻值 R₂ ，實際上是符合V_C1 =[(V_IH -V_ON )×R₂ ]/(R₁ +R₂ )。