DE102007038892A1

DE102007038892A1 - Hochgeschwindigkeits-LED-Treiber

Info

Publication number: DE102007038892A1
Application number: DE102007038892A
Authority: DE
Inventors: Franz Prexl; Erich Bayer; Jürgen Neuhäusler
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-04-09
Also published as: US8035311B2; ATE494759T1; WO2009024547A3; US20090072755A1; EP2191692A2; EP2191692B1; DE602008004364D1; WO2009024547A2

Abstract

Eine elektronische Vorrichtung enthält eine Schaltung zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (LED). Die elektronische Vorrichtung enthält einen ersten Schalter (NM5), der mit dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement (LED) gekoppelt ist, um einen Strom (ID) durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED) zu schalten, ein Messmittel (RS) zur Messung einer Stärke des Stroms (ID) und zur Ausgabe eines entsprechenden Messsignals (SEN), einen Fehlerverstärker (AMP2) für das Empfangen des Messsignals (SEN) und eines vorgegebenen Zielwerts (ISET) für den Strom (ID) zur Bereitstellung einer ersten Steuerspannung (VG1), basierend auf der Abweichung der tatsächlich gemessenen Stärke des Stroms von dem vorgegebenen Zielwert (ISET), ein Tiefpassfilter, das mit dem Fehlerverstärker (AMP2) gekoppelt ist, um die erste Steuerspannung (VG1) zu filtern und dadurch eine zweite Steuerspannung (VG2) bereitzustellen, einen Spannungsfolger (NM3), der mit dem Tiefpassfilter und dem ersten Schalter gekoppelt ist, um die zweite Steuerspannung (VG2) zu empfangen und eine dritte Steuerspannung (VG3) zur Steuerung der Schaltaktivität des ersten Schalters (NM5) bereitzustellen, und einen zweiten Schalter (PM1, NM4) zur Schaltung eines Versorgungsstroms (IDS3) des Spannungsfolgers (NM3), um den Spannungsfolger (NM3) ein- bzw. auszuschalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements und ein entsprechendes Verfahren.
Da lichtprojizierende Systeme und Fernsehgeräte technisch immer ausgereifter werden, gibt es ein allgemeines Verlangen danach, einen hohen Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung zu erreichen. Deshalb werden lichtemittierende Halbleiterbauelemente wie zum Beispiel Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen verwendet. Es gibt verschiedene Wege zur Herstellung von Graustufen- oder Farbbildern basierend auf technisch äußerst ausgereiften und miniaturisierten optischen Lichtleitermitteln, die elektrisch gesteuert werden. Ein Beispiel ist die digitale Lichtverarbeitung (DLP^®, engl. „digital light processing") unter Verwendung einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD, engl. „digital micro mirror device") zur Lichtprojektion. DMD-basierte Technologien sowie andere lichtprojizierende Technologien erfordern extrem schnell schaltende lichtemittierende Halbleiterbauelemente, um Bilder gemäß aktuellen Qualitätsstandards anzuzeigen. Herkömmliche zur Schaltung von LEDs verwendete Architekturen und Schaltkreise stellen jedoch kein ausreichend präzises und schnelles Schaltverhalten bereit.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Vorrichtung zur Ansteuerung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen bereitzustellen, die ein schnelles und präzises Schalten der lichtemittierenden Halbleiterbauelementen mit einer relativ geringen Leistungsaufnahme ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung, einschließlich einer Schaltung zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements bereitgestellt. Die Schaltung enthält einen ersten Schalter, der mit dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement gekoppelt ist, um einen Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement zu schalten. Es gibt ein Messmittel zur Messung einer Stromstärke und zur Ausgabe eines entsprechenden Messsignals. Ein Fehlerverstärker empfängt das Messsignal und einen sich auf den gewünschten Strom beziehenden vorgegebenen Zielwert. Der Fehlerverstärker ist so eingerichtet, dass er basierend auf der Abweichung der tatsächlich gemessenen Stromstärke von dem vorgegebenen Zielwert eine erste Steuerspannung bereitstellt. Ein Tiefpassfilter ist mit dem Fehlerverstärker gekoppelt, um die erste Steuerspannung zu filtern und dadurch eine zweite Steuerspannung bereitzustellen. Ein Spannungsfolger ist mit dem Tiefpassfilter und dem ersten Schalter gekoppelt, um die zweite Steuerspannung zu empfangen und eine dritte Steuerspannung zur Steuerung der Schaltaktivität des ersten Schalters bereitzustellen. Schließlich gibt es einen zweiten Schalter zur Schaltung eines Versorgungsstroms des Spannungsfolgers, um den Spannungsfolger ein- bzw. auszuschalten.
Gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung wird der erste Schalter auf eher indirekte Weise gesteuert, indem ein Spannungsfolger, der wiederum eine spezifische zweite Steuerspannung an dem Eingang empfängt, ein- bzw. ausgeschaltet wird. Die zweite Steuerspannung an dem Eingang des Spannungsfolgers wird durch ein Tiefpassfilter gebuffert, was bedeutet, dass sich die zweite Steuerspannung im Vergleich zu der Schaltaktivität des ersten Schalters und des Spannungsfolgers lediglich langsam ändert. Entsprechend kann man den ersten Schalter äußerst schnell schalten, indem der Spannungsfolger ein- bzw. ausgeschaltet wird, wodurch ein äußerst präziser Zielwert für die dritte Steuerspannung erreicht wird, da der Spannungsfolger die dritte Steuerspannung basierend auf der zweiten Steuerspannung erzeugt, die während der Schaltaktivität aufrechterhalten wird. Der Spannungsfolger kann so dimensioniert sein, dass er sich schnell und präzise einschwingt. Hierdurch wird es ermöglicht, dass das lichtemittierende Halbleiterbauelement im Vergleich zu dem Stand der Technik viel präziser und schneller gesteuert werden kann. Der erste Schalter kann in dem Kontext der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise ein Transistor sein. Somit sollte klar sein, dass der erste Schalter ein Schaltmittel ist, das nicht nur zwei Zustände hat, sondern eher allmählich geöffnet werden kann. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, einen präzisen dritten Steuerspannungspegel zu haben, der an einen Steuereingang des Transistors angelegt wird (z. B. an das Gate eines MOSFET-Transistors oder an die Basis eines bipolaren Transistors), um eine präzise bestimmte Strommenge durch die Schaltvorrichtung herzustellen.
Es kann jede beliebige Tiefpassfilterarchitektur verwendet werden. Vorteilhafterweise enthält das Tiefpassfilter einen Bufferkondensator zur Bufferung der zweiten Steuerspannung an dem Eingang des Spannungsfolgers und einen dritten Schalter, der zwischen den Ausgang des Spannungsgenerators und den ersten Bufferkondensator gekoppelt ist. Der Bufferkondensator dient dazu, die zweite Steuerspannung an dem Eingang des Spannungsfolgers aufrechtzuerhalten, und stellt dadurch eine Tiefpassfiltereigenschaft in Bezug auf schnelle Änderungen des Spannungspegels an diesem Knoten bereit. Damit der Eingang des Spannungsfolgers nicht von unerwünschten Änderungen betroffen ist, wird ein dritter Schalter bereitgestellt, der den Eingang des gebufferten Eingangsspannungsknotens des Spannungsfolgers von dem Ausgang des Fehlerverstärkers trennen kann.
Des Weiteren können der zweite Schalter und der dritte Schalter so eingerichtet sein, dass sie in Bezug aufeinander abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, und so, dass die zweite Steuerspannung in dem Bufferkondensator lediglich dann mit dem Fehlerverstärker gekoppelt ist, wenn das lichtemittierende Halbleiterbauelement eingeschaltet ist. Die zweite Steuerspannung wird so gesteuert, dass ein bestimmtes Verhalten (z. B. eine bestimmte Luminanz oder Intensität des emittierten Lichts) des lichtemittierenden Halbleiterbauelements erreicht wird. Die durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement fließende Strommenge kann nur dann bestimmt werden, wenn das Halbleiterbauelement eingeschaltet ist. Dies ist der richtige Moment, um die zweite Steuerspannung in dem Bufferkondensator durch den Fehlerverstärker zu aktualisieren. Wenn das lichtemittierende Halbleiterbauelement jedoch ausgeschaltet wird, d. h. wenn der Spannungsschalter ausgeschaltet wird, wird die Spannung in dem Bufferkondensator im Wesentlichen eingefroren und aufrechterhalten. Dadurch wird eine entkoppelte zweite Steuerspannung bereitgestellt, die sich lediglich eher langsam ändert.
