一種發光二極體電流平衡電路的製作方法

2023-09-12 12:10:05 2

專利名稱：一種發光二極體電流平衡電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體驅動技術，特別涉及一種發光二極體電流平衡電路。
背景技術：
LED (Light-Emitting Diode，發光二極體)的順嚮導通壓降在規格書上標示的理 想值是3. 3V，但是LED接上線路後實際的順嚮導通壓降必然會與3. 3V這個理想值存在誤 差，假使存在5%的誤差，則LED實際的順嚮導通壓降可能介於3. 135V 3. 465V。因此，即 使是由相同數量、相同類型的LED串聯耦接所形成的燈串(light bar)，在各個燈串上仍然 會產生不同的順嚮導通壓降，如果在各個燈串上施加相同的燈串電壓，各個燈串將會因為 實際的順嚮導通壓降不相同的緣故而使流過各個燈串的電流不相同，當然各個燈串提供的 亮度也就不相同。為了解決燈串實際的順嚮導通壓降不相同所造成流過的電流不均問題， 電流平衡電路就成為LED燈串的重要的驅動元件。圖1為一種現有的單個LED燈串電流平衡電路的電路圖。請參見圖1，燈串11包 括多個串聯耦接的發光二極體Dl Dn(η為正整數)，燈串11的順嚮導通壓降Vfl為每個 發光二極體Dl Dn的順嚮導通壓降的總和。燈串11的第一端通過接收燈串電壓VBUS來 獲取導通所需的偏壓，燈串11的第二端耦接至電流平衡電路。電流平衡電路包括電晶體Q、 檢測電阻R和運算放大器0Ρ，其中，檢測電阻R檢測流過燈串11的電流值，運算放大器OP 的反相輸入端接收檢測電阻R所檢測流過燈串11的電流值(其對應電流實際值)、非反相 輸入端接收控制命令Vset (其對應電流設定值)，再根據兩者差值從輸出端送出信號至晶 體管Q的控制端，以調整電晶體Q的工作點來改變電晶體Q上的壓降，進而改變燈串11的 順嚮導通壓降Vfl，使流過燈串11的電流實際值趨近電流設定值。圖2為一種現有的多個LED燈串電流平衡電路的電路圖。請參見圖2，當使用多個 LED燈串11 Im(m為正整數)時，每個燈串Ii (i為1 m中任一正整數)的第二端均需 要耦接至一個如圖1所示的電流平衡電路，使流過每個燈串Ii的電流值趨近控制命令Vset 對應的電流設定值，進而使流過每個燈串Ii的電流值相等或在一定誤差範圍內(即達到電 流平衡)。當燈串11 Im的數量越大(或m越大)時，所需要的電流平衡電路的個數當然 也越來越多，除了增加成本和線路面積外，每個電流平衡電路也會因為各自所包括的晶體 管Q、檢測電阻R及運算放大器OP本身存在的誤差造成各個燈串Ii間的電流均流效果變 差。近年來有多款專用的LED控制器22的集成電路已經被設計出來。LED控制器22， 例如將多個如圖1所示的電流平衡電路小型化併集成到晶片上，每個電流平衡電路通過 通道端CHi耦接至相應的燈串Ii的第二端，通常還可通過反饋端FB控制DC/DC (Direct Current/Direct Current，直流至直流)轉換器21來調整燈串電壓VBUS值。雖然集成電 路可達到更精確的控制及更小的線路面積，但集成電路的可靠度卻不如傳統線路，且因集 成電路可承受的電流和功率損耗有限(一般小於60mA)，在高壓大電流的LED燈串應用中， 反而還需要外加電晶體和其它元件來平衡電流，對設計者而言，非但不能節省成本，線路更複雜且不容易控制。

發明內容
為了更穩定箝制流過各個燈串的電流且線路簡單容易控制，本發明提供了一種發 光二極體電流平衡電路。所述技術方案如下—種發光二極體電流平衡電路，用於驅動多個燈串，每個燈串均包括多個串聯耦 接的發光二極體，每個燈串第一端均耦接至一燈串電壓。該發光二極體電流平衡電路包 括一電流鏡、一參考電流產生器以及一電壓補償電路。電流鏡用於在開啟時根據 一參考電流產生多個吸取電流，每個吸取電流提供至一相應的燈串的第二端，使流過每個 燈串電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串的電流值為零。