TWI479945B - Led電流控制 - Google Patents

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Description

LED電流控制
本發明主要涉及控制發光二極體(LED)的多個通道，尤其是利用平均電流平衡，驅動LED多個通道的升壓轉換器。
許多工業、商業以及公共基礎設施都使用發光二極體照明。與原有的白熾燈或螢光燈照明等照明技術相比，LED具有很寬的色譜、緊湊的尺寸、很高的能量效率、沒有汞及相關的環保問題、延長工作壽命、可定義輸出、不含紅外或紫外光譜元件(如果有必要的話)，以及低壓(在每個LED基座上)。
高亮度發光二極體(LED)的出現改善了固態照明方式，其性能優於傳統的照明技術。發光效率較高、工作壽命長、工作溫度範圍寬並且設備環保等，都是LED技術超越白熾燈或氣體放電光源技術的重要優勢。然而，正向電壓降、光通量輸出和/或峰值波長可能需要封裝技術，導致產量降低、成本增加。此外，大量性能匹配的LED排布在一個合適的光學外殼中，必須滿足特定的光學發光性能的要求。明確電路補償工藝的要求，在溫度範圍內規定光輸出以及硬體壽命，會使先進的LED無法使用電阻偏置的驅動方式。
提出了各種基於開關和線性調製器件的電路技術，用於驅動串聯LED的單獨的“線串”，憑藉調光技術實現精確的正向電流調製以及脈衝調製。這種體系結構要求每個LED線串使用專用的驅動電路，因此不適合控制數量很多 的線串。
正是在這一前提下，提出了本發明所述的實施例。
在一些實施方式中，本發明提供一種發光二極體(LED)控制系統，包括：數個數字調光控制器，每個都用於接收一個脈衝通道電流控制信號，從而有數個脈衝通道電流控制信號，其中每個脈衝通道電流控制信號都通過一個相應的通道工作週期表征，其中每個調光控制器都用於為相應的一個雙控開關提供輸出信號，每個雙控開關都與相應的數個並聯LED通道中的一個串聯耦合；以及一個平均電流平衡元件，用於接收輸入工作週期表征的脈衝控制信號輸入，以及數個電流傳感輸入信號，其中每個電流傳感輸入信號都標示流經其中一個相應的LED通道中的電流，其中所述的平均電流平衡元件用於向所述的數個數字調光控制器提供相應的脈衝通道電流控制信號，所述的平均電流平衡元件用於調節每個通道電流控制信號相對於輸入工作週期的通道工作週期以回應所述的電流傳感輸入信號。
上述的發光二極體(LED)控制系統，所述的平均電流平衡元件利用所述的數個電流傳感輸入信號，確定所述的數個LED通道中LED電流最低的一個特定通道，並且為升壓或降壓轉換元件提供回饋信號，調節所述的一個或多個並聯LED通道上的電壓。
上述的發光二極體(LED)控制系統，所述的平均電 流平衡元件用於將LED電流最低的特定通道的通道工作週期，設置得與輸入工作週期相等。
上述的發光二極體(LED)控制系統，平均電流平衡元件用於將LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期，都設置得比輸入工作週期更低。
上述的發光二極體(LED)控制系統，所述的平均電流平衡元件用於設置指定的LED通道的通道工作週期等於輸入工作週期乘於(乘以)所述最低的LED通道電流與所述指定通道的通道電流的比例(比值)。
上述的發光二極體(LED)控制系統，所述的每個雙控開關都耦合在相應的LED通道的最後一個LED和相應的傳感電阻器之間。
上述的發光二極體(LED)控制系統，還包括一個升壓轉換器元件，用於傳感流經每個並聯LED通道的通道電流，並且調製並聯LED通道上的驅動電壓。
上述的發光二極體控制系統，升壓轉換器元件用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，為升壓開關提供升壓開關信號，通過調節流經升壓開關的電流，來調製驅動電壓。
上述的發光二極體(LED)控制系統，所述的升壓開關耦合在節點和參考電壓之間，節點耦合到一個或多個並聯LED通道的輸入端。
上述的發光二極體(LED)控制系統，還包括一個電感器，其中電感器耦合在節點和輸入電壓源之間。
上述的發光二極體控制系統，還包括一個降壓轉換器元件，用於傳感流經每個並聯LED通道的通道電流，並且提供一個或多個開關信號調製並聯LED通道上的驅動電 壓。
上述的發光二極體(LED)控制系統，降壓轉換器元件為同步降壓轉換器，用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，來確定高端開關信號和低端開關信號，並且為高端開關提供高端開關信號，為低端開關提供低端開關信號，高端開關耦合在電壓源和節點之間，低端開關耦合在節點和參考電壓之間。
上述的發光二極體(LED)控制系統，還包括一個電感器，其中電感器耦合在節點和一個或多個並聯LED通道之間。
上述的發光二極體(LED)控制系統，降壓轉換器元件為非同步降壓轉換器，用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，確定高端開關信號，並為高端開關提供高端開關信號，高端開關耦合在電壓源和節點之間，節點通過電感器連接到一個或多個LED通道上。
上述的發光二極體(LED)控制系統，還包括一個二極體，耦合在節點和參考電壓之間，其中當高端開關閉合時，二極體反向偏置。
