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TWI440309B - 穩壓保護電路及其所屬之顯示控制器，以及其發光二極體驅動方法 - Google Patents

穩壓保護電路及其所屬之顯示控制器，以及其發光二極體驅動方法 Download PDF

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TWI440309B
TWI440309B TW099130937A TW99130937A TWI440309B TW I440309 B TWI440309 B TW I440309B TW 099130937 A TW099130937 A TW 099130937A TW 99130937 A TW99130937 A TW 99130937A TW I440309 B TWI440309 B TW I440309B
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Hsuan I Pan
Hung I Wang
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Description

穩壓保護電路及其所屬之顯示控制器，以及其發光二極 體驅動方法
本發明係有關一種穩壓保護電路，特別是關於一種發光二極體驅動模組的穩壓保護電路。
鑑於發光二極體(LED)的諸多優點，例如體積小、反應時間短、消耗功率低、可靠度高、大量生產可行性高，因此發光二極體普遍使用於電子裝置中作為光源使用。例如，以發光二極體作為液晶顯示器(LCD)的背光源，以取代傳統的螢光燈管。
第一圖之示意圖顯示以發光二極體構成之背光模組的部分示意圖。如圖所示，背光模組中具有複數發光二極體串(LED string)10及驅動電路12。其中，每一發光二極體串10包含複數個串聯之發光二極體100，發光二極體串10最外端發光二極體100的陽極耦接至高電壓源VDC，而發光二極體串10最外端發光二極體100的陰極則耦接至驅動電路12的輸入墊(pad)14。
對於第一圖所示的發光二極體串10，當其中一或多個發光二極體100因失效而短路時，則位於輸入墊14的電壓即會升高。若電壓升高的幅度過 大，而超過驅動電路12的額定電壓時，將會造成驅動電路12的失效甚至損害。此種異常的輸入電壓一般稱為過度電性應力(electrical overstress,EOS)。傳統的驅動電路12(驅動電路晶片)一般係以高壓製程來製作，高壓製程完成的晶片可承受的輸入電壓較高。
然而，高壓製程所製作之電路，其面積遠較一般低壓製程所製作之電路來得大，耗費成本較高。此外，由於高壓製程與低壓製程彼此不相容，使得驅動電路12不易與液晶顯示器的其他系統電路進行整合。因此，若欲應用一以低壓製程所完成的驅動晶片來驅動耦接高電壓源的發光二極體串，需要預防過度電性應力的發生對驅動電路所造成的損害。
因此，亟需提出一種新穎的穩壓保護機制，用以保護低壓製程完成的驅動電路12，使來自發光二極體串的電壓不會影響驅動電路12內部的電路元件使其不會受到過度電性應力(EOS)。
鑑於上述，本發明實施例揭露一種穩壓保護電路，可適用於發光二極體驅動模組，於驅動電路或電路晶片的外部，控制輸入墊的電壓使其不會造成過度電性應力(EOS)。藉此，驅動電路即可使用一般的低壓製程來製造，因而使得驅動電路得以和其他的系統電路整合，以縮小整個系統的電路面積、降低成本並增加效能。
根據本發明實施例，穩壓保護電路提供穩壓保護至一驅動模組，其耦接於複數個發光二極體串，該穩壓保護電路包含偏壓產生電路及箝制電路。其中，偏壓產生電路提供一偏壓。箝制電路耦接該複數發光二極體串與驅動模組。箝制電路根據偏壓以產生複數箝制電壓分別送至一驅動電路的複數輸 入墊。
根據本發明另一實施例，顯示控制器包含一發光二極體驅動模組，該發光二極體驅動模組包含複數發光二極體串、驅動電路、偏壓產生電路及箝制電路。其中，每一發光二極體串包含複數個串聯之發光二極體，每一發光二極體串之一端耦接於一電壓源。驅動電路驅動該複數發光二極體串。偏壓產生電路提供一偏壓。箝制電路耦接該複數發光二極體串與驅動電路，且該箝制電路根據偏壓以產生複數箝制電壓至驅動電路的複數輸入墊。