參考電流產生器包括一第 一雙極性電晶體、一可調並聯穩壓器、一第一電阻和一第二電阻，可調並聯穩壓器具有陰 極端、陽極端和參考端，第一雙極性電晶體集電極端耦接至一電源電壓和第一電阻的第一 端，第一雙極性電晶體的基極端耦接至第一電阻的第二端和可調並聯穩壓器的陰極端，第 一雙極性電晶體的發射極端耦接至可調並聯穩壓器的參考端和第二電阻的第一端，可調並 聯穩壓器的陽極端耦接至一接地，第二電阻的第二端輸出參考電流。電壓補償電路包括多 個第一二極體、一第二雙極性電晶體、一第三電阻至一第八電阻和一第一電容，每個第一二 極管的陰極端耦接至一相應的燈串的第二端，每個第一二極體的陽極端均耦接至第三電阻 的第一端和第四電阻的第一端，第三電阻的第二端耦接至可調並聯穩壓器的參考端和第五 電阻的第一端，第四電阻的第二端和第五電阻的第二端分別耦接至第二雙極性電晶體的基 極端和集電極端，第六電阻的第一端和第二端分別耦接至第二雙極性電晶體的發射極端和 接地，第七電阻的第一端耦接至第二雙極性電晶體的集電極端和第一電容的第一端，第七 電阻的第二端耦接至第八電阻的第一端，第八電阻的第二端耦接至第一電容的第二端和接 地，第八電阻的第一端輸出一補償信號，補償信號用於調整燈串電壓值。進一步地，電流鏡包括多個匹配的第一電晶體和一第二電晶體，每個第一電晶體 和第二電晶體均具有第一端、第二端和控制端，每個第一電晶體的第一端耦接至一相應的 燈串的第二端以提供一相應的吸取電流，第二電晶體的第一端耦接至控制端且耦接至第二 電阻的第二端以接收參考電流，每個第一電晶體和第二電晶體的第二端均耦接至接地，每 個第一電晶體與第二電晶體的控制端彼此耦接。進一步地，每個第一電晶體和第二電晶體均為雙極性電晶體或均為場效應晶體 管。進一步地，每個第一電晶體和第二電晶體的第二端均通過一相應的電阻耦接至接地。進一步地，電流鏡在第二電晶體的控制端未耦接至接地時開啟，並在第二電晶體 的控制端耦接至接地時關閉。進一步地，發光二極體電流平衡電路還包括一過壓檢測電路，過壓檢測電路耦接 至每個燈串的第二端，用於在檢測到任一燈串的第二端電壓超過一過壓閾值時輸出一錯誤 信號，錯誤信號用於使燈串電壓值為零。進一步地，過壓檢測電路包括多個第二二極體、一齊納二極體、一第九電阻、一第 十電阻和一第二電容，每個第二二極體的陽極端耦接至一相應的燈串的第二端，每個第 二二極體的陰極端均耦接至齊納二極體的陰極端，齊納二極體的陽極端耦接至第九電阻的第一端，第九電阻的第二端耦接至第十電阻的第一端和第二電容的第一端，第十電阻的第 二端耦接至第二電容的第二端和接地，第十電阻的第一端輸出錯誤信號。進一步地，在電源電壓值小於一恆流閾值時，第一雙極性電晶體截止，參考電流產 生器輸出的參考電流值由電源電壓值所決定，通過可變的電源電壓作為調光信號以實現模 擬調光。進一步地，在電源電壓值大於一恆流閾值時，第一雙極性電晶體導通且可調並聯 穩壓器正常工作，參考電流產生器輸出恆流的參考電流，發光二極體電流平衡電路還包括 一調光電路，調光電路耦接至參考電流產生器和/或電流鏡，用於從一調光端接收一脈寬 調製信號並根據脈寬調製信號交替地開啟和關閉參考電流產生器和/或電流鏡，通過將脈 寬可變的脈寬調製信號作為調光信號以實現數字調光。在這裡，「參考電流產生器和/或電 流鏡」表示「參考電流產生器」、「電流鏡」、「參考電流產生器和電流鏡」三者擇一。進一步地，電源電壓改成耦接至調光端，在脈寬調製信號的佔空比大於一佔空比 閾值時，脈寬調製信號在高電平致能期間電平為恆壓且大於恆流閾值，並在脈寬調製信號 的佔空比小於佔空比閾值時，脈寬調製信號在高電平致能期間電平為可變的且小於恆流閾 值。本發明因採用的參考電流產生器可提供具有強壯抗電源電壓擾動特性的參考電 流供電流鏡產生吸取電流到各個燈串，且電流鏡採用的架構不受電晶體增益比影響，因此 電流鏡可穩定箝制流過各個燈串的電流，並加入電壓補償電路檢測各個燈串端點的電壓以 便對各個燈串的順嚮導通壓降進行補償，除了確保具有不同順嚮導通壓降的各個燈串均可 點亮外，還可使流過各個燈串的電流更加平衡，而且因不需採用專用的LED控制器且成本 相當低廉並更具有競爭力。


