TWI454177B - 發光二極體驅動電路及用以控制功率開關之電路 - Google Patents

Description

發光二極體驅動電路及用以控制功率開關之電路

本發明是有關於一種發光二極體(Light Emitting Diode)驅動電路，且特別是有關於一種電路係利用脈寬調變(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)藉以控制發光二極體驅動電路之功率開關。

圖1是習知之一種發光二極體驅動電路100的示意圖。發光二極體驅動電路100由升壓型直流轉直流轉換器130及其負載120所構成。負載120包括多個串列排列之發光二極體104與一電流鏡103，其中電流鏡103耦接串列排列之發光二極體104。升壓型轉換器130包括電感L1、開關Q1、脈寬調變控制器101、二極體D1、電阻R11、R12與電容C1。電感L1之第一端接收輸入電壓Vin1，其第二端耦接開關Q1之第一端。二極體D1之陽極耦接開關Q1之第一端，二極體D1之陰極耦接電容C1之第一端。電容C1之第二端接收接地電壓。脈寬調變控制器101利用脈寬調變訊號PS1，藉以控制開關Q1。當開關Q1導通時，流經電感L1之電流則會增加。當開關Q1關閉時，電感L1所累積的能量則會轉移給電容C1，藉以維持提供給發光二極體104之驅動電壓Vout1。電阻R11、R12構成一個分壓電路，用以提供回授電壓FB1給脈寬調變控制器101。脈寬調變控制器101則依據回授電壓FB1決定脈寬調變訊號PS1之工作週期(Duty Cycle)。

發光二極體之發光顏色是由驅動電流所決定。發光二極體之亮度是由其驅動電流之工作週期所控制。舉例來說，當驅動電流之工作週期為50%時，亮度則為最大準位之50%。在發光二極體驅動電路100中，當調光控制訊號DCS1致能時，電流鏡103則提供流經發光二極體104之驅動電流，且當調光控制訊號DCS1禁能時，電流鏡103則截止流經發光二極體104之驅動電流。因此，調光控制訊號DCS1之工作週期即發光二極體104驅動電流之工作週期。

開關Q1為功率金氧半場效電晶體(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱Power MOSFET)。功率金氧半場效電晶體是大型外部元件。每當透過閘極端導通或關閉功率金氧半場效電晶體時，會消耗相當大的功率。而脈寬調變控制器101會不斷地輸出脈寬調變訊號PS1。換言之，即使調光控制訊號DCS1禁能，功率開關Q1仍會進行開關動作，因此導致效能低落且浪費功率。隨著調光控制訊號DCS1之工作週期愈低，此問題則會愈趨嚴重。此外，不必要之開關動作不但會對電容C1過度充電(Overcharge)，而且還會擴大驅動電壓Vout1之漣波(Ripple)。

本發明提供一種發光二極體驅動電路以及用以控制發光二極體驅動電路之功率開關之電路。當發光二極體之驅動電流截止，上述之電路則關閉功率開關藉以防止不必要之開關動作。因此，上述之電路可減少功率消耗並提高效率。此外，上述之電路之另一特點在於，不會對電容過度充電，因此驅動電壓之漣波則會變小。

本發明提出一種發光二極體驅動電路，包括開關、脈寬調變控制器、電流源與訊號控制器。開關之第一端輸出驅動電壓給發光二極體。脈寬調變控制器提供脈寬調變訊號。當調光控制訊號致能時，電流源則提供驅動電流流經發光二極體。當調光控制訊號禁能時，訊號控制器則關閉開關，且當調光控制訊號致能時，訊號控制器則將脈寬調變控制器之脈寬調變訊號傳遞至開關，藉以控制開關。

在本發明之一實施例中，發光二極體驅動電路更包括緩衝器，耦接於訊號控制器與開關之間。

在本發明之一實施例中，發光二極體驅動電路更包括電壓偵測器，用以產生回授訊號，此回授訊號用以指示驅動電壓之狀態，且脈寬調變控制器依據回授訊號決定脈寬調變控制訊號之工作週期。

