DE102012224275B4

DE102012224275B4 - Treiberschaltung mit niedrigen EMI und korrespondierendes Ansteuerverfahren

Info

Publication number: DE102012224275B4
Application number: DE102012224275.9A
Authority: DE
Inventors: Fabrizio Cortigiani; Franco Mignoli
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: US9548647B2; US8760129B2; CN103188856A; US20140247033A1; DE102012224275A1; US20130169256A1; CN103188856B

Abstract

Treiberschaltung zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms an eine Last (11), die Treiberschaltung umfasst:eine steuerbare Stromquelle (Q), die im Betrieb mit der Last (11) gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom (ii) nach Maßgabe eines Steuersignals (CTL) abzugeben oder aufzunehmen; undeinen steuerbaren Schalter (X, M), der auf ein Eingangssignal (ON) reagiert, wobei der steuerbare Schalter (X, M) im Betrieb mit der Stromquelle (Q) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den ersten Strom (ii) nach Maßgabe des Eingangssignals (ON) zu übernehmen oder nicht zu übernehmen, so dass der erste Strom (ii) als Laststrom (i) durch die Last (11) geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M) sperrend angesteuert wird, und der erste Strom (ii) durch den steuerbaren Schalter (M) an der Last (11) vorbei geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M) leitend angesteuert wird;wobei das Eingangssignal (ON) eine erste Serie von Pulsen aufweist, die einen gewünschten Laststromsignalverlauf definiert nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas; undwobei die Stromquelle derart gesteuert ist, dass der erste Strom (ii) vor einem Puls des Eingangssignals (ON) mit einer vom Steuersignal (CTL) abhängigen Steilheit hochgefahren und nach dem Puls wieder abgesenkt wird, um gewünschte Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen.

Description

Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Treiberschaltungen zum Erzeugen modulierter Versorgungsströme für elektrische Lasten, insbesondere LED-Treiberschaltungen zum Bereitstellen eines modulierten Versorgungsstroms an die LED-Bauelemente.
Es sind unterschiedliche Treiberschaltungen bekannt zum Erzeugen definierter Lastströme für elektrische Lasten wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs). Die Publikation DE 198 40 511 A1 beschreibt beispielsweise eine Ansteuerung für Laserdioden, bei der der Laststrom einer Laserdiode zugeführt wird, indem ein Bypass-Schalter ausgeschaltet wird. Die Publikation DE 10 2010 003 136 A1 betrifft eine Ansteuerschaltung für LEDs, die ebenfalls einen parallel zu einer LED geschalteten Bypass-Schalter aufweist. Die Publikationen US 7,880,404 B2 und US 5,736,881 A betreffen ebenfalls Treiberschaltungen und Stromquellen für LEDs. Da LEDs strombetriebene elektrische Lasten sind, wird üblicherweise eine Stromquelle verwendet, um die LED mit Strom zu versorgen. Der Laststrom definiert die Helligkeit des LED-Bauelements, welches eine einzelne LED oder auch ein Bauelement mit einer Vielzahl von LEDs, die beispielsweise in Serie geschaltet sind, sein kann. Um ein Einstellen der Intensität des emittierten Lichts (d.h. die wahrgenommene Helligkeit) einstellen zu können, kann eine steuerbare Stromquelle verwendet werden, welche auf einen Strom eingestellt ist, welcher die erwünschte Helligkeit repräsentiert. In digital gesteuerten Applikationen kann ein Digital-Analog-Wandler (DAC) verwendet werden, um den Strom der steuerbaren Stromquelle einzustellen.
Da das menschliche Auge keine hochfrequenten Änderungen der Helligkeit von 100 Hertz oder mehr wahrnehmen kann, ist es bekannt, die LED mit einem Strom, der mit einer genügend hohen Frequenz moduliert ist, zu versorgen (beispielsweise pulsweitenmoduliert, pulsdichtemoduliert, etc.). In diesem Fall wirkt das menschliche Auge als Tiefpassfilter für die resultierende modulierte (z.B. pulsweitenmodulierte) Helligkeit der LED, d.h. das Auge kann nur eine mittlere Helligkeit wahrnehmen, welche von dem mittleren LED-Strom abhängt, welcher proportional zum Tastverhältnis (duty cycle) der Pulsweitenmodulation (PWM) ist.
Folglich ist lediglich der mittlere Strom durch eine LED für die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit relevant. Es sei angemerkt, dass viele andere Typen von elektrischen Lasten auf ähnliche Weise angesteuert werden können wie LEDs, z.B. generische Lasten, deren Laststrom durch Modulieren eines konstanten Quellstroms eingestellt wird. Ein Variieren des mittleren Laststroms mithilfe von Modulationstechniken wird üblicherweise gegenüber Treiberschaltungen bevorzugt, welche den Laststrom kontinuierlich variieren, da die tatsächliche Wellenlänge des emittierten Lichts in unerwünschter Weise variieren kann, wenn der tatsächliche Laststrom variiert wird. Die Verwendung von Modulationstechniken zum Einstellen des durchschnittlichen Laststroms (und folglich der wahrgenommenen Helligkeit) verursacht keine Schwankungen der Wellenlänge, da der tatsächliche Laststrom nur die Werte Null oder einen voreingestellten maximalen Laststromwert annehmen kann nach Maßgabe eines Modulationssignals.
