TWI481304B - 發光二極體驅動裝置及其運作方法 - Google Patents

Description

發光二極體驅動裝置及其運作方法

本發明係與發光二極體之驅動有關，特別是關於一種發光二極體驅動裝置及其運作方法。

一般而言，傳統的交流對直流型式之發光二極體驅動電路的操作原理是利用一個交流對直流轉換器(AC to DC converter)產生發光二極體的上端導通所需要的跨壓(輸入電壓)來驅動發光二極體發光，並同時在發光二極體的下端設置一電流源電路去控制流經發光二極體的固定電流至接地端，進而穩定發光二極體之發光亮度。由於輸入電壓係為經過整流後的訊號，並非直流電壓，所以需要發光二極體驅動電路進行驅動，藉以達到較高的PF功率因子與發光效率。

然而，由於先前技術中之設定電壓產生器輸出至發光二極體下端之電流源電路的設定電壓係隨著輸入電壓而改變，因此，如圖1A至圖1C所示，從其輸入電壓、發光二極體電流及消耗功率之波形圖可知：發光二極體電流(I_LED )會隨著輸入電壓之不同而改變，當輸入電壓變大時，發光二極體電流亦隨之變大，因而導致發光二極體電流在不同輸入電壓(高輸入電壓VH及低輸入電壓VL)下之電流不準確問題，亦即輸入電壓調節率(Line Regulation)較差之問題。此外，由於設置於發光二極體下端之電流源電路的電壓及電流都會變大，導致其消耗功率過大因而導致過熱的問題產生。

因此，本發明提出一種發光二極體驅動裝置及其運作方 法，以解決上述問題。

根據本發明之一具體實施例為一種發光二極體驅動裝置。於此實施例中，發光二極體驅動裝置包含輸出級、輸入電阻、複數個分壓電阻及控制電路。輸出級包含至少一發光二極體。輸入電阻之一端耦接輸入電壓。複數個分壓電阻耦接於特定電壓與接地端之間。複數個分壓電阻至少包含彼此串接之第一分壓電阻、第二分壓電阻及第三分壓電阻，以對特定電壓進行分壓。流經發光二極體之發光二極體電流的工作週期係隨特定電壓而改變。

控制電路分別耦接輸出級、輸入電阻之另一端、第一分壓電阻與第二分壓電阻之間以及第二分壓電阻與第三分壓電阻之間。控制電路分別於第一分壓電阻與第二分壓電阻之間、第二分壓電阻與第三分壓電阻之間及輸入電阻之另一端感測第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號，並根據第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號調整控制電路輸出至輸出級之設定電壓訊號。

根據本發明之另一具體實施例為一種發光二極體驅動裝置運作方法。於此實施例中，發光二極體驅動裝置包含輸出級、輸入電阻、控制電路及彼此串接之第一分壓電阻、第二分壓電阻及第三分壓電阻。輸出級包含至少一發光二極體。複數個分壓電阻耦接於特定電壓與接地端之間。流經發光二極體之發光二極體電流的工作週期係隨特定電壓而改變。控制電路分別耦接該輸出級、輸入電阻之另一端、第一分壓電 阻與第二分壓電阻之間以及第二分壓電阻與第三分壓電阻之間。輸出級包含至少一發光二極體。

發光二極體驅動裝置運作方法包含下列步驟：(a)透過第一分壓電阻、第二分壓電阻及第三分壓電阻對特定電壓進行分壓；(b)分別於第一分壓電阻與第二分壓電阻之間、第二分壓電阻與第三分壓電阻之間及輸入電阻之另一端感測第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號；(c)根據第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號調整控制電路輸出至輸出級之設定電壓訊號。

相較於先前技術，根據本發明的發光二極體驅動裝置及其運作方法可達成下列功效：(1)有效避免當輸入電壓過大時之功率消耗過大及過熱問題；(2)有效避免當輸入電壓不同時之發光二極體平均電流不準確之問題，亦即輸入電壓調節率(Line Regulation)較差之問題；(3)使發光二極體能夠工作於最佳的電流對應亮度點。

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。

根據本發明之一具體實施例為一種發光二極體驅動裝置。於此實施例中，發光二極體驅動裝置係用以驅動發光二極體發出光線，但不以此為限。

請參照圖2，圖2係繪示此實施例之發光二極體驅動裝置的電路結構示意圖。如圖2所示，發光二極體驅動裝置2 包含有輸出級OS、輸入電阻R_IN 、控制電路20、時脈產生器22、調節器24、彼此串接之第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2及第三分壓電阻R3。

