专利名称：具有自适应动态净空电压控制的led驱动器的制作方法
技术领域：
本申请涉及多通道LED驱动器，更具体地涉及使用固定负载依存的净空控制调节电压的LED驱动器。背景由于例如蜂窝电话、膝上计算机、便携式游戏平台等便携式电子设备的发展，LED 已广泛地适用于许多应用，例如背光、照明等。便携式电子设备中的许多这类应用需要结合在一起以产生更多流明的多个LED。实现这种配置的一种方式是将LED串联地布置以使每个LED同时运作并提供相同或相似的亮度。然而，当多个LED串联布置时，工作电压的需求增加。更高的工作电压需求造成对电路中半导体器件的更高需求。更多解决方案将LED布置在混合式连接中，其中多个串(strings)并联地设置。然而，这种解决方案存在额外的问题。必须通过关联的电路维持每个通道的亮度平衡。另外， 必须对LED正向电压变化作出调整。这些问题是相互关联的。因此，需要为多通道LED驱动器提供一种自适应动态净空电压控制方法，从而提高混合式连接的工作效率。因此，相比于使用固定的动态净空控制电压，在全部负载条件下可使用负载依存的调整电压来减小功率损失。这种类型的LED驱动将克服结合前面实现的解决方案阐述的问题。概述多通道LED驱动器包括多个线性电流调节器。每个电流调节器连接于多通道LED 阵列的串联LED串的底部。该电流调节器响应LED偏置基准电压而控制LED串中的偏置电流。动态净空调整电压控制电路在多通道LED的每个串联LED的底部监测净空调整电压， 并响应LED偏置基准电压产生用于控制每个净空调整电压的基准电压。
为了更全面地理解，现参照下面结合附图进行的描述，在附图中图1是使用自适应动态净空电压控制的多通道LED驱动器的方框图；图2是用于确定最小动态净空控制调整电压的控制逻辑的方框图；图3是在自适应动态净空电压控制机制中用来产生负载依存阈值电压的逻辑的示意性方框图；以及图4示出与图1的动态净空电压控制的操作关联的各个波形。 图5示出描述图1的电路的操作的流程图。
具体实施例方式现在参考附图，其中在全部附图中相同的附图标记用来指代相同的要素，说明和描述了具有自适应动态净空电压控制的LED驱动器的多个视图和实施例，还描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制的，而且仅为说明目的起见，在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。本领域普通技术人员将理解基于以下可行实施例的示例的许多可能的应用和变型。由于各种便携式电子设备越来越多的使用，LED已广泛地应用于许多场合下，例如背光、照明等。各种便携式电子器件中的许多这些应用要求结合在一起以产生更多流明的多个LED。实现这种配置的一种方式是将LED串联地布置以使所有LED同时运作并提供相同或相似的亮度。然而，当更多LED串联布置时，这增加了所需工作电压的需求。更高的工作电压需求造成设备中半导体器件的更高成本的需求。另一方案是将LED布置在混合式连接中，在该混合式连接中，多个串并联地布置。 然而，这种解决方案存在额外的问题。首先，必须通过关联的电路维持每个通道的亮度平衡。另外，必须对LED正向电压变化作出调整。这些问题是彼此关联的。因此，需要为多通道LED驱动器提供一种自适应动态净空电压控制方法，从而提高混合式连接的工作效率。 相比于使用固定的动态净空控制调整电压，在全部负载条件下可使用负载依存的调整电压来减小功率损失。这种类型的LED驱动系统克服了结合前面采用的解决方案阐述的问题。现参考附图，更具体地参考图1，图1示出使用自适应动态净空电压控制的多通道 LED驱动器的方框图。该电路包括电压调节器102，该电压调节器102可包括DC/DC变换器， 例如升压变换器、降压变换器、升压-降压变换器等。电压调节器102在节点104将经稳压的输出电压Vqut提供给多个LED串106，这些LED串106在节点104和节点108之间彼此并联连接。电压调节器102针对每个LED串106产生单个输出电压。由电压调节器102提供的输出电压Vqut受净空调整电压(Vdi至Vdn)控制，该净空调整电压在每个LED列106的底部的节点108处提供。