用于高效的快速瞬态的多通道LED驱动器的方法和系统

摘要

本发明公开了一种用于发光二极管(LED)驱动器的系统和方法。为了将LED总线电压提给以多通道形式组织且在各通道中串联有一个或多个LED的大的LED阵列，所述LED驱动器包括电源转换器、反馈产生电路、和分相控制器。所述电源转换器配置为用于基于电压控制信号将LED总线电压提供给所述多个LED通道。所述反馈产生电路平配置为用于基于提供给所述多LED通道的LED总线电压产生反馈信号。所述分相控制器配置为用于基于所述反馈信号和来自所述多LED通道的信息产生电压控制信号。所述分相控制器将各通道的各脉宽调制(PWM)分成跟踪相位和预充电相位，以便使提供给所述多通道的LED总线电压在所述跟踪相位和所述预充电相位之间变化。

说明书

技术领域

本教示涉及与发光二极管(LED)相关的方法和系统及整合有该方法和系统的系统。更具体地，本教示涉及用于LED驱动器的方法和系统及整合有该方法和系统的系统。

背景技术

高亮度发光二极管(LED)的出现将传统的照明世界引入了固态照明的新纪元。高的发光效率、长的工作寿命、宽的工作温度范围、及环境的友好性是有助于LED技术优于白炽发光方案或荧光发光方案的一些关键特性。虽然均一控制的LED占据了高性能LCD背光市场，但大的单独调制LED阵列在动态LCD背光和LED显示方面发现了越来越多的新应用。但是，由于在前向压降、光通量输出、及峰值波长等中的制造变动量，这些应用或者要求以低产量和高成本为代价的分级策略，或者要求更好的电路增强技术而不是简单的基于电阻的解决方案。

通过由单独调制的多通道驱动器供电，大的LED阵列能够被分为多个通道，其中每个通道串联有一个或多个LED。各通道要求单独的点校正电流调节(dot correction current adjustment)和单独的灰阶脉宽调制(PWM)调光(grayscale pulse width modulation dimming)。所述点校正电流调节校准各通道之间的亮度偏差，所述灰阶PWM调光以没有任何色偏的方式控制亮度。

为实现更好的性能，PWM调光信号与相同的频率同步且在各上升沿之间没有相位偏差。除这些基本的功能之外，两个测量参数即系统效率和最小LED启动时间(minimum LED on time)用以进一步评价这种单独调制的多通道LED驱动器的性能。所述系统效率定义为：总的LED输出功率被总的输入功率除后的比值。由此，穿过所述LED驱动器的低水平功率耗散会提高系统的效率。所述最小LED启动时间基于从PWM上升沿的开始时刻至LED电流达到调控水平的时刻之间的时间间隔进行测量。因此，更短的最小LED启动时间对应于更快的响应时间和更高的对比度，这是高性能的显示器应用所希望的。

已经开发出了多种基于开关调节器的电路来高效地驱动单通道的串联LED。图1(现有技术)示出了该技术的应用，其中该技术被应用于多通道LED。电路100包括供给到多个通道110、130，…，150的输入电压105。每个通道包括一单通道开关LED驱动器例如120、140，…，160，相关联的部件比如串联的二极管(115-a至115-b，135-a至135-b，…，155-a至155-b)和电容器(125、145，…，165)。

如图1所示这种类型的分立的构造并不总是有保证的，因为各通道要求专用的开关电路和无源部件(即，电感器和电容器)。同时，由于转换电感电流(slewing inductor current)、充电电容器电压、及受限的开关频率造成的所述开关调节器所固有的低瞬态响应迫使产生了在数微秒至数十微秒范围内变动的更长的最小LED启动时间。

已经作出有解决该问题的努力。图2和图3(现有技术)图示说明了基于并行构造的两种该解决方案，在该构造中一单个电源转换器与多个线性电流吸收器(linear current sink)相结合。该并行构造使得各通道不需要专用的复杂开关电路和外部无源部件，而是用简单的线性电路代替了它们。所述单个电源转换器，采用电感器、电容器、或基于电压调节器的变压器形式，将宽范围的输入电压转换成供给到所有通道的单个LED总线电压。各电流吸收器根据所希望的电流调节设定和PWM调光设定来对其电流进行调控和调制。同时，电流吸收器吸收等于LED总线电压减去实际LED前向压降的差值的多余压降。

