CN112040595A - Led驱动器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文所描述的是用于LED驱动器的系统和方法的实施例。在一个或多个实施例中，该LED驱动器可以在升压模式下操作，以使用电源对电容器进行充电，或者在升压模式下操作，以使用已充电的电容器向诸如LED串等负载提供电流。在一个或多个实施例中，该LED驱动器使用单个电感器用于升压模式操作或降压模式操作。此类实施例简化了该LED驱动器，并且因此提供了经济优势。在一个或多个实施例中，该电源在该降压模式下断开连接，使得该电容器可以被放电至低电压。因此，该电容器可能需要较小的电容来传递以其他方式需要具有较大电容的电容器所传递的相同的放电能量。

Description

LED驱动器系统和方法
发明人：
苏雷什·哈里哈兰
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求发明人苏雷什·哈里哈兰的于2019年5月17日提交的名称为“LED Driver Systems and Methods(LED驱动器系统和方法)”的临时专利申请号62/849,481的权益。上述专利文献通过引用以其全文结合在此。
A.技术领域
本披露总体上涉及用于控制电路和调节器的系统和方法。更具体地，本披露涉及LED驱动器系统和方法。
B.背景技术
许多此类LED应用采用仅在相对较短的时间量内(即具有相对较短的脉冲宽度)操作发光二极管(LED)的驱动器。驾驶员监测系统(DMS)例如使用红外LED来监测车辆中驾驶员的状态、并提供例如关于可能的驾驶员疲劳的警告，并且可能会采取适当的措施来防止事故。此类LED可以以1.5A峰值电流驱动、并具有约1毫秒的脉冲宽度，或者此类LED可以以4A到5A的LED电流驱动、并且可以具有仅200微秒宽的脉冲宽度。典型的LED串中LED的数量从2到4不等，因此导致了LED电压为7V至14V。此外，由于布线电阻引起的电压下降会导致总串电压变高。调光频率在10Hz到60Hz的范围内。并且尽管调光占空比非常窄，但当前峰值仍然保持相对较高。
一般来说，许多驱动器应用利用单个降压-升压转换器或两级配置，在该两级配置中第一级被配置为升压转换器、并且第二级被配置为降压转换器。但是，单个降压-升压转换器的主要缺点在于这些转换器受到布线中高输入电感和高输入电阻的负面影响，即在电路输入端处的负面影响。例如，在以相对较大输入电感和相对较大输入电阻操作的应用中，诸如连接到设计用于应对导线额定的某个平均功率的车辆电池的布线所固有的引线电感和电阻，在相对较短的持续时间内汲取的大电流往往会导致不期望的di/dt问题和电压下降，因为即使平均功率保持相对较低(例如保持在5W到6W的数量级)，趋向于在1％到5％的范围内的低占空比也总是会导致例如60W的较高峰值功率。
此外，如果仅当LED开启时才从电池中汲取功率，即当LED关闭时不汲取功率，则峰值电流可能很容易达到10A及以上。众所周知，一旦导线中的电流在相对较短的时间段内快速增加(例如，从0A增加到10A)，这会由于产生的高di/dt比以及由于导线中的IR下降而导致导线两端相对较大的电压下降。在最坏的情况下，这会导致系统故障，例如，较大的电压下降导致LED甚至在高达5A的电流电平下也不开启的情况。
为了解决由布线中的高电感和高电阻引起的问题，一些方法利用降压LED驱动器来驱动诸如红外LED等负载，该降压LED驱动器位于升压转换器电路的输出端，该升压转换器电路进而具有相对较大的电解电容器。一旦升压转换器被接通，升压输出电容器被充电到高电压，同时LED被关闭。一旦LED被再次打开，升压转换器被关断，并且升压输出电容器向LED放电。随后的降压转换器然后用于调节流经LED的电流。此类设计相对较昂贵，因为需要两个转换器和两个开关设备，即用于可能需要两个独立的IC的升压转换器电路和降压转换器电路。
因此，需要克服现有设计的缺点的系统和方法。
附图说明
将参考本发明的实施例，附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的，并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了本发明，但是应当理解的是，其不旨在将本发明的范围限制于这些具体实施例。图中的项可能不成比例。
附图(“图”)1示出了可以用作常见LED驱动器的升压部分的现有技术的升压电路。
图2示出了可以用作常见LED驱动器的降压部分的现有技术的降压电路。
图3示出了结合图1和图2所示的两个电路并且利用两个控制器的常见LED驱动器。
图4是根据本披露的各个实施例的用于操作LED驱动器的说明性过程的流程图。
图5展示了根据本披露的各个实施例的LED驱动器的示例性实施方式。
图6展示了根据新披露的各个实施例的具有用于升压模式和降压模式两者的单个电感器的LED驱动器的示例性实施方式。
