TWI410173B

TWI410173B - Ｌｅｄ驅動器及驅動方法

Info

Publication number: TWI410173B
Application number: TW098140964A
Authority: TW
Inventors: Shui Mu Lin; Chueh Kuei Jan; Shei Chie Yang; Huan Chien Yang
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2013-09-21
Also published as: KR20110061464A; KR101068932B1; US20110127923A1; US8847500B2; TW201121362A

Description

LED驅動器及驅動方法

本發明係有關一種LED驅動器，特別是關於一種提高LED驅動器效率的電路及方法。

如圖1所示，習知的升壓式LED驅動器10包括電壓輸入端14供接收輸入電壓VIN，以及輸出端16、18供LED串12連接於其間。在升壓式LED驅動器10中，非同步升壓式電源轉換器20將輸入電壓VIN升壓為受調節的電壓Vo供應LED串12，電流源22與LED串12串聯以決定其驅動電流，進而決定其亮度。在非同步升壓式電源轉換器20中，輸入電容Ci連接電壓輸入端14以穩定輸入電壓VIN，電感L連接在電壓輸入端14及切換節點26之間，二極體D1連接在切換節點26及輸出端16之間，輸出電容Co連接輸出端16以穩定輸出電壓Vo，電晶體M1連接在切換節點26及接地端GND之間，升壓控制器24切換電晶體M1以調節電壓Vo。當電晶體M1為閉路(turn on)時，輸入電壓VIN對電感L充電；當電晶體M1為開路(turn off)時，電感L釋放能量至輸出電容Co。

在圖1中，LED串12包括三個串聯的LED，假設每個LED需要3V的電壓來驅動，而且電流源22需要0.5V的電壓來驅動，因此升壓式LED驅動器10需要提供9.5V的輸出電壓Vo才能驅動LED串12。當輸入電壓VIN低於9.5V時，例如4.5V，升壓式電源轉換器20將輸入電壓VIN升壓為9.5V的電壓Vo，在這種情況下，升壓式LED驅動器10操作於升壓模式，具有較高的效率。然而傳統的升壓式LED驅動器10沒有降壓模式，因此當輸入電壓VIN高於9.5V時，例如21V，升壓式電源轉換器20不動作，電晶體M1維持在開路狀態，電壓Vo約等於輸入電壓VIN，升壓式LED驅動器10進入低壓差穩壓(Low Drop Out;LDO)模式，此時LED串12只消耗9V，其他12V全由電流源22負擔，因此大部分能量都被電流源22消耗掉了，造成升壓式LED驅動器10的效率變差，約為(9.5/21)×100%。

如圖2所示，習知的反相升壓式LED驅動器30包括電壓輸入端32供接收輸入電壓VIN，以及輸出端34、36供LED串12連接於其間。反相升壓式LED驅動器30也包括電流源22以決定LED串12的驅動電流，還包括非同步反相升壓式電源轉換器38將輸入電壓VIN反相升壓為受調節的電壓Vo。在非同步反相升壓式電源轉換器38中，輸入電容Ci連接電壓輸入端32以穩定輸入電壓VIN，電晶體M1連接在電壓輸入端32及切換節點42之間，電感L連接在切換節點42及接地端GND之間，二極體D1連接在切換節點42及輸出端34之間以防止由切換節點42向輸出端34的逆向電流，輸出電容Co連接輸出端34以穩定電壓Vo，反相升壓控制器40切換電晶體M1以調節電壓Vo。

在圖2中，LED串12包括三個串聯的LED，假設每個LED需要3V的電壓來驅動，則需要至少9.5V的電壓來驅動。反相升壓式電源轉換器38設計為提供-9.5V的電壓Vo，如果輸入電壓VIN為21V，則反相升壓式LED驅動器30等同於將21V的輸入電壓VIN降壓為9.5V供應LED串12，換言之，此時的反相升壓式LED驅動器30操作於降壓模式。

圖3係反相升壓式LED驅動器30操作於升壓模式的示意圖。假設輸入電壓VIN為21V，LED串12包括10個LED，因此需要至少30.5V的電壓來驅動，在這種情況下，反相升壓式電源轉換器38提供-30.5V的電壓Vo，反相升壓式LED驅動器30等同於將21V的輸入電壓VIN升壓為30.5V供應LED串12。當反相升壓式LED驅動器30操作於升壓模式時，電晶體M1的跨壓約為21-(-30.5)=51.5V，因此電晶體M1必須是能承受51.5V的高壓元件，造成成本較高，而且電晶體M1的跨壓越高，通過電晶體M1及電感L的電流就越大，因此電晶體M1的導通阻值及電感L的寄生電阻造成的功率消耗也越大，導致反相升壓式LED驅動器30的效率較低。此外，在設計時決定反相升壓式電源轉換器38的電壓Vo後，反相升壓式電源轉換器38的電路便跟著設計的完成而固定下來，因此反相升壓式電源轉換器38能提供的電壓Vo是無法任意更改的，反相升壓式LED驅動器30的操作模式因而也無法自行改變。

