TWI543661B - 電源控制器以及控制方法 - Google Patents

Description

電源控制器以及控制方法

本發明係關於供電於發光二極體之電源供應器，尤其是關於抑制或減低異音(audio noise)之電源供應器。

對於講究節能減碳的這個時代而言，發光二極體(light-emitting diode，LED)已經是廣為使用的一種光源，因為其具有相當優良的發光效率以及精巧的元件體積。舉例來說，現代的液晶螢幕(LCD panel)，大都以LED來取代以往的CCFL，來當作背光。

第1圖為一種用於液晶螢幕之背光模組的LED電源供應器8，大致包含有兩級：電壓控制級4以及電流控制級6。在第1圖中，電壓控制級4為一昇壓電路(booster)，電源控制器18控制功率開關15，使電感元件PRM從輸入端VIN汲取能量，而對輸出端OUT釋放能量，以在輸出端OUT上建立適當的輸出電壓V_OUT給予發光二極體串。電流控制器20主要控制使流經每一個發光二極體串(LED chain)的電流都大致相等，以達到均勻發光的目的。

一般背光模組都有調整亮度之功能，以控制液晶螢幕的明暗。LED電源供應器8可接收一調光信號(dimming signal)V_DIM，大致來控制發光二極體串的發光與否。

第2圖顯示在調光端DIM的調光信號V_DIM、在閘端GATE的閘信號V_GATE、從輸入端VIN流入電感元件PRM的電流I_IN、以及輸出電壓V_OUT。在發光時段(Dimming ON)時，調光信號V_DIM為致能(asserted)，電源控制器18以閘信號V_GATE週期性的切換功率開關15，輸入端VIN被抽取電流I_IN，在輸出端OUT上建立適當的輸出電壓V_OUT，電流控制器20使大致讓電流I_IN流經發光二極體串而發光。

在不發光時段(Dimming OFF)時，調光信號V_DIM為禁能(de-asserted)，電源控制器18禁能閘信號V_GATE，電流I_IN大致為0，輸出電壓V_OUT可能會因為些許的漏電流而隨時間降低。電流控制器20切斷發光二極體串的電流路徑，因此發光二極體串不發光。

從第2圖中的信號可以發現，不發光時段與發光時段之間的切換，對於電壓控制級4而言，幾乎就是無載(no load)與重載(heavy load)之間切換。就算是調光信號V_DIM的切換頻率低到200Hz這樣人耳難以聽到的頻段，但是因為載的變化是如此的大，所以電流I_IN在切換頻率的諧波頻率(harmonic frequency)中就會具有相當的能量，足以使電感元件PRM產生人耳感受得到異音。尤其對於影音電子產品而言，異音是需要消除或是降低的。

本發明實施例揭露一種電源控制器，適用於一發光二極體電源供應器，其對至少一發光二極體供電。該發光二極體電源供應器包含有一功率開關，用以控制一電感元件之儲能或釋能，具有一控制閘。該發光二極體電源供應器接收一調光信號，用以大致決定該發光二極體的發光。該電源控制器包含有一閘驅動電路。該閘驅動電路依據一脈波調整信號以及一調光信號，來產生一閘信號，以驅動該控制閘。當該調光信號為致能時，該閘驅動電路具有一第一驅動力(driving force)，當該調光信號為禁能時，該閘驅動電路具有一第二驅動力，小於該第一驅動力。

本發明實施例另揭露一種控制方法，適用於一發光二極體電源供應器。該控制方法包含有：接收一調光信號，其可決定至少一發光二極體的發光；提供一閘驅動電路，以驅動一功率開關之一控制閘，其中，該功率開關控制一電感元件之儲能或釋能；當該調光信號為致能時，使該閘驅動電路具有一第一驅動力；以及，當該調光信號為禁能時，使該閘驅動電路具有一第二驅動力，該第二驅動力小於該第一驅動力。

本發明實施例另揭露一種控制方法，適用於對一發光二極體供電的一電源轉換器，其接收一調光信號。該調光信號可決定該發光二極體的發光。該控制方法包含有：在該調光信號為致能(asserted)時，使該電源轉換器(power converter)，依據一補償信號，供電予該發光二極體；在該調光信號為禁能(de-asserted)時，使該電源轉換器不對該發光二極體供電；以及，在該調光信號轉態(toggle)後的一預設時間內，使該電源轉換器傳輸一第二電能功率，該第二電能功率大於0，且低於該補償信號所對應的一第一電能功率。

