TWI425873B - 負載驅動裝置及其方法 - Google Patents

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light

Description

負載驅動裝置及其方法
本發明是有關於一種負載驅動裝置，且特別是有關於一種降低電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)的負載驅動裝置。
請參照圖1A繪示習知的發光二極體的驅動裝置的示意圖。其中的發光二極體LD1串接在電流源I1與電源電壓VDD間，而電流源I1接受控制信號CTRL並依據控制信號CTRL來決定是否輸出電流以控制發光二極體LD1的發光亮度。
同時請參照圖1A以及圖1B，圖1B繪示圖1A的發光二極體的驅動裝置的波形圖。其中，當驅動裝置在進行調光期間DIT時，會依據脈寬調變信號PWM的波形作為控制信號CTRL開啟電流源I1的時間，使電流I通過發光二極體LD1並使發光二極體LD1發光。並且，在關閉調光期間NDIT時，則會透過控制信號CTRL以關閉電流源I1使發光二極體LD1不發光。其中控制信號CTRL之單位時間標示為UT，即調光時脈CK之頻率的倒數。如此一來，只需要控制調光週期LT中之進行調光期間DIT以及關閉調光期間NDIT的時間長短比例，就可以控制發光二極體LD1的平均亮度。
由上述的說明不難得知，若欲增加發光二極體LD1 的調光階數，可提高調光時脈CK之頻率，或者增加調光週期LT的時間。然而，更高頻的脈寬調變信號PWM除了會增加電流的消耗外，亦會產生程度更嚴重的電磁干擾現象，而增加調光週期LT的時間，則會降低調光頻率，因為調光頻率為調光週期的倒數，若調光頻率低於20kHz以下，將產生人耳能感受的聲音，因此，上述兩種方式皆會影響所屬系統的整體表現。
本發明提供一種負載驅動裝置，包括驅動信號產生器以及控制器。驅動信號產生器耦接負載，用以提供驅動信號至負載。控制器耦接驅動信號產生器，用以產生並提供控制信號至驅動信號產生器。其中，驅動信號產生器依據控制信號來在驅動週期中產生N個整數信號及M個分數信號以組成驅動信號，N及M為正整數，且整數信號的振幅大於各分數信號的振幅。
在本發明之一實施例中，負載驅動裝置用以驅動發光二極體。本發明另外提供一種負載驅動方法，適用控制一開關，開關耦接一負載，當開關導通時，一分數電流通過負載，包括以下步驟：接收一脈寬調變信號；產生一脈寬調變輸出信號，該脈寬調變輸出信號與一調光時脈信號同步，其中該脈寬調變輸出信號具有一進行調光期間，以及一關閉調光期間；以及於進行調光期間及/或關閉調光期間，控制開關的導通時間。
基於上述，本發明利用產生一個或多個的整數信號以及一個或多個的分數信號來結合產生完整的驅動信號來驅動負載。使得當要開啟或關閉完整的驅動信號時，可以藉由分數信號來遞增以開啟驅動信號或遞減以關閉啟驅動信號。另外，本發明亦可利用分數信號來在不增加系統頻率的情況下增加驅動信號調整的解析度。如此一來，可以有效減低驅動信號在被開啟或關閉時所可能產生的電磁干擾現象，提升整體的效能。
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2A，圖2A繪示本發明一實施例的負載驅動裝置200的示意圖。在本實施例中的負載驅動裝置200用以驅動耦接於電源電壓VCC的發光二極體LD1。負載驅動裝置200包括驅動信號產生器210以及控制器220。驅動信號產生器210耦接作為負載的發光二極體LD1，用驅動信號產生器210以提供驅動信號至發光二極體LD1。上述的驅動信號可以是驅動電流或是驅動電壓。控制器220耦接驅動信號產生器210，並用以產生並提供控制信號CTRL至驅動信號產生器210。
