CN102622957A - 基于恒定栅压线性区mosfet的多通道led恒流源驱动 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于恒定栅压线性区MOSFET的低失配多通道LED恒流源驱动，该LED恒流源驱动电路包括电压产生模块VGEN和n个通道，VGEN模块中的功率管为工作在线性区的MOSFET，其漏端电压和其上的电流近似成正比，其栅极接几个确定的固定电平(默认情况是VDD)。本发明提出的结构不需要DAC以及复杂的栅压产生电路，可以实现传统多通道LED驱动电路功能的同时，提高性能和降低成本。

Description

基于恒定栅压线性区MOSFET的多通道LED恒流源驱动

技术领域

本发明涉及一种基于恒定栅压线性区MOSFET的低失配多通道LED恒流源驱动，属于微电子和LED驱动技术领域。

背景技术

LED屏由于其能耗低、显示效果好等一系列的优点，其应用越来越广泛。低失配、小面积和低功耗的LED驱动对降低成本，提高LED发光效率，LED屏寿命和LED屏显示质量，都有着非常重要的作用。为了得到不同像素点的亮度一致性，不同像素点之间的电流应该尽量相等。而且由于LED灯的发光特性，其两端电压变化很小可引起其上电流的剧烈变化，故需要恒流驱动。另外由于不同的LED灯管之间存在不一致性，不同LED之间如果电流失配太大，则有可能使LED的寿命受到影响。

一种典型的LED驱动电路见图1。该结构包括一个电压产生模块VGEN和n个通道(Channel 1，Channel 2，...，Channel n)。VGEN模块为通道提供参考电压，包括两个运放Opa1和Opa2，一个电流镜(Current Source Mirror)以及两个反馈MOS管M0和Mref。该结构使用DAC(图中未给出)产生一个可变的电压Vref1，Rext为外接电阻。由于Opa1放大倍数很大，通过反馈使得M0的漏端电压等于Vref1，利用不同的Vref1和Rext的组合产生不同的ID，不同的应用可以有不同的ID，而且是可调的。对于一样的Rext，实际应用中调节输出给DAC的数字信号码值D来调节Vref1的值就可以实现不同的输出电流。ID通过电流镜复制到Iref电流，Vref2为基准源例如Bandgap(图中未给出)产生的固定电压，假设Opa2理想或者放大倍数很大，由于Mref的存在使得Mref的D端电压等于Vref2，对于不同的电流会有不同的VG，不同通道之间通过复制VG和Vref2来实现电流的复制。每一个通道包括一个运放以及两个功率管(对于通道1是M1和Mo1)，由于LED的电流比较大，即M1和Mo1上流过的电流比较大，需要比较大的面积的M1和Mo1。n个通道之间在电路结构上是完全一样的，不同通道复制Mref的匹配决定了不同通道间的一致性。然而为了适应很大范围的输出电流变化，由于Vref2为一个固定值，就需要比较大的VG变化范围。由于功率管M1一般工作在线性区，其电流复制失配可以计算为：

$\frac{\mathrm{\ΔIout}}{\mathrm{Iout}}=\frac{\mathrm{\Δ}\left(\frac{W}{L}\right)}{\left(\frac{W}{L}\right)}+\frac{\mathrm{\Δ}\left(V_{\mathrm{TH}}\right)}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}+\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\right)}{\left(\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\right)}+\frac{\mathrm{\Δ}\left(V_{\mathrm{ref}2}\right)}{\left(V_{\mathrm{ref}2}\right)}$

可以发现，VG越小，VGS-VTH也就越小，上述公式的第二项就越大，复制就越不精确，失配就越大。然而由于功率管的面积很大，对于多通道的LED驱动电路来说，不同通道的版图位于不同位置，不仅距离Mref的位置很远，而且不同通道间的距离也很远，其不同通道间的功率管无法或者很难通过在版图上做共质心匹配来降低失配。不同通道间的阈值差异比较大造成复制不匹配。

发明内容

本发明提出了一种基于恒定栅压线性区MOSFET的低失配多通道LED恒流源驱动电路结构。该结构减小了因工艺偏差造成的复制不匹配。

本发明提出的结构包括电压产生模块VGEN和n个通道(Channel 1，Channel 2，...，Channel n)。

所述VGEN模块需要一个恒定的基准电压输入Vref1和外接电阻Rext端口。所述VGEN模块包含ID产生电路，电流镜(Current Source Mirror)，VD产生电路和VG产生电路(VGGenerator)。所述VGEN模块产生VG电压和VD电压，VD传递给各个通道中运放的正输入端，VG传递给各个通道中对应功率管(第一个通道为M1)的栅极。所述结构中n个通道的VD和VG是一样的。

