CN102811540A

CN102811540A - 适用于大功率背光led驱动器的pwm调光控制电路

Info

Publication number: CN102811540A
Application number: CN2012102919543A
Authority: CN
Inventors: 周敏超; 吕旦竹; 程林; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种适用于大功率背光LED驱动器的高效率快速PWM调光控制电路。该电路通过一个工作在线性区的电流镜对输出电流进行控制，同时电流镜的镜像管复用为LED调光开关管使用，由调光信号dim控制，对LED进行数字PWM调光，电流镜输出端电压则通过升压型直流-直流转换器控制，环路调制产生系统所需输出电压，从而实现带PWM调光的高效率LED驱动。由于电流镜采用了cascode结构，工作于线性区的镜像管仍可保证所需精度，同时环路控制电流镜的输出漏端电压可以很低，降低了系统功耗，因此非常适用于大功率的LED驱动。另外预充电开关管加快了调光时电流镜的响应速度，相比于传统的PWM调光控制电路，该电路实现了大功率的LED驱动中的高效率，低成本的快速调光控制。

Description

适用于大功率背光LED驱动器的PWM调光控制电路

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种适用于大功率背光LED驱动器的高效率快速PWM调光控制电路，该电路可以应用于诸如手机、平板电脑、数码相机等电池供电的便携式设备背光。

技术背景

在当今消费类电子市场中，电池供电的便携式设备诸如数码相机、智能手机、平板电脑等在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在便携式设备中，显示模块是最重要的模块之一，它是人与设备直接的媒介。在各种电子系统的显示模块中，通常采用LCD 作为显示屏，由于LCD本身不发光，因此需要设计专门的背光电路。传统的背光源采用的是冷阴极荧光灯管(CCFL) 。CCFL灯管内含有汞，其寿命在三年左右，废弃的CCFL灯管如果处理不当，就会随环境造成污染。近年来发展LED 背光，则具有环保、驱动电路设计简单、色彩表现力丰富等优点得到广泛应用。而由于大部分电子产品LED 背光所需的电压高于供电的电池电压，就需要升压型直流转换器提升输入电压。对LED驱动进行提高效率和快速调光的研究，在节约能源，推动固态照明产业的发展和避免汞污染等方面具有重要意义并具有广阔的应用前景。

对于LED驱动器，要求其有稳定的输出电流、更高的效率和更高的调光率。传统的脉冲宽度调制（PWM）的调光方式由于其在输出电流固定的情况下，调节LED显示亮度时无色偏的优势，一直以来都受到设计者的青睐。但是这种控制方法一般需要在输出端外加一个调光控制开关管的同时，串联采样电阻对输出电流进行控制，直接导致了功耗的增加，使得大功率LED驱动器的效率受到影响。

本发明针对大功率背光LED驱动器的高效率快速PWM调光控制电路，将调光开关管和电流镜像管复用，通过低压电流镜对输出电流进行控制，从而实现对输出电流的无损控制。由于采用了复用的方法，对于电流控制所需的串联电阻可以去除，没有附加功耗，并且增加预充电开关提高电流镜的响应速度，因此使得传统的PWM调光控制方式在大功率白光LED驱动器中效率提高和响应快速成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大功率背光LED驱动器的高效率快速PWM调光控制电路。

本发明提供的适用于大功率背光LED驱动器的PWM调光控制电路，由基本的升压型直流-直流转换器（boost converter）和输出PWM调光控制两个部分组成。所述直流-直流转换器部分包括功率级和控制级。其中功率级由功率管Mn、整流二极管D1和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由电流采样、误差放大器、补偿电路、关断时间控制器等模块组成。控制级的误差放大器将输出PWM调光控制部分的输出端OUT电压与基准电压VREF之间的差值进行放大，然后经过补偿电路对差值Ve进行补偿形成Vc信号，并将其与电感电流在功率管上的压降Vsen信号比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动模块产生驱动信号控制功率管Mn的导通与关断。

