CN102026442A - 自适应开关模式led驱动器 - Google Patents

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Abstract

自适应开关模式LED驱动器提供一种智能的方案以驱动多个LED串。LED驱动器从允许电流的有限集合中为每个LED通道确定一个最佳电流水平。LDO驱动器随后确定驱动在每个LED通道中LED的一个PWM占空比用以在LED通道中提供精确的亮度控制。有益地，LED驱动器最小化在驱动每个LED串的LDO电路中的功耗，同时还确保每个LED串中的电流被保持在一个有限的范围内。一个采样与保持LDO允许以非常快速的动态响应对极端占空比进行PWM控制。此外，故障保护电路确保LED驱动器的无故障启动和运行。

Description

自适应开关模式LED驱动器
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，涉及一种支持多个LED串的LED驱动器控制器。
背景技术
LED被采用于多种电子应用中，例如，建筑照明，汽车头尾灯，包括个人计算机和高清电视机在内的液晶显示设备的背光，及闪光灯等。与如白炽灯和荧光灯之类的常规光源相比较，LED具有显著的优点，包括高效率、良好的方向性、色彩稳定性、高可靠性、长寿命，小体积、以及环境安全性。
LED是电流驱动设备，并且因而调节通过LED的电流是一个重要的控制技术。为了从一个直流(DC)电压源驱动一个大的LED阵列，经常使用诸如升压或降压-升压功率转换器之类的DC-DC开关功率转换器，用以为多个LED串提供顶端导轨电压。在使用LED背光的液晶显示器(LCD)应用中，控制器经常必须要控制多个LED串，其中每个串具有独立的电流设置。控制器继而能够独立控制LCD不同部分的亮度。此外，控制器能够以一种定时的方式开启或关闭LCD的不同部分。
图1示出了一种常规的LED驱动器100。LED驱动器100包括一个连接于DC输入电压Vin与多串LED 102(即，LED通道)之间的升压DC-DC功率转换器101。升压转换器101的输出Vboost与每个LED串102的第一个LED的阳极连接。每个LED串102的最后一个LED的阴极与用于控制串102中的电流的通道控制器115连接。
每个通道控制器115包含一个与线性压差调节器(LDO)104串联的PWM晶体管103。LDO 104确保LED串102中的峰值电流被调节在一个固定的水平。峰值电流水平一般被设置为等同于由LDO参照控制器107对于全部LED通道的信号108所指示的数值。PWM晶体管103根据脉宽调制(PWM)占空比控制LED串102的亮度。每个LED通道的亮度由根据设置的亮度调整PWM占空比的照度控制器109的照度控制信号111独立地设置。
在这种常规配置中，功率在LOD 104中被消耗，以调节峰值电流。LED是电流控制设备，意味着由它们产生的光通量主要地是一个施加通过它们的电流的函数。因而LDO 104确保每个LED通道的亮度都相同，因为通过每个LED通道的峰值电流都相同。LDO 104还提供一种降低来自Vboost的升压电压波动对LED串102照度的影响的原生供电排斥。在每个LED通道中，LDO 104的功耗与通过LED串102的电流、PWM占空比、以及跨越LDO 104的电压降的乘积成比例。
由于LED之间制造上的差异，用以保持一个特定的电流水平必要的跨越每个LED串102的电压降具有相当大的差异。为了补偿LED串102的不同正向电压，跨越每个LDO 104的电压降是不同的。图2中的电压/电流曲线示出了两个不同LED(LED1和LED2)的电压与电流之间的指数关系。假设，比如，LDO参照控制器107将每个LED通道内的峰值电流设置为40mA，LED 1必须在一个大约3.06伏的正向电压降运行，同时LED2必须在一个大约3.26伏的正向电压降运行。因此，LED1和LED2的正向电压降之间有一个大约0.2伏的不同。假设在第一LED串102中有10个具有LED1特性的LED，跨越LED串102有一个30.6V的压降。假设在第二LED串102中有10个具有LED2特性的LED，跨越第二LED串102有一个32.6V的压降。2伏的差异将因此被驱动第二串的LDO所消耗，使得全部两个串都运行于相同的40mA的峰值电流。消耗的总功率为80mW。当这些功率损失在许多LED通道上扩展时，它们可能会变得难以承受。
一种图1中LED驱动器100的替代方案为使用各自驱动一个LED串的电流镜，例如，在授予Volk等人的美国专利第6,538,394号中所描述的。然而，这种电流镜方案的功率效率低。当LED的正向电压不同时，施加到并联的LED串上的Vboost需要高于跨越具有最高组合正向电压∑VF的LED串的正向电压降。在具有低于最高的组合正向电压的LED串中有一个电压差(Vboost-∑VF)，并且这个电压差跨越每个电流镜施加。由于被电流镜消耗的功率对发光没有贡献，导致总效率低下，特别是当LED串之间的组合正向电压的差别较大时。
第三种常规方案通过按顺序开启多个LED串中的每一个来运行，如授予Bohn等人的美国专利第6,618,031号中所描述的。但是，这种方案要求来自LED驱动器的快速动态响应，并因此迫使功率转换器运行于低功率转换效率的深度不连续模式(DCM)下。
