TWI522011B - 適應性切換模式發光二極體驅動器 - Google Patents

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約翰Ｗ 克史特森
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Description

適應性切換模式發光二極體驅動器
本發明係關於一種LED(發光二極體)驅動器，且更特定言之，係關於一種支援多個LED串之LED驅動器控制器。
LED正採用於廣泛的電子應用中，例如，建築照明、汽車頭燈及尾燈、液晶顯示器裝置(包含個人電腦及高解析度電視)之背光、手電筒等等。相較於習知光源(諸如白熾燈及螢光燈)，LED具有顯著優點，包含高效、良好方向性、色彩穩定性、高可靠性、壽命長、尺寸小，及環境安全。
LED係電流驅動裝置，且因此調節通過LED之電流係一重要的控制技術。為了自一直流(DC)電壓源驅動一較大LED陣列，經常使用DC-DC切換電力轉換器(諸如升壓式電力轉換器或降壓-升壓式電力轉換器)來供應若干LED串的頂軌電壓。在使用LED背光之液晶顯示器(LCD)應用中，一控制器經常需要控制具有每一串之獨立電流設定之若干LED串。接著該控制器可獨立控制該LCD之不同區段的亮度。此外，該控制器可以一定時方式開啟或關閉該LCD之不同部分。
圖1繪示一習知LED驅動器100。LED驅動器100包含耦合於DC輸入電壓Vin與多個LED串102(亦即，若干LED通道)之間之一升壓式DC-DC電力轉換器101。升壓式轉換器101之輸出Vboost係耦合至每一LED串102中之第一個LED的陽極。每一串102中之最後個LED之陰極 係耦合至用於控制該串102中之電流的通道控制器115。
每一通道控制器115包括與一線性電壓降調節器(LDO)104串聯耦合之一PWM電晶體103。LDO 104確保LED串102中的峰值電流被調節至一固定位準。該峰值電流位準係藉由LDO參考控制器107而通常設定成與由所有LED通道之信號108指示之值相同之值。PWM電晶體103根據一脈衝寬度調變(PWM)作用時間循環控制LED串102的亮度。每一LED通道之該亮度係藉由來自根據該所設定的亮度來調整PWM作用時間循環之照度控制器109之照度控制信號111而獨立設定。
在此習知組態中，電力耗散於LDO 104中以調節該峰值電流。LED係電流受控裝置，意味著自該等LED產生之光通量主要係經施加通過該等LED之電流之一函數。因此，因通過每一LED通道的峰值電流係相同的，所以LDO 104確保每一LED通道的亮度將係相同的。LDO 104亦提供一本機電源供應抑制，其減小來自Vboost之升壓漣波對LED串102照度的影響。在每一LED通道中，LDO 104耗散與通過LED串102之電流、PWM作用時間循環，及跨LDO 104的電電壓降之乘積成比例之電力。
因該等LED之間之製造差異之故，維持一指定電流位準所需之跨每一LED串102的電壓降變化相當大。為了補償LED串102之不同正向電壓，可看見跨每一LDO 104之不同電壓降。圖2之VI曲線繪示兩個不同LED(LED1與LED2)的電壓與電流之間的指數關係。例如，假設LDO參考控制器107將每一LED通道中的峰值電流設定成40毫安培，則LED1必須操作於一約3.06伏特之正向電壓降，而LED2必須操作於一約3.26伏特之正向電壓降。因此LED1與LED2之正向電壓降之間存在約0.2伏特的差。假設在第一LED串102中存在10個具有LED1特性之LED，則存在跨該串102之一30.6伏特電壓降。假設在一第二LED串102中存在10個具有LED2特性之LED，則存在跨該第二LED串102之 一32.6伏特電壓降。因此，此2伏特之差將由驅動該第二串之LDO耗散使得兩串操作於40毫安培之相同峰值電流。耗散的總電力為80毫瓦。當此等電力損逸遍佈許多LED通道時，其等可變為不容許的。
圖1之LED驅動器100之一替代方法係如(例如)頒予給Volk等人的美國專利第6,538,394中所述，使用諸電流鏡，每一電流鏡驅動一LED串。然而，此電流鏡方法具有低電力效率。當該等LED之正向電壓不同時，施加於並聯連接的LED串之Vboost必須高於跨具有最高組合正向電壓ΣVF之LED串之正向電壓降。在一組合正向電壓低於最高電壓之情況下，諸LED串中存在一電壓差(Vboost-VF)，且此電壓差係跨每一電流鏡而施加。因為由該等電流鏡耗散的電力未對照明做出貢獻，所以整體效率為低，尤其係在該等LED串之間的該組合正向電壓差較大時。
一第三習知方法係如頒予給Bohn等人的美國專利第6,618,031號中所述，藉由循序開啟多個LED串之各者而操作。然而，此方法需要來自LED驅動器之快速動態回應，且因此迫使電力轉換器以深度非連續模式(DCM)操作，在此情況下，電力轉換效率為低。
又一方法係如由Yuhui Chen等人於2008年6月30日申請之美國專利申請案第12/164,909號中所述，在無任何LDO之情況下，以一全數位切換模式操作。在此方法中，一PWM控制器自動調整每一串之PWM作用時間循環以補償變化的峰值電流。然而，此方法導致諸LED串之間之LED電流之一廣大變化並造成LED組件應力及可靠性控制問題。此外，此習知解決方案未提供對升壓控制器漣波之任何本機電源抑制，且因此複雜化ADC及數位信號處理需求。
