CN102821515B

CN102821515B - 一种led控制器

Info

Publication number: CN102821515B
Application number: CN201210236554.2A
Authority: CN
Inventors: 赵士城; 黄淳坚
Original assignee: Guangzhou Mingguang Optoelectric Technology Co Ltd
Current assignee: Kunpeng International Development Shenzhen Co ltd
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: CN102821515A

Abstract

本发明提供一种控制发光二级管(Light emitting diodes，简称LED)的方法和电路。在一个实施例中，本发明提供的LED集成电路控制器包括与交流电源配合工作的电压调节电路和电流设定电路。所述电压调节电路包括接收交流电压并产生未调节电压的耗尽器件和接收所述未调节电压并产生基本恒定的直流电压的带隙电压基准电路。所述电流设定电路接收所述基本恒定的直流电压，并提供基本恒定的直流电流以驱动一串LED或多串并联的LED。进一步的，该LED集成电路控制器还包括保护所述LED集成电路控制器免受外部高电压损害的另一个耗尽器件。这样，所述LED集成电路控制器就可以直接与交流电源配合工作。

Description

一种LED控制器

【技术领域】

本发明涉及电子领域，尤其涉及控制发光二极管（Light emitting diodes，简称LED）的方法和电路。

【背景技术】

传统的LED控制器通常采用直流电供电。由于这种限制，其应用也限制在电池供电或需要将其他形式产生的电能转换为直流电的领域。当和交流电源一起工作时，传统LED控制器将需要一个电源适配器作为变压器，这样不仅增加了成本，而且还限制了LED控制器的应用。因此，需要改进LED控制器，解决传统的LED控制器的应用局限性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种改进的控制LED的方法和电路。

在一个实施例中，本发明提供一种LED集成电路控制器，其包括与交流电源配合工作的电压调节电路和电流设定电路。所述电压调节电路包括耗尽器件和带隙电压基准电路，所述耗尽器件接收交流电压并产生未调节电压，所述带隙电压基准电路接收所述未调节电压并产生基本恒定的直流电压。所述电流设定电路接收所述基本恒定的直流电压，并提供基本恒定的直流电流以驱动一串LED或多串并联的LED。

在另一个实施例中，本发明提供一种的在集成电路中控制LED的方法，其包括：LED集成电路控制器接收交流电源，其中，该LED集成电路控制器包括电压调节电路和电流设置电路，其中所述电压调节电路包括耗尽器件和带隙电压基准电路；所述耗尽器件基于交流电压产生未调节电压；所述带隙电压基准电路基于所述未调节电压产生带隙基准电压；所述电流设定电路基于所述带隙基准电压产生基本恒定的直流电流；利用所述基本恒定的直流电流驱动一个或多个LED。

与现有技术相比，本发明中的LED集成电路控制器可以与交流电配合工作，这样所述LED集成电路控制器就可以直接应用于交流的环境中。

关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。

【附图说明】

为更透彻地理解本发明及其另外的特征和优点，现在结合附图进行下面的说明，其中：

图1是LED控制器在本发明的实施例中的框图。

图2是图1示出的LED控制器在本发明的一个实施例中的一个应用示例图。

图3是图1示出的LED控制器在本发明的一个实施例中的另一个应用示例图。

图4是图1示出的LED控制器在本发明的一个实施例中的再一个应用示例图。

图5是LED控制器在本发明的实施例中的一个示范性示例。

图6是图5中的带隙电压基准电路在本发明的实施例中的一个示范性示例。

图7是图5中的电流设定电路在本发明的实施例中的一个示范性示例。

为便于描述，各附图中相同的部件标以相同的数字。

【具体实施方式】

本发明提供一种控制发光二极管（Light emitting diodes，简称LED）的方法和电路。下面描述的目的是使任何熟悉本领域的技术人员能够实现并使用本发明。具体实施例和应用仅仅作为一个实施例被描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明。在这里描述的不同调整或合并的例子对于熟悉本领域的技术人员来说都是显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，这里定义的一般原则可以应用到其他例子和应用中。因此，本发明不应限于描述的例子和图示，而应给予与这里描述的原理和特征一致的最广泛的范围。