输出PWM调光控制部分由二个输出调光控制管M₂、M₃，运算放大器Amp，上拉电阻R₁、R₂，预充电开关管M₅、M₆，二对互补开关管M₇~M₁₀，镜像管M₁、M₂组成，这里晶体管M₂同时复用为镜像管和调光控制管使用。晶体管M₃的源极与晶体管M₂的漏端相连, 而栅极通过开关管M₉与晶体管M₄的源极和晶体管M₁的栅极相连；晶体管M₂、M₁构成1：1000电流镜，二者的源端分别连接到运算放大器Amp的两个输入端，运算放大器Amp的输出端则与晶体管M₄相连，构成负反馈，将晶体管M₁、M₂的源极电压钳位在相同的电平上；开关管M₆一端与电阻R₁相连，开关管M₅另一端则与电阻R₂相连，最终都接到电源VDD。开关管M₆的另一端与晶体管M₂的栅级相连，开关管M₅的另一端连接到晶体管M₃的栅级，构成两路预充电结构；此外，开关管M₇的一端也连接到晶体管M₃的栅级，开关管M₈一端连接则到晶体管M₂的栅级，开关管M₇开关管M₈两者的另一端都下拉到地，构成快速下拉结构。晶体管M4与运算放大器Amp构成负反馈结构，同时也做为电流镜源边晶体管，其源极为固定电流偏置输入ibias，晶体管M₃的源端OUT则与控制级相连，形成控制环路，由环路对输出电压进行调制。两个开关管M₉、M₁₀的一端都接在晶体管M₁的栅极，另一端分别接晶体管M₃和晶体管M₂的栅极，控制晶体管M₃和晶体管M₂的开启和关断。电路中，两个开关管M₉、M₁₀可采用PMOS管，其他晶体管均采用NMOS管。

本发明中，晶体管M₂、M₃复用为LED驱动的调光管，稳定输出电流的时控制电流的通断以实现PWM调光控制，解决了传统的PWM调光方法中串联电阻导致的附带额外的功耗损失问题。晶体管M₂, M₃以晶体管M₁的栅电压为基准，在输出端组成cascode结构，晶体管M₁、M₂工作在线性区，晶体管M₄使晶体管M₂的漏端电压控制在一个很低的状态。运算放大器Amp输出端控制M4栅电压形成反馈，对镜像管M₁、M₂的漏端电压钳位，使得晶体管M₁和M₂的漏端电压相等，以保证电流镜像的精度。另外，预充电开关调光信号从低电平到高后使电流镜输出电流迅速恢复，从而实现了一种应用于大功率背光LED驱动的高效率快速PWM调光控制电路。

本发明电路通过一个工作在线性区的电流镜对输出电流进行控制，同时，电流镜的镜像管复用为LED调光开关管使用，由调光信号dim控制，对LED进行数字PWM调光，从而实现带PWM调光的高效率LED驱动。由于采用了cascode结构，工作于线性区的镜像管仍可保证所需精度，同时电流镜的输出漏端电压可以很低，因此非常适用于大功率的LED驱动。另外的预充电开关管加快了调光时电流镜的响应速度，相比于传统的PWM调光控制电路，该电路实现了大功率的LED驱动中的高效率，低成本的快速调光控制，从而使得传统的大功率LED驱动效率的进一步提高成为可能。

本发明电路适用于大功率LED驱动的调光控制，可用于各种便携式电子设备的升压型LED驱动芯片设计中。

附图说明

以下附图描述了本发明的实施例，这些附图和实施例提供了本发明的实例并且它们是非限制性的和非穷尽的。

图1是本发明设计的高效率快速PWM调光控制电路图。

图2是高效率快速PWM调光电路的工作波形示意图。

图3是高效率快速PWM调光功能的仿真结果验证。

具体实施方式

以下根据附图及设计实例对本发明进行详细说明。

本发明设计的是一种应用于电池供电的便携式设备诸如智能手机、平板电脑、数码相机的高效率快速PWM调光控制电路。该电路的典型应用结构如图1所示。该背光LED驱动器由由基本的升压型直流-直流转换器（boost converter）和输出PWM调光控制两部分组成。蓝色方框中为功率级部分，包含功率管Mn，整流二极管D1和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o；控制级由电流采样，误差放大器，补偿电路，关断时间控制器等模块组成。绿色方框中为控制级部分，电路通过将快速PWM调光控制电路输出端电压与基准电压VREF之间的差值经误差放大器放大后的差值Ve经过补偿电路形成Vc信号，并将其与电感电流在功率管上的压降Vsen信号比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动电路产生驱动信号控制功率管Mn的导通与关断，从而实现对于背光LED驱动功率的固定频率脉冲宽度调制。

