CN101779523B

CN101779523B - 自供电led旁路开关配置

Info

Publication number: CN101779523B
Application number: CN2008800256078A
Authority: CN
Inventors: 吉安·霍赫
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: US8188679B2; WO2009013675A1; CN101779523A; US20100181923A1; ATE525892T1; EP2177079B1; EP2177079A1

Abstract

将LED串分为段，每一个段具有旁路开关以及用于所述旁路开关的驱动器。所述驱动器由从所述段的LED的所述正向电压本地产生的供电电压进行供电。

Description

自供电LED旁路开关配置

技术领域

本发明涉及一种包括多个串联的发光二极管(LED)的电子系统，其中将多个LED分为多个段。本发明还涉及一种在该系统中使用的段。

背景技术

LED越来越多地用于不同的应用。LED在LCD背光、交通信号灯以及交通标志、汽车以及家庭照明等领域中得到应用。LED的光输出直接取决于流经LED的电流。因此，使用电流控制电路来对流经LED的电流进行调节，以优选地在所有运行条件期间维持恒定电流。

发光二极管(LED)由特定驱动器电路(驱动器)来驱动。典型地，一个这样的驱动器可以控制形成了与该驱动器相连的一段LED的一组LED。如果需要驱动两个或者更多段(多个LED组，每一组具有例如不同的位置或者不同的颜色)，可以使用与LED串联或者并联的多个驱动器或者额外开关。由于较高的成本和较大的材料清单，使用多个驱动器并非优选。LED驱动器相当于电流源，即，其具有高输出阻抗。因此，由于使用串联开关要么断开整个串要么断开并联的分支，因此串联开关并非优选。这提出了LED阻抗匹配的问题，并且驱动器需要与串联开关同时切换至新的振幅设置。由此可见，对于附加开关来说信价比较高的选择是将开关与LED串的一部分并联放置。这样的并联开关被称作“旁路LED减光器开关”或者旁路开关。因此，旁路开关原则上是在不使用大量驱动器的情况下增大分段的电平的良好选择。可以使用一个驱动器来驱动多个段。

尽管如此，在对旁路开关的控制上可能出现问题。旁路开关需要由稳定的脉宽调制控制信号在系统要求的相位下可靠地控制。该稳定PWM信号确保所需的亮度设置以及所需的颜色稳定性(例如在RGBLED系统中)。由于来自在LED串中使用的其它旁路开关的旁路行动，旁路开关需要在出现较大的共模变差的环境下操作。这些其它旁路开关原则上具有它们自身的、单独编程的、并且独立的PWM控制信号和相位。作为结果，操作旁路开关的挑战是在遭遇较大共模变差的电子环境下提供稳定可靠的操作。

发明内容

同一发明人同时提交的申请(参考号008291EP1，申请人NXPB.V.)描述了用与旁路开关并联的每个段的电容器来代替电源滤波器电容器。在一个描述的实施例中，可以将所述文档中所描述的段电容器与LED串断开，作为采样和保持电路。在LED段断开时间期间将电容器与LED串断开、而在LED接通时间期间重连导致了PWM精确度和功率效率得以改进。由于这些电容器的电容大小，这些电容器能够满足双项功能。除了在连接至LED串时作为滤波电容器之外，在从LED串断开中，它们还可以作为旁路开关及其驱动器的电源。可见，段电容器中的保持功能此时用来为旁路开关驱动器连续供电，该驱动器自动处于适当的共模电平。

在本发明中，针对段内的旁路开关的驱动器的电源是从LED串本地引出的。作为结果，不需要与总的电源相结合的附加电源线以及电压调节器。因此，把不需要附加电源进行操作的段定义为自供电。

