TWI583245B - 發光二極體驅動電路以及相關之驅動方法 - Google Patents

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Description

發光二極體驅動電路以及相關之驅動方法
本發明係關於發光二極體的驅動電路。
因為有良好的發光效率、精簡的元件體積、以及長久的元件壽命，發光二極體目前已經廣受照明或背光業界所採用。舉例來說，電腦或電視螢幕中的背光，大多數已經從傳統的CCFL背光模組，轉換成LED發光模組。
第1圖顯示習知可以用在背光模組的一發光二極體驅動電路10，用以驅動發光二極體串12。升壓器(booster)18把輸入電源VIN，轉換成驅動電源VOUT。發光二極體串12以及電流開關22串接於驅動電源VOUT以及一接地線之間。電源控制器14控制功率開關16，來控制能量的轉換。電源控制器14的主要工作，是穩定在回饋端FB上的回饋電壓VFB，等同穩定了流經LED串12的電流，藉以穩定LED串12的亮度。
調光信號SDIM耦接到電源控制器14的致能端EN。位準轉換電路20可以把電壓準位為5V的調光信號SDIM，轉換成電壓準位為12V的開關信號SMOSDIM。當調光信號SDIM為5V，也就是邏輯上的”1”時，電流開關22導通，電源控制器14周期地切換功率開關16，來穩定(regulate)回饋電壓VFB，所以發光二極體串12穩定發光。
當調光信號SDIM為0V，也就是邏輯上的”0”時，電流開關22關閉為開路，電源控制器14固定地關閉切換功率開關16，所以發光二極體串12不發光。
在設計發光二極體驅動電路10時，需要考慮許多的因素，譬如說LED開路保護、LED短路保護、過電壓保護、光閃爍(flickering) 等。
本說明書中，具有相同之符號元件或裝置，為具有相同或是類似功能、結構、或特性之元件或是裝置，為業界人士能以具本說明書之教導而得知或推知，但不必然完全的相同。為簡潔緣故，不會重複說明。
本發明之實施例揭示一種發光二極體驅動電路，用以驅動一LED串。該驅動電路包含有一電流開關以及一開關式電源供應器。該電流開關與該LED串一起串接於一驅動電源與一接地線之間。依據流經該LED串之一電流信號，該開關式電源供應器可建立該驅動電源，用以穩定(regulate)該電流信號。該開關式電源供應器包含有一致能端以及一箝制電路。該致能端上之一致能信號可控制該電流開關。當一預設事件發生時，該箝制電路箝制該致能信號為一預設邏輯值，以使該電流開關維持開路或導通其中之一。
本發明之實施例揭示一種對於一發光二極體串的驅動方法，該驅動方法包含有：串接該發光二極體串與該電流開關於一驅動電源與一接電線之間；依據流經該LED串之一電流信號，來建立該驅動電源；以一致能信號控制該電流開關；偵測一預設事件是否發生；以及，當該預設事件發生時，箝制該致能信號為一預設邏輯值，以維持該該電流開關為開路或是導通其中之一。
第2圖提供一系統電路，用以模擬第1圖之發光二極體驅動電路10發生LED短路現象。相較於第1圖，第2圖增加了一個短路開關24，與LED串12並聯。如同先前技術中所描述的，當調光信號SDIM為邏輯上的”1”時，電流開關22導通，電源控制器14 周期的切換功率開關16。此時，一旦短路開關24突然短路(用來模擬LED串12發生短路事件)，回饋電壓VFB會突然被輸出電源VOUT影響而快速上升，其電壓結果可能高達1百伏特。此時，如果沒有LED短路保護，電源控制器14將因為承受超高壓的回饋電壓VFB而毀損過熱著火；類似的，此時大量的電流將流過電流開關22以及電阻26，也可能產生過熱著火的風險。
第3圖為一依據本發明所實施的發光二極體驅動電路30，用以驅動LED串12。發光二極體驅動電路30具有LED短路保護的功能。發光二極體驅動電路30包含有開關式電源供應器32、調光控制器34、以及電流開關22。
