TW201808053A - 發光二極體驅動裝置及驅動裝置的短路保護方法 - Google Patents
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Abstract
一種發光二極體驅動裝置及驅動裝置的短路保護方法。此驅動裝置包括發光二極體模組、驅動電路、參考電壓設定電路，電壓比較電路以及電源供應單元。發光二極體模組的第一端接收點燈電壓，發光二極體模組的第二端具備第一電壓。參考電壓設定電路接收點燈電壓以產生參考電壓。電壓比較電路在發光二極體模組熄滅的情況下判斷第一電壓是否大於參考電壓。並且，當第一電壓大於參考電壓時，電壓比較電路產生短路信號。電源供應單元供電給所述發光二極體模組，且依據所述短路信號決定是否關閉所述發光二極體驅動裝置的電源。
Description
本發明是有關於一種發光二極體的驅動技術，且特別是有關於一種發光二極體（LED）驅動裝置及驅動裝置的短路保護方法。
隨著半導體技術的進步，發光二極體（light emitting diode；LED）的發光亮度與發光效率持續地提升。發光二極體具有使用壽命長、體積小、用電省、污染低、高可靠度、適合量產等優點。發光二極體能夠應用的領域十分廣泛，例如可應用在照明裝置（illumination apparatus）、液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）大型廣告看板的背光源（backlight source）…等。
一般來說，為了避免在發光二極體發生損壞後連帶地損毀驅動裝置中的關鍵零件（如，電晶體），通常會設置在發光二極體短路時的保護措施。另一方面，發光二極體的驅動裝置通常藉由脈寬調變（PWM）信號且以循序掃描（scanning backlight）、過流驅動（over driving）或區域調光（local dimming）…等方式來驅動發光二極體。此類型的驅動裝置通常會隨時改變流經發光二極體的電流週期以及其幅度，讓被點亮的發光二極體的偏壓變得不固定。如此一來，當發光二極體被點亮時，驅動裝置中的短路偵測電路便有可能經常會發生誤動作。藉此，廠商便希望能夠研發更為有效之發光二極體的短路保護機制。
本發明提供一種發光二極體驅動裝置及發光二極體的短路偵測方法，其可有效地避免驅動裝置因發光二極體發生短路而損壞。
本發明的發光二極體驅動裝置包括發光二極體模組、驅動電路、參考電壓設定電路、電壓比較電路以及電源供應單元。發光二極體模組的第一端接收點燈電壓，發光二極體模組的第二端具備第一電壓。驅動電路用以驅動所述發光二極體模組。參考電壓設定電路接收點燈電壓以產生參考電壓。電壓比較電路在發光二極體模組熄滅的情況下判斷第一電壓是否大於參考電壓。並且，當第一電壓大於參考電壓時，電壓比較電路產生短路信號。電源供應單元用以供電給發光二極體模組，且依據所述短路信號決定是否關閉發光二極體驅動裝置的電源。
本發明的驅動裝置的短路保護方法包括下列步驟。接收發光二極體模組的第一電壓，其中所述發光二極體模組的第一端接收點燈電壓，發光二極體模組的第二端具備所述第一電壓。產生參考電壓，其中參考電壓有關於齊納二極體中的崩潰電壓以及點燈電壓。在發光二極體模組熄滅的情況下判斷第一電壓是否大於參考電壓，以產生短路信號。依據所述短路信號決定是否關閉所述驅動裝置的電源。
基於上述，本發明實施例所述的發光二極體驅動裝置及其短路保護方法係利用齊納二極體產生參考電壓，並利用發光二極體模組的偏壓以及所述參考電壓來判斷發光二極體模組中的部分發光二極體是否發生短路，藉以關閉驅動裝置的電源。如此一來，本發明實施例的發光二極體驅動裝置可有效地避免驅動裝置因發光二極體發生短路狀況而損壞。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一實施例的一種發光二極體（LED）驅動裝置100的示意圖。請參照圖1，LED驅動裝置100（以下描述可簡稱為驅動裝置100）包括發光二極體（LED）模組110-1~110-4、驅動電路120、參考電壓設定電路130、電壓比較電路140以及電源供應單元150。驅動裝置100可包括一個或多個發光二極體模組，本實施例以4個LED模組110-1~110-4來做為舉例說明，且應用本實施例者可依其需求調整LED模組的數量，例如設置8個或更多的LED模組。
