高性能自适应开关LED驱动器

摘要

LED驱动器控制电流流过LED串。LED驱动器生成升压PWM信号以驱动LED电流路径中的PWM晶体管，使得PWM晶体管维持基本恒定的V

说明书

分案申请说明

本申请是于2012年12月6日提交的、申请号为201210543808.5、 名称为“高性能自适应开关LED驱动器”的中国发明专利申请的分 案申请。

技术领域

本发明涉及一种LED(发光二极管)驱动器，并且更具体地涉及 一种用于高电流模式应用的LED驱动器。

背景技术

LED正在各种各样的电子应用中被采用，这些应用是例如，建筑 照明、汽车头灯和尾灯、用于包括个人计算机和高清电视在内的液晶 显示器装置的背光、闪光灯等。与诸如白炽灯和荧光灯等常规光源相 比，LED具有包括效率高、指向性好、色彩稳定、可靠性高、使用寿 命长、尺寸小和环境安全在内的明显优势。

针对LED的一个常见应用在于背光照射液晶显示器(LCD)。 在这些应用中，通常使用大量的LED串(例如，64个LED通道)， 其中每个串由LED驱动器所驱动。在常规LED驱动器架构中，LED 功率路径中的固定电阻器限制流过LED串的峰值电流。LED功率路 径中的PWM控制的晶体管控制LED的导通和断开时间以实现所期望 的亮度。

常规LED驱动器架构的问题在于整体功耗可能过高。通常，在 LED串n中的功耗PWR_n由下式给出：

PWR_n＝VLED_n×ILED_n  (1)

其中，VLED_n是跨LED串n的电压并且ILED_n是流过LED串n的电 流。具有N个LED通道的电路的总功耗PWR_total由下式给出：

${\mathrm{PWR}}_{\mathrm{total}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{PWR}}_n---\left(2\right)$

LED串中的LED电压VLED_n(并且因而功耗PWR_n)是LED功 率路径中固定电阻器的电阻和PWM晶体管的导通阻抗的函数。因为 PWM晶体管的导通阻抗随着LED电流的增加而增加，所以整体功耗 在诸如用于LCD的3D模式或者扫描模式运作等高电流模式应用中变 得特别高，其中，例如，LED电流ILED_n可以上升至高达450mA且 具有20％的占空比。在常规LED驱动器架构中，由于高功耗的原因， 以这些电流电平运作可能在LED驱动器芯片中产生温度问题。该问 题可能会被与一些常规LED驱动器架构相关联的不良接地噪声抑制 进一步恶化，由此限制了整体性能和鲁棒性。

发明内容

一个实施例包括一种LED驱动器，其将升压脉冲宽度调制 (PWM)信号施加到控制流过LED串的电流的第一晶体管以便将第 一晶体管的栅极-源极电压维持在基本恒定的值。在一个实施例中， LED驱动器驱动与第一晶体管串联耦合的LED串。LED控制器被配 置为产生PWM信号。升压PWM发生器基于PWM信号产生升压PWM 信号。升压PWM信号驱动第一晶体管以导通或者断开第一晶体管。 升压PWM信号具有当第一晶体管被导通时随第一晶体管的源极电压 升高和降低的幅度。PWM晶体管的栅极-源极电压因此被维持在基本 恒定的电压。

在一个实施例中，电流镜电路接收由LED控制器所设定的种子 电流并且控制当PWM晶体管被导通时流过第一晶体管和LED串的 LED电流。LED电流随种子电流而变化。

在一个实施例中，可编程修调电路被耦合到电流镜电路。可编程 修调电路被配置为产生与种子电流基本成正比的一部分LED电流。 由可编程修调电路所产生的该一部分LED电流由一个或多个可编程 修调比特控制。

有利地，LED驱动器提供具有与常规架构相比相对低的电阻的 LED电流路径，因而提供良好的功率效率。而且，修调电路可以被编 程以补偿晶体管之间的制造变化，因此与常规架构相比改善了接地噪 声抑制并且减少了电流失配。

说明书中描述的特征和优点并非是囊括性的，特别是，考虑到附 图、说明书和权利要求书，许多附加的特征和优点对于本领域普通技 术人员而言是显而易见的。此外，应当注意，本说明书中所使用的用 语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选 择以描述或限制创造性主题。

附图说明

通过结合附图考虑如下详细描述，本发明的实施例的教导可以很 容易地被理解。

图1是图示了LED驱动器电路的实施例的电路图。

图2是图示了升压PWM电路的实施例的电路图。

图3是根据一个实施例的图示了升压PWM电路的运作的波形图。

具体实施方式

附图和下面的描述仅通过说明的方式涉及本发明的优选实施例。 从下述讨论中应当注意到，此处公开的结构和方法的备选实施例将很 容易被认为是可以在不脱离要求保护的本发明的原理的情况下而利 用的可行的备选。

