TWI429163B - 被動式電流平衡驅動裝置 - Google Patents

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TWI429163B
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Chih Jen Teng
Wen Sen Hsieh
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Description

被動式電流平衡驅動裝置
本發明是有關於一種電流平衡技術，且特別是有關於一種被動式電流平衡驅動裝置。
近年來，隨著半導體科技蓬勃發展，攜帶型電子產品及平面顯示器產品也隨之興起。而在眾多平面顯示器的類型當中，液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)基於其低電壓操作、無輻射線散射、重量輕以及體積小等優點，隨即已成為各顯示器產品之主流。一般而言，由於液晶顯示面板本身並不具備自發光的特性，因此必須在液晶顯示面板的下方放置背光模組，藉以提供液晶顯示面板所需的光源。
傳統的背光模組大致可以分為兩類，其一係由冷陰極管(cold cathode Fluorescent Lamps,CCFL)所組成的背光模組，而另一則由發光二極體(light emitting diode,LED)所組成的背光模組。其中，由於發光二極體背光模組可以提升液晶顯示器的色域(color gamut)，故而現今各家面板業者大多以發光二極體背光模組來取代冷陰極管背光模組。
發光二極體背光模組具有多組並列在一起的發光二極體串，且每一發光二極體串係由多顆串接在一起的發光二極體所組成。實務上，大多採用直流轉換器(DC-DC converter)將直流電源轉換成一組可以同時驅動每一發光二極體串所需的直流電壓。然而，由於每一發光二極體串的負載特性可能都不盡相同，所以可推知的是，流經每一發光二極體串的電流就會不相同(亦即電流不平衡)，從而導致發光二極體背光模組所提供給液晶顯示面板的光源亮度就會不均勻。
為了要解決這樣的問題，可以藉由在發光二極體背光模組中加入一個電流平衡控制線路來調節流經每一發光二極體串的電流，藉以致使流經每一發光二極體串的電流可以相同(亦即電流平衡)。而常見的電流平衡控制線路可以是由多個主動元件(例如MOSFET)所兜成的電流鏡(current mirror)電路或是電流回授補償(current feedback compensation)電路所組成。另外，電流平衡控制線路亦可由現成的電流調節晶片(例如current sink IC)所組成。
然而，由於MOSFET此類的半導體元件常會因製程差異而導致其汲極電流(Id)與閘源極電壓(Vgs)的特性曲線(Id/Vgs)不同。因此，利用MOSFET所兜成的電流鏡電路或是電流回授補償電路來調節流經每一發光二極體串之電流的精確度是有限的。
另外，現成的電流調節晶片之調節通道數通常是固定的(常為4個或6個調節通道數)，且由於一個調節通道用以調節流經一組發光二極體串的電流，所以當發光二極體背光模組具有例如10組發光二極體串時，則必須選用3個具有4個調節通道數的電流調節晶片，或者是選用2個具有6個調節通道數的電流調節晶片，但無論選用哪一種都會浪費掉2個未用的調節通道，這無疑會造成多餘的成本浪費。
有鑒於此，本發明提供一種被動式電流平衡驅動裝置，其電路態樣(circuit topology)僅需由幾個簡單的被動元件所組成，且得以同時驅動多組發光二極體串，並能讓流經每一發光二極體串的電流實質上相同(亦即電流平衡)。
本發明所提供的被動式電流平衡驅動裝置包括變壓器、電容，以及第一至第四二極體。其中，變壓器具有一次側與二次側，且變壓器的一次側用以接收交流電源。電容的第一端耦接變壓器之二次側的第一端。第一二極體的陰極耦接電容的第二端，而第一二極體的陽極則耦接至一參考電位。第二二極體的陽極耦接電容的第二端，而第二二極體的陰極則透過第一發光二極體串而耦接至所述參考電位。第三二極體的陰極耦接變壓器之二次側的第二端，而第三二極體的陽極則耦接至所述參考電位。第四二極體的陽極耦接變壓器之二次側的第二端，而第四二極體的陰極則透過第二發光二極體串而耦接至所述參考電位。
