TWI400679B - 背光單元的驅動電路與方法 - Google Patents

Description

背光單元的驅動電路與方法

本發明是有關於一種發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)的驅動電路，且特別是有關於一種以數位信號來驅動LED的驅動電路與其驅動方法。

如圖1所示，圖1為根據習知技術之LED背光驅動電路圖。對於背光驅動電路部分，主要由電壓轉換電路110與驅動單元120所構成，背光單元130由複數個發光二極體串(簡稱LED串)所組成(未繪示)，每一LED串均包括複數個LED。背光單元130的亮度可經由通過LED串的電流大小來調整。圖1中所示之電阻R_EXT 即是用來設定通過LED串的定電流值，而調光控制信號V_CTRL 則是用來控制背光單元130的亮度。目前主要的LED驅動電路的調光方式主要分為兩種，分別為類比方式與頻率脈波調變((PPWM)方式。類比方式主要是藉由外部電壓V_CTRL 來控制通過LED的電流以控制LED的亮度，如上述圖1所示。但此種調光方式會因個別LED產生不同的驅動電流值不同，造成整體的光學品位(例如色溫、色度等)不易控制。

另外，以頻率脈波調變(PWM)信號來進行LED調光(dimming)的方式為常用的習知技術，主要是利用PWM信號的佔空比(duty cycle)來調整驅動電流通過LED串列的時間長度，藉由控制LED串列的發光時間來進行調光。圖2為根據習知技術之頻率脈波調變方式之LED背光驅動電 路圖。圖2與圖1主要的差別在於驅動單元120會根據所接收到的PWM信號來控制LED串的發光時間(此調光方式通常稱為LED Dimming Control)。如圖3所示，圖3為根據習知技術之PWM信號與LED致能對照圖，PWM信號的週期T可分為期間T1與期間T2，當PWM信號致能時(期間T1)，LED致能(亮)，以ON表示；當PWM失能時(期間T2)，LED失能(暗)，以OFF表示。由於LED需要不斷的進行亮暗的切換來形成所需的平均亮度，所以此種驅動方式會讓LED的等效負載較不穩定，進而影響到電壓轉換電路110的轉換效率。圖4為根據習知技術之電壓轉換電路之電流波形圖。如圖4所示，當PWM信號進行電位切換時，電壓轉換電路便會進入非連續傳導狀態(Discontinuous Conduction Mode，簡稱DCM模式)而造成電壓轉換電路的功率消耗。

本發明提出一種驅動電路，以數位信號取代類比信號或PWM信號來達到調光目的，本發明根據數位信號來決定LED串的致能比例與其對應位置以取得所需的亮度變化。由於本發明之LED串不須持續的進行亮暗的切換，其等效負載較為穩定，因此可降低電壓轉換電路的功率消耗。

本發明另提出一種LED背光單元的驅動方法，可利用數位信號來進行背光單元的調光，同時也可切換不同的驅動模式來設定個別LED的導通電流值，進而增加背光單元在調光功能上的便利性。

承上述，本發明提出一種驅動電路，適用於驅動一背光單元，該背光單元包括複數個LED串，該驅動電路包括電壓轉換電路、驅動單元以及數位調光單元。電壓轉換電路用以提供一驅動電壓至背光單元，驅動單元耦接於背光單元的另一端，用以控制LED串之導通電流。數位調光單元輸出一數位信號至驅動電路，其中該驅動電路根據該數位信號對應致能該些LED串，並根據該些LED串的致能比例調整該背光單元之亮度。

在本發明一實施例中，上述電壓轉換電路為升壓電路。

在本發明一實施例中，上述驅動單元更包括一暫存器，用以暫存上述數位信號。

在本發明一實施例中，上述數位調光單元更輸出一位移時脈信號與一拴鎖信號至驅動單元，上述驅動單元根據位移時脈信號暫存數位信號，並根據拴鎖信號拴鎖所接收之數位信號。

在本發明一實施例中，上述數位調光單元更輸出一控制信號至上述驅動單元，當控制信號致能時，驅動單元根據數位信號分別調整LED串的導通電流值。

從另一個觀點來看，本發明更提出一種背光單元的驅動方法，上述背光單元包括複數個LED串，本驅動方法包括下列步驟：首先，根據一位移時脈信號暫存一數位信號；然後，根據一拴鎖信號拴鎖所接收之數位信號；以及根據數位信號對應致能上述LED串，並根據該些LED串的致能比率調整背光單元之亮度。

