CN112437518B - Led驱动电路及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种LED驱动电路及其控制电路，控制电路包括电流检测电路、误差信号生成电路、电压钳位电路、驱动信号生成电路以及钳位控制电路，钳位控制电路在模式信号表征不同模式时根据误差信号得到阈值电压，电压钳位电路根据阈值电压限定节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值，从而可以精确控制节点电压信号的电压值，进而精确控制了LED驱动电路的输出电流，提高了补光响应的输出精度，避免补光过程中“过曝光”现象的发生。

Description

LED驱动电路及其控制电路

技术领域

本发明涉及LED驱动技术领域，更具体地，涉及一种LED驱动电路及其控制电路。

背景技术

随着技术的发展，对手机等电子产品的集成度和多样化的需求越来越高。例如现在越来越多的用户倾向于使用手机的前置摄像头进行自拍，通常前置摄像头不配备有补光功能，因此在黑暗环境中拍摄时，会出现曝光不足导致照片不清晰的现象。为了提高在黑暗环境下的自拍效果，一种方案是在手机屏幕上端设置前置闪光灯，但是在手机屏幕上设置前置闪光灯，一方面会增加闪光灯和相应的外围元器件，提高手机成本；另一方面会降低手机的屏占比。另一种方案是使用屏幕进行补光，通过屏幕上的背光模组和背光驱动芯片实现瞬时的高亮度显示以便提供足够的自拍补光亮度。

现有的屏幕补光技术的不足之处在于：为了提高整个背光显示系统的稳定性，现有的背光驱动芯片的带宽通常都比较低，导致在屏幕补光时驱动芯片的响应受到系统带宽的影响，补光响应速度比较慢，并且现有的屏幕补光技术无法对补光时电路的输出电流精确控制，在补光过程中易发生“过曝光”现象。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种LED驱动电路及其控制电路，在保证系统稳定性的同时可提高电路的补光响应速度和精度。

根据本发明的第一方面，提供了一种LED驱动电路的控制电路，所述LED驱动电路包括彼此连接的功率开关管和电感，所述控制电路提供驱动信号以控制所述功率开关管的导通和关断，使得所述电感充电和放电，从而向负载提供输出电流，所述控制电路包括：电流检测电路，用于检测流经所述功率开关管的电流以获得电流采样信号；误差信号生成电路，用于根据模式信号选择参考电压，根据所述输出电流和所述参考电压提供误差信号，以及根据所述误差信号对参考电容进行充电或放电以生成节点电压信号；电压钳位电路，用于根据阈值电压限定所述节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值；驱动信号生成电路，用于根据所述节点电压信号和所述电流采样信号产生所述驱动信号；以及钳位控制电路，用于在所述模式信号表征不同模式时根据所述误差信号得到所述阈值电压。

优选地，所述误差信号包括第一误差信号和第二误差信号，所述钳位控制电路设置为在所述模式信号表征第一模式时接收所述第一误差信号，并根据所述第一误差信号得到所述第二误差信号，其中，所述第二误差信号的电压值为所述第一误差信号的电压值的n倍，n为大于1的整数。

优选地，所述钳位控制电路还设置为在所述模式信号表征所述第一模式时，根据所述第一误差信号得到第一阈值电压，并根据第一预设电压得到第二阈值电压，以及在所述模式信号表征第二模式时，根据所述第二误差信号得到第二阈值电压，并根据第二预设电压得到所述第一阈值电压。

优选地，所述电压钳位电路包括：第一钳位模块，用于根据所述第一阈值电压限定所述节点电压信号的所述上限电压值；以及第二钳位模块，用于根据所述第二阈值电压限定所述节点电压信号的所述下限电压值。

优选地，所述钳位控制电路包括：输入模块，用于接收所述第一误差信号；加法模块，用于根据所述第一误差信号和一采样电压得到所述第二误差信号；第一采样保持器，用于根据所述模式信号对所述第一误差信号进行采样，并根据采样获得的电压值输出第一检测电压；第二采样保持器，用于根据所述模式信号对所述第二误差信号进行采样，并根据采样获得的电压值输出第二检测电压；第一多路复用器，用于根据所述模式信号将所述第一检测电压和第二预设电压之一输出为所述第一阈值电压；以及第二多路复用器，用于根据所述模式信号将所述第二检测电压和第一预设电压之一输出为所述第二阈值电压。

优选地，当所述模式信号表征所述第一模式时，所述第一采样保持器和所述第二采样保持器分别对所述第一误差信号和所述第二误差信号进行采样，获得所述第一检测电压和所述第二检测电压。

