CN103874283B

CN103874283B - Led电流控制

Info

Publication number: CN103874283B
Application number: CN201310652035.9A
Authority: CN
Inventors: 亨德利克·保兹恩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: US9204512B2; US20140159598A1; EP2741578A1; CN103874283A; EP2741578B1

Abstract

LED控制电路，用于控制提供给LED单元的电流，使用比较器电路用于基于检测电阻各端的电压检测输出电流中的上和下阈值。电流维持在阈值之间。为了这个目的，参考电流源用于产生上和下阈值参考。比较器，用于检测中档电压，以及使用比较器信号控制参考电流源，从而改变上和下阈值参考，以保持恒定的中值的或平均的输出电流。

Description

LED电流控制

技术领域

本发明涉及LED电流的控制，特别是串联连接的LED串。特别地，本发明适用于LED串中的LED的调光功能。

背景技术

LED串被用于形成所谓的矩阵束LED，例如，在车辆前灯中使用。调光功能是用来实现光束转向功能。

已知在LED串中，调光可以通过对选定的LED或LED组单独调光来实现。一种方法是提供短路晶体管，该短路晶体管与LED串中的一个或多个LED并联。当短路晶体管导通时，相关联的LED被旁路，从而被关断。短路信号的形式可以是脉冲宽度调制(PWM)信号，从而可以实现优良的调光控制。

LED串由恒定电流驱动电路驱动。为了实现恒定电流驱动，使用反馈机制，该反馈机制是基于电流检测电阻的电压。这种反馈机制，例如控制通过电感的电流以在上限和下限之间改变电流，从而保持电流在所期望的电流附近。

使用基于LED串中的短路LED的调光的问题是，(对于给定的恒定电流)总的串电压会变化。这个电压的变化会影响电流控制电路的正确运行，并导致影响通过LED串的平均LED电流，这是不希望的。

特别地，该平均电流变化是于由比较器迟滞中和恒定电流控制电路的栅极驱动器中的延迟造成的。

发明内容

根据本发明，提供了一种根据权利要求所限定的装置和方法。

在一个方面，本发明提供LED控制电路，用于控制提供给LED单元的电流，该控制电路包括：

检测电阻，用于检测从输出节点提供的输出电流；和

比较器电路，用于基于检测电阻的各端上的电压检测在输出电流中的上和下阈值，并用于控制电流供应以维持电流在阈值之间，其中，比较器电路包括参考电流源和参考电阻，用于产生上和下阈值参考，

其中，比较器电路还包括比较器，该比较器用于检测依赖于输出电流的中档电压并导出控制信号，该控制信号表明所检测到的电压是高于或低于中档电压，和

其中，控制信号被用于调整参考电流源，从而改变上和下阈值参考，以保持恒定的中值或平均输出电流。

该电路以已知的方式控制电流，通过改变上和下阈值之间的电流，如基于在检测电阻的各端上的电压测量值进行检测。额外的比较器检测中档电压。该中档电压例如在与上和下阈值相应的电压之间。电流供应控制电路(即，栅极驱动器)不使用此中档电压，所以延迟问题并不适用于已测量的信号。如果中档比较器的导通和关断延迟时间相等，它们对输出没有影响(该输出可以是占空比测量)。

控制信号用于使能对所期望的平均(或中值)电流的控制。例如，电压高于中档值的时间周期和电压低于中档值的时间周期的关系可用于提供平均(或中值)电流的控制。

在一个例子中，中档电压包括检测电阻的电压(因此使用相同的检测电阻)，并且它与所期望的平均或中值输出电流相应。对于锯齿电流波形，这意味着电压高于中档值的时间与电压低于中档值的时间应当相同。