在本發明一實施例中，上述驅動方法，更包括下列步驟：當一控制信號致能時，根據數位信號分別調整LED串的導通電流值。

本發明因採用數位方式來進行LED背光單元的調光，並利用LED串的致能比例來調整背光單元整體的平均亮度。因此，背光單元中的LED不需依據PWM信號進行持續的亮暗切換，使得LED的等效負載較為穩定，避免電壓轉換電路進入DCM模式，以降低電壓轉換電路的功率消耗。同時，本發明可配合驅動模式的切換，以數位信號來設定個別LED串的驅動電流，使得背光單元的調光功能更具彈性。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖5A為根據本發明一實施例之LED驅動電路圖。驅動電路500是用來驅動背光單元540，其包括電壓轉換電路510、驅動單元520以及數位調光單元530。背光單元540包括複數個LED串(未繪示)，每一LED串中包括至少一個LED。電壓轉換單元510耦接於背光單元540，主要用來轉換直流電壓的位準，例如升壓電路(Boost Circuit)或降壓電路(Buck Circuit)等直流對直流電壓轉換器(DC一DC converter)，將輸入電壓V_IN 轉換背光單元540所需的驅動電壓。驅動單元520耦接於背光單元540的另一端與數位調光單元530之間。一般而言，驅動單元520主要用來調 整LED的導通電流以及進行調光等功能，例如Dimming，目前皆可由驅動晶片所取代，因此其內部架構不在此累述。

在本實施例中，數位調光單元530會根據所需的背光亮度輸出數位信號至驅動單元520。驅動單元520會將所接收到的數位信號暫存於暫存器(未繪示)中，然後根據數位信號分別控制LED串的致能與否以調整背光單元之亮度，背光單元540的亮度則對應於LED串的致能比例。驅動單元520通常藉由控制LED串的電流導通路徑來致能LED串，當LED串的電流路徑導通時，LED串的亮度則隨其導通的電流值而定。在本實施例中，則利用LED串的致能比例來調整背光單元540的亮度。換言之，當需要的亮度為最大亮度的50%時，則輪流致能一半的LED串，致能的LED串數越多，則背光單元540的亮度愈強。

為求背光單元540的亮度均勻，可根據LED串的設置位置，以位置間隔方式致能LED串，例如先致能奇數串後再致能偶數串或者先致能前半部份的LED串，然後再致能後半部份的LED串。除了依照LED串的設置位置來設定致能的依序以外，同時也可以時間間隔的方式來調整背光單元540的亮度，使其更為均勻(例如每間隔一預設時間即改變所致能的LED串，且被致能的LED串可平均分布於整個背光單元540)。除上述的調整方式以外，本技術領域具有通常知識者在經由本發明之揭露後，應可輕易推知其餘的致能方式，在此不加累述。

當背光單元540的亮度不需改變時，LED串也就不需 改變其亮暗的狀態，因此比較習知技術中以PWM信號作為調光的方式，本發明之LED串的等效負載可較為穩定。因此，電壓轉換電路510的輸出波形比較不會受到LED串負載變化的影響而進入DCM模式。圖5B為根據本實施例之電壓轉換電路之輸出波形圖。由圖5B可知，本實施例之電壓轉換電路510的輸出波形可落於連續傳導狀態(Continuous Conduction Mode，簡稱CCM模式)，有效達到節省功率消耗。

圖6為根據本發明另一實施例之驅動電路圖。圖6為進一步繪示圖5實施例之電路細節。其中背光單元540包括LED串L₁ ~L_n ，數位調光單元530分別輸出數位信號SIN、位移時脈信號SCLK、拴鎖信號XLAT以及控制信號MODE至驅動單元520。數位信號SIN會配合位移時脈信號SCLK傳送至驅動單元520，如圖7所示，圖7為根據本實施例之信號波形圖。數位信號SIN會隨著位移時脈信號SCLK的時脈1~n將位元資料bit(0)~bit(n)傳送到驅動單元520中的暫存器中。其中，bit(0)為最高有效位元(most significant bit,MSB)，bit(n)為最低有效位元(Least significant bit,LSB)，n為正整數，用來表示LED串的總數大小，同時可作為LED串、時脈以及位元資料的索引值。