优选地，所述误差信号生成电路包括：参考电压产生单元，用于根据所述模式信号选择参考电压；以及误差放大器，用于根据所述输出电流的所述反馈信号和所述参考电压之间的误差得到所述误差信号。

优选地，所述参考电压产生单元包括：PWM延时控制模块，用于根据亮度控制信号生成PWM控制信号；以及模式控制模块，所述模式控制模块用于根据所述PWM控制信号和所述模式信号选择所述参考电压。

优选地，所述参考电压产生单元还包括：关断模块，用于在所述亮度控制信号维持于低电平状态达到预设时间时提供关断信号。

优选地，所述驱动信号生成电路包括：PWM比较器，用于将所述电流采样信号和所述节点电压信号进行比较，根据比较结果生成具有一定占空比的PWM信号；以及驱动器，用于根据所述PWM信号生成所述驱动信号。

优选地，所述控制电路还包括：振荡器，用于生成振荡信号；以及斜坡发生器，用于根据所述振荡信号生成斜坡补偿信号，并根据所述斜坡补偿信号对所述电流采样信号进行补偿。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括上述控制电路的LED驱动电路。

本发明实施例的LED驱动电路及其控制电路具有以下有益效果。

控制电路包括电流检测电路、误差信号生成电路、电压钳位电路、驱动信号生成电路以及钳位控制电路，钳位控制电路在模式信号表征不同模式时根据误差信号得到阈值电压，电压钳位电路根据阈值电压限定节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值，从而可以精确控制节点电压信号的电压值，进而精确控制了LED驱动电路的输出电流，提高了补光响应的输出精度，避免补光过程中“过曝光”现象的发生。

进一步的，钳位控制电路通过调节参考电容充电过程中的下限电压值或者参考电容放电过程的上限电压值，减小参考电容的充放电时间，提高电路对闪光模式的响应速度。

进一步的，钳位控制电路对阈值电压的调节过程不受系统带宽的影响，因此本发明实施例控制电路对闪光模式响应时间也不受系统带宽的限制，可有效提高控制电路对闪光模式的响应速度。此外由于整个闪光时间非常短暂，因此该改进对控制电路的稳定性不会造成影响。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本发明实施例的LED驱动电路的电路示意图；

图2示出图1中的电压钳位电路的结构示意图；

图3示出图1中的钳位控制电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，功率开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅双极晶体管和双极晶体管中的一种。功率开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出根据本发明实施例的LED驱动电路的电路示意图。该LED驱动电路100包括主电路和控制电路110。主电路包括输入电容Cin、电感L1、功率开关管M1、续流二极管D1、采样电阻Rcs以及输出电容Cout。控制电路110用于控制主电路中的功率开关管M1的导通和关断，使得电感L1充电和放电，从而向负载提供输出电流。控制电路110例如封装成芯片IC1。在该实施例中，主电路中的功率开关管M1也封装在芯片IC1中。

在主电路中，输入电容Cin的第一端用于接收直流输入电压Vbat，输入电容Cin用于对直流输入电压Vbat进行滤波，以获得平滑的直流电压。输入电容Cin的第二端接地。

进一步的，电感L1、功率开关管M1和采样电阻Rcs依次串联在输入电容Cin第一端和地之间。在该实施例中，功率开关管M1为N型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

进一步的，续流二极管D1的阴极连接于电感L1和功率开关管M1的漏极之间，续流二极管D1的阳极连接至输出电容Cout的第一端，输出电容Cout的第二端接地。输出电容Cout用于向负载提供直流输出电压Vout。

进一步的，本实施例的负载例如为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯，所述LED灯的阴极连接至输出电容Cout的第一端，LED灯的阳极通过反馈电阻Rfb接地。更进一步的，本实施例的负载为WLED(White LED，白色发光二极管)灯。

进一步的，在本申请中的术语“LED灯”例如是多个LED串联连接形成的LED灯串。如果多个LED形成LED灯串，则在LED灯串中前一个LED的阴极连接至下一个LED的阳极。LED灯的阳极指LED灯串中第一个LED灯的阳极，LED灯的阴极指LED灯串中最后一个LED灯的阴极。

控制电路110包括驱动信号生成电路111、电流检测电路112、电压钳位电路114、钳位控制电路115以及误差信号生成电路116。

电流检测电路112例如通过误差放大器实现，误差放大器的同相输入端连接至功率开关管M1和采样电阻Rcs的中间节点，反相输入端连接至采样电阻Rcs的另一端，从而获得与流经功率开关管M1的电感电流相对应的电流检测信号Isen。

