专利名称：发光二极管驱动电路及其晶体管开关模块的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种晶体管开关模块及使用该晶体管开关模块的发光二极管驱动
电路，特别是有关于一种具有电压箝制功能的晶体管开关模块及使用该晶体管开关模块的发光二极管驱动电路。
背景技术：
请参考图1，为一公知的发光二极管驱动装置。该发光二极管驱动装置包含一调光控制单元10、一误差放大器15、一N型金属氧化物半导体晶体管20、一电源供应器25、一发光二极管模块30以及一电流检测电阻R。电源供应器25耦接发光二极管模块30的一端以提供一驱动电压驱动发光二极管模块30发光。N型金属氧化物半导体晶体管20耦接发光二极管模块30的另一端，根据一开关控制信号控制流经发光二极管模块30的电流大小。电流检测电阻R耦接N型金属氧化物半导体晶体管20，检测流经发光二极管30的电流大小，并产生一电流检测信号。误差放大器15接收电流检测信号及调光控制单元10的一控制信号，并据此输出开关控制信号至N型金属氧化物半导体晶体管20，以控制流经N型金属氧化物半导体晶体管20的电流大小。调光控制单元10接收一调光信号，在调光信号代表ON状态时，产生一参考电平信号作为控制信号，使电流检测信号与参考电平信号等电位，N型金属氧化物半导体晶体管20处于导通状态；在调光信号代表OFF状态时，产生一低电平信号作为控制信号，N型金属氧化物半导体晶体管20处于截止状态，如此而达到调光效果。
当N型金属氧化物半导体晶体管20截止时，发光二极管模块30不再流经电流，此时N型金属氧化物半导体晶体管20的漏极电位将被拉到约等于驱动电压。以发光二极管的驱动电压为4伏特为例，当发光二极管模块30为串接20个发光二极管时，驱动电压为80伏特。因此，N型金属氧化物半导体晶体管20必须为高压金属氧化物半导体晶体管。高压金属氧化物半导体晶体管为了能耐高压，其芯片面积不仅较大而成本提高，且其栅极源极电容(Cgs)也随之大增。栅极源极电容(Cgs)的上升也造成误差放大器15必须具备高驱动能力以驱动N型金属氧化物半导体晶体管20。再者，金属氧化物半导体晶体管的损耗正比于fCV2，其中f为切换频率，C为栅极源极电容值，V为切换时的电位变化。因此，耐高压能力越好的金属氧化物半导体晶体管会不仅功率损耗高，且需增加电路的散热能力以避免电路及金属氧化物半导体晶体管过热而毁损。
发明内容
鉴于公知技术中存在的问题，本发明利用一电压箝制元件，在控制发光二极管模
块电流的金属氧化物半导体晶体管截止时，箝制金属氧化物半导体晶体管漏极的电位，以
降低金属氧化物半导体晶体管的耐压需求。如此，不仅发光二极管驱动装置的成本可大幅
下降，也可减少金属氧化物半导体晶体管的功耗、提高了整体电路的效率。 为实现上述目的，本发明提供了一种晶体管开关模块，包含一晶体管开关、一调光
控制单元以及一电压箝制元件。该晶体管开关具有一控制端、一第一端以及一第二端，该第一端耦接一发光二极管模块。该调光控制单元耦接该晶体管开关的该控制端并包含一多路复用器，该多路复用器接收一第一参考信号、一第二参考信号及一调光信号并根据该调光信号选择输出该第一参考信号或该第二参考信号，以控制流经该晶体管开关的一电流大小。该电压箝制元件耦接该晶体管开关的该第一端，以使该第一端的电位与该第二端的电位差小于一预定值。 本发明也提供了一种发光二极管驱动电路，包含一电流控制装置、一调光控制单元以及一电压箝制元件。该电流控制装置具有一控制端、多个第一端以及一第二端，该多个第一端对应耦接该发光二极管模块中的多个发光二极管单元，其中该多个第一端流经的电流大小实质上相同。该调光控制单元耦接该晶体管开关的该控制端，该调光控制单元包含一多路复用器，该多路复用器接收一第一参考信号、一第二参考信号及一调光信号并根据该调光信号选择输出该第一参考信号或该第二参考信号，以控制流经该电流控制装置的一电流大小。该电压箝制元件耦接该电流控制装置的该多个第一端，以使每一该多个第一端的电位与该第二端的电位差小于一预定值。 以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。
图1为一公知的发光二极管驱动装置； 图2为本发明的一较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装置的电路示意图； 图3为本发明的另一较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装置的电路示意图； 图4为本发明的第三较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装置的电路示意图； 图5为本发明的第四较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装置的电路示意图； 图6为本发明应用于多串发光二极管单元所组成的发光二极管模块的发光二极
