TWI423724B - 可動態維持定電流驅動之光源驅動裝置及其相關方法 - Google Patents

Description

可動態維持定電流驅動之光源驅動裝置及其相關方法

本發明係指一種光源驅動裝置及其相關方法，尤指一種藉由動態偵測調光程序來維持定電流驅動之光源驅動裝置及其相關方法。

隨著能源危機的來臨與環保意識的抬頭，節能與環保的需求成為現今全球普遍關注的議題。相較於傳統所使用之光源，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)由於具有省電、元件壽命長、無汞、色域豐富、無須暖燈時間以及反應速度快等優勢，因此，發光二極體已被廣泛應用於顯示與照明用之光源。除此之外，由於發光二極體之體積小、重量輕、耐碰撞、適合量產、容易配合應用需求等特性而可製成極小或陣列式的元件，因此發光二極體除了應用於戶外各種顯示器及交通號誌燈外，更可應用於各式電子產品或可攜式產品上，例如液晶顯示器、行動電話、可攜式電腦與個人數位助理等的螢幕背光源。

在發光二極體的物理特性中，通過發光二極體之電流與發光二極體之順向偏壓呈指數關係，而發光二極體之發光程度則與通過其之電流成正比，也就是說，當通過的電流越大，二極體發光的強度也 越高。因此，在習知技術中，通常會使用一脈衝寬度調變(Pulse width Modulation，PWM)調光裝置來調整發光二極體之發光亮度，其主要係利用脈衝寬度調變訊號來控制電流源提供至發光二極體之平均電流，以實現調光程序。於脈衝寬度調變訊號處於邏輯高準位狀態時，導通電流源提供電流至發光二極體。同樣地，於脈衝寬度調變訊號之處於邏輯低準位狀態時，停止電流源提供電流至發光二極體。若邏輯高準位狀態之時間越長，發光二極體之亮度即越高，同理，反之亦然。換句話說，經由變化該脈衝寬度調變訊號之工作週期，即可控制發光二極體之發光亮度。

然而，使用上述方式執行調光程序時，由於電流源持續且反覆地進行導通與關閉運作，而對於用來驅動發光二極體之輸出驅動電壓進行極大的抽載變化，輸出驅動電壓會產生過大的鏈波(ripple)，如此一來，電流源之頭部空間電壓(headroom voltage)，亦即在發光二極體路徑上，電流源可使用之電壓值，會因輸出驅動電壓的變化而隨著改變。在此情況下，頭部空間電壓可能發生過高或過低的情況，而產生不佳的影響，舉例來說，頭部空間電壓過高，則會增加電流源之功率消耗，導致電源轉換效率變差，並使電流源的壽命減少；反之，頭部空間電壓過低，將會造成電流源操作在不適當的狀態，而無法穩定維持定電流驅動發光二極體，甚至無法提供所需之驅動電流而造成發光二極體無法導通的情況。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可動態維持定電流驅動之光源驅動裝置及其相關方法。

本發明揭露一種可動態維持定電流驅動之光源驅動裝置，用來驅動一發光元件，包含有一電壓轉換器，耦接於該發光元件，用來根據一電壓控制訊號，將一輸入電壓轉換成一輸出驅動電壓；一調光單元，耦接於該發光元件，用來根據一調光訊號，執行一調光程序；一電流源，耦接於該調光單元，用來提供一驅動電流，以驅動該發光元件；以及一控制單元，耦接於該調光單元與該電壓轉換器，用來偵測一調光狀態，以產生一調光偵測訊號，並根據該調光偵測訊號，產生一參考電壓；其中，該控制單元根據該參考電壓，控制該電壓轉換器產生該輸出驅動電壓，以驅動該發光元件。

