TWI496503B - Led電路及其驅動電路和驅動方法 - Google Patents

Description

LED電路及其驅動電路和驅動方法

本發明涉及電源電路，具體涉及但不限於涉及帶電流閉環控制的LED電路、LED驅動電路和驅動方法。

發光二極體(LED)被廣泛應用於多種場合，包括用於平板背光、照明和其他發光應用場合。傳統的LED驅動電路採用在連續導通模式(CCM)或斷續導通模式(DCM)中採用固定頻率控制或恆定關斷時間控制。為了提高在當今市場上的競爭力，LED驅動電路必須具有低的成本和高的能效。然而，現有LED驅動電路的能效不夠高，元件的數目和安裝在印刷電路板上的體積也過大。

為了解決前面描述的一個問題或者多個問題，本發明提出一種LED電路、LED驅動電路和驅動方法。

一種LED電路，包括：多個LED；輸出電感，耦接多個LED；輸出電晶體，耦接輸出電感；以及LED驅動電路，耦接輸出電晶體的閘極，LED驅動電路控制輸出電晶體的開關狀態並檢測流過輸出電感的電感電流，當檢測到電感電流達到峰值時關斷輸出電晶體，當檢測到電感電流過零時導通輸出電晶體。在一個實施例中，LED驅動電路包括過零檢測電路，過零檢測電路通過檢測輸出電晶體閘極的負電壓尖衝來檢測電感電流的過零。其中過零檢測電路可包括：第一比較電路，具有第一輸入端和第二輸入端，其中第一輸入端耦接輸出電晶體的閘極，第二輸入端 耦接第一參考電壓，第一比較電路將輸出電晶體閘極上的閘極電壓與第一參考電壓進行比較來檢測電感電流的過零。在一個實施例中，LED驅動電路進一步包括驅動控制電路、第二電晶體和第三電晶體，其中第二電晶體和第三電晶體的閘極耦接驅動控制電路，第二電晶體和第三電晶體串聯耦接在電源電壓和地之間，第二電晶體和第三電晶體的公共節點耦接輸出電晶體的閘極，其中當輸出電晶體被LED驅動電路關斷時，輸出電晶體的閘極通過由第三電晶體形成的第一電阻通路被下拉至地電位；過零檢測電路進一步包括弱下拉電路，其中弱下拉電路耦接輸出電晶體的閘極，輸出電晶體的閘極通過由弱下拉電路形成的第二電阻通路下拉至地電位，其中第一電阻通路的阻值低於第二電阻通路的阻值。其中弱下拉電路可包括恆導通的電晶體或電流源。在一個實施例中，LED驅動電路包括積體電路，其中積體電路具有耦接至輸出電晶體閘極的第一端和耦接至輸出電晶體源極的第二端，LED驅動電路通過第一端檢測電感電流的過零，通過第二端檢測電感電流何時上升至峰值。LED驅動電路可進一步包括電感電流峰值檢測電路和驅動控制電路，其中電感電流峰值檢測電路包括第二比較電路用於檢測電感電流何時上升至峰值，第二比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接表徵電感電流的電壓，第二輸入端耦接參考電壓，輸出端耦接驅動控制電路。

一種LED驅動電路，包括：第一比較電路，檢測流過輸出電感的電感電流的過零，其中輸出電感耦接多個LED和輸出電晶體，第一比較電路通過檢測輸出電晶體的閘極電壓檢測電感電流的過零；第二比較電路，檢測電感電流何時上升至峰值；以及驅動控制電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接第一比 較電路，第二輸入端耦接第二比較電路，輸出端耦接輸出電晶體的閘極，當電感電流過零時驅動控制電路將輸出電晶體導通，當電感電流上升到峰值時驅動控制電路將輸出電晶體關斷。其中積體電路具有耦接至輸出電晶體閘極的第一端和耦接至輸出電晶體源極的第二端，第一比較電路通過第一端檢測電感電流的過零，第二比較電路通過第二端檢測電感電流何時上升至峰值。

