CN110890832A - 具有在任意低输入电压下操作的能力的led驱动器 - Google Patents

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Abstract

披露了一种具有在低输入电压下操作的能力的LED驱动器。该LED驱动器包括用于将输入电压升压至期望的输出电压以便为一个或多个LED串供电的升压转换器。该升压转换器结合有诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、IGBT等用于输出电压控制的第一可控开关。该升压转换器从诸如电池电压等外部源接收输入，作为用于电压升压操作的电源。该第一可控开关耦合到由线性调节器供电的栅极驱动器，该线性调节器经由第二开关可切换地耦合到不同的电压源以确保该栅极驱动器能够提供足够的电压以用于切换该第一可控开关。

Description

具有在任意低输入电压下操作的能力的LED驱动器
发明人：
菲利普·安东尼·墨菲
相关申请的交叉引用
本申请根据35 USC§119(e)要求发明人菲利普·安东尼·墨菲的于2018年9 月10日提交的名称为“LED DRIVER WITH ABILITY TO OPERATE AT ARBITRARILY LOW INPUTVOLTAGES(具有在任意低输入电压下操作的能力的LED驱动器)”的美国临时专利申请号62/729,172的优先权权益。上述专利文献通过引用以其全文结合在此。
A.技术领域
本披露总体上涉及LED驱动器，并且更具体地涉及具有在低输入电压下操作的能力的LED驱动器。
B.背景技术
发光二极管(LED)是用于各种应用的半导体光源，这些应用诸如航空照明、汽车前照灯、广告、交通信号灯、相机闪光灯、LED背光显示器等。与传统的白炽光源相比，LED具有许多优点，包括能耗更低、寿命更长、物理鲁棒性得到改进、尺寸更小并且切换更快。LED通常被配置成串并且由LED驱动器供电，该 LED驱动器提供足够的电流以便以期望的亮度点亮LED。LED两端的压降在较宽的操作电流范围内大致恒定。
在各种情况下，LED驱动器可以具有非常低的电源电压，这防止了该驱动器提供充足的电压来为LED电流调节电路供电。充电泵可以用于提供足以驱动该 LED电流调节电路的电压。可替代地，已经尝试在暂时低电压事件期间使用与二极管隔离的大电容器来缓冲电源电压。然而，使用充电泵需要添加另外的外部部件(诸如附加电容器)并将另一开关频率引入到系统中(这可能是EMI危害)。大容量电容器物理上较大且昂贵，并且因此可能会增加LED驱动器的总成本或物理尺寸。
因此，将期望具有用于具有在低输入电压下操作的能力的LED驱动器的系统和方法。
发明内容
本发明涉及用于具有在低输入电压下操作的能力的LED驱动器的方法。本发明的应用使得LED驱动器的性能和适用性得到改进。
在一个或多个实施例中，披露了一种具有在低输入电压下操作的能力的LED 驱动器。该LED驱动器包括用于将输入电压升压至期望的电压以便为一个或多个LED串供电的升压转换器。该升压转换器结合有诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、IGBT等用于输出电压控制的第一可控开关。该升压转换器从诸如电池电压等外部源接收输入，作为用于电压升压操作的电源。对于开关控制，该第一可控开关耦合到由线性调节器供电的栅极驱动器，该线性调节器在不同的电压源之间切换以确保该栅极驱动器能够提供足够的电压以用于切换该第一可控开关。
在一个或多个实施例中，这些不同的电压源包括升压转换器的输入电压、以及次级电压源。该栅极驱动器默认耦合到该输入电压。当升压转换器的输入电压小于阈值(例如，5V)时，栅极驱动器与升压转换器的输入电压解耦并耦合到次级电压源。在一个或多个实施例中，次级电压源是升压转换器的输出电压，并且LED驱动器利用该升压转换器本身的输出电压来为MOSFET栅极驱动器提供电力(Vcc)。
在一个或多个实施例中，LED驱动器结合有用于进行升压转换器的输入电压与预定阈值之间的电压比较的电压比较器。该比较器可以结合有滞后函数，使得当输入电压返回到高于阈值与偏移量之和时，该比较器将输出使线性调节器重新连接到作为电源的输入电压的信号。将滞后添加到该比较器以防止不想要的快速切换，因此更能抵抗噪声。
本领域技术人员将认识到，所披露的LED驱动器可以应用于各种应用，这些应用包括但不限于显示器的LED背光驱动器等，所有这些应用都应当落入本发明的范围内。
附图说明
将参照本发明的在附图中展示的示例性实施例。这些附图旨在为说明性的，而并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的上下文中描述了本发明，但通过这样做不旨在将本发明的范围限制成所描绘或所描述的实施例的具体特征。
图1是根据本发明的一个或多个实施例的LED驱动器的示意图。
图2是根据本发明的一个或多个实施例的电压比较器的滞后图。
图3是根据本发明的一个或多个实施例的LED驱动器的操作的示例性流程图。
