专利名称：光源的驱动电路与方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动电路与方法，特别是涉及一种使发光二极管的工作 温度维持固定的驱动电路与方法。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode, LED )是一种半导体组件，其主要是由ni-v族元素化合物半导体材料所构成。这种半导体材料具有将电能转换 为光的特性。详细地说，对这种半导体材料施加电流时，半导体材料内部的 电子会与空穴结合，并且将过剩的能量以光的形式释出，而实现发光的效果。 由于发光二极管的发光现象不属于热发光或放电发光，而是属于冷性发 光，所以发光二极管装置的寿命可长达十万小时以上，且无须暖灯时间(Idling Time)。此外，发光二极管装置具有反应速度快(约为IO力秒)、 体积小、用电省、污染低(不含水银)、高可靠度、适合量产等优点，因此 其应用的领域十分广泛。虽然发光二极管应用的领域非常广泛，然而其发热 问题一 直是影响操作效能的主要问题之一 。为了解决发光二极管的散热问题，各家厂商无不发展各样的技术。图l 示出了一种现有的具有散热结构的发光二极管模块示意图。请参照图1,发 光二极管模块100采用了 一种机械散热的技术。在发光二极管模块100内， 包括了多个发光二极管102,彼此相邻排列。另外，在每个发光二极管102 之间，则配置有金属片104,用来作为散热的机构。虽然图1的结构能够在发光二极管模块100运作时，将所产生的热能散除。但是，受限于材料的热导效果，因此散热的速度有限，而无法适用于运 作高速的系统。另外，现有的架构也会增加硬件的成本和系统体积。发明内容因此，本发明提供一种光源的驱动电路，可以利用控制发光二极管为顺 偏工作或是逆偏工作，使之发光二极管的工作温度维持稳定。
本发明还提供一种光源的驱动方法，当发光二极管在工作时，能够有效 地进行散热。本发明所提供的光源的驱动电路，适用于包括多个发光二极管的光源， 而本发明的驱动电路则包括一第一脉宽调制单元和一电源转换单元。其中， 第一脉宽调制单元产生一第一脉宽调制讯号，使得电源转换单元依据第一脉 宽调制讯号的工作周期，而产生一驱动电压讯号来控制光源为顺向偏压操作 或逆向偏压操作，以稳定光源在操作时的温度。从另一观点来看，本发明提供一种光源的驱动方法，是于驱动具有多个 发光二极管的光源。本发明的驱动方法包括在一第 一时间区间内使发光二极 管为顺向偏压操作，致使光源为正常运作。另外，在一第二时间区间内使发 光二极管为逆向偏压操作，致使光源进行散热。此外，本发明还包括产生一脉宽调制讯号，并且在第一时间区间内，使脉宽调制讯号的工作周期大于50%，以产生在第一电平的一驱动电压讯号来 驱动光源。另外，本发明也可以在第二时间区间内，使脉宽调制讯号的工作 周期小于50%，以产生在第二电平的驱动电压讯号使光源进行散热，其中第 二电平小于第一电平。此外，本发明亦提供一种发光二极管驱动电路，包括一电源转换单元以 及一控制单元。其中，电源转换单元耦接一输入电压，根据一控制讯号将输 入电压转换成一输出电压以驱动一发光二极管模块发光。以及控制单元产生 控制讯号，使发光二极管模块交替于顺向偏压操作或逆向偏压操作。由于发光二极管在顺向偏压下工作时，可以正常地被驱动，而在逆向偏 压下工作时，可以进行散热。因此，本发明不需要额外的硬件机构，就可以 有效地对发光二极管进行散热。为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较 佳实施例，并结合附图详细说明如下。
图1示出了一种现有具有散热结构的发光二极管模块示意图；图2示出了发光二极管在顺偏时栽流子运动的示意图；图3示出了发光二极管在逆偏时载流子运动的示意图；图4A示出了依照本发明第一较佳实施例的一种光源的驱动电路的方块
图；图4B和图4C示出了依照本发明较佳实施例的电源转换单元402的内 部电路方块图；图5示出了依照本发明较佳实施例的电源转换单元的电路图； 图6示出了图5的电源转换单元产生驱动电压讯号所需的脉宽调制讯号 的时序图；图7示出了一种脉宽调制讯号与驱动电压讯号的时序图；图8示出了依照本发明第二较佳实施例的一种光源的驱动电路的方块图；图9A和图9B示出了驱动电压讯号Vd的波形图；以及图10示出了依照本发明第三较佳实施例的一种光源的驱动电路的方块附图符号说明100:发光二极管模块102、 201、 422、 424、 426:发光二极管104:金属片203: P型区205: N型区400、 900、 1000:驱动电路402:电源转换单元404:控制单元420:光源501:开关组件503、 507:电感505、 511:电容509: 二极管902:脉宽调制单元904:开关1002:温度传感器4022、 4024:图4A直流转直流转换模块4024:偏压单元DCV1、 DCV2:电源VI、 V2:直流偏压Vpwml、 Vpwm2:乐^宽调制ifl号T1 T6:时间区间具体实施方式