本發明的目的之一，在於提出一種LED驅動器及驅動方法。

本發明的目的之一，在於提出一種能自動選擇升壓模式或降壓模式的LED驅動器及驅動方法。

本發明的目的之一，在於提出一種可支援降壓模式的升壓式LED驅動器及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種可支援降壓模式的反相升壓式LED驅動器及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種高效率的LED驅動器及驅動方法。

根據本發明，一種LED驅動器包括電源轉換器將輸入電壓轉換為受調節的電壓，電流源供與LED串串聯在該電源轉換器及偏壓節點之間，以及切換電路對該偏壓節點施加偏壓電壓。

根據本發明，一種LED驅動方法包括將輸入電壓轉換為受調節的電壓供應LED串，將電流源串聯該LED串，以及施加偏壓電壓以決定該LED串及電流源二者之總跨壓。

藉由控制該LED串及電流源二者之總跨壓，該LED驅動器自動選擇升壓模式或降壓模式，因而提高效率。

如圖4所示，根據本發明的升壓式LED驅動器50具有電壓輸入端52供接收輸入電壓VIN，以及輸出端54、56供LED串12連接於其間。LED串12包含三個串聯的LED，輸入電壓VIN為21V。升壓式LED驅動器50也包括非同步升壓式電源轉換器20以及電流源22。在此實施例中，非同步升壓式電源轉換器20將輸入電壓VIN轉換為30.5V的電壓Vo。升壓式LED驅動器50還包括偵測器58及切換電路60。切換電路60在LED串12與電流源22的電流路徑上，其包括偏壓端64、66供接收偏壓電壓，開關SW1連接在電流源22及偏壓端64之間，以及開關SW2連接在電流源22及偏壓端66之間。偏壓端64及66可以接收升壓式LED驅動器50內部的電壓，或升壓式LED驅動器50外部由使用者設定的電壓。在此實施例中，偏壓端64接收輸入電壓VIN，偏壓端66接地。偵測器58連接電流源22以偵測其跨壓，據以產生選擇信號S1及S2分別控制開關SW1及SW2。在同一電流路徑上，電流源22的位置是可以變換的，例如改在輸出端54及非同步升壓式電源轉換器20之間。

在圖4中，LED串12的LED數量只有三個。假設每一個LED需要3V的電壓來驅動，而且電流源22需要0.5V的電壓來驅動，則升壓式LED驅動器50須提供9.5V的電壓，為此，開關SW1閉路，開關SW2開路，切換電路60將電流源22連接至偏壓端64，因而在輸出端54及偏壓節點62之間的電壓等於Vo-VIN=30.5-21=9.5V。在這種情況下，升壓式LED驅動器50等同於將21V的輸入電壓VIN降壓為9.5V，換言之，升壓式LED驅動器50操作於降壓模式，具有良好的效率。當LED串12的LED數量增加時，例如增加至十個，此時需要30.5V的電壓才能驅動LED串12。如果切換電路60將電流源22連接至偏壓端64，則升壓式LED驅動器50將無法提供足夠的電壓，因而造成電流源22的跨壓下降，當該跨壓低於第一臨界值Vth1時，如圖5所示，偵測器58改變選擇信號S1及S2切換開關SW1及SW2，使切換電路60將電流源22連接至偏壓端66，因此在輸出端54及偏壓節點62之間的電壓等於Vo-0=30.5V。在這種情況下，升壓式LED驅動器50等同於將21V的輸入電壓VIN升壓為30.5V，換言之，升壓式LED驅動器50操作於升壓模式，具有良好的效率。當LED串12的LED數量由十個減為三個時，電流源22的跨壓會上升，雖然還是可以驅動LED串12，但是電流源22將消耗大部分的功率，導致升壓式LED驅動器50的效率下降。因此在電流源22的跨壓高於第二臨界值Vth2時，偵測器58改變選擇信號S1及S2切換開關SW1及SW2，使切換電路60將電流源22連接至偏壓端64，如圖4所示，升壓式LED驅動器50由升壓模式轉為降壓模式，維持高效率。

如圖6所示，根據本發明的反相升壓式LED驅動器70具有電壓輸入端72供接收輸入電壓VIN，以及輸出端74、76供LED串12連接於其間。LED串12包含三個串聯的LED，輸入電壓VIN為21V。反相升壓式LED驅動器70也包括非同步反相升壓式電源轉換器38以及電流源22，還包括偵測器58及切換電路60。在此實施例中，非同步反相升壓式電源轉換器38將輸入電壓VIN轉換為-9.5V的電壓Vo。在反相升壓式LED驅動器70中，切換電路60在LED串12與電流源22的電流路徑上，其包括偏壓端64、66供接收偏壓，開關SW1連接在電流源22及偏壓端64之間，以及開關SW2連接在電流源22及偏壓端66之間。偏壓端64及66可以接收反相升壓式LED驅動器70內部的電壓，或反相升壓式LED驅動器70外部由使用者設定的電壓。在此實施例中，偏壓端64接收輸入電壓VIN，偏壓端66接地。在同一電流路徑上，電流源22的位置是可以變換的，例如改在輸出端74及非同步反相升壓式電源轉換器38之間。

