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KR101607126B1 - 백라이트 유닛 - Google Patents

백라이트 유닛 Download PDF

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KR101607126B1
KR101607126B1 KR1020090123499A KR20090123499A KR101607126B1 KR 101607126 B1 KR101607126 B1 KR 101607126B1 KR 1020090123499 A KR1020090123499 A KR 1020090123499A KR 20090123499 A KR20090123499 A KR 20090123499A KR 101607126 B1 KR101607126 B1 KR 101607126B1
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KR
South Korea
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output
voltage
led array
operational amplifier
resistor
Prior art date
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KR1020090123499A
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KR20110066734A (ko
Inventor
제성민
장동훈
황인성
Original Assignee
엘지디스플레이 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 LED 어레이의 휘도변화를 보상하기 위해 LED 어레이의 출력전류를 가변시킬 수 있는 보상회로를 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것으로, LED 백라이트는 구동전압이 인가되고, 제 1 출력전압을 출력시키는 출력단을 가지는 LED 어레이; 상기 LED 어레이의 온도 변화를 센싱하고, 상기 LED 어레이의 온도 변화에 따라 가변되는 입력전압을 생성하는 입력전압 생성부; 상기 LED 어레이의 상기 출력단과 연결되어 기준출력전압을 유지하는 노드를 포함하고, 상기 입력전압을 인가받아 상기 구동전류를 제어하는 제 2 출력전압을 출력시키는 연산증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
LED 백라이트, 전류 보상부, 연산증폭기

Description

백라이트 유닛{Back light unit}
본 발명은 LED 어레이의 휘도변화를 보상하기 위해 LED 어레이의 출력전류를 가변시킬 수 있는 보상회로를 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것이다.
정보기술(IT)의 발달에 따라 평판표시장치는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 한층 강조되고 있으며, 보다 향상된 경쟁력을 확보하기 위해 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등이 요구되고 있다. 대표적인 평판표시장치로 액정의 광학적 이방성을 이용하여 화상을 표시하는 액정표시장치(Liquid Crystal Display)가 있다. 액정표시장치는 박형, 소형, 저소비전력 및 고화질 등의 장점을 가진다.
액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 다수의 화소에 화상정보를 개별적으로 공급하여, 다수의 화소 각각과 대응되는 액정층의 광 투과율을 조절함으로써, 원하는 화상을 표시할 수 있다. 따라서, 액정표시장치는 화상을 구현하는 최소 단위인 다수의 화소가 매트릭스 형태로 배열되는 액정패널과, 액정패널을 구 동하기 위한 구동부를 구비한다. 그리고, 액정패널은 자체 발광수단을 가지고 있지 않기 때문에, 투과율의 차이를 외부로 발현시키기 위한 별도의 조광수단이 필요하다. 조광수단으로 액정패널 배면에 광원(light source)을 가진 백라이트(back light)를 설치한다.
일반적으로, 백라이트는 유닛은 빛을 발하는 광원의 위치에 따라 측광형(side light type)과 직하형(direct type)으로 구분될 수 있는데, 측광형은 일측면으로부터 출사된 광원의 빛을 별도의 도광판(Light Guided Panel)으로 굴절시켜 액정패널로 진입시키는 반면, 후자의 직하형은 액정패널 배면으로 복수의 광원을 직접 배치시켜 빛을 공급한다.
액정표시장치에서 사용되는 백라이트의 광원으로는 전통적으로 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp: CCFL) 또는 외부전극형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp: EEFL)가 주로 사용되었지만, 최근 들어 유독성 수은(Hg)을 사용하지 않으면서도 색재현성과 휘도를 개선할 수 있는 LED(Light Emitting Diode)를 사용한다. 이와 같이 LED를 광원으로 채택한 백라이트 유닛을 히 LED 백라이트 유닛이라 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 종래기술의 LED 백라이트 유닛과 그의 구동방법에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 LED 백라이트 유닛을 포함한 액정표시장치의 모식도이고, 도 2는 종래기술에 따른 LED 백라이트 유닛의 개략적인 회로도이고, 도 3은 종래기술에 따른 온도변화에 따른 PWM 듀티 변화를 도시한 그래프이다.
