TWI559813B - 適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置及方法 - Google Patents

Description

適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝 置及方法

本發明是有關於一種發光二極體驅動裝置及方法，特別是指一種適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置及方法。

白光二極體已廣泛地應用於照明領域，其亮度與正向電壓(forward voltage)及驅動電流呈正比。但是，應用在多數發光二極體時，因為正向電壓隨著各發光二極體的元件差異而隨之不同，而驅動電流值和正向電壓值又呈指數比例的關係，直接使用正向電壓調節發光二極體將導致亮度不均的問題。

因此，確保發光二極體的亮度均勻較有效率的方式是採用恆定電流的驅動方案。另外，為了節能及生活所需，調光控制常用來管理發光二極體亮度。常見用於發光二極體驅動器的調光控制技術是類比式調光技術或波寬調變式調光技術。類比式調光技術較簡單但可能會造成色調變異(color variation)。為了克服此問題，一般是採用波 寬調變調光控制技術。而為了得到足夠亮度，通常是將許多發光二極體串聯及並聯。

串聯式發光二極體燈串的優點是因為各發光二極體流經相同電流而可確保各發光二極體具有相同亮度。直流對直流轉換器用於供應足夠的驅動電壓給串聯式發光二極體燈串的全部正向電壓並保證電流調節器的運作。傳統方法是根據最大正向電壓配合一參考電壓(固定值)以兩者差異決定發光二極體燈串的驅動電壓。

然而，發光二極體的正向電壓隨著環境溫度、使用時間及調光條件改變。例如，當環境溫度增加或當發光二極體亮度降低，發光二極體的正向電壓會隨之降低。另外，同步式的波寬調變技術因為週期性的突然改變，易造成輸入電流/輸出電流的抖動現象，造成電磁干擾現象，也會降低運作效率。

本發明之目的，即在提供一種改善先前技術的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置及方法。

本發明適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置在一些實施態樣中電性連接一功率級電路、一發光模組及一波寬調變控制器，該功率級電路具有電性連接該發光模組的一輸出端，該發光模組具有多數串聯發光二極體元件的燈串及多數控制端，該波寬調變控制器接收該功率級電路的一回饋電壓及該適應性參考電壓並比較該回饋電壓及該適應性參考電壓之誤差而對應產生一用以控制 該功率級電路的波寬調變信號。

該發光二極體驅動裝置包括一選擇模組及一追蹤模組。該選擇模組依據連接所述燈串的控制端的多數調節信號產生一最低電壓調節信號；該追蹤模組電性連接該選擇模組以接收該最低電壓調節信號，並依據該最低電壓調節信號與一設定電壓以產生該適應性參考電壓。

在一些實施態樣中，該發光二極體驅動裝置還包括一循序控制器及一電流調節模組。該循序控制器依據一調光信號及一預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號，該預定規則是各該脈衝序列信號的相位間隔皆為360°/n，n為該等燈串的數量；該電流調節模組具有多數電流調節單元，電性連接該循序控制器及所述控制端，依據所述脈衝序列信號以產生所述燈串的導通電流。

在一些實施態樣中，該追蹤模組具有一誤差放大器及一減法器，該誤差放大器接收該最低電壓調節信號及該設定電壓以產生一追蹤信號，該減法器接收該追蹤信號及一預定電壓，且藉由該預定電壓與該追蹤信號相減而產生該適應性參考電壓。

在一些實施態樣中，該選擇模組具有多個傳輸閘、多個儲能單元、多個多工器及多數比較器，當該調光信號為高準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而開啟，所述控制端的調節信號供所述儲能單元對應充電，並通過所述多工器及所述比較器輸出該最低電壓調節信號；當該調光信號為低準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而關閉， 所述儲能單元保持輸出該最低電壓調節信號。

本發明適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動方法在一些實施態樣中包括下述步驟：該選擇模組依據連接所述燈串的控制端的多數調節信號產生一最低電壓調節信號；該追蹤模組接收該最低電壓調節信號，並依據該最低電壓調節信號與一設定電壓以產生該適應性參考電壓；及該波寬調變控制器接收該功率級電路的一回饋電壓及該適應性參考電壓並比較該回饋電壓及該適應性參考電壓之誤差而對應產生一用以控制該功率級電路的波寬調變信號。

本發明之功效在於：發光二極體驅動裝置依據連接所述燈串的控制端的多數調節信號輸出最低電壓調節信號，並依據最低電壓調節信號與調光信號運算後產生適應性參考電壓，經由發光裝置的回饋電壓與適應性參考電壓(非固定值)之誤差而對應產生用以控制該功率級電路的波寬調變信號，可改善現有發光二極體的正向電壓不穩定的問題。

