CN102946662B - 电源控制器以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

实施例揭露电源控制器以及相关的控制方法，适用于一发光二极管电源供应器，其对至少一发光二极管供电。该发光二极管电源供应器包含有一功率开关，用以控制一电感元件的储能或释能，具有一控制门。该发光二极管电源供应器接收一调光信号，用以大致决定该发光二极管的发光。该电源控制器包含有一门驱动电路。该门驱动电路依据一脉冲调整信号以及该调光信号，来产生一门信号，以驱动该控制门。当该调光信号为致能时，该门驱动电路具有一第一驱动力，当该调光信号为禁能时，该门驱动电路具有一第二驱动力，小于该第一驱动力。

Description

电源控制器以及控制方法
技术领域
本发明是关于供电于发光二极管的电源供应器，尤其是关于抑制或减低异音(audio noise)的电源供应器。
背景技术
对于讲究节能减碳的这个时代而言，发光二极管(light-emittingdiode，LED)已经是广为使用的一种光源，因为其具有相当优良的发光效率以及精巧的元件体积。举例来说，现代的液晶屏幕(LCD panel)，大都以LED来取代以往的CCFL，来当作背光。
图1为一种用于液晶屏幕的背光模块的LED电源供应器8，大致包含有两级：电压控制级4以及电流控制级6。在图1中，电压控制级4为一升压电路(booster)，电源控制器18控制功率开关15，使电感元件PRM从输入端VIN汲取能量，而对输出端OUT释放能量，以在输出端OUT上建立适当的输出电压VOUT给予发光二极管串。电流控制器20主要控制使流经每一个发光二极管串(LED chain)的电流都大致相等，以达到均匀发光的目的。
一般背光模块都有调整亮度的功能，以控制液晶屏幕的明暗。LED电源供应器8可接收一调光信号(dimming signal)VDIM，大致来控制发光二极管串的发光与否。
图2显示在调光端DIM的调光信号VDIM、在门端GATE的门信号VGATE、从输入端VIN流入电感元件PRM的电流IIN、以及输出电压VOUT。在发光时段(Dimming ON)时，调光信号VDIM为致能(asserted)，电源控制器18以门信号VGATE周期性地切换功率开关15，输入端VIN被抽取电流IIN，在输出端OUT上建立适当的输出电压VOUT，电流控制器20使大致让电流IIN流经发光二极管串而发光。
在不发光时段(Dimming OFF)时，调光信号VDIM为禁能(de-asserted)，电源控制器18禁能门信号VGATE，电流IIN大致为0，输出电压VOUT可能会因为些许的漏电流而随时间降低。电流控制器20切断发光二极管串的电流路径，因此发光二极管串不发光。
从图2中的信号可以发现，不发光时段与发光时段之间的切换，对于电压控制级4而言，几乎就是无载(no load)与重载(heavy load)之间切换。就算是调光信号VDIM的切换频率低到200Hz这样人耳难以听到的频段，但是因为载的变化是如此的大，所以电流IIN在切换频率的谐波频率(harmonicfrequency)中就会具有相当的能量，足以使电感元件PRM产生人耳感受得到异音。尤其对于影音电子产品而言，异音是需要消除或是降低的。
发明内容
本发明实施例揭露一种电源控制器，用于一发光二极管电源供应器，其对至少一发光二极管供电。该发光二极管电源供应器包含有一功率开关，用以控制一电感元件的储能或释能，具有一控制门。该发光二极管电源供应器接收一调光信号，用以大致决定该发光二极管的发光。该电源控制器包含有一门驱动电路。该门驱动电路依据一脉冲调整信号以及一调光信号，来产生一门信号，以驱动该控制门。当该调光信号为致能时，该门驱动电路具有一第一驱动力(driving force)，当该调光信号为禁能时，该门驱动电路具有一第二驱动力，小于该第一驱动力。
本发明实施例还揭露一种控制方法，用于一发光二极管电源供应器。该控制方法包含有：接收一调光信号，其大致决定至少一发光二极管的发光；提供一门驱动电路，以驱动一功率开关的一控制门，其中，该功率开关控制一电感元件的储能或释能；当该调光信号为致能时，使该门驱动电路具有一第一驱动力；以及，当该调光信号为禁能时，使该门驱动电路具有一第二驱动力，该第二驱动力小于该第一驱动力。
