CN103179736B - 发光二极管驱动电路及驱动发光二极管的方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管驱动电路和驱动发光二极管的方法，其中，发光二极管驱动电路包括电池、电压检测电路、负压产生电路和切换电路。所述电压检测电路检测所述电池的电压，所述驱动电路在电池的电压大于发光二极管的阈值电压时，由电池驱动所述发光二极管，在电池的电压小于所述发光二极管的阈值电压时，由电池和负压产生电路共同驱动所述发光二极管。这样，没有升压/降压模式，也不需要升压电路、降压电路、切换工作模式的电路以及控制工作模式的电路，降低了设计难度，生产成本低。

Description

发光二极管驱动电路及驱动发光二极管的方法

技术领域

本发明涉及发光二极管背光驱动领域，尤其涉及发光二极管驱动电路。

背景技术

目前，有三种技术驱动发光二极管，第一种是Buck-Boost直流变换技术。此项技术也是采用降压和升压相复合的方式，来产生介于最高输入电压和最低输入电压中间的输入电压。当输入电压高于最高输入电压时，电路工作于Buck(降压)模式；当输入电压低于最低输入电压时，电路工作于Boost(升压)模式。而当输入电压和输出电压相近(此处的输出电压是最高输入电压还是最低输入电压？还是其他的？)时，电路工作于Buck-Boost模式(过渡模式)。当电路工作于Buck(降压)模式或工作于Boost(升压)模式时，电路可等效成典型的Buck或Boost结构。此种技术兼有Buck和Boost转换电路的优势，但仍有以下两个缺点：1)、工作模式较多，设计工作量大：每种模式下(Buck模式/Boost模式/Buck-Boost模式)均要进行闭合环路的稳定性设计，且实现模式间控制和切换的数字电路非常复杂；2)、需要采用高压工艺，生产成本高。

第二种是多增益电荷泵直流变换技术。此技术以开关电容技术为基础，将不同增益的电荷泵进行复合以产生升压和降压的功能。由于此种技术需要通过功率开关来调整电容的充放电方式，以实现增益的变换。所以复合的增益越多，需要的功率开关也越多，电路实现的规模也越大。此外，由于单一增益的电荷泵输出电压与输入电压有固定的比例关系，当输入电压变化时输出电压也跟随成比例变化，所以输出电压跟随输入电压成比例变化的特性使得此种电路不具有稳压输出的特性。该电路的特点是在驱动高饱和压降的发光二极管时，电源效率低。

第三种方式是采用电流源，由锂电池直接驱动方式，当电池电压较低时，背光效果很差，通常在低成本终端中采用。

发明内容

本发明解决的问题是现有驱动电路的工作模式多，实现工作模式切换的电路复杂和电源效率低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种发光二极管驱动电路，该驱动电路包括电池、电压检测电路、负压产生电路和切换电路，其中，所述电压检测电路连接于所述电池，检测电池的电压，在检测到电池的电压大于所述发光二极管的阈值电压时，产生第一控制信号；在检测到所述电池的电压小于所述发光二极管的阈值电压时，产生第二控制信号和负压使能信号；所述负压产生电路由所述负压使能信号驱动，产生负压；所述切换电路在所述第一控制信号控制下连通所述电池和发光二极管，由所述电池驱动所述发光二极管；在第二控制信号控制下连通负压产生电路、发光二极管和所述电池，由所述电池与负压产生电路共同驱动所述发光二极管。

可选地，所述电压检测电路包括分压电路、比较器、施密特反相器和反相器，其中，所述分压电路的输入端连接所述电池，所述分压电路的输出端连接于比较器的正相输入端；所述比较器的反相输入端输入与所述发光二极管的阈值电压成倍数关系的参考电压，该参考电压与所述阈值电压的倍数等于分压电路的输出端的电压与电池的电压的倍数，所述比较器的输出端连接于所述施密特反相器的输入端，施密特反相器的输出端连接于所述负压产生电路和所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接于所述切换电路。

可选地，所述分压电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和NMOS管，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻串联且第三电阻接地，所述比较器的正相输入端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，所述NMOS管的栅极连接于所述施密特反相器的输出端，漏极连接于第二电阻和第三电阻之间，源极接地。

