CN105101560A - Led驱动电路及使用该驱动电路的led驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED驱动电路及使用该驱动电路的LED驱动系统，LED驱动电路包括输出电路、电流采样电阻、第一电源端和第二电源端。输出电路包括功率开关，其输入端接收输入电压，其输出端为第一电源端；电流采样电阻的一端与第二电源端相连，另一端接地。LED驱动电路还包括：控制电路、采样电容、第一开关和第二开关，控制电路包括反馈端和输出端，控制电路的输出端与功率开关的控制端相连；第一开关的一端与第二电源端相连，另一端与采样电容的一端相连，采样电容的另一端接地，第一开关和采样电容之间的连接节点与控制电路的反馈端相连；第二开关一端与第二电源端相连，另一端接地。与现有技术相比，本发明可降低电流采样电阻的功率损耗。

Description

LED驱动电路及使用该驱动电路的LED驱动系统

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)驱动电路及使用该驱动电路的LED驱动系统。

【背景技术】

LED背光驱动电路广泛应用于各种电子设备中，例如，平板电脑和智能手机中。而实验发现在很多便携电子系统中，LED屏的耗电能占到整个系统耗电的一半甚至更多，因此，提高LED屏的效率，对于节能、减小发热、延长锂电池充满电后的使用时间很有意义。现有技术中，LED背光驱动芯片通常将功率NMOSFET(N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管)与控制电路集成在同一晶片上，一般采用升压电路来驱动LED灯。请参考图1所示，其为现有技术中的一种LED驱动电路的电路示意图，其包括升压输出电路110、电流模控制电路120、第一电源端VP、第二电源端VN和电流采样电阻Rs。

所述升压输出电路110包括电感L1、二级管D1、稳压电容C2、输出电容C1和NMOS晶体管MN1，其中，稳压电容C2的一端与输入电压VDD相连，其另一端接地；电感L1的一端与输入电压VDD相连，其另一端与二级管D1的正极相连，二级管D1的负极经输出电容C1接地；NMOS晶体管MN1的漏极与电感L1和二级管D1的正极之间的连接节点相连，其源极接地，其栅极做为所述升压输出电路110的控制端；二级管D1的负极与输出电容C1之间的连接节点作为LED驱动电路的第一电源端VP。电流采样电阻Rs的一端与LED驱动电路的第二电源端VN相连，其另一端接地。电流模控制电路120包括反馈端FB、电流采样端CurSens和输出端DRV，其中，电流采样端CurSens与NMOS晶体管MN1的漏极相连，反馈端FB与第二电源端VN相连，输出端DRV与NMOS晶体管MN1的栅极相连。为了简化描述，图1中仅在LED驱动电路的第一电源端VP和第二电源端VN之间连接了一个LED通道，该通道包括依次串联的WLED1、WLED2和WLED3(白光二级管)。

为了实现反馈环路稳定性，图1中采用了电流模结构，即通过采样一部分NMOS晶体管MN1的电流，并注入采样电流到反馈环路中。但图1中的LED驱动电路也有其缺点，即电流采样电阻Rs上会存在一定的压降，将消耗额外的功率，从而降低整个系统的效率。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种LED驱动电路及使用该驱动电路的LED驱动系统，其可以降低LED驱动电路中电流采样电阻的功率损耗，从而提高整个系统的效率。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种LED驱动电路，其包括输出电路、电流采样电阻、第一电源端和第二电源端，所述输出电路包括功率开关，其输入端接收输入电压，其输出端为第一电源端，其将输入电压转换为输出电压；电流采样电阻的一端与第二电源端相连，其另一端接地。所述LED驱动电路还包括：控制电路、采样电容、第一开关和第二开关，控制电路包括反馈端和输出端，其中，所述控制电路的输出端与功率开关的控制端相连，所述控制电路基于其反馈端接收到的反馈电压，通过其输出端输出开关控制信号给功率开关的控制端，以控制功率开关导通或截止；第一开关的一端与所述第二电源端相连，其另一端与采样电容的一端相连，采样电容的另一端接地，第一开关和采样电容之间的连接节点与所述控制电路的反馈端相连；第二开关一端与所述第二电源端相连，其另一端接地。

