一種pwm調製電路的製作方法
2024-01-26 18:47:15 1
專利名稱：一種pwm調製電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路領域，具體設計一種PWM調製電路的設計，用於LED背光晶片中來提高PWM調光的精度。
背景技術：
PWM調光作為LED背光晶片的一種重要的調光方式，有著應用簡單、效率高的優點，此外，相對於模擬調光，PWM調光還有精度高，線性化好、無色偏等優勢。但是傳統的PWM調光存在以下問題(I)在多串LED應用時，由於LED的特性差異導致每串LED上電流有所不同，使得在每個調光周期內LED燈串之間的亮度產生偏差。·(2)由於系統環路的建立需要一定的時間(如圖I所示其中誤差放大器的輸出信號COMP表示系統環路建立過程)，那麼在開啟LED時會不可避免的引入亮度的損失，導致PWM調光精度降低。
發明內容
本發明的目的是為了解決傳統PWM調光存在的上述問題，提出了一種PWM調製電路。本發明的技術方案是一種PWM調製電路，具體包括第一傳輸門、第一電流比較器、第一二選一選擇器、RS觸發器、二輸入或非門、反相器、第一 NMOS管、誤差積累電容和具有選擇功能的比較器，其中，外部的PWM信號作為所述反相器的輸入信號，所述第一傳輸門的輸入端接第一基準電壓源，第一傳輸門的控制端接反相器的輸出端及第一 NMOS管的柵極，第一 NMOS管的源極接到地電位，第一 NMOS管的漏極、第一傳輸門的輸出端和電流比較器的第一輸入端相連接，電流比較器的第二輸入端接外部負載的採樣信號；電流比較器的輸出端通過誤差積累電容藕接於地電位，並且電流比較器的輸出端與具有選擇功能的比較器的第一輸入端相連接，具有選擇功能的比較器的第二輸入端接第二基準電壓源，具有選擇功能的比較器的選擇端和二選一選擇器的控制端相連接用於輸入外部的數字控制信號；具有選擇功能的比較器的輸出端與二輸入或非門的第一輸入端相連接，二輸入或非門的第二輸入端接外部的PWM信號、RS觸發器的S端和第一二選一選擇器第一輸入端；RS觸發器的R端與二輸入或非門的輸出端相連接，RS觸發器的輸出端與第一二選一選擇器的第二輸入端相連接，第一二選一選擇器的輸出端作為所述PWM調製電路的輸出端。進一步的，所述電流比較器包括第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，其中，第一運算放大器的正向輸入端作為所述電流比較器的第一輸入端，第一 PMOS管的源極、第二 PMOS管的源極、第三PMOS管的源極和第四PMOS管的源極均與外部的電源電壓相連接；第一 PMOS管的柵極與第二 PMOS管的柵極、第一 PMOS管的漏極及第五NMOS管的漏極相連接；第二 PMOS管的漏極與第三NMOS管的漏極相連接作為所述電流比較器的輸出端；第三PMOS管的柵極、第四PMOS管的柵極、第四PMOS管的漏極及第二 NMOS管的漏極相連接，第二 NMOS管的柵極與第二運算放大器的輸出端相連接，第二 NMOS管的源極與第二運算放大器的負向輸入端相連接並通過第二電阻藕接於地電位，第二運算放大器的正向輸入端作為所述電流比較器的第二輸入端；第三PMOS管的漏極、第四NMOS管的柵極、第四NMOS管的漏極及第三NMOS管的柵極連接在一起；第三NMOS管的源極和第四NMOS管的源極藕接於地電位；第五NMOS管的柵極與第一運算放大器的輸出端相連，第五NMOS管的源極與第一運算放大器的負向輸入端相連接並通過第一電阻藕接於地電位。