TWI411225B - 發光二極體電路及其誤差放大器 - Google Patents

Description

發光二極體電路及其誤差放大器

本揭示內容是有關於一種放大器，且特別是有關於一種誤差放大器以及包含此誤差放大器之發光二極體電路。

發光二極體(light emitting diode；LED)與傳統的燈泡照明工具相較下，估計效率約為傳統燈泡的四倍。並且，發光二極體並沒有傳統的燈泡含有有毒的水銀，更擁有較燈泡更長的使用壽命。種種因素下，發光二極體已經成為現代照明科技最新的主流技術。

為使發光二極體電路之電壓穩定，常藉由電感的設置以達到目的。當發光二極體電路開始運作時，需要的是快速的反應時間，以迅速進入工作模式，而快速的反應時間將使發光二極體電路可在短時間內產生相當大的電流。然而，具有快速反應時間的發光二極體電路所產生的突波電流，容易使上述的電感無法承受而造成損壞。因此，如果發光二極體電路對反應時間不具有可以彈性調整的機制，則電感將持續在工作模式下遭受突波電流的衝擊，而容易損壞，無法正常的提供穩壓效果。

因此，如何設計一個新的發光二極體電路及其誤差放大器，以提供彈性調整的反應時間，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種誤差放大器(error amplifier)，包含：差動輸入級、輸出級以及控制開關模組。差動輸入級包含差動輸出。輸出級包含：第一N型金氧半電晶體(NMOS)、第一P型金氧半電晶體(PMOS)、第二N型金氧半電晶體以及第二P型金氧半電晶體。第一N型金氧半電晶體包含汲極以及閘極，其中汲極連接至誤差放大器輸出端以及閘極連接至差動輸出端。第一P型金氧半電晶體包含閘極以及汲極，其中閘極連接至閘極控制器，汲極連接至第一N型金氧半電晶體之汲極。第二P型金氧半電晶體包含汲極，其中汲極連接至第二N型金氧半電晶體之汲極。其中於第一操作模式中，控制開關模組使第二P型金氧半電晶體之閘極連接至閘極控制器，使第二N型金氧半電晶體之閘極連接至差動輸出端以及使第二P型金氧半電晶體之汲極連接至誤差放大器輸出端。於第二操作模式中，控制開關模組使第二P型金氧半電晶體以及第二N型金氧半電晶體，不與閘極控制器、差動輸出端以及誤差放大器輸出端連接。

依據本揭示內容一實施例，於第一操作模式中，控制開關模組使輸出級之轉導值提升。於第二操作模式中，控制開關模組使輸出級之轉導值降低。

依據本揭示內容另一實施例，其中控制開關模組包含：第一開關、第二開關以及第三開關。第一開關連接於第二P型金氧半電晶體之汲極與誤差放大器輸出端之間。第二開關連接於第二P型金氧半電晶體之閘極與閘極控制器之間。第三開關連接於第二N型金氧半電晶體之閘極與差動輸出端之間。

依據本揭示內容又一實施例，其中差動輸入級更包含第一輸入端以及第二輸入端，第一輸入端用以接收參考電壓，第二輸入端用以接收變動電壓，其中差動輸出端根據參考電壓以及變動電壓產生差動輸出電壓。

依據本揭示內容再一實施例，其中閘極控制器為電流源。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種發光二極體(light emitting diode；LED)電路，包含：電感、發光二極體群組、功率金氧半電晶體、誤差放大器以及波寬調變器。電感用以連接供應電壓以及第一端。發光二極體群組連接於第一端。功率金氧半電晶體連接於第一端。誤差放大器包含：差動輸入級、輸出級以及控制開關模組。差動輸入級包含差動輸出。輸出級包含：第一N型金氧半電晶體、第一P型金氧半電晶體、第二N型金氧半電晶體以及第二P型金氧半電晶體。第一N型金氧半電晶體包含汲極以及閘極，其中汲極連接至誤差放大器輸出端以及閘極連接至差動輸出端。第一P型金氧半電晶體包含閘極以及汲極，其中閘極連接至閘極控制器，汲極連接至第一N型金氧半電晶體之汲極。第二P型金氧半電晶體包含汲極，其中汲極連接至第二N型金氧半電晶體之汲極。其中於第一操作模式中，控制開關模組使第二P型金氧半電晶體之閘極連接至閘極控制器，使第二N型金氧半電晶體之閘極連接至差動輸出端以及使第二P型金氧半電晶體之汲極連接至誤差放大器輸出端。於第二操作模式中，控制開關模組使第二P型金氧半電晶體以及第二N型金氧半電晶體，不與閘極控制器、差動輸出端以及誤差放大器輸出端連接。波寬調變器用以根據誤差放大器輸出端產生開關訊號，以控制功率金氧半電晶體，俾對發光二極體群組進行充電或放電。