所述ID产生电路接受基准电压Vref1输入以及Rext输入，其支路上包含一个运放及反馈管，所述运放一端接Vref1，另一端接在反馈管上，所述运放及反馈管通过反馈使得ID＝Vref1/Rext；所述电流镜复制电流ID产生一定比例关系的Iref，电流镜可以使用共源共栅结构实现，也可以通过运放反馈实现；所述Iref通过VD产生电路中的MOS管Mref产生VD，Mref为工作在线性区的MOSFET，其漏端电压和其上的电流近似成正比，Mref的栅极电压为某几个确定的值；所述VG产生电路检测VD点的电压，在VD点超过某给定阈值时首先切换Mref和各个通道内M1的m值(并联的MOSFET个数)，然后在VD还是太高的时候切换VG点电压，所述VG产生电路产生电压VDD，a*VDD，b*VDD等，默认工作于VDD，所述VG产生电路保证VD点电压在合理范围内，所述VG产生电路使用两种方式调节VD。

所述n个通道电路结构一致，各自包含对应的LED输出端，所述通道每个通道均包括两个功率管(第一个通道为M1和Mo1)和一个运放，运放放大倍数很大将M1漏端电压钳制为VD，各个通道的M1和Mref成比例关系；所述通道直接接受数字信号D(Dn...D3D2D1D0)控制，通过D信号控制M1打开的并联MOSFET的个数来实现比例关系的改变。

在本发明中功率管工作在(VGS-VTH)约为10～50倍VDS(典型情况为最大倍数)的线性区，可以得到更小的W/L。该结构功率管的栅压为恒定值(不同模式下可切换)，好处就是不需要DAC以及复杂的栅压产生电路。简单的栅压产生电路就可以适应很大范围的外接电阻的变化。另外，该结构的输出电流使用数字控制，直接接受数字部分的数字信号控制，减少了电流复制中失配的来源，还使得电路的响应速度大大提升。

与现有技术相比，具有如下优点：

1)不同通道间电流复制的匹配更好；

2)电路的速度更快；

3)电路版图的面积更小；

4)更简单的控制电路。

附图说明

图1为典型的LED驱动电路；

图2为本发明提出的结构实施例的具体电路图；

图3为使用二进制编码来调节输出电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图2所示，本发明LED恒流源驱动电路结构包括电压产生模块VGEN和n个通道(图中给出了两个通道的电路，其他通道以省略号给出)。ID流过的支路为ID产生电路，Iref流过的支路为VD产生电路，ID和Iref通过电流镜(Current Source Mirror)来实现一定倍数的复制，VG产生电路(VG Generator)为Mref产生栅极电压，该电压为几个确定的值。

以下为本发明提出的结构中VG Generator的具体工作过程。默认情况下，即VD值符合电路工作需求时，本发明提出的结构将线性区MOSFET的栅极接电路系统的最高电平，即VDD。Mref为工作在线性区的电阻。对于一定的Vref1，当Rext电阻变化时，电流镜上的电流会发生变化，对于固定栅压的线性区电阻来说，其漏端电压随着其上流过的电流的变化而变化。而在实际应用中，一般Mref的漏端电压VD不能太大以保证更大的LED负端工作电压范围。若Rext的变化范围很大，则VD的变化范围也很大。本发明中，使用模块VG Generator来检测Mref的漏端电压。若VD很大，首先可以同时同倍数增大每个通道功率管和Mref的W/L，使得Mref上的等效电阻降低，在输出电流不变的情况下降低VD。若VD还是很大，超过某个给定电压时，则将Mref的栅压降档，取倍数为a，降为a*VDD(a＜1)；若降档之后，仍然不满足要求，则继续降栅压，降为b*VDD(b＜a)，对于更大范围的Rext应用，可以通过进一步降档直到满足来实现。实际上，当功率管栅压太低时，阈值电压失配会变大，而增大功率管的W/L势必增加电路的版图面积，故功率管的栅压VG的调节存在权衡。可以计算得到，当W/L变化两档，VG变化两档时，总共可以得到四档的VG变化；若W/L变化两档，VG变化三档，则有六档的VG变化。假设一档VD的变化范围为0.4V，则VD的有效变化范围在VG为四档时为1.6V，可以满足大部分的电路需求。在实际操作中，应优先调节功率管的W/L，以保证阈值电压失配带来的不匹配更小。另外，对于一定的运放失调电压，当VD很小时，运放的失调电压造成的失配可能会占主要失配。所以VD也不能太小。而且出于对噪声抑制的考虑，VD也是越大越好。VG Generator需要检测VD，当VD太小时需要减小Mref和功率管的W/L，或者增大VG。为了得到更好的匹配，需要优先增大VG以保证阈值电压项造成的失配很小。状态切换时，当VD波动在切换边缘时，有可能出现状态反复翻转的现象。另外，由于电路状态的开始状态不明确，需要电路来保证电路工作在确定和需要的状态。为了防止出现状态不稳定的情况，VG Generator需要迟滞效果，防止切换时在不同状态之间反复翻转，可使用状态机或者迟滞比较器。

