CN111356257B - 发光二极管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED驱动电路，其可包括：一电源供应电路，用来提供电源给一第一组LED及一第二组LED；一第一线性电流调节器及一第二线性电流调节器，其中这些线性电流调节器中的任一线性电流调节器以及所述第一组及第二组LED中的一对应组LED彼此串联、且耦接于所述电源供应电路的电源端子与接地端子之间；以及一控制电路，耦接至这些线性电流调节器，用来控制这些线性电流调节器以分别驱动所述第一组及第二组LED，使分别通过所述第一组及第二组LED的电流相等。所述任一线性电流调节器可包括比较器、功率开关与电阻器，所述控制电路可包括侦测电路及参数控制电路。本发明通过前馈式控制及相关参数调整，能在维持LED光源的均匀亮度的状况下最小化功率损耗。

Description

发光二极管驱动电路

技术领域

本发明关于光源控制，尤其关于一种发光二极管(Light-Emitting Diode，可简称为“LED”)驱动电路。

背景技术

LED光源广泛应用于各种电子装置。例如，目前市面上的液晶显示器大多采用LED作为背光模块的光源。当LED光源被设计成以同一个输入电压驱动分别位于不同电流路径上的多组LED时，这个输入电压中的一部分压降会跨在这些电流路径上的其它组件，而造成功率损耗。LED的亮度和电流成正比，而这些电流路径上的电流可被控制为彼此相同，使所述多组LED具有相同的亮度。一般而言，很难发生所述多组LED的各自的负载电阻均相同的状况。为了确保具有最大负载电阻的一组LED能有足够的电压来驱动，所述输入电压必须够大。由于其它组LED的负载电阻小于所述最大负载电阻，故其它组LED在其各自的电流路径上会有多余的跨压，这会造成额外的功率损耗。例如，单颗LED的驱动电压的理想值可为3.5V，但此驱动电压的实际值的变化范围可达0.6V。若所述多组LED中的每一组LED有12个LED，则总驱动电压的变化范围可达7.2V，其可达所述输入电压的10％或更多，这表示所述额外的功率损耗相当大。若每一组LED有更多个LED，则所述额外的功率损耗会更大。因此，需要一种新颖的架构，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下减少功率损耗。

发明内容

本发明的一目的在于公开一种发光二极管(简称“LED”)驱动电路，以解决上述问题。

本发明的另一目的在于公开一种LED驱动电路，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下达到最佳(optimal)效能。

本发明的至少一实施例公开一种LED驱动电路。所述LED驱动电路可包括：一电源供应电路，具有一电源端子与一接地端子，用来提供电源给一第一组LED及一第二组LED；一第一线性电流调节器及一第二线性电流调节器(linear current regulator)，分别耦接至所述第一组LED及所述第二组LED，其中所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器中的任一线性电流调节器以及所述第一组LED及所述第二组LED中的一对应组LED彼此串联、且耦接于所述电源供应电路的所述电源端子与所述接地端子之间；以及一控制电路，耦接至所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器，用来控制所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器以分别驱动所述第一组LED及所述第二组LED，使分别通过所述第一组LED及所述第二组LED的一第一电流及一第二电流相等。例如，所述任一线性电流调节器可包括：一比较器，具有一第一输入端子、一第二输入端子与一输出端子；一功率开关(power switch)，具有一第一端子、一第二端子与一控制端子，分别耦接至所述对应组LED、所述比较器的所述第二输入端子与所述输出端子；以及一电阻器，耦接于所述功率开关的所述第二端子与所述接地端子之间。另外，所述控制电路可包括：一侦测电路，耦接至所述对应组LED与所述任一线性电流调节器之间的一节点，用来依据所述节点上的一电压信号进行侦测，以产生一侦测信号；一第一参数控制电路，用来控制所述任一线性电流调节器的一第一参数；以及一第二参数控制电路，耦接至所述侦测电路，用来依据所述侦测信号控制所述任一线性电流调节器的一第二参数。此外，所述比较器的所述第一输入端子与所述输出端子分别耦接至所述控制电路中的所述第一参数控制电路与所述第二参数控制电路，且所述第一参数与所述第二参数分别代表所述比较器的所述第一输入端子与所述输出端子的各自的电压。