更具体地，本发明涉及一种包括串联的多个LED在内的电子系统。串联电路分为多个段。每一个特定段包括特定段的电流通路中的第一节点与第二节点之间的一个或者更多个LED的串联连接。每一个段还包括：旁路开关，连接在第一节点和第二节点之间，并且与一个或者更多LED并联；以及驱动器，用于控制该旁路开关。驱动器具有第一电源接线端和第二电源接线端。每一个段还包括连接在驱动器的第一电源接线端与第二电源接线端之间的电容。根据本发明，电源是从段内的电流通路本地产生的，具体是从段中的LED的正向电压本地产生的。这用门控元件就足以实现，门控元件用于向电容供电。该门控元件连接在电流通路与电容之间。该门控元件可操作用于在电容处为驱动器产生电源，电源是从一个或者更多LED的正向电压中得到的。例如，门控元件是其阳极与电流通路相连的二极管。作为另一个例子，门控元件包括电流通路与电容之间的采样开关，以及用于控制采样开关的采样驱动器。该采样驱动器具有与第一电源接线端相连的第三电源接线端以及与第二电源接线端相连的第四电源接线端。

在该系统的一个实施例中，一个或者更多段中的每一个包括电容与第一电源接线端之间的电压调节器。如果LED的正向电压由于例如过程参数散布、温度、老化等等而发生改变，则建议使用电压调节器。

在另一个实施例中，一个特定段具有位于其电流通路的第一节点与第二节点之间的单一LED。如果该特定段中的旁路开关正在导通，则该特定段包括用于增加第一电源接线端与第二电源接线端之间的电压的升压转换器。例如，升压转换器包括第一和第二电容器以及控制电路。如果特定段中的旁路开关正在阻断，则控制电路可操作用于将第一和第二电容器并联在第一电源接线端与第二电源接线端之间，并且如果特定段中的旁路开关正在导通时，则用于将第一和第二电容器串联在第一电源接线端与第二电源接线端之间。单一LED的正向电压对于向旁路开关的驱动器供电来说可能过低。则升压转换器可以矫正该不匹配。

在另一个实施例中，特定一个段具有串联在特定段的电流通路的第一节点与第二节点之间的两个或者更多LED；并且将门控元件与在两个或者更多LED中的一对之间的电流通路相连。如果特定段中所有串联的LED的结合的正向电压高于需要从本地电源获得的，则建议该配置。

本发明还涉及在本发明的系统中使用的段。注意，通过让驱动器电源在段中本地产生，LED串系统的模块配置比已知的系统更容易。后者要求从共享源到每一个段的电源线网格。

在一个特定实施例中，将驱动器、门控元件与段的旁路开关结合为单一集成电路。分段使得能够集成不同元件。每一段的电压降是有限的。

因此，集成电路所需的电压稳定性是有限的。因此，即使在CMOS过程中，集成也是可能的。取而代之地，在没有分段的情况下，旁路开关和驱动器所需的击穿电压可能不同，从而使结合为单一IC变得没有任何意义。恰当地，还将驱动信号电平移动器集成在该集成电路中。还可以集成其它组件，比如采样和保持开关。

附图说明

作为例子并参照附图来更详细地解释本发明，

其中：

图1是普通LED串电路的图示；

图2是已知LED串电路的图示；以及

图3、4、5、6、7、8和9是根据本发明的LED串电路的图示。

在全部附图中，用相同的附图标记来指示相似或者相应的特征。

具体实施方式

图1是一种普通类型的LED串电路100的图示，该LED串电路100包括段102、104、...、和106。段102包括串联的多个LED，图中示出了LED 108和LED 110。段104包括串联的多个LED，图中示出了LED112和LED 114。段106包括串联的多个LED，图中示出了LED 116和LED 118。段102-108中的每一个具有与LED的各个串联连接并联的各个旁路开关120、122和124。段102-108中的每一个具有分别经由电源端子VDD1、VDD2、...、VDDn以及VSS1、VSS2、...、VSSn供电的各个驱动器126、128以及130，并且各个驱动器在其输入端子处接收驱动信息(分别是PWM1、PWM2、...、PWMn)以控制旁路开关120-124。由电流源132来驱动LED串108-118。电流源132可以与LED串的顶部(阳极)或者底部(阴极)相连。电流源132典型地是开关模式类型的驱动器。这样的电流源与旁路开关120-124的组合在功率上是有效率的，旁路开关120-124与LED串联连接108-110、112-114以及116-118并联。旁路开关120-124可以是例如n型MOSFET，也可以是任意类型的开关或者晶体管。下面给出了向旁路开关驱动器126-130提供大量电源VDD/VSS的设备。

