TWI425860B - 發光二極體控制電路及其方法 - Google Patents

Description

發光二極體控制電路及其方法

本發明一般涉及電子學，特別是涉及形成半導體裝置的方法和結構。

過去，半導體工業利用不同的方法和結構來形成用於發光二極體(LED)的驅動電路。一些LED驅動電路設計成接收類比控制信號並產生類比驅動信號，其使通過LED的電流線性變化。從South Portland Maine的Fairchild Semiconductor Corp.可得出此類控制電路的一個例子由部件號FAN5611來引用。在一些應用中，希望有控制通過LED的電流的其他方法。

因而，希望有一種LED控制器，其可回應控制信號而以多於一種的方法來變化通過LED的電流。

圖1概要地顯示LED照明系統10的一部分的實施方式，其包括示範形式的LED控制器20。LED控制器20設置成，對於小於控制信號臨界值的控制信號的值，將通過LED 13的LED電流15控制為與該控制信號成比例的值；而對於不小於所述臨界值的該控制信號的值，將所述電流15控制

為與該臨界值成比例的值。系統10自輸入端12和電力回路端11之間的輸入電壓接收電力，該輸入電壓如來自電池或其他直流電壓源的直流輸入電壓。LED電流15由控制器20控制，並流經LED 13以用於LED 13發光。電流15通常還流經感測電阻器(sense resistor)14以用於形成感應信號，其代表電流15的值。使用控制器20外部的電阻可允許使用不同的電阻值而為電流15提供不同的值。

控制器20包括電壓輸入21和電壓回路22，其通常分別連接至各端子12和端子11以接收用於操縱控制器20的電力。控制器20還具有控制輸入24、電流輸出26、和感測輸入27。在一些實施方式中，控制器20還可有啟動輸入23，其用於啟動或停用控制器20的操作。控制器20可包括啟動電路30、控制電路39、和旁路元件，如輸出電晶體60。控制電路39通常包括限制電路40、放大器53、由電阻器51和52形成的分壓器、緩衝電阻器41、和控制開關或電晶體56。在下文將進一步看到，限制電路40設置成檢測達到控制信號臨界值的控制信號，並對於比臨界值大的控制信號的值，相應地阻止電流15值的增加，從而保持電流15的值基本不變。

啟動輸入23接收啟動信號，其達到高以啟動控制器20的操作。來自輸入23的高信號可啟動電晶體31，其將電晶體33和37的閘極拉低以啟動電晶體33並停用電晶體37。啟動電晶體33耦接偏壓電路34以接收電力並開始提供偏壓電流至控制器20的其他元件。由偏壓電路34產生的偏壓電流用於提供操作偏壓電流以啟動控制器20的其他元件(如電路39)的操作。

圖2是擁有標繪圖(plot)63的圖式，其示出了對於在輸入24上接收的控制信號值的電流15。橫坐標表示控制信號值的增加，縱坐標表示電流15的值的增加。電路39設置成形成驅動信號，從而對於不大於臨界值的控制信號值驅動LED 13與控制信號的值成比例，如標繪圖63在坐標軸交點和點V_th 之間所示的，以及對於大於臨界值的控制信號值將電流15保持為基本常量值，如標繪圖63在點V_th 的右側所示。控制器20在控制輸入24上接收控制信號。電阻器41將輸入24自內部節點42分離，並在節點42上形成第一信號，其代表控制信號的值。電阻器51和52的分壓器接收來自節點42的第一信號並在節點54上形成第二信號，其與控制信號的值成比例，因而代表了控制信號的值。對於不大於臨界值(V_th )的控制信號的值，節點42上的第一信號的值和節點54上的第二信號的值與控制信號的變化成比例地變化。放大器53在放大器53的輸出上形成驅動信號，其代表在節點54上的第二信號和在輸入27上所接收的感測信號的差。當節點54上的第二信號的值變得比感測信號小，放大器53的輸出增加，因而增加電流15的值。當節點54上的第二信號的值變得比感測信號大，放大器53的輸出增加，因而增加電流15的值。

