發光二極體驅動電路以及相關的驅動方法
2023-05-23 08:44:41 1
發光二極體驅動電路以及相關的驅動方法
【專利摘要】本發明的實施例揭示一種發光二極體驅動電路以及相關的驅動方法，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串的一電流信號，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。該致能端上的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。
【專利說明】發光二極體驅動電路以及相關的驅動方法【技術領域】
[0001]本發明涉及發光二極體的驅動電路。
【背景技術】
[0002]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，計算機或電視屏幕中的背光，大多數已經從傳統的CCFL背光模塊，轉換成LED發光模塊。
[0003]圖1顯示已知可以用在背光模塊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V.。發光二極體串12以及電流開關22串接於驅動電源Vott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，是穩定在反饋端FB上的反饋電壓Vfb，等同穩定了流經LED串12的電流，藉以穩定LED串12的亮度。
[0004]調光信號Sdim耦接到電源控制器14的致能端EN。電平轉換電路20可以把電壓電平為5V的調光信號Sdim,轉換成電壓電平為12V的開關信號SMSDIM。當調光信號Sdim為5V,也就是邏輯上的「I」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)反饋電壓Vfb,所以發光二極體串12穩定發光。
[0005]當調光信號Sdim為0V，也就是邏輯上的「O」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。
[0006]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。
[0007]本說明書中，具有相同的符號元件或裝置，為具有相同或是類似功能、結構、或特性的元件或是裝置，為業界人士能以具本說明書的教導而得知或推知，但不必然完全地相同。為簡潔緣故，不會重複說明。
【發明內容】
[0008]本發明的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串的一電流信號，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。該致能端上的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。
[0009]本發明的實施例揭不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串的一電流信號，來建立該驅動電源；以一致能信號控制該電流開關；檢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。【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1顯示已知可以用在背光模塊的一發光二極體驅動電路。
[0011]圖2提供一系統電路，用以模擬圖1的發光二極體驅動電路發生LED短路現象。
[0012]圖3為一依據本發明所實施的發光二極體驅動電路。
[0013]圖4顯示依據本發明所實施的一種時序圖。
[0014]圖5為依據本發明所實施的另一發光二極體驅動電路。
[0015]圖6A與圖6B分別顯示兩種時序圖。
[0016]圖7為依據本發明所實施的一電源控制器。
[0017]【主要元件符號說明】
[0018]10發光二極體驅動電路
[0019]12發光二極體串
[0020]14電源控制器
[0021]16功率開關
[0022]18升壓器
[0023]20電平轉換電路
[0024]22電流開關
[0025]24短路開關
[0026]26電阻
[0027]30發光二極體驅動電路
[0028]32開關式電源供應器
[0029]34調光控制器
[0030]36電源控制器
[0031]37振蕩器
[0032]38電阻
[0033]39升壓控制電路
[0034]40比較器
[0035]42SR 觸發器
[0036]44箝制開關
[0037]46計時器
[0038]80發光二極體驅動電路
[0039]82開關式電源供應器
[0040]83電源控制器
[0041]84致能箝制電路
[0042]86脈衝產生器
[0043]88箝制開關
[0044]92電源控制器
[0045]93LED短路保護電路
[0046]DIM調光 端[0047]EN致能端
[0048]FB反饋端
[0049]Sdim調光信號
[0050]Sdev脈衝寬度調製信號
[0051]Sen致能信號
[0052]Spault錯誤信號
[0053]Sledsht短路信號
[0054]Smosdim開關信號
[0055]Spd省電信號
[0056]Spls脈衝
[0057]TMIN_QN最短致能時間
[0058]Tout逾期時間
[0059]tQ、t」 t2、t3、t4、t5、t6 時間
[0060]Vfb反饋電壓
[0061]Vin輸入電源
[0062]Vout驅動電源
【具體實施方式】
[0063]圖2提供一系統電路，用以模擬圖1的發光二極體驅動電路10發生LED短路現象。相較於圖1，圖2增加了一個短路開關24，與LED串12並聯。如同現有技術中所描述的，當調光信號Sdim為邏輯上的「I」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)，反饋電壓Vfb會突然被輸出電源Vtot影響而快速上升，其電壓結果可能高達I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反饋電壓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。
[0064]圖3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。
[0065]調光控制器34包含有電阻38以及電平轉換電路20。電阻38連接於調光端DM與電源控制器36的致能端EN之間，而電平轉換電路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(highinput impedance)時，邏輯值為「 I」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VTOT，且導通電流開關22 ;邏輯值為「O」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Vott，且使電流開關22開路。
[0066]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上的致能信號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可以有較高的優先權。換句話說，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。