本發明之實施例包含一適應性切換模式LED驅動器，其程式性地控制通過一或多個LED串之電流調節。該適應性切換模式LED驅動器 包括經組態以接收一輸入電壓並產生施加於該等LED串之一輸出電壓之一電力轉換器(例如，一升壓式轉換器)。與一第一LED串串聯耦合的一第一通道切換器(例如，一PWM切換器)係根據該第一切換器之一第一作用時間循環信號而接通或切斷該LED串。與該第一通道切換器及該第一LED串串聯耦合的一第一通道調節器(例如，一低電壓降調節器)經組態以接收一第一程式化電流位準信號且根據該程式化電流位準信號調節通過該LED串之電流。一照度控制器經組態以產生該程式化電流位準信號以對應於一組有限可程式化電流位準之一者。此外，該照度控制器根據該程式化電流位準產生用以驅動該通道切換器之該作用時間循環信號。該LED驅動器可類似地驅動具有不同電流-電壓特性之若干額外LED串。該照度控制器可對不同LED串設定不同程式化電流，並對每一LED串設定不同作用時間循環以補償電流變化及LED串之間之不同I-V特性。
有利的是，該LED驅動器提供對LED通道之間之相對亮度輸出的精確控制，同時仍允許諸通道之間的電流變化。籍由允許一些電流變化，該LED驅動器可在提供最佳電力效率之一峰值電流下操作每一LED通道。同時，該LED驅動器將諸LED通道之間之此等電流差限於一預定義範圍，藉此減少組件應力及可靠性問題。
本發明之實施例亦包含用於在LED驅動器之一校準階段期間選擇每一LED通道之程式化電流之一方法。在該校準方法之一實施例中，首先調整供應電壓使得最弱LED通道操作於一期望基線電流位準或接近該期望基線電流位準之電流位準。
在一實施例中，照度控制器使用一照度傳遞函數產生用於驅動該等LED串之作用時間循環信號使得亮度輸出可於經組態具有相同亮度輸入設定之LED串之間精確地匹配。此外，該照度傳遞函數可包含一溫度補償組件，以補償諸LED通道之間之溫度變化。
本發明之實施例亦包含用於調節該等LED串中的電流之一取樣與保持電流調節器。該取樣與保持調節器在通道切換器關閉之前先取樣調節器傳遞電晶體之閘極電壓並保持該電壓直至該通道切換器重新開啟。該取樣與保持調節器有利地允許以極快速動態回應對極限作用時間循環進行PWM控制。
本發明之實施例亦包含用以偵測開路故障或短路故障之一故障偵測電路。偵測到故障之任何LED通道將停用進一步操作。
本發明之實施例亦包含用於製造一LED驅動器的一方法。PWM電晶體之接通電阻係在製程期間予以量測。若該接通電阻高於一基線電阻，則閘極供應驅動器經修整至一更高電壓使得該經量測電阻將匹配該基線電阻。此製程確保PWM切換電晶體設計之最小矽面積使用。
本說明書中描述之該等特徵及優點並非包含所有，且特定言之，考慮到圖式、說明書，及申請專利範圍，一般技術者將明白許多額外的特徵及優點。此外，應注意的是本說明書中使用的語言主要係經選擇以達到可讀性及指導性之目的，且可能未經選擇用以描繪及限制本發明之標的。
100‧‧‧LED驅動器
101‧‧‧升壓式轉換器
102‧‧‧LED串
103‧‧‧PWM電晶體
104‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)
107‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)參考控制器
108‧‧‧控制信號
109‧‧‧照度控制器
111‧‧‧照度控制信號
115‧‧‧通道控制器
300‧‧‧LED驅動器
301‧‧‧升壓式轉換器
302‧‧‧LED串
304‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)
306‧‧‧運算放大器
307‧‧‧數位轉類比轉換器(DAC)
308‧‧‧控制信號
309‧‧‧控制信號
310‧‧‧照度控制器
311‧‧‧多工器
312‧‧‧Vboost
313‧‧‧ADC
314‧‧‧控制信號
315‧‧‧回饋信號
316‧‧‧升壓控制器
317‧‧‧亮度控制輸入
318‧‧‧控制信號
401‧‧‧LED通道
402‧‧‧LED通道
403‧‧‧LED通道
410‧‧‧照度控制器
411‧‧‧LED串
413‧‧‧PWM電晶體
415‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)電晶體
417‧‧‧感測電阻器
421‧‧‧LED串
423‧‧‧PWM電晶體
425‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)電晶體
427‧‧‧感測電阻器
431‧‧‧LED串
433‧‧‧PWM電晶體
435‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)電晶體
437‧‧‧感測電阻器
500‧‧‧LED驅動器
504‧‧‧經修飾之線性電壓降調節器(LDO)
506‧‧‧比較器
551‧‧‧運算放大器(op-amp)之輸出
553‧‧‧參考電壓
801‧‧‧取樣與保持線性電壓降調節器(LDO)
808‧‧‧切換器
809‧‧‧電容器
810‧‧‧切換器
811‧‧‧電容器
912‧‧‧電流源
913‧‧‧切換器
914‧‧‧切換器
915‧‧‧電流源
916‧‧‧相位1控制信號
917‧‧‧相位2控制信號
918‧‧‧開路臨限電壓
919‧‧‧短路臨限電壓
920‧‧‧比較器
921‧‧‧比較器
922‧‧‧開路偵測信號
923‧‧‧短路偵測信號
926‧‧‧接針
圖1係繪示一習知多串LED驅動器之一電路圖。
圖2係繪示製造差異對正向偏壓LED之I-V曲線的影響之一圖。
圖3係繪示根據本發明之一第一實施例之一適應性切換模式LED驅動器之一電路圖。
圖4A及圖4B係展示圖4A中之習知類比LDO LED驅動器與圖4B中之本發明之適應性切換模式LED驅動器之間之電力耗散差異之電力損逸圖。
圖5係繪示根據本發明之一第二實施例之一適應性切換模式LED 驅動器之一電路圖。
圖6係繪示一典型LED之電流與光照度之間之一典型非線性傳遞函數之一圖。
圖7係繪示根據一典型LED之接面溫度之光通量密度之一典型溫度降級。
圖8係根據本發明之一第三實施例之一取樣與保持LDO之一電路圖。