Um das Schaltverhalten weiter zu verbessern, kann eine Konstantstromquelle mit dem ersten Schalter gekoppelt sein. Dies ist besonders nützlich, wenn der erste Schalter ein Transistor, z. B. ein MOSFET-Transistor, ist. Die Konstantstromquelle kann dann zur Entladung des Gates des MOSFET-Transistors verwendet werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Spannungsfolger kann einen MOSFET-Transistor enthalten, d. h. er kann zum Beispiel durch Verwendung eines Einzel-MOSFET-Transistors implementiert werden. In dieser Situation kann der Versorgungsstrom, der geschaltet wird, um den Spannungsfolger ein- bzw. auszuschalten, der Drain-Strom durch den MOSFET-Transistor sein. Die elektronische Vorrichtung kann dann eine programmierbare Stromquelle enthalten, die mit dem MOSFET-Transistor gekoppelt ist, um den Drain-Strom flexibel einzustellen. Diese Konfiguration gestattet es, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten, d. h. die Schaltgeschwindigkeit des Spannungsfolgers, zum Beispiel durch Verwendung von Konfigurationsbefehlen flexibel eingestellt werden.
Das lichtemittierende Halbleiterbauelement kann ferner mit einer geregelten Spannungsversorgung gekoppelt sein, die zum Beispiel jeder beliebige geschaltete Spannungswandler wie zum Beispiel ein Aufwärtswandler oder ein Abwärtswandler sein könnte. In diesem Fall kann eine Nachlaufstufe bereitgestellt werden, die mit dem Eingang des Spannungsfolgers gekoppelt ist, d. h. mit der zweiten Steuerspannung, um den Spannungspegel der zweiten Steuerspannung zu bestimmen. Die Nachlaufstufe kann dann so eingerichtet sein, dass sie den Versorgungsspannungspegel der geregelten Spannungsversorgung für das lichtemittierende Halbleiterbauelement durch ein Modulationssteuersignal (z. B. einen Spannungspegel) einstellt, um einen Spannungsabfall über den ersten Schalter während einer ON-(„EIN"-)Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements zu minimieren. Durch diese Konfiguration wird sichergestellt, dass der erste Schalter weit genug geöffnet wird, um einen ausreichend hohen Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement mit einem minimalen Spannungsabfall über den Schalter bereitzustellen. Dieser Aspekt der Erfindung berücksichtigt Leistungsverluste in dem Schalter, die minimiert werden müssen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung die Schaltung zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mehrere Male enthalten, um eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen anzusteuern. Jede derartige Treiberstufe kann dann durch dieselbe oder mehrere Nachlaufstufen mit einer geregelten Energieversorgung gekoppelt sein, um die Versorgungsspannung für jedes der Mehrzahl von Halbleiterbauelementen zu verfolgen. Dies ist besonders nützlich für eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel eine rote, eine grüne und eine blaue LED, wenn die lichtemittierenden Bauelemente lediglich abwechselnd oder nacheinander geschaltet werden, so dass niemals zwei von ihnen zur selben Zeit eingeschaltet sind. Hierdurch wird es gestattet, dass der Versorgungsspannungspegel durch Verwendung desselben Mechanismus an eine Mehrzahl von Vorrichtungen angepasst werden kann.