还有另一种方案为运行于不使用任何LDO的全数字式开关模式，如在由YuHui Chen等人于2008年6月30日申请的美国专利申请第12/164,909号中所描述的。在这种方案中，一个PWM控制器自动为每个串调整PWM占空比以补偿变化的峰值电流。然而，这种方案造成LED串之间的LED电流的很大差异并引起LED组件的应力及可靠性控制的问题。另外，这种常规解决方案不提供任何对于升压控制器波动的原生供电排斥，并因此使ADC和数字信号处理需求复杂化。
发明内容
本发明的实施方式包括一种程序地控制通过一个或多个LED串的电流调节的自适应开关模式LED驱动器。自适应开关模式LED驱动器包含功率转换器(例如，升压转换器)，其被配置以接收输入电压并产生施加于LED串的输出电压。与第一LED串串接的第一通道开关(例如，PWM开关)根据用于第一开关的第一占空比信号开启或关闭LED串。与第一通道开关和第一LED串串接的第一通道调节器(例如，低压差调节器)被配置以接收第一编程的电流水平信号并根据编程的电流水平信号调节经过LED串的电流。照度控制器被配置以产生编程的电流水平信号用以对应可编程的电流水平的有限集合中的一个。照度控制器此外还产生作为编程的电流水平的函数的用以驱动通道开关的占空比信号。LED驱动器可以类似地驱动具有不同电流-电压特性的另外的LED串。照度控制器可以为不同LED串设置不同的编程的电流，并为每个LED串设置不同的占空比，以补偿LED串之间的电流差异和不同的电流-电压特性。
有益地，LED驱动器提供对LED通道之间的相对亮度输出的精确控制，同时仍允许通道间的电流差异。通过允许一定的电流差异，LED驱动器能够在提供最佳功率效率的峰值电流上运行每个LED通道。与此同时，LED驱动器将LED通道之间的这些电流差异限制在预定义的范围内，从而减少部件应力和可靠性问题。
本发明的实施方式还包括一种在LED驱动器的校准阶段为每个LED通道选择编程的电流的方法。在校准方法的一种实施方式中，电源电压被首先调整，使得最弱的LED通道运行于或接近一个理想的基线电流水平。每个LED串的编程的电流水平随后被设置为使LED串在通道电源电压下能够保持编程的电流的调节的最高可编程电流水平。
在一种实施方式中，照度控制器使用一个照度传递函数产生用以驱动LED串的占空比信号，使得亮度输出能够在配置为相同亮度输入设置的LED串之间精确匹配。另外地，照度传递函数可以包括一个温度补偿分量以补偿LED通道之间的温度差异。
本发明的实施方式还包括一个采样与保持电流调节器用于调节LED串中的电流。采样与保持调节器在通道开关关闭前对调节器传输晶体管的栅极电压采样并保持此电压直到通道开关重新开启。采样与保持调节器有利地允许以非常快速的动态响应在极端的占空比上的PWM控制。
本发明的实施方式还包括一个故障保护电路以检测开路故障或短路故障。任何在其中检测出故障的LED通道都被禁止用于进一步运行。
本发明的实施方式还包括一种制造LED驱动器的方法。PWM晶体管的导通电阻值在制造过程中被测量。如果导通电阻值高于一个基线电阻值，那么栅极驱动电源将被修整到一个较高的电压使得测量的电阻值与基线电阻值相匹配。这个过程确保在PWM开关晶体管的设计中使用最小的硅片面积。
在说明书中描述的特征和优点为非全部包含的，并且，尤其是，对本领域中的一般人员来说，在看过附图，说明书，及权利要求后，许多额外的特征和优点将显而易见。此外，应当指出，说明书中所使用语言的选择主要是为了可读性和指导性的目的，并且不是为了划定或限定发明的主题。
附图说明
本发明实施方式的教义通过考虑随后的结合附图的详细描述能够被轻易地理解。
图1为示出一种常规的多串LED驱动器的电路示意图。
图2为示出制造差异在正向偏置LED的电流-电压曲线上的影响的图表。
图3为示出依照本发明的第一种实施方式的一种自适应开关模式LED驱动器的电路示意图。
图4A和图4B为展示图4A中常规模拟LDO LED驱动器和图4B中本发明的自适应开关模式LED驱动器之间的功率消耗差异的功率损失示意图。
图5为示出依照本发明的第二种实施方式的一种自适应开关模式LED驱动器的电路示意图。
图6为示出一种典型的LED中电流与光学照度之间的一种典型的非线性传递函数的图表。
图7为示出一种典型的LED的结温度的函数的典型的光通量密度的温度降级的图表。
图8为依照本发明的第三种实施方式的采样与保持LDO的电路示意图。
图9为依照本发明的第四种实施方式的启动故障检测电路的电路示意图。
具体实施方式
这些附图和后续描述涉及的是仅作为例证的本发明的优选实施方式。应该指出的是，从后续论述中很容易即可将这里公开的结构和方法的替换实施方式认定成可行的替换方式，并且这些替换方式是可以在不脱离要求保护的发明的原理的情况下使用的。
现在将详细参考本发明的若干实施方式，其示例则是在附图中示出的。应该指出的是，只要可行，则可以在附图中使用相似或相同的参考数字，并且这些参考数字可以指示相似或相同的功能。这些附图仅仅是出于例证目的来对本发明的实施方式进行描述的。本领域技术人员很容易从后续描述中认识到，在不脱离这里描述的发明原理的情况下，这里描述的结构和方法的备选实施例同样是可以使用的。
一般地，自适应开关模式LED驱动器根据不同的实施方式智能地驱动多个LED串。LED驱动器从允许电流的有限集合中为每个LED通道确定一个最佳电流水平。LED驱动器随后确定一个用以驱动在每个LED通道中LED的PWM占空比，以补偿每个LED通道之间的电流差异并在LED通道的相对亮度输出上保持控制。有益地，LED驱动器最小化驱动每个LED串的LDO电路中的功耗，同时还确保在每个LED串中的电流被保持在一个固定的范围内。
