CN103220855B - Led电路及其驱动电路和驱动方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种LED电路及其驱动电路和驱动方法。LED电路包括：多个LED；输出电感，耦接多个LED；输出晶体管，耦接输出电感；以及LED驱动电路，耦接晶体管的栅极，LED驱动电路控制输出晶体管的开关状态并检测流过输出电感的电感电流，当检测到电感电流达到峰值时关断输出晶体管，当检测到电感电流过零时导通输出晶体管。本发明公开的LED电路实现了电流闭环控制，具有提供更均匀的光、更高的效率和更小尺寸输出电感等优点。

Description

LED电路及其驱动电路和驱动方法

技术领域

本发明涉及电源电路，具体涉及但不限于涉及带电流闭环控制的LED电路、LED驱动电路和驱动方法。

背景技术

发光二极管(LED)被广泛应用于多种场合，包括用于平板背光、照明和其它发光应用场合。传统的LED驱动电路采用在连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)中采用固定频率控制或恒定关断时间控制。为了提高在当今市场上的竞争力，LED驱动电路必须具有低的成本和高的能效。然而，现有LED驱动电路的能效不够高，元器件的数目和安装在印刷电路板上的体积也过大。

发明内容

为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出一种LED电路、LED驱动电路和驱动方法。

一种LED电路，包括：多个LED；输出电感，耦接多个LED；

输出晶体管，耦接输出电感；以及LED驱动电路，耦接输出晶体管的栅极，LED驱动电路控制输出晶体管的开关状态并检测流过输出电感的电感电流，当检测到电感电流达到峰值时关断输出晶体管，当检测到电感电流过零时导通输出晶体管。在一个实施例中，LED驱动电路包括过零检测电路，过零检测电路通过检测输出晶体管栅极的负电压尖冲来检测电感电流的过零。其中过零检测电路可包括：第一比较电路，具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端耦接输出晶体管的栅极，第二输入端耦接第一参考电压，第一比较电路将输出晶体管栅极上的栅极电压与第一参考电压进行比较来检测电感电流的过零。在一个实施例中，LED驱动电路进一步包括驱动控制电路、第二晶体管和第三晶体管，其中第二晶体管和第三晶体管的栅极耦接驱动控制电路，第二晶体管和第三晶体管串联耦接在电源电压和地之间，第二晶体管和第三晶体管的公共节点耦接输出晶体管的栅极，其中当输出晶体管被LED驱动电路关断时，输出晶体管的栅极通过由第三晶体管形成的第一电阻通路被下拉至地电位；过零检测电路进一步包括弱下拉电路，其中弱下拉电路耦接输出晶体管的栅极，输出晶体管的栅极通过由弱下拉电路形成的第二电阻通路下拉至地电位，其中第一电阻通路的阻值低于第二电阻通路的阻值。其中弱下拉电路可包括恒导通的晶体管或电流源。在一个实施例中，LED驱动电路包括集成电路，其中集成电路具有耦接至输出晶体管栅极的第一端和耦接至输出晶体管源极的第二端，LED驱动电路通过第一端检测电感电流的过零，通过第二端检测电感电流何时上升至峰值。LED驱动电路可进一步包括电感电流峰值检测电路和驱动控制电路，其中电感电流峰值检测电路包括第二比较电路用于检测电感电流何时上升至峰值，第二比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电感电流，第二输入端耦接参考电压，输出端耦接驱动控制电路。

一种LED驱动电路，包括：第一比较电路，检测流过输出电感的电感电流的过零，其中输出电感耦接多个LED和输出晶体管，第一比较电路通过检测输出晶体管的栅极电压检测电感电流的过零；第二比较电路，检测电感电流何时上升至峰值；以及驱动控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接第一比较电路，第二输入端耦接第二比较电路，输出端耦接输出晶体管的栅极，当电感电流过零时驱动控制电路将输出晶体管导通，当电感电流上升到峰值时驱动控制电路将输出晶体管关断。其中集成电路具有耦接至输出晶体管栅极的第一端和耦接至输出晶体管源极的第二端，第一比较电路通过第一端检测电感电流的过零，第二比较电路通过第二端检测电感电流何时上升至峰值。