도 1과 같은 액정표시장치(10)은 액정패널(12)과 액정패널(12)의 배면에 위치한 LED 백라이트(14)를 포함하여 구성된다. LED 백라이트(14)는 액정패널(12)의 배면에서 직하형으로 배치되고, 일정간격을 가지고 줄무늬 형태(stripe type)로 배열되는 다수의 인쇄회로기판(16)과 다수의 인쇄회로기판(16)에 장착된 다수의 LED(18)를 포함한다.
다수의 LED(18)는 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue)를 발광하는 RGB LED이고, 일정 간격으로 배열된다. 다수의 LED(18)를 동시에 점등시켜 색의 혼합에 의해 백색광을 구현한다. 대면적의 액정표시장치에서는 소비전력 등을 이유로 2 개 내지 10 개의 LED(18)를 하나의 어레이(array)로 하여 다수의 인쇄회로기판(16) 상에 반복적으로 배열한다.
이러한 LED 어레이는 도 2와 같은 구동회로에 구동된다. 도 2와 같이, LED 백라이트 구동회로(20)는 전원전압(22)과 접지단(24) 사이로 위치된 LED 어레이(26), 입력단(22)과 출력단(24) 사이에 위치하고 LED 어레이(26)와 연결된 제어 부(28), LED 어레이(26)의 온도변화에 따라 저항치가 변하는 센싱부(30), 및 센싱부(30)의 신호에 따라 PWM(pulse width modulation) 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(32)를 포함하여 구성된다.
LED 어레이(26)는 최소한 2 개 이상의 LED가 직렬로 연결된다. LED 어레이(26)에 구동전압(VIN)이 입력단(22)에 인가되고, 구동전압(VIN)은 LED 어레이(26)를 턴온시키는 전압 이상으로 인가되고, LED 어레이(26)에 손상을 주지 않는 범위 내에서 일정한 진폭을 가질 수 있다. 그리고, 제어부(28)에 연결된 출력단(24)에 출력저항(Rext)이 연결되고, 출력저항(Rext)은 접지된다.
센싱부(30)는 LED 어레이(26)의 온도변화를 감지하고, 온도변화에 따른 저항치(THM)를 PWM 신호 생성부(32)에 인가한다. 센싱부(30)은 온도변화에 따라 저항치(THM)가 변화하는 써미스터(thermister: thermally sensitive resistor)를 사용한다.
PWM 신호 생성부(32)는 센싱부(30)로부터 LED 어레이(26)의 온도변화에 따른 저항치(THM)를 입력받고, 저항치의 변화에 따라 LED 어레이(26)에 공급되는 전류를 조절할 수 있는 PWM 신호(pulse width modulation signal)를 제어부(28)에 인가한다. PWM 신호 생성부(32)는 ADC 회로(analog to digital converter)를 포함하고, 아날로그 데이터로 입력된 저항치를 디지털 데이터로 변환시킨다. PWM 신호 생성 부(32)는 MCU 및 CPU와 같은 프로세스 유닛(process unit)을 사용한다.
제어부(28)는 PWM 신호 생성부(32)에서 인가되는 PWM 듀티에 따라 LED 어레이(26)에 구동전류를 조절한다.
일반적으로 LED 어레이(26)는 온도에 따라 급격하게 휘도가 변한다. LED 어레이(26)의 발광시간이 길어질수록 온도가 증가하고 온도의 상승으로 인해 LED 어레이(26)의 휘도가 급격하게 저하된다. 일반적으로 LED 어레이(26)의 온도가 80도 이상인 경우 휘도는 80% 이하로 저하되고 120도 이상인 경우 LED 어레이(26)가 구동하지 않을 수 있다. LED 어레이(26)의 온도에 따른 휘도 변화로 인해 LED 어레이(26)의 휘도가 급격하게 감소하고 결국 화질저하로 이어진다.
