CN101569238A - 用于驱动电路元件的方法和器件 - Google Patents

Abstract

发光二极管(LED)通常用于从背面照亮移动电话的液晶显示屏和其它显示设备。可能期待的是：LED逐渐变暗，而这可能致使驱动电路的部件发出噪声，以及可能导致其它不期望的效果。提供了一种用于驱动电路元件的器件，包括：电压源(6、7、8)，用于生成经过脉冲宽度调制(PWM)的输出电压信号；电容器(9)，布置用于对所述PWM输出电压信号进行滤波；以及开关元件(13)，其特征在于：所述开关元件(13)与所述PWM输出电压信号同步，使得当所述PWM输出电压信号处于最小值时，所述开关元件(13)隔离所述电容器(9)，并且由此避免所述电容器(9)放电。

Description

用于驱动电路元件的方法和器件

技术领域

本发明涉及用于驱动电路元件的器件，并且更具体地，涉及用于驱动串联发光二极管(LED)串(string)的器件，其中LED串诸如是用于但不限于从背面照亮移动电话的液晶显示(LCD)屏的那些LED串，或引起驱动电路的输出电容器显著放电的其它负载。

背景技术

在移动电话中，提供了一种典型应用(即，电池组)以用于对部件供电。然而，移动电话可以包含若干子电路，每个这种子电路都需要与电池组所提供的电平不同的唯一电平(有时高于电池电压，有时低于电池电压，或者甚至是负电压)。另外，电池电压会随着其所存储功率的消耗而下降。DC(直流)/DC转换器提供了一种从单个可变电池电压生成多个受控电压的方法，从而因不需要使用多个电池为设备的不同部分供电而节省了空间。

取决于所需的特定功能，存在很多种可用的直流-直流(DC-to-DC)转换器。最常见的两种是升压器和降压器，其中升压器用于升高电压电平，而降压器用于降低电压电平。二者都是开关模式转换器，其通过在一段时间内将DC电压(通常在100kHz到5MHz范围内)施加到电感器或变压器上来执行转换。这样会引起电流流经将利用磁性存储能量的电感器或变压器。随后，该电压被断开，从而使得所存储的能量被以可控的方式传输到电压输出。通过调节ON(通)时间/断(OFF)时间的比例，即使电流需要改变，也可以对输出电压进行调节。

图1示出了简单的升压型直流-直流转换器的电路图。该电路包含电源1、高频开关2、二极管3、电感器4和负载电阻5。

当今的技术将电解钽电容器或陶瓷电容器用于这些功率管理专用集成电路(ASIC)的输出电压滤波。这些电容器的用途在于存储直流-直流转换器以脉冲形式输出的能量，以及还用于通过移除噪声和其它高频成分来平滑输出电压信号。

一种需要唯一电压的特定子电路是用来对LED串供电的电路，其通常用于从背面照亮移动电话的LCD屏。有时候，诸如，当背光灯被打开或关闭时，或者当需要或为了省电的目的而将该灯切换到较低电平时，需要背光灯变暗。这还可以与周围的光敏元件一起使用。为了达到变暗的效果，使用脉冲宽度调制(PWM)来对直流-直流开关模式转换器的输出进行调制。此外，为了实现省电，在PWM周期的OFF(断)时间，可以禁用或者部分禁用直流-直流转换器。

图2示出了当前用于为用于背光灯的可变暗LED串供电的典型电路的框图。该电路包含PWM控制信号生成器6、包括启用开关71的直流-直流开关模式转换器7、电池组8、输出滤波电容器9和LED串10。

PWM使用矩形波信号并对该矩形波信号的脉冲宽度进行调制，使得ON(通)时间(信号被评估的时间)与信号的时间周期之间的比率按照LED串所需操作而变化。图3示出了PWM信号，当将其作为PWM控制信号施加于直流-直流开关模式转换器7和LED串10时，会产生使LED串10逐渐变暗的效果。该图示出了变化的工作周期21和时间周期20。

