使用dac的電流轉換led驅動器的製作方法

2023-10-08 14:15:49 2

專利名稱：使用dac的電流轉換led驅動器的製作方法
使用DAC的電流轉換LED驅動器方法
技術領域：
本發明涉發光二極體LED驅動器，特別涉及使用數模轉換器(DAC)來轉換電流的大電流LED驅動器。背景技術：
LED現在被廣泛用於替代傳統的標準照明以節約能耗。同時LED也普遍用於液晶顯示的背光光源，例如大顯示屏、電視IXD、較小的顯示屏、投影儀以及其他應用。一個基於 LED的投影儀可以有紅、綠、藍LED，它們快速切換，在光路徑上產生像素所需的光線。在像素顯示數據的控制下，移動微機電系統(MEMQ微鏡，LCD、或者矽基液晶(LCoQ可以反射 LED產生的光線。
顯示刷新率、質量、和解析度都要求LED以一個很高的頻率進行開與關，如1MHz。 產生的光量或光強度取決於通過LED的電流。需要較大的電流用於驅動LED。因此需要使用特殊的LED驅動器來驅動LED。
圖IA顯示了一個LED驅動器。LED驅動電路100由電源電壓Vcc供電。當LED 10 被開關11開啟時，LED驅動電路100產生的LED電壓LED_V通常高於正向偏壓二極體電壓降，而當LED 10被開關11關閉時，仍保持不變。一個控制信號LED_SW施加在LED的陰極上，以控制何時開啟和關閉LED 10。
LED 10可以是幾個並聯的LED，也可以是幾個串聯的LED，這就需要一個更高的 LED電壓，如N倍的二極體電壓降。當需要產生高強度光的時候，由LED驅動電路100產生的LED電流LED_I可能非常高。
圖IB顯示了一個不適當的LED驅動器產生的圖像殘留(imagesticking)問題。要設計一個能快速接通和斷開LED電流LED_I的LED驅動器，是一個相當大的挑戰。當LED_ SW控制輸入是開啟時，LED電流LED_I並不能即時接通。而是LED_I需要一段上升時間。 LED_I的突然接通會導致LED電壓LED_V剛開始下降，阻止LED 10快速開啟。LED 10產生的可見光的強度是慢慢上升的，有一個延遲。
類似問題出現在當LED_SW是關閉時，導致可見光在關閉後還保留一段時間。這個額外的延遲102會產生可見偽影，如殘影、不正確的光與色彩混合。例如，紅色LED會在額外延遲102裡一直存在，使得一些紅色加入到下一個要顯示的像素裡。當下一個像素是藍色時，那麼下一個像素會顯示出紫色而非藍色。因為殘影的緩慢反應會被人眼感覺到或看見。
額外延遲102帶來的其他問題還包括亮度損失和細節損失。大的LED電流的轉換還會導致電源電壓Vcc和驅動器輸出電壓LED_V的毛刺和擾動(dips and spikes)。由於電感、寄生電阻和電容，震蕩、振動或紋波(Ringing，oscillation，or ripple)會出現在節點上。在一些應用裡，驅動器輸出電壓也應用於其他電路。震蕩會以特別的方式影響電路， 進一步降低圖像性能。一些驅動器電路也許對下降轉換(low-going transition)有效，但是對上升轉換(high-going transition)則會產生過多的延遲和擾動，或者相反。
所需的LED驅動電路要能減少電流轉換問題，如殘影問題。需要具有數字控制的 LED驅動電路。需要一個使用數字控制電流並能減小電源和地的噪聲、震蕩、擾動的LED驅動器。

圖IA表示一個LED驅動器。
圖IB顯示一個不適當的LED驅動器產生圖像殘影問題。
圖2是一個DAC轉換LED驅動器的方框圖。
圖3是DAC轉換LED驅動器運行的波形圖。
圖4是在幾個LED路徑和一個旁路路徑之間的DAC轉換電流的示意圖。
圖5是圖4的DAC轉換LED驅動器運行的波形圖。
圖6是一個共用DAC的示意圖，其用於在幾個LED路徑和一個旁路路徑之間轉換電流。
圖7是圖6的共用DAC轉換LED驅動器運行的波形圖。
圖8是圖6的共用DAC轉換LED驅動器的降低電流的運行波形圖。
圖9是顯示LED脈衝之間關斷電流的波形圖。
圖10是一個權電流陣列DAC的電路原理圖。
圖11是一個LED電流DAC的方框圖，其在兩個設置之間轉換。
圖12顯示一個具有斜坡電流預製功能的共用LED電流DAC的示意圖。
具體實施方式
本發明涉及一個改進的LED驅動器。以下描述使本領域技術人員能夠依照特定應用及其要求製作和使用在此提供的本發明。所屬領域的技術人員將明了對優選實施例的各種修改，且本文所界定的一般原理可應用於其它實施例。因此，本發明不希望限於所展示和描述的特定實施例，而是應被賦予與本文所揭示的原理和新穎特徵一致的最廣範圍。
發明人認識到LED本身可以承受電流的突然變化，但是LED驅動電路要更複雜，不能快速改變電流，又不產生副作用如電源噪聲、紋波和震蕩。因此LED驅動器限制了 LED開啟和關閉的速度。
雖然一個標準的驅動器如DC-DC轉換器可以產生一個大電流，但是這個DC-DC驅動器卻不一定能快速地導通或關斷電流，如以IMHz的頻率。而且，傳統的驅動器也不一定能精確控制更高速度的電流。但是，發明人認識到DAC轉換器可以用於精確控制電流，甚至以很高的速度。
