電流控制級、定電流控制系統、以及電流控制方法
2023-05-02 02:32:01 2
專利名稱：電流控制級、定電流控制系統、以及電流控制方法
技術領域：
本發明涉及背光系統，尤其涉及關於背光系統的發光元件的電源供應電路。
背景技術：
對於手持式與移動型電子裝置，像是智慧型手機以及筆記型計算機等，能量使用的效率一直是業界不斷追求的一個目標。唯有攜帶有足夠的電能以及有效率的運用，才能延展手持式與移動型電子裝置的使用時間。在手持式與移動型電子裝置中，屏幕的背光，也是一個主要的能量消耗源。目前背光一般都已經以發光二極體(light emitted diode)來做為光源，因為其具有比較好的電光轉換效能。但是，如何能夠有效率的驅動LED，則是電源供應器設計者努力的目標之一。圖I顯示已知的一背光系統8。背光系統8大約可以區分成三個部分電壓控制級
4、電流控制級6、以及作為背光的發光二極體串(LED chains)!^、!^。通過反饋端FB以及補償端COM所提供的反饋機制，以及功率開關15控制電感元件PRM的釋能與儲能，電壓控制級4在輸出端OUT上建立輸出電壓VOT。電流控制級6中的控制單元20控制了 NMOS電晶體N1 Nn的柵極端(gate)，使得每個發光二極體串所流經的電流都相等，如此，每個發光二極體的亮度大致都會差不多，可以達到亮度均勻的目標。每個發光二極體串中的發光二極體的數目，可以一樣，也可以不一樣。每一個NMOS電晶體N1 Nn都可以視為一個電壓控制電流源，流經其中的電流，大致上是由其柵極端的控制電壓所決定。舉NMOS電晶體N1為例，NMOS電晶體N1的漏極到源極的壓降VDS，需要到達一定最小值VDS_MIN以上，NMOS電晶體N1才能表現出電壓控制電流源的行為。如果壓降Vds太高，NMOS電晶體N1便會消耗太多電能，減低了整個背光系統8的效率。因此，要讓背光系統8的效率最佳化，就應該讓NMOS電晶體N1 Nn的漏極電壓不低於，但越靠近最小值VDS_MIN越好。因此，電流控制級6具有二極體陣列12，把NMOS電晶體N1 Nn的漏極電壓中的最小值送給控制單元20，控制單元20通過端CRT，據以調整反饋端FB的反饋電壓VFB，也調整了補償端COM的補償電壓νωΜ，改變了電壓控制級4的輸出功率。舉例來說，控制單元20通過二極體陣列12發現當下NMOS電晶體N1 Nn的漏極電壓中最小值是O. 6V，高於最小值目標電壓O. 5V。因此，控制單元20從端CRT灌出電流，拉高反饋電壓Vfb，補償電壓Vot所以被降低，電壓控制級4的輸出功率下降，輸出電壓Vott也就下降。因此，NMOS電晶體N1 Nn的漏極電壓中最小值就跟著下降，往目標電壓O. 5V接近，可以增加電能使用效率。如果背光系統8有調光控制(dimming control),那二極體陣列12就必須耐受高壓，所以可能不適合與控制單元20—同整合於一單晶片(monolithic)集成電路(integrated circuit)中。對於製造成本而言,背光系統8可能需要改善。
發明內容
本發明的一實施例提供一電流控制級，適用於一背光系統。該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端。該補償端的補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率。該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端。該電流控制級包含有一電流控制器以及一反饋裝置。該電流控制器耦接至該發光元件的另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值。該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流。該反饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預 設值。本發明的一實施例提供一定電流控制系統，包含有一電壓控制級、一負載、以及一電流控制級。該電壓控制級在一輸出端提供一輸出電壓。該電流控制級，包含有一電壓控制電流源以及一定電流裝置。該電壓控制電流源具有一控制端，控制流經該負載的電流。該負載耦接於該輸出端與該電壓控制電流源之間。該定電流裝置控制該控制端的一控制電壓，以使流經該負載的該電流大約為一電流預設值。該反饋裝置依據該控制電壓，來影響該電壓控制級的一輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。本發明的一實施例提供一電流控制方法，適用於控制一發光元件的亮度。該電流控制方法包含有以一輸出功率，在該發光兀件的一端建立一輸出電壓。提供一控制電壓，來大約控制流經該發光元件的另一端的發光電流；控制該控制電壓，以使該發光電流大約為一預設定電流；以及，依據該控制電壓，來調整該輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
圖I顯不已知的一背光系統。圖2與圖3顯示依據本發明所實施的二背光系統。主要元件符號說明4電壓控制級6電流控制級8背光系統12 二極體陣列15功率開關20控制單元44電壓控制級60背光系統62電流控制級64i運算放大器66反饋裝置68運算放大器70最大值供應器72電流控制級76反饋裝置80背光系統C、C1 Cn電流控制器
COM補償端CRT 端FB反饋端GATE、GATE1 GATEn 柵極端L、L1 Ln發光二極體串N1 NnNMOS 電晶體
OUT輸出端PRM電感元件RS1檢測電阻Vcm補償電壓Vfb反饋電壓Vout輸出電壓VrefS定電壓Vtrgt目標電壓Vtrgt2目標電壓
