TWI424781B - 發光二極體驅動電路 - Google Patents

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Description

發光二極體驅動電路
本發明是有關於一種發光二極體(light-emitting diode，LED)驅動電路，且特別是有關於一種利用電壓箝制裝置之發光二極體驅動電路。
用於電視(TV)與個人電腦(personal computer，PC)之液晶顯示器(LCD display)的發光二極體(LED)背光技術逐漸受到歡迎，因為以LED作為背光光源能做出更輕薄、更省電的顯示器。利用LED背光模組之驅動電路通常驅動許多的發光元件串。每一串發光元件串包括多個LED串聯。
舉例而言，圖1繪示習知恆定電流的LED驅動電路100之示意圖。預先調節之啟動階段(未繪示)將輸入電壓(未繪示)提供至總線電壓VBUS。驅動電路100驅動8個發光元件串111~118。驅動電路100包括8個段落(section)，而每一段落驅動一串發光元件串111~118。舉例而言，驅動發光元件串118的段落包括運算放大器(operational amplifier，簡稱OPA)138、N型通道金屬氧化物半導體場效電晶體(N型電晶體，簡稱N型電晶體)128以及電阻148。LED驅動電路100的每一個段落均具備相同的功能與電路結構。
LED的亮度與流經LED之電流成正比。為了一致地亮度與顯示品質，電流與發光元件串的匹配是相當重要的。由於諸如製造變異等因素，這些發光元件串於導通時難以確切具有同樣的正向電壓。因此，必須要有一個控制機制來實現電流與發光元件串的匹配。
以發光元件串118為例。N型電晶體128、運算放大器OPA 138與電阻148構成一個負回授的控制迴路，其可將流經電阻148與發光元件串118的電流調節至一預設值I118。I118=Vref/R148。只要參考電壓Vref穩定，並且電阻141~148具有匹配良好的阻抗，則流經發光元件串111~118的電流就會大致上相同。在此請注意，N型電晶體128與運算放大器138的操作像是低壓降(low-drop-out，LDO)線性穩壓器。
再者，LED驅動電路100提供了LED多層階調光的功能。LED的調光層階受控於調光信號PWMD。圖2繪示LED驅動電路100內之調光信號PWMD、每個LED串驅動段落中之運算放大器OPA的輸出、與流經每個發光元件串之電流的波形圖。在時間點T1~T2與T3~T4的期間(亦即導通期間Ton)中，調光信號PWMD位於高準位。輸出至相應N型電晶體之閘極的運算放大器OPA將會導通。相應的N型電晶體亦隨之導通。運算放大器OPA將流經相應N型電晶體與發光元件串的電流調節至預設值。而在時間點T2~T3與T4~T5的期間(亦即截止期間Toff)中，調光信號PWMD位於低準位。輸出至相應N型半導體之閘極的運算放大器OPA將會截止。相應的N型半導體亦隨之截止。流經發光元件串的電流將降至零。LED的平均電流正比於調光信號PWMD的工作週期。也就是說，Iave=D×Ion。Iave是LED的平均電流，而Ion則是當相應N型電晶體121~128導通時充分穩定的LED電流。工作週期則定義為，D=Ton/(Ton+Toff)=(T2-T1)/(T3-T1)。因此，藉由調光信號PWMD之工作週期的變化，便可以控制LED的平均電流Iave，進而控制發光元件串111~118的有效亮度。
目前而言，大部分應用於背光技術的LED均使用20mA的設備。操作於20mA之LED的正向電壓VF與其製造容忍度的範圍為3.0V到3.8V之間，其溫度範圍則在-20℃至80℃之間。目前已有多家的IC供應商提供許多6通道至8通道LED背光驅動器。舉例而言，美信集成(Maxim)的MAX8790A晶片、德州儀器(Texas Instrument)的TPS61181晶片以及英特矽爾半導體(Intersil)有限公司的ISL97636A晶片均為6通道驅動器。MAX17061晶片與凌特科技(Linear Technology)的LT3760晶片則為8通道驅動器。大部分這些6通道或8通道驅動器擁有內建的N型電晶體，而其N型電晶體具有40V至45V的Vdss等級。一般而言，每個通道能夠驅動每一串最多10個LED串聯的發光元件串。因此，8通道的LED背光驅動器能夠驅動最多80個LED。
