CN111145683B - 一种led显示屏的恒流驱动自适应调节电路 - Google Patents

一种led显示屏的恒流驱动自适应调节电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，属于集成电路技术领域。所述LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路包括基准电流调节模块、电流镜模块和自适应控制模块；其中，所述基准电流调节模块用于调节基准电流的大小；所述电流镜模块用于将基准电流以镜像倍数输出；所述自适应控制模块用于根据调节的不同基准电流，调节驱动管的栅源电压，以保证电流精确镜像。本发明采用新型的闭环自适应调节结构，电路结构简单，通过该结构使得大范围电流调节时对电流的复制精确程度更高，同时更好的控制了驱动电路的损耗，进一步保证LED显示屏的工作性能。

Description

一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路。
背景技术
LED显示屏是一种由发光二极管及其显示驱动集成电路芯片组成的显示单元拼接而成的大尺寸平板显示器件。小间距LED显示屏以其无缝拼接、尺寸灵活、高亮度、高对比度、高清晰度、低功等优点，正在替代监控指挥中心、会议中心、商业广告显示中传统的DLP、LCD等，成为主流显示产品。
LED有非线性和每个LED的前向电压都不完全相同两个关键特性：非线性是指LED工作在很窄的前向电压范围内；每个LED的前向电压都不完全相同，即使是同一个供应商的同一批次，也会存在差异。
恒流驱动模式可以解决前向电压差异大的问题，LED正向电压的变化不会再影响LED的亮度，其亮度随着电流大小的变化而变化，从而产生恒定的LED亮度。LED的电流主要取决于参考电压Vref和电阻值R，恒流输出电流可通过调节外部电阻Rext的阻值来调节输出电流，也可以通过调节基准电压的大小调节基准电流，从而调节输出电流。串联的LED用该电路驱动时，可以保证流过每个LED的电流相等。
目前的LED恒流驱动输出恒流级采用的低压差线性调节恒流即可实现，该技术是在电路内部产生一个基准电压，经过电压转换电流模块生成一路高精度基准电流，在参考基准与输出恒流管直接放入运放，运放不仅调节输出电流还具有负反馈作用，通过运放调节层叠在恒流管上的NMOS管的等效电阻，调节使得恒流管的漏源电压与参考基准管相同，输出级对这路基准电流用电流镜进行按比例放大输出，通过这样的电路结构保证了恒流输出。
恒流输出级应当满足以下几个重要特性，一个是拥有大的电流调节范围，另一个是输出达到恒流的时候恒流管所消耗的电压，由于LED驱动电路流过毫安级的电流，因此必须减小恒流输出级的电压降，以减小驱动电路的损耗，同时保证LED在很窄的前向电压范围内正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，以解决现有的LED驱动电路损耗大，LED无法在很窄的前向电压范围内正常工作的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，包括：
基准电流调节模块，用于调节基准电流的大小；
电流镜模块，将基准电流以镜像倍数输出；
自适应控制模块，根据调节的不同基准电流，调节驱动管的栅源电压，以保证电流精确镜像。
可选的，所述基准电流调节模块包括逻辑开关电路Log1和外接电阻Rext；
所述基准电流调节模块一方面通过调节逻辑开关电路Log1输入端的基准电压Vref1来调节基准电流，所述基准电压Vref1的上限是1.2V，通过所述逻辑开关电路Log1分成512个调节等级，再转换成电流I1；
另一方面通过调节外接电阻Rext的阻值调节电流Irext，进一步调节电流I1，再通过所述电流镜模块将电流I1镜像为基准电流I2。
可选的，所述电流镜模块包括运算放大器OPAMP1～OPAMP3和镜像管NM1～NM2；
镜像管NM1和镜像管NM2构成镜像管个数可调的电流镜，将所述基准电流I2镜像为恒流输出Iout；
运算放大器OPAMP2输出端接镜像管NM1栅端，构成镜像管NM1的箝位电路，通过运算放大器OPAMP2钳位镜像管NM1的漏源电压，运算放大器OPAMP2的参考电压Vref2由带隙基准电压Vref经过电阻分压产生；运算放大器OPAMP2和镜像管NM1构成的反馈环路，产生与参考电压Vref2相等的电压Vds1；
镜像管NM1的漏端与运算放大器OPAMP3的正向输入端相连，运算放大器OPAMP3输出至镜像管NM3的栅端，镜像管NM2的漏端连接至运算放大器OPAMP3反向输入端，运算放大器OPAMP3和镜像管NM2构成镜像管NM2的箝位电路，通过运算放大器OPAMP3钳位镜像管NM2的漏源电压，使产生的电压Vds2与电压Vds1相等；