發明人發現標準的DC-DC轉換器可以用於產生一個電流，然後通過使用一個或多個DAC在LED和一個旁路路徑之間轉換。該DAC在精確的數字控制下，允許從DC-DC轉換器產生的電流快速地換到LED，或者快速地從LED換到DC-DC轉換器，而不引起由於DC-DC 轉換器不能快速變化而產生的波動和圖像殘留。
圖2是DAC轉換LED驅動器的方框圖。DC-DC轉換器18從電源電壓(圖中未顯示)產生一個相對穩定的電流I_SUM。DC-DC轉換器的電流I_SUM可以流過兩個支路。LED 電流I_LED流經LED 10和LED電流DAC 20到地，而旁路電流I_BY流經旁路電流DAC 28到地。
LED電流I_LED的電流大小由LED電流DAC 20來控制，其將一個數字值CMD_1轉換為一個模擬電流，I_LED。旁路電流I_BY的電流大小是由旁路電流DAC觀來控制，其將一個數字值CMD_BY轉換為一個模擬電流，I_BY。
偏壓VBIAS作為參考電壓施加在LED電流DAC 20和旁路電流DAC 28上。一些實施例是使用參考電流，而不是參考電壓。
當LED 10開啟時，系統的其他模塊產生信號LED_SW。信號PRE由流水線邏輯 (pipelining logic)產生，其在LED_SW升高之前觸發PRE信號，一直保持到LED_SW降低之後一段時間。LED電流指令產生器150產生數字值序列CMD_1和CMD_BY，以開啟或關閉 LED 10，並在LED 10照亮之前或之後逐漸產生斜坡上升/下降電流。
注意到數字值CMD_1轉換到電流I_LED，和CMD_BY轉換到I_BY可能是不同的，由於經過LED 10有電壓降，而在旁路路徑上是沒有這個電壓降的。因此相同的數值CMD_1和 CMD_BY會產生不同的電流。可以對CMD_BY進行數值的修正，以做補償，或者電流的差異足夠小而可以忽略。在下面的例子裡，就假設這個差異可以忽略掉，但在實際系統裡，設計者會調整該數值而得到一個更優化的結果。施加在LED電流DAC20和旁路電流DAC觀上的偏壓也可以不同並通過調整進行補償。
圖3是圖2的DAC轉換LED驅動器的運行波形圖。LED_SW控制輸入信號升高以指示LED 10開啟。在LED_SW升高之前，流水線邏輯觸發PRE信號，並在LED_SW走低之後，仍保持一段時間PRE有效。
當PRE剛升高時，給旁路電流DAC 28的數值CMD_BY從最小值0開始傾斜上升到期望的電流值8，如0、2、4、6、8。相應的旁路電流DAC 28緩慢增加電流I_BY，從0到最大值。從DC-DC轉換器18出來的電流，I_SUM,也隨著I_BY上升，因為LED電流I_LED保持關斷。當I_SUM緩慢傾斜上升時，一些噪聲出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT上。
在LED_SW走高之前，CMD_BY慢慢到達了期望的數值8。當I_SUM停止變化時，V_ OUT上紋波也逐漸平穩下來。
當LED_SW升高時，I_SUM已經是期望的電流。CMD_1突然從0改變到8，使得LED 電流DAC 20快速抬升I_LED，從0到期望的最大電流。但是，從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會激增，因為旁路電流I_BY在LED電流I_LED打開的同時快速關斷。CMD_BY突然從8改變到0，使得旁路電流DAC 28快速關斷I_BY。
因為當LED 10開啟和斷開時從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM保持相對穩定，可以避免電源和DC-DC輸出電壓上產生震蕩、紋波和其他噪聲。當LED 10是導通的時候，DC-DC轉換器18的V_0UT是穩定的。因為LED 10可以快速地開和關，不幹擾DC-DC轉換器18，所以不會出現圖像殘留。
當LED_SW降低時，I_SUM仍然是期望的電流。CMD_1突然從8改變到0，使得LED 電流DAC 20快速將I_LED從期望的最大值電流減到0。但是，從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會驟降，因為旁路電流I_BY在LED電流I_LED關斷的同時快速回到導通狀態。 CMD_BY突然從0變到8，使得旁路電流DAC 28快速升高I_BY。
在LED_SW變低後，PRE仍然是高。給旁路電流DAC 28的數值CMD_BY傾斜下降， 從期望的電流值8到最小值0，如8、6、4、2、0。相應的旁路電流DAC 28慢慢降低電流I_BY，從最大值到0。從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM也隨著I_BY下降，因為LED電流1_ LED保持關斷。當I_SUM緩慢傾斜下降時，一些噪聲出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT 上。但是，I.SUM下降的速度要比I_LED上升和下降的速度慢很多，可以快速地變換LED電流，緩慢的變換電源電流。從而降低了紋波和噪聲，並消除了圖像殘留效應。
