LED电流控制器的制作方法

在液晶显示器(lcd)矩阵显示器中，并且在诸如街道照明的固态照明应用中，通常发光二极管(led)形成多个串联连接的led的串。由于制造、温度和使用寿命的变化，每个led串可以出现独特的电压降。来自led串中的每个的此独特的电压降可以导致不期望的散热量。

技术实现要素：

本文公开控制多个发光二极管(led)串的系统和方法。在一个实施例中，led控制器包括电压转换器、调制器、多个电流吸收器(sink)以及耦合到调制器的控制逻辑。电压转换器被配置为将输入电压转换成多个led串中的每个的经调节的电压电平，其中多个led串中的每个包括多个led。每个led串连接到电流吸收器。耦合到电流吸收器的调制器被配置为调节在电流对电压曲线的线性区域中操作的每个电流吸收器，并且接收流经每个led串的第一电流以及与第一电流相关联的第一占空比。基于来自每个led串的第一电流的数字化信息，控制逻辑被配置为提供第二电流的数字化信息，其包括针对每个各自的led串的两种选择，以便在流经每个led串的第二电流上，减小每个led串的电流吸收器两端的电压降。更具体地，每个led串的第二电流的数字化信息包括与每个第二电流相关联的占空比和电流电平。

在另一个实施例中，系统包括led控制器和多个led串。更具体地，led控制器包括用于为多个led串供电的电压转换器、调制器、耦合到调制器的控制逻辑以及多个电流吸收器。每个电流吸收器耦合到多个led串中的每个，并且多个电流吸收器耦合到led控制器的调制器。基于从每个电流吸收器接收的反馈信号，调制器被配置为调节每个电流吸收器，以在与电阻的恒定值相关联的电流对电压曲线的线性区域中操作。控制逻辑被配置为处理流经每个led串的第一电流的信息，并且基于经处理的信息，提供调制器将用于操作每个led串的第二电流的更新信息。

在另一个实施例中，方法包括：通过led控制器的调制器来调节多个电流吸收器，以在与电阻的恒定值相关联的电流电压曲线的线性区域中操作，其中每个电流吸收器耦合到多个led串中的每个；由调制器接收流经多个led串中的每个的第一电流的信息；通过耦合到调制器的控制逻辑处理第一电流的信息；以及基于第一电流的经处理的信息，通过控制逻辑提供将流经每个各自的led串的第二电流的信息的至少两种选择。

在另一个实施例中，led控制器包括升压转换器、调制器、多个电流吸收器以及耦合到调制器的控制逻辑。升压转换器被配置为将输入电压升压到在输出电压节点处的经调节的电压电平，其中输出电压节点可用于对多个led串供电，并且多个led串中的每个包括多个led。多个电流吸收器中的每个耦合到多个led串中的每个，并且被配置为补偿由每个耦合的led串产生的正向电压降。耦合到电流吸收器的调制器被配置为调节在电流对电压曲线的线性区域中操作的每个电流吸收器，并且接收流经每个led串的第一电流以及与第一电流相关联的第一占空比。基于来自每个led串的第一电流的数字化信息，控制逻辑被配置为提供第二电流的数字化信息，其包括每个各自的led串的两种选择，以便在流经每个led串的第二电流上减小正向电压降的大小。更具体地，每个led串的第二电流的数字化信息包括与每个第二电流相关联的占空比和电流电平。当控制逻辑选择第二电流的第一数字化信息时，第二电流的数字化信息包括与第一电流随时间的平均电流相同的第二电流随时间的平均电流，并且其中调制器将使用第二电流的数字化信息，以操作每个led串的各自的电流吸收器。另一方面，当控制逻辑选择第二电流的第二数字化信息时，控制逻辑使得在其期间第二电流是有效的时间段等于作为第一电流的占空比除以整数的时间段。

