CN102264166A - Led输出驱动电路结构及为led提供驱动电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种LED输出驱动电路结构，包括电流输入端、电流输出端、接地端，所述的LED输出驱动电路结构内部包括：Auto Zero运算放大器、保持通路源跟随器、输出端电压存储单元、直流偏移存储单元、第1开关-第7开关，第一场效应管和第二场效应管，所述的直流偏移存储单元包括第一直流偏移存储单元和第二直流偏移存储单元。本发明还提供了一种基于上述电路结构的为LED提供驱动电流的方法。利用本发明，整体电路的版图可以实现比较小的面积；电路能够快速切换状态；另外在电路中通过加速充电源跟随器，可以进一步提高电路状态的切换。

Description

LED输出驱动电路结构及为LED提供驱动电流的方法

技术领域

本发明涉及LED照明领域，尤其涉及LED输出驱动电路结构及为LED提供驱动电流的方法。

背景技术

LED大屏幕显示的使用已经越来越普遍地应用到不同场合，包括楼宇、电梯、公交、银行、医院等，即可以应用于各种室内环境，也可以应用于各种室外环境，展示了极其广阔的市场前景，相应地对于LED显示的速度、功耗和显示效果也不断地提出了新的要求，其中LEDDRIVER输出电路的性能是实现新要求最关键的部分。

LED DRIVER输出电路最初采用如图1所示最普通的单级NMOS管电流镜驱动LED发光管，其中I_IN为输入电流，I_OUT为输出电流，该种电路结构简单，版图面积小，但是由于NMOS管存在沟道调制效应，在输出不同的电压时电流变化比较大，恒流特性和电流匹配差，导致显示效果不佳；为了改善恒流特性和电流匹配，LED DRIVER输出电路大量采用如图2所示cascode(共源共栅)结构的NMOS管电流镜驱动LED发光管，其中I_IN为输入电流，I_OUT为输出电流，VBP为偏置电压该种结构很好地改善了输出不同电压时的恒流特性，显示效果也得到的改善，但是由于采用cascode结构，要求输出电压比较高，一旦输出电压比较低以后，cascode结构将无法正常工作，而在输出电压很高，驱动同等恒定电流的情况下，必然导致输出驱动电路功耗变大，要求的电源电压变高，电路整体效率变低，并且由于采用cascode电路结构，版图面积大，芯片成本大大提高。

发明内容

本发明的目的提供一种输出速度快，恒流匹配特性高，输出电压低并且版图面积很小的LED输出驱动电路结构及为LED提供驱动电流的方法。

基于上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种LED输出驱动电路结构，包括电流输入端、电流输出端、接地端，所述的LED输出驱动电路结构内部包括：Auto Zero运算放大器、保持通路源跟随器、输出端电压存储单元、直流偏移存储单元、第1开关-第7开关，第一场效应管和第二场效应管，所述的直流偏移存储单元包括第一直流偏移存储单元和第二直流偏移存储单元；

所述第一场效应管的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输入端相连，所述第二场效应管的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输出端相连；

所述Auto Zero运算放大器输出端通过保持通路源跟随器与所述的第一场效应管的栅极连接，所述的Auto Zero运算放大器的第一正相输入端通过第7开关与所述的第一场效应管的漏极连接，所述的Auto Zero运算放大器的第一反相输入端依次通过第3开关、第6开关、第5开关与所述第一场效应管的漏极连接，所述第二直流偏移存储单元一端与所述的AutoZero运算放大器的第一反相输入端连接，另一端接地，所述的第一直流偏移存储单元一端与所述的Auto Zero运算放大器的第一正相输入端相连，另一端接地，

所述的第一场效应管和第二场效应管的栅极通过第1开关连接，所述的第二场效应管的栅极通过第2开关与地连接，所述的第二正相输入端和第二反相输入端通过第6开关连接，所述的输出端电压存储单元一端通过第3开关与第一反相输入端连接，另一端与电压源连接，所述第4开关一端通过一电阻与输出端电压存储单元非接电压源端连接。

优化的，所述的LED输出驱动电路结构还包括：充电加速源跟随器，第8开关，所述的充电加速源跟随器一端与所述Auto Zero运算放大器的输出端相连，另一端通过第8开关与所述第二场效应管的栅极相连。

