TWI440391B

TWI440391B - 發光元件控制電路與控制方法、及用於其中的積體電路

Info

Publication number: TWI440391B
Application number: TW100107347A
Authority: TW
Inventors: Tsung Wei Huang; Shui Mu Lin; Nang-Ching Yeung; Ti Ti Liu; Huan Chien Yang
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2014-06-01
Also published as: TW201238392A

Description

發光元件控制電路與控制方法、及用於其中的積體電路

本發明係有關一種發光元件控制電路與控制方法，特別是指一種能減少積體電路接腳數目並能動態調整輸出電壓以達最佳電源運用效率的發光元件控制電路與控制方法。本發明也有關於應用在發光元件控制電路與控制方法中的積體電路。

請參閱第1圖，先前技術之發光元件控制電路包括積體電路20，其中包含一個功率級控制電路21，控制功率級電路60中功率電晶體的切換，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，供應給多串發光二極體(LED) CH1-CHn。功率級電路60例如但不限於可為第2A-2G圖所示的同步或非同步降壓、升壓、升降壓、反壓、返馳電路。其中，視應用場合而定，在某些情況下功率級電路60中的功率電晶體或二極體可以整合至積體電路20的內部。

為了控制各串LED的亮度，第1圖中係以運算放大器OP1、電晶體Q1、電阻R1構成的電流源電路CS1來控制第一LED通道CH1的電流，以運算放大器OP2、電晶體Q2、電阻R2構成的電流源電路CS2來控制第二LED通道CH2的電流，等等。由於在每一LED通道上串接多個LED之故，輸出電壓Vout相當高，因此電晶體Q1-Qn必須使用高耐壓元件，無法整合在積體電路20之內而必須設置在積體電路外部。然而，如此一來積體電路20必須設置通道數目兩倍的接腳P1-P2N，才能控制N串的LED電路。

在某些應用場合中，更如第3圖所示，需將電晶體Q1-Qn的汲極電壓取入積體電路20內部，如此更將此部份所需的接腳數目增加到通道數目的三倍。

有鑑於此，本發明乃提出一種能減少積體電路接腳數目的發光元件控制電路與控制方法。

此外，本發明亦提出一種能動態調整輸出電壓以達最佳電源運用效率的發光元件控制電路與控制方法。

本發明目的之一在提供一種發光元件控制電路。

本發明的另一目的在提供一種發光元件控制方法。

本發明的再一目的在提供一種用於發光元件控制電路中之積體電路。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種發光元件控制電路，包含：功率級控制電路，其控制一功率級電路，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，供應給至少一個發光元件通道，該發光元件通道中包括至少一個發光元件；位於該發光元件通道上的電晶體開關，此電晶體開關接收一控制電壓VG；控制該發光元件通道電流的電流源電路，該電流源電路正常工作所需之最低電壓為VR；以及動態壓差控制電路，其將該電晶體開關電流流出端之電壓VS與電壓VR相比較，判斷在該控制電壓VG大於一參考電壓VH的情況下電壓VS與電壓VR間之關係，而產生控制訊號提供給功率級控制電路，以控制該功率級電路而調整輸出電壓。

就另一個觀點言，本發明提供了一種用於發光元件控制電路中之積體電路，該發光元件控制電路控制至少一個發光元件通道，此發光元件通道中包括至少一個發光元件及一個與該發光元件耦接的電晶體開關，此電晶體開關接收一控制電壓VG，且該發光元件控制電路包含一功率級電路，所述積體電路包含：功率級控制電路，其控制該功率級電路以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，供應給該至少一個發光元件通道；以及控制該發光元件通道電流的電流源電路，該電流源電路正常工作所需之最低電壓為VR；以及動態壓差控制電路，其將該電晶體開關電流流出端之電壓VS與電壓VR相比較，判斷在該控制電壓VG大於一參考電壓VH的情況下電壓VS與電壓VR間之關係，而產生控制訊號提供給功率級控制電路，以控制該功率級電路而調整輸出電壓。

上述控制電路或積體電路中，該動態壓差控制電路可包括：最低值選擇電路，自各發光元件通道上的電晶體開關電流流出端之電壓VS中選擇最低者；比較電路，將最低值選擇電路所選電壓與電壓VR比較；計數器，計數比較電路之比較結果；以及數位類比轉換電路，其將計數器之計數值轉換為類比的控制訊號，提供給功率級控制電路。

