TWI432080B - 發光二極體的電源轉換電路 - Google Patents

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TWI432080B
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Yuan Pin Cho
Chin Chuang Chueh
Chia Yuan Chang
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Description

發光二極體的電源轉換電路
本發明是有關於一種發光二極體的電源轉換電路，且特別是有關於一種兩輸出端的輸出電位分具正負值的發光二極體的電源轉換電路。
發光二極體(LED)是新一代的照明元件，其具有省電及使用壽命長等優點，因此已廣泛應用在各式裝置，特別是應用於平面顯示器(如液晶顯示器)之背光源模組中。
平面顯示器中之發光二極體串必須藉由驅動電路來驅動發光二極體的發光行為，但是每顆發光二極體有著電壓-電流關係曲線的負載特性，在相同的電壓驅動下會產生不同之電流，而不同的電流則會使每顆發光二極體的發光亮度不盡相同，於是將數顆發光二極體互相電性耦接串聯起來，以確定在相同驅動直流電壓與電流的情況下有著相同發光亮度。
當發光二極體串中串聯的發光二極體數量越多，所要使用的驅動直流電壓值必須增大，而驅動電路內部的元件耐壓值卻有著一定的限度。對於較大的顯示面板來說，由於每一個發光二極體串中的發光二極體的數量有限，因此只有使用更多的發光二極體串才能達到照明的目的，但這樣的做法就必須有更多的穩流與控制電路；或者，較大的顯示面板也可以藉由使用高耐壓的電子元件來組成驅動電路。但無論選擇哪一種方法，成本的增加是一定無法避免的，甚至某些解決辦法還會連帶的造成照明均勻度的控制變得更為複雜。
本發明的目的就是在提供一種發光二極體的電源轉換電路，可應用於發光二極體之驅動電路上，其具有較高的可靠性。
本發明提出一種發光二極體的電源轉換電路，適於驅動多個發光二極體串，此電源轉換電路的特徵在於包括一組電壓轉換器，其中，電壓轉換器具有兩接收端與兩輸出端，電壓轉換器的兩接收端電性耦接至直流電源而將直流電源直接轉換為輸出直流訊號，並將輸出直流訊號從電壓轉換器的兩輸出端輸出以驅動發光二極體串，且此電壓轉換器的兩輸出端的電位為一正一負。
在本發明的一較佳實施例中，上述之電壓轉換器可以包括：第一接收端、第二接收端、第一輸出端、第二輸出端、開關、第一電感、第二電感、第三電感、第一單向導通元件、第二單向導通元件、第一電容以及第二電容。其中，第一接收端電性耦接至直流電源的一端並接收高電位。第二接收端電性耦接至直流電源的另一端並接收低電位。第一輸出端電性耦接至發光二極體串一端並提供正電位的輸出。第二輸出端電性耦接至發光二極體串的另一端並提供負電位的輸出。開關具有第一端與第二端，開關的第一端電性耦接至第一接收端並接收前述的高電位。第一電感具有正端與負端，第一電感的正端電性耦接至開關的第二端，第一電感的負端電性耦接至第二接收端並接收前述的低電位。第二電感具有正端與負端，第二電感與第一電感相電磁耦合，且第二電感的負端保持於預設電位。第三電感具有正端與負端，第三電感與第一電感相電磁耦合，且第三電感的負端電性耦接至第二輸出端。第一單向導通元件電性耦接於第二電感的正端與第一輸出端之間，且僅允許電流由第二電感的正端往第一輸出端流動。第二單向導通元件電性耦接於第三電感的正端與第二電感的負端之間，且僅允許電流由第三電感的正端往第二電感的負端流動。第一電容一端電性耦接至第一輸出端，另一端則電性耦接至第二電感的負端。第二電容一端電性耦接至第二電感的負端，另一端則電性耦接至第二輸出端。此外，上述之預設電位可為接地電位。
在本發明的另一實施例中，上述之電壓轉換器包括第一接收端、第二接收端、第一輸出端、第二輸出端、一組電位推昇電路以及一組反相電位推昇電路。其中，第一接收端電性耦接至直流電源的一端並接收高電位。第二接收端電性耦接至直流電源的另一端並接收低電位。第一輸出端電性耦接至發光二極體串一端並提供正電位的輸出。第二輸出端電性耦接至發光二極體串的另一端並提供負電位的輸出。電位推昇電路電性耦接至第一接收端與第二接收端以接收直流電源，且電位推昇電路的輸出端做為第一輸出端。反相電位推昇電路電性耦接至第一接收端與第二接收端以接收直流電源，且反相電位推昇電路的輸出端做為第二輸出端。
