CN114845436B

CN114845436B - 一种复用于触摸mcu通用io口的led驱动电路

Info

Publication number: CN114845436B
Application number: CN202210776534.8A
Authority: CN
Inventors: 田欢; 程亚宇; 张弛
Original assignee: Shenzhen Betterlife Electronic Science And Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Betterlife Electronic Science And Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: CN114845436A

Abstract

本发明公开了一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，涉及触摸MCU芯片应用技术领域，解决了现有触摸MCU在驱动LED灯时，存在电流不一致，BOM成本高的的问题。本发明包括开关电路、LED灯D以及信号产生电路。LED灯D、信号产生电路均与开关电路连接，信号产生电路用于产生开关信号以控制开关电路产生恒定电流，恒定电流用于驱动所述LED灯D稳定点亮。本发明在不改变触摸MCU通用IO口的通用功能前提下，额外给LED灯提供不受应用环境影响的恒定电流，并省去外接串联电阻的驱动电路，避免了LED灯在温度和电流变化下忽亮忽暗，客户体验好，同时有效降低了成本。

Description

一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路

技术领域

本发明涉及触摸MCU芯片应用技术领域，尤其涉及一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路。

背景技术

随着使用触摸面板的小家电越来越多，市场上触摸MCU的需求量也与日俱增。因为触摸MCU的IO口也需要兼容通用MCU的IO口，所以触摸MCU的IO口并不会针对触摸面板上的显示LED模组进行优化处理，还是采用传统的推挽级PWM输出方式进行驱动。如图1 所示，pmos管pm0和nmos管nm0组成一个IO口的输出级，pm0的栅极信号pg在vdd和0之间跳变，nm0的栅极信号ng也在vdd和0之间跳变。图1中pm0和nm0交替开和关闭，LED灯d0的阳级交替接电源vdd或者地，于是d0在亮和不亮之间切换，该电路最大电流、平均电流分别如（1）、（2）所示：

Id0_max =（vdd-vf）/r0 （1）；

其中，vf为LED的正向导通压降。

Id0_avg = Id0_max×D （2）；

其中，D为IO输出高电平的占空比。

或者，采用图2所示的方式，利用两个IO口来控制一个LED灯，pm0和nm0交替打开和关闭，LED灯d0的阳级交替接电源vdd或者地，LED灯的阴极接到nm1，nm1一直打开接地，pm1一直关闭。LED灯的亮度决定于其平均电流。从公式（1）、（2）可以看出，当占空比D和外接电阻R一定时，平均电流受到电源电压vdd和正向导通压降vf变化的影响，而且vf很容易受到温度和电流变化的影响，导致亮度忽亮忽暗，客户体验效果不好。同时，如果触摸面板需要很多个LED灯的话，每个LED灯需要串联一个电阻，这样会导致方案成本上升。

因此，针对上述技术问题，在不改变IO的通用功能条件下，有必要提供一种不需要串联电阻，而且能给LED提供不受环境影响的恒定电流的驱动电路。

发明内容

本发明的目的在于提供的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，以解决现有触摸MCU在驱动LED灯时，存在电流不一致，以及现有触摸面板都需串联一个电阻带来的BOM成本高的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，包括开关电路、LED灯D以及信号产生电路；所述LED灯D、信号产生电路均与所述开关电路连接，所述信号产生电路用于产生开关信号以控制所述开关电路产生恒定电流，所述恒定电流用于驱动所述LED灯D稳定点亮；

所述开关电路包括第一PMOS管PM1、第一NMOS管NM1；所述第一PMOS管PM1的漏极与所述第一NMOS管NM1的漏极连接，所述第一PMOS管PM1的源极连接一电压vdd，所述第一NMOS管NM1的源极接地；

所述信号产生电路与所述第一PMOS管PM1的栅极连接，包括基准电压电路、负反馈电路以及数据选择器MUX；所述基准电压电路、负反馈电路、数据选择器MUX依次连接；所述数据选择器MUX的输出端与所述第一PMOS管PM1的栅极连接；所述LED灯D的阳极连接在所述第一PMOS管PM1的漏极与所述第一NMOS管NM1的漏极之间，其阴极与所述第一NMOS管NM1的源极连接并接地；