附图说明

对于本发明的示例性实施例的详细描述，现在将参考附图，其中：

图1是根据各种实施例的包括发光二极管(led)控制器的系统的框图；

图2示出根据各种实施例的led控制器的进一步图示；

图3a和图3b示出根据各种实施例的由led控制器调节的第一电流和更新的电流的示例性波形；

图4示出用于说明根据各种实施例的由led控制器调节流经led串的电流的流程图。

具体实施方式

符号和术语

在整个以下描述和权利要求中使用的某些术语是指特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，公司可以通过不同的名称来指代部件。本文档不旨在区分名称不同但功能相同的部件。在下面的讨论和权利要求中，术语“包括(including)”和“包括(comprising)”以开放式的方式使用，因此应被解释为意味着“包括但不限于……”。此外，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”旨在意味着间接或直接连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或者通过经由其他设备和连接的间接连接。

详细描述

以下讨论针对本发明的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或更多个可以是优选的，但是所公开的实施例不应被解释或以其它方式用于限制本公开(包括权利要求)的范围。另外，本领域的技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意味着例示该实施例，并且不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围限于该实施例。

发光二极管(led)，特别是高强度和中强度的led串，正在迅速地进入照明应用的广泛使用。具有总体高亮度的led在包括用于基于液晶显示器(lcd)的监视器和电视机(以下统称为矩阵显示器)的背光的许多应用中是有用的并且用于一般的照明应用。

在各种lcd矩阵显示器和固态照明应用(诸如街道照明)中，通常将led供应在多个串联连接的led串中。因此，每个led串的组成(constituent)led共享公共电流。

提供高亮度的led表现出正向电压降的范围，表示为vf。每个led的亮度主要是流经led的电流的函数。然而，由于制造变化、工作温度和使用寿命，每个led可以表现出不同的vf，其可以导致大led阵列中的每个led串的电压降的显著变化。led阵列通常由多个led串组成。各种led串可以彼此并联连接。可以通过串联连接耗散元件(例如，电阻器或半导体器件)来补偿led串中的每个两端的电压降的变化，以补偿与每个led串相关联的变化的电压降。然而，耗散元件可以受到散热问题的影响，因为耗散元件是重要的热源。更具体地，当耗散元件为每个相关联的led串提供经补偿的电压降时，电压降的(成串的)大变化可以导致不期望的散热。因此，所公开的实施例提供控制器，以使led阵列正常工作，同时将由耗散元件产生的热量保持在相对低的水平。

在优选实施方案中，用于驱动led阵列的控制器可以是分别调制的多通道控制器。换言之，每个led串(通道)由控制器分别调制，以便对于led阵列具有一致且平衡的背光(即，亮度)，这意味着led阵列的每个led串共用相等的亮度。如上所述，由于led正向电压降的变化，给定施加到led串的恒定电压，不同的电流电平可以流经每个led串，这又可以导致led阵列的非平衡的背光。在这方面，在一些优选实施例中，led串的亮度不仅通过流经每个led串的电流电平还通过使用包括可变占空比的pwm信号的脉宽调制(pwm)调光来确定，其中可变占空比控制led串的亮度。led串的亮度由流经led串的电流电平与pwm信号的占空比的乘积确定。下面将描述实施pwm占空比和流经led串的电流电平的细节。

所公开的发明的实施例提供系统和方法，以减少串联连接到led阵列的每个led串的每个耗散元件两端的电压降，以便使由耗散元件产生的热量保持尽可以地低。更具体地，在同时保持每个led串的亮度相等时，所公开的实施例对每个耗散元件提供更新的电流信息的两种选择。基于更新的电流信息，每个耗散元件可以有利地降低由其自身产生的热量，这是由连接的led串的正向电压降引起的。

图1示出根据各种实施例的包括所公开的led控制器150的系统100的框图。系统100可以包括lcd矩阵显示器(即，led阵列)或固态照明应用诸如车辆的尾灯/前灯、交通灯等，以由led控制器150控制。系统100包括led控制器150和各种led串(例如，串160、170和180)。更具体地，led控制器150进一步包括升压转换器102、控制逻辑104、包括集成数模转换器(dac)108的调制器106以及用于每个led的耗散元件和电流感测设备。如图所示，led串160与耗散元件161和电流感测设备110相关联。led串170与耗散元件171和电流感测设备112相关联，而led串180与耗散元件181和电流感测设备114相关联。耗散元件和电流感测设备的每个组合优选地串联连接到对应led串。