相对于图1种数字信号输出给DAC相比，本发明中使用数字信号直接控制电流的复制倍度。根据不同的应用，可以采取不同的编码方式。对于一般的利用，可以采用二进制编码。假设需要2n阶输出电流调节，则需要n位控制信号，电流复制结构见图3。可以得到输出电流可以计算为：

I_out＝I₀+D₀*I+D₂*2I+D₂*4I+…+D_n-2*2^n-2I

通过调节给通道的码值，就可以得到不同的输出电流。2^n-2倍的电流可以直接通过2^n-1个MOSFET并联得到。对于多通道之间的电流相等的情况，该结构相对简单，而且在变换倍数的时候，可以得到很快的响应时间。对于对DNL(微分非线性)需求比较高的情况，可以采用温度计编码，对2ⁿ阶的电路变化，需要2ⁿ的开关，所幸解码电路所有通道只需一个，通过MOS管的增减来保证不同复制倍数的单调性。图3给出了使用二进制编码来调节输出电流的结构图，每一位数字信号控制的两个开关是反相的，一次只能有一个闭合。为了得到I0+4*I的电流，可以通过码值D3D2D1D0＝1000来实现。

相对于图1给出的结构，本发明提出的结构无需产生变化的Vref1，Vref1是固定的故不需要DAC。总的来说，本发明提出的结构可以在实现传统多通道LED驱动电路功能的同时，提高性能和降低成本。

Claims (6)

1.一种LED恒流源驱动电路，包括电压产生模块VGEN和n个通道，所述VGEN模块产生VG电压和VD电压，VD传递给各个通道中运放的正输入端，VG传递给各个通道中对应功率管的栅极，所述结构中n个通道的VD和VG是一样的，其特征在于，所述VGEN模块需要一个恒定的基准电压输入Vref1和外接电阻Rext端口，所述VGEN模块包含ID产生电路，电流镜，VD产生电路和VG产生电路，所述ID产生电路接受基准电压Vref1输入以及Rext输入，其支路上包含一个运放及反馈管，所述运放一端接Vref1，另一端接在反馈管上，所述运放及反馈管通过反馈使得ID＝Vref1/Rext；所述电流镜复制电流ID产生一定比例关系的Iref，所述Iref通过VD产生电路中的MOS管Mref产生VD，Mref为工作在线性区的MOSFET，其漏端电压和其上的电流近似成正比，VG产生电路为Mref产生栅极电压。

2.如权利要求1所述的LED恒流源驱动电路，其特征在于，所述VG产生电路检测VD点的电压，在VD点超过某给定阈值时首先切换Mref和各个通道内M1的m值，然后切换VG点电压。

3.如权利要求2所述的LED恒流源驱动电路，其特征在于，所述VG产生电路产生电压VDD，a*VDD，b*VDD等，默认工作于VDD，所述VG产生电路保证VD点电压在合理范围内。

4.如权利要求2所述的LED恒流源驱动电路，其特征在于，所述VG产生电路使用状态机或者迟滞比较器切换VD点电压。

5.如权利要求1所述的LED恒流源驱动电路，其特征在于，所述n个通道电路结构一致，各自包含对应的LED输出端，所述通道每个通道均包括两个功率管和一个运放，运放放大倍数大，将M1漏端电压钳制为VD，各个通道的M1和Mref成比例关系。

6.如权利要求4所述的LED恒流源驱动电路，其特征在于，所述通道直接接受数字信号D(Dn...D3D2D1D0)控制，通过D信号控制M1打开的并联MOSFET的个数来实现比例关系的改变。

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