輸入電阻R_IN 之一端耦接輸入電壓V_IN ，另一端耦接調節器24。控制電路20分別耦接至輸入電阻R_IN 與調節器24之間、第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間、第二分壓電阻R2與第三分壓電阻R3之間、時脈產生器22以及輸出級OS。

輸出級OS包含比較器26、發光二極體LED、開關SW及設定電阻R_SET 。比較器26之兩輸入端分別耦接控制電路20以及開關SW與設定電阻R_SET 之間，其輸出端耦接開關SW。發光二極體LED耦接於發光二極體電壓V_LED 與開關SW之間。

第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2及第三分壓電阻R3係彼此串接於特定電壓V_N 與接地端之間，用以對特定電壓V_N 進行分壓。其中，流經輸出級OS中之發光二極體LED的發光二極體電流I_LED 之工作週期(duty cycle)大小係與特定電壓V_N 有關。於實際應用中，當特定電壓V_N 變大時，發光二極體電流I_LED 之工作週期會隨之變小。特定電壓V_N 可以和輸入電壓V_IN 或發光二極體電壓V_LED 有關，但不以此為限。

控制電路20分別於第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間、第二分壓電阻R2與第三分壓電阻R3之間以及輸入電阻R_IN 與調節器24之間感測第一電壓訊號VF1、第二電壓訊號VF2及第三電壓訊號VF，並輸出設定電壓訊號 V_SET 至輸出級OS之比較器26。需特別說明的是，輸出級OS亦可不包含比較器26，而是由開關SW的閘極直接接收控制電路20所輸出的設定電壓訊號V_SET 。

控制電路20將會根據其感測到之第一電壓訊號VF1、第二電壓訊號VF2及第三電壓訊號VF判斷特定電壓V_N 之電壓值。時脈產生器22將會產生時脈訊號CL至控制電路20，以供控制電路20調整其所輸出之設定電壓訊號V_SET 的工作週期大小。

請參照圖3，圖3係繪示圖2中之控制電路20的電路結構示意圖。如圖3所示，控制電路20包含第一比較器201、第二比較器202、多工器203及斜波產生器204。其中，第一比較器201、第二比較器202及斜波產生器204均分別耦接多工器203。第一比較器201比較該第一電壓訊號VF1與第三電壓訊號VF以產生第一比較結果SC1。第二比較器202比較第二電壓訊號VF2與第三電壓訊號VF以產生第二比較結果SC2。接著，多工器203根據第一比較結果SC1、第二比較結果SC2及第三電壓訊號VF判斷特定電壓V_N 之電壓值大小，並據以控制斜波產生器204產生相對應之斜波，以調整多工器203輸出至輸出級OS之設定電壓訊號V_SET 之工作週期(duty cycle)大小。藉此，輸出級OS亦可據以調整通過發光二極體LED之發光二極體電流I_LED 之工作週期大小。

請參照圖4A至4C，圖4A至4C係分別繪示發光二極體驅動裝置2之輸入電壓V_IN 、發光二極體電流I_LED 及兩者相乘所得之消耗功率P之波形圖。如圖4B所示，當輸入電壓V_IN 較大時，發光二極體電流I_LED 之工作週期將會變 小，亦即脈衝寬度變窄。因此，如圖4C所示，當輸入電壓V_IN 較大時，由於發光二極體電流I_LED 之工作週期變小，使得消耗功率P不增反減，故可有效避免先前技術中之消耗功率過大及過熱之問題。

根據本發明之另一具體實施例亦為一種發光二極體驅動裝置。於此實施例中，發光二極體驅動裝置係用以驅動發光二極體發出光線，但不以此為限。

請參照圖5，圖5係繪示此實施例之發光二極體驅動裝置的電路結構示意圖。如圖5所示，發光二極體驅動裝置5包含有輸出級OS、輸入電阻R_IN 、控制電路50、彼此串接之第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2及第三分壓電阻R3、調節器54及彼此串接之第四分壓電阻RV1及第五分壓電阻RV2。

輸入電阻R_IN 之一端耦接輸入電壓V_IN ，另一端耦接調節器54。第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2及第三分壓電阻R3係彼此串接於特定電壓V_N 與接地端之間，用以對特定電壓V_N 進行分壓。控制電路50分別耦接至輸入電阻R_IN 與調節器54之間、第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間、第二分壓電阻R2與第三分壓電阻R3之間、第四分壓電阻RV1與第五分壓電阻RV2之間以及輸出級OS。