请参照图2所示，发光二极管是一种PN接面的半导体，当施加顺向偏 压时就可以激发出光。如图2所示，发光二极管201具有P型区203和N型 区205。当发光二极管201 ^皮施加了直流的顺向偏压VI时，P型区203中的 空穴和N型区205中的电子便会向接面处移动，并且自由重新结合，而发生 此状况时就有能量被释放出来的现象，这就是发光二极管激发发光的原理。当发光二极管在工作时，由于电子和空穴重新结合会释放能量，因此在 发光二极管的接面处温度就会开始升高。相对地，当发光二极管在逆向偏压 的操作下，如图3所示，在发光二极管201上施加逆向偏压V2。此时，P 型区203的空穴和N型区205内的电子就会远离接面，而向发光二极管201 的两个端点移动。而藉由空穴和电子的移动，就能将发光二极管接面处的热 能带往发光二极管的两端。藉此，本发明即构思利用以上的原理，来实现发 光二极管散热的目的。请参照图4A所示，为本发明第一较佳实施例的驱动电路400，其适于驱动具有多个发光二极管(如422、 424..... 426)的光源420。于本实施例中，驱动电路400主要包括一电源转换单元402及一控制单元404。其中，电源 转换单元402可为一升降压电路，其接收控制单元404的输出和一电源 DCV1,并且依据控制单元404的输出来控制光源420。在本实施例中，控制单元404可以是脉宽调制单元(PWM)，其用来产生 脉宽调制讯号Vpwml至电源转换单元402。藉此，电源转换单元402就可 以依据脉宽调制讯号Vpwml的工作周期，而产生不同电平的驱动电压讯号 Vd来控制光源420为顺偏运作或是逆偏运作。另外，光源420中的发光二极管422、 424.....426可以彼此串联。在本实施例中，每一发光二极管的阴极端，耦接至下一发光二极管的阳极端。 其中，第一个晶体管422的阳极端接收电源转换单元402所输出的驱动电压
讯号Vd,而最后一个发光二极管的阴极端可以耦接一直流偏压DCV2。在另外一些选择实施例中，光源420中的发光二极管422、 424..... 426可以利用相反的方式耦接。也就是说，每一发光二极管的阳极端耦接至下一 发光二极管的阴极端。其中，第一个发光二极管的阴极端接收电源转换单元 402所输出的驱动电压讯号Vd,而最后一个发光二极管的阳极端可以接地， 或是通过另一偏压接地。请继续参照图4A，当驱动电压讯号Vd的电平大于直流偏压DCV2，则 光源420为顺偏运作。相对地，当驱动电压讯号Vd的电平小于直流偏压 DCV2，则光源420为逆偏运作。此外，在其它实施例中，光源420中的最 后一个发光二极管的阴极端亦可为接地，因此当驱动电压讯号Vd为一负电 压电平时，则光源420亦为逆偏操作。请参照图4B和图4C所示，为本发明较佳实施例的电源转换单元402 的内部电路方块图。在图4A中，电源转换单元402可以包括图4B直流转 直流转换模块4022和偏压单元4024。其中，图4B直流转直流转换模块4022 会依据控制单元404的输出而产生驱动电压讯号Vd给光源420,而偏压单 元4024则可以输出偏压DCV2给光源420。另外，在图4C中，直流转直流转换模块4026可以取代图4B中的偏压 单元4024。而与偏压单元4024相同，直流转直流转换模块4026可以依据控 制单元404的输出而产生偏压DCV2给光源420。接着，请参阅图5所示，为本发明较佳实施例的电源转换单元的电路图。 本实施例的电源转换单元402包括一开关组件501、多个电感503、 507、多 个电容505、 511以及一二极管509。本实施例的开关组件501可以由NMOS晶体管来实现，其第一源/漏极 端接地，栅极端接收脉宽调制讯号Vpwml,而第二源/漏极端则通过电感503 而耦接至电源DCV1。开关组件501的第二源/漏极端耦接至电容505的其中一端，而电容505 的另一端则通过电感507接地，以及耦接至二极管509的阳极端。另外，二 极管509的阴极端则通过电容511接地。图6示出了图5的电源转换单元402产生驱动电压讯号所需的脉宽调制 讯号Vpwml的时序图。请合并参照图5和图6，当脉宽调制讯号Vpwml 在区间I内被致能时，会导致开关组件501导通。此时，电源DCV1会供应