管驱动装置的电路示意图。 其中，附图标记 调光控制单元IO 误差放大器15 N型金属氧化物半导体晶体管20 电源供应器25 发光二极管模块30 电流检测电阻R 调光控制单元100、200、300、400、500
参考电压产生器102、202、302、402、502
多路复用器104、204、304、404、504
滤波电路106 、206 、306 、406 、506
误差放大器110、210、310、410、510 晶体管开关115、215、315、415 电流控制装置515 电压箝制元件120、220、320、420、520 电源供应器125、225、325、425、525 发光二极管模i央130、230、330、430、530 驱动电压VDDH 电源电压VDDL、 VDDL' 电流检测电阻R
具体实施例方式
请参考图2，为本发明的一较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装 置的电路示意图。发光二极管驱动装置包含一调光控制单元100、一晶体管开关115、一电 压箝制元件120、一电源供应器125以及一发光二极管模块130。电源供应器125耦接发光 二极管模块130的一端以提供一驱动电压VDDH驱动发光二极管模块130发光。晶体管开 关115具有一控制端、一第一端以及一第二端，第一端耦接发光二极管模块130，第二端耦 接一参考电位(例如接地)，控制端接收由调光控制单元100产生的一控制信号。调光控 制单元100包含一参考电压产生器102、一多路复用器104、一滤波电路106以及一误差放 大器110。多路复用器104的一输入端接收参考电压产生器102所产生的一第一参考信号， 另一输入端则接收一第二参考信号(在本实施例为接地)，并根据所接收的一调光信号DIM 选择输出第一参考信号或第二参考信号。滤波电路106耦接于该多路复用器104及该误差 放大器110之间，以滤除该多路复用器104切换第一参考信号或第二参考信号输时所产生 的噪声。误差放大器110的反向端接收一电流检测电阻R所产生的一检测信号(即晶体管 开关115第二端的电位)，非反向端则接收该多路复用器输出的信号，以根据该多路复用器 输出的信号调整输出至晶体管开关115控制端的信号的电平，使检测信号的电平受控于该 多路复用器所输出信号的电平附近。 当调光信号DIM位于代表导通的状态时(例如高电平)，多路复用器104选择输 出参考电压产生器102所产生的第一参考信号，此时晶体管开关115导通以通过一预定电 流大小，使电流检测电阻R所产生的检测信号的电平与第一参考信号的电平相同，因此发 光二极管模块130持续稳定发光。而当调光信号位于代表截止的状态时(例如低电平)， 多路复用器104选择输出零电位的第二参考信号使流经该晶体管开关115的该电流降至 零，此时发光二极管模块130不发光。电压箝制元件120耦接晶体管开关115的第一端及一 参考电平，在调光信号位于代表截止的状态时，电压箝制元件120箝制第一端的电位于一 预定电位，如此即可确保晶体管开关115第一端的电位与第二端的电位差小于一预定值。 参考电平可以是接地电位或系统的一稳定电压源，在本实施例，参考电平是调光控制单元 的一电源电压VDDL，而电压箝制元件120为一二极管。 电压箝制元件120所箝制的预定电平根据发光二极管模块130的发光临界电压而 设定，较佳的为设定在(驱动电压VDDH-发光临界电压)附近。举例来说，驱动电压VDDH 为80伏特，而发光二极管模块130为串接20个发光二极管，发光二极管平均的临界电压为3. 5V，故发光二极管模块130的发光临界电压为20*3. 5 = 70伏特，因此，箝制预定电平可 以设定在80-70 = 10伏特上下，最佳为略高于10伏特，以确保发光二极管模块130此时不 发光。因此，当调光信号位于代表导通的状态时，晶体管开关115的第一端电压低于10伏 特的预定电平，发光二极管模块130发光，此时压箝制元件120并无作用。而当调光信号位 于代表截止的状态时，晶体管开关115停止导通电流使发光二极管模块130不发光，此时第 一端电压被电压箝制元件120箝制在IO伏特左右的预定电平上。所以，晶体管开关115的 耐压仅需在高于10伏特即可，而不需到80伏特。 因此，使用本发明技术方案的发光二极管驱动装置仅需使用一般的低压金属氧化 物半导体晶体管即可而不必使用高压金属氧化物半导体晶体管，可降低成本。