可选地，所述负压产生电路是能产生负压的电荷泵电路。

可选地，所述负压产生电路包括使能开关、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关、第一电容、第二电容和非门，其中，所述使能开关由所述负压使能信号控制，该使能开关的输出端连接非门的输入端；所述第一模拟开关的第一端连接于电压源，第二端连接第二模拟开关的第一端，控制端连接使能开关的输出端；第二模拟开关的第二端接地，控制端连接非门的输出端；第三模拟开关的第一端接地，第二端连接第四模拟开关的第一端，控制端连接使能开关的输出端；第四模拟开关的第二端是所述负压产生电路的输出端；所述第一电容的第一端连接于第一模拟开关的第二端，第一电容的第二端连接于第三模拟开关的第二端；第二电容的第一端连接于地，第二电容的第二端连接于第四模拟开关的第二端；

所述负压使能信号控制所述使能开关闭合且时钟信号为高电平时，所述第一模拟开关和第三模拟开关闭合，第二模拟开关和第四模拟开关断开，由所述电压源向所述第一电容充电；所述负压使能信号控制所述使能开关闭合且时钟信号为低电平时，所述第一模拟开关和第三模拟开关断开，第二模拟开关和第四模拟开关闭合，由所述第一电容向所述第二电容放电，而产生负压。

可选地，所述切换电路包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和可变电流源，所述第一切换开关连接于负压产生电路和发光二极管，所述第二切换开关连接所述发光二极管和所述电池的负极，所述第三切换开关连接发光二极管和所述电池的正极，所述第四切换开关连接于可变电流源的输入端和电池的正极，可变电流源的输出端连接于所述发光二极管，在所述第一控制信号的控制下，所述第二切换开关和第四切换开关闭合，第一切换开关和第三切换开关断开，在所述第二控制信号控制下，所述第一切换开关和第三切换开关闭合，第二切换开关和第四切换开关断开。

本发明还提供一种驱动发光二极管的方法，该方法包括如下步骤：检测连接于发光二极管的电池的电压，在电池的电压大于发光二极管的阈值电压时，由电池的电压驱动发光二极管；在电池的电压小于发光二极管的阈值电压时，通过电池的电压和负压产生电路的负压之差驱动发光二极管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、由于能够在电池的电压大于所述发光二极管的阈值电压时，由电池驱动所述发光二极管，在电池电压低于所述发光二极管的阈值电压时，由电池和负压产生电路驱动发光二极管，这样，没有升压/降压模式，也不需要升压电路、降压电路、切换工作模式的电路以及控制工作模式的电路，降低了设计难度，生产成本低。

2、由于能够在电池的电压大于所述发光二极管的阈值电压时，由电池驱动所述发光二极管，在电池电压低于所述发光二极管的阈值电压时，由电池和负压产生电路驱动发光二极管，因此，驱动发光二极管的电压要么是电池的电压，要么是电池的电压和负压产生电路产生的负压之差，所以，不仅输出电压保持稳定，而且，通过调整负压产生电路产生的负压值和电池的电压值，可以使得饱和导通压降范围宽。

3、由于能够在电池的电压大于所述发光二极管的阈值电压时，由电池驱动所述发光二极管，在电池电压低于所述发光二极管的阈值电压时，由电池和负压产生电路驱动发光二极管，因此，不仅在整个电池工作范围内具有很高的电源效率，而且，输出各种负载电流时均可保持较高的效率。

附图说明

图1是本发明发光二极管驱动电路的原理框图；

图2是本发明发光二极管驱动电路的电压检测电路的结构示意图；

图3是本发明发光二极管驱动电路的负压产生电路的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明的发光二极管驱动电路包括电池1、电压检测电路2、负压产生电路3和切换电路4。所述驱动电路用于驱动发光二极管5。

请参阅图2并结合图1，所述电压检测电路2用于检测电池1的电压，也用于控制所述负压产生电路3和切换电路4。所述电压检测电路2包括分压电路21、比较器22、施密特反相器23和反相器24，。分压电路21包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和NMOS管M1。所述第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3串联且第三电阻R3接地。第一电阻R1的一端作为电压检测电路2的输入端连接所述电池1。第一电阻R1和第二电阻R2之间作为所述分压电路21的输出端连接于所述比较器22的正相输入端。所述NMOS管M1的栅极连接于所述施密特反相器23的输出端，漏极连接于第二电阻R2和第三电阻R3之间，源极接地。所述比较器22的反相输入端连接于带隙基准源，该带隙基准源用于产生参考电压，该参考电压的电压值和发光二极管的阈值电压成倍数关系，当然，为了比较电池1的电压和发光二极管5的阈值电压，所述参考电压与所述阈值电压的倍数等于分压电路21的输出端的电压与电池1的电压的倍数。所述施密特反相器23的输入端连接于比较器22的输出端，施密特反相器23的输出端连接于反相器24的输入端和三极管M1的栅极，还连接于所述负压产生电路3，该三极管M1的源极连接于R2和R3之间，漏极接地。所述反相器24的输出端连接切换电路4。