在本發明的一較佳實施例中，上述之電位推昇電路包括電感、開關、單向導通元件以及電容。電感具有第一端與第二端，電感的第一端電性耦接至第一接收端。開關電性耦接於電感的第二端與第二接收端之間。單向導通元件電性耦接於電感的第二端與第一輸出端之間，且僅容許電流由電感的第二端往第一輸出端流動。電容則電性耦接於第一輸出端與第二接收端之間。
在本發明的一較佳實施例中，上述之反相電位推昇電路包括開關、電感、單向導通元件以及電容。開關具有第一端與第二端，開關的第一端電性耦接於第一接收端。電感電性耦接於開關的第二端與第二接收端之間。單向導通元件電性耦接於開關的第二端與第二輸出端之間，且僅容許電流由該第二輸出端往電感流動。電容則電性耦接於第二輸出端與第二接收端之間。
本發明之電源轉換電路使兩個輸出端輸出的電位分布於接地電位的兩邊，如此則內部電路元件不致處於高電壓狀態，使得在使用相同品質的內部電路元件時可以提供較大的跨壓，並因此增加每一個發光二極體串中可容納的發光二極體數量。是以，本發明可以減少製造成本，並且相對上減少亮度不均與控制複雜等問題。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下將配合圖式說明本案為改善習用手段缺失所發展出來之發光二極體的電源轉換電路。如圖1所繪示為電源轉換電路的局部電路方塊圖。圖1所揭示的電源轉換電路100適用於平面顯示器(如液晶顯示器)之背光源模組中，藉以驅動平面顯示器的發光二極體串，但本發明並不限於此，例如其也可應用於住宅燈具之照明設備以及交通號誌燈之特殊照明設備之發光二極體的電源轉換電路上。其中，電源轉換電路100包括直流電源110、電壓轉換器120以及發光二極體串310。其中，此種電壓轉換器120具有兩接收端與兩輸出端，第一接收端VR_1電性耦接至直流電源110的對應輸出一高電位VS_H，第二接收端VR_2電性耦接至直流電源110的對應輸出一低電位VS_L；第一輸出端Vout_1電性耦接至發光二極體串310的高電位端並根據高電位VS_H轉換為第一輸出直流訊號Signal_H，第二輸出端Vout_2電性耦接至發光二極體串310的低電位端並根據低電位VS_L轉換為第二輸出直流訊號Signal_L。
接下來請參照圖2。圖2為本發明一實施例所揭示的電壓轉換器的電路圖。將本實施例代入圖1所示的電壓轉換器120來進行詳細說明。具體地，電壓轉換器120包括第一接收端VR_1、第二接收端VR_2、第一輸出端Vout_1、第二輸出端Vout_2、開關SW、電感N1、N2與N3、單向導通元件D1與D2，以及電容C1與C2。其中，開關SW具有第一端10與第二端12，第一端10電性耦接至第一接收端VR_1並接收高電位VS_H。電感N1(即後敘的第一電感)具有正端14與負端16，正端14電性耦接至開關SW的第二端12，而負端16則電性耦接至第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。電感N2(即後敘的第二電感)具有正端18與負端20，而電感N2與電感N1相電磁耦合，且電感N2的負端20保持於預設電位Vss。電感N3(即後敘的第三電感)具有正端22與負端24，電感N3與電感N1相電磁耦合，且電感N3的負端24電性耦接至第二輸出端Vout_2並提供負電位Signal_L(即為後敘之第二輸出直流訊號)。單向導通元件D1具有正端26與負端28，正端26電性耦接於電感N2的正端18，而負端28則電性耦接於第一輸出端Vout_1並提供正電位Signal_H(即為後敘的第一輸出直流訊號)，且僅允許電流由電感N2的正端18往輸出端Vout_1流動。單向導通元件D2具有正端30與負端32，正端30電性耦接於電感N3的正端22，而負端32則電性耦接於電感N2的負端20並保持於預設電位Vss，且僅允許電流由電感N3的正端22往電感N2的負端20流動。電容C1具有第一通路端34與第二通路端36，第一通路端34電性耦接至第一輸出端Vout_1，第二通路端36則電性耦接至電感N2的負端20。電容C2具有第一通路端38與第二通路端40，第一通路端38電性耦接至電感N2的負端20與預設電位Vss，而第二通路端40則電性耦接至第二輸出端Vout_2。