而且，低压金 属氧化物半导体晶体管不仅对调光控制单元的驱动能力要求较低，其功率损耗也较低而可 提高发光二极管驱动装置的电路效率。 压箝制元件120除了如图2所示的二极管外，也可以是其他具有电压箝制能力的 元件。请参考图3，为本发明的另一较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装 置的电路示意图。本实施例的发光二极管驱动装置包含一调光控制单元200、一晶体管开 关215、一电压箝制元件220、一电源供应器225以及一发光二极管模块230。调光控制单 元200包含一参考电压产生器202、一多路复用器204、一滤波电路206以及一误差放大器 210。与图2所示的电路相较，图3的电压箝制元件220为基纳二极管，耦接于晶体管开关 215的第一端及参考电位(接地)之间，即可达到依据调光信号，将晶体管开关215的第一 端箝制在预定电平或之下。图3的其他元件的功能及运作与图2的元件相同，在此不再重 复说明。 上述两实施例均使用N型金属氧化物半导体晶体管为例来说明，而实际应用时， 亦可使用P型金属氧化物半导体晶体管或者多个N型金属氧化物半导体晶体管或P型金属 氧化物半导体晶体管(例如应用于高电流操作)作为晶体管开关。请参考图4，为本发明 的第三较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管驱动装置的电路示意图。本实施例 的发光二极管驱动装置包含一调光控制单元300、一晶体管开关315、一电压箝制元件320、 一电源供应器325以及一发光二极管模块330。调光控制单元300包含一参考电压产生器 302、一多路复用器304、一滤波电路306以及一误差放大器310。在本实施例中，晶体管开 关315耦接一参考电位(电源供应器325所输出的驱动电压VDDH)及一电源电压VDDL'，其 中晶体管开关315为P型金属氧化物半导体晶体管。晶体管开关315的第一端耦接发光二 极管模块330，该第二端耦接一参考电位(在此实施例为电源供应器325所输出的驱动电 压VDDH)。发光二极管模块330 —端耦接于晶体管开关315的第一端，另一端接地。调光 控制单元300根据一调光信号DIM控制晶体管开关315为截止状态或导通状态而达到调光 功能。电压箝制元件320包含至少一二极管，利用二极管的数量多寡来调整电压箝制元件 320的箝制预定电平(即，箝制预定电平"，Vd，其中N为二极管数量，Vd为二极管PN结 造成的顺向偏压值)，使晶体管开关315就算处于截止状态，其两端的电位差也能小于一预 定值。 接着，请参考图5，为本发明的第四较佳实施例的晶体管开关模块用于发光二极管 驱动装置的电路示意图。本实施例的发光二极管驱动装置包含一调光控制单元400、一晶体 管开关415、一电压箝制元件420、一电源供应器425以及一发光二极管模块430。调光控制单元400包含一参考电压产生器402、一多路复用器404、一滤波电路406以及一误差放大 器410。相较于图2所示实施例，电压箝制元件420包含至少一个双极性晶体管，每一双极 性晶体管的射极耦接下一个双极性晶体管的基极，最后一个双极性晶体管的射极接地，该 些双极性晶体管的集电极则耦接至一电流源(例如本实施例中的电流镜)，使双极性晶体 管表现出PN结的特性而达到箝制晶体管开关415第一端及第二端的电位差在一预定值之 下。 上述实施例中的发光二极管模块均以单串的发光二极管单元为例说明，而实际应 用上本发明的晶体管开关模块也可以应用至多串发光二极管单元所组成的发光二极管模 块。请参考图6，为本发明应用于多串发光二极管单元所组成的发光二极管模块的发光二 极管驱动装置的电路示意图。本实施例的发光二极管驱动装置包含一调光控制单元500、 一电流控制装置515、一电压箝制元件520、一电源供应器525以及一发光二极管模块530。 调光控制单元500包含一参考电压产生器502、一多路复用器504、一滤波电路506以及一 误差放大器510。发光二极管模块530为由多串的发光二极管单元所组成。电流控制装置 515具有一控制端、多个第一端以及一第二端，该多个第一端对应耦接该发光二极管模块 530中的多个发光二极管单元，而第二端接地。电流控制装置515为一电流镜电路，故该多 个第一端流经的电流大小实质上相同，使发光二极管模块530中每一串的发光二极管单元 的发光亮度几乎一致。电压箝制元件520包含多个二极管，每一二极管的正端耦接电流控 制装置515中对应的第一端，而负端耦接至作为参考电平的电源电压VDDL。如此，电流控制 装置515中的多个第一端的电位均受电压箝制元件520的箝制，使多个第一端的电位与该 第二端的电位差均小于一预定值。 