第一并行解决方案，如图2(现有技术)所示，采用了独立的电源转换器205，输出的LED总线电压255被调整到与全部LED通道的动态性能无关的预设的恒定值。该现有技术中的电路200包括：独立的电源转换器205、电阻分压器网络210、大型输出电容器(bulkoutput capacity)225、和多个并行通道。每个并行通道包括一对应的线性电流吸收器(230、250，…，270)，所述线性电流吸收器经由串联连接的二极管而连接到输出的LED总线电压(230经由二极管235连接到240，250经由二极管265连接到260，…，270经由二极管285连接到280)。

输出的LED总线电压通过反馈电阻器215和220基于温度、电流、和制造变动量范围内的最坏情况的LED前向压降被可编程地设置为预设的恒定值。由于LED总线电压在各PWM信号的上升沿处被设置得足够的高，因此对于注入电感器电流和充电电容器电压的响应时间就不必要了。因此，最小LED启动时间仅受线性电流吸收器的瞬态响应的限制，而线性电流吸收器的瞬态响应通常非常快，该最小LED启动时间的范围在数十至数百毫微秒之间。这样短的最小LED启动时间带来了更快的响应时间和更高的对比度。但是，由于高的温度系数和电流依赖性外加不成熟的制造技术导致LED前向压降有较大变化，这导致了高的功耗和低的系统效率。尽管LED分级策略能够通过减小LED前向压降的变动来改进系统效率，但这也提升了成本。

第二并行解决方案，如图3所示(现有技术)，采用了适应性的电源转换器305。在该现有技术电路300中，输出的LED总线电压355没有采用预设的恒定值，而是被跟踪到实时(on the fly)维持全部活动LED通道处于调控状态所需要的最小值。现有技术电路300也包括多个通道，各通道具有对应的电流吸收器(330、350，…，370)，各电流吸收器经由串联连接的二极管被连接到输出的LED总线电压355(330经由335连接到340，350经由365连接到360，…，370经由385连接到380)。另外，电路300还包括检测器310，检测器310检测V_LED1至V_LEDn之间的最小LED电压，并将检测结果发送到适应性的电源转换器305。

在各PWM调光周期的开始，若非全部也是大部分的LED通道被打开(turn on)，因此LED总线电压被调节到其最高值。随着随后最差情况的LED通道被逐渐关闭(turn off)，检测器310跟踪所述最小LED电压并将该检测结果发送到电源转换器305，电源转换器305调节LED总线电压至较低的值并且仍保持调控剩余的活动LED通道，而不浪费任何额外的不需要的功率。该适应性的跟踪LED总线电压通过消除经过所述电流吸收器的不必要的功耗而改进了系统效率。但是，LED总线电压可能正好在下一个PWM调光周期之前、正好在大部分LED通道将被再次打开之前达到其最低值。当该情况发生时，LED总线电压并不足够高以保持调控全部活动的LED通道，并且所述最小LED启动时间会被极大地增加以适应所述开关电源转换器的缓慢的响应时间，所述开关电源转换器将输出电容器充电至其最高值。

发明内容

本教示涉及用于发光二极管(LED)驱动器的方法和设备，该驱动器将LED总线电压提供给采用多通道形式的大的LED阵列，其中各通道中串联有一个或多个LED。本教示还涉及整合了这里所公开的LED驱动器及其方法的方法和系统。

在本教示的一个方面中，公开了一种LED驱动器的装置，该装置用以将LED总线电压提供给以多通道形式组织的大的LED阵列，其中各通道中串联有一个或多个LED。根据这里所公开的本教示，一个示例性LED驱动器包括电源转换器，该电源转换器被设计用于基于电压控制信号将LED总线电压提供给多个LED通道。该LED驱动器还包括反馈产生电路，该反馈产生电路配置为用于基于提供给所述多个LED通道的LED总线电压产生反馈信号。而且，该LED驱动器包括分相控制器(phase-division based controller)，该分相控制器被提供用于基于所述反馈信号和来自所述多个LED通道的信息产生电压控制信号。所述分相控制器将与各通道关联的各脉宽调制(PWM)调光周期分成跟踪相位(tracking phase)和预充电相位(pre-chargingphase)，以便使提供给所述多个通道的LED总线电压在所述跟踪相位和所述预充电相位之间变化。

