CN103444264A - 电流平衡电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于平衡目标电路中多个并联的电路支路中的各个电流的电流平衡电路及方法。该电流平衡电路包括多个平衡晶体管，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联，以及选择电路，用于选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

Description

电流平衡电路及方法

技术领域

本发明涉及用于平衡目标电路中并联的电路支路中的电流平衡电路以及方法。

背景技术

电流镜像技术是创造跟随基准电流的一个电流源或多个电流源的已知方法。电流源可为（例如）发光二极管（LED）串。该基本概念基于双结型晶体管（BJT）的使用在图1中加以说明。从本质上说，假设两个BJT是匹配的或相同的。通常，集电极与基极连接在一起的支路的电流形成基准电流。在图l中，BJT Ql中的集电极电流I_REF作为基准电流。

电路的方程如下：

I_REF=I_Cl+2I_B       (1)

其中I_Cl为BJT Ql的集电极电流，且I_B为Ql及Q2的基极电流。因为I_Cl=βI_B，所以方程式（1）可表达为：

I_REF=βI_B+2I_B=（β+2）I_B        (2)

其中β为BJT的电流增益。

对于BJT Q2，集电极电流为：

I_OUT=βI_B          (3)

从（2）和（3）得到：

$I_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+2}{I}_{\mathrm{REF}}$

因为BJT的β值的范围通常为40至250，因此（4）中的受控电流源I_OUT约等于I_REF。因此，可称该受控电流源I_OUT跟随该基准电流源I_REF。

电流镜像电路也可使用如图2的MOSFET实施。有电流镜像的其他变型如图3所示的威尔森电流镜像及图4所示的改良的威尔森电流镜像。在现存方法中，一个支路必须固定作为为基准电流源。在电流镜像电路的传统使用中，基准电流的选择不变。

图5展示了这种应用的一个例子，在该应用中，LED器件配置为三串。即使每个LED串具有相同数量的串联的LED器件，LED串两端的电压降会因为LED器件特征的细微变化而不相同。由于LED器件对温度敏感，因此甚至有电流的不平衡随温度而改变的可能。

因此，LED串的电流的不平衡为LED应用中的常见问题。这种电流不平衡可导致LED串发光不均匀。因为LED器件的寿命对电流敏感，若LED的电流由于电流不平衡而超过LED器件的最大电流额定值，那么LED产品的寿命可能缩短。在2008年11月的EDN杂志第45-49页中由Chris Richardson发表的标题为“在在串并联阵列中驱动大功率LED(Driving high-power LEDs inseries-parallel arrays)”的文章中指出两个LED串之间的甚至0.42v的小电压差可造成显著的电流不平衡。

为应对并联LED串的电流不平衡问题，研究人员近来已提出各种方法。在2007年10月的IEEE工业电子学会刊第54卷，第5期，第2751至2760页中由Huang-Jen Chiu与Shih-Jen Cheng发表的标题为“用于大型LCD面板的LED背光驱动系统（LED Backlight Driving System for Large-Scale LCDPanels）”的文章中，如图6所示，提出基于单独基准电流源的基本电流镜像技术。这种方法需要单独的电源V_d，电阻R_d以及BJT Qr以形成基准电流源。应当要注意的是，该受控基准电流源不是并联LED串的一部分，因此，该受控基准电流源的形成涉及额外的成本及增加的电路复杂性。该实施突出以下事实：由于并联LED串的电流不平衡不能预先确定，因此现存的电流镜像技术需要一种好控制的基准电流源。

使用电流镜像概念及单独的外部电源（与图6的电源类似）的其他想法如下面参考：

（1）美国专利7605809，Wey等人，2009年10月20日，针对使用电源和额外比较器阵列以用闭合回路控制方式平衡电流；

（2）美国专利7642725，Cusinato等人，2010年1月5日，针对使用电源和闭合回路控制电路以平衡LED串电流；以及

（3）美国专利6621235，Chang，2003年9月16日，针对使用电源和闭合回路控制电路以平衡LED串电流。

降低电流不平衡的另一种先前提议，其报告于IEEE电力电子学汇刊，2008年，第23卷，第6期，第3116-3125页中，由Yuequan Hu与Milan M.Jovanovic发表的标题为“具有自适应驱动电压的LED驱栋器（LED Driver WithSelf-Adaptive Drive Voltage）”的文章中使用了如图7a所示的由外部电源Vcc供电的线性整流器。图7a的精确电路实施如图7b所示。在该方法中，如图7a所示，每个支路中的电流具有由用单独电源Vcc供电的中央控制电路控制的闭合回路控制。

与图7a及图7b类似的想法也报告于以下文献中：

（1）2007年的电力电子及驱动系统PEDS国际会议（InternationalConference on Power Electronics and Drive Systems PEDS2007)第1613-1617页中Chang-Hua Lin，Tsung-You Hung，Chien-Ming Wang及Kai-Jun Pai提交的“高功率LED背光的平衡策略及均流器的实施（A Balancing Strategy andImplementation of Current Equalizer for High Power LED Backlighting）”；以及