따라서, LED 어레이(26)의 온도에 따라, LED 어레이(26)에 공급되는 구동전류를 제어하기 위하여, 센싱부(30)가 LED 어레이(26)의 온도변화를 감지하고. 온도변화에 대한 저항치(THM)를 PWM 신호 생성부(32)에 인가하면 PWM 신호 생성부(32)는 PWM 신호를 생성하여 LED 어레이(26)에 공급되는 구동전류를 제어함으로써 LED 어레이(26)의 온도상승을 방지할 수 있다.
도 2는 예시로써, LED 어레이(26)의 온도에 따라 LED 어레이(26)에 공급되는 구동전류를 제어하는 PWM 듀티비(pulse width moduration duty ratio) 변화를 도시 한다. LED 어레이(26)가 0 내지 70도의 온도범위에서는 100%의 PWM 듀티비(duty ratio)를 나타내지만, 70도 이상의 온도에서는 PWM 듀티가 감소하기 시작한다. 다시 말하면, LED 어레이(26)가 70도까지 온도가 증가하는 경우, 센싱부(30)의 저항변화에 따라 PWM 듀티가 변하지 않고, 이에 따라 LED 어레이(26)에는 일정한 구동전압이 100% 인가된다. 그러나, LED 어레이(26)를 장시간 사용하거나 또는 다른 원인으로 LED 어레이(26)의 온도가 70도 이상으로 상승하는 경우, PWM 듀티비가 가변되어 LED 어레이(26)에 공급되는 턴 온(turn on) 시간을 감소시킨다.
상기와 같은 종래기술에 따른 LED 백라이트 유닛은 다음과 같은 문제가 있다.
LED 어레이의 온도변화에 따라 LED 어레이에 공급되는 구동전류를 조절하는 PWM 신호 생성부를 MCU 및 CPU와 같은 프로세스 유닛(process unit)을 사용하기 때문에, 프로세스 유닛이 다른 작업을 수행하는 경우, 외부의 신호 노이즈 또는 통신 에러 등에 의해 프로그램이 정상적으로 동작하지 않아 LED 어레이에 손상을 줄 수 있다.
PWM 신호 생성부로서 프로세스 유닛을 사용하는 경우, 프로세스 유닛의 프로그램밍이 필요하므로 별도의 작업이 필요하다.
백라이트의 프로세스 유닛과 액정패널의 프로세스 유닛과의 임피던스 매칭 또는 통신규격 설정 등의 과정이 필요한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 LED 어레이의 휘도변화를 보상하기 위해 LED 어레이의 출력전류 및 출력전압을 가변시킬 수 있는 보상회로를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 백라이트는, 구동전압이 인가되고, 제 1 출력전압을 출력시키는 출력단을 가지는 LED 어레이; 상기 LED 어레이의 온도 변화를 센싱하고, 상기 LED 어레이의 온도 변화에 따라 가변되는 입력전압을 생성하는 입력전압 생성부; 상기 LED 어레이의 상기 출력단과 연결되어 기준출력전압을 유지하는 노드를 포함하고, 상기 입력전압을 인가받아 상기 구동전류를 제어하는 제 2 출력전압을 출력시키는 연산증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 LED 백라이트에 있어서, 상기 입력전압 생성부는 상기 LED 어레이의 온도변화는 써미스터와 제 1 저항을 포함하고, 상기 써미스터의 가변저항과 상기 제 1 저항에 의해 전원전압을 분압하여 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 LED 백라이트에 있어서, 상기 연산증폭기는 상기 입력전압이 인 가되는 비반전 입력단자 및 상기 연산증폭기의 출력이 피드백되는 반전 입력단자를 포함하고, 상기 연산증폭기에 상기 제 2 출력전압을 제어하기 위해 제 1 및 제 2 제어전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 LED 백라이트에 있어서, 상기 노드에 출력저항이 연결되고, 상기 연산증폭기의 출력단과 상기 노드 사이에 제 2 저항이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 LED 백라이트에 있어서, 상기 제 2 출력전류는, "제 2 출력전류(Iout2) = (제 