现在将详细参照本发明的若干实施例，在附图中图示了其示例。 应当注意到，只要可行，在附图中可以使用相似或者相同的附图标记， 并且该附图标记可以指示相似或者相同的功能。附图仅出于说明的目 的描绘本发明的实施例。本领域技术人员将很容易从下面的描述中认 识到此处示出的结构和方法的备选实施例可以在不脱离此处描述的 本发明的原理的情况下而被利用。

一般地，LED驱动器控制流过LED串的LED电流。LED控制器 提供电流控制信号，该电流控制信号设定流过LED电流路径的峰值 电流。电流镜电路在不要求在LED电流路径中有任何固定检测电阻 器的情况下控制电流。升压PWM发生器驱动PWM晶体管以控制LED 串的亮度。升压PWM发生器通过PWM晶体管的源极电压V_S对PWM 信号进行升压从而使得PWM晶体管以维持在近似于电源电压V_DD的 基本恒定的栅极-源极电压V_GS运作。LED修调电路包括一个或多个 可编程修调晶体管，该可编程修调晶体管精细地校准LED电流以负 责于晶体管之间的制造变化。总的来说，与传统架构相比，所描述的 LED驱动器提供了改进的功率效率和接地噪声抑制，其对于诸如3D 模式和扫描模式LED背光应用等高电流应用特别有利。

LED驱动器架构

图1是驱动LED串112的LED驱动器100的第一实施例的电路 图。LED驱动器100包括LED控制器102、由升压PWM发生器116 驱动的PWM晶体管M1、修调电路114以及由第一电流路径104、第 二电流路径108、LED电流路径110和放大器amp1、amp2共同组成 的电流镜电路122。备选实施例可以包括为了描述的清晰性而从图1 中省略的附加组件。

LED控制器102输出数字控制信号PWM、CLK和ictrl。正如下 面将要进一步详细描述的，PWM和CLK信号被输出到升压PWM发 生器116并且用于控制LED串112的亮度。ictrl是电流控制信号， 其经由电流镜电路122间接地控制流过LED串112的峰值电流。在 一个实施例中，ictrl控制电流源106以设定流过第一电流路径104的 种子电流Iseed。Iseed和电阻器Rp1的值共同确定节点X处的电压。 特别地，随着Iseed增大，跨电阻器Rp1的电压降增大，并且节点X 处的电压减小(反之亦然)。

在第二电流路径108中，电阻器Rp2、晶体管M4和晶体管M3 串联耦合。放大器Amp2放大节点X和节点Y之间的电压的差值并 且产生控制晶体管M3的栅极的基准电压Vr。在运作中，这一反馈回 路起到感测电压X和按比例调节电压Y的作用。例如，随着电压X 相对于电压Y增大，Vr减小。这减少了流过第二电流路径108的电 流I₂，从而降低了跨电阻器Rp2的电压降并且增大了节点Y处的电 压。如果Rp1和Rp2具有相等的电阻，则反馈回路将把电压Y维持 在与电压X相同的电平。因此，Iseed将被复制到第二电流路径108， 从而使得I₂＝Iseed。在备选实施例中，Rp1和Rp2可以具有不同的电 阻值。在这些实施例中，电压Y将与电压X成比例地移动并且电流 I₂将与Iseed成比例地移动，其中增益取决于Rp1和Rp2之间的比率。

在LED电流路径110中，高压晶体管M1和晶体管M2与LED 串112串联耦合。运算放大器amp1放大晶体管M3和M2的漏极电 压(分别在节点A和B处的电压)的差值，而且被放大的输出驱动 第二电流路径108中的晶体管M4的栅极。当PWM关闭(即V_G为 低)时，晶体管M1断开并且停止LED电流I_LED的流动，其转而致 使晶体管M4断开并且关闭反馈回路。当PWM开通(即V_G为高) 时，LED电流I_LED流过晶体管M1和M2。放大器amp1感测节点B 处的电压并且控制晶体管M4从而使得节点A处的电压与节点B处的 电压相匹配。晶体管M2与晶体管M3共享栅极电压Vr。因此，因为 晶体管M2具有与晶体管M3相同的漏极、源极和栅极电压，所以当 PWM开通时流过晶体管M2的电流I_M2将与流过M3的电流I₂成比例 地移动。电流镜的电流增益取决于M2和M3之间的制造变化。例如， 通过改变晶体管的宽度和/或长度，可以实现不同的增益因子m。因 此，例如，如果晶体管M3具有增益因子m＝1并且晶体管M2具有增 益因子m＝N，则流过晶体管M2的电流I_M2由I_M2＝N*I₂给出。在一个 实施例中，例如，N≈1000允许LED驱动器100仅使用流过电流路径 104和108的非常低的电流(和非常低的功率)来控制I_LED。