圖1是現有技術提供的一種單個LED燈串電流平衡電路的電路圖；圖2是現有技術提供的一種多個LED燈串電流平衡電路的電路圖；圖3是本發明實施例1提供的一種LED電流平衡電路的方框圖；圖4是本發明實施例1提供的一種LED電流平衡電路的電路圖；圖5是本發明實施例1提供的圖4所示的可調並聯穩壓器的元件符號及功能示意 圖；圖6A是本發明實施例1提供的圖4所示的第一種LED電流平衡電路的信號模擬 圖；圖6B是本發明實施例1提供的圖4所示的第二種LED電流平衡電路的信號模擬 圖；圖7是本發明實施例1提供的圖4所示的LED電流平衡電路的實際信號測量圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下11 Im:燈串，21 :DC/DC 轉換器，22 :LED 控制器，CHl CHm 通道端，FB 反饋端，31 DC/DC轉換器，32 參考電流產生器，33 電流鏡，34 電壓補償電路，35 過壓檢測電路，36 調光電路，DIM 調光端，Cl 第一電容，
C2 第二電容，Dl Dn 發光二極體，Dll Dlm 第一二極體，D21 D2m 第二二極體，OP 運算放大器，Q 電晶體，Qll Qlm 第一電晶體，Q22 第二電晶體，Ql 第一雙極性電晶體，Q2 第二雙極性電晶體，Q3 Q6 電晶體開關，R 檢測電阻，Rl RlO 第一電阻 第十電阻，Rll Rim、R22 退化電阻，R31 R34 限流電阻，TLl 可調並聯穩壓器，ZDl 齊納二極體，Il Im 吸取電流，Iref 參考電流，VIN 輸入電壓，VBUS 燈串電壓，VCC, VEE 電源電壓，VREF 參考電壓，Vcomp 補償信號，Vfl Vfm 燈串導通壓降，Vfault 錯誤信號，Von-off 電源開關信號，Vpwm 脈寬調製(PWM)信號，Vset 控制命令。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。實施例1首先需要說明的是，本領域技術人員都知道雙極性電晶體(Bipolar JimctionTransistor，簡稱BJT)具有第一端(即集電極端)、第二端(即發射極端)和控制 端(即基極端)，場效應電晶體(Field-Effect Transistor，簡稱FET)具有第一端(即漏 極端)、第二端(即源極端)和控制端(即柵極端)，電阻(resistor)和電容(capacitor) 均具有第一端和第二端，二極體、發光二極體和齊納二極體(Zener diode)均具有陽極端和 陰極端，以下不再贅述。圖3和圖4分別為本發明實施例提供的LED電流平衡電路的方框圖和電路圖。請 同時參見圖3和圖4，LED電流平衡電路用於驅動多個燈串11 lm，每個燈串Ii均包括多 個串聯耦接的發光二極體Dl Dn，其中m、η均為正整數，i為1 m中任一正整數。每個 燈串Ii均具有第一端和第二端，每個燈串Ii的第一端均通過耦接至燈串電壓VBUS來獲取 導通所需的偏壓。本領域技術人員都知道為了讓這些燈串11 Im得以正常工作，在每個 燈串Ii中，發光二極體Dl的陽極端應耦接至燈串Ii的第一端，發光二極體Dk的陰極端應 耦接至發光二極體Dk+Ι的陽極端，且發光二極體Dn的陰極端應耦接至燈串Ii的第二端， 其中，k為1 (n-1)中任一正整數。這些燈串11 Im組成的LED光源可應用作為液晶 顯示器的背光源，例如直下式或側面入光式背光源。LED電流平衡電路包括DC/DC轉換器31、參考電流產生器32、電流鏡33、電壓補償 電路34、過壓檢測電路35以及調光電路36。DC/DC轉換器31為降壓或升壓轉換器，用於將電源供應器(圖3和圖4中均未繪 出)提供常見的5V、12V或24V等規格的直流輸入電壓VIN轉換為直流燈串電壓VBUS以驅 動燈串11 lm。DC/DC轉換器31還接收電源開關信號Von-off、錯誤信號Vfault和補償 信號Vcomp。其中，電源開關信號Von-off例如在高電平時可使DC/DC轉換器31用於產生 燈串電壓VBUS供給燈串11 Im和產生電源電壓VCC供給LED電流平衡電路內部電路，並 在低電平時可使DC/DC轉換器31不再供電。參考電流產生器32包括第一雙極性電晶體Q1、可調並聯穩壓器(programmableshunt regulat0r)TLl、第一電阻Rl和第二電阻R2。