CN113841336B

CN113841336B - 负电压轨

Info

Publication number: CN113841336B
Application number: CN202080031375.8A
Authority: CN
Inventors: S·J·克里斯蒂安松
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: EP3959816A1; WO2020219151A1; CN113841336A; US10548190B1

Abstract

本发明构思涉及一种负轨生成器，该负轨生成器临时地自生成负电压轨以将跨发光二极管(LED)的电压差增加到大于可用的正电源电压。如此，电压差提供了足够的净空以超过以恒定电流导通LED所需的最小正向电压。在一个示例中，负轨生成器可以包括电容器、二极管钳位器和晶体管。负轨生成器和LED可通过共用PWM信号来同步地操作。负电压轨可在无需添加开关模式电源(SMPS)或电荷泵的情况下被生成。

Description

负电压轨

技术领域

本发明涉及负电压轨。

背景技术

本发明构思涉及具有用于激活负载的有限电压的设备中的电子电路。具体而言，本发明构思涉及将跨负载的电压差增加到大于以地为参考的正电源电压。

发明内容

本发明构思涉及可包括正电压轨、发光二极管(LED)、和负轨生成器的设备。正电压轨可以提供电源电压电平。LED可电耦合到正电压轨和负轨生成器。负轨生成器可以包括电容器、二极管钳位器和复位晶体管。电容器可电耦合到LED。二极管钳位器可电耦合到LED和电容器。复位晶体管可电耦合到电容器和地。负轨生成器可以被配置为当复位晶体管被导通时创建跨LED的大于电源电压电平的电压差。

附图说明

附图解说了本发明构思的实现。所解说的实现的特征可通过参考以下结合附图的描述来更容易地理解。在可行的情况下，各个附图中相同的附图标记被用来指代相同的元素。在一些情形中，在附图标记之后使用括号来区分相似元素。使用不带相关联的括号的附图标记对元素是通用的。这些附图不一定是按比例绘制的。在附图中，附图标记中最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在说明书和附图的不同实例中使用类似的附图标记可指示类似或相同的项目。

图1-3示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器的设备的电路图。

图4-9示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器的设备的电特性曲线图。

图10示出了解说与本发明构思的一些实现相一致的负轨生成方法的流程图。

具体实施方式

本发明构思涉及一种用于根据需要(即，按需)临时地生成负电压轨以将跨给定负载的电压差增加到满足负载的最小电压要求(其可能大于以地为参考的可用系统电源电压)的电平的电路。临时负电压轨可以与控制负载的启用和禁用信号同步地被启用和禁用(即，跟踪控制负载的启用和禁用信号)。跨负载的电压差可在无需增加系统功率轨处的正电压且在无需添加开关模式电源(SMPS)或电荷泵来创建较高正电压轨或负电压轨的情况下被增大。与本发明构思相一致的负电压轨可以是自生成的(即，使用现有系统电源生成)并且可以在与负载相同的频率处操作。

电子电路设计方通常必须确保用于电子组件或电路(即，负载)的足够电压净空以维持恰当操作。即，正系统电压轨与通常接地的返回电压轨之间的差异应高于启用负载所需的差异。例如，典型的红色LED可具有1.8伏(V)与2.2V之间的正向电压(V_f)，而典型的白色LED可具有2.8V与3.2V之间的正向电压。为了导通这样的LED，LED驱动器可能需要提供用于正向偏压LED的足够电压和/或电流以及足够净空、以及传导路径中的任何附加电流控制或电流限制电路系统。

然而，驱动器净空可能过小以至于当在电压源不足的情况下操作时无法正向偏压LED及相关联的电路系统。这可能归因于板上的低电压功率轨(例如，低功率子板)，或者在系统由1S锂电池系统(通常范围从3V到4.2V)或由例如AA或AAA1.5V电池供电的情况下发生。或者，如果驱动多个串联连接的LED，则即使是2S电池系统(通常范围从6V至8.4V)也可能提供不足的净空。当源电压不够大以至于无法克服传导路径中的(诸)LED及相关联电路系统的正向电压降时，LED可能不导通并且可能不发光。此外，在LED由恒流驱动器(例如，双晶体管恒流源或类似物)驱动以及源电压不足以驱动足够电流的情况下，LED可能不发光或者由LED发出的光可能不满足目标输出电平。

为了克服这些问题，设计方必须增加LED驱动器的操作净空，并由此增加跨LED(即，LED阳极侧与LED阴极侧的电压电平差)和LED路径中的其他电路系统的电压差。存在用于增加净空的两种常规选项，但这两者都不是合需的。

第一种常规选项是生成具有较高正电压的系统功率轨，并由此增加LED阳极侧的电压电平。这可例如通过引入升压转换器(诸如SMPS或电荷泵)来达成。升压转换器可向上提高LED的输入电压。

第二种常规选项是创建负功率轨，并由此减小LED阴极侧的电压电平。这可被常规地达成，例如，通过引入负电源SMPS或电荷泵(例如，在反向配置中)。

两种常规选项要么因增加LED阳极侧的正电压要么因减小LED阴极侧的负电压而增加跨LED的电压差。遗憾的是，添加此类集成电路(IC)会添加显著成本、占用相当大的板面积、增加设计复杂度、产生高频电噪声和/或需要上升(ramp-up)时间和下降(ramp-down)时间，所有这些都是不合需的。例如，这些IC通常可包括4个或更多个开关、多个电容器、振荡器、和栅极驱动器，而SMPS可包括电感器，其通常是最大的单个组件。这些IC中的一些IC可在100千赫兹(kHz)至2MHz范围处操作，这可能会向原本干净的系统引入不期望的噪声。而且，添加有源IC将需要附加验证。

