TWI440393B - 發光二極體驅動系統 - Google Patents

Description

發光二極體驅動系統

本發明涉及一種發光二極體驅動系統，尤其涉及一種包括電流平衡控制器的發光二極體驅動系統。

發光二極體(light emitting diode，LED)因省電節能而越來越多的應用於照明中。針對LED的應用，需要均勻的光源，因此需在LED驅動系統中加入電流平衡控制器，以改善因LED不同的特性造成的在相同的直流電壓驅動下，每一串LED電流不同的狀況。通常，電流平衡控制器採用限流電阻或線性調整電路來控制LED的電流，但這樣電流平衡控制器自身會產生較大的功耗。

有鑑於此，需提供一種LED驅動系統，其能使每串LED上的電流均流，並且每串LED的功率損耗小。

一種發光二極體驅動系統，用於將輸入電源提供的電壓轉換為適合驅動發光二極體陣列工作的電壓，該發光二極體陣列包括複數並聯的發光二極體串，該發光二極體驅動系統包括轉換器、脈衝寬度調變控制器、複數開關元件、複數偵測電阻及電流平衡控制器。該轉換器連接該輸入電源及該等發光二極體串的陽極，用於將該輸入電源提供的電壓轉換，以驅動該等發光二極體串發光。該脈衝寬度調變控制器與該轉換器相連，用於控制該轉換器。該 等開關元件分別包括第一電極、第二電極與第三電極，該等第一電極與該等發光二極體串的陰極一一對應相連，該等第三電極均與該脈衝寬度調變控制器相連。該等偵測電阻的一端與該等開關元件的第三電極一一對應相連，另一端均接地。

該電流平衡控制器與該等開關元件的第二電極、第三電極均相連，並且與參考電壓源相連，用於根據該等偵測電阻的電壓分別控制該等開關元件的導通週期大小，從而使該等並聯的發光二極體串的電流均流。該電流平衡控制器包括取樣器、複數除法器及複數比較器。該取樣器的輸入端與該等開關元件的第三電極均相連，該取樣器用於取出該等開關元件的第三電極中的最小電壓值作為參考值。該等除法器的一輸入端與該等開關元件的第三電極一一對應相連，另一輸入端均接收該參考值，分別用於使該參考值與該等開關元件的第三電極的電壓一一相除，並輸出比值。複數比較器的正向輸入端與該等除法器的輸出端一一對應相連，負向輸入端分別與參考電壓源相連，該等比較器的輸出端與該等開關元件的第二電極一一對應相連，該等比較器分別比較該等比值與該參考電壓源，輸出高電平信號或低電平信號，控制該等開關元件的導通週期大小。

優選地，該電流平衡控制器還包括複數乘法器。該等乘法器一一對應連接於該除法器的輸出端與該等比較器的正向輸入端之間，並均與該外部調光信號相連，用於將該等除法器輸出的比值與該外部調光信號分別相乘後輸入至該等比較器的正向輸入端。

優選地，該參考電壓源為鋸齒波。

優選地，該等開關元件均為N型金屬氧化物半導體場效應管，該 等第一電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的汲極，該等第二電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的閘極，該等第三電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的源極。

上述LED驅動系統根據該等偵測電阻的一端的電壓控制該等開關元件占空比的大小，從而使該等並聯的LED串上的電流均流，並且每串LED的功率損耗小。

10‧‧‧LED驅動系統

Vin‧‧‧輸入電源

20‧‧‧LED陣列

110‧‧‧轉換器

111a、111b‧‧‧電流平衡控制器

112‧‧‧脈衝寬度調變控制器

Q、Q1、Q2‧‧‧開關元件

R、R1、R2‧‧‧偵測電阻

Va‧‧‧參考電壓源

U1、U2‧‧‧比較器

Vs‧‧‧參考值

S1、S2‧‧‧乘法器

M1、M2‧‧‧除法器

V1、V2‧‧‧偵測電阻的分壓

PDIM‧‧‧外部調光信號

P‧‧‧取樣器

圖1為本發明一實施方式中LED驅動系統的模組圖。

圖2為本發明第一實施方式中LED驅動系統的電流平衡控制器的電路圖。

圖3為本發明第二實施方式中LED驅動系統的電流平衡控制器的電路圖。

圖1為本發明一實施方式中發光二極體(Light Emitting Diode,LED)驅動系統10的模組圖，LED驅動系統10用於將輸入電源Vin提供的電壓轉換為適合驅動LED陣列20工作的電壓。在本實施方式中LED陣列20包括複數並聯的LED串，每個LED串由複數LED順向串聯組成，LED串的陽極是指LED串的第一個LED的陽極，LED陣列的陰極是指LED串的最後一個LED的陰極。LED驅動系統10包括轉換器110、脈衝寬度調變控制器112、複數開關元件Q、複數偵測電阻R及電流平衡控制器111。在本實施方式中，開關元件以及偵測電阻的數量與並聯的LED串的數量相對應。例如圖1中所示的LED串的數量為兩個，故相應的開關元件為兩個，即開關元件Q1和Q2，偵測電阻亦是兩個，即電阻R1和R2。轉換器110連接輸入 電源Vin，用於將輸入電源Vin提供的電壓轉換，以驅動LED陣列20發光。脈衝寬度調變控制器112與轉換器110相連，用於產生脈衝寬度調變信號控制轉換器110。