PWM信号作为PWM控制信号施加至直流-直流开关模式转换器7，并对集成的启用开关71进行控制，使得当该PWM控制信号被评估时，闭合该启用开关71，而当该PWM控制信号没有被评估时，开启该启用开关71。当启用开关闭合时，该直流-直流开关模式转换器仅向LED输出经过转换的电压。因此，该直流-直流开关模式转换器会输出具有与PWM控制信号相同的频率和调制的PWM电压信号。随后，当该PWM输出电压信号被评估时，该LED串在发光之间闪烁，而当该PWM输出电压信号没有被评估时，该LED串不发光。如果图3的PWM控制信号被施加至直流-直流开关模式转换器7，则该LED串10将首先在该PWM控制信号的时间周期20的大部分时间内发光。然而，随着时间的流逝，时间周期20中LED串10发光的部分会逐渐减少。因此，如果该PWM控制信号的频率是适当的，则人眼会看到LED串10发出的光变暗。

为了使LED串的闪烁不被察觉，频率必须高于50Hz(例如，300Hz)。然而，这些频率处于可听见的频率范围内。陶瓷滤波电容器倾向于显示出压电性质，并且因此，当PWM输出电压信号处于可听见的频率时，该电容器会由于其连续的变形和整形(reforming)而发出嗡嗡的噪声。这种噪声是不能接受的。

图2所示的器件的又一问题在于：当直流-直流开关模式转换器接通时，其会与电感器一起操作，吸收大部分的电流，而且滤波电容器会从放电状态或部分放电状态充电。当使用PWM调制时这一点尤其重要，因为电路每秒钟会接通或断开几百次，而由此增大的电流需要电感器和其它部件根据遇到的峰值电流来设计尺寸，并且因此增大这些部件的尺寸和价格，或者增大它们的操作压力水平。

这种电路的另一问题在于：额外的电流会使对电路供电的输电线的扰动增大，这样可能会导致与其它设备的干扰，或者导致释放出超过规定限制的电磁辐射。

在PWM信号波形的解评估状态期间，禁用的或下电的任何DC电源技术中都会产生类似的问题，使得在OFF状态不会驱动输出电压；电容器上的电压是噪声何时变得明显的唯一决定因素。即使在DC电源是驱动源的情况下，ON状态和OFF状态之间输出电容器电压波动也是噪声的来源。取决于是否在启动期间施加电流限制，电容器还在重启电源时显示为非常低的阻抗负载，这也会引起涌入的电流尖脉冲。如果电源的电流受到限制，则输出电容器上增大的电压上升时间会在PWM波形的低工作周期处的输出电压/电流中引起显著的非线性。

用于克服电容器的可听见的嗡嗡声这一问题的一种可能性在于：使用钽电容器来替代陶瓷电容器。然而，尽管这些钽电容器具有更好的谐振特性，但是它们更加昂贵，而且也存在其它缺点，诸如，具有高等效串联电阻(ESR)。另一可能性在于：对通过LED串的DC电流进行调制，而不使用PWM，但是由此可能导致色彩变化，因为白色的LED(通常用于从背面照亮彩色LCD屏)会随着电源电流而改变颜色，并且在电流明显小于或大于LED的特征电流时，LED的特征可以相对彼此发生变化。

发明内容

本发明提供了一种用于驱动电路元件的器件，包括：电压源，用于生成经过脉冲宽度调制(PWM)的输出电压信号；电容器，布置用于对所述PWM输出电压信号进行滤波；以及开关元件，其特征在于：所述开关元件与所述PWM输出电压信号同步，使得当所述PWM输出电压信号处于最小值时，所述开关元件隔离所述电容器，并且由此避免所述电容器放电。

因此，避免了电容器恢复到其最初的形状，并且由此不会发出可听见的嗡嗡的噪声。此外，当PWM输出信号接下来处于最小值时，该电容不需要充电并因此吸收的电流减少。

优选地，用于生成PWM输出电压信号的电压源包括直流-直流开关模式转换器，用于将所提供的电压电平转换到经过转换的电压电平，以及，用于生成PWM输出电压信号的电压源进一步包括PWM控制信号生成器，用于输出PWM控制信号以便控制直流-直流开关模式转换器。