此外，上述之預設電位Vss可以為任何電位，但是為了保持電子元件的最小受壓，所以預設電位Vss較佳地為接地電位。
在電源轉換器120內部電路構造所使用的開關SW可以被其他元件所取代(例如電晶體)。請同時參照圖1與圖2。當開關SW被導通時，第一輸出端Vout_1與第二輸出端Vout_2透過電感N2及電感N3分別與電感N1相電磁耦合而得由直流電源110供給能源。其中，第一接收端VR_1接收來自直流電源110的高電位VS_H，而第二接收端VR_2則接收來自直流電源110的低電位VS_L，並且產生一電流由第一接收端往第二接收端流動，此時電感N1的正端14被拉升至高電位VS_H，而其負端16則處於低電位VS_L狀態，使得直流電源110、開關SW與電感N1依序組成電性導通路徑。
當電感N2供能時，單向導通元件D1導通。此時電感N2與電感N1相電磁耦合，且電感N1的正端14根據匝數比(N1/N2)關係而在電感N2的正端18產生一高電壓(在此處為正電位)。電感N2的負端20則保持於預設電位Vss(在此處為接地電位)。因此單向導通元件D1的正端26會處於正電位狀態而使單向導通元件D1導通，且僅容許電流由電感N2的正端18往第一輸出端Vout_1流動，進而使第一輸出端Vout_1保持於一正電位(在此處為上述之第一輸出直流訊號Signal_H)。據此，電容C1的第一通路端34處於正電位，且其第二通路端36保持於預設電位Vss(在此處為接地電位)。
當電感N3供能時，單向導通元件D2導通。此時電感N3與電感N1之間因電磁耦合關係而根據匝數比(N1/N3)在電感N3的兩輸出端之間產生一個高電位差。當電感N3的正端22的電位等同或高於預設電位Vss時，將使得單向導通元件D2導通，進而使電流透過單向導通元件D2由電感N3的正端22往電感N2的負端20流動。而由於預設電位Vss為固定值，所以電感N3的正端22的電位會因此被箝制在可使單向導通元件D2導通的電位上。舉例來說，以常見的單向導通元件─二極體而言，由於導通二極體時所需的電位差約在0.7伏特左右，所以電感N3的正端22的電位會因此被箝制在比預設電位Vss高約0.7伏特的電位上。再者，電感N3的負端24則電性耦接至第二輸出端Vout_2。由於電感N3的兩端之間會產生一個電位差，再加上電感N3的正端22會被箝制在比預設電位Vss高約0.7伏特的電位上，因此只要對預設電位Vss做適當的設計，就可以使電感N3的負端24保持於負電位。據此，電容C2的第一通路端38保持於預設電位Vss，而第二通路端40亦電性耦接至第二輸出端Vout_2並保持於負電位。
在另一方面，開關SW被截止時，雖然各電感N2與N3的輸出電位會反轉，但此時將由相對應的電容C1與C2來提供輸出電力，並因此而得以保持穩定的電力輸出。
不管是透過電感或是電容供應發光二極體串所需之電源，假設此時的第一輸出端Vout_1與第二輸出端Vout_2之間的總跨壓必須維持在+HV，第一輸出端Vout_1與預設電位(此處為接地電位)Vss之間的供應電位為+HV′，而使得預設電位(此處為接地電位)Vss與第二輸出端Vout_2之間的電位保持於+(HV_HV′)。因此，透過本發明的兩組耦合電感電路，使得各組耦合電路中的跨壓降只會比HV更少值，進而降低電路所承受的耐壓，並且穩定供應發光二極體串的驅動電壓+HV。
圖3為本發明另一實施例所揭示的電壓轉換器的電路方塊圖。圖3所示的實施例大致上與圖2所示的實施例相當，其差異點在於圖2所示的實施例使用了耦合電感電路構造驅動發光二極體串，而圖3所示的實施例則使用了電位推昇電路130與反相電位推昇電路140電路構造驅動發光二極體串。也就是說，在圖2所示的實施例中由兩組耦合電感電路分別提供的電壓+HV′與+(HV-HV′)來組成供應發光二極體串的總跨壓+HV。類似的，在圖3所示的實施例中，則由電位推昇電路130與反相電位推昇電路140電路所分別提供的電壓+HV′與+(HV-HV′)來組成供應發光二極體串的總跨壓+HV。
