专利名称：用于多个led串电流共用的集成led驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管(LED)驱动器，特别涉及一种集成的LED驱动装置，它可以在DC模式下使多个LED串电流共用并或者在PWM模式下具有最小的相位延迟。
驱动用于具有大数量N个LED串(例如，没有限制，在LC-TV直接背景光)的大规模LED驱动器需要复杂的电路和昂贵的控制器而且，在现有技术下，当多个LED串在PWM模式下工作时，控制器之间将存在时间延迟变化，这将导致该N个LED串之间出现不同的相位。
现在参照
图1，其中示出用于单个LED串8的传统LED驱动装置的示意图，其中包括一个简单的线性调节器5。该LED串优选利用特定的恒定电流源和稳定DC输入电压源(未示出)来驱动，该恒定电流源跟随接线端2a处的恒定参考电流信号Iref，该稳定DC输入电压源在接线端3提供DC输入电压VDC。该线性调节器5按照保持恒定LED电流ILED的方式来工作。现在将详细说明线性调节器5的通常操作。
LED电流ILED通过读出电阻器R28来读出。运算放大器(OP-AMP)U1与电阻器R25和R26一起用于实现合适的放大，从而使LED电流ILED信息反馈到调节器的控制器OP-AMP U2的负的或反相接线端。电阻器R25为耦合在OP-AMP U1的输出端和负的或反相接线端之间的反馈电阻器。电阻器R26耦合到OP-AMP U1的负的或反相接线端和地。OP-AMPU2的转移函数表示为R22R2311+sR22C9--(1)]]>其中s是一复数变量；电阻器R22为耦合在OP-AMP U2的输出端和负的或反相接线端之间的反馈电阻器；电容器C9与反馈电阻器R22并联耦合；电阻器R23的一端与OP-AMP U2的负的或反相接线端耦合，另一端与节点A耦合。OP-AMP U2的正的或非反相接线端从接线端2a接收恒定参考电流信号Iref。
仍然参照该示意图，线性调节器5的节点A还与电阻器R21的一个接线端连接且该节点A邻近节点B。电阻器R21的另一接线端与晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)QA1的漏极耦合。晶体管或MOSFET QA1的栅极从接线端2b接收恒定的参考电流Iref。晶体管或MOSFET QA1的源极与地耦合。节点B与电容器C8的一个接线端和二极管D8的阴极端耦合。电容C8的另一接线端与地耦合。二极管D8的阳极与OP-AMP U1的输出端耦合。
在调节器的控制器OP-AMP U2的输出端产生控制输出，通过RC低通滤波器6将该输出耦合到晶体管或MOSFET Q1的栅极从而向晶体管或MOSFET Q1提供栅极电压VGS。该RC低通滤波器6包括电阻器R24和电容C10。电阻器R24的第一接线端与OP-AMP U2的输出端和电容器C10的第一接线端耦合。电容器C10的第二接线端与地耦合。
线性调节器5还包括电阻器R20，该电阻器R20的一个接线端与电阻器R24的第二接线端耦合，并与晶体管或MOSFET QA2的漏极耦合。该晶体管或MOSFET QA2的栅极与NOT门NG3的输出端耦合，晶体管或MOSFET QA2的源极与地耦合。NOT门NG3的输入端从接线端2b接收恒定参考电流Iref。
在工作中，调节晶体管或MOSFET Q1的漏-源极电流使其跟随恒定参考电流Iref，该漏-源极电流等于ILED。图1中的线性调节器5对于DC或脉冲宽度调制(PWM)工作的LED串8工作很好。但是，当要驱动N个LED串，且每个串包括多个LED时，为了在N个LED串中实现相等的电流共用，通常仅将图1中的电路简单重复。可以理解，这将增加电路的复杂性和线性调节器的控制器成本。另外，如果LED串在PWM模式下操作，则重复的控制器和线性调节器之间的时间延迟变化将导致N个LED串之间存在不同的相位。
一种用于多个LED串的集成LED驱动装置在DC模式下可以自动电流共享，并或者，在PWM模式下具有最小的相位延迟。该集成LED驱动装置使用了单个线性调节器或用于控制参考电流的其它控制器以及一多输出电流镜，该多输出电流镜包括多个晶体管或MOSFET。每个晶体管或MOSFET都集成在相同的衬底上，具有几乎相同的宽-长沟道比并具有相同的源极栅极连接。因此，该多输出镜将提供电流共用，该电流共用几乎不依赖于提供DC输入电压VDC的DC输入电压源、不依赖于MOSFET在半导体集成过程中的变化，以及几乎不依赖于温度变化。
图1示出用于单个LED串的传统LED驱动装置的示意图；图2示出本发明用于多个LED串的集成LED驱动装置的示意图3示出本发明用于多个LED串的集成LED驱动装置的可替换实施例的示意图；图4示出本发明用于多个LED串的集成LED驱动装置的可替换实施例的示意图。