进一步的，所述输出电路还包括电感L1、二极管D1、输出电容C1，其中电感L1的一端与输入电压相连，其另一端与二级管D1的正极相连，二级管D1的负极经输出电容C1接地；功率开关的第一连接端与电感L1和二级管D1的正极之间的连接节点相连，其第二连接端接地，二级管D1的负极与输出电容C1之间的连接节点作为第一电源端。

进一步的，所述控制电路还包括有电流采样端，该电流采样端与功率开关的第一连接端相连，所述控制端基于电流采样端采样到的电流以及反馈电压产生所述开关控制信号。

进一步的，当第一开关被导通、第二开关被关断时，通过第一开关将电流采样电阻上的电压采样到采样电容上，控制电路以电流采样电阻上的电压作为反馈电压进行环路调整；当第一开关被关断、第二开关被导通时，所述控制电路直接以采样电容上的电压作为反馈电压进行环路调整。所述LED驱动电路还包括振荡器，所述振荡器用于产生并输出第一时钟信号和第二时钟信号，其中，第一时钟信号与第一开关的控制端相连，其用于控制第一开关导通或关断，第二时钟信号与第二开关的控制端相连，其用于控制第二开关导通或关断。

进一步的，第一时钟信号CK1的有效电平和第二时钟信号CK2的有效电平不交叠，第二时钟信号由有效电平跳变为无效电平的跳变沿到与其紧邻的第一时钟信号由无效电平变为有效电平的跳变沿存在延迟时间Td，时钟信号的有效电平为使对应的开关导通的电平信号，时钟信号的无效电平为使对应的开关关断的电平信号，所述延迟时间Td大于电流模控制电路所在的反馈环路所需要的稳定时间。

进一步的，所述振荡器还输出第三时钟信号，所述第三时钟信号与所述控制电路的时钟信号端相连，所述控制电路以第三时钟信号的时钟周期工作。

进一步的，第二时钟信号与第三时钟信号同步，且在第二时钟信号的一个周期中，第二时钟信号的无效电平持续时间为第三时钟信号的时钟周期的整数倍，其中，第二时钟信号的无效逻辑电平为使第二开关关断的电平信号。

进一步的，控制电路的带宽低于第一时钟信号的频率。

进一步的，所述控制电路包括误差放大器和补偿电容，所述补偿电容串联于所述误差放大器的输出端。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种LED驱动系统，其包括一个或多个LED和LED驱动电路。LED驱动电路，其包括输出电路、电流采样电阻、第一电源端和第二电源端，所述输出电路包括功率开关，其输入端接收输入电压，其输出端为第一电源端，其将输入电压转换为输出电压；电流采样电阻的一端与第二电源端相连，其另一端接地。所述LED驱动电路还包括：控制电路、采样电容、第一开关和第二开关，控制电路包括反馈端和输出端，其中，所述控制电路的输出端与功率开关的控制端相连，所述控制电路基于其反馈端接收到的反馈电压，通过其输出端输出开关控制信号给功率开关的控制端，以控制功率开关导通或截止；第一开关的一端与所述第二电源端相连，其另一端与采样电容的一端相连，采样电容的另一端接地，第一开关和采样电容之间的连接节点与所述控制电路的反馈端相连；第二开关一端与所述第二电源端相连，其另一端接地。所述LED的负极与LED驱动电路的第二电源端相连，其正极与第一电源端相连。

与现有技术相比，本发明在现有的LED驱动电路中增设采样电容C3，以间歇性的采样电流采样电阻Rs的电压；在非采样期间将电流采样电阻Rs短路到地，以采样电容C3上的电压作为电流反馈电压，从而降低电流采样电阻Rs上的功耗，提高整个系统的效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中的一种LED驱动电路的电路示意图；

图2为本发明在一个实施例中的LED驱动电路的电路示意图；

图3为在一个实施例中，图2中的第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2的时序图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的LED驱动电路的电路示意图。如图2所示的，所述LED驱动电路包括升压输出电路210、控制电路220(或被称之为电流模控制电路)、第一电源端VP、第二电源端VN、电流采样电阻Rs、采样电容C3、第一开关K1和第二开关K2。

