高效發光二極體驅動器的製作方法

2023-12-05 14:43:01

專利名稱：高效發光二極體驅動器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及驅動器電路。本發明尤其涉及一種高效LED(發光二極體)驅動器。
背景技術：
發光二極體以及給它們提供能量的驅動器電路都是公知的。LED的亮度與所施加的電流有直接關係。LED兩端產生的電壓主要取決於半導體設計和所採用的技術並取決於製造公差。多個LED基本接近地使用的地方，通常希望它們以相當匹配的光輸出電平工作。先前已經提出了多種電路和方案用於實現LED的均勻照明。但是這些先前提出的技術存在一種或多種缺陷。例如，這些技術可能使得驅動器電路的運行效率非常低。同樣，該技術可能需要LED緊公差製造或者具有通過測試確定的匹配參數。這使得成本升高。
在由原電池如熟知的鹼性「電池」供電的便攜裝置中，能源利用率顯得尤為重要。


為更透徹地理解本發明及其另外的特徵和優點，現在結合附圖進行下面的說明，其中圖1是根據本發明實施例的LED驅動器電路的部分框圖形式的電路圖。
圖2是根據本發明實施例的電流調節器的示意圖。
圖3是根據本發明實施例的欠電壓檢測器的示意圖。
為便於描述，各附圖中相同的部件標以相同的標號。
具體實施例方式
下面的描述中，為描述的清楚和簡明，並沒有對圖中所示的所有多個部件進行描述。附圖中示出了多個部件以為本領域普通技術人員提供本發明的完全能夠實現的公開內容。對於本領域技術人員來說許多部件的操作都是熟悉而且明顯的。
在本發明的各個實施例中，提供的電路和方法用於以低成本驅動具有持續良好照明以及極高效率的LED，並且適於與較便宜的LED或者與在寬工作電壓和溫度變化上具有寬元件參數公差的LED一起使用。所公開的電路可以，但不一定，在單個半導體晶片上實現。
根據本發明的一個方面，電路用於給多個LED提供電流，這些LED可以，但不一定，是對於它們廣泛光譜輸出的較高工作電壓類型，通常所說的「白色LED」。該電路可以包括多個有源電流調節器，每個控制單個LED中的電流，給該多個LED提供電流的電荷泵，給該電荷泵提供能量的電壓調節器以及適合於檢測任一或者所有限流器的電流短缺的檢測器。根據本發明的另一方面，該電壓調節器可以具有響應電流短缺檢測的輸出。
根據本發明的又一方面，電荷泵可以具有多種操作模式，每種具有不同的電壓增益。模式可以根據電流短缺的檢測進行選擇以實現高效運行。
根據本發明的另一方面，提供一種使LED發光的方法，其與以前提出的方法相比具有相當均勻的亮度和極高的總體能源利用率。
可能存在本發明的其它方面，並且它們有些將在下面描述。
圖1是根據本發明的特定實施例的示範性LED驅動器電路100的部分框圖形式的電路圖。LED驅動器電路100可以驅動多個LED 110，並且在有些實施例中，可以實現在單個集成電路或晶片上。LED 110(虛線所示)可以，但不一定，因機械或其它原因與晶片分開實現。平滑電容器170通常用於衰減紋波，其可以在晶片上或者不在晶片上實現。
如所述，LED驅動器電路100在輸入電壓端101上接收電源輸入電壓VIN。線性調節器150連接到輸入電壓端101且具有控制端102。控制端102接收來自檢測器300的反饋信號端302的控制輸入。線性調節器150可以實現為例如單個MOS(金屬氧化物半導體)電晶體。線性調節器150的這樣的實施例具有相當的能源利用率，就像希望總體上實現電路100的高效率一樣。
線性調節器150在控制端102的控制輸入可以由檢測器300產生。來自線性調節器150的輸出可以施加到多模式電荷泵160。多模式電荷泵160還在輸入埠181上接收可以為高頻方波的時鐘信號。該時鐘信號可以由振蕩器180產生，其中可以在端子101上從電壓VIN給該振蕩器180提供能量。例如通過電容器切換的升高DC(直流)電壓的電荷泵，是本領域所公知的。多模式電荷泵也是本領域所公知的，其能根據所選擇的模式和所期望的電壓增益運行於具有不同電壓增益的任意兩種或多種模式。在一個實施例中，多模式電荷泵160能夠根據從模式變換鎖存器142所接收的二進位控制信號在三種不同模式的任一種下運行。在本發明的實施例中，多模式電荷泵能以2∶1或3∶2的電壓增益率運行，或者作為1∶1的額定電壓增益的簡單過渡。在實際操作中，多模式電荷泵160中的開關可能會導致相對於額定或理論電壓增益的某些電壓降。多模式電荷泵160給LED 110提供電壓。