圖9係根據本發明之一第四實施例之一啟動故障偵測電路之一電路圖。
藉由結合該等隨附圖式考慮以下詳細描述，吾人可容易地瞭解本發明之該等實施例之教示。
該等圖式及以下描述係有關於僅藉由闡釋之本發明之較佳實施例。應注意的是，從以下論述，文本中揭示的該等結構及方法之替代性實施例將容易地被認知為可在不偏離本發明原理之情況下使用之可行性替代方案。
現將詳細參考本發明之若干實施例，其之實例係繪示於該等隨附圖式中。應注意在任何可實行的情況下，類似或相同的參考數字可用於該等圖式中且可指示類似或相同功能性。該等圖式僅是為了闡釋目的描繪本發明之實施例。熟習此項技術者將自以下描述容易地認知在不偏離本文所述之本發明原理之情況下，可使用本文中所繪示的該等結構及方法之替代性實施例。
一般言之，一適應性切換模式LED驅動器根據各種實施例智能地驅動多個LED串。該LED驅動器自一組有限允許電流判定每一LED通道之一最佳電流位準。接著該LED驅動器判定用於驅動每一LED通道中的LED之一PWM作用時間循環以補償每一LED通道之間之電流變 化，並維持對該等LED通道之相對亮度輸出的控制。有利的是，該LED驅動器最小化驅動每一LED串之LDO電路中的電力耗散，同時亦確保每一LED串中的電流係維持在一固定範圍內。
LED驅動器架構
圖3係一適應性切換模式LED驅動器300之一第一實施例之一電路圖。該實施例包括驅動一或多個並聯LED通道之一升壓式轉換器301。在每一LED通道中，LED串302與用於調節通過LED串302之電流之一LDO 304串聯耦合。LED串302及LDO 304亦皆與用於控制LED串302中之該等LED之接通時間與切斷時間之PWM切換器QP(例如，一NMOS電晶體)串聯耦合。照度控制器310藉由經由控制信號308控制PWM切換器QP，及藉由經由控制信號309與數位轉類比轉換器(DAC)307控制LDO 304而獨立地控制每一LED通道之照度輸出。該LDO 304經由多工器311及ADC 313而輸出回饋控制信號315至照度控制器310。照度控制器310亦輸出控制信號314至升壓式轉換器301以控制Vboost電壓312。雖然圖3僅繪示三個LED通道，但是LED驅動器300可包含任意數目的LED串302及對應的控制/調節電路。
升壓式轉換器
升壓式轉換器301接收一輸入電壓Vin並提供經調節電力至LED串302。在一實施例中，升壓式轉換器301包括電感器L1、二極體D1、電容器C1、切換器QB(例如，一NMOS電晶體)、電阻器R1、R2，及升壓控制器316。升壓控制器316控制切換器QB的作用時間循環。當切換器QB開啟時，因為二極體D1變成反向偏壓，所以來自供應電壓Vin之輸入電力係儲存於電感器L中。當切換器QB關閉時，因為二極體D1變成正向偏壓，所以該輸入電力經傳送至跨電容器C1之Vboost。
將輸出電壓Vboost施加於該等LED串302以提供通過LED之電流。升壓控制器316經由包括電阻器R1及R2之一分壓器感測Vboost並 控制QB之切換以調節Vboost。升壓控制器316可使用若干熟知調變技術(諸如脈衝寬度調變(PWM)或脈衝頻率調變(PFM))中之任何一種，以控制切換器QB之接通及切斷狀態以及作用時間循環。PWM及PFM係用於藉由分別控制驅動該切換器QB之輸出驅動脈衝之寬度或頻率而控制切換電力轉換器以實現輸出電力調節之習知技術。此回饋迴路允許升壓式轉換器301將Vboost維持在由升壓控制器316設定之一程式化位準。
線性電壓降調節器(LDO)
LDO 304根據每一LED通道之程式化電流位準調節通過LED串302之電流。每一LDO 304包括運算放大器(op-amp)306、感測電阻器RS及傳遞電晶體QL(例如，一NMOS電晶體)。傳遞電晶體QL及感測電阻器RS係串聯耦合於PWM切換器QP與一接地終端之間。運算放大器306之輸出係耦合至傳遞電晶體QL之閘極以控制通過該LDO 304之電流。運算放大器306自DAC 307接收正輸入信號Vref且經由一負回饋迴路自傳遞電晶體QL之源極接收負輸入信號Vsense。
LDO 304包括一回饋迴路，該回饋迴路經由Vsense感測通過LED串之電流並控制傳遞電晶體QL以將該所感測電流維持在由Vref設定之程式化電流位準。運算放大器306比較Vref與Vsense。若Vref高於Vsense，則運算放大器306增加施加於傳遞電晶體QL之閘極電壓，其增加通過感測電阻器RS及LED串302之電流直至其穩定於Vref。若Vsense變成高於Vref，則運算放大器306減小施加於傳遞電晶體QL之閘極電壓，其減小通過RS之電流並引起Vsense下降直至其穩定於Vref。因此，LDO 304使用一回饋迴路以將Vsense維持在Vref，藉此將通過LED串302之電流維持在與Vref成比例之一固定值。
照度控制器與控制邏輯
照度控制器310監測每一LED通道之特性並設定峰值電流與PWM 作用時間循環以維持諸LED通道之間之亮度匹配且最佳化電力效率。照度控制器310輸出控制信號308、309、318、314以分別控制LDO 304、PWM切換器QP、多工器311，及升壓式轉換器301。照度控制器310亦自LDO 304接收回饋信號315及一亮度控制輸入317。
控制信號309數位地影響DAC 307之輸出，DAC 307繼而提供設定通過LED串302之程式化電流之類比參考電壓Vref。在一實施例中，控制信號309係一3位元DAC字組，其允許8個可能可程式化電流。例如，在一實施例中，每一LED通道可設定以2毫安培增量之40毫安培至54毫安培之範圍內之電流。在如下將要描述之一校準階段期間，照度控制器310判定每一LED通道之程式化電流。DAC 307之精確度可優於10位元以提供諸LED通道之間之極好匹配。照度控制器310獨立控制每一LED通道使得不同的LED通道可經組態以用於不同的程式化電流。
