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TWI410171B - 電流平衡電路及具此電路之背光模組 - Google Patents

電流平衡電路及具此電路之背光模組 Download PDF

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TWI410171B
TWI410171B TW097148618A TW97148618A TWI410171B TW I410171 B TWI410171 B TW I410171B TW 097148618 A TW097148618 A TW 097148618A TW 97148618 A TW97148618 A TW 97148618A TW I410171 B TWI410171 B TW I410171B
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Ke Horng Chen
Chia Lin Chiu
Ling Li
Chia Lin Liu
Chi Neng Mo
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Chunghwa Picture Tubes Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/46—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs disposed in parallel lines

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  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Description

電流平衡電路及具此電路之背光模組
本發明係有關一種電路架構，特別是關於應用於背光源之電流平衡電路及其背光模組。
習知的發光二極體驅動方式，由於製程差異或材料上的不同，會使發光二極體的內部電阻與導通電壓不相同。發光二極體之內部電阻容易受到製程或溫度或耦合此電阻的電路佈線長短位置影響，使得實際工作等效電阻值產生誤差，輸出驅動電流也因此產生誤差。由耦接一個或複數個電流鏡去驅動此一個或複數個不同的負載的驅動電流也將造成誤差。
請參照美國專利第2006/0082412號公開案，習知技術揭露一種通道共享之運算放大器之方法。多通道之電流穩壓器(regulator)包含兩或多個通道，每一個通道如同一電流源或個別負載之接收點(sink)。每一個通道穩壓器，其負載電流係與提供至此通道的輸入電壓呈比例關係。通道之間係共用一運算放大器。利用旋轉序列(rotating sequence)的方式選擇每一個通道，以耦合至放大器。每一個通道都已被選擇，初始化二階段更新周期(refresh cycle)。在第一階段期間，運算放大器之輸出端充電，直到其輸出電壓與此選擇之通道之驅動電壓相匹配。在第二階段期間，調整運算放大器之輸出，直到此選擇通道之負載電流比例至電壓Vset。上述電路係利用選擇器切換不同發光二極體串列，判斷哪一串列之發光二極體導通而發光。
然而，上述習知技術所揭露的裝置或電路，其電路較複雜，所需要的運算放大器元件數亦較多，製造成本較高昂。
基於上述，本發明之目的係在於提供一種電流平衡電路及具有此電流平衡電路之背光模組。
本發明之目的係減少複數個發光單元電流與升壓電路電壓的關係，或複數個發光單元內部電阻的差異，使其電流維持一常數關係，不受上述電壓之影響。
本發明之目的係使複數個發光單元之操作電壓可維持最小操作電壓，以提高背光模組效率。
本發明揭露一種電流平衡電路，包含：一參考電流源單元，以提供穩定之電流；一電流平衡單元，耦合至複數個發光單元，俾使複數個發光單元間之電流維持穩定，不受複數個發光單元之輸入電壓影響；一調光(Diming)控制單元，耦合於參考電流源單元與電流平衡單元，控制電流平衡單元之操作。