圖4是幾個LED路徑和一個旁路路徑之間的DAC轉換電流示意圖。DC-DC轉換器 18提供一個總電流I_SUM，其緩慢變化，減少電源噪聲。幾個不同可見波長的LED 10、LED 12，每個都有其自己的電流路徑。LED電流DAC 20控制流經LED 10的電流I_LED1，而LED 電流DAC22控制流經LED 12的電流I_LED2。其他DAC控制流經其他LED的電流(圖中未顯不)ο
旁路電流DAC 28控制旁路電流I_BY，其是所有LED 10、12...共享的旁路路徑。 電流可以從一個LED 10轉移到另一個LED 12，也可以轉移到旁路。通過在LED和旁路電流 DAC 28之間轉移電流，總電流I_SUM保持不變。當所有的LED關閉時，旁路電流DAC 28慢慢地下降從而降低I_SUM。
當LED 10、12、…開啟時，系統的其他模塊產生信號LED_SW。信號PRE由流水線邏輯(pipelining logic)產生，其在LED_SW升高之前觸發PRE信號，並保持到LED_SW走低之後一段時間。LED電流指令產生器150產生數字值序列CMD_1、CMD_2、...和CMD_BY， 以開啟或關閉LED 10、12、...，並在LED 10,12.....點亮之前或之後逐漸改變電流大小。
圖5是圖4的DAC轉換LED驅動器的運行波形圖。LED_SW控制輸入信號升高以指示LED 10、12、...開啟。在LED_SW走高之前，流水線邏輯觸發PRE信號，並保持到LED_SW 走低之後一段時間。
當PRE剛開始升高時，給旁路電流DAC 28的數值CMD_BY從最小值0開始傾斜上升到期望的電流值8，如0、2、4、6、8。相應的旁路電流DAC 28緩慢增加電流I_BY，從0到最大值。從DC-DC轉換器18出來的電流，I_SUM,也隨著I_BY上升，因為LED電流I_LED1、I_ LED2保持關斷。當I_SUM緩慢傾斜上升時，一些噪聲出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT 上。
當LED_SW升高時，I_SUM已經是期望的電流。CMD_1突然從0改變到8，使得LED 電流DAC 20快速增加I_LED1，從0到期望的最大電流。CMD_BY突然從8改變到0，使得旁路電流DAC 28快速關斷I_BY。I_LED2保持關斷。
一段時間後，LED 10關閉，LED 12開啟，但是只有一半強度。CMD_1突然從8改變到0，使得LED電流DAC 20快速關斷I_LED1，從最大電流至Ij 0。CMD_2突然從0改變到4， 使得LED電流DAC 22快速增加I_LED2，從0增加到最大電流的一半。CMD_BY突然從0改變到4。因此I_SUM電流的一半流經旁路電流DAC 28，而另一半I_SUM電流流經LED 12和 LED 電流 DAC 22，作為 I_LED2。
從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會改變，因為旁路電流I_BY和第二個LED 電流I_LED2快速地導通，同時LED電流I_LED1斷開。I_SUM保持期望的電流。
當LED_SW走低時，I_SUM仍然保持期望的電流。CMD_2突然從4改變到0，使得LED 電流DAC 22快速將I_LED2從最大值電流的一半減到0。但是，從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會驟降，因為旁路電流I_BY在LED電流I_LED2關斷的同時快速切回到全開。 CMD_BY突然從4改變到8，使得旁路電流DAC 28快速升高I_BY。
在LED_SW走低後，PRE仍然是高。給旁路電流DAC 28的數值CMD_BY傾斜下降， 從期望的電流值8到最小值0，如8、6、4、2、0。相應的旁路電流DAC 28慢慢降低電流I_BY， 從最大值到0。從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM也隨著I_BY下降，因為LED電流1_ LEDl和I_LED2保持關斷。當I_SUM緩慢傾斜下降時，一些噪聲出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT上。但是，I_SUM變化的速度要比I_LED1或I_LED2上升和下降的速度慢很多， 可以實現LED電流的快速切換和電源電流的緩慢變化。電流在LED和旁路路徑之間轉移， 以保持一個恆定的總電流I_SUM。
圖6顯示一個共用型DAC在幾個LED路徑和一個旁路路徑之間轉換電流。一個單獨的DAC，匯總電流DAC 26，根據數位訊號CMD_S控制總電流I_SUM。信號Cl通過開關32 控制電流I_LED1的導通和斷開，允許電流流經LED 10。信號C2通過開關34控制電流1_ LED2的接通和斷開，允許電流流經LED 12。信號CB通過開關36控制旁路電流I_BY導通和斷開。開關32、34、36可以是η溝道電晶體開關、傳輸門開關，或其他類型開關。
DC-DC轉換器18提供總電流I_SUM，其變化相當緩慢，從而降低電源噪聲。不同可見波長的LED 10, LED 12，每個都有自己的電流路徑，但是共享同一個匯總電流DAC 26。
