CN104349538A - Led显示装置、led驱动芯片及其输出驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于LED驱动技术领域，提供了LED显示装置、LED驱动芯片及其输出驱动电路。在LED驱动芯片的输出驱动电路中，由电压输入控制模块根据参考电压源输出的漏电压和输出模块的第二受控端的电压向开关控制模块输出第一电压和第二电压，开关控制模块对第一电压和第二电压进行运算放大处理，并根据逻辑信号驱动器输出的使能信号控制输出模块开启或关闭电流输出，输出模块在开启电流输出时根据其第二受控端的电压和参考电压源输出的门电压控制输出电流值，当开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将该过冲电压进行泄放，从而使参考电压源的漏电压保持稳定，且不影响LED的输出电流值。

Description

LED显示装置、LED驱动芯片及其输出驱动电路

技术领域

本发明属于LED驱动技术领域，尤其涉及一种LED显示装置、LED驱动芯片及其输出驱动电路。

背景技术

近年来，LED显示屏的应用越来越广泛，用户对画面显示质量的要求越来越高，而LED驱动芯片的性能与显示屏的影像的真实性和一致性密切相关，在很大程度上决定了LED显示屏的应用环境和显示效果。为了增强LED显示屏的低灰度显示色彩真实性和画面播放的流畅度，需要较高的刷新率，而高刷新率则需要大幅度缩短芯片输出电流脉冲宽度至数十纳秒，因此要求LED驱动芯片输出电流时具有很快的开关响应速度。

在LED驱动芯片的输出电流实现快速的开关切换时，会在LED显示屏系统中产生较大的交流信号响应，其主要是电压突波，电压突波容易干扰系统显示画面的控制信号、加剧系统电磁干扰，严重时还会损坏系统元器件，并影响LED显示屏的工作稳定性，因此，减小LED驱动芯片的输出电流实现快速的开关切换时所产生的电压突波成为LED显示屏和LED驱动芯片设计中的关键问题之一。

图1示出了LED显示屏中的LED驱动芯片的应用原理图，LED显示屏的系统电源100的LED电源端V_LED向LED提供电源、IC电源端V_IC为LED驱动芯片提供电源，200是LED驱动芯片300的逻辑信号发生器，LED驱动芯片300中包括多个输出驱动电路I1～In（n为正整数），电感L_P是LED电源线上的寄生电感，LED1～LEDn是LED驱动芯片300的电流输出端口的LED灯，电阻RI用于设定LED驱动芯片300的输出电流值，电容C_D和电容C_F为系统电源滤波电容。当通过逻辑信号发生器200的使能信号输出端EN控制LED1～LEDn关闭时，电感L_P中的电流发生突变，根据电感L_P两端电压V_L和电流I_L特性公式：

$V_L=L_P\·\frac{d{I}_L}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

在等式（1）中，t是LED灯的电流减小至零的时间。由此可知，LED灯关闭，I_L瞬间减小为零，dt值很小，很大，在电感L_P两端的电压V_L变为瞬态高电压，即电压突波。

现有技术是通过分时控制LED驱动芯片的输出端口实现开启或者关闭以减小电压突波，即图1中的LED驱动芯片300的输出端口OUT1～OUTn之间分别设置开关时间差，电感L_P中的电流瞬间变化量较小，进而使电压突波减小。其中，LED驱动芯片中的参考电压源为输出驱动电路提供两个参考电压，输出驱动电路根据逻辑信号驱动器所输出的使能信号的电平高低相应地开启输出或关闭输出，而由于LED驱动芯片不同的输出端口之间是分时实现开启或关闭的，所以各个输出驱动电路开启电流输出或关闭电流输出的时间是不同步的。在各个输出驱动电路分时实现输出开启或关闭的过程中，输出驱动电路中用于协同控制输出开关管的开启或关闭的运算放大器的同相输入端接收来自参考电压源的漏电压（参考电压中的其中之一），该漏电压在使能信号从高电平变为低电平时会被瞬间抬升，如果参考电压源的电流泄放能力不够强，就会使该漏电压被抬升的时间过长，进而导致各个输出驱动电路因受运算放大器的控制而在过长的时间内输出电流增大，从而导致LED的输出电流值过高。