限制電路40是設置成檢測達到臨界值(V_th )的控制電路，並相應地阻止增加電流15的值，因而將電流15的值保持為相應的臨界電流(I_th )的基本衡量，I_th 由控制信號的臨界值形成。對於比控制信號的臨界值(V_th )大的控制信號的值，電路40將電流15保持為基本不變。在圖2中顯示的限制電路40的示範性實施例包括由電阻器44和45形成的電阻分壓器、放大器47、基準電壓產生器或基準電壓源49、和另一個旁路元件，如電晶體43。當輸入24上的控制信號的值達到了臨界值，節點42上的第一信號值也基本達到臨界值。電阻器44和45的電阻分壓器在節點46上形成第三信號，其代表第一信號的值，因而代表臨界值。基準電壓源49是設置成在放大器47的反相輸入上產生基準信號，其與由電阻器41、44和45的電阻分壓器在節點46上形成的第三信號的值大約相等，為控制信號的相應臨界值減電晶體43的臨界電壓。當輸入24上的控制信號達到臨界值(V_th )，節點46上的第三信號達到基準電壓源49的值，其將放大器47的輸出值增加至可啟動電晶體43的值。當控制信號的值增加至超過臨界值，放大器47的輸出增加以進一步啟動電晶體43並阻止第一信號的值增加，因而保持第一信號的值基本為臨界值。由電晶體43的效應，電阻器41緩衝輸入24上的控制信號。結果，防止由放大器53所接收的第二信號的值增加至比相應的臨界值大的值，因而防止電流15增加。即使輸入24上的控制信號的值增加到臨界值之上，電路40也阻止第一和第二信號增加至超過相應於臨界值的值，因而阻止電流15增加至超過電流值(I_th )，其相應於控制信號的臨界值。

由於輸入24的雙重控制功能，控制器20可用來回應于應用在輸入24上的類比信號或回應于應用在輸入24上的數位信號如PWM信號，而控制電流15。例如，在回路22的值和控制信號的臨界電壓之間變化的類比信號可用來回應於控制信號的值，進而以類比方式控制電流15。這樣，控制信號的類比值以類比的方式控制電流15的值和LED 13的亮度。同樣，在回路22的值和比控制信號的臨界值大的值之間變化的數位信號可用於以數位方式控制電流15。在數位控制信號為低值時，電流15可基本為零，而在控制信號為高值時，電流15將為最大值，這樣，LED 13的亮度將以數位的形式在基本沒有光和最大量的光之間變化。數位控制信號的工作週期(duty cycle)可用於控制電流15的平均值和LED 13的亮度。正如所見，脈寬調製(PWM)信號可用於數位地變化電流15和LED 13的光強度。對於類比控制信號和PWM控制信號，這樣的控制功能有助於獲得相似的電流15的值，進而獲得相似的LED 13的光強度的值。例如，與在回路22的值和臨界值之間的接近中間位置的類比信號提供了接近最大值一半的電流15的值和相應的光強度。相似的光強度可由具有大約百分之五十的工作週期的PWM控制信號來獲得。

為了對控制器20實現這一功能，輸入24連接至電阻器41的第一端子，該電阻器41具有連接到節點42的第二端子。電阻器51的第一端子連接至節點42以及第二端子通常連接至放大器53的反相輸入和電阻器52的第一端子。電阻器52的第二端子連接至回路22。電阻器44的第一端子連接至節點42，而第二端子通常連接至放大器47的非反相輸入和電阻器45的第一端子。電阻器45的第二端子連接至回路22。放大器47的反相輸入連接至基準電壓源49的輸出。放大器47的輸出連接至電晶體43的閘極，該電晶體43具有連接到節點42的汲極和連接到回路22的源極。放大器53的非反相輸入連接至輸入27和電晶體60的源極。放大器53的輸出連接至電晶體56的閘極。電晶體56的汲極通常連接至電晶體60的閘極並通過電阻器36連接至偏壓電路34的輸出。電晶體56的源極連接至回路22。電晶體60的汲極連接至輸出26。雖然顯示了電晶體43與來自回路22的基準信號耦接，但應認識到，電晶體43可耦接至具有比第三信號值小的值的任何基準信號，該第三信號的值相應於控制信號的臨界值。本領域具有通常知識者應認識到，在一些實施方式中，電晶體60可以在控制器20的外部。此外，本領域具有通常知識者應認識到，除了LED 13，控制器還可用於控制任何其他電流操作的裝置。

圖3概要地示出了在半導體晶粒(die)66上形成的半導體裝置或積體電路65的一個實施方式的一部分的放大平面圖。控制器20在晶粒66上形成。晶粒66可包括其他電路，為簡化圖形其在圖3中未顯示。控制器20和設備或積體電路65通過半導體製造技術在晶粒66上形成，這些技術為本領域具有通常知識所習知。在一個實施方式中，控制器20在半導體襯底上形成為積體電路，其具有六個外部引線，顯示為對輸出26、回路22、以及輸入21、23、24、和27的引線連接。