本发明构思可达成在避免与常规选项相关联的问题的同时增加净空的目标。本发明构思涉及创建按需、临时、自生成的负电压功率轨的新颖电路。在一些实现中，这种负轨生成器电路可能仅包括一些廉价的现成组件，诸如电容器、二极管和晶体管。此外，负轨生成器电路可以由控制LED以供调光和启用的相同脉冲宽度调制(PWM)信号来控制。相应地，每当LED被PWM信号激活时，临时负轨可在LED的阴极侧被生成。负轨生成器电路可以将LED路径中的电压差增大到所参考正轨电压减去某些电压降，这将在下面解释。本发明构思还可以包括进一步改进以降低功率消耗，这将在下面详细描述。

本发明构思可以根据需要(例如，当LED导通时)仅使用几个简单组件来提供临时负轨。与本发明构思相一致的负轨生成器电路可以在低频处操作，例如，与LED相同的操作频率，其通常可以在例如100Hz到200Hz左右，或甚至高达几千赫兹，一些系统可能归因于各种系统约束而以此驱动其LED。本发明构思可用于期望将跨负载的电压差增加到超过现有电压源电平的任何应用，条件是开关信号(例如，时钟信号)可用。例如，带有放大器的扬声器或带有LED的柔性电路板可以受益于本发明构思。

图1示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器102的设备100的示例电路图。设备100可以包括任何电子设备、系统或组件，诸如计算机、智能电话、平板、个人数字助理、电器、可穿戴设备、IoT、电视、打印机、无人机、扬声器、路由器等、以及无数不断发展或尚未开发的设备、系统或组件类型中的任何一种。负轨生成器102可以在印刷电路板(PCB)上或在集成电路(IC)中、在设备100内部、以及其他配置。例如，为了简单和/或灵活性，负轨生成器102可以被实现为分立组件。替换地，负轨生成器102可以在IC内部实现以节省板空间和/或降低成本。

在一些实施方式中，设备100可以包括向设备100的各个部件提供功率的电源。替换地，电源可以驻留在设备100的外部。电源可以是交流(AC)、直流(DC)、稳压、非稳压、发电机、转换器、变压器、电池、IC、或可向设备100中的一个或多个负载提供功率的任何其他电路或组件。在图1所示的示例电路中，设备100中的电源可以包括电压源104。例如，电压源104可以向正电压轨106提供某个正DC电源电压。

设备100可以包括一个或多个负载。负载可以是消耗电功率的任何电路或组件。例如，设备100可以包括LED 108。尽管为了简单起见解说了单个LED 108，但是LED 108可以包括串联和/或并联的多个LED。例如，LED 108可以是被包括在计算机、移动设备、外围设备、显示器、开关板、控制面板等中的低功率LED，诸如指示器LED。在负载包括LED 108的情况下，来自电压源104的电源电压可以被称为V_LED。此外，电压源104可以被包括在控制LED 108的LED驱动器中，或者电压源104可以向控制LED 108的LED驱动器供电。

LED 108可以包括阳极侧(也被称为高侧或正侧)和阴极侧(也被称为低侧或负侧)。当电流从阳极侧向阴极侧流过LED 108时，LED 108可以辉光(glow)并发光。LED 108的特性可以包括正向电压(V_f)。如果LED 108的阳极侧电压与阴极侧电压之间的差异(即，跨LED 108的电压降)大于用于正向偏压LED 108的最小阈值正向电压，则LED 108可以激活，即电流可以流过LED 108并且LED 108可以点亮。如果跨LED 108的电压电平差不大于正向电压阈值或目标电流电平的正向电压，则LED 108可能不发光(或者其可能以不足的输出电平发光)。

通常，LED 108的正向电压可以在1.8V与3.3V之间(但其他电压值是可能的)，这取决于LED 108发出的光的颜色和LED结构。例如，取决于电流，LED108可以发出红光并且具有1.8V的正向电压。或者，LED 108可以发出蓝光并且具有3.2V的正向电压。在一些实现中，诸如对于低功率LED应用，LED 108可以在0.1mA至5mA的电流下操作。

设备100可以包括限流电阻器(图1中未示出)或恒流源110。例如，限流电阻器可用于存在稳定的正电源电压和/或不需要非常一致的光输出的情况。替换地，恒流源110可用于正电源电压可以变化和/或需要一致的光输出的情况。在一些实现中，恒流源110可以是控制LED 108的LED驱动器的一部分。恒流源110可以在LED 108的阴极侧提供恒定电流，而不管正电压轨106处的电源电压的摆动波动。此外，恒流源110可以能够为LED 108提供恒定电流，其中电压电平在双电源系统中的负轨处波动。由于通过LED 108的电流的变化可以改变LED 108的发光强度，因此恒流源110可以限制通过LED 108的电流的变化，并因而维持来自LED 108的一致的发光强度。例如，在一些实现中，恒流源110可以包括用于驱动LED 108的双晶体管电路，或者其可以包括使用比较器和/或运算放大器的更精确的电流感测拓扑结构。本发明构思可使用恒流控制的各种方法来实现。