每個LED模組110-1~110-4包括相互串聯的多個發光二極體（LED）。換句話說，這些LED模組110-1~110-4便是有多個LED相串聯的LED燈串（或稱為LED燈條）。本實施例所述的發光二極體模組110-1~110-4是以6個LED相互串聯以形成LED燈串，應用本實施例者可依其需求來調整各個LED燈串中的LED數量。在此以發光二極體模組110-1為例，發光二極體模組110-1~110-4中第一個發光二極體LD1的陽極端作為發光二極體模組110-1~110-4的第一端N11，以接收由電源供應單元150所提供的點燈電壓VL。發光二極體模組110-1中最後一個發光二極體LD6的陰極端作為第二端N12，藉以耦接驅動電路120。於本實施例中，發光二極體模組110-1~110-4的第二端N12~N42分別具備對應的第一電壓V12~V42。
驅動電路120用以驅動發光二極體模組110-1~110-4。詳細來說，驅動電路120包括發光二極體（LED）驅動器122以及對應各個LED模組的電流平衡開關171~174。LED驅動器122可產生用來控制電流平衡開關171~174的驅動信號Sd1~Sd4。電流平衡開關171~174的第一端分別耦接對應的發光二極體模組110-1~110-4，電流平衡開關171~174的第二端耦接電阻R21~R24，且電流平衡開關171~174的控制端分別接收對應的驅動信號Sd1~Sd4。這些驅動信號Sd1~Sd4的種類可以是脈寬調變信號。電流平衡開關171~174可由金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）來實現，例如N型增強型MOSFET。若第一電壓V12~V42的電壓值過大，則電流平衡開關171~174中的MOSFET有可能因電壓過大而損壞。
參考電壓設定電路130用以接收電燈電壓VL以產生參考電壓Vref。電壓比較電路140則會從這些第一電壓V12~V42中選擇最大者，並在發光二極體模組110-1~110-4熄滅的情況下來判斷最大的第一電壓是否大於參考電壓Vref。如果這些第一電壓V12~V42中的最大者仍然小於參考電壓Vref，則表示這些LED模組110-1~110-4中的LED並沒有發生短路情況。然而，若有部分的LED因損壞而短路時，則會導致此損壞LED所在的LED模組的第一電壓提升。由於LED屬於二極體類型，因此當兩端電壓過大時則很容易因擊穿而導通兩端造成短路。藉此，當第一電壓V12~V42中的最大者大於參考電壓Vref時，電壓比較電路140產生短路信號SC。電源供應單元150接收輸入電壓Vin以供電（或稱為供應點燈電壓VL）給LED模組110-1~110-4，也同樣地供電給整個LED驅動裝置100。電源供應單元150依據短路信號SC是否致能以決定是否關閉發光二極體驅動裝置100的電源。也就是說，當短路信號SC致能時，電源供應單元150便關閉發光二極體驅動裝置的電源。
在此說明為何在LED模組中部分LED短路的情況下會使第一電壓提升。當LED模組110-1~110-4在已接收電燈電壓VL但因發光二極體驅動器122的控制而熄滅（例如，控制驅動信號使其關閉透過電燈電壓VL而流經LED模組110-1~110-4的電流）的情況下，假設LED模組110-1中的每個LED皆為完好，則第一電壓V12則為點燈電壓VL減去6個LED偏壓的電壓值。相對地，假設LED模組110-1中的LED LD1因損壞而短路，則第一電壓V12則為點燈電壓VL減去5個LED偏壓的電壓值。換句話說，只要LED模組中有一個LED因損壞而短路，則第一電壓V12便會比原先良好的第一電壓V12提升一個LED偏壓。相對來說，若是在LED模組110-1~110-4正在點亮時，由於流經LED的電流不固定，導致每個LED的偏壓將可能會浮動，如此一來，『藉由第一電壓V12~V42的最大值與參考電壓Vref來進行比較以判斷LED是否短路』的作法在LED模組點燈時將無法保證是否實質正確，因此本發明實施例的電壓比較電路140在LED模組通電且熄滅的情況下才進行電壓比較為佳。