本發明另揭露一種可動態維持定電流驅動之方法，用於一發光元件，該方法包含有偵測一調光狀態，以產生一調光偵測訊號；根據該調光偵測訊號，產生一參考電壓；以及根據該參考電壓，控制一電壓轉換器產生一輸出驅動電壓，以驅動該發光元件。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例可動態維持定電流驅動之一光源驅動裝置10之示意圖。光源驅動裝置10用來驅動一發光元 件102。光源驅動裝置10包含有一電壓轉換器104、一電流源106、一調光單元108及一控制單元110。其中，光源驅動裝置10可適用於任何種類之光源。要注意的是，在本實施例中，發光元件102包含有發光二極體串列C₁ ~C_m ，但不以此為限，亦可僅有一個發光二極體串列。另一方面，由於發光二極體係為一電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流大小成正比。一般而言，為求流經各發光二極體之電流相同來達到相同亮度的要求，因此，在本實施例中，每一發光二極體群組包含有n個串聯方式耦接之發光二極體，但發光二極體串列C₁ ~C_m 並未侷限於n個串接的發光二極體，換言之，各發光二極體串列亦可僅包含單一發光二極體。電壓轉換器104耦接於發光元件102，用來根據一電壓控制訊號S_C ，將一輸入電壓V_IN 轉換成一輸出驅動電壓V_D ，以提供至發光元件102。調光單元108耦接於發光元件102與電流源106，用來根據一調光訊號S_D ，執行一調光程序。電流源106耦接於調光單元108，用來提供流經各發光二極體串列之負載電流I_D1 ~I_DM ，以驅動發光元件102。控制單元110耦接於調光單元108與電壓轉換器104，用來偵測一調光狀態D，以產生一調光偵測訊號S_DS ，並根據調光偵測訊號S_DS ，產生一參考電壓V_REF 。接著，控制單元110根據參考電壓V_REF ，控制電壓轉換器104產生一輸出驅動電壓V_D ，來驅動發光元件102。進一步地，若調光偵測訊號S_DS 指示進行調光程序，控制單元110會產生大於一預設參考電壓V_{REF_P} 之參考電壓V_REF ，其中，預設參考電壓V_{REF_P} 係基於未執行調光程序時，所設定之一理想頭部空間電壓值。若調光偵測訊號S_DS 指示不進行調光程序，控制單元110會產 生同於預設參考電壓V_{REF_P} 之參考電壓V_REF 。

較佳地，調光單元108可為一脈衝寬度調變調光單元，且調光訊號S_D 為一脈衝寬度調變訊號。如此一來，依據調光訊號S_D 之邏輯準位狀態，調光單元108可於調光訊號S_D 為高邏輯準位時，導通發光元件102與電壓轉換器104間之耦接關係，使負載電流I_D1 ~I_DM 提供至發光元件102；同理，調光單元108可於調光訊號S_D 為低邏輯準位時，關閉發光元件102與電壓轉換器104間之耦接關係，使負載電流I_D1 ~I_DM 停止提供至發光元件102。在此情況下，可透過調整調光訊號S_D 之工作週期，來變化負載電流I_D1 ~I_DM 之平均電流大小。換句話說，即透過調整脈衝寬度調變訊號之工作週期，來實現調光功能。

進一步說明控制單元110，請繼續參考第1圖。控制單元110包含有一電壓選擇器112、一調光偵測器114、一參考電壓產生器116、一誤差放大器118及一轉換控制器120。電壓選擇器112耦接於發光元件102，用來於對應於各個發光二極體串列C₁ ~C_m 之頭部空間電壓V_HR1 ~V_HRM 中，選擇出回授電壓V_FB 。調光偵測器114耦接於調光單元108，用來偵測調光狀態D，以產生調光偵測訊號S_DS 。其中，調光狀態D包含調光單元108是否正進行調光程序或是調光訊號S_D 之指示內容。換句話說，調光偵測器114可直接偵測調光單元108之運作情況或是調光訊號S_D 之指示，來產生調光偵測訊號S_DS 。參考電壓產生器116耦接於調光偵測器114，用來根據調光偵測訊 號S_DS ，產生參考電壓V_REF 。進一步地，誤差放大器118之一正輸入端及一負輸入端分別耦接於電壓選擇器112與參考電壓產生器116，用來根據參考電壓V_REF 及回授電壓V_FB ，產生一誤差電壓訊號S_E 。轉換控制器120耦接於誤差放大器118之一輸出端與電壓轉換器104間，用來根據誤差電壓訊號S_E ，產生電壓控制訊號S_C ，以提供至電壓轉換器104。在此情況下，於回授電壓V_FB 大於或小於參考電壓V_REF 時，誤差放大器118會根據兩者間之差異，產生誤差電壓訊號S_E 來通知轉換控制器120，轉換控制器120再據以產生電壓控制訊號S_C ，以調高或降低輸出驅動電壓V_D 。簡言之，控制單元110將可即時地偵測是否進行調光程序，進而動態調整輸入誤差放大器118之參考電壓V_REF ，以達即時且有效地完成回授追蹤至適當輸出驅動電壓V_D ，如此一來，本發明將可避免因調光程序所造成電流源106之頭部空間電壓不足或過多的問題，而能穩定維持定電流驅動發光元件、提高電源轉換效率與延長發光元件之使用時間。