調光控制器34包含有電阻38以及位準轉換電路20。電阻38連接於調光端DIM與電源控制器36的致能端EN之間，而位準轉換電路20連接於致能端EN與電流開關22的控制端之間。當電源控制器36不驅動致能端EN，也就是使致能端EN為高輸入阻抗(high input impedance)時，邏輯值為”1”的調光信號SDIM可以使電源控制器36周期的開關功率開關16來建立驅動電源VOUT，且導通電流開關22；邏輯值為”0”的調光信號SDIM可以使電源控制器36固定關閉功率開關16，停止建立驅動電源VOUT，且使電流開關22開路。
然而，依據本發明所實施電源控制器36在一些狀況條件時會驅動致能端EN，強制致能端EN上之致能信號SEN的邏輯值。當致能端EN被電源控制器36驅動時，對於控制電流開關22而言，因為有電阻38的存在，所以致能信號SEN相對於調光信號SDIM可以有較高之優先權。換言之，當致能端EN被電源控制器36驅動時，電流開關22受電源控制器36所控制，而致能信號SEN的邏輯值可以與調光信號SDIM不同。當電源控制器36的致能端EN為高輸入阻抗時，電流開關22受調光信號SDIM所控制，致能信號SEN大致追隨調光信號SDIM，大致有相同的邏輯值。
在一實施例中，當致能信號SEN為邏輯上的”1”時，電源控制器36在驅動端DRV產生一脈波寬度調變信號SDRV，來週期性的開關控制升壓器18裡的功率開關16，用以建立驅動電源VOUT，並穩定回饋端FB上的回饋電壓VFB。舉例來說，希望將回饋電壓VFB穩定在0.3V，來達到定電流驅動LED串12的目的。同時，邏輯上為”1”的致能信號SEN經過位準轉換電路20，可以使電流開關22導通。
當致能信號SEN為邏輯上的”0”時，電源控制器36固定使驅動端DRV上的脈波寬度調變信號SDRV為邏輯上的”0”，關閉功率開關16，停止建立驅動電源VOUT。邏輯上為”0”的致能信號SEN經過位準轉換電路20所提供的位準轉換(level shifting)，成為開關信號SMOSDIM，可以使電流開關22關閉。
電源控制器36中包含有一升壓控制電路39、比較器40、SR正反器42、箝制開關44、以及計時器46。比較器40、SR正反器42、箝制開關44、以及計時器46構成了一LED短路保護電路。
比較器40偵測回饋電壓VFB。回饋電壓VFB等同流經發光二極體串12的一電流信號。在正常操作時，回饋電壓VFB應該是大約穩定在0.3V，低於0.5V，所以比較器40輸出為邏輯上的”0”，SR正反器42的Q輸出也為邏輯上的”0”，箝制開關44為開路狀態。此時，致能信號SEN可以與調光信號SDIM有相同的邏輯值。
一旦LED串12發生了短路事件，回饋電壓VFB會從0.3V起，快速地上升。在回饋電壓VFB高於0.5V時，SR正反器42輸出之錯誤信號SFault被設置成邏輯上的”1”，箝制開關44將致能信號SEN箝制在邏輯上的”0”，而不受調光信號SDIM所影響。類似先前所述的，邏輯上為”0”的致能信號SEN將透過升壓控制電路39關閉功率開關16，並透過位準轉換電路20關閉電流開關22。此時，因為流經電阻26的電流降低了，所以回饋電壓VFB就開始下降，可以避免過高電壓的回饋電壓VFB毀損電源控制器36，達到LED短 路保護。
電流開關22的關閉，將使回饋電壓VFB下降到低於0.5V。此時因為錯誤信號SFault還是維持在邏輯上的”1”，致能信號SEN依然箝制在邏輯上的”0”，所以LED短路保護不會解除。
電源控制器36可以週期性地解除LED短路保護，暫停箝制致能信號SEN。計時器46從致能信號SEN轉變為邏輯上的”0”時開始計時。當計時器46發現停止建立驅動電源VOUT超過一逾期時間TOUT長度後，計時器46所輸出的省電信號SPD會從”0”轉態為”1”，重設SR正反器42，使錯誤信號SFault變成邏輯上的”0”，箝制開關44不再箝制致能信號SEN。此時，致能信號SEN可以開始追隨調光信號SDIM。如果此時調光信號SDIM為邏輯上的”1”，且LED短路事件還沒有排除，則致能信號SEN變成邏輯上的”1”後，省電信號SPD將從”1”馬上轉態為”0”，回饋電壓VFB從0V因為LED短路事件尚未排除所以開始上升。一旦超過回饋電壓VFB高於0.5V時，又會再度使箝制開關44箝制致能信號SEN於邏輯上的”0”，執行LED短路保護。如此，電源控制器36可以週期性地解除與進入LED短路保護。一旦LED短路事件已經排除，在計時器46重設SR正反器42，解除LED短路保護後，電源控制器36就可以隨著調光信號SDIM，恢復成正常操作。
