TWM415534U - Multi-channel led driving system - Google Patents

Description

100年09月01日梭正替換頁 M415534 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 [0001] 本創作係有關於一種發光二極體驅動系統，尤指一種多 通道的發光二極體驅動系統。 【先前技術】 [0002] 發光二極體（1 ight emitting diode，LED)具有高發光 效率、使用壽命長、工作溫度範圍廣及環保無汞等特點

，使其超越白熾燈及螢光燈泡，並領導照明領域進入一 個固態照明的新時代。 [0003] 但由於LED本身順向電壓及電流對溫度特性的關係會影響 LED的壽命以及光源輸出的強度，因此需使用定電流源來 使LED在照明場合能達到最佳化並可提高電源效率。又， 多通道之發光二極體電路因必須同時驅動複數個並聯連 接發光二極體串列，其中各該發光二極體串列係由複數 個發光二極體組成；當使用一電壓源驅動該多通道的發 光二極體電路時，可能因發光二極體内阻的不同而導致 導通於不同發光二極體串列的電流有所差異，導致發光 亮度不均勻的問題產生，進而降低整體多通道發光二極 體驅動電路的效率。 [0004] 因此，如何設計出一種可以達到均流控制該多通道發光 二極體電路之驅動電路，乃為本案創作人所欲行克服並 加以解決的一大課題。 【新型内容】 [0005] 鑒於先前技術所述，本創作之一目的，在於提供一種多 表單編號A0101 第3頁/共21頁 M415534 100年09月01日梭正替換頁

通道的發光二極體驅動系統。該多通道的發光二極體驅 動系統包含一電源轉換器、一整流及濾波單元、複數個 發光二極體串列、複數個線性調節器、一定電流/定電壓 控制器、一光耦合隔離器及一PWM控制器。該整流及濾波 單元電性連接於該電源轉換器，該等發光二極體串列係 由複數個串聯連接之發光二極體組成，且該等發光二極 體串列係為並聯連接地電性連接於該整流及濾波單元。 各該線性調節器分別對應地電性連接於各該發光二極體 串列，以調整該些發光二極體串列具有相同的導通電流 ;該定電流/定電壓控制器包含有複數個開關二極體，且 該定電流/定電壓控制器係透過該等開關二極體對應地電 性連接於該等線性調節器。該光耦合隔離器具有一發光 端及一感光端，該發光端電性連接於該定電流/定電壓控 制器，以接收該定電流/定電壓控制器之導通電流，並隔 離地傳送到該感光端；該PWM控制器係電性連接於該電源 轉換器及該光耦合隔離器，以接收該光耦合隔離器所傳 送之一感知信號並控制該電源轉換器。 [0006] 藉此，利用該定電流/定電壓控制器偵測導通於該等發光 二極體串列的電流，及該整流及濾波單元之輸出電壓值 ，以提供該電源轉換器做電壓的補償，並透過該等線性 調節器以調整該等發光二極體串列間的電流差異，以達 到均流控制。 [0007] 本創作藉由該定電流/定電壓控制器偵測導通於該等發光 二極體串列的電流，及該整流及濾波單元之輸出電壓值 ，以控制該電壓轉換器達到電壓的補償；並且，該等線 表單编號A0101 第4頁/共21頁 100年09月01日修正替換頁 !·生調節器40以細微地調整導通於該發光二極體串列間之 電仙·差異，使該等發光二極體串列得以導通相等的電流 而達到均流控制，致使該等發光三極體以穩定光強度的 發光。 【實施方式】 [0008] 配合參閱第-圓，林創作之多通道的發光二極體驅動 系統之電路方塊圖。該多通道的發光二極體驅動系統係 電性連接於一外部的直流電源，對多组發光二極體串列 供電，以應用於背光（backlight)領域。該多通道的發 光二極體驅動電路1包含一電源轉換器1〇、一整流及濾波 單兀20、複數個發光二極體串列3〇、複數個線性調節器 (linear regulator)40、一定電流/定電壓控制器 CCC/CV controller)50、一光耦合隔離器 6〇、一 PWM(pulse width modulation)控制器 70 及一保護單 元80。 [0009] 該電源轉換器1〇係電性連接於該直流電源，且於本實施 例中’該電源轉換器10係為一隔離式DC/DC轉換器，該隔 離式DC/DC轉換器包含一主變壓器（圖未示）。該隔離式 DC/DC轉換器係針對輸入之該直流電源進行電壓準位的調 整，該直流電源係由該主變壓器的一次側輸入，並經由 能量轉換後由該其二次側輸出；其電壓準位調整方式包 含升壓或降壓’並使調整過的電壓穩定在所設定的電壓 值’以供驅動該等發光二極體串列30。其中，該電源轉 換器10係可為返驰式（flyback)轉換器、一順向式 (forward)轉換器、一推挽式（push-pull)轉換器、一 表單編號A0101 第5頁/共21頁 100年09月οι曰修正

