DE102017204718B4

DE102017204718B4 - Abgleichsystem und Verfahren für regulierte Stromspiegel

Info

Publication number: DE102017204718B4
Application number: DE102017204718.6A
Authority: DE
Inventors: Shyam Narayanan; Fulvio Schiappelli
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: US9961729B1; DE102017204718A1

Abstract

Abgleichsystem (5) zum Abgleichen eines Laststroms, der für einen Lastanschluss (106) bereitgestellt wird, wobei das Abgleichsystem (5) Folgendes umfasst:einen Referenzstromschaltungszweig miteiner Stromquelle (650), die konfiguriert ist, einen Referenzstrom zu erzeugen;einem ersten Element (620) mit variablem Widerstand; undeinem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621), das zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten Element (620) mit variablem Widerstand verbunden ist;einen Laststromschaltungszweig mitdem Lastanschluss (106);einem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand, das konfiguriert ist, einen Widerstandswert zu erreichen abhängig von einem Widerstandswert, der durch das erste Element (620) mit variablem Widerstand erreicht wird; undeinem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611), das zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten Element mit variablem Widerstand verbunden ist;einen Spannungsregulierer (431), der konfiguriert ist, eine zweite Spannung an einem Knoten (433) zwischen dem Lastanschluss (106) und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611) abhängig von einer ersten Spannung an einem Knoten (443) zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621) zu regulieren,einen Stromregulierer (50), der konfiguriert ist, den Laststrom, der für den Lastanschluss (106) bereitgestellt wird, basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Ausgangsanschluss (444) des ersten entkoppelnden Widerstandselements (621) und einem zweiten Ausgangsanschluss (445) des zweiten entkoppelnden Widerstandselements (611) zu regulieren,.wobei der Stromregulierer (50) konfiguriert ist, basierend auf der Spannungsdifferenz den Laststrom durch Aktivieren oder Deaktivieren eines Stromzweigs innerhalb des Laststromschaltungszweigs zu regulieren, wobei der Stromzweig parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand angeordnet ist und ein drittes Element (6101) mit variablem Widerstand umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Abgleichen eines Laststroms, der für einem Lastanschluss bereitgestellt wird. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf ein System und ein Verfahren zum Abgleichen regulierter Stromspiegel, die Lastströme für mehrere Leuchtdioden-Schaltungen, LED-Schaltungen, bereitstellen.
Hintergrund
Leuchtdioden (LED) sind Halbleiterlichtquellen, die herkömmlicherweise in vielen Geräten als Anzeigelampen verwendet werden. Zusätzlich werden LEDs zunehmend auch zur Beleuchtung verwendet, wo eine spezielle Verwendung das Bereitstellen von Hintergrundbeleuchtung ist. Beispielsweise wird LED-Hintergrundbeleuchtung zunehmend für Flüssigkristallanzeigevorrichtungen (LCDs) verwendet, da LCDs nicht ihre eigene Beleuchtung produzieren. Darüber hinaus werden LED-Hintergrundbeleuchtungssysteme zunehmend verbreitet zum Gebrauch in der Anzeige-Hintergrundbeleuchtung und Tastenfeld-Hintergrundbeleuchtung in tragbaren Geräten wie z. B. Mobiltelefonen, Smartphones, PDAs, Digitalkameras, persönlichen Navigationsgeräten und anderen tragbaren Geräten mit Tastenfeldern und/oder LCD-Anzeigevorrichtungen.
LED-Beleuchtungssysteme werden allgemein mit einer Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Lichtquellen wie z. B. Glühlampenbeleuchtung in Verbindung gebracht. Beispielsweise sind LEDs effizient, werden mit einer längeren Lebensdauer in Verbindung gebracht, zeigen schnelleres Schalten und produzieren weniger Wärme als herkömmliche Lichtquellen. Aufgrund von schnelleren Schalteigenschaften von LEDs sind sie zum Gebrauch in schnellen und hoch ansprechenden Schaltungen dadurch geeignet, dass sie sowohl eine schnelle Reaktions-/Anlaufzeit als auch die Fähigkeit, mit hoher Frequenz betrieben zu werden, ermöglichen, was weitere Verbesserungen wie Frequenzmodulation erlaubt, um den Energieverbrauch zu reduzieren.
LED-Beleuchtungssysteme umfassen typischerweise „Ketten“ gestapelter LEDs (im Folgenden auch als LED-Ketten oder LED-Schaltungen bezeichnet), in denen mehrere LEDs in Reihe verbunden sind. Eine LED-Treibersteuerungsschaltung stellt eine regulierte hohe Versorgungsspannung für die LED-Ketten aus gestapelten LEDs bereit. Eine verbreitete Praxis, um den Strom zu steuern, der in jeder aus den LED-Ketten fließt, ist es, einen wohldefinierte Strom aus der Kathodenseite jeder LED-Kette über programmierbare Stromquellen oder programmierbare Stromsenken zu ziehen. Um die Systemkomponenten gegen zu hohe Spannungspegel zu schützen und zu vermeiden, dass ein zu hoher Strom in der LED-Schaltung fließt, ist im Allgemeinen ein Überspannungsschutzmechanismus bereitgestellt, um das Zuführen von Energie zur der Schaltung im Fall, wenn die Spannung über einen speziellen Schwellenwert ansteigt, zu deaktivieren.
1 stellt schematisch ein herkömmliches LED-Beleuchtungssystem 100 dar. Dieses LED-Beleuchtungssystem 100 umfasst mehrere LED-Ketten 101 (von denen 1 nur eine in zu anschaulichen Zwecken gezeigt ist), wobei jede LED-Kette 101 mehrere LEDs 102 umfasst. Typischerweise kann eine LED-Kette 101 bis zu sechs oder mehr LEDs 102 umfassen, und das LED-Beleuchtungssystem 100 kann bis zu 12 oder mehr LED-Ketten 101 umfassen. Ein IDAC-Stromgenerator (Strom-Digital/Analog-Umsetzer-Stromgenerator) 110, der ein Beispiel für eine programmierbare Stromsenke ist, ist für jede LED-Kette 101 an der Kathodenseite der jeweiligen LED-Kette 101 vorgesehen. Die IDAC-Stromgeneratoren 110 erlauben Senken/Ziehen eines wohldefinierten Stroms aus jeder LED-Kette 101 zu Masse. Das LED-Beleuchtungssystem 100, das in 1 dargestellt ist, umfasst ferner eine Aufwärtsreguliererschaltung 120 (Energiequelle), die eine Aufwärtssteuereinheit 130 umfasst und ausgelegt ist, eine regulierte Verstärkungsspannung (Versorgungsspannung, Ansteuerspannung) für jede aus den LED-Ketten 101 bereitzustellen, oder genauer für einen Verstärkungsspannungsknoten 105 an der Anodenseite jeder LED-Kette 101. Eine Rückkopplungsspannung von einem Rückkopplungsknoten 106 auf der Kathodenseite jeder LED-Kette 101 ist für die Aufwärtsreguliererschaltung 120 bereitgestellt. Die Aufwärtsreguliererschaltung 120 ist ausgelegt, eine Batteriespannung auf eine Versorgungsspannung zu verstärken, die höher ist als die Batteriespannung, und die Spannung an dem Rückkopplungsknoten 106 an der Kathodenseite jeder LED-Kette durch Ausführen von Rückkopplungssteuerung in Übereinstimmung mit den aus den LED-Ketten 101 empfangenen Rückkopplungsspannungen zu regulieren.
In dem LED-Beleuchtungssystem 100, das in 1 dargestellt ist, ist der Strom ILED jeder LED-Kette 101 durch einen jeweiligen IDAC-Stromgenerator 110 programmiert. Der Spannungsabfall (Overhead) über jeden IDAC-Stromgenerator 110 (d. h. der Spannungsabfall zwischen dem Rückkopplungsknoten 106 und Masse) mal dem jeweiligen Strom multipliziert mit der Anzahl von LED-Ketten 101 führt zu Leistungsverlust, der minimiert werden sollte, um die gesamte Verstärkungseffizienz zu erhöhen.