LED驱动器架构
图3为自适应开关模式LED驱动器300的第一种实施方式的电路示意图。此实施方式包括驱动一个或更多并联的LED通道的升压转换器301。在每个LED通道中，LED串302与一个用于调节经过LED串302的电流的LDO 304串接。LED串302与LDO 304还共同的串接到用于控制LED串302中LED的接通时间和关闭时间的PWM开关QP(例如，一个NMOS晶体管)。照度控制器310通过经由控制信号308控制PWM开关QP，并经由控制信号309与数模转换器(DAC)307控制LDO 304，来独立控制每个LED通道的照度输出。LDO 304经由复用器311和ADC313输出反馈控制信号315至照度控制器310。照度控制器310还输出控制信号314至升压转换器301用以控制Vboost电压312。尽管图3只示出三个LED通道，LED驱动器300可以包括任何数量的LED串302及其相应的控制/调节电路。
升压转换器
升压转换器301接收输入电压Vin并为LED串302提供调节的功率。在一种实施方式中，升压转换器301包括电感器L1、二极管D1、电容器C1、开关QB(例如，一个NMOS晶体管)、电阻器R1、R2、以及升压控制器316。升压控制器316控制开关QB的占空比。来自电源电压Vin的输入功率在由于二极管D1变为反向偏置而使开关QB打开时被存储于电感器L1。输入功率在由于二极管D1变为正向偏置而使开关QB关闭时被传递到跨越电容器C1的Vboost。
输出电压Vboost被施加到LED串302以提供通过LED的电流。升压控制器316经由包含电阻器R1和R2的电压分压器感测Vboost并控制QB的打开和关闭以调节Vboost。升压控制器316可以采用多种公知的调制技术中的任意一种，比如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)，以控制开关QB的开启和关闭状态及占空比。PWM和PFM为用于通过控制驱动开关QB的输出驱动脉冲的相应的宽度或频率，以实现输出功率调节，而控制开关功率转换器的常规技术。这个反馈回路允许升压转换器301保持Vboost在一个由升压控制器316设置的编程的水平。
线性压差调节器(LDO)
LDO 304根据每个LED通道的编程的电流水平调节通过LED串302的电流。每个LDO 304包括运算放大器(op-amp)306、感测电阻器RS、以及传输晶体管QL(例如，一个NMOS晶体管)。传输晶体管QL和感测电阻器RS在PWM开关QP与一个接地端子之间串接。op-amp306的输出被连接到传输晶体管QL的栅极以控制通过LDO304的电流。Op-amp306接收来自DAC307的正输入信号Vref以及经由源自传输晶体管QL的源极的负反馈回路接收负输入信号Vsense。
LDO 304包括经由Vsense感测通过LED串的电流并控制传输晶体管QL以保持感测的电流在由Vref设置的编程的电流水平的反馈回路。Op-amp306将Vref与Vsense进行比较。如果Vref高于Vsense，那么op-amp306增大施加到传输晶体管QL的栅极电压，增大通过感测电阻器RS和LED串302的电流直至其稳定在Vref。如果Vsense变得高于Vref，那么op-amp306降低施加到传输晶体管QL的栅极电压，减小通过RS的电流并导致Vsense下降直至其稳定在Vref。由此，LDO 304使用一个反馈回路以将Vsense保持在Vref，从而将通过LED串302的电流保持在一个与Vref成比例的固定数值。
照度控制器与控制逻辑
照度控制器310监控每个LED通道的特征并设置峰值电流和PWM占空比以保持LED通道之间的亮度匹配并优化功率效率。照度控制器310输出控制信号308、309、318、314以控制相应的LDO 304、PWM开关QP、复用器311、以及升压转换器301。照度控制器310还接收来自LDO304的反馈信号315以及一个亮度控制输入317。
控制信号309数字地设置提供设置通过LED串302的编程的电流的模拟参考电压Vref的DAC307输出。在一种实施方式中，控制信号309为允许8种可能的可编程电流的3位DAC字。例如，在一种实施方式中每个LED通道的电流能够以2mA的增量在40mA到54mA的范围内设置。如将在下面描述的，照度控制器310在校准阶段期间为每个LED通道确定编程的电流。DAC307的精度能够达到优于10位以在LED通道之间提供非常好的匹配。照度控制器310独立地控制每个LED通道使得不同的LED通道能够针对不同的编程的电流而配置。
控制信号308根据LED通道的PWM占空比数字地控制每个LED通道的PWM开关QP。照度控制器310在如将在以下描述的校准阶段为每个LED通道确定作为编程的电流的函数的PWM占空比。照度控制器310独立地控制每个LED通道的占空比，使得不同的LED通道能够以不同的PWM占空比而配置。对于一个给定的LED通道，PWM占空比与编程的电流共同确定LED通道中LED的亮度输出。
控制信号318控制复用器311的开关。照度控制器310通过开关复用器311的选择线318，经由ADC 313按顺序监控来自不同LED通道的反馈信号。在下面更详细的描述照度控制器310在校准阶段使用来自复用器311的反馈信号315。