半橋式（half-bridge)轉換器或一全橋式 (fuU-brige)轉換器。 [0010]該整流及濾波單元20電性連接至該電源轉換器1〇，以將 經降壓或《後之«整流及濾，波為—平_直流電壓 源’以供驅動該等發光二極體串列3〇。 _]料發光二極體㈣3G係分㈣並財式祕連接於該 整流及濾波單元20，且各該發光二極體串列3〇係由複數 個串聯連接之發光二極體（圖未示）組成。 [0012] 配合參閱第二圖，為本創作之多通道的發光二極趙驅動 系統之電路圖》各該線性調節器4〇分別對應地電性連接 於各該發光二極體串列30，以細微地調整各該發光二極 體串列30使具有相同的導通電流（均流），使該等發光二 極體串列30達到穩定光強度輸出.各該線性調節器4〇包 含一開關二極體Ds、一金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)42及一感測電阻器rs，藉由控制各該金屬氧化 物半導體場效電晶體42之導通通道的寬度，可有效地控 制導通於各該發光二極體串列3〇之電流量。 [0013] 復參閱第一圖及第二圖，該定電流/定電壓控制器5〇電性 連接於該等發光二極體串列30及該等線性調節器40，以 摘測導通於各該發光二極體串列3〇之電流及該整流及濾 波單元20的輸出電壓，提供該電源轉換器10之二次側電 座的補償，進而使各該發光二極體串列30具有相同的導 通電流’達到穩定光強度輸出。該定電流/定電壓控制器 50包含一TL431穩壓器及一電阻電容網路，該TL431穩壓 器係透過該電阻電容網路之複數個分壓電阻器、R2、 表單编號 AG1G1 a β W/Λ 91 Έ 100年09月01日修正替換頁 R3以分壓方式取得TL431穩壓器之參考端REF的驅動電壓 ’進而控制該TL431穩壓器的導通與否。另外，該電阻電 容網路之電阻器及電容器Cf係可決定該定電流/定電壓 控制器50的頻率響應》 [0014] 該光耦合隔離器60係電性連接於該定電流/定電壓控制器 50 ’更明確地說，該光耦合隔離器60的一發光端62係電 性連接於該TL431穩壓器的陰極（κ腳）。其中，當該 TL431穩壓器斷路（turn-off)時，係無法驅動該光耦合 隔離器60 ’所以其發光端62未發光，且位於該光耦合隔 離器60另一端之一感光端（未圖示）係輸出一對應為零光 強度的感知信號；而當該TL431穩壓器導通時，係產生〜 電流以驅動該光耦合隔離器60，使其發光端62發出光練 ，該感光端係感測其光線，並輸出一對應光強度大小的 感知信號。並且’當由該整流及濾波單元20輸出之電壓 逐漸變大時’該TL431穩壓器的參考端REF之電壓亦逐辦 增大，致使導通於該TL431穩壓器的電流增大，於是該光 耦合隔離器60之發光端62的發光強度增強’其感光端所 偵測到的光信號強度亦越大° [0015] 此外，該等線性調節器40及該定電流/定電壓控制器5〇分 別接收一 PWM調光信號90，以控制該等線性調節器40之金 屬氧化物半導體場效電晶體42的導通或關閉，而對該等 發光二極體串列3〇進行調光之控制° [〇〇16]該PWM控制器7〇電性連接於該電壓轉換器10及該光耦合隔 離器60之該感光端，該光耦合隔離器60的感光端係於钱 測到該發光端62之光強度後，提供〆對應光強度大小之 表單编號A0101 第7頁/共21頁 感知信號予該PWM控制器 100年09月οι日修正 供對應調整該PWM控制器70