（2）美国专利7675240，2010年3月9日，针对使用如图7a所示的相同概念。

概括而言，用于电流平衡或共享应用的现存的电流镜像概念可在图8中加以说明，该概念突出以下需求：（i）外部电源；以及（ii）相关的控制电路。

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供有用的替代方案。

发明内容

第一方面，本发明提供一种用于平衡目标电路中多个并联的电路支路中的各个电流的电流平衡电路，该电流平衡电路包括：多个平衡晶体管，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联；以及选择电路，用于选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，该电流平衡电路为被动电流平衡电路。同时优选地，该选择电路自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，该选择电路包括用于每个电路支路的选择开关，每个选择开关在各个电路支路和连接到该电路支路的平衡晶体管的基极之间连接，该选择电路选择性地闭合选择开关中的一个以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，每个平衡晶体管的基极相互连接，从而当选择电路选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到平衡晶体管中的一个平衡晶体管的基极时，电路支路中具有最小电流的电路支路也与其他平衡晶体管的基极连接。

在一个实施例中，该选择电路包括用于每个电路支路的选择二极管，每个选择二极管从各个电路支路连接且向前偏置到第一点，每个选择开关与第二点连接，且该第一点与该第二点相互连接。优选地，该第一点与该第二点通过限流电阻相互连接。

优选地，每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与该第二点连接。

在另一实施例中，该选择电路包括连接于电路支路与选择开关之间的选择电阻网络，该选择电阻网络选择性地闭合选择开关中的一个，以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与选择电阻网络连接。

优选地，如果电路支路之间的电流的不平衡不足以驱使开关晶体管中的任一开关晶体管饱和，则电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向每个开关晶体管，与此同时每个开关晶体管工作于线性模式。

优选地，每个平衡晶体管的基极相互连接，且其中若电路支路之间的电流的不平衡足以驱使连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管饱和，电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管，从而将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到相互连接的每个平衡晶体管的基极。

优选地，该电流平衡电路包括用于每个开关晶体管的阻流二极管，每个阻流二极管连接于各个电路支路与各个开关晶体管的集电极之间，同时该阻流二极管向前偏置到该各个开关晶体管的集电极。

优选地，该电流平衡电路包括用于每个平衡晶体管的稳定电阻，每个稳定电阻串联于各个平衡晶体管的发射极与各个电路支路之间。

优选地，该电流平衡电路包括反馈辅助电路，该反馈辅助电路连接到电路支路以进一步平衡电路支路中的电流。优选地，该反馈辅助电路包括至少一个连接在两个电路支路之间的运算放大器，该运算放大器具有连接到两个电路支路中的一个的反相输入端、连接到两个电路支路中的另一个的非反相输入端及连接到与两个电路支路中的一个连接的平衡晶体管的基极的输出端。在一个变化中，其中该运算放大器由电路支路中的一个电路支路两端的电压供电。在另一个变化中，该运算放大器由具有RC滤波器的电源电路供电。

在又一实施例中，选择电路将电路支路的预定的电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值。

优选地，该预定的电路支路包括用于降低该预定的电路支路的电流的电流槽。该电流槽优选为电阻性元件，如电阻。

优选地，该选择电路包括连接于该预定电路支路与每个平衡晶体管的基极之间的连接件。

在第二方面，本发明提供了一种用于平衡目标电路中多个并联的电路支路中的各个电流的方法，该方法包括以下步骤：提供多个平衡晶体管，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联；以及选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，电路支路中具有最小电流的电路支路用被动电路选择性地连接到每个平衡晶体管的基极。