依據本揭示內容一實施例，於第一操作模式中，控制開關模組使輸出級之轉導值提升。於第二操作模式中，控制開關模組使輸出級之轉導值降低。

依據本揭示內容另一實施例，其中控制開關模組包含：第一開關、第二開關以及第三開關。第一開關連接於第二P型金氧半電晶體之汲極與誤差放大器輸出端之間。第二開關連接於第二P型金氧半電晶體之閘極與閘極控制器之間。第三開關連接於第二N型金氧半電晶體之閘極與差動輸出端之間。

依據本揭示內容又一實施例，其中差動輸入級更包含第一輸入端以及第二輸入端，第一輸入端用以接收參考電壓，第二輸入端用以接收變動電壓，其中差動輸出端根據參考電壓以及變動電壓產生差動輸出電壓。變動電壓為來自發光二極體群組所輸出之迴授電壓。

依據本揭示內容再一實施例，當發光二極體電路開始運作時，控制開關模組操作於第一操作模式中，以提升輸出級之轉導值，當發光二極體電路開始運作後，參考電壓以及變動電壓間之差距小於臨界值時，控制開關模組操作於第二操作模式中，以降低輸出級之轉導值。

依據本揭示內容更具有之一實施例，於發光二極體電路運作中，當參考電壓以及變動電壓間之差距大於臨界值時，控制開關模組操作於第一操作模式中，以提升輸出級之轉導值，當參考電壓以及變動電壓間之差距小於臨界值時，控制開關模組操作於第二操作模式中，以降低輸出級之轉導值。

依據本揭示內容再具有之一實施例，當發光二極體電路開始運作時，控制開關模組操作於第一操作模式中，以提升輸出級之轉導值，當發光二極體電路開始運作超過一特定時間後，控制開關模組操作於第二操作模式中，以降低輸出級之轉導值。

依據本揭示內容一實施例，其中波寬調變器更自振盪器接收振盪電壓，波寬調變器實質上是根據誤差放大器輸出端以及振盪電壓產生開關訊號。其中振盪電壓為鋸齒狀波形電壓。閘極控制器為電流源。

應用本揭示內容之優點在於藉由控制開關模組，可視需要於不同模式間改變誤差放大器的組態，進而改變其轉導值，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1圖。第1圖為本揭示內容之一實施例中，發光二極體電路1之示意圖。發光二極體電路1包含：電感10、發光二極體群組12、功率金氧半電晶體14、誤差放大器16以及波寬調變器18。

電感10用以連接供應電壓Vp以及第一端11，並提供一個穩壓的機制。發光二極體群組12連接於第一端11以及接地電位之間。於本實施例中，發光二極體群組12與接地電位間實質上尚連接有負載120。功率金氧半電晶體14連接於第一端11及接地電位之間。

誤差放大器16用以接收參考電壓Vref以及迴授電壓Vf。於本實施例中，迴授電壓Vf如第1圖所示，是來自發光二極體群組12的輸出端。於其他實施例中，迴授電壓Vf可以來自其他與發光二極體群組12相關的電壓。迴授電壓Vf是一個變動電壓，而其變動的值是與發光二極體電路1的運作情形相關。誤差放大器16在誤差放大器輸出端產生誤差放大器輸出電壓Ve。波寬調變器18則自誤差放大器輸出端接收誤差放大器輸出電壓Ve。

