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TWI434611B - 具有電壓調整功能之ｌｅｄ陣列控制電路及其驅動電路與方法 - Google Patents

具有電壓調整功能之ｌｅｄ陣列控制電路及其驅動電路與方法 Download PDF

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TWI434611B
TWI434611B TW099105489A TW99105489A TWI434611B TW I434611 B TWI434611 B TW I434611B TW 099105489 A TW099105489 A TW 099105489A TW 99105489 A TW99105489 A TW 99105489A TW I434611 B TWI434611 B TW I434611B
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Shui Mu Lin
Ti Ti Liu
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Description

具有電壓調整功能之LED陣列控制電路及其驅動電路與方法
本發明係有關一種LED(發光二極體)陣列控制電路及其驅動電路與方法，特別是指一種具有電壓調整功能之LED陣列控制電路。本發明也有關於一種具有電壓調整功能之LED陣列驅動電路與控制方法。
LED有多種用途，例如可將LED安排成陣列，作為液晶顯示器(LCD)的背光源。請參閱第1A圖，為驅動LED陣列20，需要一個LED陣列控制電路1來提供適合的電壓並控制電流，以供給固定電流給LED陣列20。
詳言之，如第1A圖所示，在控制電路1中包含第一電源電路10，其提供一供應電壓VLED予LED陣列20。LED陣列20係由N個LED串所組成，每串M個LED，其中M與N為正整數。該N個LED串之一端共同電性連接於第一電源電路10，另一端則個別電性連接於LED陣列驅動電路30中N個電流源301之一端。各電流源301分別控制對應LED串上的電流，以產生平均且一致的背光。電流源301之示意電路圖如第1B圖所示，當電流源301正常工作時，可將電流ILED平衡在ILED=Vref/R。
然而，由於製程的變異，每個LED的跨壓不同，其差異可能高達10%；換言之，各串LED的總壓降可能有高達10%的差異。例如，若每串LED上串聯20顆LED，則兩串LED間的總壓降差距有可能高達6V。為使電流源301正常工作，供應電壓VLED必須滿足較高壓降LED串的需求，亦即對於較低壓降LED串而言，有6V的電壓成為多餘。這多餘的電壓將落在電流源中的電晶體上，造成無謂耗能和散熱問題。
第2圖示出另一先前技術，其相對於第1圖的差異在於將電流源301中的電晶體與電阻設置於晶片31之外。但其操作原理與方式，與第1圖所示之控制電路並無不同，同樣會產生無謂耗能與散熱的問題。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有電壓調整功能之LED陣列控制電路及其驅動電路與方法。
本發明目的之一在提供一種具有電壓調整功能之LED陣列控制電路。
本發明的另一目的在提供一種具有電壓調整功能之LED陣列驅動電路。
本發明的再一目的在提供一種具有電壓調整功能之LED陣列控制方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，該LED陣列包含複數個LED串，其中每一LED串包含複數個串聯的LED，且每一LED串具有第一端及第二端，各LED串之第一端連接於一共同節點，該LED陣列控制電路包含：一第一電源電路，與該複數個LED串之第一端電性連接，以提供一供應電壓予該LED陣列；以及一LED驅動電路，用以控制各LED串之電流，其中該LED驅動電路包括：對應各LED串之複數個電流源，且每一電流源具有第一端及第二端，該電流源之第一端分別與對應LED串之第二端電性連接；以及一電壓調整電路，其根據代表個別LED串壓降的訊號，而調整對應電流源之第二端電壓。該代表個別LED串壓降的訊號例如可取自個別LED串的第二端。
在其中一種實施型態中，第一電源電路係供應負電壓。
上述具有電壓調整功能之LED陣列控制電路可更包含：一第二電源電路，電性連接於該LED驅動電路，以提供至少一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項。該第二電源電路例如包含以下之一、或兩者以上之綜合：降壓型(Buck)切換式電源供應器、升壓型(Boost)切換式電源供應器、反壓型(Inverter)切換式電源供應器、升降壓(Buck-Boost)切換式電源供應器、升反壓(Inverter-Boost)切換式電源供應器、線性穩壓電路(linear regulator)、或電荷泵(Charge Pump)。該LED驅動電路中可更包含一電荷泵，接收該第二電源電路所提供的電壓而產生另一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項。
