CN102548127A - 多通道led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多通道LED驱动器。一种驱动器电路包括与每个LED链关联的用于向其供应负载电流的降压转换器。降压转换器接收输入电压并且配置成向关联的LED链提供电源电压，使得LED链的所得负载电流至少近似地匹配预先限定的参考电流值。驱动器电路还包括：切换转换器，从电源接收驱动器电源电压并且提供用于降压转换器的输入电压作为输出电压。切换转换器被配置成向降压转换器提供输入电压，使得输入电压与向LED链提供的电源电压之比的最大值匹配预先限定的容差参考比。

Description

多通道LED驱动器

技术领域

本发明一般地涉及驱动器电路，具体地涉及配置成驱动基于发光二极管（LED）的照明设备的电路。

背景技术

随着发光二极管（LED）越来越多地用于照明用途，具体地用作灯泡的替代物，充足的驱动器电路近来已经受研究和开发。除了别的以外，这样的开发努力的一个期望目的是增加效率，即减少驱动器电路中的功耗。其它开发目标包括增加的使用灵活性和低成本。

一种基于LED的照明设备通常包括多个LED的串联电路（所谓的LED链）。由于LED通常必须由限定的电流驱动，所以向LED链中的每个LED供应固定（未必对于所有LED链都相同）电流。为了驱动LED链而必需的电源电压依赖于链中存在的LED的数目，因为每个单个LED的正向电压相加成LED链的所需电源电压。已知正向电压可能由于温度变化、制造工艺的差异和其它参数而剧烈变化。因而，为了提供所期望的负载电流而必需的电源电压可能变化，并且用来驱动LED链的驱动器电路应当考虑这样的变化。

为了确保限定的亮度和色调，LED链的电源电流将被监视和调节以便保持于预先限定的参考电平或者至少保持于参考电平周围的小区间内。线性电流调节器常用于向LED供应限定的电流的所描述用途。然而必须针对最坏情况（即针对可能在LED链两端出现的最大可能电源电压）设计驱动器电路。这样的设计在上文提到的电流调节器中带来不合期望的高损耗。

发明内容

描述了一种用于驱动至少两个LED链的驱动器电路。根据本发明的一个实施例，驱动器电路包括与每个LED链关联的用于向其供应负载电流的降压转换器。降压转换器接收输入电压并且配置成向关联的LED链提供这样的电源电压使得LED链的所得负载电流至少近似地匹配预先限定的参考电流值。驱动器电路还包括：切换转换器，从电源接收驱动器电源电压并且提供用于降压转换器的输入电压作为输出电压。该切换转换器被配置成向降压转换器提供输入电压，使得输入电压与向LED链提供的电源电压之比的最大值匹配预先限定的容差参考比。

另外描述了一种用于驱动至少两个LED链的方法。根据本发明的又一实施例，该方法包括向切换转换器提供驱动器输入电压。根据切换转换器占空比，将驱动器输入电压转换成共同输入电压。对于每个LED链，根据降压转换器占空比，使用降压转换器将共同输入电压转换成用于相应LED链的电源电压，使得向LED链供应的所得负载电流匹配所期望的参考值。根据降压转换器占空比来调节切换转换器占空比，使得降压转换器占空比的最大占空比匹配预先限定的参考占空比。

附图说明

可以参照以下附图和描述更好地理解本发明。图中的部件未必按比例，相反着重于图示本发明的原理。另外，在图中相似标号表示对应部分。在附图中：

图1图示了包括一个升压转换器和多个降压转换器的根据本发明的第一例子的LED驱动器电路；

图2更详细地图示了图1的升压转换器；并且

图3更详细地图示了图2的升压转换器中使用的升压转换器控制。

具体实施方式

下文详细地讨论当前优选实施例的实现和使用。然而应当明白，本发明提供可以在广泛多种具体背景中具体化的许多适用发明概念。讨论的具体实施例仅说明用于实现和使用本发明的具体方式而未限制本发明的范围。

图1图示了根据本发明的第一实施例的LED驱动器电路。该驱动器电路能够向连接到驱动器电路的多个LED链LD₁、LD₂等提供限定的负载电流。为了向LED链LD₁、LD₂提供负载电流，驱动器电路包括降压转换器1，其中每个LED链连接到驱动器电路的对应降压转换器1的输出。降压转换器1接收切换转换器5提供的共同输入电压V_BOOST，该切换转换器在本例子中是配置成将驱动器电源电压V_IN转换成用于降压转换器1的适当输入电压V_BOOST的升压转换器。