优选地，该方法包括自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接每个平衡晶体管的基极。

优选地，该方法包括通过从电路支路获取反馈以及基于该反馈调整电流来使用反馈辅助进一步平衡电路支路中的电流。

在一个实施例中，该方法包括将电路支路的预定电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值。

优选地，该方法包括提供电流槽以降低该预定的电路支路的电流。

附图说明

现结合附图仅作为实例描述根据本发明的最佳模式的优选实施例，在附图中：

图1为现有技术的基本镜像电路的示意图，该图展示了需要由单独电源Vcc供电的预定的基准电流源；

图2为基于MOSFET的现有技术的基本镜像电路的示意图，该图展示了需要由单独电源V_DD供电的预定的基准电流源；

图3为现有技术的具有预定的基准电流源的威尔森镜像电路的示意图；

图4为现有技术的具有预定的基准电流源的改进的威尔森镜像电路的示意图；

图5为具有不平衡电流的串联LED串的示意图。

图6为用于平衡串联LED串的电流的现有技术的电流镜像电路的示意图，该图展示了需要外部电源和控制电路；

图7a为用于平衡串联LED串的电流的现有技术的电流镜像电路的示意图，该电流镜像电路由单独外部电源Vcc供电的线性整流器且该电流镜像电路需要控制电路；

图7b为图7a所示的电路的实施的示意图；

图8为用于平衡并联电路支路的电流的现有技术的一般电流镜像电路的示意图，该图展示了需要外部电源和控制电路；

图9为现有技术的电流镜像电路的实验性设置的示意图；

图10a为具有两个串联LED串的目标电路的实验性设置的示意图，其中，一串（串1）具有小于另一串（串2）的电流I₂的电流I₁(I₁<I₂）；

图10b为图10a的实验性设置的示意图，该实验性设置进一步包括现有技术的电流镜像电路，其中，串1中的较小的电流I₁作为基准电流；

圆10c为图10a的实验性设置的示意圈，该实验性设置进一步包括现有技术中的电流镜像电路，其中，串2中的较大电流I₂作为基准电流；

图10d为图10b的实验性设置的示意图，该实验性设置进一步包括电阻器以避免晶体管饱和；

图10e为图10c的实验性设置的示意图，该实验性设置进一步包括电阻器以避免晶体管饱和；

图10f为图10d的实验性设置的示意图，该实验性设置进一步包括额外电阻器以避免晶体管饱和；

图10g为图10e的实验性设置的示意图，该实验性设置进一步包括额外电阻器以避免晶体管饱和；

图11为根据本发明的实施例的电流平衡电路的示意图；

图12为根据本发明的实施例的电流平衡电路的示意图，其中，目标电路具有并联LED串，I₁>I₂>I₃及V_CE1>V_CE2>V_CE3`；

图13为根据本发明的另一实施例的电流平衡电路的示意图，其中，目标电路具有并联LED串；

圆14a为根据本发明的另一实施例的电流平衡电路的示意图，其中，目标电路具有并联LED串，I₁>I₂>I₃及V_CE1>V_CE2>V_CE3，且该示意图展示了经由粗线所示的传导通路连接到开关S3的具有I₁的电路支路；

图14b为对应于图14a中所示的电流平衡电路的有效电路的示意图；

图15为根据本发明的实施例的一般电流平衡电路的示意图﹔

图16为根据本发明的另一实施例的一般电流平衡电路的示意圈，该一般电流平衡电路包括稳定电阻R_E；

图17为根据本发明的又一实施例的电流平衡电路的示意图；

图18为根据本发明的实施例的突出异常电流流动的电流平衡电路的示意图；

图19a为根据本发明的实施例的电流平衡电路的示意图；

图19b为图19a中所示的电流平衡电路的示意图，该电流平衡电路进一步包括阻流二极管以阻断异常电流流动；

图19c为图19b中所示的突出异常电流流动的电流平衡电路的示意圈；

图20为根据本发明的另一实施例的电流平衡电路的示意图；

圈21为被动LED驱动器的示意图，该被动LED驱动器为三个并联LED串产生电流源；

图22为根据本发明的又一实施例的电流平衡电路的示意图；

图23为根据本发明的另一实施例的电流平衡电路的示意图；

图24为根据本发明的另一实施例的电流平衡电路的示意图；

圈25为现有技术的反馈辅助电流镜像电路的示意图；

图26为根据本发明的实施例的包括反馈辅助电路电流平衡电路的示意图；

图27为图26中所示的电流平衡电路的两个LED串中的测量电流图，其中，已移除反馈辅助电路，图27展示了一串中的电流为677mA的和另一串中的电流为564mA；

图28为图26中所示的电流平衡电路的两个LED串中的测量电流图，其中，已移除反馈辅助电路，图27展示了一串中的电流为604mA的和另一串中的电流为603mA；以及

图29为根据本发明的另一实施例的包括反馈辅助电路电流平衡电路的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种克服或改善上述现有技术的问题的电流平衡电路及方法。使用现存电流镜像电路及方法用于目标电路中的并联支路的另一主要问题，该问题在文献中未提及，该问题是除非使用单独的适当受控基准电流源，否则在并联支路中选择支路最佳电流源作为基准并不容易。

在图5的实例中，并联发光二极管（LED）串之间的电流不平衡的量通常是未知的。在这个未知情形下为电流镜像电路选择合适的电流基准成为重要的实际问题。此问题可用以下描述加以解释。

认为两个并联LED串代表图9中的电流源。如果I₁小于I₂,，则I₁在基本电流镜像电路中作为基准用于电流平衡。因为BJT Q2可在“线性模式”下工作，以使该BJT Q2的集电极及发射极两端的电压（V_CE2）将由LED串2中的电流镜像作用加以控制以便降低LED串的间的电压不平衡从而降低I₂。

但是，如果I₁大于I₂,，则即使Q2以最小的V_CE2饱和（也就是在饱和模式下完全导通）I₂也不能充分增大以与I₁匹配（如果I₁比I₂大得多）。这意味着为了降低并联LED串之间的电流不平衡，作为基准电流源的最佳选择是具有最低电流的LED串。

为了确认该要点，已进行多组基于图1的BJT电流镜像电路的实验，该多组试验的结果列于下面的表l中。图10a展示了如表1所列的具有不平衡电流的两个LED串。

表1：图10a至图10g所示电流镜像电路的实验结果。

概括而言，参看表1中的实验结果，降低并联LED串之间的电流不平衡可在以下三个条件下完成：

（1）将最小电流源选作基准电流﹔

（2）晶体管应在线性区域（且不在饱和区域）工作；以及

（3）不应发生晶体管的热击穿。

条件（2）及条件（3）通常通过精心的电路设计得到满足。然而，因为除非在生产前测试每一个LED串，否则在大量生产中没人知道产品中在多个并联LED串中哪个LED串具有最小电流，因此条件（1）是用于并联电路支路如并联LED串的电流平衡的普遍问题。