在本教示的另一个方面中，公开了这里所讨论的一种用于LED驱动器的方法。根据本教示，基于电压控制信号将LED总线电压提供给所述多个LED通道，所述电压控制信号基于反馈信号和来自所述多个LED通道的信息而产生。所述反馈信号基于提供给所述多个LED通道的LED总线电压而产生。提供给所述多通道的LED总线电压的值在跟踪相位和预充电相位之间不同，根据与各通道关联的各脉宽调制(PWM)调光周期分成所述跟踪相位和所述预充电相位。

在本教示的又一个方面中，公开了具有由LED驱动器驱动的LED显示器的通信装置，所述LED驱动器基于电压控制信号将LED总线电压提供给所述多个LED通道。所提供的LED总线电压用以产生反馈信号，并且基于所述反馈信号和来自所述多个通道的其它信息产生所述电压控制信号。提供给所述多个通道的LED总线电压的值在跟踪相位和预充电相位之间不同，通过将与各通道关联的各脉宽调制解调(PMW)调光周期分成所述跟踪相位和所述预充电相位。

附图说明

利用示例性实施方式进一步说明了这里声明和/或描述的本发明。参考附图详细说明了这些示例性实施方式。这些实施方式是非限定性的示例性实施方式，在贯穿附图的若干视图中相同的附图标记表示类似的结构，并且其中：

图1(现有技术)示出了用以驱动多个LED通道的带有分立的开关调节器的电路；

图2(现有技术)示出了具有与多个线性电流吸收器相结合的独立的电源转换器以驱动多个LED通道的电路；

图3(现有技术)示出了具有与多个线性电流吸收器相结合的适应性电源转换器以驱动多个LED通道的电路；

图4示出了根据本教示的实施方式的示例性系统，该系统采用电路来实现跟踪相位和预充电相位从而驱动多个LED通道；

图5示出了根据本教示的实施方式的用于多通道LED驱动器的示例性电路；

图6至图8示出了根据本教示的实施方式的双重回路放大器的不同示例性电路；

图9示出了带有三通道LED阵列的应用电路以阐释本教示的实施方式，其中所述三通道LED阵列具有相同的点校正电流和不同的灰阶PWM调光；和

图10示出了V_OUT波形用以说明本教示的增强性能。

具体实施方式

本教示总的涉及发光二极管(LED)驱动器电路。更具体地，本教示涉及高效的快速瞬态响应的独立调制多通道LED驱动器，并且能够应用于LCD动态LED背光或单色、多色、全彩色LED显示器应用。

本教示在这里公开了一种多通道LED驱动器，该驱动器具有高的效率和快速的瞬态响应，适用于具有宽范围的前向电压变化的LED。在图4中示出了基于并行构造构成的示例性电路400。示例性电路400包括：电源转换器405、分相控制器410、反馈产生电路415、大型输出电容器420和多个独立的LED通道。各并行的通道包括独立的电流吸收器(430、450，…，470)，所述独立的电流吸收器经由串联连接的二极管连接到输出的LED总线电压455(430经由二极管435连接至440，450经由二极管465连接至460，…，470经由二极管485连接至480)。反馈产生电路415包括两个串联连接的电阻425和427以产生反馈信号V_FB。所述反馈信号V_FB以及来自各所述电流吸收器的信号V_LED1至V_LEDn被反馈至分相控制器410。

在操作中，分相控制器410将任意的PWM调光周期分成两个相位，即跟踪相位和预充电相位。在所述跟踪相位期间，LED总线电压455被适应性地调节至所要求的最小值以保持调控全部活动的LED通道，由此实现高的系统效率。在所述预充电相位期间，所述预充电相位通常对应于PWM调光周期的最后的小比例/小部分，所述LED总线电压455朝向由反馈产生电路415编程产生的预设的恒定值调节。分相控制器410根据预设的或定制的设置产生两个不同的相位，并相应地相互作用以控制电源转换器来实现该目标。通过将所述预充电相位时间间隔设置成大于开关电源转换器405的缓慢的瞬态响应时间，电路400的操作能够确保短的最小LED启动时间。关于电路400如何产生增强的性能的细节将在下面参考后续的附图进行说明。