在本發明之一實施例中，當該回授訊號指示驅動電壓之錯誤狀態時，脈寬調變控制器則致能錯誤訊號。當驅動電壓低於一個閥值時，則發生錯誤狀態。當錯誤訊號致能時，即使調光控制訊號禁能，訊號控制器仍將脈寬調變控制器之脈寬調變訊號傳遞至開關。

在本發明之一實施例中，訊號控制器，包括或閘及與閘。或閘用以接收調光控制訊號與錯誤訊號。與閘用以接收脈寬調變訊號與或閘之輸出訊號。其中與閘之輸出訊號用以控制開關。

從另一觀點來看，本發明提出一種控制功率開關之電路，用以控制功率開關，用以提供驅動電壓給發光二極體，其中當調光控制訊號致能時，則提供驅動電流流經發光二極體。此控制功率開關之電路包括脈寬調變控制器與訊號控制器。脈寬調變控制器用以提供脈寬調變訊號。當調光控制訊號禁能時，訊號控制器關閉功率開關，當調光控制訊號致能時，訊號控制器則將脈寬調變控制器之脈寬調變訊號傳遞至功率開關，藉以控制功率開關。

為讓本發明之上述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。

圖2是本發明之一實施例之一種發光二極體驅動電路200之示意圖。發光二極體驅動電路200為習知發光二極體驅動電路100之改良。簡單地說，當開關SW2不需進行開關動作時，發光二極體驅動電路200則關閉開關SW2。

發光二極體驅動電路200用以驅動發光二極體204，且發光二極體驅動電路200可分為升壓型直流轉直流轉換器230及其負載220兩部分。負載220包括串列排列之發光二極體204與電流鏡203，此電流鏡203耦接發光二極體204。當調光控制訊號DCS2致能時，電流鏡203則提供驅動電流流經發光二極體204。當調光控制訊號DCS2禁能時，電流鏡203則截止驅動電流。升壓型直流轉直流轉換器230包括控制電路210、開關SW2、電感L2、二極體D2、電容C2與電阻R21、R22。控制電路210包括脈寬調變控制器201與訊號控制器202。脈寬調變控制器201用以提供脈寬調變訊號PS2。當調光控制訊號DCS2禁能時，訊號控制器202則關閉開關SW2。當調光控制訊號DCS2致能時，訊號控制器202則將脈寬調變控制器201之脈寬調變訊號PS2傳遞給開關SW2，藉以控制開關SW2，開關SW2之第一端則輸出驅動電壓Vout2給發光二極體204。如此一來，訊號控制器202則可防止開關SW2之不必要的開關動作，且當發光二極體204不需被驅動時，訊號控制器202則可關閉開關SW2藉以減少功率消耗。在本實施例中，開關SW2為功率金氧半場效電晶體。

電阻R21之第一端接收驅動電壓Vout2。電阻R22之第一端耦接電阻R21之第二端。電阻R22之第二端則接收接地電壓。電阻R21、R22構成電壓偵測器。電壓偵測器產生回授訊號FB2，用以指示驅動電壓Vout2之狀態。脈寬調變控制器201依據回授訊號FB2決定脈寬調變訊號PS2之工作週期。

升壓型轉換器230之其他部分可參照習知之升壓型轉換器130。在其他實施例中，緩衝器(未繪示)可耦接於訊號控制器202與開關SW2之間，藉以加強訊號控制器202之驅動能力。