控制信號308根據LED通道之一PWM作用時間循環數位地控制每一LED通道之PWM切換器QP。在如下將要描述之校準階段期間，照度控制器310根據程式化電流判定每一LED通道之PWM作用時間循環。照度控制器310獨立控制每一LED通道之作用時間循環使得不同的LED通道可經組態以用於不同的PWM作用時間循環。一給定LED通道之PWM作用時間循環及程式化電流共同判定該LED通道中之該等LED的亮度輸出。
控制信號318控制多工器311之切換。照度控制器310藉由切換該多工器311之選擇線318而循序地監測來自不同LED通道經由ADC 313之回饋信號。在以下更詳細描述之校準階段中，該照度控制器310使用來自多工器311之回饋信號315。
控制信號314控制升壓控制器316，升壓控制器316繼而在以下描述之校準期間設定供應電壓Vboost。控制信號314可以任意數目的習 知方式設定Vboost，諸如(例如)藉由添加電流至回饋電阻器R1、R2之接面，或藉由發送引起升壓控制器316內部之參考變更之一數位訊息。
照度控制器310接收指定每一通道n之一相對亮度輸入BIn之外部亮度輸入317。在一實施例中，該亮度輸入BIn將每一LED通道n之期望相對亮度表達為一預定義最大亮度之百分比(例如，BI1=60%、BI2=80%、BI3=100%等)。因為一通道之亮度輸出直接與作用時間循環成比例，所以該照度控制器310將該亮度輸入BIn用作為該通道之一基線作用時間循環。因此，舉例而言，60%之一亮度輸入BIn表示該通道n之一基線作用時間循環為最大作用時間循環(對應於該最大亮度)的60%。然而，當產生驅動PWM切換器QP之該作用時間循環信號308時，照度控制器310藉由一補償因數修飾此基線作用時間循環以補償諸LED通道之間之已知電流變化並維持該期望相對亮度。此補償因數及該所得作用時間循環信號308係在以下描述之校準程序期間予以判定。
照度控制器校準階段
照度控制器310在操作初期(例如，啟動不久之後)進入一校準階段以判定每一LED通道之峰值電流及PWM作用時間循環。每一LED通道經獨立設定以補償該等LED串302之間之製造變化並維持由外部亮度輸入317設定之諸LED通道之間之相對亮度輸出。因此，該照度控制器310確保經組態具有相同亮度輸入之諸通道具有大體上匹配之亮度輸出。
在該校準階段之一實施例中，照度控制器310將每一LED通道之DAC 307最初設定於其等之最大可能位準。接著，Vboost按增量增加(經由控制信號314)直至所有的LED通道在一預定義主電流位準Iset(例如，Iset=40毫安培)或高於該主電流位準Iset之電流位準下操作。因為 該等LED串302之不同I-V特性，最弱通道(亦即，具有跨LED串302之最大正向電壓降之該LED通道)將在Iset或接近Iset之電流位準下操作，而其他通道可在更高電流位準下操作。接著，照度控制器310一次一通道地校準每一LED通道。對於每一通道校準，照度控制器310組態多工器311以選擇LED通道且ADC 313取樣該所選LED通道之電流(經由Vsense)。該照度控制器310將所感測電流四捨五入(即，量化)至可由DAC 307程式化之最接近的可能電流位準(例如，8個可能的可程式化電流之一者)並將通道n之該量化電流位準儲存為In。該電流In將對應於該LED通道n在該供應電壓Vboost之下可維持之來自可能組可程式化電流之最高電流。重複此校準程序以判定該等LED通道n之各者的程式化電流位準In。在校準後之正常操作期間，每一LED通道n係設定為該所判定的程式化電流In。
該校準程序大體上確保每一LDO 304係操作於低於但接近每一LDO 304飽和點之點以達到最優電力效率。在最壞情況的實例中，當該飽和電流高於最大DAC設定，該LDO 304將於儘可能接近LDO 304之三極體與飽和區域之間之介面點而飽和地操作。
基於為每一LED通道n之判定的程式化電流位準In，照度控制器310使用以下方程式判定每一LED通道n之一PWM作用時間循環(PWM_outn)：
其中BIn係表示通道n之期望相對亮度設定之基線作用時間循環，且Iset係預定義主電流位準。方程式(1)藉由補償因數縮放此基線作用時間循環以補償諸通道之間的電流變化並維持該期望相對亮度。在正常操作期間，照度控制器根據通道n之PWM_outn經由控制信號308而驅動PWM切換器QP。
現提供一實例以進一步闡釋照度控制器310之操作。在此實例中，PWM亮度輸入317將每一通道n之相對亮度BIn設定為60%的亮度並將主電流設定Iset設定為40毫安培。在上述之校準階段期間，該照度控制器310判定每一LED通道之程式化電流位準並經由控制信號309及DAC 307設定該等程式化電流位準。在此實例中，該照度控制器310將一第一LED通道設定為I1=46毫安培之一電流位準、將一第二LED通道設定為I2=40毫安培之一電流位準及將一第三LED通道設定為I3=42毫安培之一電流位準，使得每一LED通道在接近但低於其等之飽和點之點下操作。該照度控制器310將方程式(1)應用於該等程式化電流位準以判定每一LED通道n之作用時間循環PWM_outn，如下：
因此，該校準程序判定每一LED通道n的電流In及作用時間循環PWM_outn。有利的是，每一LED通道將具有相同的平均電流(PWM_out n ×I n =24mA)。因此，因亮度輸出與通過LED通道之平均電流密切相關之故，每一LED通道之所觀察到的亮度將相當匹配。
若對不同的通道而不同地設定相對亮度輸入BIn，則方程式(1)確保不同通道之平均電流之間的比率匹配該等亮度輸入之間的比率。舉例而言，若一第四通道經組態以用於亮度輸入BI4=75%且一第五通道經組態以用於亮度輸入BI5=25%，則照度控制器310校準該等通道使得該第四通道與該第五通道之間的平均電流比率為3：1。