Aus den oben zusammengefassten Gründen sind Treiberschaltungen zum Ansteuern von Leuchtdioden oder anderer Lasten häufig derart ausgestaltet, den Laststrom verhältnismäßig schnell zu schalten, was in den Versorgungsleitungen hohe Stromgradienten und korrespondierende elektromagnetische Emissionen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zur Folge hat. Insbesondere beim Ansteuern von LEDs ist jedoch ein schnelles Schalten der Last häufig notwendig, da Laststromwerte, die vom Solllaststrom verschieden sind, Änderungen im Farbton der emittierten Farbe zur Folge haben können und folglich den gesamten Betrieb einer angeschlossenen LED-Komponente beeinträchtigen.
Um die Emissionen zu reduzieren und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern unter Beibehaltung eines schnellen und präzisen Schaltens des Laststroms besteht ein Bedarf für eine verbesserte Treiberschaltung zum Ansteuern von LEDs oder anderer strombetriebener Lasten. Folglich besteht eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine verbesserte Treiberschaltung zum Ansteuern von LEDs oder anderer strombetriebener Lasten zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Treiberschaltung gemäß Anspruch 1 und das korrespondierende Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Weiterentwicklungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Im Folgenden wird eine Treiberschaltung zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms an eine Last offenbart. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Schaltung eine steuerbare Stromquelle, welche im Betrieb mit der Last gekoppelt und dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom nach Maßgabe eines Steuersignals zu liefern oder aufzunehmen. Ein steuerbarer Schalter, der auf ein Eingangssignal reagiert, ist im Betrieb mit der Stromquelle gekoppelt und dazu ausgebildet, den ersten Strom nach Maßgabe eines Eingangssignals zu übernehmen oder nicht zu übernehmen. Der erste Strom wird als Laststrom durch die Last geleitet, wenn der steuerbare Schalter in einen sperrenden Zustand übergeführt wird. Der erste Strom wird durch den steuerbaren Schalter geleitet, wenn der steuerbare Schalter in einen leitenden Zustand übergeführt wird, um so die Last zu umgehen (bypassing). Ein Eingangssignal umfasst eine erste Folge von Pulsen, welche den gewünschten Verlauf des Laststroms nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas definiert. Die Stromquelle wird derart angesteuert, dass der erste Strom vor einem Puls des Eingangssignals ansteigt und nach dem Puls sinkt, wobei gewünschte Slew-Raten (Änderungsraten des Stroms bzw. Steilheit der Stromänderung) und folglich Anstiegs- und Abfallszeiten erreicht werden.
Des Weiteren ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms an eine Last offenbart. Nach Maßgabe eines weiteren Beispiels der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines ersten Stroms nach Maßgabe eines Steuersignals, welches dazu ausgebildet ist, den ersten Strom unter Verwendung eines steuerbaren Schalters zu übernehmen oder nicht zu übernehmen nach Maßgabe eines Eingangssignals. Der erste Strom wird als Laststrom durch die Last geleitet, wenn der steuerbare Schalter in einen sperrenden Zustand übergeführt wird. Der erste Strom wird durch den steuerbaren Schalter geleitet, wenn der steuerbare Schalter in einen leitenden Zustand übergeführt wird, wodurch die Last umgangen wird. Ein Eingangssignal umfasst eine Folge von Pulsen, welche den gewünschten Verlauf des Laststroms nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas definiert und wobei der Laststrom derart gesteuert wird, dass der erste Strom vor einem Puls des Eingangssignals ansteigt und nach dem Puls wieder abfällt, um gewünschte Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen.
Die Anstiegs- und Abfallszeiten können so gestaltet sein, dass eine gewünschte Slew-Rate des Steuersignals und folglich auch die Slew-Rate des ersten Stroms (d.h. die Steilheit der Stromänderung) erreicht wird.
Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die folgende Beschreibung besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, dass der Erfindung zugrunde liegende Prinzip darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

1 eine beispielhafte Treiberschaltung zum Bereitstellen eines definierten modulierten Laststroms an eine Last;
2 ein Zeitdiagramm, in dem unter anderem der Laststrom und der Strom durch die Versorgungsleitung über der Zeit dargestellt sind, wie sie beim Betrieb der Schaltung gemäß 1 auftreten;
3 ein Diagramm, in dem die Spektren der Störungen aufgrund elektromagnetischer Emissionen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen dargestellt sind;
4 ein Schaltbild einer ersten beispielhaften Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Menge von Zeitdiagrammen, in denen die Signalverläufe von Signalen, welche in der Schaltung gemäß 4 während des Betriebs auftreten, dargestellt sind;
6 ein Schaltbild einer zweiten beispielhaften Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Schaltbild einer dritten beispielhaften Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile.