於本實施例中，發光二極體電路1更包含振盪器180。振盪器180產生鋸齒狀波型的振盪電壓Vo。波寬調變器18同時接收誤差放大器輸出電壓Ve以及振盪電壓Vo，並據以產生具有活動週期(active period)以及關閉週期(inactive period)的開關訊號。開關訊號進一步傳送到功率金氧半電晶體14的閘極，以控制功率金氧半電晶體14的開關，進一步對發光二極體群組12進行充電或是放電。

於一實施例中，振盪電壓Vo維持相同之波形。因此，誤差放大器輸出電壓Ve的大小將決定開關訊號的活動週期以及關閉週期的長短。當開關訊號使功率金氧半電晶體14啟動充電的機制時，發光二極體群組12將導通並發光。相反地，當開關訊號使功率金氧半電晶體14啟動放電的機制時，則發光二極體群組12將關閉。因此，誤差放大器輸出電壓Ve將決定充電及放電的行為，並決定第一端11的電流量。

當發光二極體電路1開始運作時，需要的是快速的反應時間，以使發光二極體電路1迅速進入工作模式。藉由提高誤差放大器輸出電壓Ve的升降改變率，將可以達到快速反應時間的效果。而快速的反應時間將使發光二極體電路1可在短時間內產生相當大的電流。然而，具有快速反應時間的發光二極體電路1所產生的突波電流，容易使電感10無法承受而造成損壞。因此，如果發光二極體電路1的誤差放大器16對反應時間不具有可以彈性調整的機制，並使誤差放大器輸出電壓Ve持續維持較高的升降改變率，則電感10將持續在工作模式下遭受突波電流，而容易損壞，無法正常的提供穩壓效果。

請參照第2圖。第2圖為本揭示內容之一實施例中，誤差放大器16更詳細之示意圖。誤差放大器16包含：差動輸入級20、輸出級22以及控制開關模組。

差動輸入級20包含第一輸入端、第二輸入端以及差動輸出端。第一輸入端用以接收參考電壓Vref，第二輸入端用以接收迴授電壓Vf。差動輸出端根據參考電壓Vref以及變動電壓Vf產生差動輸出電壓Vdi。於本實施例中，參考電壓Vref為固定不變的值，而迴授電壓Vf為變動的值，且此變動的值是根據第1圖中的發光二極體群組12的工作狀態而決定。

輸出級22包含：第一N型金氧半電晶體220、第一P型金氧半電晶體222、第二N型金氧半電晶體224以及第二P型金氧半電晶體226。第一N型金氧半電晶體220包含汲極以及閘極，其中汲極連接至產生誤差放大器輸出電壓Ve的誤差放大器輸出端，閘極則連接至產生差動輸出電壓Vdi的差動輸出端。於本實施例中，第一N型金氧半電晶體220的源極連接至接地電位。第一P型金氧半電晶體222包含閘極以及汲極，其中閘極連接至閘極控制器24，汲極連接至第一N型金氧半電晶體220之汲極。閘極控制器24於本實施例中為電流源，於其他實施例中則可為用以控制第一P型金氧半電晶體222的控制電壓。本實施例中，第一P型金氧半電晶體222的源極連接至供應電壓Vp。第二P型金氧半電晶體226之汲極連接至第二N型金氧半電晶體224的汲極。於本實施例中，第二P型金氧半電晶體226之源極連接至供應電壓Vp，第二N型金氧半電晶體224的源極則連接至接地電位。

於本實施例中，控制開關模組包含：第一開關260、第二開關262以及第三開關264。第一開關260連接於第二P型金氧半電晶體226之汲極與誤差放大器輸出端之間。第二開關262連接於第二P型金氧半電晶體226之閘極與閘極控制器24之間。第三開關264連接於第二N型金氧半電晶體224之閘極與差動輸出端之間。

於本實施例中，一個具有第一狀態及第二狀態的控制電壓(未繪示)被用以控制第一開關260、第二開關262以及第三開關264的運作。請同時參照第3A圖以及第3B圖。第3A圖以及第3B圖繪示本揭示內容之一實施例中，在不同操作模式下，誤差放大器16的示意圖。

