專利名稱：自適應(yīng)開關(guān)模式led驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED (發(fā)光二極管)驅(qū)動器，并且，更具體地，涉及一種支持多 個LED串的LED驅(qū)動器控制器。
背景技術(shù)：
LED被采用于多種電子應(yīng)用中，例如，建筑照明，汽車頭尾燈，包括個人計(jì)算 機(jī)和高清電視機(jī)在內(nèi)的液晶顯示設(shè)備的背光，及閃光燈等。與如白熾燈和熒光燈之類的 常規(guī)光源相比較，LED具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括高效率、良好的方向性、色彩穩(wěn)定性、高 可靠性、長壽命，小體積、以及環(huán)境安全性。
LED是電流驅(qū)動設(shè)備，并且因而調(diào)節(jié)通過LED的電流是一個重要的控制技術(shù)。 為了從一個直流(DC)電壓源驅(qū)動一個大的LED陣列，經(jīng)常使用諸如升壓或降壓-升壓 功率轉(zhuǎn)換器之類的DC-DC開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，用以為多個LED串提供頂端導(dǎo)軌電壓。在 使用LED背光的液晶顯示器(LCD)應(yīng)用中，控制器經(jīng)常必須要控制多個LED串，其中 每個串具有獨(dú)立的電流設(shè)置?？刂破骼^而能夠獨(dú)立控制LCD不同部分的亮度。此外， 控制器能夠以一種定時的方式開啟或關(guān)閉LCD的不同部分。
圖1示出了一種常規(guī)的LED驅(qū)動器100。LED驅(qū)動器100包括一個連接于DC 輸入電壓Vin與多串LED 102(即，LED通道)之間的升壓DODC功率轉(zhuǎn)換器101。升 壓轉(zhuǎn)換器101的輸出Vboost與每個LED串102的第一個LED的陽極連接。每個LED串 102的最后一個LED的陰極與用于控制串102中的電流的通道控制器115連接。
每個通道控制器115包含一個與線性壓差調(diào)節(jié)器(LDO) 104串聯(lián)的PWM晶體管 103。LDO 104確保LED串102中的峰值電流被調(diào)節(jié)在一個固定的水平。峰值電流水平 一般被設(shè)置為等同于由LDO參照控制器107對于全部LED通道的信號108所指示的數(shù) 值。PWM晶體管103根據(jù)脈寬調(diào)制(PWM)占空比控制LED串102的亮度。每個LED 通道的亮度由根據(jù)設(shè)置的亮度調(diào)整PWM占空比的照度控制器109的照度控制信號111獨(dú) 立地設(shè)置。
在這種常規(guī)配置中，功率在LOD 104中被消耗，以調(diào)節(jié)峰值電流。LED是電流 控制設(shè)備，意味著由它們產(chǎn)生的光通量主要地是一個施加通過它們的電流的函數(shù)。因而 LDO 104確保每個LED通道的亮度都相同，因?yàn)橥ㄟ^每個LED通道的峰值電流都相同。 LDO 104還提供一種降低來自Vboost的升壓電壓波動對LED串102照度的影響的原生供 電排斥。在每個LED通道中，LDO 104的功耗與通過LED串102的電流、PWM占空 比、以及跨越LDO 104的電壓降的乘積成比例。
由于LED之間制造上的差異，用以保持一個特定的電流水平必要的跨越每個 LED串102的電壓降具有相當(dāng)大的差異。為了補(bǔ)償LED串102的不同正向電壓，跨越每 個LDO 104的電壓降是不同的。圖2中的電壓/電流曲線示出了兩個不同LED (LED 1和 LED》的電壓與電流之間的指數(shù)關(guān)系。假設(shè)，比如，LDO參照控制器107將每個LED 通道內(nèi)的峰值電流設(shè)置為40mA，LED 1必須在一個大約3.06伏的正向電壓降運(yùn)行，同時LED2必須在一個大約3J6伏的正向電壓降運(yùn)行。因此，LEDl和LED2的正向電壓降之 間有一個大約0.2伏的不同。假設(shè)在第一 LED串102中有10個具有LEDl特性的LED， 跨越LED串102有一個30.6V的壓降。假設(shè)在第二 LED串102中有10個具有LED2特 性的LED，跨越第二 LED串102有一個32.6V的壓降。2伏的差異將因此被驅(qū)動第二串 的LDO所消耗，使得全部兩個串都運(yùn)行于相同的40mA的峰值電流。消耗的總功率為 80mW。當(dāng)這些功率損失在許多LED通道上擴(kuò)展時，它們可能會變得難以承受。
一種圖1中LED驅(qū)動器100的替代方案為使用各自驅(qū)動一個LED串的電流鏡， 例如，在授予Volk等人的美國專利第6,538,394號中所描述的。然而，這種電流鏡方案 的功率效率低。當(dāng)LED的正向電壓不同時，施加到并聯(lián)的LED串上的Vboost需要高于 跨越具有最高組合正向電壓ZVf的LED串的正向電壓降。在具有低于最高的組合正向電 壓的LED串中有一個電壓差(Vb00St-ZVF)，并且這個電壓差跨越每個電流鏡施加。由 于被電流鏡消耗的功率對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致總效率低下，特別是當(dāng)LED串之間的組合 正向電壓的差別較大時。
第三種常規(guī)方案通過按順序開啟多個LED串中的每一個來運(yùn)行，如授予Bohn等 人的美國專利第6,618,031號中所描述的。但是，這種方案要求來自LED驅(qū)動器的快速 動態(tài)響應(yīng)，并因此迫使功率轉(zhuǎn)換器運(yùn)行于低功率轉(zhuǎn)換效率的深度不連續(xù)模式(DCM)下。
