CN101340755A - 一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路 - Google Patents

一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路，包括为所述发光二极管提供工作电流的恒定电流源、连接在所述发光二极管与恒定电流源之间的输出调整管以及与所述输出调整管形成有源共源共栅结构的运算放大器，所述驱动电路还包括受所述恒定电流源的电流控制且输出端连接到所述输出调整管控制端的开启加速电路。在发光二极管驱动电路中使用辅助开关以加速开启过程时，常规发光二极管恒流驱动电路响应速度会比较慢且不稳定。实施本发明，能缩短流过发光二极管电流的上升时间，加速发光二极管导通，并有效抑制过冲电流。

Description

一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路
技术领域
本发明涉及发光二极管驱动，更具体地说，涉及一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路。
背景技术
近年来，随着发光二极管(LED)在大屏幕显示系统中的应用越来越广泛，对其驱动电路的要求也越来越高。其中为了保证稳定的显示画面，要求显示器件具有高刷新频率的同时，还要求提高驱动电路的响应速度(TransientResponse)，包括时钟频率(Clock Frequency)和上升时间/下降时间(Tr/Tf)等。
图1为一种常用的发光二极管(10)恒流驱动电路图，恒定电流源(13)设置流过发光二极管(10)的电流值，基准电压信号B1、运算放大器(12)和输出调整管(11)形成有源共源共栅结构，以增大输出电阻，抑制输出端电压变化对输出电流的影响，提高电流精度。在某些特定的应用领域，要求输出整流管(11)具有能够承受十几伏以上电压的能力，必须采用晶体管漏源击穿电压比普通CMOS工艺高的DMOS工艺，这导致输出整流管(11)本身尺寸很大，相应要求驱动能力更高。如图2所示，给控制开关(14)加上使能控制信号A1时，发光二极管随之开启和关断，可看到电流波形ILED的上升沿非常缓慢，上升时间Tr较大，根本无法满足响应速度的要求。
常见的解决方法是使用辅助开关(15)，在输出通路刚开始开启时帮助提升输出整流管(11)的栅极电位，加速开启过程，波形见图3。然而此种方法的致命缺点是只能满足某单一条件下的输出电流值，从图3中流过发光二极管的电流波形可以看出，当输出电流值变化时，响应速度十分不稳定，造成大电流值时响应速度不够快，而小电流值时响应速度过快产生了过冲现象。这种响应速度的不稳定对电源电压、工艺容差和工作温度等条件同样敏感。当上述环境条件发生变化时，驱动电路的性能表现极其不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述常规发光二极管恒流驱动电路响应速度太慢以及不稳定的缺陷，提供一种能够实现发光二极管输出通路快速开启并能防止电流过冲的电路，满足高响应速度的应用要求，同时有效抑制了随着速度提高带来的过冲问题，即使改变输出电流值也能够保证响应速度性能稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路，其包括为所述发光二极管提供工作电流的恒定电流源、连接在所述发光二极管与恒定电流源之间的输出调整管以及与所述输出调整管形成有源共源共栅结构的运算放大器，根据本发明，所述驱动电路还包括受所述恒定电流源的电流控制且输出端连接到所述输出调整管控制端的开启加速电路。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述开启加速电路包括与所述恒定电流源连接的防过冲充电电路、连接在所述防过冲充电电路与输出调整管控制端之间的充电开关单元以及与所述充电开关单元连接对其进行控制的电压比较器。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述驱动电路还包括一连接在所述输出调整管控制端与地之间受所述发光二极管的导通使能信号A1控制的关断控制开关。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述电压比较器的正输入节点连接外部电路提供的基准电压信号B2，负输入节点连接所述输出调整管的源极，输出节点与所述充电开关单元连接。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述防过冲充电电路的输入端连接至所述恒定电流源且受其电流控制，输出端连接至所述输出调整管的控制端并提供瞬间电流为所述输出调整管的控制端充电。