圖3是本發明之另一實施例之一種發光二極體驅動電路300之示意圖。發光二極體驅動電路300之組成與發光二極體驅動電路200相類似，值得注意的是脈寬調變控制器301與訊號控制器302所增加之功能。當回授訊號FB3指示驅動電壓Vout3之錯誤狀態時，脈寬調變控制器301則致能錯誤訊號FS。回授訊號FB3是由R31與R32所組成之電壓偵測器所提供。在此實施例中，當驅動電壓Vout3低於預設之閥值時，則發生此錯誤狀態。例如，閥值可以是最大輸出電壓準位之90%。當錯誤訊號FS致能時，即使調光控制訊號DCS3禁能，訊號控制器302仍會將脈寬調變控制器301之脈寬調變訊號PS3傳遞至開關SW3。當調光控制訊號DCS3禁能時，發光二極體304則不會被驅動，且不會有驅動電流流經發光二極體304。然而，由於驅動電壓Vout3為利用電容C3來維持其電荷，因此驅動電壓Vout3可能會因漏電流(Leakage)而逐漸地下降。在本實施例中，當驅動電壓Vout3低於預設之閥值時，訊號控制器302則恢復開關SW3之操作，藉以維持驅動電壓Vout3之驅動能力。

圖4是本發明之一實施例之一種訊號控制器302之電路的示意圖。訊號控制器302包括或閘401及與閘402。或閘401接收調光控制訊號DCS3與錯誤訊號FS。與閘402接收脈寬調變訊號PS3與或閘401之輸出訊號。與閘402之輸出訊號SDS用以控制開關SW3。顯而易見地，當錯誤訊號FS與調光控制訊號DCS3其中之一致能時，訊號控制器302則將脈寬調變訊號PS3傳遞給開關SW3，且當錯誤訊號FS與調光控制訊號DCS3皆禁能時，訊號控制器302則關閉開關SW3。

圖5是發光二極體驅動電路300內之重要訊號之時序圖，用以顯示發光二極體驅動電路300之標準操作情形。在時間點T1時，調光控制訊號DCS3被致能。訊號控制器302將脈寬調變訊號PS3傳遞至開關SW3。在時間點T2時，調光控制訊號DCS3禁能。訊號控制器302阻斷脈寬調變訊號PS3並關閉開關SW3。在時間點T3時，驅動電壓Vout3低於閥值且錯誤訊號FS致能。因此，訊號控制器302將脈寬調變訊號PS3傳遞至開關SW3。在時間點T4時，調光控制訊號DCS3致能。訊號控制器302仍繼續傳遞脈寬調變訊號PS3。在時間點T5時，驅動電壓Vout3被拉升超過閥值，錯誤狀態則消失且錯誤訊號FS禁能。只要調光控制訊號DCS3仍維持致能，訊號控制器302則持續將脈寬調變訊號PS3傳遞至開關SW3。在時間點T6時，調光控制訊號DCS3禁能。訊號控制器302則阻斷脈寬調變訊號PS3並關閉開關SW3。

綜上所述，發光二極體驅動電路在上述各實施例中包括控制電路用以控制功率開關之作動。控制電路包括脈寬調變控制器與訊號控制器。當不需維持驅動電壓時，控制電路則關閉功率開關。因此上述各實施例具有下列優點，低功率消耗、高效能、防止電容被過度充電以及驅動電壓之漣波較小。本發明並不限制於發光二極體驅動電路。例如，本發明之控制電路可應用於任何的具有負載之脈寬調變轉換電路，藉以依據外部訊號而開啟或關閉。

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，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、200、300．．．發光二極體驅動電路