具體實施例方式在本說明書中，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、或應用的元件，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。圖2顯示依據本發明所實施的背光系統60，其包含有電壓控制級4、電流控制級62、以及作為背光的發光二極體串L1 Ln。電壓控制級4，如同圖I所示，可以是一升壓電路(booster)。在圖I中，電源管理器18依據在補償端COM的補償電壓VCQM，來大致控制功率開關15，決定電感元件PRM所轉換的電能，也決定電壓控制級4的輸出功率，以在輸出端OUT上建立輸出電壓VQUT。電流控制級62有N個電流控制器C1 CN，分別對應到發光二極體串L1 LN。每個發光二極體串的陽極，都共同連接到輸出端OUT;每個發光二極體串的陰極，都連接到一相對應NMOS電晶體的漏極。每個電流控制器C1 Cn最好是都有一樣的電路架構。電流控制器C1，舉例來說，具有運算放大器64PNM0S電晶體N1、以及檢測電阻RS115運算放大器61的非反相輸入耦接到設定電壓VMf，反相輸入耦接到檢測電阻RS1，輸出則驅動NMOS電晶體N1的柵極端GATE115檢測電阻RS1則是耦接於NMOS電晶體N1的源極到接地線之間。NMOS電晶體N1需要流過相當大的電流，所以是一種功率電晶體。柵極端GATE1I的控制電壓，大約控制著流經NMOS電晶體N1的電流，也大約等於流經發光二極體串L1的電流，所以NMOS電晶體N1也可以視為一電壓控制電流源。從電路架構可推知，電流控制器C1會將流經NMOS電晶體N1的電流，大約控制在VMf/RKS1這樣的電流預設值，其中，Resi為檢測電阻RS1的電阻值。電流控制級62中還具有反饋裝置66，其包含有運算放大器68以及最大值供應器70。最大值供應器70具有二極體陣列，其中每一二極體的陽極連接到一相對應的電流控制器匕中的柵極端GATEn，而每一二極體的陰極共同連接到運算放大器68的反相輸入。如果最大值供應器70中的二極體皆為理想二極體，運算放大器68的反相輸入的電壓會等於位於柵極端GATE1 GATEn的控制電壓中的最大值VeATE_mx。運算放大器68的非反相輸入耦接到一目標電壓Vtagt，其輸出耦接至電壓控制級4的端CRT。端CRT可以視為一目標電壓控制端。如果端CRT的電壓降低，則輸出電壓Vott的目標值會被提高。從電流控制級62與電壓控制級4的電路可以推知，在平衡時，運算放大器68的反相輸入會大約維持在目標電壓Vfegt。換句話說，最大值VeATE_mx會大約維持在跟目標電壓Vtagt對應的一電壓預設值。舉例來說，目標電壓Vtigt是價，而當下運算放大器68的反相輸入的電壓為4. 3V。則運算放大器68從端CRT汲取電流，降低反饋電壓VFB，補償電壓Vot所以被升高，所以電壓控制級4的輸出功率增加，輸出電壓Vot也就增加。增加的輸出電壓Votit意味著柵極端GATE1 GATEn的控制電壓可能需要 降低，才可以維持流經NMOS電晶體N1 Nn的電流不變。因此，電流控制器C1 Cn降低柵極端GATE1 GATEn的控制電壓，所以使運算放大器68的反相輸入的電壓也隨之降低，往目標電壓Vfegt接近。維持柵極端GATE1 GATEn的控制電壓中的最大值VeATE_MX，就等同於維持NMOS電晶體N1 Nn的最低溝道電阻(channel resistance),可以有效的控制電能使用效率。相較於圖I的背光系統8，圖2的背光系統60中不需要有耐高壓的二極體陣列12，而反饋裝置66也不必要耐受高壓，所以可以與電流控制器C1 Cn —起形成於一單晶片集成電路。而且，圖I中的控制單元20，如果以一單晶片集成電路形成，則需要有一特別引腳(pin)連接至二極體陣列12，來檢測NMOS電晶體N1 Nn的最低漏極電壓。圖2的電流控制級62，如果以一單晶片集成電路形成，就不需要有這樣特別引腳，因為檢測的是NMOS電晶體N1 Nn的最高控制電壓，都是集成電路內部信號。因此，電流控制級62可以有比較小的引腳數目(pin count)。圖2的實施例驅動了數個發光二極體串L1 Ln，但本發明也可以運用於驅動單一個發光二極體串。本發明另一個實施例跟圖2的背光系統60 —樣，只是電流控制級62隻有一個電流控制器C1,背光系統也只有單一發光二極體串Lp雖然圖2中的電壓控制級4為一升壓電路，但是本發明並不限於此。在此業界具有一般知識者可以以其他種電源轉換電路，譬如降壓轉換器(buck converter)、返馳式轉換器(flyback converter)等等,來取代圖2中的電壓控制級4, 一樣地實現本發明。圖3顯示依據本發明實施的一背光系統80。電壓控制級44可以是任何的電源轉換電路，譬如升壓電路(booster)、降壓轉換器(buck converter)、返馳式轉換器(flybackconverter)等等。電壓控制級44具有補償端COM,其補償電壓Vcom大約決定電壓控制級44對輸出端OUT的輸出功率。舉例來說，補償電壓Vkjm越高，電壓控制級44的輸出功率越高。電流控制級72具有電流控制器C以及反饋裝置76。電流控制器C的電路架構與原理可以由先前實施例所推知，不再重述。反饋裝置76為一運算放大器，其反相輸入耦接到目標電壓Vtagt2，非反相輸入耦接到柵極端GATE，其輸出連接到補償端C0M，可以影響補償電壓νωΜ。與圖2的操作原理類似的，在圖3中，如果柵極端GATE的控制電壓VeATE低於目標電壓Vtagt2，補償電壓Vot會被反饋裝置76拉低，輸出端OUT的輸出電壓Votit降低。因此，電流控制器C會拉高控制電壓V_，使其大約維持在目標電壓Vtagt2附近，且維持流經發光二極體串L的電流為一電流預設值。