於第一操作模式中，控制電壓位於第一狀態，以使第一開關260、第二開關262以及第三開關264成關閉狀態，進一步使第二P型金氧半電晶體226之閘極透過第二開關262連接至閘極控制器24，使第二N型金氧半電晶體224之閘極透過第三開關264連接至差動輸出端，以及使第二P型金氧半電晶體226之汲極透過第一開關260連接至誤差放大器輸出端。第3A圖繪示在第一操作模式下，誤差放大器16的等效電路圖。由第3A圖可知，在第一操作模式下，第一P型金氧半電晶體222及第二P型金氧半電晶體226並聯，而第一N型金氧半電晶體220及第二N型金氧半電晶體224並聯。

於第二操作模式中，控制電壓位於第二狀態，以使第一開關260、第二開關262以及第三開關264成打開狀態，進一步使第二P型金氧半電晶體226以及第二N型金氧半電晶體224，不與閘極控制器24、差動輸出端以及誤差放大器輸出端連接。第3B圖繪示在第二操作模式下，誤差放大器16的等效電路圖。由第3B圖可知，在第二操作模式下，僅有第一P型金氧半電晶體222及第一N型金氧半電晶體220仍在工作。

因此，在由第二操作模式轉換至第一操作模式後，誤差放大器16的輸出級22的轉導值將獲得提升，而可使反應時間快速，亦即誤差放大器輸出電壓Ve可以快速的改變。而相反的，在由第一操作模式轉換至第二操作模式後，誤差放大器16的輸出級22的轉導值將降低，反應時間亦將隨之變慢。

於一實施例中，當發光二極體電路1開始運作時，控制開關模組操作於第一操作模式中，以提升輸出級22之轉導值，並使誤差放大器16具有快速的反應時間，進一步使發光二極體電路1的輸出電壓或電流可以快速增加，即可迅速地從電路的初始狀態切換至工作模式中。當發光二極體電路1開始運作超過一特定時間後，誤差放大器16已經穩定運作於工作模式中，則控制開關模組將操作於第二操作模式中，以降低輸出級22之轉導值，而使第一端11的電壓或電流不再具有快速的升降而影響電感10的運作。

於另一實施例中，當發光二極體電路1開始運作時，控制開關模組操作於第一操作模式中，以如前所述，提升輸出級22之轉導值。接著，一個對參考電壓Vref以及迴授電壓Vf的偵測機制將啟動，以在當參考電壓Vref以及迴授電壓Vf的間之差距小於一臨界值時，判斷發光二極體電路1已經穩定運作於工作模式中。因此，控制開關模組將操作於第二操作模式中，以降低輸出級22之轉導值。

在本揭示內中又另一實施例中，於發光二極體電路1運作中，上述的偵測機制可以持續地進行。當參考電壓Vref以及迴授電壓Vf間之差距大於臨界值時，表示發光二極體電路1處於不穩定的狀態下。舉例來說，如果迴授電壓Vf對正常的工作狀態來說太大或是太小，則控制開關模組將操作於第一操作模式中，以提升輸出級22之轉導值，迅速地降低或提升第一端11的電壓或電流。而當參考電壓以及變動電壓間之差距小於臨界值時，則判斷發光二極體電路1已經穩定運作於工作模式中。因此，控制開關模組操作於第二操作模式中，以降低輸出級22之轉導值。

需注意的是，誤差放大器16之輸出電壓的上升或下降是由參考電壓Vref及迴授電壓Vf的大小決定。舉例來說，於一實施例中，當迴授電壓Vf大於參考電壓Vref，則誤差放大器16使輸出電壓降低，而當迴授電壓Vf小於參考電壓Vref，則誤差放大器16使輸出電壓升高。而另一方面，發光二極體電路的電壓電流上升與下降率亦可由參考電壓Vref及迴授電壓Vf的大小決定，亦即，由改變輸出級22的轉導值進行改變。