2 출력전압(Vout2) - 제 1 출력전압(Vout1))/제 2 저항(R2)"에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 LED 백라이트에 있어서, 상기 제 1 제어전압은, "제 1 제어전압(Vhigh) = 제 1 출력전압(Vout1) * (1 + 제 2 저항(R2) / 2 * 출력저항(Rext))"에 의해서 결정되고, 상기 제 2 제어전압은 상기 제 1 출력전압과 동일하게 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 백라이트 유닛은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 백라이트의 구동전류를 제어하기 위해 종래기술과 같이 프로세스 유닛을 사용하지 않기 때문에, 제조비용의 절감은 물론, 외부의 신호 노이즈 또는 통신 에러 등에 의해 프로세스 유닛에 입력되어 있는 프로그램이 오동작하는 문제를 제거할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명은 하드웨어적 방법으로 백라이트의 구동전류를 제어하기 위기 때문에 오동작의 우려를 최소한 시킬 수 있다.
본 발명은 프로세스 유닛을 사용하지 않기 때문에, 프로세스 유닛의 프로그램밍을 위한 별도의 작업이 필요하지 않다.
백라이트의 프로세스 유닛과 액정패널의 프로세스 유닛과의 임피던스 매칭 또는 통신규격 설정 등의 과정이 불필요하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 LED 백라이트의 개략적인 회로도이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 LED 백라이트 구동회로의 파형도이다.
도 4와 같이, LED 백라이트 구동회로(120)는 입력단(122)과 출력단(124) 사이로 위치된 LED 어레이(126), 입력단(122)과 출력단(124) 사이에 위치하고 LED 어레이(126)와 연결된 제어부(128), 및 출력단(124)과 연결되고 LED 어레이(126)의 출력전류를 보상하는 전류 보상부(130)를 포함하여 구성된다.
LED 어레이(126)는 최소한 2 개 이상의 LED가 직렬로 연결된다. LED 어레이(126)의 구동전압(VIN)은 입력단(122)을 통하여 인가되고, 구동전압(VIN)은 LED 어레이(126)를 턴 온시키는 전압 이상으로 인가되고, LED 어레이(126)에 손상을 주지 않는 범위 내에서 일정한 진폭을 가질 수 있다. 그리고, 제어부(128)에 연결된 출력단(124)에서 제 1 출력전압(Vout1)이 출력된다.
전류 보상부(130)는 LED 어레이(126)의 온도변화를 감지하는 감지하고, 전원전압(Vcc)을 분압하여 입력전압(Vinput)을 생성하는 입력전압 생성부(134), 및 입력전압(Vinput)이 인가되고 LED 어레이(126)에 공급되는 구동전압(Vin)을 제어하는 제 2 출력전압(Vout2)을 출력하는 연산증폭부(136)를 포함하여 구성된다.
입력전압 생성부(134)는 LED 어레이(126)의 온도변화를 감지하고, 온도변화에 따라 저항치가 변하는 써미스터(thermister: thermally sensitive resistor)를 포함하는 센싱부(132)와 제 1 저항(R1)을 포함한다. 써미스터는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터, PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터 및 CTR(Critical Temperature Resistor) 써미스터 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 센싱부(130)은 써미스터가 온도변화에 따라 저항치가 변하기 때문에 가변저항(Rv)을 가지고 있는 것으로 간주한다. 입력전압 생성부(134)는 센싱부(132)의 가변저항(Rv)과 제 1 저항(R1)에 의해 전원전압(Vcc)을 분압하여 입력전압(Vinput)을 생성한다.
