CN102378446A - 用于扩展led驱动器的pwm调光范围的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动发光二极管(LED)的设备。首先感测到脉宽调制(PWM)信号的上升沿。在感测所述上升沿时，启动具有设定的宽度的、从感测到上升沿开始的门限脉冲(TP)信号，产生具有先前设定水平的幅值的LED电流，并且开始对产生电压Vcap的电容器进行充电。随后，检测到PWM信号或者TP信号的下降沿。当检测所述下降沿时，电路停止对电容器充电、在从检测到的下降沿开始经过第一延迟之后对电压Vcap采样，并且基于采样的电压Vcap调节LED电流的幅值水平。当检测到PWM信号和TP信号两者的下降沿时，终止LED电流。

Description

用于扩展LED驱动器的PWM调光范围的方法和系统

技术领域

本方案涉及一种用于发光二极管(LED)的方法和系统。更具体地，本方案涉及一种用于LED调光的方法和系统及整合所述方法和系统的系统。

背景技术

LED发光已经被广泛地应用于不同的应用领域。为节约能量和成本，调光技术同样也已经得到发展，从而使得能够在不同情况下调节发光。传统地，有不同种类的调光方法，包括脉宽调制(PWM)调光和模拟调光。在PWM调光中，用于驱动LED光的LED电流的大小通常基于PWM信号的脉宽和周期来确定，而在模拟调光中，用于驱动LED光的LED电流的大小通常基于模拟信号的幅值来确定。在一些应用中，PWM调光和模拟调光能够应用以控制LED电流，但只作为单独的可选方案。即，LED调光控制器的一个引脚可用于提供用于PWM调光控制的PWM信号，而另一个引脚可以单独地提供以使得可以分别地提供模拟信号用于模拟调光的目的。用户可以被提供装置以选择一个或其它的方案来控制LED调光。尽管用户拥有选择调光方案的选择权，但传统地在任意的给定时间，仅一种方法被选择以使得其它的引脚不可能被利用。这造成了引脚的不充分使用。

存在有与基于PWM调光的传统LED调光相关联的其它缺点。为改进PWM调光的调光范围，通常的解决方案是将PWM脉宽压缩(push)达到尽可能最低的水平。但是，当PWM调光脉宽小于最小门限脉宽时，会出现各种问题。尽管这样的门限脉宽通常公开在与产品相关联的数据表中，但顾客经常超出该较低的最小值，使产品的性能不可预期。例如，当脉宽低于规定的最小值时，输出的LED电流和电压可能会完全地崩溃(collapse)。如果发生这种情况，根据设计，有时要求下一个脉宽极其的长以便快速启动电路从而使输出恢复正常。

另外，当通过所具有的脉宽小于规定的最小脉宽的PWM脉冲使电源接通时，由于一些集成电路中的消隐时间的原因，特定的失效检测和保护特征会不能工作。另外，当脉宽小于最小要求脉宽时，实际的峰值LED电流通常将无法达到程序化的水平，导致不能达到所期望的调光效果。在更糟糕的情况下，当PWM调光在高温状态下操作时，由于泄漏的原因，PWM调光比通常减小，使得不使用更低泄漏的部件就不能实现针对产品所规定的最高PWM调光范围。因此，存在改进PWM调光方案以解决这些问题的需要。

发明内容

附图说明

示例性实施方式进一步说明了这里所要求和/或说明的本发明。结合附图详细说明了这些示例性实施方式。这些实施方式是非限定性的实施方式，其中在附图中的整个若干视图中，相同的附图标记表示类似的结构，并且其中：

图1示出了根据本方案的实施方式的示例性时序图，其中PWM调光和模拟LED调光相结合以扩展PWM调光范围；

图2(a)绘出了根据本方案的实施方式的示例性电路200，其能够结合PWM调光与模拟LED调光以扩展PWM调光范围；

图2(b)绘出了根据本方案的实施方式的本方案的不同实施方式，其中输入的PWM信号是差分信号；

图3示出了根据本方案的实施方式的总结调光控制构造的表格；

图4是根据本方案的实施方式的示例性处理的流程图，其中PWM调光和模拟LED调光相结合以扩展PWM调光范围；

图5示出了根据本方案的当PWM LED调光与模拟LED调光相结合时所获得的一些仿真结果。

具体实施方式

本方案公开了用于结合脉宽调制(PWM)调光和模拟LED调光以改进LED驱动器中的PWM调光范围的方法和设备。具体地，当PWM信号的宽度达到低于门限水平时，模拟调光方案被结合以使得调光范围是连续且渐进的。