電流可以從一個LED 10轉移到另一個LED 12，也可以轉移到旁路路徑。通過在 LED和旁路開關36之間切換電流，總電流I_SUM保持不變。當所有的LED關閉時，旁路電流和總電流通過匯總電流DAC 26，緩慢地下降，以降低I_SUM。
當LED 10、12或其他LED開啟時，系統的其他模塊產生信號LED_SW。信號PRE由流水線邏輯(pipelining logic)產生，其在LED_SW升高之前觸發PRE信號，並保持有效到 LED_Sff降低之後的一段時間。LED電流指令產生器150產生數字值序列CMD_S和控制信號 C1、C2、. . .、CB，以開啟或關閉LED 10、12和旁路電流I_BY，並在LED 10、12、...點亮之前或之後產生斜坡電流。
圖7是圖6的共用DAC轉換LED驅動器的運行波形圖。LED_SW輸入信號走高以控制LED 10、12、...開啟。在LED_SW走高之前，流水線邏輯觸發PRE信號，在LED_SW走低之後，仍保持一段時間PRE有效。
當PRE剛開始升高時，給匯總電流DAC 26的數值CMD_S從最小值0開始傾斜上升到期望的電流值8，如0、2、4、6、8。控制信號CB升高以接通開關36，允許I_SUM作為I_BY 流經旁路路徑。Cl和C2為低以斷開LED路徑。
對應CMD_S數值的緩升，匯總電流DAC 26慢慢增加電流I_BY，從0到最大值。從 DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM也隨著I_BY上升，因為LED電流I_LED1和I_LED2保持關斷。當I_SUM緩慢傾斜上升時，一些噪聲出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT上。
當LED_SW走高時，I_SUM已經是期望的電流。控制信號Cl突然導通，使得開關32 閉合，LED電流I_LED1上升到期望的最大電流。控制信號CB突然關斷，斷開開關36，導致旁路電流I_BY停止。因為C2是低，I_LED2保持關斷。
一段時間後，LED 10關閉，LED 12開啟。控制信號C2突然變成導通，使得開關34 閉合，LED電流I_LED2上升到期望的最大電流。控制信號Cl突然關斷，從而關斷開關32和 LED電流I_LED1。因為CB是0，所以開關36和I_BY保持關斷。
從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會改變，因為CMD_S保持在8，匯總電流 DAC沈保持一個恆定的總電流。
當LED_SW走低時，I_SUM仍然是期望的電流。控制信號C2突然變低，使得開關34 快速將I_LED2減到0。但是，從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM不會驟降，因為旁路電流I_BY在LED電流I_LED2關斷的同時快速切回開啟狀態。控制信號CB突然變成導通，使得開關36快速升高I_BY。
在LED_SW走低後，PRE仍然是高。給匯總電流DAC 26的數值CMD_S傾斜下降，從期望的電流值8到最小值0，如8、6、4、2、0。相應的，匯總電流DAC 26慢慢降低電流I_BY， 從最大值到0。從DC-DC轉換器18出來的電流I_SUM也隨著I_BY下降，因為LED電流1_ LEDl和I_LED2保持關斷。
電流在切換LED和旁路路徑之間轉移，以保持一個恆定的總電流I_SUM。然而路徑之間部分電流的精確控制並不象圖4的分開的DAC那麼容易。但是成本下降了，因為在此實施例中只使用了一個DAC。
圖8是圖6的共用DAC轉換LED驅動器的降低電流的運行波形圖。與圖7類似， 除了 LED 12是開啟到一半強度之外。在LED 10和I_LED1已經導通一段時間後，有一點輕微的延遲，然後LED 12和I_LED2接通。當控制信號Cl變成關斷時，旁路控制信號CB變成開啟，C2仍然是關斷。然後CMD_S緩慢下降，從全值8到半值4。這會導致匯總電流DAC 26 降低I_BY和I_SUM，從全電流降到一半電流。
一旦匯總電流DAC 26提供一半電流值，控制信號CB變為低，以斷開旁路開關36， 使得旁路電流I_BY下降到0。控制信號C2變為高，接通開關34，使得I_LED2隻流過一半電流。
在LED 12開啟一段時間後，控制信號C2變成關斷，旁路控制信號變成開啟，將電流從LED 12轉移到旁路路徑。然後CMD_S從半值4緩慢下降到0。這會使得匯總電流DAC 26將I_BY和I_SUM從一半電流降到0。
當匯總電流DAC 26將電流I_SUM緩慢上升或下降時，有一些紋波出現在DC-DC轉換器18的輸出V_0UT上。這出現在PRE被觸發之後和LED_SW開啟之前，還有在最後當LED_ SW是關斷和PRE仍然開啟的時候。還有一些紋波出現在當I_SUM的電流從全值下降到半值時(在Cl和C2脈衝之間)。
圖9是LED脈衝之間關斷的波形圖。當LED脈衝之間的時間足夠大時，I_SUM可以關斷。在LED 10開啟之前，I_SUM緩慢上升，在LED 10關斷之後，I_SUM緩慢下降。在緩升和緩降期間，控制信號CB是高，當控制信號Cl是高時，CB是低，以轉移電流到LED 10。