進一步的，所述具有選擇功能的比較器包括電壓比較器、第二輸出門、第二二選一選擇器、第三電阻和第四電阻，其中，電壓比較器的負向輸入端與第二輸出門的輸入端及第三電阻的第一端子相連接並作為所述具有選擇功能的比較器的第二輸入端；第二二選一選擇器的第一輸入端與第三電阻的第二端子及第四電阻的第一端子相連接，第四電阻的第二端子藕接於地電位；第二二選一選擇器的第二輸入端與第二輸出門的輸出端相連接並作 為所述具有選擇功能的比較器的第一輸入端；第二輸出門的控制端與第二二選一選擇器的控制端相連接並作為所述具有選擇功能的比較器的使能端，第二二選一選擇器的輸出端與電壓比較器的正向輸入端相連接，電壓比較器的輸出端作為所述具有選擇功能的比較器的輸出端。本發明的有益效果本發明的PWM調製電路在傳統PWM調光的基礎上，根據實際流經LED上電流的大小對外界輸入的PWM信號進行一定的調製，調節其佔空比，使得內部電路實際參與調光的PWM信號的佔空比跟隨LED上實際電流的變化相應地得到動態調製，隨後再控制LED驅動信號的開關，使得每個數字脈衝周期內LED的亮度都等於預設值，提高PWM調光精度。此外本發明的PWM調製電路還可以平衡多路之間的LED燈串亮度，使得多路LED燈串之間不會因為LED的差異，導致亮度產生偏差，且每路LED的亮度都等於預設值，因而提高了 PWM調光精度。
圖I為系統環路建立過程示意圖。圖2為本發明的PWM調製電路結構示意圖。圖3為本發明實施例中電流比較器結構示意圖。圖4為本發明實施例中具有選擇功能的比較器結構示意圖。圖5為實施例中RS觸發器輸入信號示意圖。圖6為實施例中調製過程和結果示意圖。
具體實施例方式基於背景技術提到的傳統PWM調光存在的兩個問題，有如下考慮I、在多路應用中，可以根據每路LED電流的實際值動態地調節PWM信號的佔空比來實現任何一個調光周期內每路LED上的亮度相等且均為預設值I_XDT，其中，Iled為調光周期內PWM信號為有效高電平時LED上的平均電流，T為數字脈衝PWM信號的周期，D為其佔空比。此外這裡假設LED電流關斷速度很快，忽略PWM信號關斷時刻對亮度帶來的影響。2、可以根據LED的實時亮度來精確地動態調節內部電路實際參與調光的PWM信號的佔空比，減小甚至完全消除在系統環路建立過程中的光損耗，提高PWM調光的調光精度。因此本發明提出一種PWM調製電路，可以根據負載上實時電流動態的調節外界PWM輸入信號的佔空比，很好的解決了傳統PWM調光存在的兩個問題。下面結合附圖對本發明的PWM調製電路做進一步的說明。如圖2所示，本發明的PWM調製電路包括電流比較器Al，選擇功能的比較器A2，RS觸發器RS，第一二選一選擇器MUXl，第一傳輸門TGSl，二輸入或非門N0R2，反相器INV，第一 NMOS管麗I和誤差積累電容Cl,其中,所述傳輸門TGS的A端用於外界參考電壓信號VREFl的輸入，Y端和電流比較器Al輸入端VIREF及第一 NMOS管的漏極相連，第一 NMOS管的源極接到地電位，外界輸入PWM信號PWMD經過反相器INV反向之後和傳輸門TGSl的控制端及第一 NMOS管MNl的柵極相連；電流比較器Al的另一個輸入端用於輸入LED的採樣信·號Visnsa,電流比較器Al的輸出端BCOM和具有選擇功能的比較器COMPARE的輸入端VBC0M、誤差積累電容Cl的正向端相連，誤差積累電容Cl的負向端接到地電位；具有選擇功能的比較器A2的第二輸入端用於輸入第二基準電壓源VREF2，具有選擇功能的比較器A2的輸入端EN22和二選一選擇器MUX2的控制端C端相連用於外界使能信號的輸入，具有選擇功能的比較器A2的輸出ACU_D頂和二輸入或非門N0R2輸入端相連，或非門N0R2的另一個輸入端和RS觸發器RS的S端、二選一選擇器MUXl的第二輸入端B相連，外界輸入的P麗信號PWMD作為這3個埠的輸入信號；此外二輸入或非門N0R2輸出端和RS觸發器RS的R端相連，RS觸發器RS的輸出端和二選一選擇器MUXl的第一輸入端A相連，二選一選擇器的輸出端即是PWM調製電路的輸出端輸出調製後的PWM信號ACU_PWM。