TWI430238B

TWI430238B - 應用於背光源的操作電路及其相關方法

Info

Publication number: TWI430238B
Application number: TW100117219A
Authority: TW
Inventors: Shu Min Lin; Jyi Si Lo; Ying Hsi Lin
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2014-03-11
Also published as: TW201248595A; US9232598B2; US20120293081A1

Description

應用於背光源的操作電路及其相關方法

本發明係有關於一種應用於一背光源的操作電路，尤指一種應用於發光二極體背光源的操作電路及其相關方法。

請參考第1圖，第1圖為習知背光模組控制系統100的示意圖。如第1圖所示，背光模組控制系統100包含有一發光二極體串110、一電流控制電路120、以及一電阻R_ext ，其中發光二極體串110包含有複數個發光二極體，且電流控制電路120包含有一運算放大器122以及一電晶體M1。在背光模組控制系統100的操作上，電流控制電路120利用運算放大器122形成一負回授機制，使得回授電壓V_fb 等於參考電壓V_ref ，因而提供一穩定的電流I_LED給發光二極體串110，其中，電流值I_LED=V_fb /R_ext 。

然而，由於製程上的限制，運算放大器122的輸入級無法做到完全匹配，因而導致運算放大器122的輸入端具有一電壓偏移值(offset voltage)ΔV，因此，在實際電路中，每個電流控制電路120會因為其運算放大器122所具有之電壓偏移值ΔV不同，使得提供給各發光二極體串110的電流值I_LED不同，因此，當多個發光二極體串110和電流控制電路120共同組成一背光模組時，由於提供給每一路發光二極體串110的電流I_LED均不相同，將造成背光模組亮度不均勻。

此外，背光模組控制系統100一般而言是使用高壓在進行操作(供應電壓Vo約在30V~60V之間)，因此，電流控制電路120一般會使用特殊的高壓製程來實現，而無法以低壓製程來實現，成本昂貴。

因此，本發明的目的之一在於提供一種應用於一背光源的操作電路及其相關方法，其每一路的發光元件會具有實質上相同的亮度，且操作電路中的電流控制電路可以使用低壓製程來實現，以解決上述的問題。

依據本發明一實施例，一種應用於一背光源的操作電路包含有至少一電流控制電路，其中該背光源包含有至少一發光元件，該發光元件包含有至少一發光單元，該至少一電流控制電路耦接於該發光元件，用以控制該發光元件的一電流，該電流控制電路包含有：一第一電晶體、一運算放大器以及一開關模組。該第一電晶體，具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，且該第二電極耦接於一電阻；該運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一正輸出端、一負輸出端；該開關模組耦接於一參考電壓、該第一電晶體之該第二電極、該運算放大器之該正輸入端以及該負輸入端之間，且用以切換該運算放大器之該正輸入端以及該負輸入端與該參考電壓以及該第一電晶體之該第二電極之間的連接關係，另外切換運算放大器之該正輸出端以及該負輸出端與該第一電晶體之閘極的連接關係，以抵消該運算放大器的電壓偏移值，使該發光元件的該電流具有一固定平均值。

依據本發明另一實施例，揭露一種應用於一背光源的操作方法，其中該背光源包含有至少一發光元件，該發光元件包含有至少一發光單元，該操作方法包含有：提供至少一電流控制電路，耦接於該發光元件，用以控制該發光元件的一電流，其中該電流控制電路包含有一第一電晶體以及一運算放大器，該第一電晶體具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，且該第二電極耦接於一電阻；該運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一正輸出端、一負輸出端，其中該正輸出端、負輸出端耦接到該第一電晶體之該閘極；以及切換該運算放大器之該正、負輸入端以及該正、負輸出端與該參考電壓以及該第一電晶體之該閘極與第二電極之間的連接關係，以抵消該運算放大器的電壓偏移值，使該發光元件的該電流具有一固定平均值。

依據本發明另一實施例，一種應用於一背光源的操作電路包含有至少一電流控制電路、一電晶體以及一控制電壓產生單元，其中該背光源包含有至少一個發光元件，該發光元件包含有至少一發光單元。該至少一電流控制電路耦接於該發光元件，且用以控制該發光元件的一電流；該電晶體具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，以及該第二電極耦接於該電流控制電路；該控制電壓產生單元耦接於該電晶體，且用來產生一控制電壓至該電晶體之該閘極。