根據本發明又一實施例，發光二極體驅動方法包含以下步驟。首先，產生一偏壓。接著，利用該偏壓箝制源自複數發光二極體串之複數個電壓，以產生複數個箝制電壓。最後，將該些箝制電壓送進一低壓製程製造的一發光二極體驅動電路。
10‧‧‧發光二極體串
100‧‧‧發光二極體
12‧‧‧驅動電路
14‧‧‧輸入墊
20‧‧‧偏壓產生電路
200‧‧‧穩壓電路
22‧‧‧箝制電路
24‧‧‧驅動電路
26‧‧‧輸入墊
31-33‧‧‧步驟
VDC‧‧‧高電壓源
V‧‧‧電壓源
I‧‧‧電流源
M0/M1/Mn‧‧‧箝制電晶體
Ma‧‧‧偏壓電晶體
A‧‧‧陽極
K‧‧‧陰極
VREF‧‧‧參考電壓端
R1‧‧‧限流電阻
R2/R3‧‧‧分壓電阻
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極
D‧‧‧汲極
第一圖之示意圖顯示以發光二極體構成之背光模組的部分示意圖。
第二A圖之示意圖顯示本發明實施例之穩壓保護電路。
第二B圖顯示本實施例之發光二極體驅動方法的流程圖。
第三圖例示第二A圖之穩壓保護電路的詳細電路圖。
第二A圖之示意圖顯示本發明實施例之穩壓保護電路，其可適用於顯示控制器的發光二極體驅動模組中，用以保護發光二極體的驅動電路，使其內部的電路元件不會受到過度電性應力(EOS)。本實施例之發光二 極體驅動模組係為液晶顯示器的背光模組，但不以此為限。第二B圖顯示本實施例之發光二極體驅動方法的流程圖。
在本實施例中，穩壓保護電路主要包含偏壓產生電路(bias generating circuit)20及箝制(clamping)電路22。偏壓產生電路20提供一偏壓Vbias給箝制電路22(步驟31)。箝制電路22耦接複數發光二極體串10。每一發光二極體串10包含複數個串聯之發光二極體100，發光二極體串10最外端發光二極體100的陽極耦接至高電壓源VDC，而發光二極體串10最外端發光二極體100的陰極則耦接至箝制電路22進而耦接至驅動電路24的複數個輸入墊(pad)26。箝制電路22根據偏壓產生電路20所提供之偏壓Vbias，箝制多個發光二極體串100之(最外端陰極)電壓，以產生多個箝制電壓(步驟32)。接著，將這些箝制電壓饋至發光二極體驅動電路24的輸入墊26(步驟33)，使得每一輸入墊26的電壓不會超過預設(或額定)電壓，因而得以保護該驅動電路24免於受到過度電性應力(EOS)的影響或破壞。預設(額定)電壓值係根據驅動電路24所使用的製程技術而定。例如，若使用5伏特製程技術，則預設電壓值可為5伏特。本實施例之驅動電壓24可包含複數電流源I，分別控制發光二極體串10的亮度。本實施例之驅動電路24可為一般低壓製程所製作的半導體積體電路，其可和液晶顯示器的其他系統電路整合，以形成一系統單晶片(SOC)，例如一顯示器控制晶片。
第三圖例示第二A圖之穩壓保護電路的詳細電路圖。在本實施例中，箝制電路22包含併聯之複數個N型金屬氧化半導體(NMOS)箝制電晶體M0、M1...Mn，其分別耦接至相應的發光二極體串10及輸入墊26。詳而言之，每一箝制電晶體M0/M1/Mn的源極S耦接至相應輸入 墊26，其汲極D耦接至相應發光二極體串最外端發光二極體100的陰極，而所有箝制電晶體M0、M1...Mn的閘極G則耦接至偏壓產生電路20所提供之偏壓Vbias。本發明之目的係欲使各個箝制電晶體的源極S的電壓不超過額定電壓(例如上述5伏特)，因此需藉由偏壓產生電路穩定箝制電晶體的閘極電壓，且藉由箝制電晶體的閘極和源極間具有穩定偏壓的特性，使箝制電晶體的源極電壓可被控制，而不受汲極端電壓變化的影響。以下進一步描述如何達成此目的。
