一种LED显示屏恒流源驱动模组及恒流源增益控制方法

摘要

本发明涉及一种LED显示屏恒流源驱动模组及恒流源增益控制方法，包括REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节，通过调节电流镜的镜像比例实现输出电流的调节，减小了运算放大器失调电压对恒流输出精度的影响。当电流增益设置得较小时，可使电流镜中各MOS管的|VGS|（VGS的绝对值）都处于合理的区间，从而提高恒流输出的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及恒流源，具体涉及一种LED显示屏恒流源驱动模组及恒流源增益控制方法。

背景技术

恒流源是电路中广泛使用的一个组件，是一种宽频谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载等优点。最简单的恒流源就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。最常用的简易恒流源用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为:I＝Vbe/R1。这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。

例如图1，是一种常用的恒流源驱动产生电路，上图中的R_EXT为驱动芯片的外置电阻。

设上图中的所有放大器的增益无限大，恒流源的产生原理如下：

1)从Bandgap产生出带隙基准电压VBG；

2)电流增益控制模块按一定比例将VBG进行放大或缩小，产生参考电位VREF1，即VREF1＝Igain*VBG，比例Igain为电流增益，比例Igain的大小由寄存器控制；

3)NM0的源端电位被放大器AMP1钳位到VREF1，所以流过PM0的源漏电流大小为：I0＝VREF1/R_EXT；

4)PM1和PM0为电流镜，设电流镜的电流比例(PM1的源漏电流比PM0的源漏电流)为K，那么所以PM1的源漏电流大小为I1＝K*VREF1/R_EXT；

5)恒流源通道开启时，放大器AMP3、AMP_C分别将NM1、NM_C0的漏端电位钳位至VREF2，恒流源输出通道的NM_C0的所有端口的电位与NM1的所有端口的电位相同，通道的输出电流大小为NM1源漏电流大小的比例镜像，设镜像比例为J，那么恒流源通道此时的输出恒流大小(绝对值)为IOUT＝Igain*J*K*VBG/R_EXT。

在一般的恒流源驱动芯片中，J*K为一个固定值，VBG为带隙基准电压，当外置电阻R_EXT的阻值选定后，可通过配置寄存器来调整比例Igain，从而调节恒流输出的电流大小，实现电流增益的控制。

根据IOUT的电流公式，VREF1的精度将直接影响到恒流输出的精度。由电路结构可知，运放AMP1的失调电压VOS会直接叠加在VREF1上。对于同一芯片，运放AMP1的失调电压VOS为固定值，不会随着电流增益Igain的变化而变化。因此，电流增益Igain设置得越小，VREF1越小，VOS对恒流输出精度的影响越大，恒流输出的精度越差。

在一般的恒流源驱动芯片中，电流增益Igain的范围较宽，可调节的最大电流与最小电流的比例通常在8倍以上。对于上述增益控制方法，即要求VREF1的调节范围在8倍以上。由于电源电压有限，VREF1的电压最大值通常不会很大。为了满足电流增益的可调范围，只能将VREF1的电压最小值设置得很小，不利于恒流输出精度的提高。

并且，电流增益Igain较小时，I0、I1和IOUT都会按比例减小，PM0、PM1、NM1和每个通道的NM_C0的参数需要满足在最大的输出电流下可以正常的工作，那么输出电流最小的时候，PM0、PM1、NM1和每个通道的NM_C0，它们的|VGS|(VGS的绝对值)都会很小，这样会使得上面提到的两组电流镜变差，输出的恒流源精度也会变差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种LED显示屏恒流源驱动模组及恒流源增益控制方法，通过调节电流镜的镜像比例实现输出电流的调节，减小了运算放大器失调电压对恒流输出精度的影响。当电流增益设置得较小时，可使电流镜中各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于合理的区间，从而提高恒流输出的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种LED显示屏恒流源驱动模组，包括：

REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；

与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；

与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节。

在本发明中，是利用处理器或寄存器配置电流镜的镜像比例，理器或寄存器可以同步调节电流镜中MOS管的的尺寸，使各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于合理的区间，从而提高恒流输出的精度。