运算放大器OPAMP1闭环负反馈电路构成输出缓冲器，连接镜像管NM1和NM2的栅极，控制镜像管NM1的电压Vgs1与镜像管NM2的电压Vgs2相等。
可选的，所述自适应控制模块包括运算放大器OPAMP4、运算放大器OPAMP5、自适应数字逻辑控制电路和传输门模块；其中，
电压Vds1被箝位，随电流I2的变化而增大或减小；当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth增大时，受限于运算放大器OPAMP2的输出摆幅，运算放大器OPAMP2工作状态不稳定；当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth减小时，受限于运算放大器OPAMP1的输入摆幅，运算放大器OPAMP1工作状态不稳定；其中，Vth是镜像管NM1的nMOS管阈值电压；
通过采集电压Vgs1来保证运算放大器OPAMP1、OPAMP2的工作状态，连接镜像管NM1的栅极和运算放大器OPAMP4、OPAMP5的正向输入端；
电压Vref3的产生电路根据运算放大器OPAMP2的输出摆幅电压设计，电压Vref4的产生电路根据运算放大器OPAMP1的输入摆幅电压设计，分别连接运算放大器OPAMP4、OPAMP5的反向输入端，通过运算放大器OPAMP4、OPAMP5构成的比较器与电压Vref3和Vref4作比较，输出两位的高低电平作为自适应数字逻辑控制电路的输入端，所述自适应数字逻辑控制电路输出控制信号控制传输门模块；
所述传输门模块是一个逻辑控制开关传输门，用于控制镜像管NM1、NM2的个数，从而控制电压Vgs1。
可选的，所述自适应数字逻辑控制电路包括D触发器、数字逻辑模块和缓冲器；时钟信号clk输入至D触发器的触发端，复位信号start连接D触发器的复位端，所述自适应数字逻辑控制电路输出selfadapt<n:0>至传输门模块的输入端，控制传输门模块。
可选的，所述传输门模块是一组由所述自适应控制模块输出控制的传输门，电压Vgs1是镜像管NM1的栅压，电压Vgs2是镜像管NM2的栅压，电压Vgs1是通过n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接运算放大器OPAMP2的输出端，传输门的输出端Vgs1<n:0>连接的是镜像管NM1的栅极；电压Vgs2也是通过另外n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接的是运算放大器OPAMP1的输出，输出端Vgs2<n:0>连接的是镜像管NM2的栅极；通过所述传输门模块控制打开镜像管NM1、NM2的个数，其中n是正整数。
可选的，所述镜像管NM1分为n个组合，镜像管NM2分为n个组合；每组镜像管NM1与NM2的镜像管的个数根据电流镜的镜像倍数来设定，每组镜像管的个数根据电流调节时的环路稳定性计算得到，然后分别与所述传输门模块的两个输出控制端相连。
在本发明中提供了一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，包括基准电流调节模块、电流镜模块和自适应控制模块；其中，所述基准电流调节模块用于调节基准电流的大小；所述电流镜模块用于将基准电流以镜像倍数输出；所述自适应控制模块用于，根据调节的不同基准电流，调节驱动管的栅源电压，以保证电流精确镜像。本发明采用新型的闭环自适应调节结构，电路结构简单，通过该结构使得大范围电流调节时对电流的复制精确程度更高，同时更好的控制了驱动电路的损耗，进一步保证LED显示屏的工作性能。
附图说明
图1是本发明提供的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路的原理框图；
图2是本发明提供的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路示意图；
图3是自适应数字逻辑控制电路图；
图4是传输门模块的结构示意图；
图5是NM1、NM2构成镜像管分组示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其原图框图如图1所示，包括基准电流调节模块、电流镜模块和自适应控制模块；其中，所述基准电流调节模块用于调节基准电流的大小；所述电流镜模块用于将基准电流以镜像倍数输出；所述自适应控制模块用于根据调节的不同基准电流，调节驱动管的栅源电压，以保证电流精确镜像。本发明采用新型的闭环自适应调节结构，电路结构简单，通过该结构使得大范围电流调节时对电流的复制精确程度更高，同时更好的控制了驱动电路的损耗，进一步保证LED显示屏的工作性能。