本发明的好处之一在于，通过前馈式控制(feed-forward control)及相关参数调整，本发明能针对所述多个线性电流调节器的运作进行妥善的控制，尤其，能在维持LED光源的均匀亮度的状况下最小化功率损耗。相较于现有技术，本发明能在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下达到最佳效能。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的一种LED驱动电路。

图2为图1所示LED驱动电路于一实施例中的实施细节。

其中，附图标记说明如下：

100,200 LED驱动电路

101 电源供应电路

110 控制电路

111 Vx控制电路

112,212 侦测电路

113 Vg控制电路

121,122,123,221,222,223 LED模块

131,132,133,231,232,233 线性电流调节器

COMP1,COMP2,COMP3 比较器

Q1,Q2,Q3 功率开关

Rx1,Rx2,Rx3,Rm1,Rm2,Rm3 电阻器

D1,D2,D3 二极管

EA1,EA2,EA3 误差放大器

GND 接地

Vref1,Vref2,Vref3 参考电压

Vx1,Vx2,Vx3,Vg1,Vg2,Vg3,

V_in,V_o,V_loss,Vin,Vo1,Vo2,Vo3,

Vf1,Vf2,Vf3,Vs1,Vs2,Vs3 电压

Io1,Io2,Io3 电流

具体实施方式

图1为依据本发明一实施例的一种LED驱动电路100，其中图1所示的多组LED中的每一组LED可彼此串联以形成一LED模块，诸如LED模块121、122与123的其中之一。LED驱动电路100可包括一电源供应电路101、控制电路110与分别耦接至所述多组LED(例如多个LED模块)的多个线性电流调节器，且控制电路110可包括一侦测电路112与分别用来控制多个参数的多个参数控制电路，诸如分别用来控制第一参数与第二参数的一第一参数控制电路与一第二参数控制电路。于本实施例中，所述多个线性电流调节器可实施成分别耦接至3个LED模块121、122与123的3个线性电流调节器131、132与133，所述第一参数控制电路与所述第二参数控制电路可分别实施成用来控制电压{Vx}与{Vg}的Vx控制电路111与Vg控制电路113，且电压{Vx}(诸如电压{Vx1,Vx2,Vx3})与电压{Vg}(诸如电压{Vg1,Vg2,Vg3})可分别作为所述多个第一参数与所述多个第二参数的例子。

依据本实施例，电源供应电路101可具有一电源端子与一接地端子(诸如其上方端子与下方端子)，且所述电源端子与所述接地端子可用来提供电源给所述多组LED。所述多个线性电流调节器中的任一线性电流调节器以及所述多组LED中的一对应组LED彼此串联、且耦接于电源供应电路101的所述电源端子与所述接地端子之间，其中所述对应组LED是耦接于所述电源端子与上述任一线性电流调节器之间。例如线性电流调节器131、132与133分别以串联方式连接至LED模块121、122与123。为了便于理解，接地GND的电压位准可为0V，且电源供应电路101输出的驱动电压可为电压Vin。此状况下，所述电源端子与所述接地端子之间的跨压诸如电压V_in可等于电压Vin(V_in＝(Vin-0)＝Vin)。若所述对应组LED的跨压是电压V_o且上述任一线性电流调节器的跨压是电压V_loss，则V_loss＝V_in-V_o，其中电压V_loss必须达到(例如大于或等于)此线性电流调节器的操作条件以维持正常操作，且通过这组LED的电流I_o可被此线性电流调节器所控制。举例来说，LED模块121、122与123各自的跨压可分别为电压V_o(1)、V_o(2)与V_o(3)(其可分别简称为Vo1、Vo2与Vo3)，而线性电流调节器131、132与133各自的跨压可分别为电压V_loss(1)、V_loss(2)与V_loss(3)。在某一时间点，线性稳流电路131、132与133各自的功率损耗可分别正比于电压V_loss(1)、V_loss(2)与V_loss(3)，其中V_loss(1)＝V_in-V_o(1)，V_loss(2)＝V_in-V_o(2)，且V_loss(3)＝V_in-V_o(3)。