在此請注意，驅動信號產生器210依據控制信號CTRL來在驅動週期中產生N個整數信號及M個分數信號 以組成驅動信號，其中的N及M為正整數。並且，這些整數信號的振幅大於每一個分數信號的振幅。
以下請參照圖2B，圖2B繪示圖2A實施例的驅動信號的波形圖。其中，調光週期分成進行調光期間DIT以及關閉調光期間NDIT。控制器220傳送控制信號CTRL並使驅動信號產生器210產生整數信號IS或分數信號FS。於此實施例，控制器220透過控制信號CTRL來使驅動信號產生器210在進行驅動期間DIT中，產生整數信號IS及分數信號FS1，並在關閉調光期間NDIT中，產生分數信號FS2及FS3。其中的分數信號FS1、FS2及FS3的振幅都小於整數信號IS的振幅。
請注意，驅動信號產生器210在越遠離整數信號IS所產生之分數信號FS1、FS2、FS3、…、FSn、FSn+1的振幅有漸減的趨勢，即FSn+1之振幅小於等於FSn之振幅。簡單來說，以圖2B的繪示為範例，其中分數信號FS3的振幅可以是分數信號FS2的振幅的二分之一，分數信號FS2的振幅則可以是分數信號FS1的振幅的二分之一，而FS1為IS的振幅的二分之一。
當然，上述分數信號FS1~FS3振幅的關係也可以是其他的比例，上述說明的分數信號FS1~FS3振幅的比例關係僅只是一個範例，並不用於限縮本發明。
由圖2A與圖2B的繪示不難得知，本發明實施例的負載驅動裝置200可以藉由調整分數信號FS1~FS3與整數信號IS的個數來調整發光二極體LD1的發光亮度，並不需 要提升調光時脈的頻率或增加調光週期的時間。並且，藉由振幅漸減的分數信號FS1~FS3還可以更有效的降低電磁干擾現象的發生。
接著請重新參照圖2A，驅動信號產生器210包括選擇器211以及驅動電流產生器212。驅動電流產生器212接收並依據參考電壓Vref來產生主要電流II1以及多個分數電流IS1~IS3，其中各分數電流IS1、IS2及IS3彼此間電流值不相等，並且主要電流II1的電流值大於分數電流IS1、IS2及IS3的電流值。
選擇器211耦接驅動電流產生器212。選擇器211依據控制信號CTRL來選擇輸出主要電流II1，及/或選擇輸出分數電流IS1、IS2及IS3。
請同時參照圖2A及圖2B，當驅動信號產生器210需產生整數信號IS時，選擇器211依據控制信號CTRL選擇主要電流II1輸出至發光二極體LD1。當驅動信號產生器210需產生分數信號FS1時，選擇器211則依據控制信號CTRL選擇分數電流FS1輸出至發光二極體LD1。相對的，當驅動信號產生器210需產生分數信號FS2或FS3時，選擇器211則依據控制信號CTRL分別選擇分數電流FS2或FS3輸出至發光二極體LD1。
以下請參照圖3，圖3繪示本發明實施例的驅動信號產生器210的一實施方式。驅動信號產生器210中的驅動電流產生器212包括參考電流產生器2121以及電流鏡2122。參考電流產生器2121接收並依據參考電壓Vref以 產生參考電流Iref。電流鏡2122則耦接參考電流產生器2121。電流鏡2122鏡射參考電流Iref來產生主要電流II1及分數電流IS1~IS3。
參考電流產生器2121包括運算放大器AMP1、電晶體MP1、MP2以及電阻R1。運算放大器AMP1的一輸入端接收參考電壓Vref。電晶體MP1具有第一源/汲極、第二源/汲極以及閘極，其第一源/汲極接收電源電壓VCC，其閘極耦接運算放大器AMP1的輸出端，其第二源/汲極耦接運算放大器AMP1的另一輸入端。電晶體MP2同樣具有第一源/汲極、第二源/汲極以及閘極，其第一源/汲極接收電源電壓VCC，其閘極耦接電晶體MP1的閘極，其第二源/汲極產生參考電流Iref。電阻R1則串接在電晶體MP1的第二源/汲極以及接地電壓GND間。