圖4A及圖4B繪示圖1之傳統基於LDO之LED驅動器100與本發明之適應性切換模式LED驅動器300之間的電力損逸差異。在圖4A之第一LED通道401中，Vboost係調整至35.5伏特以獲致通過該LED通道401之40毫安培電流。LDO電晶體415下降0.2伏特且PWM電晶體413下降0.1伏特。LED串411在40毫安培下具有35.0伏特的電壓降。在第二LED通道402中，由於該第一LED通道401中之LED串411與該第二通道402中之LED串421之間之製造變化，所以LED串421在40毫安培下代替性地具有34.0伏特的電壓降。使用該傳統LDO方法，LDO 425總共下降1.2伏特的額外電壓。使用該傳統LDO方法，由該第二LED通道402中的PWM電晶體423、LDO電晶體425，及感測電阻器427耗散的總電力係60毫瓦。此浪費的電力引起一多串LED驅動器中之非所期望之熱。
圖4B中之一第三LED通道403繪示本發明之適應性方法之優點。假設第三LED通道403中之LED串431的特性相同於第二LED通道402中之LED串421。然而，此LED通道403係使用本發明之適應性切換模式LED驅動器300而代替性地驅動。使用上述之校準程序，照度控制器310將設定第三LED通道403中的電流為48毫安培使得LDO調節器在接近於飽和點但低於該飽和點之點下操作。存在與增加的電流成比例之跨LDO電晶體435、PWM電晶體433，及感測電阻器437之一增加的電壓降。應用方程式(1)，PWM作用時間循環被調整至83%。使用本發明之適應性方法，由PWM電晶體433、LDO電晶體435，及感測電阻器437所耗散的總電力僅為28.8毫瓦。因此，LED驅動器300提供優於傳統LDO驅動器100之一可觀的電力效率改良。因為照度控制器310僅允許一有限範圍之可能通道電流，所以LED驅動器300亦提供優於以上所引用之屬於Yuhui Chen等人之美國專利申請案第12/164,909號中描述的全數位切換方法之優點。此消除由諸LED通道之間之寬動態 範圍的電流所引起之組件應力及可靠性問題。
LDO驅動器之替代性實施例
圖5繪示一適應性切換模式LED驅動器500之一第二實施例。LED驅動器500類似於上述之圖3之LED驅動器300，除了包含一經修飾之LDO 504及缺少ADC 313。LDO 504包含成類似於上述LDO 304組態之一LDO組態之運算放大器306、傳遞電晶體QL，及感測電阻器RS。然而，LDO 504額外地包含一比較器506，該比較器506比較運算放大器306之輸出551與一參考電壓553並輸出所得信號至多工器311。在其他替代性實施例中，至比較器506之輸入551可耦合至LDO電晶體QL之汲極或源極而非耦合至運算放大器306之輸出。
在圖5之該實施例中，照度控制器410應用經修飾之校準程序以判定每一LED通道之程式化電流In及作用時間循環PWM_outn。在校準階段期間，諸DAC 307皆係初始化為其等之最低位準。接著，Vboost藉由控制信號314而按增量增加直至該等LED通道皆操作於期望Iset位準或高於該位準之位準。一旦Vboost到達適當位準，照度控制器410將每一LED通道之DAC 307之序列安排為從其等之最低位準至其等之最高位準並經由多工器311監測來自比較器506之輸出。當DAC輸出變得過高而使得LDO 504不能將電流維持在該程式化位準時，比較器506之輸出升高並超出一臨限電壓553。照度控制器310在該臨限電壓553被超出之前儲存每一LED通道之最高可能DAC設定作為LED通道n之電流位準In。
圖5之該實施例具有以下優點：確保每一LDO 504在未進入深度飽和之情況下，儘可能接近於三極體與飽和區域之間之介面點而操作。此保證每一LDO 504中之最小電力耗散同時仍維持精確調節。在校準之後，LED驅動器500相同於圖3之LED驅動器300而操作。
光傳遞函數補償
在一替代性實施例中，照度控制器310應用方程式(1)之一經修飾形式來說明該等LED之光通量與正向電流之間之非線性關係。圖6係根據電流之發射自一正向導電LED之相對光通量之一圖。該圖繪示光效率隨著正向電流的增加而下降，且此引起斜率之一微小減小。在一實施例中，照度控制器310使用以下形式之一二次多項式模型化照度傳遞函數：lum(x)=c 2 x 2+c 1 x+c 0 (5)
其中，c0、c1及c2係實驗判定常數。在此實施例中，照度控制器310應用以下補償方程式來判定每一LED通道n之PWM_outn：
與上述方程式(1)(其使LED通道之間之平均電流比率與亮度輸入BIn之比率匹配)對比，代替的是，方程式(6)與相對亮度BIn成比例地設定一LED通道之相對光通量輸出。此提供諸LED通道之間之相對亮度輸出之精確維持。因此，經組態具有相同亮度輸入之LED通道將具有大體上相同之亮度輸出。
在一實施例中，照度控制器310在校準階段期間評估每一LED通 道n之比率並將結果儲存於記憶體中。在即時操作期間，每當亮度輸入317被更新時，照度控制器310僅需要執行方程式(6)之一剩餘乘法運算。在一實施例中，照度控制器310包括由所有LED通道共用之一單一數位邏輯乘法器/除法器運算單元。在此實施例中，方程式(6)係循序應用於每一LED通道。有利的是，此乘法器/除法器可對尺寸而非速度最佳化，因此減少實施方案的成本。
溫度補償
在另一替代性實施例中，照度控制器310應用方程式(1)之一不同經修飾形式，其額外地提供該等LED通道之間之溫度變化之補償。圖 7係根據接面溫度之發射自具有55毫安培正向電流之一正向偏壓LED之相對光通量密度之一圖。該圖繪示隨著該等LED之接面溫度從攝氏25度升高至攝氏85度，照度減小大約12%。此減小係溫度之一大體上線性函數。因此，在一實施例中，照度控制器310應用下列方程式以判定每一LED通道n之PWM_outn：