用於42吋LCD電視的背光系統通常使用800至1200個LED。因此將會需要10至15個上述之8通道驅動器。
然而，使用如此多的驅動器將會使電流的匹配效能複雜化。這是由於這些驅動晶片的參考電壓Vref可能有所不同。再者，過多的驅動晶片增加了佈線複雜度與背光模組(backlight module，BLU)的成本。因此，理想的狀況便是大幅度增加每個通道中LED的數量，藉以降低驅動晶片數量與佈線複雜度。但不幸的是，每個通道能夠支援LED的數量取決於N型電晶體的電壓等級。
圖3繪示習知N型電晶體之輸出擊穿崩潰的示意圖，此N型電晶體具有40V之額定輸出擊穿電壓Vdss。圖3的水平軸為N型電晶體之汲極到源極的電壓差Vds，而圖3的垂直軸則為N型電晶體之汲極到源極的電流Ids。當閘極到源極的電壓差Vgs為零時，N型電晶體顯示出電流-電壓的特性曲線310。而閘極到源極的電壓差Vgs為2V時，N型電晶體顯示出電流-電壓的特性曲線320。
當連接至發光元件串的N型電晶體截止(閘極到源極的電壓差Vgs=0V)，並且總線電壓VBUS高於N型電晶體的輸出擊穿電壓Vdss時，N型電晶體之汲極到源極的電壓差Vds將會朝向總線電壓VBUS增加，直到N型電晶體擊穿崩潰。一旦N型電晶體擊穿崩潰，其汲極到源極的電流將會急速上升。擊穿電流的電流值會達到多高將重度仰賴半導體製程與N型電晶體設備的結構。一般而言，N型電晶體在擊穿區的行為是不穩定且難以預測的。在極端的情況下，可能導致破壞性設備故障。總線電壓VBUS大致等於發光元件串上每個LED之正向電壓VF的總合。同時，為了要防止擊穿崩潰，總線電壓VBUS不應超過額定之輸出擊穿電壓Vdss。因此，發光元件串之合併的正向電壓VF應該不能超過Vdss。換句話說，發光元件串中LED的數量應限制於相應N型電晶體的額定之輸出擊穿電壓Vdss上。
因此，本發明針對LED驅動電路，使其得以驅動更長的發光元件串。此LED驅動電路於發光元件串的驅動電壓或正向電壓VF的總合超過N型電晶體之額定擊穿電壓時，利用電壓箝制裝置來防止N型電晶體擊穿崩潰。
根據本發明之一實施例，在此提出一LED驅動電路，其包括一電晶體、一電流調節器與一電壓箝制結構。電壓箝制結構更包括一釋放二極體與一電壓箝制裝置。電晶體與發光元件串以串聯方式耦接。發光元件串耦接電晶體與總線電壓之間。電流調節器耦接至電晶體，用以將流經電晶體與發光元件串之一電流調節至一預定電流上。釋放二極體具有一陽極，其耦接發光元件串與電晶體之間。電壓箝制裝置耦接至釋放二極體之陰極與接地端之間，用以將釋放二極體之陰極的電壓層級箝制在一預定電壓上。
於本發明之一實施例中，上述之總線電壓等於發光元件串中LED的數量乘以一第一電壓，第一電壓是在發光二極體驅動電路之工作溫度範圍內，一第一電流流經多數個樣品LED時測量之正向電壓的最大值。
於本發明之一實施例中，發光元件串內LED的數量等於電壓箝制裝置之預定電壓除以第一電壓與第二電壓之差值。第二電壓是在上述樣品LED間，且於相同工作溫度範圍內當第二電流流經這些樣品LED時測量之正向電壓的最小值。第一電流等於電流調節器之預定電流，被稱為全亮度電流，通常為20mA。第二電流低於樣品LED發出不可見光的電流水平。第二電流也被稱為暗電流，通常為1uA水平。
於本發明之一實施例中，電壓箝制裝置包括一齊納二極體，其耦接釋放二極體之陰極與接地端之間。另外，電壓箝制裝置的預定電壓是齊納二極體之齊納電壓。
於本發明之其他可供選擇之實施例中，電壓箝制結構包括一寄生電晶體裝置，其能夠在電壓層級大致等於前述之預定電壓的時候遭到擊穿崩潰，並且能夠將第二電流分流。