[0067]在一實施例中，當致能信號Sen為邏輯上的「I」時，電源控制器36在驅動端DRV產生一脈衝寬度調製信號Sdkv，來周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VQUT，並穩定反饋端FB上的反饋電壓Vfb。舉例來說，希望將反饋電壓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「I」的致能信號Sen經過電平轉換電路20,可以使電流開關22導通。
[0068]當致能信號Sen為邏輯上的「O」時，電源控制器36固定使驅動端DRV上的脈衝寬度調製信號Sdkv為邏輯上的「0」，關閉功率開關16，停止建立驅動電源VOTT。邏輯上為「O」的致能信號Sen經過電平轉換電路20所提供的電平轉換(level shifting)，成為開關信號SmoSDIM? 可以使電流開關22關閉。
[0069]電源控制器36中包含 有一升壓控制電路39、比較器40、SR觸發器42、箝制開關44、以及計時器46。比較器40、SR觸發器42、箝制開關44、以及計時器46構成了一 LED短路保護電路。
[0070]比較器40檢測反饋電壓VFB。反饋電壓Vfb等同流經發光二極體串12的一電流信號。在正常操作時，反饋電壓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觸發器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。
[0071]一旦LED串12發生了短路事件，反饋電壓Vfb會從0.3V起，快速地上升。在反饋電壓Vfb高於0.5V時，SR觸發器42輸出的錯誤信號SFault被設置成邏輯上的「 I 」，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「O」的致能信號Sen將通過升壓控制電路39關閉功率開關16，並通過電平轉換電路20關閉電流開關22。此時，因為流經電阻26的電流降低了，所以反饋電壓Vfb就開始下降，可以避免過高電壓的反饋電壓Vfb毀損電源控制器36，達到LED短路保護。
[0072]電流開關22的關閉，將使反饋電壓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。
[0073]電源控制器36可以周期性地解除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「O」時開始計時。當計時器46發現停止建立驅動電源Vtot超過一逾期時間Tqut長度後,計時器46所輸出的省電信號Spd會從「O」轉態為「I」,重設SR觸發器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「 I 」，且LED短路事件還沒有排除，則致能信號Sen變成邏輯上的「I」後，省電信號Spd將從「I」馬上轉態為「0」，反饋電壓Vfb從OV因為LED短路事件尚未排除所以開始上升。一旦超過反饋電壓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可以周期性地解除與進入LED短路保護。一旦LED短路事件已經排除，在計時器46重設SR觸發器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。
[0074]圖4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、反饋電壓Vfb、控制短路開關24的短路信號Smism、錯誤信號Sfauu、在電流開關22控制端的開關信號Shbdim、在驅動端DRV上的脈衝寬度調製信號SDKV、以及省電信號SPD。
[0075]請同時參考圖3與圖4。在時間h，調光信號Sdim從「O」轉成「1」，所以脈衝寬度調製信號Sdkv開始周期性地切換功率開關16，開關信號S_IM使電流開關22導通，反饋電壓Vfb往0.3V接近。
[0076]在時間&，短路信號S_HT從「O」轉成「1」，模擬LED短路事件發生，所以反饋電壓Vfb從0.3V快速上升。
[0077]在時間t2，反饋電壓Vfb抵達了 0.5V的LED短路保護觸發電壓。如同先前所述的，SR觸發器42輸出的錯誤信號Sfmm從「O」轉成「 I 」，把致能信號Sen箝制在「0」，所以導致了脈衝寬度調製信號Sdkv以及開關信號Shbdim都固定在邏輯上的「O」。此時，計時器46開始計時。因為電流開關22的開路，所以反饋電壓Vfb開始下降。
[0078]在時間t3，計時器46得知致能信號Sen在「O」的時間已經超過了逾期時間Tott 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Sfaim,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Smisht為「 I」)，所以反饋電壓Vfb快速上升。
[0079]如同時間t2所發生的，在時間t4，反饋電壓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會周期性地解除與進入LED短路保護。
[0080]在時間t5，LED短路事件已經排除(短路信號Smism轉成「O」)。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h之前的正常操作。
[0081]如同圖3所示，電源控制器36中可以包含有一振蕩器37，用以決定脈衝寬度調製信號Sdkv的開關周期以及解除LED短路保護逾時的逾期時間TOTT。舉例來說，振蕩器37決定脈衝寬度調製信號Sdkv的開關周期為33微秒(us)，而逾期時間Ttot為10000個開關周期。
[0082]當致能信號Sen從邏輯上的「O」轉態為「I」時，升壓控制電路39所產生的脈衝寬度調製信號Sdkv，會依據反饋電壓VFB，以開關周期，馬上開始周期性的開關功率開關16。如同時間h到h的時段所示。當致能信號Sen剛從邏輯上的「 I 」轉態為「O」時，脈衝寬度調製信號Sdkv立即關閉功率開關16，如同時間t2到t3的時段所示。如果致能信號Sen停留在邏輯上的「O」太久了，超過逾期時間TTOT，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「I」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，脈衝寬度調製信號Sdkv為「O」,電源控制器36中的振蕩器37關閉(停止振蕩)，以節省電能損耗。
[0083]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：
[0084]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，並防止外界過高的反饋電壓Vfb損害自己。
[0085]2.周期性的暫停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「O」。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，。[0086]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。
[0087]圖1的現有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慮，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100-300ΚΗζ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I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。