所产生的用于LED调光的LED电流通常具有宽度和幅值，两者均影响LED调光。如在背景技术中所讨论的，用于PWM LED调光的现有技术的方案在PWM信号达到一定的水平时具有受限的调光范围。为克服现有技术的缺陷并且扩展调光范围，本方案，如这里所公开的，将PWM调光与模拟调光结合。为实现该目的，将门限脉冲(TP)信号与输入PWM信号结合使用。这样的TP信号具有与门限宽度对应的宽度，其中当脉宽低于该门限宽度时，传统的PWM调光方案将不能适当地工作。利用这样的TP信号的目的在于确保在已经检测到PWM信号的下降沿之后能够连续地产生LED电流，该产生的LED电流具有基于在PWM信号为高时被充电的电压所确定的幅值。以此，即使PWM信号已经结束，LED电流将不会为零。

根据本发明的实施方式，这一点示出在图1中，其中示例性的时序图示出了这样的关系。在图1中，时间图110表示PWM信号，120表示TP信号，130表示电压Vcap，该电压在适当的时序从在PWM信号的持续时间内被充电的电容器中采样获得，并且140表示具有依据本方案基于PWM信号、TP信号、及采样的电压Vcap调节的宽度和幅值的LED电流。

在该示例性时序图中，存在不同的定时示例，标注为1、2、3、...，12。在时刻1处，当PWM信号变高时(上升沿)，TP信号被触发也变高。如上所提到的，产生的TP信号具有设定的宽度，该设定的宽度表示门限宽度，所述门限宽度标示当PWM信号具有小于该门限宽度的宽度时，模拟调光被激活以与PWM调光结合工作。在图1中，TP信号的门限宽度是在时刻1与时刻2之间测量的宽度。根据图1中所示的时序图，示出了当PWM宽度大于门限宽度时，PWM调光如其通常地工作，并且产生的用于调光的LED电流具有与PWM信号相同的宽度。当PWM信号具有小于门限宽度的宽度时，所产生的LED电流具有与TP信号的宽度相同的宽度。例如，LED电流具有时刻1与时刻3之间的宽度，该宽度与PWM信号的第一脉冲的宽度相同。LED电流具有时刻4与时刻6之间的宽度，该宽度与TP信号的第二脉冲的宽度相同，即使PWM信号的第二脉冲仅具有时刻4与时刻5之间的宽度。类似地，当PWM信号仅在时刻7与时刻8之间持续时，LED电流具有时刻7与时刻9之间的宽度。最后的LED电流脉冲再次具有与PWM信号相同的宽度，因为其宽度大于TP信号的宽度。

不管什么时间检测到PWM信号的上升沿，首先使用与先前设定的幅值水平相同的幅值水平产生LED电流。例如，在时刻1处，LED电流的幅值处于先前所设定的水平。在时刻4、7和10处的幅值水平也是如此。但是，LED电流的幅值水平并不必要保持在相同水平上。当PWM信号的宽度不等于TP信号的宽度时，在所检测的第一下降沿(PWM信号的或者TP信号的下降沿，例如在时刻5、8和11处)，LED电流的幅值水平根据充电的电容器的电压Vcap被调节(下面讨论)。

根据电压Vcap，这样调节的幅值可以等于或者可以不等于LED电流的初始幅值水平。例如，时刻5之后的幅值水平(或调节后)低于在时刻5处的调节之前的幅值水平。时刻8之后的幅值水平与在时刻8处的调节之前的幅值水平相同。时刻11之后的幅值水平高于在时刻11处的调节之前的幅值水平。因此，根据本方案，LED电流的宽度是PWM信号的宽度或者TP信号的宽度中的较大者。LED电流的幅值最初是先前设定的水平，或者是在检测到PWM信号或者TP信号的第一下降沿时通过采样的Vcap确定的水平。

图2(a)绘出了根据本方案的实施方式的示例性电路200，所述电路200能够将PWM调光与模拟LED调光结合以扩展PWM调光范围。电路200包括产生LED电流以控制LED光的亮度水平的LED驱动器280。LED驱动器280产生的LED电流由LED电流幅值控制器260和LED电流脉宽控制器270的输出控制。LED电流的幅值水平由例如存储在LED电流幅值控制器260中的或者另外地取得的预先设定的水平确定，或者由在适当的定时(例如，在检测到PWM信号或TP信号的第一下降沿时)获得的采样电压Vcap所确定。对Vcap的采样由采样/保持(S/H)电路255通过对电容器250上充电形成的电压采样而进行。

