CN102237794B - 开关电源的控制电路和控制方法、发光装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的控制IC(100)控制对被间歇驱动的LED串(6)的一端提供驱动电压(Vout)的开关电源(4)。脉冲调制器(19)在LED串(6)的点亮期间生成其占空比被调节的脉冲信号(Spwm)，以使与开关电源(4)的输出电压(Vout)对应的检测电压(VLED)和规定的基准电压(Vref)一致。驱动器(28)基于脉冲信号(Spwm)，驱动开关电源(4)的开关晶体管(M1)。在从点亮期间转移到熄灭期间时，脉冲调制器(19)使脉冲信号(Spwm)的占空比随时间下降。本发明的控制IC(100)在进行PWM驱动时，抑制线圈的音响性噪声。

Description

开关电源的控制电路和控制方法、发光装置及电子设备
技术领域
本发明涉及发光装置。
背景技术
近年来，作为液晶板的背光或照明设备，利用使用了以LED(发光二极管)为代表的发光元件的发光装置。图1是表示现有技术中的发光装置的结构例的电路图。发光装置1003具有多个LED串(string)1006_1～1006_n、开关电源1004以及电流驱动电路1008。
各个LED串1006包含串联连接的多个LED。开关电源1004将输入电压Vin升压，对LED串1006_1～1006_n的一端提供驱动电压Vout。
电流驱动电路1008具有对LED串1006_1～1006_n的每一个设置的电流源CS1～CSn。各个电流源CS向对应的LED串1006提供与目标亮度对应的驱动电流ILED。
开关电源1004具有输出电路1102、控制IC1100。输出电路1102包含电感器L1、开关晶体管M1、整流二极管D1、输出电容器C1。控制IC1100通过控制开关晶体管M1的导通(on)、截止(off)的占空比，调节驱动电压Vout。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】特开2006-114324号公报
在这样的发光装置1003中，存在为了调节LED串1006的亮度，对驱动电流ILED进行PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)控制的情况。具体而言，电流驱动电路1008的PWM控制器1009生成具有与亮度对应的占空比的脉冲信号PWM1～PWMn，对与各个脉冲信号PWM1～PWMn对应的电流源CS1～CSn进行开关控制。也将这样的控制称为猝发脉冲(burst)调光、猝发脉冲控制。
本发明者人对相关的发光装置进行了研究的结果，认识到以下的课题。
开关电源1004的负载电流(输出电流)Iout为LED电流的合计。对LED串1006进行PWM驱动时，负载电流Iout进行开关切换(switching)。负载电流Iout的急剧变化，意味着流过电感器L1中的线圈电流IL1的急剧变化，它成为线圈的音响性噪声(也称为声响)的原因。该噪声出现在可听频带，所以电子设备的用户不愉快。另外，不能将该认识作为本发明的技术领域中的公共的一般知识的范围来捕捉。进一步而言，本申请人最先想到上述研究本身。
发明内容
本发明鉴于这样的课题而完成，其某一方式例示的目的之一在于，提供在进行PWM驱动时，能够抑制线圈的音响性噪声的控制电路。
本发明的某一方式的控制电路涉及对被间歇驱动的发光元件的一端提供驱动电压的开关电源的控制电路。控制电路具有：脉冲调制器，在发光元件的点亮期间，生成其占空比被调节的脉冲信号，以使与开关电源的输出电压对应的检测电压和规定的基准电压一致；以及驱动器，基于脉冲信号，驱动开关电源的开关元件。发光元件从点亮期间转移到熄灭期间时，脉冲调制器使脉冲信号的占空比随时间下降。
根据该方式，在从点亮期间转移到了熄灭期间后，由于开关元件的导通时间立即随时间不断减少，因此能够缓慢地减少线圈电流，并能够降低线圈的音响噪声。
脉冲调制器也可以包含：反馈端子，用于连接相位补偿用电容器以及相位补偿用电阻；误差放大器，在发光元件的点亮期间，生成与检测电压和基准电压之间的误差对应的电流，并提供给反馈端子；脉冲生成单元，接受在反馈端子上产生的电压，生成具有与该电压对应的占空比的脉冲信号；以及软关机(soft off)电路，发光元件从点亮期间转移到熄灭期间时，使向脉冲生成单元输入的电压变化，以使脉冲信号的占空比下降。
