低emi驅動器電路的製作方法
2023-10-17 21:00:24
專利名稱：低emi驅動器電路的製作方法
技術領域：
本公開涉及用於向電負載提供調製供電電流的驅動器電路的領域，尤其涉及用於向LED器件提供調製電源電流的LED驅動器電路。
背景技術：
用於向諸如發光二極體(LED)的負載供應限定電流的各種驅動器電路是已知的。因為LED是電流驅動電負載，通常電流源用於向LED供應電流。負載電流限定了 LED器件的亮度，該LED器件可以是單個LED組件或包括例如串聯連接的多個LED的器件。為了允許調節發射光的強度(即感知的亮度)，可以使用可控電流源，該可控電流源設置到代表所需亮度的電流。在數字控制應用中，數字模擬轉換器(DAC)可以用於設置可控電流源的電流。因為人眼不能分辨約100赫茲或更高赫茲的高頻亮度波動，已知向LED供應足夠頻率的調製(例如脈衝寬度調製或脈衝密度調製等)電流。在這種情況中，人眼低通過濾LED的所得(例如脈衝寬度)調製亮度，即，眼睛僅可以感測與平均LED電流相關的平均亮度，該平均LED電流與脈衝寬度調製(PWM)的佔空比成比例。因此僅通過LED的平均電流與人眼感知的亮度相關。應當注意，可以以與LED類似的方式驅動很多其他類型的電負載，例如，負載電流要經由調製恆定電源電流設置的一般負載。因為當改變實際負載電流時發射光的實際波長可能以不希望的方式改變，對於連續改變負載電流的驅動器電路，通過使用調製技術改變平均負載電流通常是優選的。使用用於調節平均負載電流(且因而感知的亮度)的調製技術並不引起波長變化，因為實際負載電流根據調製信號僅呈現值零和預設最大負載電流。由於上述原因，用於驅動發光二極體或其他負載的驅動器電路通常必須設計為相當快速地切換電源電流，這引起供電線路中的高電流梯度以及相應的電磁發射和電磁幹擾(EMI)。然而，尤其當驅動LED時，要求負載的快速切換，因為不同於所需電源電流的負載電流值可能導致發射顏色的色調的變化且因而劣化連接的LED器件的整體操作。為了在仍提供負載電流的快速和精確的切換的同時減小發射且改善電磁兼容性(EMC)，對於用於驅動LED或其他電流驅動負載的改善的驅動器電路存在需要。
發明內容
公開了用於向負載提供調製負載電流的驅動器電路。根據本發明的一個示例，電路包含可控電流源，該可控電流源可操作耦合到負載且配置成根據控制信號匯集第一電流或作為第一電流的源。可控開關響應於輸入信號、可操作耦合到電流源且配置成根據輸入信號接管或不接管第一電流。第一電流在可控開關被驅動到阻斷狀態時被引導為通過負載的負載電流。第一電流在可控開關被驅動到傳導狀態因而旁路負載時被引導通過可控開關。輸入信號包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一系列脈衝。電流源被控制為使得第一電流在輸入信號的脈衝之前斜線上升且在脈衝之後斜線下降以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。還公開了用於向負載提供調製負載電流的方法。根據本發明的另一示例，方法包含根據控制信號提供第一電流，該控制信號配置成根據輸入信號使用可控開關接管或不接管第一電流。第一電流在可控開關被驅動到阻斷狀態時被引導為通過負載的負載電流。第一電流在可控開關被驅動到傳導狀態因而旁路負載時被引導通過可控開關。輸入信號包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一系列脈衝，且其中電流源被控制為使得第一電流在輸入信號的脈衝之前斜線上升且在脈衝之後斜線下降以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。斜線上升和斜線下降時間可以設計為提供控制信號的所需轉換速率且因而提供第一電流的所需轉換速率。