下面详细描述的某些部分以流程图、逻辑块和其他在计算机系统上执行的操作信息的符号表征的方式来呈现。在这里，一个程序、计算机执行步骤、逻辑块、过程等等，可设想为一个或多个导致理想结果的步骤或指令的自洽序列(self-consistent sequence)。这些步骤是利用了物理量的物理操作，这些量可以采取的形式是电、磁、或无线电信号，可以被储存、转让、合并、比较和以其他方式在计算机系统里操作。这些信号可以称为位值、属性、组件、符号、字符、术语、数字或类似物。并且每个步骤都可以由硬件、软件、固件或其组合执行。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指针对实施例所描述的可包含于本发明至少一个实现例中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。本文中提到的“连接”、“相连”等与电性相连有关的词汇的含义是直接或间接的电性相连。本文中的多个指两个或两个以上。

图1显示的是LED控制器在本发明的一个实施例中的框图。如图1所示，该LED控制器100包括过冲电压保护（Overshoot Voltage Protection，简称OVP）单元102、LED电流选择单元104、脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）调光单元106和热控制单元108。所述过冲电压保护单元102连接至模式引脚（MODE）103，所述LED电流选择单元104连接至电流选择引脚（ISEL）105，所述脉宽调制调光单元106连接至调光控制引脚（DIM）107。

所述LED控制器100还包括电压调节单元110、电流调节单元112、顶部LED驱动单元114、中部LED驱动单元116和底部LED驱动单元118。其中，所述顶部LED驱动单元连接至顶部引脚(TOP)115，所述中部LED驱动单元116连接至中部引脚（CNTR）117，所述底部LED驱动单元118连接至底部引脚（BOTM）119。所述电压调节单元110连接至所述过冲电压保护单元102、所述电流调节单元112和所述顶部引脚115。所述电流调节单元112连接至所述过冲电压保护单元102、所述LED电流选择单元104、所述脉宽调制调光单元106、热控制单元108、所述顶部LED驱动单元114、所述中部LED驱动单元116和所述底部LED驱动单元118。所述电流调节器112还连接至一个模拟地引脚(AGND)109。所述顶部LED驱动单元114、所述中部LED驱动单元116和所述底部LED驱动单元118都连接至一个数字地引脚(GND)121。

该LED控制器100支持传统的三极管交流电(Triode Alternating Current，简称TRIAC)调光和脉宽调制(PWM)调光。当所述LED控制器的结温(JunctionTemperature)超过一预设温度，比如100℃时，内置热调节装置(比如所述热控制单元108)可以用来线性降低LED电流；当所述结温达到另一预设温度，如150℃时，所述内置热调节装置也可用来控制LED控制器100关闭从而防止系统温度失控。所述模式引脚103可以设置所述LED控制器的工作电压为110V的交流电或220V的交流电，这样当电源应用错误时，其可以保护系统免遭破坏。该LED控制器能承受所述顶部引脚TOP和所述数字地引脚GND之间高达400伏特的电压。该LED控制器消耗150微安的静态电流。

图2是图1的LED控制器在本发明一个实施例中的一个应用示例。在该实施例中，所述LED控制器100控制一串LED(也可以称为一系列的LED)，该串LED(或称LED串)是由多个LED串联而成。特别地，该LED控制器100上的顶部引脚115、中部引脚117和底部引脚119可以分别连接至所述LED串的LED202、204和206的输出端(即LED的阴极)。该LED控制器100的数字地引脚121连接至配置有四个二极管的整流器208，该整流器208可配置为接收110V或220V的交流电，该整流器208还连接至被控制的LED串的顶端(即LED串的最顶部的LED的阳极)。

该LED控制器100支持工作电流为30毫安的一串的LED，其可吸收30mA的恒定电流，并根据预先设定的输入电压开启/闭合所述LED串。当所述LED串由与交流电配合工作的全波整流器直接供电时，则所述LED串按着顶部、中部、底部的顺序依次点亮，并且按着反顺序依次关闭。可编程的LED电流使得用户可以在±10%范围内灵活的调整LED电流。

