TWI526120B

TWI526120B - Ｌｅｄ調光驅動系統

Info

Publication number: TWI526120B
Application number: TW099144228A
Authority: TW
Inventors: 杜磊; 劉白仁; 姚凱威; 張軍明; 任遠程
Original assignee: 茂力科技股份有限公司
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2016-03-11
Also published as: TW201228467A

Description

LED調光驅動系統

本發明涉及LED電源，具體涉及LED電源的控制和LED的調光控制。

白光發光二極體(LED)燈條組可作為液晶顯示器(LCD)板的背光，可應用於電腦、電視等場合，其應用越來越廣泛。

現有的LED背光電源普遍使用三級式驅動系統，見圖1所示。該驅動系統包括功率因素校正(PFC)級11、隔離式直流-直流(DC-DC)電壓變換器級12和LED升壓驅動級13。PFC級11將交流電如220伏特(V)交流市電整流成400V直流線電壓。隔離式直流-直流變換器級12包含隔離式電壓變換器，將線電壓轉換成另一有效值的直流電壓--如120V的電壓用於給LED升壓驅動級13提供輸入電壓。LED升壓驅動級13包含1至多個非隔離式升壓變換器(boost電路)，接收隔離式電壓變換器級12輸出的直流電壓，經升壓變換，用於為LED液晶板背光組14提供穩定的電流，其中每個boost電路為一組串聯的LED－即一個LED燈條提供電源。此外，隔離式直流-直流電壓變換器級12還用於將線電壓變壓成更低有效值的直流電壓如18V直流電壓，經系統電源變壓器15的變壓輸出多路直流電壓，如12V、5V直流電壓用於為控制晶片等提供系統電源。

從上可見，圖1所示的現有LED驅動系統包含了隔離式變換器、非隔離式變換器和提供系統電源的低壓變換器等多個變換器，每個變換器都需要通過控制器來控制，因此，電路元件較多，體積大，成本高，同時耗能也較高。

本發明公開了用於LED的二級式的調光驅動系統，包含功率因數校正級和隔離式電壓變換器驅動級，其中隔離式電壓變換器驅動級包含隔離式電壓變換器以及控制器。隔離式電壓變換器對LED燈條進行供電，控制器接收來自外部的調光信號對所述LED燈條進行調光，並控制所述隔離式電壓變換器的輸出電流恆定。

在一個實施方式裏，控制器位於所述隔離式電壓變換器的二次側，所述隔離式電壓變換器為反激式電壓變換器。隔離式電壓變器的一次側可包含限流電路限制所述隔離式電壓變換器的一次側峰值電流。其中所述限流電路包含電阻和電晶體，其中電阻一端連接所述一次側開關的輸出端，另一端接一次側地端；電晶體的基極連接所述一次側開關的輸出端，集電極連接所述一次側開關的閘極，射極通過另一電阻連接一次側地端。

本發明採用上述結構，可以更簡單、成本更低、元件更少的電路結構實現LED的驅動和調光。

圖2示出了本發明的用於背光領域的LED驅動系統實施例。該LED液晶板背光組23採用兩級式驅動系統，包含PFC級21和隔離式電壓變換器驅動級22。PFC級21將交流電整流成直流線電壓，如將交流市電整流成約400V的直流線電壓。隔離式電壓變換器驅動級22將線電壓轉換成另一直流電壓用於為LED背光組23提供穩定的電源，其不包含非隔離式的升壓變換器(如Boost電路)。所述LED液晶板背光組23為一至多個LED燈條。每個燈條為串聯的一至多個LED。此外，該驅動系統還包括系統電源變壓器24，將線電壓轉換成多個低值直流電壓，為隔離式電壓變換器驅動級22提供工作電源，其中系統電源變壓器24可以為隔離式電壓變換器。

圖3示出了本發明的一個調光驅動系統實施例。該驅動系統採用兩級驅動，包括PFC級31和隔離式電壓變換器驅動級32。其中隔離式電壓變換器驅動級32包含一至多個隔離式電壓變換器模組(模組1、模組2...)，每個模組為一個LED燈條33提供電源。每個隔離式電壓變換器模組包含一個隔離式電壓變換器321和控制器322。在圖中所示的實施例中，該隔離式電壓變換器為反激式電壓變換器。控制器322接收來自系統外部的調光信號對LED燈條33進行調光，並且藉由控制反激式電壓變換器的一次側開關控制反激式電壓變換器的輸出。圖3中橫向點劃線所示為隔離式電壓變換器驅動級的隔離線，隔離線以上所示為一次側，隔離線以下所示為二次側。在圖示的實施例中，控制器322位於隔離式電壓變換器321的二次側，因此控制器322通過一隔離式變壓器T1將控制信號輸入反激式電壓變換器的一次側。控制器322還可通過光耦將控制信號輸入反激式電壓變換器的一次側。控制器322還接收來自系統電源變壓器34提供的系統電源(如圖中所示的5V和12V)進行工作。在圖示的實施例中，系統電源變壓器34為反激式電壓變換器。外部電路還可輸入其他控制信號如開/關信號至控制器322控制系統的工作方式。

