CN106601193A - 一种发光二极管背光驱动电路 - Google Patents

一种发光二极管背光驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种发光二极管背光驱动电路，包括第一开关管，其漏极通过输入电感连接至电压源，第一开关管的源极接地；第一驱动反相器，其输出端连接该第一开关管栅极；第二开关管，其源极连接该第一开关管漏极，该第二开关管的漏极连接至该发光二极管串接电路；第二驱动反相器，其输出端连接该第二开关管的栅极，该第二驱动反相器的第一电源端连接该第二开关管的源极，该第二驱动反相器还具有第二电源端；第一电容，一端连接该第二驱动反相器的第一电源端，另一端连接第二驱动反相器的第二电源端；开关控制电路，连接该第一驱动反相器与第二驱动反相器的输入端，并用以控制该第一开关管与第二开关管，以默认模式令该第一开关管与第二开关管交替开启及关断。

Description

一种发光二极管背光驱动电路
技术领域
本发明涉及一种发光二极管背光驱动电路，尤指一种应用于智能手机的发光二极管背光驱动电路。
背景技术
一般而言，智能手机的LCD显示屏需要发光二极管(LED)作为背光光源。目前的LED背光大部分都是一节锂电池作为输入电源，通过异步升压的拓扑结构将升压后的高电压输出驱动多个LED的串接。其中，输出电压值由LED压降和LED的个数决定，例如LED的压降是3.2V，8个LED串联的输出电压就是25.6V。
请参阅图1，图1为现有的异步升压电路，用以驱动多个LED的串接。该异步升压电路主要由电感L1、开关管Q1、二极管D1和输出电容COUT1组成，其中VIN1为电压源，多个串联的发光二极管LEDs1作为负载，并以采样电阻Rs1取样发光二极管LEDs1的电流，将采样电阻Rs1上的压降反馈给开关控制电路CC1。开关控制电路CC1将反馈的发光二极管LEDs1电流信号与内部电流基准进行比较，误差经过反馈环路控制开关管Q1的占空比，达到调节开关管Q1导通能力保持发光二极管LEDs1电流恒定的目的。
图1中现有的异步升压电路的效率主要是受四个因素的影响：电感L1的寄生直流电阻、开关管Q1的开关损耗、开关管Q1的导通损耗和二极管D1的导通压降。
电感L1的寄生直流电阻的功率损耗为：Iin2*DCR，其中，Iin是电感L1的平均电流，DCR是电感L1的寄生直流电阻。
二极管D1的功耗为：Iout*Vd+反向恢复损耗，Iout是输出经过二极管D1的平均电流，Vd是二极管D1的导通压降，反向恢复损耗与二极管D1的电压差和电流有关。
开关管Q1导通损耗为：IQ12*Ron1，IQ1是开关管Q1的平均电流，Ron1是开关管Q1的导通电阻。
开关管Q1的开关损耗：请参阅图2，图2显示开关管Q1开关瞬间的电压电流交叠区域，其中，横轴为时间，LINE1为开关管Q1的漏极电压，LINE2为通过开关管Q1的电流，这是由MOS管的半导体特性决定的。
现有的异步升压电路的效率受到以上所述因素影响而降低了效率，尤其是在输出较高的情况下，而手机耗电最严重的部分即是发光二极管背光系统，因此，如何提供一种能避免或降低以上所述因素的影响，提高效率的发光二极管背光驱动电路，即为各家业者亟待解决的课题。
发明内容
鉴于习知技术的种种缺失，本发明的主要目的，即在于提供一种能避免或降低以上所述因素的影响，提高效率的发光二极管背光驱动电路。
为了达到上述目的及其他目的，本发明遂提供一种发光二极管背光驱动电路，设置于电压源、输入电感与发光二极管串接电路之间，其特征在于，包括第一开关管，该第一开关管的漏极通过该输入电感连接至该电压源，该第一开关管的源极接地；第一驱动反相器，该第一驱动反相器的输出端连接该第一开关管的栅极；第二开关管，该第二开关管的源极连接该第一开关管的漏极，该第二开关管的漏极连接至该发光二极管串接电路；第二驱动反相器，该第二驱动反相器的输出端连接该第二开关管的栅极，该第二驱动反相器的第一电源端连接该第二开关管的源极，该第二驱动反相器还具有第二电源端；第一电容，一端连接该第二驱动反相器的第一电源端，另一端连接该第二驱动反相器的第二电源端；以及开关控制电路，连接该第一驱动反相器与第二驱动反相器的输入端，并用以控制该第一开关管与第二开关管，以默认模式令该第一开关管与第二开关管交替开启及关断。
