CN117116220B - 一种mini LED扫描式背光驱动芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种mini LED扫描式背光驱动芯片，包括NMOS功率管、功率管驱动单元U23、行扫消隐单元U22、行扫管理模块、恒流驱动单元、列消隐单元U21、调光单元、存储单元、锁存和寄存单元、移位寄存单元、时钟单元、指令解码模块和电源管理模块。本发明在背光驱动芯片中集成了行扫描消隐和列消隐功能使得mini LED背光驱动系统显示效果更优，显示图像更清晰，采用扫描式结构大幅减少了驱动芯片数量，集成了行扫描功率管减少了系统的器件数和降低电路板布线复杂度，简化了系统设计，降低了系统成本。

Description

一种mini LED扫描式背光驱动芯片

技术领域

本发明涉及LED驱动集成电路技术领域，具体地讲，是涉及一种mini LED扫描式背光驱动芯片。

背景技术

矩阵式mini LED（次毫米发光二极管）背光应用于液晶电视背光，大幅提升液晶显示的对比度，降低液晶显示的功耗。目前为了保证显示效果大多mini LED背光驱动采用静态显示方式，没有行扫描结构，所有LED的阳极接到电源端。但随着矩阵式mini LED背光的分区增加，静态显示的背光驱动方式需要大量的驱动芯片。扫描式驱动电路可以成倍的减少驱动芯片。而随着调光驱动技术的改进，扫描式驱动电路的显示效果也可以达到静态显示的显示效果。

如图1所示为现有技术的mini LED扫描式背光驱动芯片与系统。电源电压VIN接到多个功率管P1、P2至Pm的源端，然后功率管的漏端输出到各个行扫描W1、W2至Wm端，行扫描W1、W2至Wm端分别接到各个灯串的阳极给mini LED灯串供电。驱动芯片接收串行输入数据SDI、数据时钟DCLK、片选信号CS、垂直同步信号VSYNC和电源VDD。输出功率管驱动信号SW1-SWm，输出LED灯串恒流驱动信号OUT1-OUTn，还输出串行数据信号SDO。由于功率管P1-Pm接到电源端，所以大多采用P型场效应管PMOS类型，而同等导通阻抗下P型场效应管（PMOS，Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor，P型金属氧化物半导体）比N型场效应管（NMOS，Negativechannel-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体）面积大2.5倍以上，所以如果采用PMOS类型则大多采用分立器件方式，集成芯片会引起成本大幅增加。

由于液晶LED背光需要高亮度，大多采用LED串联的方式来提高亮度。为使LED灯串可以正常点亮，这样需要提高LED电源电压。目前超过5V的CMOS（互补金属氧化物半导体）制造工艺大多采用BCD（双极工艺Bipolar、CMOS工艺和双扩散金属氧化物半导体DMOS工艺组合）。这种工艺的N型DMOS管得到优化和改善，同等导通阻抗下P型场效应管比N型场效应管面积大3倍以上。现有技术功率管大多是采用分立器件的方式，如专利文献202110311612.2和202110306253.1所示。采用分立器件方式驱动芯片无法控制行扫描线W0-Wm端，所以无法实现行扫描消隐功能。部分将功率管P1-Pm集成到驱动芯片内，如专利文献202110313357.5所示，但是由于驱动电路没做对应的调整，所以仍然采用PMOS功率管。可以知道现有技术中采用功率管分立器件方案会使系统器件增多，走线复杂，而且缺少行扫描消隐功能。采用PMOS功率管集成方案会使驱动芯片面积极大，大幅增加驱动芯片成本。

