⊕國立中山大學 電機工程學系

碩士論文

三原色發光二極體背光源之驅動電路

An RGB-LED Back-Light Driving Circuit

研究生：吳宗樺 撰

指導教授：莫清賢

中華民國九十六年七月

I

摘要

本文針對液晶顯示器採用發光二極體之背光源，提出一個新型發

光二極體驅動電路。將返馳式轉換器以三繞組輸出，取代三組直流對

直流轉換器，來驅動紅、綠、藍發光二極體光棒。在調光控制下，藉

由調整返馳式轉換器開關的導通率，輸出適中電壓給紅、綠、藍發光

二極體，使輸出電流峰值維持在一定誤差範圍內。個別控制三組調光

開關導通率，來控制三原色發光二極體的亮度。並在電路調光範圍

內，改變三原色發光二極體之平均電流比例，使色溫調整範圍可達到

液晶顯示器色溫操作要求。本文所提出的電路和市售之傳統驅動電路

比較後，證實能精簡電路和有較高之電路效率。

關鍵詞：發光二極體、背光源、返馳式轉換器、調光控制、色溫。

II

Abstract

This thesis proposes a novel driving circuit of the RGB light

emitting diodes (LEDs) for the back-light source of the liquid crystal

display. In stead of employing three dc-to-dc converters, a fly-back

converter with three secondary windings is used to drive RGB-LED light

bars. By adjusting the duty-ratio, the fly-back converter provides

compromised voltages to RGB-LEDs in accordance with the operating

modes of dimming control, so as to retain current magnitudes within the

acceptable values. LEDs of three colors are dimmed by regulating the

duty-ratios of three active power switches individually. By changing the

ratio of the average currents of the three primary color LEDs, the color

temperature range of driving can reach the requests of dimming control.

As compared with a consumer product using the conventional driving

circuit, the proposed circuit is obviously much simpler with less

components and a higher efficiency.

Keywords: light emitting diode (LED), back-light, fly-back converter,

dimming control, color temperature.

III

目 錄

中文摘要 .................................................................................................... I

英文摘要 ................................................................................................... II

目錄 ..........................................................................................................III

圖表目錄 ...................................................................................................V

第一章 簡介 ..............................................................................................1

1-1 研究背景 ..............................................................................1

1-2 研究動機 ..............................................................................4

1-3 論文大綱 ..............................................................................6

第二章 三原色 LED 結構與傳統驅動電路 ............................................7

2-1 三原色 LED 光譜 ................................................................7

2-2 LED 光棒之串並聯 ...........................................................10

2-3 電流平穩 ............................................................................12

2-4 LED 傳統驅動電路...........................................................15

第三章 LED 背光源驅動電路 ...............................................................17

3-1 三繞組輸出之返馳式轉換器驅動電路架構...................17

3-2 驅動電路 ...........................................................................19

3-2-1 電路運作原理 ........................................................19

3-2-2 電路工作模式 ........................................................22

3-3 輸出電壓控制...................................................................28

3-3-1 電路參數 ................................................................28

3-3-2 RGB 混光電阻權重設計 .......................................30

IV

第四章 電路特性量測與分析 ................................................................33

4-1 電流平穩之操作範圍........................................................33

4-2 調光特性 ............................................................................34

4-3 色溫調整特性....................................................................37

4-3-1 電流比例 ................................................................37

4-3-2 色溫調整 ................................................................40

4-4 電路效率 ............................................................................41

第五章 結論與討論 ................................................................................42

參考文獻 ..................................................................................................43

V

圖表目錄

圖 1-1 側邊入光型.................................................................................3

圖 1-2 直下型 .........................................................................................3

圖 2-1 三原色 LED 混光所形成之光譜能量分佈...............................9

圖 2-2 RGB-LED 封裝結構 ................................................................11

圖 2-3 RGB-LED 光棒結構 ................................................................11

圖 2-4 LED 排列方式 ..........................................................................11

圖 2-5 兩條 RGB-LED 光棒之串並結構 ...........................................13

圖 2-6 三原色 LED 特性曲線 .............................................................13

圖 2-7 傳統 LED 驅動電路方塊圖 .....................................................16

圖 2-8 傳統 LED 驅動電路 .................................................................16

圖 3-1 三繞組輸出之返馳式轉換器示意圖.......................................17

圖 3-2 混光電路示意圖.......................................................................18

圖 3-3 調光控制示意圖.......................................................................19

圖 3-4 三繞組輸出之返馳式轉換器驅動電路...................................20

圖 3-5 混光驅動電路...........................................................................21

圖 3-6 電路工作模式...........................................................................23

圖 3-7 理論波形...................................................................................24

圖 3-8 調光訊號...................................................................................26

圖 3-9 返馳式轉換器主動開關導通率...............................................26

圖 3-10 一次側電感電流 ......................................................................27

圖 3-11 PWM 調光之電流波形 ............................................................27

圖 3-12 輸出電壓控制電路...................................................................32

VI

圖 4-1 電流平穩之操作範圍...............................................................34

圖 4-2 量測架構示意圖.......................................................................32

圖 4-3 RGB-LED 混光特性 ...............................................................32

圖 4-4 平均電流對色溫影響..............................................................36

圖 4-5 兩串 LED 光棒功率與輝度關係 ............................................36

圖 4-6 平均電流比例與色溫關係......................................................38

圖 4-7 不同色溫下三原色 LED 之平均電流與輝度關係................38

圖 4-8 色溫調整範圍 ..........................................................................39

圖 4-9 色溫操作曲線 ..........................................................................40

圖 4-10 電路效率 ..................................................................................41

表 2-1 光譜顏色波長及範圍................................................................8

表 2-2 色溫範圍與色系關係................................................................9

表 2-3 單顆 RGB-LED 電氣規範 ......................................................11

表 2-4 RGB-LED 特性........................................................................12

表 2-5 兩條 RGB-LED 光棒之電氣規範 ..........................................14

表 3-1 返馳式轉換器電路規範..........................................................28

表 3-2 返馳式轉換器電路參數..........................................................30

表 4-1 特定電流組合 ..........................................................................37