参见图11至图29，本发明的优选实施例提供一种用于平衡目标电路中的多个并联电路支路的各个电流的电流平衡电路。该电流平衡电路包括多个个平衡晶体管Ql到QN，每个平衡晶体管均具有集电极，发射极及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联。该电路平衡电路也包括选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极的选择电路。该电流平衡电路优选为被动电流平衡电路，仅包括被动电路元件，因而该电流平衡电路不需单独的或外部的电源。

该选择电路自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

该选择电路包括用于每个电路支路的选择开关S1到SN，每个选择开关在各个电路支路和连接到该电路支路的平衡晶体管的基极之间连接，该选择电路选择性地闭合选择开关中的一个以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

在一些实施例中，每个平衡晶体管的基极相互连接，从而当选择电路选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到平衡晶体管中的一个平衡晶体管的基极时，电路支路中具有最小电流的电路支路也与其他平衡晶体管的基极连接。较佳地，每个平衡晶体管的基极通过线连接件简单地相互连接。

在一个实施例中，该选择电路包括用于每个电路支路的选择二极管D1到DN，每个选择二极管从各个电路支路连接且向前偏置到第一点，点A，每个选择开关与第二点连接，点B，且该第一点与该第二点相互连接。点A与点B通过限流电阻R_B相互连接。

每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管S1到SN，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与该第二点连接。可以理解的是每个开关晶体管可可被称为S1到SN。

如果电路支路之间的电流的不平衡不足以驱使开关晶体管S1到SN中的任一开关晶体管饱和，则电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向每个开关晶体管，与此同时每个开关晶体管工作于线性模式。

如果每个平衡晶体管Q1到QN的基极相互连接，且其中若电路支路之间的电流的不平衡足以驱使连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管饱和，电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管，从而将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到相互连接的每个平衡晶体管的基极。

该电流平衡电路也包括用于每个开关晶体管S1到SN的阻流二极管DB，每个阻流二极管连接于各个电路支路与各个开关晶体管的集电极之间，同时该阻流二极管向前偏置到该各个开关晶体管的集电极。如果电路支路中的一个支路存在开路故障，阻流二极管DB阻断主要循环电路。

在另一实施例中，如图17所示，选择电路包括连接于电路支路与选择开关S1到SN之间的选择电阻网络，该选择电阻网络选择性地闭合选择开关中的一个，以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管Q1到QN的基极。

每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与选择电阻网络连接。

如果电路支路之间的电流的不平衡不足以驱使开关晶体管中的任一开关晶体管饱和，则电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向每个开关晶体管，与此同时每个开关晶体管工作于线性模式。

如果每个平衡晶体管Q1到QN的基极相互连接，且其中若电路支路之间的电流的不平衡足以驱使连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管饱和，电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管，从而将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到相互连接的每个平衡晶体管的基极。

该电流平衡电路也包括用于每个开关晶体管S1到SN的阻流二极管DB，每个阻流二极管连接于各个电路支路与各个开关晶体管的集电极之间，同时该阻流二极管向前偏置到该各个开关晶体管的集电极。如果电路支路中的一个支路存在开路故障，阻流二极管DB阻断主要循环电路。

某些实施例也包括用于每个平衡晶体管Q1到QN的稳定电阻R_E，每个稳定电阻串联于各个平衡晶体管的发射极与各个电路支路之间。

该电流平衡电路的某些实施例也包括反馈辅助电路，该反馈辅助电路连接到电路支路以进一步平衡电路支路中的电流。如图26至图29中所示。

该反馈辅助电路包括至少一个连接在两个电路支路之间的运算放大器，该运算放大器具有连接到两个电路支路中的一个的反相输入端（v-），连接到两个电路支路中的另一个的非反相输入端（v+）及连接到与两个电路支路中的一个连接的平衡晶体管的基极的输出端（OUT）。在简单的实施例中，该运算放大器由电路支路中的一个电路支路两端的电压供电。特别地，该运算放大器由具有RC滤波器的电源电路供电。

在又一实施例中，选择电路将电路支路的预定的电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值，如图24所示。该选择电路包括连接于该预定电路支路与每个平衡晶体管的基极之间的连接件。

在一些实施例中，该预定的电路支路包括用于降低该预定的电路支路的电流的电流槽。优选地，电流槽为电阻性元件，如电阻。

参见上述内容，本发明针对一种新颖的可自配置的电流镜原理，该电流镜像原理可自动地且动态地检测并在多个并联电流源（如LED串）中选择最佳电流源作为基准电流源。该提出的原理具有动态且可自配置的电流平衡电路结构，该电流平衡电路结构允许选择最佳电流源（也就是在并联LED串在电流平衡情况下的最小电流源）。根据本发明的实施例，所提供的电流平衡电路不需要：（i）外部电源；以及（ii）相关的控制电路。