在I_SUM緩慢下降到0後一段時間，下一個LED脈衝準備產生。在LED 12開啟之前，I_SUM又緩慢上升，在LED 12關閉之後，I_SUM緩慢下降。在緩升和緩降期間，控制信號 CB是高，當控制信號C2是高時，CB是低，以轉移電流到LED 12。
在匯總電流DAC 26緩升和緩降期間，有紋波出現。但是，當匯總電流DAC 26關斷時，節約了電能。LED脈衝的時間間隔是由具體應用決定。緩升緩降的速度可以調整，來平衡節電和降低電力線噪聲的要求。
圖10是一個權電流陣列DAC的電路原理圖。可以採用各種DAC。一個權電流陣列可以用於LED電流DAC 20、匯總電流DAC 26、和旁路電流DAC 28。每個連續的加權電流單元 50,50'產生前一個單元雙倍的電流。一個N比特DAC可以有N個單元1、2、4、. . .、N_1、N。 在每個連續單元內的權電流電晶體42都是前一個單元內的相同權電流電晶體42的雙倍尺寸(W/L)，以產生雙倍電流。還可以使用了溫度碼結構(temperature code architecture) 以降低失配噪聲。
數字值如CMD_1，CMD_BY，或CMD_S有N比特，它們被應用到不同的加權電流單元 50，50』上。單元的數字值被輸入到時鐘邏輯52，其產生信號OFF，ON，ONB給該單元。當單元的數字值為高時，ON是高，開啟η溝道電晶體48，而ONB是低，開啟ρ溝道電晶體46，將高電壓VBIAS加到權電流電晶體42的柵極，使權電流電晶體42開啟。
當單元的數字值為低時，OFF是高，開啟η溝道電晶體44，將權電流電晶體42的柵極接地，因此權電流電晶體42的柵極接地，42關斷。將開關接在權電流電晶體42的柵極上，可以減小晶片尺寸。信號0N、0FF、和ONB可以採用非重疊模式以降低電源和轉換噪聲。
圖11是在兩個設置之間轉換的LED電流DAC框架圖。LED電流是通過7_比特DAC 60而流過LED 10的，7-比特DAC 60可以是圖10所示的一個權電流DAC。最小電流是由修整電流單元62產生的，由一個修整信號(trim signal) TRIM_Min控制。一個參考電流IREF 被施加到7-比特DAC 60和LSB DAC電流單元62上。一個使能信號(enable signal) EN_ RGB也被施加到7-比特DAC 60和LSB DAC電流單元62上，控制電流流經LED 10。
7個最高有效位(MSB)作為數字值通過選通器64輸入到7_比特DAC 60。像素可能由投影儀的LCD面板來控制，同時LCD面板在一個特定時間內的亮度是由LED 10控制的。LED 10可以以兩個設定數值之一來照明。在模式0，LED 10是完全照明，在模式1，LED 10隻是部分亮度照明。模式0可以是全功率模式，而模式1是節電模式。
M0DE_SEL施加到選通器64上，當M0DE_SEL = 0時，選擇模式0寄存器66輸出，當 M0DE_SEL = 1時，選擇模式1寄存器68輸出。脈衝WRO發生時，7-比特數字值DAC_DATA (如 CMD_1, CMD_2, CMD_BY，CMD_S)被寫入模式0寄存器66。脈衝WRl發生時，數字值被寫入模式1寄存器68。因此系統可以快速地在兩個模式間切換，以點亮LED 10。
圖12是一個具有預置斜坡(look-ahead ramping)的共用LED電流DAC的示意圖。 在圖11，可能是使用者或者處理器輸入CMD_S數值的斜坡序列，在合適的時間緩慢改變旁路電流。在圖12，內部邏輯產生該斜坡序列。
LED 10和其他任何LED以及旁路路徑的電流都流經8-比特DAC 70。一個偏壓施加到該8-比特DAC 70上。該8-比特DAC 70的數字輸入是一個比特溫度計碼 (thermometer code)。8_比特二進位數據的5個最高有效位被轉換成一個21-比特溫度計碼，其控制8-比特DAC 70內的21個相同權重電流單元。該8-比特二進位數據的最後 3個最低有效位被直接施加到8-比特DAC 70，控制8-比特DAC 70內的3個二進位加權電流單元。
溫度計解碼器72將8-比特二進位碼從計數器74轉換成一個比特溫度計碼， 施加到8-比特DAC 70。計數器74向上或向下計數，以產生斜坡序列，如波形圖中顯示的 0、2、4、6、8，但是使用更優化的步長。例如，當向上產生斜坡電流時，計數器74從0計數到 31，步長為1。時鐘CK的周期決定了斜坡變化的時間。
比較邏輯76使計數器74能夠向上或向下計數，並比較計數器74的計數和一個目標數，如0 (當向下計數時)，或者一個最大值，如波形圖裡的4或8 (當向上計數時)。目標數可以以END_CNT存儲在目標寄存器78中，用於比較邏輯76進行比較。
8-比特數字值 DAC_DATA (如 CMD_1，CMD_2，CMD_BY，CMD_S)被寫入寄存器 80 中，脈衝WRO發生時，寫入模式0，脈衝WRl發生時，寫入模式1。數字值存儲為兩個功耗模式， 為三種原色，R、G、B,總共6個數字值存儲在寄存器80中。根據功耗模式和像素顏色(由施加在狀態控制82上的輸入EN_R，、EN_G，、EN_B啟動)，選通器88選擇這6個存儲的數字值中的一個作為目標數，存儲在目標寄存器78中。由8-比特DAC 70產生的電流在數個時鐘CK的時間內，斜坡上升或下降，達到目標寄存器78裡的目標數值。