另一方面，參考電壓產生器116係用來依據需求提供各種電壓值，因此，可以任何形式來產生所需之各種電壓值。舉例來說，如參考第2圖所示，參考電壓產生器116包含有一參考電壓產生單元202及一多工器204。參考電壓產生單元202耦接於調光偵測器114，用來根據調光偵測訊號S_DS ，產生一預設參考電壓V_{REF_P} 及一調光參考電壓V_{REF_D} 。多工器204耦接於參考電壓產生單元202、調光偵測器114及誤差放大器118，用來根據調光偵測訊號S_DS ，由預設參考電壓V_{REF_P} 及調光參考電壓V_{REF_D} 中切換選擇出參考電壓 V_REF ，以提供至誤差放大器118。此外，如第3圖所示，參考電壓產生器116亦可包含有一參考電壓產生單元302、一電壓位準轉換器304及一多工器306。參考電壓產生單元302用來產生預設參考電壓V_{REF_P} 。電壓位準轉換器304耦接於調光偵測器114及參考電壓產生單元302，用來根據調光偵測訊號S_DS ，將預設參考電壓V_{REF_P} ，調整為調光參考電壓V_{REF_D} 。多工器306耦接於參考電壓產生單元302、電壓位準轉換器304、調光偵測器114及誤差放大器118，用來根據調光偵測訊號S_DS ，由預設參考電壓V_{REF_P} 及調光參考電壓V_{REF_D} 中切換選擇出參考電壓V_REF ，以提供至誤差放大器118。值得注意的是，參考電壓產生器116可根據調光偵測訊號S_DS ，產生一適當之調光參考電壓V_{REF_D} ，以對調光單元108於調光程序中可能造成之輸出驅動電壓變化量作補償，舉例來說，針對使用脈衝寬度調變之調光單元108，調光參考電壓V_{REF_D} 之大小可為預設參考電壓V_{REF_P} 與脈衝寬度調變訊號之振幅量之總和。在此情況下，於調光偵測訊號S_DS 指示為進行調光程序時，多工器204選擇調光參考電壓V_{REF_D} 為參考電壓V_REF ；於調光偵測訊號S_DS 指示為不進行調光程序時，多工器204選擇預設參考電壓V_{REF_P} 為參考電壓V_REF 。

值得注意的是，上述實施例僅為本發明之一舉例說明，本領域具通常知識者當可根據實際需求做適當地修改。舉例來說，電壓選擇器112可依任何規則於頭部空間電壓V_HR1 ~V_HRM 中選取出回授電壓V_FB 。舉例來說，電壓選擇器112可自頭部空間電壓V_HR1 ~V_HRM 中，選擇出最小之頭部空間電壓為回授電壓V_FB 。

因此，本發明可即時偵測是否正進行調光程序，進而動態調整參考電壓V_REF ，以控制電壓轉換器104輸出適當之輸出驅動電壓V_D ，如此一來，本發明將可避免因調光程序所造成電流源106之頭部空間電壓不足或過多的問題，而能穩定維持定電流驅動發光元件、提高電源轉換效率與延長發光元件之使用時間。

關於光源驅動裝置10的運作方式，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一流程40之示意圖。流程40包含下列步驟：

