CN1815542A - 发光二极管驱动器 - Google Patents

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Abstract

用于驱动发光二极管(LED)的LED驱动器，包括电流调节单元，用于通过从电源设备向LED提供电源和切断该电源来调节流经LED的电流的幅值。提供调制控制单元，用于通过控制电流调节单元的调节操作调制流经LED的电流波形。提供用于控制电流调节单元的调节操作的恒流偏置单元，以便在调制其波形时，流经LED的电流高于或等于预定值。这样，提供了一种具有改进功耗效率的LED驱动器。

Description

发光二极管驱动器
技术领域
根据本发明的装置涉及一种发光二极管(LED)驱动器，特别是涉及能够改善功耗效率的LED驱动器。
背景技术
LED被用做液晶显示器的背景光，其中，对红、绿和蓝三种颜色中的每一种颜色提供多个LED阵列。
用于驱动LED的传统驱动器可以被配置为图1所示的电路。在图1的驱动器1中，当开关场效应晶体管(FET)2处于导通状态时，由电源5提供的电流经过电感器3流经LED，反之，当开关FET2处于截止状态时，电流通过电感器3和二极管4流经LED。
驱动器1控制流经LED的电流(此后简称为“LED电流”)以使其具有预定的峰值(所谓的“模拟变暗(analog dimming)”)，并使用脉宽调制(PWM)信号控制LED电流的导通或截止，以使其具有预定的占空因数(所谓的“PWM变暗”)，从而调节LED6发光的亮度。
由驱动器1控制的LED电流可以具有图2所示的近似方波的形状。如果该方波的峰值近似为LED6的最大额定电流和其最小值近似为0，那么，通过平均该方波，可以获得LED电流和由该LED电流导致的LED6的平均亮度，如图3所示。这里，X轴表示LED电流，Y轴表示LED光输出。
以直线B的形式表示由形状为方波的LED电流提供的LED的平均亮度，其连接为从X-Y坐标的起点到对应于LED的最大额定电流的LED的亮度值。
但是，当其幅值近似恒定的直流(此后称做“恒流”，见图2)流经LED6时，由LED电流提供的LED6的亮度与图3所示的曲线A相同。在这种情况下，电流和亮度之间的关系是非线性的，而是呈现指数函数的关系，其中，如果LED电流大于预定幅值，则LED6的光输出被饱和。
因此，即使是在具有相同幅值的LED电流或LED平均电流中，如图3所示，在LED6的各自对应于所述恒流和方波电流的亮度(A)和平均亮度(B)之间发生差D1。例如，在方波的占空因数是50％处，在LED6的各自对应于所述恒流和方波电流的亮度(A)和平均亮度(B)之间效率的差就功率而言约为15％。
结果是，与在其控制下LED电流被形成为方波的PWM控制相似，就功耗而言，对是周期直流电流的LED电流的控制效率低于对是恒流电流的LED电流的控制。
发明内容
因此，本发明的一个方面就是提供一种具有改进功耗效率的LED驱动器。
本发明另外的方面将在下面的描述中部分地变得清楚。
在范例性实施例中，本发明的这些方面是通过提供一种驱动发光二极管(LED)的LED驱动器实现的，包括：电流调节单元，用于通过从电源设备向发光二极管提供电源和切断该电源来执行调节操作，以调节流经发光二极管的电流的幅值；调制控制单元，用于通过控制电流调节单元的调节操作调制流经发光二极管的电流的波形；和恒流偏置单元，用于控制电流调节单元的调节操作，以便在调制其波形时，流经发光二极管的电流大于或等于预定的值。
根据本发明的一个方面，电流调节单元包括：开关单元，用于输入通或断信号，由此从电源设备向发光二极管提供电源和切断该电源；调整单元，用于调整流经发光二极管的电流，以使其不会突然变化；电流检测单元，用于检测流经发光二极管的电流；和开关控制单元，用于当由电流检测单元检测的电流被确定为高于或等于第一阈值时输出断开开关单元的信号，和当由电流检测单元检测的电流被确定为低于第一阈值时输出接通开关单元的信号。
根据本发明的一个方面，所述调制控制单元输入预定的脉宽调制信号，以便将开关控制单元的输出信号提供给开关单元并切断该输出信号。