图5示出了更为详细的与图4中的电路400连接的示例性多通道LED驱动器电路500。具体地，在图5所示的实施方式中，电源转换器405(图4)基于开关控制器502、振荡器507、驱动器505和功率回路(power stage)510而实现。图4中的分相控制器410能够以包括双重回路放大器515、参考电压产生器535和相位发生器540而实现。图4中的反馈产生电路415以类似的方式通过包括两个串联连接的电阻512和517而实现。

在更详细的示例性多通道LED驱动器电路500中，还包括其他的功能型(house-keeping type)附加电路。例如，一系列的移位寄存器575、由该一系列的寄存器575编程形成的内部点校正寄存器(REGDC1至REG DCn)和灰阶寄存器(REG GS1至REG GSn)、及对应的数模转换器(DAC)560、565，…，570。另外，所述功能型电路还可以包括热检测器545、开路/短路LED检测器543和状态检测器547。这些功能模块与电源转换器405和分相控制器410一起可以与其它模块一样在相同的单芯片上实现，以增强多通道LED驱动器500的多功能性。

在运行中，电路500能够通过基于电感器、电容器或变压器的功率回路510将宽范围的输入电压V_IN转换成单一的LED总线电压V_OUT，该功率回路510的选择基于不同的参数来确定，这些参数包括但不限于例如输入/输出电压比、电压极性、加载条件、电路复杂度、效率补偿、隔离要求等。所述LED总线电压V_OUT被提供给多个并行的LED通道(520、522、550、525、527、552、…、530、532、555)，所述多个并行的LED通道具有连接至V_OUT的公共阳极。不同通道的各自的阴极连接至它们的对应的各个电流吸收器。例如，电流吸收器550连接至二极管522的阴极，二极管522与二极管520串联，二极管520的阳极连接至LED总线电压V_OUT。类似地，电流吸收器552连接至二极管527的阴极，二极管527与二极管525串联，二极管525的阳极连接至LED总线电压V_OUT。电流吸收器555连接至二极管532的阴极，二极管532与二极管530串联，二极管530的阳极连接至LED总线电压V_OUT。

位于V_OUT和地之间的大型输出电容器C_OUT521对由所述功率回路的开关活动造成的输出电压纹波进行滤波。电容器521也暂时提供能量以满足负载的瞬态要求，并稳定内部的控制回路操作。包括V_FB信号和所有LED电压信号V_LED1至V_LEDn的多个信号被反馈到双重回路放大器515。在该示例性实施方式500中，所述信号V_FB由通常使用的电阻分压网络(R_FB1和R_FB2)产生。

所述一系列的移位寄存器575通过六线高速串行数据接口接收数据包，该六线显示为SCK1、SDI、LDI、SCKO、SDO和LDO。该一系列的寄存器575用以对内部的点校正寄存器(REG DC1至REGDCn)和灰阶寄存器(REG GS1至REG GSn)进行程序设置。所述这些得来的数字比特位然后被对应的数模转换器(DAC)560、565、…、570译码成点校正电流信号(I_LED1至I_LEDn)和灰阶PWM调光信号(PWM₁至PWM_n)。所述多个电流吸收器将对应的LED电流调整至点校正电流值(I_LED1至I_LEDn)并且基于灰阶PWM调光信号(PWM₁至PWM_n)调制与它们对应的LED开/关时间(on/off time)。在一些实施方式中，各电流吸收器(550、552、555)独立于LED电压V_LED1至V_LEDn而调节其本身的电流，只要所述电压比所要求的调节值V_REF2高。

图5中的相位发生器540发出数字信号PRECHG，将各PWM调光周期分为两个相位：跟踪相位(PRECHG＝0)和预充电相位(PRECHG＝1)。在一些实施方式中，所述跟踪相位的持续时间大约是PWM调光周期或T_PWM的持续时间的90％。所述预充电相位的持续时间大约是PWM调光周期或T_PWM的持续时间的10％。为调节LED总线电压V_OUT，在电路500中采用了双重回路放大器515。双重回路放大器515接收V_FB、V_LFD1至V_LEDn信号、及两个参考电压V_REF1和V_REF2作为输入。V_FB基于电阻512和电阻517的比值而产生。V_LED1至V_LEDn分别对应于各通道中的前向压降后的电压水平。参考电压产生电路535能够是与供电、温度、噪声、和过程无关的任何电压参考电路，如带隙参考电压电路。参考电压产生电路535向双重回路放大器515提供两个参考电压V_REF1和V_REF2。V_REF2是保持调控所述多个LED通道所需要的最小电压，并且由电流吸收器(550、552、555)来确定。当所述电流吸收器的LED电压V_LED1至V_LEDn比V_REF2低时，所述电流吸收器不能调节其电流。V_REF1能够是地电压和LED总线电压V_OUT之间的任意合理的电压值。