參考下面的附圖和描述可以更好地理解本發明。附圖中的組件沒有必要按比例繪製，而是將重點放在說明本發明的原理上。此外，在附圖中，相似的參考標號指示相應的部件。在附圖中:
圖1說明用於向負載提供限定的調製電流的一個示例性驅動器電路；
圖2是時序圖，特別說明在圖1的電路的操作中出現的負載電流和供電線路電流隨著時間的變化；
圖3是說明在各種操作條件下由於電磁發射導致的幹擾的頻譜的視 圖4是說明根據本發明的第一示例性驅動器電路的電路 圖5包括一組時序圖，說明操作期間在圖4的電路中出現的很多信號的波形；
圖6是說明根據本發明的第二示例性驅動器電路的電路圖；以及 圖7是說明根據本發明的第三示例性驅動器電路的電路圖。
具體實施例方式各種類型的電負載通常被供應以調製負載電流，使用諸如脈衝寬度調製(PWM)、脈衝頻率調製(PFM)或還已知為Σ - Λ調製的脈衝密度調製(PDM)的已知調製技術，從恆定供電電流獲得該調製負載電流。取決於應用，可以應用這些調製技術的組合。所有這些調製技術用於以高頻(例如對於LED驅動器電路IOkHz或更高)調製供電電流，從而實現低頻所需值或準靜態參數，例如平均負載電流、LED的可觀察亮度或在多色LED布置中驅動不同顏色的兩個或更多LED時的可觀察顏色。圖1說明驅動器電路的一個簡化示例，該驅動器電路用於向一個LED(或兩個或更多LED的串聯電路)提供具有對應於LED的可觀察亮度的可調節平均值的限定調製電流。電源(例如提供諸如13.8V的供電電壓Vs的電池)耦合到驅動器電路10 (供電端子。以向驅動器Xk和其他電路(主要是邏輯電路)供應電流。在本示例中，驅動器電路10通常汲取標示為込的恆定偏置電流(靜態電流)。LED器件11 (例如包括一個發光二極體LD)耦合在提供供電電壓Vs的供電線路和驅動器電路10的輸出電路節點(端子OUT)之間。驅動器電路10配置成根據在輸入電路節點IN接收的調製控制信號ON匯集(sink)LED器件11的負載電流I。為此目的，驅動器電路10包括以在輸出節點OUT匯集負載電流k的方式耦合在輸出節點OUT和參考電勢(例如耦合到輸出端子Α_的接地電勢GND)之間的可切換(藉助於開關SW)電流源Q。在一個示例性實施例中，在電路節點OUT匯集的負載電流k被調製(例如根據控制信號ON被脈衝密度調製)，且因而可以僅呈現兩個不同的值，即零或固定峰值i_。驅動器Xk耦合到可切換電流源(在本示例中耦合到串聯連接到電流源Q的電子開關SW)以根據調製控制信號ON接通和斷開負載電流k。圖2說明圖1的驅動器電路中在操作期間出現的電流(負載電流込和供電電流is)以及調製控制信號0N。圖2的底部視圖說明調製控制信號0N，例如在本示例中，該信號是具有50%的佔空比的脈衝寬度調製信號。Σ - Λ調製(脈衝密度調製PDM)將導致調製控制信號的類似波形。中間的時序圖說明流經LED器件11且在驅動器電路10的電路節點OUT匯集的負載電流k。負載電流k的切換時間與調製控制信號ON的切換時間匹配(當忽略對於這種考慮可以忽略的信號傳播延遲時)。在頂部視圖中，描繪了總供電電流is的波形。供電電流is對應於負載電流k加上等於驅動器電路10和其他電路的靜態電流irc(偏置電流)的附加電流偏移。圖2示出根據調製控制信號的負載電流k的切換引起明顯(臺階狀)電流梯度且因而引起不希望的電磁輻射的發射，且因此引起劣化整體電路布置的電磁兼容性(EMC)的電磁幹擾(EMI)。