還有另一種方案為運(yùn)行于不使用任何LDO的全數(shù)字式開關(guān)模式，如在由YuHui Chen等人于2008年6月30日申請的美國專利申請第12/164,909號中所描述的。在這種 方案中，一個PWM控制器自動為每個串調(diào)整PWM占空比以補(bǔ)償變化的峰值電流。然 而，這種方案造成LED串之間的LED電流的很大差異并引起LED組件的應(yīng)力及可靠性控 制的問題。另外，這種常規(guī)解決方案不提供任何對于升壓控制器波動的原生供電排斥， 并因此使ADC和數(shù)字信號處理需求復(fù)雜化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式包括一種程序地控制通過一個或多個LED串的電流調(diào)節(jié)的自 適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器。自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器包含功率轉(zhuǎn)換器(例如，升壓 轉(zhuǎn)換器)，其被配置以接收輸入電壓并產(chǎn)生施加于LED串的輸出電壓。與第一 LED串串 接的第一通道開關(guān)(例如，PWM開關(guān))根據(jù)用于第一開關(guān)的第一占空比信號開啟或關(guān)閉 LED串。與第一通道開關(guān)和第一 LED串串接的第一通道調(diào)節(jié)器(例如，低壓差調(diào)節(jié)器) 被配置以接收第一編程的電流水平信號并根據(jù)編程的電流水平信號調(diào)節(jié)經(jīng)過LED串的電 流。照度控制器被配置以產(chǎn)生編程的電流水平信號用以對應(yīng)可編程的電流水平的有限集 合中的一個。照度控制器此外還產(chǎn)生作為編程的電流水平的函數(shù)的用以驅(qū)動通道開關(guān)的 占空比信號。LED驅(qū)動器可以類似地驅(qū)動具有不同電流-電壓特性的另外的LED串。 照度控制器可以為不同LED串設(shè)置不同的編程的電流，并為每個LED串設(shè)置不同的占空 比，以補(bǔ)償LED串之間的電流差異和不同的電流-電壓特性。
有益地，LED驅(qū)動器提供對LED通道之間的相對亮度輸出的精確控制，同時仍 允許通道間的電流差異。通過允許一定的電流差異，LED驅(qū)動器能夠在提供最佳功率效 率的峰值電流上運(yùn)行每個LED通道。與此同時，LED驅(qū)動器將LED通道之間的這些電 流差異限制在預(yù)定義的范圍內(nèi)，從而減少部件應(yīng)力和可靠性問題。
本發(fā)明的實(shí)施方式還包括一種在LED驅(qū)動器的校準(zhǔn)階段為每個LED通道選擇 編程的電流的方法。在校準(zhǔn)方法的一種實(shí)施方式中，電源電壓被首先調(diào)整，使得最弱的 LED通道運(yùn)行于或接近一個理想的基線電流水平。每個LED串的編程的電流水平隨后被 設(shè)置為使LED串在通道電源電壓下能夠保持編程的電流的調(diào)節(jié)的最高可編程電流水平。
在一種實(shí)施方式中，照度控制器使用一個照度傳遞函數(shù)產(chǎn)生用以驅(qū)動LED串的 占空比信號，使得亮度輸出能夠在配置為相同亮度輸入設(shè)置的LED串之間精確匹配。另 外地，照度傳遞函數(shù)可以包括一個溫度補(bǔ)償分量以補(bǔ)償LED通道之間的溫度差異。
本發(fā)明的實(shí)施方式還包括一個采樣與保持電流調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)LED串中的電 流。采樣與保持調(diào)節(jié)器在通道開關(guān)關(guān)閉前對調(diào)節(jié)器傳輸晶體管的柵極電壓采樣并保持此 電壓直到通道開關(guān)重新開啟。采樣與保持調(diào)節(jié)器有利地允許以非常快速的動態(tài)響應(yīng)在極 端的占空比上的PWM控制。
本發(fā)明的實(shí)施方式還包括一個故障保護(hù)電路以檢測開路故障或短路故障。任何 在其中檢測出故障的LED通道都被禁止用于進(jìn)一步運(yùn)行。
本發(fā)明的實(shí)施方式還包括一種制造LED驅(qū)動器的方法。PWM晶體管的導(dǎo)通電 阻值在制造過程中被測量。如果導(dǎo)通電阻值高于一個基線電阻值，那么柵極驅(qū)動電源將 被修整到一個較高的電壓使得測量的電阻值與基線電阻值相匹配。這個過程確保在PWM 開關(guān)晶體管的設(shè)計(jì)中使用最小的硅片面積。
在說明書中描述的特征和優(yōu)點(diǎn)為非全部包含的，并且，尤其是，對本領(lǐng)域中的 一般人員來說，在看過附圖，說明書，及權(quán)利要求后，許多額外的特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易 見。此外，應(yīng)當(dāng)指出，說明書中所使用語言的選擇主要是為了可讀性和指導(dǎo)性的目的， 并且不是為了劃定或限定發(fā)明的主題。


本發(fā)明實(shí)施方式的教義通過考慮隨后的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述能夠被輕易地理解。
圖1為示出一種常規(guī)的多串LED驅(qū)動器的電路示意圖。
圖2為示出制造差異在正向偏置LED的電流-電壓曲線上的影響的圖表。
圖3為示出依照本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的一種自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器的 電路示意圖。
圖4A和圖4B為展示圖4A中常規(guī)模擬LDO LED驅(qū)動器和圖4B中本發(fā)明的自 適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器之間的功率消耗差異的功率損失示意圖。