其结果是，该电路可包括占空比电路，用于确定控制信号的占空比。比较器电路可以包括用于调整参考电流的单元，以维持占空比在50％。

因此，本发明基于迟滞转换器，该迟滞转换器使用两个比较器具有上和下比较器级。在优选的实施例中，添加第三比较器，该第三比较器具有跳闸电压，该跳闸电压与所期望的平均电流相应。该比较器表示瞬间的检测电阻电压(这是LED电流的指示)是高于或是低于目标平均电流。

如果平均电流是完全正确的，比较器的占空比是50％。如果LED电流过高，则占空比会高于50％。

优选地，该电路包括电感与检测电阻器串联到输出节点。

占空比电路可以包括：

参考时钟；

第一计数器，用于计算在控制信号的预定数目的周期中的时钟周期的数目；

第二计数器，用于以控制信号的预定数目的周期计算高阶段期间的时钟的数目；

比较器，用于比较计数器的输出以得到占空比信息。

以这种方式，(第三)比较器的输出可以被用作计数器的计数使能信号，该计数器由(快速的)芯片上的时钟驱动。相同的时钟也驱动另一个计数器。

经过一段时间后，计数值的比值具有占空比的数字表示，并根据测量时间具有任意高的分辨率。该数字信号可以用于控制回路中，对上和下比较器阈值作小的调整，通过改变参考电流，来调节占空比到准确的50％。当达到这个条件，比较器延迟和栅极驱动器延迟所造成的误差被消除。

值得注意的是，控制回路调节中值而不是平均电流，但在锯齿电流波形的情况下，这是相同的。

占空比电路可以包括分频器，该分频器用于对控制信号分频以得到计数窗口，该计数窗口的长度对应于控制信号的周期的倍数。

本发明还提供了一种LED电路，包括：

本发明的LED控制电路；和

设置在控制电路的输出端处的串联连接的LED串。

LED串可以包括至少一个旁路开关，该旁路开关与LED串的一个或多个LED的子集并联，从而提供LED子集的可控的调光。旁路开关会引起不想要的电压变化，这将导致影响电流反馈控制。

本发明还提供了一种控制提供给LED单元电流的方法，该方法包括：

检测提供给LED单元的输出电流；

通过将检测电阻各端的电压与由参考电流产生的上和下阈值参考比较，检测在输出电流中的上和下阈值；

控制电流供应以维持电流在阈值之间，

其种，该方法进一步包括：

检测依赖于输出电流的中档电压，并得到控制信号，该控制信号表明所检测到的电压高于或低于中档电压；和

调整参考电流源以改变上和下阈值参考，以维持恒定的中值或平均输出电流。

通过参考电流源的调整可以得到校准函数，从而该校准函数确定控制信号与所需要的参考电流元设置之间所需要的关系。以这种方式，通过作出与控制信号相应的所需的电流源调整使系统稳定后，该系统可以得到所需要的电流源设置用于将来的应用，从而使能无延迟调节。

附图说明

以下降参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了已知的具有迟滞控制的降压LED驱动器；

图2示出了由于图1电路中的比较器的延迟而导致的电感电流和过冲；

图3示出了已知的具有比较器的迟滞LED电流控制器；

图4示出了根据本发明的迟滞转换器；

图5示出了图4电路的电感电流和中值比较器输出；

图6示出了计数器测量中值比较器的占空比；

图7示出了在占空比测量电路中的信号；

图8示出了用于矩阵束LED系统的程序图；和

图9示出了参考电流与LED串两端的输出电压之间的关系。

具体实施方式

本发明提供一种LED控制电路，用于使用比较器电路控制提供给LED单元的电流，该比较器电路用于基于检则电阻各端的电压检测输出电流中的上和下阈值。电流保持在阈值之间。为了这个目的，参考电流源用于产生上和下阈值参考。比较器用于检测中档电压(例如，基于所期望的平均电流)，以及参考电流源使用该比较器信号控制，从而改变上和下阈值参考，以维持恒定的中值或平均输出电流。