所述升压输出电路210与图1中的升压输出电路110相同，所述升压输出电路210包括电感L1、二级管D1、稳压电容C2、输出电容C1和功率开关212，其中，稳压电容C2的一端与输入电压VDD相连，其另一端接地；电感L1的一端与输入电压VDD相连，其另一端与二级管D1的正极相连，二级管D1的负极经输出电容C1接地；功率开关212的第一连接端与电感L1和二级管D1的正极之间的连接节点相连，其第二连接端接地，其控制端做为所述升压输出电路210的控制端；二级管D1的负极与输出电容C1之间的连接节点作为升压输出电路210的输出端，即LED驱动电路的第一电源端VP。通过控制功率开关212导通或关断，可以使升压输出电路210对输入电压VDD进行升压转换，从而使得第一电源端VP的输出电压值比输入电压VDD更高。在图2所示的实施实施例中，所述功率开关212为NMOS晶体管MN1，功率开关212的第一连接端、第二连接端和控制端分别为NMOS晶体管MN1的漏极、源极和栅极。在另一个实施例中，功率开关212也可以为PMOS晶体管。

电流采样电阻Rs的一端与LED驱动电路的第二电源端VN相连，其另一端接地，电流采样电阻Rs上形成的电压称为电流反馈电压，该电流反馈电压反映LED通道上的电流。为了简化描述，图2中仅在LED驱动电路的第一电源端VP和第二电源端VN之间连接了一个LED通道，该通道包括依次串联的WLED1、WLED2和WLED3(白光二级管)在实际应用中，图2中的LED驱动电路可驱动多路LED通道，例如，16路LED通道，每个LED通道中可包括一个LED或多个依次串联的LED。

所述控制电路220包括反馈端FB、电流采样端CurSens和输出端DRV，其中，电流采样端CurSens与功率开关212的第一连接端相连，输出端DRV与功率开关212的控制端相连，所述电流模控制电路220通过其电流采样端CurSens采样功率开关212上流过的电流，通过其反馈端FB接收反馈电压。所述电流模控制电路220基于其电流采样端CurSens采样到的电流和其反馈端FB接收到的反馈电压通过其输出端DRV输出开关控制信号给功率开关212的控制端，以控制功率开关212导通或截止。关于所述电流模控制电路220的详细工作过程并不影响本发明的技术方案的实施，且所述电流模控制电路220可以采用现有技术中的任意一种电流模控制技术，故此处不再赘述。此外，在有些实施例中，也完全可以不采集功率开关212上流过的电流，仅基于其反馈端FB接收到的反馈电压输出开关控制信号，同样可以实现控制LED上流过的电流的效果。

与图1相比，图2中的LED驱动电路增加了采样电容C3、第一开关K1、第二开关K2和振荡器OSC。其中，第一开关K1的一端与所述第二电源端VN相连，其另一端与采样电容C3的一端相连，采样电容C3的另一端接地，第一开关K1和采样电容C3之间的连接节点与所述控制电路220的反馈端FB相连；第二开关K2一端与所述第二电源端VN相连，其另一端接地(即第二开关K2与所述电流采样电阻Rs并联)；所述振荡器OSC输出驱动信号，以控制第一开关K1和第二开关K2的导通或关断，其中，在控制第一开关K1导通时，控制第二开关K2关断；在控制第二开关K2导通时，控制第一开关K1关断。具体工作原理为：当第一开关K1导通、第二开关K2关断时，通过第一开关K1将电流采样电阻Rs上的电压采样到采样电容C3上，电流模控制电路220以电流采样电阻Rs上的电压作为反馈电压进行环路调整，即将电流采样电阻Rs上的电压调整等于预先设定的参考电压；当第一开关K1关断、第二开关K2导通时，采样电容C3不采样电流采样电阻Rs上的电压，控制电路220以采样电容C3上的电压(即前述从电流采样电阻Rs上采样到的电压)作为反馈电压进行环路调整，即将采样电容C3上的电压调整等于预先设定的参考电压，且由于电流采样电阻Rs被第二开关K2短路到地，因此，此时，电阻Rs上的电压为零，不再消耗能量，从而实现节省功耗的效果。假设第二开关K2的导通占空比为90％，则90％的电流采样电阻Rs上的功耗将被节省，即图2中的电流采样电阻Rs的平均功耗将被降低至现有技术的100％-90％＝10％，故本发明中第二开关K2的导通占空比越高，电流采样电阻Rs上节省额功耗越多。需要说明的是，开关的导通占空比(即开关占空比)指的是在一个开关周期中，该开关导通的持续时间与整个开关周期的比值。