上述具有電壓調整功能之LED陣列控制電路中，該電壓調整電路可包括一或多個比較器，將代表個別LED串壓降的訊號與一或多個參考電壓相比較，以根據比較結果決定如何調整對應電流源之第二端電壓。
就另一個觀點言，本發明提供了一種具有電壓調整功能之LED驅動電路，該LED驅動電路用以控制一LED陣列中流過LED的電流，該LED陣列包含複數個LED串，其中每一LED串包含複數個串聯的LED，且每一LED串具有第一端及第二端；該複數個LED串之第一端電性連接於一供應電壓；該LED驅動電路包含：對應各LED串之複數個電流源，且每一電流源具有第一端及第二端，該電流源之第一端分別與對應LED串之第二端電性連接；以及一電壓調整電路，其根據代表個別LED串壓降的訊號，而調整對應電流源之第二端電壓。該代表個別LED串壓降的訊號例如可取自個別LED串的第二端。
上述具有電壓調整功能之LED驅動電路可更包含一電荷泵，接收一外部電壓而產生另一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項。
就再另一個觀點言，本發明提供了一種具有電壓調整功能之LED陣列控制方法，包含：提供一LED陣列，該LED陣列包含複數個LED串；將各LED串分別與一對應電流源的一端串聯，並以各電流源控制對應各LED串上的電流；以及根據各LED串的壓降，調整各對應電流源另一端之電壓。
上述具有電壓調整功能之LED陣列控制方法，更包含：提供一第二電源電路電性連接於該LED驅動電路以提供該電壓調整電路至少一電壓，用以調整該電流源第二端之電壓。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第3圖，顯示本發明的第一實施例，如第3圖所示，第一電源電路10提供一供應電壓VLED予LED陣列20，LED陣列20係由N個LED串所組成，該N個LED串之第一端共同電性連接於第一電源電路10，第二端則個別電性連接於LED驅動電路32中N個電流源302之第一端(節點A)。本發明的特點之一在於，各電流源302之第二端(節點B)非固定連接於地電位，而係耦接於一可調整的電位，該電位可在至少兩不同電壓值之間變換。第二電源電路50提供一非為零的電壓(可為正或負電壓，但以負電壓較佳)，並由電壓調整電路40提供開關選擇訊號，控制開關電路，以各別選擇將各電流源302之第二端(節點B)電性接地或耦接至第二電源電路50所提供之電壓。電壓調整電路40例如可根據各節點A之電壓，來決定對應的節點B應如何連接。舉例而言，若第二電源電路50輸出負電壓，則電壓調整電路40可將N個LED串中，節點A電壓最高者，對應的節點B電性接地；依照其他個別LED串節點A電壓對該最高電壓之電壓差，決定將其他節點B電性接地或電性連接至第二電源電路50所提供之負電壓。如此，即使因製程變異造成各串LED的總壓降不同，本發明中將可降低電流源302中落在電晶體上的壓差，減少電路中無謂的耗能。在本實施例中，係將電壓調整電路40、開關電路、及電流源302整合在LED驅動電路32內，構成積體電路晶片；但當然，如適當的話，亦可將第二電源電路50的全部或一部分整合在LED驅動電路32內。
對照第3圖與第1圖，假設第1圖中最高壓降的LED串需要60V(因此第1圖中第一電源電路10輸出之供應電壓VLED為60V)，但最低壓降的LED串僅需要54V，則在本發明中，可令第二電源電路50輸出-6V的負電壓，而令第一電源電路10輸出54V的供應電壓VLED，亦即在第二電源電路50提供負電壓的情況下，本發明中第一電源電路10係輸出所有LED串中之最低所需電壓(而非如先前技術輸出最高所需電壓)，故除了可降低電流源302中落在電晶體上的壓差、減少電路中無謂的耗能外，在多串LED中僅有一串需要較高電壓的情形下，亦可降低整體的耗能。
在以上舉例中，第二電源電路50不限於輸出-6V，亦可輸出任何其他數值，例如總壓降的3.3%(-2V),5%(-3V),7.5%(-4.5V)或任何其他數值等。顯然，LED驅動電路32內如能提供更多的電壓選項，便可因應LED串的更多種電壓變異情形。此「更多的電壓選項」可由各種方式產生，例如直接來自電路板上的電源、或由第二電源電路50直接或間接產生等。有關第二電源電路50提供更多電壓選項的實施例，容後說明。
在本發明中，因電流源302的第二端(節點B)非固定連接於地電位，因此電流源302中的參考電壓不能如第1B圖為固定的參考電壓Vref。第3A圖以示意電路圖顯示電流源302的一種實施例，如圖所示，電流源302包含電晶體Q、電阻R、運算放大器OP、參考電壓(ΔV)產生電路303，其中參考電壓(ΔV)是一個疊加於節點B上的電壓，其產生電路303例如可如第3B圖所示，由一電流源與電阻構成。與先前技術之電流源301不同，電流源302中，放大器A的正輸入端電壓等於(節點B電壓+ΔV)，而非固定的參考電壓Vref。