1

第一章 簡介

1-1 研究背景

科技蓬勃發展，知識傳遞方式不外乎是以電視節目、報紙文宣

及網際網路…等方式呈現，皆希望能滿足人類求知慾望。多媒體以

類比或數位傳輸方式呈現在螢幕前，眾多顯示器技術經過不斷創新

研發之後，可顯示豐富的色彩，圖片、文字或影片透過顯示器傳達

到每一角落。畫面中亮度及色彩的變化最容易被人眼察覺，也因此，

人類不斷地追求色彩再現，滿足色彩真實感。

在現今人口稠密的工業社會，傳統陰極射線管顯示器(Cathode

ray tube, CRT)已不符合環保及空間要求，漸漸被兼顧環保且輕薄之

液晶顯示器(Liquid crystal display, LCD)、電漿顯示器(Plasma display

panel, PDP)、場發射顯示器(Field emission display, FED)及有機電激發

光顯示器(Organic light emitting display, OLED) 所取代。

目前平面顯示器以PDP和LCD較符合大尺寸所需之效能及畫質

清晰度。PDP發光原理與螢光燈相同，即在真空玻璃槽內注入氣體，

再加電壓使氣體產生紫外光，由紫外光激發螢光體發出可見光。PDP

優點為：(1)具有高亮度發光特性，(2)視角廣，(3)解析度高，(4)暗

室對比高，(4)重量輕，(5)不受電磁干擾，(6)可大尺寸等優點。

但缺點為：(1)PDP為自發光體，會產生亮度衰減現象，導致壽命不

長問題產生，(2)需高壓驅動，(3)耗能大，(4)易使系統溫度過高，需

風扇強制冷卻。LCD主要操作原理為利用電場控制液晶分子轉向，決

定光源是否通過彩色濾光片。LCD優點為： (1)為低電壓驅動，

2

(2)比PDP省電，(3)製作技術成熟，(4)成本較低。但缺點為：(1)需背

光源，(2)背光源主導畫面的色彩重現，(3)液晶反應時間尚須改善。

PDP與LCD之優缺點比較後，廠商開發LCD意願較高。LCD技術

成一股熱潮，但LCD畫面品質受背光源影響，光源選擇及驅動方式為

設計重點。現行背光源的種類如下：冷陰極燈管 (Cold cathode

fluorescent lamp, CCFL)[1-6]、平板燈管(Flat lamp, FL)[7-9]、外部電極

螢光燈(External electrode fluorescent lamp, EEFL)[10-12] 及發光二極

體(Light emitting diode, LED)[13-22]等。

其中，CCFL背光源技術已相當成熟，已是大廠採用之主流，但

遇到問題為：(1)點燈暫態時間長，穩定時間需要3～5分鐘，(2)具負

電阻特性，需搭配適當的安定器電路才能使其穩定工作，(3)CCFL含

微量的水銀，燈管廢棄後將對環境產生危害，(4)混光範圍小於國際電

視標準委員會(National television standards committee, NTSC)所訂定之

色彩飽和度標準[23]。LED製造技術不斷蓬勃發展，已應用於中小尺

寸產品。優點為：(1)體積小，(2)省電，(3)反應速度快，(4)可塑性高，

(5)壽命長，(6)環保，(7)直流電壓驅動，(8)封裝或置放方式可依需求

作特殊設計，(9)LED因光譜特性好，使用紅、綠、藍三原色LED混光

之CIE1931色域範圍大於CCFL[24]。

LED達到白光輸出的方式主要可分為單晶片及多晶片型

[13-19] 。單晶片製作技術，分類如下：

1. 紫外光激發紅、綠、藍螢光體：發光效率佳，但光衰減速度快，

主要因紫外光容易傷害LED的封裝材料，造成LED壽命縮減。

2. 藍光激發黃色螢光體：為最低成本之LED製作方式且製造容易，

但光譜分佈不佳，對於液晶顯示器的色彩飽和度貢獻很小。

3

3. 藍光激發綠色及紅色螢光體：目前正處於研發階段，藉由藍光LED

來激發綠色及紅色螢光體，目前必須先克服藍光激發螢光體產生

綠光及紅光的光效率不佳的問題。

本文採用涵蓋色域較廣之多晶片型製作技術，以紅、綠、藍三原

色LED混光輸出白光，光譜皆在可見光範圍[25]，光利用率高。LED

發光波段窄，光譜與LCD的色彩濾波片(Color filter)有良好的頻率匹配

[26]。三原色波長在色度圖上可以拉開一個較CCFL更大的混光範

圍，可達NTSC所訂定之色彩飽和度標準的105%左右[25]，有效地提

高LCD畫面的色彩飽和度。

背光模組依照光源出光方式可分為側邊入光型及直下型 兩種

[25,27] ，如圖1-1及1-2所示。光源選用多顆紅、綠、藍(RGB)三原色

同一封裝之LED，組成一長條形狀之光棒(Light bar)。其中側邊入光型

以導光板將光源分佈均勻，可減少背光模組厚度；直下型背光模組雖

重量較輕，但有體積較厚及光均齊度較低缺點。因此，實驗中使用19

吋三原色RGB-LED側邊入光型背光模組。

RGB-LED光棒 導光板

偏光板稜鏡片稜鏡片液晶面板

金屬外框

圖1-1 側邊入光型

RGB-LED光棒

偏光板稜鏡片稜鏡片

液晶面板

金屬外框

圖1-2 直下型

4

1-2 研究動機

三原色RGB-LED在應用技術上，遇到的主要問題有：(1)LED的

光電特性均勻性不佳，(2)系統溫度太高，易影響LED發光效率[28]，

(3)紅、綠、藍LED光輸出特性受溫度影響，且效應不同。針對上述第

一個問題，目前廠商以測試分類解決；而另外兩個問題，機構工程師

設計LED散熱片緊靠金屬外框，將熱源導向較大金屬面積，也可外加

風扇幫助散熱。其中，提高電能轉換效率，為減少LCD內部熱源最直

接的方式，實驗中將朝提高電路效率邁進。

三原色RGB-LED以串並方式組成一長條形狀之光棒，控制

RGB-LED的平均電流，會得到所需之光譜分佈。紅、綠、藍三種LED

因特性不同，所需的額定電壓、額定電流也不同，需個別驅動。傳統

LED驅動電路，後級含三組獨立調變的直流對直流轉換器(DC/DC

converter)電路，分別產生RGB-LED所需的直流電壓源，並迴授LED

電流來調整功率開關導通率(Duty-ratio)，達到定電流控制之功能；另

以三組調光控制開關以脈波寬度調變(Pulse-width modulation, PWM)

方式個別調光。

市售傳統LED驅動電路為了達到精密控制LED電流，除了主電路

外，必須增加元件組成迴授電路，達到定電流控制。此電路架構將導

致電路複雜度提升，成本增加，且會有更多損耗在元件上。實際量測

量測市售傳統LED驅動電路平均效率為75%，電路效率尚有改進空

間，可從簡化驅動電路架構著手。

為改善上述市售驅動電路的問題，本文將返馳式轉換器以三繞組

輸出，取代直流對直流轉換器，來驅動RGB-LED光棒，達到簡化電

路架構目的。因實驗設計電路只有單一回授，以權重設計[29-30]，達

5

到適中電壓輸出，使輸出電流峰值維持在較小之誤差範圍內。三組調

光開關以PWM調光時，必須分析輸出功率因三組調光開關控制，在

每一調光週期內有不同的輸出功率，達到單原色LED、兩原色LED或

三原色LED的額定功率需求。此電路以權重設計三組電壓適中輸出，

操作三組調光開關控制紅、綠、藍三種LED平均功率時，將會有超出

電流平穩範圍的現象，在實驗中定義平穩為較小之電流峰值誤差範

圍。在設定的條件下，找出電路可符合電流平穩操作範圍。此範圍內

進行電路調光及色溫調整特性實驗，研究電流對混光特性之關係及電

路效率，探討色溫特性操作範圍[31]，達到調光操作應用目的。LCD

實際應用之色溫操作在5000 K至9300 K範圍內，在此色溫操作範圍內

進行調光動作，紀錄電路效率，以實驗驗證效率確實改善，並達到LCD

實際之調光操作要求。

6

1-3 論文大綱

本論文內容分為五章陳述，各章內容安排如下：

第一章： 簡單介紹顯示器種類及 LED 達到白光輸出的方式，並

闡述本文的研究動機。

第二章： 介紹三原色 RGB-LED 光譜能量分佈與色溫關係，針

對 RGB-LED 電氣特性，找出降低驅動電路的複雜度

的方式。分析市售驅動電路優缺點及特性操作範圍。

第三章： 設計三繞組返馳式轉換器驅動電路，說明如何在調光

操作時，控制輸出端電壓在正常操作範圍。

第四章： 量測三原色 RGB-LED 負載進行電流平衡特性探討，

找出電路操作範圍，並在電路調光及色溫調整特性實

驗中，研究電流對混光特性之關係及電路效率。

第五章： 結論與未來研究方向。

7

第二章 三原色 LED 結構與傳統驅動電路

本章節將分析紅、綠、藍三原色 LED 在可見光之光譜能量分佈，

及研究 LED 驅動特性。分析傳統 RGB-LED 驅動電路憂缺點，可依

照色溫操作範圍需求，改善電路結構，來達到適中操作要求。

2-1 三原色 LED 光譜

可見光包括各種不同波長的單色光，而這些不同波長的單色光，

在視覺上呈現紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色。其中以紅色光的

波長為最長，紫色光的波長為最短，如表 2-1 所示。紅、綠、藍三種

LED 因特性不同，所產生之光譜分佈不同，光譜中最強之波長區域

稱之峰值波長(Peak wavelength)。以聯嘉光電所生產之全彩 RGB-LED

為例，紅、綠、藍三種 LED 峰值波長範圍為 625~635 nm、525~535 nm、

450~455 nm。各種不同波長組成的光譜輻射亮度，即為光源的光譜能

量分佈[32-33]。(2-1)式為計算光通量的公式：

780

380 v mF K P V d (2-1)

