TWI441553B - 對光源供電之差分驅動電路及驅動系統 - Google Patents

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TWI441553B TW100139126A TW100139126A TWI441553B TW I441553 B TWI441553 B TW I441553B TW 100139126 A TW100139126 A TW 100139126A TW 100139126 A TW100139126 A TW 100139126A TW I441553 B TWI441553 B TW I441553B
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Description

對光源供電之差分驅動電路及驅動系統
本發明係有關一種驅動電路，特別是一種差分驅動電路。
利用發光二極體作為背光元件可應用在各種系統中，例如膝上型電腦、液晶顯示器和液晶顯示電視等。在大型液晶顯示電視中可採用包含了上百個發光二極體的多個發光二極體串。系統中的驅動電路對發光二極體串供電。為了降低驅動電路的成本，發光二極體串採並聯耦接方式排列。因此，為了並聯耦接包含少量之發光二極體串，每個發光二極體串包含多個串聯的發光二極體。因此，發光二極體串兩端的電壓相對較高。而相對較高的電壓對驅動電路的一些電路元件產生較大的應力，為了適應高應力，驅動電路的成本有所增加。
圖1所示為現有技術之驅動電路100。在圖1中，由驅動電路100所驅動的光源包括一發光二極體串110，其係包含多個彼此串聯耦接的發光二極體。升壓轉換器120包括電容121、二極體122、開關123(例如，MOSFET)、以及電感124。升壓轉換器120將輸入電壓VIN (例如，24伏)轉換成電容121兩端的輸出電壓VOB (例如，400伏)。一降壓轉換器130耦接於升壓轉換器120及發光二極體串110之間，其包括電容131、二極體132、開關133(例如，MOSFET)、以及電感134。降壓轉換器130將升壓轉換器120的輸出電壓VOB (例如，400伏)轉換成發光二極體串110所需的電壓VLED (例如，200伏)，並對發光二極體串110供電。因此，電容121的電壓、二極體122和開關123的電壓、以及二極體132和開關133的電壓相對較高。由此，高電壓對二極體122和132、以及開關123和133產生較大應力。因此，為了適應高應力，開關123和133的成本有所增加。另外，升壓-降壓轉換器結構使驅動電路100之架構更為複雜。
本發明的目的為提供一種對一光源供電的差分驅動電路，包括：多個第一開關，其中，當該多個第一開關閉合時，一第一電流從一電源流經該多個第一開關，對一第一能量儲存元件進行充電；多個第二開關，其中，當該多個第二開關閉合時，一第二電流從該第一能量儲存元件流經該多個第二開關，給該光源供電；以及一第二能量儲存元件，並聯耦接至該光源，且對該光源提供一差分電壓。
本發明還提供一種對一光源供電的驅動系統，包括：一第一開關，耦接於該電源和一第一能量儲存元件的一第一端之間；一第二開關，耦接於該第一能量儲存元件的一第二端和一參考端之間；一第三開關，耦接於該第一能量儲存元件的該第一端和該光源的一第二端之間；以及一第四開關，耦接於該第一能量儲存元件的該第二端和該光源的一第一端之間，其中，控制該第一開關、該第二開關、該第三開關和該第四開關的一導通狀態以調整對該光源之供電，一第一信號控制該第一開關和該第二開關的導通狀態，一第二信號控制該第三開關和該第四開關的導通狀態。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
在一個實施例中，本發明公開了一種對光源供電的差分驅動電路。差分驅動電路包括第一組開關和第二組開關。當第一組開關閉合時，第一電流從電源流經第一組開關，對第一能量儲存元件進行充電。當第二組開關閉合時，第二電流從第一能量儲存元件流經第二組開關，對光源供電。差分驅動電路包括與光源相並聯且對光源提供差分電壓的第二能量儲存元件。與現有技術中的驅動電路相比，差分驅動電路中的電路元件(例如，開關)的電壓應力變小。