脉冲生成单元既可以是脉宽调制器，也可以是脉冲电压调制器。
软关机电路也可以包含：软关机用电容器，其设置在脉冲生成单元的输入端子和固定电压端子之间，在点亮期间，通过反馈端子的电压而被充电；以及放电电路，在熄灭期间，将软关机用电容器放电。
放电电路也可以根据与脉冲信号相同频率的控制信号而产生被导通、被断开的电流。
此时，由于能够通过脉冲状的放电电流将软关机用电容器放电，因此能够根据控制信号的占空比调节时间常数。另外，能够在开关晶体管M1的导通、截止的每1周期，使占空比下降。
脉冲调制器还可以包含：第1开关，其设置在误差放大器的输出端子和反馈端子之间，在点亮期间接通(on)，在熄灭期间断开(off)；以及第2开关，其设置在脉冲生成单元的输入端子和反馈端子之间，在点亮期间导通，在熄灭期间断开。
此时，在第1开关、第2开关断开的熄灭期间，反馈端子成为高阻抗，反馈端子的电压被维持。因此，在接着转移到点亮期间时，由于能够以前次的点亮期间中的反馈端子的电压为起点，再次开始反馈控制，因此，能够缩短至反馈稳定为止的时间。
与开关电源的输出电压对应的检测电压也可以为在发光元件的另一端上产生的电压。或者，检测电压也可以是将输出电压分压所得的电压。
本发明的另一方式是发光装置。该发光装置具有：发光元件；开关电源，对发光元件的一端提供驱动电压；以及电流驱动电路，连接到发光元件的另一端，提供与目标亮度对应的间歇性的驱动电流。开关电源包含：包含开关元件的输出电路；以及驱动开关元件的上述任意一个方式的控制电路。
本发明的另一其它方式是电子设备。该电子设备具有：液晶板；以及作为液晶板的背光而设置的上述的发光装置。
另外，将以上的构成要素的任意组合、本发明的构成要素以及表现在方法、装置、系统等之间相互置换得到的方案，作为本发明的方式也有效。
根据本发明的方式，能够降低线圈的音响噪声。
附图说明
图1是表示现有技术的发光装置的结构例的电路图。
图2是表示实施方式的具有开关电源的电子设备的结构的电路图。
图3是表示图2的发光装置的动作的波形图。
标号说明
2...电子设备、3...发光装置、4...开关电源、5...LCD板、6...LED串、8...电流驱动电路、9...PWM控制器、100...控制IC、102...输出电路、19...脉冲调制器、20...脉宽调制器、22...误差放大器、24...振荡器、26...PWM比较器、28...驱动器、C3...相位补偿用电容器、R7...相位补偿用电阻、SW10a...第1开关、SW10b...第2开关、40...软关机(soft off)电路、C4...软关机用电容器、42...放电电路、44...电流源、M6...开关、C2...电容器、M2、M3...晶体管、L1...电感器、C1...输出电容器、D1...整流二极管、M1...开关晶体管。
具体实施方式
以下，根据优选的实施方式并参照附图说明本发明。在各个附图中所示的相同或同等的结构要素、构件、处理上附加相同的标号，并省略相应重复的说明。此外，实施方式不是限定发明而是例示，实施方式所记述的所有特征或其组合并非发明的本质特征或组合。
在本说明书中，所谓“构件A与构件B连接了的状态”，除了构件A与构件B物理性地直接连接的情况外，还包括构件A与构件B通过不对电连接状态产生影响的其他构件间接地连接的情况。
同样地，所谓“构件C被设置在构件A与构件B之间的状态”，除构件A与构件C、或构件B与构件C直接地连接的情况外，还包括通过不对电连接状态产生影响的其他构件间接地连接的情况。
图2是表示实施方式中的具有开关电源的电子设备的结构的电路图。
电子设备2为，笔记本型PC、数字照相机、数字摄像机、移动电话终端、PDA(Personal Digital Assistant；个人数字助理)等电池驱动型的设备，具有发光装置3和LCD(Liquid Crystal Display；液晶显示)板5。发光装置3作为LCD板5的背光而设置。
发光装置3具有：作为发光元件的LED串6_1～6_n、电流驱动电路8、开关电源4。
