TWI478632B - 發光二極體的驅動電路及驅動方法 - Google Patents

Description

發光二極體的驅動電路及驅動方法

本發明為一種驅動電路及其設計方法，且特別是有關於一種可動態調整輸出功率，提高能源使用效率的驅動電路及其設計方法。

發光二極體(Light Emitting Diode,LED)具有省電、開關速度快等功能，從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆，甚至是投影機內的照明等。隨著高階手機採用發光二極體當背光源後，發光二極體又打開了新的應用領域。未來發光二極體最被看好的應用，是在7-40吋的平面顯示器市場，一旦發光二極體能成為平面顯示器的背光源，其市場產值將會大幅成長。

當驅動多顆發光二極體串聯的電路或背光模組時，由於製程變異會導致每顆發光二極體導通電壓有些微不同，為導通所有的發光二極體，通常會將輸出電壓預設在較高的位準，以防止遇到某一個發光二極體導通電壓較大而無法點亮的現象發生，但也因此造成不必要的功率消耗。

圖1為根據傳統技術之驅動電路，由升壓電路(boost circuit)100及電流源單元140所組成，以驅動多個發光二極體串列111~119。升壓電路100根據調整信號SRE的佔空比(duty cycle)調整輸出電壓VOUT的電壓位準。在驅 動時，只要決定輸入電壓VIN與調整信號SRE的佔空比即可決定輸出電壓VOUT的電壓值，為使發光二極體串列111~119均導通電流(發光)，輸出電壓VOUT會調整至較高的電壓準位。因此，電流源單元140便需要承受較多的電壓降，而造成多餘的功率消耗。

本發明提供一種可動態調整輸出功率的驅動電路，可驅動一個發光二極體，本發明利用發光二極體的陰極電壓，自動修正輸出電壓的大小，以解決先前技術浪費能源及縮短負載工作壽命的問題。

本發明另提供一種可動態調整輸出功率的驅動電路，可同時驅動複數個發光二極體，並依據發光二極體的陰極電壓調整驅動電壓，以避免多餘的功率浪費。

本發明也提供一種可動態調整輸出功率的驅動電路，可驅動數個發光二極體串列，並依據發光二極體串列的陰極電壓調整驅動電壓，以避免多餘的功率浪費。

本發明又提供一種可動態調整輸出功率的驅動電路設計方法，利用發光二級體的陰極端電壓，判斷驅動電壓是否過高，並將之調整至適當電壓準位，以避免多餘的功率消耗。

本發明提出一種電路，用於驅動至少一發光二極體，上述電路包括電壓轉換電路與參考電壓產生器。其中，電壓轉換電路將輸入電壓轉換為輸出電壓，並提供此輸出電壓至上述發光二極體的陽極，其中上述輸出電壓對應於參考電壓。而參考 電壓產生器則用以產生參考電壓，上述參考電壓對應於上述發光二極體的陰極電壓。

在本發明一實施例中，上述參考電壓產生器包括偵測單元與脈波寬度調整單元。其中，偵測單元根據上述發光二極體的陰極電壓，輸出參考電壓，而脈波寬度調整單元則根據參考電壓與對應於輸出電壓之迴授電壓，調整一調整信號的佔空比。其中，若上述發光二極體的陰極電壓大於門檻電壓，則電壓轉換電路根據調整信號的佔空比，降低輸出電壓。

本發明提出一種電路，用於驅動複數個發光二極體，電路包括電壓轉換電路與參考電壓。其中，電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為輸出電壓，並提供此輸出電壓至上述發光二極體的陽極，其中上述輸出電壓對應於參考電壓。參考電壓產生器則用以產生參考電壓，參考電壓對應於上述發光二極體其中之一的陰極電壓。

本發明提出一種電路，用於驅動複數個發光二極體串列，每一個發光二極體串列由複數個發光二極體串接而成，此電路包括電壓轉換電路與參考電壓產生器，其中電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供此輸出電壓至上述發光二極體串列的第一端(陽極端)，其中上述輸出電壓對應於參考電壓。而參考電壓產生器則用以產生參考電壓，參考電壓對應於上述發光二極體串列其中之一的第二端(陰極端)的電壓。從另一個觀點來看，本發明提出一種方法，用於驅動複數個發光二極體串列，每一個發光二極體串列皆由複數個發光二極體 串接而成，此方法包括下列步驟：首先，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供輸出電壓至上述發光二極體串列的第一端(陽極端)，其中上述輸出電壓對應於一參考電壓；接下來，產生參考電壓，此參考電壓對應於上述發光二極體串列其中之一的第二端(陰極端)的電壓。然後，根據參考電壓，調整輸出電壓。