在一些實施方式中，本發明還提供一種電流控制系統，包括：一個平均電流平衡元件，用於接收輸入工作週期表征的脈衝控制信號輸入，以及一個或多個電流傳感輸入信號，其中所述的一個或多個電流傳感輸入信號中的每個都標示流經一個或多個負載通道中一個相應的負載通道中的電流，其中平均電流平衡元件用於為一個或多個調光控制器提供一個或多個脈衝通道電流控制信號，一個或多個調 光控制器相應的耦合到一個或多個負載通道上，其中平均電流平衡元件用於調節每個通道電流控制信號相對於輸入工作週期的通道工作週期。
在另一些實施方式中，本發明還提供一種發光二極體(LED)控制方法，包括：接收輸入工作週期表征的脈衝控制信號輸入，以及數個電流傳感輸入信號，其中每個電流傳感輸入信號都標示流經數個LED通道中一個相應的LED通道中的電流；並且為數個調光控制器提供數個脈衝通道電流控制信號，所述的數個調光控制器相應的耦合到數個LED通道上，其中每個調光控制器都用於為一個相應的雙控開關提供輸出信號，每個雙控開關都與數個並聯LED通道中一個相應的LED通道串聯耦合；其中每個脈衝通道電流控制信號的通道工作週期根據所述的數個電流傳感輸入信號相對於輸入工作週期進行調節。
上述的方法，還包括利用一個或多個電流傳感輸入信號，確定數個LED通道中LED電流最低的一個特定通道，並且為升壓或降壓轉換元件提供回饋信號，調節一個或多個並聯LED通道上的電壓。
上述的方法，提供數個脈衝通道電流控制信號包括，將LED電流最低的特定通道的通道工作週期，設置得與輸入工作週期相等。
上述的方法，還包括將LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期，都設置得比輸 入工作週期更低。
上述的方法，設置LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期包括，設置指定的LED通道的通道工作週期等於輸入工作週期乘於最低的LED通道電流與指定通道的通道電流的比例。
上述的方法，升壓或降壓轉換器元件，用於傳感流經每一個或多個並聯LED通道的通道電流，並且調製並聯LED通道上的驅動電壓。
上述的方法，升壓或降壓轉換器元件根據接收的數個電流傳感輸入信號，為一個或多個開關提供一個或多個開關信號，用於通過調節流經一個或多個開關的電流，來調製驅動電壓。
以下詳細說明並參照附圖，用於解釋說明本發明的典型實施例。在這種情況下，參照圖中所示的方向，使用方向術語，例如“頂部”、“底部”、“正面”、“背面”、“前面”、“後面”等。由於本發明的實施例可以置於不同的方向上，因此所述的方向術語用於解釋說明，並不作為局限。應明確也可以使用其他實施例，結構或邏輯上的調整不能偏離本發明的範圍。因此，以下詳細說明並不作為局限，本發明的範圍應由所附的權利要求書限定。
傳統的LED背光驅動器通常包括一個升壓或降壓轉換器元件，提供LED偏壓，以及一個電流調節器元件，控制LED電流。驅動器根據控制輸入調節電流，控制輸入包括一個調光或亮度級別的控制器。驅動器處理控制輸入， 提供與升壓或降壓以及電流調節器元件一致的回應。通過進行LED線串(LED strings)的移相脈寬調製(PS-PWM)，至少可以部分減少效率低下的情況，消除轉換器輸出端的脈衝電流，提供動態的母線電壓調節，改善了效率。
目前，如第1、2、3圖所示，主要使用兩種傳統的方法。
第1圖表示一種可以調節LED單獨通道(或線串)的傳統系統的示意圖。該系統可用於控制為LED背光設計的LED管束。系統100含有一個電源102，通過電感器103和肖特基二極體105，耦合到LED 104的單獨通道(Single channel of LED)上。電源102通過電感器103和升壓開關108接地(或其他參考電壓端)。升壓開關108是一種“節流”型開關，其中通過開關的瞬間電流取決於來自升壓轉換控制器106的輸出信號級別。當升壓開關108開啟時，電流流經電感器103，從而使電壓聚集起來。當升壓開關斷開時，儲存在電感器103中的能量通過肖特基二極體到達LED通道104。
系統100還含有一個數字調光控制器(Digital dimming control)110，通過開關112和電流傳感電阻器114，耦合到LED通道104，電流傳感電阻器114位於開關112和接地端之間，電流傳感電阻器114也耦合到升壓轉換控制器106上。由於傳感電阻器114與LED通道104串聯，因此傳感電阻器114上的電壓與流經傳感電阻器114的電流(即流經LED通道104的電流(ILED))成正比。在系統100中，可以根據傳感電阻器114上測得的電壓，通過控制流經升壓開關108的電流，調節LED通道104上的增壓。根 據來自調光控制器110的信號，調節平均LED電流(ILED)。傳感電阻器114和LED通道104中最低的一個LED(即LED通道104中末端的一個LED，與此同時其首個LED連接到LED通道的電壓輸入端也即電源102提供的輸出電壓VOUT端)的陰極之間的雙控開關112，根據來自調光控制器110的信號，控制流經LED通道104的電流的接通或斷開。調光控制器110通過改變隨著開關112接通和斷開電流的工作週期，調節平均電流。