請繼續參照圖3，在本實施例中，電壓轉換器120包括第一接收端VR_1、第二接收端VR_2、第一輸出端Vout_1、第二輸出端Vout_2、電位推昇電路130以及反相電位推昇電路140。其中，電位推昇電路130具有兩輸入端與一輸出端，其中一個輸入端電性耦接至第一接收端VR_1並接收高電位VS_H，而另一個輸入端則電性耦接至第二接收端VR_2並接收低電位VS_L，且電位推昇電路的輸出端做為第一輸出端Vout_1並提供正電位Signal_H(即為後述之第一輸出直流訊號)。反相電位推昇電路140同樣具有兩輸入端與一輸出端，其中一個輸入端電性耦接至第一接收端VR_1並接收高電位VS_H，另一個輸入端電性耦接至第二接收端VR_2並接收低電位VS_L，而反相電位推昇電路的輸出端則做為第二輸出端Vout_2並提供負電位Signal_L(即為後述之第二輸出直流訊號)。
具體地，請參照圖4(A)，本實施例中的電位推昇電路130包括電感L1、開關SW1、單向導通元件D3以及電容C3。其中，電感L1具有第一端42與第二端44，第一端42電性耦接至第一接收端VR_1並接收高電位VS_H。開關SW1具有第一端50與第二端52，第一端50電性耦接於電感L1的第二端44，第二端52則電性耦接於第二接收端VR_2。單向導通元件D3具有正端54與負端56，正端54電性耦接於電感L1的第二端44，負端56則電性耦接於第一輸出端Vout_1並提供正電位Signal_H(即為後述之第一輸出直流訊號)，且僅容許電流由電感L1的第二端44往第一輸出端Vout_1流動。電容C3具有第一通路端46與第二通路端48，第一通路端46電性耦接於第一輸出端Vout_1，第二通路端48電性耦接於第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。
再者，請參照圖4(B)。本實施例中的反相電位推昇電路140包括開關SW2、電感L2、單向導通元件D4以及電容C4。其中，開關SW2具有第一端58與第二端60，第一端58電性耦接於第一接收端VR_1。電感L2具有第一端62與第二端64，第一端62電性耦接於開關SW2的第二端60，第二端64則電性耦接於第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。單向導通元件D4具有負端66與正端68，負端66電性耦接於開關SW2的第二端60，正端68則電性耦接於第二輸出端Vout_2並提供負電位Siganl_L(即為後述之第二輸出直流訊號)，且僅容許電流由第二輸出端Vout_2往電感L2的第一端62流動。電容C4具有第一通路端70與第二通路端72，第一通路端70電性耦接於第二輸出端Vout_2，第二通路端72則電性耦接於第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。
以下將分別說明電位推昇電路與反相電位推昇電路在本實施例中的運作方式。請同時參照圖4(A)與圖3，當開關SW1被導通時，電感L1的第一端42電性耦接於第一接收端VR_1並拉升至高電位VS_H，電感L1的第二端44電性耦接於第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。此時，單向導通元件D3的正端54處於低電位而被截止，進而使輸入的能量對電感L1作儲能，而第一輸出端Vout_1的輸出電位則是由電容C3的第一通路端46所提供。當開關SW1被截止時，電感L1的第二端44根據電感特性產生高電位VS_H，並使得單向導通元件D3的正端54處於高電位狀態而被導通。此時將對電容C3作儲能，並由電感L1的第二端44提供第一輸出端Vout_1的輸出能量。
接下來請同時參照圖4(B)與圖3，當開關SW2被導通時，電感L2的第一端62電性耦接於第一接收端VR_1並拉升至高電位VS_H，而電感L2的第二端64則電性耦接於第二接收端VR_2並接收低電位VS_L。此時，單向導通元件D4的負端66處於高電位而被截止，進而使輸入的能量對電感L2作儲能。第二輸出端Vout_2所需提供的能量則由電容C4的第一通路端70來提供。當開關SW2被截止時，電感L2的第二端64根據電感特性產生高電位VS_H，使得單向導通元件D4的負端66處於低電位狀態而被導通，進而對電容C4作儲能。此時第二輸出端Vout_2所需提供的能量將由電感L2的第一端62來提供。
