CN107343344B - 用于led驱动器的控制电路、集成电路和led驱动器 - Google Patents

用于led驱动器的控制电路、集成电路和led驱动器 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于LED驱动器的控制电路、集成电路和LED驱动器。本发明实施例通过保持电路在第一状态下对用于表征LED负载电流的反馈信号进行采样，在第二状态下切换误差放大器的输入信号以使得误差放大器的状态在状态切换前后基本保持不变，从而使得误差放大器不需要跟随脉宽调制信号产生状态跳变，进而允许脉宽调制信号的频率和转换速率超出误差放大器带宽的限制，可以在高频率下工作在宽动态范围。本发明实施例降低了对于误差放大器的参数要求，使得误差放大器的设计更加简化，同时大大降低了电路的功耗。

Description

用于LED驱动器的控制电路、集成电路和LED驱动器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种用于LED驱动器的控制电路、集成电路和LED驱动器。
背景技术
发光二极管(LED)具有体积小、能耗低的优点，因此广泛应用作为光源。通过控制流过作为光源的LED负载的平均电流，可以控制亮度。同时，通过控制LED负载的瞬时电流，可以控制色温。因此，通过脉宽调制信号对平均电流进行控制，并在周期内通过线性调节器对瞬时电流进行控制可以同时实现亮度和色温的调节。但是，由于脉宽调制信号是施加在LED驱动器中时，频率会受到控制电路中误差放大器的带宽和信号斜率特性的限制。如果采用成本较低的器件，则不能实现快速调光。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种用于LED驱动器的控制电路、集成电路和LED驱动器，以规避器件的带宽对于调光用的脉宽调制信号的限制，使得LED驱动器在高频率的脉宽调制信号控制下也能够工作在宽动态范围。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种控制电路，用于控制与LED负载串联的功率晶体管，所述控制电路包括：
输出端，适于连接到所述功率晶体管的控制端；
第一误差放大器，一个输入端输入基准信号，所述基准信号用于表征期望的LED负载瞬时电流；
切换电路，用于在第一状态下将第一控制信号输出到所述输出端，所述第一控制信号为第一误差放大器的输出信号或随所述输出信号变化的信号，在第二状态下输出预定信号；以及
保持电路，用于在第一状态下控制向所述第一误差放大器的另一个输入端输入反馈信号，并采样所述反馈信号，所述反馈信号用于表征LED负载的瞬时电流，并在第二状态下切换所述第一误差放大器的输入信号以使得所述第一误差放大器的状态相对于状态切换前基本保持不变。
优选地，所述保持电路被配置为在第一状态下根据所述基准信号和所述第一控制信号对反馈信号进行采样，在第二状态下将反馈信号的采样值切换输入到所述第一误差放大器的另一个输入端。
优选地，所述保持电路包括：
第一电压控制电流源，受控于所述第一控制信号输出第一电流；
第二电压控制电流源，与所述第一电压控制电流源并联，受控于施加于控制端的电压输出第二电流；
第二误差放大器；以及，
多个开关，受控在导通和关断间切换以使得所述保持电路在第一状态和第二状态之间切换；
其中，在第一状态下，向所述第一误差放大器输入所述反馈信号，并且所述第二误差放大器控制所述第二电压控制电流源以使得所述第一电流和所述第二电流之和与所述基准信号成比例；在第二状态下，第二电压控制电流源输出的第二电流被保持不变，并且，所述第一误差放大器控制所述第一电压控制电流源以使得所述第一电流和所述第二电流的和与所述基准信号成比例。
优选地，所述多个开关分别受控于脉宽调制信号或所述脉宽调制信号的反相信号导通或关断；
其中，所述脉宽调制信号用于控制所述LED负载的亮度；
所述基准信号用于控制所述LED负载的色温。
优选地，所述控制电路还包括：
第一电容，连接在所述第一误差放大器的输出端和接地端之间。
优选地，所述保持电路还包括：
第一电阻，连接在所述第二误差放大器的一个输入端和接地端之间；以及
第二电容，连接在所述第二电压控制电流源的控制端与接地端之间；
其中，所述多个开关包括：
第三开关，连接在所述第二误差放大器的一个输入端和所述第二电压控制电流源的控制端之间；
第四开关，连接在所述第二误差放大器与第一电阻连接的输入端和所述第一误差放大器的一个输入端之间；以及