图1示出了传统的迟滞降压转换器用于恒定电流LED驱动。

用恒定的平均电流驱动LED串D3。通过有选择地转接L1到正电源轨Vp来维持电流。电感器和电压源一起可以被认为是电流源。开关是通过晶体管T1(场效应晶体管)来实现，该晶体管T1与电源轨Vp、电感器L1、LED串D3串联。

开关由比较器CMP1控制，比较器CMP1具有上和下开关阈值。电感电流流经也与LED串D3串联的电流检测电阻R1。电阻两端的电压被提供到比较器CMP1。

比较器CMP1的输出(通过栅极驱动器DRV)驱动晶体管T1。

比较器CMP1检测上和下阈值，用于流过检测电阻R1并流过电感器L1和LED串D3的电流值。

一旦电感电流下降到低于下阈值，晶体管T1被接通。这将导致电感电流增加，直到达到上阈值。然后晶体管T1被关断，电感电流继续流过二极管D1，该二极管D1被耦合在低电源轨和电感器端子之间。平滑电容器C1被示出在输出的两端。

然后，电流降低，直到再次达到下闽值。

以这种方式，电感电流在上和下阈值之间。如图2所示。

由于比较器CMP1和栅极驱动器DRV都有延迟，电流将过冲超过上阈值，并下冲低于下阈值。即使导通和截止延迟是相同的，但上升沿和下降沿的电流的变化率通常是不一样的，这导致平均电流的变化，取决于图1中节点N1处的输出电压。

电容器C2是所谓的自举电容器。Vp通常是最高电源电压。当晶体管T1接通(让电感电流增加)，栅极上的电压必须高于源极上的电压以将其导通。通常情况下，当T1被接通时，漏极上的Vp例如是50V，这与源极上的电压相同。则栅极电压例如必须比源极电压高5V。以源极为参考，需要用驱动器DRV驱动栅极实现(5V)浮动供给。电容器C2提供该浮动供给。

二极管D2是所谓的自举二极管并被用来再充电电容器C2，以补偿当T1被接通时，C2输给晶体管T1的电荷。例如，D2的阳极被连接到相对于地5V或6V的供给。

迟滞比较器CMP1的典型实现如图3所示。在图1中，L1是电感器，R1是检测电阻。

该电路包括两个比较器CMP10和CMP11。参考电流I10产生，并通过两个串联的电阻R10和R11限定在节点N2和N3处的参考电压。这些是上和下阈值参考。

比较器CMP10通过比较检测电阻R1的高电压端的电压和节点N2处的高阈值来检测上阈值。CMP11通过比较检测电阻R1的低电压端的电压和节点N3处的低阈值来检测下阈值。

由置位复位锁存器SR10产生迟滞，职位复位锁存器SR10形成栅极驱动电压。

图4示出了根据本发明的迟滞转换器的例子。

该电路具有相同的参考电流源I10和串联电阻链R10、R11，以及两个比较器CMP10，CMP11，用于检测的上和下阈值的值。

添加第三比较器CMP12，第三比较器CMP12比较检测电阻R1两端的电压和由参考电流I_ref和电阻R12产生的电压。电阻R12连接至检测电阳R1的低电压侧。

如图所示，比较器CMP12的负输入端连接到检测电阻R1的高电压侧。比较器CMP12的正输入端在节点N4连接到在电阻R12处所产生的电压，该电压是大于检测电阻R1的低电压侧的电压的固定值(比较器的电压是V_N1+I_ref*R12，其中V_N1是节点N1处的电压)。