对于PMOS，工作在饱和区，电流公式如下：

公式中，μ、C

由于所需的IOUT变化范围较大，IOUT最大值可能是IOUT最小值的10倍以上，而I

为了满足IOUT的输出范围和精度，需要把PM0、PM1的面积做的很大才能减小失调电压V

对于NMOS，工作在线性区，电流计算公式如下

与PMOS类似的，当IOUT较大时，V

进一步的，所述第二电流镜与第一电流镜输出通道顺次连接，或，各第二电流镜分别连接在第一电流镜输出通道。

进一步的，还包括：

电压控制模块，连接在REXT环路模块输入端，用于将第一电压调节至第二电压输出至REXT环路模块。

进一步的，所述处理器或寄存器与电压控制模块连接，用于配置电压控制模块的缩放比例。

为了进一步的提高恒流输出的精度，本发明还对输入电压VREF，也就是本方案中的第一电压调作为了调节控制，从而降低了输入电压的要求，使得输入电压，也就是背景技术中所提到的VREF可以设计得相对较大，减小了运算放大器失调电压对恒流输出精度的影响。

进一步的，还包括：

电压输出模块，连接在所述电压控制模块输入端用于向电压控制模块输入第一电压。

进一步的，所述电压输出模块是带隙电压源。

采用带隙电压源的优势在于可以实现与温度无关的电压基准，从而消除温漂所造成的电压波动，更进一步的提高了恒流输出精度。

进一步的，还包括：

电压输出模块，连接在所述REXT环路模块输入端用于向REXT环路模块输入第一电压。

进一步的，所述电压输出模块是带隙电压源。

进一步的，所述第一电流镜和第二电流镜是由单个MOS管和MOS管组形成镜像输出。

进一步的，所述MOS管组设置有由所述处理器或寄存器控制的开关元件，用于控制第一MOS管组和第二MOS管组中MOS管的接入数量。

进一步的，所述第一电流镜由P型MOS管构成，第二电流镜与第一电流镜顺次连接时，第奇数个第二电流镜的输出通道由多个N型MOS管连接而成，第偶数个第二电流镜的输出通道由多个P型MOS管连接而成；

第二电流镜分别连接在第一电流镜的输出通道时，第二电流镜的输出通道由多个N型MOS管连接而成。

一种恒流源增益控制方法，包括：

步骤1)：通过REXT环路模块将外置电阻R_EXT一端电压钳位至第三电压；

步骤2)：REXT环路模块的电流端与一个或多个电流镜顺次连接，其中第一电流镜的输入侧由多个MOS管并联而成，输出侧为单个MOS管；

第二电流镜的输入侧为单个MOS管组成，输出侧为多个MOS管并联而成；

步骤3)：通过配置处理器或寄存器的控制指令，用于调节第一电流镜的输入侧和第二电流镜输出侧的MOS管接入数量，以实现电流镜的镜像比例调节。

进一步的，还包括：

由电压输出模块输出第一电压至REXT环路模块；

或；

由电压输出模块输出第一电压至电压控制模块，电压控制模块输出第二电压至REXT环路模块；

或；

直接由电压控制模块输出第二电压至REXT环路模块。

进一步的，通过配置处理器或寄存器的控制指令用于调节电压控制模块的缩放比例。

本发明的有益效果是：在本发明中电流增益控制的实现通过两部分来完成，一部分是调节输入电压(也就是第一电压)的大小，另一部分是调节输入电流与IOUT之间的镜像比例。这样，输入电压的值可以设计得较大，减小了运算放大器失调电压对恒流输出精度的影响。当电流增益设置得较小时，即I0较小时，处理器或寄存器可以同步调节电流镜中MOS管的的尺寸，使各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于合理的区间，从而提高恒流输出的精度。

附图说明

图1是现有技术的原理框图；

图2是本发明的原理框图；

图3是第一MOS管组原理图；

图4是第二MOS管组原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种LED显示屏恒流源驱动模组，主要用于恒流源驱动，例如应用在LED显示屏的恒流源驱动，或者是其他场景下的恒流源驱动，总而言之，本发明所提出的技术方案，适用于各种恒流源驱动场景，尤其是针对输出精度要求较高的场合。

一种LED显示屏恒流源驱动模组，其最小组成至少应该包括：

一个REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；

与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；

与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节。

REXT环路模块是用于将外置电阻R_EXT两端的电压钳位至我们需要的电压或者说是预设电压，也就是本发明中所指的第三电压，值得说明的是本方案说指的第三电压，以及后续所提及的第一电压和第二电压仅仅是在命名上进行区分而已，其本身不代表电压幅值的变化，甚至可能是第三电压、第一电压、第二电压完全相同，也就是说是第三电压、第一电压、第二电压在电压大小上并未实质的关系。其中，REXT环路模块，其主要是由放大器组成的，本发明未对其进行改进，采用的是本领域内已知的电路结构实现。例如在图1中，也就是现有技术中是利用放大器AMP1和N型MOS管NM0构成的，放大器AMP1的输入端接输入电压，其输出端与N型MOS管NM0的栅极连接，同时N型MOS管NM0的源极与放大器AMP1的另一输入端连接至外置电阻R_EXT。除图1所展示的实现方式以外，还可以直接用一个放大器组成，也就是将放大器的输出端直接连接至外置电阻R_EXT，使得外置电阻R_EXT一端电压就等于放大器的输出电压。

