TWI695651B - 使用充電恢復的高功率效率驅動電路及其方法 - Google Patents

使用充電恢復的高功率效率驅動電路及其方法 Download PDF

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Abstract

本發明描述了一種用以驅動一負載的一驅動器電路(300)。該驅動器電路(300)包括一電源供應，其被設置為以一供應電壓(311)提供電力。此外，該驅動器電路(300)包含一脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制開關(303)，其被設置為以一交替方式啟用與禁用一通過該負載的負載電流。另外，驅動器電路(300)包括一儲存單元(302)，其被設置為使用該通過負載的負載電流充電。該負載、PWM控制開關(303)和儲存單元(302)形成一串聯配置，其與該供應電壓(311)並聯配置。此外，該驅動器電路(300)包含一感測單元(305)，其被設置為提供一指示通過該負載的一累積負載電流之充電指示。該驅動電路更包含一再循環開關(306)，其被配置為以一交替的方式將該儲存單元(302)耦合至該電源供應或從該電源供應去耦合，以便至少部分地讓該儲存單元(302)對該電源供應放電。此外，該驅動器電路(300)包含一控制單元(310)，其被設置為在一週期序列內重複地根據該充電指示並根據在一個週期內通過該負載的該累積負載電流之一目標電荷值，控制該PWM控制開關(303)與該再循環開關(306)。