优化的，所述的输出端电压存储单元和直流偏移存储单元为电容。

优化的，所述的第1开关-第8开关为逻辑开关，由外界控制信号控制其开闭。

优化的，所述的第一场效应管和第二场效应管尺寸比例为：1∶N，N为正整数。

一种LED输出驱动电路，包括：一逻辑电路和权利要求1所述的LED输出驱动电路结构，所述的逻辑电路由与非门和反相器组成，所述的逻辑电路产生的信号用于控制所述LED输出驱动电路结构的相应开关的开关状态。

一种基于以上所述的LED输出驱动电路的为LED提供驱动电流的方法：

通过以上所述的LED输出驱动电路的逻辑电路对控制LED管电流通断的原始信号进行处理，处理后输出四个数字信号，其中4个为2组不交叠的正反相信号：第1正相信号、第1反相信号、第2正相信号、第2反相信号，处理后的3个数字信号：第1正相信号、第1反相信号、第2正相信号送入所述的LED输出驱动电路结构控制相应的开关状态；

输出驱动电路结构断开的时候，Auto Zero运算放大器处于DCoffset计算状态，而输出驱动电路结构输出电流的时候，Auto Zero运算放大器处于正常工作状态。

优化的，所述的逻辑电路对控制LED管电流通断的原始信号进行处理后还输出一窄脉冲信号，用于控制所述输出驱动电路结构中的充电加速源跟随器的通断。

优化的，所述的四个数字信号控制开关状态的具体方法为：第一正相信号控制第1开关和第5开关，第1反相信号控制第2开关、第6开关、第7开关和第3开关，第2正相信号控制第4开关，窄脉冲信号控制第8开关；当信号为高时，相应的开关导通，信号为低时，相应的开关断开。

优化的，Auto Zero运算放大器处于DCoffset计算状态时，通过第一直流偏移存储单元和第二直流偏移存储单元存储失调电压。

本发明的有益效果

由于运算放大器(OPA)具有Auto Zero(自归零)的功能，为此在本发明中可以使用小尺寸的OPA电路，同时镜像管为单级结构，整体电路的版图可以实现比较小的面积；而镜像管之间的VDS通过OPA进行匹配，所以镜像既可以工作在饱和区也可以工作在线性区，输出端的电压在很低的情况仍然能够保持很好的镜像效果；输出驱动电路在导通和断开之间切换时，OPA的工作状态基本保持不变，不需要重新建立状态，为此不仅不需要OPA能够高速工作，而且电路能够快速切换状态；另外在电路中通过加速充电源跟随器，可以进一步提高电路状态的切换。

附图说明

图1为背景技术中最普通的单级NMOS电流镜输出结构的LED驱动电路框图；

图2为背景技术中采用cascode的NMOS电流镜输出结构电路框图；

图3为本发明LED输出驱动电路结构一实施例的电路图；

图4为本发明LED输出驱动电路的原理框图；

图5为本发明LED输出驱动电路中逻辑电路一实施例电路图；

图6为本发明逻辑电路的输入信号和输出信号的波形图；

图7为本发明LED输出驱动电路结构处于DCoffset计算状态的一实施例电路图；

图8为本发明LED输出驱动电路结构处于工作状态的电路图；

图9为本发明LED输出驱动电路结构中Auto Zero放大器一实施例的工作原理电路图。

具体实施方式

下面以NMOS电流镜结构为例，详细说明本发明的技术方案。

参见附图3，一种LED输出驱动电路结构，包括电流输入端I_IN、电流输出端I_OUT、接地端，所述的LED输出驱动电路结构内部包括：Auto Zero(自归零)运算放大器3、保持通路源跟随器4、输出端电压存储单元7、直流偏移存储单元、第1开关S1-第7开关S7，第一场效应管1和第二场效应管2，所述的直流偏移存储单元包括第一直流偏移存储单元5和第二直流偏移存储单元6。

所述的输出端电压存储单元7为图3中所述的电容CAP3，所述的直流偏移存储单元为图3中所示的电容CAP1和CAP2。

所述第一场效应管1的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输入端I_IN相连，所述第二场效应管2的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输出端I_OUT相连。