步驟400：開始。

步驟402：偵測調光狀態D，以產生調光偵測訊號S_DS 。

步驟404：根據調光偵測訊號S_DS ，產生參考電壓V_REF 。

步驟406：根據參考電壓V_REF ，控制電壓轉換器104產生輸出驅動電壓V_D ，以驅動發光元件102。

步驟408：結束。

流程40係用以說明光源驅動裝置10的運作方式，詳細說明及相關變化可參考前述說明，在此不贅述。

綜上所述，本發明可即時偵測是否正進行調光程序，進而動態調整參考電壓V_REF ，以控制電壓轉換器104輸出適當之輸出驅動電壓V_D ，如此一來，本發明將可避免因調光程序所造成電流源106之頭 部空間電壓不足或過多的問題，而能穩定維持定電流驅動發光元件、提高電源轉換效率與延長發光元件之使用時間。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧光源驅動裝置

102‧‧‧發光元件

104‧‧‧電壓轉換器

106‧‧‧電流源

108‧‧‧調光單元

110‧‧‧控制單元

112‧‧‧電壓選擇器

114‧‧‧調光偵測器

116‧‧‧參考電壓產生器

118‧‧‧誤差放大器

120‧‧‧轉換控制器

202、302‧‧‧參考電壓產生單元

204、306‧‧‧多工器

304‧‧‧電壓位準轉換器

40‧‧‧流程

400、402、404、406、408‧‧‧步驟

C₁ ~C_m ‧‧‧發光二極體串列

I_D1 ~I_DM ‧‧‧負載電流

S_C ‧‧‧電壓控制訊號

S_D ‧‧‧調光訊號

S_DS ‧‧‧調光偵測訊號

V_D ‧‧‧輸出驅動電壓

V_HR1 ~V_HRM ‧‧‧頭部空間電壓

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_FB ‧‧‧回授電壓

V_REF ‧‧‧參考電壓

V_{REF_P} ‧‧‧預設參考電壓

V_{REF_D} ‧‧‧調光參考電壓

第1圖為本發明實施例可動態維持定電流驅動之一光源驅動裝置之示意圖。

第2圖為第1圖中之參考電壓產生器之一實施例示意圖。

第3圖為第1圖中之參考電壓產生器之一實施例示意圖。

第4圖為本發明實施例一流程之示意圖。

10‧‧‧光源驅動裝置

102‧‧‧發光元件

104‧‧‧電壓轉換器

106‧‧‧電流源

108‧‧‧調光單元

110‧‧‧控制單元

112‧‧‧電壓選擇器

114‧‧‧調光偵測器

116‧‧‧參考電壓產生器

118‧‧‧誤差放大器

120‧‧‧轉換控制器

C₁ ~C_m ‧‧‧發光二極體串列

I_D1 ~I_DM ‧‧‧負載電流

S_C ‧‧‧電壓控制訊號

S_D ‧‧‧調光訊號

S_DS ‧‧‧調光偵測訊號

V_D ‧‧‧輸出驅動電壓

V_FB ‧‧‧回授電壓

V_HR1 ~V_HRM ‧‧‧頭部空間電壓

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_REF ‧‧‧參考電壓

Claims (19)