圖3說明源於不同切換操作的噪聲頻譜以及所需最大噪聲水平隨頻率的變化，該最大噪聲水平是從對於約0.15MHz頻率的約6(ΜΒμν延伸到對於約30MHz頻率的約3(ΜΒμν的對角線，也已知為BMW限制(參考德國汽車製造商BMW規定的嚴格EMC要求)。希望將噪聲頻譜減小到BMW限制以下。遵循該限制是對機動車中LED驅動器電路應用的要求。圖4說明用於向LED器件11 (包括一個或更多LED)提供負載電流k的改善的驅動器電路10。驅動器電路10配置成根據控制信號CTL和輸入信號ON的調製來調製提供到LED器件11的負載電流L輸入信號0N、負載電流k和總供電電流is的示例波形在圖5中示出。在圖4的電路圖中，更詳細說明可切換電流源Q (見圖1)。在本示例中，可切換電流源包括電流輸出數字模擬轉換器IDAC，該IDAC配置成提供可以經由數字控制信號CTL設置的參考電流iKEF。即，數字控制信號CTL (例如8位信號)的值確定參考電流iKEF的實際模擬值。因而，電流輸出數字模擬轉換器IDAC可以看作是(數字)可控電流源。然而，應用注意，其他類型的可控電流源也是可應用的。再者，電流源Q包括有源電流鏡，該有源電流鏡使用運算放大器0A、M0S電晶體M1和分別具有Rs和Rs』 =k.Rs的電阻值的兩個電阻器實施。參考電流經由電阻器Rs』流出(例如接地)。所得的電壓降1-4-民被供應到運算放大器OA的非反相輸入。運算放大器OA的輸出驅動MOS電晶體M1的柵極，使得電晶體M1的漏極電流I1與參考電流iKEF成比例(通過比例因子k)。MOS電晶體M1的源極端子經由第二電阻器Rs耦合到參考電勢，例如接地電勢GND。所得的電壓降ii*Rs被反饋回到運算放大器OA的非反相輸入，因而形成閉環運算放大器電路。由於運算放大器的高放大因子，運算放大器OA的輸入電壓(iKEF.k.Rs和I1.Rs)之間的差被調節到幾乎為零，且因此I1被調節到近似等於k.iKEF。本質上，參考電流被「鏡像」(且通過因子k放大)為MOS電晶體M1的漏極電流。電晶體M1的漏極耦合到輸出電路節點0UT，電晶體M1經由該節點OUT耦合到LED器件11，從而允許經由電晶體M1匯集LED器件負載電流k。再者，MOS電晶體M1的漏極也經由第二 MOS電晶體M2耦合到供電端子Avrc (且因而耦合到供電電勢vs)，該第二 MOS電晶體的柵極根據輸入信號ON使用驅動器X2驅動。在本示例中，電晶體M1是N溝道MOS電晶體，而電晶體M2是P溝道MOS電晶體。P溝道電晶體M2在柵極被驅動為低(即當輸入信號ON為低)時是傳導的。進一步參考圖5中說明的信號時序圖解釋圖4中說明的驅動器電路10的功能。一般地，I1的波形的形狀可以使用數字模擬轉換器IDAC通過數字值CTL (經由電流鏡0A、Rs、Rs』為間接)設置。當P溝道MOS電晶體M2處於截止狀態時，則LED器件11的負載電流等於電晶體電流h。通過根據輸入信號ON完全或部分激活P溝道MOS電晶體M2,負載電流k可以被電晶體M2完全或部分接管。當電晶體M2完全傳導(即當信號ON為低)時，則LED器件被電晶體M2 「旁路」，通過LED器件的負載電流k是零且電晶體M2 (也稱為旁路電晶體)的漏極電流i2等於根據數字控制信號CTL設置的N溝道MOS電晶體Ml的漏極電流ilt)應當注意，從供電線路汲取且流出到地GND的總電流是通過控制信號CTL設置的漏極電流i2加上靜態電流(在圖4中未示出，見圖1)。因而，可以通過選擇適當的控制信號CTL設置總供電電流波形(其負責整 個電路的EMC性能)的「形狀」。提供到LED器件11的負載電流id又通過截止旁路電晶體仏(8卩，通過將輸入信號ON設置為用於如圖5的示例中使用的P溝道旁路電晶體的高電平)激活。換句話說，使用控制信號CTL設置負載供電電流
