TW201401919A - 使用ｐｗｍ信號調光的ｌｅｄ驅動器及驅動方法 - Google Patents

使用ｐｗｍ信號調光的ｌｅｄ驅動器及驅動方法 Download PDF

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Abstract

一種使用PWM信號調光的LED驅動器，包括電源轉換器及電流調節器，該電源轉換器提供輸出電壓及負載電流給LED，該電流調節器提供與負載電流相關的感測信號給該電源轉換器，以在該負載電流變化時，加速負載暫態響應以降低該輸出電壓的漣波振幅，進而避免在PWM調光時產生噪音。

Description

使用PWM信號調光的LED驅動器及驅動方法
本發明係有關一種LED驅動器，特別是關於一種使用PWM信號調光的LED驅動器及驅動方法。
參照圖1，包含電源轉換器10、電流調節器12及補償器14的LED驅動器提供輸出電壓Vout及負載電流Iload以驅動多個LED串16，電源轉換器10將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，電流調節器12控制每一LED串16的電流以控制LED的亮度，電流調節器12具有多個控制端VS1~VSN各自連接一個LED串16以及多個作為開關的電晶體M1~MN分別連接該多個控制端VS1~VSN，電晶體M1~MN受控於脈寬調變(Pulse Width Modulation；PWM)信號Spwmi，藉由調整信號PWMI的責任週期比(duty)可調整每一LED串16的電流，進而調整每一LED串16的亮度。補償器14連接於電源轉換器10的回授路徑上，濾除回授的雜訊及穩定補償電壓Vcomp。圖2係圖1中信號的波形圖，當PWM信號Spwmi被觸發或結束時，電晶體M1~MN的閘極電壓VG1~VGN同時轉為高準位或低準位，因此電晶體M1~MN同時導通或關閉，導致所有的LED串16同時啟動或關閉，電源轉換器10的負載電流Iload因而忽然上升或下降，使電源轉換器10的輸出電壓Vout形成漣波(ripple)18，輸出電容Cout更因為這些漣波18的充放電 而形成噪音。
圖3係改善噪音問題的習知技術，其利用相位延遲(Phase Delay)技術於電流調節器12中針對各LED串16加上不同延遲(Delay)，當PWM信號Spwmi被觸發或結束，各LED串16啟動及關閉的時間將彼此錯開，因此負載電流Iload將步階上升或步階下降以避免產生瞬間大負載電流Iload，輸出電壓Vout的漣波18的振幅因而降低得以改善噪音問題。
本發明的目的之一，在於提出一種避免噪音的LED驅動器及驅動方法。
根據本發明，一種使用PWM信號調光的LED驅動器包括電源轉換器及電流調節器。該電源轉換器提供輸出電壓及負載電流給多個LED，該電源轉換器包含運算放大器放大參考電壓以及與該輸出電壓相關的回授信號之間的差值產生補償電壓，以及脈寬調變邏輯電路根據該補償電壓及一斜波信號產生控制信號供調節該輸出電壓。該電流調節器具有多個控制端供連接該多個LED，該電流調節器根據該PWM信號調整該多個控制端上的電流以調整該負載電流，並且產生與該負載電流相關的感測信號以調整該控制信號的責任週期比。
根據本發明，一種使用PWM信號調光的LED驅動方法包括提供輸出電壓及負載電流給多個LED；偵測 該輸出電壓產生回授信號；放大參考電壓及該回授信號之間的差值產生補償電壓；根據該補償電壓及一斜波信號產生控制信號供調節該輸出電壓；根據該PWM信號調整該多個LED的電流以調整該負載電流；以及產生與該負載電流相關的感測信號以調整該控制信號的責任週期比。