综上所述，现有技术在克服电压突波的过程中使参考电压源所输出的漏电压受到干扰，并因此进一步导致LED的输出电流值过高。

发明内容

本发明提供了一种LED驱动芯片的输出驱动电路，旨在解决现有技术克服电压突波的过程中所存在的使参考电压源所输出的漏电压受到干扰，并因此进一步使对LED的输出电流值过高的问题。

本发明是这样实现的，一种LED驱动芯片的输出驱动电路，与所述LED驱动芯片中的参考电压源连接，所述参考电压源的偏置电压端、漏电压端及门电压端分别输出偏置电压、漏电压及门电压，所述输出驱动电路分别从所述LED驱动芯片的电源端和使能端接入供电电压和使能信号，所述LED驱动芯片的输出端口驱动LED工作；

所述输出驱动电路包括：

电压输入控制模块、开关控制模块及输出模块；

所述电压输入控制模块的输入端连接所述LED驱动芯片的电源端，所述电压输入控制模块的第一受控端和第二受控端分别连接所述参考电压源的偏置电压端和漏电压端，所述开关控制模块的第一输入端和第二输入端分别连接所述电压输入控制模块的第一输出端和第二输出端，所述开关控制模块的使能端连接所述LED驱动芯片的使能端，所述开关控制模块的第一开关控制端和第二开关控制端分别连接所述输出模块的第一受控端和第二受控端，所述输出模块的第二受控端还连接所述电压输入控制模块的第三受控端，所述输出模块的电流受控端连接所述参考电压源的门电压端，所述输出模块的输出端作为所述LED驱动芯片的输出端口；

所述电压输入控制模块根据所述漏电压和所述输出模块的第二受控端的电压向所述开关控制模块输出第一电压和第二电压，所述开关控制模块对所述第一电压和所述第二电压进行运算放大处理，并根据所述使能信号控制所述输出模块开启或关闭电流输出，所述输出模块在开启电流输出时根据其第二受控端的电压和所述门电压控制输出电流值；当所述开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将所述过冲电压进行泄放。

本发明的另一目的还在于提供一种LED驱动芯片，所述LED驱动芯片包括参考电压源和多个上述的输出驱动电路。

本发明的又一目的还在于提供一种LED显示装置，所述LED显示装置包括LED和上述的LED驱动芯片。

本发明通过在LED驱动芯片中采用包括电压输入控制模块、开关控制模块及输出模块的输出驱动电路，由电压输入控制模块根据参考电压源输出的漏电压和输出模块的第二受控端的电压向开关控制模块输出第一电压和第二电压，开关控制模块对第一电压和第二电压进行运算放大处理，并根据逻辑信号驱动器输出的使能信号控制输出模块开启或关闭电流输出，输出模块在开启电流输出时根据其第二受控端的电压和参考电压源输出的门电压控制输出电流值，当开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将该过冲电压进行泄放，从而使参考电压源输出的漏电压保持稳定，且不影响LED的输出电流值。

附图说明

图1是现有的LED显示屏内部的系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的LED驱动芯片的输出驱动电路的模块结构图；

图3是本发明实施例提供的LED驱动芯片的输出驱动电路的示例电路结构图；

图4是本发明实施例提供的LED驱动芯片的输出驱动电路中所涉及的运算放大器内部的输入端口原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过在LED驱动芯片中采用包括电压输入控制模块、开关控制模块及输出模块的输出驱动电路，当开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将该过冲电压进行泄放，从而使参考电压源输出的漏电压保持稳定，且不影响对LED的输出电流值。

以下以在LED显示装置中的应用为例对LED驱动芯片及其输出驱动电路进行详细说明：

LED显示装置包括LED及LED驱动芯片，该LED驱动芯片包括参考电压源和多个输出驱动电路，LED显示装置中还包括系统电源及逻辑信号驱动器，系统电源为LED驱动芯片提供供电电压，逻辑信号驱动器输出使能信号控制输出驱动电路向LED开启或关闭电流输出。