開關元件Q1及Q2分別包括第一電極、第二電極與第三電極，開關元件Q1及Q2的第一電極與相應的LED串的陰極一一對應相連，即開關元件Q1連接第一個LED串的陰極，開關元件Q2連接第二個LED串的陰極。開關元件Q1及Q2的第三電極均與脈衝寬度調變控制器112相連。偵測電阻R1及R2的一端與開關元件Q1及Q2的第三電極一一對應相連，另一端均接地，用於偵測對應的LED串的電流並將電流信號轉換為電壓信號。脈衝寬度調變控制器112連接偵測電阻R1及R2，還用於根據偵測電阻R1及R2偵測的對應的LED串的電流，調整脈衝寬度調變信號的占空比，從而調整轉換器110輸出的電壓。電流平衡控制器111與開關元件Q1及Q2的第二電極、第三電極均相連，並且與參考電壓源Va相連，用於根據偵測電阻R1及R2的分壓控制該等開關元件Q1及Q2的導通週期大小，從而使該等並聯的LED串上的電流均流。

在本實施方式中，偵測電阻R1及R2的一端的電壓經過調整後與參考電壓源Va比較，電流平衡控制器111會輸出高電平或低電平，控制對應的開關元件Q1及Q2的導通週期大小，進而控制每串LED電流的大小，實現該等並聯的LED串的電流均流。開關元件Q1及Q2僅作為開關，即用於通過導通截止來調整LED串的電流的波寬，而不用來調節對應LED串的電流，因而LED串的功率損耗小。

圖2詳解了本發明第一實施方式中LED驅動系統10中電流平衡控制器一種實施方式111a的電路圖。在本實施方式中，電流平衡控制 器111a包括取樣器P、複數除法器M1、M2……及複數比較器U1、U2……。在本實施方式中，除法器以及比較器的數量也與並聯的LED串的數量相對應。因圖1中LED串的數量為兩個，故在圖2中僅示出兩個除法器M1及M2和兩個比較器U1及U2。取樣器P的輸入端與開關元件Q1及Q2的第三電極均相連，取樣器P用於取出開關元件Q1及Q2的第三電極的最小電壓值，並輸出最小電壓值作為參考值Vs。除法器M1及M2的一輸入端與開關元件Q1及Q2的第三電極一一對應相連，另一輸入端均接收參考值Vs，用於使參考值Vs與開關元件Q1及Q2的第三電極的電壓一一相除，並輸出該等相除後的值。比較器U1及U2的正向輸入端與除法器M1及M2的輸出端一一對應相連，負向輸入端分別與參考電壓源Va相連，比較器U1及U2的輸出端與開關元件Q1及Q2的第二電極一一對應相連。比較器U1及U2將該等除法器M1及M2所輸出的值與參考電壓源Va分別比較，以確定輸出高電平或低電平信號，從而控制開關元件Q1及Q2的導通週期大小。

在本實施方式中，參考電壓源Va為鋸齒波。開關元件Q1及Q2均為N型金屬氧化物半導體場效應管，該等第一電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的汲極，該等第二電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的閘極，該等第三電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的源極。

在本實施方式中，參考值Vs為偵測電阻R1的分壓V1與偵測電阻R2的分壓V2兩者中的最小值，並且參考電壓源Va的電壓的最大值大於參考值Vs，參考電壓源Va的電壓的最小值小於參考值Vs。當偵測電阻R1的分壓V1大於偵測電阻R2的分壓V2時，即與開關元件Q1 相連的LED串的電流大於與開關元件Q2相連的LED串的電流時，則除法器M1的輸出端的電壓小於除法器M2輸出端的電壓。又因為在參考電壓源Va的電壓小於除法器M1與M2輸出端的電壓時，比較器U1與U2才會輸出高電平，開關元件Q1與Q2才會導通，所以開關元件Q1的閘極接收的信號的占空比小於開關元件Q2閘極接收的信號的占空比，即開關元件Q1的導通週期小於開關元件Q2的導通週期。因而，與開關元件Q1相連的LED串的電流的波寬小於與開關元件Q2相連的LED串的電流的波寬，從而使開關元件Q1和開關元件Q2對應的LED串上的電流均流。

