CN109377939B

CN109377939B - 一种高效率led驱动装置

Info

Publication number: CN109377939B
Application number: CN201811369142.XA
Authority: CN
Inventors: 解维祺; 乔红瑗; 曾晓; 丁佳卿
Original assignee: DOUBLE MICROELECTRONICS Corp OF SHANGHAI
Current assignee: DOUBLE MICROELECTRONICS Corp OF SHANGHAI
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: CN109377939A

Abstract

本发明公开了一种高效率LED驱动装置，包括：灌电流型回收电路，当所述灌电流型回收电路灌入不同电流时，其稳压端输出的电压处于稳定状态；驱动电路，所述驱动电路电连接到所述灌电流型回收电路的稳压端，电流经由驱动电路流入灌电流型回收电路。

Description

一种高效率LED驱动装置

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

如今，LED显示屏被越来越广泛地应用到广告显示、舞台效果、监控显示等领域，人们经常可以在车站、机场、会议中心、指挥大厅、电视台等场合看到LED显示屏。它具有可无限无缝拼接、对比度高、视角宽、色域广等优点。随着LED显示屏的像素间距越来越高，它的应用范围还将进一步扩大，如：家庭影视显示、电影显示等。

然而，随着LED显示屏的像素密度越来越高，应用场合越来越大，它的热密度以及能耗也成为急需克服的一项关键问题。

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。

LED显示屏通常由M行*N列LED矩阵排列构成。图1示出了一种根据现有技术的LED显示屏单行的控制电路示意图，如图1所示，每个LED恒流驱动器通常有n路独立的输出端，可以为n个LED管提供恒流驱动。由于显示白平衡的要求，红、绿、蓝LED管的恒流电流是不一样的，通常，红、绿、蓝LED管的恒流电流比例大约是5：3：1(不限于此)，所以，尽管每个恒流控制器可以输出n路电流，但其设置为某一值后n路统一被设定，因此，每个恒流控制器只用于控制同一颜色的n路LED管。红、绿、蓝三种LED管就需要三个被设置为红、绿、蓝电流的恒流控制器，三个控制器共同控制n个像素。

由于红、绿、蓝LED管的导通电压降存在差异，红色LED管的导通压降 Vfr约为2V左右、绿色LED管的导通压降Vfg约为2.8V左右、蓝色LED管的导通压降Vfb约为3.1V左右。因此在为了保障所有LED管都能正常发光，系统供电电压通常以保障最高导通电压蓝色LED管的工作要求而设定，这样，对于其它导通电压较低的LED管(如红色LED管、绿色LED管)来讲，就白白浪费了很多能量，这些能量都消耗在恒流驱动芯片上，造成驱动芯片温度过高，影响芯片可靠性。同时，系统温度随芯片散热也会增高，还会极大影响 LED管的寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出通过一种灌电流型回收电路将浪费的能量再回收至电源端，以达到节能降耗、降低温度的目的。

根据本发明的一个方面，提供一种高效率LED驱动装置，包括：

灌电流型回收电路，当所述灌电流型回收电路灌入不同电流时，其稳压端输出的电压处于稳定状态，流入所述灌电流型回收电路的电流一部分流入地线，另一部分被返回至电源；

驱动电路，所述驱动电路电连接到所述灌电流型回收电路的稳压端，电流经由驱动电路流入灌电流型回收电路。

在本发明的实施例中，所述灌电流型回收电路的稳压端电压Vz为：Vz＝ V电源-VF-Vset，其中VF是负载压降或LED导通压降，Vset是驱动电路的压降。

在本发明的实施例中，所述Vset的绝对值在0.01V至2V的范围内。

在本发明的实施例中，所述驱动电路的负载包括多个红色LED管驱动电路、多个绿色LED管驱动电路、多个蓝色LED管驱动电路；

所述灌电流型回收电路包括：第一灌电流型回收电路，其稳压端与每个红色LED管驱动电路相连接；第二灌电流型回收电路，其稳压端与每个绿色LED 管驱动电路相连接；以及第三灌电流型回收电路，其稳压端与每个蓝色LED 管驱动电路相连接。

在本发明的实施例中，所述灌电流型回收电路包括续流管、开关管、开关驱动、PWM/PFM控制器、振荡器以及放大器或比较器,

所述续流管为P型MOS晶体管，其源级与正电源VDD相连，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；

所述开关管是N型MOS晶体管，其源级接地，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；

所述放大器或比较器采集稳压端的电压与参考电压，并将二者比较结果输出到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。

