TWI594656B

TWI594656B - 線性電流調整器

Info

Publication number: TWI594656B
Application number: TW101122977A
Authority: TW
Inventors: 丁明強
Original assignee: 登豐微電子股份有限公司
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2017-08-01
Also published as: TW201401918A; US20140002040A1; US9158321B2

Description

線性電流調整器

本發明是有關於一種電流調整器，且特別是有關於一種線性電流調整器。

由於節能省電的需求，LED目前以被廣泛的應用於各種領域，舉凡電子產品、家電產品、汽車、交通號誌、看板等需要點光源或面光源之場合，都已成為LED的應用市場。無論LED是經由升壓、降壓、升壓/降壓或線性穩壓器驅動，連接每一個驅動電路最常見的就是需要控制光的輸出亮度。目前，針對LED亮度的控制方法，主要為數位調光與類比調光兩種。

數位調光即讓驅動電流從零到目標電流值間來回切換，最常見的方法是利用脈衝寬度調變(PWM)來設定循環與工作週期，但是經常會伴隨著電磁相容性與電磁干擾的問題產生，造成潛在頻率的問題。

相較而言，根據LED驅動器的輸出電流變化與亮度成比例的關係，以線性調節LED的類比調光方式，比較容易實行。因此，尋找一個高線性度的電流調整器以穩定控制LED的亮度，已為本技術領域一個重要的課題。

有鑒於此，本發明提供一種線性電流調整器，透過調整參考電流源之參考電流，以設定第一放大器之其中一輸入端之電壓值，並藉由電流轉換單元，將該電壓值轉成調整電流輸出，以實現電流調整的功能，並應用此電流調整的功能於LED亮度的控制。

此外，本發明可藉由具有可變電阻的調整單元去調整參考電流源的電流值，且當電流調整器的參數為設定值時，可變電阻的電阻值與上述電壓值即呈線性關係，並可直接調整其電阻值來線性設定調整電流，此調整電流除了可應用於LED亮度外，亦可應用於充電器中的充電電流，透過調整可變電阻的電阻值來對充電電流微調，而省去更換充電器硬體的不便與耗時。

依據本發明一實施例之線性電流調整器，包含一第一放大器、一電流轉換單元、一第一電阻、一參考電流源、一調整單元以及一參考電壓電路；上述第一放大器具有反向輸入端、非反向輸入端以及輸出端。電流轉換單元，將第一放大器之非反向輸入端之電壓值，轉換成調整電流輸出；第一電阻，耦接第一放大器之該反向輸入端與輸出端；參考電流源，耦接第一放大器之反向輸入端與一電阻；調整單元，耦接參考電流源，並輸出一電流信號用以調整參考電流源之一參考電流；以及一參考電壓電路，具有二輸入端，其中一該輸入端係輸入一參考電壓，另一該輸入端，耦接至第一放大器之輸出端。

上述之參考電壓電路係一誤差放大器或一比較器，且該參考電壓電路更包括一輸出端，該輸出端輸出一電壓信號至一功率級電路。

依據本發明另一實施例，上述之參考電流源係根據參考電壓產生參考電流。

依據本發明另一實施例，上述之調整單元具有一可變電阻，用以調整參考電流。

依據本發明另一實施例，上述之調整單元更包含一第二放大器、一固定電流源、一第一開關元件以及一第一電流鏡。且第二放大器，具有反向輸入端、非反向輸入端與輸出端；固定電流源，耦接可變電阻與第二放大器之該非反向輸入端，並輸出一固定電流；第一開關元件，具有第一端、第二端與第三端，第一開關元件之第二端耦接第二放大器之輸出端，第三端耦接第二放大器之反向輸入端與一第二電阻；以及第一電流鏡，耦接第一開關元件之第一端，並輸出該電流信號，其中，該電流信號係正比於該固定電流。

依據本發明另一實施例，上述之電流調整器，其中，之固定電流源位於積體電路(IC)之內部，且該可變電阻係位於積體電路之外部。

依據本發明另一實施例，上述之參考電流源包含一第三放大器、一第二開關元件以及一第二電流鏡。第三放大器，具有反向輸入端、非反向輸入端與輸出端，其中第三放大器之反向輸入端係輸入參考電壓；第二開關元件，具有第一端、第二端與第三端，第二開關元件之第二端耦接第三放大器之輸出端，第一端耦接第三放大器之非反向輸入端與一第三電阻；以及第二電流鏡，耦接第二開關元件之第三端，並輸出參考電流，其中，參考電流正比於參考電壓。