Die Nachlaufstufe kann ferner einen Fensterkomparator umfassen, um zu vergleichen, ob die zweite Steuerspannung innerhalb eines Zielfensters zwischen einem maximalen Spannungspegel und einem minimalen Spannungspegel liegt oder nicht, und um eine Komparatorausgangsspannung gemäß dem Vergleichsergebnis bereitzustellen. Die Komparatorausgangsspannung kann während einer ON-Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements (d. h. eines Zeitintervalls, während dessen das lichtemittierende Halbleiterbauelement Licht emittiert) auf einem Abtastkondensator abgetastet werden. Die abgetastete Komparatorausgangsspannung kann dann zur Aktualisierung der Modulationssteuerspannung verwendet werden. Des Weiteren kann die Nachlaufstufe so eingerichtet sein, dass die Modulationssteuerspannung lediglich während einer OFF-(„AUS"-)Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements aktualisiert wird. Vorteilhafterweise sind das Zeitintervall zur Abtastung der Komparatorausgangsspannung auf dem Abtastkondensator und das Zeitintervall zur Aktualisierung der Modulationssteuerspannung sich nicht überlappende Taktperioden. Hierdurch wird eine sanfte und schrittweise Einstellung des Modulationssteuersignals ermöglicht, das wiederum den Versorgungsspannungspegel auf einen optimalen Pegel steuert. Des Weiteren geschieht die Aktualisierung des Modulationssteuersignals lediglich während der OFF-Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements, wodurch Störungen vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Ein Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement wird geschaltet und gemessen. Dann wird eine Abweichung des gemessenen Stroms von einem vorgegebenen Zielwert bestimmt, und es wird eine erste Steuerspannung zur Einstellung des Stroms gemäß der bestimmten Abweichung bereitgestellt. Die erste Steuerspannung wird mit einem Tiefpassfiltermittel gefiltert, um eine geglättete zweite Steuerspannung bereitzustellen. Die zweite Steuerspannung wird dann mit einem Spannungsfolger gebuffert, um eine dritte Steuerspannung bereitzustellen, die zur Steuerung des ersten Schalters dient. Schließlich wird der Spannungsfolger ein- bzw. ausgeschaltet, um die dritte Steuerspannung an dem Schalter anzulegen oder nicht anzulegen, wodurch der erste Schalter ein- bzw. ausgeschaltet wird. Die zweite Steuerspannung wird durch Verwendung der ersten Steuerspannung aktualisiert, aber nur dann, wenn das lichtemittierende Halbleiterbauelement eingeschaltet ist.
Das lichtemittierende Halbleiterbauelement ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED), aber die oben beschriebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise ebenso auf andere lichtemittierende Halbleiterbauelemente, die schnell geschaltet werden müssen, wie zum Beispiel einen Laser, angewendet werden.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen vereinfachten Schaltplan einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 einen vereinfachten Schaltplan einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
3 einen vereinfachten Schaltplan eines Aspekts der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, d. h. eine Leuchtdiode LED, das mit einer geregelten Versorgungsspannung V_LED gekoppelt ist. Die geregelte Spannungsversorgung könnte jede beliebige Energieversorgung mit Schaltmodus sein, und in 1 ist ein Abwärtswandler lediglich als Beispiel gezeigt. Die andere Seite der LED ist mit einem NMOS-Transistor NM5 gekoppelt, der in Reihe mit einem Messwiderstand R_SENS geschaltet ist. Der NMOS-Transistor NM5 wird als Schalter zur Schaltung des Stroms I_LED durch die LED verwendet. Des Weiteren wird ein Widerstandsteiler R1, R2 dazu verwendet, die Versorgungsspannung V_LED zu überwachen und eine Überwachungsspannung V_M bereitzustellen, die einem Fehlerverstärker AMP1 zugeführt wird, der ein Ausgangssignal für eine Steuerstufe CNTL erzeugt. Die Steuerstufe CNTL stellt den NMOS-Transistoren NM1 und NM2 Steuersignale bereit, um die Spannungsumwandlung der Hauptversorgungsspannung V_BAT und der LED-Versorgungsspannung V_LED zu steuern. Die Transistoren NM1, NM2, die CNTL-Stufe sowie die Induktivität L und der Kondensator Co stellen eine geregelte Spannungsversorgung dar. Sie sind als Abwärtswandler konfiguriert, aber es können ebenso ein Aufwärtswandler oder ein Abwärts/Aufwärtswandler verwendet werden. Um ein schnelles Ein- und Ausschaltverhalten der LED bereitzustellen, wird eine Stufe TOP-DRV bereitgestellt. Der Strom durch die LED ist durch einen Wert ISET festgesetzt, der den Strom I_LED durch die LED angibt, wenn die LED eingeschaltet ist. Um ein ausreichend schnelles Schalten und eine geringe Leistungsaufnahme bereitzustellen, ist die Steuerstufe TOP-DRV wie in 2 ausgeführt.