优选地，开关元件是由PWM控制信号控制的。这实现了该开关元件的开关与PWM输出电压信号之间的同步。

优选地，直流-直流开关模式转换器包括与PWM控制信号同步的、并且对直流-直流开关模式转换器的输出加以控制的开关元件，使得当启用开关元件闭合时，直流-直流开关模式转换器输出经过转换的电压电平，而当启用开关元件开启时，直流-直流开关模式转换器不输出电压。

优选地，电容器被配置用于：对PWM输出电压信号的高频成分进行滤波。

优选地，电路元件包括发光二极管(LED)。更优选地，电路元件包括多个发光二极管(LED)，并且当PWM输出电压信号处于最大值时，LED发光，而当PWM输出电压信号处于最小值时，LED不发光。

优选地，LED发出的光对液晶显示(LCD)屏的背面进行照明，其中LCD显示屏可以是移动电话的显示屏。

优选地，PWM信号被调制，使得LED所发出的光的亮度看起来逐渐改变。优选地，所述PWM输出电压信号的频率高于20Hz。

优选地，开关元件集成在包括直流-直流转换器的电源集成电路中，使得该开关元件在直流-直流转换器的输出电压管脚、输出滤波电容器与连接到电路元件的第二管脚(或多个管脚)之间提供连接。

可选地，输出负载开关可以在电源集成电路的外面，并且包括两个双极性晶体管和适当的偏压部件。

可选地，输出负载开关可以在电源集成电路的外面，并且包括两个场效应晶体管和需要的偏压部件。

可选地，输出负载开关可以在电源集成电路的外面，并且包括不同晶体管类型的组合和需要的偏压部件。

优选地，所提供的输入电压电平由单个原电池或多个原电池组提供。

优选地，输出滤波电容器是陶瓷电容器。

本发明还提供了用于驱动电路元件的方法，包括：生成PWM输出电压信号，以及使用电容器对所述PWM输出电压信号进行滤波；其特征在于：当所述PWM输出电压信号处于最小值时，使用与所述PWM输出电压信号同步的开关元件来隔离所述电容器。

附图说明

现在，仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了升压型直流-直流开关模式转换器的电路图；

图2示出了用于驱动背光灯的可变暗的LED串的典型电路的框图；

图3示出了可以被提供以便使LED串变暗的PWM信号；

图4示出了根据本发明的、在电源外部具有负载开关的、用于驱动可变暗的LED串的电路框图；以及

图5示出了根据本发明的、在电源内部具有负载开关的、用于驱动可变暗的LED串的电路框图。

具体实施方式

图2示出了用于对背光灯的可变暗的LED串供电的典型电路的框图。电池组8向直流-直流开关模式转换器7提供DC电压。直流-直流开关模式转换器7将来自于电池组8的DC电压转换成与电池组8提供的电平不同的电平处的电压。电压的特定电平取决于LED串的要求。

直流-直流开关模式转换器7包括启用开关71。该启用开关控制直流-直流开关模式转换器7的操作，使得当该启用开关闭合时，该直流-直流开关模式转换器7输出经过转换的电压，而当该启用开关开启时，该直流-直流开关模式转换器7不输出电压。PWM控制信号生成器6将经过脉冲宽度调制的控制信号提供(如图2所示)至直流-直流开关模式转换器7的启用开关71。该PWM控制信号控制该启用开关71，使得当该PWM信号处于最大值时，该启用开关71闭合，而当该PWM信号处于最小值时，该启用开关71开启。

当该PWM信号处于最大值并且该启用开关71由此闭合时，由该直流-直流开关模式转换器7输出经过转换的电压。因此，直流-直流开关模式转换器输出具有与该PWM控制信号相同的频率和调制的PWM电压信号。该PWM输出电压信号的最大值处于经过转换的电压电平处。当PWM输出电压信号处于最大值时，电流流向输出电容器9(由此，对其进行充电)和LED串10(由此，引起LED发光)二者。如果电流是理想的DC电流，则电容器9一旦充满电，便不能够接收更多的电流。然而，现实中，DC电流经常包含高频振荡。因此，当电流暂时少量下降到较低电平时，电容器9释放其金属板上存储的相当大量的电荷，并因此对通过LED串10的电流起到了平滑的作用。当电流中的高频振荡引起电流暂时增大时，电容器9将重新充电。