上述控制電路或積體電路中，該動態壓差控制電路可包括：最低值選擇電路，自各發光元件通道上的電晶體開關電流流出端之電壓VS中選擇最低者；比較電路，將最低值選擇電路所選電壓與電壓VR比較；以及低通濾波器，其將計數器之計數值轉換為類比的控制訊號，提供給功率級控制電路。

上述控制電路或積體電路中，該動態壓差控制電路可更包含有一短路偵測電路，將該電晶體開關電流流出端之電壓VS與該參考電壓VH比較，以決定該發光元件通道上是否發生短路。

當該輸出電壓供應給至少兩個發光元件通道時，該控制電路或積體電路中可更包含有一電壓控制電路，此電壓控制電路分開提供控制電壓VG給各發光元件通道上的電晶體開關，當偵測到任一發光元件通道上發生短路時，此電壓控制電路使對應之發光元件通道上的電晶體開關不導通。

上述控制電路或積體電路中，該動態壓差控制電路可更包含有一斷路偵測電路，將該電晶體開關電流流入端之電壓VD與電壓VR比較，以決定該發光元件通道上是否發生斷路。

就另一個觀點言，本發明提供了一種發光元件控制方法，該發光元件位於一發光元件通道上，所述方法包含：在該發光元件通道上設置電晶體開關，此電晶體開關接收一控制電壓VG；以一電流源電路控制該發光元件通道的電流，該電流源電路正常工作所需之最低電壓為VR；使該控制電壓VG大於一參考電壓VH；判斷該電晶體開關電流流出端之電壓VS與電壓VR間之關係；以及根據判斷結果，調整供應給該發光元件通道的供應電壓。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參考第4圖，其中顯示本發明的第一個實施例。本發明將電流源電路CS1-CSn整合至積體電路20的內部，並另外在各LED通道CH1-CHn上設置電晶體開關M1-Mn，這些電晶體開關M1-Mn的閘極受電壓VG控制。電壓VG例如可以為固定電壓或週期性的方波訊號。當電壓VG為方波訊號時，可根據電壓VG的佔空比(duty ratio)來調整各LED通道的平均電流，亦即達成調整LED亮度的作用。由於電晶體開關M1-Mn的閘極電壓為VG，因此電晶體開關M1-Mn的源極電壓最高不會超過VG，亦即電晶體開關M1-Mn提供了阻擋高壓的作用，使得電流源電路CS1-CSn內的元件可使用低壓元件來製作，便利於整合至積體電路20的內部。如圖所示，根據本發明，就控制各LED通道而言，積體電路20僅需要設置N+1個接腳，遠較第1、3圖數目為低。

第5圖顯示本發明的另一實施例，在本實施例中，更設置有一個短路偵測電路23，以供偵測各LED通道是否發生短路。如圖所示，偵測各LED通道是否發生短路，並不需要另外設置接腳自積體電路20的外部取訊號，而可自積體電路20的內部取各電晶體開關M1-Mn的源極電壓。

請對照參閱第5圖與第6圖，舉一例說明如何根據電晶體開關M1-Mn的源極電壓來判斷對應各LED通道是否發生短路。在電流導通時，電晶體開關M1-Mn的汲極電壓VD1-VDn等於輸入電壓Vin減掉對應通道中LED的電壓總和，而電晶體開關M1-Mn的源極電壓VS1-VSn則等於VG減掉電晶體的臨界電壓VT。若持續將VG的電壓升高，源極電壓VS1-VSn也會跟著升高，直到源極電壓VS1-VSn約等於汲極電壓VD1-VDn為止，此時源極電壓VS1-VSn的電位會被箝位在電壓VD1-VDn，不會再隨著VG升高而升高。