第4圖顯示依據本發明所實施的一種時序圖，其中，由上而下，依序為調光信號SDIM、致能信號SEN、回饋電壓VFB、控制短路開關24的短路信號SLEDSHT、錯誤信號SFAULT、在電流開關22控制端的開關信號SMOSDIM、在驅動端DRV上的脈波寬度調變信號SDRV、以及省電信號SPD。
請同時參考第3圖與第4圖。在時間t0，調光信號SDIM從”0”轉成”1”，所以脈波寬度調變信號SDRV開始週期性地切換功率開關16，開關信號SMOSDIM使電流開關22導通，回饋電壓VFB往0.3V接近。
在時間t1，短路信號SLEDSHT從”0”轉成”1”，模擬LED短路事件發生，所以回饋電壓VFB從0.3V快速上升。
在時間t2，回饋電壓VFB抵達了0.5V的LED短路保護觸發電壓。如同先前所述的，SR正反器42輸出的錯誤信號SFAULT從”0”轉成”1”，把致能信號SEN箝制在”0”，所以導致了脈波寬度調變信號SDRV以及開關信號SMOSDIM都固定在邏輯上的”0”。此時，計時器46開始計時。因為電流開關22的開路，所以回饋電壓VFB開始下降。
在時間t3，計時器46得知致能信號SEN在”0”的時間已經超過了逾期時間TOUT了，也就是LED短路保護逾時。因此，省電信號SPD重設了錯誤信號SFAULT，解除了LED短路保護。此時，致能信號SEN開始追隨調光信號SDIM。因為LED短路事件還沒有排除(短路信號SLEDSHT為”1”)，所以回饋電壓VFB快速上升。
如同時間t2所發生的，在時間t4，回饋電壓VFB又超過了0.5V，因此再次觸動LED短路保護。所以，只要LED短路事件沒有排除，電源控制器36會週期性地解除與進入LED短路保護。
在時間t5，LED短路事件已經排除(短路信號SLEDSHT轉成”0”)。此時，因為計時器46還沒有發現LED短路保護逾時，所以LED短路保護並沒有馬上解除。計時器46在時間t6發現LED短路保護逾時，所以恢復到類似時間t1之前的正常操作。
如同第3圖所示，電源控制器36中可以包含有一震盪器37，用以決定脈波寬度調變信號SDRV的開關週期以及解除LED短路保護逾時的逾期時間TOUT。舉例來說，震盪器37決定脈波寬度調變信號SDRV的開關週期為33微秒(us)，而逾期時間TOUT為10000個開關週期。
當致能信號SEN從邏輯上的”0”轉態為”1”時，升壓控制電路39所產生的脈波寬度調變信號SDRV，會依據回饋電壓VFB，以開關週期，馬上開始週期性的開關功率開關16。如同時間t0到t1 之時段所示。當致能信號SEN剛從邏輯上的”1”轉態為”0”時，脈波寬度調變信號SDRV立即關閉功率開關16，如同時間t2到t3之時段所示。如果致能信號SEN停留在邏輯上的”0”太久了，超過逾期時間TOUT，這可能意味了調光信號SDIM就是長時間維持在”0”，不希望LED串12發光。此時，為了節省電能，邏輯為”1”的省電信號SPD可以使電源控制器36操作於一省電模式。舉例來說，在省電模式下，脈波寬度調變信號SDRV為”0”，電源控制器36中的震盪器37關閉(停止震盪)，以節省電能損耗。
從以上說明可以發現，依據本發明所實施的發光二極體驅動電路30，有以下特點：
1. LED短路保護：在LED短路事件發生時，電源控制器36可以適時地關閉電源轉換，並防止外界過高的回饋電壓VFB損害自己。
2.週期性的暫停LED短路保護：LED短路保護逾時時，電源控制器36不再箝制致能信號SEN於邏輯上的”0”。只要LED短路事件被排除了，發光二極體驅動電路30可以隨著調光信號SDIM的控制，正常操作地使發光二極體串12發光，。
3.省電模式操作：當調光信號SDIM長時間使發光二極體串12不發光時，電源控制器36可以進入比較不耗電的省電模式操作。