为了提供限定的电流，降压转换器1可以从连接的LED链LD₁、LD₂接收电流反馈信号V₁、V₂。电流反馈信号V₁、V₂可以是在相应LED链LD₁、LD₂中包括的或者连接到相应LED链LD₁、LD₂的分流电阻器R_S1、R_S2两端的电压降。当然，连接到LED链LD₁、LD₂或者在LED链LD₁、LD₂中包括的任何其它电流测量器件可以容易用来生成代表流过相应LED链LD₁、LD₂的负载电流的相应电流反馈信号V₁、V₂。各种电流测量方法可以容易用来测量LED链中的电流（例如测量电感中或者降压开关两端的电流或者使用与降压开关串联的感测FET布置或者分流电阻器）。降压转换器1被配置成向相应LED链LD₁、LD₂提供电源电压V_BUCK1、V_BUCK2，使得经过相应LED链LD₁、LD₂的负载电流匹配可以由参考电压V_REF代表的给定参考电流电平。

根据本发明的一个实施例，比较降压转换器1接收的电流反馈信号（例如信号V₁）与代表所期望的电流电平的参考信号V_REF。实际负载电流（由电流反馈信号V₁代表）与参考电流（由参考信号V_REF代表）之差可以视为电流误差并且由提供对应误差信号的误差放大器40放大。

除了误差放大器40之外，降压转换器包括接收（放大的）电流误差信号的降压转换器控制单元30。降压转换器控制单元30作为电流调节器来操作并且因此被配置成根据误差信号来导出占空比D₁。向可以如图1的例子中所图示的那样实施为脉宽调制器单元的调制器单元20供应从误差信号导出的占空比D₁。

调制器单元20被配置成提供二元（通/断）切换信号S_PWM，该信号具有如降压转换器控制单元30提供的占空比D₁。可以向驱动器电路10提供切换信号S_PWM，该驱动器电路配置成根据切换信号S_PWM驱动降压转换器1的对应切换单元11。切换单元11可以是如降压转换器中常用的MOSFET半桥。然而其它类型的切换单元可以适用，诸如例如在高侧支路中包括一个MOSFET而在低侧支路中包括二极管的切换半桥。通常，电感器L₁连接在半桥11的输出与降压转换器1的负载（LED链）之间。

如上文解释的那样，每个降压转换器1包括用于调节经过负载（即相应LED链）的负载电流的反馈回路。由于负载电流直接依赖于切换信号S_PWM的占空比，所以降压转换器控制单元30被配置成根据上文提到的误差信号来调节占空比，使得由相应切换转换器提供的实际负载电流匹配所期望的预先限定的参考值。

向切换转换器5供应每个降压转换器1的实际占空比D₁、D₂等，该切换转换器生成向降压转换器1供应的共同输入电压V_BOOST。在本例子中，切换转换器5是将驱动器电源电压V_IN（例如来自汽车电池）转换成向降压转换器1供应的共同输入电压V_BOOST的升压转换器。根据应用，切换转换器5也可以是降压-升压转换器。如果LED链LD₁的正向电压降出于无论什么原因而上升，则对应降压转换器1通过对应地增加占空比D₁并且因此增大向LED链LED₁供应的降压转换器输出电压V_BUCK1以便将经过LED链LD1的负载电流保持于所期望的电平来作出反应。另外，切换转换器5监视其下游连接的降压转换器1的占空比D₁、D₂等并且调节它的输出电压（该输出电压用作用于降压转换器的共同输入电压V_BOOST），使得在最高占空比操作的降压转换器的占空比匹配预先限定的所期望值。

为了进一步解释，假设第一降压转换器1是在最高占空比D₁操作的降压转换器。如果占空比D₁增加使得它超过预先限定的所期望最大占空比D_REF，则切换转换器将增加到降压转换器的输入电压V_BOOST直至占空比D₁已再次降至最大占空比D_REF（例如D_REF=0.8，这意味着80%）或者在其以下。这样向切换转换器5的占空比反馈可以用于将降压转换器1的占空比D₁、D₂等保持于有限范围内以便提供用于向上调整降压转换器输出电压V_BUCK1的足够裕度（在其中D_REF=0.8的本例子中为20%）。

图2图示了图1的切换转换器5的实施例，由此切换转换器5实施为升压转换器。升压转换器典型地使用于汽车应用中，其中驱动器电源电压V_IN典型地在11.9V与12.7V之间变动，然而典型的LED链可能需要18V或者更多（在包括大约十个LED时）的电源电压。升压转换器5包括如下电感器L_BOOST，在该电感器的第一引线供应驱动器电源电压V_IN而它的第二引线经由二极管D_B连接到升压转换器输出。为了稳定升压转换器输出电压V_BOOST，（去耦合）电容器C_BOOST耦合于输出端子与参考电势（例如接地电势GND）之间。电感器L_BOOST和二极管D_B的共同电路节点经由半导体开关（例如MOS晶体管T_BOOST）耦合到参考电势（接地电势GND）。