[0088]圖5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(MinimumOn time),以避免光閃爍。
[0089]電源控制器83包含有一致能箝制電路84，其具有一上升沿觸發的脈衝產生器(pulse generator) 86以及一箝制開關88。當致能信號Sen出現上升沿(邏輯上的「O」轉成「I」)，上升沿觸發的脈衝產生器86就產生時間長度為一最短致能時間Tmimn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「 I 」，使其不受調光信號Sdim的影響，固定導通電流開關22。脈衝Sm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。
[0090]圖6A與圖6B分別顯示兩種時序圖。在圖6A與圖6B中，由上而下，依序為圖5中的調光信號Sdim、脈衝Sm、以及致能信號Sen。在圖6A中，儘管調光信號Sdim的發光時間小於最短致能時間Tmin,，但因為箝制開關88的箝制，所以致能信號Sen為邏輯上的「I」的時間大約為脈衝Sm所定義的最短致能時間Tmin,。圖6B中，調光信號Sdim與致能信號Sen為邏輯上的「I」的時間大約相等，都大於脈衝Sas所定義的最短致能時間Tmin,。從圖6A與圖6B可知，圖5中，LED串12的發光時間至少會是最短致能時間Tmin,。如此，便可能可以解決已知技術中，所發生的光閃爍問題。
[0091 ] 在一實施例中，最短致能時間Tmin,可以是2或3個脈衝寬度調製信號Sdkv的開關周期。換句話說，最短致能時間Tmimn由振蕩器37所決定。
[0092]圖3中的LED短路保護以及圖5中的最短致能時間TMIN,，可以同時實現於一個電源控制器，如同圖7所示。在一些實施例中，圖7中的電源控制器92取代圖3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。在圖7中，振蕩器37關聯於脈衝寬度調製信號Sdkv的開關周期、LED短路保護逾時的逾期時間TOTT、以及最短致能時間TMIN_W。
[0093]致能箝制電路84以及LED短路保護電路93的操作與原理，已經於圖3與圖5的相關說明所解釋，為簡潔的緣故，不再重述。
[0094]以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求書所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵 蓋範圍。
【權利要求】
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串的一電流信號，來建立該驅動電源，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； 其中，該致能端上的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.如權利要求1所述的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.如權利要求2所述的發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器周期性的停止箝制該致能信號於該禁能邏輯值。
4.如權利要求2所述的發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器還包含有一計時器，用以計算該致能信號停留於該禁能邏輯值的一禁能時間。
5.如權利要求4所述的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.如權利要求5所述的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.如權利要求5所述的發光二極體驅動電路，其中，該開關式電源供應器還包含有一振蕩器，用以決定一開關周期，該逾時時間為數個該開關周期。
8.如權利要求1所述的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沿；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.如權利要求8所述的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串有一最短髮光時間。
10.如權利要求1所述的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.如權利要求10所述的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.如權利要求1所述的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.如權利要求1所述的發光二極體驅動電路，還包含有: 一電阻，耦接於一調光端與該致能端之間；以及 一電平轉換電路，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串的一電流信號，來建立該驅動電源；以一致能信號控制該電流開關； 檢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.如權利要求14所述的驅動方法，該預設事件為該電流信號超過一預設值，該驅動方法還包含有: 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.如權利要求15所述的驅動方法，還包含有: 計算該致能信號停留於該禁能邏輯值的一禁能時間；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.如權利要求16所述的驅動方法，還包含有: 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.如權利要求16所述的驅動方法，還包含有: 提供一開關式電源供應器，具有一開關周期，來建立該驅動電源； 其中，該逾時時間為整數倍的該開關周期。
19.如權利要求14所述的驅動方法，還包含有: 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.如權利要求19所述的驅動方法，還包含有: 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 電平轉換該致能信號，以成為一開關信號，來控制該電流開關。
21.如權利要求14所述的驅動方法，其中，該預設事件為該致能信號產生一上升沿，該驅動方法還包含有: 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.如權利要求21所述的驅動方法，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串有一最短髮光時間；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.如權利要求22所述的驅動方法，包含有: 提供一開關式電源供應器，具有一開關周期，來建立該驅動電源； 其中，該最短致能時間為數個該開關周期。
【文檔編號】H05B37/02GK103731951SQ201210389104
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月15日 優先權日:2012年10月15日
【發明者】李敬贊 申請人:通嘉科技股份有限公司