Genauer ist die gesamte Verlustleistung, die sich aus dem Overhead-Verbrauch ergibt, gegeben durch $P_{diss} = V_{LED} \cdot I_{LED} \cdot N_{str},$
wobei VLED die Spannung an dem Rückkopplungsknoten 106 ist, ILED der Strom ist, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt, und Nstr die Anzahl der LED-Schaltungen 101 ist. Hier und im Folgenden, sofern nicht anders angegeben, ist zu verstehen, dass alle Spannungen in Bezug auf Masse angegeben sind. Somit muss, um die Effizienz des Aufwärtsreguliererschaltung 120 zu erhöhen, der Overhead reduziert werden.
Beleuchtungssysteme des Standes der Technik setzten mehrere Stromspiegel, einen oder mehrere für jede LED-Kette 101, als Quelle für den wohldefinierten Strom zu jeder LED-Kette 101 ein. Jeder Stromspiegel ist konfiguriert, einen jeweiligen Referenzstrom zu der Kathodenseite der jeweiligen LED-Kette 101 zu spiegeln. Herkömmlicherweise werden kaskodierte Stromgeneratoren, die in Sättigung arbeiten, zum Bilden der Stromspiegel verwendet.
Die Beleuchtungssysteme weisen den Nachteil auf, dass ein hoher Spannungsabfall über den Stromgeneratoren auftritt, d. h. dass ein hoher Overhead vorhanden ist, auf Kosten der Systemeffizienz. Zusätzlich weisen herkömmliche Beleuchtungssysteme eine schlechte Skalierbarkeit auf, was Ruhestromverbrauch betrifft und auch was die Fläche der Schaltungsanordnung betrifft. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Beleuchtungssysteme ist, dass Eigenschaften (wie z. B. Schwellenspannungen und/oder Widerstände) der Transistoren, die in den Stromspiegeln verwendet werden, von erwarteten Eigenschaften aufgrund eines nicht perfekten Herstellungsprozesses, während dem z. B. Dotierungsfehlabstimmungen auftreten, abweichen können. Als ein Ergebnis können die Werte der Ströme, die durch jede LED-Schaltung fließen, von erwarteten Werten abweichen, was die Gesamtleistungsfähigkeit des Beleuchtungssystems weiter verschlechtert.
Somit ist ein Bedarf für Mittel und ein Verfahren zum Steuern von Strömen in mehreren LED-Ketten eines LED-Beleuchtungssystems, die zu einem geringen Overhead und hoher Genauigkeit führen, vorhanden. Das vorliegende Dokument adressiert die vorstehend genannten technischen Probleme. Insbesondere adressiert das vorliegende Dokument das technische Problem der genauen Steuerung von Lastströmen, die für mehrere LED-Ketten bereitgestellt werden.
EP 0 523 266 A1 beschreibt Mittel, die die Spannungen an den Drain-Source-Strecken eines Referenztransistors und eines Ausgangstransistors miteinander vergleichen und die Gatespannungen der beiden Transistoren so regelt, dass beide Drain-Source-Spannungen gleich werden.
US 2007 / 0 205 823 A1 beschreibt einen Operationsverstärker, dessen nichtinvertierender Eingang an den Drain-Anschluss eines ersten Transistors angeschlossen ist, dessen invertierender Eingang an den Drain-Anschluss eines zweiten Transistors angeschlossen ist, und dessen Ausgang an die Gate-Anschlüsse der beiden Transistoren angeschlossen ist, um die gemeinsame Gate-Spannung zu regeln.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt wird ein Abgleichsystem zum Abgleichen eines Laststroms, der für einen Lastanschluss bereitgestellt wird, geschaffen. Das Abgleichsystem umfasst einen Referenzstromschaltungszweig, einen Laststromschaltungszweig, einen Spannungsregulierer und einen Stromregulierer. Einerseits umfasst der Referenzstromschaltungszweig eine Stromquelle, die konfiguriert ist, einen Referenzstrom zu erzeugen, ein erstes Element mit variablem Widerstand und ein erstes entkoppelndes Widerstandselement, das zwischen der Stromquelle und dem ersten Element mit variablem Widerstand verbunden ist. Andererseits umfasst der Laststromschaltungszweig den Lastanschluss und ein zweites Element mit variablem Widerstand, das konfiguriert ist, einen Widerstandswert zu erreichen, der von einem Widerstandswert, der durch das erste Element mit variablem Widerstand erreicht wird, abhängt (z. B. ihm proportional ist). Zusätzlich umfasst der Laststromschaltungszweig ein zweites entkoppelndes Widerstandselement, das zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten Ele ment mit variablem Widerstand verbunden ist. Der Spannungsregulierer ist konfiguriert, eine zweite Spannung an einem Knoten zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement abhängig von einer ersten Spannung an einem Knoten zwischen der Stromquelle und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement zu regulieren. Der Stromregulierer ist konfiguriert, den Laststrom, der für den Lastanschluss bereitgestellt wird, basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem erste Ausgangsanschluss des ersten entkoppelnden Widerstandselements und einem zweiten Ausgangsanschluss des zweiten entkoppelnden Widerstandselements zu regulieren.
In diesem Dokument wird eine Stromquelle als eine elektronische Schaltung betrachtet, die einen elektrischen Strom liefert oder absorbiert. In einem idealen Szenario ist der gelieferte oder absorbierte elektrische Strom von einer Spannung über der Stromquelle unabhängig.
Andererseits kann das erste Element mit variablem Widerstand beispielsweise ein als Diode verbundener MOS-Transistor sein, der entweder in Sättigung oder in dem Triodenbereich arbeitet. Andererseits kann das zweite Element mit variablem Widerstand beispielsweise ein Proportionalspiegeltransistor sein, der in dem gleichen Bereich wie der als Diode verbundene MOS-Transistor arbeitet. Mit anderen Worten kann der Proportionalspiegeltransistor konfiguriert sein, den Referenzstrom zu spiegeln. Dadurch kann der Spiegeltransistor in Sättigung arbeiten, wenn der als Diode verbundene MOS-Transistor in Sättigung arbeitet, und der Spiegeltransistor kann in dem Triodenbereich arbeiten, wenn der als Diode verbundene MOS-Transistor in dem Diodenbereich arbeitet.
Beispielsweise können in jedem Schaltungszweig die genannten Einheiten in Reihe angeordnet sein. In dem Referenzstromschaltungszweig kann der Referenzstrom, der durch die Stromquelle bereitgestellt ist, durch das erste entkoppelnde Widerstandselement und das erste Element mit variablem Widerstand zu einem gemeinsamen Referenzpotential des Abgleichsystems, das z. B. Masse sein kann, fließen. In dem Laststromschaltungszweig kann eine Energiequelle bereitgestellt sein, die konfiguriert ist, eine Antriebsspannung für eine Last zu erzeugen. Angetrieben durch diese Spannung kann ein Strom aus der Last, die mit dem Lastanschluss verbunden ist, über das zweite entkoppelnde Widerstandselement und das zweite Element mit variablem Widerstand zu diesem gemeinsamen Referenzpotential fließen. Die Last kann zu dem beschriebenen Abgleichsystem extern sein. Alternativ kann das Abgleichsystem die Last umfassen, die z. B. eine Leuchtdiodenschaltung, LED-Schaltung, sein kann, die mit dem Lastanschluss verbunden ist.
Im Allgemeinen kann das Abgleichsystem mehrere Laststromzweige zum Bereitstellen entsprechender Lastströme für mehrere LED-Schaltungen umfassen. Dabei ist es wünschenswert, dass die Werte der Lastströme, die für die LED-Schaltungen bereitgestellt werden, durch Anpassen des Referenzstroms der Stromquelle präzise gesteuert werden können. Durch Verwendung z. B. eines IDAC-Stromgenerators (Strom-Digital/Analog-Umsetzer-Stromgenerators) als Stromquelle kann der Referenzstrom selbst auf präzise und vorbestimmte Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann die Stromquelle eine programmierbare Stromquelle sein, die konfiguriert ist, einen Ausgangsstrom in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, durch Ausführung einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode auszugeben.