圖2是依照本發明一實施例的一種發光二極體驅動裝置100的詳細電路圖。在圖2中，電源供應單元150由直流對直流轉換器（DC-to-DC converter）210來實現，其接收輸入電壓Vin以產生點燈電壓VL，並且依據短路信號SC是否致能以決定是否關閉發光二極體驅動裝置100的電源。
參考電壓設定電路130包括齊納二極體ZD1以及第一電阻R1。齊納二極體ZD1具備崩潰電壓。齊納二極體ZD1的陰極端接收點燈電壓VL。第一電阻R1耦接齊納二極體ZD1的陽極端以及接地端之間。因此，在齊納二極體ZD1為崩潰狀態時，其逆向偏壓將成為固定的崩潰電壓，使得參考電壓Vref的數值為點燈電壓VL減去齊納二極體ZD1中崩潰電壓的數值。因此，點燈電壓VL需大於崩潰電壓，使得齊納二極體ZD1在LED模組110-1~110-4所流經的電流為零時為崩潰狀態，才能使參考電壓設定電路130能順利運作。
電壓比較電路140主要包括光耦合器220、復位晶片230及電源控制開關240。電壓比較電路140還包括傳遞電路250。傳遞電路250包括分別對應於LED模組110-1~110-4的第一二極體D1~D4。第一二極體D1~D4的陽極端分別耦接對應LED模組110-1~110-4的第一端N12~N42以接收第一電壓V12~V42。第一二極體D1~D4的陰極端皆耦接至光耦合器270的第一輸入端NL1。藉此，經由第一二極體D1~D4的作用，位於光耦合器270的第一輸入端NL1的電壓便會是這些第一電壓V12~V42中的最大者。
光耦合器220中發光二極體側的第一輸入端NL1透過傳遞電路250而接收這些第一電壓V12~V42中的最大者。光耦合器220中發光二極體側的第二輸入端NL2則耦接參考電壓設定電路130以接收參考電壓Vref。光耦合器220的第三端N3耦接接地端，光耦合器220的第四端N4（也稱為，輸出端）產生比較信號SS。藉此，光耦合器220便可同時作為第一電壓V12~V42最大者與參考電壓Vref的比較器與隔離器。
若LED模組110-1中的每個LED皆為完好，則第一電壓V12則為點燈電壓VL減去6個LED偏壓的數值。假設完好的每個LED偏壓為2.5V，第一二極體D1的偏壓為0.6V，齊納二極體ZD1的崩潰電壓設定為16V，且光耦合器220中發光二極體的偏壓設定為1.2V。如此一來，光耦合器220中發光二極體側的第一輸入端NL1的電壓為『點燈電壓VL減去6個LED偏壓（6*2.5V=15V）且減去第一二極體偏壓（0.6V）』的數值，參考電壓Vref則為『點燈電壓VL減去崩潰電壓（16V）』。由於此時光耦合器220中發光二極體的第一端NL1的第一電壓（『VL-6*2.5V-0.6V』）與其第二端NL2的參考電壓（『VL-16V』）之間的差值並未大於光耦合器220中發光二極體的偏壓（1.2V），因此光耦合器220中的發光二極體不會被導通，使得比較信號SS仍為禁能。相對地，若LED模組110-1中的第一個LED LD1因損壞而斷路，其餘LED完好時，由於此時光耦合器220中發光二極體的第一端NL1的第一電壓（『VL-5*2.5V-0.6V』）與其第二端NL2的參考電壓（『VL-16V』）之間的差值已大於光耦合器220中發光二極體的偏壓（1.2V），因此光耦合器220中的發光二極體會被導通，使得比較信號SS致能。
於本實施例中，齊納二極體ZD1的崩潰電壓可由應用本實施例者自行設定。若驅動裝置100中的電晶體具備較高的耐壓力，也就是當LED短路的顆數較多而這些電晶體仍承受得住且並未損壞時，齊納二極體ZD1中崩潰電壓的數值可設定較小。相對地，若驅動裝置100中的電晶體具備較低的耐壓力，也就是當顆數較少的LED短路但這些電晶體仍然較易於損壞時，則崩潰電壓的數值便需設定較大。雖然崩潰電壓的數值可依電晶體的耐壓程度來適度的調整，但仍不能高於整個LED燈串中LED總數（如，6個）的LED偏壓加總數值，加上1個二極體（如，二極體D1）偏壓的數值，再加上光耦合器220中發光二極體偏壓的數值。