系統100利用一個控制回路，調節傳感電阻器114和開關112之間的節點116處的LED偏壓VLED。將LED偏壓VLED(節點116)耦合回升壓轉換控制器106，作為回饋電壓VFB(VFB=R*ILED)，形成回饋電路，實現升壓調製。由於不同的LED之間存在正向電壓失配，所以這種方法通常用於單獨的LED通道。該技術基於獨立的升壓轉換控制器，因此對於多通道LED系統而言，例如雙LED通道，該技術將需要兩個電感器、兩個升壓開關以及兩個雙控開關。由於升壓轉換器的多個升壓開關，以及每個通道的升壓轉換器的多個降壓開關，使得該系統非常昂貴。
第2圖表示另一種可以調節LED單獨通道(或線串)的傳統升壓轉換器200的示意圖。與系統100類似，系統200含有一個電源102，通過電感器103和肖特基二極體105，耦合到LED 104的單獨通道上。電源102通過升壓開關108接地耦合(或其他參考電壓端)。在系統200中，根據回饋電壓VFB調節增壓，回饋電壓VFB是在節點215處的通道104中最下方的LED二極體的陰極測量的。
在本方法中，系統200利用第一控制回路，根據節點 215處的回饋電壓，調節LED通道104上的輸出電壓。如果認為每個LED上的電壓降都相同，那麼回饋電壓VFB可以表示為輸出-NLED*VLED，其中NLED為通道104中LED的數量。通過將節點215處的回饋電壓VFB耦合至升壓轉換控制器106，形成回饋電路，升壓轉換控制器106為升壓開關108提供升壓控制信號，實現升壓調製。
由於反饋回路不是通過LED通道104調節電流ILED，因此電流調製器件(Current regulation device)119耦合在LED通道104和接地端之間。傳感電阻器114耦合在電流調製器件119(例如線性開關或電晶體)和接地端之間。調製器件利用來自於調製器(Regulator)118的信號，控制LED電流。調製器118可以是一個接收控制輸入(例如與通道電流ILED相對應的電壓)的比較器。控制輸入可以是電壓VCTRL的形式，電壓VCTRL是在調製器件119和耦合至接地端的傳感電阻器R之間的節點216處測量的，其中VCTRL=R*ILED。調製器118將控制輸入與第二控制輸入作比較，第二控制輸入對應通道電流ILED的期望值。
在系統200中，由於調製電流並不取決於電壓，因此該系統也可以用於多通道結構，也就是說匹配每個LED通道的電流。第3圖表示與第2圖類似的另一種傳統系統300的示意圖，可以調節LED的多個通道/線串。但是，遺憾的是它與第2圖所示的系統200和第1圖所示的系統100一樣，有類似的成本問題，多通道配置使這種系統相當昂貴。該系統的成本部分取決於利用傳統的IC工藝以及工業設計方式，在矽中實現LED電流調節器的成本。此外，LED電流調製器件119通常在線性區域中工作，它在功率消耗 和器件尺寸等方面都不如雙控開關。雖然多通道的系統200並不需要多個升壓轉換器或多個升壓開關調製多個並聯通道，但這種系統需要多個調製器(Regulator)和多個電流調製器件(Current regulation device)。
第3圖表示多通道LED控制系統300。與系統200類似，系統300含有一個電源102，耦合到LED 104的多個並聯通道上，為了簡便，在第3圖中僅表示出了兩個通道104-1和104-2。電源102通過電感器103和肖特基二極體105，耦合到LED的多個並聯通道，提供輸出電壓VOUT。電源102還通過升壓開關108，耦合到接地端或其他參考電壓端。升壓轉換控制器106提供控制升壓開關108的信號。
系統300利用第一控制回路，調製第一通道104-1與相應調製器件119-1之間的節點315-1處的LED偏壓VLED。通過將回饋電壓VFB1從節點315-1耦合回升壓轉換控制器106，形成回饋電路。而且，假設通道104-1中的每個LED都具有相同的電壓降，VFB1=VOUT-VLED*NLED，其中NLED為第一通道104-1中的LED的數量。系統300還利用第二控制回路，調製第二通道104-2與相應調製器件119-2之間的節點315-2處的LED偏壓VLED。回饋電路的形成，是通過將節點315-2處的回饋電壓VFB2從耦合回升壓轉換控制器106，作為回饋電壓VFB2(VFB2=VOUT-VLED*NLED)，其中NLED為第二通道104-2中的LED的數量。升高的電壓通過最低的回饋電壓VFB1或VFB2調製，最低的回饋電壓VFB1或VFB2對應電壓降最高的LED通道。
與系統200類似，系統300還包括電流調製器118-1和118-2，用於控制LED電流，電流調節器118-1和118-2分別用在通道104-1和104-2中各自最下方的LED二極體的陰極和接地之間。在系統300中，數字調光控制器110耦合到調製器118-1和118-2。配置第三和第四控制回路，以便分別在節點316-2和316-2處獨立調製LED電流(ILED1和ILED2)。一般而言，通過將LED電流ILED1(節點316-1)耦合回調製器118-1，作為控制電壓VCTRL(VCTRL=R*ILED1)，通過調製器件119-1實現電流調製，將LED電流ILED2(節點316-2)耦合回調製器118-2，作為控制電壓VCTRL(VCTRL=R*ILED2)，通過調製器件119-2實現電流調製。由於使用了多個調製器和調製器件，使得該方法的成本更加高昂。對於2通道系統，第3圖所示示例中的系統300需要一個電感器、一個升壓開關、兩個調製器和兩個調製器件。此外，功率都是被除了LED正向電壓最低的通道以外的通道消耗。確切地說，由於電壓調製是基於回饋電壓最低的通道，回饋電壓較高的通道由於在它們的調製器件中的熱量，將會消耗功率用於散熱。