作为降压转换器1，切换晶体管由栅极驱动器11驱动，该栅极驱动器从调制器单元（例如PWM调制器）接收切换信号，其占空比由控制单元31确定。控制单元（在图2的例子中表示为升压转换器控制31）接收所有连接的降压转换器1的占空比D₁、D₂等并且据此导出向调制器单元21供应的升压转换器占空比D_BOOST。从降压转换器占空比D₁、D₂等导出升压转换器占空比D_BOOST。如上文提到的那样，设置升压转换器占空比D_BOOST并且因此设置升压转换器输出电压V_BOOST（为共同降压转换器输入电压），使得降压转换器1的最大占空比（例如D₁）匹配所期望的最大占空比D_REF。升压转换器控制31保证降压转换器1的共同输入电压V_BOOST高到足以使得降压转换器1未呈现占空比高于参考占空比D_REF的稳态。

图3更详细地图示了升压转换器控制单元31的一个示例性实施方式。然而本图示仅包括为了解释本发明的本例子而必需的细节。因而升压转换器控制单元31包括如下最大选择器311，该最大选择器接收升压转换器5供应的所有降压转换器1的占空比D₁、D₂等的值。最大选择器311被配置成提供接收的占空比D₁、D₂等的最大占空比值D_MAX。向差分放大器313供应实际最大占空比D_MAX以及参考占空比D_REF，该差分放大器被配置成提供与差值D_MAX-D_REF成比例的信号作为占空比误差信号。向连接到其上游的PWM调制器21的调节器单元312供应误差信号。调节器312被配置成调节升压转换器占空比D_BOOST并且因此调节向降压转换器1供应的电压V_BOOST，使得在稳态下降压转换器1的最大占空比D_MAX匹配所期望的参考占空比。在这一上下文中，术语“匹配”必须理解成使得实际最大占空比D_MAX等于所期望的参考占空比D_REF或者保持于所期望的参考占空比D_REF周围的容差区间内。调节器312可以是任何常见调节器类型，诸如P调节器、PI调节器或者PID调节器（数字PI调节器已使用于实验中）。可以使用模拟实施方式以及如下数字调节器，这些数字调节器使用执行适当软件的微控制器或者数字信号处理器来实施。

虽然已公开本发明的各种示例性实施例，但是本领域的技术人员将清楚可以进行将实现本发明的一些优点而不脱离本发明的精神和范围的各种改变和修改。本领域的合理技术人员将显而易见，可以适当地替换其它执行相同功能的部件。应当提到，参照具体图所解释的特征可以与其它图的特征（即使其中未明确提到的那些）组合。另外可以在所有使用适当处理器指令的软件实施方式中或者在如下混合实施方式中实现本发明的方法，这些混合实施方式利用硬件逻辑与软件逻辑的组合来实现相同结果。这样对发明概念的修改旨在由所附权利要求所覆盖。

Claims (20)

1.一种用于驱动至少两个LED链的驱动器电路，所述驱动器电路包括：

至少两个降压转换器，每个降压转换器与LED链关联并且耦合成向关联的LED链供应负载电流，每个降压转换器被耦合成接收输入电压并且配置成向所述关联的LED链提供电源电压，使得所述LED链的所得负载电流至少近似地匹配预先限定的参考电流值；以及

切换转换器，耦合成从电源接收驱动器电源电压并且配置成提供用于所述降压转换器的所述输入电压作为一个输出电压，所述切换转换器被配置成向所述降压转换器提供所述输入电压，使得所述输入电压与向所述LED链提供的所述电源电压之比的最大值匹配预先限定的参考比。

2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中：

所述输入电压与降压转换器向所述关联的LED链提供的对应电源电压之比由所述降压转换器的占空比确定；并且

所述切换转换器被配置成向所述降压转换器提供输入电压，使得在最高占空比操作的所述降压转换器的所述占空比匹配预先限定的参考占空比。

3.根据权利要求2所述的驱动器电路，其中：

所述切换转换器向所述降压转换器供应的所述输入电压由切换转换器占空比确定；并且

所述切换转换器包括：控制单元，配置成从连接的降压转换器接收所述占空比值并且据此导出所述切换转换器占空比，使得在稳态下所述降压转换器的最大占空比匹配所述预先限定的参考占空比。

4.根据权利要求3所述的驱动器电路，其中所述控制单元包括从所述连接的降压转换器接收实际占空比值并且提供所述最大占空比值的最大选择器。

5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中所述控制单元还包括提供与所述最大占空比值和所期望的参考占空比值之差成比例的误差信号的差分放大器。