Das Bereitstellen (a) des Spannungsregulierers zum Regulieren der zweiten Spannung innerhalb des Laststromschaltungszweigs in Abhängigkeit von einer ersten Spannung innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs in Kombination mit (b) einem Paar korrelierter Elemente mit variablem Widerstand (nämlich dem ersten und dem zweiten Element mit variablem Widerstand) ermöglicht Steuern eines Stromverhältnisses zwischen dem Referenzstrom und dem Laststrom. Beispielsweise kann der Spannungsregulierer konfiguriert sein, die zweite Spannung auf einen Spannungspegel zu regulieren, der im Wesentlichen gleich einem Spannungspegel der ersten Spannung ist. Das Stromverhältnis zwischen dem Referenzstrom und dem Laststrom kann dann basierend auf einem Widerstandsverhältnis zwischen dem durch das erste Element mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert und dem durch das zweite Element mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert bestimmt werden. Dabei kann das zweite Element mit variablem Widerstand so konfiguriert sein, dass das Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandswert des ersten Elements mit variablem Widerstand und dem Widerstandswert des zweiten Elements mit variablem Widerstand einem Verhältnis aus einer Gruppe vorbestimmter Verhältnisse entspricht, wie z. B. 1:1/2 oder 1:1/20.
Aufgrund von unvermeidbarer Ungenauigkeit der Widerstandswerte des ersten und des zweiten Elements mit variablem Widerstand (z. B. verursacht durch einen nicht perfekten Herstellungsprozess) kann das Widerstandverhältnis jedoch von einem vorbestimmten Widerstandsverhältnis abweichen. Als eine Konsequenz kann der Laststrom, der für den Lastanschluss bereitgestellt wird, von einem vorbestimmten Laststrom abweichen.
Der Stromregulierer ist konfiguriert, das vorstehend beschriebene Problem durch Regulieren des Laststroms basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Ausgangsanschluss des ersten entkoppelnden Widerstandselements und einem zweiten Ausgangsanschluss des zweiten entkoppelnden Widerstandselements zu adressieren. Dabei kann sich der erste Ausgangsanschluss auf dem Referenzstromschaltungszweig zwischen dem ersten entkoppelnden Widerstandselement und dem ersten Element mit variablem Widerstand befinden. Analog kann sich der zweite Ausgangsanschluss auf dem Laststromschaltungszweig zwischen dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement und dem zweiten Element mit variablem Widerstand befinden. Das heißt, das erste und das zweite entkoppelnde Widerstandselement ermöglichen, (a) die Knoten an der ersten Spannung und der zweiten Spannung von (b) dem ersten bzw. dem zweiten Element mit variablem Widerstand zu entkoppeln. Mit anderen Worten ist der Knoten an der zweiten Spannung zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten entkoppelnden Element von dem zweiten Element mit variablem Widerstand entkoppelt. Somit kann eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss durch den Widerstandswert des zweiten Elements mit variablem Widerstand direkt beeinflusst werden. Die beschriebene Konfiguration, die die zwei entkoppelnden Widerstandselemente und den Stromregulierer umfasst, ermöglicht sowohl die Detektion von Laststromfehlabstimmung als auch automatische Kalibrierung des Laststroms auf der Basis eines Vergleichs der zwei Spannungen an dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss.
Anders ausgedrückt ermöglicht das vorgeschlagene Abgleichsystem automatisches und dynamisches Abgleichen des Laststroms während einer Betriebsphase des Gesamtsystems. In Systemen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, muss eine Abgleichungsprozedur im Voraus in einer Prüfphase vor dem Betrieb durchgeführt werden. Während dieser Prüfphase vor dem Betrieb müssen die Lastströme an den individuellen Lastanschlüssen direkt gemessen und individuell unter Verwendung externer Referenzen angepasst werden. Für große Anzeigevorrichtungen mit Hintergrundbeleuchtungen, die eine große Anzahl von LED-Ketten erfordern, kann diese Prüfphase eine erhebliche Zeit in Anspruch nehmen, z. B. bis zu einigen Sekunden. Durch Verlagern der Abgleichungsprozedur in den Chip kann die Prüfphase entscheidend verkürzt werden und kann auf Online-Art durchgeführt werden, um die Lastströme z. B. auf eine veränderte Temperatur und veränderte Betriebsbedingungen anzupassen. Außerdem ermöglicht das vorgeschlagene Abgleichsystem eine hohe Genauigkeit zum Einstellen der Lastströme auf Sollwerte. Diese hohe Genauigkeit wird für alle Werte des Referenzstroms, der durch die Stromquelle bereitgestellt wird, erreicht. Für einen programmierbaren IDAC (siehe 4) können die Lastströme über den vollständigen Bereich des Eingangscodes und nicht nur für spezielle Werte (z. B. 1282 und 1283, siehe 4) des Eingangscodes abgeglichen werden. Das bedeutet, dass für jeden Eingangscode die Lastströme spontan durch das präsentierte Abgleichsystem kalibriert werden und die erforderliche Genauigkeit erfüllt ist.
Insbesondere kann der Stromregulierer konfiguriert sein, die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss zu reduzieren. Wie nachstehend genauer beschrieben wird kann der Stromregulierer eine Komparatoreinheit oder einen Fehlerverstärker zum Detektieren und Messen der Spannungsdifferenz umfassen. In einem speziellen Fall kann der Stromregulierer konfiguriert sein, die Spannungsdifferenz z. B. auf einen Wert nahe null zu minimieren. Dadurch kann der Stromregulierer konfiguriert sein, basierend auf der Spannungsdifferenz den Laststrom durch Aktivieren oder Deaktivieren von Stromzweigen innerhalb des Laststromschaltungszweigs zu regulieren, wobei die Stromzweige parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand angeordnet sind. Beispielsweise kann das Abgleichsystem einen einzelnen zusätzlichen Stromzweig umfassen, der ein drittes Element mit variablem Widerstand umfasst. Der Stromregulierer kann konfiguriert sein, den zusätzlichen Stromzweig parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand in dem Fall zu deaktivieren, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss höher ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss. Umgekehrt kann der Stromregulierer konfiguriert sein, den zusätzlichen Stromzweig parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand in dem Fall zu aktivieren, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss niedriger ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss. Selbstverständlich kann das Abgleichsystem außerdem mehrere zusätzlicher Stromzweige zum Ermöglichen von Feinabstimmung des Gesamtwiderstandswerts des Laststromschaltungszweigs umfassen. Zusätzlich kann die Stromsteuereinheit eine Zweigauswahleinheit und wenigstens eine Schalteinheit pro Stromzweig enthalten, und die Zweigauswahleinheit kann konfiguriert sein zu bestimmen, welche Stromzweige durch die Schalteinheiten aktiviert/deaktiviert sind.
Somit kann im Allgemeinen gesagt werden, dass der Stromregulierer konfiguriert ist, eine Differenz zwischen einem Gesamtwiderstandswert des Laststromschaltungszweigs und einem Gesamtwiderstandswert des Referenzstromschaltungszweigs basierend auf der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss zu reduzieren (oder zu erhöhen), so dass das Widerstandsverhältnis zurück zu dem erwarteten Wert für einen gegeben Laststrom gebracht wird. Das kann durch Hinzufügen und/oder Entfernen zusätzlicher Stromzweige, die Elemente mit variablem Widerstand umfassen, die parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand verbunden sind, erreicht werden, so dass der Widerstand der hinzugefügten/entfernten Elemente mit variablem Widerstand die Differenz zwischen einem tatsächlichen Widerstandsverhältnis (zwischen dem durch das erste Element mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert und dem durch das zweite Element mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert) und einem gegebenen vorbestimmten Widerstandsverhältnis (zwischen einem Widerstandswert, den das erste Element mit variablem Widerstand erreichen soll, und einem Widerstandswert, den das zweite Element mit variablem Widerstand erreichen soll) kompensiert.