第1圖之先前技術另有一個潛在的問題：光閃爍(flickering)。為了系統穩定度以及切換損耗的考量，發光二極體驅動電路10的系統反應頻寬不能太高，一般可能設計在100~300KHz附近。如此的系統反應頻寬也決定了系統反應最短時間。一旦調光信號SDIM中，邏輯值為1時的發光時間(Dim-On time)，比那系統反應最短時間還來的短，那發光二極體驅動電路10將會因為來不及反應，而造成流經LED串12的電流不穩定，可能產生肉眼上會感受到的光閃爍。這種現象是不被系統所允許或接受的。
第5圖為一依據本發明所實施的發光二極體驅動電路80，用以驅動LED串12，其中，在開關式電源供應器82中的電源控制器83可以使LED串12有最小的發光時間(Minimum On time)，以避免光閃爍。
電源控制器83包含有一致能箝制電路84，其具有一上升緣觸發之脈衝產生器(pulse generator)86以及一箝制開關88。當致能信號SEN出現上升緣(邏輯上的”0”轉成”1”)，上升緣觸發之脈衝產生器86就產生時間長度為一最短致能時間TMIN-ON的脈衝(pulse)SPLS。脈衝SPLS出現時，箝制開關88會把致能信號SEN箝制在邏輯上的”1”，使其不受調光信號SDIM的影響，固定導通電流開關22。脈衝SPLS消失後，箝制開關88不會箝制致能信號SEN，使其可以追隨調光信號SDIM。
第6A圖與第6B圖分別顯示兩種時序圖。在第6A圖與第6B圖中，由上而下，依序為第5圖中的調光信號SDIM、脈衝SPLS、以及致能信號SEN。在第6A圖中，儘管調光信號SDIM的發光時間小於最短致能時間TMIN-ON，但因為箝制開關88的箝制，所以致能信號SEN為邏輯上的”1”的時間大約為脈衝SPLS所定義的最短致能時間TMIN-ON。第6B圖中，調光信號SDIM與致能信號SEN為邏輯上的”1”的時間大約相等，都大於脈衝SPLS所定義的最短致能時間TMIN-ON。從第6A圖與第6B圖可知，第5圖中，LED串12的發光時間至少會是最短致能時間TMIN-ON。如此，便可能可以解決習知技術中，所發生的光閃爍問題。
在一實施例中，最短致能時間TMIN-ON可以是2或3個脈波寬度調變信號SDRV的開關週期。換言之，最短致能時間TMIN-ON由震盪器37所決定。
第3圖中的LED短路保護以及第5圖中的最短致能時間TMIN-ON，可以同時實現於一個電源控制器，如同第7圖所示。在一些實施例中，第7圖中的電源控制器92取代第3圖中的電源控制器36。 電源控制器92包含有致能箝制電路84以及LED短路保護電路93。在第7圖中，震盪器37關聯於脈波寬度調變信號SDRV的開關週期、LED短路保護逾時的逾期時間TOUT、以及最短致能時間TMIN-ON。
致能箝制電路84以及LED短路保護電路93之操作與原理，已經於第3圖與第5圖之相關說明所解釋，為簡潔之緣故，不再重述。
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。
10‧‧‧發光二極體驅動電路
12‧‧‧發光二極體串
14‧‧‧電源控制器
16‧‧‧功率開關
18‧‧‧升壓器
20‧‧‧位準轉換電路
22‧‧‧電流開關
24‧‧‧短路開關
26‧‧‧電阻
30‧‧‧發光二極體驅動電路
32‧‧‧開關式電源供應器
34‧‧‧調光控制器
36‧‧‧電源控制器
37‧‧‧震盪器
38‧‧‧電阻
39‧‧‧升壓控制電路
40‧‧‧比較器
42‧‧‧SR正反器
44‧‧‧箝制開關
46‧‧‧計時器
80‧‧‧發光二極體驅動電路
82‧‧‧開關式電源供應器
83‧‧‧電源控制器
84‧‧‧致能箝制電路
86‧‧‧脈衝產生器
88‧‧‧箝制開關
92‧‧‧電源控制器
93‧‧‧LED短路保護電路
DIM‧‧‧調光端
EN‧‧‧致能端
FB‧‧‧回饋端
SDIM‧‧‧調光信號
SDRV‧‧‧脈波寬度調變信號
SEN‧‧‧致能信號
SFault‧‧‧錯誤信號
SLEDSHT‧‧‧短路信號
SMOSDIM‧‧‧開關信號
SPD‧‧‧省電信號