圖2所示為根據本發明一實施例差分驅動電路200示意圖。差分驅動電路200包括轉換器220，轉換器220將來自於電源201的輸入電壓VIN 轉換成輸出電壓VOUT ，對負載(例如，光源)供電。在圖2所示的實施例中，光源包括發光二極體串210。差分驅動電路200還可對其他類型的光源或負載供電。發光二極體串210包括多個串聯耦接的發光二極體。根據來自於電源201的輸入電壓VIN 和驅動發光二極體串210所需的電壓，轉換器220可為交流/直流升壓轉換器、交流/直流降壓轉換器、直流/直流升壓轉換器、或直流/直流降壓轉換器。
轉換器220包括多個開關221-224。開關221耦接於電源201和能量儲存元件(例如，電感225)之第一端之間。開關222耦接於電感225的第一端和發光二極體串210的負極之間。開關223耦接於電感225的第二端和一參考端(例如，地)之間。開關224耦接於電感225的第二端和發光二極體串210的正極之間。
在一實施例中，開關221-224分別包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)231-234。在一實施例中，金屬氧化物半導體場效電晶體231-234可為N通道MOSFET。本體二極體241-244分別與金屬氧化物半導體場效電晶體231-234耦接。更具體而言，在圖2所示的實施例中，本體二極體241-244的負極分別耦接至金屬氧化物半導體場效電晶體231-234的汲極，而本體二極體241-244的正極分別耦接至金屬氧化物半導體場效電晶體231-234的源極。金屬氧化物半導體場效電晶體231和233的導通狀態 係受控於一驅動信號SA ，而電晶體232和234的導通狀態係受控於一驅動信號SB 。透過調整驅動信號SA 和SB ，以調整電晶體231-234的導通狀態(例如，閉合/斷開狀態)，進而得到發光二極體串210所需的電壓VLED ，以驅動發光二極體串210。
轉換器220還包括能量儲存元件(例如，串聯耦接的電容250和電容260)。在圖2所示的實施例中，電容250的正極與發光二極體串210的正極相連，電容250的負極與參考端(例如，地)相連。電容260的正極與參考端(例如，地)相連，而電容260的負極與發光二極體串210的負極相連。電容250和260平滑轉換器220的輸出電壓VOUT ，並降低漣波電流。在一實施例中，電容250及電容260的電容量相等。因此，電容250的電壓等於電容260的電壓。由此，電容250和260對發光二極體串210提供差分電壓。換言之，在圖2所示的實施例中，假設電容250的電壓為VO ，發光二極體串210的正極接收電壓VO ，發光二極體串210的負端接收電壓-VO 。
圖3所示為根據本發明圖2所示實施例差分驅動電路200中之驅動信號SA 和SB 時序圖。波形310表示驅動信號SA 的時序圖。波形320表示驅動信號SB 的時序圖。
在一實施例中，驅動信號SA 和SB 為週期性信號，交替地閉合電晶體231、電晶體233和電晶體232、電晶體234。在圖3所示的實施例中，驅動信號SA 和SB 互補。在時間段TON 中，驅動信號SA 為邏輯高，驅動信號SB 為邏輯低。電晶體231和電晶體233閉合，而電晶體232和電晶體234斷 開。在時間段TOFF 中，驅動信號SA 為邏輯低，驅動信號SB 為邏輯高。電晶體231和電晶體233斷開，而電晶體232和電晶體234閉合。
圖4所示為根據本發明實施例之差分驅動電路200在時間段TON 中的運行圖。如圖3所述，在時間段TON 中，電晶體231和233閉合，電晶體232和234斷開。分別與電晶體232和234相連的本體二極體242和244被反向截止，進而被關斷。因此，在時間段TON 中，來自於電源201的電流IL 流經電晶體231和電晶體233，對電感225進行充電。
圖5所示為根據本發明實施例之差分驅動電路200在時間段TOFF 中的運行圖。如圖3所述，在時間段TOFF 中，電晶體231和233斷開，電晶體232和234閉合。分別與電晶體231和233相連的本體二極體241和243被反向截止，進而被關斷。因此，來自於電感225的電流IL 流經電晶體234和電晶體232，對發光二極體串210供電。