在一些实现中，LED 108可由信号控制。例如，恒流源110的使能信号可导致足够的电流流过LED 108，并由此激活LED 108。此外，在一些实现中，该信号可以是脉冲宽度调制(PWM)信号112，其通过控制恒流源110在高时导通LED 108并且在低时关断LED 108。替换控制方案是可能的，例如，其中高PWM信号关断LED 108并且低PWM信号导通LED 108，这取决于晶体管布置。在上面讨论的其中设备100包括限流电阻器而不是恒流源110的替换实现中，给负轨生成器102的PWM信号112可以启用和禁用LED 108。

PWM信号112可由LED驱动器生成。替换地，PWM信号112可以是由微控制器单元(MCU)、片上系统(SoC)、或具有能够产生PWM型信号的振荡器的任何其他控制器提供的通用输入/输出(GPIO)信号。PWM信号112的占空比(即，导通时间段T_on除以总时间段T_period)可以控制LED 108的平均强度。PWM信号112的频率例如可以在100Hz与1kHz之间。高于约100Hz的频率可能足够地高于人眼能够感知到的LED 108的闪烁或频闪的范围。设计方可以为PWM信号112选择较高的频率，例如，在LED 108正在被相比人眼而言能够感知到较高频率处的闪烁和频闪的相机记录的情况下，或者在板上存在具有其他频率的干扰的情况下。归因于开关损耗，过高的频率可能会不必要地浪费功率。在一些实现中，PWM信号112可由PWM驱动器或用于控制LED 108的任何IC来提供。

图1中的示例解说了LED 108的低侧控制，因为LED 108的高侧(阳极侧)可连接到(即，与居间组件和/或电路直接或间接地电耦合)V_LED，而LED 108的低侧(阴极)可被控制(即，被导通断开或闭合)以激活和停用LED 108。因此，跨恒流源110的可变电压降可被控制以补偿变化的V_LED电平，以保持相同的设定点电流流过LED 108。本发明构思的使用LED 108的高侧控制的替换实现也是可能的。

为简单起见，图1将负轨生成器102示为通用框，但下文将参考其他附图解释负轨生成器102的示例和细节。负轨生成器102可以是在LED 108的阴极侧(例如，恒流源110的低侧)创建负电压轨114的组件或电路。负轨生成器102可被包括在LED驱动器中或与LED驱动器协同工作。

常规地，恒流源110将接地(或切换到地)。相应地，由电压源104提供的正电源电压必须大于LED 108的正向电压加上跨恒流源110的任何电压降。然而，利用负轨生成器102，跨LED 108的电压差可通过在LED 108的阴极侧创建负电压轨114而被增大到超过正参考电源电压。相应地，负轨生成器102可通过自生成负电压轨114而用于例如包括1.5V电池以驱动具有1.8V_f的红色LED的设备或包括3.0V电池(或串联的两个1.5V电池)以驱动具有3.2V_f的白色LED的设备。

在一些实现中，负轨生成器102可以由激活LED 108的相同PWM信号112激活。因此，当期望附加净空来激活LED 108时，负轨生成器102可以临时地(即，按需)创建负电压轨114。即，当LED 108没有被PWM信号112激活时，负轨生成器102可以不被激活。

此外，设备100可以包括再充电电流源116。将参考后面的附图详细解释再充电电流源116。在一些实现中，负轨生成器102和/或再充电电流源116可以被包括在控制LED 108的LED驱动器中。

图2示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器102的示例配置的设备100的示例电路图。在该示例中，恒流源110可以包括限制晶体管202(也被称为传输晶体管)、感测晶体管204(也被称为钳位晶体管)、和感测电阻器206。例如，限制晶体管202和感测晶体管204可以是两个双极结型晶体管(BJT)。常规地，感测电阻器206将连接到地或返回。该双晶体管电路可以能够维持通过LED 108的恒定电流，即使是在源电压波动时。恒定电流可以确保来自LED 108的恒定光输出。在一些实现中，恒流源110可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来代替BJT，并且可以利用运算放大器或其他电路配置来感测电流以提高准确度。

如图2所示，在与本发明构思相一致的一些实现中，负轨生成器102可以包括电容器208、钳位器、和开关。这些元件可以是分立组件，或者它们可被包括在IC中。在一个示例实现中，钳位器可以包括连接到地的二极管钳位器210，并且开关可以包括连接到地的复位晶体管212(也被称为下拉晶体管)。在一些实现中，钳位器可以包括钳位晶体管(图2中未示出)而不是二极管钳位器210。二极管钳位器210可以是例如肖特基二极管、常规二极管、或用适当定时控制的晶体管。复位晶体管212可以是例如由PWM信号112控制的n型BJT晶体管。替换地，复位晶体管可以是负金属氧化物半导体(NMOS)晶体管或其他类型的晶体管或开关。电容器208可以包括两个引脚。电容器208的引脚1侧216(也被称为复位侧)可连接到复位晶体管212。电容器208的引脚2侧218(也被称为钳位侧)可连接到二极管钳位器210和感测电阻器206。此外，在图2中，再充电电流源116在一个简单的示例实现中可以包括再充电电阻器214。图2中所示的这些组件是本发明构思的一个示例实现，其已被提供用于解释和说明目的。可以使用其他类型的组件和电路来达成本发明构思的效果和益处。