本发明实施例还揭露一种控制方法，用于对一发光二极管供电的一电源转换器，其接收一调光信号。该调光信号大致决定该发光二极管的发光。该控制方法包含有：大致在该调光信号为致能(asserted)时，使该电源转换器(power converter)，依据一补偿信号，供电予该发光二极管；大致在该调光信号为禁能(de-asserted)时，使该电源转换器不对该发光二极管供电；以及，在该调光信号转态(toggle)后的一预设时间内，使该电源转换器传输一第二电能功率，该第二电能功率大于0，且低于该补偿信号所对应的一第一电能功率。
附图说明
图1为一种用于液晶屏幕的背光模块的LED电源供应器。
图2显示在调光端DIM的调光信号VDIM、在门端GATE的门信号VGATE、从输入端VIN流入电感元件PRM的电流IIN、以及输出电压VOUT。
图3A为一电源控制器，可以用于图1中。
图3B显示图3A中的调光信号VDIM、在门端GATE的门信号VGATE、以及相对应从输入端VIN可能产生的电流IIN。
图4A为依据本发明实施的电源控制器，可以用于图1中。
图4B显示图4A中的调光信号VDIM、门信号VGATE、以及相对应从输入端VIN可能产生的电流IIN。
图5显示一种适用于发光二极管电源供应器的控制方法。
图6A显示从不发光时段进入发光时段的过程中，一些信号波形。
图6B显示从发光时段进入不发光时段的过程中，一些信号波形。
图7显示当没有采用缓启动机制时，调光信号VDIM、门信号VGATE、补偿信号VCOM、以及电流IIN的可能波形。
图8显示另一种适用于发光二极管电源供应器的控制方法。
[主要元件标号说明]
4电压控制级        6电流控制级
8LED电源供应器     15功率开关
18电源控制器       20电流控制器
22电源控制器       24门驱动电路
26驱动电路         30电源控制器
32脉冲宽度调制器   34门驱动电路
36、38驱动电路     40、96控制方法
COM补偿端          CS电流检测端
DIM调光端          Dimming OFF不发光时段
Dimming ON发光时段 FB反馈端
GATE  门端         IIN  电流
OUT输出端          PRM  电感元件
tES  时间点        tF时间点
tR 时间点        tSE时间点
TSE缓煞车时间    TSS缓启动时间
VCOM补偿信号     VCS电压信号
VDIM调光信号     VGATE门信号
VIN输入端        VOUT输出电压
VPWM脉冲调整信号
具体实施方式
在本说明书中，具有相同标号的元件，为具有大致相同或是类似的功能、结构、组织、或应用的元件，不必然需要彼此完全相同。本领域技术人员，基于本说明书的教导，将知道替换或是改变实施例中的元件，来实现本发明。本发明的实施例，并不用于限制本发明的权利范围。
图3A为电源控制器22，可以用于图1中的电源控制器18。电源控制器22中具有脉冲宽度调制器32以与门驱动电路24。脉冲宽度调制器32依据补偿端COM上的补偿信号VCOM，来产生脉冲调整信号VPWM。举例来说，补偿信号VCOM的电压越高，脉冲调整信号VPWM控制功率开关15使电杆元件所累积的能量越高，代表一相对应电源供应器转换越多的功率。门驱动电路24则依据脉冲调整信号VPWM以及调光信号VDIM，来产生门信号VGATE，以驱动功率开关15的控制门。从门驱动电路24的电路可知，当调光信号VDIM为致能时，门信号VGATE大致与脉冲调整信号VPWM同相。门驱动电路24具有驱动电路26。为了方便与下一实施例做比较，如图3A举例所示，驱动电路26具有4单位的驱动力，来驱动功率开关15的控制门。
图3B显示图3A中的调光信号VDIM、在门端GATE的门信号VGATE、以及相对应从输入端VIN可能产生的电流IIN。如同图3B所示，当调光信号VDIM为致能时，驱动电路26以4单位的驱动力来产生门信号VGATE，所以周期性地开关功率开关15，电流IIN大致振荡于一定的范围内，使图1中的发光二极管串发光。当调光信号VDIM为禁能时，驱动电路26以4单位的驱动力来禁能门信号VGATE，所以门信号VGATE的电压快速下降，最后一直维持0电压附近，完全关闭功率开关15。因为功率开关15被关闭，所以电流IIN线性地降低，直到0安培为止。