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
1.一種電流控制級,適用於一背光系統,該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端，該補償端的補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率，該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端，該電流控制級包含有 一電流控制器，耦接至該發光元件的另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值，該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流；以及 一反饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
2.如權利要求I所述的電流控制級，其中，該背光系統包含有多個發光元件，該電流控制級包含有多個電流控制器，分別耦接至並對應所述發光元件，該反饋裝置包含有 一最大值提供器，耦接至所述電流控制器的所述控制端，以提供一主信號，對應所述控制端的所述控制電壓中的最大值； 其中，該主信號影響該補償信號，以使該主信號大約維持在一第二電壓預設值。
3.如權利要求I所述的電流控制級，該電壓控制級包含有一目標電壓控制端，可控制該輸出電壓，其中，當該控制電壓高於該第一電壓預設值時，該反饋裝置通過該目標電壓控制端，提高該輸出電壓。
4.如權利要求I所述的電流控制級，其中，該電流控制器包含有 一功率電晶體，具有該控制端、一電流輸入端以及一電流輸出端，該電流輸入端耦接至該發光元件的另一端； 一檢測電阻，耦接於該電流輸出端與一接地線之間；以及 一運算放大器，具有一反相輸入、一非反相輸入、以及一輸出，該反相輸入I禹接至該檢測電阻，該非反相輸入耦接至一設定電壓，該輸出耦接至該控制端。
5.一種定電流控制系統，包含有 一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓； 一負載；以及 一電流控制級，包含有 一電壓控制電流源，具有一控制端，控制流經該負載的電流，該負載耦接於該輸出端與該電壓控制電流源之間； 一定電流裝置，控制該控制端的一控制電壓，以使流經該負載的該電流大約為一電流預設值；以及 一反饋裝置，依據該控制電壓，來影響該電壓控制級的一輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
6.如權利要求5所述的定電流控制系統,其中，該負載包含有多個發光二極體。
7.如權利要求5所述的定電流控制系統，其中，該電壓控制級為一開關式電源供應器，包含有一補償端，該補償端的補償電壓大約決定該開關式電源供應器的一功率開關的工作比例(duty ratio),該反饋裝置依據該控制電壓,影響該補償電壓。
8.如權利要求5所述的定電流控制系統，其中，該定電流控制系統包含有多個負載，該電流控制級包含有多個電壓控制電流源，分別耦接並對應所述負載，該反饋裝置包含有 一最大值提供器，耦接至所述電壓控制電流源的所述控制端，以提供一主信號，對應所述電壓控制電流源的所述控制電壓中的最大值；其中，該主信號影響該電壓控制級的該輸出功率，以使該主信號大約維持在一第二電壓預設值。
9.一種電流控制方法，適用於控制一發光元件的亮度，包含有 以一輸出功率，在該發光兀件的一端建立一輸出電壓； 提供一控制電壓，來大約控制流經該發光元件的另一端的發光電流； 控制該控制電壓，以使該發光電流大約為一預設定電流；以及 依據該控制電壓，來調整該輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
10.如權利要求9所述的電流控制方法，適用於控制多個發光元件，該電流控制方法包含有 以該輸出功率，在所述發光兀件的一共同端建立一輸出電壓； 提供多個控制電壓，每一大約控制流經一相對應發光元件的另一端的一相對應發光電流； 依據所述控制電壓中的一最大值，來調整該輸出功率，以使該最大值大約維持在一第一電壓預設值。
全文摘要
電流控制級、定電流控制系統、以及電流控制方法，適用於一背光系統。該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端。該補償端的補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率。該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端。該電流控制級包含有一電流控制器以及一反饋裝置。該電流控制器耦接至該發光元件的另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值。該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流。該反饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
文檔編號H05B37/02GK102956202SQ201110250148
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者李敬贊 申請人:通嘉科技股份有限公司