一種驅動LED的方法，包括：檢測流過與LED耦接的輸出電感的電感電流；檢測電感電流何時上升至峰值；當電感電流上升至峰值時，關斷與輸出電感耦接的輸出電晶體；檢測電感電流何時過零；當電感電流過零時，導通輸出電晶體。其中檢測電感電流何時上升至峰值可包括：將電阻與輸出電感串聯耦接；檢測電阻兩端的電壓；以及將電阻兩端的電壓與第一參考電壓比較以檢測電感電流是否上升至峰值。其中檢測電感電流何時過零可包括：檢測輸出電晶體的閘極電壓；以及將輸出電晶體的閘極電壓與第二參考電壓比較以檢測電感電流是否過零。其中檢測電感電流何時過零可包括：通過檢測輸出電晶體閘極上的負電壓尖衝來確定電感電流過零；或通過檢測輸出電晶體閘極負電壓尖衝後的回衝來確定電感電流過零。在一個實施例中，關斷輸出電晶體包括：在第一時間段內，將輸出電晶體的閘極電壓通過第一電阻通路下拉至地電位；以及在第一時間段後的第二時間段內，將輸出電晶體的閘極電壓通過第二電阻通路下拉至地電位，其中第一電阻通路的阻值低於第二電阻通路的阻值。

根據本發明的實施例所提供的LED電路、LED驅動電路和驅動方法，實現了電流閉環控制，具有提供更均勻的光、更高的效率和更小尺寸輸出電感等優點。

100‧‧‧LED電路

101‧‧‧LED驅動電路

Cin‧‧‧輸入電容

Cout‧‧‧輸出電容

D1‧‧‧二極體

102‧‧‧LED串

L1‧‧‧輸出電感

S1、S2、S3、S4‧‧‧電晶體

Rsense‧‧‧檢測電阻

VIN‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

GND‧‧‧接地端

DRIVE‧‧‧驅動端

CS‧‧‧電流檢測端

VCC‧‧‧供電電壓

201‧‧‧弱下拉電路

201A‧‧‧電流源

201B‧‧‧電阻

U1、U2‧‧‧比較電路

U3‧‧‧驅動控制電路

C1‧‧‧電容

VREF1、VREF2‧‧‧參考電壓

IL‧‧‧電感電流

VG‧‧‧閘極電壓

T0、T1、T2、T3、T4‧‧‧時間

為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明的實施例進行描述：第1圖示出了根據本發明一實施例的LED電路示意圖；第2圖示出了根據本發明一實施例的對應第1圖中LED電路的LED驅動電路的具體示意圖；第3圖示出了第1圖中LED電路的多個信號波形，用於闡釋根據本發明一實施例的驅動LED的方法。

貫穿所有附圖相同的附圖標記代表相同或相似的部件或特徵。

下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在下面對本發明的詳細描述中，為了更好地理解本發明，描述了大量的細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。為了清晰明瞭地闡述本發明，本文簡化了一些具體結構和功能的詳細描述。此外，在一些實施例中已經詳細描述過的類似的結構和功能，在其他實施例中不再贅述。儘管本發明的各項術語是結合具體的示範實施例來一一描述的，但這些術語不應理解為局限於這裡闡述的示範實施方式。

第1圖示出了根據本發明一實施例的LED電路100示意圖。在第1圖的實施例中，LED電路100包括LED驅動電路101，輸入電容Cin，輸出電容Cout，二極體D1，多個LED組成的LED串102，輸出電感L1，輸出電晶體S1以及檢測電阻Rsense。

在第1圖的實施例中，LED電路100接收輸入電壓VIN，其中VIN經輸入電容Cin濾波並在二極體D1的陰極產生一直流電壓。輸入電壓VIN可為經整流橋(未示出)整流的電壓。LED電路100的輸出電壓Vout為跨電容Cout兩 端的電壓。

在第1圖的實施例中，LED驅動電路101包括積體電路(IC)，該積體電路具有電源VCC端、接地端(GND)，驅動DRIVE端和電流檢測端(CS)。LED驅動電路101還可包括其他端，用於增加其他的功能，例如調光控制等。輸入到VCC端的5V的供電電壓僅用於示例，也可為其他的值。LED驅動電路101也可為分立的積體電路。

LED驅動電路101的DRIVE端耦接電晶體S1的閘極。在第1圖的實施例中，電晶體S1包括N-通道MOSFET。相應地，LED驅動電路101通過向電晶體S1的閘極提供高電平信號用於將電晶體S1導通，通過向電晶體S1的閘極提供低電平信號用於將電晶體S1關斷。應當知道，電晶體S1以及本實施方式中的其他電晶體的開關電壓水準和極性，可以有多種不同的方式，取決於採用的電晶體的類型。

當LED驅動電路101將電晶體S1導通時，流過輸出電感L1的電感電流依次流過LED 102、輸出電感L1、電晶體S1和電阻Rsense。電阻Rssense兩端的電壓因此可表徵電感電流，而電感電流代表LED 102的亮度。LED驅動電路101通過將CS端耦接到電晶體S1的源極來檢測電阻Rsense兩端的電壓。當電晶體S1導通時電感電流上升。當檢測到電感電流上升至峰值閾值時，LED驅動電路101通過提供給電晶體S1閘極一個低電平的信號來關斷電晶體S1。在一個實施例中，峰值閾值可調。當電晶體S1關斷時，電感電流流過LED 102，輸出電感L1和二極體D1。