圖5為示出依照本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的一種自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器的 電路示意圖。
圖6為示出一種典型的LED中電流與光學(xué)照度之間的一種典型的非線性傳遞函 數(shù)的圖表。
圖7為示出一種典型的LED的結(jié)溫度的函數(shù)的典型的光通量密度的溫度降級的 圖表。
圖8為依照本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的采樣與保持LDO的電路示意圖。
圖9為依照本發(fā)明的第四種實(shí)施方式的啟動故障檢測電路的電路示意圖。
具體實(shí)施方式
這些附圖和后續(xù)描述涉及的是僅作為例證的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)該指出 的是，從后續(xù)論述中很容易即可將這里公開的結(jié)構(gòu)和方法的替換實(shí)施方式認(rèn)定成可行的 替換方式，并且這些替換方式是可以在不脫離要求保護(hù)的發(fā)明的原理的情況下使用的。
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的若干實(shí)施方式，其示例則是在附圖中示出的。應(yīng)該指 出的是，只要可行，則可以在附圖中使用相似或相同的參考數(shù)字，并且這些參考數(shù)字可 以指示相似或相同的功能。這些附圖僅僅是出于例證目的來對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描 述的。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易從后續(xù)描述中認(rèn)識到，在不脫離這里描述的發(fā)明原理的情 況下，這里描述的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施例同樣是可以使用的。
一般地，自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器根據(jù)不同的實(shí)施方式智能地驅(qū)動多個LED 串。LED驅(qū)動器從允許電流的有限集合中為每個LED通道確定一個最佳電流水平。LED 驅(qū)動器隨后確定一個用以驅(qū)動在每個LED通道中LED的PWM占空比，以補(bǔ)償每個LED 通道之間的電流差異并在LED通道的相對亮度輸出上保持控制。有益地，LED驅(qū)動器最 小化驅(qū)動每個LED串的LDO電路中的功耗，同時還確保在每個LED串中的電流被保持 在一個固定的范圍內(nèi)。
LED驅(qū)動器架構(gòu)
圖3為自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器300的第一種實(shí)施方式的電路示意圖。此實(shí)施 方式包括驅(qū)動一個或更多并聯(lián)的LED通道的升壓轉(zhuǎn)換器301。在每個LED通道中，LED 串302與一個用于調(diào)節(jié)經(jīng)過LED串302的電流的LDO 304串接。LED串302與LDO 304 還共同的串接到用于控制LED串302中LED的接通時間和關(guān)閉時間的PWM開關(guān)Qp (例 如，一個NMOS晶體管)。照度控制器310通過經(jīng)由控制信號308控制PWM開關(guān)QP， 并經(jīng)由控制信號309與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 307控制LDO 304，來獨(dú)立控制每個LED通道 的照度輸出。LDO 304經(jīng)由復(fù)用器311和ADC313輸出反饋控制信號315至照度控制器 310。照度控制器310還輸出控制信號314至升壓轉(zhuǎn)換器301用以控制Vboost電壓312。 盡管圖3只示出三個LED通道，LED驅(qū)動器300可以包括任何數(shù)量的LED串302及其相 應(yīng)的控制/調(diào)節(jié)電路。
升壓轉(zhuǎn)換器
升壓轉(zhuǎn)換器301接收輸入電壓Vin并為LED串302提供調(diào)節(jié)的功率。在一種實(shí) 施方式中，升壓轉(zhuǎn)換器301包括電感器Li、二極管D1、電容器Cl、開關(guān)QB(例如，一 個NMOS晶體管)、電阻器Rl、R2、以及升壓控制器316。升壓控制器316控制開關(guān)Qb 的占空比。來自電源電壓Vin的輸入功率在由于二極管Dl變?yōu)榉聪蚱枚归_關(guān)Qb打 開時被存儲于電感器Li。輸入功率在由于二極管Dl變?yōu)檎蚱枚归_關(guān)Qb關(guān)閉時被 傳遞到跨越電容器Cl的Vboost。
輸出電壓Vboost被施加到LED串302以提供通過LED的電流。升壓控制器 316經(jīng)由包含電阻器Rl和R2的電壓分壓器感測Vboost并控制( 的打開和關(guān)閉以調(diào)節(jié) Vboost0升壓控制器316可以采用多種公知的調(diào)制技術(shù)中的任意一種，比如脈沖寬度調(diào) 制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)，以控制開關(guān)Qb的開啟和關(guān)閉狀態(tài)及占空比。PWM 和PFM為用于通過控制驅(qū)動開關(guān)Qb的輸出驅(qū)動脈沖的相應(yīng)的寬度或頻率，以實(shí)現(xiàn)輸出8功率調(diào)節(jié)，而控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的常規(guī)技術(shù)。這個反饋回路允許升壓轉(zhuǎn)換器301保持 Vboost在一個由升壓控制器316設(shè)置的編程的水平。