입력 전압 생성부(134)에서 출력되는 입력전압(Vinput)이 연산증폭부(136)의 비반전 입력단자(+)에 인가되고, 반전 입력단자(-)에는 연산증폭부(136)에서 출력이 피드백(feedback)된다. 연산증폭기(136)에는 출력전압(Vout)의 범위를 제어하기 위한 제 1 및 제 2 제어전압(Vhigh, Vlow)이 인가된다.
연산 증폭기(136)의 출력단과 제어부(128)의 출력단(124)이 만나는 노드(140)에는 기준 출력전압(Vref)가 항상 유기된다. 노드(140)은 출력저항(Rext)이 연결되고, 출력저항(Rext)은 접지된다. 따라서, 노드(140)에는 항상 기준 출력전위(Vref)가 유기되고, 출력저항(Rext)에는 출력저항(Rext)에는 항상 기준 출력전류(Iref)가 흐른다.
따라서, 기준 출력전압(Vref)은 제 1 출력전압(Vout1)과 제 2 출력전압(Vout2)의 합이 되고, 기준 출력전류(Iref)는 제 1 출력전류(Iout1)와 제 2 출력전류(Iout2)의 합이 된다. 연산 증폭기(136)에서 제 2 출력전류(Iout2)가 출력되면, 제어부(126)는 "제 1 출력전류(Iout1)-제 2 출력전류(Iout2)"의 전류를 출력하게 된다. 동일하게, 연산 증폭기(136)에서 제 2 출력전압(Vout2)가 출력되면, 제어부(126)는 "제 1 출력전압(Vout1)-제 2 출력전압(Vout2)"의 전압를 출력하게 된다.다시 말하면, 출력저항(Rext)에는 항상 기준 출력전류(Iref)가 흐르게 되므로, 연산 증폭기(136)의 제 2 출력전류(Iout2)에 의해서, LED 어레이(126)에 공급되는 구 동전류를 결정하게 된다.
도 5a는 LED 어레이(126)의 온도변화에 따라 LED 어레이(126)에 인가되는 구동전류를 제어하는 제 1 출력전류(Iout1)의 변화를 나타낸 파형도이고, 도 5b는 LED 어레이(126)의 온도변화에 따라 전류 보상부(130)에서 제어부(128)의 출력단(124)에 공급되는 제 2 출력전류(Iout2)의 변화도이고, 도 5c는 LED 어레이(126)의 온도변화에 따라 전류 보상부(130)에서 제어부(128)의 출력단(124)에 공급되는 제 2 출력전압(Vout2)의 변화도이고, 도 5d는 LED 어레이(126)의 온도변화에 따라 연산증폭기(136)에 인가되는 입력전압(Vinput)의 변화도이다.
도 5a와 같이, LED 어레이(126)의 온도가 70도의 이하를 유지하고 있으면, LED 어레이(126)에는 정상적인 구동전류가 공급되고, LED 어레이(126)의 온도가 70도 이상으로 증가하면, LED 어레이(126)에는 온도증가와 비례하여 선형적으로 감소된 구동전류가 인가된다. 상기의 LED 어레이(126)의 공급되는 구동전류을 변화시키는 온도범위 및 온도변화에 따른 구동전류의 감소폭은 단순한 예시에 불과할 뿐이고, 필요에 따라 조정할 수 있는 수치이다.
도 5b와 같이, LED 어레이(126)의 온도변화에 따라 연산증폭기(136)에서 출력되는 제 2 출력전류(Iout2)가 변화한다. 그리고, 도 5d와 같이, 연산증폭기(136)에 인가되는 입력전압(Vinput)이 선형적으로 증가할지라도, 도 5c와 같이 연산증폭 기(136)에서 출력되는 제 2 출력전압(Vput2)은 제 1 및 제 2 제어전압(Vhigh, Vlow) 사이의 범위를 벗어나지 않는다.