图3是图1的LED控制器在本发明的一个实施例中的另一个应用示例图。如图3所示，在该实施例中，该LED控制器100用于控制三串并联的LED，每串LED由多个LED串联而成。特别地，所述顶部引脚115连接至三个并联的LED串的LED302a、302b和302c的输出端(即LED的阴极)，所述中部引脚117连接至三个并联的LED串的LED304a、304b和304c的输出端，所述底部引脚119连接至三个并联的LED串的LED306a、306b和306c的输出端。该LED控制器100的数字地引脚121连接至配置有四个二极管的整流器308，其中整流器308可配置为接收110V或220V的交流电，该整流器308还连接至被控制的每个LED串的顶部LED的输入端(即LED的阳极)。该应用可以支持三串LED，且每串LED的工作电流都约为30mA，这样就提供了一个大约90mA的组合工作电流。值得注意的是，该LED控制器100可提供高至约100mA的LED电流，可用在高功率应用中。

图4是图1的LED控制器在本发明一个实施例中的再一个应用示例图。该实施例的设置类似于图2，除了一个脉宽调制(PWM)信号连接至所述LED控制器100的调光控制引脚107。该LED控制器100通过输入的脉宽调制信号来控制一串LED的调光。特别地，所述顶部引脚115连接至LED402的输出端，所述中部引脚117连接至LED404的输出端，所述底部引脚119连接至LED406的输出端。如图4中所示，该LED控制器100的数字地引脚121连接至配置有四个二极管的整流器408上，该整流器408可配置为接收120V或240V的交流电，该整流器408还连接至所述LED串的顶部LED402的输入端。

下表中列出了所述LED控制器在本发明的一个实施例中的引脚定义。

引脚码	引脚名	引脚描述
			1	ISEL	用于LED电流选择，高：+10%；低：-10%
2	CNTR	用于连接至中部LED的负极
			3	BOTM	用于连接至底部LED的负极
4	DIM	用于脉宽调制调光控制输入
			5	MODE	低：110V或120V；高：220V或240V
6	GND	数字地引脚
			7	top	用于连接至顶部LED的负极
8	AGND	模拟地引脚

该LED控制器100可以实现在SOP-8裸露焊盘封装(package of SOP-8exposed pad)中。特别地，所述电流选择引脚105分配到引脚1，所述中部引脚117分配到引脚2，所述底部引脚119分配到引脚3，所述调光控制引脚107分配到引脚4，所述模式引脚103分配到引脚5，所述数字地引脚121分配到引脚6，所述顶部引脚115分配到引脚7，所述模拟地引脚109分配到引脚8。如图所示的虚线矩形，一个数字地应用于所述封装的中心。

下表列出了所述LED控制器的代表性的电气规格。

根据本发明的实施例，输入电压可以高达400V。工作环境温度范围可以为-40℃到85℃，工作结温可高达150℃，存储温度(Storage Temperature)可以为-65℃到150℃，焊接温度(Lead Temperature)可到达260℃，连接环境热阻(ThermalResistance Junction to Ambient)可高达60℃/W。

图5是所述LED控制器在本发明的一个实施例中的一个示范性实施例。如图5所示，所述LED集成电路控制器包括输入耗尽器件(depletion device)M1、输出耗尽器件M2、带隙电压基准电路502、电流设定电路块504（也被称为电流调节电路）、放大电路506、静电放电保护(Electronic Discharge，简称ESD)电路508和MOSFET晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET晶体管)M3、M4、M5和M6。根据本发明的实施例，所述耗尽器件M1和M2可以是高压器件，它们能够支持如110V、120V、220V或240V的高交流电压。另一方面，所述MOSFET晶体管M3、M4、M5、M6可以是低压器件，其工作电压小于5V。如图5中的虚线框510所示，所述放大电路506同MOSFET晶体管M3、M4、M5、M6和耗尽器件M2一起共同执行电流放大的功能。所述耗尽器件M1配置为接收变化的交流电压，随后产生未调节电压，例如大约7V。所述耗尽器件M2配置为保护所述LED集成电路控制器免受外部高压的损害。所述带隙电压基准电路502配置为接收来自所述耗尽器件M1的未调节电压，并产生一个基本恒定的直流电压供所述电流设定电路块504(也可以被称为电流调节电路)使用，所述直流电压例如可以为5V，根据设计和制造工艺的变化其偏差范围可以为1%到5%。该电流设定电路块504配置为根据所述带隙电压基准电路502产生的基本恒定的直流电压提供一个基本恒定的电流，并将该基本恒定的电流提供给电流放大模块510，该电流放大模块510可以驱动一串LED。所述带隙电压基准电路502和所述耗尽器件M1可以被统称为电压调节电路。