其中，Km 為輻射量和光通量之間的比例係數，λ為波長。只要量測

出光源的絕對光譜功率分佈( P)，即可計算出光源之光通量( vF )，單

位為流明(lm)，V(λ)為光譜光效率。如果要轉換成發光效率(η)時只

要將光通量除以 LED 消耗功率(PLED)即可，考慮這點將(2-1)式改寫，

780 780 780

380 380 380780

380

m mv

LED LED LED

v

K P V d P d K P V dFP P P P d

X (2-2)

8

表 2-1 光譜顏色波長及範圍

光色

範圍

紅 橙 黃 綠 藍 紫

(nm) 620~780 590~620 560~590 490~560 450~490 420~450 380~420

青

其中，v表示可見輻射通量在 LED 消耗功率中所佔的比例，

780

380 v

LED

P d

P(2-3)

X 是 LED 光譜在可見光之光譜能量分佈。

780

380780

380

mK P V d

XP d (2-4)

光譜能量分佈的情況，直接影響光的色溫及發光效率。色溫定義

是指將一個能夠完全吸收入射能的標準黑體(Black body radiator)加

熱，當溫度升高到某一程度時，黑體顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-

藍白-藍，逐漸改變，此變化曲線在 CIE1931 稱之黑體軌跡(Black body

locus)。利用這種顏色的變化特性，將光源顏色與黑體顏色比較後，

則與黑體顏色相同的絕對溫度，稱為該光源顏色的色溫，並以絕對溫

度 K(Kelvin)來表示[34]。所以不同的色溫將呈現出不同的顏色，如

表 2-2 所示。如果對某一光源發出的光，經儀器測量和計算所得到的

色溫不在黑體軌跡上，而是座落在與黑體軌跡相交之等色溫線

(Isotemperature line)時，稱之為相對色溫(Correlated color temperature,

CCT) [35]。

圖 2-1 為兩條 RGB-LED 光棒之特定電流比例組合，所混出之光

譜，經儀器測量計算所得到的相對色溫值為 9318 K 和 6509 K。因此，

特定電流比例會得到相對應之色溫。

9

表 2-2 色溫範圍與色系關係

色系

色溫範圍

暖色系 中間色系 冷色系

<3300 K 3300~5000 K >5000 K

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20W/sr*m2

Wavelength (nm)

(a) 紅、綠、藍光 LED 之平均電流為 200 mA、200 mA、143 mA

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20W/sr*m2

Wavelength (nm)

(b) 紅、綠、藍光 LED 之平均電流為 200 mA、200 mA、105 mA

圖 2-1 三原色 LED 混光所形成之光譜能量分佈

10

2-2 LED 光棒之串並聯

實驗中使用聯嘉光電所生產之全彩 RGB-LED，表 2-3 為廠商公

佈單顆 RGB-LED 之額定電壓及電流。內部封裝結構如圖 2-2 所示，

紅、綠、藍三原色晶片在同一封裝，個別控制平均電流即可任意控制

混合之色彩。

實驗中使用之側邊入光型背光模組，採用兩條 LED 光棒側邊入

光，LED 排列方式如圖 2-3 所示，每條光棒包含 4 串 RGB-LED，彼

此並聯。因此每條光棒共 64 顆 RGB-LED，兩條光棒共 128 顆。每顆

全彩 RGB-LED 包含紅、綠、藍三種 LED，兩條光棒共 24 串負載。

圖 2-4(a)為串聯結構，有通過串聯 LED 的電流皆相同之優點；隨

著 LED 串聯數目越多，順向電壓相對提高，元件所需之耐壓也越高，

成本相對增加，且單顆 LED 損壞將造成整串無法工作。圖 2-4(b)並

聯結構中，有順向偏壓低及避免因單顆 LED 損壞造成背光源失效的

優點[34]；但 LED 特性不均，相同電壓下亮度卻因電流不同而有所差

異。因此在 LED 光棒結構中，因元件耐壓及亮度均勻度的考量，採

用適中方式以 16 串 4 並方式組成單根 RGB-LED 光棒，分散故障率，

較符合實際應用需求。

驅動 LED 方式可分為直流電流振幅調變及 PWM 控制兩種[36]。

其中，PWM 調光色度座標變動量比變電流方式小，且平均電流與平

均光輸出略呈線性關係，因此在本文皆以 PWM 方式來改變 LED 平

均電流大小以對應平均光輸出。文獻記載調光操作頻率多用為 500 Hz

左右[37]，實驗中調整頻率操作範圍為 500 Hz 至 6 kHz，頻率超過

1 kHz 時，以肉眼觀察背光源，光源閃爍現象更不易察覺。因此，實

驗中以此頻率進行調光實驗。

11

表 2-3 單顆 RGB-LED 電氣規範

Current

Blue LED

Red LEDGreen LED

303025

2.83.83.5

Voltage Power(mA) (V) (mW)

8411472

MAX.

R G B圖 2-2 RGB-LED 封裝結構

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

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R

G

B

R

G

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R

G

B

R

G

B

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G

B

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G

B

R

G

B

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G

B

R

G

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G

B

R

G

B

R

G

B

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G

B

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G

B

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G

B

R

G

B

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G

B

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G

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G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

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G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

R

G

B

A

B

C

D

圖 2-3 RGB-LED 光棒結構

Vin

(a) 串聯

Vin

(b) 並聯

圖 2-4 LED 排列方式

12

2-3 電流平穩

首先對 RGB-LED 作負載特性量測分析，實驗時將室溫控制在一

定範圍內，避免環境溫度對 LED 工作點的影響。由於 LED 廠商於生

產時已將特性相近的 LED 分類集中，以特性相近的 LED 製作光棒。

表 2-4 分別記錄了同原色 LED 在相同電壓下，電流的最大值、最小

值、平均值與變動量。量測方式為圖 2-5 所示，兩條 LED 光棒以 16

串 8 並的方式，使用電源供應器個別驅動 LED 量測 I-V 曲線，圖 2-6

呈現三組不同顏色 LED 的 I-V 特性曲線，各包含 8 組測試數據。

表 2-4 RGB-LED 特性

(a) Red-LED

10.6 13.1 16.2 23.9

32.4

35.1

31.5 32.0 32.5 33.5 34.0 34.5 35.0 35.533.0

20.3 27.5

11.1 14.5 17.4 24.9 31.5 35.921.1 28.5

6.12 9.11 6.88 3.55 4.80 3.96 4.61 3.90

7.1

7.9

8.51

8.6 12.0 15.8 18.6 26.3

29.5

37.921.8 29.8

(V)LED voltage

LED currentMin.Max.Avg.

(mA)(mA)(mA)

(%)errorI

(b) Green-LED

4.23

11.3

12.1

8.54

13.3

56 57 5854 60 61 625955

14.7

18.1

20.1 26.9

32.1

32.823.2 28.6

15.2

17.5

21.1 27.7 31.2 34.324.3 30.0

5.81 4.33 5.92 4.97 3.16 4.01 4.32

16.4 19.0 22.6 28.6

29.4

35.725.6 31.0

(V)LED voltage

LED currentMin.Max.Avg.