的形狀，使得電路遵循關於EMI的要求，而通過適當地切換輸入信號0N，電流從旁路電晶體M2 「移交」到LED器件11。輸入信號0N、電流I1和i2以及k的示例性波形圖在圖5中說明且在下文討論。為了進一步討論，假設負載電流k要被調製(例如使用脈衝寬度調製、脈衝頻率調製、脈衝密度調製等)。通過輸入信號ON的波形確定所需的負載電流k的波形。為了產生從時刻^至七2的一個負載電流脈衝，從時刻^到時刻t2，輸入信號ON為高。在時間間隔t2-ti中，旁路電晶體處於截止狀態且如前面所解釋，通過LED器件的負載電流k等於控制信號CTL設置的電流h。例如對於時刻Kt1和t>t2，輸入信號ON為低時，P溝道旁路電晶體M2是傳導的且旁路LED器件11且因而LED器件處於關閉狀態。在時刻tl實際開啟LED器件11之前，電晶體M1的漏極電流I1從零逐漸斜線上升到所需最大值itaax(通過相應地設置控制信號CTL的值)，而旁路電晶體M2旁路LED器件12且接管電晶體M1的漏極電流h。在該斜線上升時段期間(例如在時刻Ic^Pt1之間)，旁路電晶體M2完全傳導且因而等式i1=i2且ifO (近似)成立。漏極電流I1 (其主要貢獻於供電電流)的斜線上升在圖5的左列中的底部視圖(實線)中說明。輸入信號ON的相應波形在圖5的左列的頂部視圖中說明。在斜線上升時段的結尾(例如，在時刻h和t2之間)，旁路電晶體M2完全阻斷(信號ON為高)且因而等式^^且「坤(近似)成立。本質上，電流源Q的電流I1從旁路電晶體M2移交到LED器件11。在所需負載電流脈衝結尾，即在時刻t2，旁路電晶體M2再次接管電流I1且隨後等式iei2和ifO再次成立。在時刻t2和t3之間，電流源Q的電流^以限定的轉換速率斜線下降到O。通過適當設置時間間隔t1-t(^Pt3-t2(經由控制信號CTL)，在維持流經LED器件的實際負載電流k銳轉變(需要時)的同時，轉換速率可以設置為任意所需值。低轉換速率(測量的，例如每納秒安培A/ns為單位)通過減小整體電路產生的電磁幹擾(EMI)明顯改善電磁兼容性。圖6中說明的示例基本等同於圖4的示例，唯一的區別在於P溝道旁路電晶體M2被N溝道旁路電晶體(圖6中同樣標示為M2)代替。因此，與圖4的示例相比，輸入信號ON必須反轉。再者，負載電流k並不像先前示例那樣直接通過MOS電晶體M1匯集，而是經由耦合在LED器件11和電晶體M1的負載路徑之間的第三電晶體M2』匯集。第三電晶體M2』使用與旁路電晶體M2的柵極信號(通過驅動器X2產生)相反(反相器X1)的柵極信號驅動。當為LED器件11供應的供電電勢\高於為驅動器電路10供應的供電電勢Vs時僅需要第三電晶體M2』。否則，旁路電晶體M2的固有反向二極體將以不希望的方式傳導。然而，圖6的示例的功能基本與先前示例的功能相同。圖7的示例也基本等同於圖4的示例，唯一的差別在於P溝道旁路電晶體M2具有以「上下倒置」配置與其串聯耦合的第二 P溝道電晶體M2』，使得在為LED器件11供應的供電電勢\高於為驅動器電路10供應的供電電勢Vs的情況下，第二 P溝道MOS電晶體M2,實質上操作為防止實際旁路電晶體M2的反向傳導的二極體。第二 P溝道的基極可以不連接或其基極可以連接到源電極。應當注意，如上面所解釋，限定負載電流k的ON脈衝的輸入信號ON和限定總供電電流的轉換速率的控制信號CTL典型地使用數字處理器或微控制器產生。然而，任意其他可控信號源可以是適當的。下面總結本發明的一些方面。