其中，最常見的可調並聯穩壓器TLl的 集成電路有德州儀器公司生產的TL431，其元件符號如圖5左圖所示具有陰極端、陽極端和 參考端，其功能示意圖如圖5右圖所示。從圖5右圖可以看到，可調並聯穩壓器TLl內部具 有一個恆壓源提供固定值2. 5V的參考電壓VREF至運算放大器OP的反相輸入端，運算放大 器OP的非反相輸入端耦接至參考端，只有在參考端電壓非常接近參考電壓VREF時，電晶體 Q才會有一個穩定的非飽和電流流過，而且隨著參考端電壓的微小變化，流過電晶體Q的電 流將在IA IOOmA變化。在參考電流產生器32中，第一雙極性電晶體Ql的集電極端耦接至直流電源電壓 VCC和第一電阻Rl的第一端，第一雙極性電晶體Ql的基極端耦接至第一電阻Rl的第二端 和可調並聯穩壓器TLl的陰極端，第一雙極性電晶體Ql的發射極端耦接至可調並聯穩壓器 TLl的參考端和第二電阻R2的第一端，可調並聯穩壓器TLl的陽極端耦接至接地，第二電阻 R2的第二端輸出參考電流Iref。在電源電壓VCC值大於恆流閾值時，第一雙極性電晶體Ql導通且可調並聯穩壓器 TLl正常工作，可調並聯穩壓器TLl在參考端(或第二電阻R2的第一端)的電壓幾乎為恆 壓並可作為供電給電壓補償電路34的直流電源電壓VEE，因此參考電流產生器32由電源電 壓VCC供電並可通過設置第二電阻R2的電阻值來設置參考電流Iref值。在第二電阻R2的 電阻值確定後，參考電流Iref值也被確定為恆流，所以參考電流產生器32輸出的電壓(或 第二電阻R2的第二端電壓)也被確定為恆壓。參考電流產生器32的恆壓、恆流的輸出可 使電流鏡33更穩定地工作。如果可調並聯穩壓器TLl以集成電路TL431為例，第一雙極性 電晶體Ql導通時集電極端至發射極端壓降約IV，可調並聯穩壓器TLl的參考端的電壓約為 2. 5V，因此恆流閾值約為3. 5V。另外，電源電壓VCC值必然有一個上限，這個上限主要由第 一雙極性電晶體Ql導通時可承受的電流和功率損耗所決定。電流鏡33耦接至參考電流產生器32和每個燈串Ii的第二端，用於在開啟時根據 參考電流Iref產生多個吸取電流Il im.，每個吸取電流Ii提供至相應的燈串Ii的第二 端，使流過每個燈串Ii的電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串Ii的電流值為零。在本實施例中，電流鏡33包括多個匹配的第一電晶體Qll Qlm和第二電晶體 Q22,每個第一電晶體Qli和第二電晶體Q22均為NPN雙極性電晶體並具有第一端(即集電 極端)、第二端(即發射極端)和控制端(即基極端)；但並非僅限於此，例如每個第一晶體 管Qli和第二電晶體Q22還可均為N通道場效應電晶體並具有第一端(即漏極端)、第二端 (即源極端)和控制端(即柵極端)。每個第一電晶體Qli的第一端耦接至相應的燈串Ii 的第二端以提供相應的吸取電流Ii，第二電晶體Q22的第一端耦接至控制端並連接成二極 管電晶體(diode-cormectedtransistor)且第二電晶體Q22的第一端還耦接至參考電流產 生器32的第二電阻R2的第二端以接收參考電流Iref，每個第一電晶體Qli和第二電晶體 Q22的第二端均耦接至接地，每個第一電晶體Qli和第二電晶體Q22的控制端彼此耦接。電 流鏡33在開啟時由於第一電晶體Qll Qlm匹配的緣故，流入第一電晶體Qll Qlm的吸 取電流Il Im值相等或在一定誤差範圍內(即達到電流平衡)，迫使流過每個燈串Ii的 電流同樣達到平衡，使燈串11 Im提供均勻的亮度。在本實施例中，每個第一電晶體Qli的第二端還通過相應的電阻Rli耦接至接地， 第二電晶體Q22的第二端還通過相應的電阻R22耦接至接地，電阻Rl 1 Rlm可使第一電晶體Qll Qlm產生的吸取電流Il Im不受電晶體增益比不匹配的影響，因此電阻Rll Rlm被稱為退化電阻(degeneration resistor)。另外，通過將第二電晶體Q22的控制端耦 接至接地，使第二電晶體Q22和每個第一電晶體Qli均截止，達到關閉電流鏡33的目的；而 當第二電晶體Q22控制端未耦接至接地，使第二電晶體Q22和每個第一電晶體Qli均正常 工作，達到開啟電流鏡33的目的。