解決方案：第1圖所示的系統100是LED背光最節省成本的解決方案。然而，由於複製了升壓或降壓轉換器元件，因此節省了一個以上通道的成本。本發明系統的實施例採用類似於系統100的LED控制系統，用單獨的升壓轉換器元件控制多個通道。
確切地說，要避開原有技術的LED控制器的缺陷，可以通過利用由輸入工作週期以及一個或多個電流傳感輸入信號表徵的脈衝的控制信號輸入，控制並聯的發光二極體 通道。每個電流傳感輸入信號(Current sense input signal)都可以用流經相應的LED通道的電流來表示。一個或多個脈衝通道電流控制信號(Pulsed channel current control signals)，可以提供給一個或多個相應的調光控制器，並且對應耦合到一個或多個LED通道上。每個調光控制器都為相應的雙控開關提供輸出信號，每個雙控開關都與相應的LED通道串聯耦合。根據與電流傳感輸入信號有關的輸入工作週期，調製每個通道電流控制信號的通道工作週期。
使用雙控開關(ON-OFF switch)和調光控制器，而不是線性開關(Linear switch)和調製器，可以大幅降低控制系統的成本。
實施例：第4圖表示依據本發明的一個實施例所展示的系統400的示意圖，其中系統400可以調製帶有單獨的升壓轉換器的LED的多個通道，從而節省成本。
在系統400中，LED的多個並聯通道，通過肖特基二極體105和電感器103，耦合到電源102上。每個通道上的電壓都是肖特基二極體105的陰極處的輸出電壓Vout。在第4圖所示的示例中，表示了兩個LED通道104-1和104-2；然而，本發明的實施例可以通過任意數量的LED通道來實現。每個單獨的LED通道上的電壓降隨著LED各自的屬性變化，系統400僅僅表示LED的兩個通道104-1和104-2。電源102也通過升壓開關108，耦合到升壓轉換控制器106上。與系統100類似，每個數字調光控制器110-1、110-2都通過雙控開關112-1、112-2，耦合到相應的LED通道104-1和104-2，電流傳感電阻器114-1、114-2位於雙控開關112-1、112-2和接地端或其他參考電壓端之 間。
如第4圖所示，每個數字調光控制器110-1、110-2都利用脈寬調製，通過相應的LED通道104-1、104-2，提供對應雙控開關112-1、112-2的控制信號，控制電流ILED1、ILED2。
系統400利用單獨的反饋回路，根據LED通道104-1、104-2的暫態電流ILED1、ILED2，調製輸出電壓VOUT和通道104-1、104-2回應傳感信號的平均電流。作為示例，但不作為局限，傳感信號可以是在節點116-1、116-2處測得的回饋信號VFB1、VFB2的形式，節點116-1、116-2分別在傳感電阻器114-1、114-2和雙控開關112-1、112-2之間。回饋電壓VFB1、VFB2可以用VFB1=R1*ILED1和VFB2=R2*ILED2表示。與系統300類似，可以通過將回饋電壓VFB1、VFB2耦合到升壓轉換控制器106上，形成LED通道104-1、104-2的輸出信號控制器反饋回路。由於必須是最小的輸出電壓才能保持通道開啟，因此升壓轉換控制器106選取VFB1、VFB2最低的回饋電壓，調製輸出電壓VOUT。
系統400還包括一個平均電流平衡元件(Average current balance element)420，耦合到數字調光控制器110-1、110-2以及升壓轉換控制器106上。在本方法中，與系統300一樣，調製的都是每個通道104-1、104-2的平均電流，而非暫態電流。平均電流平衡元件420用於接收輸入工作週期(Input duty cycle)表徵的脈衝控制信號輸入(Pulsed control signal input)，電流傳感輸入信號對應流經每個LED通道104-1、104-2的電流。作為示例，但不作為局限，電流傳感信號可以是回饋電壓VFB1、VFB2或從它 們中提取的信號。平均電流平衡元件420還用於為數字調光控制器110-1、110-2提供脈衝通道電流控制信號。平均電流平衡元件420用於根據一個或多個電流傳感輸入信號(例如根據VFB1和VFB2)，調節每個通道電流控制信號與輸入工作週期有關的通道工作週期(Channel duty cycle)。
作為示例，但不作為局限，平均電流平衡元件420可以在可編程器件的軟體中配置，例如微處理器或硬體(例如專用積體電路(ASIC)或微控制器)中。