2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der NMOS-Transistor NM5 wird als Schalter zur Schaltung des Stroms I_LED durch die LED verwendet. Eine dritte Steuerspannung VG3 an dem Gate von NM5 wird durch einen Spannungsfolger gesteuert, der durch den NMOS-Transistor NM3 gebildet wird. Die zweite Steuerspannung VG2 wird durch einen Fehlerverstärker AMP2 erzeugt, der an seinem positiven Eingang eine positive Eingangsspannung ISET und an seinem negativen Eingang einen Messspannungspegel SEN empfängt. Die Eingangsspannung ISET wird so ausgewählt, dass sie während der ON-Phase der LED einen Zielwert für den Strom I_LED durch die LED erreicht. Der Strom I_LED kann basierend auf der Luminanz oder Helligkeit, die die LED bereitstellen soll, bestimmt werden. Der Fehlerverstärker vergleicht den über den Messwiderstand R_SENS gemessenen Spannungsabfall SEN mit dem Zielspannungspegel ISET und gibt eine entsprechende erste Steuerspannung VG1 aus. Ein Schalter TG1 (d. h. in diesem Fall ein Übertragungstor) ist zwischen den Ausgang des Fehlerverstärkers AMP2 und den Eingang des NMOS-Transistors NM3 gekoppelt. Das Übertragungstor TG1 dient zur Entkopplung des Ausgangs des Fehlerverstärkers von dem Eingang des Spannungsfolgers NM3 (d. h. des Gates von NM3). Die Gate-Spannung von NM3 wird durch einen Bufferkondensator C1 gebuffert, der gemeinsam mit dem geschalteten Übertragungstor TG1 eine Glättungs- und Tiefpassfunktion bereitstellt. Es können jedoch auch andere Ausführungen mit einer Tiefpasseigenschaft verwendet werden. Eine programmierbare Stromquelle I1 ist über einen PMOS-Transistor PM1 mit NM3 gekoppelt. Ebenso ist ein NMOS-Transistor NM4 zwischen die Source von NM3 und Masse gekoppelt.
Während des Betriebs werden die Transistoren PM1 und NM4 dazu verwendet, den Strom durch den Transistor NM3 ein- bzw. auszuschalten. Es gibt die Steuersignale LEDON und LEDOFF, die mit dem Übertragungstor TG1 und den Schalttransistoren PM1, NM4 gekoppelt sind. Wenn das Steuersignal LEDON logisch hoch ist, schaltet das Übertragungstor TG1 durch, und VG2 wird mit der Ausgangsspannung VG1 des Fehlerverstärkers AMP2 aktualisiert. Somit wird das Messsignal SEN nur dann mit dem vorgegebenen Zielwert ISET verglichen, während Strom durch den Transistor NM5 und den Widerstand R_SENS fließt. Die zweite Steuerspannung VG2 wird dann dem Transistor NM3 zugeführt, der so dimensioniert und vorgespannt ist, dass er eine entsprechende dritte Steuerspannung an seiner Source bereitstellt, wenn das Steuersignal LEDOFF niedrig ist, d. h. während einer ON-Phase der LED. Ebenso sind PM1 und die programmierbare Stromquelle I1 so dimensioniert, dass sie die entsprechenden Spannungspegel und kurze Anstiegszeiten erreichen. Wenn das Steuersignal LEDOFF hoch ist, d. h. die LED sollte ausgeschaltet sein, ist NM4 durchgeschaltet und zieht das Gate von NM5 herunter. Der Herunterzieheffekt kann durch die mit dem Knoten VG3 gekoppelte Konstantstromquelle I2 unterstützt werden. Vorteilhafterweise leitet die Konstantstromquelle I2 weniger Strom ab als durch die programmierbare Stromquelle I1 bereitgestellt wird, d. h. die durch die Konstantstromquelle I2 abgeleitete Menge ist kleiner als die Menge an Versorgungsstrom I_DS3 des Transistors NM3. Deshalb wird die Steuerspannung VG3 sofort auf einen im Grunde durch VG2 bestimmten Pegel hochgezogen, wenn PM1 durchgeschaltet ist, d. h. wenn das Steuersignal LEDOFF niedrig ist. Da die zweite Steuerspannung VG2 während der OFF-Periode der LED aufrechterhalten wird, kann der Spannungsfolger sich nahezu sofort einschwingen. Ein konstanter und präziser dritter Steuerspannungspegel VG3 wird dann an das Gate von NM5 angelegt. Durch Erhöhung von I_DS3 kann die Anstiegszeit verlängert werden.