现转至各图获取更多细节，图11展示了根据本发明的实施例的也可用作电流镜像电路电流平衡电路的示意图。多个并联电流源（如LED串）连接至可自配置的电流平衡电路。在这些描述中，双结型晶体管（BJT）用于可自配置电流平衡电路中。然而，要强调的是，MOSFET原理上可用于相同的应用中。

晶体管Ql至QN（在这个说明书中也被称为Q晶体管）表示平衡晶体管。为简洁起见，可能需要用来避免Q晶体管中的热击穿的额外电阻未在图11中示出，如图16中所示的随后的实施例中该额外电阻可能实际上需要。根据本发明的实施例引入额外晶体管Sl至SN（在这个说明书中也被称为S晶体管）形式的开关晶体管从而使电流平衡电路可自配置，也就是基准电流源的选择可改变或重配置。

用于选择最佳基准电流源的开关晶体管S1至SN（双结型晶体管或MOSFET）可在饱和模式或线性模式下工作。当用于饱和模式中时，该晶体管如开关般完全接通以重配置整个电路，从而为电流镜像或电流平衡电路选择最佳电流作为基准电流。当用于线性模式中时，此晶体管形成级联晶体管（如果使用BJT，有时被称为达灵顿晶体管(Darlington transistor））的部分，且整个电路仍提供电流平衡功能。

S1至SN的双功能为如本实施例所显示的本发明的独特特征。因此，无论开关晶体管S1至SN处于饱和模式或线性模式，本发明能够完成所有并联电流源的电流平衡。这点由以下电路加以说明。

在如具有多个并联LED串的实际情形下，不经测量无法得知LED串的电流不平衡。在本发明的该实施例中，开关晶体管S1至SN用于允许选择最合适的电流源用作“基准电流源”。在并联LED串的电流平衡情况下，应选择具有最小电流的LED串。因此，选择电路或检测电路因此是必要的以检测最佳电流源，从而使相应开关可启动且因此选择性地连接具有最小电流的LED串。

参见图12，将描述本发明的具有三个LED串的目标电路的实施例。尽管此实例涉及三个LED串，应当注意的是，在原理上本发明可用于任一数量的并联电流源。

现在，考虑将基于晶体管的电流平衡电路引入图12中所示的电流不平衡的LED系统。对于LED串，具有较大电流的串倾向于具有跨过该LED串的较低的电压降。因此，如果假设全部LED串电压为V_LED1<V_LED2<V_LED3，则I₁>I₂>I₃，且V_CE1>V_CE2>V_CE3。参见图13，可自配置电流平衡电路包括三个晶体管形式的开关S1，S2和S3，该三个晶体管形式的开关S1，S2和S3可被称为开关晶体管。该开关晶体管可用作：（i）在饱和模式中作为给电流镜像或平衡作用选择合适电流源作为基准电流源的开关；或(ii)在线性模式中作为晶体管。

当用于线性模式时，每的晶体管对（S1-Ql，S2-Q2和S3-Q3）也形成达灵顿晶体管。对于每个并联支路，二极体Dl至D3连接到第一点（点A），并且所有S晶体管S1至S3的基极连接到第二点（点B）。此外，所有Q晶体管Q1至Q3的基极连接到第三点（点C），从而相互连接。

可自配置电流平衡电路在以下两种模式中操作：

模式1，该模式中开关晶体管S1至SN中的一个晶体管被完全驱动进入饱和区城，且该电流平衡电路如可自配置电流镜像电路那样工作；以及

模式2，该模式中开关晶体管S1至SN均处于线性区域中，且该电流平衡电路如可自配置电流平衡电路那样工作。

现描述模式1。

使用I₁>I₂>I₃且V_CE1>V_CE2>V_CE3的假设，可自配置源可特别参见图14a加以说明。V_CE1最大，临界传导通路在图14a中以粗线突出。选择二极管D1导通且电流将流过限流电阻R_B以驱动具有最小电流及V_CE的开关晶体管（也就是在该例中的S3）的基极。若电流不平衡足够大，则由V_CE产生的电流足够大来驱动S3进入饱和（也就是说S3如闭合开关一样完全导通），等效电路可如图14b所示那样重新绘制。

从图14b中可见，所示的等效电路与选作基准电流的具有最小电流的电流镜像电路类似（与图1和图9相比）。因此可见，如图14中所示的提议的电路可自动地选择最小的电流源作为基准电流。该电路的电流镜像作用将引起V_CE1及V_CE2改变以降低I₁和I₂来跟随基准电流I₃。提议的电路允许根据任一最小电流源的动态改变。