之責任週期（duty cycle)，亦即該pWM控制器的開關時 間，以有效地增減控該電壓轉換器1〇於其主電壓器之二 次側的轉換電壓值，進而使導通於該等發光二極體串列 30之電流穩定，供該等發光二極體串列3〇均勻的出光。 [0017]對該等發光二極體串列30進行回授控制時，導通於該等 發光二極體串列30之電流係於分別連接於該等線性調節 器40之該等感測電阻器rs上產生一感測電壓。當導通於 其中之一發光二極體串列30的導通電流值小於一預設電 流值時’係使得該感測電壓的電壓值對應的較小；而當 跨接於開關二極體Ds兩端的電壓差值大於其導通電壓時 ’該開關二極體Ds導通》同時地，該定電流/定電壓控制 器50之該TL431穩壓器的參考端REF電壓被拉低，且當 TL431穩壓器的參考端ref的電壓小於其預設參考電壓 (2. 5V)時’則該TL431穩壓器形同斷路，該光鶫合隔離 不導逆，亦gp碎光鸽合隔MgfiO的#来·踹β2不發糸 。該光耦合隔離器60的感光端相對的亦無光信號接收， 則輸出一感知信號予該PffM控制器，以提高該電源轉換器 10之二次側之轉換電壓，使得導通於該等發光二極體串 列30之電流係隨著電源轉換器1〇所提供之電壓上升，直 至導通於該等發光二極體串列30之電流大於或等於該預 設電流值，則該等開關二極體Ds斷路。 [0018]當該等開關二極體ds斷路後，該定電流/定電壓控制器5〇 之該TL431穩壓器係透過電阻器R1、R2、R3構成之分壓 電路在其K腳（陰極）的分壓以偵測該電源轉換器1〇所提供 表單编號A0101 第8頁/共21頁 M415534 100年09月01日修正替換頁 之電壓值是否過高。當κ腳之電壓大於一預設電壓值時， 則該TL431穩壓器導通’此時光耦合隔離器60被驅動，亦 即發光端62發出光線’並隔離地傳遞至該感光端。該感 光端係送出一對應該發光端發光光線的光強度大小的感 知信號至該PWM控制器70 ’並經由調變以穩定該電源轉換 器10之主變壓器二次侧的輸出電壓，避免過大的電壓造 成該等發光二極體串列3〇的損壞。 [0019] 由於不同的發光二極體串列30其導通電壓（Vf)未必皆相 等，因此透過上述之電路驅動機制係以導通有最小電流 # • 之發光二極體串列30為判斷依據，以決定是否增加該電 源轉換器10之主變壓器二次側之轉換電壓值，進而使得 導通於其他的發光二極體串列30的電流皆可以等於或大 於預設電流值。接著’各該線性調節器40之該金屬氧化 物半導體場效電晶體42係針對導通電流大於預設電流值 之各該發光二極體串列30進行電流的調整。各該金屬氧 化物半導體場效電晶體42係可以依導通電流與預設電流 的差值調整其導通寬度，以使該等發光二極體串列30的 導通電流皆相等。當任—之發光二極體串列30的導通電 流致使該感測電阻器Rs的壓降大於一預定電壓值時，則 對應之該金屬氧化物半導體場效電晶體42之汲極 (drain)及源極（source)兩端的電壓值提高，意即降低 該金屬氧化物半導趙場效電晶體42之通道寬度，使對應 該金屬氧化物半導趙場效電晶艎42之汲極及源極間的阻 值（RDS)提高，而使得該感測電阻器Rs兩端的壓降下降， 進而使導通於該發光二極體串列30之電流下降》如此， 使導通於該等發光二極體串列30的電流值等於該預設電 表單編號A0101 第9頁/共21頁 M415534 100年09月01日接正替換頁 流值，進而達到導通該等發光二極體串列3〇之電流皆相 同’而使該等發光二極體之發光強度一致。 [0020]配合參閱第三圖，為本創作之過電壓保護電路及過電流 保護電路之電路圖。該保護單元80電性連接於該整流及 濾波單元20與該線性調節器40，該保護單元8〇包含有一 第一運算放大器υι、一第二運算放大器ϋ2、一孔431穩 壓器、複數個第一開關元件Swl及複數個第二開關元件 Sw2。該第一運算放大器U1之正向輪入端係透過該三保護 電阻器R5、R6 ' R7電性連接於該整流及濾波單元2〇的輸 出端，其負向輸入端電性連接該TL431穩壓器，其中該 TL431穩壓器具有一參考電壓值（2.5V)。