Description

使用充電恢復的高功率效率驅動電路及其方法
本發明係關於一種用於一負載的驅動電路，特別是用於LED串的驅動電路。
在過去幾年中，LCD(液晶顯示器)的解析度和智慧型手機、電腦顯示器、電視機、汽車儀表板，以及訊息娛樂系統等應用的面板尺寸隨著對亮度提升和照明面積提升的背光解決方案的需求而增加。結果，儘管LED(作為背光的主要光源)已改善了它們的發光效率，但是背光所需的功率仍在上升。由於LED亮度與電流成比例，因此通常會利用串聯連接多個LED，也就是以使用LED串來達到面板上的均勻亮度。由於這種LED串所用的供應電壓可能會高於應用的供應電壓，因此可能會使用升壓轉換器將應用的基礎電壓轉換為LED串的供應電壓。
一個控制LED串亮度的可能方法是採用工作週期控制開關(duty cycle controlled switch)的脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)，如圖1所示。圖1所示為包含n個LED串(n>1，例如n=10、50、100或更多)的照明電路100。每個LED串可用於顯示面板的不同區段或子區域以提供背光。基礎或輸入電壓Vin被轉換為供應電壓Vbst，用以供應LED串。輸入電壓可以在3V(例如智慧型手機的情況下)、12V或24V (例如在汽車或電視面板的情況下)的範圍內，而LED串供應電壓可為30V、60V或更高。使用PWM控制開關S31至S3n分別控制通過不同LED串的負載電流，其中PWM控制開關與對應的LED係以串聯配置。
PWM控制開關可以週期性地以100Hz、200Hz、500Hz，或更高的更新頻率或循環率導通與關閉。因此，PWM控制開關的更新週期可具有1ms、0.5ms、0.2ms或更短的持續時間或週期長度。LED串的亮度可藉由控制對應的PWM控制開關的工作週期來控制，也就是藉由控制每個週期內導通的時間百分比來控制PWM控制開關。藉由針對不同的週期調整工作週期，可以針對不同的週期修改LED串的亮度。
通過LED串的負載電流與升壓轉換器所提供的供應電壓Vbst相關。LED通常在其臨限值或壓差電壓方面會有製造公差。藉由LED分類，可以將製造公差考慮在內，以提供具有類似累積臨限值或壓差電壓的LED串。然而，不同的LED串通常仍然有不同的累積壓差，當與相同的供應電壓Vbst並聯配置時，會導致不同LED串有不同亮度，這是因為不同的LED串會有不同位準的負載電流的關係。另一方面，藉由調整PWM控制開關的PWM工作週期，可以匹配並聯LED串的亮度，以使不同的LED串與每個LED串所汲取的負載電流成反比。
如果使用PWM控制開關來補償不同LED串上的不同壓差電壓以及/或者用於補償通過不同LED串的不同負載電流，以便達到不同的LED串具有均勻的亮度，如此一來會降低顯示面板的動態範圍。PWM控制開關的工作週期可以在0%和X%之間調整(例如X=50、60，或更高，最高100)，以Q位元(例如Q=8或更高)的解析率為例。不同LED串的不同壓差電壓的補償可能需要一定的PMW範圍(例如，最大PWM調節範 圍的15-25%)，藉此將面板的最大均勻亮度降低相同的量以及/或者藉此降低用於顯示面板的動態範圍控制的剩餘解析率(小於Q位元)。
本說明書解決了用於負載，特別是指LED串的驅動器電路的技術問題，其具有低消耗功率並且允許調整提供給具有高解析度的負載的電力，特別是可提供給具有高動態範圍的顯示面板。
因此，根據本發明的一個型態，本說明書係描述一種用以驅動一負載，特別是一LED串的驅動器電路，該驅動器電路包含一電源供應，其被設置為以一供應電壓提供電力。此外，該驅動器電路包含一PWM控制開關，其被設置為以一交替方式啟用與禁用一通過該負載之負載電流。另外，該驅動器電路包含一儲存單元，其被設置為使用該通過該負載的負載電流充電，其中該負載、該PWM控制開關與該儲存單元形成一串聯配置，其與該供應電壓並聯配置。該驅動器電路更包含一感測單元，其被設置為提供一指示通過該負載的一累積負載電流的充電指示。另外，該驅動器電路包含一再循環開關，其被配置為以一交替的方式將該儲存單元耦合至該電源供應或從該電源供應去耦合，以便至少部分地讓該儲存單元對該電源供應放電。此外，該驅動器電路包含一控制單元，其被設置為在一週期序列內重複地根據該充電指示並根據在一個週期內通過該負載的該累積負載電流之一目標電荷值，控制該PWM控制開關與該再循環開關。
根據另一形態，本說明書描述了一種應用電路，特別是照明電路，其中，該應用電路包括至少一個負載，特別是至少一個LED串。此外，應用電路包含驅動器電路，其在本說明書中係用以驅動負載。
根據另一形態，本說明書描述了一種顯示面板，特別是LCD面板，其包含在本說明書中所描述的用以產生背光的照明電路。
根據另一形態，本說明書描述了一種用以驅動一負載的方法，其中該方法包含：使用一電源供應，施加一供應電壓至該負載、一PWM控制開關、以及一儲存單元的一串聯配置，其中該PWM控制開關被設置為以一交替方式啟用和禁用通過該負載的一負載電流。此外，該儲存單元被配置為被通過該負載的該負載電流充電。
該方法更包含，提供一指示通過該負載的一累積負載電流之充電指示。此外，使用一再循環開關至少部分地讓該儲存單元對該電源供應放電。此外，根據在一週期內通過該負載的該累積負載電流的該充電指示與該目標充電值，在一週期的序列內重複地控制該PWM控制開關與該再循環開關。
根據另一形態，本說明書描述了一種軟體程式。該軟體程式適於在處理器上執行，並且當在處理器上執行時，用於執行本說明書中概述的方法步驟。
根據另一形態，本說明書描述了一種儲存媒體。該儲存媒體可包含軟體程式，其係適於在處理器上執行，並且當在處理器上執行時，用於執行本說明書中概述的方法步驟。
根據另一形態，本說明書描述了一種電腦程式產品。該電腦程式產品可包含可執行指令，當在電腦上執行時，用於執行本說明書中概述的方法步驟。