电流流经电感503和开关组件501,佳J寻电感503开始+者能。在区间II内，脉宽调制讯号Vpwml被禁能，而导致开关组件501关闭。 此时，电源DCV1所供给的电流会加上电感503所储存的电流，而对电容 505进行充电。在区间III内，脉宽调制讯号Vpwml又^皮致能，导致开关组件501被导 通。此时，电容505开始放电，以致于电感507开始储能。在区间IV内，脉宽调制讯号Vpwml又被禁能，导致开关组件501关闭。 此时，电源DCV1所供给的电流会加上电感503所储存的电流而对电容511 进行充电，同时电感507也会开始对电容511进行充电。藉此，电源转换单 元402就能够产生稳定的驱动电压讯号Vd。由以上可知，驱动电压讯号Vd与电源DCVl所输出的电压的比值，会 与脉宽调制讯号Vpwml的工作周期有关。在本实施例中，驱动电压讯号Vd 与电源DCV1所输出的电压的比值可以利用下式表示其中，Vo代表输出电压，也就是驱动电压讯号Vd; V!为输入电压，也就是 电源DCV1所提供的直流偏压；而D则代表脉宽调制讯号Vpwml的工作周 期比。图7示出了一种脉宽调制讯号与驱动电压讯号的时序图。从图7中可以 清楚地看出，在时间区间Tl内，由于脉宽调制讯号Vpwml的工作周期大 于50%(可以称为第一工作周期)，而依照上述第(l)式，则驱动电压讯号Vd 会具有较高的电平。相对地，在时间区间T2内，由于脉宽调制讯号Vpwml 的工作周期小于50%(可以称为第二工作周期)，导致驱动电压讯号Vd会切 换到较低的电平。因此，本发明藉由调整脉宽调制讯号Vpwml的工作周期， 就可以控制驱动电压讯号Vd，进而使光源进行顺偏或是逆偏的运作。配合图4A来作详细地说明，当驱动电压讯号Vd在较高电平而大于电 源DCV2所提供的偏压时，光源420就可以在顺偏下运作。反之，当驱动电 压讯号Vd在较低电平而小于电源DCV2所提供的偏压时，则光源420就可 以在逆偏下运作。另外，请参阅图8所示，为依照本发明第二较佳实施例的驱动电路的方 块图。请参照图8,其中与图4A的驱动电路相同的编号或相同名称的功能
方块，代表相同的功能与工作原理。本实施例的驱动电路900与第一实施例 的不同处，是驱动电路900还具有一脉宽调制单元902和一开关904。请继续参照图8，开关904配置于电源转换单元402和光源420之间， 并且依据脉宽调制单元902所产生的脉宽调制讯号Vpwm2，而决定是否将 电源转换单元402所产生的驱动电压讯号Vd导通至光源420。在本实施例 中，脉宽调制单元902所产生的脉宽调制讯号Vpwm2是用来调整光源420 的亮度。因此，藉由调整脉宽调制讯号Vpwm2的工作周期，就可以输出一 调光后的脉宽调制讯号Vd(如图9A),以调整光源420的亮度。另外，当驱 动电压讯号Vd被禁能时，则电源DVC2令光源420为逆向偏压操作，以达 散热的功效。图9A和图9B示出了一调光后的驱动电压讯号Vd的波形图。请先参照 图9A,在时间区间T3内，会产生峰值在较高电平的方波的驱动电压讯号 Vd。此时，例如图4A的光源420就可以在顺偏下运作。而在时间区间T4 内，会产生峰值在较低电平的方波的驱动电压讯号Vd，导致例如图4A的光 源420在逆偏下运作。在本实施例中，时间区间T3的大小会大于时间区间 T4的大小。也就是说，光源420可以在工作一段时间后，再进行散热的动 作。再参照图9B，其所显示的波形与图9A最大的不同点，在于时间区间 T5和T6的大小相同。也就是说，光源在顺偏下运作的时间与在逆偏下运作 的时间大致相同，这比较适合在高速运作下的系统，其散热的要求较为严格。图10示出了依照本发明第三较佳实施例的驱动电路的方块图。请参照 图10,其中与图4A的驱动电路相同的编号或相同名称的功能方块，代表相 同的功能与工作原理。本实施例所提供的驱动电路1000与第一实施例的不 同处，本实施例的驱动电路1000还具有一温度传感器1002,用来检测光源 420的工作温度。当光源420的工作温度超过一默认值时，温度传感器1002 产生一检测讯号至控制单元404,当控制单元404接收到检测讯号时，才调 整送至电源转换单元402的脉宽调制讯号Vpwml的工作周期，例如使其的 工作周期变小。使电源转换单元402产生随时间变动的驱动电压Vd(如图7所示)，令光 源420随时间在逆向偏压操作及顺向偏压操作交替操作，以达散热的目的。 综上所述，由于本发明可以在不同的工作区间内控制发光二极管顺偏或