1. 一種可動態維持定電流驅動之光源驅動裝置，用來驅動一發光元件，包含有：一電壓轉換器，耦接於該發光元件，用來根據一電壓控制訊號，將一輸入電壓轉換成一輸出驅動電壓；一調光單元，耦接於該發光元件，用來根據一調光訊號，執行一調光程序；一電流源，耦接於該調光單元，用來提供一驅動電流，以驅動該發光元件；以及一控制單元，耦接於該調光單元與該電壓轉換器，用來偵測一調光狀態，並據以產生一調光偵測訊號來指示該調光單元是否正進行一調光程序，並根據該調光偵測訊號，產生一參考電壓；其中，該控制單元根據該參考電壓，控制該電壓轉換器產生該輸出驅動電壓，以驅動該發光元件。
2. 如第1項所述之光源驅動裝置，其中該發光元件包含有複數個發光二極體串列。
3. 如第2項所述之光源驅動裝置，其中該複數個發光二極體串列中之每一發光二極體串列係包含複數個以串聯形式連接之發光二極體。
4. 如第1項所述之光源驅動裝置，其中該調光單元係根據該調光訊號，控制導通或關閉該發光元件與該電流源調光間之耦接關係，以執行該調光程序。
5. 如第1項所述之光源驅動裝置，其中該控制單元包含有：一電壓選擇器，耦接於該發光元件，用來於對應於該發光元件之至少一個頭部空間電壓中，選擇出一回授電壓；一調光偵測器，耦接於該調光單元，用來偵測該調光狀態，以產生一調光偵測訊號；一參考電壓產生器，耦接於該調光偵測器，用來根據該調光偵測訊號，產生一參考電壓；一誤差放大器，耦接於該電壓選擇器與該參考電壓產生器，用來根據該回授電壓及該參考電壓，產生一誤差電壓訊號；以及一轉換控制器，耦接於該誤差放大器及該電壓轉換器，用來根據該誤差電壓訊號，產生該電壓控制訊號，以提供至電壓轉換器。
6. 如第5項之所述之光源驅動裝置，其中該電壓選擇器係自該至少一個頭部空間電壓中，選擇出最小之頭部空間電壓為該回授電壓。
7. 如第5項之所述之光源驅動裝置，其中該參考電壓產生器包含有：一參考電壓產生單元，耦接於該調光偵測器，用來根據該調光偵測訊號，產生一預設參考電壓及一調光參考電壓；以及一多工器，耦接於該參考電壓產生單元、該調光偵測器及該誤差放大器，用來根據該調光偵測訊號，由該預設參考電壓及該調光參考電壓中切換選擇出該參考電壓，以提供至誤差放大器。
8. 如第5項之所述之光源驅動裝置，其中該參考電壓產生器包含有：一參考電壓產生單元，用來產生一預設參考電壓；一電壓位準轉換器，耦接於該調光偵測器及該參考電壓產生單元，用來根據該調光偵測訊號，將該預設參考電壓，調整為一調光參考電壓；以及一多工器，耦接於該參考電壓產生單元、電壓位準轉換器、該調光偵測器及該誤差放大器，用來根據該調光偵測訊號，由該預設參考電壓及該調光參考電壓中切換選擇出該參考電壓，以提供至誤差放大器。
9. 如第1項之所述之光源驅動裝置，其中該控制單元係於該調光偵測訊號指示開始進行調光時，產生大於一預設參考電壓之該參考電壓。
10. 如第1項之所述之光源驅動裝置，其中該控制單元係於該調光偵測訊號指示不進行調光時，產生同於一預設參考電壓之該參考電壓。
11. 如第1項之所述之光源驅動裝置，其中該控制單元係偵測該調光訊號，以產生該調光偵測訊號。
12. 一種可動態維持定電流驅動之方法，用於一發光元件，該方法包含有：偵測一調光狀態，並據以產生一調光偵測訊號來指示是否進行一調光程序；根據該調光偵測訊號，產生一參考電壓；以及根據該參考電壓，控制一電壓轉換器產生一輸出驅動電壓，以驅動該發光元件。
13. 如第12項所述之方法，其中該發光元件包含有複數個發光二極體串列。
14. 如第13項所述之方法，其中該複數個發光二極體串列中之每一發光二極體串列係包含複數個以串聯形式連接之發光二極體。
15. 如第12項所述之方法，其中偵測該調光狀態，以產生該調光偵測訊號之步驟，係偵測一調光訊號，以產生該調光偵測訊號。
16. 如第12項所述之方法，其中根據該調光偵測訊號，產生該參考電壓之步驟，係於該調光偵測訊號指示開始進行調光時，產生大於一預設參考電壓之該參考電壓。
17. 如第12項所述之方法，其中根據該調光偵測訊號，產生該參考電壓之步驟，係於該調光偵測訊號指示不進行調光時，產生同於一預設參考電壓之該參考電壓。
18. 如第12項所述之方法，其中根據該參考電壓，控制該電壓轉換器產生該輸出驅動電壓，以驅動該發光元件之步驟，係包含有：自該發光元件，取得一回授電壓；根據該回授電壓及該參考電壓，產生一電壓控制訊號；以及根據該電壓控制訊號，產生該輸出驅動電壓，以驅動該發光元件。
19. 如第18項所述之方法，其中自該發光元件，取得該回授電壓之步驟，係自對應於該複數個發光二極體串列之至少一個頭部空間電壓中，選擇出最小頭部空間電壓為該回授電壓。