第4圖顯示本發明的另一實施例，與第一實施例相較，本實施例顯示LED驅動電路33中進一步包含電荷泵(Charge Pump)60，該電荷泵60利用第二電源電路所提供之負電壓(舉例而言為-2V)，產生另一不同之負電壓(舉例而言為-4V)，使各電流源302之第二端可增加另一電壓選項。當然，如設置更多電荷泵，可產生更多種不同的電壓選項。
第5圖顯示本發明的另一實施例，本實施例顯示由第二電源電路50產生兩種以上的電壓選項(舉例而言為-5V與-10V)，提供給LED驅動電路34，而非如先前實施例中第二電源電路50僅產生一種電壓。第5圖顯示產生兩種以上電壓的其中一種方式，第二電源電路50例如可包含一直流對直流轉換器51與一電荷泵60，其中直流對直流轉換器51將輸入電壓Vin轉換為負電壓-5V，電荷泵60再將-5V的電壓轉換為-10V。
第5A圖顯示第二電源電路50的另一種實施例，第二電源電路50可包含一升反壓轉換器502，以同時提供一正電壓與負電壓，例如為正電壓+5V以及負電壓-5V，以供選擇。
第5B圖顯示第二電源電路50的又一種實施例，第二電源電路50除包含一升反壓轉換器502外可再包含兩電荷泵60A、60B，以提供兩正電壓與兩負電壓，例如為正電壓+5V、+10V以及負電壓-5V、-10V，以供更多選擇。
以上各實施例中，當然，+5V、+10V、-5V、-10V等數值亦可更改為任何其他數值，其不必成比例且正負電壓也不必相對應，例如可提供+2V、+5V、-3V、-7V等。
第6圖顯示本發明的另一實施例，當供應電壓VLED較高的場合，本實施例中另設置放大器304、參考電壓(ΔV)產生電路305、以及電晶體306，以上電路304-306將電流源302兩端(A、B節點間)壓差鎖定為ΔV，以保證電流源302可正常工作，並將電晶體306移至LED驅動晶片35(其例如為一積體電路晶片)之外，如此，該電晶體306可使用較耐高壓的獨立元件，而積體電路晶片則不需要接觸高壓，因此可使用低壓元件來製作。
第7圖所示出本發明的又一實施例，如圖所示本實施例中採取反接的結構，第一電源電路10提供一負電壓，電性連接於各LED串之第一端(圖中下端)，並且，調整電壓選項改為正電壓，可直接利用電路板上現有之電源電壓來提供，例如+5V及+10V等，如此即可不需另外設置第二電源電路。視需要而定，LED驅動電路36中可再設置電荷泵60，以提供更多的調整電壓選項。當然，如另外設置第二電源電路，提供更多不同電壓，亦屬可行。
上述所有實施例中，第一電源電路10例如可為一交直流轉換器(AC-DC converter)或一直流對直流轉換器(DC-DC converter)。舉例而言，交直流轉換器例如可如第8圖所示；而直流對直流轉換器例如可為第9A與9B圖所示之降壓型(Buck)切換式電源供應器、第10A與10B圖所示之升壓型(Boost)切換式電源供應器、第11A與11B圖所示之反壓型(Inverter)切換式電源供應器、第12A與12B圖所示之升降壓(Buck-Boost)切換式電源供應器、第13A與13B圖所示之升反壓(Inverter-Boost)切換式電源供應器、或第14圖所示之線性穩壓電路(linear regulator)等。
第二電源電路50可為一直流對直流轉換器，例如為電荷泵、第9A至第14圖所示電路中的任一者、或第9A至第14圖所示電路再加上一個以上的電荷泵。第二電源電路50例如可以與第一電源電路10有相同的輸入電壓Vin，但亦可以不同。直流對直流轉換器501例如可為第9A至第14圖所示電路中的任一者。升反壓轉換器502例如可為第13A或13B圖所示之電路。
電壓調整電路40例如可為如第15圖所示之電路。假設LED驅動電路32~36中提供三個調整電壓選項，則電壓調整電路40中可針對每一LED串設置兩個比較電路401、402，將代表對應LED串壓降的感測訊號(例如可為第3、4、5圖中電流源上方節點A的電壓，第6圖中電晶體306的汲極電壓，或第7圖中電流源下方節點A的電壓)與參考電壓Vref1及Vref2比較(Vref1>Vref2)，並由開關操作電路405根據比較結果產生開關控制訊號，決定將電流源302的第二端(節點B)電性連接於哪一電壓選項。在第3、4、5、6圖實施例中，當感測訊號高於參考電壓Vref1時，表示對應LED串的壓降較低，此時便選擇將節點B電性連接於最高的電壓選項；當感測訊號低於參考電壓Vref1但高於參考電壓Vref2時，將節點B電性連接於次高的電壓選項；當感測訊號低於參考電壓Vref2時，將節點B電性連接於最低的電壓選項。在第7圖實施例中，當感測訊號低於參考電壓Vref2時，表示對應LED串的壓降較低，此時便選擇將節點B電性連接於最低的電壓選項；當感測訊號高於參考電壓Vref2但低於參考電壓Vref1時，將節點B電性連接於次低的電壓選項；當感測訊號高於參考電壓Vref1時，將節點B電性連接於最高的電壓選項。