圖4係本發明LED驅動器之方塊示意圖。此驅動電路包括補償器14、電源轉換器20、電流調節器22以及動態淨空控制器(Dynamic Headroom Controller；DHC)24。電源轉換器20可為直流對直流電源轉換器或交流對直流電源轉換器，提供輸出電壓Vout及負載電流Iload給LED串16。電流調節器22具有多個控制端VS1~VSN分別連接LED串16的輸出端，電流調節器22除了根據PWM信號Spwmi控制LED串16的啟動或關閉外，還產生與負載電流Iload相關的感測信號ISE到電源轉換器20，使電源轉換器20得以提前得知負載電流Iload的變化，加快負載暫態響應。動態淨空控制器24偵測各LED串16的輸出端的電壓VS1~VSN，產生偵測信號S1至電源轉換器20的回授路徑中，使LED串16的輸出端的電壓VS1~VSN維持在參考電壓VR1，並使補償電壓VCOMP能夠快速正準確地達成其位移量(offset)，讓電源轉換器20穩定輸出，使輸出電壓Vout的漣波振幅下降，進而避免輸出電容Cout產生擾人的 噪音。關於動態淨空控制器24的相關技術已揭露於美國專利公開號2010/0013395。
圖5係圖4中LED驅動器之第一實施例，在此實施例中電源轉換器20為升壓式(Boost)電源轉換器。在圖5A的電源轉換器20中，電阻R1及R2分壓輸出電壓Vout產生回授信號VEB，運算放大器26放大回授信號VFB及參考電壓S1之間的差值產生補償電壓Vcomp，開關SW0連接於運算放大器28及加法器38之間，當LED串16全部關閉時，開關SW0被關閉(turn off)，避免回授端Vfb的雜訊造成補償電壓Vcomp的跳動，加法器38結合補償電壓Vcomp及感測信號ISE產生補償電壓Vcomp’，PWM邏輯電路30根據補償電壓Vcomp’以及斜波產生電路28提供的斜波信號Vramp產生控制信號DRV，控制切換開關Q的切換，進而調整輸出電壓Vout。補償器14連接於開關SW0與加法器38之間，維持補償電壓Vcomp的穩定。在圖5A的電流調節器22中，電流產生電路34提供第一電流I1=Vset/Rset，電流鏡36在PWM信號Spwmi被觸發時被啟動以鏡射第一電流I1以產生第二電流I2=K×I1以及感測信號ISE=I2×(n+1)，其中n為LED串16的數量，多個LED開關電路32分別連接多個控制端VS1~VSN，電阻Rst根據電流I2產生電壓VR2以同時啟動所有LED開關電路32，進而啟動所有LED串16。
參照圖5A，在電流調節器22中，每一個LED開關 電路32都具有一運算放大器將電壓VR2施加至各自的電阻RS1~RSN以決定各LED串16的電流，假設電阻RS1~RSN的電阻值皆為RS，則負載電流Iload=(VR2/RS)×n=[(I2×Rst)/RS]×n=[(I1×K×Rst)/RS]×n={[(Vset/Rset)×K×Rst]/RS}×n， 公式1當所有LED開關電路32被啟動時，多個並聯在電流鏡36及電流調節器22的輸出端ISE之間的開關SW1~SWN被導通，因此感測信號ISE=I2×(n+1)=I1×K×(n+1)=(Vset/Rset)×K×(n+1) 公式2公式2可以改寫為ISE/(n+1)=(Vset/Rset)×K， 公式3將公式3代入公式1可得Iload={[ISE/(n+1)]×Rst]/RS}×n=[SE×(Rst/RS)×n/(n+1)， 公式4 由於Rst、Rs及n皆為定值，故感測信號ISE正比於負載電流Iload。在PWM調光期間，當負載電流Iload變化時，電源轉換器20中的補償電壓Vcomp’=Vcomp+ISE將立即隨負載電流Iload變化以調整控制信號DRV的責任週期比，進而加速負載暫態響應以減少輸出電壓Vout的漣波振幅。如圖6的波形圖所示，當負載電流Iload上升時，補償電壓Vcomp’立即上升以調整控制信號DRV的責任週期比，進而增加提供至輸出電容Cout的能量以減少輸出電壓Vout的下降振幅，當負載電流Iload下降時，補償電壓Vcomp’立即下降以調整控制信號DRV的責任週期比，進而降低提供給輸出電容的能量以減少輸出電壓Vout的上升振幅。
在圖5B的動態淨空控制器24中，電壓偵測器40偵測LED串16的輸出端的電壓VS1~VSN，並輸出其中的最小電壓VSmin，磁滯比較器42比較參考電壓VR1及最小電壓VSmin以產生比較信號S2，計數器及邏輯電路44提供數位信號S3並根據比較信號S2調整數位信號S3，當VR1>VSmin時，計數器及邏輯電路44將增加數位信號S3，若VR1<VSmin時，計數器及邏輯電路44將減少數位信號S3，數位類比轉換器46將數位信號S3轉換為偵測信號S1。參照圖5A，偵測信號S1將作為參考電壓與回授信號Vfb比較產生補償電壓Vcomp，調整偵測信號S1可以加快補償電壓Vcomp的改變。