依據本發明另一實施例，揭露一種應用於一背光源的操作方法，其中該背光源包含有至少一個發光元件，該發光元件包含有至少一發光單元，該操作方法包含有：提供至少一電流控制電路，耦接於該發光元件，用以控制該發光元件的一電流；提供一電晶體，具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，以及該第二電極耦接於該電流控制電路；以及產生一控制電壓至該第二電晶體之該閘極。

請參考第2圖，第2圖為依據本發明一實施例之應用於一背光源的操作電路200的示意圖，其中該背光源包含有至少一個發光元件，且每一發光元件包含有至少一發光單元，於本實施例中，每一發光單元係為一發光二極體，以及該發光元件係為一發光二極體串210。如第2圖所示，操作電路200包含有電晶體M2、M3、一電阻R_ext 、一電流控制電路220、一第一控制電壓產生單元240以及一第二控制電壓產生單元250，其中電流控制電路220包含有一運算放大器222、一開關模組230以及一電晶體M1，開關模組230包含有複數個開關元件，其用來切換運算放大器222之兩個輸入端與一參考電壓V_ref 以及一回授電壓V_fb 之間的連接關係，及運算放大器222 之兩個輸出端與電晶體M1之閘極的連接關係，使回授系統成負回授狀態，第一控制電壓產生單元240包含有兩個電阻R1、R2、三個電晶體M4、M5、M6以及三個二極體D1、D2、D3，以及第二控制電壓產生單元250包含有兩個電阻R3、R4、一類比數位轉換器252以及一數位類比轉換器254。

此外，需注意的是，雖然第2圖所示的操作電路200僅包含有一個發光二極體串210以及其相對應的電路(電晶體M2、M3、電阻R_ext 、電流控制電路220以及第二控制電壓產生單元250...等)，但此僅為一範例說明。於本發明之其他實施例中，操作電路200可以具有多個發光二極體串210及其相對應的電路，亦即第2圖所示之發光二極體串210、電晶體M2、M3、電阻R_ext 、電流控制電路220以及第二控制電壓產生單元250可以具有很多組。

此外，操作電路200中的電流控制電路220、電晶體M1、M3、第二控制電壓產生單元250以及部分的第一控制電壓產生單元240係製作於一晶片260中，操作電路200中位於晶片260外的電路係為一印刷電路板上的外掛元件，且晶片260係使用一低壓製程來實現(例如晶片260的耐壓為9V)。此外，於本實施例中，電晶體M3與M4的耐壓係高於電晶體M1、M5、M6的耐壓。

請同時參考第2、3圖，其中第3圖為依據本發明一實施例之控制開關模組230中各個開關元件的控制訊號C、CB、A、AB的時序圖。在第3圖所示之控制訊號中，控制訊號C係為用來控制發光二極體串210之開啟/關閉的一脈衝寬度調變訊號，控制訊號CB為控制訊號C的一反相訊號，而控制訊號A、AB則是藉由一些邏輯電路將控制訊號C進行處理所產生的。

在操作電路200的操作上，首先，請參考第4圖，於一第一時段(亦即第3圖所示之控制訊號C的第一個週期的主動時段(高電壓準位))，此時C=1、A=1且AB=0，開關模組230被控制以將運算放大器222之一正輸入端耦接於參考電壓V_ref ，且將運算放大器222之一負輸入端耦接於電晶體M1之源極，而運算放大器222之正輸出端耦接於電晶體M1之閘極，讓回授系統成負回授狀態。假設運算放大器222具有電壓偏移值(offset voltage)ΔV，則回授電壓V_fb 會等於(V_ref +ΔV)，亦即此時流經發光二極體串210與電晶體M1~M3的電流I_LED為(V_ref +ΔV)/R_ext 。

接著，請參考第5圖，於一第二時段(亦即第3圖所示之控制訊號C的第二個週期的主動時段(高電壓準位))，此時C=1、A=0且AB=1，開關模組230被控制以將運算放大器222之該正輸入端耦接於電晶體M1之源極，且將運算放大器222之該負輸入端耦接於參考電壓V_ref ，而運算放大器222之負輸出端耦接於電晶體M1之閘極，讓回授系統成負回授狀態。假設運算放大器222具有電壓偏移值ΔV，則回授電壓V_fb 會等於(V_ref -ΔV)，亦即此時流經發光二極體串210與電晶體M1~M3的電流I_LED為(V_ref -ΔV)/R_ext 。