(mA)(mA)(mA)

(%)errorI

(c) Blue-LED

20.69 12.71 6.99 3.54 5.15

47 48 49 51 52 5350 54 55

13.3

21.6

24.411.1 17.3

14.3 21.3 25.211.5 18.2

10.23 4.20 3.67 3.11

2.1 3.9 5.4 7.2

2.9 4.4 5.9 7.6

3.3 4.8 6.9 8.2 14.8

20.0

26.011.9 18.8

(V)LED voltage

LED currentMin.Max.Avg.

(mA)(mA)(mA)

(%)errorI

13

IB1 IB2 IB8

VLED-B

IG1 IG2 IG8

VLED-G

Scope

on/off

IR1 IR2 IR8

VLED-R

DC powersupply

or or

圖 2-5 兩條 RGB-LED 光棒之串並結構

0

5

10

15

20

25

30

35

40

28.5 29.5 30.5 31.5 32.5 33.5 34.5 35.5 36.5

±4.8%

(V)

(mA)

LED voltage

LED current

0

5

10

15

20

25

30

35

40

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64

±4.97%

(V)

(mA)

LED voltage

LED current

(a) Red LED (b) Green LED

0

5

10

15

20

25

30

38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

±3.67%

(V)

(mA)

LED voltage

LED current

(c) Blue LED

圖 2-6 三原色 LED 特性曲線

14

變動量 Ierror定義以平均值為基準，與同顏色各組電流最大與最小

電流之變動範圍，

max min /2

error avg

I II I (2-5)

當三原色 LED 分別操作在電壓 34 V、58 V 和 54 V 時，串聯電流的

變動量，紅光電流範圍為 25±4.80% mA，綠光範圍為 25±4.97% mA，

藍光範圍為 20±3.67% mA。兩條 LED 光棒以 16 串 8 並的方式，操作

於額定電流附近，光棒模組上各串 LED 之分流彼此相近，以平均電

流作為平均光輸出。相同原色的 8 組 LED 串聯模組並聯，共用一組

調光控制電路，可降低驅動電路的複雜度。表 2-5 為依據背光量測 I-V

特性，依照 RGB-LED 串並聯後所訂之規範，進行調光特性實驗。

表 2-5 兩條 RGB-LED 光棒之電氣規範

Current

Blue LED

Red LEDGreen LED

200200160

345854

Voltage Power(mA) (V) (W)

6.8011.608.64

15

2-4 LED 傳統驅動電路

傳統 LED 驅動電路電源取至市電輸入，因安規要求，輸入與輸

出端需電氣隔離，且紅、綠、藍三種 LED 特性不同，需三組電壓驅

動。因此，為了達到電氣隔離與個別驅動的要求，傳統電路設計成兩

級電路來驅動 RGB-LED[16]。

圖 2-7 為傳統 LED 驅動電路方塊圖，交流市電經整流後，經由

隔離型 DC/DC 轉換器，將輸出電壓轉換至設定準位，輸出電壓送至

三組 DC/DC 轉換器，來驅動 RGB-LED，使電壓穩定操作。

傳統 LED 驅動電路，常用之組合分別為，前級使用前向式轉換

器(Forward converter)或返馳式轉換器(Flyback converter)，搭配後級驅

動電路，如昇壓式轉換器、降壓式轉換器(Buck converter)及降昇壓式

轉換器(Buck-boost converter) [35]，達到多組電壓輸出。

圖 2-8 為某市售傳統 LED 驅動電路架構，為傳統電路其中一種，

電路組合為返馳式轉換器搭配三組昇壓式轉換器。返馳式轉換器因架

構簡單、成本低，電路設計於不連續電流模式(Discontinuous current

mode, DCM)時，有較低切換損失，適合低功率應用。經由變壓器匝

數獲得不同輸出電壓，不受輸入電壓的限制，具備電氣隔離，可滿足

安規；昇壓式轉換器閘極控制訊號不需要隔離電路，控制電路簡單。

當功率開關損毀而持續短路時，電流路徑只會通過儲能電感及開關，

不會有大電流通過 LED，可避免 LED 損毀。

此市售電路的優點為：(1)三組昇壓式轉換器獨立運作，個別迴

授控制 RGB-LED 所需的直流電壓源，(2)電路工作在高頻時，儲能元

件體積可大幅縮小。缺點為：(1)傳統電路為了達到精密控制 LED 電

流，除了主電路外，必須增加元件組成迴授電路，穩定輸出電壓，(2)

16

電路複雜度提升，(5)電路成本增加，(4)有更多損耗在元件上，(6)電

路損耗增加，LCD 內部熱源增加，影響 LED 發光效率。(5)LCD 實際

運用之色溫操作範圍在 5000 K 至 9300 K 之間，電路只需操作在特定

工作區域，並不需全色域驅動。因此，可依照功能需求，重新設計電

路符合相同操作特性，並提升電路效率。

Red-LED

Green-LED

Blue-LED

負載 負載 負載

交流市電 隔離

電路直流對直流轉換電路

前級 後級

整流器

圖 2-7 傳統 LED 驅動電路方塊圖

PWM ICFB

Drv

CS

LogicLogicLogic

LED-BLED-G VVLED-R

V

IR IG IB

Red-LED

Green-LED

Blue-LED

QR QG QBVgs-R

Vgs-G

Vgs-B

Fly-backconverter

Boostconverter

Q1

Vin

Dimmingcontroller

圖 2-8 傳統 LED 驅動電路

17

第三章 LED 背光源驅動電路

本章探討 LED 驅動電路架構，三組調光開關個別以 PWM 操作，

區分電路工作模式，方便設計混光功率比調整電路。擷取三組調光控

制訊號改變返馳式轉換器一次側功率開關導通率，控制功率輸出，使

輸出電流峰值操作在較小誤差範圍，達到PWM調光功率變動之要求。

3-1 三繞組輸出之返馳式轉換器驅動電路架構

圖3-1為三繞組輸出之返馳式轉換器LED驅動電路示意圖，整體

構造包括變壓器、主動開關及調光開關、緩衝電路、二極體及輸出端

穩壓電容。設計三繞組輸出，驅動紅、綠、藍發光二極體光棒，一次

側Q1開關以固定頻率操作，開關導通時，電感電流iL1線性上昇。因二

次側受到二極體阻隔，故能量儲存在鐵心磁路上。開關截止時，線圈

極性相反，儲存在鐵心的能量經由二極體傳送到負載。

VinCB

CG

CR

VB

VG

VR

Q1Vgs

PWMIC

+

+

+

-

-

- Red-LEDLoad

Green-LEDLoad

Blue-LEDLoad

L1

L2

L3

N1

N4N3N2

:

L4

iL1

DS

CS RS

Dimmingcontroller

SG6848PC817

TL431

圖 3-1 三繞組輸出之返馳式轉換器示意圖

18

設計變壓器電感電流操作在DCM，主要考量為開關導通時，電

感電流線性上昇，改變一次側功率開關Q1導通率就可接近線性控制輸

出功率大小，控制電路較為簡單且容易實現，切換損失也較低；但也

因為工作於DCM，使電感電流峰值高於平均電流的兩倍或更多，較

不利於大功率電路使用。實驗所使用之兩條RGB-LED光棒，如表2-5

所示，其功率額定需求在30 W以下，設計返馳式轉換器電感電流操

作於DCM時，開關切換損失較小。

圖 3-2 為本文設計之混光驅動電路，可輸出三組 PWM 控制訊

號，操作頻率相同，唯導通率各自調整。圖 3-3 為紅光、綠光和藍光

調光控制訊號，設計三組調光訊號中心點將訊號劃分兩個近似面積，

三串開關以不同導通率操作時，開關切入及截止時間不會重疊，可降

低漣波電流。

綜合上述，三繞組輸出返馳式驅動電路，主要提供紅、綠、藍三

種 LED 電壓輸出，為了達到穩定之輸出電壓，需考慮輸出電容 CR、

CG、CB之容值及耐壓。為了做到 PWM 調光，由混光電路輸出調光

訊號 Vgs-R、Vgs-G、Vgs-B，控制 QR、QG、QB開關導通率 DQR、DQG、

DQB。調整開關導通率，即可控制 LED 平均電流來控制平均光輸出，

達到調光目的。

+

-

+

-

+

-

ccV

+

-

+

-

ccV

ccV

+

-

15k~500Hz

+

-

ccV

gs-BV

Vgs-R

gs-GV

trV

trV

trV

VR

VR

VR

r

g

b

mf

mC

圖 3-2 混光電路示意圖

19

gs-BV

t

gs-G

Vgs-R

V

TD

Mode I II III IV

t0

t 1

t 2

t 3

t 4

t

t

圖 3-3 調光控制示意圖

3-2 驅動電路

3-2-1 電路運作原理

本文設計之 LED 驅動電路如圖 3-4 所示，電源將功率送至返馳

式轉換器後，三繞組輸出 34 V、58 V、54 V 直流電壓供應給後續電

路使用。PWM IC 迴授偵測電壓 VFB 準位受混光功率比調整電路控

制，VFB電壓準位控制功率開關 Q1導通率；混光功率比調整電路主要

由 PC817、TL431 及 RSR1、RSG1和 RSB1組成。當導通率 DQR、DQG、

DQB如圖 3-3 所示，時間 t0至 t4因三組調光開關切入時間不同，分為

四種工作模式。工作模式 I 無功率損耗，控制 Q1 開關截止。工作模

式 II 時，控制 Q1導通率，達到綠光 LED 功率需求；工作模式 III 時，

控制 Q1導通率，達到綠光和紅光 LED 功率需求；工作模式 IV 時，

此時 Q1 導通率在四種模式中為最大，達到 RGB-LED 功率需求。閘

極訊號 Vgs-R、Vgs-G及 Vgs-B經 RSR1、RSG1和 RSB1形成電流迴路，依照四

種工作模式在 Rref產生壓降 Vref ，TL431 為電壓調節器，控制迴授偵

測電壓 VFB準位。因此，PWM IC 內部參考電壓(三角波)比迴授偵測

20

LED-BLED-G VVLED-R

VS2

+

-V

+

-S3 V

+

-S4

I R I G I B

QR QG QB

FBDrv CSVFB

PWM IC

+-

+-

+-

iQ1

Vgs

CB

CG

CR

Pin

iLB

iLG

iLR

L1

L 1

DB

DG

DR

N1

N4N3N2

:

DS

CS RS

RSR1

RSG1

RSB1

Rref

Vgs-R

Vgs-GVgs-B

PC817

ref+

-

AN 7805+5 V

V

Id

Rd

TL431

Vt

IF

A

Vin

R1

C1 R2

IG1 IG2 IG8IR1 IR2 IR8

RGB-LEDs

IB1 IB2 IB8

混光功率比調整電路

CFB

LB

LG

LR

V

Dimmingcontroller

圖 3-4 三繞組輸出之返馳式轉換器驅動電路

21

電壓 VFB低時，IC 內部邏輯電路控制訊號為高電位，開關 Q1導通；

反之，一次側開關截止。因此，迴授偵測電壓 VFB準位受 Vref控制，

達到負載額定功率要求。

圖 3-5 為三組方波驅動之控制電路，工作頻率 fD(=1/TD)可由 VR1

改變，以改變調光週期 TD。電路利用三角波產生電路輸出比較訊號，

單一三角波訊號需提供三組 OP 做比較訊號，為了防止負載效應，三

角波訊號透過三組電壓隨耦器(Voltage follower)，提供三組 OP 比較器

參考電位，改變 VR2 阻值，V2 上的分壓改變。當 V2 電壓大於 Vref-5

時，OP1 輸出為高準位。OP1 輸出端以 PC923 做隔離，避免混光電

路受到輸出端雜訊干擾；當 V2電壓小於 Vref-5時，OP1 輸出為低準位，

假如 V2 上的分壓維持定值，則產生固定之導通率，VR3 及 VR4 改變

時亦有同樣動作模式。

ccV

+

-

+

-

+

-

+

-

V GND

12

4

6 9

11

1314

LM339-1

+

-

+

-

V GND

+-

+-

1

2

5

7 8

10

13

14

LM324

+

-

+

-

+

-

+

-

V GND

12

4

6 9

11

14

LM339-2ccV

ccV ccV1234 5

6GND2

Q

G1D1S1

+15V

0.1 PC923 2

1234 5

6GND2

Q

G1D1S1

+15V

0.1 PC923 4

1234 5

6GND2

Q

G1D1S1

+15V

0.1 PC923 3

VR1

VRr

VRg

VRb7 8

13

V2

V3 V4

cc

cc

cc

Vcc

Vcc

Vcc

Vref-5

OP1

OP2 OP3

OP4

Vgs-R

V

V

gs-G

gs-B

Voltage follower

圖 3-5 混光驅動電路

22

3-2-2 電路工作模式

圖 3-6 之三繞組返馳式轉換器在每一調光時間 TD，區分為四個工

作模式，圖 3-3 為閘極訊號 Vgs-R、Vgs-G及 Vgs-B控制調光控制開關 QR、

QG、QB導通/截止。圖 3-7 為各工作模式下之理論波形。

一、工作模式 I (t0<t<t1)：

閘極訊號 Vgs-R、Vgs-G及 Vgs-B皆為低電位，開關 QR、QG、QB為截

止狀態，LED 無電流通過，迴授偵測電壓為最低，功率開關 Q1截止，

此階段 LED 無消耗功率。當 VFB-0變化為 VFB-G時，進入工作模式 II。

二、工作模式 II（t1<t<t2）：

閘極訊號 Vgs-G 為高電位，Vgs-R 及 Vgs-B 為低電位，因此開關 QG

為導通狀態，QR、QB為截止狀態。迴授偵測電壓為 VFB-G，此階段只

有綠光 LED 有電流通過，控制開關 Q1導通率達到綠光 LED 功率需

求。當 VFB-G變化為 VFB-RG時，進入工作模式 III。

三、工作模式 III（t2<t<t3）：

閘極訊號 Vgs-G 保持高電位，Vgs-R 變為高電位，Vgs-B 為低電位，

因此開關 QR、QG 為導通狀態，QB 為截止狀態。迴授偵測電壓為

VFB-RG，此階段紅光和綠光 LED 有電流通過，控制開關 Q1 導通率達

到紅光和綠光 LED 功率需求。當 VFB-RG變化為 VFB-RGB時，進入工作

模式 IV。

四、工作模式 IV（t3<t<t4）：

閘極訊號 Vgs-R、Vgs-G 保持高電位，Vgs-B 變為高電位，因此開關

QR、QG、QB為導通狀態。迴授偵測電壓為 VFB-RGB，此階段紅、綠、

藍三種 LED 皆有電流通過，消耗功率為最大。

23

TD

Vgs-R

Vgs-G

Vgs-B

(a) 工作模式 I

TD

Vgs-R

Vgs-G

Vgs-B

(b) 工作模式 II

TD

Vgs-R

Vgs-G

Vgs-B

(c) 工作模式 III

TD

Vgs-R

Vgs-G

Vgs-B

(d) 工作模式 IV

圖 3-6 電路工作模式

24

T D

t

t

t

t

trV

VR r

VR g

VR b

Vgs t

I R

I G

I B

t

t

t

V gs-R

V gs-G

V gs-B

t

t

t

DQB

DQG

DQR

Mode I II III IV

V FBtV FB-G

V FB-RG

V FB-RGB

V FB-0

t0 t1 t2 t3 t4

圖 3-7 理論波形

25

在每一調光時間 TD，功率依照三組調光開關導通率組合分為，

無載(工作模式 I)、輕載(工作模式 II)、中載(工作模式 III)和滿載(工作

模式 IV)。功率開關 Q1依照迴授偵測電壓階段性調整，使輸入功率依

照各階段工作模式，提供負載功率需求。

PWM 驅動 IC 操作頻率比混光驅動電路快約 70 倍，電路以工作

模式 I、II、III、IV 動作，可快速反應迴授偵測電壓變化。因此，Q1

開關依照工作模式，改變一次側電感電流。迴授偵測電壓準位改變時

會有一小段上昇或下降延遲時間，是因 CFB電容充放電影響，適當設

計可避免迴授偵測電壓震盪，緩和輸出功率變化。

圖 3-8 為實際量測調光訊號，閘極訊號 Vgs-R、Vgs-G及 Vgs-B導通率

為 51%、79%、30%。閘極訊號重疊之處形成了工作模式 II、工作模

式 III、工作模式 IV 及無閘極訊號動作工作模式 I。如圖 3-9 所示，

由混光功率比調整電路調整各階段 Q1 開關導通率，控制一次側電感

電流高度。工作模式 I 時，Q1開關截止，此階段一次側電感沒有電流

通過；直到工作模式 II，調光開關 QR導通，經混光功率比調整電路

控制 Q1導通率，電感電流高度由 0 變化到 580 mA；工作模式 III，

調光開關 QR、及 QG導通，電感電流高度由 580 mA 變化到 800 mA；

工作模式 IV，三串調光開關 QR、QG及 QB全為導通狀態，此時負載

消耗功率最高，三串 LED 全亮，電感電流為最高時，也就是 900 mA，

電流各階段變化如圖 3-10 所示，一次側電感電流依照工作模式變化，

反覆經由磁場將能量送至輸出端，維持負載功率需求。圖 3-11為PWM

調光時，紅、綠、藍三種 LED 電流波形。返馳式轉換器三繞組電壓

在工作模式 I 至 IV，調整功率開關 Q1達到適中電壓，使 LED 電流峰

值保持較小的誤差範圍內。

26

0

0

00

V

VFB

gs-B

Vgs-R

Vgs-G

t0t1t2

t3 t4

Mode I , II , III , IV

TD

VFB: 500 mV/div, Vgs-R: 10 V/div, Vgs-G: 10 V/div, Vgs-B: 10 V/div,

Time: 500 μs/div

圖 3-8 調光訊號

0

0

VFB

Vgs (Q )1

Mode I , II , III , IV

VFB: 500 mV/div, Vgs: 10 V/div, Time: 50 µs/div

圖 3-9 返馳式轉換器主動開關導通率

27

0

0

VFB

iL1

Mode I , II , III , IV

VFB: 500 mV/div, iL1: 200 mA/div, Time: 200 μs/div

圖 3-10 一次側電感電流

0

0

I

VFB

B

IG I R

TD

Mode I , II , III , IV

VFB: 500 mV/div, IR: 50 mA/div, IG: 50 mA/div, IB: 50 mA/div,

Time: 500 μs/div

圖 3-11 PWM 調光之電流波形

28

3-3 輸出電壓控制

3-3-1 電路參數

返馳式轉換器電路規範如表 3-1。實驗中以直流電源供應器當輸

入電源，依照電壓比設計一、二次側匝數， N1、N2、N3、N4 設定為

108 匝、23 匝、41 匝、36 匝。因變壓器電感電流設計操作在 DCM，

所以開關開始導通時電感的磁通量ψ為零，在開關導通的期間磁通量

等比例上昇，至開關截止時磁通量到達最大值，

sin

s DTNV

DT 1

)( (3-1)

其中 Vin、D 與 Ts分別為輸入電壓峰值、主動開關 Q1的導通率與切換

週期。儲存在鐵心的能量在開關截止時，經由二次側線圈傳送到負

載，此時二次側線圈電壓為輸出電壓 VLR、VLG、VLB，鐵心的磁通量

下降，並且必須在開關切換週期結束前到達零，

0)1(

)1()1()(

4

321

sLB

sLG

sLR

sin

s

TDNV

TDN

VTD

NV

DTNV

T

(3-2)

表 3-1 返馳式轉換器電路規範

輸入電壓 Vin (V) 150

LED 電壓 VLED-R (V)VLED-G (V)VLED-B (V)

345854

LED 電流 IR (mA)IG (mA)IB (mA)

200200160

返馳式轉換器切換頻率 fs (kHz) 70

混光電路頻率 fm (kHz) 1

兩支 LED 光棒總消耗功率 Po (W) <27

29

經移項後可得：

432

1

1 NV

NV

NV

VN

DD LBLGLR

in

(3-3)

由上式得知開關導通率的臨界上限值 D(max)為：

432

1

(max)

(max)

1 NV

NV

NV

VN

D

DLBLGLR

in

(3-4)

令 a′為：

432

1

NV

NV

NV

VN

a LBLGLR

in

(3-5)

上式可簡化成：

aa

D

1(max) (3-6)

變壓器一次側線圈電感值為：

so

in

fPDV

L4

22

1

(3-7)

其中η、Po與 fs分別為電路效率、輸出功率與開關 Q1切換頻率。將(3-6)

式代入(3-7)式後，整理得到：

22

1 )1

(4 a

afP

VL

so

in

(3-8)

求得一次側線圈電感值後，依照匝數比關係求得二次側各線圈電感值，LR所得之式子，

2

21

1R

NL L

N

(3-9)

LG所得之式子，2

31

1G

NL L

N

(3-10)

LB所得之式子，2

41

1B

NL L

N

(3-11)

返馳式轉換器依據上述的公式計算結果，電路參數如表 3-2 所示。

30

表 3-2 返馳式轉換器電路參數

一次側電感值 L1 (μH) 819

二次側電感值 LR (μH) 37

二次側電感值 LG (μH) 118

二次側電感值 LB (μH) 91

Q1開關導通率 <0.6

3-3-2 RGB 混光電阻權重設計

圖 3-12 為混光功率比調整電路，三組開關以 PWM 方式調光時，

依照不同電路工作模式，紅、綠、藍三種 LED 功率需求亦改變，為

主要設計概念。因此設計 RSR1、RSG1和 RSB1擷取三組調光開關控制訊

號，控制 Vref電壓準位，因一、二次側電器隔離，透過光耦合器 PC817

控制一次側迴授偵測 VFB電壓準位。Vref和 VFB為正比例關係。當只有

閘極訊號 Vgs-R為高電位時，RSR1電阻通過適當電流，使 Vref電壓準位

調整一次側開關 Q1 導通率，控制變壓器一次側電感電流高度，提供

適當功率輸出。其餘電阻功能也是如上所述。所以 RSR1、RSG1和 RSB1

電阻比例設計，以紅、綠、藍三種 LED 額定功率比例為參考，

: : 1:1.7 :1.27R G BP P P (3-12)

其中 PR、PG和 PB為實際量測 LED 額定功率，如表 2-5 所示。

混光功率比調整電路，設計 RSR1、RSG1和 RSB1擷取三組調光開關

控制訊號電壓來當參考值，控制一次側功率開關 Q1 導通率，達到適

中功率輸出。RSR1、RSG1和 RSB1三顆電阻值比例式，

1 1 1

1 1 1: : : :