具体的，如图2所示为本发明提供的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路框图。其中，所述基准电流调节模块包括逻辑开关电路Log1和外接电阻Rext；所述基准电流调节模块一方面通过调节逻辑开关电路Log1输入端的基准电压Vref1来调节基准电流，所述基准电压Vref1的上限是1.2V，通过所述逻辑开关电路Log1分成512个调节等级，再转换成电流I1；另一方面通过调节外接电阻Rext的阻值调节电流Irext，进一步调节电流I1，再通过所述电流镜模块将电流I1镜像为基准电流I2。
请继续参阅图2，所述电流镜模块包括运算放大器OPAMP1～OPAMP3和镜像管NM1～NM2；驱动镜像管NM2的源漏电压是通过图1中的阈值源漏电压调节电路设置；镜像管NM1和镜像管NM2构成镜像管个数可调的电流镜，将所述基准电流I2镜像为恒流输出Iout；所述运算放大器OPAMP2输出端接镜像管NM1栅端，构成镜像管NM1的箝位电路，镜像管NM1一般工作在线性区，通过运算放大器OPAMP2钳位镜像管NM1的漏源电压，运算放大器OPAMP2的参考电压Vref2由外部带隙基准电压Vref经过电阻分压产生，该参考电压Vref2是根据LED前向导通电压来设置的；运算放大器OPAMP2和镜像管NM1构成的反馈环路，产生与参考电压Vref2相等的电压Vds1；镜像管NM1的漏端与运算放大器OPAMP3的正向输入端相连，运算放大器OPAMP3输出至镜像管NM3的栅端，镜像管NM2的漏端连接至运算放大器OPAMP3反向输入端，运算放大器OPAMP3和镜像管NM2构成镜像管NM2的箝位电路，镜像管NM2一般工作在线性区，通过运算放大器OPAMP3钳位镜像管NM2的漏源电压，使产生的电压Vds2与电压Vds1相等；运算放大器OPAMP1自身是一个单位闭环负反馈电路作输出缓冲器，连接镜像管NM1和NM2的栅极，控制镜像管NM1的电压Vgs1与镜像管NM2的电压Vgs2相等。
所述自适应控制模块包括运算放大器OPAMP4、运算放大器OPAMP5、自适应数字逻辑控制电路和传输门模块；其中，实际应用中基准电流I2在一定范围内变化，电压Vds1被箝位，随电流I2的变化而增大或减小；当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth增大，增大到一定值(即运放摆幅的上限)时，受限于运算放大器OPAMP2的输出摆幅，运算放大器OPAMP2工作状态不稳定；当电路应用于较小电流的情况下，Vgs1-Vth无法达到设计要求。当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth减小，减小到一定值时，受限于运算放大器OPAMP1的输入摆幅，运算放大器OPAMP1工作状态不稳定；通过采集电压Vgs1来保证运算放大器OPAMP1、OPAMP2的工作状态，连接镜像管NM1的栅极和运算放大器OPAMP4、OPAMP5的正向输入端；电压Vref3的产生电路根据运算放大器OPAMP2的输出摆幅电压设计，电压Vref4的产生电路根据运算放大器OPAMP1的输入摆幅电压设计，分别连接运算放大器OPAMP4、OPAMP5的反向输入端，通过运算放大器OPAMP4、OPAMP5构成的比较器与电压Vref3和Vref4作比较，输出两位的高低电平作为自适应数字逻辑控制电路的输入端，所述自适应数字逻辑控制电路输出控制信号控制传输门模块；所述传输门模块是一个逻辑控制开关传输门，用于控制镜像管NM1、NM2的个数，从而控制电压Vgs1。
如图3是所述自适应数字逻辑控制电路图，包括D触发器(包括D触发器D1、D触发器D2)、数字逻辑模块(包括数字逻辑模块logic1和数字逻辑模块logic2)和缓冲器。具体的，comp1、comp2是运算放大器OPAMP4和OPAMP5构成的比较器输出的比较状态信号，clk是时钟信号，start是复位信号，时钟信号clk输入至D触发器的触发端，复位信号start连接D触发器的复位端，所述自适应数字逻辑控制电路输出selfadapt<n:0>至传输门模块的输入端，控制传输门模块。
如表1所示是自适应数字逻辑控制电路时序表，自适应模块的控制方法如下，当比较状态信号comp1、comp2为“00”，selfadapt<n:0>输出从“0…0”向“1…1”递增，镜像管的个数通过传输门模块打开递增，电压Vgs1减小，直至电压Vgs1进入电压Vref3和电压Vref4之间，比较状态信号comp1、comp2输出“10”，运算放大器OPAMP1、OPAMP2工作状态稳定，保持当前状态。当比较状态信号comp1、comp2输出“11”，selfadapt<n:0>输出从“1…1”向“0…0”递减，电压Vgs1增大，直至进入电压Vref3和电压Vref4之间，比较状态信号comp1、comp2输出“10”，运算放大器OPAMP1、OPAMP2工作状态稳定，保持当前状态。
