CN104798306B

CN104798306B - 用于操控场效应晶体管的装置

Info

Publication number: CN104798306B
Application number: CN201380062434.8A
Authority: CN
Inventors: E.科瓦切夫; A-V.奈克
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: US20160192447A1; CN104798306A; WO2014095173A1; DE102012223816B3; US9521716B2

Abstract

用来根据位于控制线路（4）处的控制信号操控至少一个场效应晶体管（FET）（3）的装置（6），具有供应电压（U_v）和至少一个驱动电路（7），其中驱动电路（7）具有带有输入侧（13）和输出侧（14）的电流镜（8）并且两侧（13、14）与供应电压（U_v）连接，并且其中输入侧（13）通过电平转换器（15）与控制线路（4）连接并且输出侧（14）与至少一个FET（3）连接。

Description

用于操控场效应晶体管的装置

技术领域

本发明涉及用于根据位于控制线路处的控制信号来操控至少一个场效应晶体管（FET）的装置，该装置具有供应电压和至少一个驱动电路。这种装置应该尤其用于运行发光二极管（LED），优选地用于机动车辆照明的发光二极管（LED）。

背景技术

在操控N沟道FET的情况下总是在用于接通FET所需的电压位于其源极电位之上时需要驱动电路。这种情况例如经常在操控发光二极管（LED）的情况下出现，因为LED基于其电压－电流特性大多串联并用恒流源来运行，以便实现恒定的亮度。操控各个LED在该配置下可利用与LED并联的FET来进行，使得FET的漏极－源极沟道在需要时跨接LED并因此将其熄灭。与此对应，FET的源极电位是非常不同的并且部分地明显位于地之上。因此，本发明尤其涉及用于控制LED支路的LED的装置。

借助于FET来连接或跨接LED是单个LED操控的一种有吸引力的方式。通过快速地转换FET，通常以200Hz或更高（快速脉宽调制，PWM）来转换，所分配的LED被相应反向转换并且LED亮度的所感知的平均值受到影响。这样的操控使不同光照场景的转变成为可能，这不仅是通过不同的亮度而且通过LED的空间分布。通过这种方式实现例如高速公路光照、恶略天气光照以及转向光照的复杂光照功能而无需移动机械部件，这使匹配的驾驶方式成为可能并且最终提高交通安全性。

在现有技术中，实现了控制信号的所需电压匹配的驱动电路是已经已知的。US 7046 050 B1例如基于由供应电压馈送的推挽输出级（推拉级）。栅极操控电压为外部电压和由作为驱动电路一部分的充电泵提供的泵电压的总和。控制信号由电平转换器传输到推挽输出级的输入端并且参照其供应电压。US 4 683 438A同样描述了具有充电泵和用于传输微控制器的控制脉冲的电平转换器。在这两个设备中不利的是所需的充电泵，其尤其是由于所需的脉冲发生器而使驱动电路构件密集并且因此成本低效。此外，电容器引起高的再充电电流和陡沿，这导致干扰以及导致整个电路的电磁兼容性减小。

US 5 365 118 A示出了具有准确说两个驱动电路的设备。上面的驱动电路的供应电压由“自举电路”来提供，但是该“自举电路”仅能在输出端处的信号以足够的幅度振荡以便自举电容器可以充电时工作。否则的话，附加地需要充电泵以便永久地接通FET。

发明内容

与此相对，本发明的任务是提供用于操控FET的成本高效的尽可能简单的装置，其对干扰和电压波动不敏感并且同时快速地工作。同样，本发明的任务是提供与已知装置显著不同的可替代的解决方案。

所述任务在开头提到的类型的装置情况下根据本发明通过如下方式解决：驱动电路具有带有输入侧和输出侧的电流镜，其中两侧与供应电压连接并且其中输入侧通过电平转换器与控制线路连接并且输出侧与至少一个FET连接。通过该电路实现的电流调节有利地对供应电压的波动不敏感。

在优选的变型中，电流镜具有带有输入侧晶体管和输出侧晶体管的晶体管对、优选双晶体管，所述输入侧晶体管和输出侧晶体管的基极接线端相互连接并且与输入侧晶体管的集电极接线端连接。这种电流镜可以特别简单和紧凑地例如在集成电路中来实现并且因此是比较成本高效的。

为了特别简单地调节电流镜输入侧上的电流，电平转换器可以具有电平转换器晶体管和至少一个电平转换器电阻，其中电平转换器晶体管与电流镜的输入侧串联并且控制线路与电平转换器晶体管的基极接线端连接。因此，压入在输入侧上的电流仅取决于控制信号的电压并且几乎不受供应电压的波动的影响。