根据本发明的一个方面，当由电流检测单元检测的流经发光二极管的电流被确定为高于或等于第二阈值且来自开关控制单元的输出信号被切断时，恒流偏置单元输出断开开关单元的信号，以及当流经发光二极管的电流被确定为低于第二阈值时，恒流偏置单元输出接通开关单元的信号。
根据本发明的一个方面，所述恒流偏置单元包括：比较器，用于将与由电流检测单元检测的流经发光二极管的电流对应的电压与和第二阈值对应的电压进行比较，并且当与流经发光二极管的电流对应的电压较高时输出逻辑高信号；置位-复位触发器，用于将比较器的输出信号设置成RESET输入和将具有预定频率的脉冲信号设置成SET输入；和或门，用于接收置位-复位触发器的输出信号和调制控制单元的输出信号，并输出所接收输出信号的逻辑和给开关单元。
附图说明
通过下面结合附图对范例性实施例的描述，本发明的上述和/或其它方面将会变得更加明显，其中：
图1示出了传统LED驱动器的电路配置的电路图；
图2示意性示出了流经由图1所示LED驱动器驱动的LED的电流波形的波形图；
图3示出了根据LED光输出LED电流和预定恒流的比较；
图4的框图示意性示出了根据本发明范例性实施例的LED驱动器的配置；
图5示出了图4所示LED驱动器的范例性电路结构的电路图；
图6示意性示出了流经由图5所示LED驱动器驱动的LED的电流波形的波形图；
图7示出了根据图6的LED光输出LED电流与预定恒流的比较。
具体实施方式
下面将详细参考在附图中作为例子示出的本发明的范例性实施例，其中，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。下面将参照附图描述本发明的范例性实施例以便解释本发明。图4的框图示出了根据本发明范例性实施例的LED驱动器10的内部结构。
LED驱动器10驱动可以被用做液晶显示器等的背景光的LED 60。LED驱动器10通过控制由电源的能量所提供并流经LED 60的电流来调节由LED60发射的光的亮度。
LED驱动器10通过调节LED电流的峰值和调制LED电流的波形控制LED 60的亮度，并提供偏置电流，从而允许LED电流保持至少预定的恒定等级。
如图4所示，LED驱动器10包括电流调节单元20、调制控制单元40和恒流偏置单元50。
电流调节单元20经过所谓的模拟变暗调节流经LED 60的电流的幅值。根据该范例性实施例的电流调节单元20的电路结构如图5所示。
参考图5，电流调节单元20包括开关单元22、调整单元24、电流检测单元26和开关控制单元28。
开关单元22输入通或断信号，从而根据所输入的通或断信号从电源单元70向或不向LED 60提供电源。可以利用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现开关单元22。开关单元22的MOSFET的栅极被输入有开关控制单元28的输出信号。
调整单元24调整流经LED 60的电流以使其不会突然发生变化。在该范例性实施例中，调整单元24是由二极管242和电感器244实现的。二极管242和电感器244被并连到电源单元70，并且电感器244被串连到LED 60。
二极管242的阳极被连接到开关单元22中的MOSFET的漏极，其阴极被连接到电源单元70。开关单元22输入接通信号，由此使开关单元22中的MOSFET的漏极和源极电性连接，电源单元70的电压Vin使电流经过电感器244流经LED 60。在这种情况下，电感器随着电流能量而变化，并且LED电流增加预定的值。
如果开关单元22中MOSFET的漏极和源极之间的电性连接被断开，那么，开关单元22输入截止信号。电感器244、LED 60和二极管242构成闭合回路。因此，利用存储在电感器244中的能量使电流流经LED 60。在这种情况下，当电感器244的电流能量被放电时，LED电流减小。
电流检测单元26检测流经LED 60的电流。电流检测单元26可以利用具有电阻值R的电阻器来实现。同时，由于流经该电阻器的电流与流经LED 60的电流相同，所以，使用施加到该电阻器输入端的电压估计所述LED电流。
从而，当电流检测单元26确定被检测的电流大于或等于预定的第一阈值时，开关控制单元28使开关单元22断开。当电流检测单元26检测的电流被确定为低于所述第一阈值时，开关控制单元28接通开关单元22。