图2是已知的LED串电路200的图示，其中针对旁路开关驱动器126-130的电源是从电路200内可用的最高供电电压(例如，LED串的阳极处的Vtop)得到的。提供电压调节器202和204，此处描述为线性的电压调节器，但是可以是任意合适类型的。调节器202、...、204分别接收参考电压VREF1、...、VREFn。调节器202向驱动器126供电，将电容器206与驱动器126的电源接线端以及旁路开关120并联放置。调节器204向驱动器130供电，将电容器208与驱动器130的电源接线端以及旁路开关124并联放置。电容器206和208分别起到稳定调节器202和204的输出电压的作用，并且降低它们的高频输出阻抗。

已知的电路200的配置具有下列特征。对于每一个旁路开关，需要一个调节器和一个供电电容器，需要将它们设计为提供极佳的(高频)共模抑制。也就是说，由于相邻段中的旁路开关的操作，LED串中的节点遭遇到相对于接地的电压的高频波动。影响旁路开关及其驱动器的操作的电压需要能够抵抗这些波动。参考电压VREF1、...、VREFn以及驱动器控制信息信号PWM1、...、PWMn必须分别依照电压电平VSS1、...、VSSn。这是由于下述事实，即，用于调节器202和204的参考：VTOP，以及用于PWM信号的参考：典型地为用于系统的微处理器的信号的接地(图中未示出)，不同于旁路段的参考：VSS1、...、VSSn。对于与VTOP相连的LED段108-110来说，由于在旁路期间(即，当开关120正在导通时)VSS1等于VTOP并且调节器202由此无法将VDD1调节为比VTOP更高的值，所以可能存在电压余量问题。作为结果，不存在可用于驱动器126的驱动电压。使用线性调节器202-204可能使得电路200的效率较差：调节器202和204，特别是驱动较低段的调节器204，极大地消耗了旁路驱动器126和130所需的功率。另外，电路200要求很多连接至所有段的供电线。

图3是本发明的第一电路300的图示。根据本发明，现在使用由LED 108、110、...、116和118的串联连接构成的LED串来产生用于驱动器126-130的供电电压。更具体地，电路300包括二极管302、...、304。二极管302与供电电容器206串联，并且该串联连接与LED 108-110并联放置。二极管304与供电电容器208串联，并且该串联连接与LED116-118并联放置。二极管302将供电电容器206充电至低于LED108-110两端的峰值电压的一个二级管电压。类似地，二极管304将供电电容器208充电至低于LED 116-118两端的峰值电压的一个二极管电压。作为结果，不需要电压调节器来定义驱动器126和130的供电电压。对于每一个旁路开关来说，仅需要LED串供电的供电电容器。注意，不需要如电路200一样存在电平移动电路。用于驱动器126、...、130的控制信号PWM1、...、PWMn应当分别依照VSS1、...、VSSn信号。可以通过下面参考图8来解释电平移动器可以用于该操作。与电路200不同，电路300没有向具有LED 102-110的顶部段供电的任何电压电平储备问题。此外，供电电压的接线比电路200中要简单很多。

如前所述，二极管302-304将供电电容器206和208充电至低于LED串联连接108-110和116-118两端的峰值电压的一个二级管电压。电路300设计为尽可能少地消耗功率，以便不从LED串中向电容器206-208引出显著的电流。尽管如此，每个电路的LED数量根据设计可能存在很宽的可变性，并且LED的正向电压Vf根据过程散布、温度、老化以及其它参数也可能存在很宽的可变性。二极管的正向电压Vf是在二极管的操作使用中在二极管上的电压降。

