TWI468070B - 發光二極體電流平衡驅動電路 - Google Patents

Description

發光二極體電流平衡驅動電路

本發明係關於一種發光二極體電流平衡驅動電路，尤其是一種利用電流平衡線圈組達到電流平衡(current balance)之發光二極體電流平衡驅動電路。

近年來，隨著液晶顯示器(LCD)的快速發展，使得液晶顯示器已廣泛的應用在各領域中。舊有液晶顯示器的背光源多是使用冷陰極螢光燈(CCFL)，但面對於全球環保意識的抬頭，冷陰極螢光燈逐漸地被白色發光二極體(LED)取代。

相對於冷陰極螢光燈，發光二極體除了不含汞而較為環保之外，還具有體積小、壽命長、高色彩度等優點。發光二極體正因為具有這些優勢，愈來愈多的廠商開始研製以發光二極體為顯示器的背光源。目前在智慧型手機等小尺寸的顯示器上，因為其背光源相對比較單純，發光二極體基本上已經取代冷陰極螢光燈。

目前發光二極體廣泛應用在照明以及面板背光上，但因發光二極體本身順向偏壓(Vf)值各有依些差異，故在多顆串聯且多組並聯發光二極體應用時將會加大各組間的驅動電壓準位的差異，故需設計發光二極體之電流平衡電路。

第1圖係一典型用於顯示器背光源之發光二極體電流平衡驅動電路之示意圖。如圖中所示，此電流平衡驅動電路具有一電源供應器20與一電流平衡電路。此電流平衡電路係由複數個開關元件Q1、複數個電阻R1與一控制電路30所構成。電源供應器20係依據一回授信號(未圖示)控制驅動各個發光二極體燈串10所需之總電流。電流平衡電路係用以平衡流經各個發光二極體燈串10之電流。如圖中所示，各個發光二極體燈串10之低壓端係依序串接一開關元件Q1與一電阻R1。控制電路30係偵測各個電阻R1之高壓側之準位，並依據偵測到的信號控制相對應之開關元件Q1的導通狀態，以調整流經各個發光二極體燈串10的電流，使流經各個發光二極體燈串10之電流趨於一致。

前述之發光二極體電流平衡驅動電路除了需要電源供應器控制整體驅動電流之大小外，還需使用電流平衡電路來平衡流經各個發光二極體燈串之電流。其次，傳統之電流平衡裝置需要使用多個開關元件與多個電阻方能達到電流平衡的效果，其電路架構較為複雜且成本偏高。此外，傳統之電源供應器是利用直流對直流之轉換方式提供背光源所需的電力。受限於直流對直流之升壓轉換的限制，往往無法提供給背光源足夠的電壓，而導致發光二極體應用於大尺寸的顯示器時，會有亮度不足的問題。

因此，如何提供一種低成本又可驅動更多串、並聯顆數的發光二極體，增加大尺寸背光源亮度，並且具有均流控制及保護功能齊全的驅動電路，已成為本技術領域努力的目標。

本發明之主要目的在於提出一種發光二極體電流平衡驅動電路的架構。此架構簡化了傳統發光二極體電流平衡驅動電路之設計。此外，在發光二極體發生異常時，例如發光二極體短路，本發明之驅動電路亦有助於避免正常的發光二極體元件因過大的電流而遭受毀損。

本發明之一實施例提供一種發光二極體電流平衡驅動電路。此發光二極體電流平衡驅動電路係接收一輸入電壓，以驅動多個發光二極體燈串。此發光二極體電流平衡驅動電路包括一電流平衡線圈組、一開關元件與一控制電路。電流平衡線圈組具有至少一第一線圈與一第二線圈，分別串接一個發光二極體燈串，以平衡流經各個發光二極體燈串之電流。並且，開關元件係耦接至電流平衡線圈組，並搭配電流平衡線圈組所具有之漏電感，轉換輸入電壓以驅動發光二極體燈串。控制電路係偵測流經發光二極體燈串之電流，以控制開關元件之工作週期。