為了通過每個LED通道104-1、104-2，控制平均電流，平均電流平衡元件420為數字調光控制器110-1、110-2提供單獨的脈寬調製，使每個LED通道獲得相同的平均電流ILED1，所有的通道在頂部LED二極體(即LED通道中首個LED二極體)的陽極(節點422)處，獲得相同的輸出電壓VOUT。平均電流平衡元件420利用電流資訊，確定LED電流最低的通道。這個通道將為升壓轉換調節器提供回饋信號。LED電流最低的通道的雙控開關的工作週期，將與輸入PWM調光工作週期相同。LED電流較高的所有其他通道都將根據LED電流的差異，來調節雙控開關工作週期。LED通道電流ILED(較高)高於最低的LED通道電流ILED(最低)的這些LED通道的通道工作週期，可以用下式表示：通道工作週期=[ILED(最低)*輸入工作週期/ILED(較高)]。
作為數位示例，假設兩個通道104-1、104-2為10%失配。頂部LED二極體的陽極(節點422)處，具有相同的輸出電壓VOUT，如果通道104-1的全電流ILED1為100mA， 由於10%失配，因此通道104-2的全電流將是110mA。因此，由於LED10%失配，通道104-1的回饋電壓VFB1將是500mA，通道104-2的回饋電壓VFB2將是550mA。為了簡便，可以認為R1=R2。
在本例中，升壓轉換控制器106將選取最低的回饋電壓-500mV的VFB1，調製輸出電壓VOUT，其為保持LED通道104-1開啟所需要的最小的輸出電壓。
假設輸入工作週期為50%。如果數字調光控制器使用相同的工作週期，那麼第一通道104-1的平均電流將是50mA，第二通道104-2的平均電流將是55mA。平均電流平衡元件420將第二LED通道104-2的工作週期從50%調至45.4%，從而使第二通道的平均電流ILED2為50mA(110mA*0.454=50mA)。
本發明的實施例並不局限於使用升壓轉換器。在可選實施例中，可以在LED驅動中使用單獨的降壓轉換器，降低輸入電壓。作為示例，但不作為局限，圖5第5圖表示依據本發明的實施例，可以利用單獨的降壓轉換器調製LED多個通道的系統500的示意圖，從而節省成本。
系統500中除了用降壓轉換控制器代替升壓轉換控制器之外，其他都與系統400相同。所示的系統500為同步降壓結構，包括高端(HS)開關502和低端(LS)開關504，電耦合到降壓轉換控制器506上。HS和LS開關可以是合適的電晶體，例如MOSFET、IGBT或BJT。
在系統500中，LED的多個並聯通道可以通過電感器103和HS開關502或LS開關504，耦合到電源102上。每個通道上的電壓為電感器103上的輸出電壓VOUT。在本 例中，圖5第5圖表示了兩個LED通道104-1、104-2；然而，本發明的實施例可以配置任意數量的LED通道。每個單獨的LED通道上的電壓降都可以隨LED各自的屬性來改變，使不同的LED通道具有不同的啟動電壓。為了簡便，系統500僅表示出了LED的兩個通道104-1和104-2。電源102也通過HS開關502和LS開關504，耦合到降壓轉換控制器506上。與系統400類似，每個數字調光控制器110-1、110-2都通過雙控開關112-1、112-2，耦合到相應的LED通道104-1、104-2上，電流傳感電阻器114-1、114-2位於雙控開關112-1、112-2和接地端或其他電壓參考端之間。每個數字調光控制器110-1、110-2都提供對應雙控開關112-1、112-2的控制信號，利用脈寬調製，通過相應的LED通道104-1、104-2，控制電流ILED1、ILED2。
如上所述，與系統400類似，系統500利用單獨的反饋回路，根據LED通道104-1、104-2的暫態電流ILED1、ILED2，調製輸出電壓VOUT和通道104-1、104-2回應傳感信號的平均電流。降壓轉換控制器506選取VFB1、VFB2中最低的回饋電壓，調製輸出電壓VOUT，這是保持通道開啟所需要的最小的輸出電壓。系統500還包括一個平均電流平衡元件420，平均電流平衡元件420耦合到數字調光控制器110-1、110-2和降壓轉換控制器506上。與系統300中一樣，調製的是每個通道104-1、104-2的平均電流，而非暫態電流。平均電流平衡元件420用於接收輸入工作週期表征的脈衝控制信號輸入，電流傳感輸入信號對應流經每個LED通道104-1、104-2的電流。作為示例，但不作為局限，電流傳感信號可以是回饋電壓VFB1、VFB2或從它 們中提取的信號。平均電流平衡元件420還用於為數字調光控制器110-1、110-2提供脈衝通道電流控制信號。平均電流平衡元件420用於根據一個或多個電流傳感輸入信號(例如根據VFB1和VFB2)，調節每個通道電流控制信號與輸入工作週期有關的通道工作週期。
當HS開關閉合(開啟狀態)時，LS開關打開(斷開狀態)，電感器103上的電壓為VL=Vin-Vout。流經電感器103的電流線性升高。當LS開關斷開時，沒有電流流經它。如上所述，要控制流經每個LED通道104-1、104-2的平均電流，平均電流平衡元件420為數字調光控制器110-1、110-2提供單獨的脈寬調製，使每個LED通道獲得相同的平均電流ILED1，所有的通道在頂部LED二極體的陽極(節點422)處，獲得相同的輸出電壓VOUT。平均電流平衡元件420利用電流資訊，確定LED電流最低的通道。這個通道將為升壓轉換調節器提供回饋信號。LED電流最低的通道的雙控開關的工作週期，將與輸入PWM調光工作週期相同。LED電流較高的所有其他通道都將根據LED電流的差異，來調節雙控開關工作週期。LED通道電流ILED(較高)高於最低的LED通道電流ILED(最低)的這些LED通道的通道工作週期，可以用下式表示：通道工作週期=[ILED(最低)*輸入工作週期/ILED(較高)]。