本领域技术人员将认识到可以根据说明书来实践本发明的各实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例都旨在被包括在本发明的范围内。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，本发明可以在不具有这些细节中的一些或全部的情况下进行实践。以下描述的本发明的实施例可以并入多个不同的电子部件、电路、设备和系统中。在框图中示出的结构和设备是本发明的示例性实施例的展示，并不是用作由其模糊本发明的广泛教导的托辞。在图内的部件之间的连接不旨在局限于直接连接。而是，在部件之间的连接可以被中间部件修改、重新格式化或以其他方式改变。
当本说明书参照“一个实施例(one embodiment)”或参照“实施例(anembodiment)”时，旨在意味着，结合所讨论的实施例描述的具体特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个设想的实施例中。因此，短语“在一个实施例中(in oneembodiment)”在本说明书中的不同地方出现并不构成对本发明的单个实施例的多次引用。
此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。相反，这些部件之间的数据或信号可以通过中间部件进行修改、重新格式化或以其他方式改变。而且，可以使用附加的连接或更少的连接。还应注意的是，术语“耦合 (coupled)”、“连接(connected)”或“通信地耦合(communicatively coupled)”应被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。
图1是根据本发明的一个或多个实施例的电路100(例如，LED驱动器)的示意图。LED驱动器包括用于将电压从输入电压V输入升高到输出电压V输出以驱动负载160的转换器110(例如，升压转换器)，该负载可以是例如一个或多个 LED或者一个或多个LED串。升压转换器110可以至少包括电感器116、输出电容器114、以及诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、IGBT等用于输出电压控制的第一可控开关112。由线性调节器120供电的栅极驱动器150控制第一可控开关112。线性调节器120提供足以为栅极驱动器150供电以进行开关控制操作的稳定电源电压Vcc。
为了维持稳定的Vcc输出，线性调节器120需要充足的输入电压来进行操作。在一个或多个实施例中，线性调节器120经由第二开关140可切换地耦合到不同的电压源，例如第一电压源V1和第二电压源V2。第一电压源V1可以是线性调节器的默认电压源。第一电压源V1被馈送到电压比较器130，以便与阈值电压 (THR)进行电压比较。当第一电压源V1的电压低于阈值时，电压比较器130 输出使第二开关140接合到第二电压源V2的信号。
在一个或多个实施例中，第一电压源V1是升压转换器110的输入电压V输入；第二电压源V2是来自升压转换器110的输出电压V输出。每当电压比较器130确定输入电压V输入低于阈值(例如，6V)时，第二开关140就接合到来自升压转换器110的输出电压V输出，使得线性调节器120能够维持稳定的输出电压Vcc(例如，5V)以便为栅极驱动器150供电。
在各种应用中，LED驱动器用于汽车应用，在汽车应用中，输入电压V输入源自汽车电池。在某些情况(诸如冷启动)下，汽车电池的电压可能从正常电压 (例如，12.6V)显著下降。当汽车电池的电压过低时，线性调节器可能难以持续且稳定地提供Vcc来为栅极驱动器150供电从而对升压转换器进行适当的开关控制。因此，LED负载160可能无法正常工作，或者甚至可能由于缺少对升压转换器的适当开关控制而受到损坏。当汽车电池下降至阈值(例如，6V)以下时，第二开关140可以进行切换以将线性调节器接合到来自升压转换器110的输出电压V输出从而保持栅极驱动器适当地操作。这是可行的，因为在汽车系统中，在低电压事件(例如，冷启动)之前可以存在正常的电池电压(12V)，从而确保升压输出电容器114已经被充电或预充电到至少某个电压电平(例如，12V-V二极管)，以支持低电压事件期间线性调节器的操作。在低电压事件(例如，发动机通过交流发电机开始提供电力并为电池进行充电而起动)之后，输入电压V输入高于阈值，第二开关140进行切换以将线性调节器接合回到输入电压V输入。
在一个或多个实施例中，电压比较器130可以结合有滞后函数。图2示出了电压比较器的滞后图。当第一电压源V1的电压(例如，升压转换器的输入电压) 比阈值电压(V阈值)高第一偏移量(偏移量1)时，电压比较器130输出切换第二开关140以进行线性调节器与第一电压源V1之间的接合的第一信号V比较1。另一方面，当第一电压源V1的电压(例如，升压转换器的输入电压)比阈值电压(V阈值)低第二偏移量(偏移量2)时，电压比较器130输出切换第二开关140 以进行线性调节器与第二电压源V2之间的接合的第二信号V比较2。将滞后添加到该比较器以防止不想要的快速切换，因此更能抵抗噪声。第一偏移量和第二偏移量可以相同或者可以不同。在一个或多个实施例中，第一信号V比较1可以是高状态信号，而第二信号V比较2可以是低状态信号。本领域的技术人员可以理解，可以以各种布置实施滞后函数。此类布置应落在本发明的范围内。