控制信号314控制在如下所述的校准阶段设置电源电压Vboost的升压控制器316。控制信号314能够以任何几种常规方式设置Vboost，比如，通过在反馈电阻器R1、R2的结加入一个电流，或者通过发送一个造成升压控制器316内部的参照发生改变的数字消息。
照度控制器310接收指定每个通道n的相对亮度输入BIn的外部亮度输入317。在一种实施方式中，亮度输入BIn将每个LED通道n的理想的相对亮度表达为一个预定义的最高亮度的百分比(例如，BI1＝60％，BI2＝80％，BI3＝100％，等)。照度控制器310使用亮度输入BIn作为通道的基线占空比，因为一个通道的亮度输出与它的占空比成正比。因而，例如，一个60％的亮度输入BIn表示通道n的为最高占空比(对应于最高亮度)60％的基线占空比。但是，照度控制器310在产生驱动PWM开关QP的占空比信号308时以一个补偿因子修改这个基线占空比，以补偿已知的LED通道之间的电流差异并保持理想的相对亮度。这个补偿因子及其产生的占空比信号308在以下所述的校准阶段中被确定。
照度控制器校准阶段
照度控制器310在开始运行之初(例如，启动后不久)进入校准阶段，以确定每个LED通道的峰值电流和PWM占空比。每个LED通道被独立地设置以补偿LED串302之间的制造差异并保持由外部亮度输入317设置的LED通道间的相对亮度输出。因而，照度控制器310确保被配置以相同亮度输入的通道具有基本匹配的亮度输出。
在校准阶段的一种实施方式中，照度控制器310最初将每个LED通道的DAC 307设置到它们的最大可能水平。Vboost随后被递增地增高(经由控制信号314)直到全部LED通道运行在等于或高于一个预定义的主电流水平Iset(例如，Iset＝40mA)。最弱的通道(即，具有最大的跨越LED串302的正向电压降的LED通道)将于或接近于Iset运行，同时由于LED串302的不同的电流-电压特性，其它通道可运行于更高的电流水平。照度控制器310继而挨个校准每个LED通道。对于每个通道的校准，照度控制器310配置复用器311以选择LED通道，并且ADC 313对所选择的LED通道的电流进行采样(经由Vsense)。照度控制器310将感测到的电流舍入(即，量化)到可以由DAC 307编程的最接近的可能的电流水平(例如，8种可能的可编程电流之一)并将通道n的量化电流水平作为In存储。电流In将对应于LED通道n在电源电压Vboost下能够保持的可能的可编程电流中最高的电流。这个校准阶段被重复，用以为每个LED通道n确定一个编程的电流水平In。在校准之后的正常运行中，每个LED通道n被设置于确定的编程的电流In。
这个校准过程一般确保每个LDO 304运行在低于但接近于每个LDO 304的饱和点，以得到最佳的功率效率。在最坏情况下的实例中，当饱和电流高于最高DAC设置时，LDO 304将会饱和运行在尽量接近LDO 304的饱和区域与三极管之间的介面点。
基于为每个LED通道n确定的编程的电流水平In，照度控制器310用以下等式为每个LED通道n确定一个PWM占空比(PWM_outn)：
PWM _ out n = BI n Iset I n - - - ( 1 )
其中BIn是代表为通道n设置的理想相对亮度的基线占空比，Iset是预定义的主电流水平。等式(1)以补偿因子
Figure GSA00000085444100102
缩放此基线占空比以补偿通道之间的电流差异并保持理想的相对亮度。在正常运行中，照度控制器根据通道n的PWM_outn，经由控制信号308驱动PWM开关QP。
现在提供一个例子来进一步演示照度控制器310的运作。在这个例子中，PWM亮度输入317将每个通道n的相对亮度BIn设置在60％亮度并将主电流设置Iset置于40mA。在以上所述的校准阶段期间，照度控制器310为每个LED通道确定编程的电流水平并经由控制信号309和DAC 307设置编程的电流水平。在这个例子中，照度控制器310将第一LED通道设置至电流水平I1＝46mA，第二LED通道至电流水平I2＝40mA以及第三LED通道至电流水平I3＝42mA，使得每个LED通道工作在接近但低于它们的饱和点。如下地，照度控制器310将等式(1)应用到编程的电流水平用以为每个LED通道n确定占空比PWM_outn：
PWM _ out 1 = BI 1 Iset I 1 = 60 % = 40 mA 46 mA = 52.2 % - - - ( 2 )
PWM _ out 2 = BI 2 Iset I 2 = 60 % = 40 mA 40 mA = 60 % - - - ( 3 )
PWM _ out 3 = BI 3 Iset I 3 = 60 % = 40 mA 42 mA = 57.1 % - - - ( 4 )
由此，校准过程为每个LED通道n确定电流In以及占空比PWM_outn。有利地，每个LED通道将会具有相同的平均电流(PWM_outn×In＝24mA)。因此，观察到的每个LED通道的亮度将会被很好地匹配，因为亮度输出与通过LED通道的平均电流密切相关。
如果不同通道n的相对亮度输入BIn被不同地设置，那么等式(1)确保不同通道之间的平均电流比例与亮度输入之间的比例相匹配。例如，如果第四通道被配置以亮度输入BI4＝75％并且第五通道被配置以亮度输入BI5＝25％，那么照度控制器310校准通道使得第四和第五通道之间的平均电流之比为3∶1。
