CN109360526A - 一种led高效率恒流控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED高效率恒流控制装置，包括：恒流电路，所述恒流电路生成恒定电流；DC/DC稳压电路，其中所述恒流电路电连接到所述DC/DC稳压电路的稳压端，电流从电源流入所述DC/DC稳压电路，从所述DC/DC稳压电路的稳压端流入所述恒流电路。

Description

一种LED高效率恒流控制装置
技术领域
本发明涉及LED显示屏领域，尤其涉及用于LED高效率恒流控制装置。
背景技术
发光二极管LED被广泛用于照明、背光、显示等领域。将LED作为像素点实现大屏幕显示的优点包括：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，因此其应用越来越广泛。
LED显示屏一般由一个或多个LED显示模块构成。每个LED显示模块可包括LED像素阵列和用于驱动LED像素阵列的驱动单元。例如，像素阵列可以是4*4、16*16、32*32或64*64的像素阵列等等。每个像素点可以是单色、双基色或三基色(全彩)像素单元。单色是指只有一种颜色的LED管，多为单红色，在某些特殊场合也可用黄绿色；双基色像素单元由红色和绿色LED管组成；全彩色像素单元由红色、绿色和蓝色LED管组成。全彩色像素单元的类型通常包括2R1G、2R1G1B、1R1G1B等，2R1G指一个像素单元有2个红色 LED管和1个绿色LED管，2R1G1B指一个像素单元有2个红色LED管、1 个绿色LED管和1个蓝色LED管，1R1G1B指一个像素单元有1个红色LED 管、1个绿色LED管和1个蓝色LED管。
图1示出了一种根据现有技术的LED显示屏的控制电路的电路示意图(CN101866613A)。如图1所示，LED显示屏由M行*N列LED矩阵排列构成。该控制电路包括行译码器11、行驱动器12、列驱动器14以及放电装置等。由于不同颜色的LED管的导通电压降存在差异，因此在为了保障所有LED管都能正常发光，列驱动器的供电电压通常被设定为较高的值，这导致电源效率低并且热损耗高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种LED 高效率恒流控制装置，包括：
恒流电路，所述恒流电路生成恒定电流；
DC/DC稳压电路，其中所述恒流电路电连接到所述DC/DC稳压电路的稳压端，DC/DC稳压电路连接电源端和底线端，电流从所述DC/DC稳压电路的稳压端流入所述恒流电路。
在本发明的一个实施例中，恒流电路包括放大器、调整管和采样管，所述放大器和调整管组成一个跟随电路或比例放大电路，放大器的正端接收参考电压，负端与调整管的源级相连，放大器的输出端与调整管的栅极相连，调整管的漏极外接负载，采样管的漏极与调整管的源级相连，采样管的源级连接到所述DC/DC稳压电路的稳压端。
在本发明的一个实施例中，所述DC/DC稳压电路的稳压端通过电容接地或电源。
在本发明的一个实施例中，所述DC/DC稳压电路的输出电压VZ为：VZ＝VF +Vset，其中VF是负载压降或LED导通压降，Vset是恒流电路中调整管漏极与采样管源极间的电压。
在本发明的一个实施例中，所述恒流电路包括第一MOS管和第二MOS 管，第一MOS管和第二MOS管都是PMOS管。第一MOS管的栅极与第二 MOS管的栅极相连，第一MOS管的漏极与负载相连，第二MOS管的漏极与栅极相连并接收偏置信号，第一MOS管和第二MOS管的源级连接到DC/DC 稳压电路的稳压端。
在本发明的一个实施例中，所述DC/DC稳压电路的稳压电压Vz为：VZ＝VF +Vset，其中VF是负载压降或LED导通压降，Vset是恒流电路中第一MOS管漏极与源极间的电压。
在本发明的一个实施例中，所述Vset的绝对值在0.01V至2V的范围内。
在本发明的一个实施例中，LED高效率恒流控制装置还包括输出电压控制器，所述输出电压控制器检测所述恒流电路的Vset电压，将所述电压与设定的工作电压作比较，基于比较结果调整DC/DC稳压电路的输出电压。
在本发明的一个实施例中，所述DC/DC稳压电路包括开关管、续流管、开关驱动、PWM/PFM控制器、振荡器以及放大器或比较器，
所述开关管为P型MOS晶体管，其源级与正电源VDD相连，其漏极与续流管的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动；
所述续流管是N型MOS晶体管，其源级接地，其漏极与开关管的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动；