例如，當偵測電阻R1的分壓V1等於0.8V，偵測電阻R2的分壓V2等於0.4V時，參考值Vs為偵測電阻R1的分壓V1與偵測電阻R2的分壓V2兩者中的較小值，即參考值Vs等於0.4V。這樣，除法器M1輸出的值為0.4V/0.8V即0.5，除法器M2輸出的值為0.4V/0.4V即1。又因為在參考電壓源Va的電壓小於除法器M1與M2輸出的值時，比較器U1與U2才會輸出高電平，開關元件Q1與Q2才會導通。故，當參考電壓源Va的電壓小於0.5V時，比較器U1和U2均會輸出高電平，開關元件Q1和Q2均導通；當參考電壓源Va的電壓大於0.5V並且小於1V時，比較器U1輸出低電平而比較器U2輸出高電平，開關元件Q1截止而開關元件Q2導通。這樣，開關元件Q1的導通週期小於開關元件Q2的導通週期，與開關元件Q1相連的LED串的電流的波寬小於與開關元件Q2相連的LED串的電流的波寬，從而實現開關元件Q1和開關元件Q2對應的LED串上的電流均流。

圖3詳解了本發明第二實施方式中LED驅動系統10中電流平衡控制器111b的電路圖。本實施方式中的電流平衡控制器111b與圖2所 示電流平衡控制器111a的電路基本相同，區別在於電流平衡控制器111b還包括複數乘法器S1及S2。乘法器S1和S2一一對應連接於除法器M1及M2的輸出端與比較器U1及U2的正向輸入端之間，並均接收外部調光信號PDIM。該等乘法器S1和S2用於將除法器M1及M2的輸出端的比值與外部調光信號PDIM分別相乘後輸入至比較器U1及U2的正向輸入端。

本實施方式的電路工作原理與第一實施方式的不同之處在於利用外部調光信號PDIM結合該等LED串的電流的波寬來使LED串上的電流均流，增加了該等LED串的電流的波寬的可調性。在本實施方式中外部調光信號PDIM為方波。

上述LED驅動系統10根據複數偵測電阻R(在圖中僅示出R1及R2)的電壓(在圖中僅示出V1及V2)控制複數開關元件Q(在圖中僅示出Q1及Q2)的導通週期大小，從而使複數並聯的LED串上的電流均流，並且每串LED的功率損耗小。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧LED驅動系統

Vin‧‧‧輸入電源

20‧‧‧LED陣列

110‧‧‧轉換器

111‧‧‧電流平衡控制器

112‧‧‧脈衝寬度調變控制器

Q、Q1、Q2‧‧‧開關元件

R、R1、R2‧‧‧偵測電阻

Va‧‧‧參考電壓源

Claims (3)

1. 一種發光二極體驅動系統，用於將輸入電源提供的電壓轉換為適合驅動發光二極體陣列工作的電壓，該發光二極體陣列包括複數並聯的發光二極體串，其改良在於，該發光二極體驅動系統包括：轉換器，連接該輸入電源及該等發光二極體串的陽極，用於將該輸入電源提供的電壓轉換，以驅動該等發光二極體串發光；脈衝寬度調變控制器，與該轉換器相連，用於控制該轉換器；複數開關元件，分別包括第一電極、第二電極與第三電極，該等第一電極與該等發光二極體串的陰極一一對應相連，該等第三電極均與該脈衝寬度調變控制器相連；複數偵測電阻，一端與該等開關元件的第三電極一一對應相連，另一端均接地；及電流平衡控制器，與該等開關元件的第二電極、第三電極均相連，並且與參考電壓源相連，用於根據該等偵測電阻的電壓分別控制該等開關元件的導通週期大小，從而使該等並聯的發光二極體串的電流均流，該電流平衡控制器包括：取樣器，該取樣器的輸入端與該等開關元件的第三電極均相連，該取樣器用於取出該等開關元件的第三電極中的最小電壓值作為參考值；複數除法器，該等除法器的一輸入端與該等開關元件的第三電極一一對應相連，另一輸入端均接收該參考值，該等除法器用於使該參考值與該等開關元件的第三電極的電壓一一相除，並輸出比值；複數比較器，正向輸入端與該等除法器的輸出端一一對應相連，負向輸入端分別與參考電壓源相連，該等比較器的輸出端與該等開關元件的第 二電極一一對應相連，該等比較器分別比較該等比值與該參考電壓源，輸出高電平信號或低電平信號，控制該等開關元件的導通週期大小；及複數乘法器，一一對應連接於該等除法器的輸出端與該等比較器的正向輸入端之間，並均接收外部調光信號，用於將該等除法器輸出的比值與該外部調光信號分別相乘後輸入至該等比較器的正向輸入端。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動系統，其改良在於，該參考電壓源為鋸齒波。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動系統，其改良在於，該等開關元件均為N型金屬氧化物半導體場效應管，該等第一電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的汲極，該等第二電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的閘極，該等第三電極均為N型金屬氧化物半導體場效應管的源極。