Ferner kann das erste entkoppelnde Widerstandselement einen ersten Transistor umfassen, und das zweite entkoppelnde Widerstandselement kann einen zweiten Transistor umfassen. Ein Gate des ersten Transistors und ein Gate des zweiten Transistors können an dem gleichen Spannungspegel vorgespannt sein. Beispielsweise können sowohl der erste Transistor als auch der zweite Transistor vorgespannt sein, um in dem Triodenbereich zu arbeiten. In dem Referenzstromschaltungszweig kann eine Source des ersten Transistors mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden sein, so dass die Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss an die Source des ersten Transistors angelegt ist. Ein Drain des ersten Transistors kann mit dem Knoten zwischen der Stromquelle und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement verbunden sein, so dass die erste Spannung an den Drain des ersten Transistors angelegt ist. In dem anderen Schaltungszweig kann eine Source des zweiten Transistors mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden sein, so dass die Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss an die Source des zweiten Transistors angelegt ist. Ferner kann ein Drain des zweiten Transistors mit dem Knoten zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement verbunden sein, so dass die zweite Spannung an den Drain des zweiten Transistors angelegt ist.
Dabei sollte erwähnt werden, dass das erste und das zweite entkoppelnde Widerstandselement zusätzlich zum Entkoppeln der Knoten an der ersten und der (regulierten) zweiten Spannung von dem ersten bzw. dem zweiten Element mit variablem Widerstand einem anderen Zweck dienen kann. Beispielsweise können das erste und das zweite entkoppelnde Widerstandselement als Schalter betrieben werden, um die jeweiligen Lastströme für die unterschiedlichen Lastanschlüsse an- und abzuschalten. Außerdem können das erste und das zweite entkoppelnde Widerstandselement betrieben werden, um eine Pulsweitenmodulations-Steuerung (PWM-Steuerung) an potentielle LED-Schaltungen anzulegen, die mit den jeweiligen Lastschaltungen verbunden sein können.
Das erste Element mit variablem Widerstand kann einen dritten Transistor umfassen, und das zweite Element mit variablem Widerstand kann einen vierten Transistor umfassen, und sowohl der dritte Transistor als auch der vierte Transistor können vorgespannt sein, um in dem Triodenbereich zu arbeiten. Alternativ können der dritte Transistor und der vierte Transistor vorgespannt sein, um in Sättigung zu arbeiten. Ein Gate-Anschluss des dritten Transistors kann mit einem Gate-Anschluss des vierten Transistors verbunden sein. Sowohl eine Source des dritten Transistors als auch eine Source des vierten Transistors können mit demselben Referenzpotential (z. B. Masse) verbunden sein. Mit anderen Worten kann der dritte Transistor ein als Diode verbundener Transistor sein, und der vierte Transistor kann sein Spiegeltransistor sein. Ein Drain des dritten Transistors kann mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden sein, und ein Drain des vierten Transistors kann mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden sein.
Mit Hinblick auf das Vorstehende kann gesagt werden, dass die Kombination aus dem dritten Transistor und dem vierten Transistor einem Stromspiegel gleicht, mit dem Unterschied, dass die jeweiligen Transistoren nicht in Sättigung, wie es herkömmlicherweise für Stromspiegel der Fall ist, sondern in dem Triodenbereich betrieben sein können. Betreiben des dritten und des vierten Transistors in dem Triodenbereich anstelle in Sättigung ermöglicht das Einstellen der Spannungen an dem ersten und Ausgangsanschlüssen und somit auch an dem Lastanschluss auf niedrigere Werte, was die Effizienz des Gesamtsystems hinsichtlich Energieverbrauch verbessert. Die vorstehend beschriebene Konfiguration, die den Strom variiert, der durch den dritten Transistor fließt (d. h. den Referenzstrom), variiert den Strom, der durch den vierten Transistor fließt, und dementsprechend auch den Laststrom.
Ferner kann der Gate-Anschluss des dritten Transistors mit einem Knoten zwischen der Stromquelle und einem Drain-Anschluss des ersten entkoppelnden Widerstandelements verbunden sein. Die Spannung an dem Knoten zwischen der Stromquelle und dem Drain-Anschluss hängt von dem Strom ab, der durch das erste Element mit variablem Widerstand fließt, in Übereinstimmung mit einer Beziehung, dem Fachmann gut bekannt ist. Deshalb kann im Allgemeinen gesagt werden, dass das erste Element mit variablem Widerstand konfiguriert sein kann, um seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem Strom, der durch die Stromquelle ausgegeben wird, zu erreichen.
Wie bereits erwähnt, kann der Stromregulierer eine Abgleichschaltungsanordnung und wenigstens einen Parallelpfad zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem Referenzpotential umfassen. In dem Fall, wenn die Elemente mit variablem Widerstand unter Verwendung des dritten und des vierten Transistors implementiert sind, kann ein Parallelpfad einen fünften Transistor als das dritte Element mit variablem Widerstand umfassen, wobei ein Gate-Anschluss des fünften Transistors mit den Gate-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors verbunden ist, der Source-Anschluss des fünften Transistors mit den Source-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors verbunden ist und der Drain-Anschluss des fünften Transistors mit den Drain-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors verbunden ist. Jeder Parallelpfad kann eine Schalteinheit umfassen, die konfiguriert ist, basierend auf einem Steuersignal, das von der Abgleichschaltungsanordnung empfangen wird, den Parallelpfad zu unterbrechen. Die Abgleichschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, die Spannungsdifferenz durch geeignetes Erzeugen des Steuersignals zu reduzieren. Der fünfte Transistor kann vorgespannt sein, um ebenfalls in dem Triodenbereich zu arbeiten. Außerdem kann der Stromregulierer ferner eine Komparatoreinheit umfassen, die konfiguriert ist, eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss und eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss zu vergleichen und ein Komparatorsignal zu erzeugen, und die Abgleichschaltungsanordnung kann konfiguriert sein, das Steuersignal basierend auf dem Komparatorsignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Abgleichen eines Laststroms, der für einen Lastanschluss bereitgestellt wird, geschaffen. Das Verfahren umfasst Bereitstellen - innerhalb eines Referenzstromschaltungszweigs eines Abgleichsystems - einer Stromquelle zum Erzeugen eines Referenzstroms, eines ersten Element mit variablem Widerstand und eines ersten entkoppelnden Widerstandselements, das zwischen der Stromquelle und dem ersten Element mit variablem Widerstand verbunden ist. Außerdem umfasst das Verfahren Bereitstellen - innerhalb eines Laststromschaltungszweigs eines Abgleichsystems - des Lastanschlusses, eines zweiten Elements mit variablem Widerstand und eines zweiten entkoppelnden Widerstandselements, das zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten Element mit variablem Widerstand verbunden ist. Das zweite Element mit variablem Widerstand erreicht einen Widerstandswert, der von einem durch das erste Element mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert abhängt. Eine zweite Spannung an einem Knoten zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement wird abhängig von einer ersten Spannung an einem Knoten zwischen der Stromquelle und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement reguliert. Ferner wird der Laststrom, der für den Lastanschluss bereitgestellt wird, basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Ausgangsanschluss des ersten entkoppelnden Widerstandselements und einem zweiten Ausgangsanschluss des zweiten entkoppelnden Widerstandselements reguliert.
Der Laststrom kann durch Reduzieren der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweite Ausgangsanschluss reguliert werden. Insbesondere kann die Regulierung Aktivieren oder Deaktivieren von Stromzweigen innerhalb des Laststromschaltungszweigs umfassen, wobei die Stromzweige parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand angeordnet sind. Beispielsweise umfasst die Regulierung des Laststroms Deaktivieren eines zusätzlichen Stromzweigs parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand in dem Fall, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss höher ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss. Ähnlich umfasst die Regulierung des Laststroms Aktivieren eines zusätzlichen Stromzweigs parallel zu dem zweiten Element mit variablem Widerstand in dem Fall, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss niedriger ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in dem vorliegenden Dokument skizziert sind, eigenständig oder in Kombination mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Zusätzlich sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems skizziert sind, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar.