圖3給出了一種電流比較器的結構示意圖，具體包括第一運算放大器0PA_1、第二運算放大器 0PA_2，電阻 Rl、R2，PMOS 管 MPI、MP2、MP3、MP4，NMOS 管 MN2、MN3、MN5，其中運算放大器0PA_1，MPl，麗I，Rl組成負反饋支路，通過運放0PA_1把NI點的電位箝位為Vikef,使得參考電流Ikef為=Ikef=VikefZX ;第二運算放大器0PA_2，MP4，麗2，R2組成的負反饋支路，通過運放0PA_2把N2點的電位箝位為Visnsa,使得參考電流Isnsa為
:IsNSA_ViSNSa/R2， 再經過電
流鏡MP1，MP2，MN3鏡像電流IREF，經過電流鏡MP4，MP3，MN4鏡像電流Isnsa之後對兩個電流進行減法運算。具體連接關係如下第一運算放大器0PA_1的正向端作為電流比較器的第一輸入端，第一運算放大器0PA_1的負向輸入端和電阻Rl的一端、NMOS管麗5的源極相連，電阻的另一端接地電位，NMOS管MN5的柵極和第一運算放大器0PA_1的輸出相連，此外NMOS管MN5的漏極和PMOS管MPl的柵極、漏極、PMOS管MP2的柵極相連，PMOS管MPl和PMOS管MP2的源極接外界電源VDD，PM0S管MP2的漏極和NMOS管麗3的漏極相連作為此模塊的輸出BCOM端，NMOS管MN3的柵極、NMOS管MN4的柵極、漏極和PMOS管MP3的漏極相連，NMOS管麗3和NMOS管MN4的源極接地電位，此外PMOS管MP3的柵極和PMOS管MP4的柵極、漏極，NMOS管麗2的漏極相連，PMOS管MP3和PMOS管MP4的源極接外接電源電壓VDD，NMOS管麗2的柵極和第二運算放大器0PA_2的輸出端相連，NMOS管麗2的源極和電阻R2的一端、第二運算放大器0PA_2的負向輸入端相連，電阻R2的另一端接地電位，第二運算放大器0PA_2的正向輸入端用於輸入外部的LED的米樣信號VISNSA。
左邊由運放0PA_1、MPl JN1、R1組成負反饋支路，通過運放0PA_1把NI點的電位箝位為Vikef,使得參考電流Ikef為=Ikef=VikefA1，右邊由運放MP4、MN2、R2組成的負反饋支路，通過運放0PA_2把N2點的電位箝位為Visnsa,使得參考電流Isnsa為
:IsNSA_ViSNSa/R2， 再經過
電流鏡MP1、MP2、MN3鏡像電流IKEF，經過電流鏡MP4，MP3，MN4鏡像電流Isnsa之後對兩個電流進行減法運算，實現對預設的參考電流和流經LED上的實時電流做差，得到的差值電流再對電容Cl進行充放電，從而在一個PWM調光周期中的PWM信號為高電平時間內，Cl上貯存的電荷量反映這個調光周期內實際LED上亮度的誤差。因此電容Cl上的充電電流ΙΒωΜ
V V
—rr、r~t--*、f Γ— TT — IREF v ISNSA
口」以衣不為 I1BCOM ~ 1Rht ~ 1SNSA — ~οο~°
/Vo在一個PWM調光周期中的PWM信號為高電平時間內，Cl上貯存的電荷量即實際
LED 上的誤差可以表示為= hcoM xTxD = ^-ψ-- xTxDa