所述基准电压电路包括稳流源IDAC以及第一电阻R1；所述第一电阻R1的一端与所述稳流源IDAC连接，其另一端接地；

所述负反馈电路包括运算放大器AMP、第二PMOS管PM2以及第二电阻R2；所述运算放大器AMP的输入负极连接在所述稳流源IDAC与所述第一电阻R1之间，其输入正极连接在所述第二PMOS管PM2的漏极与所述第二电阻R2一端之间，其输出端与所述数据选择器MUX的数据输入b端、第二PMOS管PM2的栅极均连接；所述第二PMOS管PM2的源极接入所述电压vdd，所述第二电阻R2的另一端接地；

所述第一PMOS管PM1或所述第一NMOS管NM1的源漏电流I_ds为：

I_ds=m×（r1/r2）×I_dac；其中，m为宽长比为w/l的所述第一PMOS管PM1或所述第一NMOS管NM1的并联个数，w为第一PMOS管或第一NMOS管的栅宽，l为第一PMOS管或第一NMOS管的沟道长度，r1为所述第一电阻R1的电阻值，r2为所述第一电阻R2的电阻值，I_dac为所述稳流源IDAC的电流值。

优选的，所述信号产生电路的连接关系可替换为：所述信号产生电路与所述第一NMOS管NM1的栅极连接，包括基准电压电路、负反馈电路以及数据选择器MUX；所述基准电压电路、负反馈电路、数据选择器MUX依次连接；所述数据选择器MUX的输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极连接；所述LED灯D的阳极接入所述电压vdd，其阴极连接在所述第一PMOS管PM1的漏极与所述第一NMOS管NM1的漏极之间；

所述基准电压电路包括稳流源IDAC以及第一电阻R1；所述第一电阻R1的一端与所述稳流源IDAC连接，其另一端接入所述电压vdd；

所述负反馈电路包括运算放大器AMP、第二NMOS管NM2以及第二电阻R2；所述运算放大器AMP的输入负极连接在所述稳流源IDAC与所述第一电阻R1之间，其输入正极连接在所述第二NMOS管NM2的漏极与所述第二电阻R2的一端之间，其输出端与所述数据选择器MUX的数据输入b端、第二NMOS管NM2的栅极均连接；所述第二NMOS管NM2的源极接地，所述第二电阻R2的另一端接入所述电压vdd。

优选的，当触摸MCU通用IO口进行通用功能时，数据选择器MUX选择信号设置为0，数据输入a端的信号pg_normal通过所述数据选择器MUX输出至所述第一PMOS管PM1的栅极；当触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时，数据选择器MUX选择信号设置为1，数据输入a端的信号pg_icc或vdd通过所述数据选择器MUX输出至所述第一PMOS管PM1的栅极，所述第一NMOS管NM1的栅极输入信号为vdd或0。

优选的，当触摸MCU通用IO口进行通用功能时，数据选择器MUX选择信号设置为0，数据输入a端的信号ng_normal通过所述数据选择器MUX输出至所述第一NMOS管NM1的栅极；当触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时，数据选择器MUX选择信号设置为1，数据输入a端的信号ng_icc或0通过所述数据选择器MUX输出至所述第一NMOS管NM1的栅极，所述第一PMOS管PM1的栅极输入信号为vdd或0。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明通过设置信号产生电路在不改变触摸MCU通用 IO口的通用功能前提下，额外给LED灯提供不受应用环境影响的恒定电流，并省去外接串联电阻的驱动电路。这样，LED灯的正向导通压降不受温度和电流变化的影响，避免了LED灯在温度和电流变化下忽亮忽暗，客户体验好；另外，LED灯不需要再串联电阻，在LED灯较多的情况下，能够有效降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是现有技术的一种通用IO口驱动LED的电路图；

图2是现有技术的另一种通用IO口驱动LED的电路图；

图3是本发明实施例的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路（数据选择器连接在第一PMOS管）的电路图；

图4是本发明实施例的触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时第一PMOS管（数据选择器与第一PMOS管连接）以及第一NMOS管的栅极输入信号示意图；

图5是本发明实施例的另一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路（数据选择器连接与第一NMOS管连接）的电路图；

