低壓差(ldo)電流調整器的製作方法

2023-08-01 05:19:11 2

專利名稱：低壓差(ldo)電流調整器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓差(low-dropout，LD0)電流線性調整器。為了向負載施加根據參考信號加以調整的信號，在電子領域中廣泛使用LDO調整
ο本公開特別針對LDO調整器在用於光源(例如發光二極體(LED)等)的驅動電流 的線性調整器方面的可能應用而設計。
背景技術：
在背光應用中，近年來放電燈(或螢光燈)已經普遍地被LED發光模塊所代替。這 種發光模塊可包括多個印刷電路板PCB，其中每一個電路板具有一個或更多LED，這些電路 板通過導線或電纜相互連接，使其為柔性並使其適和裝配到具有成型通道字母的被照明符 號中，這通常要求訂製光源或者可適應的系統，就如在目前的情況下一樣。並行連接的單元 (或模塊)的巨大數量需要低成本驅動方案。根據圖1中的簡圖的電流線性調整器是目前為該目的採用的方案的例子。在該涉及分別用LEDl和LED2表示的串聯連接的2個二極體LED的驅動的例子中， 裝置包括用附圖標記Tl和T2表示的在該情況下為pnp型的兩個雙極性電晶體(BJT)，以 及兩個電阻器Rl和R2。參照圖1，輸入直流(dc)電壓的發生器VDCl的正端連接到第一電晶體Tl的發射 極El (節點A)。電阻器Rl連接在第一電晶體Tl的發射極El和基極Bl之間。基極Bl還 與第二電晶體T2的發射極E2連接(節點C)。第一電晶體Tl的集電極Cl通過節點D連接 到第二電晶體T2的基極B2。電阻器R2連接在節點D和節點B (即電壓發生器VDCl的負 端)之間。第二電晶體T2的集電極C2提供LEDl和LED2這兩者的串聯。最終，第二二極 管LED的陰極連接到第二電源線20上的上述節點B。在工作中，高阻抗電阻器R2以非常低的集電極電流Ic (μ A)偏置第一電晶體Tl， 但第一電晶體Tl的基極-發射極電壓Vbei被設為值VBE。n。負載(在此以二極體LED1、LED2為例來表示)中流動的電流的值I·與電晶體T2 的集電極電流、相同，從而約等於同一電晶體的發射極電流Ie2，因此其通過電阻器Rl由 電晶體Tl的發射極和基極之間的電壓降的值(參考電壓Vbei)根據以下關係式來確定
VIled = IC2 ~ 1EI = -Wl
1S在圖1的驅動器中，電晶體T2因此用作LED驅動電路，而電晶體Tl執行穩定功能。驅動電晶體T2的集電極電流Ic2驅動光源LEDl和LED2，並且穩定電路T1、R1、R2 產生參考電壓Vbei——其關於輸入電壓VDCl穩定，輸入電壓VDCl被施加給電晶體T2，也使 得流過LED的電流關於輸入電壓VDCl穩定。因此實現電流關於輸入電壓VDCl的穩定。因此能夠通過選擇電阻器Rl的值來限定電流I·的期望值。
以直接偏置工作的雙極型電晶體的發射極和基極之間的通常的電壓值約達到 0. 7V。因此可以考慮第一數值例(僅作為參考)，其中-由發生器VDCl產生的輸入直流電流，達到10伏DC(10VDC)，以及-由串聯布置的兩個二極體LED組成的負載，由InGaN(氮化銦鎵)LED製成；在該 情況下，在標稱電流條件下可施加於每個LED的最大直流電壓等於4. 2V。在該情況下(即負載上的直流電壓總計2X4. 2V = 8. 4V)，電路需要大約為1. 4V 的非常低的調整電壓。因為，為了進行正確的電流調整，Vec2 ^ Vbe2 = 0. 7V(標稱值)，所以 該調整電壓達到第一電晶體Tl的發射極和基極之間的電壓降Vebi = 0. 7V(其等於電阻Rl 上的電壓降，Vebi = Vei)與第二電晶體T2的發射極和基極之間的電壓降Veb2 = 0. 7V的和。為了確保對輸入電壓VDCl變化的反應的合適速度，以及為了避免可能對由包括 串聯連接的兩個二極體LED組成的光源組成的負載造成損害的電流峰值，電晶體T2不以飽 和狀態工作。具體地，如果第二電晶體T2的基極和集電極之間的Vbc2的電壓高於零，則同一晶 體管T2的發射極和集電極之間的電壓降Vk2 (進而由發射極-基極電壓Veb2和基極-集電 極Vbc2之和給出)，變為高於0. 7V。可以考慮第二數值例(仍然僅作為參考)，其中輸入電壓達到12VD。，並且通過薄膜 技術(ThinGaN)獲得的負載由氮化鎵LED製成。在該情況下，為了提高工作效率，負載將包 括串聯連接的至少三個LED。通過薄膜技術(ThinGaN)獲得的氮化鎵LED的直流電壓在標稱電流的狀態下達到 3.8V。結果，在最壞情況下，負載上的電壓降等於3. 8VX3 = 11. 4V。用圖1的驅動方案達到1. 4V的壓差電壓太高，因而該電路可能不會正確地工作。