基于这样的输入信号，双重回路放大器515产生电压控制(Vc)信号，并将该信号发送到开关控制器502。当PRECHG＝1(在所述预充电相位期间)时双重回路放大器515将V_REF1和V_FB之间的输入误差信号乘以高增益因子K1，并且当PRECHG＝0(在所述跟踪相位期间)时双重回路放大器515将V_REF2和V_LED1至V_LEDn中的最小LED电压之间的输入误差信号乘以另一个高增益因子K2，以产生Vc信号。当整个系统采用闭环时，当PRECHG＝1(在所述预充电相位期间)时V_FB信号被调节到V_REF1，并且当PRECHG＝0(在所述跟踪相位期间)时V_LED1至V_LEDn中的最小LED电压被调节到V_REF2。

图6至图8示出了双重回路放大器515的示例性实现。在图6中双重回路放大器515的一个示例性实现包括：两个误差跨导放大器(error transconductance amplifier)(G_M1 620和G_M2 630)、一个恒定电流源Is 610和一个补偿网络640。放大器620和630以及电流源610形成双重回路模拟“OR”控制。连接到Vc节点650的补偿网络640用以稳定所述双重回路控制。在图5中，放大器G_M1 620的反相输入端子连接到电阻分压反馈节点V_FB，其同相输入端子连接到参考电压产生器REF的V_REF1(例如，1.25V)，其输出端子连接到Vc节点650，由此将LED总线电压调节到预设的恒定值。所调节的LED总线电压的预设的恒定值按如下计算出：

$V_{\mathrm{OUT}\left(\mathrm{Preset}\right)}=V_{\mathrm{REF}1}·(1+\frac{R_{\mathrm{FB}2}}{R_{\mathrm{RB}1}})$

放大器G_M2630的反相输入端子连接到所有LED电压V_LED1至V_LEDn，其同相输入端子连接到参考电压产生器REF的V_REF2(例如，0.5V)，其输出端子连接到Vc节点650，由此将最小的活动LED电压调节到V_REF2并产生适应性的LED总线电压。所调节的LED总线电压的适应性值按如下计算出：

V_{OUT(Adaptive)}＝V_REF2+max(V_F(active))，

其中V_F(active)对应于活动LED的串接前向压降。相位发生器的PRECHG信号能够使放大器G_M2 630工作和不工作。

G_M1 620和G_M2 630两者仅能吸收来自Vc节点650的电流。另外，由于附加的电流源Is对Vc节点650充电，连同该附加的电流源Is形成了双重回路模拟“OR”控制。当PRECHG＝1时V_OUT被调节到V_OUT(Preset)，或者当PRECHG＝0时V_OUT被调节到V_{OUT(Adaptive)}。反映了LED总线电压与所希望的调节目标之间的偏差的节点650处的电压信息Vc被反馈给开关控制器502(图5)，所述开关控制器的形式能够是但不局限于电压模式控制器、电流模式控制器、滞后模式控制器或滑动模式(sliding-mode)控制器。通过与振荡器507协作，开关控制器502产生开关on/off信号并将该开关on/off信号发送到驱动器505。驱动器505缓冲所述开关on/off信号以驱动功率回路510内的电源开关，由此产生一个完全的闭环系统。

图7中示出了双重回路放大器515的另一个示例性实施方式。在该示例性实施方式中，该双重回路放大器包括：两个误差跨导放大器G_M1 710和G_M2 720、和一个补偿网络730。放大器G_M1 710和G_M2 720两者都能够向Vc节点740提供电流或者从Vc节点740吸收电流。当PRECHG＝1时所述PRECHG信号使G_M1工作，当PRECHG＝0时所述PRECHG信号使G_M2工作。

图8中示出了双重回路放大器515的又一个示例性实施方式。在该示例性实施方式中，该双重回路放大器包括一个单独的加法放大器G_SUM810和一个补偿网络820。加法放大器G_SUM810的产生输出表示如下：