是逆偏运作。因此，本发明不需要额外的硬件，就可以有效地对光源进行散热。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领 域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润 饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
权利要求
1.一种光源的驱动电路，其中该光源包括至少一发光二极管，该驱动电路包括一第一脉宽调制单元，用以产生一第一脉宽调制讯号，而该第一脉宽调制讯号的工作周期为可变；以及一电源转换单元，依据该第一脉宽调制讯号，而产生一驱动电压讯号来控制该光源为顺向偏压操作或逆向偏压操作。
2. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，其中当该光源为顺向偏压操作 时，该第一脉宽调制讯号的工作周期实质上为一第一工作周期，当该光源逆 向偏压操作时，该第一脉宽调制讯号的工作周期实质上为一第二工作周期。
3. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，还包括一第一电源，用以提供 一直流偏压给该电源转换单元。
4. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，其中当该光源具有多个发光二 极管时，每一发光二极管的阴极端耦接至下一发光二极管的阳极端，而第一 个发光二极管的阳极端接收该驱动电压讯号。
5. 如权利要求4所述的光源的驱动电路，其中最后一发光二极管的阴极 端接地。
6. 如权利要求4所述的光源的驱动电路，其中最后一发光二极管的阴极 端通过一第二电源接地，且该第二电源提供一第二电压讯号。
7. 如权利要求6所述的光源的驱动电路，还包括一第二脉宽调制单元， 用以产生一第二脉宽调制讯号，以决定是否送出该驱动电压讯号，以调整该 光源的亮度，且当该驱动电压讯号不送出时，该第二电压讯号令该光源为逆 向偏压操作。
8. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，其中当该光源具有多个发光二 极管时，每一发光二极管的阳极端耦接至下一发光二极管的阴极端，而第一 个发光二极管的阴极端接收该驱动电压讯号。
9. 如权利要求8所述的光源的驱动电路，其中最后一发光二极管的阳极 端接地。
10. 如权利要求8所述的光源的驱动电路，其中最后一发光二极管的阳极 端通过一第三电源接地，且该第三电源提供一第三电压讯号。
11. 如权利要求10所述的光源的驱动电路，还包括一第二脉宽调制单元， 用以产生一第二脉宽调制讯号，以决定是否送出该驱动电压讯号，以调整该 光源的亮度，且当该驱动电压讯号不送出时，该第三电压讯号令该光源为逆 向偏压操:作。
12. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，还包括 一开关，配置于该电源转换单元与该光源之间；以及 一第二脉宽调制单元，用以产生一第二脉宽调制讯号来决定该开关是否导通，以调整该光源的亮度。
13. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，还包括一温度传感器，用以检 测该光源的工作温度，当该光源的工作温度超过一默认值时，则产生一检测 讯号，该第一脉宽调制单元依据该检测讯号，调整该第一脉宽调制讯号的工 作周期，使该驱动电压讯号随时间变动，令该光源随时间在逆向偏压操作及 顺向偏压操作交替操作。
14. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，其中该电源转换单元包括 一开关组件，其接收该第一脉宽调制讯号；一第一电感，其中一端接收一直流偏压，另一端则耦接该开关组件； 一第二电感；一第一电容，其中一端耦接该开关组件，另一端则通过该第二电感接地； 一二极管，其阳极端耦接该第一电容的一端，并通过该第二电感接地；以及一第二电容，其中一端耦接该二极管的阴极端，另一端接地。