相较于习知技术，由于本发明的发光二极管背光驱动电路以第二开关管代替现有技术中的二极管，该第二开关管的导压降远小于二极管正向电压，同时该第二开关管在关断时，源漏间的电压也为零，所以反向恢复电流可降到最小，因此可减少损耗，并具有减少EMI噪声的功效；此外，通过开关控制电路以默认模式令第一开关管与该第二开关管交替开启及关断，减少或消除了该第一开关管开关瞬间的电压电流交叠区域，并因为该默认模式，相较于现有技术中工作在连续电感电流状态下的固定频率占空比调制(PWM)控制模式下的电感，本发明的输入电感可以选择较小数值的电感，从而具有相应较小数值的寄生直流电阻，因此可减少损耗并提高效率，充分地解决了现有技术的缺失。
附图说明
图1为现有的异步升压电路。
图2为图1中开关管Q1开关瞬间的电压电流交叠区域示意图。
图3为本发明的发光二极管背光驱动电路的架构示意图。
图4为本发明的默认模式实施例的操作示意图。
图5为本发明的默认模式另一实施例的操作示意图。
图6为本发明的发光二极管背光驱动电路另一实施例的架构示意图。
图7a-7c为本发明的电流采样信号的采样方式。
符号说明：
VIN1 电压源
L1 电感
Q1 开关管
D1 二极管
COUT1 输出电容
LEDs1 发光二极管
Rs1 采样电阻
CC1 开关控制电路
LINE1 开关管Q1的漏极电压
LINE2 通过开关管Q1的电流
VIN3 电压源
L3 输入电感
LEDs3 发光二极管串接电路
Q31 第一开关管
Q32 第二开关管
IN31 第一驱动反相器
IN32 第二驱动反相器
C3 第一电容
COUT3 输出电容
CC3 开关控制电路
V6 自举电路
AMP61 第一放大器
AMP62 第二放大器
RC6 相移电路
FC6 频率控制电路
VCS 电流采样信号
具体实施方式
以下藉由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可藉由其他不同的具体实施例加以施行或应用。
请参阅图3，图3为本发明的发光二极管背光驱动电路的架构示意图。本发明的发光二极管背光驱动电路3，设置于电压源VIN3、输入电感L3与发光二极管串接电路LEDs3之间，发光二极管背光驱动电路3包括：第一开关管Q31，第一开关管Q31的漏极通过输入电感L3连接至该电压源，第一开关管Q31的源极接地；第一驱动反相器IN31，第一驱动反相器IN31的输出端连接第一开关管Q31的栅极；第二开关管Q32，第二开关管Q32的源极连接第一开关管Q31的漏极，第二开关管Q32的漏极连接至发光二极管串接电路LEDs3；第二驱动反相器IN32，第二驱动反相器IN32的输出端连接第二开关管Q32的栅极，第二驱动反相器IN32的第一电源端连接第二开关管Q32的源极，第二驱动反相器IN32还具有第二电源端；第一电容C3，一端连接第二驱动反相器IN32的第一电源端，另一端连接第二驱动反相器IN32的第二电源端；以及开关控制电路CC3，连接第一驱动反相器IN31与第二驱动反相器IN32的输入端，并用以控制第一开关管Q31与第二开关管Q32，以默认模式令第一开关管Q31与第二开关管Q32交替开启及关断。
举例来说，当第一开关管Q31开启、第二开关管Q32关断时，输入电感L3补充电流，同时与发光二极管串接电路LEDs3并联的输出电容COUT3为发光二极管串接电路LEDs3继续供电以保持电流连续。反之，当第一开关管Q31关断、第二开关管Q32开启时，输入电感L3中的电流给输出电容COUT3补充电荷，并同时给发光二极管串接电路LEDs3连续供电。由于采用了该默认模式，相较于现有技术中工作在连续电感电流状态下的固定频率占空比调制(PWM)控制模式下的电感，本发明的输入电感L3可以选择较小数值的电感，从而具有相应较小数值的寄生直流电阻，因此可减少损耗并提高效率。电流关断