Rl h圖4給出了一種具有選擇功能的比較器A2的結構示意圖，具體包括電壓比較器A3，輸出門TGS2，第二二選一選擇器MUX2，第三電阻R3和第四電阻R4，其中，第三電阻R3的一端和比較器A3的負向端，傳輸門TGS2的A端相連,作為比較器A2的第二輸入端,第三電阻R3的另一端和第四電阻R4的一端、二選一選擇器MUX2的A輸入端相連，第四電阻R4的另一端接地電位；傳輸門TGSl的B端和二選一選擇器MUX2的B輸入端相連作為比較器A2的第一輸入端用於輸入VBC0M，傳輸門TGS2的控制端C和MUX2的控制端C相連，用於輸入外部的數字控制信號EN22的；MUX2的輸出端和比較器A3的正向輸入端相連，比較器A3的輸出端記為ACU_DM。對於VREFl因為其通過傳輸門和0PA_1相連，因此只要滿足VREFl在0PA_1的共模輸入範圍即可。對於VREF2，這個固定的參考電壓應該是在晶片軟啟動結束後，系統環路開始工作時，電容Cl上的初始電壓，一般為電源電壓VDD的一半，這裡假設為2. 5V。具有選擇功能的比較器A2的主體結構是一個比較器，外加數字選擇功能，使得在一個PWM調光周期內，根據不同的使能信號選擇不同的比較對象。具體的作用有兩個一是當使能信號EN22為高電平時，二選一選擇器MUX2選擇電容Cl上電壓Vbot輸出，比較器A3比較電容Cl上的電壓Vbot和固定參考電壓(這個固定的參考電壓應該是在晶片軟啟動結束後，系統環路開始工作時，電容Cl上的電壓，這裡假設為2. 5V)，從而達到釋放LED誤差的目的；二是周期性的復位電容Cl上電壓，消除無用誤差對佔空比調製的影響。具體工作情況如下首先，左側的兩個電阻分壓使得NI點電壓為2. 3V。當使能信號EN22為低電平時，MUX2選擇2. 5V和2. 3V的電平比較，此模塊的輸出不調節外界輸入PWM信號PWMD的佔空t匕，此外2. 5V的參考電平(可以由LDO提供)通過傳輸門和電容Cl連接，使得電容Cl上電壓被復位為2. 5V，保證後續周期中誤差累計的正確性，此過程為初始值復位過程。比較器A3可以採用摺疊式運放結構，後接兩個反相器進行整形，第一運算放大器0PA_1和第二運算放大器0PA_2可以採用推挽式輸出結構以增大輸出擺率，使得電流Isnsa能夠實時的跟隨採樣電壓VISNSA。這裡，A3、0PA_1和0PA_2的為本領域的常規技術，對其結構不再詳細描述。具體工作過程如圖6所示，整個PWM調製電路的具體工作原理如下當外界PWM信號PWMD上升沿到來時，Veef信號通過傳輸門TGS傳輸到電流比較器Al，電流比較器Al對電流Ikef和Isnsa信號做差，輸出對電容Cl進行充放電，積累實際LED上亮度誤差，此過程稱之為誤差積累過程。與此同時應設置EN22為高電平，A2中的比較器A3選擇2. 5V和V_比較，由於V_正常電壓值是2. 5V，那麼比較器A3的輸出ACU_DM就反映了 LED上的實時誤差。當PWMD信號由高變為低時，Vikef被拉為低電平，此時電流比較器Al通過電流Isnsa對電容Cl放電，此時若電容Cl上的電壓大於2. 5V，比較器A3輸出為高，經過後端數字邏輯門和RS觸發器作用之後，實際參與調光的PWM信號ACU_PWM仍為高，因此外界輸入的PWM信號PWMD到內部電路實際參與調光的PWM信號ACU_PWM的佔空比被展寬，此過程稱之為誤差釋放過程，這個過程一直維持到Vbot被放電至小於2. 5V，比較器輸出翻轉，RS觸發器翻轉為低電位，調製結束，內部電路實際的PWM信號ACU_PWM翻轉為低電平。當調製結束後把EN22設置為低電平，完成電容Cl上電壓的初始值復位動作，確保後續周期調製的正確性。根據電荷守恆原理可知，調節後數字脈衝的佔空比D』和調節之前的佔空比D存在如下關係 ISNSA xTxD — Isnsa xT X D + O ERR^D'^D+ 二 !燃 B =X B