现在参照图2，其中示出根据本发明用于N个LED串281、282、...、28N的集成LED驱动装置10的一个示例性实施例的结构图。该集成LED驱动装置10包括利用接线端2a处的恒定参考电流信号Iref驱动的单个线性调节器15和用于驱动N个LED串281、282、...、28N的多输出电流镜30。每个LED串包括多个LED。该单个线性调节器15基本上与图1中的线性调节器5相同，因此使用了相同的附图标记。不过仍然可以使用其它线性调节器。
现在说明多输出电流镜30，该多输出镜像30包括N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N，它们中的每个都集成在相同的衬底36上，并优选具有相同的尺寸和相同的宽-长沟道(W/L)比。晶体管或MOSFET Q11、晶体管或MOSFET Q12，...，以及晶体管或MOSFET Q1N的栅极通过路径32耦合在一起。该路径32从邻近第一晶体管或MOSFETQ11的栅极的节点C延伸至第N个晶体管或MOSFET Q1N的栅极，并接收线性调节器15的低通滤波器6的输出。这样，N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N的各栅极将从OP-AMP U2即调节器的控制器接收相同的控制输出。路径32和节点C集成在衬底36上。晶体管或MOSFET Q11、晶体管或MOSFET Q12、...、晶体管或MOSFET Q1N的源极通过路径34连接在一起，其中路径34与线性调节器15的读出电阻器R28耦合，从而可使电流读出电阻器R28读出其电流。N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N的各漏极与N个LED串281、282、...、28N中相应的一个的一端耦合。换句话说，第一晶体管或MOSFET Q11的漏极与第一LED串281的一端耦合，第二晶体管或MOSFET Q12的漏极与第二LED串282的一端耦合，依次类推，直到第N晶体管或MOSFETQ1N的漏极与第N LED串28N的一端耦合。这N个LED串281、282、...、28N中的每个的另一端在接线端13接收一DC输入电压VDC。
现在说明集成LED驱动装置10的操作，当N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N在VDS≥VGS-VT的饱和模式下工作时，由于利用相同的半导体制造工艺(例如，温度、材料、掩模、掺杂、腐蚀)将N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12和Q1N集成在相同的衬底36上，因此流过沟道的电流几乎不再依赖于漏-源极电压VDS。VGS是栅-源极电压，VT是阈值电平电压。漏电流由栅-源(栅)电压VGS利用公式(2)来控制，其中ID表示在VDS≥VGS-VT的饱和区域中的传输特性，该漏电流表示为ID=FCoWL(VGS-VT)2--(2)]]>其中F是电子的迁移率；Co是每单位面积的氧化物电容；L是沟道长度；W是沟道宽度。
由于N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12和Q1N利用相同的工艺集成在相同的衬底36上，从节点C接收相同的栅极控制信号，并且源极都在节点D与线性调节器15连接，因此等效于N个LED串的电流ILED1、ILED2、...、ILEDN的相应电流的漏电流，其比例可以通过晶体管或MOSFET尺寸(W/L比)来表示ILED1∶ILED2∶...ILEDN＝(W/L)1∶(W/L)2∶...∶(W/L)N(3)根据前面所述，由于N个镜像晶体管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N以相同的尺寸(W/L比)集成，因此多输出电流镜30可以产生电流镜效应，该效应用于产生自动电流共用，该自动电流共用几乎不依赖于提供电压VDC的DC输入电压源、几乎不依赖于半导体集成工艺中产生的MOSFET的变化、并且几乎不依赖于温度变化。
现在参照图3，其中示出根据本发明用于N个LED串1281、1282、...、128N的集成LED驱动装置100的可替换实施例的示意图。通常，集成LED驱动装置100包括一用于驱动N个LED串1281、1282、...、128N的多输出共栅共源(cascode)电流镜130以代替图2实施例中的多输出电流镜30，从而提高传输几乎恒定电流的电流镜的输出阻抗。