線件壓差調(diào)節(jié)器(LDO)
LDO 304根據(jù)每個LED通道的編程的電流水平調(diào)節(jié)通過LED串302的電流。每 個LDO 304包括運(yùn)算放大器(op-amp) 306、感測電阻器Rs、以及傳輸晶體管Ql (例如， 一個NMOS晶體管)。傳輸晶體管W和感測電阻器Rs在PWM開關(guān)( 與一個接地端 子之間串接。op-amp306的輸出被連接到傳輸晶體管C^的柵極以控制通過LD0304的電 流。0p_amp306接收來自DAC307的正輸入信號Vref以及經(jīng)由源自傳輸晶體管Ql的源 極的負(fù)反饋回路接收負(fù)輸入信號Vsense。
LDO 304包括經(jīng)由Vsense感測通過LED串的電流并控制傳輸晶體管C^以保持 感測的電流在由Vref設(shè)置的編程的電流水平的反饋回路。0p-amp306將Vref與Vsense 進(jìn)行比較。如果Vref高于Vsense，那么Op-amp306增大施加到傳輸晶體管C^的柵極電 壓，增大通過感測電阻器Rs和LED串302的電流直至其穩(wěn)定在Vref。如果Vsense變得 高于Vref，那么op-amp306降低施加到傳輸晶體管仏的柵極電壓，減小通過&的電流并 導(dǎo)致Vsense下降直至其穩(wěn)定在Vref。由此，LDO 304使用一個反饋回路以將Vsense保 持在Vref，從而將通過LED串302的電流保持在一個與Vref成比例的固定數(shù)值。
照度控制器與控制邏輯
照度控制器310監(jiān)控每個LED通道的特征并設(shè)置峰值電流和PWM占空比以保 持LED通道之間的亮度匹配并優(yōu)化功率效率。照度控制器310輸出控制信號308、309、 318、314以控制相應(yīng)的LDO 304、PWM開關(guān)QP、復(fù)用器311、以及升壓轉(zhuǎn)換器301。照 度控制器310還接收來自LD0304的反饋信號315以及一個亮度控制輸入317。
控制信號309數(shù)字地設(shè)置提供設(shè)置通過LED串302的編程的電流的模擬參考電 壓Vref的DAC307輸出。在一種實(shí)施方式中，控制信號309為允許8種可能的可編程電 流的3位DAC字。例如，在一種實(shí)施方式中每個LED通道的電流能夠以2mA的增量在 40mA到54mA的范圍內(nèi)設(shè)置。如將在下面描述的，照度控制器310在校準(zhǔn)階段期間為每 個LED通道確定編程的電流。DAC307的精度能夠達(dá)到優(yōu)于10位以在LED通道之間提 供非常好的匹配。照度控制器310獨(dú)立地控制每個LED通道使得不同的LED通道能夠 針對不同的編程的電流而配置。
控制信號308根據(jù)LED通道的PWM占空比數(shù)字地控制每個LED通道的PWM 開關(guān)QP。照度控制器310在如將在以下描述的校準(zhǔn)階段為每個LED通道確定作為編程的 電流的函數(shù)的PWM占空比。照度控制器310獨(dú)立地控制每個LED通道的占空比，使得 不同的LED通道能夠以不同的PWM占空比而配置。對于一個給定的LED通道，PWM 占空比與編程的電流共同確定LED通道中LED的亮度輸出。
控制信號318控制復(fù)用器311的開關(guān)。照度控制器310通過開關(guān)復(fù)用器311的 選擇線318，經(jīng)由ADC313按順序監(jiān)控來自不同LED通道的反饋信號。在下面更詳細(xì)的 描述照度控制器310在校準(zhǔn)階段使用來自復(fù)用器311的反饋信號315。
控制信號314控制在如下所述的校準(zhǔn)階段設(shè)置電源電壓Vboost的升壓控制器 316?？刂菩盘?14能夠以任何幾種常規(guī)方式設(shè)置Vboost，比如，通過在反饋電阻器Rl、 R2的結(jié)加入一個電流，或者通過發(fā)送一個造成升壓控制器316內(nèi)部的參照發(fā)生改變的數(shù)字消息。
照度控制器310接收指定每個通道η的相對亮度輸入BIn的外部亮度輸入317。 在一種實(shí)施方式中，亮度輸入BIn將每個LED通道η的理想的相對亮度表達(dá)為一個預(yù)定義 的最高亮度的百分比(例如，BI1 = 60%，BI2 = 80%, BI3 =100%,等)。照度控制 器310使用亮度輸入BIn作為通道的基線占空比，因?yàn)橐粋€通道的亮度輸出與它的占空比 成正比。因而，例如，一個60%的亮度輸入81 表示通道η的為最高占空比(對應(yīng)于最 高亮度)60%的基線占空比。但是，照度控制器310在產(chǎn)生驅(qū)動PWM開關(guān)Qp的占空比 信號308時以一個補(bǔ)償因子修改這個基線占空比，以補(bǔ)償已知的LED通道之間的電流差 異并保持理想的相對亮度。這個補(bǔ)償因子及其產(chǎn)生的占空比信號308在以下所述的校準(zhǔn) 階段中被確定。
照度控制器校準(zhǔn)階段
照度控制器310在開始運(yùn)行之初(例如，啟動后不久)進(jìn)入校準(zhǔn)階段，以確定每 個LED通道的峰值電流和PWM占空比。每個LED通道被獨(dú)立地設(shè)置以補(bǔ)償LED串302 之間的制造差異并保持由外部亮度輸入317設(shè)置的LED通道間的相對亮度輸出。因而， 照度控制器310確保被配置以相同亮度輸入的通道具有基本匹配的亮度輸出。