作為數位示例，假設兩個通道104-1、104-2為10%失配。頂部LED二極體的陽極(節點422)處，具有相同的輸出電壓VOUT，如果通道104-1的全電流ILED1為100mA，由於10%失配，因此通道104-2的全電流將是110mA。因 此，由於LED10%失配，通道104-1的回饋電壓VFB1將是500mA，通道104-2的回饋電壓VFB2將是550mA。為了簡便，可以認為R1=R2。
在本例中，升壓轉換控制器106將選取最低的回饋電壓-500mV的VFB1，調製輸出電壓VOUT，其為保持LED通道104-1開啟所需要的最小的輸出電壓。
假設輸入工作週期為50%。如果數字調光控制器使用相同的工作週期，那麼第一通道104-1的平均電流將是50mA，第二通道104-2的平均電流將是55mA。平均電流平衡元件420將第二LED通道104-2的工作週期從50%調至45.4%，從而使第二通道的平均電流ILED2為50mA(110mA*0.454=50mA)。
當HS開關打開(斷開狀態)時，LS開關閉合(開啟狀態)，電感器103上的電壓為VL=-Vout(二極體電壓降忽略不計)。因此，流經電感器103的電流IL降低。
第6圖表示依據本發明的另一個實施例，可以調製帶有單獨的降壓轉換器的LED多個通道的系統600，從而節省成本。系統600為非同步的降壓結構，除了含有高端(HS)開關502和二極體503電耦合到降壓轉換控制器506和二極體503之外，其他都與系統500類似。HS開關可以是一個合適的電晶體，例如MOSFET、IGBT或BJT。當HS開關502閉合時，所配置的二極體為反向偏置，當HS開關502打開時，二極體為正向偏置。非同步降壓轉換器中常見的情況是，並聯LED通道104-1、104-2上的電壓取決於閉合和斷開HS開關502的開關信號的工作週期。
在系統600中，LED多個並聯的通道可以通過電感 器103或二極體503，耦合到電源102上。每個通道上的電壓為電感器103的輸出電壓Vout。電源102通過HS開關502和二極體503，也耦合到降壓轉換控制器506上。
系統600的工作方式與系統500基本類似。當HS開關502閉合(接通狀態)時，電感器103上的電壓為VL=Vin-Vout。電感器103上的電流線性增大。由於二極體503通過電壓源V反向偏置，因此沒有電流通過。當HS開關502打開(斷開狀態)時，二極體503正向偏置，電感器103上的電壓為VL=-Vout(二極體降忽略不計)。因此，流經電感器103的電流IL降低。這種控制電流的技術避免了通道中電流較高時的功率損耗，並且避免了像第3圖中的系統300那樣使用昂貴的調節器和調製器件，從而降低了系統的成本。雖然所述示例均針對背光的LED通道，但是本領域的技術人員應明確本發明的實施例並不局限於這些方式。本發明的實施例還可選擇用於其他需要控制多個並聯通道中電流的器件中。一般來說，本發明的實施例可以用任何類型的使用脈寬調製調節一個或多個負載通道中平均DC電流的器件中。這種器件可能包括，例如電動機。
儘管以上是本發明的較佳實施例的完整說明，但是也有可能使用各種可選、修正和等效方案。因此，本發明的範圍不應局限於以上說明，而應由所附的權利要求書及其全部等效內容決定。任何可選件(無論首選與否)，都可與其他任何可選件(無論首選與否)組合。在以下權利要求中，不定冠詞“一個”或“一種”都指下文內容中的一個或多個專案的數量。除非在特定的權利要求前使用“意思是”明 確限定，否則所附的權利要求書不應認為是意思加功能的局限。任何沒有用“意思是”明確指出限定功能的專案，不應認為是35 USC § 112,¶ 6中所述條款的“意思”或“步驟”。
102‧‧‧電源
103‧‧‧電感器
104‧‧‧通道
104-1，104-2LED‧‧‧通道
105‧‧‧肖特基二極體
106‧‧‧升壓轉換控制器
108‧‧‧升壓開關
110，110-1，110-2‧‧‧數字調光控制器
112‧‧‧開關
112-1，112-2‧‧‧雙控開關
114，114-1，114-2‧‧‧傳感電阻器
116，116-1，116-2，215，216，315-1，315-2，316-1，316-2，422‧‧‧節點
118，118-1，118-2‧‧‧調製器
119，119-1，119-2‧‧‧電流調製器件
420‧‧‧平均電流平衡元件
502‧‧‧高端開關
503‧‧‧二極體
504‧‧‧低端開關
506‧‧‧降壓轉換控制器
閱讀以下詳細說明並參照附圖之後，本發明的其他特點和優勢將顯而易見：第1圖表示一種可以調節LED單獨通道(或線串)的傳統系統的示意圖。
第2圖表示另一種可以調節LED單獨通道的傳統系統的示意圖。
第3圖表示另一種與圖2第2圖類似的，可以調節LED多個通道/線串的傳統系統的示意圖。
第4圖表示依據本發明的一個實施例，一種可以調節單獨LED通道或帶有一個單獨的升壓轉換器的LED多通道的系統的示意圖。
第5圖表示依據本發明的另一個實施例，一種可以調節單獨LED通道或帶有一個單獨的升壓轉換器的LED多通道的系統的示意圖。