所述放大器或比较器采样稳压端的电压，接收参考电压，并将比较结果输出到PWM/PFM控制器；
所述PWM/PFM控制器根据放大器或比较器的输出信号以及振荡器的输出生成控制信号并提供给开关驱动。
在本发明的一个实施例中，所述DC/DC稳压电路的稳压端通过电容接地或电源，所述DC/DC稳压电路的输出端与稳压端之间接入电感器。
在本发明的一个实施例中，所述恒流控制装置包含在LED显示屏的红色 LED列驱动器中。
在本发明的一个实施例中，所述恒流控制装置包含在LED显示屏的绿色 LED列驱动器中。
在本发明的一个实施例中，所述LED显示屏包括M行、N列LED管构成的阵列，所述恒流电路驱动一列LED管，每一行LED管的阴极互连，构成共阴配置。
在本发明的一个实施例中，所述LED管的阴极接地，所述LED管的阳极与恒流电路相连。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了一种根据现有技术的LED显示屏的控制电路的电路示意图。
图2示出一种LED显示系统200的电路示意图。
图3A示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统300的电路示意图。
图3B示出根据本发明的另一个实施例的LED显示系统的示意图。
图3C示出根据本发明的另一个实施例的DC/DC稳压电路的电路示意图。
图4A示出根据本发明的一个实施例的高效率DC/DC稳压电路400的电路示意图。
图4B示出根据本发明的一个实施例的高效率DC/DC稳压电路的电流示意图。
图5示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统500的电路示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
图2示出一种LED显示系统200。LED显示系统可包含若干行和若干列 LED像素阵列，并以矩阵的方式排列。为了便于说明，在本实施例中，如图2 所示，示出一行LED，并省略了行驱动电路，但本发明的保护范围并不局限于此。每个LED像素包括一个红色LED管211、一个绿色LED管212和一个蓝色LED管213。每行LED管的阴极共同连接到接地，构成共阴配置。LED阵列的每列LED管按照颜色分类连接到各自的恒流列驱动器。恒流列驱动器与电源VDD相连。具体而言，每一列红色LED管的阴极与红色LED恒流列驱动器220连接并受其控制；每一列绿色LED管的阴极与绿色LED恒流列驱动器230连接并受其控制；每一列蓝色LED管的阴极与蓝色LED恒流列驱动器 240连接并受其控制。
在LED显示系统200中，示出了红色LED恒流列驱动器220内部的电路结构，绿色LED恒流列驱动器230和蓝色LED恒流列驱动器240的电路结构与红色LED恒流列驱动器220类似，为了简化描述，本文仅对红色LED恒流列驱动器220进行说明，本领域的技术人员基于该说明能够知晓绿色LED恒流列驱动器230和蓝色LED恒流列驱动器240的电路结构和工作方式。
红色LED管211的阴极接地。红色LED管211的阳极接列驱动器220的驱动端，列驱动器220包括列驱动控制电路221和恒流电路222。恒流电路222 如图所示包括放大器223、调整管224和采样管225。采样管225作为恒流电路的等效采样电阻，放大器223和调整管224组成一个跟随电路或比例放大电路，如果调整管224的源端电压等于放大器223正端参考电压，则采样管225 的电流为：VDD-参考电压/采样管225的电阻。同理流入调整管224漏端的电流为VDD-参考电压/采样管225的电阻，电流通过调整管224和采样管225流入LED管211，然后进入地线端。
在图2所示的LED显示系统中，各种颜色的LED管都由同一个供电电源供给相同的电压。然而红色LED管的导通电压降低于绿色和蓝色LED管的导通电压降。如果将相同的供电电压施加到红色、绿色和蓝色LED管上，为了匹配各LED管的导通电压降，供电电压将以满足蓝灯所需电压为基础。例如，红色LED管的导通电压降一般为2.0V，蓝色LED管的导通压降在3.0至3.3V 之间。而红色LED管的电流通常占总电流的一半。所以为了保障所有LED管及其恒流列驱动器都正常工作，电源VDD需要满足VDD≥VF蓝+VSet，其中 VF蓝是蓝色LED管的导通压降，VSet是恒流电路中调整管漏极与采样管源极间的电压。通常，恒流驱动的Vset在0.4V左右即可正常工作。此时蓝灯正常工作所需最低电压应为VDD＝3.3+0.4＝3.7V，考虑到工程余量与标称值，在实际应用中，电源VDD选择5V标准电压。