在校準(zhǔn)階段的一種實(shí)施方式中，照度控制器310最初將每個LED通道的DAC 307設(shè)置到它們的最大可能水平。Vboost隨后被遞增地增高(經(jīng)由控制信號314)直到全 部LED通道運(yùn)行在等于或高于一個預(yù)定義的主電流水平Iset (例如，Iset = 40mA)。最弱 的通道(即，具有最大的跨越LED串302的正向電壓降的LED通道)將于或接近于Iset 運(yùn)行，同時由于LED串302的不同的電流-電壓特性，其它通道可運(yùn)行于更高的電流水 平。照度控制器310繼而挨個校準(zhǔn)每個LED通道。對于每個通道的校準(zhǔn)，照度控制器 310配置復(fù)用器311以選擇LED通道，并且ADC 313對所選擇的LED通道的電流進(jìn)行采 樣(經(jīng)由Vsense)。照度控制器310將感測到的電流舍入(即，量化)到可以由DAC 307 編程的最接近的可能的電流水平(例如，8種可能的可編程電流之一)并將通道η的量化 電流水平作為In存儲。電流In將對應(yīng)于LED通道η在電源電壓Vboost下能夠保持的可 能的可編程電流中最高的電流。這個校準(zhǔn)階段被重復(fù)，用以為每個LED通道η確定一個 編程的電流水平Ιη。在校準(zhǔn)之后的正常運(yùn)行中，每個LED通道η被設(shè)置于確定的編程的 電流In。
這個校準(zhǔn)過程一般確保每個LDO 304運(yùn)行在低于但接近于每個LDO 304的飽和 點(diǎn)，以得到最佳的功率效率。在最壞情況下的實(shí)例中，當(dāng)飽和電流高于最高DAC設(shè)置 時，LDO 304將會飽和運(yùn)行在盡量接近LDO 304的飽和區(qū)域與三極管之間的介面點(diǎn)。
基于為每個LED通道η確定的編程的電流水平Ιη，照度控制器310用以下等式 為每個LED通道η確定一個PWM占空比(PWM_outn)/ Wf
PWM ^omtl-=- Bln--(1).L
其中BIn是代表為通道η設(shè)置的理想相對亮度的基線占空比，Iset是預(yù)定義的主Iset電流水平。等式(1)以補(bǔ)償因子縮放此基線占空比以補(bǔ)償通道之間的電流差異并保1 η持理想的相對亮度。在正常運(yùn)行中，照度控制器根據(jù)通道η的PWM_outn，經(jīng)由控制信號308驅(qū)動PWM開關(guān)Qp。
現(xiàn)在提供一個例子來進(jìn)一步演示照度控制器310的運(yùn)作。在這個例子中，PWM 亮度輸入317將每個通道η的相對亮度BIn設(shè)置在60 %亮度并將主電流設(shè)置Iset置于 40mA。在以上所述的校準(zhǔn)階段期間，照度控制器310為每個LED通道確定編程的電流 水平并經(jīng)由控制信號309和DAC 307設(shè)置編程的電流水平。在這個例子中，照度控制器 310將第一 LED通道設(shè)置至電流水平I1 = 46mA，第二 LED通道至電流水平[2 = 40mA 以及第三LED通道至電流水平I3 = 42mA,使得每個LED通道工作在接近但低于它們的 飽和點(diǎn)。如下地，照度控制器310將等式(1)應(yīng)用到編程的電流水平用以為每個LED通 道η確定占空比PWM_outn Zvf/40 w 4
PWM — m", 二 BI1 — = 60%-52.2% (2)Z146/λ4
PWM」職=Bh —= 60 ^^-=60%(3)一-I240mA
PWM — out, = Bli — = 60% = 57.1 % (4)‘ ‘Ii42 mA
由此，校準(zhǔn)過程為每個LED通道η確定電流In以及占空比PWM_outn。有利地， 每個LED通道將會具有相同的平均電流(PWM_outnXIn = 24mA)。因此，觀察到的每 個LED通道的亮度將會被很好地匹配，因?yàn)榱炼容敵雠c通過LED通道的平均電流密切相關(guān)。
如果不同通道η的相對亮度輸入BIn被不同地設(shè)置，那么等式(1)確保不同通道 之間的平均電流比例與亮度輸入之間的比例相匹配。例如，如果第四通道被配置以亮度 輸入W4 = 75%并且第五通道被配置以亮度輸入BI5 = 25%,那么照度控制器310校準(zhǔn)通 道使得第四和第五通道之間的平均電流之比為3 1。
圖4Α和圖4Β示出了圖1中的傳統(tǒng)的基于LDO的LED驅(qū)動器100與本發(fā)明中 的自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器300的功率損耗的區(qū)別。在圖4A中的第一 LED通道401 中，Vboost被調(diào)節(jié)到35.5伏以獲得通過LED通道401的40mA的電流。LDO晶體管415 壓降0.2伏并且PWM晶體管413壓降0.1伏。LED串411在40mA時具有35.0伏的電壓 降。在第二 LED通道402中，由于第一 LED通道401中的LED串411與第二 LED通道 402中的LED串421間的制造上的差異，LED串421具有34.0伏的電壓降。使用傳統(tǒng) 的LDO方案，LDO 425壓降額外的總共1.2伏。使用傳統(tǒng)LDO方案的在第二 LED通道 402中的PWM晶體管423、LDO晶體管425、以及感測電阻器427的總功耗為60mW。 這些浪費(fèi)的功率在多串LED驅(qū)動器中導(dǎo)致不期望的發(fā)熱。
在圖4B中的第三LED通道403示出本發(fā)明的自適應(yīng)方案的益處。假設(shè)第三LED 通道403中的LED串431的特性同第二 LED通道402中的LED串421相一致。然而， 這個LED通道403卻使用本發(fā)明的自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器300驅(qū)動。使用如上所 述的校準(zhǔn)過程，照度控制器310將把第三LED通道403中的電流設(shè)置到48mA使得LDO 調(diào)節(jié)器運(yùn)行于接近但低于飽和點(diǎn)?？缭絃DO晶體管435、PWM晶體管423、以及感測 電阻器427有一個與增大的電流成比例的增大的電壓降。應(yīng)用等式(1)，PWM占空比被 調(diào)節(jié)到83%。使用本發(fā)明的自適應(yīng)方案，PWM晶體管433、LDO晶體管435、以及感11測電阻器437的總功耗僅為^.8mW。因此，LED驅(qū)動器300相對于傳統(tǒng)LDO驅(qū)動器 100對功率效率產(chǎn)生重大的改善。LED驅(qū)動器300還提供了優(yōu)于以上所參照的、在Yuhui Chen等的美國專利申請第12/164,909號中所描述的全數(shù)字化開關(guān)方案的益處，因?yàn)檎斩?控制器310只允許可能的通道電流的有限范圍。這消除了由LED通道之間電流的寬動態(tài) 范圍造成的部件應(yīng)力與可靠性問題。