In dem vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe „koppeln“, „verbinden“, „gekoppelt“ oder „verbunden“ auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt, z. B. über Drähte, oder auf eine andere Weise verbunden.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend auf beispielhafte Weise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei

1 einen Schaltplan eines herkömmlichen LED-Beleuchtungssystems für mehrere LED-Ketten mit einem Rückkopplungsmechanismus zum Steuern der Antriebsspannung zeigt;
2 schematisch einen Schaltplan eines aus dem Stand der Technik bekannten LED-Beleuchtungssystems zeigt;
3 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen Eingangscode und erzeugtem Strom eines programmierbaren IDAC darstellt;
4 den Abgleichfehler zeigt, der durch ein herkömmliches Abgleichverfahren erreicht wird;
5 ein Abgleichsystem zum automatischen Abgleichen eines Laststroms zeigt;
6 ein Beleuchtungssystem ohne entkoppelnde Widerstandselemente zeigt; und
7 Simulationsergebnisse zeigt.

Ausführliche Beschreibung
2 stellt eine Architektur vom Typ eines regulierten Kaskodenstromspiegels dar, der aus Patentdokument US 9 392 661 B2 bekannt ist. Das in dem vorliegenden Dokument beschriebene Abgleichsystem kann auf die Systeme angewandt werden, die in US 9 392 661 B2 präsentiert sind, dessen Inhalte hier vollständig mit aufgenommen sind. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass die Konzepte, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben sind, nicht auf die in US 9392661 B2 präsentierten Systeme beschränkt sind. Vielmehr können das beschriebene Abgleichverfahren und -system auf einfache Weise auf jeder Stromspiegelarchitektur vom Kaskoden-/regulierten Kaskoden-Typ angewandt werden.
2 zeigt einen Schaltplan eines beispielhaften Beleuchtungssystems 600, auf das das präsentierte Abgleichverfahren angewandt werden kann. Ein Referenzstromschaltungszweig umfasst eine programmierbare Stromquelle 650 zum Erzeugen eines Referenzstroms, einen optionalen Spannungsregulierer 440, einen ersten Transistor 621 und einen dritten Transistor 620. Sowohl der erste Transistor 621 als auch der dritte Transistor 620 können im Triodenbereich betrieben werden. Außerdem kann der dritte Transistor 620 als ein erstes Element mit variablem Widerstand dienen.
Die programmierbare Stromquelle 650 umfasst einen IDAC 651 (einen Digital/Analog-Umsetzer, der einen programmierbaren Strom ausgibt, der unter Verwendung einer kaskodierten PMOS-Stromspiegeltopologie aufgebaut sein kann), einen kaskodierten als Diode verbundenen PMOS-Transistor 653, 654, einen Stromgenerator 652, einen Operationsverstärker 655 (A1) und ein Transistorelement 656 (z. B. einen PMOS-Transistor). Der Stromgenerator 652 stellt einen Basisreferenzstrom IREF bereit. Der Basisreferenzstrom IREF wird zu dem IDAC 651 über die kaskodierten PMOS-Transistoren 653, 654 gespiegelt. Eine Spannung wird an die Source-Seite des IDAC 651 und des kaskodierten PMOS-Transistors 654 angelegt. Eine Rückkopplungsschaltung (Rückkopplungsschleife), die eine Verstärkung eins aufweisen kann und die durch den Operationsverstärker 655, der vorzugsweise eine hohe Verstärkung aufweist, und das Transistorelement 656 gebildet ist, dient dazu, die Ausgangsimpedanz der Stromquelle 650 zu erhöhen. Es ist zu verstehen, dass abhängig von spezifischen Anforderungen die Rückkopplungsschaltung und/oder die kaskodierten PMOS-Transistoren aus der Stromquelle 650 weggelassen sein können.
Wie in 2 dargestellt umfasst der optionale Spannungsregulierer 440 einen Operationsverstärker 441 und einen Transistor 442 zum Steuern der ersten Spannung vb2 an einem Knoten 443 zwischen der Stromquelle 650 und dem ersten Transistor 621.
In dem dargestellten Beispiel umfasst der Laststromschaltungszweig eine LED-Kette 101, die mehrere LEDs 102 umfasst, die zwischen einem Aufwärtsspannungsknoten 105 und einem Lastanschluss 106 verbunden ist. Eine Aufwärtsreguliererschaltung 120, die mit dem Aufwärtsspannungsknoten 105 verbunden ist, ist in 2 nicht dargestellt. Der Laststromschaltungszweig umfasst ferner einen Spannungsregulierer, einen zweiten Transistor 611 und einen vierten Transistor 610. Der zweite Transistor 611 und der vierte Transistor 610 können in dem Triodenbereich betrieben werden, und der vierte Transistor 610 kann als ein zweites Element mit variablem Widerstand dienen. Der Spannungsregulierer umfasst einen Operationsverstärker 431 und einen Transistor 432 zum Steuern einer zweiten Spannung an einem Knoten 433 zwischen dem Lastanschluss 106 und dem zweiten Transistor 611 basierend auf der ersten Spannung vb2 an dem Knoten 443 innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs. In dem abgebildeten Beispiel erzwingt der Spannungsregulierer, dass die zweite Spannung innerhalb des Laststromschaltungszweigs im Wesentlichen gleich der ersten Spannung innerhalb des Referenzschaltungszweigs ist. Unter der Annahme, dass der Spannungsregulierer 431 einen vernachlässigbaren Versatz aufweist, was durch gut bekannte und etablierte Verfahren zur Versatzauslöschung erreicht werden kann, wird die zweite Spannung an dem Drain des zweiten Transistors 611 auf die erste Spannung vb2 an dem Drain des ersten Transistors 621 reguliert.
Gleichzeitig sind der dritte Transistor 620 und der vierte Transistor 610 konfiguriert, ein vorbestimmtes Widerstandsverhältnis zu erreichen, das ein vorbestimmtes Stromverhältnis zwischen dem Referenzstrom innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs und einem Laststrom innerhalb des Laststromschaltungszweigs erzwingt. Zu diesem Zweck sind die Gates des dritten und des vierten Transistors 620, 610 direkt miteinander und mit dem Knoten 622 zwischen der Stromquelle 650 und dem optionalen Spannungsregulierer 440 verbunden. Außerdem sind die Sources des dritten und des vierten Transistors 620, 610 mit Masse verbunden, und die Drains des dritten Transistors 620 und des vierten Transistors 610 sind mit den Sources des ersten Transistors 621 bzw. des vierten Transistors 610 verbunden. In einer solchen Konfiguration entsprechen der Transistor 620 und der Transistor 610 variablen Widerständen. Beispielsweise, falls die letzteren Transistoren vom gleichen Typ sind (wie z. B. NMOS-Transistoren) und die gleichen Eigenschaften (Spezifikationen, Betriebsparameter) aufweisen, können sie denselben Widerstandswert erreichen. In einem idealen Szenario würde diese Konfiguration dazu führen, dass der Laststrom in dem Laststromschaltungszweig den gleichen Wert aufweist wie der Referenzstrom in dem Referenzstromschaltungszweig.
Die Genauigkeit des Stromverhältnisses zwischen beiden Strömen hängt letztlich von der Genauigkeit des Widerstandsverhältnisses der zwei Elemente 620, 610 mit variablem Widerstand ab. Für spezielle Anwendungsszenarios kann jedoch das Widerstandverhältnis nicht ausreichend genau sein und muss in einer zeitaufwändigen Offline-Prozedur kalibriert werden.