另外，控制电路110可用来控制所述多个线性电流调节器诸如线性电流调节器131、132与133以分别通过动态调整的电流诸如电流I_o(1)、I_o(2)与I_o(3)(其可分别简称为Io1、Io2与Io3)驱动所述多组LED诸如LED模块121、122与123，尤其，可针对所述多个线性电流调节器进行前馈式控制，以达到LED驱动电路100的最佳效能。上述每一组LED(诸如LED模块121、122与123的其中之一)可由所述多个动态调整的电流的其中之一所驱动。控制电路110可动态调整电流I_o(1)、I_o(2)与I_o(3)，且可分别通过电流I_o(1)、I_o(2)与I_o(3)驱动LED模块121、122与123。于本实施例中，侦测电路112可耦接至所述对应组LED与上述任一线性电流调节器之间的一节点，且可依据所述节点上的一电压信号进行侦测以产生一侦测信号，以供控制电路110针对上述任一线性电流调节器进行前馈式控制。例如，侦测电路112可分别依据LED模块121与线性电流调节器131之间的第一节点上的一第一电压信号、LED模块122与线性电流调节器132之间的第二节点上的一第二电压信号与LED模块123与线性电流调节器133之间的第三节点上的一第三电压信号进行侦测以产生一第一侦测信号、一第二侦测信号与一第三侦测信号。所述第一参数控制电路诸如Vx控制电路111可控制线性电流调节器131、132与133各自的第一参数(诸如电压{Vx1,Vx2,Vx3})，而所述第二参数控制电路诸如Vg控制电路113可分别依据所述第一侦测信号、所述第二侦测信号与所述第三侦测信号控制线性电流调节器131、132与133各自的第二参数(诸如电压{Vg1,Vg2,Vg3})。于本实施例中，所述第一参数控制电路诸如Vx控制电路111可产生参考电压Vref1、Vref2与Vref3，而侦测电路112可分别基于参考电压Vref1、Vref2与Vref3进行侦测以产生所述第一侦测信号、所述第二侦测信号与所述第三侦测信号。

图2为图1所示LED驱动电路100于一实施例中的实施细节。本实施例的LED驱动电路200可作为LED驱动电路100的例子，其中LED模块221、222与223可分别作为LED模块121、122与123的例子，线性电流调节器231、232与233可分别作为线性电流调节器131、132与133的例子，且侦测电路212可作为侦测电路112的例子。为了便于理解，于LED模块221、222与223中的每一LED模块中绘示了5个串联的LED。于某些实施例中，上述每一LED模块中的LED的数量可予以变化。

依据本实施例，线性电流调节器231可包括一比较器COMP1、一功率开关(powerswitch)Q1与一电阻器Rx1，线性电流调节器232可包括一比较器COMP2、一功率开关Q2与一电阻器Rx2，且线性电流调节器233可包括一比较器COMP3、一功率开关Q3与一电阻器Rx3。例如，比较器COMP1具有一第一输入端子(诸如非反向输入端子“+”)、一第二输入端子(诸如反向输入端子“-”)与一输出端子，其中比较器COMP1的所述第一输入端子与所述输出端子分别耦接至控制电路110中的Vx控制电路111与Vg控制电路113，且比较器COMP1的第一参数与第二参数分别代表比较器COMP1的所述第一输入端子与所述输出端子的各自的电压(诸如电压Vx与Vg)。功率开关Q1具有分别耦接至LED模块221、比较器COMP1的所述第二输入端子与所述输出端子的一第一端子、一第二端子与一控制端子(例如其上方端子、下方端子与左方端子，诸如汲极端子、源极端子与闸极端子)。电阻器Rx1耦接于功率开关Q1的所述第二端子与所述接地端子之间，例如耦接于电压Vs1与接地GND之间。由于线性电流调节器232与233各自的组件以及耦接方式和线性电流调节器231的组件以及耦接方式相仿，故类似的描述予以省略。请注意，基于Vx控制电路111与Vg控制电路113的参数控制，线性电流调节器231、232与233分别控制其各自的电压Vs1、Vs2与Vs3以及其各自的电流Io1、Io2与Io3。

