CN1788363A - 恒流驱动装置、背光光源装置以及彩色液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种利用脉宽调制恒流驱动电路来以恒定电流驱动串联连接的多个发光二极管的恒流驱动装置，其中具有包括与串联连接的多个发光二极管(41A)～(41E)的每一个并联连接的晶闸管(81A)～(81E)的旁路电路(80A)～(80E)，并利用该旁路电路(80A)～(80E)中设置的栅极电位设定电路(83A)～(83E)向晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管(41A)～(41E)正常动作时，使晶闸管(81A)～(81E)成截止状态，而在发光二极管(41A)～(41E)变为开路状态时，使与变为开路状态的发光二极管(41A)～(41E)并联连接的晶闸管导通。

Description

恒流驱动装置、背光光源装置以及彩色液晶显示装置
技术领域
本发明涉及利用脉宽调制恒流驱动电路来以恒定电流驱动串联连接的多个发光二极管(LED)的恒流驱动装置、由该恒流驱动装置驱动的背光光源装置以及彩色液晶显示装置。
本申请以2004年4月20日在日本申请的日本专利申请号2004-124795的申请为基础而要求优先权，本申请以参考的方式引用该申请。
背景技术
以液晶面板和等离子显示面板(PDP)为代表，最近已经形成朝着更薄显示器发展的趋势。尤其很多用于移动用途的显示器都是液晶面板，它需要具有可靠的颜色再现性。虽然用于液晶面板的主流背光是使用荧光管的CCFL(冷阴极荧光灯)类型，但是为了维护环境安全，需要不用汞也能够制造的光源，发光二极管等等被认为是替代CCFL的理想光源。
一般，在将发光二极管用于显示像素的显示器中，需要用于像素的X-Y寻址驱动电路来执行对发光二极管的矩阵驱动，该X-Y寻址驱动电路选择需要发光的像素位置上的发光二极管(寻址)，并且通过调制点亮时间来调整亮度(脉宽调制(PWM)驱动)，由此获得具有预定灰度级的显示屏幕。因此驱动电路很复杂，并且成本变高。例如在日本专利公报特开2001-272938号中公开了这种显示器。
发明内容
然而，发光二极管也具有寿命，从变得不能点亮的原因可将各个元件的故障粗略划分为三种类型，即：在其中发生断路而造成的开路模式的故障、在其中发生短路而造成的短路模式的故障、以及并非上述模式但光量下降的模式。
为了检测这些故障，需要采用以独立的驱动电路来驱动每个LED元件的方法，并需要构建时常反馈每个元件的操作状态的系统，因此，会增大成本，并难以在实际设备中实现。
此外，尽管存在使用发光二极管作为单独的发光像素的图像显示器，但即使在这种情况下的矩阵型驱动中，以往也不存在具有如上述单独确定每个发光二极管的故障并消除该故障的功能的系统。
当将发光二极管用作液晶显示器的背光时，由于每个发光二极管的功率很高，并且发光二极管的数目相对较少，因此，当由于故障而出现未点亮位置时，就会造成颜色不均匀，从而导致视觉效果变差。在以照明为用途的LED驱动设备中还没有制造出用于大功率驱动的矩阵驱动LSI等，并且由于成本问题而不利于实现，因此使用串联连接的形式。但是，在串联连接的形式中，当在单独的发光二极管中出现故障，并且该故障是断路时，在一行中所有发光二极管都不能被点亮，从而会导致显著的颜色不均匀。
因此，鉴于上述现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种恒流驱动装置、由该恒流驱动装置驱动的背光光源装置以及彩色液晶显示装置，该恒流驱动装置在以恒定电流驱动串联连接的多个元件例如发光二极管时，若元件发生OPEN模式的故障就旁路该故障处的元件电流，以自动避开该处的断线状态。
本发明是一种利用脉宽调制恒流驱动电路来以恒定电流驱动彼此串联连接的多个元件的恒流驱动装置，其具有包括与彼此串联连接的多个元件的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，并且在旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的元件正常动作时，使晶闸管成截止状态，在串联连接的元件变为开路状态时，使晶闸管导通。