在该上下文中证实为有益的是：电平转换器晶体管与电流镜的输入侧通过集电极电阻来连接以用于减少电平转换器晶体管处的损耗功率。损耗功率的减少通过由集电极电阻来匹配电平转换器晶体管处的电压差来实现。

参照FET的源极接线端可以有利地通过如下方式来实现：电流镜的输出侧与栅极接线端并且与至少一个FET的源极接线端连接，其中在FET的栅极接线端和源极接线端之间连接电阻。通过这种方式，栅极电压与FET的任意“浮动的”的源极电位相关联，其中供应电压必须大于FET的源极电位和阈值电压的总和。

此外，电流镜的输入侧通过输入前置电阻与供应电压连接和/或输出侧通过输出前置电阻与供应电压连接。电阻导致局部的负反馈并且因此进一步改善电路的稳定性和准确性。

优选地，供应电压可以为充电泵或升压转换器（增压转换器）的输出电压。这是一种有益的可能性：通过常用的求平均从较低的网络电压中产生足够高的供应电压。在此，使用升压转换器有附加的优点：不必考虑起振时间或充电时间并且因此保证了恒定快的电路。

本驱动电路特别适用于尤其具有相对于控制输入端浮动的源极电位的应用，在所述应用中至少一个FET为N沟道FET（N-FET）。N-FET是明显价格更低的并且同时与可比较的P-FET相比是更低欧姆的。由物理条件决定地，N-FET的控制信号必须具有比源极电位高一些的幅度。

如果设置至少一个FET以用于分别跨接至少一个发光二极管（LED），则该装置可以有利地被用于控制单个的LED。借助于跨接的控制目的尤其在于串联的LED列或LED支路。

此外有益的是：两个或更多驱动电路与共同的供应电压连接并且操控FET，所述FET在其方面优选地与布置到至少一个串联电路中的LED并联。与现有背景相比——按照现有技术每个驱动电路自行生成其局部的供应电压，使用共同的供应电压可以减少整个电路的复杂性并且因此也降低制造耗费和与此相关联的成本。在此，被共同供应的驱动电路可被设置用于操控在一个（串行的）LED支路中或在由多个并联的LED支路形成的LED矩阵中所布置的LED。

附图说明

下面根据特别优选的、但本发明不应限于的实施例以及参照附图来进一步阐述本发明。在此，在附图中详细地示出：

图1 用于操控跨接LED的FET的装置的示意性电路框图；并且

图2 具有两个可分开操控的FET的优选实施例，其中两个所分配的驱动电路与共同的供应电压连接。

具体实施方式

图1示出了发光二极管（LED）1，其由恒流源2用电流I_d来运行。如果场效应晶体管（FET）3的栅极电压U_g位于源极电位U_s之上，LED1可以通过与该LED1并联的FET3来跨接。在这种情况下，电流I_d实际上仅通过FET3的低欧姆的漏极－源极路段传导，使得LED1在跨接期间中保持为暗的。源极电压或源极电位U_s在一列串联的LED1的情况下一般相对于地来说是“浮动的”并且在最接近恒流源2的第一LED1的情况下几乎与总支路电压相对应。因此，位于控制线路4处的通常相对于地5来说的控制信号的幅度一般不足以操控并且接通FET3。为了实现操控并且接通FET3，控制信号可以利用本装置6以合适的方式与FET3的源极电位U_s关联。

图1中示出的装置6的中心元件是具有电流镜电路8（以下简称电流镜8）的驱动电路7。电流镜8例如基本上包括一对pnp晶体管9、10以及优选相同大小的两个前置电阻11、12，其中在每个晶体管9、10前接一个串联电阻11、12。电流镜8与电流控制的电流源相对应，也就是说，在输入侧13（图1中左侧）上流动的电流i₁——在忽略晶体管9、10的大多相对低的基极电流的情况下——被传输或者“镜像”到输出侧14上。晶体管9、10的基极接线端相互连接并且与输入侧晶体管9的集电极接线端连接。因此，在前置电阻11、12相同大小的前提条件下，晶体管9、10具有相同的基极-发射极电压。因此，基极电流相等，由此得出，集电极电流也大致相等。两个集电极电流的基于样本分布、构件容差、早期效应等等的实际中普遍的直至±20%的差值对电路的作用原理几乎是不重要的并且可以在正确的选择参数的情况下无问题地被补偿。电流镜8的对称性、即输入侧电流i₁和输出侧电流i₂的一致，可以通过如下方式改善：晶体管9、10被实施为唯一的双晶体管，使得例如可以尽可能的排除与温度相关的差值。