於本發明的一實施例中，第一二極體之陽極更透過第三發光二極體串而耦接至所述參考電位；而第三二極體之陽極更透過第四發光二極體串而耦接至所述參考電位。
於本發明的一實施例中，變壓器的二次側可以具有第一子二次側與第二子二次側，其中第一子二次側的第一端可以作為變壓器之二次側的第一端，而第二子二次側的第二端可以作為變壓器之二次側的第二端。在此條件下，第一子二次側的第二端與第二子二次側的第一端可以耦接在一起，或者是可以不耦接在一起。
於本發明的一實施例中，當第一子二次側的第二端與第二子二次側的第一端不耦接在一起時，則本發明所提供的被動式電流平衡驅動裝置可以更包括第五至第八二極體。其中，第五二極體的陽極耦接第二子二次側的第一端。第六二極體的陽極透過第五發光二極體串以耦接至第五二極體的陰極，而第六二極體的陰極則耦接至第一子二次側的第二端。第七二極體的陰極耦接第二子二次側的第一端。第八二極體的陽極耦接第一子二次側的第二端，而第八二極體的陰極則透過第六發光二極體串以耦接至第七二極體的陽極。
於本發明的一實施例中，變壓器之一次側可以具有第一子一次側與第二子一次側，且第一子一次側與第一子二次側可以形成變壓器的第一子變壓器，而第二子一次側與第二子二次側可以形成變壓器的第二子變壓器。在此條件下，第一子一次側與第二子一次側得以各別用以接收所述交流電源。
於此，本發明所提之被動式電流平衡驅動裝置主要是將每一發光二極體串在交流電源之正負半週的負載特性設計的全然相同。如此一來，流經每一發光二極體串的電流基本上/實質上就會相等，從而得以達到電流平衡的目的。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。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1繪示為本發明第一實施例之被動式電流平衡驅動裝置100的電路示意圖。請參照圖1，被動式電流平衡驅動裝置100包括變壓器(transformer)T1、電容(capacitor)C1，以及第一至第四二極體(diode)D1~D4。於本第一實施例中，變壓器T1具有一次側(primary side)P1與二次側(secondary side)S1，且變壓器T1的一次側P1用以接收交流電源VAC 。
電容C1的第一端耦接變壓器T1之二次側S1的第一端。第一二極體D1的陰極(cathode)耦接電容C1的第二端，而第一二極體D1的陽極(anode)則耦接至一參考電位(例如接地電位GND)。第二二極體D2的陽極耦接電容C1的第二端，而第二二極體D2的陰極則透過第一發光二極體串LLB1而耦接至接地電位GND。第三二極體D3的陰極耦接變壓器T1之二次側S1的第二端，而第三二極體D3的陽極則耦接至接地電位GND。第四二極體D4的陽極耦接變壓器T1之二次側S1的第二端，而第四二極體D4的陰極則透過第二發光二極體串LLB2而耦接至接地電位GND。
於本第一實施例中，如圖2所示，第一發光二極體串LLB1具有多顆串接在一起的第一發光二極體L11~L1N，且第一發光二極體串LLB1之陽極耦接第二二極體D2的陰極，而第一發光二極體串LLB1之陰極則耦接至接地電位GND。另外，第二發光二極體串LLB2具有多顆串接在一起的第二發光二極體L21~L2N，且第二發光二極體串LLB2之陽極耦接第四二極體D4的陰極，而第二發光二極體串LLB2之陰極則耦接至接地電位GND。