发明内容

针对上述现有技术存在的分立器件多、引线多、缺少行扫描消隐功能等缺点，本发明提供一种mini LED扫描式背光驱动芯片，采用驱动芯片集成NMOS功率管的方案，驱动芯片面积的增加幅度大幅减少且可接受，增加行扫描消隐功能，减少分立器件数量，大幅简化了系统，简化系统走线。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种mini LED扫描式背光驱动芯片，包括NMOS功率管、功率管驱动单元U23、行扫消隐单元U22、行扫管理模块、恒流驱动单元、列消隐单元U21、调光单元、存储单元、锁存和寄存单元、移位寄存单元、时钟单元、指令解码模块、电源管理模块，电源输入端VIN和地端GND，用于双线数据传输的输入端SDI、DCLK和输出端SDO、DCLKO，以及用于连接mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端W1-Wm和n个恒流输出端OUT1-OUTn，其中，

所述输入端SDI、DCLK用于接收控制器下发的数据和指令，并通过缓冲器U5对输入的SDI信号进行缓冲，通过缓冲器U6对输入的DCLK信号进行缓冲，所述输出端SDO、DCLKO用于将控制器下发的数据和指令转发给下级驱动芯片；

所述移位寄存单元用于在DCLK信号作用下将SDI信号串行位移并寄存，其位移输出通过缓冲器U7输出到输出端SDO；

所述指令解码模块用于接收缓冲的SDI信号和DCLK信号，解码出对应的指令并输出至锁存和寄存单元、行扫管理模块；

所述时钟单元用于接收缓冲的DCLK信号，产生内部时钟信号并输出给存储单元、调光单元和行扫管理模块；

所述锁存和寄存单元用于接收移位寄存单元的寄存数据并存入存储单元；

所述存储单元用于将各个驱动端口的显示数据输出给调光单元；

所述调光单元用于根据显示数据输出到恒流驱动单元设定脉冲幅度，同时输出设定占空比的脉冲宽度调制波形到恒流驱动单元；

所述恒流驱动单元用于输出设定脉冲幅度的脉冲宽度调制波形到各个恒流输出端OUT1-OUTn，以驱动mini LED灯串阵列显示各种灰度；

所述列消隐单元U21用于接收参考电压Vrd，同时在恒流输出端关闭时输出下拉电流将恒流输出端电压在关闭后下拉至设定电平值；

所述行扫管理模块用于接收指令解码模块输出的指令、时钟单元输出的内部时钟信号和调光单元输出的脉冲宽度调制波形，并输出行扫描驱动信号给功率管驱动单元U23和行扫消隐单元U22；

所述功率管驱动单元U23用于接收行扫管理模块的行扫描驱动信号并输出开关信号给NMOS功率管；

所述NMOS功率管配置为m个，其漏极与mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端一一对应连接，其源极统一接到地，其栅极接收功率管驱动单元U23的开关信号按顺序开关，实现行扫描功能；

所述行扫消隐单元U22用于接收行扫管理模块的行扫描驱动信号和参考电压Vru在当前行扫描电源输出端关闭时产生一上拉电流对当前行扫描电源输出端进行充电至设定参考电压；

所述电源管理模块用于接收电源输入端VIN的输入电压并输出内部电源电压VDD和VCC。

具体地，所述DCLK信号经过缓冲器U6缓冲后再通过缓冲器U8输出到输出端DCLKO。

具体地，所述恒流驱动单元包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的恒流驱动组，恒流驱动组包括运算放大器OPn、参考电流源Icn0、参考电流源In1、稳压二极管Dzn和PMOS管PHn1，其中参考电流源Icn0连接于供电VIN和运算放大器OPn的正输入端之间，参考电流源In1连接于运算放大器OPn的负电源端和地之间，稳压二极管Dzn连接于供电VIN和运算放大器OPn的负电源端之间，运算放大器OPn的负输入端接入参考电压Vr，PMOS管PHn1的栅极接运算放大器OPn的输出端，源极接运算放大器OPn的正输入端，漏极接恒流输出端OUTn和列消隐单元U21。