可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，第二电流镜与第一电流镜输出通道顺次连接，或，各第二电流镜分别连接在第一电流镜输出通道。

第二电流镜与第一电流镜顺次连接，或第二电流镜分别连接在第一电流镜的输出通道。例如图2所示是将第二电流镜与第一电流镜顺次连接，当出现多个第二电流镜时，则各第二电流镜顺次连接，最终形成一个输出通道。一般来说，第二电流镜的个数为一个或两个，使用两个时可作为共阴极接线，使用一个时可作为共阳极接线，作为一种特例，也可以不要第二电流镜，即仅以第一电流镜输出作为共阴极驱动，该方案则存在芯片内耗，因此不再本方案的讨论范围内。

当各第二电流镜分别连接在第一电流镜的输出通道时，则每个第二电流镜都作为一个输出通道，相当于是提供多个输出电源。

可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，除上述内容外，本方案还包括一个电压控制模块，连接在REXT环路模块输入端，用于将第一电压调节至第二电压输出至REXT环路模块。在本方案中，增加了一个电压控制模块，也就是将恒流源的输出调节分为了两部分，一部分是调节输入电压的大小，另一部分是调节电流镜的镜像比例，这样，输入电压的值可以设计得较大，减小了运算放大器失调电压对恒流输出精度的影响。当电流增益设置得较小时，即输入电流较小时，处理器或寄存器可以同步调节电流镜中MOS管的的尺寸，使各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于合理的区间，从而提高恒流输出的精度。

可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，除上述内容外，处理器或寄存器与电压控制模块连接，用于配置电压控制模块的缩放比例，也就是在处理器或寄存器存放电压控制模块缩放比例的控制指令，其中电压控制模块本发明并未作出相应的设计改进，是采用本领惯用的放大电路实现，凡是本领域已知的放大电路均可用于本方案。

可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，包括：

一个REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；

与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；

与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节；

电压输出模块，连接在电压控制模块输入端用于向电压控制模块输入第一电压。

参考图2所示，可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，包括：

一个REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；

与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；

与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节；

电压控制模块，连接在REXT环路模块输入端，用于将第一电压调节至第二电压输出至REXT环路模块

电压输出模块，连接在REXT环路模块输入端用于向REXT环路模块输入第一电压。处理器或寄存器与电压控制模块连接，用于配置电压控制模块的缩放比例。

可选的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，在本实施例所提到的电压输出模块均是带隙电压源，也就是Bandgap voltage reference，简称Bandgap。最经典的带隙基准是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准。

一种LED显示屏恒流源驱动模组，包括：

一个REXT环路模块，与外置电阻R_EXT连接将其电压钳位至第三电压；

与REXT环路模块连接的第一电流镜，以及与第一电流镜连接的一个或多个第二电流镜，所述第一电流镜的输入通道和第二电流镜的输出通道由多个MOS管连接而成的MOS管组；

与电流镜连接处理器或寄存器，用于配置所述MOS管接入数量以实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节；

电压输出模块，连接在REXT环路模块输入端用于向REXT环路模块输入第一电压。

例如图2所示，是具有两个电流镜的实例，该恒流驱动源主要用于共阳极接线的方式。当只有一个电流镜时，则适用于共阴极的接线方式。基于电流镜的工作原理可知，当电流镜的个数为奇数时，适用于共阴极的接线方式，当电流镜的个数为偶数时，适用于共阳极的接线方式，原则上，电流镜的个数越多其输出调节的宽度也就越大，所设置的分段调节越细，但是在制作成本上则稍有增加。因此在实际应用中，电流镜的数量最多设计为三组。

一种LED显示屏恒流源驱动模组，第一电流镜和第二电流镜是由单个MOS管和MOS管组形成镜像输出。这里的连接包括串联或者并联，基于公知常识可知，电流镜的镜像比是由MOS管的宽长比进行调节，采用并联方式，通过控制MOS管组中MOS管的接入数量，使得MOS管组的宽度可调而长度不可调，最后实现电流镜的镜像比例调节。采用串联的方式则原理相同，区别在于MOS管组的长度可调而宽度不可调。