本發明因利用迴授的觀念，藉由發光二極體的陰極端電壓，動態調整輸出電壓的電壓值，避免在電流源上產生多餘的電壓降而造成不必要的功率消耗。

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。

第一實施例

請參考圖2A，圖2A為根據本發明第一實施例所繪示之驅動電路之方塊圖。本實施例之驅動電路包括電壓轉換電路220與參考電壓產生器230。參考電壓產生器230耦接於電壓轉換電路220與發光二極體210之間，發光二極體210的陽極端耦接於電壓轉換電路220，其陰極端耦接於電流源單元262。電壓轉換電路220將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT，並提供輸出電壓VOUT至發光二極體210的陽極，其中輸出電壓VOUT對應於參考電壓產生器230所輸出的參考電壓。

參考電壓產生器230根據發光二極體210的陰極電壓VD，輸出參考電壓，然後將參考電壓轉換為調整信號SRE 並輸出至電壓轉換電路220，而電壓轉換電路220則根據調整信號SRE的佔空比，調整輸出電壓VOUT的電壓值。當輸出電壓VOUT過大時，會在發光二極體210的陰極端產生多餘的壓降，參考電壓產生器230便會即時調整信號SRE的佔空比，以降低輸出電壓VOUT，避免多餘的功率消耗。

接下來進一步說明本實施例之電路架構與操作細節，請參考圖2B，圖2B為根據本實施例之驅動電路圖。驅動電路200包括電壓轉換電路220與參考電壓產生器230。電壓轉換電路220負責將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT，以驅動發光二極體210，參考電壓產生器230耦接於發光二極體210的陰極端與電壓轉換電路220之間，並根據發光二極體210的陰極電壓，輸出參考電壓VRE以調整輸出電壓VOUT，以避免多餘的功率消耗。

參考電壓產生器230包括偵測單元240與脈波寬度調整單元250。其中，偵測單元240尚包括比較器242與電壓轉換電路243，而脈波寬度調整單元250則包括放大器251、比較器252與驅動單元253。偵測單元240耦接於發光二極體210的陰極端，並根據發光二極體210與電流源單元212之間的陰極電壓VD，調整參考電壓VRE。脈波寬度調整單元250則根據參考電壓VRE與對應於輸出電壓VOUT的迴授電壓VFB，來改變調整信號SRE的佔空比。也就是說，當發光二極體210的陰極電壓VD大於一門檻電壓值時(亦即圖2偵測單元240中的預設電壓VSET，可依照設計需求而定。)，參考電壓產 生器230會改變調整信號SRE的佔空比，以降低輸出電壓VOUT，避免過高的輸出電壓VOUT造成多餘的功率消耗。

在偵測單元240中，比較器242根據陰極電壓VD與預設電壓VSET，輸出一比較電壓VCOM至電壓轉換電路243。電壓轉換電路243再根據比較電壓VCOM與預設調整電壓VPR，輸出參考電壓VRE至脈波寬度調整單元250。電壓轉換電路243主要的功用是根據脈波寬度調整單元250的調整機制，輸出對應電壓值的參考電壓VRE，以調整調整信號SRE的佔空比。

在脈波寬度調整單元250中，放大器251根據參考電壓VRE與迴授電壓VFB，輸出調整電壓VTN，其中調整電壓VTN為參考電壓VRE與迴授電壓VFB的差值增益。比較器252再根據調整電壓VTN與三角波信號VTRI的比較結果，輸出調整信號SRE，當調整電壓VTN的電壓位準改變時，調整信號SRE的佔空比便會隨之改變。而驅動單元253則耦接在比較器252與電壓轉換電路220之間，用來增強調整信號SRE的驅動能力。

在本實施例中電壓轉換電路220可為一升壓電路(boost circuit)或降壓電路，圖2B中以升壓電路為例說明，此升壓電路所輸出的輸出電壓VOUT可隨調整信號SRE的佔空比而定。此升壓電路主要由開關S1、電感L1、第一電阻R1、第二電阻R2、電容C1及二極體D1所構成。電感L1耦接於輸入電壓VIN與開關S1之間，開關S1的另一端耦接於接地端GND。二極體D1耦接於電感L1與 輸出電壓VOUT之間，電容C1耦接於輸出電壓VOUT與接地端GND之間。

此外，第一電阻R1與第二電阻R2串聯於輸出電壓VOUT與接地端GND之間，在其共用節點上所產生的回授電壓VFB即為輸出電壓VOUT的分壓。開關S1的控制端耦接到調整信號SRE，而升壓電路就是根據調整信號SRE的佔空比來調整輸出電壓VOUT以驅動發光二極體210。電流源262耦接於發光二極體210的陰極端與接地端GND之間，主要用於限制通過發光二極體210的電流，以保護發光二極體210以及調整發光二極體210的亮度。