图4A和图4B示出了图1中的传统的基于LDO的LED驱动器100与本发明中的自适应开关模式LED驱动器300的功率损耗的区别。在图4A中的第一LED通道401中，Vboost被调节到35.5伏以获得通过LED通道401的40mA的电流。LDO晶体管415压降0.2伏并且PWM晶体管413压降0.1伏。LED串411在40mA时具有35.0伏的电压降。在第二LED通道402中，由于第一LED通道401中的LED串411与第二LED通道402中的LED串421间的制造上的差异，LED串421具有34.0伏的电压降。使用传统的LDO方案，LDO 425压降额外的总共1.2伏。使用传统LDO方案的在第二LED通道402中的PWM晶体管423、LDO晶体管425、以及感测电阻器427的总功耗为60mW。这些浪费的功率在多串LED驱动器中导致不期望的发热。
在图4B中的第三LED通道403示出本发明的自适应方案的益处。假设第三LED通道403中的LED串431的特性同第二LED通道402中的LED串421相一致。然而，这个LED通道403却使用本发明的自适应开关模式LED驱动器300驱动。使用如上所述的校准过程，照度控制器310将把第三LED通道403中的电流设置到48mA使得LDO调节器运行于接近但低于饱和点。跨越LDO晶体管435、PWM晶体管423、以及感测电阻器427有一个与增大的电流成比例的增大的电压降。应用等式(1)，PWM占空比被调节到83％。使用本发明的自适应方案，PWM晶体管433、LDO晶体管435、以及感测电阻器437的总功耗仅为28.8mW。因此，LED驱动器300相对于传统LDO驱动器100对功率效率产生重大的改善。LED驱动器300还提供了优于以上所参照的、在Yuhui Chen等的美国专利申请第12/164,909号中所描述的全数字化开关方案的益处，因为照度控制器310只允许可能的通道电流的有限范围。这消除了由LED通道之间电流的宽动态范围造成的部件应力与可靠性问题。
LDO驱动器的替代实施方式
图5示出自适应开关模式LED驱动器500的第二种实施方式。LED驱动器500类似于以上所述图3中的LED驱动器300，但包含修改过的LDO 504并缺省ADC 313。LDO 504在一个类似于以上所述LDO 304的LDO配置中包括op-amp 306，传输晶体管QL，以及感测电阻器RS。然而，LDO 504另外包括一个将op-amp 306的输出551与一个参照电压553相比较，并输出产生的信号至复用器311的比较器506。在其它替代实施方式中，到比较器506的输入551可以与LDO晶体管QL的漏极或源极，而不是与op-amp 306的输出相连接。
在图5中的实施方式中，照度控制器310应用一个修改过的校准过程为每个LED通道确定编程的电流In和占空比PWM_outn。在校准阶段期间，DAC 307全部被初始化到它们的最低水平。Vboost接着由控制信号314递增地提高直到LED通道全部运行于或高于理想的Iset水平。当Vboost达到合适的水平，照度控制器310为每个LED通道按从它们的最低水平到它们的最高水平排列DAC 307并经由复用器311监控来自比较器506的输出。当DAC输出对于使LDO 504保持电流在编程水平而言过高时，比较器506的输出倾斜上升并超过一个阈值电压553。照度控制器310将阈值电压553被超过之前各LED通道的最高的可能DAC设置存储为LED通道n的电流水平In。
图5的实施方式具有确保每个LDO504在不必进入深度饱和的情况下运行于尽可能接近三极管与饱和区域的介面点的益处。这保证了在每个LDO504中最小的功耗同时仍然保持精确调节。在校准之后，LED驱动器500以与图3中的LED驱动器300等同的方式运行。
发光传递函数补偿
在一个替换的实施方式中，照度控制器310应用等式(1)的一个修改的版本以考虑光通量与LED的正向电流之间关系的非线性。图6为一个正向导通的LED所发出的作为电流的函数的相对光通量的图表。图表示出当正向电流增加时光学效率的下降，以及其引起斜度的略微减小。在一种实施方式中，照度控制器310使用一个以下形式的二阶多项式模拟照度传递函数：
lum(x)＝c2x2+c1x+c0                    (5)
其中c0，c1，和c2是实验确定的常数。在这种实施方式中，照度控制器310应用以下的补偿等式用以为每个LED通道n确定PWM_outn：
PWM _ out n = BI n lum ( Iset ) lum ( I n ) - - - ( 6 )
相对于上面的将LED通道之间的平均电流的比例与亮度输入BIn的比例相匹配的等式(1)相反，等式(6)将一个LED通道的相对光通量设置为与相对亮度BIn成比例。这提供对LED通道之间的相对亮度输出的更精确的保持。由此，以相同亮度输入配置的LED通道将具有基本上相同的亮度输出。
在一种实施方式中，照度控制器310在校准阶段期间为每个LED通道n估算比例
Figure GSA00000085444100142
并在存储器中保存结果。在实时运行中，每当亮度输入317被更新时，照度控制器310只需要执行等式(6)中那个其余的乘法运算。在一种实施方式中，照度控制器310包括一个被每个LED通道共享的单独的数字逻辑乘法器/除法器运算单元。在这种实施方式中，等式(6)被依次运用于每个LED通道。有益地，这个乘法器/除法器可以针对大小而不是速度进行优化，从而降低实施成本。
温度补偿