在本發明之一實施例中，此發光二極體電流平衡驅動電路具有一輔助激磁電感，串接至電流平衡線圈組，以配合低切換頻率之轉換架構的應用。

在本發明之一實施例中，開關元件、電流平衡線圈組之漏電感與一整流二極體係構成一升壓轉換器(boost converter)。

在本發明之一實施例中，開關元件、電流平衡線圈組之漏電感與一整流二極體係構成一降壓轉換器(buck converter)。

在本發明之一實施例中，開關元件、電流平衡線圈組之漏電感與一整流二極體係構成一返馳式轉換器(flyback converter)。

在本發明之一實施例中，電流平衡線圈組之第一線圈與第二線圈係位於電流平衡線圈組之相異側。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明之發光二極體電流平衡驅動電路係利用線圈組所具有之平衡電流的能力，並直接將此線圈組之漏電感作為升降壓轉換所需之儲能電感，以同時達到電壓轉換與平衡電流之目的。由於本發明可利用一級轉換電路架構同時達到發光二極體電流激磁驅動及電流平衡之功能，而有助於提升電路效率，降低製造成本。

第2圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第一實施例之電路示意圖。圖中係以一降壓轉換(buck converter)驅動電路為例進行說明。不過，本發明並不限於此。本發明之概念亦可應用於升壓轉換(boost converter)、返馳式轉換(flyback converter)或是其他利用到開關元件與激磁電感之轉換電路。

如圖中所示，此發光二極體電流平衡驅動電路係接收一輸入電壓Vin，以驅動多個發光二極體燈串100(圖中係以兩個發光二極體燈串為例)。此發光二極體電流平衡驅動電路包括一電流平衡線圈組120、一開關元件140與一控制電路160。電流平衡線圈組120係一變壓器線圈繞組，例如扼流圈電路(choke)，本發明不以此為限。電流平衡線圈組120具有一第一線圈N1與一第二線圈N2，分別串接一個發光二極體燈串100。第一線圈N1與第二線圈N2係位於電流平衡線圈組120之相異側，以平衡流經各個發光二極體燈串100之電流。開關元件140係耦接至電流平衡線圈組120。控制電路160之偵測端CS係偵測流經發光二極體燈串100之電流，以產生脈寬調 變控制信號PWM，控制開關元件140之工作週期。

此電流平衡線圈組120進行電流平衡操作時，流經各個發光二極體燈串100之電流方向如圖中箭頭所示。此時，電流平衡線圈組120以類似於變壓器(transformer)之方式運作，亦即電流由第一線圈N1有打點之一側流進，而由第二線圈N2有打點之一側流出時，以達到平衡流經各個發光二極體燈串之電流的目的。

在理想情況下，電流平衡線圈組的第一線圈N1與第二線圈N2的耦合係數為1。此時，第一線圈N1與第二線圈N2所構成之磁場會互相抵消，亦即，第一線圈N1與第二線圈N2所具有之激磁電感會因為互相抵消而無法發揮電感的儲能功能。不過，在實際的變壓器線圈繞組中，漏電感(leakage inductance)是無法避免的。本實施例即係將電流平衡線圈組120所具有漏電感，用以作為轉換器運作所需之激磁電感。同時透過開關元件140控制輸入電壓Vin對於電流平衡線圈組120之充電時間，即可將輸入電壓轉換為輸出電壓以驅動發光二極體燈串100。

在實際量測結果中，電流平衡線圈組120之漏電感係遠小於其主電感。不過，對於高頻驅動(300kHz~1MHz)之轉換器電路架構而言，低激磁電感反而適用。舉例來說，傳統之升壓轉換驅動電路係將12V至24V之輸入電壓提升到40V至100V以驅動發光二極體燈串，其升壓比較高，轉換效率較低。為因應提升轉換效率的要求，目前的升壓轉換驅動電路改為將30V至60V之輸入電壓提升到40V至100V，其升壓比較低，轉換效率較高。配合低升壓比的需求，所需要的激磁電感值也隨之降低。例如：以顯示器應用為例，轉換器之工作頻率為300KHz， 由12VDC升壓到50VDC所需的激磁電感約為25uH；若改為由40VDC升壓到50VDC，所需的激磁電感可降低至約7.5uH。