多通道LED驱动电路110确保LED串106具有足够的正向电压以维持通过LED串106的偏置电流。电压调节器102从多通道LED驱动器110的输出接收输入电压Vin和基准电压VKEF。电压调节器102另外监测反馈电压Vfb，该反馈电压Vfb响应在节点104从电压调节器102提供的经调节输出电压VQUT。反馈电压Vfb在电阻分压电路114的节点112处提供。电阻分压电路114由连接在节点104和节点112之间的电阻器116和连接在节点112和接地点之间的电阻器118构成。负载电容器120在节点104和接地点之间与电阻分压器114串联。多个并联LED串
6106在其顶端连接于输出电压节点104，并且在它们的底端连接于关联的节点108。每个LED 串106由在节点104和节点108之间彼此串联的多个LED构成。在节点108的每个LED串 106底部处提供的电压包括净空调整电压。每个LED串106具有与之关联的独立净空调整电压，该独立净空调整电压在节点108受多通道LED驱动电路110监视。流过LED串106的电流受线性电流调节器控制，该线性电流调节器包括晶体管 122、电阻器IM和误差放大器126。线性电流调节器提供流过LED串106的偏置电流的高精确性控制。如此，取得电流平衡，并且从处于较高系统层面的控制器提供的信号Vmi设定 LED串的偏置电流并等于V· = I_*RSNS1。V·是用来设定流过每个LED串的电流值的基准电压。LED电流被调整至VlED/RSNS1。RSNSl是电阻器124。V·设定LED串的电流。净空电压VDl至VDN对LED驱动系统扮演了重要的角色。Vdi至Vdn必须保持在正确的电平， 以使MOSFET晶体管122针对每个LED通道的功率损失减至最小并同时不危及LED偏置电流。这意味着所有MOSFET晶体管122工作在其饱和区域。N沟道晶体管122的漏极/源极路径连接在节点108和节点1 之间。电阻器IM 连接在节点1 和接地点之间。误差放大器126的输出连接于晶体管122的栅极。误差放大器126的反相输入连接于节点128，其非反相输入连接以从更高系统层面的控制器接收信号\ED。信号Vmi也被提供给多通道LED驱动电路110的负载依存加减计数器电路130。 每个LED串106在每个LED串的底部的净空调整电压节点108处包括晶体管122、电阻器 124和误差放大器126的相同组合。V·信号施加于与LED串106关联的每个误差放大器 126的非反相输入。多通道LED驱动电路110的其余部分包括搜索最小值逻辑132、负载依存加减计数器电路130、加减计数器134、时钟136和数模转换器138。搜索最小值逻辑132在每个 LED串106的底部处连接于每个节点108以从每个LED串106的底部检测净空调整电压。 搜索最小值逻辑132比较每个LED串106底部处的每个净空电压VDn以确定最小净空电压 Vdmin，并将其提供给负载依存比较逻辑130。如下面内容中更为完整描述的那样，搜索最小值逻辑132包括比较器阵列，该比较器阵列确定每个LED串106底部处的所有电压中的最小净空电压。搜索最小值逻辑132确保该净空电压高于安装工作区域。负载依存的加减计数器电路130从搜索最小值逻辑132接收最小净空电压Vdmin并接收V·电压信号。负载依存的加减计数器电路130将UP(加)和DOWN(减)控制信号提供给加减计数器电路134。负载依存的加减计数器电路130是控制电路，该控制电路确保净空调整电压(VDl至VDn)足够低以取得用于驱动多个LED串106的最大功率效率。如果最小净空调整电压VDi (i = 1...N)低于特定阈值，则负载依存的加减计数器电路130在UP 信号线上产生逻辑“高”值。否则，负载依存的加减计数器电路130在加减计数器电路134 的DOWN信号线上产生逻辑“高”值。这些UP和DOWN控制值用来改变电压调节器102的输出电压Vott。加减计数器电路134从负载依存的加减计数器电路130接收UP-DOWN控制信号并从时钟电路136接收时钟信号。加减计数器134、时钟电路136和DAC 138充当基准电压发生器。基准电压发生器由内部时钟信号驱动，该内部时钟信号由时钟电路136产生。在每个循环内，计数器134对将会增大或减小基准电压Vkef的“UP”或“DOWN”信号计数。N位数字信号是要求的基准电压Vkef的数字值。加减计数器电路130产生N位数字信号至数模转