圖6所示為根據本發明實施例之差分驅動電路200的電流IL 的波形圖。波形610表示流經電感225的電流IL 。在圖6所示的實施例中，在時間段TON 中的電流IL 的變化量等於在時間段TOFF 中的電流IL 的變化量，如方程式(1)所示：(VIN /L)*TON =(2VO /L)*TOFF =(2VO /L)*(TS -TON ) (1)
VIN 為電源201的輸入電壓、L為電感225的電感量、TON 為電晶體231和233閉合時的導通時間、TOFF 為電晶體232和234閉合時的斷開時間。TS 為驅動信號SA 和SB 的週期、2VO 為轉換器220的輸出電壓VOUT 。
TON 可由方程式(2)計算得之：
TON =D*TS 　(2)
D為驅動信號SA 的責任週期。
結合方程式(1)和(2)，由方程式(3)計算可得到VO 的值：
VO =(VIN /2)*D/(1-D)　(3)
因此，轉換器220的輸出電壓VOUT 驅動發光二極體串210，由方程式(4)計算所得：
VOUT =2VO =VIN *D/(1-D)　(4)
例如，假設輸入電壓VIN 為24伏特，轉換器220的輸出電壓VOUT 為200伏特。因此，根據方程式(3)，驅動信號SA 的責任週期大約為0.9。電晶體231和232的壓降等於VIN 和VO 之和，例如124伏。電晶體233和234的壓降為VO ，例如100伏。與圖1所示的現有技術中的驅動電路100相比，差分驅動電路200中的電晶體231-234的壓降更小。有利的是，由於應力變小，電晶體231-234的成本更低。
圖7所示為根據本發明一實施例差分驅動系統700示意圖。與圖2中標記相同的元件具有相似的功能。圖7將結合圖2-圖6進行描述。
在圖7所示的實施例中，感測器(例如，檢測電阻710)與發光二極體串210串聯耦接，轉換器220的輸出電壓VOUT 驅動發光二極體串210。檢測電阻710檢測流經發光二極體串210的電流，並產生指示發光二極體串210的電流的電壓。
差分驅動系統700還包括與檢測電阻710相連的控制器720，控制器720接收表示發光二極體串210的電流的檢測信號，並根據檢測信號產生驅動信號SA 和SB ，以調整對發光二極體串210的供電。例如，當輸入電壓VIN 發生變化時，轉換器220的輸出電壓VOUT 亦隨之變化。由此，發光二極體串210的電流發生變化。控制器720檢測發光二極體串210的電流，且調整驅動信號SA 和SB 的責任週期，以調整電晶體231-234的閉合/斷開時間，直到發光二極體串210的電流達到理想值。
例如，當發光二極體串210的電流增大時(例如，當輸入電壓VIN 增大)，控制器720減小驅動信號SA 的責任週期，以縮短電晶體231和233的閉合時間。同時，增大驅動信號SB 的責任週期，以延長電晶體232和234的閉合時間。當發光二極體串210的電流降低時(例如，輸入電壓VIN 降低)，控制器720增大驅動信號SA 的責任週期，以延長電晶體231和233的閉合時間。同時，降低驅動信號SB 的責任週期，以縮短電晶體232和234的閉合時間。因此，透過調整驅動信號SA 和SB 的責任週期，將發光二極體串210的電流調整到理想值。
更具體而言，在一實施例中，控制器720包括電流檢測放大器721、誤差放大器722、比較器723和驅動器724。電流檢測放大器721接收表示流經發光二極體串210之電流的檢測電阻710上之跨壓。電流檢測放大器721將檢測電阻710上之跨壓轉換成一放大的輸出信號。誤差放大器722接收來自於電流檢測放大器721的輸出信號。誤差放 大器722比較表示發光二極體串210的電流的輸出信號與一參考信號，並根據一比較結果產生一誤差信號。在一實施例中，比較器723耦接至誤差放大器722，並將誤差信號與一鋸齒信號進行比較。驅動器724耦接至比較器723，並根據誤差信號和鋸齒信號的一比較結果調整驅動信號SA 和SB 的責任週期。在驅動信號SA 和SB 的控制下，調整電晶體231-234的導通狀態。