圖4示出了一個隔離式電壓變換器模組實施例。反激式電壓變換器41的一次側包含一次側繞組L1和一次側開關Q，其中通過調節一次側開關Q的工作占空比調節反激式電壓變換器41輸出的能量。在圖示的實施例中，一次側開關Q為MOSFET裝置。反激式電壓變換器41的二次側包含二次側繞組L2、整流裝置D和濾波電容C。LED燈條43由反激式電壓變換器41的輸出端供電，並和調光開關K串聯。在圖示的實施例中，調光開關K為MOSFET裝置，控制器42接收外部調光信號並產生調光PWM信號控制K的閘極，通過調節調光PWM信號的占空比調節LED燈條的明暗度。二次側包含一LED電流回饋電路，該回饋電路為一電流檢測電阻R1，R1一端連接調光開關K的源極，另一端接二次側地端，輸出回饋信號FB至控制器42。在圖示的實施例中，回饋電路經由另一電阻R2輸出FB信號。FB電壓V_FB用於反映調光開關K開通時流過LED燈條43的電流。其中V_FB=I_LED*R1。控制器42接收FB信號並根據FB信號輸出閘極驅動信號。在圖示的實施例中，控制器42輸出閘極驅動信號GR和GL用於調節一次側開關Q的占空比，其中V_GR-V_GL為一PWM信號，閘極驅動信號經變壓器T1耦合到一次側電路，形成驅動PWM信號至一次側開關Q的閘極，控制Q的占空比，實現LED燈條43的電流恆定。在另外一種實施方式中，控制器也可以採用光耦將閘極驅動信號耦合至一次側開關。

此外，控制器42還可具有過流保護和無負載保護。其中二次側繞組L2和一電阻R3串聯，R3另一端接二次側地端。R3兩端電壓V3輸入至控制器42，當二次側繞組電流過大時，V3升高至超過一過流參考值，此時，控制器42的閘極驅動信號占空比為零，使一次側開關Q停止工作。二次側濾波電容C兩端電壓V_OUT即隔離式電壓變換器41的輸出電壓通過由R4、R5組成的電阻分壓器採集V4至控制器42。當二次側LED負載斷路即無負載時或其他情況導致V_OUT升高至超過一過壓參考值時，控制器42的閘極驅動信號占空比為零，使一次側開關Q停止工作。

圖5示出了本發明的一個控制器51實施例，該控制器51帶有調光和LED電流調節功能。在該實施例中，控制器51包括誤差放大器510、PWM發生模組511和調光控制模組512。其中誤差放大器510和PWM發生模組作為驅動模組，接收LED燈條的電流回饋信號，輸出閘極驅動信號--即驅動PWM信號至一次側開關的閘極控制它的導通和關斷。

調光控制模組512接收調光信號，產生調光PWM信號至調光開關K的閘極，控制LED燈條的亮度。其中LED燈條的亮度正比於調光PWM信號的占空比。輸入至隔離式電壓變換器驅動級50或控制器51的調光信號可以為PWM信號、直流類比信號或直流類比信號與頻率信號的複合信號。當調光信號為PWM信號時，調光控制模組512產生與輸入的PWM信號波形一致即占空比與頻率一致的調光PWM信號。當調光信號為直流類比信號時，調光控制模組512包含三角波發生器和比較器，將直流類比信號與內部發生的三角波進行比較產生調光PWM信號。其中調光PWM信號占空比正比於直流類比信號的幅值，頻率與三角波頻率一致。當調光信號為直流類比信號與頻率信號的複合信號時，調光控制模組512產生的調光PWM信號占空比與輸入的直流類比信號幅值相同，頻率與輸入的頻率信號頻率一致。

流過LED燈條53的電流I_LED通過電流檢測電阻R1檢測，反映為電流檢測電阻R1上的電壓，產生一電流回饋信號FB，其中V_FB=I_LED*R1。該FB信號和驅動調光開關K的調光PWM波形一致，即占空比和頻率相同。其中誤差放大器510比較回饋電壓V_FB和參考電壓Vref，輸出差值放大信號COMP。