所述Auto Zero运算放大器3输出端通过保持通路源跟随器4与所述的第一场效应管1的栅极连接，所述的Auto Zero运算放大器3的第一正相输入端INDC+通过开关S7与所述的第一场效应管1的漏极连接，所述的Auto Zero运算放大器3的第一反相输入端INDC-依次通过开关S3、开关S6、开关S5与所述第一场效应管1的漏极连接，所述第二直流偏移存储单元6一端与所述的Auto Zero运算放大器的第一反相输入端INDC-连接，另一端接地，所述的第一直流偏移存储单元5一端与所述的Auto Zero运算放大器3的第一正相输入端INDC+相连，另一端接地。

所述的第一场效应管1和第二场效应管2通过开关S1连接，所述的第二场效应管2的栅极通过开关S2与地连接，所述的第二正相输入端和第二反相输入端通过开关S6连接，所述的输出端电压存储单元7一端通过开关S3与第一反相输入端INDC-连接，另一端与电压源连接，所述开关S4一端通过一电阻RES与输出端电压存储单元7非接电压源端连接。

所述的LED输出驱动电路结构还包括：充电加速源跟随器8，开关S8，所述的充电加速源跟随器8一端与所述Auto Zero运算放大器3的输出端相连，另一端通过S8与所述第二场效应管2的栅极相连。

所述的开关S1-S8为逻辑开关，由外界控制信号控制其开闭。

当此电路结构输出端接多个LED时，所述的第一场效应管1)和第二场效应管2尺寸比例为：1∶N(N为正整数)以适应多LED输出。

如图4和图5所示一种LED输出驱动电路，包括：一逻辑电路和上述的LED输出驱动电路结构，所述的逻辑电路由与非门和反相器组成，所述的逻辑电路产生的信号用于控制所述LED输出驱动电路结构的相应开关的开关状态：

(a)将控制电流通断的输入信号转换为2组不交叠的正反相信号和1个窄脉冲信号，其中不交叠的2组信号通过不交叠信号逻辑电路处理产生，窄脉冲信号的脉冲宽度等于不交叠信号不交叠的时间；

(b)将2组不交叠正反相信号用于控制输出驱动电路的通断，同时用于控制Auto Zero放大器工作状态和DCoffset计算状态的切换；

(c)在控制信号作用下，输出驱动电路断开的时候，Auto Zero放大器处于DCoffset计算状态，而输出驱动电路输出电流的时候，Auto Zero放大器处于正常工作状态，而且此时放大器消除了DCoffset的影响；

(d)通过不交叠信号控制输出驱动电路的通断，保证输出电路中OPA的工作状态保持不变，不需要状态重新建立时间，加快电路的切换速度；

(e)将1个窄脉冲信号用于充电加速源跟随器的通断控制，在驱动电路刚刚导通时加快输出电流从0到正常恒定电流的上升速度；

(f)将原始电流信号通过该输出驱动电路镜像后所得电流作为驱动LED的电流输出。

其中，所述控制电流通断的原始输入信号为LED DRIVER电路系统中数字处理模块处理后信号。所述原始电流信号为LED DRIVER电路系统中其它相应模块处理后的恒定电流信号。

基于上述LED输出驱动电路结构和LED输出驱动电路的为LED提供镜像驱动电流的具体实现方法如下：

首先通过LED输出驱动电路的逻辑电路对控制LED管电流通断的原始信号CTRL0进行处理，处理后输出五个数字信号，其中4个为2组不交叠的正反相信号CTRL1，CTRL1B，CTRL2，CTRL2B，一个为脉宽等于不交叠时间的窄脉冲信号CTRL3，五个数字信号的波形如图6所示，处理后的CTRL1，CTRL1B，CTRL2，CTRL3四个数字信号送入LED DRIVER输出驱动模块控制相应的开关。

图3为带有Auto Zero运算放大器的LED DRIVER输出驱动电路结构，其中I_IN为电流输入端，I_OUT为电流输出端，该结构中带有8个开关S1-S8，其中CTRL1控制S1和S5两个开关，CTRL1B控制S2、S6，S7和S3四个开关，CTRL2控制S4开关，CTRL3控制S8开关；当控制信号为高时，相应的开关导通，控制信号为低时，相应的开关断开。本LED输出驱动电路结构在数字信号CTRL1和CTRL1B的共同控制下，不仅实现了控制输出电流的通断，同时实现了Auto Zero放大器的工作状态和DCoffset计算状态的切换。

