CN103517503A - 使用pwm信号调光的led驱动器及驱动方法 - Google Patents

使用pwm信号调光的led驱动器及驱动方法 Download PDF

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杨奂箴
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Abstract

本发明公开了一种使用PWM信号调光的LED驱动器，包括电源转换器及电流调节器，该电源转换器提供输出电压及负载电流给LED，该电流调节器提供与负载电流相关的感测信号给该电源转换器，以在该负载电流变化时，加速负载暂态响应以降低该输出电压的涟波振幅，进而避免在PWM调光时产生噪音。

Description

使用PWM信号调光的LED驱动器及驱动方法
技术领域
本发明涉及一种LED驱动器，特别是关于一种使用PWM信号调光的LED驱动器及驱动方法。
背景技术
参照图1，包含电源转换器10、电流调节器12及补偿器14的LED驱动器提供输出电压Vout及负载电流Iload以驱动多个LED串16，电源转换器10将输入电压Vin转换为输出电压Vout，电流调节器12控制每一LED串16的电流以控制LED的亮度，电流调节器12具有多个控制端VS1~VSN各自连接一个LED串16以及多个作为开关的晶体管M1~MN分别连接该多个控制端VS1~VSN，晶体管M1~MN受控于脉宽调变(Pulse Width Modulation；PWM)信号Spwmi，通过调整信号PWMI的责任周期比(duty)可调整每一LED串16的电流，进而调整每一LED串16的亮度。补偿器14连接于电源转换器10的反馈路径上，滤除反馈的噪声及稳定补偿电压Vcomp。图2为图1中信号的波形图，当PWM信号Spwmi被触发或结束时，晶体管M1~MN的栅极电压VG1~VGN同时转为高准位或低准位，因此晶体管M1~MN同时导通或关闭，导致所有的LED串16同时启动或关闭，电源转换器10的负载电流Iload因而忽然上升或下降，使电源转换器10的输出电压Vout形成涟波(ripple)18，输出电容Cout更因为这些涟波18的充放电而形成噪音。
图3为改善噪音问题的现有技术，其利用相位延迟(Phase Delay)技术于电流调节器12中针对各LED串16加上不同延迟(Delay)，当PWM信号Spwmi被触发或结束，各LED串16启动及关闭的时间将彼此错开，因此负载电流Iload将步阶上升或步阶下降以避免产生瞬间大负载电流Iload，输出电压Vout的涟波18的振幅因而降低得以改善噪音问题。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种避免噪音的LED驱动器及驱动方法。
根据本发明，一种使用PWM信号调光的LED驱动器包括电源转换器及电流调节器。该电源转换器提供输出电压及负载电流给多个LED，该电源转换器包含运算放大器放大参考电压以及与该输出电压相关的反馈信号之间的差值产生补偿电压，以及脉宽调变逻辑电路根据该补偿电压及一斜波信号产生控制信号供调节该输出电压。该电流调节器具有多个控制端供连接该多个LED，该电流调节器根据该PWM信号调整该多个控制端上的电流以调整该负载电流，并且产生与该负载电流相关的感测信号以调整该控制信号的责任周期比。
根据本发明，一种使用PWM信号调光的LED驱动方法包括提供输出电压及负载电流给多个LED；检测该输出电压产生反馈信号；放大参考电压及该反馈信号之间的差值产生补偿电压；根据该补偿电压及一斜波信号产生控制信号供调节该输出电压；根据该PWM信号调整该多个LED的电流以调整该负载电流；以及产生与该负载电流相关的感测信号以调整该控制信号的责任周期比。
本发明实施例的使用PWM信号调光的LED驱动器及驱动方法，可以避免在PWM调光时产生噪音。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为现有使用PWM调光的LED驱动器；
图2为图1中信号的波形图；
图3显示现有改善噪音的相位延迟技术；
图4为本发明LED驱动器的方块示意图；
图5A及图5B为图4的LED驱动器的第一实施例；
图6为图5A及图5B中信号的波形图；
图7为图5A及图5B的电路使用相位延迟技术时的信号波形图；