在本實施例中，偏壓產生電路20主要包含NMOS偏壓電晶體Ma及穩壓電路200。其中，偏壓電晶體Ma的閘極G耦接至箝制電路22之箝制電晶體M0、M1...Mn的閘極G，其汲極D電性耦接至電壓源V，其源極S藉由一分壓電阻R2、R3而耦接至地。值得注意的是，本實施例之偏壓電晶體Ma與箝制電晶體M0、M1...Mn係使用相同製程所製造，亦即兩者具有相同的臨界電壓，如此，藉由控制偏壓電晶體Ma的閘極電壓以及源極電壓，可確保箝制電晶體M0、M1...Mn的源極電壓是穩定的。本實施例之穩壓電路200為可程式分路調節器(programmable shunt regulator)，例如型號為TL431的可程式分路調節器，其具有三端：陽極A、陰極K及參考電壓端VREF。詳而言之，陽極A耦接至地；陰極K耦接至偏壓電晶體Ma的閘極G並藉由限流電阻R1耦接至電壓源V；參考電壓端VREF耦接至分壓電阻R2、R3的中間節點，經由各電壓源和電阻的匹配，可使偏壓電晶體Ma的閘極G電壓調整至需求的電壓值。
藉由上述的電路連接組態，可於偏壓產生電路20之偏壓電晶體Ma的閘極G、源極S之間產生一穩定偏壓。例如，經由穩壓電路的設計， 偏壓電晶體Ma的源極S電壓為5伏特時，則其閘極G電壓為(5+Vth)伏特，其中Vth為偏壓電晶體Ma的臨界電壓。一般而言，調整穩壓電路200使得偏壓電晶體Ma的源極S相同於輸入墊26的預設電壓，其閘極G的電壓值則為預設電壓加上臨界電壓Vth。
如前所述，偏壓電晶體Ma與箝制電晶體M0、M1...Mn係使用相同製程所製造，因此，箝制電路22之每一箝制電晶體M0/M1/Mn具有和偏壓電晶體Ma相同的偏壓。例如，當箝制電晶體M0/M1/Mn的閘極G為(5+Vth)伏特時(其中，Vth為其臨界電壓)，則源極S即可維持於5伏特。藉此，使得輸入墊26的電壓不會超過預設電壓(例如上例中的5伏特)，因此不會造成過度電性應力(EOS)。舉例而言，當發光二極體串10其中一或多個發光二極體100因失效而短路時，則相應之箝制電晶體M0/M1/Mn的汲極-源極D-S間壓降會升高，然而，箝制電晶體M0/M1/Mn的源極S仍保持於預設電壓。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧發光二極體串
100‧‧‧發光二極體
20‧‧‧偏壓產生電路
22‧‧‧箝制電路
24‧‧‧驅動電路
26‧‧‧輸入墊
VDC‧‧‧高電壓源
I‧‧‧電流源

Claims (16)

  1. 一種穩壓保護電路，提供穩壓保護至一驅動模組，該驅動模組耦接於複數個發光二極體串，該穩壓保護電路包含：一偏壓產生電路，其提供一偏壓；及一箝制電路，耦接該複數發光二極體串與該驅動模組，該箝制電路根據該偏壓以產生複數箝制電壓分別送至一驅動電路的複數輸入墊；其中上述之箝制電路包含併聯之複數個箝制電晶體，分別耦接於該等發光二極體串與該等輸入墊；其中上述之偏壓產生電路包含：一偏壓電晶體，其與該箝制電晶體具有相近之閘極偏壓；及一穩壓電路，具有一預設電壓端耦接於該偏壓電晶體之一端，使該偏壓電晶體產生該偏壓，該預設電壓端之電壓對應於該等箝制電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓保護電路，其中每一該箝制電晶體係為N型金屬氧化半導體(NMOS)電晶體，其源極耦接至每一該等輸入墊，其汲極耦接至每一該等發光二極體串最外端發光二極體的陰極，且該複數個箝制電晶體的複數個閘極皆耦接至該偏壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之穩壓保護電路，其中上述之偏壓電晶體為N型金屬氧化半導體(NMOS)電晶體，其閘極耦接至該複數個箝制電晶體的閘極，該偏壓電晶體的汲極耦接至一電壓源，其源極藉由一分壓電阻而耦接至地。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之穩壓保護電路，其中上述之穩壓電路包含一可程式分路調節器，其具有三端：陽極、陰極及參考電壓端，其 中，該陽極耦接至地，該陰極耦接至該偏壓電晶體的閘極並藉由一限流電阻耦接至該電壓源，該參考電壓端耦接至該分壓電阻的中間節點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓保護電路，其中該等箝制電壓係介於5伏特(Volt)到10伏特之間。
