TWI512711B - 循序驅動並聯負載的電路 - Google Patents

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TWI512711B TW101140776A TW101140776A TWI512711B TW I512711 B TWI512711 B TW I512711B TW 101140776 A TW101140776 A TW 101140776A TW 101140776 A TW101140776 A TW 101140776A TW I512711 B TWI512711 B TW I512711B
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Gregory Szczeszynski
Vijay R Mangtani
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Description

循序驅動並聯負載的電路
本發明係關於一種循序驅動並聯負載的電路。
各種電子電路被用來驅動二極體負載，且較具體而言用來控制通過串聯的發光二極體(LED)串的電流，其在一些實例中形成LED顯示器，或較具體而言顯示器的背光，例如，液晶顯示器(LCD)。已知個別LED在逐個單元間具有順向壓降變化。因此，該等串聯的LED串可具有順向壓降變化。
串聯的LED串可在該等LED串的一端被耦接至共用開關調節器，例如升壓開關調節器，該開關調節器配置成提供夠高電壓以供應該等LED串的各者。該等串聯的LED串各者的另一端可被耦接至各別電流槽，配置成汲取通過該等串聯的LED串各者之相對恆定電流
將理解的是，該共用開關調節器所產生的電壓必須為夠高電壓以供應具有最大總壓降的一個串聯的LED串，加上適當操作該各別電流槽所需的系統電壓(overhead voltage)。換句話說，如果三個串聯的LED串具有23伏特、21伏特及20伏特的壓降，且各個各別電流槽需要至少0.6伏特以便操作，接著該共用升壓開關調節器必須供應至少23.6伏特。
在一個態樣中，電流包括一或更多個比較器。該一或更多個比較器的各者被配置成從複數個負載的對應負載接收第一輸入且接收第二輸入作為調節電壓。該電路也包括放大器，配置成接收由該一或更多個比較器所提供的信號；脈衝寬度調變(PWM)電路，配置成從該放大器接收控制信號且提供信號給初級開關來控制被提供給該等負載的電壓；及輸出開關序列器，耦接至該一或更多個比較器的各者且配置成提供控制信號給被耦接至該初級開關的控制開關，一次使一個控制開關被啟動。各個控制開關在啟用時提供電壓升高給該複數個負載的各別負載。
以上態樣也包括一或更多個下列特徵。該電路包括複數個二極體且各個二極體被耦接至對應比較器的輸出及該放大器的輸入。該電路包括複數個電流調節器電路且各個調節器電路被耦接至該複數個負載的對應負載且耦接至該複數個比較器的對應比較器。該複數個負載包括複數個串聯的發光二極體(LED)串。該初級開關包括場效電晶體(FET)，具有一閘極被耦接至該PWM電路以及汲極或源極的一者被耦接至電感器與二極體。該二極體被耦接至該等控制開關。該電感器被耦接至輸入電壓。該電路包括電容器，在第一端耦接地且在第二端耦接至該電感器與該輸入電壓。各個控制開關包括FET，具有一閘極被耦接至該輸出開關序列器。該電路包括被耦接至各個控制開關的輸出之各別電容器。
在描述本發明以前，一些入門概念及術語被解說。術語「升壓開關調節器」被用來描述已知類型的開關調節器，其提供高於輸入電壓的輸出電壓給該升壓開關調節器。儘管升壓開關調節器的某一特定電路拓樸被顯示於此處，應理解的是，升壓開關調節器具有各種電路配置。如此處所使用，術語「降壓開關調節器」被用來描述已知類型的開關調節器，其提供低於輸入電壓的輸出電壓給該降壓開關調節器。應理解的是，仍有其他形式的升壓開關調節器以外與降壓開關調節器以外的開關調節器，且本發明不限於任何一個類型。