基於上述，在交流電源VAC 的正半週(+)，此時由於第一發光二極體串LLB1會發光，而流經第一發光二極體串LLB1的電流I_LLB1會行徑第三二極體D3、變壓器T1的二次側S1、電容C1、第二二極體D2，以及第一發光二極體串LLB1(亦即：D3→S1→C1→D2→LLB1)。另一方面，在交流電源VAC 的負半週(-)，此時由於第二發光二極體串LLB2會發光，而流經第二發光二極體串LLB2的電流I_LLB2會行徑第一二極體D1、電容C1、變壓器T1的二次側S1、第四二極體D4，以及第二發光二極體串LLB2(亦即：D1→C1→S1→D4→LLB2)。
由此可知，發光二極體串LLBn(n=1,2)在交流電源VAC 之正負半週(+＆-)的負載特性幾近相同。如此一來，流經發光二極體串LLBn(n=1,2)的電流I_LLBn(n=1,2)基本上/實質上就會相等，從而不但可以達到電流平衡的目的，而且更可以讓發光二極體串LLBn(n=1,2)的亮度相同。
圖3繪示為本發明第二實施例之被動式電流平衡驅動裝置300的電路示意圖。請合併參照圖1與圖3，被動式電流平衡驅動裝置200與300之相異處係在於被動式電流平衡驅動裝置300之第一二極體D1的陽極會透過第三發光二極體串LLB3以耦接至接地電位GND；而被動式電流平衡驅動裝置300之第三二極體D3的陽極也會透過第四發光二極體串LLB4以耦接至接地電位GND。
於本第二實施例中，如圖2所示，第三發光二極體串LLB3具有多顆串接在一起的第三發光二極體L31~L3N，且第三發光二極體串LLB3之陰極耦接第一二極體D1的陽極，而第三發光二極體串LLB3之陽極則耦接至接地電位GND。另外，第四發光二極體串LLB4具有多顆串接在一起的第四發光二極體L41~L4N，且第四發光二極體串LLB4之陰極耦接第三二極體D3的陽極，而第四發光二極體串LLB4之陽極則耦接至接地電位GND。
基於上述，在交流電源VAC 的正半週(+)，此時由於第一與第四發光二極體串LLB1與LLB4會發光，而流經第一與第四發光二極體串LLB1與LLB4的電流I_LLB1＆4會行徑第四發光二極體串LLB4、第三二極體D3、變壓器T1的二次側S1、電容C1、第二二極體D2，以及第一發光二極體串LLB1(亦即：LLB4→D3→S1→C1→D2→LLB1)。另一方面，在交流電源VAC 的負半週(-)，此時由於第二與第三發光二極體串LLB2與LLB3會發光，而流經第二與第三發光二極體串LLB2與LLB3的電流I_LLB2＆3會行徑第三發光二極體串LLB3、第一二極體D1、電容C1、變壓器T1的二次側S1、第四二極體D4，以及第二發光二極體串LLB2(亦即：LLB3→D1→C1→S1→D4→LLB2)。
由此可知，發光二極體串LLBn(n=1~4)在交流電源VAC 之正負半週(+＆-)的負載特性幾近相同。如此一來，流經發光二極體串LLBn(n=1~4)的電流I_LLBn(n=1~4)基本上/實質上就會相等，從而不但可以達到電流平衡的目的，而且更可以讓發光二極體串LLBn(n=1~4)的亮度相同。
圖4繪示為本發明第三實施例之被動式電流平衡驅動裝置400的電路示意圖。請合併參照圖3與圖4，被動式電流平衡驅動裝置300與400之相異處係在於被動式電流平衡驅動裝置400之變壓器T1的二次側S1可以具有第一子二次側S11與第二子二次側S12。其中，第一子二次側S11的第一端可以作為二次側S1的第一端，而第二子二次側S12的第二端可以作為二次側S1的第二端，且第一子二次側S11的第二端與第二子二次側S12的第一端可以耦接在一起。
在此條件下，在交流電源VAC 的正半週(+)，此時由於第一與第四發光二極體串LLB1與LLB4會發光，而流經第一與第四發光二極體串LLB1與LLB4的電流I_LLB1＆4會行徑第四發光二極體串LLB4、第三二極體D3、第二子二次側S12、第一子二次側S11、電容C1、第二二極體D2，以及第一發光二極體串LLB1(亦即：LLB4→D3→S12→S11→C1→D2→LLB1)。另一方面，在交流電源VAC 的負半週(-)，此時由於第二與第三發光二極體串LLB2與LLB3會發光，而流經第二與第三發光二極體串LLB2與LLB3的電流I_LLB2＆3會行徑第三發光二極體串LLB3、第一二極體D1、電容C1、第一子二次側S11、第二子二次側S12、第四二極體D4，以及第二發光二極體串LLB2(亦即：LLB3→D1→C1→S11→S12→D4→LLB2)。