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。
現將詳細參考本創作之示範性實施例，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/符號代表相同或類似部分。
圖4是符合本發明之一實施例所繪示之一LED驅動電路500的示意圖。LED驅動電路可在液晶顯示器之背光模組中驅動用於驅動LED。LED驅動電路500包括八個相同的段落。每一段落驅動發光元件串111~118其中之一。由於每個段落是相同的，下面之討論便以驅動發光元件串118的段落舉例說明之。
驅動發光元件串118的段落包括N型電晶體128、電流調節器178以及釋放二極體158。N型電晶體128與發光元件串118以串聯方式耦接。發光元件串118耦接N型電晶體128與總線電壓VBUS之間。電流調節器178耦接至N型電晶體128。釋放二極體158的陽極耦接發光元件串118與N型電晶體128的汲極間。電壓箝制裝置耦接至釋放二極體之陰極與接地端之間，並且釋放二極體158的陰極耦接電壓箝制裝置161。釋放二極體158與電壓箝制裝置161組成電壓箝制結構180。
電流調節器178包括電阻148與運算放大器138。電阻148的上部接線端耦接N型電晶體128的源極，而電阻148的下部接線端則為接地。運算放大器OPA 138的非反向輸入端耦接參考電壓Vref。運算放大器OPA 138之反向輸入端耦接電阻148之上部接線端。運算放大器OPA 138之輸出端用以控制流經N型電晶體128與發光元件串118之電流。N型電晶體128、運算放大器OPA 138與電阻148構成一個負回授的穩定迴路，其調節流經N型電晶體128與發光元件串118的電流至一預設工作電流。此預設工作電流等於參考電壓Vref除以電阻148之阻抗值。
與LED驅動電路100相似，LED驅動電路500亦提供多層階調光的功能。運算放大器OPA 131~138的每一個控制端接收調光信號PWMD。每一個運算放大器OPA 131~138依據調光信號而導通或截止。調光信號PWMD控制發光元件串111~118的調光層級。
當調光信號PWMD截止N型電晶體121~128時，其Vds電壓(VD1至VD8)將會拉升。位於釋放二極體151~158陰極之電壓VDD亦會拉升。當VDD高於預定電壓時，電壓箝制裝置161將會啟動，並且將電壓VDD箝制於預定電壓上。如此便等同於將N型電晶體121~128箝制於預定電壓上。當預定電壓略低於N型電晶體121~128的額定之輸出擊穿電壓Vdss時，電壓箝制裝置161能夠保護N型電晶體121~128免於擊穿崩潰。舉例而言，電壓箝制裝置161的預定電壓可能比N型電晶體121~128之輸出擊穿電壓Vdss低1V或2V。
可供選擇之電阻162的上部接線端耦接至總線電壓VBUS，而電阻162的下部接線端耦接電壓箝制裝置161。電阻162提供小電流(大約1uA)以維持穩態電壓層級VDD於箝制裝置161上。當調光信號PWMD將N型電晶體121~128導通時，基本上位於N型電晶體121~128之汲極電壓將下降至零。當N型電晶體121~128導通時，釋放二極體151~158將電壓VDD與N型電晶體121~128的汲極電壓分離。
雖然電壓箝制裝置161位於LED驅動電路500的外面，於本發明其他實施例中電壓箝制裝置161亦可能包含在LED驅動電路500中。本實施例僅顯示電壓箝制裝置161之其中一種實現方式。或是在本發明之一些其他實施例中，每一發光元件串可分別使用獨立的電壓箝制裝置。
於本實施例中，電壓箝制裝置161為一齊納二極體。齊納二極體161的陰極耦接釋放二極體151~158之陰極，而齊納二極體161的陽極接地。電壓箝制裝置的預定電壓是齊納二極體161的齊納電壓。
