TWI419608B - 發光二極體驅動裝置 - Google Patents

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Description

發光二極體驅動裝置
本發明是有關於一種發光二極體驅動技術，且特別是有關於一種可以控制發光二極體之流通電流與操作電壓的發光二極體驅動裝置。
圖1繪示為傳統發光二極體驅動裝置10的示意圖。請參照圖1，發光二極體驅動裝置10適於驅動由多個發光二極體(light emitting diode,LED)L串接在一起的發光二極體串(LED string)101，且其包括有電源轉換級(power conversion stage)103、功率電晶體(power transistor)Q、電阻(resistor)Rcs、運算放大器(operational amplifier)OP、誤差放大器(error amplifier)EA、開關(switch)SW、電流源(current source)I1與I2，以及PNP型雙載子電晶體(bipolar junction transistor,BJT)B1與B2。
一般而言，運算放大器OP之正輸入端(+)所接收的預設電壓VSET會決定流經發光二極體串101的電流。如此一來，運算放大器OP即可比較預設電壓VSET與偵測電壓Vcs以切換功率電晶體Q，從而使得流經發光二極體串101的電流為一定電流(constant current)。另一方面，為了要使得發光二極體驅動裝置10在定電流操作過程中不要造成過多的功率損耗(power loss，其等於流經發光二極體串101的電流乘上節點N1上的電壓)，可以藉由誤差放大器 EA所輸出的控制電壓(control voltage)VCTR來控制電源轉換級103所提供給發光二極體串101的直流電壓(DC voltage)VBUS大小，藉以降低節點N1上的電壓(亦即功率電晶體Q之汲極的電壓)。
更清楚來說，開關SW會於在定電流操作過程中導通(turn on)，藉以使得誤差放大器EA對節點N2上的電壓與節點N3上的參考電壓Verf進行比較與誤差放大，從而輸出控制電壓VCTR以控制電源轉換級103所提供的直流電壓VBUS大小。可見得，傳統發光二極體驅動裝置10乃是從功率電晶體Q的汲極拉回授以控制電源轉換級103所提供之直流電壓VBUS的大小。
然而，傳統發光二極體驅動裝置10的架構存在著以下幾點的問題：1、用以決定參考電壓Vref的基準電壓(basic voltage)Vledmin必須隨著預設電壓VSET的改變而改變(亦即改變參考電壓Vref的大小)；2、由於功率電晶體Q導通時的導通電阻(Rds-on)(屬於正溫度係數)會隨著溫度的提升而增加，以至於用以決定參考電壓Vref的基準電壓Vledmin也必須隨著溫度的改變而改變(亦即改變參考電壓Vref的大小)，從而使得發光二極體驅動裝置10的控制機制(control mechanism)會變得相對複雜；以及3、在未調光過程中(亦即流經發光二極體L的電流為零時)，由於節點N1上的電壓為一相對高的電壓準位 (一般為數十伏特)，所以必須將開關SW關閉(turn off)以避免發光二極體驅動裝置10的內部元件發生損毀(damage)。同時，此開關SW必需為高壓元件。
有鑒於此，本發明提出一種發光二極體驅動裝置，藉以改善先前技術所述及的問題。
本發明提供一種發光二極體驅動裝置，其適於驅動至少一發光二極體串，而且此發光二極體驅動裝置包括第一運算放大器、第一電阻、功率電晶體、誤差放大器，以及電源轉換級。其中，第一運算放大器的正輸入端用以接收一關聯於流經所述發光二極體串之電流的預設電壓。第一電阻的第一端耦接第一運算放大器的負輸入端，而第一電阻的第二端則耦接至接地電位。
功率電晶體的閘極耦接第一運算放大器的輸出端，功率電晶體的汲極耦接所述發光二極體串的陰極，而功率電晶體的源極則耦接第一電阻的第一端。誤差放大器的一輸入端耦接功率電晶體的閘極，誤差放大器的另一輸入端用以接收一參考電壓，而誤差放大器的輸出端則用以輸出一控制電壓。電源轉換級耦接於誤差放大器的輸出端與發光二極體串的陽極之間，用以根據所述控制電壓的大小而提供一直流電壓至所述發光二極體串的陽極。