一种驱动LED的方法，包括：检测流过与LED耦接的输出电感的电感电流；检测电感电流何时上升至峰值；当电感电流上升至峰值时，关断与输出电感耦接的输出晶体管；检测电感电流何时过零；当电感电流过零时，导通输出晶体管。其中检测电感电流何时上升至峰值可包括：将电阻与输出电感串联耦接；检测电阻两端的电压；以及将电阻两端的电压与第一参考电压比较以检测电感电流是否上升至峰值。其中检测电感电流何时过零可包括：检测输出晶体管的栅极电压；以及将输出晶体管的栅极电压与第二参考电压比较以检测电感电流是否过零。其中检测电感电流何时过零可包括：通过检测输出晶体管栅极上的负电压尖冲来确定电感电流过零；或通过检测输出晶体管栅极负电压尖冲后的回冲来确定电感电流过零。在一个实施例中，关断输出晶体管包括：在第一时间段内，将输出晶体管的栅极电压通过第一电阻通路下拉至地电位；以及在第一时间段后的第二时间段内，将输出晶体管的栅极电压通过第二电阻通路下拉至地电位，其中第一电阻通路的阻值低于第二电阻通路的阻值。

根据本发明的实施例所提供的LED电路、LED驱动电路和驱动方法，实现了电流闭环控制，具有提供更均匀的光、更高的效率和更小尺寸输出电感等优点。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1示出了根据本发明一实施例的LED电路示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的对应图1中LED电路的LED驱动电路的具体示意图；

图3示出了图1中LED电路的多个信号波形，用于阐释根据本发明一实施例的驱动LED的方法。

贯穿所有附图相同的附图标记代表相同或相似的部件或特征。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。

图1示出了根据本发明一实施例的LED电路100示意图。在图1的实施例中，LED电路100包括LED驱动电路101，输入电容Cin，输出电容Cout，二极管D1，多个LED组成的LED串102，输出电感L1，输出晶体管S1以及检测电阻Rsense。

在图1的实施例中，LED电路100接收输入电压VIN，其中VIN经输入电容Cin滤波并在二极管D1的阴极产生一直流电压。输入电压VIN可为经整流桥(未示出)整流的电压。LED电路100的输出电压VOUT为跨电容Cout两端的电压。

在图1的实施例中，LED驱动电路101包括集成电路(IC)，该集成电路具有电源VCC端、接地端(GND)，驱动DRIVE端和电流检测端(CS)。LED驱动电路101还可包括其它端，用于增加其它的功能，例如调光控制等。输入到VCC端的5V的供电电压仅用于示例，也可为其它的值。LED驱动电路101也可为分立的集成电路。

LED驱动电路101的DRIVE端耦接晶体管S1的栅极。在图1的实施例中，晶体管S1包括N-沟道MOSFET。相应地，LED驱动电路101通过向晶体管S1的栅极提供高电平信号用于将晶体管S1导通，通过向晶体管S1的栅极提供低电平信号用于将晶体管S1关断。应当知道，晶体管S1以及本实施方式中的其它晶体管的开关电压水平和极性，可以有多种不同的方式，取决于采用的晶体管的类型。

当LED驱动电路101将晶体管S1导通时，流过输出电感L1的电感电流依次流过LED102、输出电感L1、晶体管S1和电阻Rsense。电阻Rssense两端的电压因此可表征电感电流，而电感电流代表LED102的亮度。LED驱动电路101通过将CS端耦接到晶体管S1的源极来检测电阻Rsense两端的电压。当晶体管S1导通时电感电流上升。当检测到电感电流上升至峰值阈值时，LED驱动电路101通过提供给晶体管S1栅极一个低电平的信号来关断晶体管S1。在一个实施例中，峰值阈值可调。当晶体管S1关断时，电感电流流过LED102，输出电感L1和二极管D1。

当晶体管S1关断时，电感电流下降。在这段时间内，因为晶体管S1被关断，输出电感L1和电阻Rsense断开，因此不能再通过CS端检测电感电流。由下面的阐述可知，此时LED驱动电路101在DRIVE端通过检测晶体管S1的栅极电压来实现对电感电流的过零检测，即检测电感电流何时降到零值。当检测到电感电流过零时，LED驱动电路101重新将晶体管S1导通，新的周期又重复开始。