因此，本發明實施例公開了對光源供電之差分驅動電路。差分驅動電路包括第一能量儲存元件、第一組開關和第二組開關。第一組開關包括第一開關和第二開關。第一開關耦接於電源和第一能量儲存元件的第一端之間。第二開關耦接於第一能量儲存元件的第二端和一參考端(例如，地)之間。第二組開關包括第三開關和第四開關。第三開關耦接於第一能量儲存元件的第一端和光源的第一端之間。第四開關耦接於第一能量儲存元件的第二端和光源的第二端之間。驅動信號SA 控制第一組開關的導通狀態。驅動信號SB 控制第二組開關的導通狀態。在一實施例中，第一組開關和第二組開關交替地閉合。透過調整驅動信號SA 和SB 的責任週期，調整第一組開關和第二組開關的導通狀態，進而獲得對光源供電所需的電壓VLED 。
差分驅動電路還包括與光源相並聯的第二能量儲存元件。在一實施例中，第二能量儲存元件包括彼此串聯耦接的第一電容和第二電容。第一電容的正極與光源的第二端相連。第一電容的負極和第二電容的正極與參考端(例如，地)相連。第二電容的負極與光源的第一端相連。在一實施例中，第一電容及第二電容的電容量相等。因此，第一電容的電壓等於第二電容的電壓。由此，產生一差分電壓以驅動光源。例如，光源的一端電壓為+VO ，另一端電壓為-VO 。因此，第一開關和第三開關之間的跨壓等於VIN 和VO 之和。第二開關和第四開關的電壓為VO 。
有利之處在於，由於採用差分驅動電路對光源供電，電路元件(例如，第一開關、第二開關、第三開關和第四開關)的電壓應力減小。與現有技術中的升壓-降壓結構相比，在本發明的差分驅動電路中，由於電壓應力減小，第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的成本更低。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
100．．．驅動電路
110．．．發光二極體串
120．．．升壓轉換器
121．．．電容
122．．．二極體
123．．．開關
124．．．電感
130．．．降壓轉換器
131．．．電容
132．．．二極體
133．．．開關
134．．．電感
200．．．差分驅動電路
201．．．電源
210．．．發光二極體串
220．．．轉換器
221~224．．．開關
225．．．電感
231~234．．．金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
241~244．．．本體二極體
250、260．．．電容
310、320、610．．．波形
700．．．差分驅動系統
710．．．檢測電阻
720．．．控制器
721．．．電流檢測放大器
722．．．誤差放大器
723．．．比較器
724．．．驅動器
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：
圖1所示為現有技術之驅動電路。
圖2所示為根據本發明一實施例差分驅動電路示意圖。
圖3所示為根據本發明圖2所示實施例差分驅動電路中之驅動信號SA 和SB 時序圖。
圖4所示為根據本發明實施例之差分驅動電路在時間段TON 中的運行圖。
圖5所示為根據本發明實施例之差分驅動電路在時間段TOFF 中的運行圖。
圖6所示為根據本發明實施例之差分驅動電路的電流IL 的波形圖。
圖7所示為根據本發明一實施例差分驅動系統示意圖。
200．．．差分驅動電路
201．．．電源
210．．．發光二極體串
220．．．轉換器
221~224．．．開關
225．．．電感
231~234．．．金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
241~244．．．本體二極體
250、260．．．電容

Claims (18)

  1. 一種對一光源供電的差分驅動電路，包括：多個第一開關，其中，當該多個第一開關閉合時，一第一電流從一電源流經該多個第一開關，對一第一能量儲存元件進行充電；多個第二開關，其中，當該多個第二開關閉合時，一第二電流從該第一能量儲存元件流經該多個第二開關，給該光源供電；以及一第二能量儲存元件，並聯耦接至該光源，且對該光源提供一差分電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項的差分驅動電路，其中，該第二能量儲存元件包括互相串聯耦接的一第一電容和一第二電容。