此外，本发明是一种从显示面板的背面照亮该显示面板的背光光源装置，其具有彼此串联连接的多个发光二极管，和包括与彼此串联连接的多个发光二极管的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，并且在旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管正常动作时，使晶闸管成截止状态，在串联连接的发光二极管变为开路状态时，使晶闸管导通。
此外，本发明是一种彩色液晶显示装置，其包括具有滤色镜的透过型彩色液晶显示面板，以及从该彩色液晶显示面板的背面照亮该彩色液晶显示面板的背光光源装置，用于该装置的背光光源装置具有彼此串联连接的多个发光二极管，和包括与彼此串联连接的多个发光二极管的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，并且在旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管正常动作时，使晶闸管成截止状态，在串联连接的发光二极管变为开路状态时，使晶闸管导通。
在应用本发明的恒流驱动装置、由该恒流驱动装置驱动的背光光源装置以及彩色液晶显示装置中，设置包括与串联连接的多个元件的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，并通过该旁路电路中设置的栅极电位设定电路，提供这样的栅极电位，从而在串联连接的元件正常动作时使晶闸管成截止状态，在串联连接的元件变为开路状态时，使得与变为开路状态的元件连接的晶闸管导通，因此，在以恒定电流驱动串联连接的多个元件例如发光二极管时，若元件发生了OPEN模式的故障就旁路该故障处的元件电流，从而自动地避开该处的断线状态。
可从下面参考附图说明的实施方式中进一步了解本发明的其他目的和本发明能够获得的效果。
附图说明
图1是示出了本发明第一实施方式的背光型彩色液晶显示装置的透视图；
图2是示出了构成彩色液晶显示装置的驱动电路的框图；
图3A至图3C是示出了在彩色液晶显示装置的彩色液晶面板中设置的滤色镜的结构的平面图；
图4是构成彩色液晶显示装置的背光光源装置中的发光二极管的配置例的示意图；
图5是以电路图符号的二极管标记示出在发光二极管的配置例中各个发光二极管的连接形式的示意图；
图6是按每个颜色的发光二极管数量来样式化示出单位晶元的示意图，在该单位晶元中使用了两个红色发光二极管、两个绿色发光二极管以及两个蓝色发光二极管，从而在一行中总共排列了六个发光二极管；
图7是按发光二极管数量来样式化示出将三个作为基本单位的单位晶元4串联连接的情况的示意图；
图8是按LED数量来样式化示出在背光光源装置的光源中发光二极管的实际配置例的示意图；
图9是背光光源装置中的发光二极管的驱动结构的示意图；
图10是示出了用于使恒定电流流过背光光源装置中串联连接的多个发光二极管的结构的电路框图；
图11是示出了在背光光源装置中用于下述功能的结构的电路框图，即：当以恒定电流驱动串联连接的多个发光二极管时，若元件发生了OPEN模式的故障就旁路该故障处的元件电流，从而自动地避开该处的断线状态；
图12A是晶闸管的结构示意图，图12B是示出其动作的电路图；
图13是示出了在背光光源装置中用于下述功能的结构的电路框图，即：当串联连接的多个发光二极管发生了OPEN模式的故障时，旁路该故障处的元件电流，从而自动地避开该处的断线状态。
具体实施方式
下面将参考附图来详细说明本发明的实施方式。勿庸置疑，本发明不限定于以下示例，而是可在不脱离本发明要点的范围内进行任意改变。
本发明被应用于具有如图1所示的结构的背光型彩色液晶显示装置100中。
该彩色液晶显示装置100包括透过型彩色液晶显示面板10，和设置在该彩色液晶显示面板10的背面的背光光源装置20。
