发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器

摘要

本发明提供一种发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器。其中电压反馈电路耦接至发光二极管以感测电压反馈信号，用以产生电压环路信号。电流源耦接至发光二极管以控制发光二极管电流。检测电路经连接以感测电流源的电压，用以响应电流源的最小电压而产生电流源环路信号。此外，缓冲电路根据电压环路信号和电流源环路信号来产生反馈信号。此反馈信号耦接以限制发光二极管的最大电压以及调整电流源两端的最小电压。本发明的控制器及驱动器可以降低功率损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(light emission diode，LED)驱动器，尤其涉及一种发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器。

背景技术

发光二极管驱动器根据其特性来控制发光二极管的亮度。发光二极管驱动器用来控制流经发光二极管的电流。较大的电流会增加亮度，但也会缩短发光二极管的使用寿命。图1所示是一种传统发光二极管驱动器。此发光二极管驱动器的输出电压V_O经调节以提供流经电阻器79至发光二极管71～75的电流I_LED。此电流I_LED可表示为：

$I_{\mathrm{LED}}=\frac{V_O-V_{F71}-..-V_{F75}}{R_{79}}---\left(1\right)$

其中，V_F71～V_F75分别为发光二极管71～75的正向电压，R₇₉是电阻器79的电阻。

图1所示的发光二极管驱动器的缺点在于电流I_LED变化不定。电流I_LED随着正向电压V_F71～V_F75的变化而变化。正向电压V_F71～V_F75之所以不恒定要归因于生产运行温度的变化。通常，发光二极管的正向电压会随着运行温度升高而降低。发光二极管正向电压的温度系数约为-2.5mV/℃。若发光二极管在-40℃至+70℃的温度下运行，那么发光二极管正向电压的变化将会在0.275V左右。当温度升高时，发光二极管电流I_LED会增大。若将电阻器79换成恒流源，问题依然存在。例如，若将30个发光二极管串联起来，则当温度从-40℃变成+70℃时，此恒流源的压降会大于8V。这会造成重大的功率损耗，且在电流源上产生热量。

发明内容

本发明的目的是提供一种发光二极管驱动器用控制器及发光二极管驱动器，可以调节发光二极管电流与电流源电压以节省功率损耗。

本发明提供一种发光二极管驱动器用控制器，其包括：电压反馈电路，耦接(coupled)至发光二极管，以感测电压反馈信号，用以产生电压环路信号；电流源，耦接至发光二极管以控制发光二极管电流；检测电路，耦接以感测电流源的电压，用以响应电流源的最小电压而产生电流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据电压环路信号和电流源环路信号来产生反馈信号。其中所述电压反馈信号与发光二极管两端的最大供电电压相关联，所述反馈信号耦接以限制发光二极管的最大电压以及控制电流源两端的最小电压。

本发明还提供一种发光二极管驱动器，其包括：电流源，耦接至发光二极管以控制发光二极管电流；检测电路，耦接以感测所述电流源的电压，用以响应所述电流源的最小电压而产生电流源环路信号；以及缓冲电路，用于根据所述电流源环路信号来产生反馈信号。其中所述反馈信号耦接以控制所述电流源两端的所述最小电压。

通过采用上述电路结构的驱动控制，发光二极管电流和电流源电压的过大波动得以有效的调节，使得发光二极管具有更长的使用寿命，同时也节省了电路的功率损耗。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并结合附图详细说明如后。