请参阅图3并结合图1，所述负压产生电路3用于产生负压，当然，其他能产生负压的电路也适用于本发明，在本实施例中采用能产生负压的电荷泵电路，所述负压产生电路3包括使能开关Sen、非门N1、第一模拟开关S1、第二模拟开关S2、第三模拟开关S3、第四模拟开关S4、第一电容C1和第二电容C2，其中，所述使能开关Sen由所述负压使能信号控制，亦即，由施密特反相器23输出的负压使能信号控制，该使能开关Sen的输出端连接非门N1的输入端。所述第一模拟开关S1的第一端连接于电压源Vin，第二端连接第二模拟开关S2的第一端，控制端连接使能开关Sen的输出端。第二模拟开关S2的第二端接地，控制端连接非门N1的输出端。第三模拟开关S3的第一端接地，第二端连接第四模拟开关S4的第一端，控制端连接使能开关Sen的输出端。第四模拟开关S4的第二端是所述负压产生电路3的输出端Vout。所述第一电容C1的第一端连接于第一模拟开关S1的第二端，第二端连接于第三模拟开关S3的第二端。第二电容C2的第一端连接于地，第二端连接于第四模拟开关S4的第二端，该第二端也可以认为是负压产生电路3的输出端Vout。

请继续参阅图1，所述切换电路4包括第一切换开关S5、第二切换开关S6、第三切换开关S7和第四切换开关S8。所述第一切换开关S5连接于负压产生电路3的输出端和发光二极管5。所述第二切换开关S6连接所述发光二极管5和所述电池1的负极。所述第三切换开关S7连接发光二极管5和所述电池1的正极。所述第四切换开关S8连接于可变电流源6的输入端和电池1的正极，可变电流源6的输出端连接于所述发光二极管5。

请参阅图1至图3，本发明的工作过程如下：

所述电压检测电路2检测电池1的电压，该电压经过分压电路21分压之后产生电压V1，该电压V1与所述参考电压Vref比较，当电压V1大于参考电压Vref时(亦即，电池1的电压大于发光二极管5的阈值电压)，比较器22输出高电平信号，施密特反相器23的输出UVLOENB为低电平信号，反相器24的输出UVLOEN为高电平信号(电压检测电路2产生第一控制信号)。施密特反相器23的输出UVLOENB为低电平信号不能使得负压产生电路3的使能开关Sen闭合，所以，在电池1的电压大于发光二极管5的阈值电压时，负压产生电路3不工作。反相器24的输出UVLOEN为高电平信号使得第一切换开关S5和第三切换开关S7断开，第二切换开关S6和第四切换开关S8闭合，从而，电池1驱动发光二极管5，此种情况下，通过可变电流源6控制发光二极管5的电流，可以控制发光二极管5的亮度。该可变电流源6通过电压Vcon控制，电压Vcon可以是电阻串联分压电路产生的电压，也可以是电流镜的偏置电压。

请继续参阅图1至图3，随着电池1的电压消耗，当电池1的电压消耗至Vref×(R1+R2+R3)/(R2+R3)时，也即电压V1下降至参考电压Vref时，比较器22输出低电平信号，施密特反相器23输出高电平信号(负压使能信号)，反相器24的输出为低电平信号(电压检测电路2产生第二控制信号)。此种情况下，反相器24的输出UVLOEN为低电平信号使得第一切换开关S5和第三切换开关S7闭合，第二切换开关S6和第四切换开关S8断开。施密特反相器23的输出UVLOENB为高电平信号使得负压产生电路3的使能开关Sen闭合，这样，时钟信号fctrl为高电平时，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3闭合，由于，非门N1的作用，N1输出为低电平使得第二模拟开关S2和第四模拟开关S4断开，电压源Vin向第一电容C1充电；在时钟信号fctrl为低电平时，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3断开，非门N1输出为高电平使得第二模拟开关S2和第四模拟开关S4闭合，第一电容C1向第二电容C2放电，第二电容C2上的电压是-Vin，也就是负压产生电路3产生了负压-Vin。而此时，由于第一切换开关S5和第三切换开关S7闭合，第二切换开关S6和第四切换开关S8断开，所以，此种情况下，驱动发光二极管5的是电池1与负压产生电路3，驱动发光二极管5的电压值是电池1的电压和负压产生电路3的电压之差，这样，在电池1的电压小于发光二极管5的阈值电压时，达到了通过电池1和负压产生电路3共同驱动发光二极管5的目的。需要说明的是，上述Vout＝-Vin是未考虑各模拟开关的压降获得的，在考虑开关压降时，Vin对第一电容C1进行充电，Vcl+＝Vin-Vtp-Vtn(Vtp为第一模拟开关S1的电压降，Vth为第三模拟开关S3的电压降)，Vcl-＝Vtn；当时钟信号为低电平时，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3关断，第二模拟开关S2和第四模拟开关S4闭合，第一电容C1上存储的电荷通过第二模拟开关S2和第四模拟开关S4传送到第二电容C2上，由于第二电容C2的高电位端接地，故输出端电压为Vout＝-(+Vin-Vtp)。当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流Iout，负载上具有-Iout/[(C+Csn+Csp)fctrl]大小的压降(Csn、Csp为开关极间电容，fctrl为控制信号频率)，则输出电压为：