第6圖表示依據本發明的可選實施例，一種可以調節單獨LED通道或帶有一個單獨的升壓轉換器的LED多通道的系統的示意圖。
102‧‧‧電源
103‧‧‧電感器
104-1，104-2‧‧‧LED通道
105‧‧‧肖特基二極體
106‧‧‧升壓轉換控制器
108‧‧‧升壓開關
110-1，110-2‧‧‧數字調光控制器
112-1，112-2‧‧‧雙控開關
114-1，114-2‧‧‧傳感電阻器
116-1，116-2，422‧‧‧節點
420‧‧‧平均電流平衡元件

Claims (23)

  1. 一種發光二極體(LED)控制系統，其特徵在於，包括：數個數字調光控制器，每個都用於接收一個脈衝通道電流控制信號，從而有數個脈衝通道電流控制信號，其中每個脈衝通道電流控制信號都通過一個相應的通道工作週期表征，其中每個調光控制器都用於為相應的一個雙控開關提供輸出信號，每個雙控開關都與相應的數個並聯LED通道中的一個串聯耦合；以及一個平均電流平衡元件，用於接收具有輸入工作週期之表征的脈衝控制信號輸入，以及數個電流傳感輸入信號，其中每個電流傳感輸入信號都標示流經其中一個相應的LED通道中的電流，其中：所述的平均電流平衡元件用於向所述的數個數字調光控制器提供與所述的數個數字調光控制器相應的所述的數個脈衝通道電流控制信號，所述的平均電流平衡元件用於調節每個脈衝通道電流控制信號相對於所述輸入工作週期的通道工作週期以回應所述的數個電流傳感輸入信號；當所述的數個電流傳感輸入信號表示一狀態時，所述的平均電流平衡元件進行調節；所述狀態是：所述數個並聯LED通道形成具有最低通道電流ILED(最低)的第一LED通道、和具有較高通道電流ILED(較高)的第二LED通道，所述較高通道電流ILED(較高)高於所述最低通道電流ILED(最低)；所述數個脈衝通道電流控制信號中的一相應脈衝通道電流控制信號控制所述第二LED通道，並且具有相應通道工作週期；以及 所述調節將所述相應通道工作週期設置為：所述相應通道工作週期=[ILED(最低)*所述輸入工作週期/ILED(較高)]。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的平均電流平衡元件利用所述的數個電流傳感輸入信號，確定所述的數個LED通道中LED電流最低的一個特定通道，並且為升壓或降壓轉換元件提供回饋信號，調節所述的一個或多個並聯LED通道上的電壓，其中所述特定通道是所述第一LED通道。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的平均電流平衡元件用於將LED電流最低的特定通道的通道工作週期，設置得與所述輸入工作週期相等。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的平均電流平衡元件用於將LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期，都設置得比所述輸入工作週期更低。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的平均電流平衡元件用於設置指定的LED通道的通道工作週期等於所述輸入工作週期乘於所述最低的LED通道電流與所述指定通道的通道電流的比例。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的每個雙控開關都耦合在相應的LED通道的最後一個LED和相應的傳感電阻器之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，還包括一個升壓轉換器元件，用於傳感流經 每個並聯LED通道的通道電流，並且調製並聯LED通道上的驅動電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，升壓轉換器元件用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，為升壓開關提供升壓開關信號，通過調節流經升壓開關的電流，來調製驅動電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，所述的升壓開關耦合在節點和參考電壓之間，節點耦合到一個或多個並聯LED通道的輸入端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，還包括一個電感器，其中電感器耦合在節點和輸入電壓源之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，還包括一個降壓轉換器元件，用於傳感流經每個並聯LED通道的通道電流，並且提供一個或多個開關信號調製並聯LED通道上的驅動電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，降壓轉換器元件為同步降壓轉換器，用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，來確定高端開關信號和低端開關信號，並且為高端開關提供高端開關信號，為低端開關提供低端開關信號，高端開關耦合在電壓源和節點之間，低端開關耦合在節點和參考電壓之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，還包括一個電感器，其中電感器耦合在節點和一個或多個並聯LED通道之間。