CN102088808A - 快速开关的恒流led驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种快速开关的恒流LED驱动电路，其特征在于：该电路设有包括恒流驱动模块、电压检测反馈模块及控制模块，构成一个闭环系统；恒流驱动模块提供LED灯恒定的电流，电压检测反馈模块和控制模块实现对恒流驱动模块的快速启动与关闭。恒流驱动模块设有一个NMOS管N1，一个运算放大器AMP，一个带隙基准分压得到的基准电压源Vref1和一个可变电阻R1；电压检测反馈模块设有一个电压比较器COMP和一个电压基准Vref2；控制模块设有一个或非门、一个反相器、一个与门、三个受控开关K1，K2，K3、两个NMOS管N2和N3以及一个基准电压Vref3。

Description

快速开关的恒流LED驱动电路

技术领域

本发明涉及LED驱动电路，尤其涉及一种快速开关的恒流LED驱动电路，它是应用于LED显示屏领域、通过PWM调制来调节亮度的下沉式恒流源驱动电路。

背景技术

在LED显示屏中，每一个像素由红光(R)，绿光(G)，蓝光(B)三种LED灯组成。三种LED灯的亮度的不同组合，就能构成所有的颜色。每一种LED灯的发光亮度可由脉冲宽度调制(PWM)方法来调节，一般PWM信号控制驱动电路的开关信号OE(OPEN ENABLE)管脚。OE为高电平时，LED灯熄灭；OE为低电平时，LED灯开启。LED显示屏在向高灰阶度和高刷新率的方向发展，而它的决定性因素就是LED驱动电路对输入信号OE的响应速度。LED驱动电路能响应越小脉宽的OE输入信号，就能得到越高的灰阶和刷新率。

灰阶就是显示屏上每一颗LED亮度的分辨率。对于数字化的显示技术而言，灰阶是显示色彩数的决定因素。灰阶越高，显示的色彩越丰富，画面也越细腻，更易表现丰富的细节。举例来说，4bit灰阶表示LED有16阶的亮度变化，即有16种灰度。而LED驱动芯片的灰阶度控制，实行方式如图6所示，LED亮度的灰阶度是由驱动芯片上的开关信号OE宽度与灰阶控制信号SDI共同来控制。以图6中LED要显示的灰阶度5为例，SDI必须在OE宽度为Tmin和4Tmin时打开输出开关(即D0＝1，D1＝0，D2＝1，D3＝0)，以得到整体的LED显示灰阶度为5。又如需要得到显示灰阶度为11，SDI须在OE宽度为Tmin，2Tmin和8Tmin时打开输出开关(即D0＝1，D1＝1，D2＝0，D3＝1)。其它灰阶度则以此类推，以不同的SDI和OE宽度的排列组合得到不同的LED灰阶度，也就会显示出不同的LED亮度变化。要得到更高的灰阶度，就需要更多种类的OE宽度，而为了保证刷新率，周期时间又不能变化，这样就需要OE单位宽度Tmin更小。除此之外，OE的单位宽度愈小，完成一个灰阶度变化的周期也就愈短，也就是单位时间内，所能得到的刷新率也就愈高。

由此可见，驱动芯片中OE的最小脉冲宽度Tmin，即反应时间(tr/tf)决定了灰阶度的高低，所谓最短OE脉宽就是在能够维持所有通道输出电流线性度的条件下，OE可打开的有效宽度。越小的OE脉宽响应能力，就是拥有越快速的输出电流响应，刷新率及输出灰阶度也就越高。高输出灰阶则提供了更丰富多彩的LED显示屏图像，而高刷新率提供了LED显示屏流畅无闪烁的画面播放。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速开关的恒流LED驱动电路，它可使得LED灯能响应很小的开关信号OE脉冲宽度的信号。这种电路首先具备恒定输出电流的能力，同时，该电路还具有快速响应开关信号OE的能力。这样，LED显示屏就能在保证画面一致性的前提下，具备更丰富的色彩和更高的刷新率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种快速开关的恒流LED驱动电路，其特征在于：该电路设有包括恒流驱动模块、电压检测反馈模块及控制模块，构成一个闭环系统；恒流驱动模块提供LED灯恒定的电流，电压检测反馈模块和控制模块实现对恒流驱动模块的快速启动与关闭，其中：