图6是本发明实施例的触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时第一NMOS管（数据选择器与第一NMOS管连接）以及第一PMOS管的栅极输入信号示意图。

1、开关电路；2、信号产生电路；21、基准电压电路；22、负反馈电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例：

如图3所示，本发明的实施例提供了一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，包括开关电路1、LED灯D以及信号产生电路2。LED灯D、信号产生电路2均与开关电路1连接，信号产生电路2用于产生开关信号以控制开关电路1产生恒定电流，恒定电流用于驱动所述LED灯D稳定点亮。本发明在不改变触摸MCU通用 IO口的通用功能前提下，额外给LED灯提供不受应用环境影响的恒定电流，并省去外接串联电阻的驱动电路。这样，LED灯的正向导通压降不受温度和电流变化的影响，避免了LED灯在温度和电流变化下忽亮忽暗，客户体验好；另外，LDE灯不需要再串联电阻，在LED灯较多的情况下，能够有效降低成本。进一步地，开关电路1包括第一PMOS管PM1、第一NMOS管NM1。第一PMOS管PM1的漏极与第一NMOS管NM1的漏极连接，第一PMOS管PM1的源极连接一电压vdd，第一NMOS管NM1的源极接地。

作为一种可选的实施方式，信号产生电路2与第一PMOS管PM1的栅极连接，包括基准电压电路21、负反馈电路22以及数据选择器MUX。具体的，基准电压电路21、负反馈电路22、数据选择器MUX依次连接；数据选择器MUX的输出端与第一PMOS管PM1的栅极连接；LED灯D的阳极连接在第一PMOS管PM1的漏极与第一NMOS管NM1的漏极之间，其阴极与第一NMOS管NM1的源极连接并接地。进一步地，基准电压电路21包括稳流源IDAC以及第一电阻R1。第一电阻R1的一端与稳流源IDAC连接，其另一端接地；负反馈电路22包括运算放大器AMP、第二PMOS管PM2以及第二电阻R2。运算放大器AMP的输入负极连接在稳流源IDAC与第一电阻R1之间，其输入正极连接在第二PMOS管PM2的漏极与第二电阻R2一端之间，其输出端与数据选择器MUX的数据输入b端、第二PMOS管PM2的栅极均连接。第二PMOS管PM2的源极接入电压vdd，第二电阻R2的另一端接地。

需说明的是，第一PMOS管PM1的栅极信号pg通过一个二选一数据选择器MUX来连接信号pg_normal（通过数据选择器MUX的输入数据a端接入），或连接负反馈电路22中运算放大器AMP的输出信号pg_icc（通过数据选择器MUX的输入数据b端接入）。上述pg_normal信号通常是触摸MCU芯片中的数字部分产生。稳流源IDAC与第一电阻R1用于产生基准电压vref，运算放大器AMP、第二PMOS管PM2以及第二电阻R2形成一个负反馈系统，保证输入运算放大器AMP的输入正极的电压vfb=vref。具体的，如第二PMOS管PM2的栅宽为w，沟道长度为l，则其宽长比等于w/l，那么，流经第二PMOS管PM2源漏电流I_{ds_pm2}为：

I_{ds_pm2}=0.5×U_p×C_ox×（w/l）×（1+λ×V_{ds_pm2}）×（V_{gs_pm2}-V_thp）²（3）；

I_{ds_pm2}=vfb/r2（4）；

其中，U_p是第二PMOS管PM2的电子迁移率，C_ox是第二PMOS管PM2的氧化层电容；λ是第二PMOS管PM2的沟道调制系数（和l成反比），V_{gs_pm2}=|pg_icc-vdd|，V_{ds_pm2}=|vfb-vdd|，V_thp是第二PMOS管PM2的阈值电压绝对值。在同一工艺条件下，U_p、C_ox都是固定值；w/l确定下来后，λ和V_thp也是固定值。

基准电压电路21、负反馈电路22产生的pg_icc信号经过数据选择器MUX连接到第一PMOS管PM1的栅极，这里设置第一PMOS管的宽长比也等于w/l，但是是m个w/l管子的并联，所以总宽长比为m*（w/l），那么流过第一PMOS管的源漏电流I_{ds_pm1}为：