由此可知，發光二極體串LLBn(n=1~4)在交流電源VAC 之正負半週(+＆-)的負載特性幾近相同。如此一來，流經發光二極體串LLBn(n=1~4)的電流LLBn(n=1~4)基本上/實質上就會相等，從而不但可以達到電流平衡的目的，而且更可以讓發光二極體串LLBn(n=1~4)的亮度相同。
圖5繪示為本發明第四實施例之被動式電流平衡驅動裝置500的電路示意圖。請合併參照圖4與圖5，被動式電流平衡驅動裝置400與500之相異處係在於被動式電流平衡驅動裝置500之變壓器T1的第一子二次側S11之第二端與第二子二次側S12的第一端並沒有耦接在一起，而且更多出了第五至第八二極體D5~D8。
於本第五實施例中，第五二極體D5的陽極耦接第二子二次側S12的第一端。第六二極體D6的陽極透過第五發光二極體串LLB5以耦接至第五二極體D5的陰極，而第六二極體D6的陰極則耦接至第一子二次側S11的第二端。第七二極體D7的陰極耦接第二子二次側S12的第一端。第八二極體D8的陽極耦接第一子二次側S11的第二端，而第八二極體D8的陰極則透過第六發光二極體串LLB6以耦接至第七二極體D7的陽極。
相似地，如圖2所示，第五發光二極體串LLB5具有多顆串接在一起的第五發光二極體L51~L5N，且第五發光二極體串LLB5之陽極耦接第五二極體D5的陰極，而第五發光二極體串LLB5之陰極則耦接至第六二極體D6的陽極。另外，第六發光二極體串LLB6具有多顆串接在一起的第六發光二極體L61~L6N，且第六發光二極體串LLB6之陽極耦接第八二極體D8的陰極，而第六發光二極體串LLB6之陰極則耦接至第七二極體D7的陽極。
在此條件下，在交流電源VAC 的正半週(+)，此時由於第一、第四與第五發光二極體串LLB1、LLB4與LLB5會發光，而流經第一、第四與第五發光二極體串LLB1、LLB4與LLB5的電流I_LLB1＆4＆5會行徑第四發光二極體串LLB4、第三二極體D3、第二子二次側S12、第五二極體D5、第五發光二極體串LLB5、第六二極體D6、第一子二次側S11、電容C1、第二二極體D2，以及第一發光二極體串LLB1(亦即：LLB4→D3→S12→D5→LLB5→D6→S11→C1→D2→LLB1)。
另一方面，在交流電源VAC 的負半週(-)，此時由於第二、第三與第六發光二極體串LLB2、LLB3與LLB6會發光，而流經第二、第三與第六發光二極體串LLB2、LLB3與LLB6的電流I_LLB2＆3＆6會行徑第三發光二極體串LLB3、第一二極體D1、電容C1、第一子二次側S11、第八二極體D8、第六發光二極體串LLB6、第七二極體D7、第二子二次側S12、第四二極體D4，以及第二發光二極體串LLB2(亦即：LLB3→D1→C1→S11→D8→LLB6→D7→S12→D4→LLB2)。
由此可知，發光二極體串LLBn(n=1~6)在交流電源VAC 之正負半週(+＆-)的負載特性幾近相同。如此一來，流經發光二極體串LLBn(n=1~6)的電流I_LLBn(n=1~6)基本上/實質上就會相等，從而不但可以達到電流平衡的目的，而且更可以讓發光二極體串LLBn(n=1~6)的亮度相同。
圖6繪示為本發明第五實施例之被動式電流平衡驅動裝置600的電路示意圖。請合併參照圖5與圖6，被動式電流平衡驅動裝置500與600之相異處係在於被動式電流平衡驅動裝置600之變壓器T1的一次側P1可以具有第一子一次側P11與第二子一次側P12。其中，第一子一次側P11與第一子二次側S11可以形成變壓器T1的第一子變壓器T11(可看作是一個獨立的變壓器)，而第二子一次側P12與第二子二次側S12可以形成變壓器T1的第二子變壓器T12(亦可看作是一個獨立的變壓器)，且第一與第二子一次側P11與P12可以各別用以接收交流電源VAC 。在此條件下，被動式電流平衡驅動裝置600在交流電源VAC 之正負半週(+＆-)的運作方式係與被動式電流平衡驅動裝置500類似，故而在此並不再加以贅述之。