在一些优选实施例中，led串(例如，160、170和180)可以形成led阵列，其中led阵列包括“m×n”个led(m、n是正整数)。更具体地，led阵列包括“n”个led串，并且每个led串包括“m”个单独的led。通常，如图1所示，特定led串的led彼此串联地电耦合。更具体地，第一led(例如，160_1)的阳极形成led串(例如，160)的第一端子，第一led的阴极电耦合到第二led(例如，160_2)的阳极，并且第m个led(例如，160_m，串中的最后一个led)的阴极形成led串的第二端子。

仍然参考图1并且如上所述，耗散元件和电流感测设备串联耦合到每个led串。例如，在led串160中，耗散元件161的第一端子电连接到led串160的第二端子，并且耗散元件161的第二端子电连接到电流感测设备110。在优选实施例中，每个耗散元件(例如，161、171和181)可以是诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)的半导体器件。如果耗散元件被实施为mosfet，则耗散元件的第一端子和第二端子可以是mosfet的漏极端子和源极端子。每个电流感测设备(例如，110、112和114)可以是例如被配置为感测流经每个led串的电流的电阻器。更具体地，感测的电流可以形成由led控制器150用来执行额外的led串电流调节的反馈信号(例如，电压107、109和111)，这将在下面讨论。

如上所述，每个耗散元件161、171、181被配置为补偿由于对应led串的led的正向电压降引起的电压变化。此外，在优选实施例中，每个耗散元件还被配置为调节流经与该耗散元件相对应的led串的电流。因此，耗散元件通常被称为“电流吸收器”。仍然在优选实施例中，可以经由调制器106来控制通过led串的电流的调节。将关于图2中的调制器106的进一步图示来讨论调节的细节。

在优选示例中，对于每个led串，mosfet(即电流吸收器161、171和181)可以由调制器106调节以在电流对电压曲线的线性区域中操作。更具体地，由调制器106提供用于每个mosfet的栅极信号(例如，101、103和105)，使得每个mosfet可被调节为在线性区域中操作。mosfet在线性区域中的操作意味着流经mosfet的电流(与流经耦合的led串的电流相同的电流)的电平与mosfet两端的电压降成线性比例。此外，如果mosfet不受严重的制造变化的影响，则比例常数是固定的。换言之，所有电流吸收器的电阻值(即，电压/电流)可以共用公共值。

所公开的实施例利用led控制器150来调节电流吸收器(例如，161、171和181)中的每个以在线性区域中操作，并且此外，所公开的led控制器150被配置为基于第一电流(即当前电流)，确定流经每个led串的更新的电流(即，第二电流)，以便减少由每个电流吸收器产生的热量(即功率)。正因如此，通过led控制器150调节流经每个led串的电流可以有利地为给定的led阵列提供较低或最小的功率耗散。通常，流经每个led串的电流是脉宽调制(pwm)信号。更具体地，电流可以周期性地从较低电平转换成较高电平。占空比是电流处于较高电平的周期内的时间百分比。例如，75％占空比表示led串的电流为每个周期的75％的较高电平。如上所述，每个led串的亮度由电流电平和占空比的乘积确定，因此为了保持亮度恒定，led控制器150用于将占空比和led串电流的乘积维持在恒定值。例如，第一电流电平可以是0.3a并且与100％占空比相关联。在由led控制器150调节之后，电流可以增加到0.35a的第二电流电平，并且可以与85％的较低占空比相关联。第一电流电平和相关联占空比的乘积(0.3×100％＝0.3)相当于第二电流的乘积(0.35×85％≈0.3)。