模式啟動邏輯模塊84預先檢測數據流，確定下一個像素顏色LED是開還是閉。在下一個LED點亮或熄滅的那段時間之前，模式開始邏輯84從寄存器80中選擇數字值，載入到目標寄存器78。然後狀態控制82使比較邏輯78從當前的數字值向目標值計數。因此由8-比特DAC 70產生的電流從其當前值向目標值斜坡上升或下降，然後LED 10開啟或關閉。
該系統可以快速地在LED 10的兩個模式之間轉換，由模式啟動邏輯模塊84從兩個功耗級別中為每一像素原色選擇一個數值。替代實施例
發明人還想到一些其他的實施例。例如，LED可以放在LED電流DAC 20和地之間， 仍然和LED電流DAC 20串聯。當用該轉換-DAC電路代替傳統的LED驅動電路時，LED電流的上升時間可以從7μ s減少到1 μ s。LED電流的上升和下降速度可以大大改善。紋波在幅度和時間上也大大減少。
大的LED電流可以快速轉換，減少會造成影像殘留和其他可見失真的延遲。LED電流的轉換速度可以比DC-DC轉換器18出來的總電流的斜坡上升或下降的速度快5倍、10倍甚至更多。可以採用一個標準的DC-DC轉換器18，減少成本。也可以替代其他類型的電源或轉換器。可以避免反饋環路帶來的不穩定，達到一個更穩定的設計。DAC可以與其他電路集成，降低成本和複雜度。
前面已經描述了用於顯示的LED驅動器，但是此驅動電路也可以產生其他的照明或放射，如紫外、紅外或雷射。該LED驅動器可以用於雷射驅動電路，其中雷射二極體代替可見光LED。LED可以產生各種顏色的可見光，對於某些應用，顏色的組合也可以被替換。
前面展示了在路徑上只有一個LED的方案，但是這個單獨的LED也替換為一個LED 陣列，如幾個串聯的LED(有更大的總的電壓降)，或者幾個並聯的LED(有更大的電流)。 LED陣列可以產生更多的光，在一些應用裡也更有效。因此LED驅動器的每個路徑可能是驅動一個LED陣列。
圖11的電路可以複製給其他LED JBLED 12。對於一個RGB系統，可以使用三個這樣的電路。圖11的電路也可以由三個LED共用，如圖6所示。控制LSB DAC電流單元62 的修整信號可以用於設置流過LED 10的最小電流，如20mA。
前面已經展示了每個原色像素的兩個照明級別，但是還可以包括多於兩個的級別，或者就存儲一個級別。圖11、12的模塊和功能可以有多種配置，為了各種應用，流水線寄存器(pipeline register)、反向器、緩存和其他邏輯都可以加入。DAC的尺寸和精度可以根據應用而調整。DAC可以以各種方式和各種技術來實現。
前面已經展示了二進位加權DAC和溫度計DAC，但是其他種類的DAC和編碼也是可以的。LSB DAC電流單元62能夠接收一個數字值輸入，而不是一個修整信號，或者一個多比特修整值也可以用於幾個LSBDAC電流單元62。斜坡不一定是線性的，可以有各種形狀，其可以產生更小的紋波或其可以滿足其他設計目標。斜坡的斜率也可以變化。
可以在各個節點增加其他部件，如電阻、電容、電感、電晶體等，也可以有寄生部件。使能和關斷電路可以由其他電晶體，或以其他方式完成。可以增加傳輸門電晶體或傳輸門用於隔離。可以增加反向器或額外的緩存。，電晶體和電容最終的尺寸可能在電路仿真或現場測試之後進行選擇。可能使用金屬掩膜或其他可編程部件，去確定最終的電容、電阻、 或電晶體尺寸。
在一些技術或製程中，可以使用P溝道而不是N溝道電晶體(或者相反)。為各種目的，在一些節點可以增加反向器、緩存、電容、電阻、門或其他部件，以調整設計。通過增加延遲線或可控延遲模塊，可以調整時序。某些部件可以使用單獨的電源和地。可以增加各種濾波電路。可用低有效信號來替代高有效信號。
前面已描述了正電流，但電流可為負或正，因為在一些情況下可將電子或空穴視為載流子。在涉及具有相反極性的載流子時源電流或反向電流可能可以互換。電流可在相反方向上流動。固定偏壓可切換到電源或接地以使電路關斷。
前面已描述了互補金屬氧化物半導體(CM0Q電晶體，但也可用其它電晶體技術和變型來替代，且可使用除矽以外的材料，例如砷化鎵(GaAs)和其它變型。
本發明背景技術部分可能包含關於本發明的問題或環境的背景信息而非描述現有其它技術。因此，在背景技術部分中包括材料並不代表申請人對現有技術的承認。
本文中所描述的任何方法或工藝為機器實施或計算機實施的，且既定由機器、計算機或其它裝置執行且不打算在沒有此類機器輔助的情況下單獨由人類執行。所產生的有形結果可包括在例如計算機監視器、投影裝置、音頻產生裝置和相關媒體裝置等顯示裝置上的報告或其它機器產生的顯示信息，還可能包括也為機器產生的硬拷貝列印輸出。對其它機器的計算機控制為另一有形結果。
電路可以反轉或倒轉。可以用負電流而非正電流。可以替換各種電源電壓，例如正或負電源、接地、或中性等等。
已出於說明和描述的目的展示了對本發明實施例的先前描述。其目的不是無遺漏的描述或將本發明限於所說明的精確形式。根據以上說明，許多修改和變型是可能的。希望本發明的範圍不受此詳細描述限制，而由所附權利要求書限制。