在一些实现中，负轨生成器102可以通过使用驱动LED 108的相同PWM信号112与LED驱动器同步地在LED 108的阴极侧临时地生成负电压轨114。替换地，负轨生成器102和LED驱动器可以由不同的信号控制，但仍然彼此充分同步地操作。

在一些实现中，PWM信号112的幅度可以足够高以启用复位晶体管212(例如，在BJT的情况下是基极-发射极电压(V_BE)，或者在MOSFET的情况下通常在0.4V与1.2V之间)。在一个示例实现中，PWM信号112可以具有1.8V的幅度。在一些实现中，生成PWM信号112的MCU可以在与LED 108相同的正电压轨106上运行。在其他实现中，PWM信号112的幅度可以更高或更低，诸如3.3V。其他电压电平也是可能的，这取决于例如设备100的设计。

当PWM信号112为低且因此LED 108被关断且复位晶体管212被关断时，电容器208可通过包括再充电电流源116的再充电路径来被充电。例如，如果电压源104提供1.8V_LED且二极管钳位器210在其导通时具有300mV的正向电压，则电容器208的引脚1侧216的电压可为1.8V且电容器208的引脚2侧218的电压可以是300mV(即，二极管钳位器210V_f高于地)。

当PWM信号112变高并使用恒流源110导通LED 108时，PWM信号112还可以导通复位晶体管212，其接通负轨生成器102中的电容器-二极管网络。即，导通复位晶体管212可以形成从正电压轨106通过LED 108、限制晶体管202、感测电阻器206并进入电容器208的电路径。导通复位晶体管212也可以将电容器208的引脚1侧216的电压电平拉到地，并且电容器208的引脚2侧218的电压电平可变为负，由此创建负电压轨114。电容器208的引脚2侧2018可被称为负电压节点。

本发明构思可利用电容器208可能无法立即改变跨其自身的电压的事实。例如，在电压源104提供1.8V_LED的情况下，当PWM信号112导通复位晶体管212，由此将电容器208的引脚1侧216的电压电平拉至地(0V)时，电容器208的引脚2侧218处(即，在负电压轨114处)的电压电平可以被钳位在负V_LED(1.8V)减去跨二极管钳位器210的电压降(例如，300mV)处。因此，在该示例中，当PWM信号112变高时，负电压轨114可以在约-1.5V(1.8V-300mV)处开始。由于电容器208无法立即改变跨其自身的电压差，当电容器208的引脚1侧216的电压电平摆动-1.8V(从1.8V到0V)时，电容器208的引脚2侧218的电压电平也可以摆动-1.8V(从0.3V到-1.5V)。这保留了跨电容器208的1.8V电压差。相应地，具有-1.5V的负电压电平的负电压轨114可能已经在电容器208的引脚2侧218被临时地生成。而且，二极管钳位器210可以阻止从地(0V)到负电压节点的传导，由此允许其变为负。

随着在PWM信号112保持高的情况下时间流逝，负电压轨114的负电压电平可以缓慢地变得不那么负，即，随着LED电流传入电容器208而朝向0V衰减。下面将详细解释这种衰减。当PWM信号112再次变低时，LED 108可关断，复位晶体管212可关断，并且电容器208可通过再充电路径再充电，使得电容器208的引脚1侧216的电压电平再次接近1.8V并且电容器208的引脚2侧218的电压电平再次为约0.3V以开始下一循环。

此外，为了防止在电容器208的引脚1侧216再次被驱动为高时电容器208的引脚2侧218的电压电平在正电压方向上升高，可放置二极管钳位器210以便将引脚2侧218钳位到地(或至少二极管钳位器210的正向电压)。例如，如果二极管钳位器210是具有300mV正向电压(V_f)的肖特基二极管，则当电容器208的引脚1侧216的电压电平变为例如1.8V时，电容器208的引脚2侧218的电压电平可能仅升高到约300mV。当PWM信号循环重复时，电容器208的引脚1侧216的电压电平可从约1.8V变为约0V，而电容器208的引脚2侧218的电压电平可从约300mV变为约-1.5V。

完美的1.8V摆动可能不会发生，因为可能存在归因于二极管钳位器210、复位晶体管212、电容器208的等效串联电阻(ESR)、和/或再充电电阻器214的一些电压降。在一些实现中，负轨生成器102能够生成的最大负电压电平可以是由电压源104(或用于再充电的一些其他源)提供的源电压电平减去二极管钳位器210的正向电压(V_f)。在上面的示例中，最大负电压可以是-1.5V(1.8V–300mV)。负轨生成器102能够生成的理论最大电压差可以是V_LED的两倍。然而，负轨生成器102和设备100可以被设计并且它们的组件被适当地设定大小以达成用于驱动LED 108的足够净空。

与本发明构思相一致地，电容器208的大小可被设定成足够大，使得负电压轨114在LED 108导通的时间(T_on)期间不会衰减得过多。如果负电压轨114的电压电平负得不够以至于无法维持电容器208的引脚2侧218与正电压轨106之间所需的偏压，则LED 108可能不再被正向偏压并因此关断或其电流可能会减小到目标电平以下并因此变暗。

例如，以下等式可以反映上面描述的衰减效应：

I＝C×dv/dt 等式1

T_on＝D/F_s 等式2

其中相应地，I是LED电流加上感测晶体管204的发射极电流(其在BJT晶体管电路中可能是显著的)，C是电容器208的电容，dv/dt是电压随时间的变化，并且T_on是一个循环的导通时间段，D是占空比，并且F_s是PWM信号112的频率。在一个示例实现中，电流I可以是约1.2mA(1.0mA LED电流加上感测晶体管204的0.2mA发射极电流)。