SPLS‧‧‧脈衝
TMIN-ON‧‧‧最短致能時間
TOUT‧‧‧逾期時間
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6‧‧‧時間
VFB‧‧‧回饋電壓
VIN‧‧‧輸入電源
VOUT‧‧‧驅動電源
第1圖顯示習知可以用在背光模組的一發光二極體驅動電路。
第2圖提供一系統電路，用以模擬第1圖之發光二極體驅動電路發生LED短路現象。
第3圖為一依據本發明所實施的發光二極體驅動電路。
第4圖顯示依據本發明所實施的一種時序圖。
第5圖為依據本發明所實施的另一發光二極體驅動電路。
第6A圖與第6B圖分別顯示兩種時序圖。
第7圖為依據本發明所實施的一電源控制器。
12‧‧‧發光二極體串
16‧‧‧功率開關
18‧‧‧升壓器
20‧‧‧位準轉換電路
22‧‧‧電流開關
24‧‧‧短路開關
26‧‧‧電阻
30‧‧‧發光二極體驅動電路
32‧‧‧開關式電源供應器
34‧‧‧調光控制器
36‧‧‧電源控制器
37‧‧‧震盪器
38‧‧‧電阻
39‧‧‧升壓控制電路
40‧‧‧比較器
42‧‧‧SR正反器
44‧‧‧箝制開關
46‧‧‧計時器
DIM‧‧‧調光端
EN‧‧‧致能端
FB‧‧‧回饋端
SDIM‧‧‧調光信號
SDRV‧‧‧脈波寬度調變信號
SEN‧‧‧致能信號
SFault‧‧‧錯誤信號
SLEDSHT‧‧‧短路信號
SMOSDIM‧‧‧開關信號
SPD‧‧‧省電信號
VFB‧‧‧回饋電壓
VIN‧‧‧輸入電源
VOUT‧‧‧驅動電源

Claims (23)

  1. 一種發光二極體驅動電路，用以驅動一LED串(string)，該驅動電路包含有：一電流開關，與該LED串一起串接於一驅動電源與一接地線之間；以及一開關式電源供應器，依據流經該LED串之一電流信號，控制一功率開關，從一輸入電源轉換而建立該驅動電源，用以穩定(regulate)該電流信號於一預設值，該開關式電源供應器包含有一致能端以及一箝制電路；其中，該致能端上之一致能信號可控制該電流開關；以及當一預設事件發生時，該箝制電路箝制該致能信號為一預設邏輯值，以使該電流開關維持開路或導通其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中，該預設事件為該電流信號超過一預設值；當該預設事件發生時，該箝制電路箝制該致能信號於一禁能邏輯值，使該電流開關開路，以提供發光二極體短路保護。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器週期性的停止箝制該致能信號於該禁能邏輯值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器另包含有一計時器，用以計算該致能信號停留於該禁能邏輯值之一禁能時間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其中，當該禁能時間超過一逾時時間時，該計時器提供一省電信號，以停止箝制該致能信號於該禁能邏輯值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動電路，其中，該省電信號可使該開關式電源供應器進入一省電模式。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器另包含有一震盪器，用以決定一開關週期，該逾時時間為數個該開關週期。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中，該預設事件為該致能信號產生一上升緣；當該預設事件發生時，該箝制電路箝制該致能信號於一致能邏輯值，來維持開啟該電流開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體驅動電路，其中，當該預設事件發生後的一最短致能時間，該箝制電路箝制該致能 信號於該致能邏輯值，以使該LED串有一最短發光時間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中，當該致能信號為一禁能邏輯值時，該開關式電源供應器停止建立該驅動電源；當該致能信號為一致能邏輯值時，該開關式電源供應器建立該驅動電源。