輸出級OS包含比較器56、發光二極體LED、開關SW及設定電阻R_SET 。比較器56之兩輸入端分別耦接控制電路50以及開關SW與設定電阻R_SET 之間，其輸出端耦接開關SW。發光二極體LED耦接於發光二極體電壓V_LED 與開關SW之間。

控制電路50分別於第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間、第二分壓電阻R2與第三分壓電阻R3之間、輸入電阻R_IN 與調節器54之間以及第四分壓電阻RV1與第五分壓電阻RV2之間感測第一電壓訊號VF1、第二電壓訊號VF2、第三電壓訊號VF及第四電壓訊號V1，並輸出設定電壓訊號V_SET 至輸出級OS之比較器56。需特別說明的是，輸出級OS亦可不包含比較器56，而是由開關SW的閘極直接接收控制電路50所輸出的設定電壓訊號V_SET 。

控制電路50將會根據其感測到之第一電壓訊號VF1、第二電壓訊號VF2、第三電壓訊號VF及第四電壓訊號V1判斷特定電壓V_N 之電壓值，並據以調整設定電壓訊號V_SET 之一電壓值大小。

請參照圖6，圖6係繪示圖5中之控制電路50的電路結構示意圖。如圖6所示，控制電路50包含第一比較器501、第二比較器502及多工器503。其中，第一比較器501及第二比較器502均分別耦接多工器503。第一比較器501比較第一電壓訊號VF1與第三電壓訊號VF以產生第一比較結果SC1。第二比較器502比較第二電壓訊號VF2與第三電壓訊號VF以產生第二比較結果SC2。接著，多工器503根據第一比較結果SC1、第二比較結果SC2、第三電壓訊號VF及第四電壓訊號V1判斷特定電壓V_N 之電壓值大小，並據以透過切換之方式去調整多工器503輸出至輸出級OS之設定電壓訊號V_SET 之電壓值大小。

舉例而言，多工器503可切換設定電壓訊號V_SET 之電壓值為第三電壓訊號VF之電壓值或第四電壓訊號V1之電壓值，但不以此為限。藉此，輸出級OS亦可據以調整通過 發光二極體LED之發光二極體電流I_LED 之電流值大小。

請參照圖7A至7C，圖7A至7C係分別繪示發光二極體驅動裝置5之輸入電壓V_IN 、發光二極體電流I_LED 及兩者相乘所得之消耗功率P之波形圖。如圖7B所示，當輸入電壓V_IN 較大時，發光二極體電流I_LED 之電流值將會變小。因此，如圖7C所示，當輸入電壓V_IN 較大時，由於發光二極體電流I_LED 之電流值變小，使得其消耗功率P不增反減，故可有效避免先前技術中之消耗功率過大及過熱之問題。

根據本發明之另一具體實施例為一種發光二極體驅動裝置運作方法。於此實施例中，發光二極體驅動裝置包含輸出級、輸入電阻、控制電路及彼此串接之第一分壓電阻、第二分壓電阻及第三分壓電阻。輸出級包含至少一發光二極體。複數個分壓電阻耦接於特定電壓與接地端之間。流經發光二極體之發光二極體電流的工作週期係隨特定電壓而改變。控制電路分別耦接該輸出級、輸入電阻之另一端、第一分壓電阻與第二分壓電阻之間以及第二分壓電阻與第三分壓電阻之間。輸出級包含至少一發光二極體。

請參照圖8，圖8係繪示此實施例之發光二極體驅動裝置運作方法的流程圖。如圖8所示，首先，該方法執行步驟S10，透過第一分壓電阻、第二分壓電阻及第三分壓電阻對特定電壓進行分壓。接著，該方法執行步驟S12，分別於第一分壓電阻與第二分壓電阻之間、第二分壓電阻與第三分壓電阻之間及輸入電阻之另一端感測第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號。然後，該方法執行步驟S14，根據第一電壓訊號、第二電壓訊號及第三電壓訊號調整控制電路輸出至輸出級之設定電壓訊號。

於實際應用中，步驟S14可包含下列子步驟：比較第一電壓訊號與第三電壓訊號以產生第一比較結果；比較第二電壓訊號與第三電壓訊號以產生第二比較結果；根據第一比較結果、第二比較結果及第三電壓訊號判斷特定電壓之大小，並據以調整輸出至輸出級之設定電壓訊號。