图7为Auto Zero运算放大器处于DCoffset计算状态时的电路图，此时LED输出电流为0，OPA的IN+和IN-短接，INDC+和INDC-作为OPA的输入端，状态稳定后环路将在CAP1电容和CAP2电容上存储OPA的DCoffset失调电压；图8为Auto Zero放大器处于工作状态时的电路图，此时输出端输出正常的LED工作电流，而OPA把IN+和IN-端作为放大器的输入端，由于CAP1电容和CAP2电容存储失调电压的补偿作用，OPA类似理想的放大器，基本消除了DCoffset的影响。图3中SF1为保持通路源跟随器，不受数字信号控制，在任何情况下都能够正常工作，SF2为充电加速源跟随器，只在CTRL3为高电平时工作，而CTRL3为窄脉冲信号，所以SF2只在输出电流由断开转为导通的短暂时间工作，起到对输出NMOS管栅极寄生电容加速充电的作用。S4开关由CTRL2信号控制，从图6的波形中可以看出，在输出电路由断开到导通的过程中，S4开关延后导通，而在输出电路由导通到断开的过程中，S4开关提前断开，在电路实际工作中，S4开关右边的电压随着输出电路导通和断开的切换会发生两个不同电压之间的跳变，而S4开关左边的电压是由CAP3电容保持的基本恒定的电压，而且该电压稳定性越高，OPA工作状态也更稳定，输出电路在导通和断开的切换过程中，不需要OPA的状态切换，也就不需要OPA新状态的建立时间，大大提高导通和断开之间切换的速度。

图9是图3电路中的OPA工作原理图，从上述的分析中可知，无论输出电路工作在导通状态还是工作在断开状态，OPA的反馈环路一直保持正常工作，而且OPA的输出电压保持不变，图中IN+和IN-，INDC+和INDC-为OPA的四个输入端，OUT为输出端，A1为IN+和IN-输入端到输出端的电压增益，A2为INDC+和INDC-输入端到输出端的电压增益；从图中可以得出

VOUT＝A1*(VinP-VinN)+A2*(VdcP-VdcN)

当驱动电路工作在断开状态时，从图7中可以看出，VinP等于VinN，此时VdcP-VdcN等于OPA所有Offset累加之和V_offset，此时

VOUT＝A2*V_offset

当驱动电路工作由断开切换到导通状态时，从图8中可以看出，此时VdcP和VdcN的电压存储在CAP1电容和CAP2电容上，能够保持VdcP-VdcN＝V_offset不变；又由于在导通和断开的状态下，环路始终正常工作，VOUT保持不变，所以VinP-VinN能够保持为0；在驱动电路工作在导通状态时，IN+和IN-作为OPA的输入端，此时OPA消除了DCoffset的影响，类似于理想的放大器。

由于OPA具有Auto Zero的功能，为此在本发明中可以使用小尺寸的OPA电路，同时镜像NMOS管为单级结构，整体电路的版图可以实现比较小的面积；而镜像管之间的VDS通过OPA进行匹配，所以镜像NMOS即可以工作在饱和区也可以工作在线性区，输出端的电压在很低的情况仍然能够保持很好的镜像效果；输出驱动电路在导通和断开之间切换时，OPA的工作状态基本保持不变，不需要重新建立状态，为此不仅不需要OPA能够高速工作，而且电路能够快速切换状态；另外在电路中通过加速充电源跟随器，可以进一步提高电路状态的切换。

在此需要说明的是，在本发明的说明书和权利要求书中所述的“第1、第2、第3”等概念都是相对的，仅为描述方便而相对确定，可任意改变。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED输出驱动电路结构，包括电流输入端(I_IN)、电流输出端(I_OUT)、接地端，其特征在于：所述的LED输出驱动电路结构内部包括：Auto Zero运算放大器(3)、保持通路源跟随器(4)、输出端电压存储单元(7)、直流偏移存储单元、第1开关(S1)-第7开关(S7)，第一场效应管(1)和第二场效应管(2)，所述的直流偏移存储单元包括第一直流偏移存储单元(5)和第二直流偏移存储单元(6)；

所述第一场效应管(1)的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输入端(I_IN)相连，所述第二场效应管(2)的漏极与所述LED输出驱动电路结构的电流输出端(I_OUT)相连；