도 5b에서, 연산증폭기(136)에서 출력되는 제 2 출력전류(Iout2)는 수학식1에 의해 결정된다.
수학식1
제 2 출력전류(Iout2) = (제 2 출력전압(Vout2) - 제 1 출력전압(Vout1))/제 2 저항(R2)
도 5c에서, 연산증폭기(136)에 인가되는 제 1 제어전압(Vhigh)은 수학식 2에 의해서 결정된다. 그리고, 제 2 제어전압(Vlow)는 제 1 출력전압(Vout1)과 동일하게 설정할 수 있다.
수학식 2
제 1 제어전압(Vhigh) = 제 1 출력전압(Vout1) * (1 + 제 2 저항(R2) / 2 * 출력저항(Rext))
본 발명은 도 4와 같이 전류 보상부(130)를 포함한 LED 백라이트에 의해, 외부의 프로세스 유닛에 의존하지 않고 LED 어레이(126)의 구동전류를 가변시킬 수 있어, 프로그램 에러 및 외부의 노이즈에 의한 영향을 받지 않는다. 다시 말하면, 본 발명은 하드웨어적 방법으로 백라이트의 구동전류를 제어하기 위기 때문에 오동작의 우려를 최소한 시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 프로세스 유닛을 사용하지 않 기 때문에, 프로세스 유닛의 프로그램밍을 위한 별도의 작업이 필요하지 않고, 백라이트의 프로세스 유닛과 액정패널의 프로세스 유닛과의 임피던스 매칭 또는 통신규격 설정 등의 과정이 불필요하기 때문에 생산성 개선에 기여할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 LED 백라이트 유닛을 포함한 액정표시장치의 모식도
도 2는 종래기술에 따른 LED 백라이트 유닛의 개략적인 회로도
도 3은 종래기술에 따른 온도변화에 따른 PWM 듀티 변화를 도시한 그래프
도 4는 본 발명에 따른 LED 백라이트의 개략적인 회로도
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 LED 백라이트 구동회로의 파형도

Claims (6)

  1. 구동전압이 인가되는 LED 어레이;
    상기 LED 어레이와 연결되고, 제 1 출력전압을 출력하는 출력단을 갖는 제어부;
    상기 LED 어레이의 온도 변화를 센싱하고, 상기 LED 어레이의 온도 변화에 따라 가변되는 입력전압을 생성하는 입력전압 생성부;
    기준출력전압을 유지하는 노드에서 상기 제어부의 출력단과 연결되며, 상기 입력전압을 인가받아 상기 구동전압을 제어하는 제 2 출력전압을 출력시키는 연산증폭기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력전압 생성부는 상기 LED 어레이의 온도변화는 써미스터와 제 1 저항을 포함하고, 상기 써미스터의 가변저항과 상기 제 1 저항에 의해 전원전압을 분압하여 생성하는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산증폭기는 상기 입력전압이 인가되는 비반전 입력단자 및 상기 연산 증폭기의 출력이 피드백되는 반전 입력단자를 포함하고, 상기 연산증폭기에 상기 제 2 출력전압을 제어하기 위해 제 1 및 제 2 제어전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 노드에 출력저항이 연결되고, 상기 연산증폭기의 출력단과 상기 노드 사이에 제 2 저항이 설치되는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 출력전류는,
    "제 2 출력전류(Iout2) = (제 2 출력전압(Vout2) - 제 1 출력전압(Vout1))/제 2 저항(R2)"에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 제어전압은,
    "제 1 제어전압(Vhigh) = 제 1 출력전압(Vout1) * (1 + 제 2 저항(R2) / 2 * 출력저항(Rext))"에 의해서 결정되고,
    상기 제 2 제어전압은 상기 제 1 출력전압과 동일하게 설정하는 것을 특징으로 하는 LED 백라이트.
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