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體驅動電路，其中，當該致能信號為該禁能邏輯值達一逾時時間後，該開關式電源供應器進入一省電模式。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器包含有一升壓器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，另包含有：一電阻，耦接於一調光端與該致能端之間；以及一位準轉換電路，耦接於該電流開關與該致能端之間；其中，該調光端可接收一調光信號，用以控制該電流開關。
  14. 一種對於一發光二極體串的驅動方法，該驅動方法包含有：串接該發光二極體串與一電流開關於一驅動電源與一接 地線之間；依據流經該LED串之一電流信號，控制一功率開關，以將一輸入電源轉換而建立該驅動電源，以穩定該電流信號於一預設值；以一致能信號控制該電流開關；偵測一預設事件是否發生；以及當該預設事件發生時，箝制該致能信號為一預設邏輯值，以維持該該電流開關為開路或是導通其中之一。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之驅動方法，該預設事件為該電流信號超過一預設值，該驅動方法另包含有：當該預設事件發生時，箝制該致能信號為一禁能邏輯值，以使該電流開關為開路，以提供發光二極體短路保護。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之驅動方法，另包含有：計算該致能信號停留於該禁能邏輯值之一禁能時間；以及當該禁能時間超過一逾時時間時，暫停箝制該致能信號於該禁能邏輯值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之驅動方法，另包含有：當該禁能時間超過該逾時時間時，使一開關式電源供應器進入一省電模式。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之驅動方法，另包含有：提供一開關式電源供應器，具有一開關週期，來建立該驅動電源；其中，該逾時時間為整數倍的該開關週期。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之驅動方法，另包含有：依據一調光信號控制該電流開關；以及使該致能信號比起該調光信號有較高的優先權。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之驅動方法，另包含有：耦接一電阻於一調光端以及一致能端之間，其中，該調光信號位於該調光端，該致能信號位於該致能端；以及位準轉換該致能信號，以成為一開關信號，來控制該電流開關。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之驅動方法，其中，該預設事件為該致能信號產生一上升緣，該驅動方法另包含有：當該預設事件發生時，箝制該致能信號於一致能邏輯值，來維持開啟該電流開關。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之驅動方法，包含有：當該預設事件發生後的一最短致能時間內，箝制該致能信 號於該致能邏輯值，以使該LED串有一最短發光時間；以及在該最短致能時間後，停止箝制該致能信號於該致能邏輯值。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之驅動方法，包含有：提供一開關式電源供應器，具有一開關週期，來建立該驅動電源；其中，該最短致能時間係為數個該開關週期。
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