所述续流管为肖特基二极管，其阴极与正电源VDD相连，其阳极与开关管的漏极及输出端相连；

所述开关管是N型MOS晶体管，其源级接地，其栅极连接到开关驱动；

在本发明的实施例中，所述灌电流型回收电路的稳压端通过电容接地或电源。

在本发明的实施例中，LED高效率恒流驱动装置还包括电感器，所述电感器连接在所述灌电流型回收电路的输出端与稳压端之间。

在本发明的实施例中，所述灌电流型回收电路，在工作时电流由灌电流型回收电路稳压端流入，通过电感器，或经过开关管流入地线端或经过续流管流入电源端。

在本发明的实施例中，LED高效率恒流驱动装置还包括行控制器，用于进行扫描时序控制。

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显示屏单行的控制电路示意图。

图2A示出一种LED显示系统200。

图2B示出当ΔV大于0时LED显示系统的等效模型图。

图3示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统300的示意图。

图4A示出根据本发明的一个实施例的灌电流型回收电路400的电路示意图。

图4B示出根据本发明的一个实施例的灌电流型回收电路的电流示意图。

图4C示出根据本发明的另一个实施例的灌电流型回收电路的电路示意图。

图5示出根据本发明的一个实施例的LED显示系统500的示意图。

图6示出根据本发明的一个实施例的扫描控制的LED显示系统600的示意图。

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2A示出一种LED显示系统200。LED显示系统200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，仅示出一个LED210，但本发明的保护范围并不局限于此。LED 管210的阳极连接到电源VDD。LED管的阴极连接到LED驱动电路220。一般而言，LED驱动电路220具有最低工作保障电压Vset。换言之，当VDD＝VF+Vset+ΔV，而ΔV＝0时，系统处于最佳工作状态，一旦ΔV大于0V 时，其部分都将发热被浪费。ΔV越大系统的效率当然越低。

图2B示出当ΔV大于0时LED显示系统的等效模型图。此时， Vset＝V_A-V_B，ΔV＝V_B，当ΔV越大时，等效电阻R也需要越大。不难看出， LED中的电流I_L将流入等效电阻R，自然电阻R消耗的功率也就越大，系统效率也就越低。

系统效率η＝(VDD*I_L-ΔV*I_L)/VDD*I_L＝(VDD-ΔV)/VDD

以下仅以红灯、绿灯系统为例，计算现有方案的工作效率。

前面已经介绍过，红、绿、蓝三色LED管的导通电压降V_F均不一样，但对于LED驱动保障电压V set均为0.4V左右，这样，

红色LED管系统ΔVr＝5V-2V-0.4V＝2.6V

绿色LED管系统ΔVg＝5V-2.8V-0.4V＝1.8V

而目前系统应用中普遍只能采用5V AC/DC电源供电，所以可以得出：

红色LED管系统的效率ηr＝(5-2.6)/5＝48％

绿色LED管系统的效率ηg＝(5-1.8)/5＝64％

考虑到上述电流红、绿、蓝色LED管的比例，暂忽略蓝色LED管(假设蓝色LED管系统效率100％)，可以得出这时LED显示系统的总效率ηz＝(5* ηr+3*ηg+1*ηb)/9＝5*48％+3*64％+1*100％)/9＝49％。

在本发明的实施例中，在LED显示系统中增加灌电流型回收电路。图3 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3所示，仅示出一个LED 310，但本发明的保护范围不限于此。LED管310的阳极连接到电源VDD。LED管的阴极连接到LED驱动电路320。在LED驱动电路320和接地端之间增加灌电流型回收电路330。灌电流型回收电路330进行电压变换，将之前描述的浪费功耗ΔV*I_L中的大部分能量再返回至总电源VDD，进而起到节能降耗的效果。灌电流型回收电路的效率可以做到90％以上，浪费功耗降到原来的10％。如此，上述红、绿系统效率可以提高到如下：

红色LED管系统的效率ηr＝(VDD*I_L-ΔVr*I_L*10％)/VDD*I_L(5-2.6*10％)/5＝94.8％

绿色LED管系统的效率ηg＝(5-1.8*10％)/5＝96.4％

同样，考虑到上述电流红、绿、蓝色LED管的比例，暂忽略蓝色LED 管(假设蓝色LED管系统效率100％)，可以得出这时LED显示系统的总效率ηz＝(5*ηr+3*ηg+1*ηb)/9＝(5*94.8％+3*96.4％+1*100％)/9＝94％。

可以看出，系统总效率比之前49％增加了94％-49％＝45％，节能效果非常显著。

在上述实施例中，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，此电压由驱动电路的内部器件决定。通过灌电流型回收电路330抬高LED驱动电路的电压，使驱动电路工作在最小工作电压附近。

图4A示出根据本发明的一个实施例的灌电流型回收电路400的电路示意图。如图4A所示，灌电流型回收电路400的稳压端401与LED驱动电路相连。灌电流型回收电路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接地或接电源。该灌电流型回收电路400包括续流管410、开关管 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。

续流管410为P型MOS晶体管，其源级与电源VDD正极相连，其漏极与开关管420的漏极及输出端相连，其栅极连接到开关驱动440。开关管420 是N型MOS晶体管，其源级接地，其漏极与续流管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灌电流型回收电路的电流示意图。首先，来自恒流电路的电流Is会给Cout充电，稳压端电压Vz不断升高，当 Vz电压大于设定电压时，开关管420导通，此时Cout保持的电荷通过电感430 对地放电，电流方向如箭头I所示。同时，放电电流就会在电感430存储能量，当电感430存储一定的能量后，开关管420关断，同时续流管410导通。电感器存储的能量将通过续流管410返回至电源端(电流方向如箭头II所示)。一个开关周期结束，到下一个周期开始开关管420重新导通再给电感器储能，如此循环。这样，恒流电流Is所产生的能量大多储存在电感器中又被送回电源端，直接被电阻热消耗的能量很低，这就可以使得灌电流型回收电路的效率提高到90％以上。