I_{ds_pm1}=0.5×U_p×C_ox×（w/l）×（1+λ×V_{ds_pm1}）×（V_{gs_pm1}-V_thp）²（5）；

其中，V_{gs_pm1}=|pg_icc-vdd|，V_{ds_pm1}=|vdp-vdd|。

比较（3）、（4）、（5）式可以发现，只要开关电路1输入LED灯D的电压vdp等于vfb，就有：

I_{ds_pm1}=m×I_{ds_pm2}（6）；

然而不同颜色的LED灯D在恒定电流下的vdp值不一样，所以这里加入一个高精度、零温度系数的稳流源IDAC来调整vfb，使得在不同应用条件下，vfb一直等于vdp，于是有：

I_{ds_pm1}= m*I_{ds_pm2}= m*（vfb/r2）= m*（vref/r2）= m*（I_dac*r1/r2）（7）；

最终得到流过第一PMOS管的源漏电流I_{ds_pm1}为：

I_{ds_pm1}=m×（r1/r2）×I_dac（8）；

其中，r1为第一电阻R1的电阻值，r2为第一电阻R2的电阻值，I_dac为稳流源IDAC的电流值。由此实现了本发明的LED灯的正向导通压降不受温度和电流变化的影响。

进一步地，当信号产生电路2与第一PMOS管PM1的栅极连接时，第一PMOS管PM1的栅极、第一NMOS管NM1的栅极输入信号为如图4所示。当触摸MCU通用IO口需要通用功能时，比如PWM推挽输出、漏极开路输出或者源极开路输出等，将数据选择器MUX的选择信号设置为“0”，那么第一PMOS管PM1的栅极信号pg=pg_normal。控制好pg_normal信号和第一NMOS管NM1的栅极信号ng之间的关系，比如pg_normal=0，ng=0或者pg_normal=vdd，ng=vdd，在这两个状态不停的切换，就可以实现PWM推挽输出；再比如固定pg_nomal=vdd，在ng=0和ng=vdd两个状态之间切换，即可实现漏极开路输出等。当IO口需要驱动LED灯D时，将数据选择器MUX的选择信号设置为“1”，第一PMOS管PM1的栅极信号pg=pg_icc或者vdd，第一NMOS管NM1的栅极信号ng=vdd或者0，同时保证pg和ng之间有足够的死区时间，即可在pg=pg_icc的阶段以恒定电流驱动LED灯D。

如图5所示，作为一种可选的实施方式，信号产生电路2与第一NMOS管NM1的栅极连接，包括基准电压电路21、负反馈电路22以及数据选择器MUX。具体的，基准电压电路21、负反馈电路22、数据选择器MUX依次连接。数据选择器MUX的输出端与第一NMOS管NM1的栅极连接；LED灯D的阳极接入电压vdd，其阴极连接在第一PMOS管PM1的漏极与第一NMOS管NM1的漏极之间。进一步地，基准电压电路21包括稳流源IDAC以及第一电阻R1，其中，第一电阻R1的一端与稳流源IDAC连接，其另一端接入电压vdd；负反馈电路22包括运算放大器AMP、第二NMOS管NM2以及第二电阻R2，其中，运算放大器AMP的输入负极连接在稳流源IDAC与第一电阻R1之间，其输入正极连接在第二NMOS管NM2的漏极与第二电阻R2一端之间，其输出端与数据选择器MUX的数据输入b端、第二NMOS管NM2的栅极均连接；第二NMOS管NM2的源极接地，第二电阻R2的另一端接入电压vdd。如上文所述，参照公式（3）-（7），同样可以得出流过第一NMOS管的源漏电流I_{ds_nm1}为：

I_{ds_nm1}=m×（r1/r2）×I_dac（9）；

其中，r1为第一电阻R1的电阻值，r2为第一电阻R2的电阻值，I_dac为稳流源IDAC的电流值。由此，同样实现了本发明的LED灯的正向导通压降不受温度和电流变化的影响。