误差信号生成电路用于根据模式信号strobe选择参考电压，并根据输出电流和参考电压提供误差信号。

进一步的，误差信号生成电路包括误差放大器113、PWM延时控制模块1103、模式控制模块1104以及关断模块1105。

误差放大器113的反相输入端连接至LED灯与反馈电阻Rfb的中间节点，从而获得与流经LED灯的输出电流相对应的反馈信号FB。误差放大器113的正相输入端连接至参考信号产生电路116以接收参考信号Vref。误差放大器113根据反馈信号FB和参考信号Vref之间的电压差获得二者之间的误差信号。

PWM延时控制模块1103用于根据所述亮度控制信号Ctrl生成PWM控制信号。

模式控制模块1104用于根据所述PWM控制信号和所述模式信号strobe生成所述参考信号Vref。进一步的，所述模式控制模块1104为1x/nx模式选择器，当模式信号strobe处于低电平时，所述模式控制模块1104输出参考信号Vref，控制电路110工作在正常模式下；当所述模式信号strobe处于高电平时，所述模式控制模块1104输出n倍的参考信号Vref，控制电路110工作在闪光模式下。

关断模块1105用于在亮度控制信号Ctrl维持于低电平状态达到预设时间时提供关断信号。

钳位控制电路115用于根据驱动电路的工作模式向电压钳位电路114提供相应的阈值电压Vth并在模式信号strobe表征不同模式时根据误差信号得到该阈值电压。电压钳位电路114根据接收到的阈值电压Vth生成对应的钳位信号Cla，并根据钳位信号Cla和误差放大器113的误差信号对参考电容Cc进行充放电以生成节点电压信号Vc。其中，钳位信号Cla用于限定参考电容Cc充放电过程中节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值，将节点电压信号Vc的波形的顶部和底部限制在某一确定的直流电平上。误差放大器113用于根据得到的误差信号向参考电容Cc提供充电或者放电电流，假设误差放大器113的跨导为GM，则在充放电过程中，充放电电流为：

Ie＝GM×(Vref-Vfb)

驱动信号生成电路111根据所述电流检测信号Isen和节点电压信号Vc生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述功率开关管M1的导通和关断。

在本实施例中，当模式信号Strobe为高电平时，控制电路110需要进入闪光模式，使得流过LED灯的电流为正常工作时的n倍(其中n为大于1的整数)，当模式信号Strobe为低电平时，控制电路110需要退出闪光模式，使得流过LED灯的电流为正常工作时的电流。

进一步的，误差放大器113得到的误差信号表征了流过LED灯的电流值的大小，因此控制电路110工作在闪光模式时误差放大器113输出的第二误差信号的电压值应该为控制电路110工作在正常模式时误差放大器113输出的第一误差信号的电压值的n倍。更进一步的，可通过调节误差放大器113正相输入端接受的参考信号Vref来调节误差放大器113输出的误差信号的大小，也即，当控制电路110工作在正常模式时，充放电电流为：

Ie＝GM×(Vref-Vfb)

当控制电路110工作在闪光模式时，充放电电流为：

Ie＝GM×(nVref-Vfb)

由上式可以看出参考电容Cc的充放电时间与误差放大器113的跨导GM有关，而为了保证系统的稳定性，因此控制电路110中误差放大器113的跨导GM一般都比较小，这导致参考电容的充放电时间比较长，降低了电路对闪光模式的响应速度。

为了解决上述控制电路对闪光模式的响应速度比较慢的问题，本发明实施例的钳位控制电路115还用于根据驱动电路的工作模式调节所述钳位信号Cla，继而调节参考电容Cc充电过程中的下限电压值，或者调节参考电容Cc放电时的上限电压值，以实现闪光模式中参考电容的充放电过程不受系统带宽的限制，提高芯片的闪光响应速度。其中，下限电压值和上限电压值分别表示节点电压信号Vc的波形的底部和顶部。

进一步的，钳位控制电路115在所述驱动电路进入闪光模式时增大所述下限电压值，以及在所述驱动电路退出所述闪光模式时减小所述上限电压值。

图2示出图1中电压钳位电路的结构示意图。如图2所示，作为一种非限制性的例子，电压钳位电路114包括第一钳位模块1141和第二钳位模块1142。其中，第一钳位模块1141用于根据第一阈值电压Vth1生成第一钳位信号Cla_H，第一钳位信号Cla_H用于提供表示节点电压信号Vc的波形的顶部的上限电压值。第二钳位模块1142用于根据第二阈值电压Vth2生成第二钳位信号Cla_L，所述第二钳位信号Cla_L用于提供表示节点电压信号Vc的底部的下限电压值。