LED驅動電路500比習知的LED驅動電路能夠在每個通道支援更多的LED。計算每一個發光元件串內LED數量的程序將如下描述。圖5是在本發明之本實施例中所繪示的典型LED產生之電流-電壓特性曲線圖。首先，全開(fully-on)電流與全關(fully-off)電流由LED所決定。全開電流等於電流調節器178的預定電流。由於本實施例中之LED是20mA之設備，全開電流便為20mA。全關電流是低於LED發射不可見光的電流水平。全關電流的電流大小通常大約為幾uA。
LED驅動電路500的工作溫度範圍從攝氏0度到80度。圖5之曲線A、B與C分別於攝氏0度、20度與80度的情況下來產生LED的電流-電壓特性曲線。當20mA的全開電流流經圖5的LED時，所測得的正向電壓VF為3.0V至3.2V。另一方面，全關電流於本實施例中定義為1uA。而位於全關電流所測量之正向電壓VF為2.2V至2.3V之間。
為了簡化描述，在此定義名詞VF1與VF2。VF1是當LED進行一全開電流時的正向電壓，而VF2是當LED進行一全關電流時的正向電壓。LED的電壓層級VF1與VF2皆依據他們的製造忍受力、工作溫度、設備老化與其他因素。VF1與VF2的範圍能夠利用可代表所有裝置變異之一批樣品LED來測定。接著，在此定義電壓VF1M與VF2N。電壓VF1M是在工作溫度範圍中利用這批樣品LED所測定之VF1的最大值。電壓VF2N則是在相同溫度範圍中利用這批樣品LED所測定之VF2的最小值。
當調光信號PWMD將N型電晶體121~128導通時，總線電壓VBUS提供正向電壓VF的總合，此時LED運作於20mA之全開電流中。由於越過N型電晶體121~128與電阻141~148的電壓相對較少，總線電壓VBUS必須大致上等於N×VF1M，其中N為每一個發光元件串內LED的的數量。因此，
VBUS=N×VF1M　-----(式1)
總線電壓VBUS等於N×VF1M時能夠驅動N個LED，此時每一個LED皆具有電壓VF1M。VBUS與發光元件串內實際之正向電壓VF總合間的平衡會藉由Vds的電流所吸收，並為了此發光元件串來調整N型電晶體。
當調光信號PWMD將N型電晶體121~128截止時，N型電晶體121~128之汲極到源極的電壓差Vds將會拉升，但會因電壓箝制裝置161而受到箝制。由於釋放二極體151~158的電壓降相對較少，VBUS與齊納電壓Vzener的差值大致上等於N×VF2N，使得LED的進行小於1uA而完全截止。八個通道之電流總合後流進齊納二極體161時小於8uA，使其相當安全，並產生非常低的功耗，此時這些LED皆完全截止而無法被看見。因此，
Vzener=VBUS-N×VF2N　----(式2)
但從式1我們可以知道VBUS=N×VF1M。因此，
Vzener=N×(VF1M-VF2N)　----(式3)
換句話說，能夠被支援之LED的數量為：
N=Vzener/(VF1M-VF2N)----(式4)
舉例來說，如果VF1M是3.8V，VF2N為2.0V，並且齊納電壓Vzener是38V。當N型電晶體的輸出擊穿電壓Vdss為40V時，便能夠支援38/(3.8-2.0)=21.11的LED(以整數記為21個LED)。總線電壓VBUS能夠被拉升至N×VF1M，於平常狀況下將高於Vzener的兩倍。假如LED具有較嚴格的容忍力，因而具有較低的VF1M與較高的VF2N時，相同之額定40V的N型電晶體反而能夠支援更多LED。舉例而言，如果VF1M是3.6V並且VF2N是2.1V，然後LED驅動電路500於每一發光元件串中能夠驅動38V/(3.6-2.1)=25.3個LED(以整數記25個LED)。於此例中，8通道的驅動電路能夠驅動至少25×8=200個LED，如此便遠遠超過習知LED驅動電路能夠驅動的數量。這些可支援LED數量的增加起因於電壓箝制結構180。如果沒有電壓箝制裝置180，LED驅動電路500僅能夠於每一發光元件串中支援最多40V/3.8V=10.5個LED(以整數記為10個LED)。