於一實施例中，該方法可以產生時脈訊號，並根據該時脈訊號調整該設定電壓訊號之一工作週期大小。

於另一實施例中，發光二極體驅動裝置進一步包含調節器、第四分壓電阻及第五分壓電阻。調節器耦接於輸入電阻之另一端與接地端之間。第四分壓電阻耦接輸入電阻之另一端。第五分壓電阻耦接於第四分壓電阻與接地端之間。該方法可以於第四分壓電阻與第五分壓電阻之間感測第四電壓訊號，並根據第一比較結果、第二比較結果、第三電壓訊號及第四電壓訊號判斷特定電壓之大小，並據以調整設定電壓訊號之電壓值大小。

相較於先前技術，根據本發明的發光二極體驅動裝置及其運作方法可達成下列功效：(1)有效避免當輸入電壓過大時之功率消耗過大及過熱問題；(2)有效避免當輸入電壓不同時之發光二極體平均電流不準確之問題，亦即輸入電壓調節率(Line Regulation)較差之問題；(3)使發光二極體能夠工作於最佳的電流對應亮度點。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請 之專利範圍的範疇內。

S10~S14‧‧‧流程步驟

V_IN ‧‧‧輸入電壓

26、56‧‧‧比較器

LED‧‧‧發光二極體

I_LED ‧‧‧發光二極體電流

P‧‧‧消耗功率

VH‧‧‧高輸入電壓

VL‧‧‧低輸入電壓

2、5‧‧‧發光二極體驅動裝置

OS‧‧‧輸出級

R_IN ‧‧‧輸入電阻

20、50‧‧‧控制電路

22‧‧‧時脈產生器

24、54‧‧‧調節器

R1‧‧‧第一分壓電阻

R2‧‧‧第二分壓電阻

R3‧‧‧第三分壓電阻

RV1‧‧‧第四分壓電阻

V1‧‧‧第四電壓訊號

V_N ‧‧‧特定電壓

SW‧‧‧開關

R_SET ‧‧‧設定電阻

VF1‧‧‧第一電壓訊號

VF2‧‧‧第二電壓訊號

VF‧‧‧第三電壓訊號

V_SET ‧‧‧設定電壓訊號

CL‧‧‧時脈訊號

201、501‧‧‧第一比較器

202、502‧‧‧第二比較器

203、503‧‧‧多工器

204‧‧‧斜波產生器

SC1‧‧‧第一比較結果

SC2‧‧‧第二比較結果

RV2‧‧‧第五分壓電阻

V_LED ‧‧‧發光二極體電壓

圖1A至1C係分別繪示先前技術中之發光二極體驅動裝置之輸入電壓、發光二極體電流及兩者相乘所得之消耗功率之波形圖。

圖2係繪示根據本發明之一具體實施例之發光二極體驅動裝置的電路結構示意圖。

圖3係繪示圖2中之控制電路的電路結構示意圖。

圖4A至4C係分別繪示發光二極體驅動裝置之輸入電壓、發光二極體電流及兩者相乘所得之消耗功率之波形圖。

圖5係繪示根據本發明之另一具體實施例之發光二極體驅動裝置的電路結構示意圖。

圖6係繪示圖5中之控制電路的電路結構示意圖。

圖7A至7C係分別繪示發光二極體驅動裝置之輸入電壓、發光二極體電流及兩者相乘所得之消耗功率之波形圖。

圖8係繪示根據本發明之另一具體實施例之發光二極體驅動裝置運作方法的流程圖。

2‧‧‧發光二極體驅動裝置

OS‧‧‧輸出級

R_IN ‧‧‧輸入電阻

20‧‧‧控制電路

22‧‧‧時脈產生器

24‧‧‧調節器

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_LED ‧‧‧發光二極體電壓

VF‧‧‧第三電壓訊號

V_SET ‧‧‧設定電壓訊號

CL‧‧‧時脈訊號

R1‧‧‧第一分壓電阻

R2‧‧‧第二分壓電阻

R3‧‧‧第三分壓電阻

V_N ‧‧‧特定電壓

Claims (10)