於此值得一提的是，若要致使本發明所提出之被動式電流平衡驅動裝置同時驅動6組以上(例如8組)之發光二極體串的話，則只需將第四或第五實施例之第二子二次側(S12)再分成兩個子二次側(例如第三與第四子二次側)，並於第二與第三子二次側間加入如同第一與第二子二次側(S11與S12)間的元件(亦即D5~D7、LLB5，以及LLB6)，且讓第四子二次側耦接原先耦接至第二子二次側的元件(亦即D3、D4、LLB2，以及LLB4)。如此一來，即可同時驅動8組的發光二極體串。
另外，若要致使本發明所提出之被動式電流平衡驅動裝置同時驅動8組以上(例如10、12、14、16...組，以每加2組為一個單位)之發光二極體串的話，懇請參照上述教示同時驅動8組發光二極體串的方式進行類推，故而在此並不再加以贅述之。
就應用層面來看，只要把上述實施例之被動式電流平衡驅動裝置拿來驅動液晶顯示器之發光二極體背光模組(LED backlight module)中之多組並列在一起的發光二極體串時，則可以致使流經每一發光二極體串的電流相同(亦即電流平衡)，從而使得發光二極體背光模組所提供給液晶顯示面板的光源亮度更加均勻。
然而，上述實施例之被動式電流平衡驅動裝置並不限制於僅能拿來驅動液晶顯示器之發光二極體背光模組中的每一發光二極體串而已。換言之，只要在同時間驅動多組發光二極體串的條件下(例如：大型的發光二極體廣告看板)，上述實施例之被動式電流平衡驅動裝置就可以被應用來平衡電流之用。
除此之外，由於上述實施例之被動式電流平衡驅動裝置僅需由幾個簡單的被動元件所組成即可。因此，所需花費的製作成本將遠低於傳統技藝利用多個主動元件(MOSFET)或是電流調節晶片(current sink IC)所組成之電流平衡控制線路的成本。
綜上所述，本發明所提之被動式電流平衡驅動裝置主要是將每一發光二極體串在交流電源之正負半週的負載特性設計的全然相同。如此一來，流經每一發光二極體串的電流基本上/實質上就會相等，從而得以達到電流平衡的目的。
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、300、400、500、600．．．被動式電流平衡驅動裝置
T1．．．變壓器
T11、T12．．．子電壓器
P1．．．一次側
S1．．．二次側
P11、P12．．．子一次側
S11、S12．．．子二次側
C1．．．電容
D1~D8．．．二極體
LLBn(n=1~6)．．．發光二極體串
Ln1~LnN(n=1~6)．．．發光二極體
VAC ．．．交流電源
+．．．交流電源的正半週
-．．．交流電源的負半週
GND．．．參考電位(接地電位)
I_LLBn(n=1~6)．．．電流
圖1繪示為本發明第一實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路示意圖。
圖2繪示為本發明一實施例之發光二極體串的示意圖。
圖3繪示為本發明第二實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路示意圖。
圖4繪示為本發明第三實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路示意圖。
圖5繪示為本發明第四實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路示意圖。
圖6繪示為本發明第五實施例之被動式電流平衡驅動裝置的電路示意圖。
500．．．被動式電流平衡驅動裝置
T1．．．變壓器
P1．．．一次側
S1．．．二次側
S11、S12．．．子二次側
C1．．．電容
D1~D8．．．二極體
LLBn(n=1~6)．．．發光二極體串
VAC ．．．交流電源
+．．．交流電源的正半週
-．．．交流電源的負半週
GND．．．參考電位(接地電位)
I_LLBn(n=1~6)．．．電流