各个LED串6包含串联连接的多个LED。开关电源4为升压型的DC/DC变换器，将输入到输入端子P1的输入电压(例如电池电压)Vin升压，从输出端子P2输出输出电压(驱动电压)Vout。多个LED串6_1～6_n各自的一端(阳极)共同地连接到输出端子P2。
开关电源4具有控制IC100以及输出电路102。输出电路102包含：电感器L1、整流二极管D1、开关晶体管M1、输出电容器C1。输出电路102是一般性的拓扑结构(topology)，因此省略说明。另外，本领域技术人员会理解在其拓扑结构方面存在各种变形，并非是在本发明中限定的结构。
控制IC100的开关端子P4与开关晶体管M1的栅极连接。控制IC100通过反馈来调节开关晶体管M1的导通、截止的占空比，以获得点亮LED串6所需要的输出电压Vout。另外，开关晶体管M1也可以内置于控制IC100中。
电流驱动电路8与多个LED串6_1～6_n的另一端(阴极)连接。电流驱动电路8对LED串6_1～6_n的每一个提供对应于目标亮度的间歇性的驱动电流ILED1～ILEDn。具体而言，电流驱动电路8具有对LED串6_1～6_n的每一个设置的多个电流源CS1～CSn、PWM控制器9。第i电流源CSi与对应的第iLED串6_i的阴极连接。电流源CSi构成为，可根据从PWM控制器9输出的控制信号PWMi，切换输出驱动电流ILEDi的动作(active；有效)状态φON、停止驱动电流ILEDi的停止状态φOFF。PWM控制器9生成具有与目标亮度对应的占空比的控制信号PWMi～PWMn，并将该控制信号输出到电流源CS1～CSn。在控制信号PWMi被肯定(assert)(例如高电平)的期间(点亮期间TON)，对应的电流源CSi为动作状态φON，LED串6_i点亮。在控制信号PWMi被否定(negate)(例如低电平)的期间(熄灭期间TOFF)，对应的电流源CSi为停止状态φOFF，LED串6_i熄灭。通过控制点亮期间TON和熄灭期间TOFF的时间比率，流过LED串6_i中的驱动电流ILED的有效值(时间平均值)受到控制，能够调节亮度。电流驱动电路8的PWM驱动的频率为数十～数百Hz。
控制IC100和电流驱动电路8如图2那样被集成在不同的芯片上。它们既可以构成单一的封装(package)(模块)，也可以构成不同的封装。或者，也可以将控制IC100和电流驱动电路8集成在单一的芯片上。
以上是发光装置3整体的结构。接着，说明控制IC100的结构。控制IC100具有对LED串6_1～6_n的每一个设置的LED端子LED1～LEDn。各个LED端子LEDi与对应的LED串6_i的阴极端子连接。另外，LED串不一定为多个，也可以是1个。
控制IC100主要具有脉冲调制器19、驱动器28。
脉冲调制器19在LED串6的点亮期间TON生成其占空比被调节的脉冲信号Spwm，使得与输出电压Vout对应的检测电压和规定的基准电压Vref一致。在图2中，检测电压为LED串6的阴极端子产生的电压(LED端子电压)VLED1～VLEDn中最低的一个电压，以下记为VLED。另外，在其它的实施方式中，作为检测电压，也可以使用其它的电压，例如将输出电压Vout分压得到的电压。
驱动器28基于脉冲信号Spwm，驱动开关晶体管M1。
在点亮期间TON，控制IC100将开关电源4的输出电压Vout调节为最适合驱动LED串6_1～6_n的电压电平。
在熄灭期间TOFF，提供给LED串6_1～6_n的驱动电流ILED1～ILEDn为零，即开关电源4为无负载状态，因此，控制IC100使开关晶体管M1为截止状态。
LED串6从点亮期间TON转移到熄灭期间TOFF时，脉冲调制器19使脉冲信号Spwm的占空比随时间下降。如果熄灭期间TOFF长，则脉冲信号Spwm的占空比不久就变为零，开关晶体管M1成为截止状态。
接着，说明能够实现上述的功能的脉冲调制器19的结构例。
脉冲调制器19具有：误差放大器22、脉冲生成单元(脉宽调制器)20、反馈端子(FB端子)、软关机电路40、第1开关SW10a、第2开关SW10b。
在FB端子和外部的固定电压端子(接地端子)之间设置相位补偿用电容器C3以及相位补偿用电阻R7。
误差放大器22是所谓的跨导放大器(gm amplifier)，在LED串6的点亮期间，生成与检测电压VLED和基准电压Vref之间的误差对应的电流，提供给FB端子。在FB端子上，产生与检测电压VLED和基准电压Vref的误差对应的反馈电压VFB。