該第二運算放 大器U2之正向輸入端透過該等第一開關元件Swl及該等第 二開關元件Sw2分別電性連接於該線性調節器4〇之該金屬 氧化物半導體場效電晶體42之汲極及源極，其負向輸入 端電性連接於該TL431穩壓器。 剛當該等保護電阻器R5、K6、K7之分歷值大於該翏考電壓 值時，該第-運算放大器U1送出一保護信號，以關閉電 , 壓源，致使該等發光二極體串列3〇停止動作，如此以達 到過電壓保護（over voltage protection, 0VP)及發 光二極體開路保護的效果。 [_巾當其中的任-發光二極趙串列3〇的發光二極體短路時 ，則该發光二極體串列3〇的導通電壓Vf下降，為維持導 通於該發光二極體串列3〇的電流，該對應之金屬氧化物 半導體場效電晶體42之及極及源極兩端的電壓差勢必加 大。為避免該金屬氧化物半導體場效電晶體42燒毀，需 表單编號删1 « 10 21 f 100年09月01日修正替換頁 設定有一臨界電廢值。當任一之金屬氧化物半導體場效 電晶體42之汲極及源極的瞬間跨壓大於該臨界電壓值時 ，則對應之該第一開關元件swl導通，並且該第二運算放 大器U2送出一保護信號’以關閉電壓源’而達到發光二 極體短路保護的效果° [0023] 當導通於任一發光二極體串列30之導通電流過大時，該 過大之導通電流係於該線性調節器40之感測電阻器Rs的 上產生對應之過大的感測電壓值，進而致使對應之該第 二開關元件Sw2導通’並趨使該第二運算放大器U2送出一 保護信號，以關閉電壓源’而達到過電流保護（over current protection, 0CP)的效果。 [0024] 另外，該多通道的發光二極體驅動系統1更包含一短路保 護電路（short circuit protection，SCP)82,該短 路保護電路82包含一輔助繞阻τ、一保護二極體j)p、一第 一電晶體Q1、一第二電晶體Q2及一第三電晶體q3，該輔 助繞阻T電性耦接於該電源轉換器丨〇的主電壓器的一次側 ，因此，當電源轉換器10 —啟動時，亦同時開啟短路電 路保護功能該保護二極體Dp之陰極電性連接於該輔助 繞阻T，其陽極分別電連接於該等第__電晶师及該第二 電晶體Q2的基極及該第三電晶體⑽的集極。其中該第一 電晶體Q1及該第二電晶雜為PNp型的雙載子接面電晶體 ’該第三電晶體Q3為NPN型的雙載子接面電晶體。 [0025] 於-般情況下，該電源轉換㈣提供—不衫的電壓供 予該等發光：極體串賴，因此，該保護：極趙Dp不導 通’則該等第-電晶體Q1及第三電晶體Q3導通，而第二 表單編號A0101 第丨丨頁/共21頁 M415534 電晶雜餘，魏電轉 卜年〇9月〇1日修，頁 出於該等發光二極趙串列3〇m轉換之電源直接地輸 之一遽波電容器C短路時，則^當該整流及遽波單元20 使該第二電晶_導通，以達^護二極_導通，進而 [0026] [0027] 達到短路保護的功能^ ==發Γ作藉由該定電流/定電壓控制_ ===二極體串列3°的電流，及該整流《 補=輸_值，以控制該電㈣換 =，並且，嶋性物W難導通於該 發光-極趙串測間之電流差異，t 列30得以導通相等的電产 X發光一極體串 光二極義⑽度；:發Γ叫致辑發 然以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能限定 本創作實叙㈣’即驗本__請專職_作之 均等變化歸料，_屬本_之專伽蓋範圍意 圖保護之範疇。 【圖式簡單說明】 [_帛-圖為本創作之多通道的發光二極趙驅動系統之電路 # 方塊圓。 _帛二圖為本創作之;t電流β電麼控制器及線性網節器之 電路圓。 _帛三園為本創作之過電壓保護電路及過電流保護電路之 電路圖》 [0031]第四圓為本創作之短路保護電路之電路圖。 【主要元件符號說明】 表單编號Α0101 第12頁/共21頁 M415534