如上所述，當發光二極體串210在被開啟時，其上的電流I_LED會依序地為(V_ref +ΔV)/R_ext 、(V_ref -ΔV)/R_ext 、(V_ref +ΔV)/R_ext 、(V_ref -ΔV)/R_ext ...，如此一來，發光二極體串210在被開啟時的平均電流就會等於(V_ref /R_ext )。因此，假設具有多個發光二極體串，且每一個發光二極體串所對應的運算放大器的電壓偏移值均不相同，利用上述操作電路200的操作方式可以讓每一個發光二極體串在被開啟時的電流均等於(V_ref /R_ext )，而使得所有的發光二極體串的亮度一致。

此外，於第2圖所示之實施例中，運算放大器222為一差動輸出，然而，於本發明之其他實施例中，運算放大器222之輸出端後使用控制訊號A、AB來控制的兩個開關可被放置到運算放大器222內，使運算放大器222亦可為單端輸出。

另一方面，參考第2圖，由於當發光二極體串210被關閉的時候(亦即第3圖所示之控制訊號C=0時)，發光二極體串210下方耦接於電晶體M2之端點的電壓值會高達30V以上，為了避免晶片260中的電路被燒壞，因此於第2圖所示之實施例中，電晶體M2及M3被設計來避免晶片260中的電路被燒壞。

於本發明之一實施例中，電晶體M2係為一高壓元件，其用來阻擋上述當發光二極體串210被關閉時端點的電壓值會高達30V以上的問題，但由於電晶體M2所能承受的溫度有一定的限制，因此電晶體M2操作的電流與電壓乘積不能太大，因此，電晶體M2之閘極的控制電壓CTRLB需要特別的設計。於本實施例中，當發光二極體串210被開啟的時候(亦即第3圖所示之控制訊號C=1)，第一控制電壓產生單元240所輸出的控制電壓CTRLB具有電壓值14V，以使得電晶體M2被操作於一三級管區(triode region)以避免電晶體M2過熱；而當發光二極體串210被關閉的時候(亦即第3圖所示之控制訊號C=0)，第一控制電壓產生單元240所輸出的控制電壓CTRLB具有電壓值8V，以使得電晶體M2為一未致能(disable)狀態，且晶片260的端點電壓值V_sen 也能被控制在8V以下，以避免超過晶片260的耐壓。

此外，為了使得控制電壓CTRLB能在14V與8V之間切換，於本實施例中，係改變控制電壓CTRLA的電壓準位以使得控制電壓CTRLB可以藉由電阻R1、R2對供應電壓Vo進行分壓來產生。詳細來說，當發光二極體串210被開啟的時候(亦即第3圖所示之控制訊號C=1)，電晶體M6的閘極電壓被設為0V，此時二極體D1~D3為順向導通且電晶體M4～M6為未致能狀態，因此，控制電壓CTRLA為8V，而控制電壓CTRLB此時為14V；另一方面，當發光二極體串210被關閉的時候(亦即第3圖所示之控制訊號C=0)，此時二極體D1~D3不導通且電晶體M4～M6為致能狀態，因此控制電壓CTRLA的電壓準位為0V，而控制電壓CTRLB此時為8V。

需注意的是，第2圖所示之控制電壓CTRLA、CTRLB的電壓準位，以及電晶體M4~M6閘極的電壓準位僅為一範例說明，而並非作為本發明的限制。此外，第2圖所示之第一控制電壓產生單元240的電路架構亦僅為一範例說明，只要第一控制電壓產生單元240所產生的控制電壓CTRLB可以使得電晶體M2在發光二極體串210被開啟時操作於三級管區，且使得電晶體M2在發光二極體串210被關閉時為一未致能狀態，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。

此外，在操作電路200中，V_sen 的電壓操作範圍很大，約0.5~8.5V，因此，為了讓電晶體M1永遠操作在安全區域裡，V_sen 的電壓準位經由電阻R3、R4分壓後輸入至類比數位轉換器252中以產生一數位訊號，之後數位類比轉換器254接收該數位訊號以產生控制電壓Vc。簡單來說，第二控制電壓產生單元250係依據V_sen 的電壓準位來動態調整控制電壓Vc，亦即若是V_sen 的電壓準位越高，則控制電壓Vc的電壓準位也越高；V_sen 的電壓準位降低，控制電壓Vc的電壓準位也隨之降低，以避免電晶體M1跨壓過大而損壞。

此外，第2圖所示之第二控制電壓產生單元250的電路架構亦僅為一範例說明，只要第二控制電壓產生單元250所產生的控制訊號Vc可以隨著V_sen 的電壓準位而動態地調整，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。