于一实施例中，通过设计第二开关管Q32的导通阻抗，可使第二开关管Q32漏极和源极 间的导通压降远小于现有技术使用的二级管正向电压，因此可减少导通损耗。同时第二开关管Q32在零电流关断时，由于第二开关管Q32源漏间的电压也为零，所以反向恢复电流可以降到最小，此外第二开关管Q32中的沟道电荷也为零，从而减少了电荷注入带来的开关损耗。
请参阅图4，图4为本发明的默认模式实施例的操作示意图，其中横轴为时间。于一实施例中，检测输入电感L3的电流与第一开关管Q31的漏极电压，该默认模式为当输入电感L3的电流为零时关断第二开关管Q32，之后待第一开关管Q31的漏极电压降到零后再开启第一开关管Q31。因此这样在第二开关管Q32关断到第一开关管Q31开启间基本消除了开关电压和电流的交叠区，大大减少了开关损耗，这种方式通常也称之为临界导通的频率调制(PFM)控制方式，而非现有技术所使用的固定频率占空比调制(PWM)。
请参阅图5，图5为本发明的默认模式另一实施例的操作示意图，其中横轴为时间。于另一实施例中，只检测第一开关管Q31漏极的零电压，该默认模式为当第一开关管Q31漏极的零电压时关断第二开关管Q32，之后立即开启第一开关管Q31。这样简化后的好处是节省了第二开关管Q32或输入电感L3的高压电流检测电路，使得设计简单，但因为第二开关管Q32在零电流时没有及时关断，会存在一段负电感电流区间，略为影响效率。
请参阅图6，图6为本发明的发光二极管背光驱动电路另一实施例的架构示意图。第二开关管Q32可以是PMOS也可以是NMOS开关管，在图6第二开关管Q32为NMOS开关管的实施例中，本发明的发光二极管背光驱动电路3还可包括自举电路V6(例如电荷泵自举电路)，连接第一电容C3，并用以将第一电容C3的电压保持在等同于电压源VIN3所输出的电压，以便驱动第二开关管Q32。
请参阅图6，于一实施例中，可分别自发光二极管串接电路LEDs3及第一开关管Q31取电流采样信号，且发光二极管背光驱动电路3还包括：第一放大器AMP61，用以比较发光二极管串接电路LEDs3的电流采样信号及基准电压VREF，第一放大器AMP61的输出端连接一相移电路RC6；以及第二放大器AMP62，用以比较第一开关管Q31的电流采样信号及第一放大器AMP61的输出，第二放大器AMP62的输出端连接开关控制电路CC3；其中，若第一开关管Q31的电流采样信号大于第一放大器AMP61的输出，则开关控制电路CC3关断第一开关管Q31。使用这样的闭环反馈PFM控制系统可保持发光二极管串接电路LEDs3电流的恒定。
于进一步的实施例中，发光二极管背光驱动电路3还可包括频率控制电路FC6，频率控制电路FC6连接开关控制电路CC3并用以限制第一开关管Q31与第二开关管Q32交替开启及关断的最高频率。因为频率调制PFM模式在不同负载电流、不同LED串联个数等条件下频率变化较大，因此需要对最高频率进行限制，防止开关失控。一旦相邻周期的时间短于一 设定的最小周期值，则频率控制电路FC6通过开关控制电路CC3自动推迟第一开关管Q31开启时间直到满足最高频率限制。这时系统的开关控制脱离了临界导通模式进入断续导通模式(DCM)。这时第二开关管Q32一直保持关断状态防止明显的负电感电流出现
请参阅图7a-7c，图7a-7c为本发明的电流采样信号的采样方式。于一实施例中，自发光二极管串接电路LEDs3取电流采样信号VCS的方式是以采样电阻(图7a)、电流流入(Current Sink)放大器(图7b)、电流流出(Current Source)放大器(图7c)或是以开关管的电流换算(未图示)的方式取得，但不以此为限。