In der in 2 abgebildeten Schaltung wird der zweite Transistor 611 zum Abgleichen oder Schalten des Laststroms, der durch das zweite Element 610 mit variablem Widerstand fließt, durch An- und Abschalten des Laststroms, der der LED-Kette 191 zugeführt wird, verwendet. Wie bereits erwähnt kann das Beleuchtungssystem 600 mehrere Laststromschaltungszweige zur Energieversorgung von mehreren LED-Ketten 101 umfassen. Zusätzlich kann das Element 610 mit variablem Widerstand zum Anwenden von PWM-Steuerung auf die jeweilige LED-Kette 101 verwendet werden. Durch Ausführen von PWM-Steuerung kann der Laststrom periodisch unterbrochen werden, was zu der Wahrnehmung einer wärmeren Farbe des durch die LED-Kette 101 emittierten Lichts durch den Anwender führt. Der erste Transistor 621 in dem Referenzstromschaltungszweig dient als ein Gegenstück zu dem zweiten Transistor 611 innerhalb des Laststromschaltungszweigs. Beide Transistoren können in dem Triodenbereich betrieben werden, können vom gleichen Typ sein und können die gleichen Eigenschaften (insbesondere den/die gleiche/n Widerstand/Impedanz) aufweisen. Dementsprechend wird in dem in 2 beschriebenen System aus dem Stand der Technik der erste Transistor 621 nicht geschaltet, selbst wenn PWM-Steuerung auf den zweiten Transistor 611 angewandt wird.
3 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Eingangscode und erzeugtem Referenzstrom I_WLED des IDAC 651 darstellt. Der IDAC 651 kann eine Matrix aufweisen, die den Referenzstrom bereitstellt, der z. B. mit einen Faktor 2 oder 20 unter Verwendung der jeweiligen Laststromschaltungszweige zu den mehreren LED-Ketten 101 gespiegelt wird. Der Matrixstrom ist variabel und wird durch einen digitalen 11-Bit-Eingangscode (0-2047) gesteuert. Die Eingangscode/Strom-Kennlinie wird durch eine Nachschlagetabelle bestimmt, die den digitalen 11-Bit-Eingangscode abbildet, um ein exponentielles Stromprofil zu erzeugen. Die Matrix enthält 16384 Einheitselemente, die durch die 14-Bit-Ausgabe aus der Linear/Exponentiell-Nachschlagetabelle adressiert werden.
Aufgrund dieser Abbildung werden an einem speziellen Eingangscode (Code 1282) beinahe alle Elemente der Matrix aktiviert und stellen den maximalen Referenzstrom bereit, den sie bereitstellen kann, der dann mit einen Faktor 2 gespiegelt wird. An dem nächsten Code (1283) rollt die Matrix zurück auf ungefähr ein Zehntel des maximalen Stroms, den sie bereitstellen kann, und dieser Strom wird dann mit einem Faktor 20 gespiegelt. Das ist das Code-Paar, an dem ein riesiger Abschnitt der aktiven Schaltungsanordnung abgeschaltet wird und eine andere Gruppe von Elementen aktiviert wird, um den notwendigen Referenzstrom bereitzustellen. Somit wäre aufgrund der resultierenden Fehlabstimmung eine negative differentielle Nichtlinearitäts-Spitze, DNL-Spitze, an diesem Übergang (d. h. von dem Eingangscode 1282 zu dem Eingangscode 1283) vorhanden sein, was nicht wünschenswert ist. Das wird als ein Überschlagspunkt bezeichnet.
Auf Silizium wird der IDAC-Strom an diesem speziellen Eingangscode-Paar (d. h. Eingangscode 1282 zu Eingangscode 1283) abgeglichen, wo der maximale DNL-Fehler auftreten kann. 4 zeigt die Eingangscode/Strom-Kennlinie des IDAC 651 und das Eingangscode-Paar, wo der IDAC 651 für DNL abgeglichen wird.
Die absolute Genauigkeit des IDAC-Stroms ist durch die folgende Gleichung gegeben $(I_{WLED} (abgeglichen) {/I}_{WLED} (Ziel) - 1) * 100,$
wobei I_WLED (Ziel) der Ziel-WLED-Kettenstrom oder IDAC-Strom ist, der für einen gegebenen Eingangscode erwartet wird, und IWLED (abgeglichen) der IDAC-Strom nach dem Abgleichen, um den Zielwert zu erreichen, ist. Ein grundlegendes Problem der existierenden Herangehensweise zum Abgleichen ist es, dass schlechte Steuerung dafür, was an den extremen Enden des Eingangscodebereichs (0 und 2047) geschieht, erreicht wird. An den extremen Enden des Eingangscodebereichs könnte es potentiell zu einer reduzierten Genauigkeit kommen (siehe 4).
5 zeigt ein beispielhaftes Abgleichsystem 5 zum automatischen Abgleichen des Laststroms, der für den Lastanschluss 106 bereitgestellt wird. Das abgebildete Abgleichsystem 5 baut auf dem Beleuchtungssystem 600 auf, das in 2 dargestellt ist. Wie immer bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Schaltungskomponenten. Das Abgleichsystem 5 unterscheidet sich von dem Beleuchtungssystem 600 darin, dass der erste Transistor 621 als ein erstes entkoppelndes Widerstandselement verwendet ist und der zweite Transistor 611 als ein zweites entkoppelndes Widerstandselement verwendet ist. Die gleiche Schaltspannung V_switch ist an die Gates des ersten Transistors 621 und des zweiten Transistors 611 angelegt. Gemeinsam bilden letztere Transistoren 621 und 611 eine Entkopplungsstufe 55. Der Regulierer 431 ist in einer abstrahierten Ansicht dargestellt und ist konfiguriert, eine Spannung an dem Drain des zweiten Transistors 611 in Richtung einer Spannung an dem Drain des ersten Transistors 621 zu regulieren. Es ist angenommen, dass die entkoppelnden Transistoren 621 und 611 von demselben Typ sind und gleiche Eigenschaften zeigen, insbesondere denselben/dieselbe Widerstand/Impedanz zwischen ihren Drains und Sources. Es ist angenommen, dass eine Fehlabstimmung zwischen letzteren Transistoren vernachlässigbar ist, da der Spannungsabfall über sie sehr klein ist im Vergleich zur Ausgangsspannung.
Beispielsweise ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass das Widerstandsverhältnis 1 sein soll und somit der Laststrom gleich dem Referenzstrom sein soll. Somit sollten die Drain-Spannungen des dritten Transistors 620 und des vierten Transistors 610 gleich sein. Falls jetzt der vierte Transistor 610 einen niedrigeren Widerstandswert als erwartet (verursacht durch nicht ideale Herstellung) aufweist oder der dritte Widerstand 620 einen höheren Widerstandswert als erwartet aufweist, wird der Strom durch den vierten Transistor 610 ansteigen und kann den Strom durch den dritten Transistor 620 übersteigen. Anders ausgedrückt, falls der vierte Transistor 610 stärker als der dritte Transistor 620 ist, wird der Transistor 610 mehr Strom ziehen. Als eine Konsequenz wird die Spannung an dem Knoten 445 an der Source des zweiten Transistors 611 abnehmen, so dass die Gate-zu-Source-Spannung V_GS des zweiten Transistors 611 ausreichend ist, um den erhöhten Laststrom zu unterstützen. Tatsächlich ist, da die Gate-Spannung des zweiten Transistors 611 durch V_switch gegeben ist, ist die Source-Spannung des zweiten Transistors 611 die einzige Knotenspannung, die frei beweglich ist. Somit kann gesagt werden, dass die VGS des zweiten Transistors 611 ansteigen muss, um den erhöhten Strom zwischen Drain und Source des zweiten Transistors 611 zu unterstützen. Da die Spannung an Knoten 445 an der Source des zweiten Transistors 611 abnimmt, nimmt der Laststrom wieder ab. Nichtsdestotrotz wird der Laststrom immer noch größer sein als der Referenzstrom. Schließlich ist die Drain-Source-Spannung des vierten Transistors 610 kleiner als die Drain-Source-Spannung des dritten Transistors 620, was benutzt werden kann, wenn die Abgleichschaltungsanordnung 52 konstruiert wird. Insbesondere kann die Spannungsdifferenz zwischen dem Knoten 444 und dem Knoten 445 als eine Basis zum Abgleichen des Laststroms verwendet werden. Die gleiche Argumentation gilt umgekehrt in dem Fall, wenn der vierte Transistor 610 schwächer ist als der dritte Transistor 620, d. h. der vierte Transistor 610 einen höheren Widerstandswert aufweist als erwartet oder der dritte Transistor 620 einen niedrigeren Widerstandswert als erwartet aufweist.
