专利名称：发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(light emission diode，LED)驱动器，尤其涉及一种 发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器。
背景技术：
发光二极管驱动器根据其特性来控制发光二极管的亮度。发光二极管驱动器用来 控制流经发光二极管的电流。较大的电流会增加亮度，但也会缩短发光二极管的使用寿命。 图1所示是一种传统发光二极管驱动器。此发光二极管驱动器的输出电压Vtj经调节以提 供流经电阻器79至发光二极管71 75的电流I·。此电流I·可表示为ILED=VO-VF71-...-VF75/R79 (1)其中，Vf71 Vf75分别为发光二极管71 75的正向电压，R79是电阻器79的电阻。图1所示的发光二极管驱动器的缺点在于电流I·变化不定。电流Imi随着正向 电压Vf71 Vf75的变化而变化。正向电压Vf71 Vf75之所以不恒定要归因于生产运行温度 的变化。通常，发光二极管的正向电压会随着运行温度升高而降低。发光二极管正向电压 的温度系数约为-2. 5mV/°C。若发光二极管在_40°C至+70°C的温度下运行，那么发光二极 管正向电压的变化将会在0.275V左右。当温度升高时，发光二极管电流Imi会增大。若 将电阻器79换成恒流源，问题依然存在。例如，若将30个发光二极管串联起来，则当温度 从_40°C变成+70°C时，此恒流源的压降会大于8V。这会造成重大的功率损耗，且在电流源 上产生热量。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器，可以 调节发光二极管电流与电流源电压以节省功率损耗。本发明提供一种发光二极管驱动器用控制器，其包括电压反馈电路，耦接 (coupled)至发光二极管，以感测电压反馈信号，用以产生电压环路信号；电流源，耦接至 发光二极管以控制发光二极管电流；检测电路，耦接以感测电流源的电压，用以响应电流源 的最小电压而产生电流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据电压环路信号和电流源环路 信号来产生反馈信号。其中所述电压反馈信号与发光二极管两端的最大供电电压相关联， 所述反馈信号耦接以限制发光二极管的最大电压以及控制电流源两端的最小电压。本发明还提供一种发光二极管驱动器，其包括电流源，耦接至发光二极管以控制 发光二极管电流；检测电路，耦接以感测所述电流源的电压，用以响应所述电流源的最小电 压而产生电流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据所述电流源环路信号来产生反馈信号。 其中所述反馈信号耦接以控制所述电流源两端的所述最小电压。通过采用上述电路结构的驱动控制，发光二极管电流和电流源电压的过大波动得 以有效的调节，使得发光二极管具有更长的使用寿命，同时也节省了电路的功率损耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并结合附图详细说明如后。
提供附图的目的是为了深入了解本发明，这些附图被并入本说明书，且构成本说 明书的一部分。这些图举例说明了本发明的实施例，并结合文字说明一起阐述本发明的原
理。 图1是一种传统的发光二极管驱动器的结构示意图。图2是本发明提供的一种发光二极管驱动器的较佳实施例电路图。图3是切换控制器的详细电路图。图4是本发明中控制器的电路图。图5是本发明中电流源构件的较佳电路图。图6是本发明中取样保持电路的电路图。图7是取样保持电路的信号波形图。图8是信号产生电路的较佳实施例图。图9是本发明中反馈电路的电路图。图IOA与图IOB是跨导运算放大器的电路图。图11是本发明中参考信号产生电路的较佳实施例图。图12是本发明中保护电路的较佳实施例图。主要元件符号说明10 变压器；20 功率晶体管；35 光耦合器；40 整流器；50 切换控制器；51 振荡器；53 触发器；54、726、840 “与”门；55 比较器；71 75、81 85 发光二极管；92 电平位移晶体管； 95 控制器；100:反馈电路；137、352、621、631 开关；300 取样保持电路； 310 319 电压钳制晶体管；320 329 取样开关； 330 339 保持电容器；351 齐纳二极管；353、737 反相器；510 550 电流源构件；512 运算放大器；600 参考信号产生电路；680 缓冲放大器；700 信号产生电路；736、820 “或”门；810 815 比较器；850 触发器；30、79、89、91、93、94、283、515、530、691、692 电阻器；45、281、650、725、735、830、910 电容器；52、139、623、705、821 反相器；110、150、160、120 129、615、625 运算放大器；130、135、140、180、250、350、511、610、620、630、670、720、