如此處所使用，術語「電流調節器」被用來描述可將通過該電路或電路組件的電流調節至預定(即，已調節)電流的調節電路或電路組件。電流調節器可為「電流槽」，其可輸入已調節電流，或「電流源」，其可輸出已調節電流。電流調節器具有「電流節點」，在該電流節點處電流在電流源的情況中被輸出，或在該電流節點處電流在電流槽的情況中被輸入。
此處所述為各種實施例，包括驅動一連串並聯負載(各具有專用於該負載的電壓)的電路及技術。尤其，各連接至各別負載的開關被循序啟動(例如，以循環序列)以提供該等專用電壓。如將被顯示於此處，相較於以相同電壓驅動所有該等負載(例如，串聯的二極體串)的電路 配置而言，以此方式提供專用電壓給該等負載的各者降低電力消耗。
參照第1圖，電路10包括電子電路12(例如，積體電路(IC))，耦接至複數個負載16以及開關調節器中所使用的初級開關18。電路10經由連接20接收輸入電壓Vin。電路10也包括耦接至初級開關18與連接20的電感器22以及耦接至電感器22與連接20的電容器24。
在一個實例中，負載16包括串聯的LED串16a(例如，LED 116a、LED 116b、...、LED 116N)、串聯的LED串16b(例如，LED 216a、LED 216b、...、LED 216N)及串聯的LED串16c(例如，LED 316a、LED 316b、...、LED 316N)。儘管只有三個串聯的LED串被描述，一個熟習本技藝之人士可應用此處所述的技術來形成具有M個串聯的LED串之負載，其中M>1。
初級開關18包括FET 42，具有第一終端(例如，FET 42的源極)被耦接至電阻器44以及第二終端(例如，FET 42的汲極)被耦接至電感器22與二極體40(例如，蕭基二極體、標準二極體等)。二極體46被內部耦接至FET 42的第一與第二終端。
各個串16a至16c被耦接至FET(場效電晶體)開關(例如，串16a被耦接至FET開關30a，串16b被耦接至FET開關30b且串16c被耦接至FET開關30c)。開關30a至30c在此處被稱為控制開關。各個FET開關30a至30c具有一終端(例如，汲極)被耦接至二極體40以及一 第二終端(例如，源極)被耦接至各別電容器32a至32c與串16a至16c。
電路12包括比較器50a至50c(例如，反相比較器)。各個比較器50a至50c被配置成從對應串16a至16c接收第一輸入且接收第二輸入作為調節電壓Vreg。在一個實例中，該調節電壓為650mV。比較器50a提供輸出信號C1，比較器50b提供輸出信號C2且比較器50c提供輸出信號C3。
電路12也包括多輸入放大器56(例如，跨導放大器)。放大器56的輸出被耦接至脈衝寬度調變(PWM)控制電路58且耦接至電容器60。
電路12進一步包括輸出開關序列器62，其被耦接至比較器50a至50c各者的輸出且耦接至FET開關30a至30c的閘極。輸出開關序列器62被配置成提供信號S1、S2及S3以控制各別FET開關30a至30c(例如，信號S1控制FET開關30a，信號S2控制FET開關30b且控制信號S3控制FET開關30c)。輸出開關序列器62被耦接至振盪器64。振盪器64提供開關時脈脈衝給PWM控制電路58及輸出開關序列器62兩者。
電流調節器52a至52c(例如，電流槽)被耦接至對應比較器50a至50c的第一輸入且耦接至參考電流電路48。在一個實例中，電流調節器52a至52c各被配置成調節通過對應串16a至16c的電流。在一個實例中，該等電流調節器的各者需要0.6伏特來操作。在一個實例中，參 考電流電路48接收設置電流(set current)ISET，其正比於受到控制的LED電流。