當電晶體S1關斷時，電感電流下降。在這段時間內，因為電晶體S1被關斷，輸出電感L1和電阻Rsense斷開，因此不能再通過CS端檢測電感電流。由下面的闡述可知，此時LED驅動電路101在DRIVE端通過檢測電晶體S1的閘極電 壓來實現對電感電流的過零檢測，即檢測電感電流何時降到零值。當檢測到電感電流過零時，LED驅動電路101重新將電晶體S1導通，新的週期又重複開始。

由上述論述應當知道，當電感電流降到零值時電晶體S1導通，當電感電流上升至峰值時電晶體S1關斷，因此創建了一個電流閉環。由於流過LED 102的電流為電感電流的平均值，且電感電流為理想的閉環，可以預見流過LED 102的LED電流被調節為電感電流峰值的一半。和現有的解決方案相比，本發明實施例中的電路可以提供更均勻的光，更高的效率和具有更小尺寸的輸出電感。

第2圖示出了根據本發明一實施例的LED驅動電路101的具體細節。在第2圖的實施例中，LED驅動電路101包括電晶體S2，電晶體S3，驅動控制電路U3，包括弱下拉電路201和比較電路U1的過零檢測電路，以及包括比較電路U2的電感電流檢測電路。第2圖還示出了之前描述過的LED驅動電路101的VCC端，DRIVE端和CS端。

第2圖示出了跨接於電晶體S1閘極和汲極之間的電容C1。在一個實施例中，電容C1為電晶體S1的米勒(Miller)電容。應當知道，米勒電容為電晶體S1閘極和汲極之間的寄生電容，而不是獨立存在的電容。在其他的一些實施例中，電容C1為獨立的電容(相對於寄生電容而言)。在電晶體S1關斷期間，LED驅動電路101在DRIVE端通過電容C1檢測電感電流的過零狀態。第2圖還示出了之前介紹過的二極體D1和電阻Rsense。為了使描述清楚，LED電路100的其他部件在第2圖中未示出。

當電晶體S1導通時，電流流過電晶體S1，在電阻Rsense兩端形成電壓。為了檢測電感電流的峰值，比較電路U2將電阻Rsense兩端電壓和參考電壓VREF1進行比較。通過選擇電阻Rsense和參考電壓VREF1的水準來設定 特定的電感電流峰值。該特徵使得本領域內的客戶可以調節電感電流閉環。當電阻Rsense兩端的電壓超過參考電壓VREF1時，也即電感電流超過峰值閾值時，比較電路U2向驅動控制電路U3輸出關斷控制信號(在該實施例中為高電平信號)，用於指示電感電流達到峰值。在檢測到電感電流達到峰值時，驅動控制電路U3向包括電晶體S2和電晶體S3的緩衝電路輸出高電平的信號。

驅動控制電路U3輸出的高電平信號將電晶體S2關斷，將電晶體S3導通。當電晶體S3處於導通狀態時，電晶體S3將電晶體S1的閘極電壓拉低到地電位。電晶體S3可將電晶體S1的閘極電壓強力拉低，因為S3提供了一個低電阻的導通路徑將電晶體S1的閘極拉低到地電位。經過預定的延遲時間後，驅動控制電路U3的輸出端浮置，即使其輸出端處於高阻狀態。這使得電晶體S2和電晶體S3都被關斷。當電晶體S2和電晶體S3都關斷時，弱下拉電路201將電晶體S1的閘極以較弱的力量下拉至地電位，以防止電晶體S1重新導通。弱下拉電路201因其對電晶體S1的閘極提供較高的電阻，從而提供較弱的下拉力量。例如，電晶體S3在其導通時具有0.12歐姆的阻值，而弱下拉電路201可能持續地具有100K歐姆的阻值。應當知道，上述的數值只用於舉例而並不用於限制。

在第2圖的實施例中，弱下拉電路201包括電晶體S4。在另外一個實施例中，弱下拉電路包括電流源(見201A)。在又一個實施例中，弱下拉電路包括電阻(見201B)。如第2圖所示，弱下拉電路201在電晶體S1的閘極和地之間持續提供較高的電阻。由於電晶體S3提供了強下拉功能，即形成到地的低電阻通路，當電晶體S3導通時，電晶體S3能輕鬆地抵消弱下拉電路201形成的高電阻。弱下拉電路201的阻值選擇為當電晶體S3關斷時電晶體S1避免被 導通。