730、823、I1 In 电流源；211、212、220、225、230、235、240、251、252、253、260、265、270、275、280、290、520、640、721、731、825 晶体管；Comi 电流源环路信号；1135、Iled 电流；R61、R62、R79 电阻；S1 Sn 电流源信号；Sgnt、Xgnt、Ycnt 控制信号；Sd 反馈信号；Sf 故障信号；Sv 电压反馈信号；TD1, Td2 延迟时间；Va 衰减信号；Vc 切换电流信号；Vdd 电压源；Vf71 Vf75 正向电压；Vfb 反馈电压；V。电压源；Vp:参考信号；Vpwm:切换信号；VK:复位信号；Vn 最小电压临界值Vt2 过电压临界值；Cqmv:电压环路信号。
具体实施例方式下面将详细参照本发明的实施例，这些实施例的范例示于附图中。必要时，图及文 字说明中会使用相同的符号来代表相同的部件。图2是本发明提供的一种发光二极管驱动器的较佳实施例电路图。发光二极管 71 75和发光二极管81 85分别通过电阻器79和电阻器89连接至控制器95。电压源 V0通过控制器95而供应给发光二极管71 75和发光二极管81 85。发光二极管电流 流入控制器95的电流源I1 IN。电阻器61和电阻器62构成分压器，耦接以检测电压源 I并产生电压反馈信号Sv。控制器95中的检测电路进一步耦接以检测电流源I1 In的电 压，用以产生电流源信号S1 SN。另外，控制器95中的反馈电路100耦接以接收电流源信 号S1 Sn (如图4所示)和电压反馈信号Sv,用以产生反馈信号SD，从而调节发光二极管电 流和电流源I1 In电压。控制器95的控制端接收控制信号Scmt，用以控制电流源I1 In 的接通/断开(on/off)和发光二极管的亮度。电阻器93通过RP端而连接至控制器95，用 以确定电流源I1 In和发光二极管的直流(direct current，简称为DC)电流。切换电路包括切换控制器50和功率晶体管20，此切换电路通过变压器10来产生 发光二极管电流。整流器40和电容器45耦接至变压器10，以响应变压器10的切换而产 生电压源I。切换控制器50根据反馈电压Vfb和切换电流信号Vc来产生切换信号VPWM。反 馈电压Vfb是由反馈信号Sd通过光耦合器(optical coupler) 35而产生的。切换信号Vpwm 耦接以通过功率晶体管20来切换变压器10。切换信号Vpwm的脉冲宽度决定电压源\的振 幅。电阻器30与功率晶体管20相互连接以检测变压器10的切换电流，用以产生切换电流 信号\。图3是切换控制器的详细电路图。振荡器51产生脉冲信号，此脉冲信号耦接以经 由反相器52来启用(enable)触发器(flip-flop) 53。触发器53的输出与反相器52的输 出连接至“与”门(AND gate) 54以启用切换信号VPWM。反馈信号Vfb连接至电平位移晶体管 (level-shifttransistor)92。拉高电阻器(pull high resistor)91 连接至电平位移晶体管92以产生偏压(bias)。电阻器93和电阻器94构成分压器，此分压器还连接至电平位移 晶体管92以产生衰减信号VA。此衰减信号Va连接至比较器55的输入。比较器55的另一 输入连接至切换电流信号Vc。衰减信号Va与切换电流信号\相比较，产生复位信号Vk，此 复位信号Vk耦接以通过触发器53来禁用(disable)切换信号VPWM。图4是本发明中控制器的电路图。电流源构件510 550是用来产生电流源I1 IN。电流源I1 、耦接至发光二极管以控制发光二极管电流。参考信号产生电路600耦接 以根据电阻器93(位于图2所示的RP端)来产生参考信号VP。参考信号Vp耦接至电流源 构件510 550以确定发光二极管电流。控制信号(第一控制信号)Xcmt耦接以通过参考信 号产生电路600所产生的参考信号Vp的控制来控制电流源构件510 550的接通/断开。 控制信号XeNT是由控制信号(第二控制信号)S。NT通过取样保持电路300来产生的。检测 电路包括取样保持电路300和放大器。放大器配置在反馈电路100中。取样保持电路300 耦接以感测电流源I1 In的电压，用以产生电流源信号S1 SN。另外，电流源信号S1 Sn进一步被连接至反馈电路100中的放大器，以响应电流源I1 In的最小电压而产生电流 源环路信号CMI。反馈电路100内的电压反馈电路耦接以感测电压反馈信号Sv(如图2所 示)，从而产生电压环路信号Cowo反馈电路100中的缓冲电路根据电压环路信号Cmw和电 流源环路信号Qm来产生反馈信号SD。通过电压源\的控制，反馈信号Sd耦接以限制发光 二极管的最大电压，并且控制电流源I1 In两端的最小电压。保护电路800是用来检测电 流源信号S1 SN。若电流源信号S1 Sn的值高于过电压临界值Vt2 (如图12所示)，则会 产生故障信号Sf以关闭参考信号VP，从而保护电流源构件510 550以免其过热。