綜上所述，明顯地揭露了新的裝置和方法。在其他特徵中，包括形成控制器，當控制信號增至超過臨界值時，其保持輸出電流為衡量。

雖然以具體的較佳實施方式描述了本發明的主旨，但顯然，許多替代和變化對半導體領域的專業人士來說是很明顯的。例如，雖然電晶體43顯示為與來自回路22的基準信號耦接，但應認識到，電晶體43可與具有比臨界值小的值的任何基準電壓耦接。另外，限制電路40可有其他的實施，只要限制電路在控制信號達到臨界值之後阻止電流15增加。此外，為說明的清楚通篇使用了詞語"連接(connected)"，然而，它與詞語"耦接(coupled)"有相同的意思。因而，"連接(connected)"應解釋為包括直接連接或間接連接。

10 ．．．LED照明系統

11．．．電力回路端

12．．．輸入端

13．．．LED

14．．．感測電阻器

15．．．LED電流

20．．．LED控制器

21．．．電壓輸入

22．．．電壓回路

23．．．輸入

24．．．控制輸入

26．．．電流輸出

27．．．感測輸入

30．．．啟動電路

31．．．電晶體

33．．．電晶體

34．．．偏壓電路

36．．．電阻器

37．．．電晶體

39．．．控制電路

40．．．限制電路

41．．．緩衝電阻器

42．．．內部節點

43．．．電晶體

44．．．電阻器

45．．．電阻器

46．．．節點

47．．．放大器

49．．．基準電壓源

51．．．電阻器

52．．．電阻器

53．．．放大器

54．．．節點

56．．．電晶體

60．．．輸出電晶體

65 ．．．積體電路

66．．．半導體晶粒

圖1概要地顯示具有根據本發明的LED控制器的LED系統的一部分的實施方式；圖2是顯示圖1的根據本發明的LED系統的一信號的圖；以及圖3顯示包括圖1的根據本發明的LED控制器的半導體裝置的放大平面圖。

為了圖示的簡單和清楚，圖式中的元件不一定是按比例的，不同圖式中的同樣的參考數字表示相同的元件。此外，衆所周知的步驟和元件的描述和細節為了說明的簡單而被省略。這裏使用的載流電極是指承載通過裝置的電流的裝置的元件，如MOS電晶體的源極或汲極或雙極電晶體的發射極或集電極或二極體的陰極或陽極，控制電極是指控制通過裝置的電流的設備的元件，如MOS電晶體的閘極或雙極電晶體的基極。雖然在此所說明的裝置為特定的N－通道或P－通道裝置，本領域具有通常知識者應認識到，按照本發明，互補的裝置也是可以的。本領域具有通常知識者應認識到，這裏使用的詞語"在…期間"、"當…的時候"、"當…"不是精確的詞語，其意味著在起始動作發生時立即發生的動作，但可能會有一些小的但合理的延遲，如在由起始動作啟始的反應之間的傳播延遲。

10 ．．．LED照明系統

11．．．電力回路端

12．．．輸入端

13．．．LED

14．．．感測電阻器

15．．．LED電流

20．．．LED控制器

21．．．電壓輸入

22．．．電壓回路

23．．．輸入

24．．．控制輸入

26．．．電流輸出

27．．．感測輸入

30．．．啟動電路

31．．．電晶體

33．．．電晶體

34．．．偏壓電路

36．．．電阻器

37．．．電晶體

39．．．控制電路

40．．．限制電路

41．．．緩衝電阻器

42．．．內部節點

43．．．電晶體

44．．．電阻器

45．．．電阻器

46．．．節點

47．．．放大器

49．．．基準電壓源

51．．．電阻器

52．．．電阻器

53．．．放大器

54．．．節點

56．．．電晶體

60．．．輸出電晶體

Claims (18)