现在说明多输出共栅共源电流镜130，该多输出共栅共源电流镜130包括N个镜像晶体管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N和N个共栅共源晶体管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N，它们中的每个都集成在相同的衬底136上，并优选具有相同的尺寸和相同的宽-长沟道(W/L)比。晶体管或MOSFET Q101、晶体管或MOSFET Q102、...、晶体管或MOSFET Q10N的栅极通过路径132耦合在一起。该路径132从邻近第一镜像晶体管或MOSFET Q101的栅极的节点C100延伸至第N个镜像晶体管或MOSFET Q10N的栅极，并接收线性调节器15的低通滤波器6的输出。这样，N个镜像晶体管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N的各栅极将接收相同的控制输出。路径132和节点C100集成在衬底136上。晶体管或MOSFET Q101、晶体管或MOSFETQ102、...、晶体管或MOSFETQ10N的源极通过路径134连接在一起，其中路径134与线性调节器15的读出电阻器R28耦合，从而可使电流读出电阻器R28从其读出电流。N个镜像晶体管或MOSFETQ101、Q102、...、Q10N的各漏极通过N个共栅共源晶体管或MOSFETQ111、Q112、...Q11N中相应的一个与N个LED串1281、1282、...、128N中相应的一个的一端耦合。
现在说明N个共栅共源晶体管或MOSFETQ111、Q112、...、Q11N，晶体管或MOSFETQ111、晶体管或MOSFETQ112、...以及晶体管或MOSFETQ11N的栅极通过路径142耦合在一起。路径142与路径144耦合，其在节点E将第一共栅共源晶体管或MOSFET Q111的漏电流连接到这样的栅极从而提供栅极电压VGS。第一共栅共源晶体管或MOSFETQ111的漏电流等效第一LED串电流ILED1。因此，N个共栅共源晶体管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N中每个栅极都接收相同的控制信号。路径142、路径144和节点E集成在衬底136上。
N个共栅共源晶体管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N中每个漏极与N个LED串1281、1282、...、128N中相应的一个的一端耦合。换句话说，第一共栅共源晶体管或MOSFET Q111的漏极与第一LED串1281的一端耦合，第二共栅共源晶体管或MOSFET Q112的漏极与第二LED串1282的一端耦合，依次类推，直到第N晶体管或MOSFET Q11N的漏极与第N LED串128N耦合。这N个LED串1281、1282、...、128N中的每个的另一端在接线端113接收一稳定DC输入电压VDC。 N个共栅共源晶体管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N的源极与N个镜像晶体管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N的相应的漏极耦合。
由于利用相同的工艺和相同的尺寸(W/L比)将N个镜像晶体管或MOSFET Q101、Q102和Q10N以及N个共栅共源晶体管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N集成在相同的衬底136上且其中每个镜像共栅共源晶体管或MOSFET对MC1、MC2、...、MCN具有相同的源极和栅极连接，因此多输出共栅共源电流镜130可以产生电流镜效应，该效应用于产生自动电流共用，该自动电流共用在提高在LED中传输恒定电流的恒定电流镜的输出阻抗的同时，几乎不依赖于DC输入电压源VDC、几乎不依赖于半导体集成工艺中产生的MOSFET的变化、并几乎不依赖于温度变化。
现在参照图4，其中示出根据本发明用于N个LED串2281、2282、...、228N的集成LED驱动装置200的第二可替换实施例的示意图。该集成LED驱动装置100利用镜像-共栅共源晶体管或MOSFET对MC10(Q200，Q210)来替换线性调节器15，并将镜像-共栅共源晶体管或MOSFET对MC10集成在相同的衬底236上，但是与镜像-共栅共源晶体管或MOSFET对MC11、MC12、...、MC1N相比具有不同的W/L比。镜像-共栅共源晶体管或MOSFET对MC10(Q200，Q210)用作电流控制器或调节器250，用于从恒定电流源202接收恒定参考电流Iref。