以上舉例係假設LED驅動電路32~36中提供三個調整電壓選項，若僅提供兩個電壓選項，則電壓調整電路40中可僅設置一個比較器，以該比較器的輸出控制開關，而不需要開關操作電路405。若LED驅動電路32~36中提供四個或更多電壓選項，則比較器的數目需相應增加。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件；代表LED串壓降的感測訊號，不限於取自節點A或電晶體306的汲極；開關電路的結構不限於各實施例所圖示；電流源中的電晶體可改為雙載子電晶體；電荷泵不限於僅產生單一輸出，而可為可變換輸出之電荷泵，其輸出可在多個不同電壓間切換。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1．．．LED陣列控制電路
10．．．第一電源電路
20．．．LED陣列
30-36．．．LED驅動電路
40．．．電壓調整電路
50．．．第二電源電路
60,60A,60B．．．電荷泵
301．．．電流源
302．．．電流源
303．．．參考電壓(ΔV)產生電路
304．．．運算放大器
305．．．參考電壓(ΔV)產生電路
306．．．電晶體
401,402．．．比較器
405．．．開關操作電路
501．．．直流對直流轉換器
502．．．升反壓轉換器
ILED．．．LED電流
OP．．．運算放大器
Q．．．電晶體
R．．．電阻
Ref．．．開關操作電路
Vin．．．輸入電壓
VLED．．．供應電壓
Vout．．．輸出電壓
Vref,Vref1,Vref2．．．參考電壓
第1A圖示出先前技術之LED控制電路的示意電路圖。
第1B圖示出電流源301的示意電路圖。
第2圖示出另一先前技術之LED控制電路的示意電路圖。
第3圖示出本發明的第一實施例的示意電路圖。
第3A圖以示意電路圖顯示直流電流供應源302的一種實施例。
第3B圖顯示參考電壓(ΔV)產生電路303的一個實施例，由一電流源與電阻構成。
第4圖示出本發明另一實施例的示意電路圖。
第5圖示出本發明再另一實施例的示意電路圖。
第5A與5B圖以示意電路圖顯示第二電源電路50的兩種實施例。
第6圖示出本發明又另一實施例的示意電路圖。
第7圖示出本發明再一實施例的示意電路圖，此實施例為反接結構。
第8圖舉例示出交直流轉換器的示意電路圖。
第9A與9B圖舉例示出降壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第10A與10B圖舉例示出升壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第11A與11B圖舉例示出反壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第12A與12B圖舉例示出升降壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第13A與13B圖舉例示出升反壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第14圖舉例示出線性穩壓電路之示意電路圖。
第15圖舉例示出電壓調整電路40的一種實施例。
10．．．第一電源電路
20．．．LED陣列
33．．．LED驅動電路
40．．．電壓調整電路
50．．．第二電源電路
60．．．電荷泵
302．．．電流源
A,B．．．節點
ILED．．．LED電流
Vin．．．輸入電壓
VLED．．．供應電壓

Claims (18)

  1. 一種具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，該LED陣列包含複數個LED串，其中每一LED串包含複數個串聯的LED，且每一LED串具有第一端及第二端，各LED串之第一端連接於一共同節點，該LED陣列控制電路包含：一第一電源電路，與該複數個LED串之第一端電性連接，以提供一供應電壓予該LED陣列；以及一LED驅動電路，用以控制各LED串之電流，其中該LED驅動電路包括：對應各LED串之複數個電流源，每一電流源控制流過對應LED串之電流的絕對值，且每一電流源具有第一端及第二端，該電流源之第一端分別與對應LED串之第二端電性連接；以及一電壓調整電路，其根據代表個別LED串壓降的訊號，而調整對應電流源之第二端電壓，以使得各電流源之第二端電壓可個別在至少兩電壓之間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，更包含：一第二電源電路，電性連接於該LED驅動電路，以提供至少一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項，使得該電流源第二端電壓可被選擇為一預定電壓或該第二電源電路提供之電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中該第二電源電路包含以下之一、或兩者以上之綜合：降壓型(Buck)切換式電源供應器、升壓型(Boost)切換式電源供應器、反壓型(Inverter)切換式電源供應器、升降壓 (Buck-Boost)切換式電源供應器、升反壓(Inverter-Boost)切換式電源供應器、線性穩壓電路(linear regulator)、或電荷泵(Charge