在另一种替代实施方式中，照度控制器310应用一个另外对LED通道间的温度差异提供补偿的等式(1)的不同的修改版本。图7为从具有55mA正向电流的正向偏置LED发射的相对光通量密度作为结温度的函数的图表。图表示出当LED的结温度从25摄氏度上升到85摄氏度时照度有约12％的下降。这个降低基本上是温度的线性函数。由此，在一种实施方式中照度控制器310应用以下的等式以确定每个LED通道n的PWM_outn：
PWM _ out n = BI n lum ( Iset ) lum ( I n ) C T - - - ( 7 )
其中CT为实验确定的温度的线性函数。在这种实施方式中，照度控制器310被修改以包含一个额外的温度输入信号(未展示)，其被配置以将温度数据提供给照度控制器310。温度数据可以通过使用任何常规LED温度测量技术而获得。
采样与保持电路
图8为示出包括采样与保持特征的LDO 801的一种实施方式的电路示意图。为了清晰与便利，采样与保持LDO 801被示出为LDO 304的一种修改的版本并与图3中的LDO驱动器300兼容。但是，图5中的LDO 504也可以被修改以包括下述的LDO 801的采样与保持特征。因此，采样与保持特征同时与图5中的LDO驱动器500兼容。
采样与保持LDO 801包括上述LDO 304的全部部件，但额外地包括电容器809、811、以及开关808，810。包含采样/保持开关808与电容器809的第一采样与保持部件被连接于op-amp 306的输出与晶体管QL的栅极之间。包含采样/保持开关810与电容器811的第二采样与保持部件被连接于感测电阻器RS与op-amp 306的输入之间的负反馈路径中。这种采样与保持特征允许LDO 801连续运行，尽管每当PWM控制晶体管QP关闭时它的电流都被中断。开关808、810经由来自照度控制器310的额外的控制信号(未示出)被数字化地控制。
在运行中，照度控制器310就在PWM开关QP关闭前打开开关808、810。电容器809、811使晶体管QL的栅-源电压以及在运算放大器306的负输入电压在PWM开关QP的关闭时段保持恒定水平。开关808、810以及电容器809、811有益地避免每当PWM开关QP关闭时op-amp 306的输出将LDO晶体管QL的栅极驱动至接近Vdd导轨。这样通过确保当PWM开关QP开启时op-amp 306已经位于或接近正确的数值而防止在每个PWM周期的前沿电流尖峰穿过LED串302。就在PWM开关QP重新开启之后，照度控制器310关闭开关808、810并恢复连续时间线性调节。采样与保持特征允许LDO以非常快速的动态响应在极端占空比运行。
故障检测电路
图9示出与LED驱动器300或LED驱动器500一同使用的故障检测电路的一种实施方式。尽管图9在LDO 504的上下文中示出故障检测电路，故障检测电路的特征也可以被包括在上述使用LDO 304或采样与保持LDO 801的实施方式中。
故障检测电路包括电阻器RESD，电流源912、915，开关913、914，以及比较器920、921。电流源912、开关913、以及电阻器RESD都被串接于模拟电压源Vdda与一个测试点，比如，PWM晶体管QP的漏极针脚926之间。电流源915、开关914、以及电阻器RESD都被串接于针脚926与一个接地端子之间。比较器920和921经由电阻器RESD感测在漏极针脚926的电压并将此电压相应地与一个开路阈值电压918及一个短路阈值电压919相比较。在这种实施方式中，照度控制器310包括额外的输入和输出916、917、922、923(未在图3和图4中示出)以实现故障检测特征。故障检测电路检测三种类型的故障：(1)在PWM晶体管QP的漏极针脚926的“短路型”故障；(2)在LED串302中的“开路型”故障；以及(3)在LED串302中的“LED短路型”故障。故障保护的每种类型的运作在以下描述。
短路型故障在通常在加电程序进行的“短路检测”测试期间被检测。在针脚短路测试期间，照度控制器310经由相位1控制信号916开启(即，闭路)开关913并关闭LDO晶体管QL和PWM晶体管QP。电流源912尝试经过电阻器RESD向漏极针脚926供应一个微电流(例如，大约100μA)。如果在针脚926到地电位有一个短路，那么在针脚926的电压将会降低至接近零伏。否则，电压将上升至接近模拟电源导轨电压Vdda。针脚926通过电阻器RESD被监控，并由比较器921与一个短路阈值电压919相比较。如果监控到的电压低于短路阈值电压919，那么LED通道从针脚926到地电位有一个短路。短路被短路检测信号923所指示。在一种实施方式中，当一个短路被检测到时LED通道的进一步运行被禁用。在针脚短路测试的最后，相位1控制信号916关闭(即，开路)开关913并且其在正常运行中保持关闭。
开路型故障在同样在加电程序中进行的“开路检测”测试中被检测。照度控制器310经由相位2控制信号917开启(即，闭路)开关914。电流源915尝试经由电阻器RESD从针脚926拉一个微电流(例如，大约100μA)。如果LED串302没有正确连接到针脚926，那么在针脚926的电压将降至接近零伏。如果LED串302被正确连接，那么来自Vboost的通过LED串302的泄漏电流将会导致电压上升。在针脚926的电压通过电阻器RESD被监控并由比较器920与开路阈值电压918相比较。如果监控到的电压跌至低于开路阈值918，那么照度控制器310确定LED通道有一个从针脚926到LED串302的开路路径。开路电路由开路检测信号922所指示。在一种实施方式中，当一个开路型故障被检测到时LED通道的进一步运行被禁用。在测试的最后，开关914被相位2控制信号917所关闭并且其在正常运行中保持关闭。