图8A及图8B为图4的LED驱动器的第二实施例；
图9为图8A及图8B中信号的波形图；以及
图10为图8A及图8B的电路使用相位延迟技术时的信号波形图。
附图标号：
10    电源转换器
12    电流调节器
14    补偿器
16    LED串
18    涟波
20    电源转换器
22    电流调节器
24    动态净空控制器
26    运算放大器
28    斜波产生电路
30    PWM逻辑电路
32    LED开关电路
34    电流产生电路
36    电流镜
38    加法器
40    电压检测器
42    磁滞比较器
44    计数器及逻辑电路
46    数字模拟转换器
48    滤波器
50    斜波信号Vramp
52    补偿电压Vcomp
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图4为本发明LED驱动器的方块示意图。此驱动电路包括补偿器14、电源转换器20、电流调节器22以及动态净空控制器(Dynamic HeadroomController；DHC)24。电源转换器20可为直流对直流电源转换器或交流对直流电源转换器，提供输出电压Vout及负载电流Iload给LED串16。电流调节器22具有多个控制端VS1~VSN分别连接LED串16的输出端，电流调节器22除了根据PWM信号Spwmi控制LED串16的启动或关闭外，还产生与负载电流Iload相关的感测信号ISE到电源转换器20，使电源转换器20得以提前得知负载电流Iload的变化，加快负载暂态响应。动态净空控制器24检测各LED串16的输出端的电压VS1~VSN，产生检测信号S1至电源转换器20的反馈路径中，使LED串16的输出端的电压VS1~VSN维持在参考电压VR1，并使补偿电压VCOMP能够快速正准确地达成其位移量(offset)，让电源转换器20稳定输出，使输出电压Vout的涟波振幅下降，进而避免输出电容Cout产生扰人的噪音。关于动态净空控制器24的相关技术已揭露于美国专利公开号2010/0013395。
图5A及图5B为图4中LED驱动器的第一实施例，在此实施例中电源转换器20为升压式(Boost)电源转换器。在图5A的电源转换器20中，电阻R1及R2分压输出电压Vout产生反馈信号VFB，运算放大器26放大反馈信号VFB及参考电压S1之间的差值产生补偿电压Vcomp，开关SW0连接于运算放大器28及加法器38之间，当LED串16全部关闭时，开关SW0被关闭(turnoff)，避免反馈端Vfb的噪声造成补偿电压Vcomp的跳动，加法器38结合补偿电压Vcomp及感测信号ISE产生补偿电压Vcomp’，PWM逻辑电路30根据补偿电压Vcomp’以及斜波产生电路28提供的斜波信号Vramp产生控制信号DRV，控制切换开关Q的切换，进而调整输出电压Vout。补偿器14连接于开关SW0与加法器38之间，维持补偿电压Vcomp的稳定。在图5A的电流调节器22中，电流产生电路34提供第一电流I1=Vset/Rset，电流镜36在PWM信号Spwmi被触发时被启动以镜射第一电流I1以产生第二电流I2=K×I1以及感测信号ISE=I2×(n+1)，其中n为LED串16的数量，多个LED开关电路32分别连接多个控制端VS1~VSN，电阻Rst根据电流I2产生电压VR2以同时启动所有LED开关电路32，进而启动所有LED串16。
参照图5A，在电流调节器22中，每一个LED开关电路32都具有一运算放大器将电压VR2施加至各自的电阻RS1~RSN以决定各LED串16的电流，假设电阻RS1~RSN的电阻值皆为RS，则负载电流
Iload=(VR2/RS)×n
=[(I2×Rst)/RS]×n
=[(I1×K×Rst)/RS]×n
={[(Vset/Rset)×K×Rst]/RS}×n，        公式1
当所有LED开关电路32被启动时，多个并联在电流镜36及电流调节器22的输出端ISE之间的开关SW1~SWN被导通，因此感测信号
ISE=I2×(n+1)=I1×K×(n+1)
=(Vset/Rset)×K×(n+1)            公式2
公式2可以改写为
ISE/(n+1)=(Vset/Rset)×K，        公式3
将公式3代入公式1可得
Iload={[ISE/(n+1)]×Rst]/RS}×n