於本發明之一些其他實施例中，電壓箝制結構180可以包括其他形式之半導體結構，例如寄生電晶體，其能夠一致地在擊穿電壓門檻值時擊穿崩潰，並且將前述之全關電流分流。擊穿電壓門檻值大致上可以等於電壓箝制裝置161的預設電壓。
於本發明其他可供選擇之實施例中，在此使用靜電放電(electrostatic discharge，簡稱ESD)保護二極體作為電壓箝制裝置161中之釋放二極體。圖6是LED驅動電路500之ESD二極體158與N型電晶體128的製程剖面圖。由於LED驅動電路500中之每一個驅動段落均為相同，其他ESD二極體151~157與相應之N型電晶體121~127的製造方式亦為相同。
金屬線路611形成於P基底區661，並且從P型摻雜區(P+)631連接至驅動電路晶片的接地端VSS。N型電晶體128的源極(S)612包括P型摻雜區632以及N型摻雜區(N+)633，並形成於P基底區(P-base)642。P基底區被形成於N井區(N-well)652上。N井區652被形成於P基底區661中。金屬線路Rch從N型電晶體128的源極612連接至電阻148。N型電晶體128的閘極(G)613具有形成於N井區652上之閘極氧化物623。N型電晶體128的汲極(D)614包括形成於N井區652上之N型摻雜區634。
ESD二極體158藉由N井區之P通道金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOSFET，簡稱P型電晶體)來實現。P型電晶體的汲極(D)615包括形成於P型頂區(P-top)645之P型摻雜區635，並且P型頂區645形成於N井區655。N井區655在P基底區661上形成。P型電晶體的閘極(G)616具有形成於N井區655上之閘極氧化物626。P型電晶體的源極(S) 617包括形成於N井區655之P型摻雜區637。P型電晶體的基極(B)618包括形成於N井區655之N型摻雜區638。P型電晶體的閘極616與源極617相互短路。P型電晶體裝置之汲極615到基極618的基極二極體用以作為ESD二極體158。N型電晶體128的汲極614連結至P型電晶體的汲極615。ESD二極體158從N型電晶體128的汲極614連接至金屬線路VDD。金屬線路VDD從ESD二極體158的陰極連接至電壓箝制裝置161。位於P基底區661之隔絕電場氧化物(insulating field oxide)在圖6中表示為Fox。
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、500．．．發光二極體(LED)驅動電路
111~118．．．發光元件串
121~128．．．N-MOSFET電晶體
131~138．．．運算放大器OPA
141~148．．．電阻
151~158．．．釋放二極體
161．．．電壓箝制裝置
162．．．電阻
178．．．電流調節器
180．．．電壓箝制結構
I118．．．流經電阻148與發光元件串118的電流
A、B、C．．．0℃、20℃與80℃時LED的電流-電壓特性曲線
T0~T5．．．時間點
Ton．．．導通期間
Toff．．．截止期間
PWMD．．．調光信號
VBUS．．．總線電壓
VDD．．．電壓
Vref．．．參考電壓
Vdss．．．輸出擊穿電壓
VSS．．．驅動電路晶片的接地端
Vds．．．汲極到源極的電壓差
Ids．．．汲極到源極的電流
VD1~VD8．．．電壓
Rch．．．金屬線路
Fox．．．隔絕電場氧化物
附加的各圖式可讓人更進一步了解本發明，而且也屬於此文件的一部份。各圖將會具體描繪本發明，也會伴隨文字來說明本發明的運作原理。
圖1繪示習知恆定電流的LED驅動電路之示意圖。
圖2繪示圖1之LED驅動電路內一些信號的波形圖。
圖3繪示典型MOSFET電晶體之輸出擊穿崩潰的一圖。
圖4是符合本發明之一實施例所繪示之一LED驅動電路的示意圖。
圖5繪示典型LED所產生之電流-電壓特性曲線圖。
圖6是圖4中LED驅動電路之部分製程剖面圖。