对于红色LED管，正常工作所需电压为Vdd红＝VF红+VSet＝2.0+0.4＝2.4V。当电源VDD的电压为5V时，有2.6V多余电压需要消耗，通常采用在供电电源和各红色LED之间串联一个负载电阻来耗散多余功耗。这种情况下，大量的能量就会在负载电阻上作为热量被浪费掉。具体而言，考虑到红色LED管的电流比例占了总电流的50％以上，所以红色LED管系统所消耗的功率也占总系统功率的50％以上。红色LED管系统的浪费功率为Pc＝(VDD-Vdd红)I红＝(5-2.4)*I红＝2.6*I红，而红灯系统的总供电功率Pd＝VDD*I红，此时红灯系统的供电效率为n＝(Pd-Pc)/Pd＝(5-2.6)I红/5I红＝48％。约52％的能量被浪费掉。
为了节能，另一种方案是在LED显示系统为不同颜色的LED管分别提供不同的供电电压。换句话说，将红色LED管的电源与蓝色和绿色LED管的电源分开，这需要两路电源供电。随着LED显示屏要求像素间距越来越低，两路电源供电，其布线几乎很难实现。同时，低电压的AC/DC电源的成本是5V 电源的2倍以上。不仅如此，低电压AC/DC电源的自身效率也很难提高。
在本发明的实施例中，在红色LED恒流列驱动器中增加DC/DC稳压电路，将红色LED管电路上的多余电压进行电压变换，而不是通过负载电阻进行分压。DC/DC稳压电路的自身效率可以超过90％。这样，红色LED管系统的浪费功率由原来的Pc＝(VDD-Vdd红)I红＝(5-2.4)*I红＝2.6*I红，降低为Pc＝2.6* I红*10％＝0.26*I红。此时红灯系统的供电效率升为n＝(Pd-Pc)/Pd＝(5– 2.6*10％)I红/5*I红＝95％。
考虑到上述红色LED管系统消耗功率占了总系统功率的50％以上，若仅仅红色LED管系统采用DC/DC稳压电路，那么总系统效率(未考虑蓝、绿 LED灯系统)将由原来的n＝(1+48％)/2＝74％提高到n＝(1+95％)/2＝98％，总系统供电效率(未考虑蓝、绿LED灯系统)将提高24％。
如果在蓝、绿色LED系统中也使用DC/DC稳压电路，总效率的还会极大提升。
图3A示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统300的示意图。LED 显示系统可包含若干行LED像素阵列，并以矩阵的方式排列。为了便于说明，在本实施例中，如图3A所示，示出一行LED，并省略了行驱动电路，但本发明的保护范围并不局限于此。每个LED像素包括一个红色LED管311、一个绿色LED管312和一个蓝色LED管313。每行LED管的阴极共同接地，构成共阴配置。LED阵列的每列LED管按照颜色分类连接到各自的恒流列驱动器。具体而言，每一列红色LED管的阴极与红色LED恒流列驱动器320连接并受其控制；每一列绿色LED管的阴极与绿色LED恒流列驱动器330连接并受其控制；每一列蓝色LED管的阴极与蓝色LED恒流列驱动器340连接并受其控制。
在图3A所示的LED显示系统中，各种颜色的LED管都连接到同一个供电电源，并且供给相同的电压。为了保障所有LED管及其恒流列驱动器都正常工作，电源VDD需要满足VDD≥VF蓝+VSet，其中VF蓝是蓝色LED管的导通压降，VSet恒流电路中调整管漏极与采样管源极间的电压。在红色LED恒流列驱动器320的电源端增加DC/DC稳压电路321。DC/DC稳压电路321进行电压变换，使得输出的电压VZ为：VZ＝VF+Vset，其中VF是LED管的压降， Vset是恒流电路中调整管漏极与采样管源极间的电压。Vset的绝对值的范围为 0.01V～2V。具体而言，如图3A所示，红色LED恒流列驱动器320包括DC/DC 稳压电路321、列驱动控制电路322和恒流电路323。恒流电路323包括调整管324、采样管325以及放大器326。调整管324和采样管325是PMOS晶体管。DC/DC稳压电路321稳压端连接到采样管325的源级，DC/DC稳压电路 321的输入端与电源VDD相连。采样管325作为恒流电路的等效采样电阻，放大器326和调整管324组成一个跟随电路或比例放大电路，放大器326的正端接收参考电压，负端与调整管324的源级相连，放大器326的输出端与调整管的栅极相连。采样管325的漏极与调整管324的源级相连。此时恒流电流为： VZ-参考电压/采样管325的电阻。电流通过调整管324和采样管325流入LED 管，后进入接地端。
尽管Vset通常工作在0.4V左右，但其绝对值可以在0.01V至2V的范围内，此电压由调整管324和采样管325的MOS管设计导通电阻有关，调整管 324和采样管325的导通电阻设计越小，恒流电路的最小工作电压越小。通过 DC/DC稳压电路降低采样管325的源端的电压，使恒流电路工作在最小工作电压附近。