如上所述讨论的，LED电流的宽度由PWM信号或者TP信号中的宽度的较大者确定。该较大的宽度由双下降沿检测器215检测(例如，使用或(OR)门来实现，其中仅在两个输入都为低时或门的输出为低)，所述双下降沿检测器215在检测到PWM信号和TP信号两者的下降沿时发出信号。在所示的实施方式中，TP信号由门限脉冲(TP)发生器220生成，其中门限脉冲(TP)发生器220由PWM信号205的上升沿激活。TP信号的宽度由定时器225控制，定时器225能够配置成具有预先确定的值。在一些实施方式中，定时器225能够被重配置使得电路200能够应用于存在不同需求的不同应用中。

电容器250在PWM信号和TP信号两者的上升沿均被检测到时开始被充电。这能够经由与(AND)门210实现，与门210的输入连接到PWM信号和TP信号并且产生用以控制开关235的输出控制信号。当与门210的控制信号为高时，开关235闭合使得来自压控电流源(VCCS)230的电流对电容器250充电。充电电流的水平由PWM信号的幅值确定。当PWM幅值在Va与Vb之间时，充电电流从0向其最大水平线性增加，其中Va是设定成比用于PWM上升沿检测的门限高的电压。LED电流在PWM幅值小于Va时为零。Vb是如下的电压，当PWM幅值超过Vb时，PWM幅值对于LED电流没有影响。当PWM信号或者TP信号终止时，即出现下降沿时，与门210的输出控制信号变低，由此开关235断开使得对电容器的充电终止。由于与门210在PWM信号或者TP信号的下降沿被检测到时改变输出状态，与门210用作单下降沿检测器。

来自与门210的低态控制信号也被传送到延迟电路265，延迟电路265可以构造成引入基于例如电路特性或者应用需要所确定的延迟，从而延迟电路的输出被用以控制S/H电路255的Vcap采样定时。通常，延迟电路265引入的延迟使得当S/H电路被允许对Vcap采样时，电容器处的电压是稳定的并且能够可靠地被采样。一旦Vcap被采样，则其被输送到LED电流幅值控制器260，从而能够相应地调节LED电流的幅值。另一方面，一旦Vcap被采样，则电容器250上的电压被放电。这经由开关245实现，开关245在用于放电时接地，而在用于定时时受S/H延迟电路240控制。如所示的，延迟电路265的输出用作至S/H延迟电路240的输入，这在其接通开关245以允许电容器被放电之前引入了进一步的延迟。在一些实施方式中，S/H延迟电路240所引入的延迟确保了直到Vcap被采样之后才发生放电。

如所讨论的，TP信号的开始、LED电流和对电容器的充电是基于PWM信号的上升沿。因此，对于PWM信号的上升沿的检测可以是决定性的。在一些实施方式中，对于上升沿的精确定位和/或对于上升沿的存在的可靠检测可以是决定性的。在现有技术中众所周知，通常使用差分信号以便于可靠精确地检测上升沿。

图2(b)绘出了根据本发明的实施方式的本方案的不同实施方式，其中输入PWM信号是差分信号。在所示的电路290中，差分PWM信号(+信号291，和-信号292)被输送到上升沿检测器295，上升沿检测器295产生表示检测到上升沿的信号205，并将该信号发送到电路200作为输入。接着，电路200进行这里所述的本方案的功能。上升沿检测器295和电路200可以位于或可以不位于同一集成电路上。在一些实施方式中，电路200可以是独立的集成电路，该集成电路的一部分可以提供用于输入PWM信号的单个引脚。例如，当PWM信号不是差分信号时，单个引脚足以满足PWM调光与模拟调光的结合。作为另一个示例，当在电路200所在的集成电路外部检测到上升沿时，一个单独的信号也可以足以满足本方案，如这里所说明的。在一些实施方式中，差分PWM信号291和292可以设置于集成有电路290的集成电路。在那些应用中，可以设置两个引脚以输入差分PWM信号。