另外，侦测电路212包括分别对应于所述多个线性电流调节器的多个子电路，诸如分别对应于线性电流调节器231、232与233的一第一子电路、一第二子电路与一第三子电路，其中所述第一子电路包括一二极管D1、一误差放大器(Error Amplifier)EA1与一电阻器Rm1，所述第二子电路包括一二极管D2、一误差放大器EA2与一电阻器Rm2，且所述第三子电路包括一二极管D3、一误差放大器EA3与一电阻器Rm3。例如，二极管D1具有一第一端子与一第二端子(例如其上方端子与下方端子)，且其跨压(诸如这两个端子的电压差)可为电压Vf1，其中二极管D1的所述第二端子耦接至所述第一节点。误差放大器EA1具有一第一输入端子(诸如非反向输入端子“+”)、一第二输入端子(诸如反向输入端子“-”)与一输出端子，其中误差放大器EA1的所述第一输入端子与所述第二输入端子分别耦接至二极管D1的所述第一端子与参考电压Vref1，误差放大器EA1的所述输出端子输出所述第一侦测信号，且电阻器Rm1耦接于误差放大器EA1的所述第一输入端子与所述输出端子之间。又例如，二极管D2具有一第一端子与一第二端子(例如其上方端子与下方端子)，且其跨压(诸如这两个端子的电压差)可为电压Vf2，其中二极管D2的所述第二端子耦接至所述第二节点。误差放大器EA2具有一第一输入端子(诸如非反向输入端子“+”)、一第二输入端子(诸如反向输入端子“-”)与一输出端子，其中误差放大器EA2的所述第一输入端子与所述第二输入端子分别耦接至二极管D2的所述第一端子与参考电压Vref2，误差放大器EA2的所述输出端子输出所述第二侦测信号，且电阻器Rm2耦接于误差放大器EA2的所述第一输入端子与所述输出端子之间。又例如，二极管D3具有一第一端子与一第二端子(例如其上方端子与下方端子)，且其跨压(诸如这两个端子的电压差)可为电压Vf3，其中二极管D3的所述第二端子耦接至所述第三节点。误差放大器EA3具有一第一输入端子(诸如非反向输入端子“+”)、一第二输入端子(诸如反向输入端子“-”)与一输出端子，其中误差放大器EA3的所述第一输入端子与所述第二输入端子分别耦接至二极管D3的所述第一端子与参考电压Vref3，误差放大器EA3的所述输出端子输出所述第三侦测信号，且电阻器Rm3耦接于误差放大器EA3的所述第一输入端子与所述输出端子之间。