comp1 comp2 selfadapt<n:0>
0 0 0…0
0 0 0…1
… … …
0 0 1…1
0 1 ×
1 1 1…1
1 1 …
1 1 0…1
1 1 0…0
1 0 保持
表1自适应数字逻辑控制电路时序表
如图4所示，所述传输门模块是一组由所述自适应控制模块输出控制的传输门，电压Vgs1是镜像管NM1的栅压，电压Vgs2是镜像管NM2的栅压，电压Vgs1是通过n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接运算放大器OPAMP2的输出端，传输门的输出端Vgs1<n:0>连接的是镜像管NM1的栅极；电压Vgs2也是通过另外n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接的是运算放大器OPAMP1的输出，输出端Vgs2<n:0>连接的是镜像管NM2的栅极；通过所述传输门模块控制打开镜像管NM1、NM2的个数，其中n是正整数。
图5是NM1、NM2构成镜像管分组图，为了满足较大电流调节范围，选择不同大小的镜像管组合，以达到最佳的电路性能。所述镜像管NM1分为n个组合，镜像管NM2分为n个组合；每组镜像管NM1与NM2的镜像管的个数根据电流镜的镜像倍数来设定，每组镜像管的个数根据电流调节时的环路稳定性计算得到，然后分别与所述传输门模块的两个输出控制端相连。
本发明提供的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路的工作过程包括基准电流的调节、电流的镜像输出、镜像管漏源电压的调节与钳位和镜像管个数的自适应调节。
具体的，基准电流的调节通过外部配置寄存器来调节参考电压Vref1的值，或者通过改变外接电阻Rext的电阻值，来调节基准电流值。
该电流的镜像是通过由运算放大器OPAMP1构成的输出缓冲器，运算放大器OPAMP2构成的镜像管漏源电压调节电路，运算放大器OPAMP3构成的镜像管漏源电压钳位电路，运算放大器OPAMP4、OPAMP5和自适所述应数字逻辑控制电路构成的自适应控制模块，传输门模块、镜像管NM1、镜像管NM2构成的镜像管个数调节模块组成。
该镜像管漏源电压的值是通过外部配置Vref2的值来调节的，运算放大器OPAMP2和NM1构成了箝位电路，运算放大器OPAMP2的参考电压Vref2是由带隙基准电压Vref经过电阻分压得到的一个参考电压(100mV～400mV)，利用运放将电流镜的漏源电压钳位在设定的阈值，从而控制输出达到恒流时恒流管所消耗的电压，以减小驱动电路的损耗，也保证LED能在很窄的前向电压范围内正常工作。
电压Vref3和Vref4的产生电路是根据连接电流镜镜像管栅极的两个运放的输入输出摆幅设计的，比较器是由二级运放构成的，数字控制模块是一个时钟触发的。调节基准电流时，镜像管栅源电压输入至两个比较器，通过与基准电压的比较输出高低电平的数字控制信号，控制开关电路模块，进一步控制电流镜镜像管的个数，保证了两个运放的输入输出摆幅，从而保证了两个运放的稳定性，满足较大电流调节范围，也能保证进一步保证了恒流输出电路的性能。
当调节基准电流时，镜像管NM1一般工作在线性区，电流I2与NM1的电压Vgs1和电压Vds1关系如下：
Figure BDA0002362680330000091
其中，K是本征导电因子，WNM1是单个nMOS管的沟道宽度，LNM1是单个nMOS管的沟道宽度长度，MNM1是nMOS管的的个数，VT是单个nMOS管的的阈值电压，
当电流I1在一定范围内变化，由(1)式可知，电压Vds1被箝位，会随着随基准电流I2的变化而增大或减小。当Vgs1-VT增大到一定值时，会导致运算放大器OPAMP2工作状态不稳定；受限于运算放大器OPAMP2的输出摆幅，当电路应用于较小电流的情况下，Vgs1-VT达不到设计要求。所以为了保证电路的稳定和性能，这里需要将镜像管NM2的nMOS管的个数设计可调，以实现最佳的电路性能。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其特征在于，包括：
基准电流调节模块，用于调节基准电流的大小；
电流镜模块，将基准电流以镜像倍数输出；
自适应控制模块，根据调节的不同基准电流，调节驱动管的栅源电压，以保证电流精确镜像；
所述基准电流调节模块包括逻辑开关电路Log1和外接电阻Rext；