修调电路

修调电路114允许对I_LED进行精细校准以负责于接地噪声和晶体 管之间的制造变化。在一个实施例中，修调电路114包括每个都由校 准比特独立地导通或断开的一个或多个修调晶体管。在一个实施例 中，校准比特可以在紧随LED驱动器100的制造之后的测试阶段期 间被永久性地编程。

在所示出的实施例中，使用了包括三个修调晶体管M_t0、M_t1和 M_t2的3比特修调电路114。每个修调晶体管的源极和漏极被分别耦 合到晶体管M2的源极和漏极。每个修调晶体管由一对开关控制，该 对开关取决于对应的校准比特来将修调晶体管从LED电流路径110 进行耦合或者去耦。例如，当校准比特0被确立时，开关t<0>闭合并 且开关tb<0>打开，从而将修调晶体管M_t0的栅极耦合到基准电压Vr。 结果，电流I_t0流过修调晶体管M_t0。反之，当校准比特0被去确立时， 开关t<0>打开并且开关tb<0>闭合，从而将修调晶体管M_t0的栅极耦 合到地，从而有效地将电流I_t0减少到零。开关t<1>和tb<1>基于校准 比特1类似地运作以控制晶体管M_t1，并且开关t<2>和tb<2>基于校 准比特2类似地运作以控制晶体管M_t2。

因此，当校准比特被设定时，对应的修调晶体管变成与晶体管 M2并联耦合，从而具有相同的漏极、源极和栅极电压。因此，I_LED可以通过设定各种校准比特而被增大。整体LED电流由 I_LED＝I_m2+I_t0+I_t1+I_t2给出。流过每个被导通的修调晶体管的电流量将与 流过M2的电流成比例并且取决于修调晶体管的增益因子。

在所示出的实施例中，第一修调晶体管M_t0具有增益因子 m＝N/100，因此当被开启时使I_LED增大1％。第二修调晶体管M_t1具有 增益因子m＝2N/100，因此当被开启时使I_LED增大2％。第三修调晶体 管M_t2具有增益因子m＝3N/100，因此当被开启时使I_LED增大3％。通 过开启或者关闭修调比特的不同组合，I_LED可以在0-6％的任何位置以 1％的增量被增大。在备选实施例中，不同的校准范围或精度水平可 以通过改变所使用的校准比特的数量和/或通过改变修调晶体管的增 益因子m来实现。

在一个实施例中，修调开关t<0>、tb<0>、t<1>、tb<1>、t<2>、 tb<2>可以使用诸如多晶硅熔丝等一次可编程存储器组件来实现。这 些开关可以基于在LED驱动器100的测试阶段期间所观测到的校准 结果而被编程。

升压PWM控制器

升压PWM控制器116接收来自LED控制器102的脉冲宽度调制 信号PWM和时钟信号CLK并且感测PWM晶体管M1的源极电压 V_S。LED控制器102改变PWM的占空比以实现LED串112的所期 望的亮度。升压PWM控制器116产生升压PWM信号作为栅极电压 V_G以驱动PWM晶体管M1。V_G具有与PWM相同或基本相似的占空 比，但是当PWM被确立时V_G通过V_S在幅度方面进行升压并且随 V_S连续变化。通过随V_S改变V_G，可以确保晶体管M1的V_GS被维持 在基本恒定的电压V_dd。

晶体管M1的导通阻抗由下式给出：

$\mathrm{RH}=\frac{1}{{{\mu }_{n}C}_{\mathrm{ox}}\left(\frac{W}{L}\right)(\mathrm{Vg}-\mathrm{Vs}-V_{\mathrm{th}})}---\left(3\right)$

其中，μ_n是电子迁移率，C_ox是氧化电容，V_th是导通阈值电压，W是 栅极宽度，以及L是栅极长度。μ_n、C_ox、V_th、W和L都是通过制造 或设计过程所定义的常数。因而，导通阻抗与V_GS＝V_G-V_S成反比。因 此，通过使用升压PWM控制器116来维持V_GS＝Vdd，晶体管M1的 导通阻抗被最小化，从而在不具有升压PWM的传统LED驱动器架构 上提供了改善的功率效率。

图2图示了升压PWM控制器116的示例实施例。在一个实施例 中，升压PWM控制器116包括时钟发生器电路202和升压电路204。 此外，反相器225从PWM产生反相的PWM信号PWM_b。