依據本發明另一實施例，上述之電流調整器，其中之第二電阻等於第三電阻。

依據本發明另一實施例，上述之第一放大器之非反向輸入端之電壓值正比於可變電阻之電阻值。

依據本發明另一實施例，上述之該第一放大器之非反向輸入端之電壓值等於可變電阻之電阻值與固定電流之電流值的乘積。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優點：1.本發明之線性電流調整器，可適用於需要電流調整應用的電子商品上，例如：LED與充電器；2.藉由調整參考電流源，以實現電流調整的功能；以及3.藉由調整可變電阻，以直接線性調整電流，並可省去更換充電器硬體的不便與耗時。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。

第1圖是依照本發明之線性電流調整器之一實施例的電路示意圖。此線性電流調整器，包含一第一放大器110、一電流轉換單元120、一第一電阻R1、一參考電流源130、一調整單元140以及一參考電壓電路150。

上述第一放大器110具有一反向輸入端、一非反向輸入端與一輸出端。電流轉換單元120，將第一放大器110之非反向輸入端之電壓值V1，轉換成一調整電流Ia輸出。第一電阻R1耦接至第一放大器110之反向輸入端與輸出端。參考電流源130，耦接至第一放大器110之反向輸入端與第一電阻R1。調整單元140，耦接至參考電流源130，並輸出一電流信號Im用以調整參考電流源130之一參考電流Iref。

參考電壓電路150，具有二輸入端，其中一該輸入端係輸入一參考電壓Vref，另一輸入端，耦接至第一放大器110之輸出端。本實施例中，參考電壓電路150以誤差放大器為例，但本發明不以此為限，參考電壓電路亦可選用比較器或相似之電路。參考電路150係用以將其一端(耦接至第一放大器110之該端)之電位，等效於參考電路150之另一端的電位，即參考電壓Vref之電位，並由參考電路150 之輸出端輸出一電壓信號至一功率級電路(未圖示)。

根據上述的電流調整器，可獲得第一放大器110之非反向輸入端之電壓值V1，如下列算式(1)計算：V1=(Im-Iref)*R1+Vref...(1)

其中，V1係指第一放大器110之非反向輸入端之電壓值，Im係指電流信號，Iref係指電流源130之參考電流，R1係指第一電阻，Vref係指參考電壓。經由算式(1)可得，電壓值V1隨著電流信號Im呈線性變化，電流信號Im係用來調整參考電流源130的參考電流Iref，經由調整參考電流Iref，以設定第一放大器110之非反向輸入端之電壓值V1，再將電壓值V1經由電流轉換單元120，將電壓值V1轉成調整電流Ia輸出，此調整電流Ia係可用來調整電子元件的輸出電流Io，以LED與充電器為例，即可用來調整流經LED的電流，進而控制LED的亮度，亦可利用此調整電流對充電器的電流進行微調，以控制充電器的充電時間。其中，上述電流轉換單元120係利用一電阻電路來實現。

第2圖是依照本發明之線性電流調整器之調整單元140之一實施例的電路示意圖。如第2圖所示，調整單元140包含一第二放大器141、一固定電流源142、一可變電阻Rj、一第一開關元件M1、一第一電流鏡143。

上述第二放大器141，具有一反向輸入端、一非反向輸入端與一輸出端。固定電流源142，耦接第二放大器141之非反向輸入端，並輸出一固定電流Id。可變電阻Rj，耦接該固定電流源142。第一開關元件M1，具有一第一端、一第二端與一第三端，第一開關元件M1之第二端耦接第二放大器141之該輸出端，第三端耦接第二放大器141之反向輸入端與一第二電阻R2。第一電流鏡143，具有電流放大係數α並耦接第一開關元件M1之該第一端，且輸出電流信號Im。

根據上述之調整單元140，可獲得電流信號Im，如下列算式(2)計算：Im=α *Id*Rj/R2...(2)

其中，Im係指第一電流鏡143的輸出電流信號，α係指第一電流鏡143的電流放大係數，Id係指固定電流源142的輸出固定電流，Rj係指可變電阻，R2係指第二電阻。經由列算式(2)可得，電流信號Im正比於固定電流源142的輸出固定電流Id，且經由改變可變電阻Rj的電阻值，即可改變輸出電流信號Im，進而調整參考電流源130之參考電流Iref(請參照第1圖)。