第3圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第二實施例之電路示意圖。不同於第2圖將開關元件140設置於發光二極體燈串100之低壓端，本實施例則是將開關元件140設置於發光二極體燈串100之高壓端。本實施例亦屬於一降壓轉換驅動電路，其運作原理與第2圖之實施例大致相同，在此不予贅述。

第4圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第三實施例之電路示意圖。不同於第2圖之實施例，本實施例之發光二極體電流平衡驅動電路係一升壓轉換(boost converter)驅動電路。如圖中所示，本實施例之驅動電路具有二個開關元件142,144分別耦接至第一線圈N1與第二線圈N2。控制電路160係偵測流經發光二極體燈串100的電流，同步控制此二個開關元件142,144之工作週期，以調整流經發光二極體燈串100之電流。

第5圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第四實施例之電路示意圖。不同於第4圖之實施例，本實施例僅利用單一個開關元件140調整流經各個發光二極體燈串100之電流。此開關元件140係同時連接至第一線圈N1與第二線圈，透過控制此開關元件140之工作週期，即可平衡流經二個發光二極體燈串100之電流。值得注意的是，雖然本實施例之開關元件140係同時連接至第一線圈N1與第二線圈N2，以達到電流平衡的目的，不過，本發明並不限於此。此開關元件140亦可僅僅連接至第一線圈N1或是第二線圈N2，配合電流平衡線圈組120之平衡效果，以產生電流平衡的效果。

第6圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第五實施例之電路示意圖。本實施例之發光二極體電流平衡驅動電路亦是一降壓轉換驅動電路。不過，相較於第2圖之實施例，本實施例之電流平衡線圈組220具有一第一繞組N1、一第二繞組N2與一第三繞組N3。其中，第一繞組N1與第二繞組N2分別連接一個發光二極體燈串100。第三繞組N3係耦接至開關元件140。第一繞組N1與第二繞組N2係位於電流平衡線圈組220之同一側。第一繞組N1係串接至第二繞組N2。第三繞組N3與第一繞組N1則是位於電流平衡線圈組220之相異側。換言之，此電流平衡線圈組220可理解為一個一對二之變壓器。在第一繞組N1與第二繞組N2的匝數相同之情況下，此一對二之變壓器可以使流經第一繞組N1與流經第二繞組N2之電流趨於一致，以達到電流平衡的效果。

第7圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第六實施例之電路示意圖。不同於第2圖之實施例，本實施例之電流平衡線圈組320具有二個變壓器320a,320b，各個變壓器320a,320b分別具有二個輸出線圈N1a,N2a,N1b,N2b與二個平衡線圈N3a,N4a,N3b,N4b。這些輸出線圈N1a,N2a,N1b,N2b分別耦接一個發光二極體燈串100。變壓器320a之平衡線圈N3a,N4a則是連接至另一個變壓器320b之相對應的輸出線圈N2b,N1b。依此，本實施例之電流平衡線圈組320可以同時平衡流經四個發光二極體燈串100的電流。

其次，在本實施例中，各個變壓器320a,320b分別具有二個平衡線圈N3a,N4a,N3b,N4b，用以與另一個變壓器320a,320b之相對應的輸出線圈N2b,N1b,N1a,N2a相連。不過，本發明並不限於此。請同時參照第6圖之實施例，此變壓器320a,320b亦可採取一對二之架構。即各個變壓器320a,320b僅具有一個平衡線圈。此平衡線圈與另一個變壓器之平衡線圈相連，以達到平衡輸出電流的目的。