請同時參照圖8，圖8為根據本實施例之資料暫存時序示意圖。如圖8所示，數位信號SIN的位元資料bit(0)~bit(n)會隨著位移時脈信號SCLK的時脈1~n逐一暫存於驅動單元520中的暫存器。當所有位元資料傳送完畢後， 拴鎖信號XLAT會致能(邏輯高電位)，驅動單元520便會拴鎖所有位元資料bit(0)~bit(n)，並依照位元資料bit(0)~bit(n)的『0』與『1』的信號選擇性致能相對應的LED串L₁ ~L_n 。

例如位元資料bit(0)~bit(n)分別對應於LED串L₁ ~L_n ，當對應的位元資料bit(0)~bit(n)為『1』時，對應的LED串L₁ 一L_n 便會致能(亮)，當位元資料bit(0)~bit(n)為『0』時，對應的LED串L₁ ~L_n 便會失能(暗)。接下來，則以50%亮度為例加以說明，請參照圖9，圖9為根據本實施例之位元資料bit(0)~bit(n)與LED串L₁ ~L_n 對照圖。圖9列舉四種位元資料bit(0)~bit(n)的資料型態以表示四種不同的調光排列方式，均表示有半數的LED串L₁ ~L_n 為亮，半數的LED串L₁ ~L_n 為暗，差別僅在於所致能的LED串L₁ ~L_n 的位置不同。第1種為前半數LED串L₁ ~L_n 為亮，後半數LED串L₁ ~L_n 為暗，第2種反之。第3種為亮暗交錯的方式，第4種反之。在本技術領域具有通常知識者，應可推知其餘可行之位元資料bit(0)~bit(n)，在此不加累述。

此外，值得注意的是，在本實施例中，驅動單元520不僅可根據數位信號SIN來個別致能LED串L₁ ~L_n ，也可以個別調整流經LED串的電流大小，其模式的切換則由控制信號MODE所控制。請參照圖7，當控制信號MODE為邏輯高電位時，驅動單元520會根據數位信號SIN分別控制LED串L₁ ~L_n 的致能與否。當控制信號MODE致能 (本實施例中為邏輯低電位)時，驅動單元520會根據數位信號SIN分別調整流經LED串L₁ ~L_n 的大小。據此，本實施例不僅可利用LED串L₁ ~L_n 的致能串數來進行調光，更可藉由調整個別LED串L₁ ~L_n 的導通電流來進行細部調光，使本實施例的調光功能更具有彈性。

以數位信號SIN調整LED串L₁ ~L_n 的導通電流的方式則例如下述，在本實施例中，以6位元的位元資料將每一LED串的電流分為64種等級(0~63)，其控制方式如下：

其中，I_OUT 為LED串的導通電流，I_MAX 為驅動單元520所設定的最大電流，DC_n 為選擇模式(對應於電流等級0~63)，由對應的位元資料所決定，n表示對應的LED串(或稱為LED channel數)。關於I_MAX ，可由電阻R_EXT 與LED驅動晶片的參數來決定，電阻R_EXT 耦接於驅動單元520與接地GND之間，通常是驅動晶片用來調整LED串之定電流的調整電阻。由於I_MAX 與流經電阻R_EXT 的電流相關，因此I_MAX 可表示如上，其中V_R一EXT 表示電阻R_EXT 兩端的電壓差，Factor(參數)則由驅動單元520所決定，而不同的驅動晶片會有不同的設定值。

經由控制信號MODE的切換，本實施例之數位信號SIN不僅可用來分別控制LED串的致能與否，也可以用來分別 調整LED串所導通的導通電流值。配合上述兩種驅動模式，本實施例可更方便調整所需的背光亮度，並有效降低電壓轉換電路的功率消耗。

從另一個觀點來看，上述實施例可歸納為一種背光單元的驅動方法，請參照圖10，圖10為根據本發明另一實施例之驅動方法流程圖。此背光單元包括複數個LED串，上述驅動方法包括下列步驟：首先，根據一位移時脈信號暫存一數位信號(步驟S101)；然後，根據一拴鎖信號拴鎖所接收之數位信號(步驟S102)；接著根據數位信號，分別控制LED串的致能與否以調整背光單元之亮度(步驟S103)。