当PWM输出电压信号变到最小值时(意思是：直流-直流开关模式转换器7不输出电压)，则电容器9通过LED串10放电。该过程根据PWM输出电压信号重复。

陶瓷电容器显示压电性质，并且因此，当电容器充电时，会发生轻微变形。在放电后，电容器将回到其最初形状。PWM输出电压信号的频率约为300Hz，并且因此，每秒发生300次变形。由于这处于可听见的频率范围内，所以会产生嗡嗡的噪声。

图4示出了根据本发明的用于驱动可变暗的LED串10的电路。该电路包括PWM控制信号生成器6、包括启用开关71的直流-直流开关模式转换器7、电池组8、输出滤波电容器9、LED串10和输出负载开关13。

输出负载开关13可以包括双极性晶体管的配置，并且输出负载开关13由PWM控制信号进行控制，使得其与PWM控制信号同步(并且，因此还与PWM输出电压信号同步)。因此，当PWM输出电压信号处于最大值时，输出负载开关13允许电流通过，而当PWM输出电压值处于最小值时，输出负载开关13不允许电流通过。当PWM输出电压信号处于最小值并且输出负载开关13不允许电流通过时，电容器9被隔离，并且不能通过LED串10进行放电，而作为替代地是保持其电荷。因此，电容器不能重新回到其最初的形状。随后，由于电容器9不会在可听见的频率处连续变形和整形，所以不会发出嗡嗡的噪声。此外，当PWM信号接着变到最大值时，电容器9已经被充电，并且因此，减少了通过直流-直流开关模式转换器7的电感器和其它部件所吸收(draw)的电流量。

备选地，如图5所示，输出负载开关13可以集成到包括直流-直流转换器7的电源集成电路中，使得该输出负载开关13提供直流-直流转换器7的输出电压管脚、输出滤波电容器9与连接至LED串10的第二管脚(或多个管脚)之间的连接。

本发明还可以应用在任何DC电源技术中，其中该DC电源技术在PWM信号波形的解评估状态期间被禁用或下电，使得该输出电压在OFF状态不被驱动；电容器上的电压是噪声何时明显的唯一确定因素。即使在DC电源是驱动源的情况下，ON状态和OFF状态之间的输出电容器电压波动也是噪声的来源。取决于是否在启动期间施加电流限制，电容器还在重启电源时显示为非常低的阻抗负载，这也会引起涌入的电流尖脉冲。如果电源的电流受到限制，则输出电容器上增大的电压上升时间会在PWM波形的低工作周期处引起输出电压/电流中显著的非线性。

因此，除了降低噪声问题外，本发明还为低工作周期处的DC电源的PWM输出电流提供了改进的线性。

本发明还在负载具有特定较大电压放电的情况下，为直流-直流转换器的操作提供了改进的稳定性。在上述示例中，这在LED串10具有较短的第二串时尤其会发生。

负载开关元件可以并入电流或电压控制电路，以便降低外部部件数量，并且改进输出电流和电压的调节。

应当理解，前述示例不应当构建为限制。在阅读了本发申请后，其它变体和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这些变体和修改扩展到本领域中适合于替换在此描述的特征的公知特征，以及功能上等同的等价物。而且，应当理解，本申请的公开包括任何新颖的特征或者任何新颖的特征组合(无论在此显式公开还是隐式公开)，或者其任何概括，并且在本发明的申请过程中或者从其衍生的任何申请的申请过程中，可以构思出新的权利要求，以便覆盖任何这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (25)

1.一种用于驱动电路元件的器件，包括：

电压源(6、7、8)，用于生成经过脉冲宽度调制(PWM)的输出电压信号；

电容器(9)，布置用于对所述PWM输出电压信号进行滤波；以及

开关元件(13)，其特征在于：所述开关元件(13)与所述PWM输出电压信号同步，使得当所述PWM输出电压信号处于最小值时，所述开关元件(13)隔离所述电容器(9)，并且由此避免所述电容器(9)放电。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述用于生成所述PWM输出电压信号的所述电压源(6、7、8)包括直流-直流开关模式转换器(7)，其被配置用于将所提供的电压电平转换到经过转换的电压电平。