電壓補償電路34包括多個第一二極體Dll Dim、第二雙極性電晶體Q2、第三電 阻至第八電阻R3 R8和第一電容Cl，每個第一二極體Dli的陰極端耦接至相應的燈串Ii 的第二端，每個第一二極體Dli的陽極端均耦接至第三電阻R3的第一端和第四電阻R4的 第一端，第三電阻R3的第二端耦接至可調並聯穩壓器TLl的參考端用於接收電源電壓VEE， 且第三電阻R3的第二端還耦接至第五電阻R5的第一端，第四電阻R4的第二端和第五電阻 R5的第二端分別耦接至第二雙極性電晶體Q2的基極端和集電極端，第六電阻R6的第一端 和第二端分別耦接至第二雙極性電晶體Q2的發射極端和接地，第七電阻R7的第一端耦接 至第二雙極性電晶體Q2的集電極端和第一電容Cl的第一端，第七電阻R7的第二端耦接至 第八電阻R8的第一端，第八電阻R8的第二端耦接至第一電容Cl的第二端和接地，第八電 阻R8的第一端輸出補償信號Vcomp，補償信號Vcomp用於調整燈串電壓VBUS值。假設每個燈串Ii均包括13個發光二極體Dl D13，理想情況下燈串Ii順嚮導通 壓降為42. 9V，且假設此時電流鏡33的第一電晶體Qli和電阻Rli的壓降為IV，所以理想 情況下燈串電壓VBUS應為43. 9V且燈串第二端電壓應為IV。但是，實際上各個燈串11 Im具有不同順嚮導通壓降，存在部分燈串(如燈串11)略大於42. 9V，也存在部分燈串(如 燈串12)略小於42. 9V，此時為了使各個燈串11 Im均可點亮，在點燈時施加的燈串電壓 VBUS必須略大於43. 9V使燈串11得以點亮，不過這樣卻造成燈串12的第二端電壓太高， 使電流鏡33中相應的第一電晶體Qll和電阻Rll壓降太高，在燈串11 Im處於電流平衡 下，電流鏡33中的第一電晶體Qll和電阻Rll會產生較多的功率損耗而減短使用壽命，因 此本發明實施例通過電壓補償電路34調整燈串電壓VBUS值以便在確保各個燈串均可點亮 條件下降低電流鏡33的功率損耗。由於理想情況下燈串的第二端電壓為IV，且假設第一二極體Dli順嚮導通壓降為
0.7V，因此理想情況下第一二極體Dli的陽極端電壓為1. 7V，當第一二極體Dli的陽極端電 壓大於1. 7V時，第二雙極性電晶體Q2導通，迫使儲存於電容Cl上的電壓下降，電容Cl的 壓降通過電阻R7和R8分壓以輸出補償信號Vcomp ；當第一二極體Dli的陽極端電壓小於
1.7V時，第二雙極性電晶體Q2截止，電源電壓VEE直接通過電阻R5、R7和R8分壓以輸出 補償信號Vcomp。理想情況下補償信號Vcomp電壓值約為IV，當補償信號Vcomp電壓值小 於IV時，DC/DC轉換器31調低輸出的燈串電壓VBUS值；當補償信號Vcomp電壓值大於IV 時，DC/DC轉換器31調高輸出的燈串電壓VBUS值。由於電源電壓VCC值大於恆流閾值，電 源電壓VEE為恆壓，假設第二雙極性電晶體Q2導通，此時第一二極體Dli的陽極端電壓為 (VEE-Vbe2) X [R4+(l+i3) XR6]/[R3+R4+(l+i3) XR6]，其中，Vbe2 為第二雙極性電晶體 Q2 導通時基極端至發射極端壓降，β為第二雙極性電晶體Q2共射電流增益。因此，可通過設 置電阻R3、R4和R6的電阻值來設置第一二極體Dli的陽極端電壓，例如在大於1. 7V時使 第二雙極性電晶體Q2導通，而在小於1. 7V時使第二雙極性電晶體Q2截止。過壓檢測電路35耦接至每個燈串Ii的第二端，用於在檢測到任一燈串的第二端電壓超過過壓閾值時輸出錯誤信號Vault，錯誤信號Vault用於使燈串電壓VBUS值為零。在本實施例中，過壓檢測電路35包括多個第二二極體D21 D2m、齊納二極體 ZD1、第九電阻R9、第十電阻RlO和第二電容C2。每個第二二極體D2i的陽極端耦接至相應 的燈串Ii的第二端，每個第二二極體D2i的陰極端均耦接至齊納二極體ZDl的陰極端，齊 納二極體ZDl的陽極端耦接至第九電阻R9的第一端，第九電阻R9的第二端耦接至第十電 阻RlO的第一端和第二電容C2的第一端，第十電阻RlO的第二端耦接至第二電容C2的第二 端和接地，第十電阻RlO的第一端輸出錯誤信號Vfault。