6.根据权利要求5所述的驱动器电路，还包括耦合于所述差分放大器与切换转换器调制器单元之间的切换转换器占空比调节器单元，所述调节器单元被配置成提供切换转换器占空比，使得在稳态下所述降压转换器的所述最大占空比匹配所述预先限定的参考占空比。

7.一种用于驱动至少两个LED链的方法，所述方法包括：

向切换转换器提供驱动器输入电压；

根据切换转换器占空比将所述驱动器输入电压转换成共同输入电压；

对于每个LED链，根据降压转换器占空比使用降压转换器将所述共同输入电压转换成用于相应LED链的电源电压，使得向所述LED链供应的所得负载电流匹配所期望的参考值；并且

根据所述降压转换器占空比来调节所述切换转换器占空比，使得所述降压转换器占空比的最大占空比匹配预先限定的参考占空比。

8.根据权利要求7所述的方法，其中调节所述切换转换器占空比还包括：

从所有降压转换器占空比确定所述最大降压转换器占空比；

确定代表所述最大降压转换器占空比与所期望的参考占空比之差的误差信号；并且

根据所述误差信号来调节所述切换转换器占空比。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述切换转换器占空比在所述最大降压转换器占空比超过所期望的参考占空比达多于第一给定数量时增加，并且其中所述切换转换器占空比在所述最大降压转换器占空比降至所期望的参考占空比以下达多于第二给定数量时降低。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一给定数量与所述第二给定数量相同。

11.根据权利要求8所述的方法，其中调节所述切换转换器占空比使得减少所述误差信号。

12.一种电路，包括：

第一LED驱动器，包括：

      第一误差放大器；

      第二降压转换器控制电路，耦合到所述第一误差放大器的输出；

      第一驱动器电路，具有与所述降压转换器控制电路的输出耦合的输入；和

      第一LED驱动器输出，耦合到所述第一驱动器的输出，所述第一LED驱动器输出被配置成耦合到第一LED链；

第二LED驱动器，包括：

      第二误差放大器；

      第二降压转换器控制电路，耦合到所述第二误差放大器的输出；

      第二驱动器电路，具有与所述第二降压转换器控制电路的输出耦合的输入；和

      第二LED驱动器输出，耦合到所述第二驱动器的输出，所述第二LED驱动器输出被配置成耦合到第二LED链；以及

切换转换器，具有与所述第一降压转换器的所述输出耦合的第一输入、与所述第二降压转换器的所述输出耦合的第二输入以及与第一和第二驱动器电路耦合的输出。

13.根据权利要求12所述的电路，其中每个降压转换器控制电路包括电流调节器。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述第一LED驱动器还包括耦合于所述第一降压转换器控制电路与所述第一驱动器电路之间的第一调制器单元，并且其中所述第二LED驱动器还包括耦合于所述第二降压转换器控制电路与所述第二驱动器电路之间的第二调制器单元。

15.根据权利要求14所述的电路，其中：

所述第一驱动器电路包括：第一栅极驱动器，耦合成从所述第一调制单元接收切换信号；以及第一切换单元，具有与所述第一栅极驱动器的输出耦合的输入；以及

所述第二驱动器电路包括：第二栅极驱动器，耦合成从所述第二调制单元接收切换信号；以及第二切换单元，具有与所述第二栅极驱动器的输出耦合的输入。

16.根据权利要求12所述的电路，还包括：

第一电感器，耦合于所述第一LED驱动器输出与所述第一驱动器的所述输出之间；以及

第二电感器，耦合于所述第二LED驱动器输出与所述第二驱动器的所述输出之间。

17.根据权利要求12所述的电路，其中所述切换转换器包括升压转换器。

18.根据权利要求17所述的电路，其中所述升压转换器包括：

升压转换器控制电路，包括所述切换转换器的所述第一输入和所述第二输入；

调制单元，具有与所述升压转换器控制电路的输出耦合的输入；

栅极驱动器，具有与所述调制单元的输出耦合的输入；

升压晶体管，具有与所述栅极驱动器的输出耦合的控制输入，所述升压晶体管具有在参考电压节点与所述切换转换器的所述输出之间的电流路径；

升压电感器，耦合于输入电压与所述切换转换器的所述输出之间；以及

升压电容器，耦合于所述切换转换器的所述输出与所述参考电压节点之间。

19.根据权利要求18所述的电路，其中所述升压转换器控制电路包括：

最大选择器电路，包括所述切换转换器的所述第一输入和所述第二输入；

误差放大器，具有与所述最大选择器电路的输出耦合的第一输入和与参考信号耦合的第二输入；以及

调节器，具有与所述误差放大器的输出耦合的输入，其中所述调节器的输出耦合到所述升压转换器控制电路的所述输出。

20.根据权利要求18所述的电路，还包括耦合于所述升压晶体管的所述电流路径与所述切换转换器的所述输出之间的二极管。

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