500．．．發光二極體(LED)驅動電路
111~118．．．發光元件串
121~128．．．N-MOSFET電晶體
131~138．．．運算放大器OPA
141~148．．．電阻
151~158．．．釋放二極體
161．．．電壓箝制裝置(齊納二極體)
162．．．電阻
178．．．電流調節器
180．．．電壓箝制結構
PWMD．．．調光信號
VBUS．．．總線電壓
VDD．．．電壓
Vref．．．參考電壓
VD1~VD8．．．電壓

Claims (10)

  1. 一種發光二極體(LED)驅動電路，包括：一電晶體，其以串聯方式與一發光元件串耦接，其中該發光元件串耦接該電晶體與該總線電壓之間；一電流調節器，耦接至該電晶體，用以將流經該電晶體與該發光元件串之一電流調節至一預定電流上；以及一電壓箝制結構，耦接至該發光元件串與該電晶體之間，用以箝制該電晶體至一預定電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該電流調節器包括：一第一電阻，該第一電阻包括一第一端以及一第二端，該第一電阻之第一端耦接該電晶體，該第一電阻之第二端接地；以及一運算放大器，該運算放大器包括一非反向輸入端、一反向輸入端以及一輸出端，該運算放大器之該非反向輸入端耦接至一參考電壓，該運算放大器之該反向輸入端耦接該第一電阻之該第一端，該運算放大器之該輸出端用以控制流經該電晶體與該發光元件串之該電流，其中該預定電流等於該參考電壓除以該第一電阻之阻抗值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動電路，其中該運算放大器更包括一控制端，該運算放大器之該控制端接收一調光信號，並且該運算放大器依據該調光信號而導通或截止。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該總線電壓等於該發光元件串之LED的數量乘以一第一電壓，該第一電壓是在該發光二極體驅動電路之一工作溫度範圍內且當一第一電流流經多數個樣品LED時，測量正向電壓所得的最大值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其中該發光元件串內之LED的數量等於該電壓箝制裝置之該預定電壓除以該第一電壓與一第二電壓之差值，該第二電壓是在該工作溫度範圍內且當一第二電流流經該些樣品LED時，測量之正向電壓的最小大值，該第二電流低於該些樣品LED發射不可見光的電流水平。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動電路，其中該第一電流等於該電流調節器之該預定電流，並且該第一電流至少大於該第二電流100倍以上。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動電路，其中該電壓箝制結構包括一寄生電晶體，該寄生電晶體之一擊穿電壓門檻值大致等於該預定電壓，其中該寄生電晶體能夠將該第二電流分流。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該電壓箝制結構之該預定電壓略低於該電晶體之一輸出擊穿電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該電壓箝制結構包括一釋放二極體以及一齊納二極體，其中該釋放二極體之陽極耦接該發光元件串與該電晶體之間，該齊納二極體耦接該釋放二極體之陰極與一接地端之間，該電壓箝制結構之該預定電壓是該齊納二極體之齊納電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體驅動電路，其中該齊納二極體之陰極耦接該第二電阻之第一端，該第二電阻之第二端耦接該總線電壓。
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