ISNSAISNSA其中，Qeee誤差電荷量，T為外界輸入PWM信號的周期。可以看出，當LED上的電流發生變化時，採樣電流Isnsa跟隨變化，從而改變內部實際參與調光的PWM信號的佔空比，如圖6所示，假設LED電流關斷速度很快，忽略PWM信號關斷時刻對亮度帶來的影響，從而保證流經LED上的電流得到精確PWM調製。可以看出(I)在環路建立穩定之前由LED上電流小於參考電流Ikef引起的PWM調光精度的降低可以通過此種調製對外界輸入PWM信號的佔空比進行補償減小甚至消除在啟動過程引起的PWM調光精度損失。(2)在多路應用時，由於每路LED特性不同會導致在同一 PWM信號下LED的亮度有所差異，設第一路的電流平均值為Isnsai，第二路的電流平均為Iim，不等於但是經過本發明提出的調製電路後，兩路LED的電流平均值的可以表示為 !臟 XTXD 二 /細 X ,X(/) +。「!細!)) 二 Irff xTxl)
上 SNSAlIsss 12 X T X I) = /、、、., X 7』 X (/) + 丨肚1丨O) 二 /,'',, x 7 x D
i SNSA2由上述兩式可以發現每路的電流平均值相等，且都等於系統預設的亮度如圖6所示，W和Isnsa與時間軸圍成的面積相等。數字控制信號EN22的設計由A2的分析可以看出，外部的數字控制信號EN22的設計有兩點要求(1)A2工作在誤差清零過程，要求EN22的下降沿在電容Cl放電至其上電壓小於(等於)2. 5V，即誤差全部釋放完畢之後再對誤差進行清零，若在電容上的電壓大於2. 5V就對其清零，就會使得PWM信號的佔空比補償不夠。(2)A2工作在誤差累計過程，要求EN22的上升沿和PWMD信號的上升沿同步，也就是一旦PWM調光開啟就要進行誤差累計，否則若EN22的上升沿滯後，誤差將不能被完全累計使得PWM信號的佔空比補償不夠；若EN22的上升沿提前，雖然此時由於Visnsa為O電壓，Vieef電壓也被拉為O電壓，即使此時開始累計誤差，也不會有影響，但是為了避免噪聲等影響，還是要求誤差累計的使能信號和誤差累計同時開始，即外部PWM信號的上升沿和EN22的上升沿同歩。根據上述說明，外部的數字控制信號EN22可以有2種方法實現用RS觸發器來實現把外界輸入的PWM信號PWMD作為RS觸發器的置數端，ー個固定周期的脈衝信號CLK作為RS觸發器的清零端，這樣只要保證其相位關係(如圖5所示)，輸出端就可以用作控制信號EN22 ;此外，由上述分析可以看出，ACU_PWM也滿足上述要求，因此也可以直接用ACU_PWM作為數字控制信號EN22。綜上可以看出本發明的調製電路在傳統PWM調光的基礎上，根據實際流經LED上 電流的大小對外界輸入的PWM信號(用PWMD表示)進行一定的調製，主要是調節其佔空比，使得內部電路實際參與調光的PWM信號(用ACU_PWM表示)的佔空比跟隨LED上實際電流的變化相應地得到動態調製，隨後再控制LED驅動信號的開關，使得每個數字脈衝周期內LED的亮度都等於預設值，提高了 PWM調光精度。此外本發明的調製電路還可以平衡多路之間的LED燈串亮度，使得多路LED燈串之間不會因為LED的差異，導致亮度產生偏差，且每路LED的亮度都等於預設值，提高PWM調光的精度。本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種PWM調製電路,具體包括第一傳輸門、第一電流比較器、第一二選一選擇器、RS觸發器、二輸入或非門、反相器、第一 NMOS管、誤差積累電容和具有選擇功能的比較器，其中， 外部的PWM信號作為所述反相器的輸入信號，所述第一傳輸門的輸入端接第一基準電壓源，第一傳輸門的控制端接反相器的輸出端及第一 NMOS管的柵極，第一 NMOS管的源極接到地電位，第一 