CN202855272U - 一种基于运放负反馈电路的lcd显示屏背光恒流驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，包括电源、PWM控制电路、LED驱动电路、分压电路和运放反馈电路，PWM控制电路用以控制背光LED开关的时间，进而控制背光LED的亮度；分压电路用以设定运放反馈电路正极输入端的参考电压值，通过匹配LED驱动电路的采样电阻值来设定LED驱动电路的输出恒流值；运放反馈电路通过对采样电阻压降的负反馈，调节LED驱动电路的三极管基极电流，以确保驱动LED电路稳定输出设定的恒流值；LED驱动电路根据PWM控制电路的控制指令及运放反馈电路的调节输入，以恒定的电流驱动背光LED，从而在电源电压波动的情况下，LCD显示屏亮度依然可以保持恒定。因此，具有背光亮度稳定、LED色偏移小、控制精度高、应用更加灵活，成本优势明显等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于LED恒流驱动电路、尤其是涉及一种基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路。
背景技术
目前，主流汽车仪表的LCD背光驱动电路大致有两大类：一类是电压控制式背光驱动电路，另一类是恒流背光驱动电路。其中，电压控制式背光驱动电路结构简单，直接通过三极管或达林顿管驱动一串或多串背光LED，背光电源与汽车电瓶电源直接相连，通过PWM信号控制三级管或达林顿管的基极，进而实现对LED的驱动电路的开关控制，再通过合理设定PWM的频率和占空比，就能实现人眼难以分辨的“恒定背光亮度”的效果。但是这种“恒定背光亮度”的效果是有前提的，那就是发电机输出电压要恒定。如果发电机输出电压有波动，就会导致流过LED的电流随之变化，最终导致背光亮度波动或闪烁。最典型的例证就是当汽车启动瞬间，电瓶电压波动较为明显和剧烈，在这种情况下，采用电压控制的LCD背光，就能明显观察到闪烁。而这种现象在恒流控制LCD背光的仪表上是不会出现的。除了发动机启动对电瓶电压有影响外，一些大功率负载的启停及发电机自身整流电路的问题同样会造成电瓶电压波动，从而导致类似的问题。因此在中高端汽车仪表上大都应用恒流驱动背光电路，以避免出现上述问题。
电压控制式背光驱动电路还存在一个潜在的缺陷，那就是：对于颜色和主波长受正向电流影响较为明显的LED，如蓝色、真绿色和白色LED，该种驱动方式在电压波动时是无法保证背光颜色的一致性的。因此，对于蓝色、真绿色和白色背光的仪表，为保证背光效果，恒流驱动是必须的，因此通常比其他背光颜色的仪表要贵一些。
对于恒流背光驱动电路，目前市场上较常见的方案是利用集成芯片，再匹配一些外围电路实现恒流控制。这种方案的最大优点就是应用简单，电流输出稳定、精确，因其电流调节和反馈电路大都在芯片内部实现。但是其缺点也十分突出：成本偏高，一般是电压控制式背光电路的几十倍。对于成本竞争愈来愈激烈的中低端仪表来说，应用集成芯片的恒流控制方案是很难获得生存空间的。这也是为什么恒流背光驱动电路只有在高端仪表中才较为常见。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，能够在整车电瓶电压波动的情况下，保证LCD依然能够实现良好、稳定的显示效果。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：
一种基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，包括电源、PWM控制电路和LED驱动电路，还包括分压电路和运放反馈电路，其中，PWM控制电路与分压电路相连，用以控制背光LED开启和关闭的时间，进而控制背光LED的亮度；分压电路与运放反馈电路相连，用以设定运放反馈电路正极输入端的参考电压值，通过匹配LED驱动电路的采样电阻值来设定LED驱动电路的输出恒流值；运放反馈电路与LED驱动电路相连，通过对采样电阻压降的负反馈，调节LED驱动电路的三极管基极电流，以确保驱动LED电路稳定输出设定的恒流值；LED驱动电路与电源相连，根据PWM控制电路的控制指令及运放反馈电路的调节输入，以恒定的电流驱动背光LED。