迟滞切换与如图3中是一样的，由于两个比较器CMP10和CMP11的输出控制置位复位锁存器SR10，置位复位锁存器SR10生成栅极驱动信号。

该电路具有由比较器CMP12产生的额外的输出Q。输出Q表明检测电阻的瞬时电压高于或低于参考值(I_ref*R12)。

这在图5中示出。

上方的曲线与图2相同。V_N4是由参考电流I_ref确定的节点N4处的电压。基于响应于流过LED串的斜坡电流的参考电压被穿过，信号Q在高和低值之间切换。

通过设置I_ref*R12作为所期望的中值电流值，Q信号的占空比表明实际电流的中值偏离所期望的参考值。

本发明利用该信号来控制电流。特别地，决定上和下跳闸电平的参考电流I10的值可以以这样的方式被控制，以在信号Q处完全达到50％的占空比。

由于电流波是锯齿形状，平均电流等于中值电流。

图6示出了用于确定信号Q的占空比的电路的一个实施例。

中值检测器电路包括两个计数器(“计数器1”和“计数器2”)和分频器(“DIV”)。分频器div计算信号Q的周期的固定数目。由分频器产生的信号CG表示计数器应该被计数。信号CG起到使能信号的作用，该信号使来自时钟发生器60的时钟信号通过“与”门62到达计数器1。

在本实施例中，采取的周期数为2。

第一信号CL1驱动计数器1。当CG是高时，计数器1计算总时钟脉冲。同时，计数器2计算相同的时钟，但仅当输入信号Q为高电平时。为了这个目的，仅当输入信号Q为高时，第二个“与”门64传递信号CL1到计数器2。第二个“与”门64的输出是控制信号CL2。

当计数窗口CG结束时，计数器1将计算当CG是高时，与时间成比例的总数，而当CG是高时，计数器2将计算与总时间Q成比例的总数。因此，两个计数器的数值计数的比率是对占空比的衡量。

数字比较器(“比较器”)产生输出信号DC1，该输出信号DC1反映占空比。在最简单的形式中，DC1是1位的值，该值表明Q的占空比是高于或低于50％。

图7示出了图6中所产生的波形。

分频器将输入信号Q除以4，从而使信号Q的第一高脉冲扩展至覆盖信号Q的两个完整的周期。这限定了计数窗口CG。

计数器1信号CL1包括在完整的窗口上的一系列时钟脉冲。

计数器2信号CL2仅包括信号Q的两个周期中的两个高阶段期间的一系列的时钟脉冲。

图8示出了与图1类似的转换器电路，但现在修改后用于矩阵束调光。为此目的，开关S1和S2在LED串的各个LED附近提供短路电路，它们可以用PWM信号控制，从而减少对于LED串中的一些LED的灯光输出。这可以用于形成光束图形。

短路开关可以与LED串中的所有或部分LED相关联，并且每个短路开关可以与单个LED或LED组相关联。

恒定电流控制的结果是，当S1或S2被接通时，降压转换器的输出电压(在节点N1处)被降低。这导致对于电流波形的上升部分较大的电流变化率dI／dt，例如在图2中所示，因此产生更大的过冲(也在图2中示出)。其结果是，通过非短路的LED的平均电流会增加。这是不可取的，因为它可能会导致在光的输出中令人不愉快的可见的伪影。

本发明在比较器模块中被实现，比较器模块示意性地示出为CMP1。

本发明避免了任何实际的延迟值的测量。

本发明通过改变参考电流I10本质上提供了跳闸点的修改。

如图9所示，电流I10可以与LED串两端的输出电压线性相关。

本发明提供了基于优化算法的I_O和Kv值(限定线性函数)并根据由图6中的电路所测得的占空比调整I_O的Kv。

LED旁路开关随PWM信号随机运行，LED电流调节环路没有这种控制。对于任何给定的节点N1处的电压(图8中)，可以使用I_O的小的变化或Kv的小的变化调节到50％。

或者，I_O和Kv都可以被调整以收敛到稳定的设置，这对N1电压中所有的变化给出了控制信号Q的50％的占空比。

例如，这可以是通过当节点N1处的电压(在图9中等于V_LED)接近零时只改变I_O，当V_LED在最大值时只改变Kv值来实现。当V_LED在这些值之间时，两个参数基于插值都可以改变。