图4A为依据本发明实施的电源控制器30，可以取代图1中的电源控制器18。电源控制器30包含有脉冲宽度调制器32以与门驱动电路34。图4A与图3A中相同的部分，为本领域技术人员能了解推知，不再累述。
相异于图3A中的门驱动电路24，其具有单一的驱动电路26，图4A中的门驱动电路34具有两个驱动电路36与38，分别具有1单位以及3单位的驱动力。举例来说，在一实施例中，驱动电路36的最大下拉电流为10mA，而驱动电路38的最大下拉电流为30mA，所以驱动电路38的驱动力为驱动电路36的三倍。在另一实施例中，驱动电路36的最大下拉电阻为驱动电路38的最大下拉电阻的三倍，亦可使驱动电路38的驱动力为驱动电路36的三倍。当调光信号VDIM为致能时，门信号VGATE大致与脉冲调整信号VPWM同相，且驱动电路36以及38总共以4单位的驱动力来产生门信号VGATE。当调光信号VDIM为禁能时，驱动电路38被禁能(disabled)，停止驱动功率开关15的控制门。此时，只有驱动电路36，以1单位的驱动力，来禁能门信号VGATE。
图4B显示图4A中的调光信号VDIM、门信号VGATE、以及相对应从输入端VIN可能产生的电流IIN。相较于图3B中的门信号VGATE，其在调光信号VDIM一变成禁能时，就被4单位的驱动力拉得快速下降，图4B中的门信号VGATE，在调光信号VDIM一变成禁能时，只有被1单位的驱动力拉，所以下降的比较慢。因此，图4B中的电流IIN就会稍微得延迟一段时间，比较慢进入线性下降状态。
比较图4B与图3B可知，图4B中电流IIN变化比较缓和，尤其是在调光信号VDIM转态为禁能时。变化比较缓和的信号，从频谱分析上可知，其谐波频率所具有的能量，也会相对地比较低。因此，图4A中的电源控制器30，比较有机会降低因为谐波频率部分所导致的异音。
图5显示一种适用于发光二极管电源供应器的控制方法40，可以使用于图3A或是图4A中的电源控制器22或30。以下将以控制方法40实施于电源控制器30，作为一实施例。
在步骤42中，电源控制器30先确认在电源端VCC的操作电压VCC已经高到一定程度，可以正常操作。
接着进入步骤44，其中，电源控制器30判断现在应是操作在发光时段(Dimming ON)还是不发光时段(Dimming OFF)，据以进入步骤46或54。如果调光端DIM上的调光信号VDIM为致能，电源控制器30就判断现在应是操作于发光时段，进入步骤46；反之，则是应操作于不发光时段，进入步骤54。
在步骤46中，电源控制器30在连续数个开关周期中，强制使功率开关15的开启时间TON，都是最短开启时间(minimum ON time)，不受补偿信号VCOM的影响。此时，图1中的电流控制器20开始提供定电流路径，使发光二极管串发光。接着进入步骤48。
在步骤48中，电源控制器30依据补偿信号VCOM，来控制开启时间TON，供电给发光二极管串，使其继续发光。然后，进入步骤50。
从步骤44、46与48可以发现，步骤46可以视为一种缓启动(soft start)机制。在发光二极管串刚刚从不发光时段进入发光时段后的一缓启动时间内，电源控制器30所控制的电压控制级一开始提供有限且低于发光二极管串真正所需的电能功率。在缓启动时间过后，电源控制器30所控制的电压控制级才开始提供发光二极管串发光真正所需的电能功率，也就是补偿信号VCOM所对应需求的电能功率。
步骤50中，电源控制器30判断现在应是操作在发光时段(Dimming ON)还是不发光时段(Dimming OFF)。如果调光端DIM上的调光信号VDIM为致能，电源控制器30就判断现在应该继续操作于发光时段，所以回到步骤48；反之，则是应开始操作于不发光时段，进入步骤52。
与步骤46类似地，在步骤52中，电源控制器30在连续数个开关周期中，强制使功率开关15的开启时间TON，都是最短开启时间(minimum ON time)，不受补偿信号VCOM的影响。此时，图1中的电流控制器20切断定电流路径，使发光二极管串不发光，然后进入步骤54。