输入侧的电流i₁通过电平转换器15来控制。电平转换器15具有npn双极电平转换器晶体管16，其基极接线端与PWM信号发生器（例如微控制器17）相连接。电平转换器晶体管16的发射极接线端通过电平转换器电阻18与地5关联，使得电平转换器晶体管16与电平转换器电阻18共同形成电流宿，该电流宿将输入电流i₁压入电平转换器晶体管16的集电极接线端中。压入的电流i₁跟随位于与控制线路4连接的基极接线端处的控制信号，该控制信号由微控制器17或者任意其它的电压源来产生或控制，并且通过下式给出：

其中U_PWM为控制信号或控制线路4处的电压，U_BET16为电平转换器晶体管16的基极-发射极电压并且R₁₈为电平转换器电阻18的电阻值。电流镜8将在输入侧13上流动的电流i₁镜像到输出侧14上，在该处电流尤其流经FET3的栅极接线端和源极接线端之间的栅极电阻19。FET3优选地为N-FET，因为这种类型具有特别低欧姆的漏极－源极路段。在输出侧14上流动的电流i₂导致沿栅极电阻19的电压降并且导致FET3的栅极接线端和源极接线端之间的栅极电压ΔU_R19，其与栅极电阻19的电阻值R₁₉成比例：

。

在此，栅极电压ΔU_R19的变化曲线或脉冲形式准确地跟随在电平转换器15处的控制信号U_PWM。为了可以根据控制信号U_PWM完全导通FET3，栅极电阻19的电阻值R₁₉必须足够大以便在给定电流i₂的情况下达到足够的栅极电压ΔU_R19。栅极电压ΔU_R19的幅度尤其必须比FET3的阈值电压U_th大。因为FET3优选地为N-FET，阈值或阈限电压U_th通常位于2.5与3.5之间的区间内。

供应电压U_v总计必须满足下列条件：

其中U_s为源极电位，U_th为FET3的阈值电压（阈限电压），i₂R₁₂为输出前置电阻12处的电压降并且U_CET10为电流镜8的输出侧晶体管10的集电极-发射极饱和电压。由此显而易见的是，供应电压U_v必须一直明显位于要操控的FET3的源极电位U_s之上。

因为在FET3接通的情况下负载处或在具体情况下在LED1处的电压在确定的情形中可能大概与整个电路的运行电压相对应，为了产生供应电压U_v通常需要充电泵或者升压转换器或增压转换器来作为电压源20。

电流镜8和电平转换器15之间连接的集电极电阻21与电流形成或电流镜像无关，而是用于减少电平转换器晶体管18中的在供应电压U_v过高的情况下可形成的损耗功率。

图2中根据示意性电路框图示出了具有两个串联的LED1、1'的照明装置22。分别为两个LED1、1'分配N-MOSFET形式的跨接元件，以下简称为FET3，其中FET3与相应的LED1并联。两个FET3中的每个与自己的驱动电路7、7'连接，所述驱动电路7、7'分别与自己的控制线路4、4'连接。控制信号例如由共同的微控制器17产生并且因此与地5关联。控制信号的时间变化曲线一般是无关的，使得LED1、1'可相互分开地操控。

两个LED1、1'由共同的恒流源2供应。恒流源2可以例如是设计为电流调节器的降压转换器或减压转换器。通常在专业人士的评估中规定对于串联的可单个跨接的LED的支路合适的电流供应。驱动电路7、7'——与恒流源2无关地——由共同的、提供供应电压U_v的电压源20来供应。在其它方面在各个驱动电路7、7'的构造中与结合图1描述的驱动电路7基本上相同，从而为了避免对各个元件的描述的重复补充地参阅上述实施形式。

在此处示出的示例性应用情形中，由优选实现为降压转换器的恒流源2为LED1供应1A的电流。驱动电路7、7'的供应电压U_v在这种情况下为30V的直流电压并且通常必须满足上面给出的不等式（3），尤其是一直高于LED列电压加上对于具体使用的FET3足够的栅极操控电压。所需的栅极操控电压通常可以从FET3的数据手册中获悉并且典型地对于逻辑电平（logic-level）FET来说位于5V的范围内或对于普通的MOSFET来说大于7V。为了实现对称的电流镜8，前置电阻11、12为同样大的以及分别具有100Ω，并且镜晶体管9、10是构造相同的。电平转换器电阻18在该示例中具有2.2kΩ并且与栅极电阻19为同样大的。因此，在FET3的栅极-源极路段中大概出现相同的控制电压，该控制电压存在于信号源或在此微控制器17的输出端处。为了保护电平转换器晶体管16所使用的集电极电阻21分别具有8.2kΩ的电阻值。