根据上述说明可知，本发明的电压箝制元件可以是任何具有电压箝制能力的元件 及其组合，例如电压箝制元件可以为至少一二极管、至少一基纳二极管、至少一双极性晶 体管、金属氧化物半导体晶体管或上述元件的组合。另外，每一个控制器，例如实施例中的 调光控制单元，均会设计一静电防护(ESD)单元，将控制器内部的电路的电位箝制在约略 一接地电位到一操作电位的范围内，以避免控制器遭受静电等造成的瞬间高压而毁损。因 此，控制器的静电防护单元也可以作为本发明的电压箝制元件而达到相同的功能。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种晶体管开关模块，其特征在于包含一晶体管开关，具有一控制端、一第一端以及一第二端，该第一端耦接一发光二极管模块；一调光控制单元，耦接该晶体管开关的该控制端，该调光控制单元包含一多路复用器，该多路复用器接收一第一参考信号、一第二参考信号及一调光信号并根据该调光信号选择输出该第一参考信号或该第二参考信号，以控制流经该晶体管开关的一电流大小；以及一电压箝制元件，耦接该晶体管开关的该第一端，以使该第一端的电位与该第二端的电位差小于一预定值。
2. 根据权利要求1所述的晶体管开关模块，其特征在于该电压箝制元件为该调光控制 单元内的一静电防护单元。
3. 根据权利要求1所述的晶体管开关模块，其特征在于该电压箝制元件包含至少一二 极管、至少一基纳二极管、至少一双极性晶体管或其组合。
4. 根据权利要求1所述的晶体管开关模块，其特征在于该多路复用器选择该第二参考 信号输出时，流经该晶体管开关的该电流降至零。
5. 根据权利要求1所述的晶体管开关模块，其特征在于该调光控制单元还包含一误差 放大器，该误差放大器根据该第二端的电平及该多路复用器输出的信号，以控制该晶体管 开关的状态。
6. 根据权利要求5所述的晶体管开关模块，其特征在于该调光控制单元还包含一滤波 电路耦接于该多路复用器及该误差放大器之间，以滤除该多路复用器所输出信号的噪声。
7. —种发光二极管驱动电路，其特征在于包含一电流控制装置，具有一控制端、多个第一端以及一第二端，该多个第一端对应耦接 该发光二极管模块中的多个发光二极管单元，其中该多个第一端流经的电流大小实质上相 同；一调光控制单元，耦接该晶体管开关的该控制端，该调光控制单元包含一多路复用器， 该多路复用器接收一第一参考信号、一第二参考信号及一调光信号并根据该调光信号选择 输出该第一参考信号或该第二参考信号，以控制流经该电流控制装置的一电流大小；以一电压箝制元件，耦接该电流控制装置的该多个第一端，以使每一该第一端的电位与 该第二端的电位差小于一预定值。
8. 根据权利要求7所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该电流控制装置为一电流 镜电路。
9. 根据权利要求7所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该电压箝制元件为该调光 控制单元内的一静电防护单元。
10. 根据权利要求7所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该电压箝制元件包含至 少一二极管、至少一基纳二极管、至少一双极性晶体管或其组合。
11. 根据权利要求7所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该多路复用器选择该第 二参考信号输出时，流经该电流控制装置的该电流降至零。
12. 根据权利要求7所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该调光控制单元还包含 一误差放大器，该误差放大器根据该第二端的电平及该多路复用器输出的信号，以控制该 电晶体开关的状态。
13.根据权利要求12所述的发光二极管驱动电路，其特征在于该调光控制单元还包含 一滤波电路，其耦接于该多路复用器及该误差放大器之间，以滤除该多路复用器所输出信 号的噪声。
全文摘要
本发明利用一电压箝制元件，在控制发光二极管模块电流的金属氧化物半导体晶体管截止时，箝制金属氧化物半导体晶体管漏极的电位，以降低金属氧化物半导体晶体管的耐压需求。如此，不仅发光二极管驱动装置的成本可大幅下降，也可减少金属氧化物半导体晶体管的功耗、提高了整体电路的效率。
文档编号F21V23/00GK101730335SQ20081017522
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者余仲哲, 徐献松, 柳娟娟 申请人:登丰微电子股份有限公司