在本說明書中，具有相同符號的元件，為具有大致相同或是類似的功能、結構、組織、或應用之元件，不必然需要彼此完全相同。此業界具有普通相關知識者，基於本說明書的教導，將知道替換或是改變實施例中的元件，來實現本發明。本發明的實施例，並不用於限制本發明的權利範圍。

第3A圖為電源控制器22，可以用於第1圖中的電源控制器18。電源控制器22中具有脈波寬度調變器32以及閘驅動電路24。脈波寬度調變器32依據補償端COM上的補償信號V_COM，來產生脈波調整信號V_PWM。舉例來說，補償信號V_COM的電壓越高，脈波調整信號V_PWM控制功率開關15使電感元件所累積的能量越高，代表一相對應電源供應器轉換越多的功率。閘驅動電路24則依據脈波調整信號V_PWM以及調光信號V_DIM，來產生閘信號V_GATE，以驅動功率開關15的控制閘。從閘驅動電路24的電路可知，當調光信號V_DIM為致能時，閘信號V_GATE大致與脈波調整信號V_PWM同相。閘驅動電路24具有驅動電路26。為了方便與下一實施例做比較，如第3A圖舉例所示，驅動電路26具有4單位的驅動力，來驅動功率開關15的控制閘。

第3B圖顯示第3A圖中的調光信號V_DIM、在閘端GATE的閘信號V_GATE、以及相對應從輸入端VIN可能產生的電流I_IN。如同第3B圖所示，當調光信號V_DIM為致能時，驅動電路26以4單位的驅動力來產生閘信號V_GATE，所以週期性的開關功率開關15，電流I_IN大致震盪於一定的範圍內，使第1圖中的發光二極體串發光。當調光信號V_DIM為禁能時，驅動電路26以4單位的驅動力來禁能閘信號V_GATE，所以閘信號V_GATE的電壓快速下降，最後一直維持0電壓附近，完全關閉功率開關15。因為功率開關15被關閉，所以電流I_IN線性地降低，直到0安培為止。

第4A圖為依據本發明實施的電源控制器30，可以取代第1圖中的電源控制器18。電源控制器30包含有脈波寬度調變器32以及閘驅動電路34。第4A圖與第3A圖中相同的部分，為此業界人士能了解推知，不再累述。

相異於第3A圖中的閘驅動電路24，其具有單一的驅動電路26，第4A圖中的閘驅動電路34具有兩個驅動電路36與38，分別具有1單位以及3單位的驅動力。舉例來說，在一實施例中，驅動電路36的最大下拉電流為10mA，而驅動電路38的最大下拉電流為30mA，所以驅動電路38的驅動力為驅動電路36的三倍。在另一實施例中，驅動電路36的最大下拉電阻為驅動電路38的最大下拉電阻的三倍，亦可使驅動電路38的驅動力為驅動電路36的三倍。當調光信號V_DIM為致能時，閘信號V_GATE大致與脈波調整信號V_PWM同相，且驅動電路36以及38總共以4單位的驅動力來產生閘信號V_GATE。當調光信號V_DIM為禁能時，驅動電路38被禁能(disabled)，停止驅動功率開關15的控制閘。此時，只有驅動電路36，以1單位的驅動力，來禁能閘信號V_GATE。

第4B圖顯示第4A圖中的調光信號V_DIM、閘信號V_GATE、以及相對應從輸入端VIN可能產生的電流I_IN。相較於第3B圖中的閘信號V_GATE，其在調光信號V_DIM一變成禁能時，就被4單位的驅動力拉的快速下降，第4B圖中的閘信號V_GATE，在調光信號V_DIM一變成禁能時，只有被1單位的驅動力拉，所以下降的比較慢。因此，第4B圖中的電流I_IN就會稍微得延遲一段時間，比較慢進入線性下降狀態。

比較第4B圖與第3B圖可知，第4B圖中電流I_IN變化比較緩和，尤其是在調光信號V_DIM轉態為禁能時。變化比較緩和的信號，從頻譜分析上可知，其諧波頻率所具有的能量，也會相對的比較低。因此，第4A圖中的電源控制器30，比較有機會降低因為諧波頻率部分所導致的異音。

第5圖顯示一種適用於發光二極體電源供應器的控制方法40，可以使用於第3A圖或是第4A圖中的電源控制器22或30。以下將以控制方法40實施於電源控制器30，作為一實施例。

在步驟42中，電源控制器30先確認在電源端VCC的操作電壓V_CC已經高到一定程度，可以正常操作。

接著進入步驟44，其中，電源控制器30判斷現在應是操作在發光時段(Dimming ON)還是不發光時段(Dimming OFF)，據以進入步驟46或54。如果調光端DIM上的調光信號V_DIM為致能，電源控制器30就判斷現在應是操作於發光時段，進入步驟46；反之，則是應操作於不發光時段，進入步驟54。