Vc＝K₁·(V_REF1-V_FB)+K₂·(V_REF2-min(V_LED1，V_LED2，K，V_LEDn))

其中K₁和K₂为分别对应于各误差信号的增益因子。PRECHG信号活动地改变增益因子K₁和K₂以实现双重回路放大器515的功能。

为更好地说明图5中示出的示例性实施方式的工作，提供了带有三通道LED阵列的应用系统900，如图9所示。这应理解为仅是为了说明和讨论的目的，而不是意图限定本教示的范围。在不偏离本教示的精神的前提下，还能够采用其它的并行构造。示例性的构造900包括具有相同的点校正电流和不同的灰阶PWM调光的三通道LED阵列。各通道通过二极管来表示，其中通道1具有二极管930，通道2具有二极管940，并且通道3具有二极管950。LED总线电压910对应于V_OUT。还有电容器C_OUT920。在该示例性结构中，假设通道1、通道2和通道3的前向压降分别是3.1V、3.5V和3.9V。

图10中示出的内部产生的PWM调光信号PWM₁、PWM₂和PWM₃同步于同一的PWN时钟信号，但具有不同的占空比。同时，还产生了具有相同周期T_PWM的PRECHG信号，用以在PRECHG＝0时将各PWM调光周期分成跟踪相位，并且在PRECHG＝1时分成预充电相位。对于等于0.5V的给定V_REF2，适应性的LED总线电压V_{OUT(Adaptive)}在4.4V和3.6V之间变化，并且预设LED总线电压V_OUT(Preset)被设置为至少4.4V。

在每个PWM周期的开始，全部三个LED通道(930、940和950)被打开，并且放大器G_M1和G_M2被使能(当双重回路放大器515如图6所示实现时)。双重回路模拟“OR”控制对放大器G_M2进行控制。当PRECHG＝0时最小活动LED管脚电压(pin voltage)即V_LED3被调节到0.5V，强制LED总线电压为4.4V。接着，在特定的定时时刻(比如说t1)，如果第三通道950关闭，最小活动LED管脚电压等于0.9V，即第二通道940的压降。与调节目标0.5V相比，其缓慢地使LED总线电压V_OUT下降到4.0V。类似地在下一个定时时刻(比如说t2)，LED总线电压下降到3.6V。以这种方式，根据本教示的电路的适应性特征使得能够跟踪各通道的状态，由此消除了LED驱动器范围内的不需要的功耗并带来了较高的系统效率。

在不同的定时时刻(比如说t3)处当PRECHG＝1时，放大器GM2停止工作，从而仅有放大器G_M1将LED总线电压向预设的最高值4.4V进行调节。只要PRECHG＝1时的时间间隔比将LED总线电压从3.6V充电至4.4V所要求的时间长，就能确保用于下一个PWM周期的极短的最小LED启动时间。

图10显示了现有技术电路的性能和基于本教示所提出的电路的性能的比较结果。从图10的顶部开始，前三条曲线表示用以控制图9中的LED通道使用的PWM信号。第四条曲线表示PRECHG信号。第五条曲线表示具有急剧的上升沿和下降沿的理想方案。第六条曲线以测量V_OUT的方式表示了图5中所提出的示例性电路的性能。其余的两条曲线表示现有技术方案的性能，如图2和图3中所示。能够看出，与现有解决方案相比，根据本教示的适应性-跟踪-加-预充电技术在有成本效益的并行构造中同时能够实现高的效率和快速的瞬态响应。另外，如这里所讨论的，具有高的效率和快速的瞬态响应的示例性实施方式能够以单片半导体芯片实现，该单片半导体芯片适用于具有宽的前向电压变化的LED的应用。

虽然已经参照特定图示的实施方式说明了本发明，但这里使用的语言是说明性的语言，而不是限定性的语言。在不偏离本发明各方面的范围和精神的前提下，可以在权利要求的范围内作出改变。尽管这里参照特定的结构、运行方案和材料说明了本发明，但本发明并不局限于所公开的特定实施方式，而是能够以多种形式来实例化，其中一些实施方式可以与所公开的实施方式有较大不同，并且本发明延伸涵盖在附加权利要求的范围内的所有等效结构、运行方案和材料。