本發明亦揭露一種具有電流平衡電路之背光模組，包含：複數個發光單元；一升壓單元，耦合至該複數個發光單元，藉以轉換輸入電壓並提供電壓至該複數個發光單元；一電流平衡單元，耦合至該複數個發光單元，其中該電流平衡電路調整該複數個發光單元之電流維持穩定值，不受該升壓電路之輸出電壓影響；一調光(Diming)控制單元，耦合於該電流平衡單元，控制該電流平衡單元之操作；一參考電流源單元，耦合至該調光控制單元，以提供穩定之電流；一控制單元，耦合至該調光控制單元，傳送脈波寬度調變信號，以控制該複數個發光單元之操作；以及一檢測單元，耦合至該複數個發光單元與該電流平衡單元，偵測該複數個發光單元之最小操作電壓。
本發明的電流平衡電路能有效降低升壓電路與發光二極體本身特性對電流所造成的影響因素，使驅動發光二極體的電流串聯路徑的電流維持常數關係，以提高背光源驅動電流與亮度的可靠度，並得到每顆發光二極體所期望的發光亮度。若單一個發光二極體串聯路徑發生毀損，本發明之電路將會忽略錯誤信號，讓整個背光模組系統可繼續正常運作，經實驗結果證明發光二極體串聯路徑的誤差量小於0.1%。
本發明可偵測發光二極體串聯路徑最小操作電壓值，並調整輸出電壓以提供複數個發光單元最小操作電壓，以減少額外功率損耗，提高背光模組效率。
再者，本發明的電流平衡電路設計較先前技術電路結構簡單(僅使用兩個運算放大器)，減少了功率消耗、晶片的面積，使用的元件亦較少，因此可降低成本。另外，Rext是置放於晶片之外的電阻，將其置放於晶片外部將可減少發光二極體驅動電路晶片的接腳數目；另一優點是可使用者自行定義發光二極體之驅動電流，經由晶片外部調整其電流值，不需要重新修改晶片內部電路。
本發明將配合其較佳實施例與後附之圖式詳述於下。應可理解，本發明中之較佳實施例係僅用以說明，而非用以限定本發明。此外，除文中之較佳實施例外，本發明亦可廣泛應用於其他實施例，並且本發明並不限定於任何實施例，而應視後附之申請專利範圍而定。
貫穿本說明書之「一實施例(one embodiment)」或「實施例(a embodiment)」，其意指描述關於較佳實施例之一特殊特徵、結構或特性，且包含至少一個本發明之較佳實施例。因此，於本發明書之各處出現之片語於「一實施例中(in one embodiment)」或「於實施例中(in a embodiment)」，不須完全參照相同之實施例。再者，其特殊特徵、結構或特性可以任何適當之方式結合於一個或多個較佳實施例中。
本發明係揭露一種電流平衡電路及具有此電路之背光模組。本發明利用電流平衡電路降低升壓電路(boost converter)與發光二極體(Light Emitting Diode,LED)本身特性對電流所造成的影響因素，使趨動發光二極體串聯路徑的電流維持常數關係，以提高背光源驅動電流與亮度的可靠度。經實驗結果證明兩發光二極體串聯路徑之間的電流誤差量小於0.1%。
參考第1圖，根據本發明之較佳實施例，為具有電流平衡電路之背光模組100之示意圖。背光模組100包括升壓單元102、複數個發光單元104、誤差放大器106、電流平衡電路108、最小電壓與開迴路檢測單元110以及控制單元112。升壓單元102包括電感L、功率電晶體Q1 、二極體D1 組成的升壓電路與脈波寬度調變信號產生器103所組成。於一實施例中，電感L一端耦合至功率電晶體Q1 汲極與二極體D1 之正極；電感L其另一端耦合至輸入端Vin 。脈波寬度調變(Pulse width Modulation,PWM)信號產生器103輸入端耦合至誤差放大器106之輸出端；其信號產生器103之輸出端耦合功率電晶體Q1 閘極。
升壓單元102耦合至複數個發光單元104與誤差放大器106。升壓單元102的目的是調整輸入電壓Vin ，並提供至複數個發光單元104。藉由信號產生器103所傳送的PWM信號，可控制功率電晶體Q1導通時間，進而改變升壓單元102之輸出電壓，藉以調整複數個發光單元104之亮度。功率電晶體的導通時間與電感L的充電時間成正比，因此若其導通時間越長則升壓單元102提供至複數個發光單元104的電壓也增加，其輸出電壓Vout 也越高，反之，則輸出電壓Vout 越小。
複數個發光單元104係由紅、綠及藍三種光源所組成，以構成背光模組100之光源。於較佳實施例，上述紅、綠、藍光源可為紅、綠、藍之發光二極體(light emitting diode,LED)。於此實施例中，複數個發光單元104由複數個發光二極體串聯路徑所組成。