=ISE×(Rst/RS)×n/(n+1)，            公式4
由于Rst、Rs及n皆为定值，故感测信号ISE正比于负载电流Iload。在PWM调光期间，当负载电流Iload变化时，电源转换器20中的补偿电压Vcomp’=Vcomp+ISE将立即随负载电流Iload变化以调整控制信号DRV的责任周期比，进而加速负载暂态响应以减少输出电压Vout的涟波振幅。如图6的波形图所示，当负载电流Iload上升时，补偿电压Vcomp’立即上升以调整控制信号DRV的责任周期比，进而增加提供至输出电容Cout的能量以减少输出电压Vout的下降振幅，当负载电流Iload下降时，补偿电压Vcomp’立即下降以调整控制信号DRV的责任周期比，进而降低提供给输出电容的能量以减少输出电压Vout的上升振幅。
在图5B的动态净空控制器24中，电压检测器40检测LED串16的输出端的电压VS1~VSN，并输出其中的最小电压VSmin，磁滞比较器42比较参考电压VR1及最小电压VSmin以产生比较信号S2，计数器及逻辑电路44提供数字信号S3并根据比较信号S2调整数字信号S3，当VR1>VSmin时，计数器及逻辑电路44将增加数字信号S3，若VR1<VSmin时，计数器及逻辑电路44将减少数字信号S3，数字模拟转换器46将数字信号S3转换为检测信号S1。参照图5A，检测信号S1将作为参考电压与反馈信号Vfb比较产生补偿电压Vcomp，调整检测信号S1可以加快补偿电压Vcomp的改变。
图5A及图5B的实施例将检测信号S1及感测信号ISE输入至电源转换器20的反馈路径上，使得补偿电压Vcomp’能快速且准确地到达该有的电压准位，加快了电源转换器28的负载暂态响应。此外，现有的相位延迟技术也可以应用至图5A及图5B的实施例中，以进一步降低输出电压Vout的涟波振幅。如图7的波形图所示，假设在各LED开关电路32中加入具有不同延迟时间的延迟电路，使该多个LED开关电路32的启动或关闭时间彼此错开，进而使负载电流Iload步阶上升或下降以缩小输出电压Vout的涟波振幅，由于开关SW1~SWN随着各自对应的LED开关电路32的启动或关闭而导通或关闭，因此各开关SW1~SWN的导通或关闭时间也彼此错开，使得感测信号ISE亦随负载电流Iload步阶上升或下降，补偿电压Vcomp也因而呈现步阶变化以即时反应负载电流Iload的变化以加快负载暂态响应。
图8A及图8B为图4中LED驱动器的第二实施例，其与图5A及图5B的电路具有同样的电源转换器20及电流调节器22，但是电源转换器20的运算放大器26放大反馈信号Vfb及参考电压VR3之间的差值产生补偿电压Vcomp，如图8A所示，而且电流调节器22的感测信号ISE输入至斜波产生电路28以调整斜波信号Vramp，进而调整控制信号DRV的责任周期比以加快负载暂态响应。在图8B中，动态净空控制器24与图5A及图5B的电路同样包括电压检测器40及磁滞比较器42，但是使用滤波器48取代计数器及逻辑电路44及数字模拟较换器46，滤波器48滤除磁滞比较器42所输出的比较信号S2以产生检测信号S1调整反馈信号VFB。
图9为图8A及图8B电路中信号的波形图，其中波形50为斜波信号Vramp，波形52为补偿电压Vcomp。在图8A及图8B的负载电流Iload变化时，补偿电压Vcomp并不会改变，如波形52所示，但与负载电流Iload相关的感测信号ISE立即调整斜波信号Vramp，如波形50所示，使斜波信号Vramp即时反应负载电流Iload的变化，因此控制信号DRV的责任周期比将立即随负载电流Iload的变化而改变，进而加快负载暂态响应以减少输出电压Vout的涟波振幅，避免噪音的产生。
现有的相位延迟技术也可以应用至图8A及图8B的实施例中，以进一步降低输出电压Vout的涟波振幅。如图10的波形图所示，假设在图8A的各LED开关电路32中加入具有不同延迟时间的延迟电路，使该多个LED开关电路32的启动或关闭时间彼此错开，进而使负载电流Iload步阶上升或下降以缩小输出电压Vout的涟波振幅，由于感测信号ISE亦随负载电流Iload而步阶上升或下降，因此斜波信号Vramp也呈步阶变化以即时反应负载电流Iload的变化以加快负载暂态响应，如波形50所示。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想由权利要求范围及其均等来决定。