即，开关控制单元28估计流经LED 60的电流的幅值，并通过将其与能够被预置和调节的第一阈值进行比较并输出使开关单元22导通或截止的信号来调节LED电流的幅值，从而使该LED电流能够保持与所述第一阈值近似的电流值。
在该范例性实施例中的开关控制单元28包括两个比较器282和284、或门288、振荡器290和S-R触发器292。两个比较器282和284可以利用运算放大器(OP-amp)来实现，电流检测器26的电阻器两端的电压被施加到每个其非反相(non-inverting)输入端。
参考电压Vr被施加到比较器284的反相输入端。当电流检测单元26的电阻器两端的电压，即，与LED电流对应的电压高于参考电压Vr时，比较器284输出逻辑HIGH(高)信号。最好参照LED 60的电阻值R和最大额定电流确定参考电压Vr。
来自外部的预定电压被施加到比较器282的反相输入端。当电流检测单元26的电阻器两端的电压，即，与LED电流对应的电压，高于预定输入电压时，比较器284输出逻辑HIGH信号。在这种情况下，外部所施加的电压低于与最大额定电流对应的电压，但是，它对应于被确定为没有超过LED电流的电流。
两个比较器282和284的输出信号的逻辑总和经过或门被施加到S-R触发器292的RESET输入。振荡器290的输出信号被施加到S-R触发器292的SET输入。振荡器290输出预定频率的脉冲信号。
在振荡器290的输出信号是逻辑HIGH信号时，S-R触发器292输出对应的逻辑HIGH信号，并保持它。在范例性实施例中，只要或门288的输出信号是逻辑HIGH信号，S-R触发器292就输出逻辑LOW(低)信号。即，当对应于LED电流的电压高于参考电压Vr或外部调节的电压时，S-R触发器292输出逻辑LOW信号，而在其它情况下它输出逻辑HIGH信号。因此，开关控制单元28通过输出用于导通或截止的信号调节LED电流的幅值，从而使LED电流能够保持在不超过所述最大额定电流极限内的预定峰值。
调制控制单元40通过控制电流调节单元20的操作调制LED电流的波形，从而调节由LED电流输出的光的亮度。根据该范例性实施例的调制控制单元40输入脉宽调制(PWM)信号，并根据所输入的信号将开关控制单元28的输出信号施加或不施加到开关单元22。
该范例性实施例的调制控制单元40可以利用缓冲器44和与门42实现。与门42有两个输入端：将PWM信号从外部经过缓冲器44施加到一个输入端，将开关控制单元28的输出信号施加到另一个输入端。与门42输出用于两个输入信号的逻辑乘的信号。
由与门42输入的PWM信号是具有预定周期和持续时间的脉冲信号。在范例性实施例中，当PWM信号是逻辑HIGH时，开关控制单元28的输出信号变得和与门42的输出信号相同。
当PWM信号是逻辑LOW时，与门42的输出信号变成逻辑低。因此，开关控制单元28的输出信号不被传送给开关单元22，尽管是逻辑高，因此，开关单元22不被接通。
考虑到这一点，通过适当地调节PWM信号的脉宽或占空因数可以调节LED 60的平均电流的幅值。换言之，如果PWM信号的脉宽或占空因数增加，那么，LED 60的平均电流也增加，反之，如果PWM信号的脉宽或占空因数减小，那么，流经LED 60的平均电流也减小。在这种情况下，与脉宽控制相比，通过将PWM信号的周期设置得远大于振荡器290的周期，可以更加快速地调节峰值电流。
恒流偏置单元50提供控制，以便使LED60的电流保持其预定大小。即，恒流偏置单元50提供控制，以便预定大小的恒流附加地流经其上通过脉宽控制流动近似方波电流的LED60。
当电流检测单元26确定其所检测的LED电流高于或等于预定的第二阈值时，本范例性实施例的恒流偏置单元50输出断开开关单元22的信号，并切断开关控制单元28的输出信号。而当所述LED电流被确定为小于第二阈值时，恒流偏置单元50输出接通开关单元22的信号。
换言之，当流经LED 60的电流小于外部建立的参考值时，恒流偏置单元50输出信号以接通开关单元22，由此允许具有至少参考值的电流流经LED60。