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的LED驱动器的操作的示例性流程图。本领域的技术人员应认识到：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以按不同的顺序执行某些步骤；并且(4)可以同时完成某些步骤。在步骤305中，栅极驱动器默认耦合到第一电压源V1。在步骤310中，将第一电压源V1的电压与阈值进行比较，以在步骤315中验证 V1的电压是否小于阈值。如果是，则在步骤320中，第二开关进行切换以将栅极驱动器(经由线性调节器)耦合到第二电压源V2，并且该过程返回到步骤315，在该步骤中仍然监测第一电压源的电压并将其与阈值进行比较。一旦V1的电压不小于阈值，该过程就返回到步骤305，在该步骤中栅极驱动器重新耦合到第一电压源V1。在一个或多个实施例中，图2中披露的滞后函数也可以适用于图3 中所示的过程。
出于清晰和理解的目的，已经描述了对本发明的前述描述。对于本领域技术人员将理解的是，前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是，可以以不同方式布置任何权利要求中的元素，从而包括具有多种相关性、配置和组合。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
转换器，用于将输入电压转换为输出电压以便为负载供电，该转换器包括由栅极驱动器控制的第一可控开关以及耦合到该输出电压的输出电容器，该输出电容器被充电到至少某个电压电平；
线性调节器，耦合到该栅极驱动器，该线性调节器向该栅极驱动器提供电源电压；
第二开关，该第二开关将该线性调节器耦合到多个电压源中的一个电压源以确保该线性调节器提供该电源电压的操作；以及
电压比较器，耦合到该第二开关，该电压比较器将该多个电压源中的一个电压源与阈值进行比较并输出切换该第二开关的信号。
2.如权利要求1所述的电路，其中，该多个电压源包括该转换器的输入电压以及来自该转换器的输出电压。
3.如权利要求2所述的电路，其中，该电压比较器将该输入电压与阈值进行比较并输出切换该第二开关的信号。
4.如权利要求3所述的电路，其中，该线性调节器默认耦合到该输入电压。
5.如权利要求3所述的电路，其中，响应于该输入电压小于该阈值，该第二开关进行切换以将该线性调节器耦合到该转换器的输出电压。
6.如权利要求7所述的电路，其中，该电压比较器结合有用于进行该输入电压与该阈值之间的电压比较的滞后函数。
7.如权利要求1所述的电路，其中，该转换器是升压转换器。
8.一种方法，包括：
使用电压比较器将输入电压与阈值进行比较；
基于该比较从该电压比较器输出切换开关的信号；
经由该开关将线性调节器可切换地耦合到多个电压源中的一个电压源，以便该线性调节器提供电源电压，该多个电压源包括该输入电压；以及
将转换器耦合到该输入电压以生成输出电压以便为负载供电，该转换器包括由栅极驱动器控制的可控开关以及耦合到该输出电压的输出电容器，该栅极驱动器由来自该线性调节器的电源电压供电，该输出电容器被充电到至少某个电压电平。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该转换器是升压转换器。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该多个电压源包括来自该转换器的输出电压。
11.如权利要求8所述的方法，其中，该线性调节器默认耦合到该输入电压。
12.如权利要求8所述的方法，其中，响应于该输入电压小于该阈值，该开关进行切换以将该线性调节器耦合到该转换器的输出电压。
13.如权利要求8所述的方法，其中，该电压比较器结合有用于进行该输入电压与该阈值之间的电压比较的滞后函数。
14.一种电路，包括：
转换器，用于将输入电压转换为输出电压以便为负载供电，该转换器包括由栅极驱动器控制的第一可控开关；
线性调节器，耦合到该栅极驱动器，该线性调节器向该栅极驱动器提供电源电压；
第二开关，该第二开关将该线性调节器可切换地耦合到多个电压源中的一个电压源以确保该线性调节器提供该电源电压的操作，该多个电压源包括该输入电压，该线性调节器默认耦合到该输入电压；以及
电压比较器，耦合到该第二开关，该电压比较器将该输入电压与阈值进行比较并输出切换该第二开关的信号，响应于该输入电压小于该阈值，该第二开关进行切换以将该线性调节器耦合到该多个电压源中的另一电压源，响应于当该线性调节器耦合到该另一电压源时该输入电压高于该阈值，该第二开关进行切换以将该线性调节器耦合回到该输入电压。
15.如权利要求14所述的电路，其中，该转换器是升压转换器。
16.如权利要求15所述的电路，其中，该另一电压源是来自该升压转换器的输出电压。
17.如权利要求16所述的电路，其中，该升压转换器进一步包括耦合到该输出电压的输出电容器。
18.如权利要求17所述的电路，其中，该输出电容器被预充电到至少某个电压电平。
19.如权利要求18所述的电路，其中，该电压电平高于从该线性调节器输出的电源电压。
20.如权利要求14所述的电路，其中，该电压比较器结合有用于进行电压比较的滞后函数。
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