當燈串11 Im中任一燈串(如 燈串11)的第二端電壓超過過壓閾值而使得齊納二極體ZDl崩潰時，燈串11的第二端電壓 減去二極體D21順向壓降和齊納二極體ZDl崩潰電壓後的壓降將落在第九電阻R9和第十 電阻R10，設置使第十電阻RlO分得的電壓(即第十電阻RlO的第一端電壓)為高電平，可 表示輸出錯誤信號Vfault。當燈串11 Im中任一燈串的第二端電壓未超過過壓閾值而 無法使齊納二極體ZDl崩潰時，將沒有壓降落在第九電阻R9和第十電阻R10，第十電阻RlO 分得的電壓為零或低電平，可表示未輸出錯誤信號Vfault。另外，可通過使用不同崩潰電壓 的齊納二極體來設計不同的過壓閾值，即設置當燈串中有多少個發光二極體短路時才輸出 錯誤信號Vfault。在電源電壓VCC值大於恆流閾值時，參考電流產生器32輸出恆流的參考電流 Iref,使得電流鏡33根據參考電流Iref產生的吸取電流Il Im為恆流，因此在電流鏡33 開啟時將迫使流過燈串11 Im的電流為恆流，即燈串11 Im提供固定不變的亮度，此時 需要採用數字調光實現調整LED光源亮度的功能。數字調光即是通過交替地開啟和關閉電 流鏡33，使燈串11 Im交替地一下發光(亮)一下不發光(暗)，若亮暗的切換頻率在 IOOHz以上，人眼將因視覺暫留的影響而感覺不到亮暗的變化，只能感覺到這個變化的平均 值，即人眼只能感受到平均亮度且這個平均亮度與亮暗的比例成正比。因此，通過調整電流 鏡33開啟和關閉的時間比例，進而調整燈串11 Im亮暗的比例，即可實現以數字調光方 式調整LED光源亮度的功能。在本實施例中，通過調光電路36交替地開啟和關閉電流鏡33。調光電路36耦接 至參考電流產生器32和/或電流鏡33，從調光端DIM接收PWM(Pulse-Width Modulation, 脈寬調製)信號Vpwm，並根據PWM信號Vpwm交替地開啟和關閉參考電流產生器32和/或 電流鏡33，而通過調整PWM信號Vpwm的脈寬(或佔空比)來調整電流鏡33開啟和關閉的 時間比例。因此，即是通過脈寬可變的PWM信號Vpwm作為調光信號輸入調光電路36，以通 過調光電路36交替地開啟和關閉電流鏡33來實現數字調光功能。在本實施例中，調光電路36包括電晶體開關Q3 Q6和限流電阻R31 R34。在 PWM信號Vpwm為低電平時，電晶體開關Q5截止、Q6導通，電流鏡33的電晶體Qll Qlm和 Q22基極端均耦接至接地而截止，不再產生吸取電流111 Ilm，表示電流鏡33被關閉。在 PWM信號Vpwm為高電平時，電晶體開關Q5導通、Q6截止，調光電路36不影響電流鏡33的 運作，表示電流鏡33被開啟。另外，在電源開關信號Von-off為低電平時，電晶體開關Q3截 止、Q4導通，參考電流產生器32的第一雙極性電晶體Ql的基極端耦接至接地而截止，且可 調並聯穩壓器TLl的陰極端和陽極端均耦接至接地而使參考電流Iref和電源電壓VEE均 為零，表示參考電流產生器32被關閉。在電源開關信號Von-off為高電平時，電晶體開關 Q3導通、Q4截止，調光電路36不影響參考電流產生器32的運作，表示參考電流產生器32被開啟。圖6A和圖6B為圖4所示LED電流平衡電路的信號模擬圖，其中LED電流平衡電 路驅動6個燈串11 16並設置流過燈串11 16的電流Il 16為20mA。請先參見圖 6A，在PWM信號Vpwm的佔空比為50%的條件下，可從模擬波形中看出吸取電流Il 16值 均相等或在一定誤差範圍內(即達到電流平衡)，使燈串11 16提供的亮度相等或在一定 誤差範圍內。請再參見圖6B，假使電源電壓VCC存在擾動而介於4V 15V，可從模擬波形 中看出吸取電流Il 16值均沒有改變，證明本發明實施例提供的LED電流平衡電路具有 強壯的抗電源擾動特性。圖7為圖4所示LED電流平衡電路的實際信號測量圖，其中，LED電流平衡電路驅 動6個燈串11 16並設置流過燈串11 16的電流Il 16為20mA。請參見圖7，其為在 PWM信號Vpwm的佔空比為1 %、25 %和50 %條件下實際測量流過某一燈串的電流波形，其中 橫坐標每格單位為20 μ s,縱坐標每格單位為20mA。可見當PWM信號Vpwm的脈寬改變時， 流過燈串的電流會根據脈寬而改變，且每次改變過程中電流值均可維持在20mA條件下，因 此在脈寬改變時(相當於佔空比改變時)仍然擁有相當好的線性有效電流調整。