所述运放反馈电路包括由运算放大器U1构成的运算电路和由两个串联的电阻R3、R4构成的反馈电路，运算放大器U1的正极与分压电路相连，以接收设定的参考电压值，运算放大器U1的负极与反馈电路相连，接收反馈压降值。
所述运放反馈电路还包括分别与运算放大器U1输出极相连的电阻R5、R6，电阻R5另一端与LED驱动电路的三极管基极相邻，用以限定运算放大器U1的最大电流输出；电阻R6另一端接零，在运算放大器U1没有输出时，用以为LED驱动电路的三极管基极提供下拉低电平。
所述分压电路包括电阻R1、R2，PWM控制电路的输出端与电阻R1串联后与电阻R2相并联。
所述LED驱动电路包括一个或者多个并联的三极管。
所述PWM控制电路、LED驱动电路和分压电路均采用离散原器件搭建。
采用本实用新型的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，具有如下优点：
1、能够确保电源电压波动时，背光亮度恒定。
2、能够保证蓝色、真绿色和白色LED主波长和颜色不偏移，通过PWM控制，实现亮度可调。
3、与传统的集成芯片式恒流驱动电路相比，具有配置灵活、调节简单，价格便宜等优点。
4、与基于三级管的差分负反馈恒流驱动电路相比，其恒流精度高，相位裕度与增益裕度大，系统稳定性更好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式本实用新型进行详细说明：
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型的电路图。
具体实施方式
本实用新型的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路如图1、图2所示，包括电源、PWM控制电路和LED驱动电路，还包括分压电路和运放反馈电路，其中，PWM控制电路与分压电路相连，用以控制背光LED开启和关闭的时间，进而控制背光LED的亮度；分压电路与运放反馈电路相连，用以设定运放反馈电路正极输入端的参考电压值，通过匹配LED驱动电路的采样电阻值来设定LED驱动电路的输出恒流值；运放反馈电路与LED驱动电路相连，通过对采样电阻压降的负反馈，调节LED驱动电路的三极管基极电流，以确保驱动LED电路稳定输出设定的恒流值；LED驱动电路与电源相连，包括背光LEDs、背光驱动三极管、反馈电阻等，根据PWM控制电路的控制指令及运放反馈电路的调节输入，以恒定的电流驱动背光LED，以实现在电源电压波动的情况下，保持LCD显示屏亮度的恒定。
来自微处理器的PWM控制信号，通过分压电路建立参考电压Vref，并加在运放的正极输入端V+。同时，采样电阻Rsh的压降通过反馈电路加到运放的负极输入端，通过运放的输出调节LED驱动电路的电流使其趋于恒定，也就是流过采样电阻Rsh的电流为恒定值。所述分压电路包括电阻R1、R2，PWM控制电路的输出端与电阻R1串联后与电阻R2相并联。
所述运放反馈电路包括由运算放大器U1构成的运算电路和由两个串联的电阻R3、R4构成的反馈电路，运算放大器U1的正极与分压电路相连，以接收设定的参考电压值，运算放大器U1的负极与反馈电路相连，接收反馈压降值。反馈电路，一方面可以用来补偿运放两个输入端的电压偏移；另一方面，当没有PWM输入信号时，它可以提供一定的偏置电压，防止运放自激输出。同时，反馈电路起到连接采样电路与运放的作用，使采样电阻Rsh的电压变化得以输出到运放的负极输入端。此外，该电路提供的偏置电压对外界干扰也能起到一定的抑制作用。