LDO驅(qū)動器的替代實(shí)施方式
圖5示出自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器500的第二種實(shí)施方式。LED驅(qū)動器500 類似于以上所述圖3中的LED驅(qū)動器300，但包含修改過的LDO 504并缺省ADC 313。 LDO 504在一個類似于以上所述LDO 304的LDO配置中包括op_amp 306，傳輸晶體管 Ql,以及感測電阻器R_s。然而，LDO 504另外包括一個將op-amp 306的輸出551與一個 參照電壓553相比較，并輸出產(chǎn)生的信號至復(fù)用器311的比較器506。在其它替代實(shí)施方 式中，到比較器506的輸入551可以與LDO晶體管C^的漏極或源極，而不是與op_amp 306的輸出相連接。
在圖5中的實(shí)施方式中，照度控制器310應(yīng)用一個修改過的校準(zhǔn)過程為每個LED 通道確定編程的電流1 和占空比PWM_outn。在校準(zhǔn)階段期間，DAC 307全部被初始化 到它們的最低水平。Vboost接著由控制信號314遞增地提高直到LED通道全部運(yùn)行于或 高于理想的Iset水平。當(dāng)Vboost達(dá)到合適的水平，照度控制器310為每個LED通道按 從它們的最低水平到它們的最高水平排列DAC 307并經(jīng)由復(fù)用器311監(jiān)控來自比較器506 的輸出。當(dāng)DAC輸出對于使LDO 504保持電流在編程水平而言過高時，比較器506的 輸出傾斜上升并超過一個閾值電壓陽3。照度控制器310將閾值電壓553被超過之前各 LED通道的最高的可能DAC設(shè)置存儲為LED通道η的電流水平Ιη。
圖5的實(shí)施方式具有確保每個LD0504在不必進(jìn)入深度飽和的情況下運(yùn)行于盡可 能接近三極管與飽和區(qū)域的介面點(diǎn)的益處。這保證了在每個LD0504中最小的功耗同時 仍然保持精確調(diào)節(jié)。在校準(zhǔn)之后，LED驅(qū)動器500以與圖3中的LED驅(qū)動器300等同的 方式運(yùn)行。
發(fā)光傳遞函數(shù)補(bǔ)償
在一個替換的實(shí)施方式中，照度控制器310應(yīng)用等式(1)的一個修改的版本以考 慮光通量與LED的正向電流之間關(guān)系的非線性。圖6為一個正向?qū)ǖ腖ED所發(fā)出的 作為電流的函數(shù)的相對光通量的圖表。圖表示出當(dāng)正向電流增加時光學(xué)效率的下降，以 及其引起斜度的略微減小。在一種實(shí)施方式中，照度控制器310使用一個以下形式的二 階多項(xiàng)式模擬照度傳遞函數(shù)
lum(x) = c2x2+c!x+c0(5)
其中(ν C1,和( 是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。在這種實(shí)施方式中，照度控制器310應(yīng) 用以下的補(bǔ)償?shù)仁接靡詾槊總€LED通道η確定PWM_outn
PWM — = Bi,”側(cè)(fg()(6)IumxIn J
相對于上面的將LED通道之間的平均電流的比例與亮度輸入BIn的比例相匹配的 等式(1)相反，等式(6)將一個LED通道的相對光通量設(shè)置為與相對亮度BIn成比例。 這提供對LED通道之間的相對亮度輸出的更精確的保持。由此，以相同亮度輸入配置的LED通道將具有基本上相同的亮度輸出。
在一種實(shí)施方式中，照度控制器310在校準(zhǔn)階段期間為每個LED通道η估算比 Ititni Isst^)例lum{l )，并在存儲器中保存結(jié)果。在實(shí)時運(yùn)行中，每當(dāng)亮度輸入317被更新時，照度控制器310只需要執(zhí)行等式(6)中那個其余的乘法運(yùn)算。在一種實(shí)施方式中，照度控制 器310包括一個被每個LED通道共享的單獨(dú)的數(shù)字邏輯乘法器/除法器運(yùn)算單元。在這 種實(shí)施方式中，等式(6)被依次運(yùn)用于每個LED通道。有益地，這個乘法器/除法器可 以針對大小而不是速度進(jìn)行優(yōu)化，從而降低實(shí)施成本。
溫度補(bǔ)償
在另一種替代實(shí)施方式中，照度控制器310應(yīng)用一個另外對LED通道間的溫度 差異提供補(bǔ)償?shù)牡仁?1)的不同的修改版本。圖7為從具有55mA正向電流的正向偏置 LED發(fā)射的相對光通量密度作為結(jié)溫度的函數(shù)的圖表。圖表示出當(dāng)LED的結(jié)溫度從25攝 氏度上升到85攝氏度時照度有約12%的下降。這個降低基本上是溫度的線性函數(shù)。由 此，在一種實(shí)施方式中照度控制器310應(yīng)用以下的等式以確定每個LED通道η的PWM_OUtn