7换器138。该数模转换器138响应于来自加减计数器134的N位数字信号而产生基准电压信号Vkef，该基准电压信号Vkef作为基准电压Vkef被提供给电压调节器102。现在参见图2，图2示出图1的搜索最小值逻辑132的方框图。节点108处的每个净空电压被分成多个对，并使用比较器202将每两个净空电压(例如Vdi和VD2)相互比较。 从关联的多路复用器204中输出两个电压中较小的一个，以使该电压与从另一多路复用器 204提供的较低电压作比较。如此，由比较器202确定的最小电压从多路复用器204输出， 由此将它们在另一比较器206中比较，该另一比较器206将从另一多路复用器208输出另外两个净空电压的较低值。该过程将继续，直到比较了最后两个最小电压并确定最小整体净空电压Vdmin为止。因此，N-I比较器用来确定最小净空电压VDMIN。与使用直接比较相比， 这是效率高得多的过程，在所述直接比较中，每个净空电压(Vm)直接与阈值比较并可能需要2N个比较器。因此，在搜索最小值逻辑132中描述的比较过程具有高得多的管芯尺寸效率。如图2所示，比较器202将来自LED串106底部的每个节点108的每对相邻的净空电压作比较。来自比较器202的每次比较的结果用来控制多路复用器204，该多路复用器 204还接收在比较器202处作比较的两个净空电压。比较器202的输出从多路复用器204 选择最小电压，并在其输出端提供该最小电压。多路复用器204将其输出提供至下一组比较器206，这组比较器206比较额外的多对电压以产生又一选择控制信号。该选择控制信号再次从多路复用器208选择在比较器206作出比较的多对阈值电压的最小值。该过程通过由比较器202和多路复用器204构成的多个电路层而继续，直到仅有一个阈值电压、最小阈值电压、Vdmin余下来为止。这是被提供给负载依存的加减计数器电路130的输入的信号。现在参见图3，图3示出负载依存加减计数器电路130的示意性方框图。如果Vdmin 高于Vhkh，则DOWN信号被设定为逻辑“高”电平，该逻辑“高”电平指示电压调节器102的输出Vot需要下降。如果Vdmin低于Vmw，则UP信号被设定为逻辑“高”电平，该逻辑“高”电平指示电压调节器102的输出电压Vot需要上升。负载依存的加减计数器电路130响应最小阈值电压Vdmin和两个负载依存的阈值电压VHieH、VOT产生DOWN控制信号和UP控制信号。 负载依存加减计数器电路130包括用于产生DOWN和UP控制信号的一对比较器302、304。 Vhigh负载依存的阀值电压被施加于比较器302的反相输入，同时最小阈值电压Vdmin被施加于比较器302的非反相输入。当Vdmin超出乂_时，比较器302产生DOWN控制信号。负载依存的阈值电压Vujw被施加于比较器304的非反相输入，而最小阈值电压Vdmin被施加于比较器304的反相输入。当Vdmin电压落在Vot负载依存的阈值电压之下时，这用来产生UP控制信号。图3电路的其余部分用来产生负载依存的阈值电压Vhkh和VOT。LED偏置电压基准V·被施加于放大器306的非反相输入。误差放大器306、N沟道晶体管308和电阻器314形成电流源，其电流为V_/R1 (跟随LED串的电流)，该电流由电流镜316-318翻转并在电阻器3M上形成Vlw电压。误差放大器306的输出被提供给N 沟道晶体管308的栅极。N沟道晶体管308的漏极/源极路径连接在节点310和节点312 之间。电阻器314连接在节点312和接地点之间。误差放大器306的反相输入连接于节点312。由晶体管316、318构成的电流镜连接于晶体管308的漏极。晶体管316包括P沟道晶体管，其源极/漏极路径连接在节点320和节点310之间。晶体管318是P沟道晶体管，其源极/漏极路径连接在Vss和节点322之间。晶体管316、318的栅极彼此连接并与节点310连接。节点322提供低负载依存的阈值电压vot，该阈值电压vot被提供给比较器 304的非反相输入。