在步驟46中，電源控制器30在連續數個開關週期中，強制使功率開關15的開啟時間T_ON，都是最短開啟時間(minimum ON time)，不受補償信號V_COM的影響。此時，第1圖中的電流控制器20開始提供定電流路徑，使發光二極體串發光。接著進入步驟48。

在步驟48中，電源控制器30依據補償信號V_COM，來控制開啟時間T_ON，供電給發光二極體串，使其繼續發光。然後，進入步驟50。

從步驟44、46與48可以發現，步驟46可以視為一種緩啟動(soft start)機制。在發光二極體串剛剛從不發光時段進入發光時段後的一緩啟動時間內，電源控制器30所控制的電壓控制級一開始提供有限且低於發光二極體串真正所需的電能功率。在緩啟動時間過後，電源控制器30所控制的電壓控制級才開始提供發光二極體串發光真正所需的電能功率，也就是補償信號V_COM所對應需求的電能功率。

步驟50中，電源控制器30判斷現在應是操作在發光時段(Dimming ON)還是不發光時段(Dimming OFF)。如果調光端DIM上的調光信號V_DIM為致能，電源控制器30就判斷現在應該繼續操作於發光時段，所以回到步驟48；反之，則是應開始操作於不發光時段，進入步驟52。

與步驟46類似的，在步驟52中，電源控制器30在連續數個開關週期中，強制使功率開關15的開啟時間T_ON，都是最短開啟時間(minimum ON time)，不受補償信號V_COM的影響。此時，第1圖中的電流控制器20切斷定電流路徑，使發光二極體串不發光，然後進入步驟54。

在步驟54中，電源控制器30停止轉換電能並停止提供電流驅動二極體串，且二極體串不發光。此時，電源控制器30維持閘信號V_GATE為禁能，所以功率開關15保持在關閉狀態，不轉換電能。

從步驟50、52與54可以發現，步驟52可以視為一種緩煞車(soft ending)機制。在發光二極體串剛剛從發光時段進入不發光時段後的一緩煞車時間內，電源控制器30所控制的電壓控制級一開始提供有限且大於0電能功率，給後續的電流控制級。在緩煞車時間過後，電源控制器30所控制的電壓控制級才完全停止提供電能功率。

第6A圖顯示從不發光時段進入發光時段的過程中，一些信號波形；第6B圖顯示從發光時段進入不發光時段的過程中，一些信號波形。在第6A圖與第6B圖中，信號波形，由上而下，分別是調光信號V_DIM、閘信號V_GATE、電流I_IN、補償信號V_COM、以及在電流偵測端CS的電壓信號V_CS。

第6A圖中，在時間點t_R時，調光信號V_DIM由禁能變成致能，所以發光二極體從不發光時段，開始進入發光時段。從時間點t_R開始的緩啟動時間T_SS內有四個開關週期，每個開關週期中的閘信號V_GATE之開啟時間T_ON，都是最短開啟時間。在時間點t_ES之後，閘信號V_GATE的開啟時間T_ON不再是最短開啟時間，而是最長開啟時間，或是由補償信號V_COM所決定。從第6A圖也可以得知，在緩啟動時間T_SS內所提供的電能功率，低於補償信號V_COM所對應要有的電能功率。

第6B圖中，在時間點t_F時，調光信號V_DIM由致能變成禁能，所以發光二極體從發光時段，開始進入不發光時段。從時間點t_F開始的緩煞車時間T_SE內有四個開關週期，每個開關週期中的閘信號V_GATE之開啟時間T_ON，都是最短開啟時間。在時間點t_SE之後，閘信號V_GATE就一直維持在禁能。從第6B圖也可以得知，在緩煞車時間T_SE內所提供的電能功率，大於0，但是低於當時補償信號V_COM所對應要有的電能功率。

第7圖顯示當沒有採用緩啟動機制時，調光信號V_DIM、閘信號V_GATE、補償信號V_COM、以及電流I_IN的可能波形。相較於第7圖的電流I_IN，第6A圖的電流I_IN，因為緩啟動機制的影響，電流I_IN上升的比較緩和，所以可能可以降低諧波頻率部分所導致的異音。

類似的，相較於第3B圖中沒有採用緩煞車機制的電流I_IN，第6B圖的電流I_IN，因為緩煞車機制的影響，電流I_IN下降的比較緩和，所以可能可以降低諧波頻率部分所導致的異音。