電流鏡2122包括電晶體MN以及M0~M3。電晶體MN的第一源/汲極接收參考電流Iref，其第二源/汲極耦接接地電壓GND，其閘極耦接其第一源/汲極。電晶體M0~M3的第二源/汲極共同耦接至接地電壓GND，且電晶體M0~M3的閘極共同耦接至電晶體MN的閘極，而電晶體M0~M3的第一源/汲極分別產生整數電流II1以及分數電流IS1~IS3。
選擇器211則由多個開關SW0~SW3來建構，開關SW0~SW3分別串接在電晶體M0~M3的第一源/汲極與發光二極體LD1間。開關SW0受控於控制信號CTRL的整數控制部分CTRLI，開關SW1~SW3分別受控於控制信號 CTRL的分數控制部分CTRLS1~CTRLS3。具體來說，當開關SW0依據控制信號CTRL的整數控制部分CTRLI導通時，主要電流II1流通過發光二極體LD1。相對的，若是開關SW1~SW3的至少其中之一依據控制信號CTRL的分數控制部分CTRLS1~CTRLS3導通時，則分數電流IS1~IS3中的至少其中之一會流通過發光二極體LD1。
以下請參照圖4A並配合圖2A，圖4A繪示本發明負載驅動裝置的控制器的一實施方式。控制器400包括由正反器DFF1及緩衝器BUF1所組成的整數控制信號產生器，以及由解碼器410及邏輯運算單元420所組成的分數控制信號產生器。
在整數控制信號產生器中，正反器DFF1的資料端D接收脈寬調變信號PWM，其時脈端CLK接收較脈寬調變信號PWM更高頻的調光時脈信號CK，而其重置端RST接收重置信號POR。緩衝器BUF1則耦接至正反器DFF1的輸出端Q，緩衝器BUF1用以產生控制信號CTRL的整數控制部分CTRLI。在分數控制信號產生器中，解碼器410接收輸入信號F0並解碼輸入信號F0。邏輯運算單元420則耦接解碼器410並接收解碼器410所依據輸入信號F0產生的解碼結果。邏輯運算單元420依據上述的解碼結果以及整數控制部分CTRLI來產生分數控制部分CTRLS1~CTRLS2。此外，在本實施方式中，邏輯運算單元420另接收信號ENF來作為是否產生分數控制部分CTRLS1~CTRLS2的依據。
在控制器400的動作細節上，請同時參照圖4A以及圖4B，其中圖4B繪示控制器400的波形圖。其中，正反器DFF1使脈寬調變信號PWM與調光時脈信號CK同步，產生脈寬調變輸出信號PWMOUT。其中，當脈寬調變輸出信號PWMOUT為高準位時，代表控制器400所屬的負載驅動裝置處於進行調光期間DIT，相反的，當脈寬調變輸出信號PWMOUT為低準位時，代表控制器400所屬的負載驅動裝置處於關閉調光期間NDIT。因為脈寬調變信號輸出信號PWMOUT已與調光時脈信號CK同步，故可知進行調光期間DIT歷時幾個時脈，以及關閉調光期間NDIT歷時幾個時脈，故控制器400可控制在進行調光期間DIT以及關閉調光期間NDIT的第幾個時脈時，輸出分數控制信號。
正反器DFF2及DFF3、反閘INV1、INV2、或閘OR1以及反或閘NOR1、NOR2則配置用來依據脈寬調變輸出信號PWMOUT的下降緣產生脈衝的信號PULSE。其中，信號PULSE在脈寬調變輸出信號PWMOUT的下降緣的一個延遲時間後產生脈衝。而節點N1、N3及N4分別為反或閘NOR1、反閘INV2及正反器DFF3的輸出。
信號PULSE則是用來指示產生分數控制部分CTRLS1~CTRLS2的時間點，當信號PULSE為正脈衝時，控制器400依據輸入信號F0及信號ENF來產生分數控制部分CTRLS1~CTRLS2。更進一步來說明，在本實施例中，解碼器410解碼輸入信號F0並產生解碼結果X、Y及Z。 其中，輸入信號F0與解碼結果X、Y及Z的關係如下表：