电阻器3m连接在节点322和接地点之间。电流源iqs 3 连接在节点 320和节点3 之间。节点3 将节点3 处的高负载依存的阈值电压vhkh提供至比较器 302的反相输入。电阻器330连接在节点3 和节点322之间。led偏置电压v·根据以r2/r1比率出现的电阻器324、314之比被缩放。偏置电流叠加在vledxr2/r1上。因此，低负载依存的阈值电压vot = vledxr2/r1+i0sxr2,而高负载依存的阈值电压vhkh = vledxr2/r1+i0sxr2+i0sxr3o i0sxr3包括滞后电压。只要vdmin落在滞后电压的范围内，输出电压Vott就保持不变。Vhkh和Vot应当足够高以使在所有条件下， mosfet晶体管122(图1)可以足够的裕量来维持led偏置电压。最坏的情形发生在通道电阻高时的高温和低驱动电压下。现在参见图4，图4示出led驱动器的操作。在这种配置中，两串led部署有不同的正向电压。窗格402示出led电流基准信号vmi，改变该信号就改变led亮度。为了解说目的，将该信号设定为向上和向下。第二窗格404示出不同led电压的两个净空调整电压。 第三窗格406示出在稳态下相等的不同串的led偏置电流。最后，第四窗格408示出电压调节器102的输出电压，该输出电压根据需要跟随led偏置电压电流的趋势而改变。现在参见图5，图5示出描述图1的电路的操作的流程图。一开始，在步骤500通过设定vled来设定led电流。在步骤502，监测在每个led串的底部的节点108的净空调整电压。在步骤504使用参照图2描述的分层比较器电路，通过搜索最小值逻辑132来确定最小净空调整电压。在步骤508将最小值净空调整电压与vot的经缩放vled电压以及另一阈值电压￥_比较，该另一阈值电压V_是比Vot和负载依存的阈值电压更高的偏置电压。询问步骤510确定净空调整电压是否超出高负载依存的阈值电压。如果在步骤512 产生信号以减小基准电压，这样做将在步骤513改变电压调节器102中的输出电压。如果询问步骤510确定净空调整电压不超出高负载依存的阈值电压，则询问步骤514确定净空调整电压是否低于低负载依存的阈值电压vot。如果是，则在步骤516使基准电压增大，这将在步骤513根据设定vot时增大基准电压。如果询问步骤514不确定该净空调整电压低于低负载依存的阈值电压，则在步骤518将基准电压维持在其目前电平。在步骤513， 基准电平将使Vot设定在当前电平。使用前述方法，可获得电压调节器在轻载和中等负载工作条件下的更高效率。这将以简单和强健的方式延长便携式电子设备的电池寿命。该自适应动态净空控制方法对 dhc调整电压使用负载依存的电压，而不是固定值的电压。这以所述方式提高了轻载和中等负载条件下的效率。本领域普通技术人员将能理解的是，在受益于本公开的情形下，这种具有自适应动态净空电压调整的led驱动器提供对多led串的改善控制。应当理解的是，本文中的附图和详细描述应被认为是解说性而不是限制性的，而且不旨在受限于所公开的特定形式和示例。反之，如所附权利要求所限定地，在不背离本发明的精神和范围的情况下，包括的是对本领域的普通技术人员而言显而易见的任何进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。因此，旨在使所附权利要求被解释为涵盖所有这些进一步修改、变化、 重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。
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权利要求
1.一种多通道LED驱动器，包括多个线性电流调节器，每个所述电流调节器连接于多通道LED阵列的串联的LED串的底部，以响应于LED偏置基准电压控制串联的LED串中的偏置电流；以及动态净空调整电压控制电路，所述动态净空调整电压控制电路连接以在多通道LED的每个串联LED串的底部监测净空调整电压，并响应LED偏置基准电压产生用于控制每个净空调整电压的基准电压。