緩煞車時間內，發光二極體串並沒有發光，所以電壓控制級所提供的電能，並沒有被發光二極體串所消耗，而是預先存放在輸出端OUT上。這些預先存放的電能，可以些許彌補後續緩啟動時間內，電壓控制級供應電能不足的部分。所以，同時使用緩煞車以及緩啟動機制，可能可以減小補償信號V_COM的變動。

第5圖中的緩煞車/緩啟動機制，可以跟第4A圖的驅動力控制，一起實現在同一電源控制器。在另一個實施例中的一電源控制器，只有實施第5圖中的緩煞車/緩啟動機制，但沒有實施第4A圖的驅動力控制。在另一個實施例中的一電源控制器，沒有實施第5圖中的緩煞車/緩啟動機制，但有實施第4A圖的驅動力控制。

緩煞車時間與緩啟動時間內，所強制的，不一定是要開啟時間T_ON為最短開啟時間。在另一個實施例中，緩煞車時間與緩啟動時間內，強制的是電壓信號V_CS的峰值。電壓信號V_CS的峰值對應的是流經電感元件PRM之電流峰值。舉例來說，在第8圖中所示的控制方法96中，在緩煞車時間內，電壓信號V_CS的峰值至少是一第一預定值，如同第8圖中步驟98所示；在緩啟動時間內，電壓信號V_CS的峰值至多是一第二預定值，如同第8圖中步驟97所示。而第一與第二預定值可以相同，也可以相異。

在一實施例中，在發光時段時，不論是在緩啟動時間與否，補償端COM將受到回饋端FB上的電壓而被充電或是放電，所以補償信號V_COM大致反映二極體串所需的電能功率；在不發光時段中，不論是在緩煞車時間與否，補償端COM被禁止充放電，所以補償信號V_COM大致維持在進入不發光時段前的電壓準位，由一外接補償電容所大致記憶著。如此，在進入下次發光時段時，就能夠快速地提供足夠的電能。

從以上分析可以發現，採用本發明之實施例，相較於其他例子，電流I_IN的變化會比較緩和，所以可能可以降低諧波頻率部分所導致的異音。

雖然本發明以第1圖中的昇壓電路為例，但本發明也使用在其他種架構之轉換器。本發明也可以適用於，譬如說，返馳式轉換器(flyback converter)、降壓轉換器(buck converter)、昇降壓轉換器(buck booster)等。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

4．．．電壓控制級

6．．．電流控制級

8．．．LED電源供應器

15．．．功率開關

18．．．電源控制器

20．．．電流控制器

22．．．電源控制器

24．．．閘驅動電路

26．．．驅動電路

30．．．電源控制器

32．．．脈波寬度調變器

34．．．閘驅動電路

36、38．．．驅動電路

40、96．．．控制方法

COM．．．補償端

CS．．．電流偵測端

DIM．．．調光端

Dimming OFF．．．不發光時段

Dimming ON．．．發光時段

FB．．．回饋端

GATE．．．閘端

I_IN．．．電流

OUT．．．輸出端

PRM．．．電感元件

t_ES．．．時間點

t_F．．．時間點

t_R．．．時間點

t_SE．．．時間點

T_SE．．．緩煞車時間

T_SS．．．緩啟動時間

V_COM．．．補償信號

V_CS．．．電壓信號

V_DIM．．．調光信號

V_GATE．．．閘信號

VIN．．．輸入端

V_OUT．．．輸出電壓

V_PWM．．．脈波調整信號

第1圖為一種用於液晶螢幕之背光模組的LED電源供應器。

第2圖顯示在調光端DIM的調光信號V_DIM、在閘端GATE的閘信號V_GATE、從輸入端VIN流入電感元件PRM的電流I_IN、以及輸出電壓V_OUT。

第3A圖為一電源控制器，可以用於第1圖中。

第3B圖顯示第3A圖中的調光信號V_DIM、在閘端GATE的閘信號V_GATE、以及相對應從輸入端VIN可能產生的電流I_IN。

第4A圖為依據本發明實施的電源控制器，可以用於第1圖中。

第4B圖顯示第4A圖中的調光信號V_DIM、閘信號V_GATE、以及相對應從輸入端VIN可能產生的電流I_IN。

第5圖顯示一種適用於發光二極體電源供應器的控制方法。

第6A圖顯示從不發光時段進入發光時段的過程中，一些信號波形。

第6B圖顯示從發光時段進入不發光時段的過程中，一些信號波形。

第7圖顯示當沒有採用緩啟動機制時，調光信號V_DIM、閘信號V_GATE、補償信號V_COO、以及電流I_IN的可能波形。

第8圖顯示另一種適用於發光二極體電源供應器的控制方法。

15‧‧‧功率開關

30‧‧‧電源控制器

32‧‧‧脈波寬度調變器

34‧‧‧閘驅動電路

36、38‧‧‧驅動電路

COM‧‧‧補償端

GATE‧‧‧閘端

V_DIM‧‧‧調光信號

V_PWM‧‧‧脈波調整信號

Claims (14)