图3示出了总结这里所述讨论的调光控制构造的表格。表格的第一列310表示TP信号的具体状态。第二列320表示TP信号的具体状态。第三列330表示在不同情形中用以实现模拟调光控制的电压。如所示的，当PWM信号和TP信号的状态均为高时(第一行340)，用于模拟调光控制的电压是先前设定的电压水平(见图1中的时刻1、4、7和10)。在PWM信号的状态仍为高的同时首次检测到TP信号的下降沿时(行350)，用于模拟调光控制的电压是在检测到TP信号的下降沿之后采样的Vcap(见时刻2和时刻11)。在本构造中，PWM信号的宽度比TP信号的宽度宽。当在TP信号保持为高的状态下首次检测到PWM信号的下降沿时(行360)，用于模拟调光控制的电压是在检测到PWM信号的下降沿之后采样的Vcap(见时刻5和时刻8)。在行370中，当PWM信号和TP信号的状态均为低时(在检测到两个下降沿之后)，模拟调光终止(见时刻3、6、9和12)。

图4是根据本方案的实施方式的示例性处理的流程图，其中PWM调光和模拟LED调光结合以扩展PWM调光范围。PWM信号的上升沿在400处被首次感测。在检测到PWM信号的上升沿时，在410处产生具有先前设定的幅值水平的LED电流。另外，根据所设定的用于控制TP信号宽度的定时器，在420处产生TP信号。另外，在430处，电路200或290开始对电容器250充电。保持进行上述三个操作直到在440处检测到PWM信号或者TP信号的第一个下降沿。

一旦检测到第一个下降沿，在450处停止对电容器的充电，并且在经过例如设定的延迟周期之后，在460处对电容器上的电压Vcap采样。之后，在470，这个采用的Vcap用于调节LED电流的幅值。另外，在采样之后，在475处(例如，具有另一个延迟)，对电容器上的电压放电。当在480处检测到两个下降沿时，在490处终止LED电流。

图5示出当根据本方案PWM LED调光与模拟LED调光结合时所获得的一些仿真结果。如在图5中能够看到的，LED电流的宽度是PWM信号的宽度与TP信号的宽度中的较大者。例如，在最先的三行中(540、545、550)，尽管PWM信号的幅值保持相同，但由于其宽度的差异，LED电流的幅值不同。PWM信号的宽度越小，LED电流的幅值越小。这是因为如下的情况，即一旦检测到PWM信号的下降沿，则电容器不再被充电，从而充电时间越短，Vcap越低，因此LED电流幅值越低。

图5另外示出了PWM信号的幅值对LED电流的幅值也有影响。当PWM幅值从Va向Vb增大时，LED电流从0向最大水平线性增加，如这里所讨论的。在本示例中，Va设定为1V。Vb设定为2V。LED电流不受大于Vb的PWM幅值的影响。这在行540和行555的仿真结果中得以证实。虽然在两个测试例中，PWM信号的宽度保持相同(30μs)，但幅值不同(在行540中，幅值为2.5V，而在行555中，幅值为1.5V)。仿真结果示出，PWM信号的幅值越高，则LED电流的幅值越高。这是因为如下的情况，即当PWM信号的幅值越高时，用以对电容器250充电的电流VCCS越高。结果，这产生了更高的Vcap，进而引起更高的LED电流幅值。

如根据这里的讨论能够看到的，PWM的脉宽及其幅值(在Va与Vb之间)两者均影响调光水平。当PWM信号的宽度大于TP信号的宽度时，调光由PWM控制。在本示例中，LED电流的幅值由PWM信号的幅值确定，因为这样的幅值水平被用以对电容器充电并且影响Vcap的幅值，这样最终确定了LED电流的幅值。当PWM信号的宽度小于TP信号的宽度时，LED电流并不随PWM信号的下降沿而终止，而是对电容器的充电随PWM信号的下降沿终止。在本情况中，LED电流将持续但具有根据所采样的Vcap确定的被调节的幅值，因此在PWM调光不能良好工作时实现模拟调光。另外，在先前周期中设定的幅值水平影响下一周期的初始幅值，如图1中所示。但是，这样的初始幅值水平根据下一周期中的PWM信号与TP信号之间的关系来调节。

如这里讨论的，本方案允许集成的PWM调光和模拟调光及通过共享引脚实现两者的结合。在提供非差分PWM信号的情况中，单个引脚被用于结合的PWM调光和模拟调光。当使用差分PWM信号时，PWM调光和模拟调光能够共用两个引脚，差分PWM输入信号通过该两个引脚被提供。在这里的公开中，峰值LED电流水平通过在PWM输入引脚上感测的幅值来确定，同时当PWM脉宽比TP信号的脉宽窄时，通过PWM脉宽确定峰值LED电流水平。这里，TP信号宽度能够被配置以满足不同的应用需求。光的输出随着PWM脉宽向最小期望水平减小而减小，即使该水平低于PWM调光的可操作水平时，光的输出将基于模拟调光而继续且由此扩展了调光范围。