具体地，所述列消隐单元U21包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的列消隐组，列消隐组包括源极对应连接恒流输出端OUTn的PMOS功率管PHn2，漏极与PMOS功率管PHn2的漏接连接的NMOS功率管NHn2，以及连接于NMOS功率管NHn2的源极和地之间的参考电流源In2，其中PMOS功率管PHn2的栅极接收参考电压Vrd，NMOS功率管NHn2的栅极接收列关闭脉冲信号。

具体地，所述功率管驱动单元U23包括m组分别串接的反相器Xm1和反相器Xm2，其中反相器Xm1和反相器Xm2的电源端分别接内部电源电压VDD和接地，反相器Xm1的输入端接收相应的行扫描驱动信号，反相器Xm2的输出端输出开关信号给对应的NMOS功率管Nm。

具体地，所述行扫消隐单元U22包括m组与行扫描电源输出端W1-Wm一一对应的行扫消隐组，行扫消隐组包括源极对应连接行扫描电源输出端Wm的NMOS功率管NHm1，连接于NMOS功率管NHm1的漏极上的开关Sm，以及连接于供电VIN和开关Sm之间的参考电流源Im3，其中NMOS功率管NHm的栅极接收参考电压Vru。

现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在mini LED背光驱动芯片中集成了NMOS功率管、行扫消隐单元和列消隐单元，通过集成行扫描消隐和列消隐功能使得mini LED背光驱动系统显示效果更优，显示图像更清晰，通过扫描式结构设计大幅减少了驱动芯片数量，通过集成行扫描功率管减少了系统的器件数和降低电路板布线复杂度，从而达到了提升mini LED背光显示效果的同时还大幅降低系统成本，简化系统设计的目的。

附图说明

图1为现有技术中mini LED扫描式背光驱动芯片的电路结构示意图。

图2为本发明实施例的电路结构示意图。

图3为本发明实施例中功率管驱动单元和行扫消隐单元的电路结构示意图。

图4为本发明实施例中恒流驱动单元和列消隐单元的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图2至图4所示，该mini LED扫描式背光驱动芯片，包括NMOS功率管、功率管驱动单元U23、行扫消隐单元U22、行扫管理模块、恒流驱动单元、列消隐单元U21、调光单元、存储单元、锁存和寄存单元、移位寄存单元、时钟单元、指令解码模块、电源管理模块，电源输入端VIN和地端GND，用于双线数据传输的输入端SDI、DCLK和输出端SDO、DCLKO，以及用于连接mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端W1-Wm和n个恒流输出端OUT1-OUTn。其中，miniLED灯串阵列m×n，LED的阳极接到恒流输出端，LED的阴极接到行扫描电源输出端，对应NMOS功率管的漏极。

所述NMOS功率管配置为m个，NMOS功率管N1-Nm，其漏极与mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端一一对应连接，其源极统一接到地，其栅极接收功率管驱动单元U23的开关信号按顺序开关，实现行扫描功能。

该驱动芯片双线数据传输的输入端SDI、DCLK接收控制器下发的数据和指令，同时通过输出端SDO、DCLKO转发给下级驱动芯片。缓冲器U5连接输入端SDI，对输入的SDI信号进行缓冲，缓冲器U6连接输入端DCLK，对输入的DCLK信号进行缓冲，其中SDI信号为串行数据，DCLK信号为时钟信号；然后缓冲器U5和缓冲器U6连接到移位寄存单元、指令解码模块和时钟单元。串行数据输入SDI信号在时钟输入DCLK信号作用下将数据串行移位进移位寄存单元，同时移位输出通过缓冲器U7输出到输出端SDO。DCLK信号经过缓冲器U6缓冲后再通过缓冲器U8输出到输出端DCLKO，DCLKO信号只是DCLK信号的缓冲输出。指令解码模块接收缓冲后的SDI信号和DCLK信号，解码出对应的指令并输出至锁存和寄存单元、行扫管理模块等。时钟单元接收缓冲后的DCLK信号，产生内部时钟信号并输出给存储单元、调光单元和行扫管理模块。移位寄存单元将寄存的数据送进锁存和寄存单元，然后存到存储单元。存储单元将各个恒流输出端的显示数据输出给调光单元，调光单元根据显示数据输出到恒流驱动单元设定脉冲幅度，同时输出设定占空比的脉冲宽度调制波形到恒流驱动单元。恒流驱动单元输出设定脉冲幅度的脉冲宽度调制波形到各个恒流输出端OUT1-OUTn，以驱动mini LED灯串阵列显示各种灰度。