一個實施例中，模式變換鎖存器142具有兩位非時鐘式數字輸出，並且響應模擬電壓電平輸入。模式控制OpAmp(運算放大器)比較器143可以產生模擬信號以控制模式變換鎖存器142。
在一個實施例中，每個LED 110都具有相關電流調節器200。經過調節器200的電流由帶隙參考電路130產生的參考電壓Vref 01來設定。帶隙參考電路是本領域所公知的。如果LED電源(如電荷泵160)提供給LED 110的電流不足，那麼就會出現在相關電流調節器200中電流短缺的情況。這種情況可以通過檢測器300在檢測器300的一個或多個輸入埠120上檢測為欠電壓。當檢測器300檢測出欠電壓的情況時，檢測器300就對線性調節器150進行控制以增加提供給電荷泵160的電壓。這增加了提供給所有LED 110的電壓，由此緩和了電流短缺和相關欠電壓。因此，通過閉環控制，提供給LED 110的電壓維持在最低所需值以避免電流短缺。由於只維持了最低電壓，所以在正常工作狀態下電流短缺將是初始的。雖然可以給某些LED 110提供高於所需的電壓，但是由於每個LED 110都具有其自己獨立的電流調節器200，所以還是維持了均勻照明。
因電流短缺由線性調節器150單獨作用來緩和電源電壓可能會不足，例如在電源是接近使用壽命的原電池的情況下可能會發生。在那種情況下，控制OpAmp比較器143檢測線性調節器150故障(rail)，並發信號通知模式變換鎖存器142改變多模式電荷泵160運行在下一更高模式。該下一更高模式具有更高的電壓增益，並因此恢復LED 110電流到非短缺狀態。檢測器300允許線性調節器150將提供給多模式電荷泵160的電壓反向調節到最低所需值以恢復電路平衡。因此，僅當需要時電荷泵160才在更高增益下運行，並且因此在主要供電電壓有效的情況下電路運行的效率最好。整體來看，電路設計有助於從如可用於為典型可攜式電子設備供電的原電池電源得到最大使用壽命。在示範性實施例中，如果以及當輸入電壓VIN恢復到適當高電平時，模式變換鎖存器142可以輔助方式工作以使多模式電荷泵160運行在具有較低電壓增益的更經濟的模式下。
在示範性實施例中，帶隙參考電路130為OpAmp比較器143產生固定的電壓參考，以及在端子318上施加到檢測器300的參考端118的帶隙電壓VBG。帶隙參考電路130可以提供大約1.268伏特的帶隙電壓。在同一實施例中，帶隙參考電路130在端子113處產生參考電壓Vref 01以控制電流調節器200。電壓Vref 01的幅度可以通過到DAC(數模變換器)141的2位二進位輸入140來控制。該2位二進位輸入控制用於提供三種不同LED電流的選擇，以及由此三種不同的LED亮度，加上無(或者很小的)LED電流的黑暗(或者關斷)設定。根據產品應用，亮度的選擇可以是硬接線的或者是用戶可選擇的。當電路100處於LED熄滅的「關斷」狀態時，線性調節器150反向調節。但是，線性調節器150中仍然可以有小電流流過。這可用於預充電電容器170，從而避免可能的過啟動暫態現象。
圖2是根據本發明實施例的電流調節器200的示意圖。電流調節器200可以連接到LED 110。電流調節器200在輸入端211吸收電流，並且傾向於作為恆流負載工作。同樣，電流調節器200適於通過可以連接到輸入端211的LED 110來控制電流。Op Amp 222作為具有在參考端213提供的參考電壓的電壓輸出器工作，以控制FET 220維持電阻221兩端的固定電壓，並因此維持通過電阻221的固定電流。相同的固定電流流過外部LED 110。低電壓設備可以用於FET200，以便為實現很好的整體電路效率電流調節器只降壓大約700mV。如果LED電源提供的電流不足，那麼將出現電流調節器200中電流短缺，並且這可以作為輸入端211的欠電壓而在端子120外部檢測出。
圖3是根據本發明實施例的欠電壓檢測器300的示意圖。檢測器300在端子318上接收帶隙參考電壓VBG。雙極性二極體320操作為具有上拉電阻321的線「或」，以為OpAmp 322提供來自檢測端120上出現的最低電壓的固定偏壓的電壓。具有低閾值電壓的雙極性二極體可以用在線「或」二極體320的實施例中。電阻352和354與二極體358一起工作以為OpAmp 322提供參考電壓，該OpAmp 322用於補償電路中的溫度變化。二極體120和358典型地可採用相同技術來實現，如雙極性，和/或在公共基板上實現用於好的溫度調節。OpAmp 322在端子302上產生反饋電平信號，其用於閉環控制以確保在端子120上檢測的最低電壓保持在正確且接近最佳的值。
