CN112804790B - 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、误差放大器、补偿电路、以及驱动信号生成电路，该误差放大器被配置为根据所述模式信号的电平状态调节其自身的跨导，通过在闪光模式时增大误差放大器的跨导来增大补偿电路中的补偿电容的充放电电流，减小补偿电容的充放电时间，提高了电路闪光模式的响应速度，此外控制电路还在增大误差放大器的跨导的同时减小补偿电路中补偿电阻的电阻值，保证在闪光模式下整个系统的带宽不发生变化，保持系统的稳定性。

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。

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。

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；误差放大器，用于根据所述LED驱动电路的反馈信号和参考信号之间的电压差生成误差信号；补偿电路，用于根据所述误差信号生成节点电压信号；以及驱动信号生成电路，用于根据所述节点电压信号和所述电流采样信号产生驱动信号，所述驱动信号用于控制所述功率开关管的导通和关断，其中，所述误差放大器被配置为根据所述模式信号的电平状态调节其自身的跨导。

优选地，所述误差放大器包括：差分输入级，包括用于分别接收所述反馈信号和所述参考信号的差分晶体管对；输出级，连接至所述差分输入级，用于输出所述误差信号；以及跨导调节模块，连接至所述差分输入级，用于根据所述模式信号的电平状态调节流经所述差分晶体管对的电流，以调节所述误差放大器的跨导。

优选地，所述差分输入级包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端连接至所述跨导调节模块的输出端，所述第一晶体管的控制端用于接收所述参考信号，所述第二晶体管的控制端用于接收所述反馈信号，所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第二端分别连接至所述输出级。

优选地，所述输出级包括第三至第八晶体管、以及第一电流源和第二电流源，所述第三晶体管、第五晶体管、第七晶体管和所述第一电流源串联连接于电源电压与地之间，所述第四晶体管、第六晶体管、第八晶体管和所述第二电流源串联连接于所述电源电压和地之间，所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，所述第七晶体管和所述第八晶体管的控制端接收第一偏置电压，所述第五晶体管和所述第六晶体管的控制端接收第二偏置电压，所述第七晶体管和所述第一电流源的中间节点连接至所述第一晶体管的第二端，所述第八晶体管和所述第二电流源的中间节点连接至所述第二晶体管的第二端，所述第六晶体管和所述第八晶体管的中间节点用于输出所述误差信号。

优选地，所述跨导调节模块包括第三电流源、第四电流源以及第九晶体管，所述第三电流源和所述第九晶体管用于提供所述电源电压至所述跨导调节模块的输出端的第一电流路径，所述第四电流源用于提供所述电源电压值所述跨导调节模块的输出端的第二电流路径，其中，当所述模式信号为低电平时，所述第九晶体管关断，以及当所述模式信号为高电平时，所述第九晶体管导通。

优选地，所述第三电流源用于产生第一电流，所述第四电流源用于产生第二电流，其中，所述第一电流为所述第二电流的(N2-1)倍，N为大于1的整数。

优选地，所述补偿电路包括串联连接于所述误差放大器的输出端与地之间的补偿电容和可变电阻电路，其中，所述可变电阻电路被配置为根据所述模式信号的电平状态调节其自身的电阻值。

优选地，当所述模式信号为低电平时，所述可变电阻电路具有第一电阻值，以及当所述模式信号为高电平时，所述可变电阻电路具有第二电阻值，其中，所述第二电阻值为所述第一电阻值的1/N，N为大于1的整数。

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。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种LED驱动电路，包括彼此连接的功率开关管和电感，以及权利要求1-9任一项所述的控制电路。

本发明实施例的LED驱动电路及其控制电路通过在闪光模式时增大误差放大器的跨导来增大补偿电容的充放电电流，减小补偿电容的充放电时间，提高了电路对闪光模式的响应速度。

在进一步的实施例中，控制电路通过在闪光模式下在增大误差放大器的跨导的同时减小补偿电路中补偿电阻的电阻值，保证在闪光模式下整个系统的带宽不发生变化，同时兼顾提高系统稳定性和对闪光模式的响应速度的问题。

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中的误差放大器的结构示意图。

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Mn、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Mn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Mn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Mn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Mn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Mn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、误差放大器113、电压钳位电路114、补偿电路115以及参考信号生成电路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Mn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Mn的电感电流相对应的电流检测信号Isen。

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生成电路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。

补偿电路115用于根据所述误差信号生成节点电压信号Vc。电压钳位电路114用于限定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。

进一步的，补偿电路115包括串联连接于误差放大器113的输出端与地之间的补偿电容Cc和可变电阻电路Rc。误差放大器113用于根据得到的误差信号向补偿电容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)