通过组合上面的等式1和等式2，可以导出以下等式。

关于dv的等式3可以表示对于在LED 108导通时被驱动通过LED 108的给定恒定电流而言跨电容器208的电压的变化(即，衰减程度)。电压电平的从上述示例中的约-1.5V开始且朝向地(0V)的这种变化不应大到以至于消除维持LED 108的正向偏压状态所需的净空。如等式3所示，负电压轨114可以随时间线性地变得不那么负。并且因此，考虑到PWM信号112的占空比和频率，电容器208的大小应被设定为足够大，使得电容器208不会将负电压轨114的负电压降低到使得无法在导通时间段期间将LED 108保持为被偏压。即使当负电压轨114衰减时，恒流源110也可以能够维持通过LED 108的恒定电流

而且，PWM信号112的频率和占空比可能影响电容器208的选择和峰值再充电电流源要求。即，可能需要PWM信号112的频率和占空比的某些组合来保持LED 108导通。例如，LED 108可以由100Hz到200Hz的PWM信号112驱动用于调光器/亮度控制，并且LED 108可以达到1mA到5mA的峰值电流。利用这些示例PWM信号频率和LED电流负载，对于高达约90％的占空比，电容器208可以在10微法(μF)到20μF左右。

此外，另一考虑包括用于电容器208的再充电电流源116的峰值电流能力。在一个实现中(如图2所示)，再充电电流源116可以包括再充电电阻器214。再充电电阻器214可具有足够低的电阻以在PWM信号112为低且LED 108关断时的关断时间段(T_off)内快速地对电容器208再充电。该时间段T_off可以是T_period×(1–D)，其中T_period是一个循环的总时间，而D是占空比。当PWM信号112在导通时间段期间为高时，再充电电阻器214可导通至地。

与本发明构思相一致地，负轨生成器102可能要求LED 108由PWM信号112控制，而不是由持续导通的信号(诸如稳定的使能信号)控制，以便与LED 108的激活和停用同步地循环对电容器208的充电和放电。换言之，PWM信号112可能不具有100％的占空比，因为将没有时间对电容器208再充电。可能需要关断时间段(即，当PWM信号112为低时)以复位负轨生成器102并且针对下一循环对电容器208再充电。因此，非常高的占空比(例如，大于80％)可能是不可行的，这取决于若干因素。因为电容器208将不得不在短得多的时间量(T_off)内替换(再充电)与其在PWM信号112为高的时段(T_on)期间放电的相同电荷量，所以电容器208将接收与平均LED电流相比具有非常高峰值电流的再充电脉冲。例如，如果频率非常高和/或占空比非常高(即，少量的关断时间段)，则电容器208的再充电可能不足并且负轨生成器102可能无法恰当地运作。

所需关断时间量上的限制(即占空比可以有多高)可能取决于再充电电流源能力和可接受电流损耗。即，占空比越高，峰值再充电电流要求便越高。例如，使用高占空比，如果通过LED 108的峰值电流为约1mA，则用于电容器208的再充电电流可为约10mA或更高。进出电容器208的电荷应该通过PWM信号112的持续存在的循环来重新平衡。即，电容器208可以在关断时间段(当PWM信号112为低时)期间充分地再充电以替换在导通时间段(当PWM信号112为高时)期间的放电。相应地，给定PWM信号112的占空比，再充电电流源116可足够快地提供足够的电荷以在关断时间内替换电容器208中的电荷。随着电容器208上的电压摆动增加，再充电电流电平可以增加。附加地，再充电电流电平可由再充电电阻器214(即，再充电电流源116的阻抗)限制。

通过使用激活LED 108的相同PWM信号112，负电压轨114可以仅在需要时(即，当LED 108被激活时)被临时地生成。本发明构思可以仅使用最少数目的简单、小、廉价、现成的、容易获得的组件来生成负电压轨114，以将跨LED 108的电压差增加多达源电压电平的近两倍。本发明构思可以增加LED驱动器净空，而不会向设备100添加任何附加高频噪声，诸如在100kHz至2MHz处操作的SMPS或在10kHz至200kHz处操作的4开关电荷泵。与本发明构思相一致的负轨生成器102可以在低频率处操作，例如，与LED 108相同的频率，其可例如为约100Hz到200Hz。

相应地，本发明构思可利用电容器208、二极管钳位器210和复位晶体管212——放置在地(或恒流源110的返回)通常所在的位置——以每当PWM信号112驱动LED 108时在负电压轨114处自生成临时的、按需负电压。这增加了跨LED路径的偏压并驱动LED 108，即使是在以地为参考的正电压轨106处的电压电平通常不足以正向偏压LED 108的情况下。

在一个示例实现中，设备100可以包括提供1.8V源电压的电压源104、需要2.0V正向电压来导通的LED 108、具有600mV基极-发射极电压(V_BE)的感测晶体管204、以及具有50mV集电极-发射极电压(V_CE)的限制晶体管202。PWM信号112可以是来自控制LED 108并且还提供“时钟”信号以创建负电压轨114的MCU的1.8V GPIO信号。1.8V GPIO信号可以从1.8V电压源104生成。常规地，将需要至少2.65V(2.0V+600mV+50mV)的电压源来以目标电流驱动恒流源110并因而激活LED 108。然而，利用使用负轨生成器102的本发明构思，具有2.0V_f的LED 108可以使用仅提供1.8V的电压源104通过临时地生成将跨LED路径的电压差增加至2.65V以上的负电压轨114来被正向偏压。因此，在设备100依靠电池系统运行的情况下，本发明构思可以延长设备100的运行时间，因为与常规设备相比，电池系统可能更加耗尽并且仍正向偏压LED 108。