列消隐单元U21接收参考电压Vrd，同时在恒流输出端关闭时输出下拉电流将恒流输出端电压在关闭后下拉至设定电平值，防止驱动端口的残余电荷将LED灯串点亮，产生鬼影现象。

行扫管理模块接收指令解码模块输出的指令、时钟单元输出的内部时钟信号和调光单元输出的脉冲宽度调制波形，并输出行扫描驱动信号给功率管驱动单元U23和行扫消隐单元U22；功率管驱动单元U23接收行扫管理模块的行扫描驱动信号并输出开关信号给NMOS功率管N1-Nm，使NMOS功率管N1-Nm按顺序开关，从而将行扫描电源输出端W1-Wm按顺序拉低到地，实现行扫描功能。

行扫消隐单元U22接收行扫管理模块输出的行扫描驱动信号和参考电压Vru在当前行扫描电源输出端关闭时产生一上拉电流对当前行扫描电源输出端进行充电至设定参考电压，防止其打开灯串供电产生微亮的鬼影现象。

电源管理模块接收电源输入端VIN的输入电压并输出内部电源电压VDD和VCC等。

具体地，本实施例对行扫消隐单元和列消隐单元进行了具体的电路设计。

如图3所示的功率管驱动单元和行扫消隐单元的电路中，所述功率管驱动单元U23包括m组分别串接的反相器Xm1和反相器Xm2，与m个行扫描电源输出端W1-Wm一一对应。其中反相器Xm1和反相器Xm2的正负电源端分别接内部电源电压VDD和接地，反相器Xm1的输入端接收相应的行扫描驱动信号，反相器Xm2的输出端输出开关信号给对应的NMOS功率管Nm。所述行扫消隐单元U22包括m组与行扫描电源输出端W1-Wm一一对应的行扫消隐组，行扫消隐组包括源极对应连接行扫描电源输出端Wm的NMOS功率管NHm1，连接于NMOS功率管NHm1的漏极上的开关Sm，以及连接于供电VIN和开关Sm之间的参考电流源Im3，其中NMOS功率管NHm的栅极接收参考电压Vru。

行扫描驱动信号输入到反相器Xm1和反相器Xm2进行信号缓冲，然后输出到用于行扫描的NMOS功率管Nm的栅极，NMOS功率管Nm的源极接到地端GND，漏极输出到行扫描线Wm。当前行扫描驱动信号的高低电平通过功率管驱动单元控制NMOS功率管Nm的开和关，当前行扫描驱动信号为高电平时NMOS功率管Nm打开，行扫描线Wm拉到地，允许对应行的LED灯串流过电流点亮。

当前行扫描驱动信号为低电平时NMOS功率管Nm关闭，这时开关Sm闭合，参考电流Im3通过NMOS功率管NHm1流到行扫描线Wm上，给行扫描线充电，当行扫描电源输出端Wm上的电压升高到Vru-Vthnh22电平时NMOS功率管NHm1关闭，避免Wm行的LED灯串被残余电荷点亮产生鬼影，其中Vthnh22为NMOS功率管NHm1的开启阈值。