图6是图5中带隙电压基准电路在本发明实施例中的一个示范性实施例。在该实施例中，如图6所示，该带隙电压基准电路包括MOSFET晶体管、双极场效应晶体管（bipolar FETs）、反相器、电阻、电容、电平移位电路（LS）和电阻块RG1、RG2、RG3、RG4、RG5。根据本发明的实施例，该带隙电压基准电路502是实现在集成电路里的温度独立的电压基准电路，其输出电压为1.25V左右，这接近于硅在0K时的带隙理论值1.22eV。根据本发明的实施例，运行于不同的电流密度下的两个P-N结（如二极管）之间的电压差可用来在第一电阻上产生一个正温度系数（Proportional To Absolute Temperature，简称PTAT）的电流，然后该电流用来在第二电阻上产生一个电压，该电压随后与一个结的电压相加。工作电流为恒流或PTAT电流的二极管的导通电压具有负温度系数(Complementary To Absolute Temperature，简称CTAT)，大约为-2mV/k。通过选择第一电阻和第二电阻之间比例可以使得二极管的负温度系数的导通电压和第二电阻上的正温度系数的电压抵消。根据特定的技术和电路设计，由此产生的电压约为1.2V-1.3V，该电压接近于硅在0K时的带隙理论值1.22eV。随集成电路的工作温度的变化而变化的电压是毫伏数量级的。温度系数可以是抛物线形的。

由于典型的带隙基准电路的输出电压是固定的，约1.25V，并且在CMOS电路里至少需要加上场效晶体管FET的漏源电压，因此所述最低工作电压约1.4V。这样，在一种方法中，用电流的和来代替电压的和以获得更低理论下限的零温度系数的工作电压。

图7是图5中电流设定电路在本发明的一个实施例中的一个示范性实施例。在该实施例中，所述电流设定电路504包括电流模式检测电路702，该电流模式检测电路702包括提供电流可编程控制的电路704和检测输出到带隙电压基准电路502的信号的电路。如图7中所示，在电路元件级别下，该电流设定电路504包括放大器708（A1）和712（A2）、反相器710和714、电容、MOSFET晶体管。一个或多个外部电阻720可连接至所述电流设定电路504以执行以下功能：(1)在调节电流模式时的模式检测；(2)根据是否有一个或多个外部电阻的存在和一个或多个外部电阻的电阻值编程所述电流级别(current level)。所述电路704配置为产生一个稳定的、可控的和可编程的电流。

本发明提供的LED控制器具有很多有益效果。首先，它可以使用110V、120V、220V或240V的交流电源，这就使得LED控制器的应用范围变得宽泛。该LED控制器能够按顺序打开和关闭一串LED，它支持用户可编程的LED电流，也支持一个三极管交流电（TRIAC）和脉宽调制调光架构。此外，该LED控制器能根据内部热检测而进行热调节，具有过温保护的能力。该LED控制器可承受高达400V的输入电压，具有输入过冲电压保护功能，具有低静态电流和高效率的特点。

本发明可以实现为任何适当形式，比如包括硬件、软件、固件或他们之间的任意组合。本发明可以选择的部分实现为在一个或多个数据处理器或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明实施例中的组件和元件可以是在物理上，功能上和逻辑上以任何适当的方式实现。事实上，该功能可以在单个单元或多个单元里实现，或作为其他功能单元的一部分来实现。因此，本发明可以在单一单元里实现，或者可以在多个物理上或功能上分离的多个单元和处理器上实现。

本发明已经在一定程度上被充分详细的描述。本领域技术人员可以理解，目前实施例所揭露的只是示例而已，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。因此，本发明的范围定义为其保护范围而不是以上实施例的说明。