附图说明

提供附图的目的是为了深入了解本发明，这些附图被并入本说明书，且构成本说明书的一部分。这些图举例说明了本发明的实施例，并结合文字说明一起阐述本发明的原理。

图1是一种传统的发光二极管驱动器的结构示意图。

图2是本发明提供的一种发光二极管驱动器的较佳实施例电路图。

图3是切换控制器的详细电路图。

图4是本发明中控制器的电路图。

图5是本发明中电流源构件的较佳电路图。

图6是本发明中取样保持电路的电路图。

图7是取样保持电路的信号波形图。

图8是信号产生电路的较佳实施例图。

图9是本发明中反馈电路的电路图。

图10A与图10B是跨导运算放大器的电路图。

图11是本发明中参考信号产生电路的较佳实施例图。

图12是本发明中保护电路的较佳实施例图。

主要元件符号说明：

10：变压器；            20：功率晶体管；

35：光耦合器；          40：整流器；

50：切换控制器；        51：振荡器；

53：触发器；            54、726、840：“与”门；

55：比较器；            71～75、81～85：发光二极管；

92：电平位移晶体管；    95：控制器；

100：反馈电路；         137、352、621、631：开关；

300：取样保持电路；     310～319：电压钳制晶体管；

320～329：取样开关；    330～339：保持电容器；

351：齐纳二极管；       353、737：反相器；

510～550：电流源构件；        512：运算放大器；

600：参考信号产生电路；       680：缓冲放大器；

700：信号产生电路；           736、820：“或”门；

810～815：比较器；            850：触发器；

30、79、89、91、93、94、283、515、530、691、692：电阻器；

45、281、650、725、735、830、910：电容器；

52、139、623、705、821：反相器；

110、150、160、120～129、615、625：运算放大器；

130、135、140、180、250、350、511、610、620、630、670、720、

730、823、I₁～I_N：电流源；

211、212、220、225、230、235、240、251、252、253、260、

265、270、275、280、290、520、640、721、731、825：晶体管；

C_OMI：电流源环路信号；        I₁₃₅、I_LED：电流；

R₆₁、R₆₂、R₇₉：电阻；         S₁～S_N：电流源信号；

S_CNT、X_CNT、Y_CNT：控制信号；  S_D：反馈信号；

S_F：故障信号；                S_V：电压反馈信号；

T_D1、T_D2：延迟时间；          V_A：衰减信号；

V_C：切换电流信号；            V_DD：电压源；

V_F71～V_F75：正向电压；        V_FB：反馈电压；

V_O：电压源；                  V_P：参考信号；

V_PWM：切换信号；              V_R：复位信号；

V_T1：最小电压临界值           V_T2：过电压临界值；

C_OMV：电压环路信号。

具体实施方式

下面将详细参照本发明的实施例，这些实施例的范例示于附图中。必要时，图及文字说明中会使用相同的符号来代表相同的部件。

图2是本发明提供的一种发光二极管驱动器的较佳实施例电路图。发光二极管71～75和发光二极管81～85分别通过电阻器79和电阻器89连接至控制器95。电压源V_O通过控制器95而供应给发光二极管71～75和发光二极管81～85。发光二极管电流流入控制器95的电流源I₁～I_N。电阻器61和电阻器62构成分压器，耦接以检测电压源V_O并产生电压反馈信号S_V。控制器95中的检测电路进一步耦接以检测电流源I₁～I_N的电压，用以产生电流源信号S₁～S_N。另外，控制器95中的反馈电路100耦接以接收电流源信号S₁～S_N(如图4所示)和电压反馈信号S_V，用以产生反馈信号S_D，从而调节发光二极管电流和电流源I₁～I_N电压。控制器95的控制端接收控制信号S_CNT，用以控制电流源I₁～I_N的接通/断开(on/off)和发光二极管的亮度。电阻器93通过RP端而连接至控制器95，用以确定电流源I₁～I_N和发光二极管的直流(direct current，简称为：DC)电流。

切换电路包括切换控制器50和功率晶体管20，此切换电路通过变压器10来产生发光二极管电流。整流器40和电容器45耦接至变压器10，以响应变压器10的切换而产生电压源V_O。切换控制器50根据反馈电压V_FB和切换电流信号V_C来产生切换信号V_PWM。反馈电压V_FB是由反馈信号S_D通过光耦合器(optical coupler)35而产生的。切换信号V_PWM耦接以通过功率晶体管20来切换变压器10。切换信号V_PWM的脉冲宽度决定电压源V_O的振幅。电阻器30与功率晶体管20相互连接以检测变压器10的切换电流，用以产生切换电流信号V_C。

图3是切换控制器的详细电路图。振荡器51产生脉冲信号，此脉冲信号耦接以经由反相器52来启用(enable)触发器(flip-flop)53。触发器53的输出与反相器52的输出连接至“与”门(AND gate)54以启用切换信号V_PWM。反馈信号V_FB连接至电平位移晶体管(level-shifttransistor)92。拉高电阻器(pull high resistor)91连接至电平位移晶体管92以产生偏压(bias)。电阻器93和电阻器94构成分压器，此分压器还连接至电平位移晶体管92以产生衰减信号V_A。此衰减信号V_A连接至比较器55的输入。比较器55的另一输入连接至切换电流信号V_C。衰减信号V_A与切换电流信号V_C相比较，产生复位信号V_R，此复位信号V_R耦接以通过触发器53来禁用(disable)切换信号V_PWM。