210、310．．．控制電路

120、220、320．．．負載

130、230、330．．．升壓型直流轉直流轉換器

101、201、301．．．脈寬調變控制器

202、302．．．訊號控制器

103、203、303．．．電流鏡

104、204、304．．．串列排列之發光二極體

401．．．或閘

402．．．與閘

Q1、Q2、Q3、SW2、SW3．．．開關

D1、D2、D3．．．二極體

C1、C2、C3．．．電容

L1、L2、L3．．．電感

R11、R12、R21、R22、R31、R32．．．電阻

FB1、FB2、FB3．．．回授電壓

PS1、PS2、PS3．．．脈寬調變訊號

FS．．．錯誤訊號

DCS1、DSC2、DSC3．．．調光控制訊號

Vin1、Vin2、Vin3．．．輸入電壓

Vout1、Vout2、Vout3．．．驅動電壓

SDS．．．輸出訊號

T1~T6．．．時間點

圖1是習知之一種發光二極體驅動電路100的示意圖。

圖2是本發明之一實施例之一種發光二極體驅動電路200之示意圖。

圖3是本發明之另一實施例之一種發光二極體驅動電路300之示意圖。

圖4是本發明之一實施例之一種訊號控制器302之電路的示意圖。

圖5是發光二極體驅動電路300內之重要訊號之時序圖。

200．．．發光二極體驅動電路

210．．．控制電路

220．．．負載

230．．．升壓型直流轉直流轉換器

201．．．脈寬調變控制器

202．．．訊號控制器

203．．．電流鏡

204．．．串列排列之發光二極體

Q2、SW2．．．開關

D2．．．二極體

L2．．．電感

R21、R22．．．電阻

FB2．．．回授電壓

PS2．．．脈寬調變訊號

Vout2．．．驅動電壓

Vin2．．．輸入電壓

DSC2．．．調光控制訊號

Claims (12)

1. 一種發光二極體驅動電路，用以驅動至少一發光二極體，包括：一開關，其第一端輸出一驅動電壓給該發光二極體；一電壓偵測器，用以產生一回授訊號，該回授訊號用以指示該驅動電壓之狀態；一脈寬調變控制器，提供一脈寬調變訊號，且依據該回授訊號決定該脈寬調變訊號之一工作週期，當該回授訊號指示該驅動電壓之一錯誤狀態時，該脈寬調變控制器致能一錯誤訊號；一電流源，當一調光控制訊號致能時，提供一驅動電流流經該發光二極體；以及一訊號控制器，當該調光控制訊號和該錯誤訊號皆禁能時，關閉該開關，且當該調光控制訊號或該錯誤訊號致能時，將該脈寬調變控制器之該脈寬調變訊號傳遞至該開關，藉以控制該開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該開關為一功率金氧半場效電晶體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，更包括：一緩衝器，耦接於該訊號控制器與該開關之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該發光二極體驅動電路用以驅動多串列排列之發光二極體。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其中該電流源為一電流鏡，耦接於該些串列排列之發光二極體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，更包括：一電感，其第一端用以接收一輸入電壓，該電感之第二端耦接該開關之第一端；一二極體，其陽極耦接該開關之第一端；以及一電容，其第一端耦接該二極體之陰極，該電容之第二端用以接收一接地電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該電壓偵測器包括：一第一電阻，其第一端接收該驅動電壓；以及一第二電阻，其第一端耦接該第一電阻之第二端，且該第二電阻之第二端接收一接地電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中當該驅動電壓低於一閥值時，則發生該錯誤狀態。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中該訊號控制器包括：一或閘，用以接收該調光控制訊號與該錯誤訊號；以及一與閘，用以接收該脈寬調變訊號與該或閘之一輸出訊號；其中該與閘之一輸出訊號用以控制該開關。
10. 一種控制功率開關之電路，用以控制一功率開關，用以提供一驅動電壓給至少一發光二極體，其中當一調光控制訊號致能時，則提供一驅動電流流經該發光二極體，該控制功率開關之電路包括：一脈寬調變控制器，用以提供一脈寬調變訊號，且依據一回授訊號決定該脈寬調變訊號之一工作週期，該回授訊號用以指示該驅動電壓之狀態，當該回授訊號指示該驅動電壓之一錯誤狀態時，該脈寬調變控制器致能一錯誤訊號；以及一訊號控制器，當該調光控制訊號和該錯誤訊號皆禁能時，關閉該功率開關，當該調光控制訊號或該錯誤訊號致能時，將該脈寬調變控制器之該脈寬調變訊號傳遞至該功率開關，藉以控制該功率開關。
11. 如申請專利範圍第10項所述之控制功率開關之電路，其中當該驅動電壓低於一閥值時，則發生該錯誤狀態。
12. 如申請專利範圍第10項所述之控制功率開關之電路，其中該訊號控制器包括：一或閘，用以接收該調光控制訊號與該錯誤訊號；以及一與閘，用以接收該脈寬調變訊號與該或閘之一輸出訊號；其中該與閘之一輸出訊號用以控制該功率開關。