图4是将上述依赖性考虑在内的电路400的图示。电路400基于电路300，但是其现在包括作为驱动器硬件一部分的本地电压调节器402和404。调节器402和402的实施例的例子是如图2中的调节器202和204的线性调节器、降压变换器或者电容性降压变换器。这时，将这些连接在VDD与VSS之间。

图5是自供电的概念的另一实施例500的图示，其中将供电电容器206-208与滤波电容器相结合，以相对于来自电流源132的波纹电流，减小通过LED 108-110和116-118的波纹流。由于在开关120和/或开关124的开启期间，电流可以在双向上流动，因而供电电容器206和208也起到滤波器的作用。在实施例500中，已经用开关502-504来代替电路300中的二极管302-304，开关502-504可以来源于几种类型。将开关503-504连接在VDD线中(如图所示)。备选地，还可以在VSS线中实施开关502-504。当使用具有内置有保护二极管的开关(502-504)时，需要格外注意。这些保护二极管的方向必须类似于二极管302-304的方向，以防止供电电容器206-208在旁路开关120-124中的相关联的一个的激活期间放电。类似地，还可以应用这一概念来修改电路400。

开关502-504起到采样开关的作用，其由采样驱动器506-508中相应的那个来驱动。为了阻止供电电容器206-208经由旁路开关120-124短路，对开关120和502(以及同样地对于开关124和504)使用非重叠激活方案。这用LED 108-110来解释。在第一阶段，旁路开关120正在阻断，并且开关502正在导通。在这一阶段，由电容器206对LED 108-110两端的电压进行滤波。在第二阶段，使开关502进入阻断状态，并且电容器206采样并且保持在该时刻的LED 108-110两端的电压。此后短时间内(例如20nsec)，使旁路开关120进入导通状态，以关闭LED108-110。将旁路开关120保持导通状态某一PWM时间周期。在第三阶段，使旁路开关120进入阻断状态，以开启LED 108-110。此后短时间内，在第四阶段，使开关502进入导通状态，以将电容器206连接在LED108-110两端。在电容器206的短期断开时间内，由LED 110-118的寄生电容器来对通过LED 108-110的电流进行滤波。

图6是电路600的图示，其中所示每一个段都包括单一LED，在这种情况下为LED 108和LED 118。基本上，可以维持电路300、400和500的配置。尽管如此，单一LED的正向电压Vf对于向旁路开关驱动器126或者130供电来说可能过小了。例如，热红LED具有2V的Vf。因此，提供升压转换器。电路600包括电容性升压转换器602和604。

功能上，升压转换器602包括电容器606和608、以及开关610、612、614和616及其驱动器(为了不使附图含混不清，图中未示出)。类似地，升压转换器604包括电容器618和620、以及开关622、624、626和628及其驱动器(为了不使附图含混不清，图中未示出)。图中未示出的驱动器优选地以类似于驱动器126和驱动器506的方式来接收它们的电源，即，经由电容器206或者电容器208。

尽管将升压转换器602和604描述为电容性倍压器，可以设计除了这两个之外的升压转换器因素。通过具有LED 108的顶部段来对操作进行说明。在旁路开关120的非导通期间，LED 108正在产生光。在这一状态下，控制开关610-614使得电容器606和608并联在VDD1与VSS1供电线之间。在并联的情况下，电容器606和608起到针对通过LED 108的电流的滤波电容器的作用。

在旁路开关120的导通期间，关闭LED 108。则控制开关610-618，使得将电容器606和608串联在VDD1与VSS1供电线之间。作为结果，将向着缓冲电容器206的电压加倍。电容器206两端的电压用于向例如旁路开关126的驱动器和开关502、610-618的驱动器供电。这一概念可以用如图4所述的本地调节器402和404来进行扩展。