[0032] Cf電容器 [0033] Dp保護二極體 [0034] Ds開關二極體 [0035] Q1第一電晶體 [0036] Q2第二電晶體 [0037] Rl、R2、R3分壓電阻器 [0038] R5、R6、R7保護電阻器 [0039] R f電阻器 [0040] Rs感測電阻器 [0041] Swl第一開關元件 [0042] Sw2第二開關元件 [0043] 1多通道的發光二極體驅動系統 [0044] 10電源轉換器 [0045] 20整流及濾波單元 100年09月01日核正替换頁 [0046] 30發光二極體串列 [0047] 40線性調節器 [0048] 42金屬氧化物半導體場效電晶體 [0049] 5 0定電流/定電壓控制器 [0050] 60光耦合隔離器 [0051] 62發光端 第13頁/共21頁 表單編號A0101 M415534 [0052] [0053] [0054] [0055] 70PWM控制器 80保護單元 82短路保護電路 90PWM調光信號 表單編號A0101 第14頁/共21頁 100年09月01日梭正替換頁

Claims (1)

1. M415534 六、申請專利範圍： 1 . 一種多通道的發光二極體驅動系統 包含: 100年09月〇1日 修正 一電源轉換器； 一整流及濾波單元，電性連接於該電源轉換器； 複數個發光二極體串列，由複數個串聯連接之發光二極體 組成，該科光二極體串職為並聨連減電性連接於該 整流及濾波單元； Λ 複數個線侧節H ’包含數”應之魏個關二極體及

   數量對應之複數個金屬氡化物半導體場效電晶體，各該線 性調節器分別對應地電性連接於各該發光二極體串列； 一定電流/定電壓控㈣，連接於料線性調節器； -光搞合隔離器，具有-發光端及_感光端，該發光端電 性連接於該定電流/定電壓控制器，以接收該定電流/定電 壓控制器之導通電流’並_地傳送到該感光端； - PWM控制器’電性連接於該電源轉換器及該練合隔離

   器’以接收該光耦合隔離器所傳送之一感知信號並控制該 電源轉換器； 藉此’利用該定電流/定電壓控制器偵測導通於該等發光 二極體φ列的職及該m皮單元輸出的電壓，以提供 電屋的補償，並透過該等線性調節器以調整該等發光二極 體串列間的電流差異，以達到均流控制。 一 如申請專利範圍第1項所述之多通道的發光二極體驅動系 統，更包含一保護單元，電性連接於該定電流/定電壓控 制器與該線性調節器，該保護單元包含： 一穩壓器； 100207010 一表!编一號=放大器第iw—負向輸人端電性連接於該穩壓器 1003319787-0 表單编St AU1U1 第15頁/共21頁 100年09月01日俊正替換頁 ;及 - 複數個保護電阻器，電性連接於該穩麼器之—正向輸入端 及該整流及濾波單元； 一中該第一運算放大器係透過比較該整流及濾波單元輸 出的電壓及該穩壓器的電壓，以提供過㈣保護功能及發 光二極體開路保護功能。 如申明專利範圍第2項所述之多通道的發光二極體驅動系 統，其中該保護單元更包含： 一第二運算放大器’電性連接於該穩壓器； 複數個第一開關元件’電性連接於該第二運算放大器及該 等金屬氧化物半導體場效電晶禮之沒極；及 複數個第H件，電性連接於該第二運算放大器及該 等金屬氧化物半導體場效電晶體之源極； 其中’該第二運算放大器係、透過比較該等金屈氧化物半導 體場效電晶體之汲極的電壓及該穩壓器的電壓，以提供發 光二極體短路保護功能，該第二運算放大n係透過比較該 等金屬氧化物半導體場效應電晶體之源極的電塵及該穩壓 器的電壓，以提供過電流保護功能。 如申請專利範圍第2項所述之多通道的發光二椏體驅動系 統，其中該保護單元更包含一短路保護電路，包含 一輔助繞組，電性耦接於該電源轉換器； -保護二極體，紐連接於_助繞組； 一第一電晶體，電性連接於該保護二極體； -第二電晶趙’電性連接於該保護二極體及該第，電晶趙 ;及 一第三電晶體，電性連接於該保護二極體； 表單編號A0101 1003319787-0 第16頁/共21頁 M415534 loo年〇9月οι日核正替换π 藉此，透過該輔助繞組偵測該電源轉換器所提供之電壓， 並藉由該保護二極體以控制該第二電晶體的開關狀態，而 達到短路保護功能。 5 .如申請專利範圍第4項所述之多通道的發光二極體驅動系 統，其中該第一電晶體為ΡΝΡ型雙載子接面電晶體，該第 二電晶體為ΝΡΝ型雙載子接面電晶體。 6 .如申請專利範圍第1項所述之多通道的發光二極體驅動系 統，其中該電源轉換器為一隔離式DC/DC轉換器。 7 .如申請專利範圍第1項所述之多通道的發光二極體驅動系

   統，其中該定電流/定電壓控制器包含一穩壓器及一電性 連接於該穩壓器之一電阻電容網路。 8 .如申請專利範圍第7項所述之多通道的發光二極體驅動系 統，其中該電阻電容網路包含一電阻器及一電容器以決定 該定電流/定電壓控制器的頻率響應。 9 .如申請專利範圍第1項所述之多通道的發光二極體驅動系

   統，其中該些線性調節器與該定電流/定電壓控制器係分 別接收一外部PWM調光信號，以控制該等發光二極體串列 之輸出電壓隨該PWM調光信號改變。 100207010 表單編號Α0101 第17頁/共21頁 1003319787-0