透过型彩色液晶显示面板10具有如下结构：由玻璃等透明材料构成的两个透明基板，即TFT基板11和对向电极基板12彼此相对配置，并通过将例如扭曲向列型(TN)液晶封入这两层基板之间的间隙中而设置了液晶层13。在TFT基板11上形成以矩阵方式配置的信号线14和扫描线15，以及配置在信号线14和扫描线15之交点处的作为开关元件的薄膜晶体管16和像素电极17。通过扫描线15来顺次选择薄膜晶体管16，并且将从信号线14提供的图像信号写入对应的像素电极17。另一方面，对向电极18和滤色镜19被形成在对向电极基板12的与TFT基板11相对一侧的表面上。
在该彩色液晶显示装置100中，具有上述结构的透过型彩色液晶显示面板10被夹在两个偏振片31、32之间。该彩色液晶显示装置100在由背光光源装置20从背面用白光对其进行照射的状态中，以有源矩阵方式来驱动，由此显示所需的全色图像。
背光光源装置20由光源21和波长选择滤波器22构成。背光光源装置20利用由光源21射出的光，经由波长选择滤波器22从彩色液晶显示面板10的背面对其进行照明。
该彩色液晶显示装置100由具有如图2所示的结构的驱动电路200驱动。
该驱动电路200例如包括：用于向彩色液晶显示面板10和背光光源装置20提供驱动电源的电源部110；用于驱动彩色液晶显示面板10的X驱动电路120和Y驱动电路130；经由输入端子140从外部输入图像信号的RGB处理部150；与该RGB处理部150连接的图像存储器160和控制部170了；以及用于对背光光源装置20进行驱动控制的背光驱动控制部18。
经由输入端子140输入到该驱动电路200中的图像信号要通过RGB处理部150进行诸如色度处理等的信号处理，还要从复合信号被转换成适于彩色液晶显示面板10的驱动的RGB分离信号，然后被提供到控制部170中，并且经由图像存储器160而被提供到X驱动器120中。另外，控制部170以对应于RGB分离信号的预定定时来控制X驱动电路120和Y驱动电路130，从而利用经由图像存储器160提供到X驱动电路120中的RGB分离信号来驱动彩色液晶显示面板10，由此显示与RGB分离信号对应的图像。
这里，滤色镜19被分割成与各个像素电极17对应的多个部分。例如被分割成：三原色的三部分，即如图3A所示的红色滤镜CFR、绿色滤镜CFG和蓝色滤镜CFB；三原色(RGB)加青色(C)的四部分，即如图3B所示的红色滤镜CFR、青色滤镜CFC、绿色滤镜CFG和蓝色滤镜CFB；或者，三原色(RGB)加青色(C)和黄色(Y)的五部分，即如图3C所示的红色滤镜CFR、青色滤镜CFC、绿色滤镜CFG、黄色滤镜CFY和蓝色滤镜CFB。
这里，在背光光源装置20中采用区域光源型光源21，该区域光源型光源21利用设置在透过型彩色液晶显示面板10背面的多个发光二极管(LED)来照射该透过型彩色液晶显示面板10。
下面将说明构成该背光光源装置20的光源21的发光二极管的配置。
图4示出了作为发光二极管配置例的状态，在该状态中，在单位晶元4-1和4-2中的每个单位晶元中，使用了两个红色发光二极管1、两个绿色发光二极管2和两个蓝色发光二极管3，并在一行中总共排列了六个发光二极管。
虽然在该配置例中排列了六个发光二极管，但是由于需要基于所使用的发光二极管的额定值、发光效率等来调整光输出的平衡，以使混合色成为具有良好平衡的白光，因此各种颜色的数量分配除了本示例之外，还可以有其他变化方式。
在图4所示的配置例中，单位晶元4-1和单位晶元4-2彼此完全相同，并且在由双向箭头指示的中心部分彼此连接。图5以电路图符号的二极管标记示出了单位晶元4-1和单位晶元4-2彼此相连的形式。在该示例中，各个发光二极管，即红色发光二极管1、绿色发光二极管2和蓝色发光二极管3以使它们的极性与电流从左到右流动的方向匹配的方式被串联连接。
这里，若利用每个颜色的发光二极管数量的样式符号来表示使用两个红色发光二极管1、两个绿色发光二极管2和两个蓝色发光二极管3，并在一行中总共排列这六个发光二极管的单位晶元4的话，就成为如图6所示的(2G 2R 2B)。就是说，(2G 2R 2B)表示包含了红色、绿色和蓝色各两个的总共六个发光二极管的样式被用作基本单位。如图7所示，当串联连接三个作为基本单位的单位晶元4时，符号为3*(2G 2R 2B)，若用基于发光二极管数量的样式符号表示，就可表示为(6G 6R 6B)。