因此，除了存在新颖的允许动态地为电流镜像作用选择最佳电流源作为基准电流源的可自配置特征外，此操作模式仍基于电流镜像概念。

现描述模式2。

若并联电流源之间的电流不平衡不太显著（也就是电流不平衡已经降低），则最大电流源的V_CE仍将引起相应的选择二极管导通。然而，由最大电流源中的最大V_CE产生的电流可能不足够大以驱动最小电流源中的S晶体管（开关晶晶体）的基极进入饱和区域。这意味着该二极管电流将流进所有工作于线性模式的S晶体管的基极。具有N个并联电流源的等价电路可如图15所示。

在分析中作出以下假设：

（1）电流源中的电流不平衡不足够大，因此没有S晶体管被完全驱动进入饱和，暗指所有S晶体管工作于线性范围；

（2）所有晶体管与同一电流增益β匹配﹔且

（3）具有I₁的电流源（电流源-1）是最大的，从而该电流源的相应最大V_CE将引起二极管D₁接通。

$I_1=I_C^{S1}+I_C^{Q1}+{\mathrm{NI}}_B---\left(5\right)$

其中

是S1的集电极电流，

是Q1的集电极电流，

N为电流源的数量，

I_B是S1，S2,····SN的基极电流。

$I_C^{S1}={\mathrm{\&beta;I}}_B---\left(6\right)$

$I_C^{Q1}=\mathrm{\&beta;}\left(I_B^{Q1}\right)=\mathrm{\&beta;}\left(I_E^{S1}\right)$ 且 $I_E^{S1}=I_C^{S1}+I_B=(\mathrm{\&beta;}+1)I_B$

因此，

$I_C^{Q1}=\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&beta;}+1)I_B---\left(7\right)$

从（5），（6）和（7），得出

I₁=（β²+2β+N）I_B       (8)

现在，我们可以确定电流小于I₁的其他支路的电流。对于支路N，因为二极管DN未接通，因此

$I_N=I_C^{\mathrm{SN}}+I_C^{\mathrm{QN}}---\left(9\right)$

$I_C^{\mathrm{SN}}=\mathrm{\&beta;}{I}_B---\left(10\right)$

$I_C^{\mathrm{QN}}=\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&beta;}+1)I_B---\left(11\right)$

从（9），（10）和（11），得出

I_N=（β²+2β）I_B        (12)

用(8)和（12），电流I_N可表达为：

$I_N=\left(\frac{{\mathrm{\&beta;}}^2+2\mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{\&beta;}}^2+2\mathrm{\&beta;}+N}\right)I_1---\left(13\right)$

对于典型电流增益β等于40，

$\left(\frac{{\mathrm{\&beta;}}^2+2\mathrm{\&beta;}}{{\mathrm{\&beta;}}^2+2\mathrm{\&beta;}+N}\right)=\frac{1680}{1680+N}\&ap;1,$ 对N<10

因此，方程式（13）确定：即使当所有S晶体管（开关晶体管）工作于线性模式时，理论可以完成良好的电流平衡。

总的来说，在本发明的当前描述的实施例中的所提出电路使并联电流源能够在模式1及模式2两者中降低电流不平衡。

包括Q晶体管（平衡晶体管）的稳定性改良和避免饱和的方法的典型实际实施如图16所示，其中电阻器R_E为低值电阻（通常小于几欧姆以便降低传导损耗），且电阻R_E用于避免晶体管的热击穿。若流过集极及发射极的Q晶体管的电流大大上升（因为热击穿），则发射极电阻R_E两端的电压的上升与基极偏置电压起相反的作用，且因此降低晶体管电流。因此，使用电阻R_E与Q晶体管可降热击穿机率。

对于具有三个并联电流源的系统，替代实施图展示于图17所示的实施例。

一般而言，大多数LED器件故障为短路情形。这意味着如果串中的LED器件中的一个LED器件出故障，该出故障的LED器件如短路电路般工作，因此在同一串中的其他LED器件仍在工作。此短路故障仅降低特定LED串两端的总电压，且根据本发明的实施例的新颖的可自配置电流平衡或电流镜像电路仍能适当地工作。

然而，也应当考虑LED串中的一个断开的情形（例如，由于质量差的电缆连接或一个或多个LED器件的异常开路故障）。在此情形下，实验观察报告展示一些来自正常支路的电流将在如图18中加粗显示的路径中流入故障支路的晶体管，从而导致故障电流支路的晶体管中的异常电流及大量功率损耗。

为了避免这些异常电流，本发明的实施例中所提出的基本电路可从19a中所示的电路修改成以下电路，如图19b中所示：若LED串中存在开路故障，则使用额外阻流二极管D_B来阻断主要循环电路。因而，在故障支路中的新的电流路径如图19c中所示，由此可见由于Q晶体管的基极-发射极的低压降，功率损耗可大幅降低。

在LED串中的一个LED串有开路故障的情况下避免晶体管过热的另一替代电路中，图16的基本电路可如图20所示通过移除所有Q晶体管（平衡晶体管）在点C的基极连接件进行修改，从而Q晶体管不再相互连接。同样的辩论适用于图17的替代电路。

为了确定本发明的实施例的可行性，设置具有三个并列串的实验LED系统。电流源由如图21所示的简单AC-DC电源电路提供。二极管整流器通过输出电容器的辅助将AC电压转换成DC电压。电感器将电压源转化成电流源。