此外，循序控制器依據該調光信號及一預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號，該預定規則是各該脈衝序列信號的相位間隔皆為360°/n，n為該等燈串的數量，且多數電流調節單元依據所述脈衝序列信號以產生所述燈串的導通電流，可降低輸入電流/輸出電流的抖動現象，減少輸出電壓暫態漣波大小，及提升運作效率。

1‧‧‧發光二極體驅動裝置

11‧‧‧循序控制器

12‧‧‧電流調節模組

121~123‧‧‧電流調節單元

13‧‧‧選擇模組

131‧‧‧傳輸閘

132‧‧‧儲能單元

133‧‧‧多工器

134‧‧‧比較器

14‧‧‧追蹤模組

141‧‧‧誤差放大器

142‧‧‧減法器

3‧‧‧發光裝置

30‧‧‧燈串

301‧‧‧輸出端

302‧‧‧控制端

31‧‧‧功率級電路

32‧‧‧發光模組

33‧‧‧波寬調變控制器

I_led1、I_led2、I_led3‧‧‧導通電流

Io‧‧‧輸出電流

PWM₁~PWM₃‧‧‧脈衝序列信號

、、‧‧‧調節信號

V_cr,min‧‧‧最低電壓調節信號

V_cr,set‧‧‧設定電壓

V_dim‧‧‧調光信號

V_fb‧‧‧回饋電壓

V_track‧‧‧追蹤信號

V_PWM‧‧‧波寬調變信號

V_ref,track‧‧‧適應性參考電壓

V_ref‧‧‧預定電壓

Vo‧‧‧輸出電壓

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一系統方塊圖，說明本發明適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置的實施例應用於電性連接一發光裝置；圖2是一電路方塊圖，說明本實施例應用的循序控制器、電流調節模組及發光模組；圖3是一電路方塊圖，說明本實施例應用的選擇模組；圖4是一電路方塊圖，說明本實施例應用的追蹤模組及波寬調變控制器；圖5是一波形圖，說明本實施例的追蹤信號V_track、適應性參考電壓V_ref,track及輸出電壓Vo；圖6是一波形圖，說明本實施例應用三組脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的責任週期皆小於1/3，其對應的輸出電流Io及輸出電壓Vo；圖7是一波形圖，說明本實施例應用三組脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的責任週期皆大於1/3，其對應的輸出電流Io及輸出電壓Vo。

參閱圖1，本發明的發光二極體驅動裝置1的實施例應用於電性連接一發光裝置3。

發光裝置3包括一功率級電路31、多數發光模組32及一波寬調變控制器33。各元件作用原理說明如下。

功率級電路31具有一輸出端301，輸出端301 載有一輸出電壓Vo及一輸出電流Io。發光模組32電性連接功率級電路31的輸出端301，並具有多數串聯發光二極體元件的燈串30及多數控制端302。

波寬調變控制器33接收功率級電路31的一回饋電壓V_fb及一適應性參考電壓V_ref,track並比較回饋電壓V_fb及適應性參考電壓V_ref,track之誤差而對應產生一用以控制功率級電路31的波寬調變信號V_PWM。

發光二極體驅動裝置1包括一循序控制器11、一電流調節模組12、一選擇模組13及一追蹤模組14。

選擇模組13依據連接所述發光模組32的控制端302的多數調節信號、、產生一最低電壓調節信號V_cr,min。

本發明以適應性參考電壓V_ref,track控制的發光二極體驅動方法的控制原理配合圖1詳細說明如下。

參閱圖2，循序控制器11依據調光信號V_dim及一預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號PWM₁~PWM₃，且該預定規則是脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的相位間隔皆為360°/n，其中的n為該等燈串30的數量。本實施例中，脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的相位間隔為120°，電流調節模組12具有三組電流調節單元121~123，各電流調節單元121~123於本實施例中是(但不限於)包括一電流鏡(current mirror)電路，電性連接循序控制器11及所述控制端302，依據所述脈衝序列信號PWM₁~PWM₃以產生所述控制端302的導通電流I_led1、I_led2、I_led3。

參閱圖3，選擇模組13依據連接所述發光模組32的控制端302的多數調節信號、、產生一最低電壓調節信號V_cr,min。

本實施例中，選擇模組13具有多個傳輸閘131、多個儲能單元132、多個多工器133及多數比較器134。當調光信號V_dim為高準位時，所述傳輸閘131受調光信號V_dim控制而開啟，所述控制端302的調節信號、、供所述儲能單元132對應充電，並通過所述多工器133及所述比較器134輸出調節信號、、三者中的最低電壓調節信號V_cr,min。當調光信號V_dim為低準位時，所述傳輸閘131受調光信號V_dim控制而關閉，所述儲能單元132保持輸出最低電壓調節信號V_cr,min，因此輸出電壓Vo不會受到調光信號V_dim改變時而有所影響。