弱下拉電路201使得能通過電晶體S1的閘極電壓來實現對電感電流的過零檢測。當電晶體S1關斷時，電感電流向電容C1充電。然而，二極體D1的陽極電壓被鉗制在輸入電壓VIN。這使得當電感電流過零時電晶體S1的閘極電壓出現負電壓尖衝。通過比較電晶體S1的閘極電壓和參考電壓VREF2，該負電壓尖衝被比較電路U1檢測。此時，比較電路U1可輸出導通控制信號至驅動控制電路U3。在另一個實施例中，比較電路U1在檢測到負電壓尖衝後，先等待一段時間，在電晶體閘極電壓出現回衝後再向驅動控制電路U3輸出導通控制信號。比較電路U1輸出的導通控制信號，如高電平的信號，指示了電感電流的過零狀態。

在接收到比較電路U1輸出的導通控制信號後，驅動控制電路U3向包括電晶體S2和電晶體S3的緩衝電路輸出低電平的信號。該低電平信號將電晶體S2導通，將電晶體S3關斷。電晶體S2導通後，供電電壓VCC為電晶體S1的閘極供電，使得電晶體S1導通。供電電壓VCC遮罩了弱下拉電路201的弱下拉能力，使得電晶體S1保持導通狀態。當電晶體S1導通時，電感電流上升，週期重複進行。

第3圖示出了對應LED電路100的波形圖，用於示出根據本發明一實施例的LED驅動方法。為了方便描述，波形圖將結合LED電路100中的部件進行說明。但本領域的具有普通技術水準的人員應當知道，第3圖的波形可通過不脫離本發明主旨的其他形式的部件來實現。

第3圖示出了流過輸出電感L1的電感電流(IL)和輸出電晶體S1閘極上的閘極電壓(VG)的相對於時間的波形圖。在第3圖的實施例中，從時間T0到T1，電晶體S1的閘極電壓處於有效狀態，例如高電平信號。因此，電晶體S1處於導通狀態，電感電流上升。

在時間T1，檢測到電感電流的峰值。在一個實施例中，電感電流的峰值限制在一個峰值閾值。當電感電流上升到峰值閾值，即被視為檢測到電感電流的峰值。一旦檢測到電感電流的峰值，電晶體S1的閘極電壓被置為無效狀態，例如被施加低電平電壓，使得電晶體S1關斷。在一個實施例中，在時間T1和T2期間，電晶體S1的閘極通過一個低阻的通路被強下拉到地電位，然後從時間T2開始，通過一個高阻的通路被弱下拉到地電位。在一個實施例中，從時間T1到T2的時間段長度可少於從時間T1到T4的關斷時間的10%。低阻通路的阻值低於高阻通路的阻值。將電晶體S1的閘極拉低到地電位使得電晶體S1被關斷。

在時間T3，通過電晶體S1的閘極電壓檢測到電感電流過零。檢測電感電流的過零狀態可通過檢測到電晶體S1閘極電壓的負電壓尖衝得到，也可通過在負電壓尖衝後檢測電晶體S1閘極電壓的回衝得到。負電壓尖衝可從零電平開始變化到一個負值。電感電流的過零也可通過檢測閘極電壓尖衝後的回衝來測得。在檢測到電感電流的過零狀態後，在時間T4，電晶體S1被導通，使得電感電流再次上升。新的週期開始，接下來進行下一次電感電流峰值的檢測。

上述描述公開了一些驅動LED的新的方法和電路。上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和申請專利範圍限定的保護範圍。

101‧‧‧LED驅動電路

S1、S2、S3、S4‧‧‧電晶體

201‧‧‧弱下拉電路

201A‧‧‧電流源

201B‧‧‧電阻

U1、U2‧‧‧比較電路

U3‧‧‧驅動控制電路

Rsense‧‧‧檢測電阻

DRIVE‧‧‧驅動端

CS‧‧‧電流檢測端

VCC‧‧‧供電電壓

C1‧‧‧電容

D1‧‧‧二極體

VREF1、VREF2‧‧‧參考電壓

Claims (14)