於本發明的一實施例中，所述參考電壓為一固定值，且此固定值決定於第一運算放大器操作於飽和區的電壓 值。
於本發明的一實施例中，當功率電晶體之閘極的電壓大於所述參考電壓時，則誤差放大器所輸出的控制電壓會致使電源轉換級所提供的直流電壓上升。反之，當功率電晶體之閘極的電壓小於所述參考電壓時，則誤差放大器所輸出的控制電壓會致使電源轉換級所提供的直流電壓下降。
基於上述，本發明所提出的發光二極體驅動裝置主要是從功率電晶體的閘極拉回授以控制電源轉換級所提供之直流電壓的大小，而且誤差放大器所接收的參考電壓又被設計成第一運算放大器操作於飽和區的電壓值。如此一來，相較於以往，不但可以大幅地簡化發光二極體驅動裝置的控制機制，而且又不需改變誤差放大器所接收的參考電壓(在改變流經發光二極體串之電流的情況下)以及採用開關來避免發光二極體驅動裝置的內部元件發生損毀。
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。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖2繪示為本發明一實施例之發光二極體驅動裝置20 的示意圖。請參照圖2，發光二極體驅動裝置20適於驅動由多個發光二極體(light emitting diode,LED)L串接在一起的至少一發光二極體串(LED string)201，而且發光二極體驅動裝置20包括有電源轉換級(power conversion stage)203、運算放大器(operational amplifier)OP1與OP2、誤差放大器(error amplifier)EA、N型功率電晶體(N-type power transistor)Q、可變電阻(variable resistor)R1、電阻(resistor)R2與Rcs，以及P型電晶體(P-type transistor)MP1與MP2。
於本實施例中，運算放大器OP1的正輸入端(positive terminal,+)用以接收一關聯於流經發光二極體串201之電流的預設電壓(predetermined voltage)VSET。電阻Rcs的第一端耦接運算放大器OP1的負輸入端(negative terminal,-)，而電阻Rcs的第二端則耦接至接地電位(ground)。N型功率電晶體Q的閘極(gate)耦接運算放大器OP1的輸出端，N型功率電晶體Q的汲極(drain)耦接發光二極體串201的陰極(cathode)Ng，而N型功率電晶體Q的源極(source)則耦接電阻Rcs的第一端。
誤差放大器EA的一輸入端(例如正輸入端)耦接N型功率電晶體Q的閘極，誤差放大器EA的另一輸入端(例如負輸入端)用以接收一參考電壓(reference voltage)Vref，而誤差放大器EA的輸出端則用以輸出一控制電壓(control voltage)VCTR。電源轉換級203耦接於誤差放大器EA的輸出端與發光二極體串201的陽極(anode)Ad 之間，用以根據誤差放大器EA所輸出之控制電壓VCTR的大小而提供一直流電壓(DC voltage)VBUS至發光二極體串201的陽極Ad。
運算放大器OP2的負輸入端用以接收一穩定電壓(bandgap voltage)VBG。P型電晶體MP1的閘極耦接運算放大器OP2的輸出端，P型電晶體MP1的源極耦接至一系統電壓(system voltage)VDD，而P型電晶體MP1的汲極則耦接運算放大器OP2的正輸入端。可變電阻R1的第一端耦接運算放大器OP2的正輸入端，而可變電阻R1的第二端則耦接至接地電位。P型電晶體MP2的閘極耦接運算放大器OP2的輸出端，P型電晶體MP2的源極耦接至系統電壓VDD，而P型電晶體MP2的汲極則用以產生預設電壓VSET。電阻R2的第一端耦接P型電晶體MP2的汲極，而電阻R2的第二端則耦接至接地電位。
於本實施例中，可變電阻R1與電阻R2的阻值具有一比例關係(ratio relationship)，且此比例關係決定預設電壓VSET的大小，亦即：流經發光二極體串201之電流的大小。另外，參考電壓Vref為一固定值(fixed value)，且此固定值決定於運算放大器OP1操作於飽和區(saturation area)(亦即高增益運作)的電壓值。再者，反應於N型功率電晶體Q的元件特性(element characteristic)，當N型功率電晶體Q之閘極的電壓VG大於參考電壓Vref時，誤差放大器EA所輸出的控制電壓VCTR會致使電源轉換級203所提供的直流電壓VBUS上升。反之，當N型功率電晶 體Q之閘極的電壓VG小於參考電壓Vref時，誤差放大器EA所輸出的控制電壓VCTR會致使電源轉換級203所提供的直流電壓VBUS下降。