第五开关，连接在反馈电压输入端和所述第一误差放大器与所述第四开关连接的输入端之间；
其中，所述第三开关和第五开关在所述脉宽调制信号为有效时导通，在所述脉宽调制信号为无效时关断，所述第四开关所述脉宽调制信号为有效时关断，在所述脉宽调制信号为无效时导通。
优选地，所述切换电路包括：
第一开关，连接在所述输出端和第一控制信号的输出端之间；以及
第二开关，连接在所述控制电路的输出端和所述预定信号的施加端之间。
优选地，所述控制电路还包括：
第一控制信号输出电路，用于输出随所述第一误差放大器的输出信号变化的第一控制信号。
优选地，所述第一通知信号输出电路包括：
驱动晶体管，连接在电源端和所述第一控制信号的输出端之间，控制端与所述第一误差放大器的输出端连接；以及
电流源，连接在第一控制信号输出端和接地端之间。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路，包括如第一方面所述的控制电路。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种LED驱动器，包括：
功率晶体管和采样电阻，与LED负载串联；以及
如第一方面所述的控制电路，用于控制所述功率晶体管。
本发明实施例通过设置保持电路，在第一状态下对用于表征LED负载瞬时电流的反馈信号进行采样，在第二状态下切换误差放大器的输入信号以使得误差放大器的状态在状态切换前后基本保持不变，从而使得误差放大器不需要跟随脉宽调制信号产生状态跳变，进而允许脉宽调制信号的频率和转换速率超出误差放大器带宽的限制，可以在高频率下工作在宽动态范围。本发明实施例降低了对于误差放大器的参数要求，使得误差放大器的设计更加简化，同时大大降低了电路的功耗。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是一个对比例的LED驱动器的电路图；
图2是本发明实施例的LED驱动器的电路图；
图3是本发明实施例的控制电路的一个可选实现方式的电路图；
图4是本发明实施例的控制电路的一个可选实现方式的电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是一个对比例的LED驱动器的电路图。如图1所示，本对比例的LED驱动器为LED负载设置一个串联的功率晶体管M和采样电阻R。采样电阻R将流过LED负载的电流转换为电压信号FB输出到误差放大器EA的反向输入端。误差放大器EA的同相输入端输入基准信号REF。基准信号REF用于表征期望的瞬时电流。同时，开关S1连接在功率晶体管M的控制端和误差放大器EA的输出端之间。开关S2连接在功率晶体管M的控制端和接地端之间。开关S1受控于脉宽调制信号PWM导通和关断，而开关S2受控于脉宽调制信号PWM的反相信号PWMB导通和关断。在开关S1导通期间，误差放大器EA根据表征LED负载的瞬时电流的反馈信号FB和基准信号REF输出误差信号。该误差信号被施加至功率晶体管M的控制端，控制功率晶体管M工作在线性状态调节流过LED负载的电流，进而实现对色温的调节。在开关S1关断期间，开关S2导通，将功率晶体管M的控制端的电压拉低到0。功率晶体管M受控关断。由此，反复循环，通过控制脉宽调制信号的占空比，可以控制流过LED负载的平均电流，从而调节亮度。但是，在开关S1关断期间，由于功率晶体管M也关断，采样电阻R的两端电压为0。这使得在开关S1关断前后(也即，脉宽调制信号跳变前后)，误差放大器的输入信号FB会跳变，输出信号也会相应地跳变。也就是说，在图1所示的电路中，误差放大器EA的状态会随着脉宽调制信号变化。误差放大器的带宽是指其可以保证正常工作的输入信号的最大频率。由于反馈信号FB随脉宽调制信号PWM跳变，使得用于进行调光的脉宽调制信号的频率不能超过误差放大器的带宽。为了实现可以将高频率的脉宽调制信号应用于调光，就必须设计具有较高带宽的误差放大器。这类误差放大器结构复杂，功耗大。
图2是本发明实施例的LED驱动电路的电路图。如图2所示，本发明实施例的LED驱动电路包括功率晶体管M和采样电阻R以及控制电路1。其中，控制电路1被配置为向功率晶体管M的控制端输出控制信号，控制功率晶体管M随脉宽调制信号PWM导通和关断。并且，控制信号控制功率晶体管M在导通期间工作于线性状态。采样电阻R与功率晶体管M串联，连接在功率晶体管和接地端之间。由此，在功率晶体管M导通期间，驱动LED负载的电流依次流过功率晶体管M和采样电阻R。采样电阻R一端接地，因此，另一端的电压可以作为反馈信号FB来表征LED负载的瞬时电流。