參閱圖4，追蹤模組14電性連接選擇模組13以接收最低電壓調節信號V_cr,min，本實施例中，追蹤模組14具有一誤差放大器141及一減法器142，誤差放大器141的負輸入端(-)並聯連接電阻R₁及R₂，正輸入端(+)並聯連接電阻R₃及R₄，電阻R₁及電阻R₃的阻值相同，電阻R₂及電阻R₄的阻值相同，且正輸入端(+)接收最低電壓調節信號V_cr,min及負輸入端(-)接收一設定電壓V_cr,set以產生一追蹤信號V_track，減法器142接收追蹤信號V_track及一預定電壓V_ref，且藉由預定電壓V_ref與追蹤信號V_track相減而產生適應性參考電壓V_ref,track。

本實施例中，設定電壓V_cr,set是各電流調節單 元121~123具有的調光電晶體的最小汲源電壓(drain-source Voltage)。預定電壓V_ref用於設定輸出電壓Vo。適應性參考電壓V_ref,track包含最低電壓調節信號V_cr,min及設定電壓V_cr,set的誤差值，所以可自動調整輸出電壓Vo。

參閱圖2及圖4，各電流調節單元121~123還接收脈衝序列信號PWM₁~PWM₃及追蹤信號V_track，並以一邏輯電路(含二個反相器及一「或」閘)依據脈衝序列信號PWM₁~PWM₃或追蹤信號V_track配合電流鏡電路導通該等燈串30。藉此，可改善輸出電壓Vo降低時的暫態反應。

參閱圖5，並配合圖4，當最低電壓調節信號V_cr,min大於設定電壓V_cr,set，追蹤信號V_track增加，當預定電壓V_ref為固定值並與追蹤信號V_track相減使得適應性參考電壓V_ref,track和輸出電壓Vo均為降低，則最低電壓調節信號V_cr,min也隨之降低；最後，最低電壓調節信號V_cr,min等於設定電壓V_cr,set，此時，輸出電壓Vo低於先前值。同樣的，當最低電壓調節信號V_cr,min小於設定電壓V_cr,set，輸出電壓Vo將增加，最後亦使V_cr,min等於V_cr,set。若追蹤信號V_track的最小值接近零，輸出電壓Vo之值會保持在預定電壓V_ref。

參閱圖6及圖7，圖6是三組脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的責任週期皆小於1/3，故高準位波形均為不同時出現。圖7是三組脈衝序列信號PWM₁~PWM₃，各脈衝序列信號PWM₁~PWM₃的責任週期皆大於1/3，故至少兩者 有部分的高準位波形同時出現，根據如圖4的最低電壓調節信號V_cr,min的選擇產生追蹤信號V_track，當如圖2的脈衝序列信號PWM₁導通時，藉由追蹤信號V_track之控制，使輸出電壓Vo為最大值的電壓V_led1，脈衝序列信號PWM₁不導通時，輸出電壓Vo即為次大值的電壓V_led2。經比較後可發現，圖6與圖7可降低輸入電流/輸出電流的抖動現象，減少輸出電壓暫態漣波大小，及提升運作效率。

綜上所述，本發明之功效包括：

一、發光二極體驅動裝置1依據連接所述發光模組32的控制端302的多數調節信號、、輸出最低電壓調節信號V_cr,min，追蹤模組14並依據最低電壓調節信號V_cr,min、設定電壓V_cr,set及預定電壓V_ref運算後產生適應性參考電壓V_ref,track，經由發光裝置3的回饋電壓V_fb與適應性參考電壓V_ref,track(非固定值)之誤差而對應產生用以控制功率級電路31的波寬調變信號V_PWM，可動態調整輸出電壓以提升效率。

二、循序控制器11依據調光信號V_dim及預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號PWM₁~PWM₃，且多數電流調節單元121、122、123依據所述脈衝序列信號PWM₁~PWM₃以產生所述控制端302的導通電流，可降低輸入電流/輸出電流Io的抖動現象，減少輸出電壓暫態漣波大小，及提升運作效率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專 利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧發光二極體驅動裝置

11‧‧‧循序控制器

12‧‧‧電流調節模組

13‧‧‧選擇模組

14‧‧‧追蹤模組

3‧‧‧發光裝置

30‧‧‧燈串

301‧‧‧輸出端

302‧‧‧控制端

31‧‧‧功率級電路

32‧‧‧發光模組

33‧‧‧波寬調變控制器

I_led1、I_led2、I_led3‧‧‧導通電流

Io‧‧‧輸出電流

PWM₁~PWM₃‧‧‧脈衝序列信號

V_cr1、V_cr2、V_cr3‧‧‧調節信號

V_cr,min‧‧‧最低電壓調節信號

V_cr,set‧‧‧設定電壓

V_dim‧‧‧調光信號

V_fb‧‧‧回饋電壓

V_ref,track‧‧‧適應性參考電壓

V_ref‧‧‧預定電壓

V_PWM‧‧‧波寬調變信號

Vo‧‧‧輸出電壓

Claims (8)