比較信號SS從光耦合器220的第四端N4傳送至復位晶片（RESET IC）230。詳細來說，在符合本發明的某些應用中，發光二極體驅動器122中透過驅動信號Sd1~Sd4所產生的LED掃描頻率較高（例如480Hz），造成光耦合器220所產生的比較信號SS週期過短（小於30usec），使得比較信號SS的電壓位準變得較不準確。因此，復位晶片230的功用在於調整比較信號SS的電壓位準與比較信號SS的週期，並使比較信號SS的週期保證大於200msec，讓電晶體M1能順利運作。復位晶片230的VCC端連接至系統電壓Vdd，GND端耦接接地端，且復位晶片230的RESET端產生已電壓校準的比較信號SS。
電源控制開關240的控制端接收比較信號SS，且在第一電壓V12~V42的最大者大於參考電壓Vref時，電源控制開關240使短路信號SC致能。詳細來說，電源控制開關240包括一電晶體M1（如，P型增強型MOSFET）。電晶體M1的閘極端為電源控制開關240的控制端。電晶體M1的第一端產生短路信號SC，且電晶體M1的第二端耦接接地端。因此，當短路信號SC致能（為邏輯”0”）時，電晶體M1的第一端與第二端相互導通而使短路信號SC致能（為邏輯”0”）。電源供應單元150在短路信號SC致能時關閉發光二極體驅動裝置100的電源。
圖3是依照本發明一實施例的一種驅動裝置的短路保護方法的流程圖。此短路保護方法適用於圖1所述的LED驅動裝置100。請同時參照圖1及圖3，於步驟S310中，電壓比較器140接收各個發光二極體模組110-1~110-4的第一電壓V12~V42。發光二極體模組110-1~110-4的第一端分別接收點燈電壓VL，且發光二極體模組110-1~110-4的第二端N12~N42具備第一電壓V12~V42。於步驟S320中，參考電壓設定電路130產生參考電壓Vref，且此參考電壓Vref有關於齊納二極體ZD1中的崩潰電壓以及點燈電壓VL。於步驟S330中，電壓比較器140在LED模組110-1~110-4熄滅的情況下判斷第一電壓是否大於參考電壓Vref，以產生短路信號SC。若僅有一個LED模組，便僅具備單個第一電壓。若具備多個LED模組，便從這些第一電壓中找尋最大者與參考電壓Vref進行判斷。於步驟S340中，電源供應單元150依據短路信號SC決定是否關閉驅動裝置100的電源。短路保護方法的詳細步驟流程及硬體結構請參照上述實施例。
綜上所述，本發明實施例所述的發光二極體驅動裝置及其短路保護方法係利用齊納二極體產生參考電壓，並利用發光二極體模組的偏壓以及所述參考電壓來判斷發光二極體模組中的部分發光二極體是否發生短路，藉以關閉驅動裝置的電源。如此一來，本發明實施例的發光二極體驅動裝置可有效地避免驅動裝置因發光二極體發生短路狀況而損壞。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧發光二極體驅動裝置
110-1~110-4‧‧‧發光二極體模組
120‧‧‧驅動電路
122‧‧‧發光二極體驅動器
130‧‧‧參考電壓設定電路
140‧‧‧電壓比較電路
150‧‧‧電源供應單元
160‧‧‧發光二極體驅動器
171~174‧‧‧電流平衡開關
210‧‧‧直流對直流轉換器
220‧‧‧光耦合器
230‧‧‧復位晶片
240‧‧‧電源控制開關
250‧‧‧傳遞電路
D1~D4‧‧‧第一二極體
R21~R24‧‧‧電阻
Sd1~Sd4‧‧‧驅動信號
LD1、LD6‧‧‧發光二極體
VL‧‧‧點燈電壓
N11‧‧‧LED模組110-1的第一端
N12~N42‧‧‧LED模組的第二端
V12~V42‧‧‧第一電壓
Vref‧‧‧參考電壓
SC‧‧‧短路信號
Vin‧‧‧輸入電壓
ZD1‧‧‧齊納二極體
R1‧‧‧第一電阻
NL1‧‧‧光耦合器的第一輸入端
NL2‧‧‧光耦合器的第二輸入端
N3‧‧‧光耦合器的第三端
N4‧‧‧光耦合器的第四端
SS‧‧‧比較信號
Vdd‧‧‧系統電壓
M1‧‧‧電晶體
110-1~110-4‧‧‧發光二極體模組
120‧‧‧驅動電路
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171~174‧‧‧電流平衡開關
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SC‧‧‧短路信號