所述基准电流调节模块一方面通过调节逻辑开关电路Log1输入端的基准电压Vref1来调节基准电流，所述基准电压Vref1的上限是1.2V，通过所述逻辑开关电路Log1分成512个调节等级，再转换成电流I1；
另一方面通过调节外接电阻Rext的阻值调节电流Irext，进一步调节电流I1，再通过所述电流镜模块将电流I1镜像为基准电流I2；
所述电流镜模块包括运算放大器OPAMP1~OPAMP3和镜像管NM1~NM2；
镜像管NM1和镜像管NM2构成镜像管个数可调的电流镜，将所述基准电流I2镜像为恒流输出Iout；
运算放大器OPAMP2输出端接镜像管NM1栅端，构成镜像管NM1的箝位电路，通过运算放大器OPAMP2钳位镜像管NM1的漏源电压，运算放大器OPAMP2的参考电压Vref2由带隙基准电压Vref经过电阻分压产生；运算放大器OPAMP2和镜像管NM1构成的反馈环路，产生与参考电压Vref2相等的电压Vds1；
镜像管NM1的漏端与运算放大器OPAMP3的正向输入端相连，运算放大器OPAMP3输出至镜像管NM3的栅端，镜像管NM2的漏端连接至运算放大器OPAMP3反向输入端，运算放大器OPAMP3和镜像管NM2构成镜像管NM2的箝位电路，通过运算放大器OPAMP3钳位镜像管NM2的漏源电压，使产生的电压Vds2与电压Vds1相等；
运算放大器OPAMP1闭环负反馈电路构成输出缓冲器，连接镜像管NM1和NM2的栅极，控制镜像管NM1的电压Vgs1与镜像管NM2的电压Vgs2相等。
2.如权利要求1所述的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其特征在于，所述自适应控制模块包括运算放大器OPAMP4、运算放大器OPAMP5、自适应数字逻辑控制电路和传输门模块；其中，
电压Vds1被箝位，随电流I2的变化而增大或减小；当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth增大时，受限于运算放大器OPAMP2的输出摆幅，运算放大器OPAMP2工作状态不稳定；当镜像管NM1的过驱动电压Vgs1-Vth减小时，受限于运算放大器OPAMP1的输入摆幅，运算放大器OPAMP1工作状态不稳定；其中，Vth是镜像管NM1的nMOS管阈值电压；
通过采集电压Vgs1来保证运算放大器OPAMP1、OPAMP2的工作状态，连接镜像管NM1的栅极和运算放大器OPAMP4、OPAMP5的正向输入端；
电压Vref3的产生电路根据运算放大器OPAMP2的输出摆幅电压设计，电压Vref4的产生电路根据运算放大器OPAMP1的输入摆幅电压设计，分别连接运算放大器OPAMP4、OPAMP5的反向输入端，通过运算放大器OPAMP4、OPAMP5构成的比较器与电压Vref3和Vref4作比较，输出两位的高低电平作为自适应数字逻辑控制电路的输入端，所述自适应数字逻辑控制电路输出控制信号控制传输门模块；
所述传输门模块是一个逻辑控制开关传输门，用于控制镜像管NM1、NM2的个数，从而控制电压Vgs1。
3.如权利要求2所述的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其特征在于，所述自适应数字逻辑控制电路包括D触发器、数字逻辑模块和缓冲器；时钟信号clk输入至D触发器的触发端，复位信号start连接D触发器的复位端，所述自适应数字逻辑控制电路输出selfadapt<n:0>至传输门模块的输入端，控制传输门模块。
4.如权利要求3所述的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其特征在于，所述传输门模块是一组由所述自适应控制模块输出控制的传输门，电压Vgs1是镜像管NM1的栅压，电压Vgs2是镜像管NM2的栅压，电压Vgs1是通过n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接运算放大器OPAMP2的输出端，传输门的输出端Vgs1<n:0>连接的是镜像管NM1的栅极；电压Vgs2也是通过另外n组受selfadapt<n:0>控制的传输门传输，传输门的输入端连接的是运算放大器OPAMP1的输出，输出端Vgs2<n:0>连接的是镜像管NM2的栅极；通过所述传输门模块控制打开镜像管NM1、NM2的个数，其中n是正整数。
5.如权利要求4所述的LED显示屏的恒流驱动自适应调节电路，其特征在于，所述镜像管NM1分为n个组合，镜像管NM2分为n个组合；每组镜像管NM1与NM2的镜像管的个数根据电流镜的镜像倍数来设定，每组镜像管的个数根据电流调节时的环路稳定性计算得到，然后分别与所述传输门模块的两个输出控制端相连。
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