Vout＝-{Vin-Vtp-Iout/[(C1+C1sn+C1sp)fctr]-Iout/[(C2+C2sn+C2sp)fctr]，式中，C1、C2分别为第一电容C1和第二电容C2的电容值，C1sn、C1sp、C2sn、C2sp分别是开关极间电容。

上述电路中，通过设置NMOS管M1，避免了电路在翻转点(阈值电压)震荡，因为，在电池1的电压低于发光二极管5的阈值电压时，施密特反相器23的输出为高电平信号，该高电平信号使得NMOS管M1导通，此种情况下使用电池1的电压驱动发光二极管5时候，电池1的电压是Vref×(R1+R2)/R2，而不是Vref×(R1+R2+R3)/(R2+R3)＝Vled，Vled表示发光二极管5的阈值电压，也就是说要使电池重新直接供电的电压要比Vled大，这也就实现了迟滞翻转的功能，防止电路在设定翻转点Vled震荡。

上述发光二极管驱动电路中，由于在电池1的电压大于发光二极管5的阈值电压时，通过电池1驱动发光二极管5，在电池1的电压低于发光二极管5的阈值电压时，通过电池1和负压产生电路3共同驱动发光二极管5，与现有技术相比，没有升压模式和降压模式，也不需要升压电路、降压电路、切换工作模式的电路以及控制工作模式的电路，所以，能够降低设计难度，而且，还不需要高压工艺，生产成本低。驱动发光二极管5的电压要么是电池1的电压，要么是电池1的电压与负压产生电路3产生的负压之差，所以，输出电压保持稳定，而且，通过调整负压产生电路3产生的负压值和电池1的电压值，可以使得饱和导通压降的范围宽。

通过上述的电路设置，还可以使得整个电池工作范围内具有很高的电源效率，在电池1的电压大于发光二极管5的阈值电压Vled时，采用电池直接给发光二极管5供电，此时电源效率为：式中，Vled和Vbat表示发光二极管5的电压和电池1的电压，Iled表示发光二极管5的电流。一般情况下，发光二极管5的电压Vled为3-4V，若采用3V阈值电压的发光二极管5，电池1的电压在3V-3.6V之间，效率能达到83％～100％。在电池1的电压小于发光二极管5的阈值电压Vled时，由于此时Vbat＜Vled，电池1单独给发光二极管5的话已经不能驱动二极管发光5，此时，电池1和负压产生电路3共同驱动发光二极管5，它两端的压差为Vbat-Vcp，Vcp是负压产生电路3产生的负压。通过改变负压Vcp的值使得Vbat-Vcp＞Vled，使得发光二极管5导通发光。此时电源效率为：其中Pcp为负压产生电路3开关导通和关闭所耗的功耗。实际应用中，可以调节Vcp的大小，使得在满足Vbat-Vcp＞Vled的前提下，效率达到最大。

通过上述的驱动电路，输出各种负载电流均可保持较高的效率，因为，在电池1的电压大于发光二极管5的阈值电压时，效率与电流无关，在电池1的电压小于发光二极管5的阈值电压时，效率由于Pcp只是负压产生电路3中的开关的功耗，一般来讲它的功耗很小，可以说理想情况下同样与电流负载无关，因此，输出各种负载电流时均可保持较高的效率。

上述的发光二极管驱动电路，不仅适用于发光二极管的共阴极方式，也适用于发光二极管的共阳极方式，工作过程如前所述，在此不再赘述。

通过上述发光二极管驱动电路的思路，本发明还提供一种驱动发光二极管的方法，该方法包括如下步骤：检测连接于发光二极管的电池的电压，在电池的电压大于发光二极管的阈值电压时，由电池的电压驱动发光二极管；在电池的电压小于发光二极管的阈值电压时，通过电池的电压和负压产生电路的负压之差驱动发光二极管。负压产生电路可以采用前述的结构，也可以采用其他能够产生负压的电路，同样的，在检测发光二极管的电池的电压时候，可以通过前述的电压检测电路实现，也可以通过其他的电压检测电路来实现。