放大器或比较器470检测稳压端电压，并将其与参考电压比较。当稳压端电压大于参考电压时，增大开关管420的导通时间，Cout上多余能量更多的储存在电感上。当稳压端电压小于参考电压时，减小开关管420导通时间，通过恒流电流Is给Cout补充能量。以此达到动态平衡将稳压端电压稳定在设定电压范围内。

图4C示出根据本发明的另一个实施例的灌电流型回收电路的电路示意图。与图4A所示电路的不同之处在于续流管410为肖特基二极管，肖特基二极管的阳极与开关管420的漏极相连，肖特基二极管的阴极连接到电源VDD。

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。在本实施例中，如图5所示，LED显示系统500包括LED阵列和驱动电路501。驱动电路X只红色LED管电流驱动器510-1至510-X，Y只绿色LED管电流驱动器520-1至520-Y、Z只蓝色LED管电流驱动器530-1至530-Z。通常，X＝Y＝Z，也可以，X≠Y≠Z，还可以出现X、Y、Z中任意两项或一项为0。每个电流驱动器可驱动n路LED管。

如图5所示，LED阵列中的红色LED管R11连接到第一红色LED管电流驱动器510-1的第一路；LED阵列中的绿色LED管G11连接到第一绿色LED 管电流驱动器520-1的第一路；LED阵列中的蓝色LED管B11连接到第一蓝色LED管电流驱动器530-1的第一路。同理，LED阵列中的红色LED管Rxn 连接到第X红色LED管电流驱动器510-X的第n路；LED阵列中的绿色LED 管Gyn连接到第Y绿色LED管电流驱动器520-Y的第n路；LED阵列中的蓝色LED管Bzn连接到第Z蓝色LED管电流驱动器530-Z的第n路。LED阵列中的红色LED管Rx1连接到第X红色LED管电流驱动器510-X的第1路； LED阵列中的绿色LED管Gy1连接到第Y绿色LED管电流驱动器520-Y的第1路；LED阵列中的蓝色LED管Bz1连接到第Z蓝色LED管电流驱动器 530-Z的第1路。

第一灌电流型回收电路511连接在X只红色LED管电流驱动器510-1至 510-X与接地端之间。第二灌电流型回收电路521连接在Y只绿色LED管电流驱动器520-1至520-Y与接地端之间。第三灌电流型回收电路531连接在Z 只蓝色LED管电流驱动器530-1至530-Z与接地端之间。

根据图5所示LED显示系统500，可以构建出扫描控制的LED显示系统 600。如图6所示，LED显示系统600包括LED阵列、驱动电路501和行控制器610。行控制器610进行扫描时序控制。通过行控制器610控制一帧图像内同时点亮的LED阵列行数。

在上述实施例中，灌电流型回收电路连接在接地端与恒流电路之间，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，可将灌电流型回收电路设置在电路的其他位置。

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

1.一种高效率LED驱动装置，包括：

驱动电路，所述驱动电路电连接到所述灌电流型回收电路的稳压端，电流经由驱动电路流入灌电流型回收电路，

其中灌电流型回收电路设置在驱动电路和接地端之间，

其中所述灌电流型回收电路包括续流管、开关管、开关驱动、PWM/PFM控制器、振荡器以及放大器或比较器,

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，

其中所述灌电流型回收电路的稳压端电压Vz为：Vz＝V_电源-V_F-Vset，其中V_F是负载压降或LED导通压降，Vset是驱动电路的压降。

2.如权利要求1所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，所述Vset的绝对值在0.01V至2V的范围内。

3.如权利要求1所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，所述驱动电路的负载包括多个红色LED管驱动电路、多个绿色LED管驱动电路、多个蓝色LED管驱动电路；

所述灌电流型回收电路包括：第一灌电流型回收电路，其稳压端与每个红色LED管驱动电路相连接；第二灌电流型回收电路，其稳压端与每个绿色LED管驱动电路相连接；以及第三灌电流型回收电路，其稳压端与每个蓝色LED管驱动电路相连接。

4.一种高效率LED驱动装置，包括：

其中灌电流型回收电路设置在驱动电路和接地端之间，

5.如权利要求1或4所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，所述灌电流型回收电路的稳压端通过电容接地或电源。

6.如权利要求1或4所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，还包括电感器，所述电感器连接在所述灌电流型回收电路的输出端与稳压端之间。

7.如权利要求6所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，所述灌电流型回收电路，在工作时电流由灌电流型回收电路稳压端流入，通过电感器，或经过开关管流入地线端或经过续流管流入电源端。

8.如权利要求1或4所述的高效率LED驱动装置，其特征在于，还包括行控制器，用于进行扫描时序控制。