  3. 如申請專利範圍第2項的差分驅動電路，其中，該第一電容的一正極耦接至該光源的一第一端，該第一電容的一負極和該第二電容的一正極耦接至一參考端，以及該第二電容的一負極耦接至該光源的一第二端。
  4. 如申請專利範圍第1項的差分驅動電路，其中，該多個第一開關和該多個第二開關交替地閉合。
  5. 如申請專利範圍第1項的差分驅動電路，其中，該多個第一開關包括一第一開關和一第二開關，該第一開關耦接於該電源和該第一能量儲存元件的一第一端之間，以及該第二開關耦接於該第一能量儲存元件的一第二端和一參考端之間。
  6. 如申請專利範圍第1項的差分驅動電路，其中，該多個第二開關包括一第一開關和一第二開關，該第一開關耦接於該第一能量儲存元件的一第一端和該光源的一第二端之間，以及該第二開關耦接於該第一能量儲存元件的一第二端和該光源的一第一端之間。
  7. 如申請專利範圍第1項的差分驅動電路，其中，該光源包括一發光二極體串。
  8. 一種對一光源供電的驅動系統，包括：一第一開關，耦接於用於為該驅動系統提供電能的一電源和一第一能量儲存元件的一第一端之間；一第二開關，耦接於該第一能量儲存元件的一第二端和一參考端之間；一第三開關，耦接於該第一能量儲存元件的該第一端和該光源的一第二端之間；以及一第四開關，耦接於該第一能量儲存元件的該第二端和該光源的一第一端之間，其中，控制該第一開關、該第二開關、該第三開關和該第四開關的一導通狀態以調整對該光源之供電，一第一信號控制該第一開關和該第二開關的導通狀態，一第二信號控制該第三開關和該第四開關的導通狀態。
  9. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，其中，該第一信號和該第二信號互補。
  10. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，其中，當該第一信號在一第一狀態時，一第一電流從該電源流經該第 一開關和該第二開關，對該第一能量儲存元件進行充電。
  11. 如申請專利範圍第10項的驅動系統，其中，當該第一信號在一第二狀態時，一第二電流從該第一能量儲存元件流經該第四開關和該第三開關，對該光源供電。
  12. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，更包含：一第二能量儲存元件，並聯耦接至該光源，且對該光源提供一差分電壓。
  13. 如申請專利範圍第12項的驅動系統，其中，該第二能量儲存元件包括串聯耦接的一第一電容和一第二電容，該第一電容的一正極耦接至該光源的該第一端，該第一電容的一負極和該第二電容的一正極耦接至該參考端，以及該第二電容的一負極耦接至該光源的該第二端。
  14. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，其中，該光源包括一發光二極體串。
  15. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，更包含：一感測器，串聯耦接至該光源，且檢測流經該光源的一電流。
  16. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，更包含：一控制器，該控制器接收表示流經該光源的一電流的一檢測信號，並根據該檢測信號產生該第一信號和該第二信號以調整對該光源之供電。
  17. 如申請專利範圍第8項的驅動系統，更包含：一誤差放大器，該誤差放大器比較表示流經該光源之一電流的一檢測信號與一參考信號，並產生一誤差信號；以及一比較器，耦接至該誤差放大器，並比較該誤差信號與一鋸齒信號。
  18. 如申請專利範圍第17項的驅動系統，更包含：一驅動器，耦接至該比較器，產生該第一信號和該第二信號，以及根據該誤差信號和該鋸齒信號的一比較結果調整該第一信號和該第二信號的一責任週期。
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