另外，實 際測量流過燈串11 16的電流Il 16分別為19. 8mA、19. 8mA、19. 9mA、19. 9mA、20. 1和 20. 0mA,因此本發明實施例提供的LED電流平衡電路可提供接近1. 5%的電流誤差調整率。對於本發明實施例提供的調光方式，上述為採用數字調光(或稱為PWM調光)，然 而本發明實施例還可採用模擬調光(或稱為直流調光)。因為在電源電壓VCC值小於恆流 閾值時，第一雙極性電晶體Ql截止，參考電流產生器32輸出的參考電流Iref值由電源電 壓VCC值所決定，因此通過可變的電源電壓VCC作為調光信號可實現模擬調光。在採用模 擬調光時，調光電路36中用於數字調光的電路必須使其失效，例如將調光端DIM所接收的 PWM信號Vpwm設置恆為高電平。另外，本發明實施例還可採用數字及模擬混合調光達到更高的亮度對比，此時將 電源電壓VCC改成耦接至調光端DIM，並由調光端DIM接收PWM信號Vpwm。在PWM信號Vpwm 的佔空比(如50%)大於佔空比閾值(如20%)時，PWM信號Vpwm在高電平致能期間電 平為恆壓且大於恆流閾值，此時相當於僅採用數字調光。在PWM信號Vpwm的佔空比(如 10% )小於佔空比閾值(如20% )時，PWM信號Vpwm在高電平致能期間電平為可變的且小 於恆流閾值，且隨著PWM信號Vpwm佔空比越低，高電平致能期間電平會越低，相當於在採用 數字調光的情形下進一步採用模擬調光以便在低亮度時有更細膩的亮度對比。綜上所述，本發明實施例提供的LED電流平衡電路因採用的參考電流產生器提供 具有強壯抗電源電壓擾動特性的參考電流供電流鏡產生吸取電流到各個燈串，且電流鏡採 用的架構不受電晶體增益比影響，因此電流鏡可穩定箝制流過各個燈串的電流，並加入電 壓補償電路檢測各個燈串端點電壓，以便對各個燈串的順嚮導通壓降進行補償，除了確保 具有不同順嚮導通壓降的各個燈串均可點亮外，還可使流過各個燈串的電流更加平衡，而 且因不需採用專用的LED控制器且成本相當低廉並更具有競爭力。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種發光二極體電流平衡電路，用於驅動多個燈串，每個燈串均包括多個串聯耦接 的發光二極體，每個燈串的第一端均耦接至一燈串電壓，其特徵在於，該發光二極體電流平 衡電路包括一電流鏡，用於在開啟時根據一參考電流產生多個吸取電流，每個吸取電流提供至一 相應的燈串的第二端，使流過每個燈串電流達到平衡，並在關閉時使流過每個燈串電流值 為零；一參考電流產生器，包括一第一雙極性電晶體、一可調並聯穩壓器、一第一電阻和一第 二電阻，該可調並聯穩壓器具有陰極端、陽極端和參考端，該第一雙極性電晶體的集電極端 耦接至一電源電壓和該第一電阻的第一端，該第一雙極性電晶體的基極端耦接至該第一電 阻的第二端和該可調並聯穩壓器的陰極端，該第一雙極性電晶體的發射極端耦接至該可調 並聯穩壓器的參考端和該第二電阻的第一端，該可調並聯穩壓器的陽極端耦接至一接地， 該第二電阻的第二端輸出該參考電流；以及一電壓補償電路，包括多個第一二極體、一第二雙極性電晶體、一第三電阻至一第八電 阻和一第一電容，每個第一二極體的陰極端耦接至一相應的燈串的第二端，每個第一二極 管的陽極端均耦接至該第三電阻的第一端和該第四電阻的第一端，該第三電阻的第二端耦 接至該可調並聯穩壓器的參考端和該第五電阻的第一端，該第四電阻的第二端和該第五電 阻的第二端分別耦接至該第二雙極性電晶體的基極端和集電極端，該第六電阻的第一端和 第二端分別耦接至該第二雙極性電晶體的發射極端和該接地，該第七電阻的第一端耦接至 該第二雙極性電晶體的集電極端和該第一電容的第一端，該第七電阻的第二端耦接至該第 八電阻的第一端，該第八電阻的第二端耦接至該第一電容的第二端和該接地，該第八電阻 的第一端輸出一補償信號，該補償信號用於調整該燈串電壓值。
2.如權利要求1所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，該電流鏡包括多 個匹配的第一電晶體和一第二電晶體，每個第一電晶體和該第二電晶體均具有第一端、第 二端和控制端，每個第一電晶體的第一端耦接至一相應的燈串的第二端以提供一相應的吸 取電流，該第二電晶體的第一端耦接至控制端且耦接至該第二電阻的第二端以接收該參考 電流，每個第一電晶體和該第二電晶體的第二端均耦接至該接地，每個第一電晶體與該第 二電晶體的控制端彼此耦接。