參閱第5圖與第6圖，假設第一LED通道CH1為正常工作，而第n串LED通道CHn發生短路，則由於短路之故，汲極電壓VDn約等於輸出電壓Vout，遠高於正常狀況下的汲極電壓VD1。因此，我們可任意設定一個位於正常汲極電壓和輸出電壓Vout之間的參考電壓VH，並拉高電壓VG至高於此參考電壓VH。如前所述，當電壓VG升高時，電晶體開關M1-Mn的源極電壓會跟著升高，但最高僅約等於其汲極電壓，故正常工作的第一LED通道中，電壓VS1將被箝止在低於參考電壓VH的電壓VD1，但在發生短路的第n串LED通道CHn中，電壓VSn將高於參考電壓VH。因此，短路偵測電路23中僅需使用比較器比較參考電壓VH與電晶體開關M1-Mn的源極電壓VS1-VSn，便可獲知對應通道的狀況。

偵測各LED通道是否發生短路，可以常態進行或間歇進行。當電壓VG為方波訊號時，請參閱第7、8圖，若使電壓VG的高位準高於參考電壓VH，即為常態進行短路偵測。若每數個週期後才拉高電壓VG超過參考電壓VH，則為間歇性地進行短路偵測。或者，電路亦可僅在開機時進行單一次的短路偵測。當電壓VG為固定電壓時，若保持使其高於參考電壓VH即為常態進行短路偵測，或如第9圖，可在開機時使電壓VG超過參考電壓VH，之後再使電壓VG降為一個低於參考電壓VH的固定電壓，進行單一次的短路偵測。

請再參閱第5圖，在正常操作而非進行短路偵測的情況下，電壓VG的位準應低於參考電壓VH，且任一LED通道CH1-CHn中電晶體開關M1-Mn的源極電壓VS1-VSn應高於某一電壓VR，此電壓VR為電流源電路CS1-CSn正常工作所需的最低電壓。因此，在正常工作時，應該具有以下關係：

其中，以VS表示任一源極電壓VS1-VSn。

另一方面，當任一源極電壓VS(代表VS1-VSn)低於電壓VR時，對應的電流源電路CS1-CSn將無法正常工作，此時表示對應的該串LED通道CH1-CHn中，LED的壓降較大，使得對應的源極電壓VS1-VSn過低，換言之即表示目前的輸出電壓Vout不足而必須增加。第10圖分別顯示輸出電壓Vout充足(左方)與不足(右方)的情況。又，因源極電壓VS1-VSn等於閘極電壓VG減掉電晶體的臨界電壓VT，故若發生源極電壓VS1-VSn過低的情況，也有可能是因為電壓VG不足所致，因此在偵測判斷輸出電壓Vout是否不足時，宜將電壓VG拉高，例如但不限於超過參考電壓VH，以排除誤判的可能。

根據以上，本發明另提出一種動態調整壓差的機制，此即，在進行短路偵測而拉高電壓VG時，除根據第6圖方式判斷汲極電壓VD1-VDn是否高於正常電壓外，尚可一併偵測源極電壓VS1-VSn是否過低，藉以判斷輸出電壓Vout是否不足。當發現任一源極電壓VS1-VSn過低時，即可藉由反饋控制的方式，控制功率級電路60，調升輸出電壓Vout，直到所有的源極電壓VS1-VSn都到達或超過電壓VR為止。又，如果當拉高電壓VG時，汲極電壓VD1-VDn低於電壓VR且並不改變(或是等於源極電壓VS1-VSn)，則表示對應的該串LED通道為斷路狀態。

由上，我們可得出三種判斷機制：

(1)　當VG>VH且VD(或VS)>VH時，表示發生短路。

(2)　當VG>VH且VS<VR時，表示輸出電壓Vout不足。

(3)　當VG>VH且VD<VR(或VD=VS)時，表示此串LED通道為斷路。

其中，VS表示任一源極電壓VS1-VSn，VD表示任一汲極電壓VD1-VDn。

根據第(2)種判斷機制來反饋控制輸出電壓Vout的實施方式，說明如下。請參閱第11圖，首先說明概念，控制LED電流的電流源電路CS1-CSn集合稱為電流調節電路30，由此電路中，我們可以取得源極電壓VS1-VSn(以VS表示任一源極電壓VS1-VSn)，且我們已知使所有電流源電路CS1-CSn都能正常工作所需的最低電壓VR，因此，動態壓差控制電路40便可根據第(2)種判斷機制，當VG>VH並發現任一源極電壓VS過低時，即可控制功率級電路60，調升輸出電壓Vout，直到所有的源極電壓VS都到達或超過電壓VR、且源極電壓VS中最低者(以VSmin表示)恰等於或略高於電壓VR為止。另一方面，當所有源極電壓VS都大於最低電壓VR時，則有可能輸出電壓Vout過高而電源運用效率不為最佳狀態，此時可調降輸出電壓Vout，直到所有源極電壓VS中最低者恰等於或略高於電壓VR。亦即，動態壓差控制電路40可動態調整電壓VS和電壓VR間之關係，使其差值為最佳電源運用效率下的最低值。