基於上述，藉由調整可變電阻R1與電阻R2之阻值的比例關係，即可決定關聯於流經發光二極體串201之電流大小的預設電壓VSET。如此一來，運算放大器OP1即可比較所決定的預設電壓VSET與偵測電壓Vcs以切換N型功率電晶體Q，從而使得流經發光二極體串201的電流為一定電流(constant current)。另一方面，為了要使得發光二極體驅動裝置20在定電流操作過程中不要造成過多的功率損耗(power loss，其等於流經發光二極體串201的電流乘上節點N1上的電壓)，可以藉由誤差放大器EA所輸出的控制電壓VCTR來控制電源轉換級203所提供給發光二極體串201的直流電壓VBUS大小，藉以降低節點N1上的電壓(亦即N型功率電晶體Q之汲極的電壓)。
然而，與先前技術不同的是，本實施例主要是從N型功率電晶體Q的閘極拉回授以控制電源轉換級203所提供之直流電壓VBUS的大小，而且誤差放大器EA所接收的參考電壓Vref又被設計成運算放大器OP1操作於飽和區的電壓值。因此，在改變預設電壓VSET的狀況下，並不需改變參考電壓Vref，其係因N型功率電晶體Q之閘極的電壓VG並不會隨之改變。另外，就算N型功率電晶體Q導通時的導通電阻(Rds-on)(屬於正溫度係數)會隨著溫度的提升而增加，但由於本實施例主要是從N型功率電晶體 Q的閘極拉回授以控制電源轉換級203所提供之直流電壓VBUS的大小，所以也不需改變參考電壓Vref，其係因N型功率電晶體Q之閘極的電壓VG也不會隨之改變。如此一來，即可大幅地簡化發光二極體驅動裝置20的控制機制(control mechanism)。
再者，就算在未調光過程中(亦即流經發光二極體L的電流為零時)，節點N1上的電壓為一相對高的電壓準位(例如為數十伏特)，但由於本實施例主要是從N型功率電晶體Q的閘極拉回授以控制電源轉換級203所提供之直流電壓VBUS的大小，所以在未調光過程中，N型功率電晶體Q之閘極的電壓VG也為一相對低的電壓準位。如此一來，本實施例並不須如先前技術般採用高壓開關(switch)以避免發光二極體驅動裝置20的內部元件發生損毀(damage)。
除此之外，雖然上述實施例僅以發光二極體驅動裝置20用來驅動單一發光二極體串為例來進行說明，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，若利用發光二極體驅動裝置20來驅動多組並接在一起的發光二極體串的話，則控制流經各發光二極體串之電流的方式皆與上述實施例類似，故而在此並不再加以贅述之。而關於控制電源轉換級203所提供之直流電壓VBUS的部分，必須於發光二極體驅動裝置20中加入一個最大電壓選擇電路(maximum voltage selection circuit，未繪示)，藉以選擇所有N型功率電晶體中具有最大閘極電壓(VGmax)者給誤差放大器EA，從 而使得誤差放大器EA據以控制電源轉換級203所提供之直流電壓VBUS的大小。
綜上所述，本發明所提出的發光二極體驅動裝置主要是從功率電晶體的閘極拉回授以控制電源轉換級所提供之直流電壓的大小，而且誤差放大器所接收的參考電壓又被設計成第一運算放大器操作於飽和區的電壓值。如此一來，相較於以往，不但可以大幅地簡化發光二極體驅動裝置的控制機制，而且又不需改變誤差放大器所接收的參考電壓(在改變流經發光二極體串之電流的情況下)以及採用開關來避免發光二極體驅動裝置的內部元件發生損毀。
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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10、20‧‧‧發光二極體驅動裝置
101、201‧‧‧發光二極體串
103、203‧‧‧電源轉換級
Q‧‧‧N型功率電晶體
Rcs、R2‧‧‧電阻
R1‧‧‧可變電阻