为了便于理解，LED驱动电路200的相关实施细节进一步说明如下。依据某些实施例，二极管D1、D2与D3可分别用来侦测LED模块221、222与223各自的负端子(例如阴极)的电压，即线性电流调节器231、232与233各自的跨压诸如电压V_loss(1)、V_loss(2)与V_loss(3)。举例来说，误差放大器EA1、EA2与EA3各自的第一输入端子(诸如非反向输入端子“+”)上的电压分别为电压(V_loss(1)+Vf1)、(V_loss(2)+Vf2)与(V_loss(3)+Vf3)。控制电路110可动态地调整所述多个第一参数(诸如电压{Vx1,Vx2,Vx3})与所述多个第二参数(诸如电压{Vg1,Vg2,Vg3})，而调整的目标是尽量控制电压V_loss(1)、V_loss(2)与V_loss(3)分别趋近于零，而使对应的功率损耗趋近于零。误差放大器EA1、EA2与EA3各自的第二输入端子(诸如反向输入端子“-”)上的电压分别为参考电压Vref1、Vref2与Vref3。藉助于误差放大器EA1、EA2与EA3，控制电路110可依据反馈信号诸如所述第一侦测信号、所述第二侦测信号与所述第三侦测信号决定对应的稳压值。例如，功率开关Q1、Q2与Q3可实施成晶体管诸如功率晶体管，而Vg控制电路113可分别针对功率开关Q1、Q2与Q3找寻优化的闸极驱动电压作为电压{Vg1,Vg2,Vg3}，并调整负载电流，以达到LED模块221、222与223的效率的优化。

依据某些实施例，功率开关Q1、Q2与Q3诸如所述多个功率晶体管需操作于线性区，也就是说，对所述多个功率晶体管中的每一功率晶体管而言，V_gs-V_th>V_ds，其中V_gs代表闸极对源极电压，V_ds代表汲极对源极电压，而V_th代表临界电压(Threshold Voltage)。例如功率开关Q1、Q2与Q3各自的闸极对源极电压V_gs(1)、V_gs(2)与V_gs(3)可分别为(Vg1-Vs1)、(Vg2-Vs2)与(Vg3-Vs3)，而功率开关Q1、Q2与Q3各自的汲极对源极电压V_ds(1)、V_ds(2)与V_ds(3)可分别为(V_loss(1)-Vs1)、(V_loss(2)-Vs2)与(V_loss(3)-Vs3)。另外，比较器COMP1、COMP2与COMP3诸如操作放大器(Operational Amplifier)需操作于饱和区。

举例来说，针对上述任一线性电流调节器中的功率开关(例如功率开关Q1、Q2与Q3的其中之一)，诸如所述多个功率晶体管中的某一个功率晶体管，V_gs-V_th>V_ds，这表示V_gs-V_ds>V_th，其可表示如下：

V_gd>V_th；或

V_g-V_d>V_th；

其中V_gd代表闸极对汲极电压，诸如闸极电压V_g与汲极电压V_d之间的电压差(V_g-V_d)。由于这个功率晶体管的汲极端子直接连接到所述节点，故V_d＝V_loss。已知V_loss＝V_in-V_o，假设R_o代表所述对应组LED(例如对应的LED模块，诸如LED模块221、222与223的其中之一)的电阻，则可得：

V_d＝V_loss＝V_in-V_o＝V_in-I_o*R_o；或

V_d＝V_in-I_o*R_o；

将V_d＝V_in-I_o*R_o代入V_g-V_d>V_th，可得：

V_g-(V_in-I_o*R_o)>V_th；

由于电流I_o通过这个功率晶体管的源极端子与所述接地端子之间的电阻器(例如电阻器Rx1、Rx2与Rx3的其中之一)，故I_o＝(V_x/R_x)。将I_o＝(V_x/R_x)代入上列方程式，可得：

其中R_x代表上述任一线性电流调节器中的电阻器(例如电阻器Rx1、Rx2与Rx3的其中之一)的电阻，V_x代表电压{Vx}当中对应于这个线性电流调节器的Vx。

已知：

其中k代表导电参数。将上列方程式代入其前一个方程式，可得：

重新整理上列方程式，可得：

将V_in＝V_o+V_d代入上列方程式，可得：

由上列方程式可以看出，在R_o及V_o固定的条件下，调整V_x及R_x即可调变功率晶体管的汲极电压V_d，进而调变V_in＝V_o+V_d。例如，通过调整电压V_x及电阻R_x可调整功率晶体管的闸极电压V_g。