Claims (10)
- 一種發光二極體驅動裝置，包括： 發光二極體模組，其第一端接收點燈電壓，所述發光二極體模組的第二端具備第一電壓； 驅動電路，用以驅動所述發光二極體模組； 參考電壓設定電路，接收所述點燈電壓以產生參考電壓； 電壓比較電路，在所述發光二極體模組熄滅的情況下判斷所述第一電壓是否大於所述參考電壓，且當所述第一電壓大於所述參考電壓時，所述電壓比較電路產生短路信號；以及 電源供應單元，用以供電給所述發光二極體模組，且依據所述短路信號決定是否關閉所述發光二極體驅動裝置的電源。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動裝置，其中所述發光二極體模組包括相互串聯的多個發光二極體，其中所述發光二極體模組中第一個發光二極體的陽極端接收所述點燈電壓，最後一個發光二極體的陰極端為其所述第二端。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動裝置，其中參考電壓設定電路包括： 齊納二極體，具備崩潰電壓，其陰極端接收所述點燈電壓；以及 第一電阻，耦接所述齊納二極體的陽極端與接地端之間， 其中所述參考電壓的數值為所述點燈電壓減去所述崩潰電壓的數值，所述點燈電壓大於所述崩潰電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動裝置，其中所述電壓比較電路包括： 光耦合器，其中所述光耦合器的第一輸入端接收所述第一電壓，所述光耦合器的第二輸入端耦接所述參考電壓設定電路以接收所述參考電壓，所述光耦合器的第三端耦接接地端，所述光耦合器的第四端產生比較信號； 復位晶片，用以調整所述比較信號的電壓位準；以及 電源控制開關，其控制端接收所述比較信號，且在所述第一電壓大於所述參考電壓時，所述電源控制開關使所述短路信號致能， 其中所述電源供應單元在所述短路信號致能時關閉所述發光二極體驅動裝置的電源。
- 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體驅動裝置，其中所述電源控制開關包括電晶體，所述電晶體的閘極端為所述電源控制開關的控制端，所述電晶體的第一端產生所述短路信號，且所述電晶體的第二端耦接接地端。
- 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體驅動裝置，其中所述電壓比較電路還包括： 傳遞電路，包括第一二極體，所述第一二極體的陽極端耦接所述發光二極體模組的第一端以接收所述第一電壓，所述第一二極體的陰極端耦接所述光耦合器的第一輸入端。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體驅動裝置，所述驅動電路包括： 發光二極體驅動器，產生驅動信號；以及 電流平衡開關，耦接所述發光二極體模組，所述電流平衡開關的控制端接收所述驅動信號， 其中所述發光二極體驅動器藉由所述驅動信號以及所述電流平衡開關以驅動所述發光二極體模組。
- 一種驅動裝置的短路保護方法，包括： 接收發光二極體模組的第一電壓，其中所述發光二極體模組的第一端接收點燈電壓，所述發光二極體模組的第二端具備所述第一電壓； 產生參考電壓，其中所述參考電壓有關於齊納二極體中的崩潰電壓以及所述點燈電壓； 在所述發光二極體模組熄滅的情況下判斷所述第一電壓是否大於所述參考電壓，以產生短路信號；以及 依據所述短路信號決定是否關閉所述驅動裝置的電源。
- 如申請專利範圍第8項所述的短路保護方法，其中所述參考電壓的數值為所述點燈電壓減去所述崩潰電壓的數值，且所述點燈電壓大於所述崩潰電壓。
- 如申請專利範圍第8項所述的短路保護方法，判斷所述第一電壓是否大於所述參考電壓的步驟包括： 利用光耦合器的第一輸入端接收所述第一電壓，利用所述光耦合器的第二輸入端接收所述參考電壓，其中所述光耦合器的第三端耦接接地端，且所述光耦合器的第四端產生比較信號，且在所述比較信號致能時關閉所述發光二極體的電源。
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