在使用图22中所示的提出电流平衡电路（基于图16）之前，三个LED串电流为：

I1=252mA

I2=231mA

I3=298mA

最大ΔI=67mA

在使用图22中的电路后，LED串电流变为：

在使用图23（基于图17）的替代电路后，LED串电流变为：

在两种情况下，在两个电路中，电流变化从67mA分别降低到27mA和11mA，已实现成功降低电流不平衡。在两种情况能够实现降低超过60%的电流不平衡。应当注意的是，单独晶体管的电流增益应匹配。电流增益的变化在一定程度上影响电流平衡效能。基于图17的概念，可使用图23所示的替代电路。

如上面已经证实的，对于并联LED串的电流平衡，最佳选择是选择具有最小电流的LED串。在难以预先判定具有最小电流的LED串的情况下，可采用上面讨论的可重配置电流平衡或电流镜像电路和技术。

另一方法在本发明的另一实施例中提出以确保LED串具有最小电流。如图24所示，该想法是通过引入额外元件Y到一个电流支路（如图24中具有电流I₁的支路）以故意产生轻微电流不平衡。该额外组件可为任何合适的元件，如某种的类似电流槽的元件，例如，一个LED装置或一个小电阻。由于具有最小电流的支路是故意产生的，该支路可选作为任何标准或修改的电流镜像技术的基准支路。

具有高精确度的反馈辅助可自配置电流平衡或电流镜像技术也可由本发明的实施例提供。

基于上述描述的自配置机构来自动地选择合适的电流支路作为电流平衡电路的基准，在另一实施例中，如图25所示，可以同时使用用于反馈辅助的运算放大器（opamp）以形成高度精确的电流平衡或电流镜像技术。

对于理想运算放大器或具有极高增益的运算放大器，运算放大器的反相输入端（v-）的电势跟随非反相输入端(v＋)的电势。这意味着两个BJT的发射极的两个相同电阻器R_E两端的电势差相同。这也意味着两串的电阻R_E中的电流相同。

根据本发明的实施例，为了将此反馈辅助概念并入可重配置电流平衡技术，两个LED串的另一电路实例如图26所示，其中运算放大器用于提供反馈。应当注意的是，低成本DC电源是通过RC滤波器电路的帮助而从LED模块两端的电压衍生出来的。然而，应当理解的是，也可使用其他简单的方法衍生出DC电源，如使用齐纳二极管作为电压基准。

图26中的两个R_E电阻Rl和R2为通常不高于1欧姆的小电阻。图26中的BJT S5和S7可由具有高增益的BJT替代或由达灵顿晶体管替代。

图27展示了当图26中所示的反馈辅助电路移除时的两个测量电流677mA及564mA（具有113mA的差）。图28展示了当包括图26所示的反馈辅助电路时的两个测量电流604mA及603mA（具有1mA的差）。

根据另一实施例，相同的概念可扩展到两串以上如图29中的三个并联串。电阻R2，R3和R4均是上面描述的R_E电阻。

本发明亦提供一种平衡目标电路中的多个并联电路支路的各个电流的方法。该方法的优选实施例包括提供多个上面所述的平衡晶体管Q1到QN，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联。该方法也包括选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。电路支路中具有最小电流的电路支路用被动电路选择性地连接到每个平衡晶体管的基极，从而避免需要单独或外部电源。

本实施例自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接每个平衡晶体管Ql到QN的基极。

在某些实施例中，利用上面所述的选择电路。

该实施例也包括通过从电路支路获取反馈以及基于该反馈调整电流来使用反馈辅助进一步平衡电路支路中的电流。例如，可使用上面所述的反馈电路。

在另一实施例中，该方法包括将电路支路的预定电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值。该方法优选包括在该预定支路中提供电流槽以降低该预定的电路支路的电流。

根据本发明的方法的其他实施例中的其他步骤可从前面的描述轻易地了解。

尽管已结合具体的例子来描述本发明，但本领域的技术人员应当了解，本发明可以多种其他形式体现。本领域的技术人员也应当了解，所描述的各个例子的特征可组合于其他组合中。

Claims (32)

1.一种用于平衡目标电路中多个并联的电路支路中的各个电流的电流平衡电路，该电流平衡电路包括：

多个平衡晶体管，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联；以及

选择电路，用于选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

2.如权利要求1所述的电流平衡电路，其中该电流平衡电路为被动电流平衡电路。

3.如权利要求1所述的电流平衡电路，其中该选择电路自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

4.如权利要求l所述的电流平衡电路，其中该选择电路包括用于每个电路支路的选择开关，每个选择开关在各个电路支路和连接到该电路支路的平衡晶体管的基极之间连接，该选择电路选择性地闭合选择开关中的一个以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

5.如权利要求1所述的电流平衡电路，其中每个平衡晶体管的基极相互连接，从而当选择电路选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到平衡晶体管中的一个平衡晶体管的基极时，电路支路中具有最小电流的电路支路也与其他平衡晶体管的基极连接。