誤差放大器106之輸入端耦合至參考電壓Vref ，另一端則耦合至最小電壓與開迴路檢測電路110。誤差放大器106並將結果輸出至信號產生器103。誤差放大器106拉取最小電壓與開迴路檢測電路110的回授電壓與參考電壓Vref 作比較，以決定脈波寬度信號的脈波寬度，進而調整升壓單元102的輸出電壓。
電流平衡電路108耦合至複數個發光單元104與控制單元112。電流平衡電路108是用來保持複數個發光單元104中每一個發光二極體串聯路徑皆保持電流平衡，藉以維持複數個發光單元亮度平衡。
最小電壓與開迴路檢測單元110耦合至複數個發光單元104與電流平衡電路108。最小電壓與開迴路檢測單元110可偵測複數個發光單元104是否燒毀(或開路)，或判斷複數個發光單元104中的發光二極體串聯路徑的最小操作電壓。
當控制單元112選擇某路徑不亮(開路)，複數個發光單元104的發光二極體串聯路徑並未導通，因而沒有電壓降，檢測單元110將偵測到高電壓並忽略此訊號，升壓單元102繼續維持固定電壓輸出。若為正常模式，檢測單元110會偵測發光二極體路徑的最小操作電壓，並將信號提供至升壓單元102，則信號產生器103會調整功率電晶體Q1的導通時間，使升壓單元102輸出最小的操作電壓。最小電壓檢測是為了使發光模組100達到最佳的效率。例如，若複數個發光單元104的複數個發光二極體路徑之最小操作電壓為16伏特，而升壓單元102提供之電壓為18伏特，則此時可調整功率電晶體的導通時間，只需升壓到16伏特即可達到最高效率。
控制單元112耦合至電流平衡電路108。透過控制傳送至電流平衡電路108之PWM及端的信號，控制單元112可控制發光二極體路徑的操作與亮度。
請參照第2圖，為電流平衡電路108之較佳具體的電路實施例示意圖。電流平衡電路108由電流平衡單元1081、參考電流源單元1082以及調光控制單元1083所構成。電流平衡單元1081耦合至複數個發光單元104與最小電壓與開迴路檢測單元110。複數個發光單元104是由複數個發光二極體串聯路徑所組成。發光二極體串聯路徑的數目必須為偶數，因為最小電壓與開迴路檢測單元110是比較每兩個串聯路徑的電壓大小，最後篩選路徑的最小操作電壓。
參考電流源單元1082為一電流鏡電路，連接至調光控制單元1083。參考電流源單元1082之目的係用以提供穩定之電流供應，避免單一發光二極體串聯路徑之電流擾動影響整體電流偏移。調光控制單元1083耦合於參考電流源單元1082與電流平衡單元1081之間，控制電流平衡單元1081之操作。
電流平衡電路108包括兩個運算放大器(OPA)OPA1 及OPA2 。運算放大器OPA1 是用於產生穩定的參考電流源；運算放大器OPA2 則是用於穩壓控制的目的。利用參考電流源單元1082的電流鏡電路可簡易且直接控制電流，但通道調變效應(channel length modulation effect)將會影響其 電流鏡效能，藉由電流平衡單元1081中的運算放大器OPA2 耦合電阻(Rf1 -Rf8 )與金氧半導體開關(MB1 -MB8 )所組成的路徑可抑制電流鏡所產生的通道調變效應。
升壓單元102之輸出電壓受到內部溫度與操作時間的影響，若使用常數電流控制方式，複數個發光單元104的發光二極體亮度將可抑制升壓單元102輸出電壓的直接影響。
電阻Rext 是置放於驅動晶片外的電阻，只要透過調整VREF1 電壓值或電阻Rext ，即可控制電流ILED 。本發明之電流平衡電路108可提供一常數之電流，以達到較高電流平衡特性並維持高且穩定之電流。
於調光控制單元1083中，控制閘(AND1 -AND8 )之輸入端PWM與接收控制單元112之控制信號，以作為調光(Dimming)與致能之控制，即控制上述發光二極體串聯路徑的操作。傳輸閘(TG1 -TG8 )則用於控制由參考電流源之電流輸出。當輸入端訊號為開啟時，將允許發光二極體串聯路徑導通，而當訊號為關閉時，發光二極體則不需要發光，與影響其他路徑無關。輸入端PWM則用以控制發光二極體的導通時間。
因為每一個發光二極體路徑LED及相對的電路皆為相同的配置，故重複的電路結構及操作程序將不再贅述。發光二極體路徑LED1 之操作請參照表一。
當PWM1 輸入為低電壓「0」(代表無控制信號輸入)，輸入為低電壓「0」(代表不允許信號通過傳輸閘TG1 )，及閘AND1 輸出為「0」，傳輸閘TG1 關閉(Off)，開關MB1 導通，將參考電流源單元1082產生之電流與電流平衡單元1081上的開關耐壓釋放，避免電流平衡單元1081內之開關產生熱而損耗。