須說明的是，圖中繪示動態壓差控制電路40接收電壓VR和VS，此僅是示意表示動態壓差控制電路40取得有關電壓VR和VS的資訊，並非表示動態壓差控制電路40必須接收與電壓VR和VS實質相等的類比電壓；例如，動態壓差控制電路40可以將電壓VR和VS以數位訊號的形式加以比較、或以類比訊號但取分數值的方式來比較。而電壓VR既是一個已知值，就可以在設計電路時以參考電壓的形式設定在動態壓差控制電路40之內，而不一定需要從動態壓差控制電路40的外部取得。又，圖中也繪示動態壓差控制電路40在VG>VH時被致能，此也僅是示意表示動態壓差控制電路40所執行的判斷機制是在VG>VH的狀態下進行，並不表示動態壓差控制電路40必須具有一個致能開關EN，而可以用其他等效方式達成，例如，可在VG>VH的時間點才將動態壓差控制電路40輸出的控制訊號傳遞給功率級控制電路21、或在VG>VH的時間點產生一個訊號，在動態壓差控制電路40內部與其他電路進行邏輯運算，等等。

此外，上述判斷與反饋控制機制，並不限於必須將電晶體設置在積體電路晶片的外側；在電晶體設置於積體電路晶片內部的實施型態中，也仍然可以應用，如第12圖。又，電晶體M1-Mn不限定必須為MOS電晶體，也可改換為雙載子電晶體，如第13、14圖所示，此時電壓VS代表的是雙載子電晶體的射極電壓，亦即不論電晶體M1-Mn為MOS電晶體或雙載子電晶體，電壓VS代表的是電晶體M1-Mn的電流流出端之電壓；第6圖中的電壓VG代表的是電晶體M1-Mn的控制電壓；而第6圖中的電壓VD代表的是電晶體M1-Mn的電流流入端之電壓。

上述動態壓差控制電路40的具體實施型態，舉例而言請參閱第15圖，本實施例中動態壓差控制電路40包括最低值選擇電路41、比較電路42、計數器43、數位類比轉換電路44。最低值選擇電路41自電壓VS1-VSn中選擇最低者，輸入比較電路42與電壓VR比較，其比較結果由計數器43予以計數，再由數位類比轉換電路44將其轉換為類比的控制訊號，提供給功率級控制電路21以控制輸出電壓Vout。如此，就可根據電壓VS1-VSn中最低者和電壓VR之間的差值，來調整輸出電壓Vout。其中，比較電路42宜為磁滯比較電路，但也可為一般比較電路；計數器43宜為上下計數器。

第16圖顯示動態壓差控制電路40的另一個實施例，本實施例中，以低通濾波器45來取代計數器43和數位類比轉換電路44，也同樣可以將比較器42的輸出轉換成類比的控制訊號，提供給功率級控制電路21以控制輸出電壓Vout。

動態壓差控制電路40所輸出的控制訊號，功率級控制電路21可以有種種方式來使用，以調整輸出電壓Vout。舉例而言，如功率級控制電路21是根據輸出電壓Vout的分壓，反饋後在運算放大器中與參考電壓比較而進行調變控制，則如第17圖所示，可將動態壓差控制電路40輸出的控制訊號與取分壓反饋訊號的節點耦接，輸入運算放大器OP中與參考電壓Vref比較，或第18圖所示，可將動態壓差控制電路40輸出的控制訊號作為參考電壓，與分壓反饋訊號比較，皆屬可行。(功率級控制電路21中的其他電路為本業者所已知，且非本案重點，故不予贅示。)