Unterschiedliche Typen elektrischer Lasten werden üblicherweise mit modulierten Lastströmen versorgt, welche von einem konstanten Versorgungsstrom abgeleitet sind mithilfe von bekannten Modulationstechniken wie zum Beispiel Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) oder Pulsdichtemodulation (PDM), welche auch als Sigma-Delta-Modulation bekannt ist. Kombinationen dieser Modulationstechniken sind je nach Anwendung ebenfalls anwendbar. Alle diese Modulationstechniken werden zum hochfrequenten Modulieren eines Versorgungsstroms (z.B. 10 kHz oder mehr für LED-Treiberschaltungen) verwendet, um einen gewünschten Wert eines niederfrequenten oder quasi-statischen Parameters zu erreichen, wie zum Beispiel einen durchschnittlichen Laststrom, die wahrnehmbare Helligkeit einer LED oder die wahrnehmbare Farbe, wenn zwei oder mehr LEDs unterschiedlicher Farbe in einer Mehrfarben-LED-Anordnung verwendet werden.
1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel einer Treiberschaltung zum Versorgen einer LED (oder einer Serienschaltung von zwei oder mehr LEDs) mit einem definierten modulierten Strom mit einstellbarem Mittelwert, welcher der wahrnehmbaren Helligkeit der LED entspricht. Eine Energieversorgung (z.B. eine Batterie, die eine Versorgungsspannung V_S von z.B. 13,8 V bereitstellt) ist mit der Treiberschaltung 10 gekoppelt (Versorgungsanschluss A_VCC ), um den Treiber X_R und andere Schaltungsteile, hauptsächlich Logikschaltungsteile, mit Strom zu versorgen. Die Treiberschaltung 10 nimmt üblicherweise einen konstanten Bias-Strom (hoher Strom) auf, welcher im vorliegenden Beispiel mit i_CC bezeichnet ist. Das LED-Bauelement 11 (z.B. umfassend eine Leuchtdiode LD) ist zwischen die Versorgungsleitung, welche die Versorgungsspannung V_S bereitstellt, und einen Ausgangsschaltungsknoten (Anschluss OUT) der Treiberschaltung 10 geschaltet. Die Treiberschaltung 10 ist dazu ausgebildet, den Laststrom i_L des LED-Bauelements 11 nach Maßgabe eines modulierten Steuersignals ON aufzunehmen, welches einem Eingangsschaltungsknoten IN zugeführt ist. Für diesen Zweck umfasst die Treiberschaltung 10 eine (mithilfe des Schalters SW) schaltbare Stromquelle Q, welche zwischen den Ausgangsknoten OUT und ein Referenzpotential (z.B. Massepotential GND, verbunden mit dem Ausgangsanschluss A_GND ) derart geschaltet ist, dass der Laststrom i_L am Ausgangsknoten OUT aufgenommen wird. In einer beispielhaften Ausführungsform wird der Laststrom i_L , welcher am Schaltungsknoten OUT aufgenommen wird, moduliert (beispielsweise pulsdichtemoduliert nach Maßgabe eines Steuersignals ON) und kann folglich lediglich zwei unterschiedliche Werte annehmen, nämlich entweder Null oder einen fixen Maximalwert i_Lmax . Der Treiber X_R ist mit der schaltbaren Stromquelle (im vorliegenden Beispiel mit einem elektronischen Schalter SW, welcher in Serie zu der Stromquelle Q geschaltet ist) verbunden, um den Laststrom i_L nach Maßgabe des modulierten Steuersignals ON ein- und auszuschalten.
2 zeigt die Ströme (Laststrom i_L und Versorgungsstrom i_S ), welche während des Betriebs in der Treiberschaltung gemäß 1 auftreten, sowie das modulierte Steuersignal ON. Das untere Diagramm aus 2 zeigt das modulierte Steuersignal ON, welches beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das im vorliegenden Beispiel ein Tastverhältnis (duty cycle) von 50% aufweist. Eine Sigma-Delta-Modulation (Pulsdichtemodulation PDM) würde zu einem ähnlichen Signalverlauf des modulierten Steuersignals führen. Das mittlere Zeitdiagramm zeigt den Laststrom i_L , welcher durch das LED-Bauelement 11 fließt, und der am Schaltungsknoten OUT der Treiberschaltung 10 aufgenommen wird. Die Schaltzeitpunkte des Laststroms i_L passen mit den Schaltzeiten des modulierten Steuersignals ON zusammen (wenn man Signallaufzeiten ignoriert, welche für die vorliegenden Erwägungen vernachlässigbar sind). Im oberen Diagramm ist der Signalverlauf des gesamten Versorgungsstroms i_S abgebildet. Der Versorgungsstroms i_S entspricht dem Laststroms i_L plus einem zusätzlichen Offset-Strom, der dem Ruhestrom i_CC (Bias-Strom) der Treiberschaltung 10 und weiterer Schaltungsteile entspricht. 2 zeigt, dass das Schalten des Laststroms i_L nach Maßgabe des modulierten Steuersignals signifikante (stufenförmige) Stromgradienten zur Folge hat und folglich unerwünschte Emissionen elektromagnetischer Strahlung und als Folge davon elektromagnetische Interferenzen (EMI), welche die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der gesamten Schaltungsanordnung verschlechtern.