图7展示了根据新披露的各个实施例的具有用于升压模式和降压模式两者的单个电感器的LED驱动器的替代性示例性实施方式。
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。然而将明显的是，本领域技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员将认识到，以下所描述的本发明的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统、设备、或方法等各种方式实施。
在图中示出的部件或模块展示了本发明的示例性实施例并且意在避免模糊本发明。还应当理解，贯穿本讨论，部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元。本领域技术人员将认识到，各种部件或其多个部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应当注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以以软件、硬件、或其组合来实施。
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。还应当注意的是，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。
在本说明书中，对“一个实施例(one embodiment)”、“优选实施例(preferredembodiment)”、“实施例(an embodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。
在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明并且不应被解释为限制。服务、功能、或资源不限于单个服务、功能、或资源；对这些术语的使用可以指可以是分散的或聚集的一组相关服务、功能、或资源。此外，对存储器、数据库、信息库、数据存储设备、表、硬件等的使用可以在本文中用于指可以将信息输入或以其他方式记录到其中的一个或多个系统组件。
应当注意，本文所描述的实施例是在LED驱动器的背景下给出的，但是本领域技术人员将认识到，本披露的教导不限于驱动器应用，并且同样可以用于涉及降压电路系统和升压电路系统的其他背景。
在本文献中，LED和LED阵列可以互换使用。术语降压、降压电路、和降压转换器、以及降压转换器子电路可以互换使用。类似地，术语升压、升压电路、和升压转换器子电路可以互换使用。“子电路”是指电路中电路部件的组合。术语开关是指本领域已知的任何类型的开关，例如，MOSFET晶体管。
附图(“图”)1示出了可以用作常见LED驱动器的升压部分的现有技术的升压电路。升压电路100包括形成DC-DC调节器的电感器110、开关122、二极管114、和电容器124。升压电路200由输入电源(未示出)例如经由通过控制信号104控制的开关102供电。
在操作中，一旦输入开关102被闭合，升压电路100的调节功能用于经由升压控制器206通过将来自输入电源的能量转移到升压电容器124来将电容器124处的升压电压调节到例如30V至35V。本领域技术人员将理解的是，节点130处的电压(即电容器124上的电压)被调节到高于输入电压150的输出电压(或升压电压)。为了简洁起见，本文未对升压电路的常见操作的描述进行讨论。
图2示出了可以用作常见LED驱动器的降压部分的现有技术的降压电路。图1中的相同数字表示类似元件。本领域技术人员将理解的是，图2中的电感器112、开关202、二极管204、和电容器116形成可以用于经由降压LED驱动器306驱动LED阵列108的降压电路。为了简洁起见，本文也未对降压电路的常见操作的描述进行讨论。
图3示出了结合图1和图2所示的两个电路并且利用两个控制器的常见LED驱动器。与图1和图2所示部件类似的部件以相同方式标记并且具有相同或者相似的功能。
图4是根据本披露的各个实施例的用于操作LED驱动器的说明性过程的流程图。用于操作LED驱动器的过程400从步骤402开始，在该步骤中使用低频开关来为升压子电路供电。
在步骤404处，使用IC来操作升压子电路中的高频开关，以在升压模式下调节耦合到高频开关的电容器处的电压。
在步骤406处，将低频开关与电容器断开连接。
最后，在步骤406处，使用电容器中储存的能量以在降压模式下驱动耦合到降压子电路的降压子电路中的负载，该负载包括发光二极管的阵列。
应当注意的是：(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。
图5展示了根据本披露的各个实施例的LED驱动器的示例性实施方式。LED驱动器500包括可以由脉冲调光输入信号504(在图5中表示为PWMDIM)控制的输入开关502、电感器510、512、二极管514、电容器524、516、开关522、526、感测电阻器534、控制器506、以及LED阵列508。