图5是本发明中电流源构件的较佳电路图。因为电流源构件510 550每个都相 同，所以仅以电流源构件550为参考来绘图。运算放大器512耦接以接收参考信号VP。运 算放大器512、晶体管520以及电阻器530构成一个电压至电流转换器，以根据参考信号Vp 来产生电流源IN。电流源511与电阻器515产生直流偏压，此直流偏压被用来校准运算放 大器512的偏移电压(offset voltage)。因此，一旦参考信号Vp的电压大于偏压，就会产 生电流源In。图6是本发明中取样保持电路的电路图。电压钳制晶体管310 319耦合至电流 源I1 IN，用以将电流源I1 In的电压钳制在最大值以下。电压钳制晶体管310 319的 输出(源极端)串联地耦合至取样开关320 329，用来对电流源Ii IN的电压进行取样。 保持电容器(Hold-capacitors) 330 339耦合至取样开关320 329，用以产生电流源信 号S1 Sno信号产生电路700响应控制信号S。NT而产生控制信号(第三控制信号)Yot和 控制信号XeNT。控制信号Y。NT控制取样开关320 329。齐纳二极管(zener diode) 351所 产生的临界电压连接至电压钳制晶体管310 319的栅极(gate)。电流源350提供偏流给 齐纳二极管351。开关352从电压钳制晶体管310 319的栅极连接到地。开关352是由 控制信号Ycnt通过反相器353来控制。因此，电压钳制晶体管310 319响应控制信号Ycnt 而断开。图7是取样保持电路的信号波形图。控制信号S, Xcnt及Ycmt之间插入延迟时间 Tdi和TD2。图8是信号产生电路的较佳实施例图。电流源720与电容器725的电容决定延 迟时间TD1。电流源730与电容器735的电容决定延迟时间TD2。控制信号Scnt被连接以经 由反相器705来控制晶体管721。晶体管721耦合以对电容器725进行放电。另外，控制信号Scnt耦合以通过反相器710和反相器705来控制晶体管731。晶体管731耦合以对电容 器735进行放电。“或”门(OR gate) 736产生控制信号XCNT。“或”门736的输入经反相器 737耦合至电容器735。“或”门736的另一输入连接至反相器710的输出。“与”门726产 生控制信号YCNT。“与”门726的输入连接至电容器725。“与”门726的另一输入连接至反 相器710的输出。图9是本发明中反馈电路的电路图。反馈电路100中的电压反馈电路包括 运算放大器110与电流源130。运算放大器110将参考电压Vri与电压反馈信号Sv相 比较以产生电压环路信号C_。电容器910(如图2所示)从运算放大器110的输出 耦合到地，以进行频率补偿。运算放大器110是图IOA所示的一种跨导运算放大器 (trans-conductanceoperational amplifier)。
检测电路中的放大器包括运算放大器120 129与电流源140。每个运算放大器 120 129的正输入都具有最小电压临界值VT1。每个运算放大器120 129的负输入耦合 以分别感测电流源信号S1 SN。运算放大器120 129将会响应电流源I1 In的最小电 压而产生电流源环路信号CQMI。电容器920 (如图2所示)从运算放大器120 129的输出 耦合到地，以进行环路补偿。运算放大器120 129是跨导放大器(如图IOB所示)，且这 些放大器相互并联。反馈电路100中的缓冲电路包括运算放大器150、160(如图9所示)和电流源180， 此缓冲电路根据电压环路信号Cmw和电流源环路信号Qm来产生反馈信号SD。运算放大器 150与运算放大器160相互并联以产生反馈信号SD。反馈信号Sd通过光耦合器35来耦合至 切换控制器50 (如图2所示)，用以限制发光二极管的最大电压以及调整电流源构件510 550的最小电压。电流源135通过开关137来耦合至电压反馈信号Sv。控制信号Scmt耦合以通过反 相器139来控制开关137。因此，为了响应控制信号S。NT，产生控制电流。控制电流的数值 取决于电流源135。此控制电流耦接至分压器以限制发光二极管两端的输出电压V— 其中R61与R62分别为电阻器61与电阻器62 (如图2所示)的电阻；I135为电流源 135的电流。公式(2)表示当开关137断开时发光二极管两端的最大电压。公式(3)表示 当开关137接通时发光二极管两端的最大电压。发光二极管电压的最大值可用电阻器61 和电阻器62的电阻值及其比值来规划(program)。图10A是跨导运算放大器110、150及160的电路图。请参照图10A，跨导运算放大 器的示范电路包括晶体管211、212、220、225、230、235、240以及电流源210。晶体管211与 晶体管212构成电流反射镜(currentmirror)且耦接至电压源VDD，晶体管211的栅极与晶 体管212的栅极相互连接。晶体管211的漏极(drain)与其栅极相互连接，且经电流源210 耦合到地。晶体管212的漏极耦接至晶体管220与晶体管230。