可能存在跨复位晶体管212的电压降。当使用BJT作为复位晶体管212时，电压降可以是集电极-发射极电压(V_CE)，它可以与电流相关。相应地，电压降可能很高(例如，约100mV到200mV)，因为在高占空比处，再充电电流峰值可能比平均LED电流高得多(例如，高出10倍以上)。因此，在该示例中，假设高占空比和高效率复位方法(以下参考图3解释)，负轨生成器102的最大负电压可能为约-1.3V(1.8V–300mV–200mV)。跨复位晶体管212的电压降可以通过改为使用MOSFET来降低，使得漏极-源极导通电阻(R_DS(on))乘以电流可以是非常低的电压降。

在负电压轨114(阴极侧)上-1.3V和正电压轨106(阳极侧)上1.8V的情况下，LED路径的偏压可以高达例如3.1V(1.8V+1.3V)而不是在没有负电压轨114的情况下的仅1.8V。相应地，在该示例中，电容器208可以放电并且负电压轨114可以在所需净空丢失并且通过LED108的电流下降到低于恒流源110的设定点(例如，1.0mA)之前衰减多达450mV(3.1V-2.65V)。

等式3可被重新排列以求解任何其他变量。例如，设计方可能想要求解等式3中的最小值C以选择电容器208的大小。

PWM信号112的频率F_s通常可以在从100Hz到1kHz的范围内。PWM信号112的占空比D可以在0％与100％之间的范围内，不包括100％。电容C的范围通常可以为1μF至20μF，其通常以0201或0402封装尺寸的多层陶瓷电容器(MLCC)形式可用。例如，电流I可以是1.2mA(LED电流的1.0mA加上来自感测晶体管204的发射极电流的0.2mA)，占空比D可以是90％，频率F_s可以是200Hz，而电压变化dv可以是450mV。在该示例中，电容C可以使用等式4被计算为12μF。因此，支持该示例设备100所需的电容器208可以是至少12μF，但是随着降低额定值，可推荐具有甚至更大电容的电容器。

等式4解说了如果电流I降低、占空比D降低、频率F_s增加、和/或可接受的电压变化dv增加，则可使用具有较小电容的电容器。另一方面，较慢的频率和较高的占空比可能需要较大的电容器。例如，如果设计方希望增加占空比，或许是为了使LED 108的光输出强度明亮，则可以增加电容器208的大小，例如从10μF增加到20μF。但是这种变化可能会增加功率损耗并增加电容器208的均方根(RMS)电流。恰适地确定电容器208的大小对于保持功率损耗、成本和峰值电流电平平衡可能很重要。

使用较大的电容器可能会降低峰值电流，因为峰值电压摆动将被降低。然而，较大电容器的成本、大小和/或可用性可能会限制设计方为电容器208选择实用的电容。例如，如果电压摆动为500mV且电容为10μF，则需要替换的电荷量可能为5微库仑(μC)(500mV×10μF)。此外，跟随此示例，如果频率为200Hz(即，T_period＝5ms)且占空比为98％，则在关断时间段期间替换的平均电流可能为50mA(5μC/{(1-98％)×5ms})。该值非常高——是1mA的LED电流的50倍。即使再充电电流源116可以提供如此高的再充电电流，功率损耗也可能是显著的，因为占空比增加并且关断时间段缩短。通过再充电路径的功率损耗可能会急剧增加，因为峰值电流将增加并且功率损耗(P＝I²×R)将以电流的平方增加。如果再充电电流源116无法在再充电时间窗口内提供所需再充电电流，则负轨生成器102可能在数个循环之后失效。

图3示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器102的示例配置的设备100的示例电路图。在该替换示例配置中，再充电电流源116可以包括再充电晶体管302。

如上文参考图2所解释的，再充电电阻器214(图2中所示)应具有足够低的电阻以在PWM信号112为低时的关断时间段内快速地对电容器208再充电。然而，当PWM信号112为高时，再充电电阻器214的低电阻可允许通过再充电路径从正电压轨106到地的显著功率损耗。可通过在PWM信号112为高时在关断时间段期间接通再充电路径来阻止这种功率损耗。这可以使用由相同的PWM信号112或PWM信号112的倒转版本控制的一个或多个晶体管(例如，BJT或MOSFET)来实现。

在一个示例配置中，再充电晶体管302可以是由驱动LED 108的相同PWM信号112控制的PNP型BJT(如图3所示)。在替换示例配置中，再充电晶体管302可以是由倒转PWM信号304(图3所示)控制的NPN型BJT，该倒转PWM信号304可以通过使用逆变器电路(图3中未示出)对驱动LED 108的PWM信号112进行倒转来生成。控制PNP型晶体管的PWM信号112或控制NPN型晶体管的倒转PWM信号304可由MCU(例如，为LED 108提供PWM信号112的相同MCU)提供。