本范例性实施例的恒流偏置单元50包括比较器52、S-R触发器54以及或门56。作为例子，可以利用OP-amp实现比较器52。比较器52的反相输入端被施加有作为能够被外部设置的电压并与被偏置的电流幅值对应的电压，并且电流检测单元26两端的电压被施加到其非反相输入端。当电流检测单元26两端的电压，即，与LED电流对应的电压高于与外部建立的电流值对应的电压时，比较器52输出逻辑HIGH信号。
振荡器290的输出信号被施加到S-R触发器54的SET输入端，比较器52的输出信号被施加到其RESET输入端。S-R触发器54的操作与S-R触发器292的操作类似。当LED电流高于外部建立的电流值时，S-R触发器54输出逻辑LOW信号，而在其它情况下则输出逻辑HIGH信号。
或门56分别从调制控制单元40和S-R触发器54接收输出信号，从而其输出逻辑或信号给开关单元22的栅极输入端。即，当LED电流小于外部建立的电流值时，或门56输出逻辑HIGH信号，从而使开关单元22接通，而当LED电流大于外部建立的电流值且PWM信号是逻辑LOW时，它输出逻辑LOW信号，以使开关单元22断开。
下面结合图6示出上述的根据该范例性实施例的由LED驱动器10、流经LED 60的电流的波形。参看图6，LED电流表示通过将所述方波与预定恒定等级的偏置电流相互结合而建立的波形。
图7示出了该根据本范例性实施的例由于由LED驱动器10、流经LED 60的电流产生的LED 60的输出光的亮度。参看图7，当偏置电流的幅值是最大额定电流的30％时，以直线C的形式表示LED 60的输出光的亮度。当PWM信号的占空因数是50％时，从功耗效率的角度看，由于恒流的幅值与其平均电流的幅值相同而导致的与亮度A的差变成近似5％。根据本范例性实施例的LED驱动器10，当没有偏置电流时，该功率效率可以增强大约10％，而功率损失可能是15％。
如上所述，本发明可以提供一种改善功耗效率的LED驱动器。尽管已经示出和描述了本发明的几个范例性实施例，但对于本领域技术人员很明显，在不脱离本发明的原理和范围的前提下可以对这些实施例做出改变，本发明的范围由所附权利要求及其它们的等效物定义。例如，调制控制单元能够执行各种工作，从而使LED电流变成由正弦波、三角波以及方波成形的周期直流电流。

Claims (5)

1.一种用于驱动发光二极管的发光二极管驱动器，包括：
电流调节单元，用于通过从电源设备向发光二极管提供电源和切断该电源来执行调节操作，以调节流经发光二极管的电流的幅值；
调制控制单元，用于通过控制电流调节单元的调节操作调制流经发光二极管的电流的波形；和
恒流偏置单元，用于控制电流调节单元的调节操作，以便在调制其波形时，流经发光二极管的电流大于或等于预定的值。
2.如权利要求1所述的发光二极管驱动器，其中，所述电流调节单元包括：
开关单元，用于输入通或断信号，由此从电源设备向发光二极管提供电源和切断该电源；
调整单元，用于调整流经发光二极管的电流，以使其不会突然变化；
电流检测单元，用于检测流经发光二极管的电流；和
开关控制单元，用于当由电流检测单元检测的电流被确定为高于或等于第一阈值时输出断开开关单元的信号，和当由电流检测单元检测的电流被确定为低于第一阈值时输出接通开关单元的信号。
3.如权利要求2所述的发光二极管驱动器，其中，所述调制控制单元输入预定的脉宽调制信号，以便将开关控制单元的输出信号提供给开关单元并切断该输出信号。
4.如权利要求3所述的发光二极管驱动器，其中，当由电流检测单元检测的流经发光二极管的电流被确定为高于或等于第二阈值且来自开关控制单元的输出信号被切断时，恒流偏置单元输出断开开关单元的信号，以及当流经发光二极管的电流被确定为低于第二阈值时，恒流偏置单元输出接通开关单元的信号。
5.如权利要求4所述的发光二极管驱动器，其中，所述恒流偏置单元包括：
比较器，用于将与由电流检测单元检测的流经发光二极管的电流对应的电压与和第二阈值对应的电压进行比较，并且当与流经发光二极管的电流对应的电压较高时输出逻辑高信号；
置位-复位触发器，用于将比较器的输出信号设置成RESET输入和将具有预定频率的脉冲信号设置成SET输入；和
或门，用于接收置位-复位触发器的输出信号和调制控制单元的输出信号，并输出所接收输出信号的逻辑和给开关单元。
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