1. 一種發光二極體驅動裝置，包含：一輸出級，包含至少一發光二極體；一輸入電阻，其一端耦接一輸入電壓；複數個分壓電阻，耦接於一特定電壓與一接地端之間，該複數個分壓電阻至少包含彼此串接之一第一分壓電阻、一第二分壓電阻及一第三分壓電阻，以對該特定電壓進行分壓，其中流經該發光二極體之一發光二極體電流的工作週期係隨該特定電壓而改變；以及一控制電路，分別耦接該輸出級、該輸入電阻之另一端、該第一分壓電阻與該第二分壓電阻之間以及該第二分壓電阻與該第三分壓電阻之間，該控制電路分別於該第一分壓電阻與該第二分壓電阻之間、該第二分壓電阻與該第三分壓電阻之間及該輸入電阻之該另一端感測一第一電壓訊號、一第二電壓訊號及一第三電壓訊號，並根據該第一電壓訊號、該第二電壓訊號及該第三電壓訊號調整該控制電路輸出至該輸出級之一設定電壓訊號；其中，該控制電路係包含有：一第一比較器，用以比較該第一電壓訊號與該第三電壓訊號以產生一第一比較結果；一第二比較器，用以比較該第二電壓訊號與該第三電壓訊號以產生一第二比較結果；以及一多工器，耦接該第一比較器及該第二比較器，用以根據該第一比較結果、該第二比較結果及該第三電壓訊號判斷該特定電壓之電壓值大小，並據以調整輸出至 該輸出級之該設定電壓訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，進一步包含：一時脈產生器(clock generator)，耦接該控制電路，用以產生一時脈訊號至該控制電路，以供該控制電路調整該設定電壓訊號之一工作週期(duty cycle)大小。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，進一步包含：一調節器，耦接於該輸入電阻之該另一端與該接地端之間；一第四分壓電阻，耦接該輸入電阻之該另一端；以及一第五分壓電阻，耦接於該第四分壓電阻與該接地端之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體驅動裝置，其中該多工器耦接至該第四分壓電阻與該第五分壓電阻之間，該多工器於該第四分壓電阻與該第五分壓電阻之間感測一第四電壓訊號，並根據該第一比較結果、該第二比較結果、該第三電壓訊號及該第四電壓訊號判斷該特定電壓之大小，並據以調整該設定電壓訊號之一電壓值大小。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中該特定電壓之大小係與該輸入電壓或該發光二極體之一發光二極體電壓有關。
6. 一種運作一發光二極體驅動裝置之方法，該發光二極體驅動裝 置包含一輸出級、一輸入電阻、一控制電路及彼此串接之一第一分壓電阻、一第二分壓電阻及一第三分壓電阻，該輸出級包含至少一發光二極體，該複數個分壓電阻耦接於一特定電壓與一接地端之間，流經該發光二極體之一發光二極體電流的工作週期係隨該特定電壓而改變，該輸入電阻之一端耦接一輸入電壓，該控制電路分別耦接該輸出級、該輸入電阻之另一端、該第一分壓電阻與該第二分壓電阻之間以及該第二分壓電阻與該第三分壓電阻之間，該方法包含下列步驟：(a)透過該第一分壓電阻、該第二分壓電阻及該第三分壓電阻對該特定電壓進行分壓；(b)分別於該第一分壓電阻與該第二分壓電阻之間、該第二分壓電阻與該第三分壓電阻之間及該輸入電阻之該另一端感測一第一電壓訊號、一第二電壓訊號及一第三電壓訊號；以及(c)根據該第一電壓訊號、該第二電壓訊號及該第三電壓訊號調整該控制電路輸出至該輸出級之一設定電壓訊號；其中，步驟(c)包含下列步驟：(c1)比較該第一電壓訊號與該第三電壓訊號以產生一第一比較結果；(c2)比較該第二電壓訊號與該第三電壓訊號以產生一第二比較結果；以及(c3)根據該第一比較結果、該第二比較結果及該第三電壓訊號判斷該特定電壓之大小，並據以調整輸出至該輸出級之該設定電壓訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包含下列步驟： 產生一時脈訊號；以及根據該時脈訊號調整該設定電壓訊號之一工作週期(duty cycle)大小。
8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該發光二極體驅動裝置進一步包含一調節器、一第四分壓電阻及一第五分壓電阻，該調節器耦接於該輸入電阻之該另一端與該接地端之間，該第四分壓電阻耦接該輸入電阻之該另一端，該第五分壓電阻耦接於該第四分壓電阻與該接地端之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，進一步包含下列步驟：於該第四分壓電阻與該第五分壓電阻之間感測一第四電壓訊號；以及根據該第一比較結果、該第二比較結果、該第三電壓訊號及該第四電壓訊號判斷該特定電壓之大小，並據以調整該設定電壓訊號之一電壓值大小。
10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該特定電壓之大小係與該輸入電壓或該發光二極體之一發光二極體電壓有關。