動態壓差控制電路40除了動態控制電壓VS和電壓VR間的壓差之外，尚可根據前述第(1)種判斷機制來判斷各串LED是否短路。請參閱第19圖，動態壓差控制電路40中可更包含一個短路偵測電路46，此電路將電壓VS1-VSn與電壓VH比較，當一或多個電壓VS1-VSn高於電壓VH時，即可輸出切斷訊號，此切斷訊號可用以使電路停止供應輸出電壓Vout、或是用以切斷對應的LED通道。類似地，第16圖電路也可增加此功能，如第20圖所示。

當發現任一LED通道短路時，如欲個別切斷對應的LED通道，則如第21圖所示，可設置一個VG控制電路50，輸出訊號VG1-VGn，個別控制電晶體M1-Mn。動態壓差控制電路40所產生的切斷訊號可輸出給VG控制電路50，而VG控制電路50即根據該切斷訊號而產生適當的訊號VG1-VGn，使對應的LED通道上的電晶體M1-Mn不導通，亦即該LED通道即成為斷路。當然，如第22圖所示，在電晶體M1-Mn設置於積體電路20內部的實施型態中，也同樣可實施此作法。

此外，根據第(3)種判斷機制，如第23、24圖所示，動態壓差控制電路40中可更包含一個斷路偵測電路47，此電路將電壓VD1-VDn與電壓VR比較，當VG>VH且VD<VR(以VD表示任一汲極電壓VD1-VDn)時，表示對應的該串LED通道CH1-CHn為斷路。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，電晶體開關M1-Mn可為NMOS電晶體、亦可為PMOS電晶體；又如，發光元件不必然是發光二極體，而可為任何以電流控制亮度的發光元件；再如，本發明不限於應用在多串LED通道的場合，亦可應用在單一串LED通道的場合，此時動態壓差控制電路40中即可不需要設置最低值選擇電路41；又如，整合在積體電路20內的電流源電路CS1-CSn，可為任何形式之電流源電路，例如可以使用雙載子電晶體來代換其中的MOS電晶體Q1-Qn。凡此種種，均應包含在本發明的範圍之內。

20．．．積體電路

21．．．功率級控制電路

23．．．短路偵測電路

30．．．電流調節電路

40．．．動態壓差控制電路

41．．．最低值選擇電路

42．．．比較電路

43．．．計數器

44．．．數位類比轉換電路

45．．．低通濾波器

46．．．短路偵測電路

47．．．斷路偵測電路

50．．．VG控制電路

60．．．功率級電路

CH1-CHn．．．LED通道

CS1-CSn．．．電流源電路

M1-Mn．．．電晶體開關

OP,OP1-OPn．．．運算放大器

P1-P2N．．．接腳

Q1-Qn．．．電晶體

R1-Rn．．．電阻

第1圖顯示先前技術之發光元件控制電路。

第2A-2G圖顯示功率級電路60的數個實施例。

第3圖顯示另一種先前技術。

第4圖顯示本發明之發光元件控制電路的一個實施例。

第5圖顯示本發明之發光元件控制電路的另一實施例。

第6圖說明偵測短路的機制。

第7圖至第9圖舉例顯示執行短路偵測的幾種方式。

第10圖分別顯示輸出電壓Vout充足(左方)與不足(右方)的情況。

第11圖顯示本發明的另一實施例，本實施例可動態控制電壓VS和電壓VR間之壓差。

第12-14圖顯示可動態控制壓差的另外三個實施例。

第15圖顯示本發明之動態壓差控制電路40的一個實施例。

第16圖顯示本發明之動態壓差控制電路40的另一個實施例。

第17與18圖舉例顯示動態壓差控制電路40輸出的控制訊號如何提供給功率級控制電路21以控制輸出電壓Vout。

第19圖顯示動態壓差控制電路40中可更包含一個比較電路46，以判斷各串LED是否短路。

第20圖顯示本發明之動態壓差控制電路40的另一個實施例。

第21圖顯示本發明之發光元件控制電路的另一實施例，其中以VG控制電路50來分開控制各電晶體M1-Mn。

第22圖顯示本發明之發光元件控制電路的另一實施例。

第23圖顯示動態壓差控制電路40中可更包含一個比較電路47，以判斷各串LED是否斷路。

第24圖顯示本發明之動態壓差控制電路40的另一個實施例。