當PWM1 為低電壓「0」，為高電壓「1」，則及閘AND1 輸出為「0」，無法觸發傳輸閘TG1 導通，開關MB1 導通，將參考電流源單元1082產生之電流與電流平衡單元1081上的開關耐壓釋放，避免電流平衡單元1081內之開關產生熱而損耗。
當PWM1 為高電壓「1」，為低電壓「0」，則及閘AND1 輸出為「0」，傳輸閘TG1 關閉，開關MB1 導通，將參考電流源單元1082產生之電流與電流平衡單元1081上的開關耐壓釋放，避免電流平衡單元1081內之開關產生熱而損耗。
當PWM1 為高電壓「1」，為高電壓「1」，則及閘AND1 輸出為「1」，觸發傳輸閘TG1 導通，開關MB1關閉。預先設定的電流I1 可提供至開關M1 閘極，開關M1 導通，因此路徑LED1 導通而發光(ON)。可透過控制輸入至PWM之控制信號，調整發光二極體路徑的導通時間(發光亮度)。
最小電壓與開迴路檢測單元110的具體電路圖，請參照第3圖的實施例。為簡化說明，第3圖內的檢測單元電路僅表示最基本的架構，只有兩個發光二極體路徑輸入時的電路架構。因為最小電壓與開迴路檢測單元110是比較每兩個串聯路徑的電壓大小，來偵測發光二極體路徑的最小操作電壓。
最小電壓與開迴路檢測單元110是由兩個開迴路檢測電路、一個比較器與一個類比選擇器(多工器)Mux所組成。開迴路檢測電路是由2個反相器、1個傳輸閘、1個電晶體開關所組成。電晶體開關可包括NMOS開關。輸入S0 與S1 分別耦合至個別地發光二極體串聯路徑，以擷取電壓信號。而EN0 與EN1 的信號則是由控制單元112所提供。最小電壓與開迴路檢測單元110擷取發光二極體串聯路徑的電壓信號，透過誤差放大器106將其回饋至升壓單元102，升壓單元102將視其電壓信號調整輸出電壓以提供複數個發光單元104最小操作電壓，以減少額外功率損耗，提高背光模組效率。
開迴路檢測電路可判斷不正確的輸入訊號，若複數個發光單元104的發光二極體串聯路徑發生燒毀或不動作模式，則開迴路檢測電路的輸入S將會為「0」，在此邏輯電路架構中，輸入「0」值代表輸入不正確的錯誤信號；而輸入小於電源電壓VDD 且大於接地GND的正確電壓信號為「1」，如表二所示。
當S0 為錯誤信號「0」，傳輸閘不導通，電晶體開關導通，比較器comp+輸入值為VDD 。當S1為錯誤信號，傳輸閘不導通，電晶體開關導通，則比較器comp-輸入值為VDD ，如此則比較器輸出Cout 無法得知。類比選擇器Mux的輸出則為「1」代表開路(open)。
當S0 為「0」，傳輸閘關閉，電晶體開關導通，比較器輸入comp+為VDD值；當S1 為「1」，傳輸閘導通，電晶體開關關閉，比較器輸入comp-為data值(檢測電路所擷取的實際電壓信號值)，如此比較器輸出Cout 為「1」值，類比選擇器Mux選擇輸出S1 電壓信號。
當S0 為「1」，傳輸閘導通，電晶體開關關閉，比較器輸入comp+為data值；當S1 為「0」，傳輸閘關閉，電晶體開關導通，比較器輸入comp-為VDD，如此比較器輸出Cout 為「0」值，類比選擇器Mux選擇輸出S0 信號。
當S0 為「1」，傳輸閘導通，電晶體開關關閉，比較器輸入comp+為data值；當S1 為「1」，傳輸閘導通，電晶體開關關閉，比較器輸入comp-為data值，如此比較器輸出Cout 為「min」值，意指類比選擇器Mux選擇輸出S0 與S1 中兩者較低的電壓信號值，以實現最小電壓檢測目的。
參照第4圖的分析結果，若電壓變動值小於0.2V，電流之變動值約為0.01%。若電壓變動值超過1.1V時，則變動值約為0.1%。上述驗證本發明能提供穩定的電流供應，不受升壓電路電壓的直接影響，有效提高發光二極體驅動電流與亮度的可靠度。
本發明的電流平衡電路能有效降低升壓電路與發光二極體本身特性對電流所造成的影響因素，使驅動發光二極體的電流串聯路徑的電流維持常數關係，以提高背光源驅動電流與亮度的可靠度，並得到每顆發光二極體所期望的發光亮度。若單一個發光二極體串聯路徑發生毀損，本發明之電路將會忽略錯誤信號，讓整個背光模組系統可繼續正常運作，經實驗結果證明兩發光二極體串聯路徑間的電流誤差量小於0.1%。
本發明可偵測發光二極體串聯路徑最小操作電壓值，並調整輸出電壓以提供複數個發光單元最小操作電壓，以減少額外功率損耗，提高背光模組效率。