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述充电开关单元还与所述使能信号A1连接，其中所述充电开关单元在所述使能信号A1有效时闭合，为所述输出调整管提供瞬间充电电流流过的通路，并在完成充电后关断。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述防过冲充电电路包括P型防过冲晶体管、第一和第二偏置管以及防过冲晶体管，其中P型防过冲晶体管的栅电极输入信号为反映所述发光二极管输出电流值的电压信号，防过冲晶体管的栅电极输入信号为P型晶体管的源端电压信号，其中瞬间大电流由电源通过防过冲晶体管产生。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述防过冲晶体管包括N型晶体管或NPN型BJT晶体管。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，其特征在于，所述充电开关单元由所述发光二极管的导通使能信号A1和所述述电压比较器的输出信号共同控制，为所述输出调整管的控制端提供瞬间大电流的通路。
在本发明所述的发光二极管高速驱动电路中，所述充电开关单元在所述发光二极管的导通使能信号A1的上升沿打开通路，在所述电压比较器检测出驱动电路的工作状态改变后关闭所述充电开关单元。
实施本发明的可防止过冲的发光二极管高速驱动电路，具有以下有益效果：通过增加一个开启加速电路来根据发光二极管的工作状态进行调整，缩短流过发光二极管电流的上升时间，加速发光二极管导通，并有效抑制过冲电流，保证了高且稳定的响应速度，使驱动电路工作时钟频率提高，所驱动的显示器件获得高刷新率和表现出稳定无闪烁的显示画面。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是常用的发光二极管恒流驱动电路的原理图；
图2是常用的发光二极管恒流驱动电路的波形示意图；
图3是常用的发光二极管恒流驱动电路增加辅助开关后的波形示意图；
图4是本发明发光二极管高速驱动电路的原理图；
图5是本发明发光二极管高速驱动电路的一个实施例的原理图；
图6是本发明发光二极管高速驱动电路的一个实施例的波形示意图；
图7是本发明防过冲充电电路的另一实施例的原理图。
附图标记如下：10是发光二极管，11输出调整管，12是运算放大器，13是恒定电流源，14是控制开关，15是辅助开关，20是开启加速电路，21是电压比较器，22是防过冲充电电路，23是反相器，24是关断控制开关，25是充电开关单元，31和32是第一和第二偏置管，33是P型防过冲晶体管，34是防过冲晶体管。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图4所示，本发明的发光二极管高速驱动电路可防止现有发光二极管驱动电路中的过冲现象，其包括为发光二极管10提供工作电流的恒定电流源13、连接在发光二极管10与恒定电流源13之间的输出调整管11以及与输出调整管11形成有源共源共栅结构的运算放大器12。其中，驱动电路还包括受恒定电流源13的电流控制且输出端连接到输出调整管11控制端的开启加速电路20。本发明电路器件上的不同处只在于取消了原来的控制开关14和辅助开关15(请参考图1)，而改用一个关断控制开关24连接在输出调整管11的栅电极与地之间，该关断控制开关24只控制发光二极管10的关断动作。
本发明的高速驱动电路用以帮助发光二极管10迅速导通，并且抑制电路中的过冲电流，其在常用恒流电路拓扑结构的基础上，对应于发光二极管10的导通使能信号A1产生瞬间大电流进行驱动，令发光二级管10快速导通发亮，同时瞬间大电流根据电路工作状态自动调整，避免生产过冲现象。该瞬间大电流的建立，是在发光二极管10导通使能信号的上升沿产生，施加于常规发光二极管驱动电路的输出调整管11的栅极(即控制端)，加速该输出调整管11导通。
根据本发明，开启加速电路20不影响常规发光二极管驱动电路的工作稳态，只在发光二极管10的导通使能信号上升沿瞬间工作，其包括与恒定电流源13连接的防过冲充电电路22、连接在防过冲充电电路22与输出调整管11控制端之间的充电开关单元25以及与充电开关单元25连接对其进行控制的电压比较器21。此外，本发明的驱动电路还包括一连接在输出调整管11控制端与地之间受发光二极管10的导通使能信号A1控制的关断控制开关24，其中导通使能信号A1通过反相器23连接到关断控制开关24的控制端。
电压比较器21的正输入节点连接外部电路提供的基准电压信号B2，负输入节点连接输出调整管11的源极，输出节点与充电开关单元25连接。电压比较器21的主要作用为控制防过冲充电电路的工作时间，即发光二极管10的导通使能信号刚开始有效到快速充电完成的一段时间。电压比较器21检测驱动电路在开关瞬态过程中的状态，根据该状态信息与预设状态的比较，产生输出对驱动电路进行控制。