由上述论述应当知道，当电感电流降到零值时晶体管S1导通，当电感电流上升至峰值时晶体管S1关断，因此创建了一个电流闭环。由于流过LED102的电流为电感电流的平均值，且电感电流为理想的闭环，可以预见流过LED102的LED电流被调节为电感电流峰值的一半。和现有的解决方案相比，本发明实施例中的电路可以提供更均匀的光，更高的效率和具有更小尺寸的输出电感。

图2示出了根据本发明一实施例的LED驱动电路101的具体细节。在图2的实施例中，LED驱动电路101包括晶体管S2，晶体管S3，驱动控制电路U3，包括弱下拉电路201和比较电路U1的过零检测电路，以及包括比较电路U2的电感电流检测电路。图2还示出了之前描述过的LED驱动电路101的VCC端，DRIVE端和CS端。

图2示出了跨接于晶体管S1栅极和漏极之间的电容C1。在一个实施例中，电容C1为晶体管S1的米勒(Miller)电容。应当知道，米勒电容为晶体管S1栅极和漏极之间的寄生电容，而不是独立存在的电容。在其它的一些实施例中，电容C1为独立的电容(相对于寄生电容而言)。在晶体管S1关断期间，LED驱动电路101在DRIVE端通过电容C1检测电感电流的过零状态。图2还示出了之前介绍过的二极管D1和电阻Rsense。为了使描述清楚，LED电路100的其它部件在图2中未示出。

当晶体管S1导通时，电流流过晶体管S1，在电阻Rsense两端形成电压。为了检测电感电流的峰值，比较电路U2将电阻Rsense两端电压和参考电压VREF1进行比较。通过选择电阻Rsense和参考电压VREF1的水平来设定特定的电感电流峰值。该特征使得本领域内的客户可以调节电感电流闭环。当电阻Rsense两端的电压超过参考电压VREF1时，也即电感电流超过峰值阈值时，比较电路U2向驱动控制电路U3输出关断控制信号(在该实施例中为高电平信号)，用于指示电感电流达到峰值。在检测到电感电流达到峰值时，驱动控制电路U3向包括晶体管S2和晶体管S3的缓冲电路输出高电平的信号。

驱动控制电路U3输出的高电平信号将晶体管S2关断，将晶体管S3导通。当晶体管S3处于导通状态时，晶体管S3将晶体管S1的栅极电压拉低到地电位。晶体管S3可将晶体管S1的栅极电压强力拉低，因为S3提供了一个低电阻的导通路径将晶体管S1的栅极拉低到地电位。经过预定的延迟时间后，驱动控制电路U3的输出端浮置，即使其输出端处于高阻状态。这使得晶体管S2和晶体管S3都被关断。当晶体管S2和晶体管S3都关断时，弱下拉电路201将晶体管S1的栅极以较弱的力量下拉至地电位，以防止晶体管S1重新导通。弱下拉电路201因其对晶体管S1的栅极提供较高的电阻，从而提供较弱的下拉力量。例如，晶体管S3在其导通时具有0.12欧姆的阻值，而弱下拉电路201可能持续地具有100K欧姆的阻值。应当知道，上述的数值只用于举例而并不用于限制。

在图2的实施例中，弱下拉电路201包括晶体管S4。在另外一个实施例中，弱下拉电路包括电流源(见201A)。在又一个实施例中，弱下拉电路包括电阻(见201B)。如图2所示，弱下拉电路201在晶体管S1的栅极和地之间持续提供较高的电阻。由于晶体管S3提供了强下拉功能，即形成到地的低电阻通路，当晶体管S3导通时，晶体管S3能轻松地抵消弱下拉电路201形成的高电阻。弱下拉电路201的阻值选择为当晶体管S3关断时晶体管S1避免被导通。

弱下拉电路201使得能通过晶体管S1的栅极电压来实现对电感电流的过零检测。当晶体管S1关断时，电感电流向电容C1充电。然而，二极管D1的阳极电压被钳制在输入电压VIN。这使得当电感电流过零时晶体管S1的栅极电压出现负电压尖冲。通过比较晶体管S1的栅极电压和参考电压VREF2，该负电压尖冲被比较电路U1检测。此时，比较电路U1可输出导通控制信号至驱动控制电路U3。在另一个实施例中，比较电路U1在检测到负电压尖冲后，先等待一段时间，在晶体管栅极电压出现回冲后再向驱动控制电路U3输出导通控制信号。比较电路U1输出的导通控制信号，如高电平的信号，指示了电感电流的过零状态。