3.根据权利要求2所述的器件，其中所述用于生成所述PWM输出电压信号的所述电压源(6、7、8)进一步包括PWM控制信号生成器(6)，其被配置用于输出PWM控制信号以便控制所述直流-直流开关模式转换器(7)。

4.根据权利要求3所述的器件，其中所述开关元件(13)是由所述PWM控制信号控制的。

5.根据权利要求3或4所述的器件，其中所述直流-直流开关模式转换器(7)包括由所述PWM控制信号驱动的、并且对所述直流-直流开关模式转换器(7)的输出加以控制的启用开关元件(71)，使得当所述启用开关元件(71)闭合时，所述直流-直流开关模式转换器(7)输出所述经过转换的电压电平，而当所述启用开关元件(71)开启时，所述直流-直流开关模式转换器(7)不输出电压。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的器件，其中所述电容器(9)被配置用于：对所述PWM输出电压信号的高频成分进行滤波。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的器件，其中所述电路元件包括发光二极管(LED)(10)。

8.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的器件，其中所述电路元件包括多个发光二极管(LED)(10)。

9.根据权利要求7或8所述的器件，其中当所述PWM输出电压信号处于最大值时，所述LED(10)或者每个所述LED(10)发光，而当所述PWM输出电压信号处于最小值时，所述LED(10)或者每个所述LED(10)不发光。

10.根据权利要求9所述的器件，其中所述LED(10)或者每个所述LED(10)发出的光对液晶显示(LCD)屏的背面进行照明。

11.根据权利要求10所述的器件，其中所述LCD屏是移动电话的显示屏。

12.根据权利要求7-11中任一权利要求所述的器件，其中所述PWM信号被调制，使得所述LED(10)或者每个所述LED(10)所发出的光的亮度看起来逐渐改变。

13.根据权利要求1-12中任一权利要求所述的器件，其中所述PWM输出电压信号的频率高于20Hz。

14.根据权利要求1-13中任一权利要求所述的器件，其中所述开关元件(13)包括两个晶体管。

15.根据权利要求2-14中任一权利要求所述的器件，其中所述提供的电压电平由电池组(8)提供。

16.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的器件，其中所述电容器(9)是陶瓷电容器。

17.一种便携式装置，其合并了根据权利要求1-15中任一权利要求所述的器件。

18.一种用于驱动电路元件的方法，包括：

生成PWM输出电压信号；以及

使用电容器(9)对所述PWM输出电压信号进行滤波；

其特征在于：

当所述PWM输出电压信号处于最小值时，使用与所述PWM输出电压信号同步的开关元件(13)来隔离所述电容器(9)。

19.根据权利要求18所述的方法，其中生成所述PWM输出电压信号包括：将提供的DC电压电平转换成与所述提供的电压电平不同的、经过转换的DC电压电平。

20.根据权利要求19所述的方法，其中生成所述PWM输出电压信号进一步包括：

使用PWM控制信号生成器(6)来生成PWM控制信号；以及

利用所述PWM控制信号来控制直流-直流开关模式转换器(7)。

21.根据权利要求20所述的方法，包括：利用所述PWM控制信号来驱动所述开关元件(13)。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中控制所述直流-直流开关模式转换器(7)的输出包括：使用所述PWM控制信号操作启用开关元件(71)，使得当所述启用开关元件(71)闭合时，所述直流-直流开关模式转换器(7)输出所述经过转换的电压电平，而当所述启用开关元件(71)开启时，所述直流-直流开关模式转换器(7)不输出电压。

23.根据权利要求18-22中任一权利要求所述的方法，其中对所述PWM输出电压信号进行滤波包括：对所述PWM输出电压信号的高频成分进行滤波。

24.根据权利要求18-23中任一权利要求所述的方法，其中所述电路元件是LED串(10)，当所述PWM输出电压信号处于最大值时，该LED串(10)发光，而当所述PWM输出电压信号处于最小值时，该LED串(10)不发光。

25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：对所述PWM控制信号进行调制，使得所述LED串(10)所发出的光的亮度看起来逐渐改变。

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