其中，控制电路1包括输出端OUT、误差放大器EA1、切换电路SW和保持电路HD。其中，输出端OUT被配置为适于连接到功率晶体管M的控制端。误差放大器EA1的输出端直接或间接连接到切换电路SW，输出第一控制信号OP-OUT1。在本实施例中，第一控制信号OP-OUT1是误差放大器EA1的输出信号。可选地，第一控制信号OP-OUT1也可以是随误差放大器EA1的输出信号变化的信号。误差放大器EA1的同相输入端输入基准信号REF。优选地，可以在误差放大器EA1的输出端设置电容C1以防止输出量跳变。基准信号REF用于表征期望的LED负载瞬时电流。切换电路SW受控于脉宽调制信号PWM，用于在第一状态下将第一控制信号OP-OUT1输出到输出端OUT，在第二状态下向输出端OUT输出预定信号。其中，所述预定信号用于控制功率晶体管M关断。在图2中，预定信号为零电平。也就是说，切换电路SW在脉宽调制信号PWM为有效时处于第一状态，在脉宽调制信号PWM为无效时处于第二状态。其中，切换电路SW可以包括开关S1和开关S2。开关S1连接在输出端OUT和第一控制信号OP-OUT1的输出端之间。开关S2连接在输出端OUT和接地端之间。开关S1受控于脉宽调制信号PWM导通和关断，开关S2受控于脉宽调制信号PWM的反相信号PWMB导通和关断。通过上述电路结构，切换电路SW可以在脉宽调制信号PWM为有效时将第一控制信号OP-OUT1输出到输出端OUT，以控制流过功率晶体管M的电流，在脉宽调制信号PWM为无效时将输出端OUT的电压拉低到零，以控制功率晶体管M关断。
保持电路HD用于在第一状态下控制向误差放大器EA1的另一个输入端(也即，反相输入端)输入反馈信号FB，并采样反馈信号FB。同时，保持电路HD还被配置为在第二状态下切换误差放大器EA1的反相输入端的输入信号以使得误差放大器EA1的状态相对于第一状态基本保持不变。具体来说，只要使得第二状态下输入到误差放大器EA1的与切换前的反馈信号FB基本相同，不出现跳变，则误差放大器EA1的状态不会发生跳变。这可以使得误差放大器的状态不随脉宽调制信号PWM周期性变化，误差放大器的带宽就不会对脉宽调制信号PWM的频率构成限制。
进一步地，根据误差放大器EA1的特性，其输出信号V1满足：V1＝a(REF-FB),其中，a为误差放大器EA1的增益。根据基准信号REF和输出信号V1就可以获得反馈信号FB。因此，可以将保持电路HD配置为在第一状态下根据基准信号REF和第一控制信号OP-OUT1(其为输出信号V1本身或随其变化的信号)对反馈信号FB进行采样，并在第二状态下将反馈信号FB的采样值切换输入到第一误差放大器的反相输入端。
在一个可选实现方式中，可以通过图3所示的电路来实现上述配置。如图3所示，保持电路HD包括电压控制电流源VCCS1和VCCS2、误差放大器EA2、电容C2、电阻R1和一组开关S3-S5。其中，电压控制电流源VCCS1受控于第一控制信号OP-OUT1输出电流I1。电压控制电流源VCCS2与电压控制电流源VCCS1并联，受控输出电流I2。电容C2连接在电压控制电流源VCCS2的控制端和接地端之间。误差放大器EA2的反相输入端输入基准信号REF，同相输入端连接到相互并联的电压控制电流源VCCS1和电压控制电流源VCCS2。同时，电阻R1连接在误差放大器EA2的同相输入端和接地端之间。由此，电流I1和I2会流过电阻R1在误差放大器EA2的同相输入端形成电压V1。
开关S3-S5受控于脉宽调制信号PWM或脉宽调制信号的反相信号PWMB导通或关断，以使得保持电路HD在第一状态和第二状态之间切换。在第一状态下，保持电路HD向误差放大器EA1输入反馈信号FB，并且使得误差放大器EA2控制电压控制电流源VCCS2以使得电流I1和I2之和与基准信号REF成比例。在第二状态下，保持电路HD使得电压控制电流源VCCS2输出的电流I2保持不变，并且，误差放大器EA1控制电压控制电流源VCCS1以使得电流I1和电流I2的和与基准信号REF成比例。