利用任一配置，当复位晶体管212导通且LED 108正发光时，再充电晶体管302可能不导通，由此使再充电路径断开连接并阻止对地的功率损耗。相反，当复位晶体管212关断并且LED 108关断时，再充电晶体管302可以导通以便对电容器208再充电。PWM信号112(或倒转PWM信号304)可具有足够高的幅度来导通和关断再充电晶体管302。在一些实现中，可添加电平移位器晶体管以增加控制再充电晶体管302的PWM信号112(或倒转PWM信号304)的幅度。

与本发明构思相一致的再充电晶体管302可显著地降低设备100在LED 108导通时的功率消耗。并且，再充电晶体管302能够在LED 108关断时对电容器208再充电，使得在下一循环，负电压轨114可被生成以增加LED 108导通时的净空。与使用图2所示的再充电电阻器214相比，使用图3所示的再充电晶体管302可以大幅度地提高设备100的功率效率。

图4-9示出了与本发明构思的一些实现相一致的包括负轨生成器102的设备100的示例电特性曲线图。图表轴上的电压、电流和时间值仅仅作为示例提供。与本发明构思相一致的其他值也是可能的。而且，为了说明和解释本发明构思，图表中的曲线已被简化(即，它们是模拟波形)。曲线可能不精确地表示在本发明构思的实际实现中可观察到的现实生活测量曲线。这些曲线的许多变体是可能的，尤其是在本发明构思的不同实现中。例如，图4-9具有指示时间的共用x轴。尽管为了说明和简单起见，已将示例曲线绘制为在时间方面彼此完美地同步，但本发明构思的现实生活实现可能会在曲线中展现出相对于彼此的时间延迟(例如，上升时段)。

图4示出了可由电压源104在正电压轨106处(即，在LED 108的阳极侧)提供的示例电压电平的曲线图。图5示出了跨LED 108的示例电压差电平(即，跨LED 108的电压降)的曲线图。图6示出了复位晶体管212的集电极侧(即，电容器208的引脚1侧216)的示例电压电平的曲线图。图7示出了负电压轨114处的示例电压电平的曲线图。图8示出了PWM信号112的示例电压电平的曲线图。图9示出了流过LED 108的示例电流电平的曲线图。

图4-9可以涉及设备100的示例，设备100可以包括向正电压轨106提供恒定1.8V(如图4所示)的电压源104、提供1mA的恒定电流的恒流源110、具有10μF电容的电容器208、和具有2.0V正向电压的LED 108(例如，红色LED)。常规地，电压源104可能无法在无需利用较高的电压源替换电压源104或添加来自SMPS的负电压源的情况下正向偏压偏压LED 108以使其导通。但是，与本发明构思相一致地，设备100可以使用具有1.8V幅度、200Hz频率和80％占空比的PWM信号112(如图8所示)来生成负电压轨114和足够的净空来正向偏压LED108以例如按电流设置目标以恒定1mA导通。

在该示例中，图8所示的PWM信号112每5ms地循环，其在1.8V处为高电平达4ms，并且其在0V处为低电平达1ms。当PWM信号112在0ms(或在5ms、10ms等)从0V变高到1.8V时，复位晶体管212可以导通，由此将其集电极侧的电压电平拉至地(0V)，如图6所示。这可导致负电压轨114充电到约-1.5V，如图7所示。相应地，跨LED路径创建约3.3V(1.8V+1.5V)的电压差，这对于点亮LED 108绰绰有余，因为3.3V大于跨LED 108的2.0V压降加上感测电阻器206的600mV压降加上跨复位晶体管212的小压降。

随着时间从0ms流逝到4ms而PWM信号112保持高电平(即，导通时间段)，电容器208可放电，并且负电压轨114处的电压电平可从0ms处的约-1.5V衰减(即，变得不那么负)到4ms处的约-1.0V，如图7所示。即使在4ms处，电压差也为约2.8V(1.8V+1.0V)，这仍然足够大以保持LED 108点亮，因为2.8V大于跨LED 108、感测电阻器206和复位晶体管212的电压降的总和。因此，在该示例中，负电压轨114没有衰减得如此之多以至于LED 108在整个导通时间段内没有以目标电流设置保持点亮。

在4ms处，PWM信号112可能变低(即，从1.8V下降到0V)，并且PWM信号112从4ms直至5ms保持低电平达1ms，如图8所示。在该关断时间段期间，恒流源110可停止驱动LED 108，使得跨LED 108的电压降小于2.0V(如图5所示)，由此关断LED 108。此外，复位晶体管212可以关断，而再充电晶体管302导通，由此升高复位晶体管212的集电极侧的电压电平，如图6所示。这可导致负电压轨114实际上消失(即，电压不再是负的)，如图7所示，同时电容器208针对下一循环充电。并且在5ms处，当PWM信号112再次变高(即，下一循环的开始)时，所描述的过程可再次开始。

图10示出了解说可实现本发明构思的一些的负轨生成方法1000的流程图。负轨生成方法1000可例如使用上面描述的各种实现中的任一种或与本发明构思相一致但以上未明确描述的其他实现来执行。

在动作1002中，可使用PWM信号来控制LED。例如，在一些实现中，PWM信号可以激活和停用在LED的阴极侧(低侧)具有恒流源的LED驱动器或开关。LED的阳极侧(高侧)可连接到具有由电源提供的正电压的正电压轨。