發明內容
鑑於以上所述，感覺需要例如用於驅動光源(比如LED (發光二極體))、適合用低 壓降進行電流線性調整(例如用於驅動大量光源)的低壓差電流調整器。本發明的目的是提供這種裝置。根據本發明，該目的通過具有所述權利要求中闡述的特徵的裝置來實現。所述權利要求是在此提供的本發明的公開的組成部分。


下面將參照附圖僅舉例來描述本發明，在附圖中圖1之前已經描述；以及圖2是表示在此描述的方案的實施方式的電路圖。
具體實施例方式在以下的描述中，給出許多具體的細節以提供對實施方式全面的理解。在實施這 些實施方式時可以不包含這些具體細節中的一個或更多，或者使用其它方法、組件、材料 等。換句話說，沒有示出或詳細描述已知的結構、材料或操作，以避免不好理解實施方式的各個方面。在本說明書全文中提及「一個實施方式」或「實施方式」意味著結合該實施方式描 述的具體的特徵、結構或特性被包括在至少一個實施方式中。由此，在本說明書全文的各個 部分中，短語「在一個實施方式中」或「在實施方式中」的出現不一定都指的是相同的實施 方式。此外，具體的特徵、結構或特性可以在一個或更多實施方式中以任何適當方式進行組合 O在此提供的標題僅僅是為了方便，而不解釋實施方式的範圍或含義。在圖2中，用相同附圖標記表示與之前參照圖1描述的部分、元件或組件相同或等 同的部件、元件或組件，因此不必重複其描述。同樣地，圖2示出具有電流線性調整的驅動器裝置，其中，以與圖1相同的方式，用 附圖標記MOSl表示的電晶體(例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，在此為ρ溝 道型)被提供用作LED驅動電路，而電晶體Tl (利用雙極型電晶體(BJT)獲得，在此為npn 型)執行穩定功能。在當前所討論的實施方式中，電路還包括二極體Dl和4個電阻器Rl、R2、R3和RS。在這種情況下，電路還被假定適合於驅動由包括用LED1、LED2和LED3表示的3個 串聯連接的LED 二極體的光源組成的負載。例如，其可以是通過薄膜技術(ThinGaN)獲得 的3個氮化鎵LED，每個LED上具有電壓降，在標稱電流狀態下該電壓降達到約3. 8V，在相 關負載上的總電壓降總計3X3. 8V = 11. 4V。換句話說，如前所述，用圖1的調整器不能應 付工作條件。然而，明顯地，此處參照圖2考慮的方案的適用範圍不限於此具體環境。仍然參照圖2，電源VDCl的正端連接到第一電源線30。電阻器Rl被布置在所述 第一電源線30(節點L)和電晶體Tl的基極Bl (節點0)之間。基極Bl還連接到二極體 Dl (例如肖特基(Schottky) 二極體)的陽極。電阻器RS被置於二極體Dl的陰極(節點S)和電晶體Tl的發射極El (節點R) 之間，並且其執行用於感測流過負載(即流過二極體LED1、LED2和LED3)的電流的電流計 電阻的功能。發射極El還通過公共節點R連接到引至電壓發生器VDCl的負端的第二電源線40。電阻器R2被置於第一電源線30 (節點M)和電晶體Tl的集電極Cl (節點N)之間。 節點P與節點N —起被連接到電晶體MOSl的柵極端。電阻器R3也連接到節點P，而其另一端通過節點T連接到公共節點S, 二極體Dl的 陰極和感測電阻器RS也連接到公共節點S。公共節點T還連接到電晶體MOSl的源極端。在當前所考慮的例子中，二極體LED1、LED2和LED3以串聯方案連接，其中LEDl的 陽極連接到節點M，而LED3的陰極連接到電晶體MOSl的漏極端；因此，流過這些LED的電 流等於電晶體MOSl的漏極端電流。用此方案，由電阻器Rl設定的二極體Dl的兩端的電壓降Vdi表示電路的穩定參考 電壓，其將被施加給作為負載驅動器電晶體工作的電晶體MOSl (如將在下面清楚所見)。在當前所討論的電路中，二極體Dl兩端的電壓降Vdi低於電晶體Tl的基極-發射 極電壓，因此當電路被啟動時，電晶體Tl初始是關斷的。