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输出的误差信号Ve应该为控制电路110工作在正常模式时误差放大器113输出的误差信号Ve的N倍。

由上式可以看出补偿电容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，控制电路110中误差放大器113的跨导GM一般都比较小，这导致补偿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慢的问题，本发明实施例通过根据模式信号Strobe的电平状态调节误差放大器113的跨导来调节误差放大器113输出的误差信号的大小。当控制电路110工作在正常模式时，误差放大器113的跨导为GM；当控制电路110工作在闪光模式时，增大误差放大器113的跨导至N*GM。

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＝N*GM×(Vref-Vfb)

综上，本实施例的控制电路通过在闪光模式时增大误差放大器的跨导来增大补偿电容的充放电电流，减小补偿电容的充放电时间，提高了电路对闪光模式的响应速度。

此外，为了提高系统的稳定性，需要在闪光过程中保持系统的带宽不变。因此在进一步的实施例中，可变电阻电路Rc被配置为根据模式信号Strobe的电平状态调节其自身的电阻值。当模式信号Strobe为低电平(即控制电路110工作在正常模式)时，可变电阻电路Rc具有第一电阻值；当模式信号Strobe为高电平(即控制电路110工作在闪光模式)时，可变电阻电路Rc具有第二电阻值。其中，第二电阻值为第一电阻值的1/N(其中，N为大于1的整数)。

在本发明进一步的实施例中，控制电路110通过在闪光模式下增大误差放大器的跨导的同时减小补偿电路中补偿电阻的电阻值，来保证在闪光模式下整个系统的带宽不发生变化，同时兼顾提高系统稳定性和对闪光模式的响应速度的问题。

继续参考图1，驱动信号生成电路111用于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Mn的导通和关断。其中，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。

参考信号生成电路116用于根据亮度控制信号Ctrl和模式信号Strobe生成所述参考信号Vref。参考信号生成电路116包括PWM延时控制模块1103、模式控制模块1104以及关断模块1105。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，所述模式控制器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，所述模式控制器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。

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。

图2示出图1中误差放大器的电路示意图。作为一种非限制性的例子，误差放大器113采用一种双输入、单输出的折叠共源共栅结构，包括差分输入级1131、输出级1132以及跨导调节模块1133。其中，跨导调节模块1133用于响应所述模式信号Strobe中的高电平，来增大流过所述差分输入级1131中的差分晶体管对的电流，从而增大所述误差放大器113的跨导。

进一步的，如图2所示，差分输入级1131包括晶体管M1和晶体管M2，晶体管M1和晶体管M2的第一端相互连接，且连接至跨导调节模块1133的输出端，晶体管M1的控制端用于接收所述参考信号Vref，晶体管M2的控制端用于接收反馈信号FB。

输出级1132包括晶体管M3至M8、以及电流源I1和I2。晶体管M3、M5、M7以及电流源I1串联连接于电源电压VDD与地之间，晶体管M4、M6、M8以及电流源I2串联连接于电源电压VDD与地之间。晶体管M3和晶体管M4构成电流镜，晶体管M7和M8的控制端都用于接收第一偏置电压Vb1，晶体管M5和M6的控制端都用于接收第二偏置电压Vb2，晶体管M7和电流源I1的中间节点连接至晶体管M1的第二端，晶体管M8和电流源I2的中间节点连接至晶体管M2的第二端，晶体管M6和M8的中间节点用于输出所述误差信号Ve。

需要说明的是，误差放大器113的结构不限于图2所示的电路结构，误差放大器113也可采用套筒式结构或者其他可以实现共源共栅的结构。

继续参考图2，跨导调节模块1133包括电流源I3和I4以及晶体管M9。电流源I3和晶体管M9串联连接于电源电压VDD与跨导调节模块1133的输出端之间，用于提供电源电压VDD至差分输入级1131中的差分晶体管对的第一电流路径。电流源I4连接在电源电压VDD与跨导调节模块1133的输出端之间，用于提供电源电压VDD至差分输入级1131中的差分晶体管对的第二电流路径。

在本实施例中，电流源I3用于提供第一电流，电流源I4用于提供第二电流，其中，第一电流是第二电流的(N²-1)倍(其中，N为大于1的整数)。当晶体管M9关断时，由电流源I4向差分输入级1131中的差分晶体管对提供电流；当晶体管M9导通时，由电流源I3和电流源I4同时向差分输入级1131中的差分晶体管对提供电流，增大流过差分晶体管中流过的电流。此外，误差放大器113的跨导为：