其中C T 係溫度之一實驗判定線性函數。在此實施例中，照度控制器310經修飾以包含經組態以提供溫度資料至照度控制器310之一額外溫度輸入信號(未展示)。可使用任何習知LED溫度量測技術獲致溫度資料。
取樣與保持電路
圖8係繪示包含一取樣與保持特徵之一LDO 801之一實施例之一電路圖。為清楚及方便起見，取樣與保持LDO 801被繪示為LDO 304之一經修飾形式且與圖3之LDO驅動器300相容。然而，圖5之LDO 504亦可經修飾以包含下述之LDO 801之取樣與保持特徵。因此，該等取樣與保持特徵亦與圖5之LDO驅動器500相容。
取樣與保持LDO 801包含上述LDO 304之所有組件，但是額外地包含電容器809、811，及切換器808、810。包括取樣/保持切換器808及電容器809之一第一取樣與保持組件係耦合於運算放大器306之輸出與電晶體QL之閘極之間。包括取樣/保持切換器810及電容器811之一第二取樣與保持組件係耦合於介於感測電阻器RS與運算放大器306之輸入之間之負回饋路徑。即使每當關閉PWM控制電晶體QP時，LDO 801之電流被阻斷，此取樣與保持特徵仍允許LDO 801連續地操作。切換器808、810係經由來自照度控制器310之額外控制信號(未展示)而數位地控制。
在操作中，恰在關閉PWM切換器QP之前，照度控制器310斷開切換器808、810。電容器809、811將電晶體QL之閘-源電壓及運算放大器306之負輸入處的電壓維持在PWM切換器QP之關閉時間之恆定位準。每當PWM切換器QP關閉時，切換器808、810及電容器809、811有利地防止運算放大器306之輸出端驅動LDO電晶體QL之閘極接近Vdd導軌。此藉由確保當PWM切換器QP開啟時，運算放大器306早已處於正確值或接近該正確值而在每一PWM循環之前沿防止通過該等LED串302之電流尖波。恰在PWM切換器QP被重新開啟之後，照度控制器310閉合切換器808、810且恢復連續時間線性調節。該取樣與保持特徵允許LDO 801以極快速動態回應對極限作用時間循環進行操作。
故障偵測電路
圖9繪示用於與LED驅動器300或LED驅動器500一起使用之一故障偵測電路之一實施例。雖然圖9繪示LDO 504之背景下之故障偵測電路，該故障偵測電路之特徵亦可包含於使用LDO 304之實施例或上述取樣與保持LDO 801中。
故障偵測電路包括電阻器RESD；電流源912、915；切換器913、914；及比較器920、921。電流源912、切換器913，及電阻器RESD皆係串聯耦合於類比電壓源Vdda與一測試點(舉例而言，諸如PWM電晶體QP之汲極接針926)之間。電流源915、切換器914，及電阻器RESD皆係串聯耦合於接針926與一接地終端之間。比較器920及921經由電阻器RESD感測汲極接針926處之電壓並將該電壓分別與開路臨限電壓918及短路臨限電壓919相比較。在此實施例中，照度控制器310包含額外的輸入及輸出916、917、922、923(圖3及圖4中未繪示)以執行故障偵測特徵。該故障偵測電路偵測三種類型的故障：(1)PWM電晶體QP之汲極接針926處之「短路類型」故障；(2)LED串302中之「開路類 型」故障；及(3)LED串302內之「LED短路類型」故障。以下將描述每一類型故障偵測之操作。
在通常在電力上升序列期間執行之「短路偵測」測試期間偵測短路類型故障。在接針短路測試期間，照度控制器310經由相位1控制信號916開啟(亦即，閉合)切換器913並關閉LDO電晶體QL及PWM電晶體QP。電流源912嘗試通過電阻器RESD供應一較小電流(例如，大約100微安)至汲極接針926。若存在接針926至接地之短路，則接針926處的電壓將下降至接近於零伏特。否則，電壓將上升至接近於類比供應導軌電壓Vdda。透過電阻器RESD監測接針926並藉由比較器921將其與短路臨限電壓919相比較。若該所監測的電壓低於短路臨限電壓919，則該LED通道具有從接針926至接地之短路。藉由短路偵測信號923指示一短路。在一實施例中，當偵測到短路時，停用該LED通道之進一步操作。在接針短路測試結束時，相位1控制信號916關閉(亦即，斷開)切換器913且其在正常操作期間保持關閉。
在亦係在電力上升序列期間執行之「開路偵測」測試期間偵測開路類型故障。照度控制器310經由相位2控制信號917開啟(亦即，閉合)切換器914。電流源915嘗試經由電阻器RESD自接針926汲取一較小電流(例如，大約100微安)。若LED串302非適當地連接至接針926，則接針926處的電壓將下降至接近於零伏特。若LED串302係適當地連接，則來自Vboost之通過LED串302之洩漏電流將引起電壓上升。透過電阻器RESD監測接針926處之電壓並藉由比較器920將其與開路臨限電壓918相比較。若該所監測的電壓下降至低於開路臨限電壓918，則照度控制器310判定該LED通道具有從接針926至LED串302之一開路路徑。藉由開路偵測信號922指示開路。在一實施例中，當偵測到開路類型故障時，停用該LED通道之進一步操作。在測試結束時，相位2控制信號917關閉切換器914且其在正常操作期間保持關閉。
在正常操作期間，週期性地執行LED短路類型故障測試。此測試利用亦在LED通道校準階段期間使用之比較器506。比較器506監測運算放大器306之輸出。若LED串302中之一或多個LED係短路至接地，則LED串302之正向電壓降將減少且該LED通道中的電流將開始上升。隨著電流的上升，Vsense增加且運算放大器306之輸出551下降。當輸出551下降至低於臨限電壓553時，比較器506改變狀態並指示LDO 504正超出其之調節電力限制。此對照度控制器310指示一LED短路類型故障已發生。接著，可停用故障LED通道之操作。
製造變化補償