图2示出了本发明实施例提供的LED驱动芯片的输出驱动电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

输出驱动电路100与LED驱动芯片中的参考电压源200连接，参考电压源200的偏置电压端BIAS、漏电压端DRAIN及门电压端GATE分别输出偏置电压P_bias、漏电压V_drain及门电压V_gate，输出驱动电路100分别从LED驱动芯片的电源端VDD和使能端EN接入供电电压和使能信号S_EN，LED驱动芯片的输出端口驱动LED工作。

输出驱动电路100包括电压输入控制模块101、开关控制模块102及输出模块103。

电压输入控制模块101的输入端连接LED驱动芯片的电源端VDD，电压输入控制模块101的第一受控端和第二受控端分别连接参考电压源300的偏置电压端BIAS和漏电压端DRAIN，开关控制模块102的第一输入端和第二输入端分别连接电压输入控制模块101的第一输出端和第二输出端，开关控制模块102的使能端连接LED驱动芯片的使能端EN，开关控制模块102的第一开关控制端和第二开关控制端分别连接输出模块103的第一受控端和第二受控端，输出模块103的第二受控端还连接电压输入控制模块101的第三受控端，输出模块103的电流受控端连接参考电压源200的门电压端GATE，输出模块103的输出端作为LED驱动芯片的输出端口。

电压输入控制模块101根据漏电压V_drain和输出模块103的第二受控端的电压Vb向开关控制模块102输出第一电压和第二电压，开关控制模块102对第一电压和第二电压进行运算放大处理，并根据使能信号S_EN控制输出模块103开启或关闭电流输出，输出模块103在开启电流输出时根据其第二受控端的电压Vb和门电压V_gate控制输出电流值；当开关控制模块102的第一输入端出现过冲电压时，电压输入控制模块101将该过冲电压进行泄放。

图3示出了本发明实施例提供的LED驱动芯片的输出驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，电压输入控制模块101包括：

PMOS管MP1、PMOS管MP2、PNP型三极管Q1及PNP型三极管Q2；

PMOS管MP1的源极与PMOS管MP2的源极的共接点为电压输入控制模块101的输入端，PMOS管MP1的栅极与PMOS管MP2的栅极的共接点为电压输入控制模块101的第一受控端，PMOS管MP1的漏极与PNP型三极管Q1的发射极的共接点为电压输入控制模块101的第一输出端，PMOS管MP2的漏极与PNP型三极管Q2的发射极的共接点为电压输入控制模块101的第二输出端，PNP型三极管Q1的基极和PNP型三极管Q2的基极分别为电压输入控制模块101的第二受控端和第三受控端，PNP型三极管Q1的集电极和PNP型三极管Q2的集电极共接于地。其中，PMOS管MP1和PMOS管MP2分别用于为PNP型三极管Q1和PNP型三极管Q2提供工作电流；PNP型三极管Q1用于隔离漏电压V_drain与PMOS管MP1的漏极电压。

作为本发明一实施例，开关控制模块102包括：

运算放大器U1、第一开关管1021及第二开关管1022；

运算放大器U1的同相输入端+和反相输入端-分别为开关控制模块102的第一输入端和第二输入端，运算放大器U1的使能端与第一开关管1021的控制端以及第二开关管1022的控制端所形成的共接点为开关控制模块102的使能端，运算放大器U1的输出端与第二开关管1022的高电位端的共接点为开关控制模块102的第一开关控制端，第一开关管1021的高电位端为开关控制模块102的第二开关控制端，第一开关管1021的低电位端与第二开关管1022的低电位端共接于地。其中，第一开关管1021和第二开关管1022可以是NMOS管、三极管、IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）或者其他具备开关特性的半导体器件；在本发明实施例中，第一开关管1021和第二开关管1022分别优选为NMOS管MN1和NMOS管MN2，NMOS管MN1的栅极、漏极和源极分别为第一开关管1021的控制端、高电位端和低电位端，NMOS管MN2的栅极、漏极和源极分别为第二开关管1022的控制端、高电位端和低电位端。