Als ein Ergebnis kann die Spannungsdifferenz zwischen den Knoten 444 und 445 verwendet werden, um den Laststrom auf einen Sollwert abzugleichen. In dem beschriebenen beispielhaften Szenario ist eine Spannungsdifferenz gleich null eine notwendige und ausreichende Bedingung dafür, dass der Referenzstrom und der Laststrom gleich sind.
Außerdem umfasst das Abgleichsystem 5 einen Stromregulierer 50 zum Regulieren des Laststroms basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen den Knoten 444 und 445 an den Drains der entkoppelnden Transistoren 621 bzw. 611. Es ist die Aufgabe des Stromregulierers, die Spannungsdifferenz durch Aktivieren oder Deaktivieren der Stromzweige, die zusätzliche Transistoren (Elemente mit variablem Widerstand) 6101 umfassen, innerhalb des Laststromschaltungszweigs zu reduzieren, um eine Fehlabstimmung in dem Widerstandsverhältnis der Transistoren 620 und 610 zu kompensieren. Der Stromzweig, der den Transistor 6101 umfasst, kann durch Schließen einer jeweiligen Schalteinheit (nicht gezeigt) aktiviert werden oder durch Öffnen der entsprechenden Schalteinheit deaktiviert werden. In 5 ist nur ein zusätzlicher Stromzweig mit dem zusätzlichen Transistor 6101 abgebildet. Fachleute werden jedoch einfach verstehen, dass mehrere zusätzliche Transistoren 6101 parallel zu dem vierten Transistor 610 angeordnet sein können, um den Gesamtwiderstand in dem Laststromschaltungszweig zu erhöhen/verringern. Für jeden Transistor 6101 kann eine jeweilige Schalteinheit bereitgestellt sein, um den jeweiligen Stromzweig zu aktiveren/deaktivieren.
Der beispielhafte Stromregulierer 50 in 5 umfasst eine Komparatoreinheit 51 (auch als Fehlerverstärker bezeichnet) zum Detektieren und Messen der Spannungsdifferenz und zum Erzeugen eines Komparatorsignals. Die Eingänge der Komparatoreinheit 51 sind mit den Knoten 444 bzw. 445 verbunden. Der Stromregulierer 50 umfasst ferner eine Abgleichschaltungsanordnung 52 die z. B. das Komparatorsignal empfängt und mehrere Abgleich-Bits zum Steuern der zusätzlichen Transistoren 6101 erzeugt. Spezifischer können die Abgleich-Bits dem Eingang der Schalteinheiten zum Aktivieren/Deaktivieren der jeweiligen Stromzweige zugeführt werden.
Der Stromregulierer 50 kann konfiguriert sein, einen zusätzlichen Widerstand 6101 parallel zu dem zweiten Element 610 mit variablem Widerstand in dem Fall zu deaktivieren, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass die Spannung an dem Knoten 444 höher ist als die Spannung an dem Knoten 445. Umgekehrt kann der Stromregulierer 50 konfiguriert sein, den zusätzlichen Widerstand 6101 parallel zu dem zweiten Element 610 mit variablem Widerstand in dem Fall zu aktivieren, wenn die Spannung an dem Knoten 444 niedriger ist als die Spannung an dem Knoten 445.
6 zeigt ein Beleuchtungssystem 6 ohne die Entkopplungsstufe 55. Wieder unter der Annahme, dass ein gewünschtes Widerstandsverhältnis (auch als Spiegelverhältnis bezeichnet) 1 ist, obwohl die Spannungen an den Drains von Transistor 610 und Transistor 620 durch den Spannungsregulierer 431 gleich gehalten werden, bedeutet das nicht, dass der Referenzstrom notwendigerweise gleich dem Laststrom ist. Mit anderen Worten ist das Angleichen der Drain-Spannungen beider Transistoren 610, 620 nicht genug, um gleiche Ströme zu erreichen. Außerdem repräsentiert in dem in 6 abgebildeten Beleuchtungssystem 6 die Differenz zwischen den Drain-Spannungen kein sinnvolles Eingangssignal für einen Stromregulierer 50, der versucht, den Laststrom abzugleichen.
7 zeigt Simulationsergebnisse. Als ein Beispiel werden 1 mA als Referenzstrom und ein Spiegelverhältnis 1:2 zwischen den Transistoren 610, 620 verwendet. 7 zeigt die Drain-Spannung 71 an dem Knoten 444, die Drain-Spannung 72 an dem Knoten 445, das Abgleichaktivierungssignal 73, das die Abgleichprozedur startet, das Komparatorsignal 74 und den Laststrom 75 in dem Laststromschaltungszweig über der Zeit. Das System wurde durch absichtliches Einführen einer Fehlabstimmung in das Spiegelverhältnis verifiziert, und es ist aus den Graphen zu erkennen, dass dann, wenn die Abgleichschaltungsanordnung durch das Abgleichaktivierungssignal 73 aktiviert ist, die zwei Drain-Spannungen71, 72 aufgrund der eingeführten Fehlabstimmung an unterschiedlichen Spannungspegeln sind. Das stößt die Komparatoreinheit 51 innerhalb des chipinternen Stromregulierers 50 an, zu kippen, und die Abgleichschaltungsanordnung 52 startet den Abgleichprozess. In dem simulierten Beispielszenario umfasst der Stromregulierer fünf zusätzliche parallele Stromzweige mit jeweiligen Transistoren, deren Widerstände binär gewichtet sind. Indessen ist zu erkennen, dass sich der Laststrom 75 nach oben und unten bewegt und sich die Drain-Spannungen 71, 72 auf denselben Pegel an einem Zeitpunkt 76 ausregeln, wenn der Strom die erwarteten 2 mA erreicht. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass zu genau diesem Zeitpunkt 76 das Komparatorsignal 74 der Komparatoreinheit 51 auf null fällt, und dieser Zustand sollte festgehalten werden, um eine valide Abgleichkonfiguration beizubehalten. Das gesamte Einschwingen kann einige Millisekunden bis Sekunden dauern, abhängig davon, wie schnell oder langsam das System konstruiert ist. Im Allgemeinen sollte die Abgleichschleife langsam sein, aber solange sie schneller ist als die Reaktion des menschlichen Auges wird das Einschwingverhalten oder die automatische Kalibrierung für den Endanwender nicht detektierbar sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichen. Fachleute werden verschiedene Anordnungen implementieren können, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung ausführen und in ihrem Geist und Schutzbereich enthalten sind. Darüber hinaus sollen prinzipiell alle Beispiele und Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument skizziert sind, ausdrücklich nur erläuternden Zwecken dienen, um dem Leser bei dem Verstehen der Prinzipien der vorgeschlagenen verfahren und Systeme zu unterstützen. Darüber hinaus sollen sowohl alle Feststellungen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bereitstellen, als auch spezifische Beispiele davon ihre Äquivalente einschließen.