如图4所示的部分恒流驱动单元和列消隐单元的电路中，所述恒流驱动单元包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的恒流驱动组，恒流驱动组包括运算放大器OPn、参考电流源Icn0、参考电流源In1、稳压二极管Dzn和PMOS管PHn1，其中参考电流源Icn0连接于供电VIN和运算放大器OPn的正输入端之间，参考电流源In1连接于运算放大器OPn的负电源端和地之间，稳压二极管Dzn连接于供电VIN和运算放大器OPn的负电源端之间，运算放大器OPn的负输入端接入参考电压Vr，PMOS管PHn1的栅极接运算放大器OPn的输出端，源极接运算放大器OPn的正输入端，漏极接恒流输出端OUTn和列消隐单元U21，运算放大器OPn的正电源端接供电VIN，控制端接入PWM信号。所述列消隐单元U21包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的列消隐组，列消隐组包括源极对应连接恒流输出端OUTn的PMOS功率管PHn2，漏极与PMOS功率管PHn2的漏接连接的NMOS功率管NHn2，以及连接于NMOS功率管NHn2的源极和地之间的参考电流源In2，其中PMOS功率管PHn2的栅极接收参考电压Vrd，NMOS功率管NHn2的栅极接收列关闭脉冲信号。

该恒流驱动单元采用电源端产生LED的恒流驱动的方式驱动LED。稳压二极管Dzn和参考电流源In1产生一个相对电源电压压差为Vdz的电源，其中Vdz是稳压二极管的压降，Vs节点电压为VIN-Vdz。运算放大器OPn的正负电源端分别接在VIN和Vs上。为保证输出精确的参考电流，需要在PMOS管PHn1打开时保证B21节点电压等于参考电压Vr。脉冲宽度调制信号PWM输入运算放大器OPn控制其工作和关闭，当其关闭时输出VIN电平来关闭PMOS管PHn1，当其打开时控制PMOS管PHn1的栅极电压使B21节点电压等于参考电压Vr，此时恒流输出端OUTn输出参考电流源Icn0幅度的恒流值，恒流输出端OUTn电流脉冲的占空比等于PWM输入的占空比。

当PMOS管PHn1关闭后，列关闭脉冲信号有效，打开NMOS功率管NHn2，这时由于恒流输出端OUTn电压比参考电压Vrd高较多，PMOS功率管PHn2导通，参考电流In2通过NMOS功率管NHn2和PMOS功率管PHn2流到驱动端口OUTn上，将OUTn电压拉低。当恒流输出端OUTn电压达到Vrd+Vthph23时，PMOS功率管PHn2关闭，恒流输出端OUTn电压停止下拉，达到设定电平，防止LED灯串意外点亮产生鬼影现象，其中Vthph23为PMOS功率管PHn2的开启阈值。

通过上述行扫消隐和列消隐功能可以使mini LED背光驱动系统显示效果更优，显示图像更清晰。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，包括NMOS功率管、功率管驱动单元、行扫消隐单元、行扫管理模块、恒流驱动单元、列消隐单元、调光单元、存储单元、锁存和寄存单元、移位寄存单元、时钟单元、指令解码模块、电源管理模块，电源输入端VIN和地端GND，用于双线数据传输的输入端SDI、DCLK和输出端SDO、DCLKO，以及用于连接mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端W1-Wm和n个恒流输出端OUT1-OUTn，其中，

所述输入端SDI、DCLK用于接收控制器下发的数据和指令，并通过缓冲器U5对输入的SDI信号进行缓冲，通过缓冲器U6对输入的DCLK信号进行缓冲，所述输出端SDO、DCLKO用于将控制器下发的数据和指令转发给下级驱动芯片；