图4是本发明中控制器的电路图。电流源构件510～550是用来产生电流源I₁～I_N。电流源I₁～I_N耦接至发光二极管以控制发光二极管电流。参考信号产生电路600耦接以根据电阻器93(位于图2所示的RP端)来产生参考信号V_P。参考信号V_P耦接至电流源构件510～550以确定发光二极管电流。控制信号(第一控制信号)X_CNT耦接以通过参考信号产生电路600所产生的参考信号V_P的控制来控制电流源构件510～550的接通/断开。控制信号X_CNT是由控制信号(第二控制信号)S_CNT通过取样保持电路300来产生的。检测电路包括取样保持电路300和放大器。放大器配置在反馈电路100中。取样保持电路300耦接以感测电流源I₁～I_N的电压，用以产生电流源信号S₁～S_N。另外，电流源信号S₁～S_N进一步被连接至反馈电路100中的放大器，以响应电流源I₁～I_N的最小电压而产生电流源环路信号C_OMI。反馈电路100内的电压反馈电路耦接以感测电压反馈信号S_V(如图2所示)，从而产生电压环路信号C_OMV。反馈电路100中的缓冲电路根据电压环路信号C_OMV和电流源环路信号C_OMI来产生反馈信号S_D。通过电压源V_O的控制，反馈信号S_D耦接以限制发光二极管的最大电压，并且控制电流源I₁～I_N两端的最小电压。保护电路800是用来检测电流源信号S₁～S_N。若电流源信号S₁～S_N的值高于过电压临界值V_T2(如图12所示)，则会产生故障信号S_F以关闭参考信号V_P，从而保护电流源构件510～550以免其过热。

图5是本发明中电流源构件的较佳电路图。因为电流源构件510～550每个都相同，所以仅以电流源构件550为参考来绘图。运算放大器512耦接以接收参考信号V_P。运算放大器512、晶体管520以及电阻器530构成一个电压至电流转换器，以根据参考信号V_P来产生电流源I_N。电流源511与电阻器515产生直流偏压，此直流偏压被用来校准运算放大器512的偏移电压(offset voltage)。因此，一旦参考信号V_P的电压大于偏压，就会产生电流源I_N。

图6是本发明中取样保持电路的电路图。电压钳制晶体管310～319耦合至电流源I₁～I_N，用以将电流源I₁～I_N的电压钳制在最大值以下。电压钳制晶体管310～319的输出(源极端)串联地耦合至取样开关320～329，用来对电流源I₁～I_N的电压进行取样。保持电容器(Hold-capacitors)330～339耦合至取样开关320～329，用以产生电流源信号S₁～S_N。信号产生电路700响应控制信号S_CNT而产生控制信号(第三控制信号)Y_CNT和控制信号X_CNT。控制信号Y_CNT控制取样开关320～329。齐纳二极管(zener diode)351所产生的临界电压连接至电压钳制晶体管310～319的栅极(gate)。电流源350提供偏流给齐纳二极管351。开关352从电压钳制晶体管310～319的栅极连接到地。开关352是由控制信号Y_CNT通过反相器353来控制。因此，电压钳制晶体管310～319响应控制信号Y_CNT而断开。

图7是取样保持电路的信号波形图。控制信号S_CNT、X_CNT及Y_CNT之间插入延迟时间T_D1和T_D2。图8是信号产生电路的较佳实施例图。电流源720与电容器725的电容决定延迟时间T_D1。电流源730与电容器735的电容决定延迟时间T_D2。控制信号S_CNT被连接以经由反相器705来控制晶体管721。晶体管721耦合以对电容器725进行放电。另外，控制信号S_CNT耦合以通过反相器710和反相器705来控制晶体管731。晶体管731耦合以对电容器735进行放电。“或”门(OR gate)736产生控制信号X_CNT。“或”门736的输入经反相器737耦合至电容器735。“或”门736的另一输入连接至反相器710的输出。“与”门726产生控制信号Y_CNT。“与”门726的输入连接至电容器725。“与”门726的另一输入连接至反相器710的输出。

图9是本发明中反馈电路的电路图。反馈电路100中的电压反馈电路包括运算放大器110与电流源130。运算放大器110将参考电压V_R1与电压反馈信号S_V相比较以产生电压环路信号C_OMV。电容器910(如图2所示)从运算放大器110的输出耦合到地，以进行频率补偿。运算放大器110是图10A所示的一种跨导运算放大器(trans-conductanceoperational amplifier)。

检测电路中的放大器包括运算放大器120～129与电流源140。每个运算放大器120～129的正输入都具有最小电压临界值V_T1。每个运算放大器120～129的负输入耦合以分别感测电流源信号S₁～S_N。运算放大器120～129将会响应电流源I₁～I_N的最小电压而产生电流源环路信号C_OMI。电容器920(如图2所示)从运算放大器120～129的输出耦合到地，以进行环路补偿。运算放大器120～129是跨导放大器(如图10B所示)，且这些放大器相互并联。

反馈电路100中的缓冲电路包括运算放大器150、160(如图9所示)和电流源180，此缓冲电路根据电压环路信号C_OMV和电流源环路信号C_OMI来产生反馈信号S_D。运算放大器150与运算放大器160相互并联以产生反馈信号S_D。反馈信号S_D通过光耦合器35来耦合至切换控制器50(如图2所示)，用以限制发光二极管的最大电压以及调整电流源构件510～550的最小电压。