因此，本揭示內容中之發光二極體電路及其所包含之誤差放大器，提供可彈性調整反應時間的機制。藉由改變誤差放大器中輸出級的轉導值，誤差放大器的輸出電壓的上升及下降率可隨不同的情形切換至適當的數值。因此，提供至發光二極體群組的電流或電壓亦可隨之進行調整。而發光二極體電路中提供穩壓的電感也可因此免於受到損壞。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．發光二極體電路

10．．．電感

11．．．第一端

12．．．發光二極體群組

120．．．負載

14．．．功率金氧半電晶體

16．．．誤差放大器

18．．．波寬調變器

180．．．振盪器

20．．．差動輸入級

22．．．輸出級

220．．．第一N型金氧半電晶體

222．．．第一P型金氧半電晶體

224．．．第二N型金氧半電晶體

226．．．第二P型金氧半電晶體

24．．．閘極控制器

260．．．第一開關

262．．．第二開關

264．．．第三開關

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為本揭示內容之一實施例中，發光二極體電路之示意圖；

第2圖為本揭示內容之一實施例中，誤差放大器更詳細之示意圖；以及

第3A圖以及第3B圖繪示本揭示內容之一實施例中，在不同操作模式下，誤差放大器的示意圖。

16．．．誤差放大器

20．．．差動輸入級

22．．．輸出級

220．．．第一N型金氧半電晶體

222．．．第一P型金氧半電晶體

224．．．第二N型金氧半電晶體

226．．．第二P型金氧半電晶體

24．．．閘極控制器

260．．．第一開關

262．．．第二開關

264．．．第三開關

Claims (18)