恒流驱动模块设有一个NMOS管N1，一个运算放大器AMP，一个带隙基准分压得到的基准电压源Vref1和一个可变电阻R1，NMOS管的漏端连接LED灯的阴极，LED灯的阳极连接电源VDD，NMOS管N1的栅极接运算放大器AMP的输出端，NMOS管N1的源端接可变电阻R1的一端，可变电阻R1的另一端接地，运算放大器AMP正输入端接基准电压Vref1，运算放大器AMP负输入端与NMOS管N1的漏端和可变电阻R1的一端连接在一起；

电压检测反馈模块设有一个电压比较器COMP和一个电压基准Vref2，电压比较器COMP的正输入端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的输出端，电压比较器COMP的负输入端连接电压基准Vref2；

控制模块设有一个或非门、一个反相器、一个与门、三个受控开关K1，K2，K3、两个NMOS管N2和N3以及一个基准电压Vref3；反相器的输入端与或非门的一个输入端共同连接开关信号OE，开关信号OE还同时连接NMOS管N2和N3的栅极，NMOS管N2的漏端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的负输入端，NMOS管N3的漏端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的输出端，NMOS管N2和N3的源端均接地；反相器的输出端连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端与电压检测反馈模块中的电压比较器COMP输出端以及或非门的另一个输入端连接在一起；或非门的输出端连接受控开关K3的控制端，与门的输出端连接受控开关K2的控制端，开关信号OE连接受控开关K1的控制端，受控开关K1的输入端连接电源VDD，受控开关K2的输入端连接基准电压Vref3，受控开关K3的输入端接地，三个受控开关K1，K2，K3的输出端连接在一起并与恒流驱动模块中运算放大器AMP的偏置电压输入端连接。

本发明的优点及显著效果：本发明一种具有快速开关能力的高精度下沉式LED恒流驱动电路，具有高精度恒流输出特性，输出电流不随负载电压变化影响，而且它还能够快速的响应开关信号OE的变化，在OE信号的下降沿来临的时候，电路进入加速启动状态(Tsp)，输出电流能够迅速的上升。在输出电流达到需要的大小的时候，电路又切换进入正常恒流工作状态(Ton)，保证输出精确恒定的电流。

附图说明：

图1是本发明原理框图；

图2是本发明电路图；

图3是本发明的仿真波形；

图4是本发明去除加速启动功能的电路图；

图5是图4电路的仿真波形；

图6是LED显示屏灰阶控制示意图。

具体实施方式：

为了更好的说明本发明，首先给出一种不具备加速启动功能的恒流LED驱动电路如图4所示，为一种NMOS漏端开路恒流驱动电路，该电路能够使流过LED灯的电流恒定，来保证LED显示屏上所有LED灯电流的一致性。电流大小可以由一个电阻设定。该电路包括一个功率NMOS管N1，一个运算放大器AMP，一个带隙基准分压得到的基准电压Vref1和一个电阻R1。功率NMOS管N1的漏端接LED灯的阴极，LED灯的阳极接电源VDD，NMOS管N1的栅极接运算放大器AMP的输出端，NMOS管N1的源端接电阻R1的一端。电阻的另一端接地(GND)。运算放大器AMP正输入端接基准电压Vref1，负输入端接NMOS管N1的源端和电阻R1的连接点。运算放大器AMP和功率NMOS管N1组成负反馈环路，这样，在运算放大器AMP的正输入端提供恒定的基准电压Vref1时，功率NMOS管N1的源端(也就是运算放大器AMP的负输入端)就能保持恒定的电压Vref1。功率NMOS管的源端和地之间是一个电阻R1，流过电阻R1的电流就是Vref/R1。流过LED灯的电流和流过电阻R1的电流是相同的，所以LED灯就能得到一个恒定的电流。要控制上述电路的开启和关闭，通常的做法是：将运算放大器的偏置电压输入端接某一参考电压(开启)或者接VDD(关闭)，图4所示电路虽然可以提供精确的恒定的电流，但是它的开启过程却比较慢。开启的过程是，开关信号OE由高电平变为低电平，运算放大器的偏置电压由Vdd变为Vref3，|Vref3-Vdd|决定了运算放大器的偏置电流大小。在开启过程中，该偏置电流对运算放大器AMP内部的补偿电容和功率NMOS管的栅极寄生电容进行充电，由于偏置电流是比较小的，所以对电容充电的过程就比较长。从图4电路的仿真波形图5可以看出，由于运放的补偿电容和功率管的寄生电容的影响，该电路Iout达到正常值需要很长时间。