3 zeigt die Rauschspektren unterschiedlicher Schaltbetriebe sowie den gewünschten maximalen Rauschpegel abhängig von der Frequenz, der der diagonalen Linie entspricht, die sich von ungefähr 60 dBµV für eine Frequenz von ungefähr 0,15 MHz auf ungefähr 30 dBµV für eine Frequenz von ungefähr 30 MHz erstreckt, was auch als „BMW limit“ bekannt ist (Bezug nehmend auf die strengen EMV-Anforderungen, welche von dem deutschen Fahrzeughersteller BMW spezifiziert wurden). Es ist erwünscht, die Rauschspektren zu reduzieren, so dass diese unter dem BMW-Limit bleiben. Die Befolgung dieses Limits ist ein Erfordernis für die Anwendung einer LED-Treiberschaltung in einem Fahrzeug.
4 zeigt eine verbesserte Treiberschaltung 10 zum Bereitstellen eines Laststroms i_L an ein LED-Bauelement 11 (umfassend eine oder mehrere LEDs). Die Treiberschaltung 10 ist dazu ausgebildet, den Laststrom i_L , welcher dem LED-Bauelement 11 zur Verfügung gestellt wird, zu modulieren nach Maßgabe der Modulation des Eingangssignals ON und des Steuersignals CTL. Beispielhafte Signalverläufe des Eingangssignals ON, des Laststroms i_L und des gesamten Versorgungsstroms i_S sind in 5 dargestellt.
In dem Schaltbild aus 4 ist die schaltbare Stromquelle Q (siehe 1) detaillierter dargestellt. Im vorliegenden Beispiel umfasst die schaltbare Stromquelle einen Digital-Analog-Wandler IDAC mit Stromausgang, der dazu ausgebildet ist, einen Referenzstrom i_REF zu erzeugen, welcher mithilfe eines digitalen Steuersignals CTL eingestellt werden kann. Das heißt, der Wert des digitalen Steuersignals CTL (z.B. ein 8 Bit-Signal) bestimmt den tatsächlichen Analogwert des Referenzstroms i_REF . Folglich kann der Digital-Analog-Wandler IDAC mit Stromausgang als (digital) steuerbare Stromquelle angesehen werden. Es sei jedoch angemerkt, dass andere Typen von steuerbaren Stromquellen ebenso verwendet werden können. Des Weiteren umfasst die Stromquelle Q einen aktiven Stromspiegel, welcher mithilfe eines Operationsverstärkers OA des MOS-Transistors M₁ und zweier Widerstände implementiert ist, welche Widerstandswerte von R_S und R_S' = k · R_S aufweisen. Der Referenzstrom wird über den Widerstand R_S ' (z.B. nach Masse) abgeleitet. Der resultierende Spannungsabfall i_REF · k · R_S wird dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers OA treibt das Gate des MOS-Transistors M₁ derart, dass der Drainstrom i₁ des MOS-Transistors M₁ proportional zu dem Referenzstrom i_REF ist (mit einem Proportionalitätsfaktor von k). Der Sourceanschluss des MOS-Transistors M₁ ist mit einem Referenzpotential verbunden, beispielsweise mit dem Massepotential, über den zweiten Widerstand R_S . Der resultierende Spannungsabfall i₁ · R_S wird zurückgeführt an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA, wodurch eine rückgekoppelte Operationsverstärkerschaltung gebildet wird. Aufgrund des hohen Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers wird die Differenz zwischen den Eingangsspannungen des Operationsverstärkers OA (i_REF · k · R_S und i₁ · R_S ) auf ungefähr Null geregelt, und folglich wird i₁ geregelt auf ungefähr k · i_REF. Im Wesentlichen wird der Referenzstrom als Drainstrom des MOS-Transistors M₁ „gespiegelt“ (und um einen Faktor k verstärkt). Das Drain des Transistors M₁ ist mit dem Ausgangsschaltungsknoten OUT verbunden, über den der Transistor M₁ mit dem LED-Bauelement 11 gekoppelt ist, um so das Aufnehmen des Laststroms i_L des LED-Bauelements über den Transistor M₁ zu ermöglichen.