NMOS管的漏極、第一傳輸門的輸出端和電流比較器的第一輸入端相連接，電流比較器的第二輸入端接外部負載的採樣信號；電流比較器的輸出端通過誤差積累電容藕接於地電位，並且電流比較器的輸出端與具有選擇功能的比較器的第一輸入端相連接，具有選擇功能的比較器的第二輸入端接第二基準電壓源，具有選擇功能的比較器的選擇端和二選一選擇器的控制端相連接用於輸入外部的數字控制信號；具有選擇功能的比較器的輸出端與二輸入或非門的第一輸入端相連接，二輸入或非門的第二輸入端接外部的PWM信號、RS觸發器的S端和第一二選一選擇器第一輸入端；RS觸發器的R端與二輸入或非門的輸出端相連接，RS觸發器的輸出端與第一二選一選擇器的第二輸入端相連接，第一二選一選擇器的輸出端作為所述PWM調製電路的輸出端。
2.根據權利要求I所述的PWM調製電路，其特徵在於，所述電流比較器包括第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，其中，第一運算放大器的正向輸入端作為所述電流比較器的第一輸入端，第一 PMOS管的源極、第二 PMOS管的源極、第三PMOS管的源極和第四PMOS管的源極均與外部的電源電壓相連接；第一 PMOS管的柵極與第二 PMOS管的柵極、第一 PMOS管的漏極及第五NMOS管的漏極相連接；第二 PMOS管的漏極與第三NMOS管的漏極相連接作為所述電流比較器的輸出端；第三PMOS管的柵極、第四PMOS管的柵極、第四PMOS管的漏極及第二 NMOS管的漏極相連接，第二 NMOS管的柵極與第二運算放大器的輸出端相連接，第二 NMOS管的源極與第二運算放大器的負向輸入端相連接並通過第二電阻藕接於地電位，第二運算放大器的正向輸入端作為所述電流比較器的第二輸入端；第三PMOS管的漏極、第四NMOS管的柵極、第四NMOS管的漏極及第三NMOS管的柵極連接在一起；第三NMOS管的源極和第四NMOS管的源極藕接於地電位；第五NMOS管的柵極與第一運算放大器的輸出端相連，第五NMOS管的源極與第一運算放大器的負向輸入端相連接並通過第一電阻藕接於地電位。
3.根據權利要求I或2所述的PWM調製電路，其特徵在於，，所述具有選擇功能的比較器包括電壓比較器、第二輸出門、第二二選一選擇器、第三電阻和第四電阻，其中，電壓比較器的負向輸入端與第二輸出門的輸入端及第三電阻的第一端子相連接並作為所述具有選擇功能的比較器的第二輸入端；第二二選一選擇器的第一輸入端與第三電阻的第二端子及第四電阻的第一端子相連接，第四電阻的第二端子藕接於地電位；第二二選一選擇器的第二輸入端與第二輸出門的輸出端相連接並作為所述具有選擇功能的比較器的第一輸入端；第二輸出門的控制端與第二二選一選擇器的控制端相連接並作為所述具有選擇功能的比較器的使能端，第二二選一選擇器的輸出端與電壓比較器的正向輸入端相連接，電壓比較器的輸出端作為所述具有選擇功能的比較器的輸出端。
全文摘要
本發明公開了一種PWM調製電路，具體包括第一傳輸門、第一電流比較器、第一二選一選擇器、RS觸發器、二輸入或非門、反相器、第一NMOS管、誤差積累電容和具有選擇功能的比較器，本發明的PWM調製電路根據實際流經LED上電流的大小對外界輸入的PWM信號進行一定的調製，調節其佔空比，使得內部電路實際參與調光的PWM信號的佔空比跟隨LED上實際電流的變化相應地得到動態調製，隨後再控制LED驅動信號的開關，使得每個數字脈衝周期內LED的亮度都等於預設值，提高了PWM調光精度。
文檔編號H05B37/02GK102843828SQ201210277070
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者周澤坤, 王鑫, 張竹賢, 吳傳奎, 石躍, 明鑫, 張波 申請人:電子科技大學