1. 一種發光二極體(LED)電路，包括：多個LED；輸出電感，耦接多個LED；輸出電晶體，耦接輸出電感；以及LED驅動電路，耦接輸出電晶體的閘極，LED驅動電路控制輸出電晶體的開關狀態並檢測流過輸出電感的電感電流，當檢測到電感電流達到峰值時關斷輸出電晶體，當檢測到電感電流過零時導通輸出電晶體，其中LED驅動電路包括過零檢測電路，過零檢測電路通過檢測輸出電晶體閘極的負電壓尖衝來檢測電感電流的過零。
2. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中過零檢測電路包括：第一比較電路，具有第一輸入端和第二輸入端，其中第一輸入端耦接輸出電晶體的閘極，第二輸入端耦接第一參考電壓，第一比較電路將輸出電晶體閘極上的閘極電壓與第一參考電壓進行比較來檢測電感電流的過零。
3. 如申請專利範圍第2項所述的LED電路，其中：LED驅動電路進一步包括驅動控制電路、第二電晶體和第三電晶體，其中第二電晶體和第三電晶體的閘極耦接驅動控制電路，第二電晶體和第三電晶體串聯耦接在電源電壓和地之間，第二電晶體和第三電晶體的公共節點耦接輸出電晶體的閘極，其中當輸出電晶體被LED驅動電路關斷時，輸出電晶體的閘極通過由第三電晶體形成的第一電阻通路被下拉至地電位；過零檢測電路進一步包括弱下拉電路，其中弱下拉電 路耦接輸出電晶體的閘極，輸出電晶體的閘極通過由弱下拉電路形成的第二電阻通路下拉至地電位，其中第一電阻通路的阻值低於第二電阻通路的阻值。
4. 如申請專利範圍第3項所述的LED電路，其中弱下拉電路包括恆導通的電晶體。
5. 如申請專利範圍第3項所述的LED電路，其中弱下拉電路包括電流源。
6. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中LED驅動電路包括積體電路，其中積體電路具有耦接至輸出電晶體閘極的第一端和耦接至輸出電晶體源極的第二端，LED驅動電路通過第一端檢測電感電流的過零，通過第二端檢測電感電流何時上升至峰值。
7. 如申請專利範圍第1項所述的LED電路，其中LED驅動電路進一步包括電感電流峰值檢測電路和驅動控制電路，其中電感電流峰值檢測電路包括第二比較電路用於檢測電感電流何時上升至峰值，第二比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接表徵電感電流的電壓，第二輸入端耦接參考電壓，輸出端耦接驅動控制電路。
8. 一種LED驅動電路，包括：第一比較電路，檢測流過輸出電感的電感電流的過零，其中輸出電感耦接多個LED和輸出電晶體，第一比較電路通過檢測輸出電晶體的閘極電壓檢測電感電流的過零；第二比較電路，檢測電感電流何時上升至峰值；以及驅動控制電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接第一比較電路，第二輸入端耦接第二比較電路，輸出端耦接輸出電晶體的閘極，當電感電流過零時驅動控制電路將輸出電晶體導通， 當電感電流上升到峰值時驅動控制電路將輸出電晶體關斷。
9. 如申請專利範圍第8項所述的LED驅動電路，所述LED驅動電路為積體電路，其中該積體電路具有耦接至輸出電晶體閘極的第一端和耦接至輸出電晶體源極的第二端，第一比較電路通過第一端檢測電感電流的過零，第二比較電路通過第二端檢測電感電流何時上升至峰值。
10. 一種驅動LED的方法，包括：檢測流過與LED耦接的輸出電感的電感電流；檢測電感電流何時上升至峰值；當電感電流上升至峰值時，關斷與輸出電感耦接的輸出電晶體；檢測電感電流何時過零，其中檢測電感電流何時過零包括：檢測輸出電晶體的閘極電壓；以及將輸出電晶體的閘極電壓與第二參考電壓比較以檢測電感電流是否過零；當電感電流過零時，導通輸出電晶體。
11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中檢測電感電流何時上升至峰值包括：將電阻與輸出電感串聯耦接；檢測電阻兩端的電壓；以及將電阻兩端的電壓與第一參考電壓比較以檢測電感電流是否上升至峰值。
12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中檢測電感電流何時過零包括：通過檢測輸出電晶體閘極上的負電壓尖衝來確定電感電流過零。
13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中檢測電感電流何時過零包括：通過檢測輸出電晶體閘極負電壓尖衝後的回衝來確定電感電流過零。
14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中關斷輸出電晶體包括：在第一時間段內，將輸出電晶體的閘極電壓通過第一電阻通路下拉至地電位；以及在第一時間段後的第二時間段內，將輸出電晶體的閘極電壓通過第二電阻通路下拉至地電位，其中第一電阻通路的阻值低於第二電阻通路的阻值。