在實施方式中，為了得到此結果，可使用具有被選擇為電晶體Tl的基極_發射極 閾值電壓Vbe的一半的閾值電壓Vdi (即Vdi = ￥ =0.35V)的肖特基二極體作為二極 管D1。然而，為了二極體Dl兩端的電壓降Vdi低於電晶體Tl的基極-發射極電壓Vbe，也 可以利用電阻器RS的存在。RS的存在造成RS上的電壓降Vks ；因此，在Tl、Dl和RS形成 的網絡中，Vbe等於Vm和Ves之和。因此，由於Ves不可能為負，所以Vm總小於或等於Vbeo偏置電阻器R2和R3被選擇為設置電晶體MOSl的柵極-源極電壓Ves，以在輸入 電壓VDCl的整個變化範圍內確保最低電阻RDSon(即在電晶體飽和狀態下，阻止漏極和源 極之間的電流流動的電阻)。在啟動時，如果合理地假定流過二極體Dl的電流IDl和流過電阻器R3的電流IR3 可被忽略，則用表示的負載中的(即LED中的)電流通過下式給出 另外，電晶體Tl的基極和發射極之間的電壓降Vbei等於二極體Dl上的電壓降Vdi， Vbei = Vdi，因為電晶體Tl初始關斷，所以Vdi被選擇為低於電晶體閾值電壓。通過選擇電阻器R2和R3，將電晶體MOSl的柵極和源極之間的電壓設置為比VT 高，使得確保MOSl是導通的且電流流過漏極和源極。電流在電阻器RS上產生電壓降，其升高Tl的VBE (VBE = VDl+VRS)直至達到 Tl的啟動VBE。增大的電流I。開始流過Tl，因而降低節點N處的電壓，從而降低柵極-源 極電壓。柵極和源極之間的電壓VGS —直降低到達到穩定狀態或平衡條件，其中電晶體Tl 導通時 因為大約等於Iks的I·最初在RS上產生電壓降，以及VBE升高直至Tl導通，所 以產生了穩定。由於電晶體Tl導通，電晶體Tl的集電極中流動的電流I。增大，節點N處的電壓 減小，從而MOSFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)M0S1的柵極和源極之間的電壓Ves也 下降，因此通過MOSl的電流減小。類似地，如果電晶體Tl的集電極中流動的電流I。減小，則節點N的電壓將會上升， 從而MOSFET MOSl的柵極和源極之間的電壓Ves將增大。由於更高的電流流過電晶體M0S1， 這將造成負載上(即LED中)更高的電流1_。當雙極型電晶體(Tl)導通時，該反饋控制允許分別引起雙極型電晶體(Tl)的集 電極電流的上升和下降的經調整的電流的上升和下降。基本上，當I。增大時，Vk2增大(或更好地表示為節點N處的電勢減小)，因此Vk3(柵 極-源極電壓)下降，I·減小，其效果是I。減小；相反地，當I。減少(即節點N上升)時， Vk3上升從而I·上升，造成I。增大，得到相反效果。該機制引起Imi和I。的穩定，其將通過 下式定義Vbe = VD1+VES = VD1+ILED · Rs當電晶體Tl的基極和發射極之間的電壓VBE。n達到閾值Vbe時，該反饋控制穩定
VBEon = Vbe = VD1+VES = VD1+ILED · Rs通過知道電晶體Tl的基極和發射極之間的電壓降％_以及二極體Dl上的電壓降 Vdi的值，能夠通過選擇電阻器RS的值來調整流過負載的電流Imi的值RS = VBE。；—Vm
丄LED調整器的總電壓降由下式給出VDROP 二 VRs + ^DS = ^led · ^s + Ks如果二極體Dl被選擇具有接近基極_發射極電壓VBE。n的值的值Vdi，則電阻器RS 上的電壓降VRs更低，因此總電壓降Vdot也將更小。因此，在上述例子中，電壓調整器上的最小總電壓降Vdkqp由0. 35V+0. 05V = 0. 4V 給出，其中0. 05V是避免飽和問題必需的最小電壓VDS。n。儘管不是強制選擇，使用MOSFET電晶體代替雙極型電晶體(BJT)作為驅動電晶體 得到更低的電壓降以及優良的動態性能。作為輸入電壓的變化的結果，BJT電晶體會進入 飽和範圍並產生從飽和進入有源模式的不希望有的電流峰值。考慮到驅動電晶體(在本情況下是MOSFET M0S1)至少原則上(如在圖1的情況 下)可以是雙極型電晶體，因此，在此所用並涉及FET技術的術語「源極」、「柵極」和「漏極」 應被理解為沒有任何限制地同樣適用於表示雙極型電晶體的等同元件的術語「發射極」、 「基極」和「集電極」。特別地，如權利要求中所使用的語句「控制電極」無差別地指代FET的 柵極和BJT電晶體的基極(即圖2的點P)這兩者。在此描述的調整器能夠應用於不同於已經通過例子討論了的LED，以及不同於 LED模塊的光源，以及不同於光源的電力負載。在不違背本發明的基本原理情況下，細節和實施方式可以，甚至是最好，相對於通 過例子所描述的內容進行不偏離所附權利要求限定的本發明的範圍的變化。例如，如之前 提到的，可理解在此描述的方案總體上適用於獲得不只是可以應用於光源驅動的低壓差電 流調整器。