作为本发明一实施例，输出模块103包括第三开关管1031和NMOS管MN4，第三开关管1031的控制端和高电位端分别为输出模块103的第一受控端和输出端，第三开关管1031的低电位端与NMOS管MN4的漏极的共接点为输出模块103的第二受控端，NMOS管MN4的栅极为输出模块103的电流受控端，NMOS管MN4的源极接地。其中，在本发明其他实施例中，第三开关管1031可以是NMOS管、三极管、IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）或者其他具备开关特性的半导体器件；在本发明实施例中，第三开关管1031优选为NMOS管MN3，NMOS管MN3的栅极、漏极和源极分别为第三开关管1031的控制端、高电位端和低电位端；NMOS管MN3的导通或关断用于控制输出驱动电路100对LED开启电流输出或关闭电流输出，NMOS管MN4根据NMOS管MN3的源极电压Vb和参考电压源200所输出的门电压V_gate调整输出电流值。

以下结合工作原理对上述的输出驱动电路100作进一步说明：

漏电压V_drain和门电压V_gate是参考电压源200输出至输出驱动电路100的两个参考电压，上述的Vb也是NMOS管MN1的漏极电压（等于PNP型三极管Q2的基极电压和NMOS管MN3的源极电压），Vin_p和Vin_m分别为运算放大器U1的同相输入端的电压和反相输入端的电压，I_bias1和I_bias2分别为PMOS管MP1和PMOS管MP2受偏置电压P_bias的控制而导通所产生的偏置电流，分别为PNP型三极管Q1和PNP型三极管Q2提供工作电流，PNP型三极管Q1和PNP型三极管Q2尺寸匹配，即有I_bias1=I_bias2，所以此处将PNP型三极管Q1和PNP型三极管Q2的工作电流定义为I_bias，即I_bias=I_bias1=I_bias2。PNP型三极管Q1和Q2的发射极电流I_E计算公式为：

$I_E=I_S\·\mathrm{ex}{p}^{\frac{{-V}_{\mathrm{BE}}}{K\·T/q}}---\left(2\right)$

其中，I_S是PNP型三极管中的PN结的反向饱和电流（恒温下为常数），k是玻尔兹曼常数，T是热力学温度，q为电子电荷量，PNP型三极管导通时基极与发射极之间的电压V_BE为负值，所以上式（2）中的V_BE电压值为负。根据上式（2）可得V_BE与I_E间的关系式为：

$V_{\mathrm{BE}}=-\frac{K\·T}{q}\·\ln \frac{I_E}{I_S}---\left(3\right)$

对于PNP型三极管Q1，其发射极至集电极的导通电流I_EC=I_bias1，因此PNP型三极管Q1的基极-发射极电压V_BE1如下式所示：

$V_{\mathrm{BE}1}=-\frac{K\·T}{q}\·\ln \frac{I_{\mathrm{bias}1}}{I_S}---\left(4\right)$

偏置电流I_bias1的大小直接控制运算放大器U1的同相输入端+的电压Vin_p的大小，且Vin_p与V_drain和V_BE1的关系如下式所示：

Vin_p=V_drain-V_BE1  （5）

由于PMOS管MP1和PMOS管MP2的尺寸完全匹配，因此PNP型三极管Q1和PNP型三极管Q2中的电流相等且均为I_bias，则PNP型三极管Q2的基极-发射极电压V_BE2=V_BE1，运算放大器U1的反相输入端-的电压Vin_m如下式所示：

Vin_m=Vb-V_BE1  （6）

当使能信号S_EN为高电平时，运算放大器U1关闭，且NMOS管MN1和NMOS管MN2同时导通，并将NMOS管MN3的源极电压Vb和栅极电压下拉至零电平，从而使输出模块103关闭电流输出，Vin_m=-V_BE2=-V_BE1。