Claims (10)

  1. 一種被動式電流平衡驅動裝置，包括：一變壓器，具有一一次側與一二次側，其中該一次側用以接收一交流電源；一電容，其第一端耦接該二次側的第一端；一第一二極體，其陰極耦接該電容的第二端，而其陽極則耦接至一參考電位；一第二二極體，其陽極耦接該電容的第二端，而其陰極則透過一第一發光二極體串而耦接至該參考電位；一第三二極體，其陰極耦接該二次側的第二端，而其陽極則耦接至該參考電位；以及一第四二極體，其陽極耦接該二次側的第二端，而其陰極則透過一第二發光二極體串而耦接至該參考電位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一二極體之陽極更透過一第三發光二極體串而耦接至該參考電位；以及該第三二極體之陽極更透過一第四發光二極體串而耦接至該參考電位。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一發光二極體串具有多顆串接在一起的第一發光二極體，且該第一發光二極體串之陽極耦接該第二二極體的陰極，而該第一發光二極體串之陰極則耦接至該參考電位；該第二發光二極體串具有多顆串接在一起的第二發光二極體，且該第二發光二極體串之陽極耦接該第四二極體的陰極，而該第二發光二極體串之陰極則耦接至該參考電位；該第三發光二極體串具有多顆串接在一起的第三發光二極體，且該第三發光二極體串之陰極耦接該第一二極體的陽極，而該第三發光二極體串之陽極則耦接至該參考電位；以及該第四發光二極體串具有多顆串接在一起的第四發光二極體，且該第四發光二極體串之陰極耦接該第三二極體的陽極，而該第四發光二極體串之陽極則耦接至該參考電位。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該二次側具有一第一子二次側與一第二子二次側。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一子二次側的第一端用以作為該二次側的第一端，而該第二子二次側的第二端用以作為該二次側的第二端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一子二次側的第二端與該第二子二次側的第一端耦接在一起。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之被動式電流平衡驅動裝置，更包括：一第五二極體，其陽極耦接該第二子二次側的第一端；一第六二極體，其陽極透過一第五發光二極體串以耦接至該第五二極體的陰極，而其陰極則耦接至該第一子二次側的第二端；一第七二極體，其陰極耦接該第二子二次側的第一端；以及一第八二極體，其陽極耦接該第一子二次側的第二端，而其陰極則透過一第六發光二極體串以耦接至該第七二極體的陽極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第五發光二極體串具有多顆串接在一起的第五發光二極體，且該第五發光二極體串之陽極耦接該第五二極體的陰極，而該第五發光二極體串之陰極則耦接至該第六二極體的陽極；以及該第六發光二極體串具有多顆串接在一起的第六發光二極體，且該第六發光二極體串之陽極耦接該第八二極體的陰極，而該第六發光二極體串之陰極則耦接至該第七二極體的陽極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該一次側具有一第一子一次側與一第二子一次側，且該第一子一次側與該第一子二次側形成該變壓器的一第一子變壓器，而該第二子一次側與該第二子二次側形成該變壓器的一第二子變壓器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之被動式電流平衡驅動裝置，其中該第一子一次側與該第二子一次側各別用以接收該交流電源。
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