再者，本發明的電流平衡電路設計較先前技術電路結構簡單(僅使用兩個運算放大器)，減少了功率消耗、晶片的面積，使用的元件亦較少，因此可降低成本。另外，Rext 是置放於晶片之外的電阻，將其置放於晶片外部將可減少發光二極體驅動電路晶片的接腳數目；另一優點是可使用者自行定義發光二極體之驅動電流，經由晶片外部調整其電流值，不需要重新修改晶片內部電路。
本發明以較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．背光模組
102．．．升壓單元
103．．．脈波寬度調變信號產生器
104．．．複數個發光單元
106．．．誤差放大器
108．．．電流平衡電路
1081．．．電流平衡單元
1082．．．參考電流源單元
1083．．．調光控制單元
110．．．最小電壓與開迴路檢測單元
112．．．控制單元
上述元件，以及本發明其他特徵與優點，藉由閱讀實施方式之內容及其圖式後，將更為明顯：
第1圖根據本發明之較佳實施例，為具有電流平衡電路之背光模組之示意圖。
第2圖根據本發明之較佳實施例，為電流平衡單元之電路圖。
第3圖根據本發明之較佳實施例，為最小電壓與開迴路檢測單元之電路圖。
第4圖根據本發明之較佳實施例，為電壓與電流之關係圖。
100．．．背光模組
102．．．升壓單元
103．．．脈波寬度調變信號產生器
104．．．複數個發光單元
106．．．誤差放大器
108．．．電流平衡單元
1081．．．電流平衡單元
1082．．．參考電流源單元
1083．．．調光控制單元
110．．．最小電壓與開迴路檢測單元
112．．．控制單元

Claims (10)

  1. 一種具有電流平衡電路之背光模組，包含：複數個發光單元；一升壓單元，耦合至該複數個發光單元，藉以轉換輸入電壓並提供電壓至該複數個發光單元；一電流平衡單元，耦合至該複數個發光單元，其中該電流平衡電路調整該複數個發光單元之電流維持穩定值，不受該升壓單元之輸出電壓影響；一調光(Diming)控制單元，耦合於該電流平衡單元，控制該電流平衡單元之操作；一參考電流源單元，耦合至該調光控制單元，以提供穩定之電流；一控制單元，耦合至該調光控制單元，傳送脈波寬度調變信號，以控制該複數個發光單元之操作；以及一檢測單元，耦合至該複數個發光單元與該電流平衡單元，偵測該複數個發光單元之最小操作電壓；其中該檢測單元包括：一比較器；複數個開迴路檢測電路，個別地連接至該比較器之複數個輸入端；以及一類比選擇器，連接至該比較器之輸出端，用以選擇輸出之信號。
  2. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，其中該複 數個發光單元包含複數個發光二極體串聯路徑組成。
  3. 如請求項2之具有電流平衡電路之背光模組，其中該發光二極體包括紅、綠或藍色發光二極體。
  4. 如請求項2之具有電流平衡電路之背光模組，其中該發光二極體串聯路徑之數目為偶數。
  5. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，其中該檢測單元傳送回饋信號至該升壓單元，藉以調整該升壓單元之該輸出電壓為該最小操作電壓。
  6. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，其中該檢測單元包括最小電壓與開迴路檢測單元。
  7. 如請求項6之具有電流平衡電路之背光模組，其中該最小電壓與開迴路檢測單元可檢測該複數個發光單元中的發光二極體串聯路徑是否開路或是否工作於最小操作電壓。
  8. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，其中該升壓單元包括一升壓電路以及一脈波寬度調變信號產生器。
  9. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，其中該開迴路檢測電路包括：一第一反相器與第二反相器，其中該第一反相器輸出端連接至該第二反相器輸入端；一傳輸閘，連接於該第二反相器之輸出端與該比較器之該輸入端；以及一半導體開關，連接於該傳輸閘與該比較器之該輸入端。
  10. 如請求項1之具有電流平衡電路之背光模組，更包含一誤差放大器，耦合於該升壓單元與該檢測單元之間。
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