上述實施例中，當電路正常運行時，通過四個LED 110中的每個的電流是相等的，但是它們兩端的電壓將取決於各器件的特性。這種情況下，四個LED之一將產生最高電壓，並且相應地，各電流調節器200將產生維持期望電流所需的最低電壓。該最低電壓將是由檢測器300檢測的電壓。其它LED 110將產生較低電壓，而它們的各電流調節器200將相應地產生較高電壓。
這裡所述的本發明的實施例相比以前所採用的實現具有顯著的優點。例如，與以前提出的方案相比，上述公開的實施例在成本、照明強度的均勻性和可控制性、能源利用率、寬的LED工作電壓的公差、寬的電源變化和寬的元件公差以及支持多個LED方面表現得極其協調。
對本領域普通技術人員來說是明顯的，在本發明總的範圍之內的其它類似電路布置也是可能的。例如，本發明不必限於提供場效應電晶體和雙極性二極體的工藝，在本發明總的範圍之內可以採用各種其它類型的有源和非線性器件，如JFET(結型FET)。作為另一例子，可以故意設置不同溝道以承載相同偏壓下獨立的分流(differing)電流，同樣這些獨立的分流電流可以是固定的或者是可調的。甚至具有分立元件的實施例也在本發明的總的範圍之內。上述實施例旨在示意而非限制，而且本發明的範圍應該由權利要求來確定。
權利要求
1.一種用於給多個LED提供電流的電路，所述電路包括多個電流調節器，每個電流調節器可操作地控制各個LED中的電流；電荷泵端，可操作地給所述多個LED提供電流；電壓調節器，可操作地給所述電荷泵提供能量；以及檢測器，可操作地檢測從由任一所述電流調節器中的電流短缺和初始電流短缺所組成的列表中選擇的狀態的出現；其中所述電壓調節器具有響應電流短缺狀態的檢測的輸出。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述電荷泵具有至少兩種工作模式，每種工作模模式具有各自的電壓增益，並且其中選擇所述至少兩種工作模式之一響應狀態的檢測。
3.如權利要求1所述的電路，其中所述檢測器包括線「或」電路布置。
4.如權利要求1所述的電路，其中所述檢測器包括雙極性二極體，並且所述多個電流調節器包括場效應電晶體。
5.如權利要求4所述的電路，其中所述檢測器接收帶隙參考電壓，並且還包括溫度補償二極體和比較器。
6.如權利要求2所述的電路，進一步包括模式鎖存器，所述模式鎖存器可操作地控制從所述至少兩種工作模式中選擇一種有效的工作模式。
7.如權利要求6所述的電路，其中所述電荷泵具有至少三種工作模式。
8.如權利要求1所述的電路，其中所述電流調節器承載獨立的分流電流。
9.一種用於給多個LED提供電流的電路，所述電路包括用於調節每個LED中的電流的裝置；用於給所述多個LED提供電流的裝置；用於調節所述用於提供電流的裝置的裝置；以及用於檢測從由所述用於調節電流的裝置中的電流短缺和初始電流短缺所組成的列表中選擇的狀態的出現的裝置；其中所述調節響應於所述檢測。
10.如權利要求9所述的電路，其中所述用於調節的裝置包括電荷泵，所述電荷泵具有多種模式，每種模式具有各自的電壓增益。
11.如權利要求9所述的電路，其中所述用於調節的裝置包括線性電壓調節器。
12.如權利要求9所述的電路，其中所述用於檢測的裝置包括雙極性二極體的線「或」，並且所述用於限流的裝置包括場效應電晶體。
13.一種用於給多個LED提供電流的方法，包括調節每個LED中的電流不超出期望量；檢測從由任一LED中的電流短缺和初始電流短缺所組成的列表中選擇的狀態；以及響應所述檢測調節提供給所述多個LED的電壓，以便緩和電流短缺。
14.如權利要求13所述的方法，其中採用多模式電荷泵進行電壓調節。
15.如權利要求14所述的方法，其中還採用線性電壓調節器進行電壓調節。
全文摘要
本發明的實施例提供用於以低成本驅動具有持續良好的照明和極高效率的LED的電路，並且適於與較便宜的LED或者在寬工作電壓和溫度變化上具有寬元件參數公差的LED一起使用。所公開的電路可以，但不一定，實現在單個半導體晶片上。
文檔編號H05B33/08GK1723740SQ03820333
公開日2006年1月18日 申請日期2003年8月25日 優先權日2002年8月27日
發明者L·博格延, F·普林茲 申請人:美國快捷半導體有限公司