所述移位寄存单元用于在DCLK信号作用下将SDI信号串行位移并寄存，其位移输出通过缓冲器U7输出到输出端SDO；

所述指令解码模块用于接收缓冲的SDI信号和DCLK信号，解码出对应的指令并输出至锁存和寄存单元、行扫管理模块；

所述时钟单元用于接收缓冲的DCLK信号，产生内部时钟信号并输出给存储单元、调光单元和行扫管理模块；

所述锁存和寄存单元用于接收移位寄存单元的寄存数据并存入存储单元；

所述存储单元用于将各个驱动端口的显示数据输出给调光单元；

所述调光单元用于根据显示数据输出到恒流驱动单元设定脉冲幅度，同时输出设定占空比的脉冲宽度调制波形到恒流驱动单元；

所述恒流驱动单元用于输出设定脉冲幅度的脉冲宽度调制波形到各个恒流输出端OUT1-OUTn，以驱动mini LED灯串阵列显示各种灰度；

所述列消隐单元用于接收参考电压Vrd，同时在恒流输出端关闭时输出下拉电流将恒流输出端电压在关闭后下拉至设定电平值；

所述行扫管理模块用于接收指令解码模块输出的指令、时钟单元输出的内部时钟信号和调光单元输出的脉冲宽度调制波形，并输出行扫描驱动信号给功率管驱动单元和行扫消隐单元；

所述功率管驱动单元用于接收行扫管理模块的行扫描驱动信号并输出开关信号给NMOS功率管；

所述NMOS功率管配置为m个，其漏极与mini LED灯串阵列的m个行扫描电源输出端一一对应连接，其源极统一接到地，其栅极接收功率管驱动单元的开关信号按顺序开关，实现行扫描功能；

所述行扫消隐单元用于接收行扫管理模块的行扫描驱动信号和参考电压Vru在当前行扫描电源输出端关闭时产生一上拉电流对当前行扫描电源输出端进行充电至设定参考电压；

所述电源管理模块用于接收电源输入端VIN的输入电压并输出内部电源电压VDD和VCC。

2.根据权利要求1所述的mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，所述DCLK信号经过缓冲器U6缓冲后再通过缓冲器U8输出到输出端DCLKO。

3.根据权利要求1所述的mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，所述恒流驱动单元包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的恒流驱动组，恒流驱动组包括运算放大器OPn、参考电流源Icn0、参考电流源In1、稳压二极管Dzn和PMOS管PHn1，其中参考电流源Icn0连接于供电VIN和运算放大器OPn的正输入端之间，参考电流源In1连接于运算放大器OPn的负电源端和地之间，稳压二极管Dzn连接于供电VIN和运算放大器OPn的负电源端之间，运算放大器OPn的负输入端接入参考电压Vr，PMOS管PHn1的栅极接运算放大器OPn的输出端，源极接运算放大器OPn的正输入端，漏极接恒流输出端OUTn和列消隐单元。

4.根据权利要求3所述的mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，所述列消隐单元包括n组与恒流输出端OUT1-OUTn一一对应的列消隐组，列消隐组包括源极对应连接恒流输出端OUTn的PMOS功率管PHn2，漏极与PMOS功率管PHn2的漏接连接的NMOS功率管NHn2，以及连接于NMOS功率管NHn2的源极和地之间的参考电流源In2，其中PMOS功率管PHn2的栅极接收参考电压Vrd，NMOS功率管NHn2的栅极接收列关闭脉冲信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，所述功率管驱动单元包括m组分别串接的反相器Xm1和反相器Xm2，其中反相器Xm1和反相器Xm2的电源端分别接内部电源电压VDD和接地，反相器Xm1的输入端接收相应的行扫描驱动信号，反相器Xm2的输出端输出开关信号给对应的NMOS功率管Nm。

6.根据权利要求5所述的mini LED扫描式背光驱动芯片，其特征在于，所述行扫消隐单元包括m组与行扫描电源输出端W1-Wm一一对应的行扫消隐组，行扫消隐组包括源极对应连接行扫描电源输出端Wm的NMOS功率管NHm1，连接于NMOS功率管NHm1的漏极上的开关Sm，以及连接于供电VIN和开关Sm之间的参考电流源Im3，其中NMOS功率管NHm的栅极接收参考电压Vru。