1. 一種適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置，電性連接一功率級電路、一發光模組及一波寬調變控制器，該功率級電路具有一電性連接該發光模組的輸出端，該發光模組具有多數串聯發光二極體元件的燈串及多數控制端，該波寬調變控制器接收該功率級電路的一回饋電壓及該適應性參考電壓並比較該回饋電壓及該適應性參考電壓之誤差而對應控制該功率級電路，該發光二極體驅動裝置包括：一選擇模組，依據連接所述燈串的控制端的多數調節信號產生一最低電壓調節信號；及一追蹤模組，電性連接該選擇模組以接收該最低電壓調節信號，並依據該最低電壓調節信號與一設定電壓以產生該適應性參考電壓，其中，該追蹤模組具有一誤差放大器及一減法器，該誤差放大器接收該最低電壓調節信號及該設定電壓以產生一追蹤信號，該減法器接收該追蹤信號及一預定電壓，且藉由該預定電壓與該追蹤信號相減而產生該適應性參考電壓。
2. 如請求項1所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體驅動裝置還包括：一循序控制器，依據一調光信號及一預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號，該預定規則是各該脈衝序列信號的相位間隔皆為360°/n，n為該等燈串的數量；及 一電流調節模組，具有多數電流調節單元，電性連接該循序控制器及所述控制端，依據所述脈衝序列信號以產生所述燈串的導通電流。
3. 如請求項2所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置，其中，該波寬調變控制器產生一波寬調變信號，各該電流調節單元接收該些脈衝序列信號及該追蹤信號，並依據該些脈衝序列信號或該追蹤信號導通所述燈串。
4. 如請求項2至3其中任一項所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動裝置，其中，該選擇模組具有多個傳輸閘、多個儲能單元、多個多工器及多數比較器，當該調光信號為高準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而開啟，所述控制端的調節信號供所述儲能單元對應充電，並通過所述多工器及所述比較器輸出該最低電壓調節信號；當該調光信號為低準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而關閉，所述儲能單元保持輸出該最低電壓調節信號。
5. 一種適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動方法，應用於一發光二極體驅動裝置及一發光裝置，該發光裝置具有一功率級電路、一發光模組及一波寬調變控制器，該功率級電路具有電性連接該發光模組的一輸出端，該發光模組具有多數串聯發光二極體元件的燈串及多數控制端，該發光二極體驅動裝置包括一選擇模組及一追蹤模組，該追蹤模組具有一誤差放大器及一減法器，該 發光二極體驅動方法包括下述步驟：該選擇模組依據連接所述燈串的控制端的多數調節信號產生一最低電壓調節信號；該追蹤模組接收該最低電壓調節信號，並依據該最低電壓調節信號與一設定電壓以產生該適應性參考電壓，其中，該誤差放大器接收該最低電壓調節信號及該設定電壓以產生一追蹤信號，該減法器接收該追蹤信號及一預定電壓，且藉由該預定電壓與該追蹤信號相減而產生該適應性參考電壓；及該波寬調變控制器接收該功率級電路的一回饋電壓及該適應性參考電壓並比較該回饋電壓及該適應性參考電壓之誤差而對應產生一用以控制該功率級電路的波寬調變信號。
6. 如請求項5所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動方法，其中，該發光二極體驅動裝置還包括一循序控制器及一電流調節模組，該電流調節模組具有多數電流調節單元，且電性連接該循序控制器及所述控制端，該發光二極體驅動方法還包括下述步驟：該循序控制器依據一調光信號及一預定規則產生多數非同步的脈衝序列信號，該預定規則是各該脈衝序列信號的相位間隔皆為360°/n，n為該等燈串的數量；及所述電流調節單元依據所述脈衝序列信號以產生所述燈串的導通電流。
7. 如請求項6所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極 體驅動方法，其中，各該電流調節單元接收該些脈衝序列信號及該追蹤信號，並依據該些脈衝序列信號或該追蹤信號導通所述燈串。
8. 如請求項6至7其中任一項所述的適應性參考電壓追蹤控制的發光二極體驅動方法，其中，該選擇模組具有多個傳輸閘、多個儲能單元、多個多工器及多數比較器，該發光二極體驅動方法還包括下述步驟：當該調光信號為高準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而開啟，所述控制端的調節信號供所述儲能單元對應充電，並通過所述多工器及所述比較器輸出該最低電壓調節信號；及當該調光信號為低準位，所述傳輸閘受該調光信號控制而關閉，所述儲能單元保持輸出該最低電壓調節信號。