在本發明另一實施例中，上述驅動方法更包括下列步驟：當一控制信號致能時，根據數位信號分別調整LED串的導通電流值。在本技術領域具有通常知識者，經由上述實施例之說明應可輕易推知本實施例驅動方法之其餘細節，在此不加累述。

綜合上述，本發明以數位方式來取代習知LED背光的調光方式，避免電壓轉換電路的輸出波形進入DCM模式，進而降低其功率消耗。此外，本發明利用LED串的致能比率來進行調光，減少LED串因亮暗切換所導致的電流變化，使其色溫、色度更為穩定。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧電壓轉換電路

120‧‧‧驅動單元

130‧‧‧背光單元

500‧‧‧驅動電路

510‧‧‧電壓轉換電路

520‧‧‧驅動單元

530‧‧‧數位調光單元

540‧‧‧背光單元

R_EXT ‧‧‧電阻

V_CTRL ‧‧‧調光控制信號

T‧‧‧PWM信號的週期

T1、T2‧‧‧期間

ON‧‧‧LED致能

OFF‧‧‧LED失能

V_IN ‧‧‧輸入電壓

SIN‧‧‧數位信號

SCLK‧‧‧位移時脈信號

XLAT‧‧‧拴鎖信號

MODE‧‧‧控制信號

L₁ ~L_n ‧‧‧LED串

bit(0)~bit(n)‧‧‧位元資料

MSB‧‧‧最高有效位元

LSB‧‧‧最低有效位元

1~n‧‧‧位移時脈信號SCLK的時脈索引值

GND‧‧‧接地

S101~S103‧‧‧步驟

圖1為根據習知技術之LED背光驅動電路圖。

圖2為根據習知技術之頻率脈波調變方式之LED背光驅動電路圖。

圖3為根據習知技術之PWM信號與LED致能對照圖

圖4為根據習知技術之電壓轉換電路之電流波形圖。

圖5A為根據本發明一實施例之LED驅動電路圖。

圖5B為根據本實施例之電壓轉換電路之輸出波形圖。

圖6為根據本發明另一實施例之驅動電路圖。

圖7為根據本實施例之信號波形圖。

圖8為根據本實施例之資料暫存時序示意圖。

圖9為根據本實施例之位元資料bit(0)~bit(n)與LED串L₁ ~L_n 對照圖。

圖10為根據本發明另一實施例之驅動方法流程圖。

510‧‧‧電壓轉換電路

520‧‧‧驅動單元

530‧‧‧數位調光單元

540‧‧‧背光單元

R_EXT ‧‧‧電阻

V_IN ‧‧‧輸入電壓

SIN‧‧‧數位信號

SCLK‧‧‧位移時脈信號

XLAT‧‧‧拴鎖信號

MODE‧‧‧控制信號

L₁ ~L_n ‧‧‧LED串

GND‧‧‧接地

Claims (6)

1. 一種驅動電路，適用於驅動一背光單元，該背光單元包括複數個發光二極體串，該驅動電路包括：一電壓轉換電路，用以提供一驅動電壓至該背光單元；一驅動單元，耦接於該背光單元的另一端，用以控制該些發光二極體串之導通電流；以及一數位調光單元，輸出一數位信號至該驅動電路；其中，該驅動電路根據該數位信號對應致能該些發光二極體串，並根據該些發光二極體串的致能比例調整該背光單元之亮度，並且該數位調光單元更輸出一位移時脈信號與一拴鎖信號至該驅動單元，該驅動單元根據該位移時脈信號暫存該數位信號，並根據該拴鎖信號拴鎖所接收之該數位信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電壓轉換電路為升壓電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該驅動單元更包括一暫存器，用以暫存該數位信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該數位調光單元更輸出一控制信號至該驅動單元，當該控制信號致能時，該驅動單元根據該數位信號分別調整該些發光二極體串的導通電流值。
5. 一種背光單元的驅動方法，該背光單元包括複數個發光二極體串，該驅動方法包括： 根據一位移時脈信號暫存一數位信號；根據一拴鎖信號拴鎖所接收之該數位信號；以及根據該數位信號，對應致能該些發光二極體串，並根據該些發光二極體串的致能比例調整該背光單元之亮度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之驅動方法，更包括：當一控制信號致能時，根據該數位信號分別調整該些發光二極體串的導通電流值。