当使能信号S_EN为低电平时，运算放大器U1正常工作，NMOS管MN1和NMOS管MN2同时关断，则NMOS管MN3开启导通，其源极电压Vb升高。运算放大器U1的工作特性使其同相输入端+和反相输入端-的工作电压相等，即Vin_m=Vin_p，依据关系式（5）和（6），可得NMOS管MN3的源极电压Vb如下式所示：

Vb=Vin_m-V_BE1=V_drain  （7）

为了保证在电源VCC的电压较低（LED显示屏普遍应用的电源VCC的电压范围为4.2V～5.0V）的情况下使LED能够正常工作，而LED显示屏上的绿色LED和蓝色LED的导通电压降约为3.0V，设计要求输出驱动电路100的输出端的工作电压较低（一般为低于1.0V），因此，Vdrain低于1.0V以保证NMOS管MN3正常工作。

在使能信号S_EN降至低电平的瞬间，图4所示的运算放大器U1内部的PMOS管MP244会迅速关闭，PMOS管MP243导通，则电压Vs迅速升高，寄生电容Cgs242会导致图3中的Vin_p瞬间增加（即Vin_p电压过冲），PNP型三极管Q1的发射极-基极电压V_EB1增大。依据公式（2）计算三极管电流的方法，在V_EB增大时，I_E以指数形式增加，而PNP型三极管Q1的基极电流I_B1则较小，I_B1如下式所示：

$I_{B1}=\frac{I_{E1}}{\mathrm{\β}+1}---\left(8\right)$

在上式（8）中，β是三极管电流放大倍数，不同的制造工艺决定不同的β值，但β均大于1。当参考电压源200产生参考电压V_drain的电路所输出的放电电流I_drain较小时，I_bias1与I_drain关系如下式所示：

I_bias1=(β+1)·I_drain  （9）

因此，PNP型三极管Q1以（β+1）倍的I_drain迅速地将图4所示的寄生电容Cgs242中的多余电荷泄放完成，进而快速泄放运算放大器U1的同相输入端的过冲电压以消除Vin_p中的电压过冲，使V_drain保持稳定，且不影响LED驱动芯片的输出端口的输出电流值。由此可知，输出驱动电路100在进行电流输出的开启与关闭之间的切换时，能够在较宽的参考电压范围（即V_drain和V_gate的电压范围）内将过冲电压所产生的干扰进行隔离，从而达到参考电压抗干扰的目的。

本发明实施例所提及的LED驱动芯片通过采用多个输出驱动电路100对应多个输出端口对LED进行驱动，可以保证LED驱动芯片的输出端口的输出电流值不受电流输出开关切换的影响。

本发明实施例通过在LED驱动芯片中采用包括电压输入控制模块、开关控制模块及输出模块的输出驱动电路，由电压输入控制模块根据参考电压源输出的漏电压和输出模块的第二受控端的电压向开关控制模块输出第一电压和第二电压，开关控制模块对第一电压和第二电压进行运算放大处理，并根据逻辑信号驱动器输出的使能信号控制输出模块开启或关闭电流输出，输出模块在开启电流输出时根据其第二受控端的电压和参考电压源输出的门电压控制输出电流值，当开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将该过冲电压进行泄放，从而使参考电压源的漏电压保持稳定，且不影响LED的输出电流值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LED驱动芯片的输出驱动电路，与所述LED驱动芯片中的参考电压源连接，所述参考电压源的偏置电压端、漏电压端及门电压端分别输出偏置电压、漏电压及门电压，所述输出驱动电路分别从所述LED驱动芯片的电源端和使能端接入供电电压和使能信号，所述LED驱动芯片的输出端口驱动LED工作；其特征在于，所述输出驱动电路包括：