權利要求
一種驅動裝置，用於從輸入電壓(VDC1)產生經調整的電流(ILED)，包括-驅動電晶體(MOS1)，用於提供所述經調整的電流(ILED)，所述驅動電晶體(MOS1)具有控制電極(P)，以及-穩定電路(T1、D1、R1、R2、R3、RS)，作用於所述驅動電晶體(MOS1)的所述控制電極(P)上，以從所述輸入電壓(VDC1)產生針對所述經調整的電流的穩定參考值(ILED)，其特徵在於所述穩定電路包括-雙極型電晶體(T1)，以反饋關係耦接(R2、R3)到所述驅動電晶體(MOS1)的所述控制電極(P)，由此，在所述雙極型電晶體(T1)導通時，所述經調整的電流(ILED)的增大和減小分別引起所述雙極型電晶體(T1)的集電極電流的減小和增大，以及-對所述經調整的電流敏感的級聯布置的二極體(D1)和電阻器(RS)，被置於所述雙極型電晶體(T1)的基極(B1)和發射極之間，使得針對所述經調整的電流的所述穩定參考值(ILED)由所述電阻器(RS)的值根據下述兩電壓之間的差確定所述雙極型電晶體(T1)的基極-發射極電壓，和所述二極體(D1)的陽極及陰極之間的電壓。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述驅動電晶體是場效應電晶體(MOSl)，由此，所 述驅動電晶體(MOSl)的控制電極(P)是場效應電晶體(MOSl)的柵極。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的裝置，其中所述二極體(Dl)被選擇為具有接近 所述雙極型電晶體(Tl)的基極-發射極電壓(vBE。n)的值的閾值電壓值。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其中所述二極體(Dl)被選擇為具有等於所述雙極 型電晶體(Dl)的基極-發射極電壓(VBE。n)的值的大約1/2的閾值電壓值。
5.根據上述任意一項權利要求所述的裝置，其中所述二極體(Dl)是肖特基二極體。
6.根據上述任意一項權利要求所述的裝置，其中所述電阻器(RS)是所述經調整的電 流(Imi)流過的電阻器，由此，針對所述經調整的電流的所述穩定參考值(Imi)是由以下兩 者之間的比率確定的-所述雙極型電晶體(Tl)的基極-發射極電壓和所述二極體(Dl)的陽極及陰極之間 的電壓的差，以及-所述電阻器(RS)的值。
7.(R2)以接收所述輸 入電壓(VDCl)，由此，所述雙極型電晶體(Tl)的集電極電流的減小和增大分別引起所述驅 動電晶體(MOSl)的所述控制電極(P)上的電壓的增大和減小。
8.根據上述任意一項權利要求所述的裝置，其中所述雙極型電晶體(Tl)的集電極和 所述驅動電晶體(MOSl)的所述控制電極(P)相互連接。
9.根據上述任意一項權利要求所述的裝置，其中所述驅動電晶體(MOSl)上耦接有由 所述經調整的電流(I·)驅動的比如LED光源(LED1、LED2、LED3)等光源。
全文摘要
公開了低壓差(LDO)電流調整器。從輸入電壓(VDC1)產生經調整的電流(ILED)的驅動裝置包括提供經調整的電流的驅動電晶體(MOS1)和作用於驅動電晶體的控制電極(P)以確定針對經調整的電流的穩定參考值的穩定電路(T1、D1、R1、R2、R3、RS)。穩定電路包括以反饋關係耦接(R2、R3)到驅動電晶體的控制電極的雙極型電晶體(T1)，在雙極型電晶體導通時，經調整的電流增大和減小分別引起雙極型電晶體的集電極電流減小和增大。經調整的電流穿過的二極體(D1)和電阻器(RS)級聯布置於雙極型電晶體的基極(B1)和發射極之間，使得針對經調整的電流的穩定參考值由電阻器的值根據雙極型電晶體的基極-發射極電壓和跨二極體陽極及陰極的電壓之間的差確定。
文檔編號H05B37/02GK101883460SQ20101017408
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月4日 優先權日2009年5月4日
發明者米凱萊·梅內加齊, 馬泰奧·託斯坎 申請人:奧斯蘭姆有限公司