本發明之實施例亦包含用於矽製程中之製造變化之一補償。舉例而言，在一實施例中，一LED PWM電晶體QP之接通電阻(Rdson)具有5歐姆之一設計目標，其中一5V閘極驅動器處於典型製程拐點。可在一自動測試設備(ATE)之測試階段期間量測切換器QP之實際Rdson電阻。在一實施例中，該實際Rdson電阻係儲存於該LED驅動器300(例如，在該照度控制器310中)中之一記憶體使得照度控制器310可將該值用於驅動該等LED串。若切換器QP之矽係在慢製程拐點中，此量測電阻將高於該目標設計值，導致更高熱損逸。在此情形下，對於一典型製程拐點，通常應設定為5伏特之閘極驅動器電源供應器替代性地被修整至更高電壓(例如，6伏特)以維持5歐姆之相同目標電阻。相同的原理亦可應用於3.3伏特閘極驅動器電路電源或其他類型的閘極驅動器。
若矽係在快製程拐點中，則該所量測的電阻將低於該目標設計值。雖然閘極驅動器電源供應器可被修整至一較低電壓(例如，4伏特)以維持5歐姆之目標電阻，但是減小閘極驅動器電源供應器並非明顯有利。因此，在一實施例中，僅在慢製程拐點而非在快製程拐點中進行該調整。
相較於傳統設計方法學，所揭示的方法有利地節約了可觀的矽面積。傳統設計方法學保留地選擇電晶體之w/l比率使之足以覆蓋所有製程拐點。藉由基於上述所量測的接通電阻校準閘極驅動信號，吾人可實施一較少保留的w/l比率，因此節約矽面積及成本。
在閱讀此揭示內容之後，熟習此項技術者應瞭解還有用於適應性切換模式LED驅動器之額外替代性設計。因此，雖然已繪示及描述本發明之特定實施例及申請案，但應瞭解，本發明不受限於本文中揭示的精確構造及組件，且在不偏離如隨附申請專利範圍中所定義之本發明的精神及範疇之情況下，可在本文中揭示之本發明之該方法及裝置之該配置、操作及細節上做出應為熟習此項技術者所顯而易見之各種修飾、改變及變動。
300‧‧‧LED驅動器
301‧‧‧升壓式轉換器
302‧‧‧LED串
304‧‧‧線性電壓降調節器(LDO)
306‧‧‧運算放大器
307‧‧‧數位轉類比轉換器(DAC)
308‧‧‧控制信號
309‧‧‧控制信號
310‧‧‧照度控制器
311‧‧‧多工器
312‧‧‧Vboost
313‧‧‧ADC
314‧‧‧控制信號
315‧‧‧回饋信號
316‧‧‧升壓控制器
317‧‧‧亮度控制輸入
318‧‧‧控制信號

Claims (24)

  1. 一種用於驅動一或多個發光二極體(LED)串之LED驅動器，該LED驅動器包括：一第一通道切換器，其經組態以根據施加於該第一通道切換器之一第一作用時間循環信號而接通或切斷該一或多個LED串之一第一LED串；一第一通道調節器，其與該第一LED串及該第一通道切換器串聯耦合，該第一通道調節器，其經組態以接收一第一信號並根據該第一信號調節通過該第一LED串之電流；及一照度控制器，其經組態以：自一組有限可程式化電流位準選定一電流位準；基於自該組有限可程式化電流位準之該選定電流位準產生該第一信號以控制該第一通道調節器調節通過該第一LED串、該第一通道切換器及該第一通道調節器之該電流；以及根據該選定電流位準產生用於驅動該第一通道切換器之該第一作用時間循環信號。
  2. 如請求項1之LED驅動器，其中該第一通道切換器係耦合於該第一通道調節器與該第一LED串之間且係與該兩者串聯耦合。
  3. 如請求項1之LED驅動器，其中該照度控制器基於該選定電流位準產生該第一信號以作為該組有限可程式化電流位準之一最高者，在該最高電流位準，在施加於該第一LED串之一輸出電壓下，可藉由該第一通道調節器而調節通過該第一LED串的電流。
  4. 如請求項1之LED驅動器，其中產生該第一作用時間循環信號包括：判定該選定電流位準對一基線電流位準之一比率；及以一基線作用時間循環乘以該比率。
  5. 如請求項1之LED驅動器，其進一步包括：一第二通道切換器，其經組態以根據施加於該第二通道切換器之一第二作用時間循環信號而接通或切斷該一或多個LED串之一第二LED串，該第二LED串具有與該第一LED串不同之電流-電壓特性；及一第二通道調節器，其經組態以自該照度控制器接收一第二信號並根據該第二信號調節通過該第二LED串之電流，其中該第一信號及該第二信號對應於不同電流位準；及其中該照度控制器經進一步組態以：自該組有限可程式化電流位準選定另一電流位準；基於自該組有限可程式化電流位準之該選定另一電流位準產生該第二信號以控制該第二通道調節器調節通過該第二LED串、該第二通道切換器及該第二通道調節器之該電流；以及根據該選定另一電流位準產生用於驅動該第二通道切換器之該第二作用時間循環信號。
  6. 如請求項5之LED驅動器，其中該第一LED串及該第二LED串係根據不同電流位準及不同作用時間循環而接通或切斷，但是該第一LED串及該第二LED串具有實質上相同之平均電流位準。
  7. 如請求項1之LED驅動器，其中該第一通道調節器包括：一傳遞電晶體，其與該第一LED串及該第一通道切換器串聯耦合；及一回饋迴路，其經組態以感測通過該第一LED串之電流，比較該所感測電流與一類比電流參考，並控制該傳遞電晶體以回應於該所感測電流超出該類比電流參考而減小該所感測電流。
  8. 如請求項7之LED驅動器，其中該回饋迴路包括：一感測電阻器，其串聯耦合至該傳遞電晶體之一源極；及一運算放大器，其具有耦合至該傳遞電晶體之該源極之一負 輸入終端、經耦合以接收該類比電流參考之一正輸入終端，及耦合至該傳遞電晶體之一閘極之一輸出終端。
  9. 如請求項8之LED驅動器，其進一步包括：一比較器，其經組態以比較該運算放大器之一輸出與一參考電壓以偵測該所感測電流何時超出該選定電流位準，並輸出一比較信號至該照度控制器。
  10. 如請求項9之LED驅動器，其中該照度控制器回應於指示在校準後之該LED驅動器之正常操作期間，該所感測電流超出該選定電流位準之該比較信號而判定該第一LED串中之一LED係短路至接地。