OP、OP1、OP2‧‧‧運算放大器
EA‧‧‧誤差放大器
SW‧‧‧開關
I1、I2‧‧‧電流源
B1、B2‧‧‧雙載子電晶體
L‧‧‧發光二極體
N1~N3‧‧‧節點
MP1、MP2‧‧‧P型電晶體
Vref‧‧‧參考電壓
VSET‧‧‧預設電壓
Vcs‧‧‧偵測電壓
VCTR‧‧‧控制電壓
VBUS‧‧‧直流電壓
Vledmin‧‧‧基準電壓
VDD‧‧‧系統電壓
VG‧‧‧功率電晶體之閘極的電壓
VBG‧‧‧穩定電壓
Ad‧‧‧發光二極體串的陽極
Ng‧‧‧發光二極體串的陰極
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為傳統發光二極體驅動裝置10的示意圖。
圖2繪示為本發明一實施例之發光二極體驅動裝置20的示意圖。
20‧‧‧發光二極體驅動裝置
201‧‧‧發光二極體串
203‧‧‧電源轉換級
Q‧‧‧N型功率電晶體
Rcs、R2‧‧‧電阻
R1‧‧‧可變電阻
OP1、OP2‧‧‧運算放大器
EA‧‧‧誤差放大器
L‧‧‧發光二極體
MP1、MP2‧‧‧P型電晶體
Vref‧‧‧參考電壓
VSET‧‧‧預設電壓
Vcs‧‧‧偵測電壓
VCTR‧‧‧控制電壓
VBUS‧‧‧直流電壓
VDD‧‧‧系統電壓
VG‧‧‧功率電晶體之閘極的電壓
VBG‧‧‧穩定電壓
Ad‧‧‧發光二極體串的陽極
Ng‧‧‧發光二極體串的陰極

Claims (8)

  1. 一種發光二極體驅動裝置，適於驅動至少一發光二極體串，而該發光二極體驅動裝置包括：一第一運算放大器，其正輸入端用以接收一關聯於流經該發光二極體串之電流的預設電壓；一第一電阻，其第一端耦接該第一運算放大器的負輸入端，而其第二端則耦接至一接地電位；一功率電晶體，其閘極耦接該第一運算放大器的輸出端，其汲極耦接該發光二極體串的陰極，而其源極則耦接該第一電阻的第一端；一誤差放大器，其一輸入端耦接該功率電晶體的閘極，其另一輸入端用以接收一參考電壓，而其輸出端則用以輸出一控制電壓；一電源轉換級，耦接於該誤差放大器的輸出端與該發光二極體串的陽極之間，用以根據該控制電壓的大小而提供一直流電壓至該發光二極體串的陽極；一第二運算放大器，其負輸入端用以接收一穩定電壓；一第一電晶體，其閘極耦接該第二運算放大器的輸出端，其源極耦接至一系統電壓，而其汲極則耦接該第二運算放大器的正輸入端；一第二電阻，其第一端耦接該第二運算放大器的正輸入端，而其第二端則耦接至該接地電位；一第二電晶體，其閘極耦接該第二運算放大器的輸出端，其源極耦接至該系統電壓，而其汲極則用以產生該預 設電壓；以及一第三電阻，其第一端耦接該第二電晶體的汲極，而其第二端則耦接至該接地電位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中該參考電壓為一固定值，且該固定值決定於該第一運算放大器操作於一飽和區的一電壓值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動裝置，其中當該功率電晶體之閘極的電壓大於該參考電壓時，則該誤差放大器所輸出的該控制電壓會致使該電源轉換級所提供的該直流電壓上升。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動裝置，其中當該功率電晶體之閘極的電壓小於該參考電壓時，則該誤差放大器所輸出的該控制電壓會致使該電源轉換級所提供的該直流電壓下降。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中該第二電阻與該第三電阻的阻值具有一比例關係。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動裝置，其中該比例關係決定該預設電壓的大小。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中該第二電阻為一可變電阻。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中該第一與該第二電晶體為P型電晶體，而該功率電晶體為N型電晶體。
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