15. 如权利要求14所述的光源的驱动电路，其中该开关组件为一晶体管， 并且该开关组件的第一源极/漏极端接地，其栅极端接收该第一脉宽调制讯
16. 如权利要求1所述的光源的驱动电路，其中该电源转换单元为一升降 压电路。
17. 如权利要求16所述的光源的驱动电路，其中当该脉宽调制单元所产 生的脉宽调制讯号的工作周期大于50% ,则该光源为顺向偏压操作。
18. 如权利要求16所述的光源的驱动电路，其中当该脉宽调制单元所产 生的脉宽调制讯号的工作周期小于50% ,则该光源为逆向偏压操作。
19. 一种光源的驱动方法，其中该光源包括至少一个发光二极管，而该驱动方法包4舌下列步骤在一第 一 时间区间内使该发光二极管为顺向偏压操作，致使该光源正常 运作；以及在一笫二时间区间内使该发光二极管为逆向偏压操作，致使该光源进行 散热。
20. 如权利要求19所述的光源的驱动方法，还包括下列步骤 产生一脉宽调制讯号，其中该脉宽调制讯号的工作周期为可变； 在该第一时间区间内，该脉宽调制讯号的工作周期实质上为一第一预定工作周期，以产生在一第一电平的一驱动电压讯号来驱动该光源；以及 在该第二时间区间内，该脉宽调制讯号的工作周期实质上为一第二预定工作周期，以产生在一第二电平的该驱动电压讯号来驱动该光源，其中该第 二电平小于该第一电平。
21. 如权利要求20所述的光源的驱动方法，还包括当该光源的工作温度 超过一默认值时，则调整该脉宽调制讯号的工作周期。
22. 如权利要求19所述的光源的驱动方法，其中该第一时间区间的大小 大于该第二时间区间的大小。
23. 如权利要求19所述的光源的驱动方法，其中该第一时间区间的大小 等于该第二时间区间的大小。
24. 如权利要求19所述的光源的驱动方法，还包括施加一直流偏压至该 发光二极管的阴极端。
25. 如权利要求19所述的光源的驱动方法，还包括下列步骤 提供一脉宽调制讯号，其中该脉宽调制讯号的工作周期为可变； 在该第一时间区间内，使该脉宽调制讯号的工作周期大于50%,以产生在第一电平的一驱动电压讯号来驱动该光源；以及在该第二时间区间内，使该脉宽调制讯号的工作周期小于50%，以产生 在第二电平的驱动电压讯号来驱动该光源，其中该第二电平小于该第一电 平。
26. —种发光二极管驱动电路，该驱动电路包括一电源转换单元，耦接一输入电压，根据一控制讯号将该输入电压转换 成一输出电压以驱动一发光二极管模块发光；以及一控制单元，产生该控制讯号，用以使该发光二极管模块交替于顺向偏压l喿作或逆向偏压操作。
27. 如权利要求26所述的发光二极管驱动电路，其中该电源转换单元包 含一直流转直流转换模块及一偏压模块，该直流转直流转换模块耦接该发光 二极管模块的一第一端，而该偏压模块耦接该发光二极管模块的一第二端。
28. 如权利要求26所述的发光二极管驱动电路，其中该电源转换单元包 含两直流转直流转换模块，该两直流转直流转换模块的一耦接该发光二极管 模块的一第 一端，而该两直流转直流转换模块的另 一耦接该发光二极管模块 的一第二端。
29. 如权利要求26所述的发光二极管驱动电路，其中该控制单元为一脉 宽调制单元，用以提供脉宽调制的该控制讯号，其中该控制讯号有一第一组 工作周期及一第二组工作周期，于该第一组工作周期时，该发光二极管模块 为顺向偏压操作，于该第二组工作周期时，该发光二极管模块为逆向偏压操作。
30. 如权利要求29所述的发光二极管驱动电路，其中该控制单元根据该 发光二极管模块的一温度讯号，调整该控制讯号位于何组工作周期。
31. 如权利要求30所述的发光二极管驱动电路，其中该温度讯号高于一 预定值时，该控制讯号交替输出具有该第一组工作周期的该控制讯号及具有 该第二组工作周期的该控制讯号。
32. 如权利要求30所述的发光二极管驱动电路，其中该温度讯号低于一 预定值时，该控制讯号输出具有该第一组工作周期的该控制讯号。
全文摘要
一种光源的驱动电路，适用于包括多个发光二极管的光源，而本发明的驱动电路则包括一第一脉宽调制单元和一电源转换单元。其中，第一脉宽调制单元会产生一第一脉宽调制讯号，使得电源转换单元，依据第一脉宽调制讯号的工作周期，而产生一驱动电压讯号来控制光源为顺向偏压操作或逆向偏压操作，以稳定光源在操作时的温度。
文档编号H05B33/08GK101166381SQ20061013559
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者陈力辅, 高进发 申请人:硕颉科技股份有限公司