在接收到比较电路U1输出的导通控制信号后，驱动控制电路U3向包括晶体管S2和晶体管S3的缓冲电路输出低电平的信号。该低电平信号将晶体管S2导通，将晶体管S3关断。晶体管S2导通后，供电电压VCC为晶体管S1的栅极供电，使得晶体管S1导通。供电电压VCC屏蔽了弱下拉电路201的弱下拉能力，使得晶体管S1保持导通状态。当晶体管S1导通时，电感电流上升，周期重复进行。

图3示出了对应LED电路100的波形图，用于示出根据本发明一实施例的LED驱动方法。为了方便描述，波形图将结合LED电路100中的部件进行说明。但本领域的具有普通技术水平的人员应当知道，图3的波形可通过不脱离本发明主旨的其它形式的部件来实现。

图3示出了流过输出电感L1的电感电流(IL)和输出晶体管S1栅极上的栅极电压(VG)的相对于时间的波形图。在图3的实施例中，从时间T0到T1，晶体管S1的栅极电压处于有效状态，例如高电平信号。因此，晶体管S1处于导通状态，电感电流上升。

在时间T1，检测到电感电流的峰值。在一个实施例中，电感电流的峰值限制在一个峰值阈值。当电感电流上升到峰值阈值，即被视为检测到电感电流的峰值。一旦检测到电感电流的峰值，晶体管S1的栅极电压被置为无效状态，例如被施加低电平电压，使得晶体管S1关断。在一个实施例中，在时间T1和T2期间，晶体管S1的栅极通过一个低阻的通路被强下拉到地电位，然后从时间T2开始，通过一个高阻的通路被弱下拉到地电位。在一个实施例中，从时间T1到T2的时间段长度可少于从时间T1到T4的关断时间的10％。低阻通路的阻值低于高阻通路的阻值。将晶体管S1的栅极拉低到地电位使得晶体管S1被关断。

在时间T3，通过晶体管S1的栅极电压检测到电感电流过零。检测电感电流的过零状态可通过检测到晶体管S1栅极电压的负电压尖冲得到，也可通过在负电压尖冲后检测晶体管S1栅极电压的回冲得到。负电压尖冲可从零电平开始变化到一个负值。电感电流的过零也可通过检测栅极电压尖冲后的回冲来测得。在检测到电感电流的过零状态后，在时间T4，晶体管S1被导通，使得电感电流再次上升。新的周期开始，接下来进行下一次电感电流峰值的检测。

上述描述公开了一些驱动LED的新的方法和电路。上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (12)

1.一种发光二极管(LED)电路，包括：

多个LED；

输出电感，耦接多个LED；

输出晶体管，耦接输出电感；以及

LED驱动电路，耦接输出晶体管的栅极，LED驱动电路控制输出晶体管的开关状态并检测流过输出电感的电感电流，当检测到电感电流达到峰值时关断输出晶体管，当检测到电感电流过零时导通输出晶体管，其中LED驱动电路包括：

过零检测电路，过零检测电路通过检测输出晶体管栅极的负电压尖冲来检测电感电流的过零；

驱动控制电路、第二晶体管和第三晶体管，其中第二晶体管和第三晶体管的栅极耦接驱动控制电路，第二晶体管和第三晶体管串联耦接在电源电压和地之间，第二晶体管和第三晶体管的公共节点耦接输出晶体管的栅极，其中当输出晶体管被LED驱动电路关断时，输出晶体管的栅极通过由第三晶体管形成的第一电阻通路被下拉至地电位；

其中过零检测电路进一步包括弱下拉电路，其中弱下拉电路耦接输出晶体管的栅极，输出晶体管的栅极通过由弱下拉电路形成的第二电阻通路下拉至地电位，其中第一电阻通路的阻值低于第二电阻通路的阻值。