Der von NM5 zu R_SENS, AMP2, TG1, C1 und NM3 reichende Regelkreis muss so dimensioniert sein, dass er stabil ist. Selbsterregung bzw. Eigenschwingung müssen vermieden werden, und es sollte ein entsprechendes Einschwingverhalten bereitgestellt werden. Lediglich als Beispiel können die Bauelemente die folgenden Eigenschaften aufweisen. Der Verstärker AMP2 kann eine begrenzte Transkonduktanz von 10 μS haben. Des weiteren kann der Kondensator C1 eine Kapazität von 100 pF haben, der Strom von der Konstantstromquelle I2 kann 10 μA betragen, und die programmierbare Stromquelle I1 kann auf 50 μA festgelegt werden. Der Messwiderstand R_SENSE kann einen Widerstand von 50 mΩ) haben. Hierdurch kann ein LED-Strom I_LED von maximal circa 2 A mit einem Spannungsabfall über den Messwiderstand R_SENS von maximal 100 mV gestattet werden. Wenn der Bufferkondensator C1 ausreichend groß gewählt wird, hält der Ausgang des Tiefpassfilters den Spannungspegel der zweiten Steuerspannung im Grunde konstant, während die LED ausgeschaltet ist. Entsprechend kann die nächste Aktivierung des Schalters (Durchschalten des Transistors NM5) äußerst schnell sein. Die Durchschaltzeit wird lediglich durch die programmierbare Stromquelle I1 begrenzt.
Des Weiteren ist eine Nachlaufstufe TRK mit dem Knoten VG2 gekoppelt, die eine Steuerspannung VREFMOD ausgibt, deren Funktionalität und Ausführung untenstehend in Bezug auf 3 erläutert wird. 3 zeigt einen vereinfachten Schaltplan einer Nachlaufstufe gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein aus den Verstärkern AMP3, AMP4 bestehender Fensterkomparator bestimmt, ob die zweite Steuerspannung VG2 innerhalb des durch LEDCMAX und LEDCMIN festgelegten Spannungsbereichs liegt oder nicht. Die Verstärker AMP3, AMP4 sind vorzugsweise Transkonduktanzverstärker. Der Ausgang des Fensterkomparators ist mit einer Regelkreiskonfiguration gekoppelt, in der ein Abtastkondensator C_S von zwei Schaltern (oder Übertragungstoren) TG2 und TG3, die abwechselnd aktiviert werden, umgeben ist. Die Steuersignale ON, ONZ, OFF, OFFZ sind sich nicht überlappende Taktsignale, die von LEDON und LEDOFF abgeleitet werden können (die in Bezug auf 2 erläutert wurden). Somit ist ON während einer ON-Periode der LED, d. h. wenn die LED licht emittiert, hoch. OFF ist während einer OFF-Periode der LED, d. h. während die LED ausgeschaltet ist, hoch. Der Buchstabe Z gibt das Komplementärsignal an. Der Verstärker AMP5 ist als Spannungsfolger geschaltet. LEDCMAX und LEDCMIN sind typischerweise auf Spannungspegel nahe VLED, bei der es sich um die interne Versorgungsspannung für die LED handelt, gesetzt. Zum Beispiel sind LEDCMAX = VLED –0,5 V und LEDCMIN = VLED –1 V. Die Verstärker AMP3 und AMP4 können eine begrenzte Transkonduktanz von 100 μS und eine maximale Stromtreibfähigkeit von 10 μA haben. R3 kann 25 kΩ betragen.
Wenn VG2 unter LEDCMIN liegt, leiten beide (z. B. Transkonduktanz)Verstärker AMP3 und AMP4 Strom ab, woraus sich über R3 ein Spannungsabfall von dem Ausgang von AMP5 zu VCOMP ergibt. Wenn VG2 über LEDCMIN und unter LEDCMAX liegt, treibt AMP4 Strom in den Knoten VCOMP, während AMP3 noch immer Strom von dem Knoten VCOMP ableitet, woraus sich über R3 kein Spannungsabfall ergibt, da sich beide Ströme gegenseitig aufheben. Wenn VG2 über LEDCMAX liegt, treiben beide Verstärker AMP3, AMP4 Strom in den Ausgang von AMP5, woraus sich über R5 ein negativer Spannungsabfall von dem Ausgang von AMP5 zu VCOMP ergibt.