2.如权利要求1所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述动态净空调整电压控制电路还包括第一控制逻辑，用于确定多通道LED阵列的串联LED的每个串的底部处的每个净空调整电压中的最小净空调整电压；第二控制逻辑，用于将最小净空调整电压与高偏置电流依存的阈值电压和低偏置电流依存的阈值电压作比较，当最小净空调整电压低于所述低偏置电流依存的阈值电压时所述第二控制逻辑产生第一控制信号以增大基准电压，并且当所述最小净空电压超过高偏置电流依存的阈值电压时所述第二控制逻辑产生第二控制信号以减小基准电压；以及基准电压发生器，用于响应所述第一控制信号和所述第二控制信号来产生所述基准电压。
3.如权利要求2所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第二控制逻辑响应LED偏置基准电压来产生低负载依存的阈值电压和高负载依存的阈值电压。
4.如权利要求2所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述基准电压发生器进一步包括时钟，用于产生时钟信号；加减计数器，用于响应所述时钟信号、所述第一控制信号和所述第二控制信号来产生所述基准电压的数字表示；以及数模转换器，用来响应于所述基准电压的数字表示来产生所述基准电压的模拟表示。
5.如权利要求2所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第一控制逻辑进一步包括至少一个比较器，用来比较一对净空调整电压并产生指示所述一对净空调整电压中的最小调整净空电压的选择信号；以及至少一个多路复用器，用来接收所述一对净空调整电压并响应所述选择信号来选择所述最小调整净空电压。
6.如权利要求2所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第二控制逻辑进一步包括电压发生电路，用来响应所述LED偏置基准电压和基准电流源来产生低偏置电流依存的阈值电压和高偏置电流依存的阈值电压；第一比较器，用于将高偏置电流依存的阈值电压与最小净空调整电压作比较并响应于此产生所述第二控制信号；以及第二比较器，用于将低偏置电流依存的阈值电压与最小净空调整电压作比较并响应于此产生所述第一控制信号。
7.如权利要求1所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述LED偏置基准电压设定所连接的多个LED串的串中的负载电流。
8.一种装置，包括电压调节器，用于响应输入电压、基准电压和反馈电压产生经调节的输出电压； 多个LED串，每个串包括多个串联的LED，所述多个LED串的第一端连接于经调节的输出电压，其第二端提供净空调整电压； 多通道LED驱动器，包括多个线性电流调节器，每个所述电流调节器连接于多通道LED阵列的串联LED串的第二端，以响应LED偏置基准电压控制串联的LED串中的偏置电流；以及动态净空调整电压控制电路，所述动态净空调整电压控制电路在多通道LED阵列的每个串联LED串的底部监测净空调整电压，并响应LED偏置基准电压产生用于控制每个净空调整电压的基准电压。
9.如权利要求8所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述动态净空调整电压控制电路还包括第一控制逻辑，用于确定多通道LED阵列的串联LED的每个串的底部处的每个净空调整电压中的最小净空调整电压；第二控制逻辑，用于将最小净空调整电压与高偏置电流依存的阈值电压和低偏置电流依存的阈值电压作比较，当最小净空调整电压低于所述低偏置电流依存的阈值电压时所述第二控制逻辑产生第一控制信号以增大基准电压，并且当所述最小净空电压超过高偏置电流依存的阈值电压时所述第二控制逻辑产生第二控制信号以减小基准电压；以及基准电压发生器，用于响应所述第一控制信号和所述第二控制信号来产生所述基准电压。
10.如权利要求9所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第二控制逻辑响应LED 偏置基准电压来产生低偏置电流依存的阈值电压和高偏置电流依存的阈值电压。