基于整合的前馈式控制架构及相关参数调整，本发明能针对所述多个线性电流调节器的运作进行妥善的控制，尤其，能在维持LED光源的均匀亮度的状况下最小化功率损耗。本发明的好处例如：设计参数单纯；反馈控制信号设计与晶体管特性无关，不受温度特性影响；负载LED特性变动时，能实时调整电流调节器的驱动电压，使其操作在最佳效率点；前馈式控制电路易于实现；即使LED模块与线性电流调节器所形成的LED-线性电流调节器组合电路的数量随着所述多组LED的数量增加而增加，仍可实现电路效率优化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (6)

1.一种发光二极管驱动电路，其特征在于，包括：

一电源供应电路，具有一电源端子与一接地端子，用来提供电源给一第一组发光二极管及一第二组发光二极管；

一第一线性电流调节器及一第二线性电流调节器，分别耦接至所述第一组发光二极管及所述第二组发光二极管，其中所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器中的任一线性电流调节器以及所述第一组发光二极管及所述第二组发光二极管中的一对应组发光二极管彼此串联、且耦接于所述电源供应电路的所述电源端子与所述接地端子之间，以及所述任一线性电流调节器包括：

一比较器，具有一第一输入端子、一第二输入端子与一输出端子；一功率开关，具有一第一端子、一第二端子与一控制端子，分别耦接至所述对应组发光二极管、所述比较器的所述第二输入端子与所述输出端子；以及

一电阻器，耦接于所述功率开关的所述第二端子与所述接地端子之间；以及

一控制电路，耦接至所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器，用来控制所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器以分别驱动所述第一组发光二极管及所述第二组发光二极管，

使分别通过所述第一组发光二极管及所述第二组发光二极管的一第一电流及一第二电流相等，其中所述控制电路包括：

一侦测电路，耦接至所述对应组发光二极管与所述任一线性电流调节器之间的一节点，用来依据所述节点上的一电压信号进行侦测，以产生一侦测信号；

一第一参数控制电路，用来控制所述任一线性电流调节器的一第一参数；以及

一第二参数控制电路，耦接至所述侦测电路，用来依据所述侦测信号控制所述任一线性电流调节器的一第二参数；

其中所述比较器的所述第一输入端子与所述输出端子分别耦接至所述控制电路中的所述第一参数控制电路与所述第二参数控制电路，

且所述第一参数与所述第二参数分别代表所述比较器的所述第一输入端子与所述输出端子的各自的电压。

2.如权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述第一组发光二极管及所述第二组发光二极管中的每一组发光二极管彼此串联。

3.如权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述对应组发光二极管是耦接于所述电源端子与所述任一线性电流调节器之间。

4.如权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述侦测电路依据所述节点上的所述电压信号进行所述侦测，以产生所述侦测信号，以供所述控制电路针对所述任一线性电流调节器进行前馈式控制。

5.如权利要求4所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述侦测电路包括：

分别对应于所述第一线性电流调节器及所述第二线性电流调节器的一第一子电路及一第二子电路，其中所述第一子电路及所述第二子电路中的对应于所述任一线性电流调节器的一子电路包括：

一二极管，具有一第一端子与一第二端子，其中所述二极管的所述第二端子耦接至所述节点；

一误差放大器，具有一第一输入端子、一第二输入端子与一输出端子，其中所述误差放大器的所述第一输入端子与所述第二输入端子分别耦接至所述二极管的所述第一端子与一参考电压，以及所述误差放大器的所述输出端子输出所述侦测信号；以及

一电阻器，耦接于所述误差放大器的所述第一输入端子与所述输出端子之间。

6.如权利要求4所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述第一参数控制电路耦接至所述侦测电路，且产生一参考电压，以及所述侦测电路基于所述参考电压进行所述侦测以产生所述侦测信号。

Images