更进一步的，一种LED显示屏恒流源驱动模组，MOS管组设置有由所述处理器或寄存器控制的开关元件，用于控制第一MOS管组和第二MOS管组中MOS管的接入数量。

更为具体的，第一电流镜由P型MOS管构成，第二电流镜与第一电流镜顺次连接时，第奇数个第二电流镜的输出通道由多个N型MOS管连接而成，第偶数个第二电流镜的输出通道由多个P型MOS管连接而成；第二电流镜分别连接在第一电流镜的输出通道时，第二电流镜的输出通道由多个N型MOS管连接而成。

可参考图3和图4所示，是第一MOS管组和第二MOS管组的实例电路(并联方式)，两者的区别仅在于所采用的MOS管类型不同，其中第一MOS管组是由P型MOS管连接组成，第二MOS管组是由NP型MOS管连接组成，两者在电路实现上完全一致。

本实施例还提供了一种恒流源增益控制方法，针对上述一种LED显示屏恒流源驱动模组进行操作，其步骤包括：

步骤1)：通过REXT环路模块将外置电阻R_EXT一端电压钳位至第三电压；

步骤2)：REXT环路模块的电流端与一个或多个电流镜顺次连接，其中第一电流镜的输入侧由多个MOS管并联而成，输出侧为单个MOS管；

第二电流镜的输入侧为单个MOS管组成，输出侧为多个MOS管并联而成；

步骤3)：通过配置处理器或寄存器的控制指令，用于调节第一电流镜的输入侧和第二电流镜输出侧的MOS管接入数量，以实现电流镜的镜像比例调节。

进一步的，如果恒流源驱动模组还包括电压输出模块或电压控制模块，则控制步骤则还包括：

由电压输出模块输出第一电压至REXT环路模块；

或；

由电压输出模块输出第一电压至电压控制模块，电压控制模块输出第二电压至REXT环路模块；

或；

直接由电压控制模块输出第二电压至REXT环路模块。

进一步的，通过配置处理器或寄存器的控制指令用于调节电压控制模块的缩放比例。

以附图2所示的具体实例做一个完整的举例说明：

1)从Bandgap(电压输出模块)产生出带隙基准电压VBG(第一电压)；

2)电压控制模块按比例Igainv将VBG进行放大或缩小，产生参考电位VREF(即第二电压)，即VREF＝Igainv*VBG，比例Igainv的大小由寄存器S1[P:1]控制，Igainv最大值与最小值的比值为Gv＝Igainv(max)/Igainv(min)；

3)REXT环路模块连接片外电阻R_EXT(也就是外置电阻R_EXT)、PM0，通过运算放大器将片外电阻R_EXT一端的电压钳位至VREF(即第三电压，在这个实例中第三电压与第二电压本质相同)，I0为流过片外电阻R_EXT和PM0的电流，其电流计算公式为：I0＝VREF/R_EXT＝Igainv*VBG/R_EXT；

其中，PM1与PM0构成电流镜，将流过R_EXT电阻的电流I0镜像产生电流I1，并输出至NM1。PM1的尺寸可调，由M位控制信号SP[M:1]控制。I0与I1的镜像比例为K。电流I1的计算公式为：I1＝K*I0；

NM1与NM_C0构成电流镜，将电流I1镜像产生通道的输出电流IOUT。NM_C0的尺寸可调，由N位控制信号SN[N:1]控制。I1与IOUT的镜像比例为J。电流IOUT的计算公式为：IOUT＝J*I1＝J*K*I0＝J*K*Igainv*VBG/R_EXT；

4)通过配置寄存器S2[Q:1]，可以控制PM0、NM_C0宽长比的调整。随着PM0、NM_C0宽长比的调整，镜像比例J、K均会发生变化。J*K的值有L种，分别为JK[L:1]，其中[L:1]表示从1到L。即通过配置寄存器S2[Q:1]可以选择所需的J*K值。

设计JK[1]＝JK[2]*Gv＝JK[3]*(Gv)

由IOUT的计算公式可知，当R_EXT选定后，可以通过配置寄存器S1[P:1]、S2[Q:1]来调节输出电流的大小，IOUT的调节范围分为L段，各段的调节范围分别为：JK[X]*Igainv(max)*VBG/R_EXT～JK[X]*Igainv(min)*VBG/R_EXT。由上可知，第X段的电流调节下限值与第X+1段的电流调节上限值相等，则L个调节范围可以无缝衔接，实现从JK[1]*Igainv(max)*VBG/R_EXT到JK[L]*Igainv(min)*VBG/R_EXT的电流增益控制。

以上实例是指电流镜为两个的情况下，两个电流镜的镜像比例分别为K和J，对于多个电流镜的控制原理与上述相似，本实施例中不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。