在本實施例中，調整信號SRE的佔空比是根據發光二極體210與電流源單元212之間的電壓VD所決定。當輸出電壓VOUT過高時，發光二極體210與電流源單元262的共用節點會產生電壓降，也就是陰極電壓VD，驅動電路200即利用陰極電壓VD的電壓變化來判斷輸出電壓VOUT是否過高，以調整輸出電壓VOUT的電壓位準。換言之，當發光二極體210的陰極電壓VD大於一門檻電壓(預設電壓VSET)時，電壓轉換電路220會根據調整信號SRE的佔空比，降低輸出電壓VOUT，以減少多餘的功率消耗。

第二實施例

請參考圖3，圖3是根據本發明一較佳實施例之驅動電路結構圖。本實施例之驅動電路300可用於驅動複數個發光二極體311~319，此驅動電路300與上述圖2B之主要差別在於偵測單元330中之選擇單元341。選擇單元341 選擇並輸出發光二極體的陰極電壓VD1~VD9中之最低值。比較器342用以比較上述發光二極體311~319的陰極電壓VD1~VD9中之最低值與預設電壓VSET，並產生比較電壓VCOM。而電壓轉換電路343根據比較電壓VCOM與預設調整電壓VPR，輸出參考電壓VRE。然後，輸出電壓VOUT則會隨著參考電壓VRE而變。

由於製程變異，發光二極體311~319個別的導通電壓可能會有些微的不同。因此，導通電壓較小的發光二極體，其陰極電壓就會較大。當輸出電壓VOUT大於發光二極體311~319所需要的導通電壓時，電流源單元362就必須承受輸出電壓VOUT多餘的壓降，也就造成不必要的功率消耗。

在驅動過程中，輸出電壓VOUT只要大於發光二極體311~319中最大的導通電壓即可，所以由發光二極體311~319的陰極電壓VD1~VD9中之最低值即可判斷輸出電壓VOUT是否過大。換言之，只要維持陰極電壓VD1~VD9中之最低值大於一預設電壓VSET，所有的發光二極體311~319即可全部導通。

因此，在本實施例中，輸出電壓VOUT即針對發光二極體311~319的陰極電壓VD1~VD9中之最低值進行調整，當發光二極體311~319的陰極電壓VD1~VD9中之最低值大於預設電壓VSET時，電壓轉換電路320便降低輸出電壓VOUT，直到發光二極體311~319的陰極電壓VD1~VD9中之最低值小於預設電壓VSET。本實施例之其餘操作細節，皆 已詳述於上述圖2B之實施例說明中，在本技術領域具有通常知識者，皆可輕易推知，在此不加累述。

第三實施例

請參考圖4，圖4為根據本發明另一實施例之驅動電路圖。本實施例之驅動電路400可用於驅動複數個發光二極體串列411~419，每一發光二極體串列411~419由複數個發光二極體串接而成，驅動電路400的電路架構與圖3實施例相同，電壓轉換電路420將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT，並提供輸出電壓VOUT至上述發光二極體串列411~419的第一端(陽極端)，其中上述輸出電壓VOUT對應於參考電壓VRE。參考電壓產生器440根據發光二極體串列411~419的第二端的陰極電壓VD1~VD9其中之一，輸出預設調整電壓VPR。

請參照圖3之說明，同理類推，只要找出陰極電壓VD1~VD9中之最低值，便可以推知導通電壓最大的發光二極體串列411~419。而電壓轉換電路420便根據發光二極體串列411~419的陰極電壓VD1~VD9中之最低值，調整輸出電壓VOUT的電壓值。當發光二極體串列411~419的陰極電壓VD1~VD9中之最低值過大時(大於預設電壓VSET)，隨即降低輸出電壓VOUT，以避免多餘的功率消耗。本實施例之其餘操作細節與上述圖3實施例相同，在此不加累述。

第四實施例

在本發明另一實施例中，電壓轉換電路可為降壓電路(buck circuit)，圖5為根據本發明另一實施例之驅動電路圖。圖5中之電壓轉換電路520為一降壓電路。該降壓電路包括第一開關S1、第二開關S2、電感L1、第一電阻R1、第二電阻R2及電容C1。第一電阻R1與第二電阻R2串聯，一端耦接於發光二極體串列511~519，另一端接到接地電壓GND。第一電阻R1與第二電阻R2耦接處，可以測得一個回授電壓VFB，而回授電壓VFB就是輸出電壓VOUT的固定分壓。電感L1，一端耦接於第一開關S1與第二開關S2的共同接點，另一端耦接到多個發光二極體串列511~519。上述的第一開關S1另一端耦接於輸入電壓VIN，而第二開關S2的另一端接到接地電壓GND。電容C1一端耦接於多個發光二極體串列511~519，另一端耦接於接地電壓GND。