本发明的系统的实施例容纳分段的LED驱动器电路，其中每个段的串联的LED数量很大，以至于该段的串联连接两端的电压太高，而无法向驱动器电路提供电源。如果每个段(并且每个旁路开关)存在许多串联的LED，则可以使用较少数量的串联LED来得到供电电压。这通过参考图7来予以说明。

图7是本发明的电路700的图。电路700包括多个段，其中仅仅示出顶部段和底部段。顶部段包括LED 702、704和706的串联连接。底部段包括LED 708、710和712的串联连接。

在图中，将段示为具有相同配置，但是它们可以具有不同的配置，例如不同数量的串联LED。通过顶部段来对操作进行说明。串联的LED702-706两端的电压对于经由供电电容器206向旁路开关120的驱动器126供电而言可能过高。因此，二极管302的阳极不与整个串联连接的一端相连，而是与两个LED之间的节点相连，此处这里该节点位于LED702与LED 704之间。

因而，VDD1与VSS1之间的电压降比该段中的LED 702-706的完整串联连接上的电压降要低，在本示例中，该电压降要低LED 702的正向电压Vf。

图8是支持本发明的另一个电路(800)的图示。如图3所讨论的，可以使用电平偏移来强制驱动器控制信号PWM1、...、PWMn遵循VSS1、...、VSSn电平。这通过参照电路800中的段来进行说明，该段是串中的较低段。电路800包括由差分电流源804(一个是开，同时另一个是闭)驱动的电平移动器802。电平移动器802将来自信号接地的PWM1驱动信息偏移至相关段所需的电平上。与VDDn相连的电平移动器802和与VSSn相连的二极管304的组合起到阻止电平移动器802在LED 116-118的旁路期间(即，当关闭LED 116-118，并且不由LED116-118两端的电压来对电容器208充电的时候)对电容器206放电的作用。此外，可以通过向VDDn节点中注入相同数量的电流来补偿由电流源804从VDDn节点引出的电流。电平移动器802接收来自LED串的大小为Ilevel的电流(参见图8)。可以使用具有电流镜806的附加电流源808来提供相同数量的电流，以避免对电容器206的充电状态的任何影响。

图9是本发明的电路900的框图，该电路900包括欠压锁定(UVLO)电路902、...、904。通过上段来对操作进行说明。其它段的操作是类似的。UVLO电路902监控供电电容器206两端的电压，并且在检测到该电压降至对于安全操作而言过低的电平时，关闭旁路开关120一段时间。驱动器126具有控制逻辑906，用以在PWM1信号具有将使得驱动器126使旁路开关120进入导通状态的值时，否决PWM1信号。作为结果，在对光输出最小影响的情况下，从LED串向电容器206充电。供电电容器206可以在旁路开关120打开的延长时段的情况下放电，同时由驱动器126、二极管302以及与电容器206相连的所有可能的电路(比如UVLO电路902和逻辑电路906)从供电电容器206获得一些不可避免的偏压或者漏电电流。在这种情况下，UVLO电路902起到阻止驱动器126的不可预测行为的作用，例如意外终止。在其它段中发生类似的操作，例如在具有UVLO电路904和控制逻辑908的下段中。

在本发明的实施例中，在集成电路(IC)中集成所有驱动器和开关功能，包括用于PWM信号的电平移动器，以及可选地包括电压调节器402。由此，可以用驱动器IC 126、LED 108-110以及电容器206(如果需要的话，加上PWM电平移动器和/或调节器)将模块实施为用于具有一个或者更多段的可定制且可扩缩LED系统的基本组件。

本发明可以在所有类型的LED应用中使用，比如通用照明、LCD背光、汽车照明等等，其中旁路减光器开关提供用于对LED集合进行分段的高信价比的解决方案。

在上面的例子中，将段示为包括与LED的串联连接(例如LED108-110以及LED 702-706)并联的单一旁路开关。则分段是线性(或者：一维)的分段。一些应用在每一段上可能要求具有两个或者更多LED分支的并联配置，每一个分支包括一个或者更多LED。每一个特定的分支可以具有由其自身的特定驱动器控制的其自身的特定旁路开关。备选地，经由单一驱动器控制的单一旁路开关来控制两个或者更多的并联分支。那么，该分段是二维的。