时钟发生器电路202接收输入时钟CLK并且产生当PWM被确立 时不重叠(即当第一输出时钟信号Φ1被确立时第二输出时钟Ф2决 不会被确立，反之亦然)且当PWM为低时为低的第一输出时钟信号 Ф1和第二输出时钟Ф2。时钟发生器电路202的实施例可以使用标准 逻辑门来实现。例如，在一个实施例中，CLK与反相器216的输出被 耦合到与非门(NAND门)204的输入。与非门204的输出被耦合到 串联布置的反相器206、208。反相器208的输出被与门(AND门) 218利用PWM所掩盖，从而使得输出Ф1当PWM为低时为低并且当 PWM被确立时跟随反相器208的输出。CLK也被非门(NOT门)210 所反相。反相的CLK信号和反相器208的输出被耦合到与非门212 的输入。与非门212的输出被耦合到串联布置的反相器214、216。反 相器216的输出被与门220所掩盖，从而使得输出Ф2当PWM为低 时为低并且当PWM被确立时跟随反相器216的输出。

当CLK为低时，与非门204的输出和反相器208的输出一定为 高，因此致使Ф2变为低(如果PWM被确立)。反之，当CLK为高 时，与非门212的输出和反相器216的输出一定为高，因此致使Ф1 变为低(如果PWM被确立)。结果，当PWM被确立时，Ф1跟随 CLK并且Ф2跟随反相的CLK，其中基于逻辑延迟而从CLK转变信 号相位。因此，当PWM被确立时Ф1和Ф2具有相同的频率，并且Ф2 的导通时间与Ф1的导通时间不重叠。在备选实施例中，可以使用时 钟发生器202的不同的实现方式。

升压电路204利用Ф1和Ф2以基于PWM_b和Vs产生升压PWM 输出信号V_G。升压电路204包括一组开关s1、s2、s3、s4、s5，电容 器C1和运算放大器222。当Ф1被确立(并且Ф2因此为低)时，开 关s1和s2闭合并且开关s3和s4打开。这将电容器C1耦合在Vdd 和地之间，因而对C1充电并且产生跨C1的电压Vdd。当Ф1变为低 (并且Ф2因此被确立)时，开关s1和s2打开并且开关s3和s4闭合。 运算放大器222被配置成电压跟随器(即缓冲器)以缓冲Vs并且输 出跟随V_S的缓冲电压vs_buf。电容器C1因此变成耦合在Vs_buf和 输出电压V_G之间。假设开关s5打开(即当PWM为高时)，缓冲电 压Vs_buf被加到跨电容器C1的电压Vdd，从而得出升压输出 V_G＝Vdd+V_S。当PWM_b被确立(PWM为低)时，开关s5闭合并且 V_G下降到零。因此，V_G跟随与PWM相同的占空比，但是当PWM 被确立时，幅度被升压到V_G+V_S。

图3图示了示出升压PWM发生器116的运作的波形图。图示了 信号PWM、PWM_b、CLK、Ф1、Ф2和V_G。如可见，Ф1和Ф2是从 CLK产生的不重叠的时钟信号。晶体管M1的栅极处的升压PWM信 号V_G具有近似跟随PWM的占空比，但是幅度被升压了ΔV＝V_S。V_G的上升时间t_r和下降时间t_f通常随着CLK的频率相对于PWM的频率 的增加而减少。这些参数可以取决于所期望的LED驱动器100的性 能特性而被调整。

上述LED驱动器提供了优于常规架构的若干优势。第一，通过 利用电流镜配置来控制LED电流，LED驱动器可以在LED电流路径 中没有的任何固定电阻器的情况下而运作。这减少了通过LED电流 路径的电阻并且提高了整体功率效率。第二，通过应用升压PWM发 生器来驱动PWM晶体管，该PWM晶体管以维持在近似VDD处的基 本恒定的V_GS运作。这提高了PWM晶体管的导通阻抗，进一步减少 了整体功耗。第三，LED驱动器包括LED修调电路，其允许LED电 流的精细校准。修调电路可以在校准阶段期间被编程以负责于晶体管 之间的制造变化。这减少了电流失配并且改善了LED驱动器的接地 噪声抑制。所描述的LED驱动器架构在高电流应用中特别有用，因 为LED驱动器可以基于其改进的功率效率来避免与常规架构相关联 的温度问题。

在阅读了本公开内容之后，本领域技术人员将认识到还有用于 LED驱动器的附加备选设计。因此，虽然已经说明和描述了本发明的 特定实施例和应用，但是应当理解，本发明并不限于本文公开的精确 结构和组件，而且对于本领域技术人员而言将是显而易见的各种修 改、改变和变化可以在本文公开的本发明的方法和装置的布置、操作 和细节方面做出，而不会背离所附权利要求中所限定的本发明的精神 和范围。