LED短路型故障测试在正常运行中周期性地进行。这种测试采用在LED通道校准阶段中也被使用的比较器506。比较器506监控op-amp306的输出。如果LED串302中的一个或更多LED与接地短路，那么LED串302的正向电压降将会降低并且LED通道中的电流将开始上升。随着电流的上升，Vsense增大并且op-amp 306的输出551下降。当输出551跌至阈值电压553以下时，比较器506改变状态并指示LDO 504正在超过它的调节功率限制。这给照度控制器310指示发生了一个LED短路型故障。故障LED通道的运行可在随后被禁用。
制造差异补偿
本发明的实施方式还包括一种对于硅片处理中的制造差异的补偿。例如，在一种实施方式中，LED PWM开关QP的开启电阻值(Rdson)具有在典型的工艺拐点(process corner)有5V栅极驱动器的5欧姆的设计目标。开关QP的实际Rdson电阻值可以在自动测试设备(ATE)的测试阶段中被测量。在一种实施方式中，实际Rdson电阻值被保存在LED驱动器300的一个存储器中(例如，在照度控制器310中)使得照度控制器310能够使用此数值来驱动LED串。如果开关QP的硅片在慢速工艺拐点，这个测量的电阻值将会高于目标设计值，导致更高的热损耗。在这种情况下，通常为典型的工艺拐点设置的5伏的栅极驱动器电源被修正至更高的电压(例如，6V)以保持相同的5欧姆目标电阻值。相同的原理也可以被应用到3.3V的栅极驱动器电路电源或其它类型的栅极驱动器。
如果硅片在快速工艺拐点，测量的电阻值将会低于目标设计值。虽然栅极驱动器电源可以被修正到一个较低的电压(例如，4V)以保持5欧姆的目标电阻值，但降低栅极驱动器电源并没有明显的益处。因此，在一种实施方式中，调整只在慢速工艺拐点而不在快速工艺拐点进行。
相对于传统设计方法，公开的方法有益地节省可观的硅片面积。传统设计方法足够保守地选择晶体管的w/l比例以包括全部工艺拐点。通过基于上述测量的开启电阻值校准栅极驱动信号，可以实施一种较不保守的w/l比例，从而节省硅片面积及成本。
通过阅读此公开内容，本领域中的技术人员将领会此自适应开关模式LED驱动器的额外的替代设计。因此，虽然在这里例证并描述了本发明的特定实施方式和应用，但是应该理解，本发明并不局限于这里公开的准确结构和部件，并且对本领域技术人员来说，在没有脱离所附权利要求所限定的发明实质和范围的情况下，在这里公开的本发明的方法和器件的排列、操作和细节方面进行的各种修改、变更和改变都是显而易见的。

Claims (27)

1.一种用于驱动一个或更多LED串的发光二极管(LED)驱动器，该LED驱动器包括：
功率转换器，被配置用以接收输入电压并产生应用在第一LED串的输出电压；
第一通道开关，被配置用以根据应用在第一通道开关的第一占空比信号开启或关闭第一LED串；
第一通道调节器，被配置用以接收第一编程的电流水平信号并基于第一编程的电流水平信号调节通过第一LED串的电流；以及
照度控制器，被配置用以为第一LED串产生对应于可编程电流水平的有限集合之一的第一编程的电流水平信号，并产生作为第一编程的电流水平信号的函数的用以驱动第一通道开关的第一占空比信号。
2.权利要求1中的LED驱动器，其中第一通道开关与第一LED串串接。
3.权利要求1中的LED驱动器，其中第一通道开关在第一通道调节器和第一LED串之间串接。
4.权利要求1中的LED驱动器，其中照度控制器产生使得通过第一LED串的电流能够在应用于第一LED串的输出电压下，由第一通道调节器调节的可编程的电流水平的有限集合中的最高一个的第一编程的电流水平。
5.权利要求1中的LED驱动器，其中产生第一占空比信号包括：
确定第一编程的电流水平信号与基线电流水平的比例；以及
将此比例与基线占空比相乘。
6.权利要求1中的LED驱动器，进一步包括：
第二通道开关，被配置用以根据应用在第二通道开关的第二占空比信号开启或关闭第二LED串，第二LED串具有与第一LED串不同的电流-电压特性；
第二通道调节器，被配置用以接收来自照度控制器的第二编程的电流水平信号并基于第二编程的电流水平信号而调节通过第二LED串的电流，其中第一和第二编程的电流水平信号对应于不同的编程的电流水平；并且
其中照度控制器被进一步配置用以为第二LED串产生对应于可编程的电流水平的有限集合中的另外一个的第二编程的电流水平信号，并确定作为第二编程的电流水平信号的函数的用以驱动第二通道开关的第二占空比信号。
7.权利要求6中的LED驱动器，其中第一和第二LED串根据不同的编程电流水平以及不同的占空比被开启和关闭，但是具有基本相同的平均电流水平。
8.权利要求1中的LED驱动器，其中第一通道调节器包括：
传输晶体管，与第一LED串和第一通道开关串接；以及
反馈回路，被配置用以感测通过第一LED串的电流，将感测到的电流与一个模拟电流参照进行比较，并响应于感测到的电流超过模拟电流参照，控制传输晶体管以降低感测到的电流。
9.权利要求8中的LED驱动器，其中反馈回路包括：
感测电阻器，与传输晶体管的源极串接；以及
运算放大器，具有一个与传输晶体管的源极连接的负输入端子，一个连接以接收模拟电流参照的正输入端子，以及一个与传输晶体管的栅极连接的输出端子。
10.权利要求9中的LED驱动器，进一步包括：