解碼結果X、Y及Z更傳輸至或閘OR2、OR3與及閘AND1~AND4所組成的邏輯電路，並達成以下的功能：在當信號ENF為高準位時，在當輸入信號F0為浮接時，分數控制部分CTRLS1產生正脈衝信號，而分數控制部分CTRLS2不轉態(保持低準位)。在當輸入信號F0為低準位時，分數控制部分CTRLS2產生正脈衝信號，而分數控制部分CTRLS1不轉態(保持低準位)。或是在當輸入信號F0為高準位時，分數控制部分CTRL1及CTRLS2產生正脈衝信號。若是分數控制部分CTRLS1及CTRL2分別控制產生分數電流IS1及IS2，則當而當信號ENF為高準位時，在當輸入信號F0為浮接時，參考電流產生器產生分數電流IS1；在當輸入信號F0為低準位時，參考電流產生器產生分數電流IS2；在當輸入信號F0為高準位時，參考電流產生器產生分數電流IS1+IS2。
圖4A所示之負載驅動裝置的控制器係用來產生整數控制信號CTRLI以及兩個分數控制信號CTRLS1與CTRLS2的實施例。然而，熟此技術人士可輕易推及產生更多分數控制信號的實施例。
圖5為本發明另一個實施例之負載驅動方法500的流 程圖。一控制器用以控制與一負載耦接的一或數個開關，當開關導通時，將使一分數電流通過負載。如圖5所示，負載驅動方法包括：於步驟502，接收脈寬調變信號PWM；於步驟504，使脈寬調變輸出信號PWM與一調光時脈信號CK同步，產生一脈寬調變輸出信號PWMOUT，其中該脈寬調變輸出信號PWMOUT具有一進行調光期間DIT，以及一關閉調光期間NDIT；接著，進行步驟506，即於進行調光期間DIT及/或關閉調光期間NDIT，控制開關的導通時間。舉例而言，如圖2B所示，於進行調光期間DIT中，控制一或數個開關導通的時間為第一個及第九個調光時脈信號CK的時候，且流過負載的分數電流大小為二分之一的強度；於圖2B右邊的關閉調光期間NDIT中，控制開關導通的時間為第一個及第二個調光時脈信號CK的時候，其中於第一個調光時脈信號CK的時候，流過負載的分數電流之振幅為整數電流的四分之一，於第二個調光時脈信號CK的時候，流過負載的分數電流振幅為整數電流的八分之一。
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。
200‧‧‧負載驅動裝置
210‧‧‧驅動信號產生器
220‧‧‧控制器
211‧‧‧選擇器
212‧‧‧驅動電流產生器
2121‧‧‧參考電流產生器
2122‧‧‧電流鏡
410‧‧‧解碼器
420‧‧‧邏輯運算單元
CTRLI‧‧‧整數控制部分
CTRLS1~CTRLS3‧‧‧分數控制部分
SW0~SW3‧‧‧開關
MN、M0~M3、MP1、MP2‧‧‧電晶體
R1‧‧‧電阻
BUF1‧‧‧緩衝器
D、RST、CLK、Q、N1、N3、N4‧‧‧端點
AMP1‧‧‧運算放大器
Iref‧‧‧參考電流
IS‧‧‧整數信號
FS1~FS3‧‧‧分數信號
VCC、VDD‧‧‧電源電壓
LD1‧‧‧發光二極體
II1‧‧‧主要電流
IS1~IS3‧‧‧分數電流
Vref‧‧‧參考電壓
PWM‧‧‧脈寬調變信號
F0‧‧‧輸入信號
NDIT‧‧‧關閉調光期間
DIT‧‧‧進行調光期間
CTRL‧‧‧控制信號
UT‧‧‧單位點亮時間
LT‧‧‧發光期間
I1‧‧‧電流源
I‧‧‧電流
F0‧‧‧輸入信號
ENF、PWMOUT、CK、PULSE‧‧‧信號
DFF1、DFF2、DFF3‧‧‧正反器
INV1、INV2‧‧‧反閘NOR1、NOR2
OR1、OR2、OR3‧‧‧或閘
NOR1、NOR2‧‧‧反或閘
AND1~AND4‧‧‧及閘
X、Y及Z‧‧‧解碼結果