在一個實例中，初級開關18、電感器22、二極體40及PWM控製電路58形成了控制被施加至負載16的電壓之升壓開關調節器。初級開關18在啟用(即，關閉)時提供在電感器22中累積的電流。初級開關18在之後停用(即，開啟)時導致在電感器22的初級開關側之電壓跳變。為了控制到串16a至16c各者的電壓，在該初級開關被關閉時FET開關30a至30c被開啟且在初級開關18被開啟時FET開關30a至30c的一者被關閉以從電感器22接收能量。實務上(如第3圖中所示)，開關30a至30c的一者隨著初級開關18被開啟而關閉，使得有一些重疊。
在一個特定實例中，如果串16a至16c的任一者低於該調節電壓Vreg，對應反相比較器50a、50b或50c的輸出信號(即，信號C1、C2或C3)提供控制信號給放大器56，指出該串需要來自該升壓開關調節器的額外電壓。在一個特定實例中，如果串低於該調節電壓，則該對應比較器產生高電壓信號。因此，如果輸出信號C1、C2或C3的任一者為高，則放大器56提供信號給PWM控制電路58以持續或開始增加到該串的電壓(例如，增加PWM控制電路58的工作週期)。
此外，輸出信號C1、C2及C3被提供給輸出開關序列器62。根據輸入信號C1、C2及C3，輸出開關序列器 62根據處理演算法(例如，第4圖中所述的程序400)來提供信號S1、S2、S3給各別FET開關30a至30c。輸出開關序列器62確保一次僅一個FET開關30a、30b或30c被關閉，使得一次電容器32a、32b或32c的僅一者從電感器22電壓接收能量。在任一開關30a、30b或30c被開啟時，電壓被暫時保持在各別輸出電容器32a、32b、32c上，且保持在各別電容器32a、32b、32c的電壓驅動各別二極體串16a、16b、16c。
電路10相較於先前技術方法節省顯著電力。例如，在先前技術中，沒有FET開關30a至30c。如果串16a需要23伏特，串16b需要21伏特且串16c需要20伏特且各個電流調節器需要0.6伏特來操作，則來自初級開關18的輸出電壓必須提供至少23.6伏特。因此，該等電流調節器電壓分別為0.6V、2.6V及3.6V。如果各個LED串16a至16c具有250mA的電流，則該等LED驅動器消耗總共1.7W。然而，因為電路10包括FET開關30a至30c且被提供給串16a至16c的電壓專用於各個串的壓降，到電流調節器52a至52c各者的電壓被維持在0.6V。如果通過各個串16a至16c的LED電流為250mA，則從電流調節器52a至52c的功率消耗為僅0.45W。
第2A圖描繪針對沒有一個串16a至16c達到它們的操作電壓之情況，在初級開關18的控制節點(閘極)之PWM電壓信號202、在FET開關30a的控制節點之電壓信號204、到FET開關30b的電壓信號206、及在FET開關 30c的控制節點之電壓信號208。第2B圖描繪針對串16c已達到其操作電壓而串16a、16b未達到其操作電壓時的情況之電壓信號202至208。第2C圖描繪針對串16b與16c已達到其操作電壓但串16a可能或未能達到操作電壓時的情況之電壓信號202至208。如先前所解說，至少一個FET開關30a至30c應在初級開關18關閉時被關閉。因此，即使串16a已達成其操作電壓，其對應FET開關30a被關閉。雖然在第2C圖中未顯示，如果串16a已達到其操作電壓，該初級開關控制信號的工作週期可被降低為非常短。熟習本技藝之人士將承認的是，控制開關30a至30c保持開啟的一者導致其被連接的電容器32a、32b或32c上的電壓降低。因此，降低的電壓最終造成該開關再次關閉，如第2A圖的序列。
第3圖為初級開關18與二個輸出開關(FET開關30a、30b)的時序圖之放大圖。尤其，第3圖描繪到初級開關18的控制信號302(來自升壓PWM控制電路58)、來自初級開關18的電壓信號304、通過初級開關18的電流信號306(其等於在開關18被關閉時通過電感器22的電流)、在FET開關30a的控制節點之控制信號308(即，信號S1)、FET開關30a的電流信號310、在FET開關30b的控制節點之控制信號312(即，信號S2)及FET開關30b的電流信號314。