Pump)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中該LED驅動電路中更包含一電荷泵，接收該第二電源電路所提供的電壓而產生另一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項，使得該電流源第二端電壓可被選擇為一預定電壓或該電荷泵提供之電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中該代表個別LED串壓降的訊號取自個別LED串的第二端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中該電壓調整電路包括：比較器，將代表個別LED串壓降的訊號與一參考電壓相比較，該比較器之輸出決定如何調整對應電流源之第二端電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中：該LED驅動電路更包括：多個開關，以供選擇將各電流源之第二端連接於選定的電壓；且該電壓調整電路包括：複數比較器，將代表個別LED串壓降的訊號與複數參考電壓相比較，以及開關操作電路，根據複數比較器之輸出，控制該多個開關。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制電路，其中該第一電源電路供應負電壓，且各電流源 之第二端與地或正電壓連接。
  9. 一種具有電壓調整功能之LED驅動電路，該LED驅動電路用以控制一LED陣列中流過LED的電流，該LED陣列包含複數個LED串，其中每一LED串包含複數個串聯的LED，且每一LED串具有第一端及第二端；該複數個LED串之第一端電性連接於一供應電壓；該LED驅動電路包含：對應各LED串之複數個電流源，每一電流源控制流過對應LED串之電流的絕對值，且每一電流源具有第一端及第二端，該電流源之第一端分別與對應LED串之第二端電性連接；以及一電壓調整電路，其根據代表個別LED串壓降的訊號，而調整對應電流源之第二端電壓，以使得各電流源之第二端電壓可個別在至少兩電壓之間切換。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，更包含一電荷泵，接收該LED驅動電路外部所提供的一電壓而產生另一電壓，作為調整電流源第二端電壓的選項，使得該電流源第二端電壓可被選擇為一預定電壓或該電荷泵提供之電壓。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，其中該代表個別LED串壓降的訊號取自個別LED串的第二端。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，其中該供應電壓為負電壓，且各電流源之第二端電性連接於地或正電壓。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，其中該電壓調整電路包括：比較器，將代表個別 LED串壓降的訊號與一參考電壓相比較，該比較器之輸出以決定如何調整對應電流源之第二端電壓。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，更包括：多個開關，以供選擇將各電流源之第二端連接於選定的電壓；且其中該電壓調整電路包括：複數比較器，將代表個別LED串壓降的訊號與複數參考電壓相比較，以及開關操作電路，根據複數比較器之輸出，控制該多個開關。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之具有電壓調整功能之LED驅動電路，其中各電流源包括：一電晶體；一電阻，其第一端與該電晶體的一端電性連接，另一端連接於一節點；一運算放大器，其一輸入端與電阻第一端電性連接，另一輸入端接收該節點電壓加上一偏壓，此運算放大器的輸出控制該電晶體。
  16. 一種具有電壓調整功能之LED陣列控制方法，包含：提供一LED陣列，該LED陣列包含複數個LED串，其中該每一LED串的一端共同連接至一共同節點以接收一共用之供應電壓；將各LED串的另一端分別與一對應電流源的一端串聯，並以各電流源控制對應各LED串上的電流之絕對值；以及根據各LED串的壓降，調整各對應電流源另一端之電壓，以使得各電流源之第二端電壓可個別在至少兩電壓之間切換。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制方法，更包含：提供地電位以外之至少一電壓，作為電流源另一端之電壓選項，使得該電流源第二端電壓可被選擇為一預定電壓或該地電位以外之至少一電壓。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之具有電壓調整功能之LED陣列控制方法，更包含：提供至少一正電壓與一負電壓，作為電流源另一端之電壓選項，使得該電流源第二端電壓可被選擇為一預定電壓或該正電壓或該負電壓。
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