SR SG SBR R R (3-13)

紅、綠、藍三種 LED 額定功率比例為參考，因此設計 RSR1、RSG1 和

31

RSB1分配阻值比例，

1:1.7 :1.27 : : (3-14)

當設定 RSR1阻值調整為 2.788 kΩ時，其餘電阻可依照比例式求出，

1 1

1 1 1: : 1:1.7 :1.27

2.788 SG SBR R (3-15)

由(3-15)式得 RSG1和 RSB1電阻值，各為 1.64 kΩ和 2.195 kΩ。

一次側 Q1導通率變動範圍主要由 VFB電壓與 IC 內部參考電位經

比較器來控制導通率大小，如圖 3-9 所示。PWM IC 正常工作時，內

部產生一固定電壓 4.8 V，提供電路迴授設計，

4.8 FB S FBI R V (3-16)

上式可知 VFB電壓隨著迴授端之 IFB而改變，其中 4.8 V 為 IC 內部參

考電位、RS為 IC 內部 4.8 V 之串聯電阻，

FB dI CTR I (3-17)

其中，CTR 為電流轉換比。光耦合器 PC817 內部發光二極體之電流

Id 與光電晶體電流 IFB 的轉換比例，利用發光二極體順向電流 Id 強弱

對應光輸出比例，以電流鏡方式控制光電晶體順向電流 IFB，迴授偵

測電壓 VFB也隨之變化，調整 Q1開關導通率。

光耦合器串一組穩壓器 TL431，在此功能為控制 Id狀態，控制迴

授偵測電壓 VFB。參考電壓 Vref影響 TL431 內部電晶體導通程度，Vref

電壓值由調光驅動訊號 Vgs-R、Vgs-G、Vgs-B決定，

1 1 1

gs R gs G gs B

ref ref

SR ref SG ref SB ref

V V VV R

R R R R R R

(3-18)

當調光驅動訊號 Vgs-R、Vgs-G、Vgs-B皆在高電位時，通過電阻 RSR1、

32

RSG1 和 RSB1 之電流總和 IF，在 Rref 上產生一電壓 Vref。因此，當工作

模式為 I、II、III 或 IV 任一種，Vref也依照各工作模式改變電壓值。

Vref 變小時，導致 Id 變大。由(3-16)及(3-17)式得知，VFB 變小。所以

Vref電壓和驅動 IC 迴授偵測電壓 VFB成正比例，控制 Vref電壓即可達

到輸出電壓控制。

Red-LEDLoad

Green-LEDLoad

Blue-LEDLoad

gs-BVt

gs-G

Vgs-R

V

RSR1

RSG1

RSB1

Rref

PC817

ref

AN 7805+5 V

V

Id

Rd

TL431

PWM ICFB DrvCS

Q1

L1

L2

L3

L4

iL1

CS

t

R1

C1R2

混光功率比調整電路

Mode

I

IIIIV

gs-BV

gs-G

Vgs-R

V

VFB

VFBVgs

VFB

DT

DT

t

t

t

t

t

II

IFB

FB

4.8V

+-

VFB

CSRS

圖 3-12 輸出電壓控制電路

33

第四章 電路特性量測與分析

本章節以三繞組輸出返馳式轉換器，驅動三原色 RGB-LED 背光

模組。實驗證明電路操作區域，滿足調光及色溫調整操作特性。比較

本文電路與市售電路的效率，證實電路確實可提高電源轉換效率。

4-1 電流平穩之操作範圍

藉由混光電路控制調光開關導通率DQR、DQG、DQB，調整RGB-LED

平均電流，改變色溫及輝度強弱。迴授電壓 VFB 因工作模式而改變電

壓準位，開關 Q1導通率追隨調光訊號變化立即改變，控制一次側電流

高度，輸出適中電壓，使輸出電流峰值操作在較小誤差範圍。

三組調光開關導通率 DQR、DQG、DQB 操作在 10%～100%，電流

峰值誤差以±5%為條件，將數據整理成立體空間圖，此空間為電流平

穩下電路操作範圍。圖 4-1 中，此立體空間圖內任一點代表開關 QR、

QG及 QB的導通率。PWM 調光下，LED 電流 IR、IG、IB滿足峰值誤差

範圍，電流峰值操作在 200±5% mA、200±5% mA、160±5% mA。

立體空間圖內沿著 a 點至 b 點之對角線上，任一點為三組調光開

關 QR、QG 及 QB 操作在相同導通率下，三組調光開關導通率相同。a

點導通率為 100%，b 點導通率為 10%，在電路操作範圍內，a 點操作

範圍最廣，沿著對角線操作範圍漸漸變窄，直到 b 點操作範圍最小。

在此近似圓錐形工作範圍，進行調光特性實驗，分析色溫的可調整範

圍。色溫調整特性下，紅、綠、藍三種 LED 因電流不同，組合之輝度

也會不同，以示波器和光譜分析儀量測背光模組光學面板並紀錄實驗

數據，探討電路在穩定控制下所能達到調光和色溫調整之操作範圍。

34

DQR

DQG

DQB

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

20

3040

5060

708090100

102030405060708090100

( 100,100,100 )

( 10,10,10 )

a

b

DQBDQGDQR( ), ,

(%)

(%)

(%)

圖 4-1 電流平穩之操作範圍

4-2 調光特性

為了避免 LED 光源受到自然光或人造光源影響調光特性實驗，將

光譜分析儀及三原色 RGB-LED 背光模組置放於暗室，如圖 4-2 量測

架構示意圖，包括(1)三繞組輸出返馳式轉換器，(2)混光驅動電路，

(3)三原色 RGB-LED 背光模組，(4)相關量測儀器，包括電腦、數位示

波器及光譜分析儀 PR-650 等。

三原色調光開關 QR、QG及 QB導通率為 100%時，紅光、綠光及

藍光平均電流為 200 mA、200 mA、144 mA，由光譜分析儀量測數據

如圖 4-3(a)所示，紅、綠、藍三種 LED 峰值波長範圍各為 625~635 nm、

525~535 nm、450~455 nm，光譜能量分佈在 420 nm 至 680 nm 之間，

光譜分析儀所得之 CCT 為 9300 K，為高色溫分佈。將藍光平均電流

35

調降，由圖 4-3(a)至 4-3(b)，藍光光譜能量分佈隨著平均電流變化，經

光譜分析儀計算，色溫值將變小；如調整紅光平均電流，色溫值將變

大，得知特定平均電流比例直接影響色溫。

實驗電腦 示波器

光譜分析儀

Scope

on/off

三原色發光二極體背光模組 三繞組輸出

返馳式轉換器

混光驅動電路

暗室

放大器

電流探棒

圖 4-2 量測架構示意圖

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20W/sr*m

2

Wavelength (nm)

IB

143 mA

200 mA

200 mA

IG

IR

(a) CCT 值為 9300 K 之光譜能量分佈

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20W/sr*m

2

Wavelength (nm)