  11. 如請求項8之LED驅動器，其中該第一通道調節器包括一取樣與保持調節器，該取樣與保持調節器包含：一第一取樣與保持組件，其用於在該第一通道切換器關閉之前先取樣該運算放大器之一輸出電壓，並保持該運算放大器之該輸出電壓直至該第一通道切換器重新開啟；及一第二取樣與保持組件，其用於在該第一通道切換器關閉之前先取樣該運算放大器之一負輸入終端電壓，並保持該經取樣負輸入終端電壓直至該第一通道切換器重新開啟。
  12. 如請求項7之LED驅動器，其進一步包括：一數位轉類比轉換器(DAC)，其經組態以自該照度控制器接收呈數位形式之該第一信號並輸出該類比電流參考至該第一通道調節器。
  13. 如請求項1之LED驅動器，其進一步包括：一回饋路徑，其將表示通過該第一通道調節器之一所感測電流之一回饋信號自該第一通道調節器傳送至該照度控制器，其中，該照度控制器部分基於該回饋信號產生該第一信號。
  14. 如請求項1之LED驅動器，其中該照度控制器根據該選定電流位準產生該第一作用時間循環信號，使得平均電流在經組態以達到與該一或多個LED串之各者之一最大亮度相關之一相同相對亮度之該一或多個LED串之各者之間係實質上匹配。
  15. 如請求項1之LED驅動器，其中該照度控制器部分基於一照度傳遞函數而根據該選定電流位準判定該第一作用時間循環信號，使得光通量在經組態以達到與該一或多個LED串之各者之一最大亮度相關之一相同相對亮度之該一或多個LED串之至少一些LED之間係實質上匹配。
  16. 如請求項15之LED驅動器，其中該照度控制器進一步包括接收一溫度量測之一溫度輸入，且其中該照度傳遞函數包含用於補償該一或多個LED串之間之溫度變化之一溫度補償函數。
  17. 一種用於驅動一或多個發光二極體(LED)串之LED驅動器，該LED驅動器包括：一第一通道切換器，其經組態以根據施加於該第一通道切換器之一第一作用時間循環信號而接通或切斷一第一LED串；一第一通道調節器，其與該第一LED串及該第一通道切換器串聯耦合，該第一通道調節器經組態以接收一第一程式化電流位準信號並根據該第一程式化電流位準信號調節通過該第一LED串之電流；及一照度控制器，其經組態以產生該第一LED串之該第一程式化電流位準信號以對應於一組有限可程式化電流位準中之一者，並根據該第一程式化電流位準信號產生用於驅動該第一通道切換器之該第一作用時間循環信號；及一故障偵測電路，該故障偵測電路用於偵測該一或多個LED串 中之一開路及一短路之至少一者，及回應於偵測該開路或該短路而斷開該第一通道切換器以停用該第一LED串，該故障偵測電路包括：一第一電流源，其在一短路偵測測試期間供應一第一測試電流至該第一通道調節器；一第一比較器，其比較該第一通道調節器之一測試點電壓與一短路臨限電壓，其中該第一比較器回應於該測試點電壓超出該短路臨限電壓而指示該短路；一第二電流源，其在一開路偵測測試期間自該第一通道調節器汲取一第二測試電流；及一第二比較器，其比較該測試點電壓與一開路臨限電壓，其中該第二比較器回應於該測試點電壓下降為低於該開路臨限電壓而指示該開路。
  18. 一種用於驅動來自一組一或多個LED串之一第一LED串之方法，該方法包括：藉由一照度控制器自一組有限可程式化電流位準選擇該第一LED串之一第一程式化電流位準；根據來自該組有限可程式化電流位準之該選定第一程式化電流位準而藉由一第一通道調節器調節通過該第一LED串、一第一通道切換器及該第一通道調節器之電流；根據該第一程式化電流位準而藉由該照度控制器判定用於切換該第一LED串之一第一作用時間循環；及藉由控制與該第一通道調節器及該第一LED串串聯耦合之該第一通道切換器之切換而根據該第一作用時間循環接通或切斷該第一LED串。
  19. 如請求項18之方法，其中選擇該第一LED串之該第一程式化電流 位準包括：調整至該一或多個LED串之一供應電壓，使得該一或多個LED串之一最弱串操作於一基線電流；及選擇該第一LED串之該第一程式化電流位準作為對應於一最高可程式化電流位準之一電流位準，在該電流位準，該第一LED串維持該程式化電流位準之調節。
  20. 如請求項18之方法，其中選擇該第一LED串之該第一程式化電流位準包括：組態該一或多個LED串之各者以操作於來自該組可程式化電流位準之一最大電流；調整至該一或多個LED串之供應電壓，使得該一或多個LED串之各者操作於一基線電流或高於該基線電流之電流；取樣通過該第一LED串之一所感測電流；將該所感測電流四捨五入至該組可程式化電流位準之一最接近者；及儲存該組可程式化電流位準之該最接近者。
  21. 如請求項18之方法，其中選擇該程式化電流位準包括：組態該一或多個LED串之各者以操作於來自該組可程式化電流位準之一最小電流；調整至該一或多個LED串之供應電壓，使得該一或多個LED串之各者操作於一基線電流或高於該基線電流之電流；監測指示調節該第一LED串之一調節器是否正飽和操作之一回饋信號；回應於指示該調節器正飽和操作之該回饋信號，增加該第一LED串之該程式化電流位準；及儲存該調節器飽和操作之一最高程式化電流位準。
  22. 如請求項18之方法，其中判定用於切換該第一LED串之該第一作用時間循環包括：判定該第一作用時間循環，使得通過經組態以達到與該一或多個LED串之各者之一最大亮度相關之一相同相對亮度之該一或多個LED串之各者之平均電流實質上匹配。
  23. 如請求項18之方法，其中判定用於切換該第一LED串之該第一作用時間循環包括：部分基於一照度傳遞函數判定該第一作用時間循環，使得自經組態以達到與該一或多個LED串之各者之一最大亮度相關之一相同相對亮度之該一或多個LED串之各者輸出之光通量實質上匹配。
  24. 如請求項23之方法，其中該照度傳遞函數包含用於補償該一或多個LED串之各者之間之溫度變化之一溫度補償函數。
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