控制器還可包含一電壓保持模組513，輸出V1電壓，其第一輸入端耦接電流回饋電路，第二輸入端耦接調光控制模組512的輸出端，其輸出端耦接誤差放大器510的第一輸入端。在調光開關K開通時，即調光PWM為高位準時，電壓保持模組513產生和V_FB成正比的電壓V1。當調光PWM為低位準時，V1電壓保持不變。V1電壓在誤差放大器510和參考電壓Vref比較，產生差值放大信號COMP。

PWM發生模組接收COMP信號，產生閘極驅動信號--驅動PWM信號用於驅動一次側開關。其中PWM發生模組可採用傳統的PWM發生方式產生閘極驅動信號，將COMP信號和PWM發生模組內部產生的一頻率的三角波進行比較產生PWM信號，可採用雙邊觸發、上升沿觸發或下降沿觸發方式。一次側開關在閘極驅動信號的作用下使得隔離式電壓變換器52產生穩定的輸出電流I_OUT用於驅動LED燈條53。

圖6所示為對應圖5中調光驅動系統的工作波形圖實施例。其中，FB波形和調光PWM信號波形一致。在穩定的供電過程中，差值放大信號COMP和隔離式電壓變換器輸出電流I_OUT近似於直流信號。當調光PWM為高位準時，FB信號為高，V1=V_FB，LED燈條中有電流I_LED。當調光PWM為低位準時，調光開關K關斷，FB信號為零位準，V1保持原有的高位準，因此COMP信號亦保持直流信號狀態，一次側開關的驅動PWM信號保持穩定，隔離式電壓變換器的輸出電流I_OUT也保持恆定。

雖然圖3所示的隔離式電壓變換器為反激式電壓變換器，隔離式電壓變換器也可以採用其他的拓樸結構，如正激式電壓變換器、半橋式、全橋式或其他類型的拓樸結構。如圖7所示，該調光驅動系統採用了半橋式電壓變換器71。

由於上述實施例中控制器位於隔離式電壓變換器的二次側，一次側電路沒有常規的峰值電流控制單元，流過一次側繞組的電流可能過大從而導致變壓器電流達到飽和而影響系統正常工作。針對控制器位於隔離式電壓變換器二次側的實施例，一次側可進一步包含一限流電路，用於防止在系統啟動時或負載短路時隔離式電壓變換器的變壓器達到飽和狀態。圖8示出了一個一次側電路的限流電路實施例。該限流電路包含由電晶體Q2、電阻R6和電阻R7組成的閉環電路。其中R6一端連接一次側開關Q的源極端，另一端接一次側地端。Q2的基極連接Q的源極端，集電極連接Q的閘極，射極通過另一電阻R7連接一次側地端。當流過一次側開關Q的電流過大時，Q2基極電壓變大，Q2導通，從而一次側開關Q的閘極電壓被拉低，使得流過Q的電流變低。該閉環電路將變壓器的一次側電流鉗制在一個由Q、Q2、R6和R7參數確定的合理範圍內，從而達到限制一次側峰值電流過大的目的。