2.如权利要求1所述的LED电路，其中过零检测电路包括：

第一比较电路，具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端耦接输出晶体管的栅极，第二输入端耦接第一参考电压，第一比较电路将输出晶体管栅极上的栅极电压与第一参考电压进行比较来检测电感电流的过零。

3.如权利要求1所述的LED电路，其中弱下拉电路包括恒导通的晶体管。

4.如权利要求1所述的LED电路，其中弱下拉电路包括电流源。

5.如权利要求1所述的LED电路，其中LED驱动电路包括集成电路，其中集成电路具有耦接至输出晶体管栅极的第一端和耦接至输出晶体管源极的第二端，LED驱动电路通过第一端检测电感电流的过零，通过第二端检测电感电流何时上升至峰值。

6.如权利要求1所述的LED电路，其中LED驱动电路进一步包括电感电流峰值检测电路和驱动控制电路，其中电感电流峰值检测电路包括第二比较电路用于检测电感电流何时上升至峰值，第二比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电感电流，第二输入端耦接参考电压，输出端耦接驱动控制电路。

7.一种LED驱动电路，包括：

第一比较电路，检测流过输出电感的电感电流的过零，其中输出电感耦接多个LED和输出晶体管，第一比较电路通过检测输出晶体管的栅极电压检测电感电流的过零；

第二比较电路，检测电感电流何时上升至峰值；

驱动控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接第一比较电路，第二输入端耦接第二比较电路，输出端耦接输出晶体管的栅极，当电感电流过零时驱动控制电路将输出晶体管导通，当电感电流上升到峰值时驱动控制电路将输出晶体管关断；以及

第二晶体管和第三晶体管，其中第二晶体管和第三晶体管的栅极耦接驱动控制电路，第二晶体管和第三晶体管串联耦接在电源电压和地之间，第二晶体管和第三晶体管的公共节点耦接输出晶体管的栅极，其中当输出晶体管被LED驱动电路关断时，输出晶体管的栅极通过由第三晶体管形成的第一电阻通路被下拉至地电位；

弱下拉电路，其中弱下拉电路耦接输出晶体管的栅极，输出晶体管的栅极通过由弱下拉电路形成的第二电阻通路下拉至地电位，其中第一电阻通路的阻值低于第二电阻通路的阻值。

8.如权利要求7所述的LED驱动电路，所述LED驱动电路为集成电路，其中该集成电路具有耦接至输出晶体管栅极的第一端和耦接至输出晶体管源极的第二端，第一比较电路通过第一端检测电感电流的过零，第二比较电路通过第二端检测电感电流何时上升至峰值。

9.一种驱动LED的方法，包括：

检测流过与LED耦接的输出电感的电感电流；

检测电感电流何时上升至峰值；

当电感电流上升至峰值时，关断与输出电感耦接的输出晶体管；

通过检测输出晶体管栅极上的负电压尖冲来检测电感电流何时过零；

当电感电流过零时，导通输出晶体管；

其中关断输出晶体管包括：

将第二晶体管和第三晶体管的栅极耦接驱动控制电路，将第二晶体管和第三晶体管串联耦接在电源电压和地之间，将第二晶体管和第三晶体管的公共节点耦接输出晶体管的栅极，在第一时间段内，将输出晶体管的栅极电压通过由第三晶体管形成的第一电阻通路下拉至地电位；以及

将弱下拉电路耦接输出晶体管的栅极，在第一时间段后的第二时间段内，将输出晶体管的栅极电压通过由弱下拉电路形成的第二电阻通路下拉至地电位，其中第一电阻通路的阻值低于第二电阻通路的阻值。

10.如权利要求9所述的方法，其中检测电感电流何时上升至峰值包括：

将电阻与输出电感串联耦接；

检测电阻两端的电压；以及

将电阻两端的电压与第一参考电压比较以检测电感电流是否上升至峰值。

11.如权利要求9所述的方法，其中检测电感电流何时过零包括：

检测输出晶体管的栅极电压；以及

将输出晶体管的栅极电压与第二参考电压比较以检测电感电流是否过零。

12.如权利要求9所述的方法，其中检测电感电流何时过零包括：通过检测输出晶体管栅极负电压尖冲后的回冲来确定电感电流过零。