输入开关502可以被实施为可以以与开关526的开关频率相同但是比开关522的开关频率相对较低的开关频率操作的开关。在实施例中，开关526可以被实施为调光FET，其主要用作控制流向LED的电流的接通/断开开关。流经LED阵列的电流量由降压子电路控制。控制器506可以被实施为在输入开关502接通时调节电容器530上的电压的集成电路(IC)。这是控制器506的升压控制器功能。现在，当输入开关被断开时，然后控制器506改变其功能以调节流经电阻器534的电流，该电流然后流入LED阵列508。LED驱动器300不限于在此示出的或所附文本中描述的结构细节。
在实施例中，电感器510、开关522、二极管514、和电容器524形成LED驱动器500内的升压子电路。类似地，电感器512、开关522、二极管514、和电容器516可以形成可以用于驱动诸如LED阵列508等负载的降压子电路。在实施例中，当升压转换器子电路被接通时，降压转换器子电路被关断，并且相反地，当降压电路被接通时，升压电路被关断。因此，在实施例中，开关522和二极管514可以用于升压子电路和降压子电路两者，使得LED驱动器500可以作为执行升压转换器电路和降压转换器电路两者的功能的单个转换器电路操作。
在实施例中，当升压转换器子电路例如响应于脉冲调光输入信号504被设置为低状态而被激活时，控制器506的至少一些部分可以作为DC-DC调节器并在升压模式下操作，诸如用于调节电容器524处的升压电压。在升压模式下，LED阵列508可以保持不活动，即被关闭。在这样的实施例中，开关522可以用作升压转换器开关，并且二极管514可以用作升压二极管，并且电感器512可以保持不通电。
具体地，在升压模式下，一旦输入开关502被闭合，升压电感器510就将来自输入电源的能量(由图5中的电压V输入表示)转移到升压电容器524。在实施例中，节点530处的电压可以被调节为输出电压，并且开关526可以保持断开。在实施例中，节点528处的电压可以被感测并在控制回路中使用，例如，用于确定开关522的占空比，诸如以便将节点530处的电压控制到预定输出电压。在实施例中，开关522可以以相对较高的频率(例如，2MHz)进行切换。
在实施例中，一旦脉冲调光输入504被设置为高状态，升压转换器子电路就被去激活，即被关断，并且控制器506可以激活降压转换器子电路以驱动LED阵列508。在这样的实施例中，开关522可以用作降压转换器开关，并且二极管514可以用作降压二极管。换言之，升压开关522和升压二极管514可以执行双重功能，从而消除了对两组开关和整流二极管的需要，这有利地降低了成本并简化了LED驱动器300。
一旦升压电路被关断，即PWMDIM为高，降压转换器子电路就可以主动地调节流经打开的LED阵列508的电流。在这样的实施例中，可以使用电流感测电阻器534来检测流经降压电感器512的LED电流。
具体地，在降压模式下，开关526可以被闭合，输入开关502被断开，使得输入电源与输入断开连接、并且LED 508无法从输入电源汲取任何电流。相反，LED 508可以从升压电容器524接收能量，该升压电容器的电压由于电压V输入被切断以及因此输入功率被切断而开始下降。在实施例中，控制器506可以调节负载电流，使得LED 508可以打开例如1％的时间。
在实施例中，感测电阻器534处的电流可以被感测并在控制回路中使用，例如，用于确定现在作为降压开关以例如与升压模式下相同的高频(例如，2MHz)操作的开关522的占空比。结果，感测电阻器534中的电流以及因此流经LED 508的电流可以被控制在预定电平。
在实施例中，输入开关502的开关频率由LED 508的占空比确定。在实施例中，由于LED 508由电容器524供电，因此与现有方法相比，可以显著降低由输入开关502操控的电流的幅度。本领域技术人员将理解，本披露的教导可以应用于在可以受益于降压-升压布置的许多应用中使用的各种各样的负载。本领域技术人员将进一步理解，利用驱动器的合适系统可以包括更多或更少的电路部件，并且控制输出电压而不是输出电流。
图6展示了根据本披露的各个实施例的具有用于降压模式和升压模式两者的单个电感器610的LED驱动器的示例性实施方式。LED驱动器600与图5中描绘的LED驱动器500共享一些电路部件和结构，但是存在一些差异。与LED驱动器500相比，LED驱动器600移除了图5中描绘的电感器512，将二极管D5与控制器506中的输入引脚“IN”604解耦，并且添加了耦合到电压输入V输入的二极管606。另外，在LED驱动器600中，电压输入V输入直接馈送到输入引脚“IN”602；二极管D5耦合到单个电感器610；相反，电容器516在节点604处耦合到单个电感器610(由于移除了图5中描绘的电感器512)。