另外，充电开关单元25由发光二极管10的导通使能信号A1和电压比较器21的输出信号共同控制，为输出调整管11的控制端提供瞬间大电流的通路。充电开关单元25在发光二极管10的导通使能信号A1的上升沿打开通路，在电压比较器21检测出驱动电路的工作状态改变后关闭充电开关单元25。充电开关单元25还与使能信号A1连接，其中充电开关单元25在使能信号A1有效时闭合，为输出调整管11提供瞬间充电电流流过的通路，并在完成充电后关断。关闭瞬间大电流通路后，避免了输出电流继续快速上升的过冲现象，驱动电路进入恒定输出电流工作稳态，直至下一次开关动作到来前述开启加速电路不再起作用。
防过冲充电电路22的输入端连接至恒定电流源22且受其电流控制，输出端连接至输出调整管11的控制端并提供瞬间电流为输出调整管11的控制端充电。防过冲充电电路22的主要作用是为提供瞬间电流为输出调整管的栅极充电，加速发光二极管10的导通，同时瞬间充电电流反映流过发光二极管电流值的大小，抑制过冲现象。防过冲充电电路22检测反映发光二极管10输出电流值大小的电压信号C，以此为根据调节前述瞬间大电流的大小，也就是在不同输出电流量程的应用下，提供相应大小不同的瞬间大电流，防止发光二极管10导通过慢，输出电流上升沿时间延长，或者导通过快出现的输出电流过冲现象。
如图5所示，所示的防过冲充电电路22包括P型防过冲晶体管33、第一和第二偏置管31、32以及防过冲晶体管34，其中P型防过冲晶体管33的栅电极输入信号为反映发光二极管10输出电流值的电压信号，防过冲晶体管34的栅电极输入信号为P型晶体管33的源端电压信号，其中瞬间大电流由电源通过防过冲晶体管34产生。其中，防过冲晶体管34可以是N型晶体管或NPN型BJT晶体管。防过冲充电电路22产生的瞬间大电流是由电源提供的，如此保证了电流能力。电源电压连接在N型MOS/BJT防过冲晶体管34的漏端，降低电源电压敏感度，使得驱动电路的速度性能受电源影响减小。充电开关单元25由发光二极管10的导通使能信号A1和电压比较器21的输出信号共同控制，为输出调整管11的控制端提供瞬间大电流的通路。充电开关单元25在发光二极管10的导通使能信号A1的上升沿打开通路，在电压比较器21检测出驱动电路的工作状态改变后关闭充电开关单元25。关闭瞬间大电流通路后，避免了输出电流继续快速上升的过冲现象，驱动电路进入恒定输出电流工作稳态，直至下一次开关动作到来前述开启加速电路不再起作用。
以下将结合图6所示的波形示意图对该实施例的工作原理进行描述。
发光二极管10熄灭时的电路状态：使能控制信号A1为低电平，充电开关单元25不起作用而关断控制开关24开启，因此输出调整管11处于截止状态，其源端节点D2为低电位，此时即使驱动电流信号C已经准备好，也无法向发光二极管10提供驱动电流。
发光二极管10的开启动作：使能控制信号A1由低电平变为高电平，关断控制开关24关断而充电开关单元25开始作用。由于输出调整管11源端节点D2此刻为低电位，电压比较器21输出D1为高电平，如此使快速充电支路开启，此时将有一股由开启加速电路20提供的大电流注入输出调整管11的栅极节点，加速其导通过程，一旦栅极节点电位超过晶体管的阈值电压，则输出调整管11导通，驱动电路开始向发光二极管10提供驱动电流。
开启加速电路20的关闭原理：假如开启加速电路20无限制地向输出调整管11的栅极节点提供大电流，则驱动电路向发光二极管10提供的驱动电流将迅速增加甚至超过预先所设定的电流值(该预设值由信号C设定)，使得驱动电路无法工作在提供恒定值电流的正常工作状态，因此需要在驱动电流超过预设值之前关闭开启加速电路20，改由运算放大器12来建立驱动电路的正常工作稳态。这里将输出调整管11源端节点D2作为检测点，检测该点电压以反映驱动电路向发光二极管10提供驱动电流的大小。调整管开启后检测点电位将上升，当超过基准电压信号B2时，电压比较器21输出D1由高电平转为低电平，充电开关单元25将防过冲充电电路22为输出调整管11栅极节点充电的电流通路阻断，至此快速充电过程结束，电路进入稳态，为发光二极管10提供恒定驱动电流。需要注意的是，基准电压信号B1和B2的设定，两个信号差值的大小主要由充电速度、开启加速电路20的反应速度来决定，假如差值太小将使加速电路关断不及时，容易造成过冲现象；假如差值太大则使加速电路关断太早，为输出调整管11栅极节点提供的充电电流不够，导致驱动电流上升时间Tr过长，发光二极管10开启速度减慢。