相较于习知技术，由于本发明的发光二极管背光驱动电路以第二开关管代替现有技术中的二极管，该第二开关管的导压降远小于二极管正向电压，同时该第二开关管在关断时，源漏间的电压也为零，所以反向恢复电流可降到最小，因此可减少损耗，并具有减少EMI噪声的功效；此外，通过开关控制电路以默认模式令第一开关管与该第二开关管交替开启及关断，减少或消除了该第一开关管开关瞬间的电压电流交叠区域，并因为该默认模式，相较于现有技术中工作在连续电感电流状态下的固定频率占空比调制(PWM)控制模式下的电感，本发明的输入电感可以选择较小数值的电感，从而具有相应较小数值的寄生直流电阻，因此可减少损耗并提高效率，充分地解决了现有技术的缺失。此外，还可视需求调整该默认模式，以及选择性的附加自举电路以对应开关管的种类，或附加频率控制电路以防止开关失控。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求所列。

Claims (7)

1.一种发光二极管背光驱动电路，设置于电压源、输入电感与发光二极管串接电路之间，其特征在于，包括：
第一开关管，该第一开关管的漏极通过该输入电感连接至该电压源，该第一开关管的源极接地；
第一驱动反相器，该第一驱动反相器的输出端连接该第一开关管的栅极；
第二开关管，该第二开关管的源极连接该第一开关管的漏极，该第二开关管的漏极连接至该发光二极管串接电路；
第二驱动反相器，该第二驱动反相器的输出端连接该第二开关管的栅极，该第二驱动反相器的第一电源端连接该第二开关管的源极，该第二驱动反相器还具有第二电源端；
第一电容，一端连接该第二驱动反相器的第一电源端，另一端连接该第二驱动反相器的第二电源端；以及
开关控制电路，连接该第一驱动反相器与第二驱动反相器的输入端，并用以控制该第一开关管与第二开关管，以默认模式令该第一开关管与第二开关管交替开启及关断。
2.如权利要求1所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，该默认模式为关断该第二开关管之后，待该第一开关管的漏极电压降到零后再开启该第一开关管。
3.如权利要求1所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，该默认模式为关断该第二开关管之后，立即开启该第一开关管。
4.如权利要求1所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，还包括自举电路，连接该第一电容，并用以将该第一电容的电压保持在等同于该电压源所输出的电压，以及该第二开关管为NMOS开关管。
5.如权利要求1所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，分别自该发光二极管串接电路及第一开关管取电流采样信号，且所述的发光二极管背光驱动电路还包括：
第一放大器，用以比较该发光二极管串接电路的电流采样信号及一基准电压，该第一放大器的输出端连接一相移电路；以及
第二放大器，用以比较该第一开关管的电流采样信号及该第一放大器的输出，该第二放大器的输出端连接该开关控制电路；
其中，若该第一开关管的电流采样信号大于该第一放大器的输出，则该开关控制电路关断第一开关管。
6.如权利要求5所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，还包括频率控制电路，连接该开关控制电路并用以限制该第一开关管与第二开关管交替开启及关断的最高频率。
7.如权利要求5所述的发光二极管背光驱动电路，其特征在于，自该发光二极管串接电路取电流采样信号的方式是以采样电阻、电流流入放大器、电流流出放大器或是以开关管的电流换算的方式取得。
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