具体而言，误差放大器22具有多个反相输入端子(-)和一个同相输入端子(+)。在多个反相输入端子上，分别输入LED端子电压VLED1～VLEDn，在同相输入端子上输入基准电压Vref。误差放大器22输出与最低的LED端子电压(检测电压)VLED和基准电压Vref之间的误差对应的电流。
第1开关SW10a设置在误差放大器22的输出端子和FB端子之间。第2开关SW10b设置在脉宽调制器20的输入端子P5和FB端子之间。第1开关SW10a、第2开关SW10b在点亮期间TON接通，在熄灭期间TOFF断开。
脉冲生成单元20例如为脉宽调制器，接受在FB端子上产生的电压VFB，生成具有与该电压VFB对应的占空比的脉冲信号Spwm。具体而言，反馈电压VFB越高，脉冲信号Spwm的占空比越大。
脉宽调制器20包含振荡器24、PWM比较器26。振荡器24生成三角波或者锯齿波的周期电压Vosc。另外，振荡器24输出与周期电压Vosc同步的控制时钟信号CLK。优选可调节控制时钟信号CLK的高电平(低电平)时间。
PWM比较器26将反馈电压VFB与周期电压Vosc比较，生成具有与比较结果对应的电平的PWM信号Spwm。另外，作为脉冲生成单元20，也可以使用脉冲频率调制器等。PWM信号Spwm的频率与电流驱动电路8的PWM驱动的频率相比足够高，为数百kHz(例如600kHz)。
从点亮期间TON转移到熄灭期间TOFF时，软关机电路40使输入到脉宽调制器20的电压VFB’随时间变化，使得脉冲信号Spwm的占空比随时间变小。具体而言，使电压VFB’随时间不断下降。
软关机电路40包含软关机用电容器C4以及放电电路42。软关机用电容器C4设置在脉宽调制器20的输入端子P5和固定电压端子(接地端子)之间。软关机用电容器C4在点亮期间TON由FB端子的电压VFB充电。也就是说，在点亮期间TON，输入到脉冲调制器19的电压VFB’与FB端子的电压VFB相等。
放电电路42在熄灭期间TOFF中，将软关机用电容器C4放电，使输入到脉宽调制器20的电压VFB’随时间降低。该放电电路42生成根据与脉冲信号SPWM相同的频率的控制信号CLK而导通、断开的放电电流IDIS，从软关机用电容器C4中引出。
放电电路42包含电流源44、晶体管M4～M6。电流源44生成恒定电流Ic。晶体管M4、M5形成电流镜电路，以电流镜(mirror)比K复制恒定电流Ic，生成放电电流IDIS＝K×Ic。开关M6设置在晶体管M5的栅极和源极之间，其栅极上被输入控制时钟信号CLK。在控制时钟信号CLK为高电平时，开关M6导通，晶体管M4、M5变为截止，放电电流IDIS变为零。在控制时钟信号CLK为低电平时，开关M6截止，流过放电电流IDIS。
以上是控制IC100的结构。
接着说明发光装置3的动作。图3是表示图2的发光装置3的动作的波形图。图3从上起顺序地表示控制信号PWM、反馈电压VFB(点划线)以及脉冲调制器19的输入电压VFB’(实线)、脉冲信号Spwm(实线)、输出电压Vout、线圈电流IL1(实线)。本说明书中的波形图、时序图的纵轴以及横轴为了易于理解而适当放大、缩小，且所示的各个波形也为了易于理解而被简化。
在时刻t1以前的点亮期间TON中，输出电压Vout被稳定以满足VLED+Vf。Vf是流过了驱动电流ILED的状态中的LED串6的电压降。
在时刻t1，脉冲信号PWM从高电平转移到低电平，并从点亮期间TON转移到熄灭期间TOFF。在该定时，由于第1开关SW10a、第2开关SW10b断开，因此FB端子的电压VFB被维持为一定。
熄灭期间TOFF开始时，软关机电路40使脉冲调制器19的输入电压VFB’随时间不断降低。与此相伴随，PWM信号Spwm的占空比不断缓慢地降低，线圈电流IL1也缓慢地减少。
如上述那样，软关机电路40使电压VFB’与PWM信号Spwm同步降低。因此，能够在每1循环使PWM信号Spwm的占空比缓慢地降低。并且，能够根据恒定电流Ic以及控制时钟信号CLK的占空比调节该变化量。
在转移到熄灭期间TOFF之后，输出电压Vout立即稍微上升。这是由于开关电源4在无负载的状态下，稍微流过线圈电流IL1。
在熄灭期间TOFF，PWM信号Spwm的占空比变为零，则开关晶体管M1的开关停止。