第3圖顯示輸出開關(FET開關30a)恰在初級開關18被完全關斷(見控制信號302)以前被導通(見控制信 號308)。從控制信號302，PWM工作週期D(=T_on/Period)決定該輸出電壓。在電壓信號304中的峰值SW電壓視哪一個輸出開關(即，FET 30a、30b或30c)被啟動而變化。電流信號306中的峰值SW電流受到PWM工作週期所控制。
參照第4圖，輸出開關序列器62實施排序的程序的一個實例為程序400。程序400決定是否信號C1為高(402)。如果信號C1為高，程序400在次一週期中開啟信號S1(404)以關閉對應FET開關一段時間。例如，FET開關30a被關閉一段對應於PWM控制信號週期的百分比(例如，50%)的週期。
如果信號C1不高，程序400決定是否信號C2為高(406)。如果信號C2為高，程序400在次一週期中開啟信號S2(408)以關閉對應FET開關一段時間。例如，FET開關30b被關閉一段對應於PWM控制信號週期的百分比(例如，50%)的週期。
如果信號C2為低，程序在次一週期中開啟信號S3(410)以關閉對應FET開關一段時間。例如，FET開關30c被關閉一段對應於PWM控制信號週期的百分比(例如，50%)的週期。程序400回到處理方塊402且決定是否信號C1為高。
如先前所解說，在初級開關18處於關斷位置時，開關30a至30c的一者應被關閉以從電感器22放出能量。在第4圖中未顯示的一個實例中，程序400決定是否信號 C1、C2及C3皆為低。如果所有該等信號為低，程序400關閉FET開關30a至30c的任一者一段時間。
參照第5圖，輸出開關序列器62實施排序的程序的另一實例為程序500。在程序500中，信號C1、C2、C3在請求額外電流中具有相等優先性。如果信號C1、C2、C3的僅一者請求額外電流，其對應輸出開關被在次一開關週期中被導通。如果二或更多個信號C1、C2、C3請求額外電流，它們在後續開關週期中以循環方式加以服務。
尤其，程序500決定是否信號C1為高(502)且如果信號C1為高，程序500請求開啟信號S1(504)。程序500決定是否信號C2為高(506)且如果信號C2為高，程序500請求開啟信號S2(508)。程序500決定是否信號C3為高(510)且如果信號C3為高，程序500請求開啟信號S3(512)。程序500決定是否信號C1、C2、C3皆為低(514)且如果信號C1、C2、C3皆為低，程序500請求開啟所有信號S1、S2、S3(516)。程序500實施循環服務以決定哪一個開關(即，FET開關30a至30c的哪一個)導通(關閉)(518)且導通(關閉)該開關(520)。
此處所述的程序不限於所述的特定實施例。例如，程序400及500分別不限於第4及5圖的特定處理順序。反之，第4及5圖的處理方塊的任一者可在必要時被重新排序、組合或移除、以並行或串行加以實施，以達到以上所述的結果。
第4及5圖中的與實施該系統關聯的處理方塊可能由一或更多個可程式化處理器(執行一或更多個電腦程式以實施該系統的功能)加以實施。該系統的全部或部份可被實施作為特殊用途邏輯電路(例如，FPGA(場可程式化閘極陣列))及/或ASIC(應用特定積體電路)。
此處所述之不同實施例的元件可被組合以形成以上未特定陳述的其他實施例。此處未特定描述的其他實施例也在下列申請專利範圍的範疇內。
10‧‧‧電路
12‧‧‧電子電路
16‧‧‧負載
16a‧‧‧串
16b‧‧‧串
16c‧‧‧串
116a-116N‧‧‧LED
216a-216N‧‧‧LED
316a-316N‧‧‧LED
18‧‧‧初級開關
20‧‧‧連接
22‧‧‧電感器
24‧‧‧電容器
30a‧‧‧FET開關
30b‧‧‧FET開關
30c‧‧‧FET開關
32a‧‧‧電容器
32b‧‧‧電容器
32c‧‧‧電容器
40‧‧‧二極體
42‧‧‧FET
44‧‧‧電阻器
46‧‧‧二極體
48‧‧‧參考電流電路
50a‧‧‧比較器
50b‧‧‧比較器
50c‧‧‧比較器