在脈波寬度調整單元550方面，本實施例與上述圖4之差別主要在於反相器555、第一驅動單元553以及第二驅動單元554。由於電壓轉換電路520的輸出電壓VOUT是由第一開關S1與第二開關S2的導通時間而定，因此改變調整信號SRE的佔空比便可以調整輸出電壓VOUT的電壓值。在驅動過程中，第一開關S1與第二開關S2的導通時間需互為相反，所以調整信號SRE會經由反相器555後再輸出至第二開關S2。

在本實施例中，參考電壓產生器530同樣會根據發光二極體串列511~519的陰極電壓VD1~VD9中之最低值來調整參考電壓VRE，進而改變調整信號SRE的佔空比， 以調整輸出電壓VOUT的電壓值。當輸出電壓VOUT過高，而在發光二極體串列511~519與電流源單元562形成過高的電壓降時，參考電壓產生器530便會改變調整信號SRE的佔空比以降低輸出電壓VOUT的電壓值，避免多餘的功率消耗。在本技術領域具有通常知識者，經由本實施例之揭露，應可輕易推知本實施例之其餘操作細節與應用方式，在此不加累述。

第五實施例

從另一個角度來看，本實施例提出一種驅動發光二極體的驅動方法，可有效降低功率消耗。圖6為根據本實施例之驅動方法流程圖。本實施例之驅動方法可用於驅動複數個發光二極體串列，每一發光二極體串列皆由複數個發光二極體串接而成，此驅動方法包括下列步驟：首先，步驟S61將一輸入電壓轉換為輸出電壓，並提供此輸出電壓至上述發光二極體串列的第一端(陽極端)，其中輸出電壓對應於一參考電壓。接著，步驟S62根據發光二極體串列其中之一的第二端電壓(陰極端電壓)，產生(調整)參考電壓。然後，步驟S63根據參考電壓，調整輸出電壓。由於在本實施例中，輸出電壓與參考電壓之間為一動態平衡，輸出電壓的改變會影響參考電壓，而參考電壓會影響輸出電壓的電壓值，以避免輸出電壓過高而造成多餘的功率消耗。而本實施例中，關於驅動方法的其餘相關細節，皆以詳述於上述圖2至圖5實施例之說明，在此不加累述。

100、220、320、243、343、443、543‧‧‧電壓轉換電路

200、300、400、500‧‧‧驅動電路

230、330、430、530‧‧‧參考電壓產生器

242、252、342、352、442、452、542、552‧‧‧比較器

250、350、450、550‧‧‧脈波寬度調整單元

251、351、451、551‧‧‧放大器

210、311~319‧‧‧發光二極體

111~119、411~419、511~519‧‧‧發光二極體串列

240、340、440、540‧‧‧偵測單元

341、441、541‧‧‧選擇單元

253、353、453‧‧‧驅動單元

140、262、362、462、562‧‧‧電流源單元

420‧‧‧升壓電路的電壓轉換電路

520‧‧‧降壓電路的電壓轉換電路

553‧‧‧第一驅動單元

554‧‧‧第二驅動單元

555‧‧‧反相器

S61~S63‧‧‧步驟

圖1為根據傳統技術之驅動電路圖。

圖2A為根據本發明第一實施例之驅動電路之方塊圖。

圖2B為根據本發明第一實施例之驅動電路圖。

圖3為根據本發明第二實施例之驅動電路圖。

圖4為根據本發明第三實施例之驅動電路圖。

圖5為根據本發明第四實施例之驅動電路圖。

圖6為根據本發明第五實施例之驅動方法之流程圖。

400‧‧‧可動態調整輸出功率的驅動電路

411~419‧‧‧發光二極體串列

420‧‧‧升壓電路的電壓轉換電路

430‧‧‧參考電壓產生器

440‧‧‧偵測單元

441‧‧‧選擇單元

442、452‧‧‧比較器

443‧‧‧電壓轉換電路

450‧‧‧脈波寬度調整單元

451‧‧‧放大器

453‧‧‧驅動單元

462‧‧‧電流源單元

Claims (15)