圖5的實施例將偵測信號S1及感測信號ISE輸入至電源轉換器20的回授路徑上，使得補償電壓Vcomp’能快速且準確地到達該有的電壓準位，加快了電源轉換器28的負載暫態響應。此外，習知的相位延遲技術也可以應用至圖5的實施例中，以進一步降低輸出電壓Vout的漣波振幅。如圖7的波形圖所示，假設在各LED開關電路32中加入具有不同延遲時間的延遲電路，使該多個LED開關電路32的啟動或關閉時間彼此錯開，進而使負載電流Iload步階上升或下降以縮小輸出電壓Vout的漣波振幅，由於開關SW1~SWN隨著各自對應的LED開關電路32的啟動或關閉而導通或關閉，因此各開關SW1~SWN的導通或關閉時間也彼此錯開，使得感測信號ISE亦隨負載電流Iload步階上升或下降，補償電壓Vcomp也因而呈現步階變化以即時反應負載電流Iload的變化以加快負載暫態響應。
圖8係圖4中LED驅動器之第二實施例，其與圖5的電路具有同樣的電源轉換器20及電流調節器22，但是電源轉換器20的運算放大器26係放大回授信號Vfb及參考電壓VR3之間的差值產生補償電壓Vcomp，如圖8A所示，而且電流調節器22的感測信號ISE係輸入至斜波產生電路28以調整斜波信號Vramp，進而調整控制信號DRV的責任週期比以加快負載暫態響應。在圖8B中，動態淨空控制器24與圖5的電路同樣包括電壓偵測器40及磁滯比較器42，但是使用濾波器48取代計數 器及邏輯電路44及數位類比較換器46，濾波器48濾除磁滯比較器42所輸出的比較信號S2以產生偵測信號S1調整回授信號VFB。
圖9係圖8電路中信號的波形圖，其中波形50為斜波信號Vramp，波形52為補償電壓Vcomp。在圖8的負載電流Iload變化時，補償電壓Vcomp並不會改變，如波形52所示，但與負載電流Iload相關的感測信號ISE立即調整斜波信號Vramp，如波形50所示，使斜波信號Vramp即時反應負載電流Iload的變化，因此控制信號DRV的責任週期比將立即隨負載電流Iload的變化而改變，進而加快負載暫態響應以減少輸出電壓Vout的漣波振幅，避免噪音的產生。
習知的相位延遲技術也可以應用至圖5的實施例中，以進一步降低輸出電壓Vout的漣波振幅。如圖10的波形圖所示，假設在圖8A的各LED開關電路32中加入具有不同延遲時間的延遲電路，使該多個LED開關電路32的啟動或關閉時間彼此錯開，進而使負載電流Iload步階上升或下降以縮小輸出電壓Vout的漣波振幅，由於感測信號ISE亦隨負載電流Iload而步階上升或下降，因此斜波信號Vramp也呈步階變化以即時反應負載電流Iload的變化以加快負載暫態響應，如波形50所示。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形 式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10‧‧‧電源轉換器
12‧‧‧電流調節器
14‧‧‧補償器
16‧‧‧LED串
18‧‧‧漣波
20‧‧‧電源轉換器
22‧‧‧電流調節器
24‧‧‧動態淨空控制器
26‧‧‧運算放大器
28‧‧‧斜波產生電路
30‧‧‧PWM邏輯電路
32‧‧‧LED開關電路
34‧‧‧電流產生電路
36‧‧‧電流鏡
38‧‧‧加法器
40‧‧‧電壓偵測器
42‧‧‧磁滯比較器
44‧‧‧計數器及邏輯電路
46‧‧‧數位類比轉換器
48‧‧‧濾波器
50‧‧‧斜波信號Vramp
52‧‧‧補償電壓Vcomp
圖1係習知使用PWM調光的LED驅動器；圖2係圖1中信號的波形圖；圖3顯示習知改善噪音的相位延遲技術；圖4係本發明LED驅動器之方塊示意圖；圖5A及圖5B係圖4的LED驅動器之第一實施例；圖6係圖5中信號的波形圖；圖7係圖5電路使用相位延遲技術時的信號波形圖；圖8A及圖8B係圖4的LED驅動器之第二實施例；圖9係圖8中信號的波形圖；以及圖10係圖8電路使用相位延遲技術時的信號波形圖。
14‧‧‧補償器
16‧‧‧LED串
20‧‧‧電源轉換器
22‧‧‧電流調節器
24‧‧‧動態淨空控制器