然而，下文並不被視為本發明的本質特徵的完整列舉。在上面討論的圖中，示出用於向負載提供調製負載電流k的很多驅動器電路。電路包含耦合到負載(其例如是LED器件11)的可控電流源Q。可控電流源Q配置成根據控制信號CTL (其可以是數位訊號)匯集第一電流I1或作為第一電流I1的源。可控開關(例如旁路電晶體M2)響應於輸入信號ON且連接到電流源Q。開關配置成根據輸入信號ON接管或不接管第一電流I1使得第一電流^在可控開關被驅動到阻斷狀態時引導為通過LED器件11的負載電流k。而且，第一電流I1在可控開關被驅動為傳導狀態因而旁路LED器件11時引導為通過可控開關。為此目的，輸入信號ON包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一系列脈衝。最後，電流源Q被控制，使得第一電流I1在輸入信號ON的脈衝之前斜線上升且在脈衝之後斜線下降，以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。斜線上升和斜線下降時間被設置為實現第一電流I1的所需轉換速率。儘管已經公開了本發明的各種示例性實施例，對於本領域技術人員而言，很明顯，可以在不偏離本發明的精神和範圍的條件下做出各種變化和修改，這些變化和修改將實現本發明的一些優點。對於本領域技術人員而言很明顯，可以適當地替換執行相同功能的其他組件。應當提及，即使在沒有明確提及的情況下，參考特定圖解釋的特徵可以與其他圖的特徵組合。而且，本發明 的方法能夠以使用適當的處理器指令的全軟體實現方式或以利用硬體邏輯和軟體邏輯的組合的混合實現方式實現以獲得相同的結果。對於發明概念的這種修改旨在被所附權利要求所覆蓋。
權利要求
1.一種用於向負載提供調製負載電流的驅動器電路，該驅動器電路包含: 可控電流源，可操作耦合到負載且配置成根據控制信號匯集第一電流或作為第一電流的源；以及 響應於輸入信號的可控開關，該可控開關可操作耦合到電流源且配置成根據輸入信號接管或不接管第一電流，使得第一電流在可控開關被驅動到阻斷狀態時被引導為通過負載的負載電流，且第一電流在可控開關被驅動到傳導狀態因而旁路負載時被引導通過可控開關; 其中輸入信號 包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一系列脈衝；並且 其中電流源控制為使得第一電流在輸入信號的脈衝之前斜線上升且在該脈衝之後斜線下降，以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。
2.根據權利要求1所述的驅動器電路，其中該可控電流源包含數字模擬轉換器，該數字模擬轉換器配置成接收控制信號的數字值且提供相應模擬信號，其中該驅動器配置成提供第一電流，使得第一電流基本與模擬信號成比例。
3.根據權利要求1所述的驅動器電路，其中該可控電流源包含: 電流輸出數字模擬轉換器，其被配置成接收控制信號的數字值且響應於控制信號提供參考電流；以及 電流鏡電路，其被配置成提供第一電流，使得第一電流與參考電流成比例。
4.根據權利要求1所述的驅動器電路，其中該可控開關包含旁路電晶體，該旁路電晶體具有耦合到可控電流源的主電流路徑，該旁路電晶體配置成根據輸入信號導通和截止。
5.根據權利要求4所述的驅動器電路，其中該旁路電晶體耦合在可控電流源和第一供電電勢之間。
6.根據權利要求5所述的驅動器電路，其中該旁路電晶體包含P溝道MOS電晶體。
7.根據權利要求4所述的驅動器電路，還包含耦合在可控電流源和負載之間的另外的電晶體，該另外的電晶體配置成使用提供到旁路電晶體的輸入信號的反轉版本驅動。