小的调整步长的使用基本上是集成(或“I”)控制器的功能。根据步长大小，收敛到理想值可以是慢的或快的。如果步长过大，就有过冲或不稳定的可能。也可以使用PI(″比例-集成“)控制器，并且优化控制器用于快速和精确的控制。

一旦I_O和Kv值被调整(可能是慢的)到最终值，则延迟的补偿是瞬时的。

另一种选择是添加第三计数器3到图6的电路中，与控制信号Q的占空比的测量方法相同，该第三计数器3计算栅极驱动信号(如，图4中的“栅极”)的占空比。这给出了节点N1处的电压的数字表示。

调整以提供50％的占空比。当达到这个条件时，由于比较器延迟和栅极驱动器延迟所造成的误差将被消除。控制回路调节中值(而不是平均)电流，但因为电感电流的形状是三角形，所以这是相同的。

本发明本质上提供输出处的瞬时电压的测量，并与中档的值比较。在上面的例子中，这是通过比较检测电阻电压和额外的阈值来实现。然而，单独的检测电阻器可以用于此目的，或者可以以其他方式进行电压测量。如果提供单独的检测电阻，电压的中档值不一定在主检测电阻的阈值电压之间；中档值将是单独的检测电阻器两端的电压值之间的电压，单独的检测电阻器两端的电压值与流过LED负载的上和下阈值电流相应。

在优选的实施例中，中档值是与期望的电流相应的电压。这意味着占空比可以被控制到50％。然而，如果选择不同的中档值(例如低于上闽值10％)时，通过设置占空比的不同的期望值(例如，电压的10％以上和电压的90％以下)，仍可以实施本发明。

同样，占空比的测量仅是获得平均(或中值)电压水平的测量的一种方法。其它分析电压波形以获得平均值的测量的方法，对本领域的技术人员是已知的。

例如，另一种获得的平均电压的方法是用模拟积分器代替图4中的比较器CMP12，模拟积分器使用反相输入端的电阻，在输出端Q和反相输入端之间的反馈电容。电容器必须在周期的固定时间(例如，当栅极信号变高时)放电。经过完整的周期后(即栅极变低，然后再高)，在输出端Q处的电压表示与I_ref*R12的值相比的平均电流差异。中值检测也一样，再通过如上所述的I_O和Kv的小的变化，在Q处的值(现在是模拟值)应调节到零。

因此，本发明本质上包括参考电流的控制，用于以保持平均电流在期望的水平的方法来设置上和下开关阈值。这使能延误补偿，延迟会产生不平等的电压过冲。

调整参考电流的控制回路慢于正常电流调节环路。然而，在校准完成后，适应变化的电压水平的速度将是瞬时的。在所示的例子中，可以在两个锯齿斜坡曲线之后计算占空因子(基于分频器功能)。

合适的分频器因子的范围(规定计算在内的周期)是基于用于50％占空比的所期望的分辨率、栅极开关频率和内部振荡器的频率。典型值是0.1％的分辨率(计数器1的1000次)和振荡器频率为200MHz(这意味着在200MHz下的1000个周期的最小测量时间是5微妙)。典型的开关频率是在100kHz至2MHz之间(取决于Vp，V_N1，电感值和迟滞窗口)。

5微妙时间窗口对应1到10个周期作为计数的最小值。然而，在实践中，优选地计算更多的周期，如16个或32个。

组件的典型范围是Vp=20～80V，迟滞=50mA～200mA，V_N1=3～70V，电感=68～220μH。

以上只概述了一种类型的电流控制器；降压转换器。本发明可以应用到其他的电流控制器，它使用参考电流获得开关值。本发明尤其适合于迟滞型转换器，用于驱动恒定电流到LED输出负载。

本领域技术人员在实施本发明所保护的技术方案时，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求可以理解和实现所披露的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”并不排除多个。事实上，在不同的从属权利要求中记载的相互不同的特定手段并不表示这些手段的组合不能被有利地使用。在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.一种LED控制电路，用于控制提供给LED单元的电流，其特征在于，该控制电路包括：