Des Weiteren ist das Drain des MOS-Transistors M₁ auch mit dem Versorgungsanschluss A_VCC gekoppelt (und folglich an das Versorgungspotential V_S ) über den zweiten MOS-Transistor M₂ , dessen Gate mithilfe des Treibers X₂ nach Maßgabe des Eingangssignals ON angesteuert wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Transistor M₁ ein N-Kanal-MOS-Transistor, wohingegen der Transistor M₂ ein P-Kanal-MOS-Transistor ist. Der P-Kanal-Transistor M₂ ist leitend, wenn das Gate mit einem niedrigen Pegel angesteuert wird (d.h., wenn das Eingangssignal ON „low“ ist).
Die Funktion der Treiberschaltung 10 wie in 4 dargestellt wird weiter erläutert unter Bezugnahme auf die in 5 dargestellten Signal-Zeitdiagramme. Im Allgemeinen kann die Form des Signalverlaufs von i₁ (indirekt über den Stromspiegel OA, R_S , R_S ', M₁ ) eingestellt werden mithilfe des Digitalwerts CTL unter Verwendung des Digital-Analog-Wandlers IDAC. Wenn der P-Kanal-MOS-Transistor M₂ in einem sperrenden Zustand ist, dann ist der Laststrom des LED-Bauelements 11 gleich dem Transistorstrom i₁ . Durch volles oder teilweises Aktivieren des P-Kanal-MOS-Transistors M₂ nach Maßgabe des Eingangssignals ON kann der Laststrom i_L voll oder teilweise von dem Transistor M₂ übernommen werden. Wenn der Transistor M₂ voll leitet (d.h. wenn das Signal ON auf einem niedrigen Pegel ist), dann wird das LED-Bauelement durch den Transistor M₂ „überbrückt“, der Laststrom i_L durch das LED-Bauelement ist Null und der Drainstrom i₂ des Transistors M₂ (auch als Bypass-Transistor bezeichnet) ist gleich dem Drainstrom i₁ des N-Kanal-MOS-Transistors M₁ , welcher nach Maßgabe des digitalen Steuersignals CTL eingestellt ist. Es sei angemerkt, dass der gesamte Strom, welcher von der Versorgungsleitung bezogen und nach Masse abgeleitet wird, dem Drainstrom i₂ entspricht, wie durch das Steuersignal CTL eingestellt, zuzüglich dem Ruhestrom i_CC (nicht dargestellt in 4, siehe 1). Folglich kann die „Form“ des gesamten Laststromsignalverlaufs (welcher verantwortlich ist für die EMV-Performance der gesamten Schaltung) eingestellt werden durch eine geeignete Auswahl des Steuersignals CTL. Der Laststrom i_L , welcher dem LED-Bauelement 11 zur Verfügung gestellt wird, wird lediglich dadurch aktiviert, dass der Bypass-Transistor M₂ ausgeschaltet wird (d.h. durch Setzen des Eingangssignals ON für den in dem Beispiel aus 5 verwendeten P-Kanal-Bypass-Transistor auf einen hohen Pegel). In anderen Worten, die Form des Laststroms i₁ + i_CC wird mithilfe des Steuersignals CTL derart eingestellt, dass die Schaltung die Anforderungen bezüglich elektromagnetischer Emissionen (EMI) erfüllt, wobei der Strom vom Bypass-Transistor M₂ auf das LED-Bauelement 11 „übergeben“ wird durch geeignetes Schalten des Eingangssignals ON.
Beispielhafte Signalverlaufsdiagramme des Eingangssignals ON, der Ströme i₁ und i₂ sowie i_L sind in 5 dargestellt und werden nachfolgend diskutiert. Für die weitere Diskussion wird angenommen, dass der Laststrom i_L moduliert werden soll (z.B. unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation, Pulsfrequenzmodulation, Pulsdichtemodulation oder ähnlichem). Der gewünschte Signalverlauf des Laststroms i_L wird bestimmt durch den Verlauf des Eingangssignals ON. Um einen Laststrom-Puls zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ zu erzeugen, ist das Eingangssignal ON auf einem hohen Pegel vom Zeitpunkt t₁ an bis zum Zeitpunkt t₂ . Während des Zeitintervalls t₂ - t₁ befindet sich der Bypass-Transistor in einem sperrenden Zustand und der Laststrom i_L durch das LED-Bauelement ist gleich dem Strom i₁ , welcher durch das Steuersignal CTL wie oben erklärt eingestellt wird. Während das Eingangssignal ON auf einem niedrigen Pegel ist, z.B. für Zeitpunkte t < t₁ und t > t₂, ist der P-Kanal-Bypass-Transistor M₂ leitend und schließt das LED-Bauelement 11 kurz, und das LED-Bauelement ist folglich in einem ausgeschalteten Zustand.