电压输入控制模块、开关控制模块及输出模块；

所述电压输入控制模块的输入端连接所述LED驱动芯片的电源端，所述电压输入控制模块的第一受控端和第二受控端分别连接所述参考电压源的偏置电压端和漏电压端，所述开关控制模块的第一输入端和第二输入端分别连接所述电压输入控制模块的第一输出端和第二输出端，所述开关控制模块的使能端连接所述LED驱动芯片的使能端，所述开关控制模块的第一开关控制端和第二开关控制端分别连接所述输出模块的第一受控端和第二受控端，所述输出模块的第二受控端还连接所述电压输入控制模块的第三受控端，所述输出模块的电流受控端连接所述参考电压源的门电压端，所述输出模块的输出端作为所述LED驱动芯片的输出端口；

所述电压输入控制模块根据所述漏电压和所述输出模块的第二受控端的电压向所述开关控制模块输出第一电压和第二电压，所述开关控制模块对所述第一电压和所述第二电压进行运算放大处理，并根据所述使能信号控制所述输出模块开启或关闭电流输出，所述输出模块在开启电流输出时根据其第二受控端的电压和所述门电压控制输出电流值；当所述开关控制模块的第一输入端出现过冲电压时，所述电压输入控制模块将所述过冲电压进行泄放。

2.如权利要求1所述的输出驱动电路，其特征在于，所述电压输入控制模块包括：

PMOS管MP1、PMOS管MP2、PNP型三极管Q1及PNP型三极管Q2；

所述PMOS管MP1的源极与所述PMOS管MP2的源极的共接点为所述电压输入控制模块的输入端，所述PMOS管MP1的栅极与所述PMOS管MP2的栅极的共接点为所述电压输入控制模块的第一受控端，所述PMOS管MP1的漏极与所述PNP型三极管Q1的发射极的共接点为所述电压输入控制模块的第一输出端，所述PMOS管MP2的漏极与所述PNP型三极管Q2的发射极的共接点为所述电压输入控制模块的第二输出端，所述PNP型三极管Q1的基极和所述PNP型三极管Q2的基极分别为所述电压输入控制模块的第二受控端和第三受控端，所述PNP型三极管Q1的集电极和所述PNP型三极管Q2的集电极共接于地。

3.如权利要求1所述的输出驱动电路，其特征在于，所述开关控制模块包括：

运算放大器、第一开关管及第二开关管；

所述运算放大器的同相输入端和反相输入端分别为所述开关控制模块的第一输入端和第二输入端，所述运算放大器的使能端与所述第一开关管的控制端以及所述第二开关管的控制端所形成的共接点为所述开关控制模块的使能端，所述运算放大器的输出端与所述第二开关管的高电位端的共接点为所述开关控制模块的第一开关控制端，所述第一开关管的高电位端为所述开关控制模块的第二开关控制端，所述第一开关管的低电位端与所述第二开关管的低电位端共接于地。

4.如权利要求3所述的输出驱动电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS管MN1，所述NMOS管MN1的栅极、漏极和源极分别为所述第一开关管的控制端、高电位端和低电位端；

所述第二开关管为NMOS管MN2，所述NMOS管MN2的栅极、漏极和源极分别为所述第二开关管的控制端、高电位端和低电位端。

5.如权利要求1所述的输出驱动电路，其特征在于，所述输出模块包括第三开关管和NMOS管MN4，所述第三开关管的控制端和高电位端分别为所述输出模块的第一受控端和输出端，所述第三开关管的低电位端与所述NMOS管MN4的漏极的共接点为所述输出模块的第二受控端，所述NMOS管MN4的栅极为所述输出模块的电流受控端，所述NMOS管MN4的源极接地。

6.如权利要求5所述的输出驱动电路，其特征在于，所述第三开关管为NMOS管MN3，所述NMOS管MN3的栅极、漏极和源极分别为所述第三开关管的控制端、高电位端和低电位端。

7.一种LED驱动芯片，其特征在于，所述LED驱动芯片包括参考电压源和多个如权利要求1至6任一项所述的输出驱动电路，

8.一种LED显示装置，其特征在于，所述LED显示装置包括LED和如权利要求7所述的LED驱动芯片。