下面将基于图7的符号来说明背光光源设备20的光源21中的发光二极管的实际配置例。
如图8所示，在光源21中，将上述的发光二极管的基本单位(2G、2R、2B)的三倍作为一个中间单位(6G、6R、6B)来在垂直方向上配置四列，在水平方向上配置五行，从而总共配置360个发光二极管。
由于对全部360个的发光二极管执行单独寻址不是很容易，所以背光光源设备20具有如图9所示的驱动结构。
即，与n行分别对应的RGB组g1～gn具有如下结构：在每行中按颜色独立地串联连接红、绿、蓝发光二极管中的每一种，并由DC-DC转换器7向它们供应恒定电流。
下面将参考图10来说明使恒定电流流过LED串联连接基板m1和m2的具体结构例。
即，串联连接多个发光二极管LED1～LEDn而成的LED串40的一端经由检测电阻(Rc)5与DC-DC转换器7连接，而其另一端经由FET 6接地。
DC-DC转换器7构成反馈环，以用于检测相对于输出电压Vcc的设定，因检测电阻5而产生的电压降，并使预定的恒定电流ILED流过串联连接的LED串。在该示例中，因检测电阻5而下降的电压经由DC-DC转换器7内设置的采样保持电路而被反馈。
另外，利用从背光驱动控制部180中设置的驱动器IC181施加到FET6栅极上的main_PWM(Pulse Width Modulation)信号，而使流过LED列40的电流被接通或关断一段预定时间，由此来增减构成LED列的各发光二极管的发光量。
就是说，该背光光源设备20利用由设置在背光驱动电路部180中的驱动器IC 181提供的main_PWM信号来致使FET 6执行开关操作，从而接通和关断从DC-DC转换器7提供到通过彼此串联连接多个发光二极管LED1～LEDn而构成的LED串40的驱动电流，由此执行对发光二极管LED1～LEDn的脉宽调制恒流驱动。
此外，虽然在该示例中，为了用波峰值来控制恒定电流而在电流检测反馈环中设置了采样保持电路，但这只是一个示例，也可以使用其它方法。
另外，在本例中，由采样保持开关驱动电路182根据main_PWM信号而生成的采样脉冲被提供给采样保持开关8。
并且，图10所示的一组LED串40对应于图9所示的与n行分别对应的RGB组g1～gn中的一行。因此，在本例中，同样的电路需要有gn行×3倍(与RGB相应的量)。
下面将参考图11～图13来说明该背光光源装置中用于以下功能的结构，即：在以恒定电流驱动串联连接的多个发光二极管时，若元件发生了OPEN模式的故障就旁路该故障处的元件电流，从而自动地避开该处的断线状态。
即，在图11的示例中设有旁路电路80A～80E，这些旁路电路80A～80E由与串联连接的5个发光二极管41A～41E的每一个并联连接的晶闸管81A～81E和分压电阻82A(Ra1、Ra2)～82E(Re1、Re2)构成。
分压电阻82A～82E的各个中点连接在晶闸管81A～81E的栅极端上，并构成栅极电位设定电路83A～83E，以向各个晶闸管81A～81E提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管41A～41E正常动作时，使晶闸管81A～81E成截止状态，而在发光二极管41A～41E变为截止状态时，使晶闸管81A～81E导通。
当彼此串联连接的五个发光二极管41A～41E正常动作时，分别具有从上到下的电压降Vfa至Vfe，并且根据生产批次而有所差异。由FET 6对这五个彼此串联连接的发光二极管41A～41E进行PWM驱动。在本结构例中，通过在FET6上并联连接电阻85(Rf)，用于使导通的晶闸管维持导通状态的最小维持电流可以通过电阻85而流动。
电阻85是为了在FET6处于截止状态时使得发光二极管41A～41E上仅有I·Rf的电流流过而设置的。即，使得总有虽不能引起完全发光但也不会使晶闸管导通的最小维持电流流过。
这里，参考图12A和图12B来简单地说明晶闸管。