由于一般电流模控制电路220也需要振荡器，因此，本发明中可以借用电流模控制电路220的振荡器额外产生控制第一开关K1和第二开关K2的驱动信号。在图2所示的实施例中，振荡器OSC产生并输出所述驱动信号和第三时钟信号CK3，驱动信号包括第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2。其中，第三时钟信号CK3与电流模控制电路220的时钟端CK3相连，该第三时钟信号CK3用于为电流模控制电路220提供脉宽调整控制的时钟，即用于控制功率开关212导通或截止的时钟信号，第三时钟信号CK3的频率与功率开关212导通和截止的频率相同；第一时钟信号CK1与第一开关K1的控制端相连，以控制第一开关K1的导通或关断；第二时钟信号CK2与第二开关K2的控制端相连，以控制第二开关K2的导通或关断。

请参考图3所示，其为在一个实施例中，图2中的第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2的时序图。第一时钟信号CK1为第一逻辑电平时，使第一开关K1导通，第一时钟信号CK1为第二逻辑电平时，使第一开关K1关断；第二时钟信号CK2为第一逻辑电平时，使第二开关K2导通，第二时钟信号CK2为第二逻辑电平时，使第二开关K2关断。在图3所示的实施例中，第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2的第一逻辑电平均为高电平；第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2的第二逻辑电平均为低电平。在另一种表述中，驱动第一开关K1和第二开关K2导通的电平，可以被称之为有效电平，驱动第一开关K1和第二开关K2截止的电平，可以被称之为无效电平。

图3中，第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2满足如下条件。

第一，第一时钟信号CK1和第二时钟信号CK2为不交叠时钟，即有效电平不交叠，以避免第一开关K1和第二开关K2同时导通，例如，在图3中，第一时钟信号CK1的高电平(其使第一开关K1导通)与第二时钟信号K2的高电平(其使第二开关K2导通)互不交叠。

第二，第二时钟信号CK2与第三时钟信号CK3同步，且第二时钟信号CK2为低电平(即第二逻辑电平)的时间应该为第三时钟信号CK3时钟周期的整数倍，其原因在于，电流模控制电路220以第三时钟信号CK3的时钟周期工作，对于电流采样电阻Rs工作的时间(对应第二开关K2被关断的时间)应该为整个功率开关212导通和关断的时间，这样，可以避免在一个功率开关212的工作周期内(即一个脉宽调制控制周期内)出现部分时间电流采样电阻Rs被串联于LED通道的一端，另一部分时间电流采样电阻Rs被短路的情况。如果出现上述情况，将导致出现一个非正常的脉宽调制周期，从而导致反馈环路不稳定。如果反馈环路不稳定，则会产生LED等闪烁的现象，产生不良的视觉效果。

第三、第二时钟信号CK2的下降沿(即第二时钟信号CK2由第一逻辑电平跳变为第二逻辑电平的跳变沿)到与其紧邻的第一时钟信号CK1的上升沿(即第一时钟信号CK1由第二逻辑电平跳变为第一逻辑电平的跳变沿)存在较大的延迟时间Td，延迟时间Td需要大于电流模控制电路所在的环路所需要的稳定时间。

另外的一个设计要求是，由于本发明中电流采样电阻Rs上的电压仅被间歇式采样，而电流模控制电路以此平均电压来工作，因此，为了保证平均模型正确，维持电路模控制反馈环路的稳定性，还需要满足电流模控制电路的带宽要低于本发明中间歇式采样的频率(即第一时钟信号CK1的频率)。通过增加补偿电容(一般为将补偿电容串联误差放大器的输出端)，可以减小电流模控制电路的带宽。