比较器，被配置用以将运算放大器的输出与一个参照电压进行比较，以检测感测到的电流何时超过编程的电流水平信号并输出一个比较信号至照度控制器。
11.权利要求10中的LED驱动器，其中响应于比较信号指示在校准后的LED驱动器的正常运行中感测到的电流超过编程的电流水平信号，照度控制器确定在第一LED串中的一个LED与地电位短路。
12.权利要求9中的LED驱动器，其中第一通道调节器包括一个采样与保持调节器，其包括：
第一采样与保持部件用以在第一通道开关关闭之前对运算放大器的输出电压采样，并保持此输出电压直到第一通道开关重新开启；以及
第二采样与保持部件用以在第一通道开关关闭之前对运算放大器的一个负输入端子电压采样，并保持此被采样的负输入端子电压直到第一通道开关重新打开。
13.权利要求8中的LED驱动器，进一步包括：
数模转换器(DAC)，被配置用以接收来自照度控制器的数字形式的编程的电流水平信号并输出模拟电流参照至第一通道调节器。
14.权利要求1中的LED驱动器，进一步包括：
反馈路径，将来自第一通道调节器的代表通过第一通道调节器的感测到的电流的反馈信号传输到照度控制器，
其中照度控制器部分地基于反馈信号产生第一编程的电流水平信号。
15.权利要求1中的LED驱动器，其中照度控制器产生作为第一编程的电流水平信号的函数的第一占空比信号，使得被配置为相同的相对亮度的一个或多个LED串中每个之间的平均电流基本匹配。
16.权利要求1中的LED驱动器，其中照度控制器部分地基于一个照度传递函数确定作为第一编程的电流水平信号的函数的第一占空比信号，使得光通量在被配置为相同的相对亮度的LED串的至少一些中基本匹配。
17.权利要求16中的LED驱动器，其中照度控制器进一步包括一个接收温度测量的温度输入，并且其中照度传递函数包含一个温度补偿函数用以补偿一个或多个LED串之间的温度差异。
18.权利要求1中的LED驱动器，进一步包括一个故障检测电路，用于检测在一个或多个LED串中的开路电路和短路电路中的至少一个，并响应检测到开路电路或短路电路，关闭第一通道开关以禁用第一LED串。
19.权利要求18中的LED驱动器，其中故障检测电路包括：
第一电流源，用于在短路电路检测测试中为第一通道调节器提供第一测试电流；
第一比较器，将第一通道调节器的一个测试点电压与一个短路阈值电压相比较，其中比较器响应测试电压超过短路阈值电压指示出短路电路；
第二电流源，用于在开路电路检测测试中从第一通道调节器拉出第二测试电流；
第二比较器，用于将测试点电压与一个开路电路阈值电压相比较，其中第二比较器响应测试点电压跌落至开路电路阈值电压以下的情况指示出开路电路。
20.一种驱动来自一个或多个LED串集合的第一LED串的方法，此方法包括：
从可编程的电流水平的有限集合中为第一LED串选择第一编程的电流水平；
根据第一编程的电流水平调节通过第一LED串的电流；
确定作为第一编程的电流水平的函数的用以开关第一LED串的第一占空比；以及
根据第一占空比开启或关闭LED串。
21.权利要求20中的方法，其中为第一LED串选择第一编程的电流水平包括：
调整到一个或多个LED串的电源电压使得一个或多个LED串中最弱的一个串运行在一个基线电流；并且为第一LED串选择第一编程的电流水平，其对应于第一LED串能够保持对编程的电流水平的调节的最高的可编程电流水平。
22.权利要求20中的方法，其中为第一LED串选择第一编程的电流水平包括：
配置一个或多个LED串中的每一个以运行于可编程电流水平的集合中的最大电流；
调整到一个或多个LED串的电源电压使得一个或多个LED串中的每一个运行于或高于一个基线电流；
对一个感测到的通过第一LED串的电流采样；
将感测到的电流舍入到可编程电流水平集合中最接近的一个；以及
保存这可编程电流水平集合中最接近的一个。
23.权利要求20中的方法，其中选择编程的电流水平包括：
配置一个或多个LED串中的每一个以运行于可编程的电流水平集合中的最低电流；
调整到一个或多个LED串的电源电压使得一个或多个LED串中的每一个运行于或高于一个基线电流；
监控指示调节第一LED串的调节器是否运行于饱和状态的反馈信号；
响应反馈信号指示调节器运行于饱和状态，为第一LED串提高编程的电流水平；以及
保存调节器在其下运行于饱和状态的最高的编程的电流水平。
24.权利要求20中的方法，其中确定用以开关第一LED串的第一占空比包括：
确定第一占空比，使得通过一个或多个被配置为相同的相对亮度的LED串中的每一个的平均电流基本匹配。
25.权利要求20中的方法，其中确定用以开关第一LED串的第一占空比包括：
部分地基于一个照度传递函数确定第一占空比，使得从一个或多个被配置为相同的相对亮度的LED串中的每一个所输出的光通量基本匹配。
26.权利要求25中的方法，其中照度传递函数包含一个温度补偿函数用以补偿一个或多个LED中的每一个之间的温度差异。
27.一种制造LED驱动器的方法，包括一个或多个LED串的LED驱动器包含第一LED串以及一个用于驱动LED串的通道开关，该方法包括：
在自动测试设备(ATE)测试阶段测量通道开关的开启电阻；以及
将测量到的第一通道开关的开启电阻与在制造第一通道开关时所使用的工艺条件下的目标电阻以及一个基线电源电压相比较，其中响应于测量到的开启电阻超过目标电阻，提高用于驱动第一通道开关的栅极的栅极驱动电压。
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