晶体管220与晶体管230 构成差分对(differential pair)，且晶体管220的栅极耦接至跨导运算放大器的反相输 入端，晶体管230的栅极耦接至跨导运算放大器的非反相输入端。晶体管220经晶体管225而耦合到地，晶体管230经晶体管235而耦合到地。晶体管225与晶体管235构成另一电 流反射镜。晶体管225的栅极连接至晶体管225的漏极和晶体管235的栅极。晶体管235 的漏极耦接至晶体管240的栅极。晶体管240的漏极耦接至跨导运算放大器的输出端。图IOB是跨导运算放大器120 129的电路图。请参照图10B，跨导运算放大器 包括晶体管251、252、253、260、265、270、275、280、290、电流源250、电容器281以及电阻器 283。晶体管251、252、253构成电流反射镜。晶体管251、252、253耦接至电压源VDD，且晶 体管251、252、253的栅极相互连接。晶体管251的漏极连接至其栅极，且经电流源250而 耦合到地。晶体管252的漏极耦接至晶体管260与晶体管270。晶体管260与晶体管270 构成差分对，且晶体管260的栅极耦接至跨导运算放大器的非反相输入端，晶体管270的栅 极耦接至跨导运算放大器的反相输入端。晶体管260经晶体管265而耦合到地，晶体管270 经晶体管275而耦合到地。晶体管265与晶体管275构成另一电流反射镜。晶体管265的 栅极连接至晶体管265的漏极和晶体管275的栅极。晶体管275的漏极耦接至晶体管280 的栅极，同时经电容器281和电阻器283而耦接至晶体管290的栅极。晶体管280的漏极 耦接至晶体管253的漏极。晶体管290的源极耦接至电压源VDD，且晶体管290的漏极耦接 至跨导运算放大器的输出端。图11是本发明中参考信号产生电路的电路图。电流源610连接至RP端以产生信 号，此信号耦合至运算放大器615。电流源620、电流源630、开关621、开关631以及反相器 623构成充电放电电路，此充电放电电路耦合以响应控制信号Xot的接通/断开而对电容器 650进行充电与放电，以确定参考信号Vp的上升时间与下降时间。当启用故障信号(fault signal) Sf时，晶体管640耦接从对电容器650进行放电。电容器650连接至另一运算放大 器625。运算放大器615与运算放大器625相互并联，且电流源670是用来拉高电位。运 算放大器615和运算放大器625的输出连接至缓冲放大器680。在缓冲放大器680的输出 端，通过电阻器691与电阻器692所构成的衰减器而产生参考信号VP。图12是本发明中保护电路的电路图。比较器810 815耦接以接收电流源信号 Si SN。比较器810 815的另一输入与过电压临界值VT2相连接。电流源823、反相器 821、晶体管825、“与”门840以及电容器830构成反跳电路(debounce circuit)。当电流 源信号S1 Sn的数值高于过电压临界值Vt2时，比较器810 815的输出耦接以经由“或” 门820和反跳电路来启动触发器850。触发器850将会产生故障信号Sf以断开参考信号 Vp(如图4所示)以及保护电流源构件510 550。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭示如上，但并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱 离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出适当变动或修改等同 变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以 上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
一种发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述控制器包括电压反馈电路，耦接至发光二极管以感测电压反馈信号，用以产生电压环路信号；电流源，耦接至所述发光二极管以控制发光二极管电流；检测电路，耦接以感测所述电流源的电压，用以响应所述电流源的最小电压而产生电流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据所述电压环路信号和所述电流源环路信号来产生反馈信号，其中所述电压反馈信号与所述发光二极管的最大供电电压相关联；所述反馈信号耦接以限制所述发光二极管的最大电压以及控制所述电流源两端的最小电压。
2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述反馈信号耦 接至切换控制器；所述切换控制器产生供电电压给所述发光二极管。
3.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述电压反馈电 路将参考电压与所述电压反馈信号相比较以产生所述电压环路信号；所述检测电路将临界 值与所述电流源的电压相比较以产生所述电流源环路信号。