IB105 mA 200 mA

200 mA

IG

IR

(b) CCT 值為 6500 K 之光譜能量分佈

圖 4-3 RGB-LED 混光特性

36

調光特性中，三原色 RGB-LED 電流比例影響色溫分佈，控制調

光開關 QR、QG及 QB導通率，即可以平均電流比例，得到不同色溫輸

出。三原色組成不同色溫，圖 4-4 為調整電流比例，電流組合改變，

由圖 4-3 得知光譜分佈也會改變，平均電流組合影響色溫輸出，以平

均電流組合分析色溫特性較客觀。

LED 消耗功率線性增加時，與輝度略成線性關係，額定之輸出功

率 100%為 26.2 W。如圖 4-5 所示。特定電流比例下，平均電流增加，

輝度相對增加，但色溫相近。因此，在特定電流比例下，平均電流大

小影響輝度變化。

( mA )I avg

Red LEDcurrent

Green LEDcurrent

Blue LEDcurrent

(K)CCT

0

50

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

圖 4-4 平均電流對色溫影響

26.2 W

0 20 40 60 80 1000

500

1000

1500

2000

2500

3000( cd/m )2Luminance

( %)Po

9300 K

6500 K7500 K

5500 K5000 K

CCTCCTCCTCCTCCT

圖 4-5 兩串 LED 光棒功率與輝度關係

37

4-3 色溫調整特性

色溫調整特性中，除了 CIE 制訂之標準光源 D65 跟輔助光源

D75、D55、D50 之外，也對色溫值 9300 K 進行特性量測。色溫最大/

最小調整範圍限制為輔，探討電路特性。

4-3-1 電流比例

表 4-1 為色溫調整時，不同色溫下三原色 LED 之平均電流比例，

: :R all G all B all

B all B all B all

I I II I I

(4-1)

IR- all、IG- all、IB- all為平均電流再取平均值，整理出一組固定電流比例，

1 2

1 2

R avg R avg R avg nR all

B avg B avg B avg n

I I II n

I I I

(4-2)

其中 IR-avg-1~n為維持相同色溫進行調光操作時之平均電流，n為調光操

作次數。如圖 4-6 所示，調整特定電流比例會得到對應之色溫，調光

操作時，IR、IG、IB電流峰值會有±5%變動量，因而固定色溫調光操作

時所得之多組電流比例相近，此相近比例對於設計者實為麻煩的要

求，分析使用(4-1)式所得之固定平均電流比例調光的可行性。因此，

比較相同色溫之電流比例與(4-1)式所得之固定電流比例，如圖 4-7(a)

和 4-7(b)得知，實驗之電流比例與固定電流比例相近。因此，以固定

比例操作時，即可以在較小之色溫變動範圍，調整所需之輝度，可簡

化調光操作。

表 4-1 色溫之特定電流比例CCT

I R-avg I G-avg I B-avg: :

9300 K

1.27:1.48:1

7500 K

1.52:1.84:1

6500 K

1.77:1.83:1

5500 K

2.07:1.94:1

5500 K

2.41:2.26:1

3300 K

4.47:3.13:1

38

(K)CCT

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Red LEDcurrent

Green LEDcurrent

Blue LEDcurrent

平均電流比例

圖 4-6 平均電流比例與色溫關係

( cd/m )2

( mA )I avg

Luminance

0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Red LEDcurrent

Green LEDcurrent

Blue LEDcurrent

(a) CCT 值為 6500 K

( cd/m )2

( mA )I avg

Luminance

0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Red LEDcurrent

Green LEDcurrent

Blue LEDcurrent

(b) CCT 值為 9300 K

圖 4-7 不同色溫下三原色 LED 之平均電流與輝度關係

39

色溫調整特性下，電路於 PWM 調光下，色溫可達到之最大/最小

值為 95000 K 和 3300 K。將電流比例調整成 0.73：0.96：1 時，色溫

值高達 95000 K，顏色接近深藍色；當電流比例調整成 4.47：3.13：1

時，色溫值 3300 K，顏色接近桃紅色。其中，色溫值 3300 K 為電路

最小色溫可操作範圍，更低色溫調整特性時，紅、綠、藍三種 LED 電

流之峰值將超出電流平穩操作範圍。在 CIE 色度座標等色溫線上，色

溫值 95000 K 至 3300 K 調整特性操作點色溫分佈線上，如圖 4-8 所示。

因 LCD 實際運用之背光源色溫範圍為 9300 K 至 5000 K，此色溫應用

範圍為設計重點。

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

520 nm

510 nm

490 nm

480 nm

470 nm460 nm

420 nm380 nm

x

y

680 nm630 nm

620 nm600 nm

590 nm

580 nm

570 nm

560 nm

550 nm

540 nm

530 nm

770 nm

5000K5500K

6500K7500K

9300K

95000K

3300K

Isotemperatureline

Black body locus

圖 4-8 色溫調整範圍

40

4-3-2 色溫調整

將 5000 K、5500 K、6500 K、7500 K 及 9300 K 所得之色溫調整

操作點置放於電流平穩操作範圍內。如圖 4-9 所示，調光開關導通率

DQR、DQG及 DQB控制特定電流在特定比例下操作，色溫 5000 K、5500

K、6500 K、7500 K 及 9300 K 調整操作點皆在電流平穩操作範圍內。

設定電流峰值維持±5%變動量，電流平穩操作範圍內依然滿足 LCD 調

光操作需求。因此，實驗證實三繞組輸出返馳式轉換器用於驅動 LED

背光源是可行的。

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

20

3040

5060708090100

102030405060708090100

( 10,10,10 )

DQR

DQG

DQB

DQBDQGDQR( ), ,

(%)

(%)

(%)

9300 K

6500 K7500 K

5500 K5000 K

( 100,100,100 )

DQBDQGDQR( ), ,

圖 4-9 色溫操作曲線

41

4-4 電路效率

LED 驅動電路在特定電流比例調整電流大小，進行調光時，記錄

電路效率。如圖 4-10 為色溫 5000 K 至 9300 K 調光操作時，記錄電路

效率，並將這些電路效率取平均值，得到電路平均效率曲線。RGB-LED

功率增加時，效率相對增加，在輸出功率在 100%時，電路平均效率

最高到 87%。

以相同 RGB-LED 背光模組當測試基準，量測市售電路效率。以

負載端功率消耗為比較基準，輸出功率在 100%時，功率為 20.96 W。

市售 LED 驅動電路依照廠商自有之特定電流比例，改變平均電流達到

調光目的，記錄調光操作在 9300 K 及 6500 K 之電路平均效率。

從圖 4-10 比較本文 LED 驅動電路和市售 LED 驅動電路後，三繞

組返馳式轉換器輸出功率在 100%時，電路平均效率確實比市售電路

效率高 8%以上，可證實本文設計之 LED 驅動電路確實能達到良好之

電源轉換效率。

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100( %)P

(%)Efficiency

o

Three-winding-output fly-back converter

Conventional converter

圖 4-10 電路平均效率

42

第五章 結論與討論

本文完成一個以三繞組輸出之返馳式轉換器為主的RGB-LED驅

動電路。返馳式轉換器藉由調整導通率，使 LED 電壓維持平穩，三

原色 LED 在容許誤差範圍內，進行調光。實驗中得知在特定平均電

流比例下，色溫相近，可增加或減少平均電流大小來改變輝度。本文

所提出的電路和市售之傳統驅動電路比較後，確實有較高電路效率。

研究總結如下：

1. 電路使用三繞組輸出取代三組昇壓式轉換器電路，提供 LED 的驅

動電壓，使電路複雜度降低，並減少電路元件。

2. 本文所提出之電路滿足調光操作及色溫調整要求，可符合 LCD

背光源應用需求。

3. 依照特定平均電流比例，增加/減少平均電流，即可在同一色溫下

調整輝度，調光操作簡便。

4. 本文驅動電路效率經量測確實比傳統電路高，達到良好之電源轉

換效率。

在本論文中仍有未盡完善之處，可於未來更進一步研究：

1. 負載可加入 LED 保護電路，偵測 LED 故障，避免故障範圍擴大

而導致發光二極體壽命縮減。

2. 尚有其他具隔離及多組輸出之電路，如前向式轉換器及 SEPIC，

可研究討論用於驅動紅、綠、藍三原色 LED 的合適性及增加電

路效率方法。

3. 可研究上述電路於較大功率操作，應用於 LED 照明光源。

43

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