进一步地，当信号产生电路2与第一NMOS管NM1的栅极连接时，第一PMOS管PM1的栅极、第一NMOS管NM1的栅极输入信号为如图6所示。当触摸MCU通用IO口需要通用功能时，比如PWM推挽输出、漏极开路输出或者源极开路输出等，将数据选择器MUX的选择信号设置为“0”，那么第一NMOS管NM1的栅极信号ng=ng_normal。控制好ng_normal信号和第一PMOS管PM1的栅极信号pg之间的关系，比如ng_normal=0，pg=0或者pg_normal=vdd，ng=vdd，在这两个状态不停的切换，就可以实现PWM推挽输出；再比如固定pg=vdd，在ng_normal=0和ng_normal=vdd两个状态之间切换，即可实现漏极开路输出等。当IO口需要驱动LED灯D时，将数据选择器MUX的选择信号设置为“1”，第一NMOS管NM1的栅极信号ng_icc或0，第一PMOS管PM1的栅极信号pg=vdd或者0，同时保证pg和ng之间有足够的死区时间，即可在ng=ng_icc的阶段以恒定电流驱动LED灯D。

综上所述，本实施例通过设置信号产生电路在不改变触摸MCU通用 IO口的通用功能前提下，额外给LED灯提供不受应用环境影响的恒定电流，并省去外接串联电阻的驱动电路。这样，LED灯的正向导通压降不受温度和电流变化的影响，避免了LED灯在温度和电流变化下忽亮忽暗，客户体验好；另外，LDE灯不需要再串联电阻，在LED灯较多的情况下，能够有效降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，其特征在于，包括开关电路、LED灯D以及信号产生电路；

所述LED灯D、信号产生电路均与所述开关电路连接，所述信号产生电路用于产生开关信号以控制所述开关电路产生恒定电流，所述恒定电流用于驱动所述LED灯D稳定点亮；

所述第一PMOS管PM1或所述第一NMOS管NM1的源漏电流I_ds为：I_ds=m×（r1/r2）×I_dac；其中，m为宽长比为w/l的所述第一PMOS管PM1或所述第一NMOS管NM1的并联个数，w为第一PMOS管或第一NMOS管的栅宽，l为第一PMOS管或第一NMOS管的沟道长度，r1为所述第一电阻R1的电阻值，r2为所述第二电阻R2的电阻值，I_dac为所述稳流源IDAC的电流值。

2.根据权利要求1所述的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，其特征在于，所述信号产生电路的连接关系可替换为：所述信号产生电路与所述第一NMOS管NM1的栅极连接，包括基准电压电路、负反馈电路以及数据选择器MUX；

所述基准电压电路、负反馈电路、数据选择器MUX依次连接；所述数据选择器MUX的输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极连接；所述LED灯D的阳极接入所述电压vdd，其阴极连接在所述第一PMOS管PM1的漏极与所述第一NMOS管NM1的漏极之间；

所述负反馈电路包括运算放大器AMP、第二NMOS管NM2以及第二电阻R2；所述运算放大器AMP的输入负极连接在所述稳流源IDAC与所述第一电阻R1之间，其输入正极连接在所述第二NMOS管NM2的漏极与所述第二电阻R2一端之间，其输出端与所述数据选择器MUX的数据输入b端、第二NMOS管NM2的栅极均连接；所述第二NMOS管NM2的源极接地，所述第二电阻R2的另一端接入所述电压vdd。

3.根据权利要求1所述的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，其特征在于，当触摸MCU通用IO口进行通用功能时，数据选择器MUX选择信号设置为0，数据输入a端的信号pg_normal通过所述数据选择器MUX输出至所述第一PMOS管PM1的栅极；当触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时，数据选择器MUX选择信号设置为1，数据输入a端的信号pg_icc或vdd通过所述数据选择器MUX输出至所述第一PMOS管PM1的栅极，所述第一NMOS管NM1的栅极输入信号为vdd或0。

4.根据权利要求2所述的一种复用于触摸MCU通用IO口的LED驱动电路，其特征在于，当触摸MCU通用IO口进行通用功能时，数据选择器MUX选择信号设置为0，数据输入a端的信号ng_normal通过所述数据选择器MUX输出至所述第一NMOS管NM1的栅极；当触摸MCU通用IO口驱动LED灯D时，数据选择器MUX选择信号设置为1，数据输入a端的信号ng_icc或0通过所述数据选择器MUX输出至所述第一NMOS管NM1的栅极，所述第一PMOS管PM1的栅极输入信号为vdd或0。