第8圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第七實施例之電路示意圖。不同於第7圖之實施例係一降壓轉換驅動電路，本實施例則是將電流平衡線圈組420應用於一升壓轉換驅動電路，以驅動四個發光二極體燈串100。此外，雖然本實施例之電流平衡線圈組420亦具有二個變壓器420a,420b，且各個變壓器420a,420b分別具有二個輸出線圈N1a,N2a,N1b,N2b與二個平衡線圈N3a,N4a,N3b,N4b。不過，不同於第7圖之電流平衡線圈組320，本實施例之平衡線圈組420之各個平衡線圈N3a,N3b,N4a,N4b係串接成一迴路，以達到電流平衡之目的。本實施例之發光二極體電流平衡驅動電路的其他運作原理與前揭各實施例大致相同，在此不予贅述。

第9圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第八實施例之電路示意圖。不同於第7圖之實施例，本實施例之電流平衡驅動電路係連接至一交流電源VA以驅動多個發光二極體燈串100。此外，不同於前揭各個實施例中，控制電路係偵測發光二極體燈串之電流以產生脈寬調變控制信號PWM，本實施例之控制電路260則是於偵測流經發光二極體燈串100之電流，產生一準位信號Vs至交流電源VA，透過調整交流電源VA之輸出頻率或工作週期等方式，調節交流電源VA輸出至平衡電流線圈組320之電能。

第10圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第九實施例之電路示意圖。不同於第2圖之實施例，本實施例之電流平衡線圈組520具有三個變壓器520a,520b,520c，各個變壓器520a,520b,520c分別具有二個線圈N1a,N2a,N1b,N3b,N1c,N3c。其中，第一變壓器520a具有二個輸出線圈N1a,N2a，第二變壓器520b與第三變壓器520c分別具有一個輸出線圈N1b,N1c與一個平衡線圈N3b,N3c。其中，四個輸出線圈N1a,N2a,N1b,N1c係分別連接至發光二極體燈串100。第二變壓器520b與第三變壓器520c之平衡線圈N3b,N3c係分別串接至第一變壓器520a之二個輸出線圈N1a,N2a。

在高頻驅動之情況下，電流平衡線圈組120之漏電感已足以提供電壓轉換之需求。不過，在面對控制電路工作頻率較低之需求時，仍然可能遭遇激磁電感不足之問題。為解決此問題，請參照第11與12圖所示，在本發明發光二極體電流平衡驅動電路之第十與十一實施例中，則是於原本之電流平衡線圈組120外，另外串接一個輔助激磁電感180。如圖中所示，此輔助激磁電感180可以係串接至電流平衡線圈組120或是發光二極體燈串100等，以提升整體之激磁電感值。在電流平衡線圈組120之外，另外增加輔助激磁電感180之目的係在防止電壓轉換過程激磁電感不足的問題。因此，輔助激磁電感180的連接位置可參照一般的電源轉換器之電感的連接方式進行設置。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