11.如权利要求9所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述基准电压发生器进一步包括时钟，用于产生时钟信号；加减计数器，用于响应所述时钟信号、所述第一控制信号和所述第二控制信号来产生所述基准电压的数字表示；以及数模转换器，用来响应于所述基准电压的数字表示来产生所述基准电压的模拟表示。
12.如权利要求9所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第一控制逻辑进一步包括至少一个比较器，用来比较一对净空调整电压并产生指示所述一对净空调整电压中的最小调整净空电压的选择信号；以及至少一个多路复用器，用来接收所述一对净空调整电压并响应所述选择信号来选择所述最小调整净空电压。
13.如权利要求9所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述第二控制逻辑进一步包括电压发生电路，用来响应所述LED偏置基准电压和基准电流源来产生低偏置电流依存的阈值电压和高偏置电流依存的阈值电压；第一比较器，用于将高偏置电流依存的阈值电压与最小净空调整电压作比较并响应于此产生所述第二控制信号；以及第二比较器，用于将低偏置电流依存的阈值电压与最小净空调整电压作比较并响应于此产生所述第一控制信号。
14.如权利要求8所述的多通道LED驱动器，其特征在于，所述LED偏置基准电压设定所连接的多个LED串中的负载电流。
15.一种驱动多通道LED阵列的方法，包括步骤监测多通道LED阵列的每个LED串的底部处的净空调整电压； 响应于第二基准电压产生控制各个净空调整电压的基准电压，所述第二基准电压设定流过各个LED串的电流；以及响应于所述基准电压来调整每个LED串的底部处的净空电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生步骤还包括步骤 确定所监测的各个净空调整电压中的最小净空调整电压；将所述最小净空调整电压与高偏置电流依存的阈值电压和低偏置电流依存的阈值电压作比较；响应所述比较来产生至少一个控制信号；以及响应所述至少一个控制信号来产生基准电压。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述产生至少一个控制信号的步骤还包括步骤响应于超出所述高偏置电流依存的阈值电压的最小净空电压来产生第一控制信号，其中所述第一控制信号使所述基准电压减小。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述产生至少一个控制信号的步骤还包括步骤响应于超出所述低偏置电流依存的阈值电压的最小净空电压来产生第二控制信号，其中所述第二控制信号使所述基准电压增大。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述比较步骤还包括步骤 响应于所述第二基准电压来产生高偏置电流依存的阈值电压；以及响应于所述第二基准电压来产生低偏置电流依存的阈值电压。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述确定步骤还包括步骤(a)比较至少一对净空调整电压以确定最小净空调整电压；(b)产生指示最小净空调整电压的控制信号；(c)响应所述控制信号将所述最小净空调整电压多路复用为输出；以及(d)重复步骤(a)-(c)，直到仅留下一个最小净空电压为止。
全文摘要
多通道LED驱动器包括多个线性电流调节器，每个电流调节器连接于多通道LED的串联LED串的底部，所述多通道LED响应LED偏置基准电压控制偏置电流和串联LED串。动态净空调整电压控制电路在多通道LED的每个串联LED串的底部监测净空调整电压并响应LED偏置基准电压产生用于控制每个净空调整电压的基准电压。
文档编号H05B37/02GK102448226SQ20111029972
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月20日 优先权日2010年10月1日
发明者X·杨, 吴雪林, 黄丛中 申请人:英特赛尔美国股份有限公司