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的發光二極體(LED)控 制系統，其中，降壓轉換器元件為非同步降壓轉換器，用於根據接收的數個電流傳感輸入信號，確定高端開關信號，並為高端開關提供高端開關信號，高端開關耦合在電壓源和節點之間，節點通過電感器連接到一個或多個LED通道上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的發光二極體(LED)控制系統，其中，還包括一個二極體，耦合在節點和參考電壓之間，其中當高端開關閉合時，二極體反向偏置。
  16. 一種電流控制系統，其特徵在於，包括：一個平均電流平衡元件，用於接收具有輸入工作週期之表征的脈衝控制信號輸入，以及多個電流傳感輸入信號，其中所述的多個電流傳感輸入信號中的每個都標示流經多個並聯LED負載通道中一個相應的LED負載通道中的電流，其中：所述的平均電流平衡元件用於為多個調光控制器提供與所述多個調光控制器相應的多個脈衝通道電流控制信號，所述的多個調光控制器相應地耦合到多個LED負載通道上，其中平均電流平衡元件用於調節每個脈衝通道電流控制信號相對於所述輸入工作週期的通道工作週期；當所述的數個電流傳感輸入信號表示一狀態時，所述的平均電流平衡元件進行調節；所述狀態是：所述多個並聯LED負載通道形成具有最低通道電流ILED(最低)的第一LED負載通道、和具有較高通道電流ILED(較高)的第二LED負載通道，所述較高通道電流ILED(較高)高於所述最低通道電流ILED(最低)；所述多個脈衝通道電流控制信號中的一相應脈衝通道 電流控制信號控制所述第二LED負載通道，並且具有相應通道工作週期；以及所述調節將所述相應通道工作週期設置為：所述相應通道工作週期=[ILED(最低)*所述輸入工作週期/ILED(較高)]。
  17. 一種發光二極體(LED)控制方法，其特徵在於，包括：接收具有輸入工作週期之表征的脈衝控制信號輸入，以及數個電流傳感輸入信號，其中每個電流傳感輸入信號都標示流經數個LED通道中一個相應的LED通道中的電流；並且為數個調光控制器相應地提供數個脈衝通道電流控制信號，所述的數個調光控制器相應地耦合到數個並聯LED通道上，其中每個調光控制器都用於為一個相應的雙控開關提供輸出信號，每個雙控開關都與所述的數個並聯LED通道中一個相應的LED通道串聯耦合；其中每個脈衝通道電流控制信號的通道工作週期根據所述的數個電流傳感輸入信號相對於所述輸入工作週期進行調節；當所述的數個電流傳感輸入信號表示一狀態時，所述調節被進行；所述狀態是：所述數個並聯LED通道形成具有最低通道電流ILED(最低)的第一LED通道、和具有較高通道電流ILED(較高)的第二LED通道，所述較高通道電流ILED(較高)高於所述最低通道電流ILED(最低)；所述數個脈衝通道電流控制信號中的一相應脈衝通道 電流控制信號控制所述第二LED通道，並且具有相應通道工作週期；以及所述調節將所述相應通道工作週期設置為：所述相應通道工作週期=[ILED(最低)*所述輸入工作週期/ILED(較高)]。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，還包括利用一個或多個電流傳感輸入信號，確定數個LED通道中LED電流最低的一個特定通道，並且為升壓或降壓轉換元件提供回饋信號，調節一個或多個並聯LED通道上的電壓，其中所述特定通道是所述第一LED通道。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中，提供數個脈衝通道電流控制信號包括，將LED電流最低的特定通道的通道工作週期，設置得與所述輸入工作週期相等。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中，還包括將LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期，都設置得比所述輸入工作週期更低。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中，設置LED電流高於最低的LED電流的一個或多個LED通道的通道工作週期包括，設置指定的LED通道的通道工作週期等於所述輸入工作週期乘於最低的LED通道電流與指定通道的通道電流的比例。
  22. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中，所述升壓或降壓轉換器元件，用於傳感流經每一個或多個並聯LED通道的通道電流，並且調製並聯LED通道上的驅動電壓。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中，所述升壓或降壓轉換器元件根據接收的數個電流傳感輸入信號，為 一個或多個開關提供一個或多個開關信號，用於通過調節流經一個或多個開關的電流，來調製驅動電壓。
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