6.如权利要求4所述的电流平衡电路，其中该选择电路包括用于每个电路支路的选择二极管，每个选择二极管从各个电路支路连接且向前偏置到第一点，每个选择开关与第二点连接，且该第一点与该第二点相互连接。

7.如权利要求6所述的电流平衡电路，其中该第一点与该第二点通过限流电阻相互连接。

8.如权利要求6所述的电流平衡电路，其中每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与该第二点连接。

9.如权利要求8所述的电流平衡电路，其中如果电路支路之间的电流的不平衡不足以驱使开关晶体管中的任一开关晶体管饱和，则电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向每个开关晶体管，与此同时每个开关晶体管工作于线性模式。

10.如权利要求8所述的电流平衡电路，其中每个平衡晶体管的基极相互连接，且其中若电路支路之间的电流的不平衡足以驱使连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管饱和，电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管，从而将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到相互连接的每个平衡晶体管的基极。

11.如权利要求8所述的电流平衡电路，该电流平衡电路包括用于每个开关晶体管的阻流二极管，每个阻流二极管连接于各个电路支路与各个开关晶体管的集电极之间，同时该阻流二极管向前偏置到该各个开关晶体管的集电极。

12.如权利要求4所述的电流平衡电路，其中该选择电路包括连接于电路支路与选择开关之间的选择电阻网络，该选择电阻网络选择性地闭合选择开关中的一个，以选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

13.如权利要求12所述的电流平衡电路，其中每个选择开关为具有集电极，发射极及基极的开关晶体管，每个开关晶体管的集电极与各个电流支路连接，每个开关晶体管的发射极与各个电路支路中平衡晶体管的基极连接，且每个开关晶体管的基极与选择电阻网络连接。

14.如权利要求13所述的电流平衡电路，其中如果电路支路之间的电流的不平衡不足以驱使开关晶体管中的任一开关晶体管饱和，则电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向每个开关晶体管，与此同时每个开关晶体管工作于线性模式。

15.如权利要求13所述的电流平衡电路，其中每个平衡晶体管的基极相互连接，且其中若电路支路之间的电流的不平衡足以驱使连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管饱和，电路支路中具有最大电流的电路支路的电流流向连接到电路支路中具有最小电流的电路支路的选择晶体管，从而将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到相互连接的每个平衡晶体管的基极。

16.如权利要求13所述的电流平衡电路，该电流平衡电路包括用于每个开关晶体管的阻流二极管，每个阻流二极管连接于各个电路支路与各个开关晶体管的集电极之间，同时该阻流二极管向前偏置到该各个开关晶体管的集电极。

17.如权利要求1所述的电流平衡电路，该电流平衡电路包括用于每个平衡晶体管的稳定电阻，每个稳定电阻串联于各个平衡晶体管的发射极与各个电路支路之间。

18.如权利要求1所述的电流平衡电路，该电流平衡电路包括反馈辅助电路，该反馈辅助电路连接到电路支路以进一步平衡电路支路中的电流。

19.如权利要求18所述的电流平衡电路，其中该反馈辅助电路包括至少一个连接在两个电路支路之间的运算放大器，该运算放大器具有连接到两个电路支路中的一个的反相输入端，连接到两个电路支路中的另一个的非反相输入端及连接到与两个电路支路中的一个连接的平衡晶体管的基极的输出端。

20.如权利要求19所述的电流平衡电路，其中该运算放大器由电路支路中的一个电路支路两端的电压供电。

21.如权利要求20所述的电流平衡电路，其中该运算放大器由具有RC滤波器的电源电路供电。

22.如权利要求1所述的电流平衡电路，其中选择电路将电路支路的预定的电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值。

23.如权利要求22所述的电流平衡电路，其中该预定的电路支路包括用于降低该预定的电路支路的电流的电流槽。

24.如权利要求23所述的电流平衡电路，其中电流槽为电阻性元件。

25.如权利要求24所述的电流平衡电路，其中该电阻性元件为电阻。

26.如权利要求22所述的电流平衡电路，其中该选择电路包括连接于该预定电路支路与每个平衡晶体管的基极之间的连接件。

27.一种用于平衡目标电路中多个并联的电路支路中的各个电流的方法，该方法包括以下步骤：

提供多个平衡晶体管，每个平衡晶体管具有集电极，发射极以及基极，每个平衡晶体管的集电极和发射极与各个电路支路串联；以及

选择性地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接到每个平衡晶体管的基极。

28.如权利要求27所述的方法，其中电路支路中具有最小电流的电路支路用被动电路选择性地连接到每个平衡晶体管的基极。

29.如权利要求27所述的方法包括：自动地且动态地将电路支路中具有最小电流的电路支路连接每个平衡晶体管的基极。

30.如权利要求27所述的方法包括：通过从电路支路获取反馈以及基于该反馈调整电流来使用反馈辅助进一步平衡电路支路中的电流。

31.如权利要求27所述的方法包括：将电路支路的预定电路支路的电流固定地设定为小于其他电路支路的电流的值。

32.如权利要求31所述的方法包括：提供电流槽以降低该预定的电路支路的电流。

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