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動一個或更多LED串的發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器，該LED驅(qū)動器包括功率轉(zhuǎn)換器，被配置用以接收輸入電壓并產(chǎn)生應(yīng)用在第一 LED串的輸出電壓； 第一通道開關(guān)，被配置用以根據(jù)應(yīng)用在第一通道開關(guān)的第一占空比信號開啟或關(guān)閉 第一 LED串；第一通道調(diào)節(jié)器，被配置用以接收第一編程的電流水平信號并基于第一編程的電流 水平信號調(diào)節(jié)通過第一 LED串的電流；以及照度控制器，被配置用以為第一 LED串產(chǎn)生對應(yīng)于可編程電流水平的有限集合之一 的第一編程的電流水平信號，并產(chǎn)生作為第一編程的電流水平信號的函數(shù)的用以驅(qū)動第 一通道開關(guān)的第一占空比信號。
2.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中第一通道開關(guān)與第一LED串串接。
3.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中第一通道開關(guān)在第一通道調(diào)節(jié)器和第一LED串 之間串接。
4.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中照度控制器產(chǎn)生使得通過第一LED串的電流能 夠在應(yīng)用于第一 LED串的輸出電壓下，由第一通道調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的可編程的電流水平的有 限集合中的最高一個的第一編程的電流水平。
5.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中產(chǎn)生第一占空比信號包括 確定第一編程的電流水平信號與基線電流水平的比例；以及將此比例與基線占空比相乘。
6.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，進(jìn)一步包括第二通道開關(guān)，被配置用以根據(jù)應(yīng)用在第二通道開關(guān)的第二占空比信號開啟或關(guān)閉 第二 LED串，第二 LED串具有與第一 LED串不同的電流-電壓特性；第二通道調(diào)節(jié)器，被配置用以接收來自照度控制器的第二編程的電流水平信號并基 于第二編程的電流水平信號而調(diào)節(jié)通過第二 LED串的電流，其中第一和第二編程的電流 水平信號對應(yīng)于不同的編程的電流水平；并且其中照度控制器被進(jìn)一步配置用以為第二 LED串產(chǎn)生對應(yīng)于可編程的電流水平的有 限集合中的另外一個的第二編程的電流水平信號，并確定作為第二編程的電流水平信號 的函數(shù)的用以驅(qū)動第二通道開關(guān)的第二占空比信號。
7.權(quán)利要求6中的LED驅(qū)動器，其中第一和第二LED串根據(jù)不同的編程電流水平以 及不同的占空比被開啟和關(guān)閉，但是具有基本相同的平均電流水平。
8.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中第一通道調(diào)節(jié)器包括 傳輸晶體管，與第一 LED串和第一通道開關(guān)串接；以及反饋回路，被配置用以感測通過第一 LED串的電流，將感測到的電流與一個模擬電 流參照進(jìn)行比較，并響應(yīng)于感測到的電流超過模擬電流參照，控制傳輸晶體管以降低感 測到的電流。
9.權(quán)利要求8中的LED驅(qū)動器，其中反饋回路包括 感測電阻器，與傳輸晶體管的源極串接；以及運(yùn)算放大器，具有一個與傳輸晶體管的源極連接的負(fù)輸入端子，一個連接以接收模 擬電流參照的正輸入端子，以及一個與傳輸晶體管的柵極連接的輸出端子。
10.權(quán)利要求9中的LED驅(qū)動器，進(jìn)一步包括比較器，被配置用以將運(yùn)算放大器的輸出與一個參照電壓進(jìn)行比較，以檢測感測到 的電流何時超過編程的電流水平信號并輸出一個比較信號至照度控制器。
11.權(quán)利要求10中的LED驅(qū)動器，其中響應(yīng)于比較信號指示在校準(zhǔn)后的LED驅(qū)動器 的正常運(yùn)行中感測到的電流超過編程的電流水平信號，照度控制器確定在第一 LED串中 的一個LED與地電位短路。
12.權(quán)利要求9中的LED驅(qū)動器，其中第一通道調(diào)節(jié)器包括一個采樣與保持調(diào)節(jié)器， 其包括第一采樣與保持部件用以在第一通道開關(guān)關(guān)閉之前對運(yùn)算放大器的輸出電壓采樣， 并保持此輸出電壓直到第一通道開關(guān)重新開啟；以及第二采樣與保持部件用以在第一通道開關(guān)關(guān)閉之前對運(yùn)算放大器的一個負(fù)輸入端子 電壓采樣，并保持此被采樣的負(fù)輸入端子電壓直到第一通道開關(guān)重新打開。
13.權(quán)利要求8中的LED驅(qū)動器，進(jìn)一步包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，被配置用以接收來自照度控制器的數(shù)字形式的編程的電流水平 信號并輸出模擬電流參照至第一通道調(diào)節(jié)器。
14.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，進(jìn)一步包括反饋路徑，將來自第一通道調(diào)節(jié)器的代表通過第一通道調(diào)節(jié)器的感測到的電流的反 饋信號傳輸?shù)秸斩瓤刂破鳎渲姓斩瓤刂破鞑糠值鼗诜答佇盘柈a(chǎn)生第一編程的電流水平信號。
15.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中照度控制器產(chǎn)生作為第一編程的電流水平信號 的函數(shù)的第一占空比信號，使得被配置為相同的相對亮度的一個或多個LED串中每個之 間的平均電流基本匹配。