3.如權利要求2所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，每個第一電晶體 和該第二電晶體均為雙極性電晶體或均為場效應電晶體。
4.如權利要求2所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，每個第一電晶體 和該第二電晶體的第二端均通過一相應的電阻耦接至該接地。
5.如權利要求2所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，該電流鏡在該第 二電晶體的控制端未耦接至該接地時開啟，並在該第二電晶體的控制端耦接至該接地時關 閉。
6.如權利要求1所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，該發光二極體電 流平衡電路還包括一過壓檢測電路，該過壓檢測電路耦接至每個燈串的第二端，用於在檢 測到任一燈串的第二端電壓超過一過壓閾值時輸出一錯誤信號，該錯誤信號用於使該燈串 電壓值為零。
7.如權利要求6所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，該過壓檢測電路包括多個第二二極體、一齊納二極體、一第九電阻、一第十電阻和一第二電容，每個第二二 極管的陽極端耦接至一相應的燈串的第二端，每個第二二極體的陰極端均耦接至該齊納二 極管的陰極端，該齊納二極體的陽極端耦接至該第九電阻的第一端，該第九電阻的第二端 耦接至該第十電阻的第一端和該第二電容的第一端，該第十電阻的第二端耦接至該第二電 容的第二端和該接地，該第十電阻的第一端輸出該錯誤信號。
8.如權利要求1所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，在該電源電壓值 小於一恆流閾值時，該第一雙極性電晶體截止，該參考電流產生器輸出的該參考電流值由 該電源電壓值所決定，通過可變的該電源電壓作為調光信號以實現模擬調光。
9.如權利要求1所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，在該電源電壓值 大於一恆流閾值時，該第一雙極性電晶體導通且該可調並聯穩壓器正常工作，該參考電流 產生器輸出恆流的該參考電流，該發光二極體電流平衡電路還包括一調光電路，該調光電 路耦接至該參考電流產生器和/或該電流鏡，用於從一調光端接收一脈寬調製信號並根據 該脈寬調製信號交替地開啟和關閉該參考電流產生器和/或該電流鏡，通過將脈寬可變的 該脈寬調製信號作為調光信號以實現數字調光。
10.如權利要求9所述的一種發光二極體電流平衡電路，其特徵在於，該電源電壓改成 耦接至該調光端，在該脈寬調製信號的佔空比大於一佔空比閾值時，該脈寬調製信號在高 電平致能期間電平為恆壓且大於該恆流閾值，並在該脈寬調製信號的佔空比小於該佔空比 閾值時，該脈寬調製信號在高電平致能期間電平為可變的且小於該恆流閾值。
全文摘要
本發明公開了一種發光二極體電流平衡電路，屬於發光二極體驅動技術領域。該發光二極體電流平衡電路包括參考電流產生器、電流鏡和電壓補償電路。參考電流產生器提供具有強壯抗電源電壓擾動特性的參考電流供電流鏡產生吸取電流到各個燈串，且電流鏡採用的架構不受電晶體增益比影響，因此電流鏡可穩定箝制流過各個燈串的電流。電壓補償電路檢測各個燈串端點的電壓以便對各個燈串的順嚮導通壓降進行補償，除了確保具有不同順嚮導通壓降的各個燈串均可點亮外，還可使流過各個燈串的電流更加平衡。另外，本發明不需要採用專用的LED控制器且成本相當低廉並更具有競爭力。
文檔編號H05B37/02GK102111932SQ20091026168
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者李吉欣, 李振強, 林文明, 林立韋, 黃元伯 申請人:冠捷投資有限公司