图3B示出根据本发明的另一个实施例的LED显示系统的示意图。与图 3A所示系统的不同之处在于，采样管325为电阻。
图3C示出根据本发明的另一个实施例的DC/DC稳压电路的电路示意图。与图3A所示电路的不同之处在于恒流电路为镜像电流源。该恒流电路包括两个P型MOS管，第一MOS管480的栅极与第二MOS管490的栅极相连。第一MOS管480的漏极与LED管的阳极相连。第二MOS管490的漏极与栅极相连并接收偏置电流信号。第一MOS管480和第二MOS管490的源级连接到DC/DC稳压电路的稳压端。Vset是恒流控制电路中第一MOS管480漏极与源极间的电压。Vset的绝对值可以在0.01V至2V的范围内。在本发明的其他实施例中，镜像电流源的第一MOS管和第二MOS管可以是三极管或P型 MOS管。
图4A示出根据本发明的一个实施例的DC/DC稳压电路400的电路示意图。如图4A所示，DC/DC稳压电路400的稳压端401与采样管相连。DC/DC 稳压电路400是一种能够输出固定电压的电压转换器。稳压端401通过电容 Cout接地。该DC/DC稳压电路400包括开关管410、续流管420、开关驱动 440、PWM/PFM控制器450、振荡器460以及放大器或比较器470。
开关管410为P型MOS晶体管，其源级与电源VDD相连，其漏极与续流管420的漏极及输出端401相连，其栅极连接到开关驱动440。续流管420 是N型MOS晶体管，其源级接地，其漏极与开关管410的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动440。放大器或比较器470采样稳压端的电压，接收参考电压，并将比较结果输出到PWM/PFM控制器450。PWM/PFM控制器450 根据放大器或比较器470的输出信号以及振荡器460的输出生成控制信号并提供给开关驱动440。
电感器430接到输出端与稳压端之间。
图4B示出根据本发明的一个实施例的DC/DC稳压电路的电流示意图。首先开关管410导通通过电感430给输出电容Cout充电，电流方向如箭头I 所示，当开关管410达到一定导通时间后，开关管410关断。当开关管410关断后，续流管420导通，电感通过续流管420续流的方式从地线端继续给电容 Cout充电直至流经电感430的电流为零，续流管420关断。至此一个开关周期结束，到下一个周期开始开关管410重新开始下个周期导通，如此循环。这样，恒流电流Is所需的能量一部分由电源端提供，一部分由地线端提供。这样减小了从电源端流入稳压端的电流，且从地线端流入稳压端的电流不消耗电源端的能量，这样提高了稳压端电流输出的效率。这就可以使得DC/DC稳压电路的效率提高到90％以上。
放大器或比较器470检测稳压端电压，并将其和参考电压进行比较。当稳压端电压大于参考电压时，减小开关管410的导通时间降低电平转换模块给 Cout的能量补充以降低输出电压。当稳压端电压小于参考电压时，增大开关管 410导通时间增大电平转换模块给Cout的能量补充以提高输出电压。以此达到动态平衡将输出端电压稳定在和参考端相同的电压。
图5示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统500示意图。为了便于说明，在本实施例中，如图5所示，示出一个LED管510，省略了行驱动电路和列驱动控制电路，但本发明的保护范围并不局限于此。LED管510阴极接地，LED管510阳极连接至恒流电路520。恒流电路520的另一端连接至DC/DC 稳压电路530的稳压端。输出电压控制器540检测恒流电路520的电压降。换言之，通过减法器541确定恒流电路的调整管与采样管的电压差，将这个电压差与设定的最小工作电压作比较通过比较结果控制DC/DC稳压电路的稳压端电压。使得调整管和采样管的电压差始终处于最小工作电压附近。这样无论输入电压如何变化整个驱动电路都可以工作在最高效状态。
在上述实施例中，DC/DC稳压电路连接在电源VDD与恒流电路之间，然而，本领域的技术人员应该理解，在本发明的一些实施例中，可将DC/DC稳压电路设置在电路的其他位置。
本发明的上述实施例中，以一列LED的列驱动电路为例进行介绍。然而，本领域的技术人员应该理解，可以在LED显示系统的每一列驱动电路中增加 DC/DC稳压电路。例如，可以在绿色LED恒流列驱动器中增加DC/DC稳压电路。这样，在电源电压为5V时，综合功耗可降低30％。另外，在本发明的一些实施例中，在每种颜色的LED恒流列驱动器中增加DC/DC稳压电路，这样可以提高系统的电源电压。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (14)