Claims (17)

1.一种使用PWM信号调光的LED驱动器，其特征在于，包括：
电源转换器，提供输出电压及负载电流给多个LED，所述电源转换器包含：
运算放大器，放大参考电压以及与所述输出电压相关的反馈信号之间的差值产生补偿电压；以及
脉宽调变逻辑电路，连接所述运算放大器，根据所述补偿电压及一斜波信号产生控制信号供调节所述输出电压；以及
电流调节器，连接所述电源转换器，具有多个控制端供连接所述多个LED，根据所述PWM信号调整所述多个控制端上的电流以调整所述负载电流，并且产生与所述负载电流相关的感测信号以调整所述控制信号的责任周期比。
2.如权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于，所述感测信号调整所述补偿电压以调整所述控制信号的责任周期比。
3.如权利要求2所述的LED驱动器，其特征在于，更包括动态净空控制器连接所述多个控制端，检测所述多个控制端的电压产生检测信号作为所述参考电压。
4.如权利要求3所述的LED驱动器，其特征在于，所述动态净空控制器包含：
电压检测器，连接所述多个控制端，检测所述多个控制端的电压得到其中的最小电压；
比较器，连接所述电压检测器，比较第二参考电压及所述最小电压产生比较信号；
计数器及逻辑电路，连接所述比较器，提供数字信号并根据所述比较信号调整所述数字信号；以及
数字模拟转换器，连接所述计数器及逻辑电路，将所述数字信号转换成所述检测信号。
5.如权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于，所述感测信号调整所述斜波信号以调整所述控制信号的责任周期比。
6.如权利要求5所述的LED驱动器，其特征在于，更包括动态净空控制器连接所述多个控制端，检测所述多个控制端的电压以产生检测信号供调整所述反馈信号。
7.如权利要求6所述的LED驱动器，其特征在于，所述动态净空控制器包含
电压检测器，连接所述多个控制端，检测所述多个控制端的电压得到其中的最小电压；
比较器，连接所述电压检测器，比较第二参考电压及所述最小电压产生比较信号；以及
滤波器，连接所述比较器，对所述比较信号进行滤波产生所述检测信号。
8.如权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于，所述电流调节器包含：
电流产生电路，产生第一电流；
电流镜，连接所述电流产生电路，在触发所述PWM信号时，镜射所述第一电流以产生所述感测信号；以及
多个LED开关电路，连接所述电流镜及所述多个控制端，根据与所述第一电流相关的电压决定所述多个控制端上的电流。
9.如权利要求1所述的LED驱动器，其特征在于，所述电流调节器在所述PWM信号被触发时使所述负载电流步阶上升，在所述PWM信号结束时使所述负载电流步阶下降。
10.一种使用PWM信号调光的LED驱动方法，其特征在于，包括：
(A)提供输出电压及负载电流给多个LED；
(B)检测所述输出电压产生反馈信号；
(C)放大参考电压及所述反馈信号之间的差值产生补偿电压；
(D)根据所述补偿电压及一斜波信号产生控制信号供调节所述输出电压；
(E)根据所述PWM信号调整所述多个LED的电流以调整所述负载电流；以及
(F)产生与所述负载电流相关的感测信号以调整所述控制信号的责任周期比。
11.如权利要求10所述的LED驱动方法，其特征在于，所述步骤F包括产生所述感测信号调整所述补偿电压以调整所述控制信号的责任周期比。
12.如权利要求11所述的LED驱动方法，其特征在于，更包括检测所述多个LED的输出端的电压产生检测信号作为所述参考电压。
13.如权利要求12所述的LED驱动方法，其特征在于，所述产生检测信号的步骤，包括：
检测所述多个LED的输出端的电压得到其中的最小电压；
比较第二参考电压及所述最小电压产生比较信号；
根据所述比较信号调整数字信号；以及
将所述数字信号转换成所述检测信号。
14.如权利要求10所述的LED驱动方法，其特征在于，所述步骤F包括产生所述感测信号调整所述斜波信号以调整所述控制信号的责任周期比。
15.如权利要求14所述的LED驱动方法，其特征在于，更包括检测所述多个LED的输出端的电压产生检测信号调整反馈参考信号。
16.如权利要求15所述的LED驱动方法，其特征在于，所述产生检测信号的步骤包括：
检测所述多个LED的输出端的电压得到其中的最小电压；
比较第二参考电压及所述最小电压产生比较信号；以及
滤波所述比较信号产生所述检测信号。
17.如权利要求10所述的LED驱动方法，其特征在于，更包括在所述PWM信号被触发时使所述负载电流步阶上升，在所述PWM信号结束时使所述负载电流步阶下降。
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