Während die LED eingeschaltet ist, wird die abgetastete Spannung in dem Bufferkondensator C1 (d. h. VG2 in 2 gezeigt) mit einem durch LEDCMIN und LEDCMAX festgelegten Spannungsfenster verglichen. So lange diese zweite Steuerspannung VG2 niedriger als LEDCMIN ist, ist die Schalterimpedanz (in eingeschaltetem Zustand) noch nicht so niedrig, wie sie sein könnte. Wenn die zweite Steuerspannung VG2 den unteren Pegel des Spannungsfensters LEDCMIN erreicht, ist die Impedanz des Transistors NM5 (in 2 gezeigt) in dem ON-Zustand korrekt, und es wird keine weitere Optimierung benötigt. Wenn die zweite Steuerspannung VG2 über LEDCMAX ansteigt, hat der Schalter NM5 die niedrigst mögliche Impedanz erreicht, was bedeutet, dass die Stromregelung ihre Grenze beinahe oder ganz erreicht hat. In diesem Fall wird der DC-DC-Wandler (Abwärtswandler in 1 gezeigt) dazu aufgefordert, die LED-Versorgungsspannung V_LED durch Anheben der Steuerspannung VREFMOD zu erhöhen. Wenn die zweite Steuerspannung VG2 niedriger als LEDCMIN ist, wird VREFMOD verringert, bis die zweite Steuerspannung VG2 den benötigten Tiefstpegel LEDCMIN erreicht hat. Der allgemeine Ansatz beinhaltet die Aufladung des Abtastkondensators C_s mit einer niedrigeren Spannung als der tatsächliche Spannungspegel von VREFMOD. So lange die zweite Steuerspannung innerhalb des durch LEDCMIN und LEDCMAX festgelegten Spannungsfensters bleibt, wird der Kondensator C_S mit dem tatsächlichen Wert der Steuerspannung VREFMOD geladen. Wenn die LED ausgeschaltet ist, ist der kleine Kondensator C_S mit einer größeren Kapazität C_X verbunden, in der der tatsächliche Wert der Steuerspannung VREFMOD gespeichert ist. Die Verbindung der Kondensatoren C_S und C_X bringt eine Ladungsneuverteilung zwischen den beiden Kondensatoren mit sich, und VREFMOD wird erhöht. Dies gestattet eine schrittweise Änderung der Steuerspannung VREFMOD. Innerhalb des durch LEDCMIN und LEDCMAX festgelegten Spannungsfensters, und die Steuerspannung VREFMOD bleibt stabil.

Claims

Elektronische Vorrichtung, umfassend eine Schaltung zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (LED), wobei die Schaltung umfasst: einen ersten Schalter (NM5) zur Kopplung mit dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement (LED), um einen Strom (ID) durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED) zu schalten, ein Messmittel (RS) zur Messung einer Stärke des Stroms (ID) und zur Ausgabe eines entsprechenden Messsignals (SEN); einen Fehlerverstärker (AMP2) für das Empfangen des Messsignals (SEN) und eines vorgegebenen Zielwerts (ISET) des Stroms (ID) zur Bereitstellung einer ersten Steuerspannung (VG1) basierend auf der Abweichung der gemessenen Stärke des Stroms (ID) von dem vorgegebenen Zielwert (ISET); ein Tiefpassfilter, das mit dem Fehlerverstärker (AMP2) gekoppelt ist, um die erste Steuerspannung (VG1) zu filtern und dadurch eine zweite Steuerspannung (VG2) bereitzustellen, einen Spannungsfolger (NM3), der mit dem Tiefpassfilter und dem ersten Schalter gekoppelt ist, um die zweite Steuerspannung (VG2) zu empfangen, und der so konfiguriert ist, dass er eine dritte Steuerspannung (VG3) zur Steuerung einer Schaltaktivität des ersten Schalters (NM5) bereitstellt, und einen zweiten Schalter (PM1, NM4) zur Schaltung eines Versorgungsstroms (IDS3) des Spannungsfolgers (NM3), um den Spannungsfolger (NM3) ein- bzw. auszuschalten.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Tiefpassfilter einen Bufferkondensator (C1) zur Bufferung der zweiten Steuerspannung (VG2) an dem Eingang des Spannungsfolgers (NM3) und einen dritten Schalter (TG1) umfasst, der zwischen den Ausgang des Fehlerverstärkers (AMP2) und den ersten Bufferkondensator (C1) gekoppelt ist.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der zweite Schalter (PM1, NM4) und der dritte Schalter (TG1) so eingerichtet sind, dass sie in Bezug aufeinander abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, so, dass die zweite Steuerspannung (VG2) in dem Bufferkondensator (C1) lediglich dann mit dem Fehlerverstärker (AMP2) gekoppelt ist, wenn das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED) eingeschaltet ist.