16.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，其中照度控制器部分地基于一個照度傳遞函數(shù)確定 作為第一編程的電流水平信號的函數(shù)的第一占空比信號，使得光通量在被配置為相同的 相對亮度的LED串的至少一些中基本匹配。
17.權(quán)利要求16中的LED驅(qū)動器，其中照度控制器進(jìn)一步包括一個接收溫度測量的 溫度輸入，并且其中照度傳遞函數(shù)包含一個溫度補(bǔ)償函數(shù)用以補(bǔ)償一個或多個LED串之 間的溫度差異。
18.權(quán)利要求1中的LED驅(qū)動器，進(jìn)一步包括一個故障檢測電路，用于檢測在一個 或多個LED串中的開路電路和短路電路中的至少一個，并響應(yīng)檢測到開路電路或短路電 路，關(guān)閉第一通道開關(guān)以禁用第一 LED串。
19.權(quán)利要求18中的LED驅(qū)動器，其中故障檢測電路包括第一電流源，用于在短路電路檢測測試中為第一通道調(diào)節(jié)器提供第一測試電流；第一比較器，將第一通道調(diào)節(jié)器的一個測試點(diǎn)電壓與一個短路閾值電壓相比較，其 中比較器響應(yīng)測試電壓超過短路閾值電壓指示出短路電路；第二電流源，用于在開路電路檢測測試中從第一通道調(diào)節(jié)器拉出第二測試電流；第二比較器，用于將測試點(diǎn)電壓與一個開路電路閾值電壓相比較，其中第二比較器 響應(yīng)測試點(diǎn)電壓跌落至開路電路閾值電壓以下的情況指示出開路電路。
20.一種驅(qū)動來自一個或多個LED串集合的第一 LED串的方法，此方法包括從可編程的電流水平的有限集合中為第一 LED串選擇第一編程的電流水平； 根據(jù)第一編程的電流水平調(diào)節(jié)通過第一 LED串的電流；確定作為第一編程的電流水平的函數(shù)的用以開關(guān)第一 LED串的第一占空比；以及 根據(jù)第一占空比開啟或關(guān)閉LED串。
21.權(quán)利要求20中的方法，其中為第一LED串選擇第一編程的電流水平包括 調(diào)整到一個或多個LED串的電源電壓使得一個或多個LED串中最弱的一個串運(yùn)行在一個基線電流；并且為第一LED串選擇第一編程的電流水平，其對應(yīng)于第一LED串能夠 保持對編程的電流水平的調(diào)節(jié)的最高的可編程電流水平。
22.權(quán)利要求20中的方法，其中為第一LED串選擇第一編程的電流水平包括配置一個或多個LED串中的每一個以運(yùn)行于可編程電流水平的集合中的最大電流； 調(diào)整到一個或多個LED串的電源電壓使得一個或多個LED串中的每一個運(yùn)行于或高 于一個基線電流；對一個感測到的通過第一 LED串的電流采樣；將感測到的電流舍入到可編程電流水平集合中最接近的一個；以及保存這可編程電流水平集合中最接近的一個。
23.權(quán)利要求20中的方法，其中選擇編程的電流水平包括配置一個或多個LED串中的每一個以運(yùn)行于可編程的電流水平集合中的最低電流； 調(diào)整到一個或多個LED串的電源電壓使得一個或多個LED串中的每一個運(yùn)行于或高 于一個基線電流；監(jiān)控指示調(diào)節(jié)第一 LED串的調(diào)節(jié)器是否運(yùn)行于飽和狀態(tài)的反饋信號； 響應(yīng)反饋信號指示調(diào)節(jié)器運(yùn)行于飽和狀態(tài)，為第一 LED串提高編程的電流水平；以及保存調(diào)節(jié)器在其下運(yùn)行于飽和狀態(tài)的最高的編程的電流水平。
24.權(quán)利要求20中的方法，其中確定用以開關(guān)第一LED串的第一占空比包括 確定第一占空比，使得通過一個或多個被配置為相同的相對亮度的LED串中的每一個的平均電流基本匹配。
25.權(quán)利要求20中的方法，其中確定用以開關(guān)第一LED串的第一占空比包括 部分地基于一個照度傳遞函數(shù)確定第一占空比，使得從一個或多個被配置為相同的相對亮度的LED串中的每一個所輸出的光通量基本匹配。
26.權(quán)利要求25中的方法，其中照度傳遞函數(shù)包含一個溫度補(bǔ)償函數(shù)用以補(bǔ)償一個或 多個LED中的每一個之間的溫度差異。
27.—種制造LED驅(qū)動器的方法，包括一個或多個LED串的LED驅(qū)動器包含第一 LED串以及一個用于驅(qū)動LED串的通道開關(guān)，該方法包括在自動測試設(shè)備(ATE)測試階段測量通道開關(guān)的開啟電阻；以及 將測量到的第一通道開關(guān)的開啟電阻與在制造第一通道開關(guān)時所使用的工藝條件 下的目標(biāo)電阻以及一個基線電源電壓相比較，其中響應(yīng)于測量到的開啟電阻超過目標(biāo)電 阻，提高用于驅(qū)動第一通道開關(guān)的柵極的柵極驅(qū)動電壓。
全文摘要
自適應(yīng)開關(guān)模式LED驅(qū)動器提供一種智能的方案以驅(qū)動多個LED串。LED驅(qū)動器從允許電流的有限集合中為每個LED通道確定一個最佳電流水平。LDO驅(qū)動器隨后確定驅(qū)動在每個LED通道中LED的一個PWM占空比用以在LED通道中提供精確的亮度控制。有益地，LED驅(qū)動器最小化在驅(qū)動每個LED串的LDO電路中的功耗，同時還確保每個LED串中的電流被保持在一個有限的范圍內(nèi)。一個采樣與保持LDO允許以非常快速的動態(tài)響應(yīng)對極端占空比進(jìn)行PWM控制。此外，故障保護(hù)電路確保LED驅(qū)動器的無故障啟動和運(yùn)行。
文檔編號H05B37/02GK102026442SQ20101016050
公開日2011年4月20日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者J·W·克斯特森, 蘭茂豐, 張玉成, 李揚(yáng), 潘正宏, 王曉艷, 金學(xué)成 申請人:艾沃特有限公司