圖1A繪示習知的發光二極體的驅動裝置的示意圖。
圖1B繪示圖1A的發光二極體的驅動裝置的波形圖。
圖2A繪示本發明一實施例的負載驅動裝置200的示意圖。
圖2B繪示圖2A實施例的驅動信號的波形圖。
圖3繪示本發明實施例的驅動信號產生器210的一實施方式。
圖4A繪示本發明負載驅動裝置的控制器的一實施方式。
圖4B繪示控制器400的波形圖。
圖5繪示負載驅動方法500的流程圖。
200‧‧‧負載驅動裝置
210‧‧‧驅動信號產生器
220‧‧‧控制器
211‧‧‧選擇器
212‧‧‧驅動電流產生器
VCC‧‧‧電源電壓
LD1‧‧‧發光二極體
II1‧‧‧主要電流
IS1~IS3‧‧‧分數電流
Vref‧‧‧參考電壓
PWM‧‧‧脈寬調變信號
F0‧‧‧輸入信號

Claims (8)

  1. 一種負載驅動裝置，包括：一驅動信號產生器，耦接一負載，用以提供一驅動信號至該負載；以及一控制器，耦接該驅動信號產生器，用以產生並提供一控制信號至該驅動信號產生器，其中，該驅動信號產生器依據該控制信號來在一驅動週期中產生N個整數信號及M個分數信號以組成該驅動信號，N及M為正整數，且該些整數信號的振幅大於各該分數信號的振幅。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，其中該驅動信號產生器包括：一驅動電流產生器，接收並依據一參考電壓來產生一主要電流以及一或多個分數電流；以及一選擇器，耦接該驅動電流產生器，依據該控制信號來選擇輸出該主要電流，或選擇輸出該分數電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之負載驅動裝置，其中該選擇器包括：多數個開關，與該負載串接，該些開關分別依據該控制信號以導通或斷開。
  4. 一種發光二極體驅動裝置，包括：一驅動信號產生器，耦接一發光二極體，用以提供一驅動信號至該發光二極體；以及一控制器，耦接該驅動信號產生器，用以接收一脈寬 調變信號，並產生一控制信號至該驅動信號產生器，其中，該驅動信號產生器依據該控制信號來在一調光週期中產生N個整數信號及M個分數信號以組成該驅動信號，N及M為正整數，且該些整數信號的振幅大於各該分數信號的振幅。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動裝置，其中該驅動信號產生器包括：一驅動電流產生器，接收並依據一參考電壓來產生一主要電流以及一或多個分數電流；以及一選擇器，耦接該驅動電流產生器，依據該控制信號來選擇輸出該主要電流，或選擇輸出該分數電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動裝置，其中該選擇器包括：多數個開關，與該發光二極體串接，該些開關分別依據該控制信號以導通或斷開。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動裝置，其中該控制器包括：一正反器，用以使該脈寬調變信號與一調光時脈信號同步。
  8. 一種負載驅動方法，適用控制一開關，該開關耦接一負載，該負載驅動方法包括以下步驟：接收一脈寬調變信號；產生一脈寬調變輸出信號，該脈寬調變輸出信號與一調光時脈信號同步，其中該脈寬調變輸出信號具有一進行 調光期間，以及一關閉調光期間；以及於該進行調光期間，控制該開關的導通時間以使一主要電流或至少一第一分數電流流經該負載，並於該關閉調光期間，控制該開關的導通時間以決定是否使至少一第二分數電流流經該負載，其中該主要電流的電流值大於該第一及該第二分數電流的電流值。
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