现在说明多输出共栅共源电流镜230，该多输出共栅共源电流镜230包括N个镜像晶体管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N和N个共栅共源晶体管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N，它们中的每个都集成在相同的衬底136上，并优选具有相同的尺寸和相同的宽-长沟道(W/L)比。晶体管或MOSFET Q201、晶体管或MOSFET Q202、...、晶体管或MOSFET Q20N的栅极通过路径232耦合在一起。该路径232与路径238耦合，在节点F处将N个镜像晶体管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的栅极以及镜像晶体管或MOSFETQ200的栅极与电流控制器或调节器250的共栅共源晶体管或MOSFET Q210的源极连接。从而这些栅极的每一个接收相同的控制信号。N个镜像晶体管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的每个源极和镜像晶体管或MOSFET200的源极与地耦合。N个共栅共源晶体管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N中的每一个漏极以及镜像晶体管或MOSFET 200的漏极与N个共栅共源晶体管或MOSFETQ211、212、...、Q21N的相应的源极和共栅共源晶体管或MOSFET Q210的源极连接。路径232、238和节点F集成在相同的衬底236上。
现在说明N个共栅共源晶体管或MOSFETQ211、Q212、...Q21N，晶体管或MOSFET Q211、晶体管或MOSFET Q212、...以及晶体管或MOSFETQ21N的栅极通过路径242耦合在一起。路径242与路径244耦合，该路径242在节点E10将恒定参考电流Iref或共栅共源晶体管或MOSFETQ210的漏电流连接到这样的栅极。这样N个共栅共源晶体管或MOSFETQ211、Q212、...、Q21N中每一个的栅极都接收相同的控制信号。路径242、路径244和节点E10集成在衬底236上。N个共栅共源晶体管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N中每个的漏极与N个LED串2281、2282、...、228N中相应的一个的一端耦合。这N个LED串2281、2282、...、228N中的每个的另一端在接线端213接收一稳定DC输入电压VDC。 N个共栅共源晶体管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N的源极与N个镜像晶体管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的漏极中相应的一个耦合。共栅共源晶体管或MOSFET Q210的漏极与恒定参考电流源202耦合并接收恒定参考电流源Iref。
在操作中，由于利用相同的工艺将多输出电流镜230的N个镜像共栅共源晶体管或MOSFET对MC11、MC12、...、MC1NQ111、Q112、...、Q11N以及电流控制器或调节器250的镜像共栅共源晶体管或MOSFET对MC10(Q200，Q210)集成在相同的衬底236上，且它们具有相同的源极连接和栅极连接，因此等效于N个LED串的电流ILED1、ILED2、...、ILEDN中其相应的电流的漏电流，其比例可以通过晶体管或MOSFET尺寸(W/L比)来缩放并可提供一电流镜增益k，可以表示为Iref∶ILED1∶ILED2∶...ILEDN＝1∶k∶k∶k∶...∶k(4)本领域技术人员根据上述说明书可以对本发明进行多种修改实现多个实施例。因此，该说明应理解为只是说明性的，其目的是使本领域技术人员可以最好方式的执行本发明。在基本不脱离本发明精神的情况下可以对结构细节进行改变，但是在所附权利要求的范围内所有修改的全部使用仍然保留。
权利要求
1.一种用于驱动N个LED串的LED驱动装置，包括用于调节参考电流信号的装置(15)；和一与N个LED串(281-28N)耦合的多输出电流镜(30)，该电流镜具有N个镜像晶体管(Q11-Q1N)且与调节装置(15)耦合，其中该N个镜像晶体管(Q11-Q1N)集成在单一衬底(36)上，并具有基本相同的宽-长沟道(W/L)比，基本相同的栅极控制信号，和基本相同的源极连接。
2.如权利要求1所述的装置，其中调节装置(15)包括一线性电流调节器，该线性电流调节器具有用于读出电流的装置(R28)和用于产生输出控制信号的控制器(U2)，该输出控制信号提供给衬底(36)上集成的节点，其中N个镜像晶体管(Q11-Q1N)的栅极与该节点耦合。
3.如权利要求1或2所述用于驱动N个LED串的LED驱动装置，包括一线性电流调节器(15)，具有用于读出电流的装置和具有输出控制信号的控制器(U2)；和一多输出电流镜(30)，包括一用于接收所述输出控制信号的节点，N个镜像晶体管(Q11-Q1N)，其分别具有一与所述节点耦合的栅极、一与N个LED串(281-28N)中相应的一个耦合的漏极、以及一与电流读出装置耦合的源极，并具有宽-长沟道(W/L)比，其中N个镜像晶体管(Q11-Q1N)集成在单一衬底(36)上，并具有基本相同的W/L比。