通过LED1、1'的电流的时间变化曲线在图2中示出的电路中与分别所分配的控制线路4、4'处的电压的时间变化曲线相对应，然而具有相反的符号：操控由于电路构造是相反的。如果控制线路4、4'在逻辑上为“高”，则相应的驱动电路7、7'负责通过FET3跨接LED1、1'并且因此引起通过LED1或1'的较小电流。与自举电路不同，本装置6将控制信号静态地传输到FET3上，使得在假定用于供应电压的相应的源20（例如增压转换器）的情况下，利用具有100%或0%占空比的“PWM信号”来永久地接通或关断FET3也是可能的。

从所述实施例中显而易见的是，所述电路是可容易实行的并且得到了简单的选择参数的规则。因此，与每种当前情形的匹配可以由专业人士快速并可靠地实现。尤其是根据电阻值和恒定的供应电压U_v可以简单地确定FET3的栅极接线端和源极接线端之间的最大电压降，并且在正确选择参数的情况下，不需要通常必须用齐纳二极管来实现的对栅极接线端的电压限定。所使用构件中的全部构件都是可集成的并且可以针对大多数电路元件使用集成的构件或多重壳体（例如电阻阵列，双二极管等等）。由此，该构造是紧凑的，需要少量的印刷电路板面积并且此外在制造中是比较成本高效的。

即使所描述的实施例仅明确示出了具有一个或两个LED1的应用，但是与更长的LED支路以及更多的并联的LED支路（例如LED矩阵）相关联的根据本发明装置的应用由此是直接显而易见的。在该上下文中所需的匹配可以根据上述普遍适用的关联来执行。

Claims

1.用来根据位于控制线路（4）处的控制信号来用至少两个场效应晶体管（FET）（3）进行LED操控的装置（6），具有供应电压（U_v）和至少两个驱动电路（7），用于分别操控一个FET，其中所述驱动电路（7）分别具有带有输入侧（13）和输出侧（14）的电流镜（8），其中在所述输入侧上流动的电流被传输到所述输出侧上，其中两侧（13、14）与所述供应电压（U_v）连接，并且其中为了压入与所述控制信号的电压有关的电流所述输入侧（13）通过由电流宿形成的电平转换器（15）与所述控制线路（4）连接并且所述输出侧（14）与所述至少两个场效应晶体管（FET）（3）的栅极接线端并且与源极接线端连接，其中在所述FET（3）的栅极接线端与源极接线端之间连接有栅极电阻（19），其特征在于，所述至少两个FET（3）被设置用于分别跨接一个发光二极管（LED）（1）并且为具有相对于所述控制线路（4）浮动的源极电位（U_S）的N沟道FET（N-FET），并且所述电流镜（8）具有带有输入侧晶体管（9）和输出侧晶体管（10）的晶体管对（9、10），所述输入侧晶体管（9）和输出侧晶体管（10）的基极接线端相互连接并且与输入侧晶体管（9）的集电极接线端连接，其中所述栅极电阻（19）的大小被确定为，使得在所述FET（3）的栅极接线端和源极接线端之间的栅极电压的幅度比所述FET（3）的阈值电压大，并且不需要用于对所述栅极接线端进行电压限定的齐纳二极管与所述栅极电阻（19）并联。

2.根据权利要求1所述的装置（6），其特征在于，所述电流宿具有电平转换器晶体管（16）和电平转换器电阻（18），其中所述电平转换器晶体管（16）与所述电流镜（8）的输入侧（13）串联，所述电平转换器晶体管（16）的发射极接线端通过所述电平转换器电阻（18）与地（5）关联，并且所述控制线路（4）与所述电平转换器晶体管（16）的基极接线端连接。

3.根据权利要求2所述的装置（6），其特征在于，所述电平转换器晶体管（16）与所述电流镜（8）的输入侧（13）通过集电极电阻（21）来连接以用于减少所述电平转换器晶体管（16）处的损耗功率。

4.根据权利要求1至3之一所述的装置（6），其特征在于，所述电流镜（8）的输入侧（13）通过输入前置电阻（11）与所述供应电压（U_v）连接和/或所述输出侧（14）通过输出前置电阻（12）与所述供应电压（U_v）连接。

5.根据权利要求1至3之一所述的装置（6），其特征在于，所述供应电压（U_v）为充电泵或升压转换器（20）的输出电压。

6.根据权利要求1所述的装置（6），其特征在于，所述晶体管对（9、10）是双晶体管。

7.根据权利要求1至3之一所述的装置（6），其特征在于，两个或更多的驱动电路（7）与共同的供应电压（U_v）并联并且操控场效应晶体管（FET）（3）。

8.根据权利要求7所述的装置（6），其特征在于，所述场效应晶体管与布置在至少一个串联电路中的LED（1）并联。