具体地，开关S3连接在误差放大器EA2的输出端和电压控制电流源VCCS2的控制端之间。开关S4连接在误差放大器EA2的同相输入端和误差放大器EA1的反相输入端之间。同时，开关S5连接在反馈信号输入端和误差放大器EA1的反相输入端之间。开关S3和S5可以受控于脉宽调制信号PWM，从而在脉宽调制信号PWM为有效时导通，在脉宽调制信号PWM为无效时关断。开关S4受控于脉宽调制信号的反相信号PWMB，从而在脉宽调制信号PWM为有效时关断，在脉宽调制信号PWM为无效时导通。由此，开关S4和S5实际上形成一个切换电路，在脉宽调制信号PWM有效时(第一状态)将反馈信号FB输入到误差放大器EA1，在脉宽调制信号PWM无效时(第二状态)将电压V1输入到误差放大器EA1。开关S3在第一状态下使得误差放大器EA2与电压控制电流源VCCS2构成一个反馈环路，使得(I1+I2)*R1＝REF。在第二状态下，开关S3断开，由于电容C2两端电压与开关S3断开前的电压相同，因此，电容C2会保持电压控制电流源VCCS2的控制端电压，使得电流I2保持不变。同时，开关S4导通，开关S5关断使得电压V1输入到误差放大器EA1。由此，误差放大器EA1与电压控制电流源VCCS1构成一个反馈环路，使得(I1+I2)*R1＝REF。由于电流I2保持不变，因此，误差放大器EA1会控制使得电压控制电流源VCCS1输出的电流I1也保持与第一状态下基本相同。对应地，误差放大器EA1的输入和输出也都会保持与第一状态基本相同。因此，误差放大器EA1的状态不会发生跳变。而且，对于误差放大器EA2，由于电流I1和I2基本不变，因此，同相输入端输入的电压V1也基本保持不变。所以误差放大器EA2的状态也不会发生跳变。
在脉宽调制信号PWM由无效切换回有效时，反馈信号FB被重新输入到误差放大器EA1，同时，第一控制信号OP-OUT1被施加到功率晶体管M的控制端控制使得流过功率晶体管M的电流和上一周期基本相同。因此，误差放大器EA1的状态保持基本不变。同时，由于电流I1保持基本不变，因此，在第一状态下与电压控制电流源VCCS2构成反馈环路的误差放大器EA2的状态也基本保持不变。
由此，无论脉宽调制信号PWM的频率多高，误差放大器EA1和EA2的状态始终保持不变，从而不会由于误差放大器的带宽对用于调光的脉宽调制信号的频率构成限制。因此，可以将超高频率的脉宽调制信号应用于本发明实施例的LED驱动电路。进而，可以在控制电路中使用结构较为节点的误差放大器涉及，减小电路规模，减低电路功耗。
应理解，虽然在图3的描述中，误差放大器EA2的反相输入端输入基准信号REF，但是，本领域技术人员也可以根据电路元器件的参数设置将输入与基准信号REF成比例的其它信号，只要能够保证维持两个误差放大器的状态基本保持不变即可。
图4是本发明实施例的控制电路的一个可选实现方式的电路图。如图4所示，在本实现方式中，误差放大器EA1的输出端并未直接连接到电压控制电流源VCCS1的控制端。晶体管MN3和电流源CS1串联连接在电源端和接地端之间。晶体管MN3的控制端与误差放大器EA1的输出端连接。由晶体管MN3和电流源CS1构成的驱动电路可以提高输出信号对于电压控制电流源VCCS1中的晶体管MN1的驱动能力。同时，在本实现方式中，电压控制电流源VCCS1包括晶体管MN1、电阻R2和电流镜MR1。其中，晶体管MN1的控制端(栅极)输入第一控制信号OP-OUT1，漏极连接到在电流镜MR1的输入端。电阻R2连接在晶体管MN1的源极和接地端之间。电流镜MR1可以包括晶体管MP1和晶体管MP2。电流镜MR1的输出端连接到误差放大器EA2的同相输入端。其中，晶体管MN1响应于控制端的第一控制信号OP-OUT1的控制在电流镜MR1的输入端产生电流I1。电流镜MR1将电流I1镜像后向电阻R1输出。同时，电压控制电流源VCCS2包括晶体管MN2、电阻R3和电流镜MR2。电流镜MR2可以包括晶体管MP3和晶体管MP4。电压控制电流源VCCS2的结构与电压控制电流源VCCS1相同，在此不再赘述。
由此，本实现方式的控制电路，可以有效地提升误差放大器EA1的驱动能力，从而有效保证电路的正常运行。
本发明实施例通过设置保持电路，在第一状态下对用于表征LED负载电流的反馈信号进行采样，在第二状态下切换误差放大器的输入信号以使得误差放大器的状态在状态切换前后基本保持不变，从而使得误差放大器不需要跟随脉宽调制信号产生状态跳变，进而允许脉宽调制信号的频率和转换速率超出误差放大器带宽的限制，可以在高频率下工作在宽动态范围。本发明实施例降低了对于误差放大器的参数要求，使得误差放大器的设计更加简化，同时大大降低了电路的功耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种控制电路，用于控制与LED负载串联的功率晶体管，所述控制电路包括：