图3示出图1中钳位控制电路的结构示意图。如图3所示，作为一种非限制性的例子，钳位控制电路115包括输入模块1151、加法模块1152、第一采样保持器1153、第二采样保持器1154、第一多路复用器1155以及第二多路复用器1156。输入模块1151用于在模式信号strobe表征正常模式时接收第一误差信号。加法模块1152用于根据该第一误差信号与一采样电压得到第二误差信号。第一采样保持器1153用于根据模式信号strobe对第一误差信号进行采样，并根据采样获得的电压输出第一检测电压V1。第二采样保持器1154用于根据模式信号strobe对第二误差信号进行采样，并根据采样获得的电压输出第二检测电压V2。第一多路复用器1155根据模式信号strbe将第一检测电压V1和第二预设电压Vth_H之一输出为第一阈值电压Vth1。第二多路复用器1156根据模式信号strobe将第二检测电压V2和第一预设电压Vth_L之一输出为第二阈值电压Vth2。其中，第一预设电压电压Vth_L和第二预设电压Vth_H例如为预先设置的基准电压。

在本实施例中，钳位控制电路115设置为在strobe信号为低电平(即控制电路110工作在正常模式)时接收误差放大器113输出的第一误差信号，加法模块1152根据第一误差信号以及一采样电压得到第二误差信号。第一采样保持器1153和第二采样保持器1154分别在模式信号strobe为低电平时对第一误差信号和第二误差信号进行采样，分别根据采样得到的电压得到第一检测电压V1和第二检测电压V2。

当模式信号strobe为高电平(即控制电路110工作在闪光模式)时，第一多路复用器1155根据第二预设电压Vth_H得到第一阈值电压Vth1，第二多路复用器1156根据第二误差信号得到第二阈值电压Vth2。增大第二阈值电压Vth2，第二钳位模块1142根据所述第二阈值电压增大对参考电容Cc充电的下限电压值，然后误差放大器113再根据第二误差信号对参考电容Cc进行充电，由于第一钳位模块1141不受系统带宽的影响，因此可大大减小充电时间，增大控制电路110对闪光模式的响应速度，因此节点电压信号可快速升高到第二误差信号相应的电压值，精确控制了电路的输出电流，提高了补光响应的输出精度，避免补光过程中“过曝光”现象的发生。

当模式信号strobe为低电平(即控制电路110工作在正常模式)时，第一多路复用器1155根据第一检测电压V1得到第一阈值电压Vth1，第二多路复用器1156根据第一预设电压Vth_L得到第二阈值电压Vth2，第一钳位模块1141根据第一阈值电压Vth1减小对参考电容Cc放电的上限电压值，由于第一钳位模块1141不受系统带宽的影响，因此可大大减小放电时间，因此节点电压信号Vc可快速下降到第一误差信号对应的电压范围。并且由于整个充放电时间非常短暂，因此不会影响整个系统的稳定性。

进一步的，加法模块1152包括电流源I1和电阻Rsum，电流源I1用于提供(n-1)倍的采样电流Isen，电阻Rsum根据(n-1)倍的采样电流Isen得到上述的采样电压，并将第一误差信号与该采样电压叠加以得到所述第二误差信号。通过上述的电路结构确保第二误差信号的电压值为第一误差信号的电压值的n倍，n为大于1的整数。

继续参考图1，驱动信号生成电路111包括：PWM比较器1102和驱动器1101。PWM比较器1102用于根据所述电流采样信号Isen和所述节点电压信号Vc生成具有一定占空比的PWM信号。驱动器1101用于根据所述PWM信号生成所述驱动信号。

进一步的，控制电路110还包括振荡器117和斜坡发生器118，振荡器117用于生成振荡信号，斜坡发生器118用于根据所述振荡信号生成斜坡补偿信号，并根据所述斜坡补偿信号对所述电流采样信号Isen进行补偿。

综上所述，本发明实施例的LED驱动电路及其控制电路，控制电路包括电流检测电路、误差信号生成电路、电压钳位电路、驱动信号生成电路以及钳位控制电路，钳位控制电路在模式信号表征不同模式时根据误差信号得到阈值电压，电压钳位电路根据阈值电压限定节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值，从而可以精确控制节点电压信号的电压值，进而精确控制了LED驱动电路的输出电流，提高了补光响应的输出精度，避免补光过程中“过曝光”现象的发生。