1. 一種電源控制器，適用於一發光二極體電源供應器，其對至少一發光二極體供電，該發光二極體電源供應器包含有一功率開關，用以控制一電感元件之儲能或釋能，具有一控制閘，該發光二極體電源供應器接收一調光信號，用以大致決定該發光二極體的發光，該電源控制器包含有：一閘驅動電路，依據一脈波調整信號以及該調光信號，來產生一閘信號，以驅動該控制閘；以及其中，當該調光信號為致能時，該閘驅動電路具有一第一驅動力(driving force)，當該調光信號為禁能時，該閘驅動電路具有一第二驅動力，小於該第一驅動力；其中，該第一與第二驅動力均用以關閉該功率開關。
2. 如申請專利範圍第1項之電源控制器，其中，當該調光信號為禁能時，該閘驅動電路以該第二驅動力，關閉該功率開關。
3. 如申請專利範圍第1項之電源控制器，其中，該閘驅動電路包含有一第一驅動電路，被致能時，可驅動該控制閘，以及一第二驅動電路具有該第二驅動力，當該調光信號為禁能時，該第一驅動電路被禁能。
4. 如申請專利範圍第1項之電源控制器，另包含有一脈波寬度調 變器(pulse width modulator，PWM)，依據一補償信號，來產生該脈波調整信號，其中，該補償信號大致代表該發光二極體電源供應器所傳遞的電能功率。
5. 一種控制方法，適用於一發光二極體電源供應器，該控制方法包含有：接收一調光信號，其大致決定至少一發光二極體的發光；提供一閘驅動電路，以驅動一功率開關之一控制閘，其中，該功率開關控制一電感元件之儲能或釋能；當該調光信號為致能時，使該閘驅動電路具有一第一驅動力；以及當該調光信號為禁能時，使該閘驅動電路具有一第二驅動力，該第二驅動力小於該第一驅動力；其中，該第一與第二驅動力均用以關閉該功率開關。
6. 如申請專利範圍第5項之控制方法，其中，該閘驅動電路包含有一第一驅動電路，以驅動該控制閘，以及一第二驅動電路具有該第二驅動力，該方法包含有：當該調光信號為禁能時，禁能該第一驅動電路。
7. 如申請專利範圍第6項之控制方法，其中，當該調光信號為禁 能時，以該第二驅動電路，關閉該功率開關。
8. 一種控制方法，適用於對一發光二極體供電的一電源轉換器，其接收一調光信號，該調光信號可決定該發光二極體的發光，該控制方法包含有：在該調光信號為致能(asserted)時，使該電源轉換器(power converter)，依據一補償信號，供電予該發光二極體；在該調光信號為禁能(de-asserted)時，使該電源轉換器不對該發光二極體供電；以及在該調光信號轉態(toggle)後的一預設時間內，使該電源轉換器傳輸一第二電能功率，該第二電能功率大於0，且低於該補償信號所對應的一第一電能功率。
9. 如申請專利範圍第8項之控制方法，其中，在該調光信號轉態(toggle)後的該預設時間內，使該電源轉換器中的一功率開關，在每個開關週期內之開啟時間，都是一預設之最短開啟時間(minimum ON time)。
10. 如申請專利範圍第8項之控制方法，其中，該電源轉換器包含有一電感元件，在該調光信號從被禁能轉成被致能後的一緩啟動時間內之每個開關週期，流經該電感元件之電感電流，均不 大於一預設值。
11. 如申請專利範圍第8項之控制方法，其中，該電源轉換器包含有一電感元件，在該調光信號從被致能轉成被禁能後的一緩煞車時間內之每個開關週期，流經該電感元件之電感電流，均不小於一預設值。
12. 如申請專利範圍第8項之控制方法，其中，該預設時間係於位於該調光信號由禁能轉為致能之後。
13. 如申請專利範圍第8項之控制方法，其中，該預設時間係於位於該調光信號由致能轉為禁能之後。
14. 如申請專利範圍第8項之控制方法，包含有：當該調光信號為禁能時，使補償信號所在的一補償端，不被充放電；以及當該調光信號為致能時，使該補償端，依據一回饋電壓而充放電。