综上所述，本发明在现有LED驱动电路中，增加采样电容C3、第一开关K1、第二开关K2，其中，第一开关K1的一端与所述第二电源端VN相连，其另一端与采样电容C3的一端相连，采样电容C3的另一端接地，第一开关K1和采样电容C3之间的连接节点与所述电流模控制电路220的反馈端FB相连；第二开关K2一端与所述第二电源端VN相连，其另一端接地。通过控制第一开关K1和第二开关K2交替导通，使采样电容C3间歇性的采样电流采样电阻Rs的电压；在非采样期间将电流采样电阻Rs短路到地，以采样电容C3上的电压作为电流反馈电压，从而降低电流采样电阻Rs上的功耗，提高整个系统的效率。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种LED驱动电路，其包括输出电路、电流采样电阻、第一电源端和第二电源端，所述输出电路包括功率开关，其输入端接收输入电压，其输出端为第一电源端，其将输入电压转换为输出电压，电流采样电阻的一端与第二电源端相连，其另一端接地，

其特征在于，所述LED驱动电路还包括：控制电路、采样电容、第一开关和第二开关，

控制电路包括反馈端和输出端，其中，所述控制电路的输出端与功率开关的控制端相连，所述控制电路基于其反馈端接收到的反馈电压，通过其输出端输出开关控制信号给功率开关的控制端，以控制功率开关导通或截止，

第一开关的一端与所述第二电源端相连，其另一端与采样电容的一端相连，采样电容的另一端接地，第一开关和采样电容之间的连接节点与所述控制电路的反馈端相连；第二开关一端与所述第二电源端相连，其另一端接地。

2.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，所述输出电路还包括电感L1、二极管D1、输出电容C1，其中电感L1的一端与输入电压相连，其另一端与二级管D1的正极相连，二级管D1的负极经输出电容C1接地；功率开关的第一连接端与电感L1和二级管D1的正极之间的连接节点相连，其第二连接端接地，二级管D1的负极与输出电容C1之间的连接节点作为第一电源端。

3.根据权利要求2所述的LED驱动电路，其特征在于，所述控制电路还包括有电流采样端，该电流采样端与功率开关的第一连接端相连，所述控制端基于电流采样端采样到的电流以及反馈电压产生所述开关控制信号。

4.根据权利要求1所述的LED驱动电路，其特征在于，当第一开关被导通、第二开关被关断时，通过第一开关将电流采样电阻上的电压采样到采样电容上，控制电路以电流采样电阻上的电压作为反馈电压进行环路调整；当第一开关被关断、第二开关被导通时，所述控制电路直接以采样电容上的电压作为反馈电压进行环路调整，

所述LED驱动电路还包括振荡器，所述振荡器用于产生并输出第一时钟信号和第二时钟信号，其中，第一时钟信号与第一开关的控制端相连，其用于控制第一开关导通或关断，第二时钟信号与第二开关的控制端相连，其用于控制第二开关导通或关断。

5.根据权利要求4所述的LED驱动电路，其特征在于，第一时钟信号CK1的有效电平和第二时钟信号CK2的有效电平不交叠，第二时钟信号由有效电平跳变为无效电平的跳变沿到与其紧邻的第一时钟信号由无效电平变为有效电平的跳变沿存在延迟时间Td，时钟信号的有效电平为使对应的开关导通的电平信号，时钟信号的无效电平为使对应的开关关断的电平信号，所述延迟时间Td大于电流模控制电路所在的反馈环路所需要的稳定时间。

6.根据权利要求5所述的LED驱动电路，其特征在于，所述振荡器还输出第三时钟信号，所述第三时钟信号与所述控制电路的时钟信号端相连，所述控制电路以第三时钟信号的时钟周期工作。

7.根据权利要求6所述的LED驱动电路，其特征在于，第二时钟信号与第三时钟信号同步，且在第二时钟信号的一个周期中，第二时钟信号的无效电平持续时间为第三时钟信号的时钟周期的整数倍，其中，第二时钟信号的无效逻辑电平为使第二开关关断的电平信号。

8.根据权利要求4所述的LED驱动电路，其特征在于，

控制电路的带宽低于第一时钟信号的频率。

9.根据权利要求9所述的LED驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括误差放大器和补偿电容，所述补偿电容串联于所述误差放大器的输出端。

10.一种LED驱动系统，其特征在于，其包括一个或多个LED和如权利要求1-9任一所述的LED驱动电路，

所述LED的负极与LED驱动电路的第二电源端相连，其正极与第一电源端相连。