Claims

1.一种LED集成电路控制器，包括：

与交流电源配合工作的电压调节电路，其包括第一耗尽器件M1和带隙电压基准电路，所述第一耗尽器件接收交流电压并产生未调节电压，所述带隙电压基准电路接收所述未调节电压并产生基本恒定的直流电压；

电流设定电路，其接收所述基本恒定的直流电压，并提供基本恒定的直流电流；

放大电路；

MOSFET晶体管M3、M4、M5和M6；

保护所述LED集成电路控制器免受外部高电压损害的第二耗尽器件M2；

所述耗尽器件M1和M2是高压器件，MOSFET晶体管M3、M4、M5和M6为低压器件，所述放大电路同MOSFET晶体管M3、M4、M5、M6和第二耗尽器件M2一起共同执行电流放大的功能，并形成电流放大模块，

所述电流放大模块放大所述基本恒定的直流电流以驱动一串LED，

所述耗尽器件M2的漏极与所述一串LED相连，所述耗尽器件M2的源极与MOSFET晶体管M5的漏极相连，所述耗尽器件M2的衬底与MOSFET晶体管M5的衬底相连，所述耗尽器件M2的栅极与放大电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：所述带隙电压基准电路包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管、多个双极场效应晶体管、多个电阻、多个电容、多个反相器和电平移位电路。

3.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：所述电流设定电路包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管、一个或多个电容、多个反相器和多个放大器。

4.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：所述电流设定电路与一个外部电阻相连，其中所述电流设定电路用来检测所述LED集成电路控制器的运行模式，以及调整所述LED集成电路支持的一个或多个电流级别。

5.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：所述交流电源包括110V、120V、220V或240V的交流电源。

6.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：其还包括过冲电压保护电路，该过冲电压保护电路支持高达400V的输入电压。

7.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：其还包括用于防止所述LED集成电路控制器过热的热控制电路。

8.根据权利要求1所述的LED集成电路控制器，其特征在于：其还包括用于控制所述LED系列的调光的脉宽调制电路。

9.一种在集成电路中控制LED的方法，包括：

LED集成电路控制器接收交流电源，其中，该LED集成电路控制器包括电压调节电路、电流设置电路、放大电路、MOSFET晶体管M3、M4、M5和M6、保护所述LED集成电路控制器免受外部高电压损害的第二耗尽器件M2，其中所述电压调节电路包括第一耗尽器件M1和带隙电压基准电路，所述耗尽器件M1和M2是高压器件，MOSFET晶体管M3、M4、M5和M6为低压器件，所述放大电路同MOSFET晶体管M3、M4、M5、M6和第二耗尽器件M2一起共同执行电流放大的功能，并形成电流放大模块；

所述第一耗尽器件基于交流电压产生未调节电压；

所述带隙电压基准电路基于所述未调节电压产生带隙基准电压；

所述电流设定电路基于所述带隙基准电压产生基本恒定的直流电流；

电流放大模块放大所述基本恒定的直流电流以驱动一串LED，

其中所述耗尽器件M2的漏极与所述一串LED相连，所述耗尽器件M2的源极与MOSFET晶体管M5的漏极相连，所述耗尽器件M2的衬底与MOSFET晶体管M5的衬底相连，所述耗尽器件M2的栅极与放大电路的输出端相连。

10.根据权利要求9所述的在集成电路中控制LED的方法，其特征在于：所述电流设定电路与一个外部电阻相连，其中所述电流设定电路用来检测LED集成电路控制器的运行模式，以及调整所述LED集成电路支持的一个或多个电流级别。

11.根据权利要求9所述的在集成电路中控制LED的方法，其特征在于：所述交流电源包括110V、120V、220V或240V的交流电源。

12.根据权利要求9所述的在集成电路中控制LED的方法，其特征在于：所述该方法还包括：提供过冲电压保护电路，该过冲电压保护电路支持高达400V的输入电压。

13.根据权利要求9所述的在集成电路中控制LED的方法，其特征在于：所述该方法还包括：提供防止所述LED集成电路控制器过热的热控制电路。

14.根据权利要求9所述的在集成电路中控制LED的方法，其特征在于：所述该方法还包括：提供控制所述LED的调光的脉宽调制电路。