所述运放反馈电路还包括分别与运算放大器U1输出极相连的电阻R5、R6，电阻R5另一端与LED驱动电路的三极管基极相邻，用以限定运算放大器U1的最大电流输出；电阻R6另一端接零，在运算放大器U1没有输出时，用以为LED驱动电路的三极管基极提供下拉低电平。采样电阻Rsh两端的压降直接反映出流过LED电流的大小，其采样值通过反馈电路，输出到运放的负极输入端，构成反馈回路。
LED驱动电路可以由一个或者多个并联的LED驱动三极管Q1、Q3、Q5组成，以提供足够的驱动电流。正常工况下，LED驱动三极管是工作在放大区的，因此管压降较大，耗散功率很高，因此要注意散热设计。LED驱动三极管的基极电流是由运放的输出极提供的。
另外，该恒流电路存在几类电源。一类是LED的供电电源Vb，它提供了驱动背光LED的电流，这个电源通常是可以被软件关断的可控电源，它既可以是电瓶电源，也可以是由升压转换器(DC/DC)提供的升压电源；另一类是运放的电源Va，它可以是Vb，也可以是其他电源，但是由于它需要消耗几个毫安的电流，因此不能连在常电源上，一般是接在可控电源上；还有一类是用以提供偏置电压的稳压电源，通常由稳压器提供，其电流消耗小于一毫安。
本实用新型的恒流驱动电路的工作原理如下：
稳态工况：假定运放处于理想的工作状态，那么稳态时正极输入端V+和负极输入端V-的电平相同，既V+=V-。
动态工况：运放负极输入端的电压与发光二极管D1-D9的正向电流成正比。如果由于某种原因，导致发光二极管D1-D9正向电流波动，那么这个电流波动会引起采样电阻Rsh压降Vsh随之变化，进而导致运放负极输入端的电压相应变化。由于运放正极输入端的参考电压V+仅取决于分压电路的参数和微处理器输出电平值，当这两个参数确定后V+即为恒定值。这样，由发光二极管D1-D9正向电流变化引起的采样电阻Rsh压降Vsh变化就转化为运放正负极输入不平衡，进而引起运放输出电压和电流变化，从而达到调节发光二极管D1-D9正向电流的目的，使系统重新回到恒流状态。由此，我们建立了发光二极管D1-D9正向电流的负反馈，使其趋于恒定值，即恒流驱动。例如：假设流过采样电阻Rsh的电流降低，这就会导致Vsh变小，那么运放负极输入电压V-也会相应变小。而V+恒定不变，这就会引起运放正负输入极不平衡（V+>V-），从而导致运放输出电压升高，输出电流随之升高，即LED驱动三极管Q1的基极电流增加，因此LED正向电流也会随之增加，最终导致流过采样电阻Rsh的电流上升，系统重新回到稳定恒流状态。同样，如果流过采样电阻Rsh电流升高会引起与上述趋势相反的变化，最终通过反馈仍然导致采样电阻Rsh回到稳定状态，趋于恒流。
所述PWM控制电路、LED驱动电路和分压电路均采用离散原器件搭建，图2中各电路的元件及参数确定如下：
1、运算放大器U1，是该恒流驱动电路的核心器件，它将反馈信号转化为调节驱动电路输出电流的控制信号，使系统在负反馈的作用下得以稳定，获得恒流输出。从汽车产品的应用角度考虑，其应满足宽电源电压输入范围和宽工作温度范围的需求；而从具体应用电路考虑，为提高恒流精度和稳定性，应选择低输入偏置电流和低输入电压偏移的运放。基于以上技术层面分析，综合考虑器件成本，我们选择TI公司的LM2904系列运放。
2、反馈电压Vsh，是该电路中需要最先确定的参数，它主要受以下因素的影响：LED电源的最低正常工作电压，每路串联LED的个数以及LED最大正向导通电压等。
3、采样电阻Rsh，根据设定的反馈电压Vsh以及需要的LED正向导通电流，可以计算出采样电阻Rsh的值。另外，从成本角度考虑，在满足功率耗散的前提下应该尽可能选择小封装的电阻或排阻。
4、反馈网络电阻R3和R4，反馈网络在该恒流电路中主要有两方面的功能：一是将采样电压传递到运放的负极输入端；另一功能是在运放不工作时，为负极提供静态偏置电压（一般100mV-200mV左右），使运在非工作状态时V-恒大于V+，防止运放自激输出。因此，一方面R3+R4要足够大，以减小由其产生的偏置电流对反馈电路的影响；另外电阻R3和R4要满足一定的比例关系，以保证在运放非工作状态时能提供合适的偏置电压。