虽然已经参考特定示出的实施方式的说明了本发明，这里已经使用的词语是说明性的词语，而不是限制性的词语。在不偏离本发明的方面的范围和精神的前提下，可以在权利要求的范围内做出改变。尽管这里已经关于特定的结构、动作和材料说明了本发明，本发明并不局限于所公开的特定实施方式，而能够在宽范围内的多种形式实现，其中一些可以显著地不同于这里所公开的实施方式，并且延伸至比如在权利要求的范围内的全部等效结构、动作和材料。

Claims (18)

1.一种用于驱动发光二极管(LED)的方法，包括：

感测脉宽调制(PWM)信号的上升沿，其中，在感测所述上升沿时，

启动具有设定的宽度的、从感测到上升沿开始的门限脉冲(TP)信号，

产生具有先前设定水平的幅值的LED电流，并且

开始对产生电压Vcap的电容器进行充电；

检测PWM信号或TP信号的下降沿，其中在检测所述下降沿时，

停止对所述电容器充电，

在检测到所述下降沿经过第一延迟之后对电压Vcap采样，

基于采样的电压Vcap调节LED电流的幅值水平；并且

当检测到PWM信号和TP信号都达到低状态时，终止LED电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述PWM信号是差分信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设定的宽度由定时器控制。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述定时器被重配置以调节所述TP脉冲的宽度。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述第一延迟和第二延迟之后对所述电容器放电。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一延迟被确定以使得在对所述电容器的充电停止之后对所述电压Vcap采样。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二延迟被确定以使得直到所述电容器被采样之后才对所述电压Vcap放电。

8.一种用于驱动发光二极管(LED)的设备，包括：

电容器，构造成在脉宽调制(PWM)信号的上升沿被检测到时被充电以产生电压Vcap；

门限脉冲(TP)发生器，连接到所述PWM信号，并且被构造以产生具有设定的宽度的、从检测到所述PWM信号的上升沿开始的TP信号；

LED驱动器，被构造用于在所述PWM信号的上升沿被检测到时产生具有先前设定水平的幅值的LED电流；

单下降沿检测器，构造用于检测PWM信号的或者TP信号的下降沿并且在检测到所述下降沿时产生第一控制信号，该第一控制信号用于停止对所述电容器充电；

电压采样电路，构造用于在检测到PWM信号或者TP信号的下降沿时经过第一延迟之后对所述电压Vcap采样，以使得所述采样的电压Vcap被用于调节所述LED电流的幅值；

双下降沿检测器，构造用于检测PWM信号和TP信号两者均到达低态并且在检测到PWM信号和TP信号两者的低态时终止所述LED电流。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述PWM信号是差分信号。

10.根据权利要求8所述的设备，还包括定时器，所述定时器被用以控制所述TP信号发生器使用的所述设定的宽度。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述定时器被重配置以调节所述TP脉冲的所述设定的宽度。

12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括开关，所述开关的接通控制连接到所述PWM信号，所述开关的断开控制连接到所述第一控制信号，使得

在所述PWM信号的上升沿，所述第一开关被接通以允许所述电容器的充电，

在所述PWM信号或所述TP信号的下降沿，所述第一开关被断开，停止所述电容器的充电。

13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括延迟电路，所述延迟电路的输入联接到所述第一控制信号并且构造成产生第二控制信号，所述第二控制信号从用于所述第一延迟的所述第一控制信号延迟。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括保持电路，所述保持电路的输入联接到所述第二控制信号并且构造成产生第三控制信号，所述第三控制信号从用于第二延迟的所述第二控制信号延迟，其中所述第三控制信号用以控制对所述电容器放电的时间。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一延迟被确定使得在所述电容器的充电被停止之后所述电压Vcap被采样。

16.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第二延迟被确定使得直到所述电容器被采样之后所述电压Vcap被放电。

17.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括LED电流幅值控制器，所述LED电流幅值控制器的输入联接到被采样的Vcap并且构造成产生所述LED驱动器使用的第四控制信号以调节所述LED电流的幅值。

18.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括LED电流脉冲宽度控制器，该LED电流脉冲宽度控制器的输入联接到所述双下降沿检测器并且构造成产生所述LED驱动器使用的第五控制信号以控制所述LED电流的宽度。

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