其中，μn为载流子的迁移率，Cox是晶体管中单位面积的栅氧化层电容，W/L是晶体管的宽长比，I是流过差分输入级1311中差分晶体管对的电流。由上式可以看出，通过增大流过差分晶体管中流过的电流可以增大误差放大器113的跨导。

进一步的，在一种实施例中，晶体管M9例如选自P型MOSFET(如图2中所示的结构)，晶体管M9的控制端用于接收模式信号Strobe的反相信号，当模式信号Strobe为低电平时，模式信号Strobe的反相信号为高电平，晶体管M9关断；当模式信号Strobe为高电平时，模式信号Strobe的反相信号为低电平，晶体管M9导通。在本发明其他实施例中，晶体管M9也可选自N型MOSFET，晶体管M9的控制端用于接收模式信号Strobe，当模式信号Strobe为低电平时，晶体管M9关断；当模式信号Strobe为高电平时，晶体管M9导通。

此外，需要说明的是，上述实施例中的晶体管M1至M8例如选自P型MOSFET，P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极。在本发明的其他实施例中，晶体管M1至M8也可选自N型MOSFET，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

综上所述，本发明实施例的LED驱动电路及其控制电路通过在闪光模式时增大误差放大器的跨导来增大补偿电容的充放电电流，减小补偿电容的充放电时间，提高了电路对闪光模式的响应速度。

在进一步的实施例中，控制电路通过在闪光模式下在增大误差放大器的跨导的同时减小补偿电路中补偿电阻的电阻值，保证在闪光模式下整个系统的带宽不发生变化，同时兼顾提高系统稳定性和对闪光模式的响应速度的问题。

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 (9)

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；

误差放大器，用于根据所述LED驱动电路的反馈信号和参考信号之间的电压差生成误差信号；

补偿电路，包括串联连接于所述误差放大器的输出端和地之间的补偿电容和可变电阻电路，所述补偿电路用于根据所述误差信号生成节点电压信号；以及

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驱动信号，所述驱动信号用于控制所述功率开关管的导通和关断，

其中，所述误差放大器被配置为根据一模式信号的电平状态调节其自身的跨导以及所述可变电阻电路被配置为根据所述模式信号的电平状态调节其自身的电阻值。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述误差放大器包括：

差分输入级，包括用于分别接收所述反馈信号和所述参考信号的差分晶体管对；

输出级，连接至所述差分输入级，用于输出所述误差信号；以及

跨导调节模块，连接至所述差分输入级，用于根据所述模式信号的电平状态调节流经所述差分晶体管对的电流，以调节所述误差放大器的跨导。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述差分输入级包括第一晶体管和第二晶体管，

所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端连接至所述跨导调节模块的输出端，

所述第一晶体管的控制端用于接收所述参考信号，所述第二晶体管的控制端用于接收所述反馈信号，

所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第二端分别连接至所述输出级。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述输出级包括第三至第八晶体管、以及第一电流源和第二电流源，

所述第三晶体管、第五晶体管、第七晶体管和所述第一电流源串联连接于电源电压与地之间，

所述第四晶体管、第六晶体管、第八晶体管和所述第二电流源串联连接于所述电源电压和地之间，

所述第三晶体管和所述第四晶体管构成电流镜，

所述第七晶体管和所述第八晶体管的控制端接收第一偏置电压，所述第五晶体管和所述第六晶体管的控制端接收第二偏置电压，

所述第七晶体管和所述第一电流源的中间节点连接至所述第一晶体管的第二端，所述第八晶体管和所述第二电流源的中间节点连接至所述第二晶体管的第二端，

所述第六晶体管和所述第八晶体管的中间节点用于输出所述误差信号。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述跨导调节模块包括第三电流源、第四电流源以及第九晶体管，

所述第三电流源和所述第九晶体管用于提供所述电源电压至所述跨导调节模块的输出端的第一电流路径，

所述第四电流源用于提供所述电源电压值所述跨导调节模块的输出端的第二电流路径，

其中，当所述模式信号为低电平时，所述第九晶体管关断，以及当所述模式信号为高电平时，所述第九晶体管导通。

6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述第三电流源用于产生第一电流，所述第四电流源用于产生第二电流，

其中，所述第一电流为所述第二电流的(N²-1)倍，N为大于1的整数。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当所述模式信号为低电平时，所述可变电阻电路具有第一电阻值，以及当所述模式信号为高电平时，所述可变电阻电路具有第二电阻值，

其中，所述第二电阻值为所述第一电阻值的1/N，N为大于1的整数。

8.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。

9.一种LED驱动电路，其特征在于，包括彼此连接的功率开关管和电感，以及权利要求1-8任一项所述的控制电路。

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