Bevor das LED-Bauelement 11 zum Zeitpunkt t₁ tatsächlich eingeschaltet wird, wird der Drainstrom i₁ des Transistors M₁ sukzessive von Null auf den gewünschten Maximalwert i_Lmax hochgefahren (durch entsprechendes Einstellen des Wertes des Steuersignals CTL), während der Bypass-Transistor M₂ das LED-Bauelement 12 kurzschließt und den Drainstrom i₁ des Transistors M₁ übernimmt. Während dieser Phase des Hochfahrens (z.B. zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ ) ist der Bypass-Transistor M₂ voll leitend und folglich gelten die Gleichungen i₁ = i₂ und i_L = 0 (ungefähr). Das Hochfahren des Drainstroms i₁ (der im Wesentlichen zu dem Versorgungsstrom beiträgt) ist im unteren Diagramm der linken Spalte von 5 dargestellt (durchgezogene Linie). Der korrespondierende Verlauf des Eingangssignals ON ist in dem oberen Diagramm der linken Spalte der 5 dargestellt. Am Ende der Phase des Hochfahrens (z.B. zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ ) ist der Bypass-Transistor M₂ voll sperrend (Signal ON ist auf einem hohen Pegel) und folglich gelten die Gleichungen i₁ = i_L und i₂ = 0 (ungefähr). Im Wesentlichen wird der Strom i₁ der Stromquelle Q von dem Transistor M₂ an das LED-Bauelement 11 „übergeben“. Am Ende des gewünschten Laststrompulses, d.h. zum Zeitpunkt t₂ , übernimmt der Bypass-Transistor M₂ wieder den Strom i₁ und folglich gelten wieder die Gleichungen i₁ = i₂ und i_L = 0. Zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ wird der Strom i₁ der Stromquelle Q abgesenkt auf Null mit einer definierten Slew-Rate. Durch richtiges Einstellen der Zeitintervalle t₁ - t₀ und t₃ - t₂ (durch das Steuersignal CTL) kann die Slew-Rate (d.h. die Steilheit der Stromänderung) auf einen beliebigen gewünschten Wert eingestellt werden, während ein scharfer Übergang (wie gewünscht) in dem tatsächlichen Laststrom i_L , der durch das LED-Bauelement fließt, aufrecht erhalten wird. Eine geringe Slew-Rate (beispielsweise gemessen in Ampere pro Nanosekunden, A/ns) verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit signifikant durch Reduzieren der in der gesamten Schaltung erzeugen elektromagnetischen Interferenzen (EMI).
Das in 6 dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen identisch mit dem Beispiel aus 4, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass der P-Kanal-Bypass-Transistor M₂ durch einen N-Kanal-Bypass-Transistor (auch als M₂ bezeichnet in 6) ersetzt wird. Dementsprechend muss das Eingangssignal ON invertiert werden im Vergleich zu dem Beispiel aus 4. Des Weiteren wird der Laststrom i_L nicht direkt von dem MOS-Transistor M₁ aufgenommen wie in dem vorherigen Beispiel, sondern über einen dritten Transistor M₂', welcher zwischen das LED-Bauelement 11 und den Laststrompfad des Transistors M1 geschaltet ist. Der dritte Transistor M₂ ' wird mit einem Gatesignal angesteuert, welches invers (Inverter X₁ ) zu dem Gatesignal des Bypass-Transistors M₂ ist (erzeugt durch den Treiber X₂ ). Der dritte Transistor M₂ ' wird nur benötigt, wenn das Versorgungspotential V_L , welches das LED-Bauelement 11 versorgt, höher ist als das Versorgungspotential V_S , welches die Treiberschaltung 10 versorgt. Andernfalls würde die intrinsische Diode (reverse diode) des Bypass-Transistors M₂ in unerwünschter Weise leitend. Nichts desto trotz ist die Funktion des Beispiels aus 6 im Wesentlichen die gleiche wie die Funktion des vorhergegangenen Beispiels.
Das Beispiel aus 7 ist ebenso im Wesentlichen identisch mit dem Beispiel aus 4, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass der P-Kanal-Bypass-Transistor M₂ einen zweiten P-Kanal-Transistor M₂ ' in Serie dazugeschaltet hat in einer „Upside-down“-Konfiguration, so dass der zweite P-Kanal-MOS-Transistor M₂ ' im Wesentlichen als Diode arbeitet, welche eine Rückwärtsleitung des eigentlichen Bypass-Transistors M₂ verhindert in Fällen, in denen das Versorgungspotential V_L , welches das LED-Bauelement 11 versorgt, höher ist als das Versorgungspotential V_S , welches die Treiberschaltung 10 versorgt. Die Basis des zweiten P-Kanal-Transistors kann unbeschaltet bleiben oder mit der Sourceelektrode verbunden werden.