8.根據權利要求7所述的驅動器電路，其中該旁路電晶體和該另外的電晶體包含N溝道MOS電晶體。
9.根據權利要求4所述的驅動器電路，其中該旁路電晶體包含P溝道MOS電晶體，該驅動器電路還包含與旁路電晶體串聯耦合的另外的P溝道MOS電晶體，使得旁路電晶體和另外的P溝道MOS電晶體的源電極以另外的P溝道MOS電晶體操作為二極體的方式直接連接到公共電路節點。
10.根據權利要求1所述的驅動器電路，其中輸入信號和控制信號通過微控制器或數字處理器提供。
11.根據權利要求1所述的驅動器電路，還包含處理器，其中輸入信號和控制信號通過該處理器提供。
12.根據權利要求11所述的驅動器電路，其中該處理器包含微控制器。
13.根據權利要求11所述的驅動器電路，其中該處理器包含數字處理器。
14.根據權利要求11所述的驅動器電路，其中控制信號由具有限定的轉換速率的第二系列脈衝組成，其中第一系列脈衝的每個脈衝在第二系列的相應脈衝期間出現。
15.根據權利要求14所述的驅動器電路，其中第二系列的脈衝具有比第一系列的相應脈衝的脈衝寬度長至少第二系列的脈衝的相應斜線上升和斜線下降時間的脈衝寬度。
16.根據權利要求14所述的驅動器電路，其中第二系列的一個脈衝的斜線上升時間段和斜線下降時間段分別在第一系列中的相應脈衝之前和之後出現。
17.一種用於向負載提供調製負載電流的方法，該方法包含: 根據控制信號提供第一電流； 根據輸入信號使用可控開關接管或不接管第一電流，使得第一電流在可控開關被驅動到阻斷狀態時被引導為通過負載的負載電流，且第一電流在可控開關被驅動到傳導狀態因而旁路負載時被引導通過可控開關； 其中輸入信號包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一序列脈衝；並且 其中電流源配置成控制為使得第一電流在輸入信號的脈衝之前斜線上升且在該脈衝之後斜線下降，以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。
18.根據權利要求17所述的方法，其中控制信號由具有限定的轉換速率的第二序列脈衝組成，其中第一序列的每個脈衝在第二序列的相應脈衝期間出現。
19.根據權利要求18所述的方法，其中第二序列的脈衝具有比第一序列的相應脈衝的脈衝寬度長至少第二序列的脈衝的相應斜線上升和斜線下降時間的脈衝寬度。
20.根據權利要求18所述的方法，其中第二序列的一個脈衝的斜線上升時間段和斜線下降時間段分別在第一序列 中的相應脈衝之前和之後出現。
全文摘要
驅動器電路可以向負載提供調製負載電流。根據一個示例，電路包括可控電流源，該可控電流源可操作耦合到負載且配置成根據控制信號匯集第一電流或作為第一電流的源。可控開關響應於輸入信號、可操作耦合到電流源且配置成根據輸入信號接管或不接管第一電流。第一電流在可控開關被驅動到阻斷狀態時被引導為通過負載的負載電流。第一電流在可控開關被驅動到傳導狀態因而旁路負載時被引導通過可控開關。輸入信號包括根據所需調製方案限定所需負載電流波形的第一系列脈衝。電流源被控制為使得第一電流在輸入信號的脈衝之前斜線上升且在脈衝之後斜線下降，以實現所需的斜線上升和斜線下降時間。
文檔編號H05B37/02GK103188856SQ20121058233
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2011年12月29日
發明者F.科爾蒂賈尼, F.米尼奧利 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司