在动作1004中，控制LED的相同PWM信号也可以打开和关闭可被定位在恒流源与地之间的负电压生成器。相应地，通过利用相同PWM信号，LED和负电压生成器可以彼此同步地被激活和停用(即，两者在相同时间段均被开启或均被关闭)。当负电压生成器被激活时，其可在LED的低侧临时地创建负电压轨，由此将跨LED和传导路径中的电路系统的电压差增加到大于由电源提供的对地的参考正电压。

在一些实现中，负电压生成器可包括由PWM信号激活和停用的复位晶体管。复位晶体管可以是n型BJT，其发射极连接到地并且其集电极连接到电容器或处于相同功能配置的NMOS晶体管。电容器的另一侧可连接到恒流源，并且也可连接到连接至地的二极管钳位器。

当PWM信号变高时，电容器可将LED阴极侧的电压摆动到负电压电平以临时地创建负电压轨，由此创建用于导通LED的足够净空。随着电容器放电，负电压轨可能衰减。当PWM信号变低时，负电压轨基本上消失且LED传导路径被接通，并且电容器可经由再充电电流源再充电。在一个实现中，再充电电流源可以包括在从正电压轨到电容器低侧的再充电路径中的电阻器。

替换地，再充电电流源可包括再充电晶体管或开关，其在LED导通的情况下关断以防止通过再充电路径到地的功率损耗。使用该替换实现，在动作1006中，可使用相同PWM信号来控制再充电电流源，或者可使用PWM信号的电平移位或倒转版本。即，PWM信号可在PWM信号关断LED的情况下导通再充电晶体管(例如，PNP型)以对电容器充电，并且PWM信号可在PWM信号导通LED的情况下关断再充电晶体管以防止功率损耗。

在上文中描述了各个示例。尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求书的示例形式而呈现的，并且由本领域技术人员认可的其他特征和动作旨在落在权利要求书的范围之内。

Claims

1.一种包括负轨生成器的设备，包括：

用于提供电源电压电平的正电压轨；

电耦合到所述正电压轨的发光二极管LED；以及

电耦合到所述LED的所述负轨生成器，所述负轨生成器包括：

电耦合到所述LED的电容器；

电耦合到所述LED和所述电容器的二极管钳位器；以及

电耦合到所述电容器和地的复位晶体管，

所述负轨生成器被配置成当所述复位晶体管被导通时创建跨所述LED的大于所述电源电压电平的电压差；

所述设备进一步包括电耦合到所述正电压轨和所述电容器的再充电电流源。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述负轨生成器被配置成当所述复位晶体管被导通时在所述LED的阴极侧创建负电压轨。

3.如权利要求1所述的设备，其中，当所述复位晶体管导通时，所述LED具有大于以地为参考的所述电源电压电平且小于跨所述LED的电压差的正向电压。

4.如权利要求1所述的设备，进一步包括：

在所述LED与所述负轨生成器之间的恒流源，

其中去往所述恒流源的脉冲宽度调制PWM信号启用和禁用所述LED。

5.如权利要求4所述的设备，其中，启用和禁用所述LED的所述PWM信号也导通和关断所述复位晶体管。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述再充电电流源包括电阻器。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述再充电电流源包括电耦合到所述正电压轨和所述电容器的再充电晶体管。

8.如权利要求7所述的设备，其中，当所述复位晶体管关断时PWM信号导通所述再充电晶体管，而当所述复位晶体管导通时所述PWM信号关断所述再充电晶体管。

9.一种负轨生成器的电路，包括：

具有第一引脚和第二引脚的电容器，所述电容器的第二引脚电耦合到负载的低侧，所述负载具有电耦合到用于提供正电压的正轨的高

侧；

具有第一引脚和第二引脚的钳位器，所述钳位器的第一引脚电耦合到

地，所述钳位器的第二引脚电耦合到所述电容器的第二引脚；

具有第一引脚和第二引脚的开关，所述开关的第一引脚电耦合到地，所述开关的第二引脚电耦合到所述电容器的第一引脚，所述开关在被闭合时在所述负载的低侧创建具有负电压的负轨；以及

电耦合到所述正轨和所述电容器的第一引脚的再充电电流源。

10.如权利要求9所述的电路，其中，当所述开关被闭合时，跨所述负载的电压差大于以地为参考的所述正轨的正电压。

11.如权利要求9所述的电路，其中，所述再充电电流源包括电耦合到所述正轨和所述电容器的第一引脚的晶体管。

12.如权利要求9所述的电路，其中，当所述开关被断开时所述再充电电流源是活跃的，而当所述开关被闭合时所述再充电电流源是不活跃的。

13.如权利要求9所述的电路，其中，所述再充电电流源由闭合和断开所述开关的PWM信号来激活。

14.如权利要求9所述的电路，其中，所述开关由还启用和禁用所述负载的PWM信号来闭合和断开。

15.如权利要求9所述的电路，其中，所述负载包括LED。

16.如权利要求9所述的电路，其中，所述钳位器包括二极管钳位器。

17.一种负轨生成方法，包括：

使用PWM信号控制LED，所述LED的阳极侧电耦合到具有正电压的正轨；

使用所述PWM信号来导通和关断负轨生成器，所述负轨生成器电耦合到地和所述LED的阴极侧；以及

使用所述PWM信号来控制电耦合到所述正轨和所述负轨生成器的再充电电流源，

所述负轨生成器在被所述PWM信号导通时在所述LED的阴极侧创建负轨，并创建跨所述LED的大于所述正轨的正电压的电压差。