  6. 一種顯示控制器，包含一發光二極體驅動模組，該發光二極體驅動模組包含：複數發光二極體串，每一該發光二極體串包含複數個串聯之發光二極體，每一該等發光二極體串之一端耦接於一電壓源；一驅動電路，用以驅動該複數發光二極體串；一偏壓產生電路，其提供一偏壓；及一箝制電路，耦接該複數發光二極體串與該驅動電路，該箝制電路根據該偏壓以產生複數箝制電壓至該驅動電路的複數輸入墊；其中上述之箝制電路包含併聯之複數個箝制電晶體，分別耦接於該等發光二極體串與該等輸入墊之間；其中上述之偏壓產生電路包含：一偏壓電晶體，其與該箝制電晶體使用相同製程技術；及一穩壓電路，具有一預設電壓端耦接於該偏壓電晶體之一端，使該偏壓電晶體產生該偏壓，該預設電壓端之電壓對應於該等箝制電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之顯示控制器，其中該顯示控制器供用於一液晶顯示器，該發光二極體驅動模組係供驅動該液晶顯示器的一背光模組，該顯示控制器係由一低壓製程製造。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之顯示控制器，其中上述之發光二極體串最外端發光二極體的陽極耦接至一電壓源，且該發光二極體串最外 端發光二極體的陰極經由該箝制電路而耦接至該驅動電路的相應輸入墊。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之顯示控制器，其中上述之箝制電晶體為N型金屬氧化半導體(NMOS)電晶體，其源極耦接至該相應輸入墊，其汲極耦接至該相應發光二極體串最外端發光二極體的陰極，且該複數個箝制電晶體的複數個閘極耦接至該偏壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之顯示控制器，其中上述之偏壓電晶體為N型金屬氧化半導體(NMOS)電晶體，其閘極耦接至該複數個箝制電晶體的閘極，該偏壓電晶體的汲極電性耦接至一第二電壓源，其源極藉由一分壓電阻而耦接至地。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之顯示控制器，其中上述之穩壓電路為一可程式分路調節器，其具有三端：陽極、陰極及參考電壓端，其中，該陽極耦接至地，該陰極耦接至該偏壓電晶體的閘極並藉由一限流電阻耦接至該第二電壓源，該參考電壓端耦接至該分壓電阻的中間節點。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之顯示控制器係由一低壓製程所製造。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之顯示控制器，其中上述之驅動電路包含複數電流源，用以分別驅動該複數發光二極體串。
  14. 一種發光二極體驅動方法，包含：使用一偏壓產生電路以產生一偏壓；以一箝制電路利用該偏壓箝制源自複數發光二極體串之複數個電壓以產生複數個箝制電壓；以及將該些箝制電壓分別送進一低壓製程製造的一發光二極體驅動電路的複數 輸入墊；其中上述之箝制電路包含併聯之複數個箝制電晶體，分別耦接於該等發光二極體串與該等輸入墊；其中上述之偏壓產生電路包含：一偏壓電晶體，其與該箝制電晶體具有相近之閘極偏壓；及一穩壓電路，具有一預設電壓端耦接於該偏壓電晶體之一端，使該偏壓電晶體產生該偏壓，該預設電壓端之電壓對應於該等箝制電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體驅動方法，更包括：提供該等電壓至該等發光二極體串最外端發光二極體的陽極，其中最外端發光二極體的陰極產生該等箝制電壓。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體驅動方法，其中上述之發光二極體驅動電路產生複數電流，用以分別驅動該複數發光二極體串。
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