仍然参考图1，优选地，led控制器150的升压转换器102被配置为将输入电压vin升压以提供输出电压vout，以驱动led串160、170和180中的每个。此外，在led控制器150基于流经led串的预定义电流电平来调节电流吸收器161、171、181中的每个以在线性区域中操作之后，输出电压vout被优选为恒定值。在优选实施方案中，预定义电流电平由用户设定并提供给led控制器150。在每个led串的初始化期间，或者更一般地在整个led阵列的初始化期间，led控制器150确认预定义电流电平，并且通过使预定义电流电平流经led阵列的每个led串，而使升压转换器102提供高的足以驱动led串的逐渐增加的输出电压vout。led控制器150进一步使得调制器106调节电流吸收器161、171、181以在它们的线性区域中操作。由于每个led串可以呈现不同的正向电压降，所以每个电流吸收器的漏极端子处的电压电平可以变化。在优选实施例中，对于给定的vout，led控制器150被配置为确定led阵列的所有电流吸收器161、171、181中的特定电流吸收器的漏极端子处的最小电压电平，并且同时确定特定电流吸收器是否在线性区域中操作。一旦特定电流吸收器在线性区域中操作，就确定输出电压vout。此外，确定在特定电流吸收器的漏极端子处的最小电压电平。优选地，led控制器150的升压转换器102维持输出电压vout以驱动led阵列的剩余led串。更具体地，输出电压可以表示为vout＝vf+vdropout。电压vf表示给定led串(例如，160)的每个led的正向电压降。电压vdropout表示电流吸收器(例如，161)两端的电压降。在一些优选实施方案中，最小vdropout是在特定电流吸收器的漏极端子处的最小电压电平。

继续上述示例，其中第一电流和相关联占空比为0.3a和100％，并且第二电流和相关联占空比为0.35a和85％，占空比由led控制器150调节，假定恒定vout已由led控制器150调节以驱动led串。由于led的正向电压降，可以实施电流吸收器两端的补偿电压降(即vdropout)同时使第一电流流经led串中的一个。由于电流吸收器在线性区域中操作，因此流经给定led串的电流吸收器的第一电流和第二电流都通过公共电阻值，即mosfet的导电电阻，例如0.2ω。这样，由电流吸收器产生同时通过第一电流和第二电流的功率可以分别表示为vdropout×第一电流电平×相关联占空比。假设电流吸收器两端的电压降为0.3v，则对于第一电流，功率为3v×0.3a×100％＝0.9w。进一步地，第二电流电平²×相关联占空比×mosfet的导电电阻为0.35a²×85％×0.2ω＝0.02w。耗散功率的差值为0.9w-0.02w＝0.88w。因此，通过led控制器150可以节省0.68/0.9＝97％的功率，使得第二电流流经led串和耦合的电流吸收器。

通过调节电流吸收器(例如，161、171和181)中的每个以在线性区域中操作和流经每个电流吸收器的电流(包括电流水平和相关联占空比)，由电流吸收器产生的热量或能量、耗散可以被控制并且因此减少。在优选实施例中，基于预定义电流电平，一旦vout由升压转换器102确定，则确定其中发生vdropout的最小值的特定通道(led串)。通过使用来自该通道的最小vdropout作为参考，led控制器150调节流经led阵列的其他剩余通道中的每个的电流，以便减少led阵列的总功率耗散。优选地，用于其他剩余通道中的每个的vdropout大于最小vdropout，并且流经剩余通道中的每个的经调节的电流大于预定义电流电平。将关于图3中的第一电流和第二电流的波形提供led控制器150如何将第二电流(更新的电流)与第一电流(例如，预定义电流电平)关联起来的细节。

图2示出示例性框图200，以进一步说明根据各种实施例的调节led阵列的所公开的led控制器150。为了说明的目的，图2中仅包括led阵列的一个通道(led串160)，但是下面的原理可以被概括为操作led阵列的led串的任何或全部。如图2所示，调制器106进一步包括窗口比较器202。在图2的示例中，窗口比较器202包括三个输入ref1、ref2和vx。ref1、ref2是由用户定义的参考电压电平，vx优选为在电流吸收器161的栅极端子处的电压电平。

窗口比较器202优选地被配置为将vx与参考电压电平ref1和ref2进行比较。在优选实施例中，只要vx在ref1和ref2之间，则vx用于调节对应电流吸收器(例如，161)以在线性区域中工作。这样，窗口比较器202可以在运行中感测vx，并且向vx连续提供电压信号101，以便保持电流吸收器161在线性区域中操作。