在步骤54中，电源控制器30停止转换电能并停止提供电流驱动二极管串，且二极管串不发光。此时，电源控制器30维持门信号VGATE为禁能，所以功率开关15保持在关闭状态，不转换电能。
从步骤50、52与54可以发现，步骤52可以视为一种缓煞车(soft ending)机制。在发光二极管串刚刚从发光时段进入不发光时段后的一缓煞车时间内，电源控制器30所控制的电压控制级一开始提供有限且大于0电能功率，给后续的电流控制级。在缓煞车时间过后，电源控制器30所控制的电压控制级才完全停止提供电能功率。
图6A显示从不发光时段进入发光时段的过程中，一些信号波形；图6B显示从发光时段进入不发光时段的过程中，一些信号波形。在图6A与图6B中，信号波形，由上而下，分别是调光信号VDIM、门信号VGATE、电流IIN、补偿信号VCOM、以及在电流检测端CS的电压信号VCS。
图6A中，在时间点tR时，调光信号VDIM由禁能变成致能，所以发光二极管从不发光时段，开始进入发光时段。从时间点tR开始的缓启动时间TSS内有四个开关周期，每个开关周期中的门信号VGATE的开启时间TON，都是最短开启时间。在时间点tES之后，门信号VGATE的开启时间TON不再是最短开启时间，而是最长开启时间，或是由补偿信号VCOM所决定。从图6A也可以得知，在缓启动时间TSS内所提供的电能功率，低于补偿信号VCOM所对应要有的电能功率。
图6B中，在时间点tF时，调光信号VDIM由致能变成禁能，所以发光二极管从发光时段，开始进入不发光时段。从时间点tF开始的缓煞车时间TSE内有四个开关周期，每个开关周期中的门信号VGATE的开启时间TON，都是最短开启时间。在时间点tSE之后，门信号VGATE就一直维持在禁能。从图6B也可以得知，在缓煞车时间TSE内所提供的电能功率，大于0，但是低于当时补偿信号VCOM所对应要有的电能功率。
图7显示当没有采用缓启动机制时，调光信号VDIM、门信号VGATE、补偿信号VCOM、以及电流IIN的可能波形。相较于图7的电流IIN，图6A的电流IIN，因为缓启动机制的影响，电流IIN上升的比较缓和，所以可能可以降低谐波频率部分所导致的异音。
类似地，相较于图3B中没有采用缓煞车机制的电流IIN，图6B的电流IIN，因为缓煞车机制的影响，电流IIN下降的比较缓和，所以可能可以降低谐波频率部分所导致的异音。
缓煞车时间内，发光二极管串并没有发光，所以电压控制级所提供的电能，并没有被发光二极管串所消耗，而是预先存放在输出端OUT上。这些预先存放的电能，可以些许弥补后续缓启动时间内，电压控制级供应电能不足的部分。所以，同时使用缓煞车以及缓启动机制，可能可以减小补偿信号VCOM的变动。
图5中的缓煞车/缓启动机制，可以跟图4A的驱动力控制，一起实现在同一电源控制器。在另一个实施例中的一电源控制器，只有实施图5中的缓煞车/缓启动机制，但没有实施图4A的驱动力控制。在另一个实施例中的一电源控制器，没有实施图5中的缓煞车/缓启动机制，但有实施图4A的驱动力控制。
缓煞车时间与缓启动时间内，所强制的，不一定是要开启时间TON为最短开启时间。在另一个实施例中，缓煞车时间与缓启动时间内，强制的是电压信号VCS的峰值。电压信号VCS的峰值对应的是流经电感元件PRM的电流峰值。举例来说，在图8中所示的控制方法96中，在缓煞车时间内，电压信号VCS的峰值至少是一第一预定值，如同图8中步骤98所示；在缓启动时间内，电压信号VCS的峰值至多是一第二预定值，如同图8中步骤97所示。而第一与第二预定值可以相同，也可以相异。
在一实施例中，在发光时段时，不论是在缓启动时间与否，补偿端COM将受到反馈端FB上的电压而被充电或是放电，所以补偿信号VCOM大致反映二极管串所需的电能功率；在不发光时段中，不论是在缓煞车时间与否，补偿端COM被禁止充放电，所以补偿信号VCOM大致维持在进入不发光时段前的电压电平，由一外接补偿电容所大致存储着。如此，在进入下次发光时段时，就能够快速地提供足够的电能。
从以上分析可以发现，采用本发明的实施例，相较于其它例子，电流IIN的变化会比较缓和，所以可能可以降低谐波频率部分所导致的异音。