權利要求
1.一種基於數模轉換器(DAC)的發光二極體(LED)驅動器，包括DC-DC轉換器，其在匯總節點上產生一匯總電流；第一 LED路徑，其上有第一 LED和第一 DAC，串聯在匯總節點和電源節點之間；到第一 DAC的第一數字輸入，所述第一數字輸入用於傳輸第一數位訊號，第一 DAC產生第一電流流經第一 LED，第一電流對應著第一數位訊號值；旁路路徑，其上有一旁路DAC，在匯總節點和電源節點之間；到旁路DAC的旁路數字輸入，所述旁路數字輸入用於傳輸旁路數位訊號，旁路DAC產生旁路電流流過旁路路徑，旁路電流對應著旁路數位訊號值；斜坡控制電路，其產生旁路數字值的斜坡序列，斜坡序列是逐漸遞增或遞減的旁路數字值序列，其使得旁路DAC在斜坡時間內逐漸增加或減小旁路電流；轉換控制裝置，用於將第一數字輸入從一個低數字值突然轉換到一個高數字值，所述低數字值使得第一 DAC產生不足以點亮第一 LED的第一電流，所述高數字值使得第一 DAC 產生足以點亮第一 LED的第一電流，並用於將旁路數字輸入從一個高數字值突然轉換到一個低數字值；當第一電流沒有使得第一 LED點亮時，其中旁路電流是逐漸斜坡上升和下降的，當第一 LED被點亮或熄滅時，其中第一電流和旁路電流都是突然轉換的，使得匯總電流不會突然改變；由此，匯總電流是逐漸斜坡變化的，但是當第一 LED被點亮時，第一電流和旁路電流是突然轉換的。
2.如權利要求1所述的DAC轉換LED驅動器，還包括第二 LED路徑，其上有第二 LED和第二 DAC，串聯在匯總節點和電源節點之間；到第二 DAC的第二數字輸入，所述第二數字輸入用於傳輸第二數位訊號，第二 DAC產生第二電流流經第二 LED，第二電流對應著第二數位訊號值。
3.如權利要求2所述的DAC轉換LED驅動器，其中轉換控制器裝置還包括LED互換裝置，用於將第一數字輸入從高數字值突然轉換到低數字值，同時將第二數字輸入從低數字值轉換到高數字值，其中電流在第一 LED和第二 LED之間交換，而匯總電流不變。
4.如權利要求3所述的DAC轉換LED驅動器，其中所述斜坡變化時間至少比轉換時間長5倍，轉換時間是當第一 DAC中高數字值突然替代低數字值時第一電流改變的時間。
5.如權利要求3所述的DAC轉換LED驅動器，其中所述斜坡變化時間至少比轉換時間長10倍，轉換時間是當第一 DAC中高數字值突然替代低數字值時第一電流改變的時間。
6.如權利要求1所述的DAC轉換LED驅動器，還包括到第一 DAC的第一模擬輸入，第一模擬輸入是一個模擬參考信號，其中第一電流對應第一模擬輸入。
7.如權利要求1所述的DAC轉換LED驅動器，其中所述電源節點接地。
8.如權利要求2所述的DAC轉換LED驅動器，還包括第三LED路徑，其上有第三LED和第三DAC，串聯在匯總節點和電源節點之間；到第三DAC的第三數字輸入，所述第三數字輸入用於傳輸第三數字值，第三DAC產生第三電流流經第三LED，第三電流對應著第三數字值。
9.如權利要求8所述的DAC轉換LED驅動器，其中第一LED發出紅色可見光，以對應第一 DAC從高數字值產生的第一電流；其中第二 LED發出綠色可見光，以對應第二 DAC從高數字值產生的第二電流； 其中第三LED發出藍色可見光，以對應第三DAC從高數字值產生的第三電流； 由此，產生紅、綠、藍可見光。
10.一種共用DAC發光二極體(LED)驅動器，包括 第一電源節點；第二電源節點；匯總電流DAC，其連接到第二電源節點和連接到中間節點，匯總電流DAC產生一匯總電流，以對應一數字值，該數字值施加到匯總電流DAC的數字輸入上，匯總電流DAC也有一模擬參考輸入；第一路徑，其連接在第一電源節點和中間節點之間，第一路徑有串聯的第一 LED和第一開關，其中第一開關斷開和閉合以對應第一控制信號，使電流流過第一 LED或不使電流流過第一 LED ；第二路徑，其連接在第二電源節點和中間節點之間，第二路徑有串聯的第二 LED和第二開關，其中第二開關斷開和閉合以對應第二控制信號，使電流流過第二 LED或不使電流流過第二 LED ；旁路路徑，其連接在第一電源節點和中間節點之間，旁路路徑有一旁路開關，其中旁路開關斷開和閉合以對應旁路控制信號，使電流流過旁路路徑或不使電流流過旁路路徑；斜坡上升序列發生器，在第一 LED或第二 LED開啟之前，其產生數字值的上升序列，其施加到匯總電流DAC上以逐漸升高匯總電流；斜坡下降序列發生器，在第一 LED或第二 LED關閉之後，其產生數字值的下降序列，其施加到匯總電流DAC上以逐漸降低匯總電流；轉換控制器，在斜坡上升序列發生器已經完成使匯總電流DAC升高匯總電流到一個目標值之後，和在斜坡下降序列發生器已經開始使匯總電流DAC降低匯總電流到零值之前， 轉換控制器啟動；轉換控制器觸發第一控制信號以閉合第一開關，並關斷旁路控制信號以斷開旁路開關，以響應第一 LED觸發信號；轉換控制器觸發第二控制信號以閉合第二開關， 並關斷旁路控制信號以斷開旁路開關，以響應第二 LED觸發信號；由此，在斜坡上升序列發生器已經將匯總電流升高到目標值之後，和在斜坡下降序列發生器已經將匯總電流降低到零值之前，控制信號發生轉換。