1. 一種誤差放大器(error amplifier)，包含：一差動輸入級，包含一差動輸出端；一輸出級，包含：一第一N型金氧半電晶體(NMOS)，包含一汲極以及一閘極，其中該汲極連接至一誤差放大器輸出端以及該閘極連接至該差動輸出端；一第一P型金氧半電晶體(PMOS)，包含一閘極以及一汲極，其中該閘極連接至一閘極控制器，該汲極連接至該第一N型金氧半電晶體之汲極；一第二N型金氧半電晶體；以及一第二P型金氧半電晶體，包含一汲極，其中該汲極連接至該第二N型金氧半電晶體之汲極；以及一控制開關模組；其中於一第一操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體之該閘極連接至該閘極控制器，使該第二N型金氧半電晶體之該閘極連接至該差動輸出端以及使該第二P型金氧半電晶體之該汲極連接至該誤差放大器輸出端；於一第二操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體，不與該閘極控制器、該差動輸出端以及該誤差放大器輸出端連接。
2. 如請求項1所述之誤差放大器，其中於該第一操 作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體之閘極連接至該閘極控制器，使該第二N型金氧半電晶體之閘極連接至該差動輸出端以及使該第二P型金氧半電晶體之汲極連接至該誤差放大器輸出端，俾提升該輸出級之轉導值(transconductance)。
3. 如請求項1所述之誤差放大器，其中於該第二操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體，不與該閘極控制器、該差動輸出端以及該誤差放大器輸出端連接，俾降低該輸出級之轉導值。
4. 如請求項1所述之誤差放大器，其中該控制開關模組包含：一第一開關，連接於該第二P型金氧半電晶體之汲極與該誤差放大器輸出端之間；一第二開關，連接於該第二P型金氧半電晶體之閘極與該閘極控制器之間；以及一第三開關，連接於該第二N型金氧半電晶體之閘極與該差動輸出端之間。
5. 如請求項1所述之誤差放大器，其中該差動輸入級更包含一第一輸入端以及一第二輸入端，該第一輸入端用以接收一參考電壓，該第二輸入端用以接收一變動電壓，其中該差動輸出端根據該參考電壓以及該變動電壓產 生一差動輸出電壓。
6. 如請求項1所述之誤差放大器，其中該閘極控制器為一電流源。
7. 一種發光二極體(light emitting diode；LED)電路，包含：一電感，用以連接一供應電壓以及一第一端；一發光二極體群組，連接於該第一端；一功率金氧半電晶體，連接於該第一端；一誤差放大器，包含：一差動輸入級，包含一差動輸出端；一輸出級，包含：一第一N型金氧半電晶體，包含一汲極以及一閘極，其中該汲極連接至一誤差放大器輸出端以及該閘極連接至該差動輸出端；一第一P型金氧半電晶體，包含一閘極以及一汲極，其中該閘極連接至一閘極控制器，該汲極連接至該第一N型金氧半電晶體之汲極；一第二N型金氧半電晶體；一第二P型金氧半電晶體，包含一汲極，其中該汲極連接至該第二N型金氧半電晶體之汲極；以及一控制開關模組，其中於一第一操作模式中，該 控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體之閘極連接至該閘極控制器，使該第二N型金氧半電晶體之閘極連接至該差動輸出端以及使該第二P型金氧半電晶體之汲極連接至該誤差放大器輸出端；於一第二操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體，不與該閘極控制器、該差動輸出端以及該誤差放大器輸出端連接；以及一波寬調變器(pulse width modulator；PWM)，用以根據該誤差放大器輸出端產生一開關訊號，以控制該功率金氧半電晶體，俾對該發光二極體群組進行充電或放電。
8. 如請求項7所述之發光二極體電路，其中於該第一操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體之閘極連接至該閘極控制器，使該第二N型金氧半電晶體之閘極連接至該差動輸出端以及使該第二P型金氧半電晶體之汲極連接至該誤差放大器輸出端，俾提升該輸出級之轉導值。
9. 如請求項7所述之發光二極體電路，其中於該第二操作模式中，該控制開關模組使該第二P型金氧半電晶體以及該第二N型金氧半電晶體，不與該閘極控制器、該差動輸出端以及該誤差放大器輸出端連接，俾降低該輸出級之轉導值。
10. 如請求項7所述之發光二極體電路，其中該控制 開關模組包含：一第一開關，連接於該第二P型金氧半電晶體之汲極與該誤差放大器輸出端之間；一第二開關，連接於該第二P型金氧半電晶體之閘極與該閘極控制器之間；以及一第三開關，連接於該第二N型金氧半電晶體之閘極與該差動輸出端之間。
11. 如請求項7所述之發光二極體電路，其中該差動輸入級更包含一第一輸入端以及一第二輸入端，該第一輸入端用以接收一參考電壓，該第二輸入端用以接收一變動電壓，其中該差動輸出端根據該參考電壓以及該變動電壓產生一差動輸出電壓。
12. 如請求項11所述之發光二極體電路，其中該變動電壓為來自該發光二極體群組所輸出之一迴授電壓。
13. 如請求項11所述之發光二極體電路，其中當該發光二極體電路開始運作時，該控制開關模組操作於該第一操作模式中，以提升該輸出級之轉導值，當該發光二極體電路開始運作後，該參考電壓以及該變動電壓間之一差距小於一臨界值時，該控制開關模組操作於該第二操作模式中，以降低該輸出級之轉導值。
14. 如請求項11所述之發光二極體電路，其中於該發 光二極體電路運作中，當該參考電壓以及該變動電壓間之一差距大於一臨界值時，該控制開關模組操作於該第一操作模式中，以提升該輸出級之轉導值，當該參考電壓以及該變動電壓間之該差距小於該臨界值時，該控制開關模組操作於該第二操作模式中，以降低該輸出級之轉導值。
15. 如請求項11所述之發光二極體電路，其中當該發光二極體電路開始運作時，該控制開關模組操作於該第一操作模式中，以提升該輸出級之轉導值，當該發光二極體電路開始運作超過一特定時間後，該控制開關模組操作於該第二操作模式中，以降低該輸出級之轉導值。
16. 如請求項7所述之發光二極體電路，其中該波寬調變器更自一振盪器接收一振盪電壓，該波寬調變器實質上是根據該誤差放大器輸出端以及該振盪電壓產生該開關訊號。
17. 如請求項16所述之發光二極體電路，其中該振盪電壓為一鋸齒狀波形電壓。
18. 如請求項16所述之發光二極體電路，其中該閘極控制器為一電流源。