输出端，适于连接到所述功率晶体管的控制端；
第一误差放大器，一个输入端输入基准信号，所述基准信号用于表征期望的LED负载瞬时电流；
切换电路，用于在第一状态下将第一控制信号输出到所述输出端，所述第一控制信号为第一误差放大器的输出信号或随所述输出信号变化的信号，在第二状态下输出预定信号；以及
保持电路，用于在第一状态下控制向所述第一误差放大器的另一个输入端输入反馈信号，并根据所述第一控制信号和所述基准信号采样所述反馈信号，所述反馈信号用于表征LED负载的瞬时电流，并在第二状态下切换所述第一误差放大器的输入信号以使得所述第一误差放大器的状态相对于状态切换前基本保持不变。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述保持电路被配置为在第一状态下根据所述基准信号和所述第一控制信号对反馈信号进行采样，在第二状态下将反馈信号的采样值切换输入到所述第一误差放大器的另一个输入端。
3.根据所述权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述保持电路包括：
第一电压控制电流源，受控于所述第一控制信号输出第一电流；
第二电压控制电流源，与所述第一电压控制电流源并联，受控于施加于控制端的电压输出第二电流；
第二误差放大器；以及，
多个开关，受控在导通和关断间切换以使得所述保持电路在第一状态和第二状态之间切换；
其中，在第一状态下，向所述第一误差放大器输入所述反馈信号，并且所述第二误差放大器控制所述第二电压控制电流源以使得所述第一电流和所述第二电流之和与所述基准信号成比例；在第二状态下，第二电压控制电流源输出的第二电流被保持不变，并且，所述第一误差放大器控制所述第一电压控制电流源以使得所述第一电流和所述第二电流的和与所述基准信号成比例。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述多个开关分别受控于脉宽调制信号或所述脉宽调制信号的反相信号导通或关断；
其中，所述脉宽调制信号用于控制所述LED负载的亮度；
所述基准信号用于控制所述LED负载的色温。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
第一电容，连接在所述第一误差放大器的输出端和接地端之间。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述保持电路还包括：
第一电阻，连接在所述第二误差放大器的一个输入端和接地端之间；以及
第二电容，连接在所述第二电压控制电流源的控制端与接地端之间；
其中，所述多个开关包括：
第三开关，连接在所述第二误差放大器的一个输入端和所述第二电压控制电流源的控制端之间；
第四开关，连接在所述第二误差放大器与第一电阻连接的输入端和所述第一误差放大器的一个输入端之间；以及
第五开关，连接在反馈电压输入端和所述第一误差放大器与所述第四开关连接的输入端之间；
其中，所述第三开关和第五开关在所述脉宽调制信号为有效时导通，在所述脉宽调制信号为无效时关断，所述第四开关所述脉宽调制信号为有效时关断，在所述脉宽调制信号为无效时导通。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的控制电路，其特征在于，所述切换电路包括：
第一开关，连接在所述输出端和第一控制信号的输出端之间；以及
第二开关，连接在所述控制电路的输出端和所述预定信号的施加端之间。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
第一控制信号输出电路，用于输出随所述第一误差放大器的输出信号变化的第一控制信号。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制信号输出电路包括：
驱动晶体管，连接在电源端和所述第一控制信号的输出端之间，控制端与所述第一误差放大器的输出端连接；以及
电流源，连接在第一控制信号输出端和接地端之间。
10.一种集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的控制电路。
11.一种LED驱动器，包括：
功率晶体管和采样电阻，与LED负载串联；以及
如权利要求1-9任一项所述的控制电路，用于控制所述功率晶体管。
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