Vin．．．輸入電壓

100．．．發光二極體燈串

120．．．電流平衡線圈組

140．．．開關元件

160．．．控制電路

N1．．．第一線圈

N2．．．第二線圈

PWM．．．脈寬調變控制信號

CS．．．控制電路之偵測端

142,144．．．開關元件

220．．．電流平衡線圈組

N3．．．第三繞組

320．．．電流平衡線圈組

320a,320b．．．變壓器

420．．．電流平衡線圈組

420a,420b．．．變壓器

N1a,N2a,N1b,N2b．．．輸出線圈

N3a,N4a,N3b,N4b．．．平衡線圈

260．．．控制電路

520．．．電流平衡線圈組

520a．．．第一變壓器

N1a,N2a．．．輸出線圈

520b．．．第二變壓器

520c．．．第三變壓器

N1b,N1c．．．輸出線圈

N3b,N3c．．．平衡線圈

180．．．輔助激磁電感

VA．．．交流電源

Vs．．．準位信號

第1圖係一傳統發光二極體電流平衡驅動電路之電路示意圖。

第2圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第一實施例之電路示意圖。

第3圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第二實施例之電路示意圖。

第4圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第三實施例之電路示意圖。

第5圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第四實施例之電路示意圖。

第6圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第五實施例之電路示意圖。

第7圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第六實施例之電路示意圖。

第8圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第七實施例之電路示意圖。

第9圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第八實施例之電路示意圖。

第10圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第九實施例之電路示意圖。

第11圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第十實施例之電路示意圖。

第12圖係本發明發光二極體電流平衡驅動電路一第十一實施例之電路示意圖。

Vin．．．輸入電壓

120．．．電流平衡線圈組

140．．．開關元件

160．．．控制電路

N1．．．第一線圈

N2．．．第二線圈

100．．．發光二極體燈串

PWM．．．脈寬調變控制信號

CS．．．控制電路之偵測端

Claims (10)

1. 一種發光二極體電流平衡驅動電路，包括：一電流平衡線圈組，以平衡流經至少二個發光二極體燈串之電流，該電流平衡線圈組之漏電感(leakage inductance)係作為一轉換器之一儲能電感，用以轉換一輸入電壓以驅動該些發光二極體燈串；以及僅有一開關元件，耦接至該電流平衡線圈組與該些發光二極體燈串之高壓端，並搭配該電流平衡線圈組所具有之漏電感，轉換該輸入電壓以驅動該些發光二極體燈串；以及僅有一控制電路，偵測流經該些發光二極體燈串之電流，以控制該開關元件之工作週期；其中，該電流平衡線圈組具有至少一第一線圈與一第二線圈，分別串接一個該發光二極體燈串，以平衡流經各該發光二極體燈串之電流。
2. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，更包括一輔助激磁電感，串接至該電流平衡線圈組。
3. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該第一線圈與該第二線圈係位於該電流平衡線圈組之同一側，並且，該電流平衡線圈組更包括一第三線圈，該第三線圈與該第一線圈係位於該電流平衡線圈組之相異側，以平衡流經該第一線圈與該第二線圈之電流。
4. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該第一線圈與該第二線圈係位於該電流平衡線圈組之相異側。
5. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電 路，更包括一整流二極體，耦接至該電流平衡線圈組。
6. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該控制電路係輸出一脈寬調變控制信號以控制該開關元件。
7. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該轉換器係一升壓轉換器(boost converter)、一降壓轉換器(buck converter)或是一返馳式轉換器(flyback converter)。
8. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該電流平衡線圈組係一扼流圈電路(choke)。
9. 如申請專利範圍第1項之一種發光二極體電流平衡驅動電路，其中，該第一線圈與該第二線圈之一端相連，另一端分別串接一個該發光二極體燈串。
10. 一種發光二極體電流平衡驅動電路，包括：一電流平衡線圈組，以平衡流經至少二個發光二極體燈串之電流，該電流平衡線圈組之漏電感(leakage inductance)係作為一轉換器之一儲能電感，用以轉換一輸入電壓以驅動該些發光二極體燈串；以及僅有兩開關元件，分別耦接至該電流平衡線圈組，並搭配該電流平衡線圈組所具有之漏電感，轉換該輸入電壓以驅動該些發光二極體燈串；兩整流二極體，耦接至該電流平衡線圈組，該兩開關元件分別透過該兩整流二極體連接該兩發光二極體燈串的高壓端；以及 僅有一控制電路，偵測流經該些發光二極體燈串之電流，以控制該些開關元件之工作週期；其中，該電流平衡線圈組具有至少一第一線圈與一第二線圈，分別串接一個該發光二極體燈串，以平衡流經各該發光二極體燈串之電流；該控制電路係輸出一脈寬調變控制信號以控制該些開關元件；該電流平衡線圈組係一扼流圈電路(choke)。