52a‧‧‧電流調節器
52b‧‧‧電流調節器
52c‧‧‧電流調節器
56‧‧‧多輸入放大器
58‧‧‧脈衝寬度調變控制電路
60‧‧‧電容器
62‧‧‧輸出開關序列器
64‧‧‧振盪器
202‧‧‧電壓信號
204‧‧‧電壓信號
206‧‧‧電壓信號
208‧‧‧電壓信號
302‧‧‧控制信號
304‧‧‧電壓信號
306‧‧‧電流信號
308‧‧‧控制信號
310‧‧‧電流信號
312‧‧‧控制信號
314‧‧‧電流信號
400‧‧‧程序
500‧‧‧程序
本發明的前述特徵以及本發明本身可從下列圖式的詳細說明而更徹底理解，其中：第1圖為個別驅動複數個負載的電路之方塊圖；第2A至2C圖為針對提供給控制開關及初級開關的信號之電壓對時間曲線的圖式；第3圖為針對提供給控制開關及該初級開關的信號之電壓與電流對時間曲線的圖式；第4圖為控制該等控制開關的程序之實例的流程圖；且第5圖為控制該等控制開關的程序之另一實例的流程圖。
10‧‧‧電路
12‧‧‧電子電路
16‧‧‧負載
16a‧‧‧串
16b‧‧‧串
16c‧‧‧串
116a-116N‧‧‧LED
216a-216N‧‧‧LED
316a-316N‧‧‧LED
18‧‧‧初級開關
20‧‧‧連接
22‧‧‧電感器
24‧‧‧電容器
30a‧‧‧FET開關
30b‧‧‧FET開關
30c‧‧‧FET開關
32a‧‧‧電容器
32b‧‧‧電容器
32c‧‧‧電容器
40‧‧‧二極體
42‧‧‧FET
44‧‧‧電阻器
46‧‧‧二極體
48‧‧‧參考電流電路
50a‧‧‧比較器
50b‧‧‧比較器
50c‧‧‧比較器
52a‧‧‧電流調節器
52b‧‧‧電流調節器
52c‧‧‧電流調節器
56‧‧‧多輸入放大器
58‧‧‧脈衝寬度調變控制電路
60‧‧‧電容器
62‧‧‧輸出開關序列器
64‧‧‧振盪器

Claims (9)

  1. 一種電路，包含：複數個比較器，各個比較器被配置成從複數個負載的對應負載接收第一輸入且接收第二輸入作為調節電壓；放大器，被配置成接收由該複數個比較器所提供的信號；脈衝寬度調變(PWM)電路，被配置成從該放大器接收控制信號且提供信號給初級開關來控制被提供給該等負載的電壓；輸出開關序列器，耦接至該等比較器的各者且配置成提供控制信號給被耦接至該初級開關的控制開關，一次使一個控制開關被啟動，各個控制開關在啟用時提供電壓升高給該複數個負載的各別負載；及複數個電流調節器電路，各個調節器電路耦接至該複數個負載的對應負載且耦接至該複數個比較器的對應比較器。
  2. 如申請專利範圍第1項之電路，進一步包含複數個二極體，各個二極體被耦接至對應比較器的輸出及該放大器的輸入。
  3. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該複數個負載包含複數個串聯的發光二極體(LED)串。
  4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該初級開關包含場效電晶體(FET)，具有一閘極被耦接至該PWM電路以及汲極或源極的一者被耦接至電感器與二極體。
  5. 如申請專利範圍第4項之電路，其中該二極體被耦接至該等控制開關。
  6. 如申請專利範圍第4項之電路，其中該電感器被耦接至輸入電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項之電路，進一步包含電容器，在第一端耦接地且在第二端耦接至該電感器與該輸入電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項之電路，其中各個控制開關包含FET，具有一閘極被耦接至該輸出開關序列器。
  9. 如申請專利範圍第1項之電路，進一步包含被耦接至各個控制開關的輸出之各別電容器。
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