5、分压电阻R1和R2，这两个电阻组成分压电路，用以设定参考电压输出给运放正极输入端V+，它将直接影响恒流电路的精度。这两个电阻的选择还要考虑微处理器的输出能力。
6、限流电阻R5，用来限定运放的最大电流输出，它的选择取决于运放的供电电压、运放输出电压、驱动三极管的放大倍数以及全部LED的最大消耗电流等。
7、下拉电阻R6，电阻R6是在运放没有输出时，用来为驱动三极管的基极提供下拉低电平，确保驱动三极管可靠关断。在确定阻值时要确保R6<Vbe_off/Icbo。
8、驱动三极管Q1，用以驱动LED。由于Q1正常工作时处于放大状态，两端压降较大，因此耗散功率将选择此三级管的最主要因素。
综上所述，采用本实用新型的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，具有如下优点：
1、能够确保电源电压波动时，背光亮度恒定。
2、能够保证蓝色、真绿色和白色LED主波长和颜色不偏移，通过PWM控制，实现亮度可调。
3、与传统的集成芯片式恒流驱动电路相比，具有配置灵活、调节简单，价格便宜等优点。
4、与基于三级管的差分负反馈恒流驱动电路相比，其恒流精度高，相位裕度与增益裕度大，系统稳定性更好。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。
Claims (6)
1.一种基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，包括电源、PWM控制电路和LED驱动电路，其特征在于:还包括分压电路和运放反馈电路，其中，PWM控制电路与分压电路相连，用以控制背光LED开启和关闭的时间，进而控制背光LED的亮度；分压电路与运放反馈电路相连，用以设定运放反馈电路正极输入端的参考电压值，通过匹配LED驱动电路的采样电阻值来设定LED驱动电路的输出恒流值；运放反馈电路与LED驱动电路相连，通过对采样电阻压降的负反馈，调节LED驱动电路的三极管基极电流，以确保驱动LED电路稳定输出设定的恒流值；LED驱动电路与电源相连，根据PWM控制电路的控制指令及运放反馈电路的调节输入，以恒定的电流驱动背光LED。
2.根据权利要求1所述的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，其特征在于：所述运放反馈电路包括由运算放大器U1构成的运算电路和由两个串联的电阻Rsh、R4构成的反馈电路，运算放大器U1的正极与分压电路相连，以接收设定的参考电压值，运算放大器U1的负极与反馈电路相连，接收反馈压降值。
3.根据权利要求2所述的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，其特征在于：所述运放反馈电路还包括分别与运算放大器U1输出极相连的电阻R5、R6，电阻R5另一端与LED驱动电路的三极管基极相邻，用以限定运算放大器U1的最大电流输出；电阻R6另一端接零，在运算放大器U1没有输出时，用以为LED驱动电路的三极管基极提供下拉低电平。
4.根据权利要求1所述的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，其特征在于：所述分压电路包括电阻R1、R2，PWM控制电路的输出端与电阻R1串联后分别与电阻R2相并联。
5.根据权利要求1所述的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，其特征在于：所述LED驱动电路包括一个或者多个并联的三极管。
6.根据权利要求1所述的基于运放负反馈电路的LCD显示屏背光恒流驱动电路，其特征在于：所述PWM控制电路、LED驱动电路和分压电路均采用离散原器件搭建。
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