红色方框中为输出PWM调光控制部分结构图。由二个输出调光控制管M₂、M₃，运算放大器Amp，上拉电阻R₁、R₂，预充电开关管M₅、M₆，二对互补开关管M₇~M₁₀，镜像管M₁、M₂和组成，用于实现高效率快速PWM调光。其中M₂、M₃复用为电流镜输出管和LED驱动的调光管，实现输出电流的无损控制，运算放大器Amp对镜像管M₁、M₂的漏端电压钳位，使得M₁和M₂的漏端电压相等，保证电流镜像的精度。

当调光dim信号为从低变为高电平时，互补开关管M₇、M₈关断，M₉、M₁₀导通，预充电开关M₅、M₆导通对调光管M₃栅电容充电，使M_2、M₃栅电压快速恢复至DIM信号为低前的状态之后，M₅、M₆自动关断。而输出LED电流则迅速恢复至电流镜控制下的固定值，电流镜输出电压反馈使系统产生升压型直流-直流转换器的功率管驱动信号使输出电压上升。当调光DIM信号为低时，互补开关管M₉、M₁₀关断，M₇、M₈导通，M_2、M₃栅电压被下拉到VSS，使电流镜输出电流迅速下降为零。

图2高效率快速PWM调光电路的工作波形示意图。调光dim信号为从低变为高电平时，互补开关管M₇、M₈关断，M₉、M₁₀导通，预充电开关M₅，M₆导通对调光管M₃栅电容充电，使M_2、M₃栅电压快速恢复，相对于不采用预充电的情况，输出电流恢复速度可以大大提高。

图3为输出PWM调光控制部分在1MHz开关频率的大功率LED驱动器中应用后的电路仿真结果。可以看到调光信号dim从低电平跳变到高电平，输出电流Iout迅速恢复至预定值，系统开始进入稳态工作情况。

Claims

1. 一种适用于大功率背光LED驱动器的PWM调光控制电路，由基本的升压型直流-直流转换器和输出PWM调光控制两部分组成；所述直流-直流转换器部分包括功率级和控制级；其中功率级由功率管Mn、整流二极管D1和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由电流采样、误差放大器、补偿电路、关断时间控制器模块组成；控制级的误差放大器将输出PWM调光控制部分的输出端OUT电压与基准电压VREF之间的差值进行放大，然后经过补偿电路对差值Ve进行补偿形成Vc信号，并将其与电感电流在功率管上的压降Vsen信号比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动模块产生驱动信号控制功率管Mn的导通与关断；其特征在于：

输出PWM调光控制部分由二个输出调光控制管M₂、M₃，运算放大器Amp，上拉电阻R₁、R₂，预充电开关管M₅、M₆，二对互补开关管M₇~M₁₀，镜像管M₁、M₂组成，这里晶体管M₂同时复用为镜像管和调光控制管使用；晶体管M₃的源极与晶体管M₂的漏端相连, 晶体管M₃栅极通过开关管M₉与晶体管M₄的源极和晶体管M₁的栅极相连；晶体管M₂、M₁构成1：1000电流镜，二者的源端分别连接到运算放大器Amp的两个输入端，运算放大器Amp的输出端与晶体管M₄相连，构成负反馈，将晶体管M₁、M₂的源极电压钳位在相同的电平上；开关管M₆一端与电阻R₁相连，开关管M₅一端则与电阻R₂相连，最终都接到电源VDD；开关管M₆的另一端与晶体管M₂的栅级相连，开关管M₅的另一端连接到晶体管M₃的栅级，构成两路预充电结构；开关管M₇的一端也连接到晶体管M₃的栅级，开关管M₈一端连接到晶体管M₂的栅级，开关管M₇和开关管M₈的另一端都下拉到地，构成快速下拉结构；晶体管M4与运算放大器Amp构成负反馈结构，同时也做为电流镜源边晶体管，其源极为固定电流偏置输入ibias，晶体管M₃的源端OUT与控制级相连，形成控制环路，由环路对输出电压进行调制；两个开关管M₉、M₁₀的一端都接在晶体管M₁的栅极，另一端分别接晶体管M₃和晶体管M₂的栅极，控制晶体管M₃和晶体管M₂的开启和关断。