为了使图4中的恒流驱动电路有更快的开启和关闭速度，即流过LED灯的电流有更短的上升时间(tr)和下降时间(tf)，本发明提供了加速开启过程和关闭过程的装置，该装置除恒流驱动模块外，增加了一个电压检测反馈模块和一个控制模块，构成一种具有快速开关能力的高精度下沉式LED恒流驱动电路，它具有高精度恒流输出特性，输出电流不随负载电压变化影响，而且它还能够快速的响应输入信号的变化。整个电路的方框图和电路图分别如图1、图2，其中：

恒流驱动模块包括一个运算放大器AMP，一个NMOS管N1，一个可变电阻R1和一个电压基准Vref1。AMP的正输入端与Vref1连接到节点w3；R1的一端与AMP的负输入端以及N1的源极连接到节点w4；N1的漏端w5为输出端OUT连接发光LED的阴极。恒流驱动模块的作用是为LED提供恒定的电流源。输出电流的大小由R1和电压基准Vref1共同决定，输出电流Iout＝Vref1/R1，且电流的大小不随OUT端的电压的变化而变化。恒流驱动模块在AMP的偏置电压端w1连接电源Vdd时，进入关闭状态(Toff)，此时OUT端电流为零；在AMP的偏置电压端w1连接零电位Gnd时，进入加速开启状态(Tsp)，此时OUT端电流由零迅速升高到Vref/R1；在AMP的偏置电压端w1连接基准电压Vref3时，进入正常恒流工作状态(Ton)，此时OUT端电流保持恒定，且不受OUT端电压变化的影响。

电压检测反馈模块包括一个比较器COMP和一个电压基准Vref2。COMP的负输入端连接Vref2，COMP的正输入端与恒流驱动模块连接到w2，COMP的输出端与电压检测反馈模块连接到w7。电压检测反馈模块的作用是检测功率NMOS管N1的栅极电压，当N1的栅极电压超过Vref2时，比较器COMP的输出信号发生翻转，并且信号传送到控制模块。基准电压Vref2的取值大小为Vref1+Vthn，其中Vthn为功率管N1的开启阈值电压，Vref1为节点w4在正常工作时的电压。若开关信号OE变为低电平，且当w2端的电压小于Vref2＝Vref1+Vthn时，恒流驱动模块进入加速开启状态(Tsp)，当w2端的电压大于Vref2＝Vref1+Vthn，表明功率NMOS管N1已经打开，比较器COMP检测到此电压，就发生翻转，此翻转信号会使电路进入恒流工作状态(Ton)。

控制模块包括一个电压基准Vref3，三个受控开关电路K1，K2，K3，两个NMOS管N2，N3，一个或非门，一个反相器，一个与门。反相器的输入端和或非门的一个输入端d共同连接于开关信号OE，或非门的另一端c连接于电压监测反馈模块中比较器COMP的输出节点w7(或非门的两个输入端具有等效性，开关信号OE连接于或非门的输入端c，w7连接于或非门的输入端d，这种情况同样有效)，反相器的输出端和电压监测反馈模块中比较器COMP的输出节点w7作为与门的两个输入端(与门的两个输入端具有等效性，反相器的输出端与与门输入端a相连，w7与与门输入端b相连，另外一种情况，即反相器的输出端与与门的输入端b相连，w7与与门的输入端a相连，同样有效)，或非门的输出端w8控制受控开关K3，与门的输出端w9控制受控开关K2，受控开关K1直接由开关信号OE控制，开关信号OE作为N2和N3的栅极，N2和N3的源极共同连接于地线，N2和N3的漏端连接于恒流驱动模块。受控开关K1连接Vdd和运放的偏置电压输入端于节点w1，受控开关K2连接电压基准Vref3和运放的偏置电压输入端w1，受控开关K3连接Gnd和运放的偏置电压输入端w1。控制模块的作用是接收开关信号OE和电压检测反馈模块的反馈信号w7，根据输入信号和电路所处的状态产生控制信号，来控制恒流驱动模块进入不同的工作状态。