电流源135通过开关137来耦合至电压反馈信号S_V。控制信号S_CNT耦合以通过反相器139来控制开关137。因此，为了响应控制信号S_CNT，产生控制电流。控制电流的数值取决于电流源135。此控制电流耦接至分压器以限制发光二极管两端的输出电压V_O。

$V_O=\frac{R_{61}+R_{62}}{R_{62}}\times V_{R1}---\left(2\right)$

$V_O=\frac{R_{61}+R_{62}}{R_{61}}\times (V_{R1}-I_{135}\times \frac{R_{61}\times R_{62}}{R_{61}+R_{62}})---\left(3\right)$

其中R₆₁与R₆₂分别为电阻器61与电阻器62(如图2所示)的电阻；I₁₃₅为电流源135的电流。公式(2)表示当开关137断开时发光二极管两端的最大电压。公式(3)表示当开关137接通时发光二极管两端的最大电压。发光二极管电压的最大值可用电阻器61和电阻器62的电阻值及其比值来规划(program)。

图10A是跨导运算放大器110、150及160的电路图。请参照图10A，跨导运算放大器的示范电路包括晶体管211、212、220、225、230、235、240以及电流源210。晶体管211与晶体管212构成电流反射镜(currentmirror)且耦接至电压源V_DD，晶体管211的栅极与晶体管212的栅极相互连接。晶体管211的漏极(drain)与其栅极相互连接，且经电流源210耦合到地。晶体管212的漏极耦接至晶体管220与晶体管230。晶体管220与晶体管230构成差分对(differential pair)，且晶体管220的栅极耦接至跨导运算放大器的反相输入端，晶体管230的栅极耦接至跨导运算放大器的非反相输入端。晶体管220经晶体管225而耦合到地，晶体管230经晶体管235而耦合到地。晶体管225与晶体管235构成另一电流反射镜。晶体管225的栅极连接至晶体管225的漏极和晶体管235的栅极。晶体管235的漏极耦接至晶体管240的栅极。晶体管240的漏极耦接至跨导运算放大器的输出端。

图10B是跨导运算放大器120～129的电路图。请参照图10B，跨导运算放大器包括晶体管251、252、253、260、265、270、275、280、290、电流源250、电容器281以及电阻器283。晶体管251、252、253构成电流反射镜。晶体管251、252、253耦接至电压源V_DD，且晶体管251、252、253的栅极相互连接。晶体管251的漏极连接至其栅极，且经电流源250而耦合到地。晶体管252的漏极耦接至晶体管260与晶体管270。晶体管260与晶体管270构成差分对，且晶体管260的栅极耦接至跨导运算放大器的非反相输入端，晶体管270的栅极耦接至跨导运算放大器的反相输入端。晶体管260经晶体管265而耦合到地，晶体管270经晶体管275而耦合到地。晶体管265与晶体管275构成另一电流反射镜。晶体管265的栅极连接至晶体管265的漏极和晶体管275的栅极。晶体管275的漏极耦接至晶体管280的栅极，同时经电容器281和电阻器283而耦接至晶体管290的栅极。晶体管280的漏极耦接至晶体管253的漏极。晶体管290的源极耦接至电压源V_DD，且晶体管290的漏极耦接至跨导运算放大器的输出端。

图11是本发明中参考信号产生电路的电路图。电流源610连接至RP端以产生信号，此信号耦合至运算放大器615。电流源620、电流源630、开关621、开关631以及反相器623构成充电放电电路，此充电放电电路耦合以响应控制信号X_CNT的接通/断开而对电容器650进行充电与放电，以确定参考信号V_P的上升时间与下降时间。当启用故障信号(fault signal)S_F时，晶体管640耦接从对电容器650进行放电。电容器650连接至另一运算放大器625。运算放大器615与运算放大器625相互并联，且电流源670是用来拉高电位。运算放大器615和运算放大器625的输出连接至缓冲放大器680。在缓冲放大器680的输出端，通过电阻器691与电阻器692所构成的衰减器而产生参考信号V_P。

图12是本发明中保护电路的电路图。比较器810～815耦接以接收电流源信号S₁～S_N。比较器810～815的另一输入与过电压临界值V_T2相连接。电流源823、反相器821、晶体管825、“与”门840以及电容器830构成反跳电路(debounce circuit)。当电流源信号S₁～S_N的数值高于过电压临界值V_T2时，比较器810～815的输出耦接以经由“或”门820和反跳电路来启动触发器850。触发器850将会产生故障信号S_F以断开参考信号V_P(如图4所示)以及保护电流源构件510～550。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，但并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出适当变动或修改等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。