如上所述，电流感测设备110被配置为感测流经相应led串160和电流吸收器161的电流。在优选实施方式中，感测的电流(例如，编码在信号107中)是pwm信号，其是到调制器的dac108的反馈信号。由于信号107是到dac108的输入信号，因此信号107可以被称为“pwmi”。在dac108接收到信号107之后，dac108被配置为处理并将信号107转换为数字信号，以便为控制逻辑104提供pwmi的数字化信息。模拟信号107的转换可以包括计算感测的pwmi(即，信号107)的电流电平和相关联占空比。

仍然参考图2，一旦控制逻辑104接收到关于pwmi的数字化信息，则在优选实施例中，控制逻辑104被配置为向电流吸收器161提供更新的电流的两种选择(更新的电流电平和对应占空比)。也就是说，可以由控制逻辑104提供第一更新的电流电平和对应占空比或第二更新的电流电平和对应占空比。这两种选择中的任一个旨在降低耦合的电流吸收器的vdropout，并且这两种选择中的一个的确定可以由控制逻辑104或用户进行。如图2所示，确定的选择是同样优选为pwm信号的信号201。由于其是led控制器150的输出，因此其可以被称为“pwmo”。

图3a和图3b示出根据各种实施例的第一电流(例如，pwmi)和第二电流(例如，pwmo)的波形的示例，这两个电流表示最初感测到的流经通道的电流以及由led控制器150调节的流经专用通道的更新的电流。更具体地，图3a中的i2表示由控制逻辑104提供的更新的电流的第一选择，并且图3b中的i2”表示由控制逻辑104提供的更新的电流的第二选择。

在图3a中，pwmi包括周期性的循环302、有效时间段304和电流电平310。在由led控制器150调节之后，i2包括更新的电流电平312和相关联的有效时间段306，然而，与pwmi共用公共周期性的循环302。有效时间段304和306可以计算为周期性的循环302乘以pwmi和i2的各自的占空比。在优选实施例中，电流电平312大于电流电平310，以便达到对应电流吸收器两端的减小的vdropout(vdropout＝vout-i×rled，其中“i”是流经每个通道的电流的电流电平，vout如上所述保持大致恒定，并且rled是耦合的led串的不变的电阻值，使得较大的电流电平导致较小的vdropout)。更具体地，控制逻辑104被配置为保持led串的亮度基本上不变，因此310和304的乘积相当于306和312的乘积。

在图3b中，基于相同的pwmi，由控制逻辑104提供的pwmo的第二选择被示为i2”，其中i2”包括周期性的循环330、有效时间段308和更新的电流电平314。在优选实施例中，i2”的有效时间段308被计算为更新的i2”的占空比乘以对应周期性的循环330。更具体地，更新的电流的有效时间段308等于pwmi的有效时间段除以整数。

图4示出根据各种实施例的由所公开的led控制器150操作led阵列的流程图400。流程图400开始于方框402，通过例如由led控制器150的调制器106调节电耦合到led阵列的每个led串的电流吸收器，以在线性区域中操作。优选地，电流吸收器是mosfet，并且当mosfet在线性区域中工作时，表现出电阻的恒定值，即电流对电压曲线的固定斜率。

流程图400在方框404处继续，其中由调制器106接收流经每个通道(led串和耦合的电流吸收器)的第一电流的信息。该信息包括第一电流的电流电平和相关联占空比。随后，在方框406处，第一电流的信息由dac108数字化，并且由控制逻辑104处理。

仍然参考图4，基于第一电流的数字化信息，流程图400在方框408处继续，其中由控制逻辑104提供将要流经各自的通道的第二电流的信息。在优选实施例中，由控制逻辑104提供第二电流的两种选择，参照图3a和图3b单独解释这些选择。更具体地，第二电流的信息还包括第二电流的电流电平和相关联占空比。

上述讨论意图说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上述公开内容，则对于本领域技术人员而言许多变化和修改将变得明显。本分发明旨在将所附权利要求解释为包括所有此类变化和修改。