1. 一種發光二極體控制電路，其包括：一輸入，其係經設置成接收具有一控制值的一控制信號用於設定一發光二極體之一強度，其中該控制值自一第一值改變至一第二值並具有小於該第二值及大於該第一值的一臨界值；以及一輸出，其係經設置成形成通過一發光二極體的一電流；當該控制值自該第一值改變至不大於該臨界值時，該發光二極體控制電路經設置以回應於該控制信號之該控制值來改變該電流，對於大於該臨界值之該控制信號的控制值，該發光二極體控制電路經設置以檢測達到該臨界值的該控制值，並回應地控制該電流實質上不變且與該臨界值成比例，其中該發光二極體控制電路不改變該控制值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體控制電路，其進一步包括一感測輸入，其係經連接成接收一感測信號，該感測信號代表通過該發光二極體的一電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體控制電路，其進一步包括一放大器，其連接成比較代表該控制信號之一第一信號和該感測信號並控制該電流之值以回應該控制值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體控制電路，其中該發光二極體控制電路經設置以接收該控制信號並產 生代表該控制信號之一第一信號，該發光二極體控制電路包括一放大器，其係經連接成用以比較該第一信號與一基準信號，以及對於比該臨界值大的該控制信號的值，阻止該第一信號之值的增加，該放大器具有一輸出。
5. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體控制電路，其進一步包括一電阻分壓器，其係經連接成用以接收該控制信號並形成代表該控制信號的該第一信號。
6. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體控制電路，其進一步包括一電晶體，該電晶體具有一控制電極，其係經連接成用以接收該放大器的該輸出並箝制阻止該第一信號至不超過該臨界值之一值，該電晶體具有第一及第二載流電極。
7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體控制電路，其中，該電晶體的該第一載流電極係經連接成用以接收該控制信號，以及該電晶體的該第二載流電極連接至一電壓回路。
8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體控制電路，其中該發光二極體控制電路在一單一半導體晶粒上形成，其中該輸入和該輸出連接至該半導體晶粒上的端子。
9. 一種形成一發光二極體控制電路的方法，其包括：設置該發光二極體控制電路的一輸入以接收一控制信號；以及設置該發光二極體控制電路以對於小於該控制信號的 一臨界值的該控制信號的值，將通過一發光二極體的一電流控制為與該控制信號之一值成比例的一值，且對於不小於該臨界值的該控制信號的值，將該電流控制到與該臨界值成比例的一實質上不變的值。
10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中，設置該發光二極體控制電路包括：設置該控制電路，以接收代表該電流的一感測信號並控制該電流以回應該感測信號和該控制信號。
11. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中，設置該發光二極體控制電路包括：設置一限制電路，以對於不小於該控制信號的該臨界值的控制信號值，阻止該電流之值的增加。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中設置該限制電路以阻止該電流的該值的增加包括：設置該發光二極體控制電路以形成代表該控制信號的一第一信號，和設置該限制電路以阻止該第一信號增加以回應接收該控制信號的該臨界值。
13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中設置該限制電路以阻止該第一信號增加包括：連接一放大器以形成一誤差信號，該誤差信號代表該第一信號和一基準信號之間的差，該基準信號代表該臨界值。
14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其進一步包括連接一電晶體以接收該誤差信號並將該第一信號的一值控制至不大於該臨界值的一值。
15. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，設置該發光二極體控制電路包括：連接一放大器以接收該第一信號並形成該電流以回應該第一信號。
16. 一種電流控制電路，其包括：一第一輸入，其係經設置成用以接收具有一控制值之一控制信號用於設定一發光二極體之一強度，其中該控制值自一第一值改變至一第二值並具有小於該第二值及大於該第一值的一臨界值；一放大器，其具有一第一輸入、一第二輸入以及一輸出，該第一輸入係經連接成用以接收代表該控制信號的一第一信號，該第二輸入係經連接成用以接收一第一基準信號；以及一電晶體，其具有一第一載流電極、一第二載流電極以及一控制電極，該第一載流電極連接成接收該第一信號，該第二載流電極連接到比該第一基準信號小的一第二基準信號，以及該控制電極連接成接收該放大器的該輸出，其中對於控制值小於該臨界值時該放大器停用該電晶體，且對於控制值大於該臨界值時該放大器啟動該電晶體。
17. 如申請專利範圍第16項所述的控制電路，其進一步包括設置成用以接收一感測信號的一第二輸入，該感測信號代表通過一發光二極體的一電流，以及包括連接成接收該第一信號的一第二放大器，且該第二輸入連接成用以接收該感測信號，以及包括連接成用以形成用於控制通 過該發光二極體的該電流的一驅動信號的一輸出。
18. 如申請專利範圍第16項所述的控制電路，其進一步包括一電阻器，其係經連接成用以接收該控制信號並形成該第一信號。