在实施例中，当PWMDIM信号为低时，LED驱动器600作为升压DC-DC转换器在升压模式下操作，以对电容器CBOOST 524进行充电。在升压模式下，单个电感器610、开关622(也称为转换器开关)、二极管514、和电容器524形成LED驱动器600内的升压子电路。当PWMDIM为低时，开关502被闭合，并且开关P5 626被断开。CBOOST上的输出电压从电池输入电压增加到由电阻分压器ROVP5和ROVP2设置的调节设定值。在一个或多个实施例中，OVP引脚上的电压被调节到1.1V。
在实施例中，当PWMDIM信号变为高时，开关502被断开，并且开关P5 626被闭合。CBOOST电容器524向LED放电。LED驱动器600作为降压LED驱动器在降压模式下操作，其中CBOOST电容器上的电压用作输入功率的源，并且LED串508是负载。在降压模式下，单个电感器610、开关622、二极管514、和电容器524形成LED驱动器600内的降压子电路。在一个或多个实施例中，电阻器RCS_LED 534中的电流由控制器506调节。
尽管在图6中仅单个电感器610用于降压模式和升压模式两者，但是本领域技术人员将认识到，单个电感器610可以称为单个电容器单元，其可以包括一个电容器元件或者串联的、并联的、或串联和并联组合的多个电容器元件。单个电容器单元的此类变型仍在本发明披露的范围内。
图7展示了根据新披露的各个实施例的具有用于升压模式和降压模式两者的单个电感器的LED驱动器700的替代性示例性实施方式。在LED驱动器700中，开关502、升压与降压开关522集成在集成电路710内部。将单个电感器722用于LED驱动器700的降压模式操作和升压模式操作两者。
在实施例中，LED驱动器700包括用于提供包括PWM信号712在内的各种控制信号的微控制器720，以进行驱动器控制。当PWM信号为低时，LED驱动器700作为升压DC-DC转换器在升压模式下操作，以对电容器CBOOST 724进行充电。当PWM信号712低为时，开关502被闭合，并且开关P1 726被断开。CBOOST上的输出电压从输入电压(电池输入电压VBAT)增加到预定调节设定值。
在实施例中，当PWMDIM信号变为高时，电池输入被断开连接，并且开关726被闭合。LED驱动器700在降压模式下操作。CBOOST电容器724用作输入功率的源，并且向LED放电。降压模式下电池输入的断开连接允许降压驱动器在LED串的阴极处工作下降到零伏。因为理论上CBOOST电容器724可以放电至非常低的电压，或甚至放电至零伏，所以提高了对CBOOST电容器724中的储存能量的高效利用。因此，CBOOST电容器724可以具有较小的电容来满足以其他方式将需要较大的电容器所满足的放电电流要求。这种较小的电容要求为LED驱动器提供了经济优势。
在实施例中，当LED驱动器700在升压模式下操作以对CBOOST电容器724进行充电时，CBOOST电容器724的充电电流保持恒定直到CBOOST电容器724的电压达到预定调节电压为止。在实施例中，电流感测电阻器728串联连接到单个电感器722，以监测通过单个电感器722的电流，并针对集成电路710启用平均电流模式控制而不是峰值电流模式控制。在实施例中，升压模式和降压模式的开关频率被设置为相同，例如设置为具有扩频的2.2MHz。
在升压模式开始时，CBOOST电容器724上的电压为低，并且初始可能会生成较大的冲击电流。在一个或多个实施例中，限制P沟道场效应晶体管(PFET)的冲击电流可以集成在集成电路710中，以将冲击电流限制在预定阈值内。
本发明的各方面可以利用用于一个或多个处理器或处理单元以使得步骤得以执行的指令编码在一个或多个非暂态计算机可读介质上。应当注意的是，该一个或多个非暂态计算机可读介质应当包括易失性存储器和非易失性存储器。应当注意的是，替代性实施方式是可能的，包括硬件实施方式或软件/硬件实施方式。硬件实施的功能可以使用专用集成电路(ASIC)、可编程阵列、数字信号处理电路系统等来实现。因此，任何权利要求中的术语都旨在覆盖软件实施方式和硬件实施方式两者。类似地，如本文使用的术语“一个或多个计算机可读介质”包括具有在其上具体化的指令程序的软件和/或硬件或其组合。考虑到这些实施方式的替代方案，将理解的是，附图及随附描述提供了本领域技术人员写入程序代码(即，软件)和/或制造电路(即，硬件)以执行所需处理将需要的功能信息。
应当注意的是，本发明的实施例可以进一步涉及具有非暂态有形计算机可读介质的计算机产品，该非暂态有形计算机可读介质在其上具有用于执行各种计算机实施的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是专门设计和构造用于本发明的目的的介质和计算机代码，或者其可以属于相关领域的技术人员熟知或可用的种类。有形计算机可读介质的示例包括但不限于：磁性介质，诸如硬盘；光学介质，诸如CD-ROM和全息设备；磁光介质；以及被专门配置用于存储或用于存储和执行程序代码的硬件设备，诸如ASIC、可编程逻辑器件(PLD)、闪存设备、以及ROM设备和RAM设备。计算机代码的示例包括如由编译器产生的机器代码以及包含由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。本发明的实施例可以全部或部分地实施为可以处于由处理设备执行的程序模块中的机器可执行指令。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、组件、以及数据结构。在分布式计算环境中，程序模块可以物理地位于本地、远程、或两者的环境中。