綜上所述，本發明解決前述問題的方式，乃是在電源轉換電路使兩個輸出端輸出的電位分布於接地電位的兩邊，如此則內部電路元件不致處於高電壓狀態，使得在使用相同品質的內部電路元件時可以提供較大的跨壓，並因此增加每一個發光二極體串中可容納的發光二極體數量。是以，本發明可以減少製造成本，並且相對上減少亮度不均與控制複雜等問題。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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．．．電源轉換電路
110．．．直流電源
120．．．電壓轉換器
310．．．發光二極體串
VR_1．．．第一接收端
VS_H．．．高電位
VR_2．．．第二接收端
VS_L．．．低電位
Vout_1．．．第一輸出端
Signal_H．．．第一輸出直流訊號
Vout_2．．．第二輸出端
Signal_L．．．第二輸出直流訊號
SW、SW1、SW2．．．開關
N1、N2、N3．．．電感
D1、D2．．．單向導通元件
C1、C2．．．電容
Vss．．．預設電位
130．．．電位推昇電路
140．．．反相電位推昇電路
L1、L2．．．電感
D3、D4．．．單向導通元件
C3、C4．．．電容
10、50、58．．．開關第一端
12、52、60．．．開關第二端
14、18、22．．．電感正端
16、20、24．．．電感負端
26、30、54、68．．．單向導通元件正端
28、32、56、66．．．單向導通元件負端
42、62．．．電感第一端
44、64．．．電感第二端
34、38、46、70．．．電容第一端
36、40、48、72．．．電容第二端
圖1為本發明一實施例所揭示的電源轉換電路的局部電路方塊圖。
圖2為本發明一實施例所揭示的電壓轉換器的電路圖。
圖3為本發明另一實施例所揭示的電壓轉換器的局部電路方塊圖。
圖4(A)為根據本發明另一實施例的電位推昇電路的電路圖。
圖4(B)為根據本發明另一實施例的反相電位推昇電路的電路圖。
100．．．電源轉換電路
110．．．直流電源
120．．．電壓轉換器
310．．．發光二極體串
VR_1．．．第一接收端
VS_H．．．高電位
VR_2．．．第二接收端
VS_L．．．低電位
Vout_1．．．第一輸出端
Signal_H．．．第一輸出直流訊號
Vout_2．．．第二輸出端
Signal_L．．．第二輸出直流訊號

Claims (3)

  1. 一種發光二極體的電源轉換電路，適於驅動一發光二極體串，其特徵在於該電源轉換電路包括(圖1)：一電壓轉換器，具有兩接收端與兩輸出端，該電壓轉換器的兩接收端電性耦接至一直流電源而將該直流電源直接轉換為一輸出直流訊號，並將該輸出直流訊號從該電壓轉換器的兩輸出端輸出以驅動該發光二極體串，其中該電壓轉換器包括：一第一接收端，電性耦接至該直流電源的高電位；一第二接收端，電性耦接至該直流電源的低電位；一第一輸出端，提供正電位的輸出；一第二輸出端，提供負電位的輸出；一電位推昇電路，電性耦接至該第一接收端與該第二接收端以接收該直流電源，且該電位推昇電路的輸出端做為該第一輸出端；以及一反相電位推昇電路，電性耦接至該第一接收端與該第二接收端以接收該直流電源，且該反相電位推昇電路的輸出端做為該第二輸出端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，其中該電位推昇電路包括(圖4(A))：一電感，具有第一端與第二端，該電感的第一端電性耦接至該第一接收端；一開關，電性耦接於該電感的第二端與該第二接收端之間；一單向導通元件，電性耦接於該電感的第二端與該第一輸出端之間，且僅容許電流由該電感的第二端往該第一輸出端流動；以及一電容，電性耦接於該第一輸出端與該第二接收端之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，其中該反相電位推昇電路包括(圖4(B))：一開關，具有第一端與第二端，該開關的第一端電性耦接於該第一接收端；一電感，電性耦接於該開關的第二端與該第二接收端之間；一單向導通元件，電性耦接於該開關的第二端與該第二輸出端之間，且僅容許電流由該第二輸出端往該電感流動；以及一電容，電性耦接於該第二輸出端與該第二接收端之間。
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