在时刻t2，脉冲信号PWM从低电平转移到高电平时，变为点亮期间TON。在该定时，第1开关SW10a、第2开关SW10b接通时，脉冲调制器19的输入电压VFB’恢复到与FB端子的电压VFB相等的电平为止。其结果，开关晶体管M1的开关切换根据与前次的点亮期间TON大致相等的占空比的脉冲信号Spwm而再次开启。
以上是发光装置3的动作。
图3用点划线表示以往的电路的波形图。以往，转移到熄灭期间TOFF时，PWM信号Spwm立即被固定在低电平，开关晶体管M1的开关切换停止了。其结果，线圈电流IL1急剧减少，其也成为音响噪声的原因。
相对于此，根据实施方式的发光装置3，通过在熄灭期间TOFF使线圈电流IL1缓慢减少，能够降低电感器L1的音响噪声。
以上，基于实施方式说明了本发明。该实施方式是例示，在它们的各个构成要素、各个处理过程、它们的组合中可以存在各种变形例，以下，说明这样的变形例。
在实施方式中，说明了使用了电感器的非绝缘型的开关电源，但是本发明也能够应用于使用了变压器(trans)的绝缘型的开关电源。
在实施方式中，作为发光装置3的应用，说明了电子设备，但是用途不特别限定，也能够利用在照明上等。
在实施方式中，说明了通过脉冲状的电流IDIS将软关机用电容器C4放电的情况，但是也可以通过连续的电流IDIS而将软关机用电容器C4放电。
另外，在本实施方式中，高电平、低电平的逻辑信号的设定是一例，能够通过利用反相器等使其适当反转，而自由地变更。
基于实施方式，虽然使用具体的语句说明了本发明，但是实施方式只不过表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，可以对实施方式进行多种变形或配置的变更。

Claims (6)

1.一种控制电路，为对被间歇驱动的发光元件的一端提供驱动电压的开关电源的控制电路，其特征在于，具有：
脉冲调制器，在所述发光元件的点亮期间，生成其占空比被调节的脉冲信号，以使与所述开关电源的输出电压对应的检测电压和规定的基准电压一致；以及
驱动器，基于所述脉冲信号，驱动所述开关电源的开关元件，
所述脉冲调制器包含：
反馈端子，用于连接相位补偿用电容器以及相位补偿用电阻；
误差放大器，在所述发光元件的点亮期间，生成与所述检测电压和所述基准电压之间的误差对应的电流，并提供给所述反馈端子；
脉冲生成单元，接受在所述反馈端子上产生的电压，生成具有与该电压对应的占空比的所述脉冲信号；
软关机电路，所述发光元件从点亮期间转移到熄灭期间时，使向所述脉冲生成单元输入的电压变化，以使所述脉冲信号的占空比下降；
第1开关，其设置在所述误差放大器的输出端子和所述反馈端子之间，在点亮期间接通，在熄灭期间断开；以及
第2开关，其设置在所述脉冲生成单元的输入端子和所述反馈端子之间，在点亮期间导通，在熄灭期间断开，
所述发光元件从点亮期间转移到熄灭期间时，所述脉冲调制器使所述脉冲信号的占空比随时间降低。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，
所述软关机电路包含：
软关机用电容器，其设置在所述脉冲生成单元的输入端子和固定电压端子之间，在点亮期间，通过所述反馈端子的电压而被充电；以及
放电电路，在熄灭期间，将所述软关机用电容器放电。
3.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，
所述放电电路根据与所述脉冲信号相同频率的控制信号而产生被导通、被断开的电流。
4.如权利要求1至3任意一项所述的控制电路，其特征在于，
与所述开关电源的输出电压对应的检测电压为在所述发光元件的另一端上产生的电压。
5.一种发光装置，其特征在于，具有：
发光元件；
开关电源，对所述发光元件的一端提供驱动电压；以及
电流驱动电路，连接在所述发光元件的另一端上，提供与目标亮度对应的间歇性的驱动电流，
所述开关电源包含：
包含开关元件的输出电路；以及
驱动所述开关元件的权利要求1至3任意一项所述的控制电路。
6.一种电子设备，具有：
液晶板；以及
作为所述液晶板的背光而设置的权利要求5所述的发光装置。
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