4.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述控制器还包括控制端，耦接以接收控制信号，用以控制所述发光二极管的亮度，并产生与所述控制信 号对应的控制电流。
5.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述电压反馈电 路包括第一运算放大器，耦接以接收所述电压反馈信号，用以产生所述电压环路信号；以及 第一电容器，从所述第一运算放大器的输出耦接到地，用以进行频率补偿。
6.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述检测电路包括取样保持电路，耦接以感测所述电流源的电压以及产生电流源信号；以及 放大器，接收所述电流源信号以产生所述电流源环路信号， 其中所述放大器相互并联。
7.根据权利要求1所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述缓冲电路包括第一缓冲放大器，耦接以接收所述电压环路信号；以及 第二缓冲放大器，耦接以接收所述电流源环路信号，其中所述第一缓冲放大器与所述第二缓冲放大器相互并联以产生所述反馈信号。
8.根据权利要求6所述的发光二极管驱动器用控制器，其特征在于，所述取样保持电 路包括电压钳制晶体管，耦接至所述电流源以将所述电流源的电压钳制在最大值以下； 取样开关，与所述电压钳制晶体管相互串联，用以对所述电流源的电压进行取样；以及 保持电容器，耦接至所述取样开关，用以产生所述电流源信号， 其中临界电压连接至所述电压钳制晶体管的栅极。
9.一种发光二极管驱动器，其特征在于，所述发光二极管驱动器包括 电流源，耦接至发光二极管以控制发光二极管电流；检测电路，耦接以感测所述电流源的电压，用以响应所述电流源的最小电压而产生电 流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据所述电流源环路信号来产生反馈信号， 其中所述反馈信号耦接以控制所述电流源两端的所述最小电压。
10.根据权利要求9所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述反馈信号耦接至切换 控制器；所述切换控制器产生所述发光二极管电流。
11.根据权利要求9所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述检测电路将临界值与 所述电流源的电压相比较以产生所述电流源环路信号。
12.根据权利要求9所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述检测电路包括 取样保持电路，耦接以感测所述电流源的电压，用以产生电流源信号；以及 放大器，接收所述电流源信号以产生所述电流源环路信号，其中所述放大器相互并联。
13.根据权利要求12所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述取样保持电路包括 电压钳制晶体管，耦接至所述电流源以将所述电流源的电压钳制在最大值以下； 取样开关，与所述电压钳制晶体管相互串联，以对所述电流源的电压进行取样；以及 保持电容器，耦接至所述取样开关，用以产生所述电流源信号，其中临界电压连接至所述电压钳制晶体管的栅极。
14.根据权利要求9所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述发光二极管驱动器还 包括参考信号产生电路，用以产生参考信号，所述参考信号耦接至所述电流源以确定所述 发光二极管电流；控制信号耦接以接通或断开所述参考信号；其中所述参考信号的上升时 间与下降时间取决于充电放电电路。
15.根据权利要求9所述的发光二极管驱动器，其特征在于，所述发光二极管驱动器还 包括保护电路，产生故障信号以断开所述发光二极管电流，其中一旦所述电流源的电压高于过电压临界值，就会产生所述故障信号。
全文摘要
本发明提供一种发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器。其中电压反馈电路耦接至发光二极管以感测电压反馈信号，用以产生电压环路信号。电流源耦接至发光二极管以控制发光二极管电流。检测电路经连接以感测电流源的电压，用以响应电流源的最小电压而产生电流源环路信号。此外，缓冲电路根据电压环路信号和电流源环路信号来产生反馈信号。此反馈信号耦接以限制发光二极管的最大电压以及调整电流源两端的最小电压。本发明的控制器及驱动器可以降低功率损耗。
文档编号H05B37/02GK101848582SQ201010202839
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年10月1日
发明者安炳学, 杨大勇, 郑振和, 陈俊吉 申请人:崇贸科技股份有限公司