此外，於本發明之另一實施例中，晶片260亦可以使用高壓製程來實現，而第2圖所示之電晶體M2、M3以及第一控制電壓產生單元240與第二控制電壓產生單元250可以自操作電路200中移除，亦即電晶體M1的汲極直接連接於發光二極體串210，只要電流控制電路220具有開關模組230以切換運算放大器222之兩個輸入端與一參考電壓V_ref 以及一回授電壓V_fb 之間的連接關係，另外切換運算放大器222之兩個輸出端與電晶體M1之閘極的連接關係，使回授系統成負回授狀態，這設計上的變化應隸屬於本發明的範疇。

此外，於本發明之另一實施例中，第2圖所示之電流控制電路220可以替換為其他形式的電流控制電路(例如第1圖所示之習知電流控制電路120)，而不一定要具有如第2圖所示之開關模組230，亦即，只要晶片260係使用低壓製程來實作，且電流控制電路與發光二極體串210之間具有電晶體M2以避免晶片之端點電壓V_sen 超過晶片耐壓，這設計上的變化應隸屬於本發明的範疇。

請參考第6圖，第6圖為依據本發明一第一實施例之一種應用於一背光源的操作方法的流程圖，其中該背光源包含有複數個發光元件，每一發光元件包含有至少一發光單元。參考第2、6圖，流程敘述如下：步驟600：提供至少一電流控制電路，耦接於該發光元件，用以控制該發光元件的一電流，其中該電流控制電路包含有一電晶體與一運算放大器，該電晶體具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，且該第二電極耦接於一電阻；該運算放大器具有一正輸入端、一負輸入端以及一正輸出端、一負輸出端。

步驟602：切換該運算放大器之該正輸入端以及該負輸入端與一參考電壓以及該第二電極之間的連接關係，並切換該運算放大器之該正輸出端及該負輸出端與該閘極的連接關係，以抵消該運算放大器的電壓偏移值，使該發光元件的該電流具有一固定平均值。

請參考第7圖，第7圖為依據本發明一第二實施例之一種應用於一背光源的操作方法的流程圖，其中該背光源包含有複數個發光元件，每一發光元件包含有至少一發光單元。參考第2、7圖，流程敘述如下：步驟700：提供至少一電流控制電路，耦接於該發光元件，用以控制該發光元件的一電流。

步驟702：提供一電晶體，具有一閘極、一第一電極以及一第二電極，其中該第一電極耦接於該發光元件，以及該第二電極耦接於該電流控制電路。

步驟704：產生一控制電壓至該電晶體之該閘極。

如前所述，其中產生該控制電壓至該電晶體之該閘極的步驟還包含有：當該發光元件被開啟時，控制該電晶體操作於一三級管區，且當該發光元件被關閉時，控制該電晶體為一未致能狀態。以及其中產生該控制電壓至該電晶體之該閘極的步驟還包含有：依據該電晶體之該第一電極的電壓準位以產生一數位訊號，並接收該數位訊號以產生該控制電壓。

本發明提出之背光源的操作電路與相關方法中，可以消除因為運算放大器之偏移電壓值的影響，而使得每一路的發光二極體串具有相同的電流，進而使得所有的發光二極體串的亮度一致。此外，操作電路中的晶片係使用一低壓製程來實作，以降低晶片的製作成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．背光模組控制系統

110、210．．．發光二極體串

120、220．．．電流控制電路

122、222．．．運算放大器

200．．．操作電路

230．．．開關模組

240．．．第一控制電壓產生單元

250．．．第二控制電壓產生單元

252．．．類比數位轉換器

254．．．數位類比轉換器

260．．．晶片

M1~M6．．．電晶體

R_ext 、R1~R4．．．電阻

D1~D3．．．二極體

600~602、700~704‧‧‧步驟

第1圖為習知背光模組控制系統的示意圖。

第2圖為依據本發明一實施例之應用於一背光源的操作電路的示意圖。

第3圖為依據本發明一實施例之控制開關模組中各個開關元件的控制訊號的時序圖。

第4圖為當第3圖所示之控制訊號A=1、AB=0時開關模組的示意圖。

第5圖為當第3圖所示之控制訊號A=0、AB=1時開關模組的示意圖。

第6圖為依據本發明一第一實施例之一種應用於一背光源的操作方法的流程圖。

第7圖為依據本發明一第二實施例之一種應用於一背光源的操作方法的流程圖。