所述Auto Zero运算放大器(3)输出端通过保持通路源跟随器(4)与所述的第一场效应管(1)的栅极连接，所述的Auto Zero运算放大器(3)的第一正相输入端(INDC+)通过第7开关(S7)与所述的第一场效应管(1)的漏极连接，所述的Auto Zero运算放大器(3)的第一反相输入端(INDC-)依次通过第3开关(S3)、第6开关(S6)、第5开关(S5)与所述第一场效应管(1)的漏极连接，所述第二直流偏移存储单元(6)一端与所述的Auto Zero运算放大器(3)的第一反相输入端(INDC-)连接，另一端接地，所述的第一直流偏移存储单元(5)一端与所述的Auto Zero运算放大器(3)的第一正相输入端(INDC+)相连，另一端接地，

所述的第一场效应管(1)和第二场效应管(2)的栅极通过第1开关(S1)连接，所述的第二场效应管(2)的栅极通过第2开关(S2)与地连接，所述的第二正相输入端和第二反相输入端通过第6开关(S6)连接，所述的输出端电压存储单元(7)一端通过第3开关(S3)与第一反相输入端(INDC-)连接，另一端与电压源连接，所述第4开关(S4)一端通过一电阻与输出端电压存储单元(7)非接电压源端连接。

2.根据权利要求1所述的LED输出驱动电路结构，其特征在于还包括：充电加速源跟随器(8)，第8开关(S8)，所述的充电加速源跟随器(8)一端与所述Auto Zero运算放大器(3)的输出端相连，另一端通过第8开关(S8)与所述第二场效应管(2)的栅极相连。

3.根据权利要求1所述的LED输出驱动电路结构，其特征在于：所述的输出端电压存储单元(7)和直流偏移存储单元为电容。

4.根据权利要求1或2所述的LED输出驱动电路结构，其特征在于：所述的第1开关(S1)-第8开关(S8)为逻辑开关，由外界控制信号控制其开闭。

5.根据权利要求1所述的LED输出驱动电路结构，其特征在于：所述的第一场效应管(1)和第二场效应管(2)尺寸比例为：1∶N，N为正整数。

6.一种LED输出驱动电路，其特征在于包括：一逻辑电路和权利要求1所述的LED输出驱动电路结构，所述的逻辑电路由与非门和反相器组成，所述的逻辑电路产生的信号用于控制所述LED输出驱动电路结构的相应开关的开关状态。

7.一种基于权利要求6所述的LED输出驱动电路的为LED提供驱动电流的方法，其特征在于：

通过权力要求6所述LED输出驱动电路的逻辑电路对控制LED管电流通断的原始信号(CTRLO)进行处理，处理后输出四个数字信号，其中4个为2组不交叠的正反相信号：第1正相信号(CTRL1)、第1反相信号(CTRL1B)、第2正相信号(CTRL2)、第2反相信号(CTRL2B)，处理后的3个数字信号：第1正相信号(CTRL1)、第1反相信号(CTRL1B)、第2正相信号(CTRL2)送入所述的LED输出驱动电路结构控制相应的开关状态；

输出驱动电路结构断开的时候，Auto Zero运算放大器处于DCoffset计算状态，而输出驱动电路结构输出电流的时候，Auto Zero运算放大器处于正常工作状态。

8.根据权利要求7所述的为LED提供驱动电流的方法，其特征在于：所述的逻辑电路对控制LED管电流通断的原始信号(CTRL0)进行处理后还输出一窄脉冲信号(CTRL3)，用于控制所述输出驱动电路结构中的充电加速源跟随器(8)的通断。

9.根据权利要求7或8所述的为LED提供驱动电流的方法，其特征在于：所述的四个数字信号控制开关状态的具体方法为：第一正相信号(CTRL1)控制第1开关(S1)和第5开关(S5)，第1反相信号(CTRL1B)控制第2开关(S2)、第6开关(S6)、第7开关(S7)和第3开关(S3)，第2正相信号(CTRL2)控制第4开关(S4)，窄脉冲信号(CTRL3)控制第8开关(S8)；当信号为高时，相应的开关导通，信号为低时，相应的开关断开。

10.根据权利要求7所述的为LED提供驱动电流的方法，其特征在于：Auto Zero放大器处于DCoffset计算状态时，通过第一直流偏移存储单元(5)和第二直流偏移存储单元(6)存储失调电压。

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