本发明的具体工作过程为：当开关信号OE为高电平时，K1导通，K2和K3不导通，N2和N3导通，恒流驱动模块进入关闭状态(Toff)。当OE为低电平，且w7为低电平时，K3导通，K1和K2不导通，N2和N3不导通，恒流驱动模块进入加速开启状态(Tsp)。当OE为低电平，且w7为高电平时，恒流驱动模块20进入恒流工作状态(Ton)。在开启的过程中，开关信号OE由高电平转变为低电平，控制运算放大器的偏置电压输入端由Vdd转接为GND，运算放大器AMP的偏置电流达到可能的最大值，这样一个大的偏置电流能快速的对内部的补偿电容和功率NMOS管的栅极寄生电容进行充电。但此时运放的工作状态是非正常的，它无法得到正确的输出电压，所以它的偏置电压需转变为正常工作值Vref2。这个转变过程就由电压比较器COMP来控制，电压比较器COMP的负端接电压基准Vref2(Vref2＝Vref1+Vthn)，正端接运算放大器AMP的输出端(也就是功率NMOS管N1的栅极)。当功率NMOS管N1的栅极电压达到Vref2时，表明N1已经达到开启状态，此时比较器COMP输出翻转，控制运算放大器AMP的偏置电压由GND转变为Vref2。运算放大器由快速开启状态转变为正常的恒流工作状态；在关闭的过程中，开关信号OE由低电平转变为高电平，运算放大器AMP的偏置电压由Vref2转变为Vdd，运算放大器AMP关闭。同时，N2和N3导通，迅速将N1的栅极电压和漏端电压置为零。

图3为本发明电路图1的仿真波形，从图中可以看到，在开关信号OE的下降沿到来的时候，电路进入加速开启状态(Tsp)，输出电流Iout能够迅速的上升，在Iout达到需要的电流时，电路进入正常恒流驱动状态(Ton)。在OE由低变为高时，电流Iout迅速变为零，电路进入关闭状态(Toff)。将图3和图5进行对比可以看出本发明加速启动的优点。

从上面的结果可以看出本发明能够快速开启和关闭LED，也就能够响应更短脉宽的开关信号的(OE)，这样，图6所示的系统中OE信号的最小宽度Tmin就能采用更小的值。结合背景技术中的阐述，Tmin越小，LED显示屏就能有更高的刷新率和更高的灰阶。

Claims (1)

1.一种快速开关的恒流LED驱动电路，其特征在于：该电路设有包括恒流驱动模块、电压检测反馈模块及控制模块，构成一个闭环系统；恒流驱动模块提供LED灯恒定的电流，电压检测反馈模块和控制模块实现对恒流驱动模块的快速启动与关闭，其中：

恒流驱动模块设有一个NMOS管N1，一个运算放大器AMP，一个带隙基准分压得到的基准电压源Vref1和一个可变电阻R1，NMOS管的漏端连接LED灯的阴极，LED灯的阳极连接电源VDD，NMOS管N1的栅极接运算放大器AMP的输出端，NMOS管N1的源端接可变电阻R1的一端，可变电阻R1的另一端接地，运算放大器AMP正输入端接基准电压Vref1，运算放大器AMP负输入端与NMOS管N1的漏端和可变电阻R1的一端连接在一起；

电压检测反馈模块设有一个电压比较器COMP和一个电压基准Vref2，电压比较器COMP的正输入端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的输出端，电压比较器COMP的负输入端连接电压基准Vref2；

控制模块设有一个或非门、一个反相器、一个与门、三个受控开关K1，K2，K3、两个NMOS管N2和N3以及一个基准电压Vref3；反相器的输入端与或非门的一个输入端共同连接开关信号OE，开关信号OE还同时连接NMOS管N2和N3的栅极，NMOS管N2的漏端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的负输入端，NMOS管N3的漏端连接恒流驱动模块中运算放大器AMP的输出端，NMOS管N2和N3的源端均接地；反相器的输出端连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端与电压检测反馈模块中的电压比较器COMP输出端以及或非门的另一个输入端连接在一起；或非门的输出端连接受控开关K3的控制端，与门的输出端连接受控开关K2的控制端，开关信号OE连接受控开关K1的控制端，受控开关K1的输入端连接电源VDD，受控开关K2的输入端连接基准电压Vref3，受控开关K3的输入端接地，三个受控开关K1，K2，K3的输出端连接在一起并与恒流驱动模块中运算放大器AMP的偏置电压输入端连接。

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