11.如權利要求10所述的共用DACLED驅動器，其中第一電源節點是由一 DC-DC轉換器驅動，其中第二電源節點接地。
12.如權利要求10所述的共用DACLED驅動器，其中斜坡上升序列發生器和斜坡下降序列發生器包括目標寄存器，用於存儲目標數字值；計數器，用於遞增或遞減一電流數字值，該電流數字值施加到匯總電流DAC上； 比較器，用於比較計數器的電流數字值和目標寄存器內的目標數字值，當電流數字值等於目標數字值時，停止計數器的遞增或遞減。
13.如權利要求12所述的共用DACLED驅動器，其中所述轉換控制器包括第一寄存器，用於存儲第一數字值，當第一 LED以第一模式點亮時，其被施加到匯總電流DAC上；第二寄存器，用於存儲第二數字值，當第二 LED以第一模式點亮時，其被施加到匯總電流DAC上；其中轉換控制器，當第二數字值大於第一數字值時，觸發斜坡上升序列發生器產生數字值的上升序列，從第一數字值增加到第二數字值；其中轉換控制器，當第二數字值大於第一數字值時，觸發斜坡下降序列發生器產生數字值的下降序列，從第一數字值減小到第二數字值。
14.如權利要求13所述的共用DACLED驅動器，其中所述轉換控制器還包括第一候選寄存器，用於存儲第一候選數字值，當第一 LED以候選模式點亮時，其被施加到匯總電流DAC上；第二候選寄存器，用於存儲第二候選數字值，當第二 LED以候選模式點亮時，其被施加到匯總電流DAC上；其中當第一 LED和第二 LED以節電模式被點亮時，啟動候選模式，節電模式即產生比第一模式更低的第一電流。
15.如權利要求14所述的共用DACLED驅動器，還包括流水線邏輯，用於產生一先導信號(preview signal)，其在第一控制信號被觸發之前而被觸發，先導信號觸發斜坡上升序列發生器，使得匯總電流DAC在第一 LED點亮之前斜坡升高匯總電流。
16.一種電流轉移LED驅動器，包括電源轉換器，其提供一匯總電流到電源節點上；第一 DAC，用於產生第一電流，以對應第一數字輸入；第一路徑從電源節點到地，第一路徑上有串聯的第一 LED和第一 DAC，第一 DAC產生第一電流流經第一 LED ；第二 DAC，用於產生第二電流，以對應第二數字輸入；第二路徑從電源節點到地，第二路徑上有串聯的第二 LED和第二 DAC，第二 DAC產生第二電流流經第二 LED ；旁路DAC，用於產生旁路電流，以對應旁路數字輸入，旁路DAC連接在電源節點和地之間。
17.如權利要求16所述的電流轉移LED驅動器，還包括序列發生器，在第一 LED或第二 LED點亮之前，其產生旁路數字值的斜坡序列，其被施加到旁路數字輸入上以斜坡升高旁路電流到一個目標電流；電流轉移器，在序列發生器施加斜坡序列到旁路DAC上以達到目標電流之後，將旁路數字輸入上的目標數字值和第一 DAC的零數字值進行調換。
18.如權利要求17所述的電流轉移LED驅動器，還包括先行邏輯(look-ahead logic)，在第一 LED被點亮之前其檢測數據流以產生一個先導信號；在第一LED被點亮之前，先導信號觸發序列發生器和旁路DAC以斜坡升高旁路電流到目標值。
19.如權利要求17所述的電流轉移LED驅動器，其中第一DAC包括第一高功率寄存器，存儲第一數字值用於高功率模式；第一低功率寄存器，存儲第一數字值用於低功率模式；第一選通器，其由功率模式選擇信號控制，當功率模式選擇信號指示高功率模式時，將第一數字值從第一高功率寄存器輸入到第一 DAC的第一數字輸入上；當功率模式選擇信號指示低功率模式時，將第一數字值從第一低功率寄存器輸入到第一 DAC的第一數字輸入上。
20.如權利要求17所述的電流轉移LED驅動器，還包括控制裝置，用於當第一 LED和第二 LED被第一 DAC和第二 DAC熄滅時，通過斜坡增加旁路DAC的旁路數字值的斜坡序列，在斜坡時段內將匯總電流從零電流逐漸升高到目標值， 然後通過突然啟動第一 DAC和關斷旁路DAC以轉移電流，點亮第一 LED ；然後通過突然啟動旁路DAC和停用第一 DAC，轉移電流；接著當第一 LED和第二 LED被第一 DAC和第二 DAC熄滅時，通過斜坡下降旁路DAC的旁路數字值的斜坡序列，在斜坡時段內將匯總電流從目標電流逐漸降低到零值。
全文摘要
一種LED驅動器為LED電流提供更快速的上升和下降時間，以減少圖像殘留和其他幹擾。一個標準的DC-DC轉換器提供一個總電流，其通過一個旁路電流DAC緩慢斜坡式上升和下降。在LED電流接通或斷開之前，旁路電流DAC對應的數字值斜坡式增加或減小。當LED電流接通時，電流從旁路轉移到LED路徑，維持從DC-DC轉換器出來的總電流恆定。當另一個LED開啟時，電流從一個LED路徑轉移到另一個LED路徑。每個LED路徑上的和旁路上的單獨的LED電流DAC共用總電流，並可用數位訊號精確控制。使用單一的DAC控制總電流，並用開關控制每個路徑，可以降低成本。
文檔編號H05B37/02GK102510616SQ20111032775
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年8月25日
發明者周維娜, 李昀龍, 楊立大, 鄺國權 申請人:香港應用科技研究院有限公司