Claims

Abgleichsystem (5) zum Abgleichen eines Laststroms, der für einen Lastanschluss (106) bereitgestellt wird, wobei das Abgleichsystem (5) Folgendes umfasst: einen Referenzstromschaltungszweig mit einer Stromquelle (650), die konfiguriert ist, einen Referenzstrom zu erzeugen; einem ersten Element (620) mit variablem Widerstand; und einem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621), das zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten Element (620) mit variablem Widerstand verbunden ist; einen Laststromschaltungszweig mit dem Lastanschluss (106); einem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand, das konfiguriert ist, einen Widerstandswert zu erreichen abhängig von einem Widerstandswert, der durch das erste Element (620) mit variablem Widerstand erreicht wird; und einem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611), das zwischen dem Lastanschluss und dem zweiten Element mit variablem Widerstand verbunden ist; einen Spannungsregulierer (431), der konfiguriert ist, eine zweite Spannung an einem Knoten (433) zwischen dem Lastanschluss (106) und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611) abhängig von einer ersten Spannung an einem Knoten (443) zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621) zu regulieren, einen Stromregulierer (50), der konfiguriert ist, den Laststrom, der für den Lastanschluss (106) bereitgestellt wird, basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Ausgangsanschluss (444) des ersten entkoppelnden Widerstandselements (621) und einem zweiten Ausgangsanschluss (445) des zweiten entkoppelnden Widerstandselements (611) zu regulieren,. wobei der Stromregulierer (50) konfiguriert ist, basierend auf der Spannungsdifferenz den Laststrom durch Aktivieren oder Deaktivieren eines Stromzweigs innerhalb des Laststromschaltungszweigs zu regulieren, wobei der Stromzweig parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand angeordnet ist und ein drittes Element (6101) mit variablem Widerstand umfasst.
Abgleichsystem (5) nach Anspruch 1, wobei das erste Element (620) mit variablem Widerstand ein als Diode verbundener MOS-Transistor ist, der entweder in Sättigung oder in dem Triodenbereich arbeitet, und das zweite Element (610) mit variablem Widerstand ein Proportionalspiegeltransistor ist, der in demselben Bereich wie der als Diode verbundene MOS-Transistor arbeitet.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromregulierer (50) konfiguriert ist, die Spannungsdifferenz zu reduzieren.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromregulierer (50) konfiguriert ist, einen zusätzlichen Stromzweig parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand in einem Fall zu deaktivieren, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss (444) höher ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss (445).
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromregulierer (50) konfiguriert ist, einen zusätzlichen Stromzweig parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand in einem Fall zu aktivieren, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss (444) niedriger ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss (445).
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der erste Ausgangsanschluss (444) auf dem Referenzstromschaltungszweig zwischen dem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621) und dem ersten Element (620) mit variablem Widerstand befindet.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der zweite Ausgangsanschluss (445) auf dem Laststromschaltungszweig zwischen dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611) und dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand befindet.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Element (620) mit variablem Widerstand konfiguriert ist, den Widerstandswert in Abhängigkeit von einem durch die Stromquelle (650) ausgegebenen Strom zu erreichen.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste entkoppelnde Widerstandselement (621) einen ersten Transistor umfasst und das zweite entkoppelnde Widerstandselement (611) einen zweiten Transistor umfasst und wobei ein Gate des ersten Transistors und ein Gate des zweiten Transistors an dem gleichen Spannungspegel vorgespannt sind.
Abgleichsystem (5) nach Anspruch 9, wobei eine Source des ersten Transistors (621) mit dem ersten Ausgangsanschluss (444) verbunden ist, so dass eine Spannung des ersten Ausgangsanschlusses an die Source des ersten Transistors angelegt ist.
Abgleichsystem (5) nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Source des zweiten Transistors (611) mit dem zweiten Ausgangsanschluss (445) verbunden ist, so dass eine Spannung des zweiten Ausgangsanschlusses an die Source des zweiten Transistors angelegt ist.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Element (610) mit variablem Widerstand so konfiguriert ist, dass ein Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandswert des ersten Elements (620) mit variablem Widerstand und dem Widerstandswert des zweiten Elements (610) mit variablem Widerstand einem Verhältnis aus einer Gruppe vorbestimmter Verhältnisse entspricht.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Element (620) mit variablem Widerstand einen dritten Transistor umfasst und das zweite Element (610) mit variablem Widerstand einen vierten Transistor umfasst und sowohl der dritte Transistor als auch der vierte Transistor vorgespannt sind, um in dem Triodenbereich zu arbeiten.
Abgleichsystem (5) nach Anspruch 13, wobei ein Gate-Anschluss des dritten Transistors (620) mit einem Gate-Anschluss des vierten Transistors (610) verbunden ist.
Abgleichsystem (5) nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Gate-Anschluss des dritten Transistors (620) mit einem Knoten zwischen der Stromquelle (650) und dem Drain-Anschluss des ersten entkoppelnden Widerstandselements (621) verbunden ist.
Abgleichsystem (5) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei sowohl eine Source des dritten Transistors (620) als auch eine Source des vierten Transistors (610) mit dem gleichen Referenzpotential (z. B. Masse) verbunden sind.
Abgleichsystem (5) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei ein Drain des dritten Transistors (620) mit dem ersten Ausgangsanschluss (444) verbunden ist und ein Drain des vierten Transistors (610) mit dem zweiten Ausgangsanschluss (445) verbunden ist.
Abgleichsystem (5) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Stromregulierer (50) eine Abgleichschaltungsanordnung (52) und einen Parallelpfad zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (445) und Masse umfasst, wobei der Parallelpfad Folgendes umfasst: einen fünften Transistor (6101), wobei ein Gate-Anschluss des fünften Transistors (6101) mit den Gate-Anschlüssen des dritten (620) und des vierten Transistors (610) verbunden ist; eine Schalteinheit, die konfiguriert ist, basierend auf einem Steuersignal, das von der Abgleichschaltungsanordnung (52) empfangen wird, den Parallelpfad zu unterbrechen, wobei die Abgleichschaltungsanordnung (52) konfiguriert ist, die Spannungsdifferenz durch Erzeugen des Steuersignals zu reduzieren. .
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Leuchtdioden-Schaltung, LED-Schaltung, die mit dem Lastanschluss verbunden ist, umfasst.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Energiequelle umfasst, die konfiguriert ist, eine Antriebsspannung für eine externe Last bereitzustellen.
Abgleichsystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsregulierer (431) konfiguriert ist, die zweite Spannung auf einen Spannungspegel, der im Wesentlichen gleich einem Spannungspegel der ersten Spannung ist, zu regulieren.
Verfahren zum Abgleichen eines Laststroms, der für einen Lastanschluss (106) bereitgestellt ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Referenzstromschaltungszweiges mit einer Stromquelle (650) zum Erzeugen eines Referenzstroms, einem ersten Element (620) mit variablem Widerstand und einem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621), das zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten Element (620) mit variablem Widerstand verbunden ist; Bereitstellen eines Laststromschaltungszweiges mit einem Lastanschluss (106), einem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand und einem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611), das zwischen dem Lastanschluss (106) und dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand verbunden ist; Erreichen durch das zweite Element (610) mit variablem Widerstand eines Widerstandswerts, der von einem durch das erste Element (620) mit variablem Widerstand erreichten Widerstandswert abhängt; Regulieren einer zweiten Spannung an einem Knoten (433) zwischen dem Lastanschluss (106) und dem zweiten entkoppelnden Widerstandselement (611) abhängig von einer ersten Spannung an einem Knoten (443) zwischen der Stromquelle (650) und dem ersten entkoppelnden Widerstandselement (621); und Regulieren des Laststroms, der für den Lastanschluss (106) bereitgestellt wird, basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Ausgangsanschluss (444) des ersten entkoppelnden Widerstandselements (621) und einem zweiten Ausgangsanschluss (445) des zweiten entkoppelnden Widerstandselements (611), wobei der Schritt zum Regulieren des Laststroms Aktivieren oder Deaktivieren von Stromzweigen innerhalb des Laststromschaltungszweigs umfasst, wobei die Stromzweige parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Regulieren des Laststroms Reduzieren der Spannungsdifferenz umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei der Schritt zum Regulieren des Laststroms Deaktivieren eines zusätzlichen Stromzweigs parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand in dem Fall umfasst, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss (444) höher ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss (445).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der Schritt zum Regulieren des Laststroms Aktivieren eines zusätzlichen Stromzweigs parallel zu dem zweiten Element (610) mit variablem Widerstand in dem Fall umfasst, wenn die Spannungsdifferenz angibt, dass eine Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss (444) niedriger ist als eine Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss (445).