上述固定電流源142係可為積體電路(IC)內部之固定電流源，且可變電阻Rj係位於積體電路外部，藉由外部調整可變電阻Rj的電阻值，即可控制積體電路內部的電流值，如此，可省去更換硬體的不便與耗時。

第3圖是依照本發明之線性高線性度電流調整器之參考電流源130之一實施例的電路示意圖。如第3圖所示，參考電流源包含一第三放大器131、一第二開關元件M2、以及一第二電流鏡132以及一第三電流鏡133。上述第三放大器131，具有一反向輸入端、一非反向輸入端與一輸出端，其中第三放大器131之非反向輸入端係輸入參考電壓Vref。第二開關元件M2，具有一第一端、一第二端與一第三端，第二開關元件M2之第二端耦接第三放大器131之輸出端，第一端耦接第三電流鏡133之一端，第三端耦接第三放大器131之反向輸入端與一第三電阻R3。第二電流鏡132，具有電流放大係數β並耦接第三電流鏡133之另一端第二開關元件M2之第三端，且輸出參考電流Iref。

根據上述之參考電流源130，可獲得參考電流Iref，如下列算式(3)計算：Iref=β *Vref/R3...(3)

其中，Iref係指參考電流源130輸出之參考電流Iref，β係指第二電流鏡132之電流放大係數β，Vref係指參考電壓，R3係指第三電阻。由算式(3)可得知，參考電流源130係根據參考電壓Vref產生參考電流Iref，當所需要的的參考電流Iref越大，係可選擇越大的參考電壓Vref，即參考電流Iref正比於參考電壓Vref。

根據算式(1)~算式(3)，當R2=R3且α=β時，可獲得下列算式(4)：V1=(IdRj-Vref)R1 α/R2+Vref...(4)

當R1* α=R2或R1=R2且，α=1時，可獲得下列算式(5)：V1=IdRj...(5)

其中，V1係指第一放大器110之非反向輸入端之電壓值，Id係指固定電流源142的輸出固定電流，Rj係指可變電阻，Vref係指參考電壓，β係指第二電流鏡132之電流放大係數β，α係指第一電流鏡143的電流放大係數，R1係指第一電阻，R2係指第二電阻，R3係指第三電阻。

根據算式(5)，可得知第一放大器110之非反向輸入端之電壓值V1係正比於可變電阻Rj，如第4圖所示，第4圖是依照本發明之線性電流調整器之一實施例的高線性度電壓調整示意圖。藉由調整可變電阻Rj的電阻值，係可獲得高線性度的非反向輸入端之電壓值V1，再將非反向輸入端之電壓值V1經由電流轉換單元120，轉成調整電流Ia輸出，即可獲得具有高線性度之調整電流Ia，此調整電流Ia係可用來控制LED的亮度或對充電器的電流進行調整。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧第一放大器

120‧‧‧電流轉換單元

R1‧‧‧第一電阻

130‧‧‧參考電流源

140‧‧‧調整單元

150‧‧‧參考電壓電路

Io‧‧‧輸出電流

V1‧‧‧第一放大器之非反向輸入端之電壓值

Ia‧‧‧調整電流

Im‧‧‧電流信號

Iref‧‧‧參考電流

Vref‧‧‧參考電壓

Id‧‧‧固定電流

VDD‧‧‧工作電壓

141‧‧‧第二放大器

142‧‧‧固定電流源

Rj‧‧‧可變電阻

R2‧‧‧第二電阻

M1‧‧‧第一開關元件

143‧‧‧第一電流鏡

131‧‧‧第三放大器

M2‧‧‧第二開關元件

132‧‧‧第二電流鏡

133‧‧‧第三電流鏡

β‧‧‧電流放大係數

R3‧‧‧第三電阻

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本發明之線性電流調整器之一實施例的電路示意圖；第2圖是依照本發明之線性電流調整器之調整單元140之一實施例的電路示意圖；第3圖是依照本發明之線性電流調整器之參考電流源130之一實施例的電路示意圖；第4圖是依照本發明之線性電流調整器之一實施例的高線性度電壓調整示意圖。