Claims (7)

1.发光二极管驱动电路，其特征在于：包括电池、电压检测电路、负压产生电路和切换电路，其中，

所述电压检测电路连接于所述电池，检测电池的电压，在检测到电池的电压大于所述发光二极管的阈值电压时，产生第一控制信号；在检测到所述电池的电压小于所述发光二极管的阈值电压时，产生第二控制信号和负压使能信号；其中，所述电压检测电路包括分压电路和比较器；所述分压电路的输入端连接所述电池，所述分压电路的输出端连接于比较器的正相输入端；所述比较器的反相输入端输入与所述发光二极管的阈值电压成倍数关系的参考电压，该参考电压与所述阈值电压的倍数等于分压电路的输出端的电压与电池的电压的倍数；

所述负压产生电路由所述负压使能信号驱动，产生负压；

所述切换电路在所述第一控制信号控制下连通所述电池和发光二极管，由所述电池驱动所述发光二极管；在第二控制信号控制下连通负压产生电路、发光二极管和所述电池，由所述电池与所述负压产生电路共同驱动所述发光二极管。

2.根据权利要求1所述发光二极管驱动电路，其特征在于：所述电压检测电路还包括：施密特反相器和反相器，其中，所述比较器的输出端连接于所述施密特反相器的输入端，施密特反相器的输出端连接于所述负压产生电路和所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接于所述切换电路。

3.根据权利要求2所述发光二极管驱动电路，其特征在于：所述分压电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和NMOS管，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻串联且第三电阻接地，所述比较器的正相输入端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，所述NMOS管的栅极连接于所述施密特反相器的输出端，漏极连接于第二电阻和第三电阻之间，源极接地。

4.根据权利要求1所述发光二极管驱动电路，其特征在于：所述负压产生电路是能产生负压的电荷泵电路。

5.根据权利要求1或4所述发光二极管驱动电路，其特征在于：所述负压产生电路包括使能开关、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关、第一电容、第二电容和非门，其中，

所述使能开关由所述负压使能信号控制，该使能开关的输出端连接非门的输入端；所述第一模拟开关的第一端连接于电压源，第二端连接第二模拟开关的第一端，控制端连接所述使能开关的输出端；所述第二模拟开关的第二端接地，控制端连接非门的输出端；第三模拟开关的第一端接地，第二端连接第四模拟开关的第一端，控制端连接使能开关的输出端；第四模拟开关的第二端是所述负压产生电路的输出端；所述第一电容的第一端连接于第一模拟开关的第二端，第一电容的第二端连接于第三模拟开关的第二端；第二电容的第一端连接于地，第二电容的第二端连接于第四模拟开关的第二端；

所述负压使能信号控制所述使能开关闭合且时钟信号为高电平时，所述第一模拟开关和第三模拟开关闭合，第二模拟开关和第四模拟开关断开，由所述电压源向所述第一电容充电；所述负压使能信号控制所述使能开关闭合且时钟信号为低电平时，所述第一模拟开关和第三模拟开关断开，第二模拟开关和第四模拟开关闭合，由所述第一电容向所述第二电容放电，而产生负压。

6.根据权利要求1所述发光二极管驱动电路，其特征在于：所述切换电路包括第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关和可变电流源，所述第一切换开关连接于负压产生电路和发光二极管，所述第二切换开关连接所述发光二极管和所述电池的负极，所述第三切换开关连接发光二极管和所述电池的正极，所述第四切换开关连接于可变电流源的输入端和电池的正极，可变电流源的输出端连接于所述发光二极管，在所述第一控制信号的控制下，所述第二切换开关和第四切换开关闭合，第一切换开关和第三切换开关断开；在所述第二控制信号控制下，所述第一切换开关和第三切换开关闭合，第二切换开关和第四切换开关断开。

7.驱动发光二极管的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

利用分压电路将连接于发光二极管的电池的电压进行分压，并检测经所述分压后的电压，在经所述分压后的电压大于预设的参考电压时，由电池的电压驱动发光二极管；在经所述分压后的电压小于所述参考电压时，通过电池的电压和负压产生电路的负压之差驱动发光二极管；其中，所述参考电压与所述发光二极管的阈值电压的倍数等于经所述分压电路分压后的电压与电池的电压的倍数。