Elektronische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Schalter (NM5) ein MOSFET-Transistor ist, und bei der eine Konstantstromquelle (I2) mit dem Gate des MOSFET-Transistors gekoppelt ist.
Elektronische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Spannungsfolger (NM3) einen MOSFET-Transistor umfasst und der Versorgungsstrom (IDS3) ein Drain-Strom durch den MOSFET-Transistor ist, und wobei die elektronische Vorrichtung ferner eine mit dem MOSFET-Transistor gekoppelte, programmierbare Stromquelle (I1) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie den Drain-Strom flexibel einstellt.
Elektronische Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Nachlaufstufe (TRK), die mit dem Eingang des Spannungsfolgers (NM3) gekoppelt ist, um die zweite Steuerspannung (VG2) zu verfolgen und einen Versorgungsspannungspegel (VLED) einer geregelten Spannungsversorgung für das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED) durch eine Modulationssteuerspannung (VREFMOD) zu steuern, um einen Spannungsabfall über den ersten Schalter (NM5) während einer ON-Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements (LED) zu minimieren.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Nachlaufstufe einen Fensterkomparator umfasst, um zu vergleichen, ob die zweite Steuerspannung (VG2) innerhalb eines Zielfensters zwischen einem maximalen Spannungspegel (LEDCMAX) und einem minimalen Spannungspegel (LEDCMIN) liegt oder nicht, um eine Komparatorausgangsspannung (VCOMP) gemäß dem Vergleichsergebnis bereitzustellen, wobei die Komparatorausgangsspannung (VCOMP) während einer ON-Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements auf einem Abtastkondensator (Cs) abgetastet wird, und die abgetastete Komparatorausgangsspannung (Cs) zur Auffrischung der Modulationssteuerspannung (VREFMOD) verwendet wird.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Nachlaufstufe ferner so eingerichtet ist, dass die Modulationssteuerspannung (VREFMOD) lediglich während einer OFF-Phase des lichtemittierenden Halbleiterbauelements (LED) aktualisiert wird.
Elektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Nachlaufstufe ferner so eingerichtet ist, dass sich das Zeitintervall zur Abtastung der Komparatorausgangsspannung (VCOMP) auf dem Abtastkondensator und das Zeitintervall zur Aktualisierung der Modulationssteuerspannung (VREFMOD) nicht überlappen.
Elektronische Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 9, ferner umfassend die Schaltung zur Ansteuerung des lichtemittierenden Halbleiterbauelements mehrere Male, um eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen anzusteuern, wobei jede derartige Treiberstufe dann durch die Nachlaufstufe mit einer geregelten Energieversorgung gekoppelt ist, um die Versorgungsspannung für jedes der Mehrzahl von Halbleiterbauelementen zu verfolgen.
Verfahren zur Ansteuerung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren umfasst: Schaltung eines Stroms durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED), Messung eines Stroms (ID) durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement (LED), Bestimmung einer Abweichung des gemessenen Stroms (ID) von einem vorgegebenen Zielwert, Bereitstellung einer ersten Steuerspannung (VG1) zur Einstellung des Stroms (ID) gemäß der bestimmten Abweichung, Filterung der ersten Steuerspannung (VG1) mit einem Tiefpassfiltermittel, um eine geglättete zweite Steuerspannung (VG2) bereitzustellen, Bufferung der zweiten Steuerspannung (VG2) mit einem Spannungsfolger, um eine dritte Steuerspannung bereitzustellen, Verwendung der dritten Steuerspannung zur Steuerung des ersten Schalters (NM5), und Ein- bzw. Ausschalten des Spannungsfolgers (NM3), um die dritte Steuerspannung (VG3) an dem Schalter anzulegen oder nicht anzulegen, wodurch der erste Schalter ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt der Aktualisierung der zweiten Steuerspannung (VG2) durch Verwendung der ersten Steuerspannung (VG1) nur dann, wenn das lichtemittierende Halbleiterbauelement eingeschaltet ist.