虽然本发明以图1中的升压电路为例，但本发明也使用在其它种架构的转换器。本发明也可以适用于，譬如说，返驰式转换器(flyback converter)、降压转换器(buck converter)、升降压转换器(buck booster)等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种电源控制器，用于一发光二极管电源供应器，其对至少一发光二极管供电，该发光二极管电源供应器包含有一功率开关，用以控制一电感元件的储能或释能，具有一控制门，该发光二极管电源供应器接收一调光信号，用以决定该发光二极管的发光，该电源控制器包含有：
一门驱动电路，依据一脉冲调整信号以及该调光信号，来产生一门信号，以驱动该控制门；以及
其中，当该调光信号为致能时，该门驱动电路具有一第一驱动力，当该调光信号为禁能时，该门驱动电路具有一第二驱动力，小于该第一驱动力，
其中，该门驱动电路包含有一第一驱动电路，被致能时，可驱动该控制门，以及一第二驱动电路具有该第二驱动力，当该调光信号为禁能时，该第一驱动电路被禁能。
2.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，当该调光信号为禁能时，该门驱动电路以该第二驱动力，关闭该功率开关。
3.根据权利要求1所述的电源控制器，还包含有一脉冲宽度调制器，依据一补偿信号，来产生该脉冲调整信号，其中，该补偿信号代表该发光二极管电源供应器所传递的电能功率。
4.一种控制方法，用于一发光二极管电源供应器，该控制方法包含有：
接收一调光信号，其决定至少一发光二极管的发光；
提供一门驱动电路，以驱动一功率开关的一控制门，其中，该功率开关控制一电感元件的储能或释能；
当该调光信号为致能时，使该门驱动电路具有一第一驱动力；以及
当该调光信号为禁能时，使该门驱动电路具有一第二驱动力，该第二驱动力小于该第一驱动力，
其中，该门驱动电路包含有一第一驱动电路，以驱动该控制门，以及一第二驱动电路具有该第二驱动力，该方法包含有：
当该调光信号为禁能时，禁能该第一驱动电路。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，当该调光信号为禁能时，以该第二驱动电路，关闭该功率开关。
6.一种控制方法，用于对一发光二极管供电的一电源转换器，其接收一调光信号，该调光信号决定该发光二极管的发光，该控制方法包含有：
在该调光信号为致能时，使该电源转换器，依据一补偿信号，供电予该发光二极管；
在该调光信号为禁能时，使该电源转换器不对该发光二极管供电；以及
在该调光信号转态后的一预设时间内，使该电源转换器传输一第二电能功率，该第二电能功率大于0，且低于该补偿信号所对应的一第一电能功率。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其中，在该调光信号转态后的该预设时间内，使该电源转换器中的一功率开关，在每个开关周期内的开启时间，都是一预设的最短开启时间。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其中，该电源转换器包含有一电感元件，在该调光信号从被禁能转成被致能后的一缓启动时间内的每个开关周期，流经该电感元件的电感电流，均不大于一预设值。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其中，该电源转换器包含有一电感元件，在该调光信号从被致能转成被禁能后的一缓煞车时间内的每个开关周期，流经该电感元件的电感电流，均不小于一预设值。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其中，该预设时间是于位于该调光信号由禁能转为致能之后。
11.根据权利要求7所述的控制方法，其中，该预设时间是于位于该调光信号由致能转为禁能之后。
12.根据权利要求7所述的控制方法，包含有：
当该调光信号为禁能时，使补偿信号所在的一补偿端，不被充放电；以及
当该调光信号为致能时，使该补偿端，依据一反馈电压而充放电。
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