如图12A所示，晶闸管是由在晶体管上又增加一个PN结的PNPN的四层构成的元件，并且是具有阳极A、栅极G和阴极K等三个端子的三端子元件。晶闸管的阳极-阴极(A-K)之间通常不导通，但是若向栅极G施加正电压并向阴极K施加负电压，则如图12B所示，就会有栅电流(I1)流过，从而电流会从阳极A流向阴极K。即使停止向栅极-阴极(G-K)之间施加电压，这种情况也会持续。即，既便施加的时间很短但只要向栅极-阴极(G-K)之间施加电压，电流就会经过(I2)、(I3)而从阳极端子A流向阴极端子K，从而达到导通状态。如果不去掉阳极-阴极(A-K)之间施加的电压并使最小维持电流流过，则电流就会持续流动。晶闸管的导通电阻低，因此损失小。
并且，利用发光二极管41A～41E正常动作的状态下的各个发光二极管41A～41E的电压降，该电压降在本例中约为4V，栅极电位设定电路83A～83E使各个晶闸管81A～81E维持截止状态。
如图13所示，例如在发光二极管41B发生了OPEN模式的故障时，该发光二极管41B的端子电压上升，从而有栅极电流瞬间流过，晶闸管81B瞬间导通。由于晶闸管的特性，只要不去掉施加的电压，或者电流不下降到最小维持电流以下，即使除掉栅极电位，已导通的晶闸管81B的导通状态也会持续，因此，通过适当地设定电阻85的电阻值，就可以有效地对发生OPEN故障的发光二极管进行旁路。
本发明不限定于参考附图而进行说明的上述的实施例，而是如本领域技术人员都清楚的那样，可在不脱离权利要求书的范围和其要点的范围内尝试各种修改、替换或其等同物。

Claims (7)

1.一种恒流驱动装置，利用脉宽调制恒流驱动电路来以恒定电流驱动彼此串联连接的多个元件，其特征在于，
具有包括与所述彼此串联连接的多个元件的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，
在所述旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向所述晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的元件正常动作时，使所述晶闸管成截止状态，在所述元件变为开路状态时，使所述晶闸管导通。
2.如权利要求1所述的恒流驱动装置，其特征在于，在所述脉宽调制恒流驱动电路的脉宽调制用开关元件上并联连接电阻，从而用于使导通的晶闸管维持导通状态的维持电流通过所述电阻而流动。
3.如权利要求1所述的恒流驱动装置，其特征在于，所述彼此串联连接的多个元件是发光二极管。
4.一种背光光源装置，从显示面板的背面照亮该显示面板，其特征在于，具有彼此串联连接的多个发光二极管，和包括与所述彼此串联连接的多个发光二极管的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，
在所述旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向所述晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管正常动作时，使所述晶闸管成截止状态，在所述发光二极管变为开路状态时，使所述晶闸管导通。
5.如权利要求4所述的背光光源装置，其特征在于，在所述脉宽调制恒流驱动电路的脉宽调制用开关元件上并联连接电阻，从而用于使导通的晶闸管维持导通状态的维持电流通过所述电阻而流动。
6.一种彩色液晶显示装置，其特征在于，包括：具有滤色镜的透过型彩色液晶显示面板；以及从该彩色液晶显示面板的背面照亮该彩色液晶显示面板的背光光源装置，其中
所述背光光源装置具有彼此串联连接的多个发光二极管，和包括与所述彼此串联连接的多个发光二极管的每一个并联连接的晶闸管的旁路电路，并在所述旁路电路中设有栅极电位设定电路，该栅极电位设定电路向所述晶闸管提供栅极电位，从而在串联连接的发光二极管正常动作时，使所述晶闸管成截止状态，在所述发光二极管变为开路状态时，使所述晶闸管导通。
7.如权利要求6所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，在所述脉宽调制恒流驱动电路的脉宽调制用开关元件上并联连接电阻，从而用于使导通的晶闸管维持导通状态的维持电流通过所述电阻而流动。
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