Es sei angemerkt, dass das Eingangssignal ON, welches die ON-Pulse des Laststroms i_L definiert, und das Steuersignal CTL, welches die Slew-Rate des gesamten Versorgungsstroms definiert wie oben erwähnt, typischerweise mithilfe eines digitalen Prozessors oder eines Mikrokontrollers erzeugt werden. Jedoch können auch andere steuerbare Signalquellen geeignet sein.
Manche Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der Folge zusammengefasst. Das Folgende ist jedoch nicht als komplette Aufzählung wesentlicher Merkmale der vorliegenden Erfindung zu verstehen. In den oben diskutierten Abbildungen sind eine Anzahl von Treiberschaltungen gezeigt zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms i_L an eine Last. Diese Schaltungen umfassen eine steuerbare Stromquelle Q, welche mit der Last gekoppelt ist, welche beispielsweise das LED-Bauelement 11 ist. Die steuerbare Stromquelle Q ist dazu ausgebildet, einen ersten Strom i₁ nach Maßgabe eines Steuersignals CTL, welches ein Digitalsignal sein kann, aufzunehmen oder abzugeben. Ein steuerbarer Schalter (z.B. der Bypass-Transistor M₂ ) reagiert auf ein Eingangssignal ON und ist mit der Stromquelle Q verbunden. Der Schalter ist dazu ausgebildet, den ersten Strom nach Maßgabe des Eingangssignals ON zu übernehmen oder nicht zu übernehmen in einer Weise, dass der erste Strom i₁ als Laststrom i_L durch das LED-Bauelement 11 geleitet wird, wenn der steuerbare Schalter sperrend angesteuert wird. Des Weiteren wird der erste Strom i₁ durch den steuerbaren Schalter geleitet, wenn der Schalter leitend angesteuert wird, wodurch das LED-Bauelement 11 kurzgeschlossen wird. Für diesen Zweck umfasst das Eingangssignal ON eine erste Folge von Pulsen, welche den erwünschten Signalverlauf des Laststroms nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas definiert. Schließlich wird die Stromquelle Q derart angesteuert, dass der erste Strom i₁ hochgefahren wird vor einem Puls in dem Eingangssignal ON und abgesenkt wird nach dem Puls, um erwünschte Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen. Die Anstiegs- und Abfallszeiten werden eingestellt, um eine gewünschte Slew-Rate des ersten Stroms i₁ zu erreichen.
Es soll erwähnt werden, dass Merkmale, welche unter Bezugnahme auf eine bestimmte Abbildung erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Abbildungen kombiniert werden können, auch wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. Ferner können die erfindungsgemäßen Verfahren sowohl vollständig in Software implementiert werden unter Verwendung geeigneter Prozessorinstruktionen, oder als hybride Implementierungen, welche eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Claims

Treiberschaltung zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms an eine Last (11), die Treiberschaltung umfasst: eine steuerbare Stromquelle (Q), die im Betrieb mit der Last (11) gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom (ii) nach Maßgabe eines Steuersignals (CTL) abzugeben oder aufzunehmen; und einen steuerbaren Schalter (X₂, M₂), der auf ein Eingangssignal (ON) reagiert, wobei der steuerbare Schalter (X₂, M₂) im Betrieb mit der Stromquelle (Q) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den ersten Strom (ii) nach Maßgabe des Eingangssignals (ON) zu übernehmen oder nicht zu übernehmen, so dass der erste Strom (ii) als Laststrom (i_L) durch die Last (11) geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M₂) sperrend angesteuert wird, und der erste Strom (ii) durch den steuerbaren Schalter (M₂) an der Last (11) vorbei geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M₂) leitend angesteuert wird; wobei das Eingangssignal (ON) eine erste Serie von Pulsen aufweist, die einen gewünschten Laststromsignalverlauf definiert nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas; und wobei die Stromquelle derart gesteuert ist, dass der erste Strom (ii) vor einem Puls des Eingangssignals (ON) mit einer vom Steuersignal (CTL) abhängigen Steilheit hochgefahren und nach dem Puls wieder abgesenkt wird, um gewünschte Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die steuerbare Stromquelle (Q) einen Digital-Analog-Wandler (IDAC) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Digitalwerte des Steuersignals (CTL) zu empfangen und ein entsprechendes Analogsignal (i_REF) bereitzustellen, wobei die Stromquelle (Q) dazu ausgebildet ist, den ersten Strom (ii) derart zu erzeugen, dass der erste Strom (ii) im Wesentlichen proportional zu dem Analogsignal (i_REF) ist.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die steuerbare Stromquelle (Q) umfasst: einen Digital-Analog-Wandler (IDAC) mit Stromausgang, der dazu ausgebildet ist, Digitalwerte des Steuersignals (CTL) zu empfangen und einen Referenzstrom (i_REF) bereitzustellen in Abhängigkeit des Steuersignals (CTL); und eine Stromspiegelschaltung (OA, M₁, k · R_S, R_S), die dazu ausgebildet ist, den ersten Strom (i₁) so zu erzeugen, dass der erste Strom proportional zu dem Referenzstrom (i_REF) ist.
Treiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der steuerbare Schalter einen Bypass-Transistor (M₂) aufweist mit einem Laststrompfad, der mit der steuerbaren Stromquelle (Q) gekoppelt ist, wobei der Bypass-Transistor (M₂) dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe des Eingangssignals (ON) ein- oder auszuschalten.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 4, wobei der Bypass-Transistor (M₂) zwischen die steuerbare Stromquelle (Q) und ein erstes Versorgungspotential (V_S) gekoppelt ist.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 5, wobei der Bypass-Transistor (M₂) einen P-Kanal-MOS-Transistor aufweist.
Treiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, die weiter einen weiteren Transistor (M₂') aufweist, der zwischen die steuerbare Stromquelle (Q) und die Last gekoppelt ist, wobei der weitere Transistor (M₂') dazu ausgebildet ist, mit einer invertierten Version des Eingangssignals (ON), das dem Bypass-Transistor (M₂) zur Verfügung gestellt wird, angesteuert zu werden.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 7, wobei der Bypass- Transistor (M₂) und der weitere Transistor (M₂') N-Kanal-MOS-Transistoren aufweisen.
Treiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Bypass-Transistor (M₂) einen P-Kanal-MOS-Transistor aufweist, wobei die Treiberschaltung weiter einen weiteren P-Kanal-MOS-Transistor (M₂'') aufweist, der in Serie zu dem Bypass-Transistor (M₂) geschaltet ist, so dass die Sourceelektroden des Bypass-Transistor (M₂) und des weiteren P-Kanal-MOS-Transistors (M₂'') direkt mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten verbunden sind derart, dass der weitere P-Kanal-MOS-Transistor (M₂'') als Diode arbeitet.
Treiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Eingangssignal (ON) und das Steuersignal (CTL) durch einen Mikrokontroller oder einen digitalen Prozessor bereitgestellt werden.
Treiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Steuersignal (CTL) zusammengesetzt ist aus einer zweiten Folge von Pulsen mit einer definierten Slew-Rate, wobei jeder Puls der ersten Folge von Pulsen während eines korrespondierenden Pulses der zweiten Folge auftritt.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 11, wobei die Pulse der zweiten Folge Pulsweiten aufweisen, welche zumindest um die Anstiegs- und Abfallszeiten der Pulse der zweiten Serie länger sind als die Pulsweiten korrespondierender Pulse der ersten Folge.
Treiberschaltung gemäß Anspruch 11, wobei eine Anstiegszeit und eine Abfallszeit eines Pulses der zweiten Folge vor bzw. nach einem korrespondierenden Puls der ersten Folge auftreten.
Verfahren zum Bereitstellen eines modulierten Laststroms an eine Last, das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines ersten Stroms (i₁) nach Maßgabe eines Steuersignals (CTL); Übernehmen oder nicht Übernehmen des ersten Laststroms (i₁) unter Verwendung eines steuerbaren Schalters (M₂) nach Maßgabe eines Eingangssignals (ON), so dass der erste Strom (ii) als Laststrom (i_L) durch die Last (11) geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M₂) sperrend angesteuert wird, und der erste Strom (i₁) durch den steuerbaren Schalter (M₂) an der Last vorbei geführt wird, wenn der steuerbare Schalter (M₂) leitend angesteuert wird; wobei das Eingangssignal (ON) eine erste Folge von Pulsen aufweist, welche einen gewünschten Laststromverlauf nach Maßgabe eines gewünschten Modulationsschemas definiert; und wobei zum Bereitstellen des ersten Stroms (i₁) eine Stromquelle (Q) verwendet wird, die von dem Steuersignal (CTL) derart ansteuerbar ist, dass der erste Strom (i₁) mit einer vom Steuersignal (CTL) abhängigen Steilheit vor einem Puls des Eingangssignals (ON) hochgefahren und nach dem Puls wieder abgesenkt wird, um erwünschte Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Steuersignal (CTL) aus einer zweiten Folge von Pulsen besteht mit einer definierten Slew-Rate, wobei jeder Puls der ersten Folge während eines korrespondierenden Pulses der zweiten Folge auftritt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Pulse der zweiten Folge Pulsweiten aufweisen, welche um zumindest eine Anstiegs- und Abfallszeit der Pulse der zweiten Folge länger sind als die Pulsweiten der korrespondierenden Pulse der ersten Folge.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei eine Anstiegszeit und eine Abfallszeit eines Pulses der zweiten Folge vor bzw. nach dem korrespondierenden Puls der ersten Folge auftreten.