Claims (17)

  1. 一種使用PWM信號調光的LED驅動器，包括：電源轉換器，提供輸出電壓及負載電流給多個LED，該電源轉換器包含：運算放大器，放大參考電壓以及與該輸出電壓相關的回授信號之間的差值產生補償電壓；以及脈寬調變邏輯電路，連接該運算放大器，根據該補償電壓及一斜波信號產生控制信號供調節該輸出電壓；以及電流調節器，連接該電源轉換器，具有多個控制端供連接該多個LED，根據該PWM信號調整該多個控制端上的電流以調整該負載電流，並且產生與該負載電流相關的感測信號以調整該控制信號的責任週期比。
  2. 如請求項1之LED驅動器，其中該感測信號調整該補償電壓以調整該控制信號的責任週期比。
  3. 如請求項2之LED驅動器，更包括動態淨空控制器連接該多個控制端，偵測該多個控制端的電壓產生偵測信號作為該參考電壓。
  4. 如請求項3之LED驅動器，其中該動態淨空控制器包含：電壓偵測器，連接該多個控制端，偵測該多個控制端的電壓得到其中的最小電壓；比較器，連接該電壓偵測器，比較第二參考電壓及該最小電壓產生比較信號； 計數器及邏輯電路，連接該比較器，提供數位信號並根據該比較信號調整該數位信號；以及數位類比轉換器，連接該計數器及邏輯電路，將該數位信號轉換成該偵測信號。
  5. 如請求項1之LED驅動器，其中該感測信號調整該斜波信號以調整該控制信號的責任週期比。
  6. 如請求項5之LED驅動器，更包括動態淨空控制器連接該多個控制端，偵測該多個控制端的電壓以產生偵測信號供調整該回授信號。
  7. 如請求項6之LED驅動器，其中該動態淨空控制器包含電壓偵測器，連接該多個控制端，偵測該多個控制端的電壓得到其中的最小電壓；比較器，連接該電壓偵測器，比較第二參考電壓及該最小電壓產生比較信號；以及濾波器，連接該比較器，對該比較信號進行濾波產生該偵測信號。
  8. 如請求項1之LED驅動器，其中該電流調節器包含：電流產生電路，產生第一電流；電流鏡，連接該電流產生電路，在觸發該PWM信號時，鏡射該第一電流以產生該感測信號；以及多個LED開關電路，連接該電流鏡及該多個控制端，根據與該第一電流相關的電壓決定該多個控制端上的電流。
  9. 如請求項1之LED驅動器，其中該電流調節器在該PWM 信號被觸發時使該負載電流步階上升，在該PWM信號結束時使該負載電流步階下降。
  10. 一種使用PWM信號調光的LED驅動方法，包括：(A)提供輸出電壓及負載電流給多個LED；(B)偵測該輸出電壓產生回授信號；(C)放大參考電壓及該回授信號之間的差值產生補償電壓；(D)根據該補償電壓及一斜波信號產生控制信號供調節該輸出電壓；(E)根據該PWM信號調整該多個LED的電流以調整該負載電流；以及(F)產生與該負載電流相關的感測信號以調整該控制信號的責任週期比。
  11. 如請求項10之LED驅動方法，其中該步驟F包括產生該感測信號調整該補償電壓以調整該控制信號的責任週期比。
  12. 如請求項11之LED驅動方法，更包括偵測該多個LED的輸出端的電壓產生偵測信號作為該參考電壓
  13. 如請求項12之LED驅動方法，其中該產生偵測信號的步驟，包括：偵測該多個LED的輸出端的電壓得到其中的最小電壓；比較第二參考電壓及該最小電壓產生比較信號；根據該比較信號調整數位信號；以及將該數位信號轉換成該偵測信號。
  14. 如請求項10之LED驅動方法，其中該步驟F包括產生該感測信號調整該斜波信號以調整該控制信號的責任週期比。
  15. 如請求項14之LED驅動方法，更包括偵測該多個LED的輸出端的電壓產生偵測信號調整回授參考信號。
  16. 如請求項15之LED驅動方法，其中該產生偵測信號的步驟包括：偵測該多個LED的輸出端的電壓得到其中的最小電壓；比較第二參考電壓及該最小電壓產生比較信號；以及濾波該比較信號產生該偵測信號。
  17. 如請求項10之LED驅動方法，更包括在該PWM信號被觸發時使該負載電流步階上升，在該PWM信號結束時使該負載電流步階下降。
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