在圖6中，LED串12包含三個串聯的LED，因此反相升壓式LED驅動器70須提供9.5V的電壓，故偵測器58控制開關SW1及SW2，使切換電路60將電流源22連接至偏壓端66，因而在偏壓節點A及輸出端74之間的電壓等於0-(-9.5)=9.5V。在這種情況下，反相升壓式LED驅動器70等同於將21V的輸入電壓VIN降壓為9.5V，換言之，升壓式LED驅動器70操作於降壓模式，具有良好的效率。當LED串12的LED數量增加時，例如增加至十個，此時需要30.5V的電壓才能驅動LED串12，反相升壓式LED驅動器70無法提供足夠的電壓，電流源22的跨壓因而下降。當該跨壓低於第一臨界值Vth1時，如圖7所示，偵測器58改變選擇信號S1及S2切換開關SW1及SW2，使切換電路60將電流源22連接至64，因而偏壓節點A及輸出端74之間的電壓變為21-(-9.5)=30.5V，可以驅動串聯的十個LED。在這種情況下，反相升壓式LED驅動器70等同於將21V的輸入電壓VIN升壓為30.5V，換言之，反相升壓式LED驅動器70操作於升壓模式，具有良好的效率。當LED串12的LED數量由十個減為三個時，電流源22的跨壓上升，在該跨壓高於第二臨界值Vth2時，偵測器58改變選擇信號S1及S2切換開關SW1及SW2，使切換電路60將電流源22連接至偏壓端66，如圖6所示，因此反相升壓式LED驅動器70將由升壓模式轉為降壓模式，維持高效率。

比較圖3與圖7的電路，當二者同樣將21V的輸入電壓VIN轉換為30.5V的電壓Vo，反相升壓式LED驅動器70中的電晶體M1只承受30.5V，因此不必使用耐受51.5V的高壓元件，因而節省成本，而且因為反相升壓式LED驅動器70中的電晶體M1的跨壓只有30.5V，所以通過電晶體M1及電感L的電流也較小，因而反相升壓式LED驅動器70具有更高的效率。

在上述實施例中，改變偏壓端64和66的電壓值，例如大小介於輸入電壓VIN及接地電壓之間的電壓，或與輸入電壓VIN極性相反的電壓，或增加更多的偏壓端接收不同的電壓，可以提供不同的或更多的偏壓電壓給偏壓節點62，LED串12和電流源22的總跨壓因而有不同的或更多的選擇，因此，雖然升壓式LED驅動器50和反相升壓式LED驅動器70的電路在設計完成後已經固定了，在應用上卻具有更高的彈性。

在上述實施例中，也可以將非同步升壓式電源轉換器20換成同步升壓式電源轉換器，或將非同步反相升壓式電源轉換器38換成同步反相升壓式電源轉換器，例如以功率開關取代二極體D1，且該功率開關受升壓控制器24或反相升壓控制器40切換。非同步升壓式電源轉換器、同步升壓式電源轉換器、非同步反相升壓式電源轉換器及同步反相升壓式電源轉換器都是習知技術。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．習知的升壓式LED驅動器

12．．．LED串

14．．．電壓輸入端

16．．．輸出端

18．．．輸出端

20．．．非同步升壓式電源轉換器

22．．．電流源

24．．．升壓控制器

26．．．切換節點

30．．．習知的反相升壓式LED驅動器

32．．．電壓輸入端

34．．．輸出端

36．．．輸出端

38．．．非同步反相升壓式電源轉換器

40．．．反相升壓控制器

42．．．切換節點

50．．．根據本發明的升壓式LED驅動器

52．．．電壓輸入端

54．．．輸出端

56．．．輸出端

58．．．偵測器

60．．．切換電路

62．．．偏壓節點

64．．．偏壓端

66．．．偏壓端

70．．．根據本發明的反相升壓式LED驅動器

72．．．電壓輸入端

74．．．輸出端

76．．．輸出端

圖1係習知的升壓式白光LED驅動器的電路圖；

圖2係習知的反相升壓式LED驅動器操作於降壓模式的示意圖；

圖3係圖2的反相升壓式LED驅動器操作於升壓模式的示意圖；

圖4係根據本發明的升壓式LED驅動器操作於降壓模式的示意圖；

圖5係圖4的升壓式LED驅動器操作於升壓模式的示意圖；

圖6係根據本發明的反相升壓式LED驅動器操作於降壓模式的示意圖；以及

圖7係圖6的反相升壓式LED驅動器操作於升壓模式的示意圖。