本领域技术人员将认识到的是，没有计算系统或编程语言对于本发明的实践是至关重要的。本领域技术人员还将认识到的是，以上所描述的多个元件可以被物理地和/或功能性地分成多个子模块或组合在一起。
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。还应当注意的是，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：
与电源耦合的第一开关；
耦合到负载的第二开关；
经由该第二开关耦合到该负载的电容器；以及
耦合在该电源与该负载之间的转换器，该转换器包括电感器、二极管、和转换器开关；在升压模式下，该转换器作为升压转换器操作，该第二开关断开，并且该第一开关接通以便该电源对该电容器进行充电；在降压模式下，该转换器作为降压转换器操作并且该第二开关接通以便该电容器驱动该负载，该电感器和该二极管在该升压模式和该降压模式两个模式下被使用。
2.如权利要求1所述的电路，其中，该电源是电池。
3.如权利要求1所述的电路，其中，该第一开关在该降压模式下断开。
4.如权利要求1所述的电路，其中，该转换器在该升压模式下操作，形成至少包括该电感器、该转换器开关、该二极管、和该电容器的升压子电路以对该电容器进行充电。
5.如权利要求1所述的电路，其中，该转换器在该降压模式下操作，形成至少包括该电感器、该转换器开关、该二极管、和该电容器的降压子电路以驱动该负载。
6.如权利要求1所述的电路，进一步包括：
耦合到该转换器开关以用于开关控制的控制器，该控制器在该升压模式下调节该电容器处的电压、并且在该降压模式下调节该负载的电流。
7.如权利要求6所述的电路，其中，该第一开关、该转换器开关、和该控制器集成在集成电路内部。
8.如权利要求1所述的电路，其中，该转换器开关用于该升压模式和该降压模式的开关频率相同。
9.如权利要求1所述的电路，其中，在该升压模式下，该电容器利用恒定的充电电流进行充电直到该电容器的电压达到预定调节电压为止。
10.一种操作转换器的方法，该方法包括：
在升压模式下，将该转换器耦合到电源，并将该转换器作为升压转换器操作以对电容器进行充电，该转换器包括单个电感器、二极管、和转换器开关；
在该电容器充电到预定调节电压后，将该电源与该转换器解耦；以及
在降压模式下，将该转换器耦合到负载，并将该转换器作为降压转换器操作以利用该电容器驱动该负载，该单个电感器、该二极管、和该转换器开关在该升压模式和该降压模式两个模式下被使用。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在该升压模式下，第一开关被接通以将该电源耦合到该转换器，该第一开关在该降压模式下被断开。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在该降压模式下，第二开关被接通以将该转换器耦合到该负载，该第二开关在该升压模式下被断开。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该第一开关具有与该第二开关相同的开关频率。
14.如权利要求10所述的方法，其中，该转换器开关用于该升压模式和该降压模式的开关频率相同。
15.如权利要求10所述的方法，其中，该负载是包括一个或多个发光二极管(LED)的LED串。
16.如权利要求10所述的方法，其中，该电容器是包括一个电容器元件或者以串联、并联或串联和并联组合的方式耦合的多个电容器元件的电容器单元。
17.一种转换器，包括：
电感器；
二极管；
经由该二极管耦合到该电感器的电容器；
耦合到该电感器和该电容器的转换器开关；以及
耦合到该转换器开关以用于开关控制的控制器，在升压模式下，该控制器将该转换器作为升压转换器操作，以使用外部电源对该电容器进行充电；在降压模式下，控制器将该转换器作为降压操作，以使用该电容器作为输入功率的源来驱动负载，该转换器开关、该电感器、和该二极管在该升压模式和该降压模式两个模式下被使用。
18.如权利要求17所述的转换器，其中，该控制器在该升压模式下调节该电容器处的电压、并且在该降压模式下调节该负载的电流。
19.如权利要求18所述的转换器，其中，在该升压模式下，该电容器利用恒定的充电电流进行充电直到该电容器的电压达到预定调节电压为止。
20.如权利要求17所述的转换器，其中，该转换器开关用于该升压模式和该降压模式的开关频率相同。
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