1. 一種發光二極體的驅動電路，用於驅動複數個發光二極體，該電路包括：一第一電壓轉換電路，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供該輸出電壓至上述發光二極體的陽極，其中上述輸出電壓對應於一參考電壓；以及一參考電壓產生器，產生該參考電壓，該參考電壓對應於上述發光二極體其中之一的陰極電壓，其中該參考電壓產生器包括：一偵測單元，根據上述發光二極體的陰極電壓中之最低值，輸出該參考電壓；以及一脈波寬度調整單元，根據參考電壓與對應於該輸出電壓之一迴授電壓，調整一調整信號的佔空比；其中，若上述發光二極體的陰極電壓中之最低值大於一門檻電壓，該第一電壓轉換電路根據該調整信號的佔空比，降低該輸出電壓，其中該偵測單元包括：一選擇單元，選擇並輸出上述發光二極體的陰極電壓中之最低值；一比較器，用以比較上述發光二極體的陰極電壓中之最低值與一預設電壓，並產生一比較電壓；以及一第二電壓轉換電路，根據該比較電壓與一預設調整電壓，輸出該參考電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該脈波寬度調整單元包括：一放大器，根據該參考電壓與該迴授電壓，輸出一調整電壓；一比較器，根據該調整電壓與一三角波信號，調整該調整信號的佔空比。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該脈波寬度調整單元包括驅動單元，耦接於該比較器與該第一電壓轉換電路之間，用以增強該調整信號的驅動能力。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包括複數個電阻，耦接於該輸出電壓與一接地端之間，以分壓方式產生該迴授電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一電壓轉換電路包括一升壓電路或一降壓電路。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該參考電壓對應於上述發光二極體的陰極電壓中之最低值。
7. 一種發光二極體的驅動電路，用於驅動複數個發光二極體串列，每一該些發光二極體串列由複數個發光二極體串接而成，該電路包括：一第一電壓轉換電路，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供該輸出電壓至上述發光二極體串列的一第一端，其中上述輸出電壓對應於一參考電壓；以及一參考電壓產生器，產生該參考電壓，該參考電壓對應於上述發光二極體串列其中之一的一第二端的電壓， 其中該參考電壓產生器包括：一偵測單元，根據上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值，輸出該參考電壓；以及一脈波寬度調整單元，根據參考電壓與對應於該輸出電壓之一迴授電壓，調整一調整信號的佔空比；其中，若上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值大於一門檻電壓，該第一電壓轉換電路根據該調整信號的佔空比，降低該輸出電壓，其中該偵測單元包括：一選擇單元，選擇並輸出上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值；一比較器，用以比較上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值與一預設電壓，並產生一比較電壓；以及一第二電壓轉換電路，根據該比較電壓與一預設調整電壓，輸出該參考電壓。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中該脈波寬度調整單元包括：一放大器，根據該參考電壓與該迴授電壓，輸出一調整電壓；一比較器，根據該調整電壓與一三角波信號，調整該調整信號的佔空比。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該脈波寬度調整單元包括驅動單元，耦接於該比較器與該第一電壓轉換電路之間，用以增強該調整信號的驅動能力。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電路，更包括複數個電阻，耦接於該輸出電壓與一接地端之間，以分壓方式產生該迴授電壓。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中該第一電壓轉換電路包括一升壓電路或一降壓電路。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中該參考電壓對應於上述發光二極體串列的第二端的電壓中之最低值。
13. 一種發光二極體的驅動方法，用於驅動複數個發光二極體串列，每一該些發光二極體串列皆由複數個發光二極體串接而成，該方法包括下列步驟：將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供該輸出電壓至上述發光二極體串列的一第一端，其中上述輸出電壓對應於一參考電壓；產生該參考電壓，該參考電壓對應於上述發光二極體串列其中之一的一第二端的電壓；根據參考電壓，調整該輸出電壓，其中將該輸入電壓轉換為該輸出電壓，並提供該輸出電壓至上述發光二極體串列的該第一端的步驟包括：根據上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值，輸出該參考電壓；根據參考電壓與對應於該輸出電壓之一迴授電壓，調整一調整信號的佔空比； 其中，若上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值大於一門檻電壓，該第一電壓轉換電路根據該調整信號的佔空比，降低該輸出電壓，其中產生該參考電壓的步驟包括：選擇並輸出上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值；比較上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值與一預設電壓，並產生一比較電壓；以及根據該比較電壓與一預設調整電壓，輸出該參考電壓。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該參考電壓對應於上述發光二極體串列的第二端的電壓中之最小值。
15. 如申請專利範圍第13所述之方法，其中根據參考電壓VRE，調整該輸出電壓之步驟包括：若上述發光二極體串列的陰極電壓中之最低值大於一門檻電壓，該電壓轉換電路根據該調整信號的佔空比，降低該輸出電壓。