應當知道，上面描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。

本發明中的隔離式電壓變換器包括直流-直流反激式變換器、交流-直流反激式變換器或其他類型的變換器。

11．．．功率因素校正(PFC)級

12．．．隔離式直流-直流變換器級

13．．．LED升壓驅動器

14．．．液晶板背光組

15．．．系統電源變壓器

21．．．PFC級

22．．．隔離式電壓變器驅動級

23．．．LED背光組

24．．．系統電源變壓器

31．．．PFC級

32．．．隔離式電壓變換器驅動級

33．．．LED條

321．．．隔離式電壓變換器

322．．．控制器

34．．．系統電源變壓器

41．．．反激式電壓變換器

42．．．控制器

43．．．LED燈條

51．．．控制器

510．．．誤差放大器

511．．．PWM發生模組

512．．．調光控制模組

513．．．電壓保持模組

52．．．隔離式電壓變換器

53．．．LED燈條

圖1示出了先前技術的三級式的LED背光驅動系統。

圖2示出了本發明的一個二級式的LED調光驅動系統實施例，包括PFC級和隔離式電壓變換器驅動級。

圖3示出了本發明的一個調光驅動系統模組圖實施例。

圖4示出了一個隔離式電壓變換器驅動級模組的具體實施例。

圖5示出了本發明的一個控制器模組圖實施例。

圖6示出了對應圖5控制方式的系統工作波形圖實施例。

圖7示出了本發明的一個採用半橋式隔離式電壓變換器的實施例。

圖8示出了一個位於一次側的限流電路實施例，用於限制一次側峰值電流。

21．．．PFC級

22．．．隔離式電壓變器驅動級

23．．．LED背光組

24．．．系統電源變壓器

Claims

一種LED調光驅動系統，包含：功率因數校正級；隔離式電壓變換器驅動級，與所述功率因數校正級耦接，包含隔離式電壓變換器以及控制器，所述隔離式電壓變換器的一次側包含串聯的一次側繞組和一次側開關；LED燈條，包含一至多個串聯的LED，由所述隔離式電壓變換器進行供電；調光開關，和作為負載的LED燈條串聯；其中所述控制器接收系統外調光信號對所述LED燈條進行調光，並與隔離式電壓變換器耦接，輸出控制信號控制隔離式電壓變換器，其中所述控制器包括：驅動模組，接收所述LED燈條的電流回饋信號，輸出驅動PWM信號至所述一次側開關的閘極控制它的導通和關斷；調光控制模組，接收所述調光信號，輸出調光PWM信號至所述調光開關的閘極，控制所述LED燈條的亮度；其中所述驅動模組包括：電壓保持模組，接收所述電流回饋信號，產生輸出信號送至誤差放大器，當所述調光PWM信號為高位準時，輸出信號正比於所述電流回饋信號；當所述調光PWM信號為低位準時，輸出信號保持不變；所述誤差放大器，接收所述電壓保持模組的輸出信號和參考值，輸出差值放大信號；PWM發生模組，接收所述差值放大信號，輸出所述驅動PWM信號至所述一次側開關的閘極。
如申請專利範圍第1項所述的調光驅動系統，其中，所述控制器位於所述隔離式電壓變換器的二次側。
如申請專利範圍第2項所述的調光驅動系統，其中，所述隔離式電壓變換器為反激式電壓變換器。
如申請專利範圍第2項所述的調光驅動系統，其中，所述隔離式電壓變換器為半橋式或全橋式電壓變換器。
如申請專利範圍第2項所述的調光驅動系統，更包含多個隔離式電壓變換器和多個LED燈條，每個所述隔離式電壓變換器分別串聯一個LED燈條後並聯。
如申請專利範圍第1項所述的調光驅動系統，其中，所述一次側開關和所述調光開關為MOSFET裝置。
如申請專利範圍第6項所述的調光驅動系統，進一步包含檢測電阻，一端連接所述調光開關的源極端，另一端接地，所述電流回饋信號為所述檢測電阻兩端的電壓。
如申請專利範圍第6項所述的調光驅動系統，其中，所述調光信號為PWM信號、直流類比信號或直流類比信號與頻率信號的複合信號之中的一種。
如申請專利範圍第6項所述的調光驅動系統，其中，所述控制器進一步包含過流保護模組，採集所述隔離式電壓變換器的二次側繞組電流信號並在所述二次側繞組電流大於過流參考值時關斷所述一次側開關。
如申請專利範圍第9項所述的調光驅動系統，進一步包含電阻，一端和所述隔離式電壓變換器的二次側繞組連接，另一端接二次側地端，所述過流保護模組採集所述電阻兩端電壓獲得所述二次側繞組電流信號。
如申請專利範圍第6項所述的調光驅動系統，其中，所述控制器進一步包含無負載保護模組，採集所述隔離式電壓變換器的輸出電壓並在所述輸出電壓大於過壓參考值時關斷所述一次側開關。
如申請專利範圍第11項所述的調光驅動系統，進一步包含電阻分壓器，一端連接所述隔離式電壓變換器的輸出端，另一端接二次側地端，所述無負載保護模組採集所述電阻分壓器輸出電壓獲得所述隔離式電壓變換器的輸出電壓。
如申請專利範圍第1-12項之任一項所述的調光驅動系統，其中，所述隔離式電壓變換器的一次側耦接有限流電路，限制所述隔離式電壓變換器的一次側峰值電流。
如申請專利範圍第13項所述的調光驅動系統，其中所述限流電路包含：第一電阻，一端連接所述一次側開關的源極端，另一端接一次側地端；電晶體，基極連接所述一次側開關的源極端，集極連接所述一次側開關的閘極，射極通過第二電阻連接一次側地端。
一種用於LED調光的控制器，其特徵在於：接收外部調光信號和LED的電流回饋信號，輸出調光PWM信號對所述LED進行調光，並輸出驅動PWM信號控制隔離式電壓變換器的輸出電流，其中所述控制器包括：調光控制模組，接收所述調光信號，輸出調光PWM信號；電壓保持模組，接收所述電流回饋信號，產生輸出信號送至誤差放大器，當所述調光PWM信號為高位準時，輸出信號正比於所述電流回饋信號；當所述調光PWM信號為低位準時，輸出信號保持不變；所述誤差放大器，接收所述電壓保持模組的輸出信號和參考值，輸出差值放大信號；PWM發生模組，接收所述差值放大信號，輸出驅動PWM信號。
如申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，所述調光信號為PWM信號、直流類比信號或直流類比信號與頻率的複合信號之中的一種。