检测电阻(R1)，该检测电阻(R1)用于检测由输出节点(N1)提供的输出电流；

比较器电路(CMP1)，该比较器电路(CMP1)用于基于检测电阻(R1)各端上的电压检测输出电流中的上和下阈值，和用于控制电流供应(Vp)以维持电流在阈值之间，其中，比较器电路(CMP1)包括参考电流源(I10)和参考电阻(R10，R11)，用于产生上和下阈值参考(V_N2，V_N3)，

其中，比较器电路还包括比较器(CMP12)，用于检测依赖于输出电流的中档电压(V_N4)和导出控制信号(Q)，该控制信号(Q)表示检测到的电压高于或低于中档电压，所述中档电压是由另外的参考电流(I_ref)和另外的电阻(R12)所产生的电压，所述另外的电阻(R12)连接至检测电阻(R1)的低电压侧，

并且其中控制信号(Q)用于调整参考电流源，从而改变上和下阈值参考(V_N2，V_N3)，以保持恒定的中值或平均输出电流。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，比较器是用于检测检测电阻(R1)的中档电压(V_N4)。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，中档电压包括与期望的平均或中值输出电流相应的检测电阻两端的电压。

4.根据前述任一权利要求所述的电路，其特征在于，包括电感器(L1)，该电感器(L1)与检测电阻(R1)串联到输出节点(N1)。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，包括占空比电路，该占空比电路用于确定控制信号(Q)的占空比。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，比较器电路(CMP1)包括用于调整参考电流(I10)的单元以维持占空比在50％。

7.根据权利要求5或6所述的电路，其特征在于，占空比电路包括：

参考时钟(60)；

第一计数器(计数器1)，该第一计数器(计数器1)用于计算控制信号(Q)的预定数目的周期期间的时钟周期的数目；

第二计数器(计数器2)，该第二计数器(计数器2)用于以控制信号(Q)的预定数目的周期计算在高阶段期间的时钟周期的数目；和

比较器，该比较器用于比较计数器的输出以得到占空比信息。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，占空比电路包括分频器，该分频器用于对控制信号(Q)进行分频以得到计数窗口，该计数窗口的长度与控制信号(Q)的周期的倍数相应。

9.一种LED电路，其特征在于，包括：

前述任一权利要求所述的LED控制电路；和

设置在控制电路的输出端处的串联连接的LED串。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，LED串包括至少一个旁路开关，该旁路开关与LED串的一个或多个LED的子集并联，从而提供LED子集的可控的调光。

11.一种控制提供给LED单元的电流的方法，其特征在于，该方法包括：

检测提供给LED单元的输出电流；

通过将检测电阻(R1)各端的电压与上和下阈值参考(V_N2、V_N3)相比较检测在输出电流中的上和下阈值，上和下阈值参考(V_N2、V_N3)由参考电流(I10)产生；

控制电流供应(Vp)以维持电流在阈值之间，

其中，所述方法还包括：

检测依赖于输出电流中档电压(V_N4)并导出控制信号(Q)，该控制信号(Q)表示检测到的电压高于或低于中档电压，所述中档电压是由另外的参考电流和连接至检测电阻的低电压侧的另外的电阻所产生的电压；

调整参考电流源以改变上和下阈值参考(V_N2、V_N3)，以保持恒定的中值或平均输出电流。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，中档电压在检测电阻(R1)两端被检测到，并且包括与所期望的平均或中值输出电流相应的检测电阻两端的电压。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其特征在于，包括：确定控制信号(Q)的占空因子。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括：调整参考电流(I10)以维持占空比在50％。

15.根据权利要求11、12中任一项所述的方法，其特征在于，包括从参考电流源的调整得到校准函数，从而校准函数确定控制信号和所需要的参考电流源设置之间所需要的关系。