在上述过程中，防过冲充电电路22的作用是关键的，除了提供大电流满足快速开启过程外，还必须根据不同的输出电流量程来调整自身的工作状态，以抑制快速开启过程中引入的过冲问题。通过检测信号C，根据不同的输出驱动电流量程，来控制快速开启过程中对输出调整管11栅极节点充电的时间长短和电流大小，能够有效地抑制过度充电造成的过冲问题。该充电电路与图1中采用辅助开关15形成的简单RC充电回路相比，可以满足输出驱动电流可调条件下的应用，并且瞬间充电电流几乎不受电源电压变化的影响，使得驱动电路响应速度受输出电流应用条件、电源电压、工艺容差等条件影响的敏感度显著降低。
如图7所示，在能够制备良好特性BJT晶体管的工艺下，防过冲充电电路中的防过冲晶体管34可采用NPN型晶体管取代原来的NMOS晶体管，参见图7为本发明另一具体实施例所示，从而获得更好的性能。
通过以上的详细说明，本发明的主要技术特征是利用瞬间大电流提供给驱动通路以加速发光二极管的导通过程，并且考虑了驱动电路需要进入恒定输出电流的稳态，进一步检测电路工作状态来自动调节瞬态驱动能力的强弱，避免了快速开启过程中的过冲问题，使得整个驱动电路既能快速响应又能保持稳定的速度特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种可防止过冲的发光二极管高速驱动电路，包括为所述发光二极管(10)提供工作电流的恒定电流源(13)、连接在所述发光二极管(10)与恒定电流源(13)之间的输出调整管(11)以及与所述输出调整管(11)形成有源共源共栅结构的运算放大器(12)，其特征在于，所述驱动电路还包括受所述恒定电流源(13)的电流控制且输出端连接到所述输出调整管(11)控制端的开启加速电路(20)。
2、根据权利要求1所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述开启加速电路(20)包括与所述恒定电流源(13)连接的防过冲充电电路(22)、连接在所述防过冲充电电路(22)与输出调整管(11)控制端之间的充电开关单元(25)以及与所述充电开关单元(25)连接对其进行控制的电压比较器(21)。
3、根据权利要求2所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括一连接在所述输出调整管(11)控制端与地之间受所述发光二极管(10)的导通使能信号A1控制的关断控制开关(24)。
4、根据权利要求3所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述电压比较器(21)的正输入节点连接外部电路提供的基准电压信号B2，负输入节点连接所述输出调整管(11)的源极，输出节点与所述充电开关单元(25)连接。
5、根据权利要求3所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述防过冲充电电路(22)的输入端连接至所述恒定电流源(22)且受其电流控制，输出端连接至所述输出调整管(11)的控制端并提供瞬间电流为所述输出调整管(11)的控制端充电。
6、根据权利要求3所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述充电开关单元(25)还与所述使能信号A1连接，其中所述充电开关单元(25)在所述使能信号A1有效时闭合，为所述输出调整管提供瞬间充电电流流过的通路，并在完成充电后关断。
7、根据权利要求5所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述防过冲充电电路(22)包括P型防过冲晶体管(33)、第一和第二偏置管(31)、(32)以及防过冲晶体管(34)，其中P型防过冲晶体管(33)的栅电极输入信号为反映所述发光二极管(10)输出电流值的电压信号，防过冲晶体管(34)的栅电极输入信号为P型晶体管(33)的源端电压信号，其中瞬间大电流由电源通过防过冲晶体管(34)产生。
8、根据权利要求7所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述防过冲晶体管(34)包括N型晶体管或NPN型BJT晶体管。
9、根据权利要求2至8任一项所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述充电开关单元(25)由所述发光二极管(10)的导通使能信号A1和所述述电压比较器(21)的输出信号共同控制，为所述输出调整管(11)的控制端提供瞬间大电流的通路。
10、根据权利要求2至8任一项所述的发光二极管高速驱动电路，其特征在于，所述充电开关单元(25)在所述发光二极管(10)的导通使能信号A1的上升沿打开通路，在所述电压比较器(21)检测出驱动电路的工作状态改变后关闭所述充电开关单元(25)。
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