4.如权利要求1、2或3所述的装置，其中多输出电流镜(230)还包括N个共栅共源晶体管(Q211-Q21N)，它们中每个的源极与N个镜像晶体管(Q201-Q20N)中相应的一个的漏极耦合以形成N个镜像-共栅共源晶体管对(MC11-MC1N)，其中N个共栅共源晶体管(Q211-Q21N)中的每个晶体管的漏极都直接与N个LED串(2281-228N)中相应的一个耦合；N个共栅共源晶体管(Q211-Q21N)中的每一个都具有基本相同的W/L比，该W/L比基本上与N个镜像晶体管(Q201-Q20N)的W/L比相同；并且N个共栅共源晶体管(Q211-Q21N)都集成在单一衬底(236)上。
5.如权利要求1、2、3或4所述的装置，还包括一耦合到N个LED串(281-28N)上的DC输入电压。
6.如权利要求1或5所述的装置，其中多输出电流镜(30)提供自动电流共用，该自动电流共用基本上不依赖于温度变化、DC输入电压变化和晶体管变化。
7.如权利要求1、2、3或4所述的装置，其中N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)的栅极与N个LED串(1281-128N)中的第一LED串(1281)耦合。
8.如权利要求7所述的装置，其中多输出电流镜(30)在DC模式下提供自动电流共用，该自动电流共用在PWM模式下具有最小的相位延迟。
9.如权利要求2所述的装置，其中多输出电流镜(130)还包括N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)，它们中每个的源极与N个镜像晶体管(Q101-Q10N)中相应的一个的漏极耦合以形成N个镜像-共栅共源晶体管对(MC1-MCN)，其中N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)中的每个晶体管的漏极都直接与N个LED串(1281-128N)中相应的一个耦合；N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)中的每个栅极都与N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)中的第一共栅共源晶体管(Q111)的漏极连接；N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)中的每一个都具有基本相同的W/L比，该W/L比基本上与N个镜像晶体管(Q101-Q10N)的W/L比相同；并且N个共栅共源晶体管(Q111-Q11N)都集成在单一衬底(136)上。
10.如权利要求4所述的装置，其中该调节装置(250)包括一集成在单一衬底(236)上的镜像晶体管(Q200)，该镜像晶体管(Q200)具有与N个镜像晶体管(Q201-Q20N)的栅极控制信号和源极连接基本相同的栅极控制信号和源极连接，并具有一第二W/L比，其中N个镜像晶体管(Q201-Q20N)的W/L比是第二W/L的k倍；和一集成在单一衬底上的共栅共源晶体管(Q210)，该共栅共源晶体管(Q210)的栅极控制信号与N个共栅共源晶体管(Q211-Q21N)的栅极控制信号基本相同，并具有一第二W/L比，其中共栅共源晶体管(Q210)的第二W/L比等于镜像晶体管(Q200)的W/L比。
11.如权利要求10所述的装置，其中N个镜像晶体管(Q201-Q20N)的源极与地耦合；N个镜像晶体管(Q201-Q20N)的栅极与一路径耦合，该路径与调节装置(250)的镜像晶体管(Q200)的漏极耦合。
12.如权利要求7或11所述的装置，其中多输出电流镜(230)提供自动电流共用，该自动电流共用几乎不依赖于温度变化并几乎不依赖于晶体管的变化。
全文摘要
一种用于多个LED串的集成LED驱动装置，该驱动装置使用单一线性调节器或其它控制器以及一多输出电流镜，该多输出电流镜几乎不依赖于DC输入电压源、几乎不依赖于由于半导体集成工艺导致的晶体管或MOSFET的变化、并几乎不依赖于温度变化。多输出电流镜包括多个晶体管或MOSFET，它们中的每个都集成在相同的衬底上，具有相同的宽－长沟道比以及相同的源极连接和栅极连接。该集成LED驱动装置在DC模式下提供自动电流共用，且或者在PWM模式下具有最小的相位延迟。该镜像输出电流镜包括多个镜像－共栅共源晶体管对。
文档编号H01L33/00GK1537403SQ02815162
公开日2004年10月13日 申请日期2002年7月31日 优先权日2001年8月3日
发明者劲 张, 张劲 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司