1.一种LED高效率恒流控制装置，包括：
恒流电路，所述恒流电路生成恒定电流；
DC/DC稳压电路，其中所述恒流电路电连接到所述DC/DC稳压电路的稳压端，电流从电源流入所述DC/DC稳压电路，从所述DC/DC稳压电路的稳压端流入所述恒流电路。
2.如权利要求1所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，恒流电路包括放大器、调整管和采样管，所述放大器和调整管组成一个跟随电路或比例放大电路，放大器的正端接收参考电压，负端与调整管的源级相连，放大器的输出端与调整管的栅极相连，调整管的漏极外接负载，采样管的漏极与调整管的源级相连，采样管的源级连接到所述DC/DC稳压电路的稳压端。
3.如权利要求2所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述DC/DC稳压电路的稳压端通过电容接地或电源。
4.如权利要求3所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述DC/DC稳压电路的输出电压VZ为：VZ＝VF+Vset，其中VF是负载压降或LED导通压降，Vset是恒流电路中调整管漏极与采样管源极间的电压。
5.如权利要求1所述的LED高效率恒流驱动装置，其特征在于，所述恒流电路包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管和第二MOS管都是PMOS管，第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极相连，第一MOS管的漏极与负载相连，第二MOS管的漏极与栅极相连并接收偏置电流信号，第一MOS管和第二MOS管的源级连接到DC/DC稳压电路的稳压端。
6.如权利要求5所述的LED高效率恒流驱动装置，其特征在于，所述DC/DC稳压电路的稳压电压Vz为：VZ＝VF+Vset，其中VF是负载压降或LED导通压降，Vset是恒流电路中第一MOS管漏极与源极间的电压。
7.如权利要求4或6所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述Vset的绝对值在0.01V至2V的范围内。
8.如权利要求4或6所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，还包括输出电压控制器，所述输出电压控制器检测所述恒流电路的Vset电压，将所述电压与设定的工作电压作比较，基于比较结果调整DC/DC稳压电路的输出电压。
9.如权利要求1所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述DC/DC稳压电路包括开关管、续流管、开关驱动、PWM/PFM控制器、振荡器以及放大器或比较器，
所述开关管为P型MOS晶体管，其源级与正电源VDD相连，其漏极与续流管的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动；
所述续流管是N型MOS晶体管，其源级接地，其漏极与开关管的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动；
所述放大器或比较器采样稳压端的电压，接收参考电压，并将比较结果输出到PWM/PFM控制器；
所述PWM/PFM控制器根据放大器或比较器的输出信号以及振荡器的输出生成控制信号并提供给开关驱动。
10.如权利要求9所述的LED高效率恒流驱动装置，其特征在于，所述DC/DC稳压电路的稳压端通过电容接地，所述DC/DC稳压电路的输出端与稳压端之间接入电感器。
11.如权利要求1所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述恒流控制装置包含在LED显示屏的红色LED列驱动器中。
12.如权利要求1所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述恒流控制装置包含在LED显示屏的绿色LED列驱动器中。
13.如权利要求1所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述LED显示屏包括M行、N列LED管构成的阵列，所述恒流电路驱动一列LED管，每一行LED管的阴极互连，构成共阴配置。
14.如权利要求13所述的LED高效率恒流控制装置，其特征在于，所述LED管的阴极接地，所述LED管的阳极与恒流电路相连。
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