Claims

1.一种电子系统，包括多个串联的LED(108-110、116-118、702-206、708-712)，

其中：

将所述多个串联的LED分为多个段；

所述多个段中的每一个特定段包括：

-一个或者更多个LED(108-110)的串联连接，位于所述特定段的电流通路的第一节点与第二节点之间；

-旁路开关(120)，连接在所述第一节点与第二节点之间，并且与所述一个或者更多个LED并联；

-驱动器(126)，用于控制所述旁路开关，所述驱动器具有第一电源接线端和第二电源接线端；

-电容(206)，连接在所述第一电源接线端与第二电源接线端之间；

其中

从所述特定段内的所述电流通路产生所述驱动器(126)的电源，

其中所述特定段包括升压转换器(606、608、610、612、614、616)，用于在所述特定段中的所述旁路开关正在导通时增加所述第一电源接线端与第二电源接线端之间的电压。

2.根据权利要求1所述的电子系统，

其中，采用向所述电容供应电流的门控元件(302、502)来实现本地电源，

所述门控元件连接在所述电流通路与所述电容之间；以及

所述门控元件操作为在所述电容处为所述驱动器产生电源，所述电源从所述一个或者更多个LED的正向电压得到。

3.根据权利要求2所述的系统，

其中，所述门控元件是其阳极与所述电流通路相连的二极管(302)。

4.根据权利要求2所述的系统，

其中：

所述门控元件包括：位于所述电流通路与所述电容之间的采样开关(502)；以及用于控制所述采样开关的采样驱动器(506)；以及

所述采样驱动器具有与所述第一电源接线端相连的第三电源接线端、以及与所述第二电源接线端相连的第四电源接线端。

5.根据权利要求1或2所述的系统，包括位于所述电容与所述第一电源接线端之间的电压调节器(402)。

6.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述升压转换器包括：

-第一电容器(606)和二电容器(606)；以及

-电路(610、612、614、616)，用于在所述特定段中的所述旁路开关正在阻断时将所述第一电容器和第二电容器并联在所述第一电源接线端与第二电源接线端之间，以及用于在所述特定段的所述旁路开关正在导通时将所述第一电容器和第二电容器串联在所述第一电源接线端与第二电源接线端之间。

7.根据权利要求1或2所述的系统，

其中：

所述段中所选的一个段具有串联在所述特定段的所述电流通路的所述第一节点与第二节点之间的两个或者更多个LED；以及

所述电源是从所述两个或者更多个LED中的一对之间的所述电流通路中引出。

8.根据权利要求1所述的系统，包括监控电路(902、904)，用于监控所述电容两端的电容电压，以及根据所述电容电压来关闭所述旁路开关。

9.一种段，用于根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的系统中，所述段包括：

-旁路开关(120)，连接在所述第一节点与和第二节点之间，并且与所述一个或者更多个LED并联；

-电容(206)，连接在所述第一电源接线端与第二电源接线端之间，

其中，所述驱动器(126)的电源是从所述特定段内的所述电流通路中产生的，

其中所述段包括升压转换器(606、608、610、612、614、616)，用于在所述旁路开关正在导通时增加所述第一电源接线端与第二电源接线端之间的电压。

10.根据权利要求9所述的段，

其中

存在门控元件(302、502)，用以向所述电容供应电流，所述门控元件连接在所述电流通路与所述电容之间；以及

所述门控元件操作以在所述电容处为所述驱动器产生连续电源，所述连续电源从所述一个或者更多个LED的正向电压得到。

11.根据权利要求10所述的段，

其中，将所述旁路开关(120)、所述驱动器(126)和所述门控元件(302)结合为集成电路。

12.根据权利要求11所述的段，还包括集成在所述集成电路中的驱动信号电平移动器。