进一步的，钳位控制电路通过调节参考电容充电过程中的下限电压值或者参考电容放电过程的上限电压值，减小参考电容的充放电时间，提高电路对闪光模式的响应速度。

进一步的，钳位控制电路对阈值电压的调节过程不受系统带宽的影响，因此本发明实施例控制电路对闪光模式响应时间也不受系统带宽的限制，可有效提高控制电路对闪光模式的响应速度。此外由于整个闪光时间非常短暂，因此该改进对控制电路的稳定性不会造成影响。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种LED驱动电路的控制电路，所述LED驱动电路包括彼此连接的功率开关管和电感，所述控制电路提供驱动信号以控制所述功率开关管的导通和关断，使得所述电感充电和放电，从而向负载提供输出电流，其中，所述控制电路包括：

电流检测电路，用于检测流经所述功率开关管的电流以获得电流采样信号；

误差信号生成电路，用于根据模式信号选择参考电压，根据所述输出电流和所述参考电压提供误差信号，以及根据所述误差信号对参考电容进行充电或放电以生成节点电压信号；

电压钳位电路，用于根据阈值电压限定所述节点电压信号的上限电压值和/或下限电压值；

驱动信号生成电路，用于根据所述节点电压信号和所述电流采样信号产生所述驱动信号；以及

钳位控制电路，用于在所述模式信号表征不同模式时根据所述误差信号得到所述阈值电压，

其中，所述误差信号包括第一误差信号和第二误差信号，所述钳位控制电路用于在所述模式信号表征第一模式时，根据所述第一误差信号得到第一阈值电压，并根据第一预设电压得到第二阈值电压，以及在所述模式信号表征第二模式时，根据所述第二误差信号得到所述第二阈值电压，并根据第二预设电压得到所述第一阈值电压。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述钳位控制电路还设置为在所述模式信号表征第一模式时接收所述第一误差信号，并根据所述第一误差信号得到所述第二误差信号，

其中，所述第二误差信号的电压值为所述第一误差信号的电压值的n倍，n为大于1的整数。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电压钳位电路包括：

第一钳位模块，用于根据所述第一阈值电压限定所述节点电压信号的所述上限电压值；以及

第二钳位模块，用于根据所述第二阈值电压限定所述节点电压信号的所述下限电压值。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述钳位控制电路包括：

输入模块，用于接收所述第一误差信号；

加法模块，用于根据所述第一误差信号和一采样电压得到所述第二误差信号；

第一采样保持器，用于根据所述模式信号对所述第一误差信号进行采样，并根据采样获得的电压值输出第一检测电压；

第二采样保持器，用于根据所述模式信号对所述第二误差信号进行采样，并根据采样获得的电压值输出第二检测电压；

第一多路复用器，用于根据所述模式信号将所述第一检测电压和第二预设电压之一输出为所述第一阈值电压；以及

第二多路复用器，用于根据所述模式信号将所述第二检测电压和第一预设电压之一输出为所述第二阈值电压。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，当所述模式信号表征所述第一模式时，所述第一采样保持器和所述第二采样保持器分别对所述第一误差信号和所述第二误差信号进行采样，获得所述第一检测电压和所述第二检测电压。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述误差信号生成电路包括：

参考电压产生单元，用于根据所述模式信号选择参考电压；以及

误差放大器，用于根据所述输出电流的反馈信号和所述参考电压之间的误差得到所述误差信号。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述参考电压产生单元包括：

PWM延时控制模块，用于根据亮度控制信号生成PWM控制信号；以及

模式控制模块，所述模式控制模块用于根据所述PWM控制信号和所述模式信号选择所述参考电压。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述参考电压产生单元还包括：

关断模块，用于在所述亮度控制信号维持于低电平状态达到预设时间时提供关断信号。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动信号生成电路包括：

PWM比较器，用于将所述电流采样信号和所述节点电压信号进行比较，根据比较结果生成具有一定占空比的PWM信号；以及

驱动器，用于根据所述PWM信号生成所述驱动信号。

10.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：

振荡器，用于生成振荡信号；以及

斜坡发生器，用于根据所述振荡信号生成斜坡补偿信号，并根据所述斜坡补偿信号对所述电流采样信号进行补偿。

11.一种LED驱动电路，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的控制电路。

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