應可注意的是，在本說明書中概述的包括較佳實施例的方法和系統可以單獨使用或與本說明書中公開的其他方法和系統組合使用。此外，在系統內容中概述的特徵也適用於對應的方法。此外，本說明書中概 述的方法和系統的所有方面都可以任意組合。特別地，申請專利範圍的特徵可以用任意方式彼此組合。
在本說明書中，術語「耦合(couple)」或「耦接(coupled)」是指彼此電氣連通，無論是直接連接，例如通過導線，還是以某種其他方式連接。
100:照明電路
300:驅動器電路
301:升壓轉換器
302:儲存單元C1至Cn/m
303:PWM控制開關S31至S3n
304:LED串
305:感測單元
306:再循環開關S41至S4n
307:隔離開關S40
308:儲存元件
310:控制單元
311:供應電壓
312:儲存電壓Vx
314:負載電壓
401:再循環電力轉換器
501:多工開關S51至S5m
Boost:升壓電路
Boost2:升壓電路2
Cbst:電容
Cin:輸入電容
IDAC:電流數位類比轉換器
Iin:輸入電流
PWM:脈衝寬度調變
RS1至RSn:串聯感測電阻器
S1:開關
S31至S3n:PWM控制開關
S5:開關
S6:開關
Vbst:供應電壓
Vin:輸入電壓
以下將配合所附圖表舉例說明本發明，其中：圖1所示為包含串控制開關的示範照明電路；圖2a至圖2d所示為包含調節電流源的示範照明電路；圖3a至圖3c所示為包含儲存單元的示範照明電路和示範驅動器電路；圖4a與圖4b所示為包含再循環轉換器的示範照明電路和示範驅動器電路；圖5所示為包含LED串矩陣的示範照明電路；圖6所示為在一週期內的負載電流和儲存電壓的範例，以及圖7所示為用於驅動負載，特別是LED串的示範方法的流程圖。
如上所述，本說明書解決了提供允許高動態範圍的節能照明電路的技術問題。如引言中所述，PWM控制開關可用於提供不同LED串亮度的PWM控制。藉由單獨調整每個LED串的PWM週期，可以單獨調整每個LED串的亮度。然而，為了補償通過不同LED串的負載電流的變化並且為了補償由此產生的不同LED串的固有亮度變化，可能會失去用於控制PWM控制開關的至少一些可用範圍以及/或者解析度，因而降低了顯示面板亮度的動態範圍。
另一種單獨控制LED串的亮度的可能方法是插入與每個LED串相串聯的調節電流源(IDAC，電流數位類比轉換器)。IDAC的使用方式如圖2a至圖2d所示。每個IDAC調節IDAC兩端的壓降，以便將通過對應LED串的負載電流設為個別的目標電流。為此目的，可以提供電流感測單元，舉例來說，電流感測單元包括每個LED串中的串聯感測電阻器RS1至RSn。替代地，可以使用在IDAC內部或在PWM控制開關S31，S32，...，S3n(如果有使用的話)內部所實施的電流鏡技術來感測通過LED串的負載電流。
藉由最小化IDAC(及其感測電阻器)兩端的壓降可以將照明電路100的消耗功率最小化。這是藉由控制升壓轉換器的供應電壓Vbst而達成的，使得IDAC在驅動具有最高壓差(dropout voltage)或臨限值電壓的LED串時，可以用能夠讓IDAC進行電流調節的最小電壓操作。因此，剩餘的LED串的IDAC可具有更高的電壓降。
如圖2b所示，其中顯示具有29.5V的壓差電壓的LED串和另一個具有30V的壓差電壓的LED串。PWM控制開關S32與S3n兩端的電壓降為0.1V。調節IDAC以便將通過LED串的負載電流設置為100mA，藉 此使得IDAC上的壓降分別為0.2V和0.7V。因此，使用IDACS會導致照明電路100的消耗功率增加。另一方面，IDAC允許針對不同的LED串設置個別的目標電流，藉此允許PWM控制開關在全PWM範圍內針對不同LED串個別地設置亮度(例如，由一Q位元數值表示)，也就是說，藉此會增加照明電路100的動態範圍。
如果不將不同LED串的IDAC調節到共同的目標電流，而是藉由使用個別調整的PWM工作週期來補償不同LED串的串聯LED壓差的變化，則可以降低用於LED串或照明電路100的驅動器電路的消耗功率。但是，這樣會降低PWM控制的可用動態範圍。
當根據面板的所需亮度調整升壓轉換器的供應電壓Vbst時，可以達成增強的(動態)對比度。從面板亮度設定中可以獲得面板所需的亮度。藉由調整升壓轉換器的供應電壓Vbst，可以調整通過所有LED串的負載電流。如圖2c所示，可以降低負載電壓Vbst以將目標電流從100mA降至50mA，藉此對應地降低LED串的整體亮度。因此，升壓轉換器可用來增加照明電路100的動態範圍。此外，降低總目標電流可用來降低IDAC電壓的失配。
圖2d所示的情況是第n個LED串的亮度可藉由將IDAC調節到較低(50mA)的負載電流而降低。然而，對應的IDAC上的壓降會顯著增加(至3.35V)。這會導致顯著的消耗功率和某些應用的過熱風險。在第n個LED串內的單一LED短路的情況下，IDAC會暴露於類似範圍的電壓，而通過第n個LED串的負載電流會被調節至與並聯LED串相同的值。
為了提供具有高動態範圍(HDR)的LCD面板，LCD面板可以細分為不同的子區域，其中每個子區域使用對應的LED串照明。可以使用不同子區域內的局部LED調光來增加動態範圍，藉此達到非常明亮和深黑 的視覺內容。為了提供局部LED調光，每個LED串可以單獨改變負載電流(的位準)以及/或者PWM工作週期，以個別地擴展LCD像素所提供的對比。PWM控制開關的工作週期可以在Q位元的解析度(例如Q=8或更高)，於0%與X%之間調整(例如，X=10、50或更多，最多100)。LED串亮度的個別調節通常需要R個最高有效位元(MSB)的解析度(例如，R=4個MSB或更多)，藉此將用於顯示面板的動態範圍控制的剩餘解析度降低至Q-R個位元。藉由改變不同IDAC使用的目標電流，可達到負載電流的個別調整。然而，以共同的供應電壓而在不同的目標電流下驅動不同的LED串，會導致IDAC上的較大電壓差，並且會導致消耗功率增加。
LED串的亮度通常與在更新週期內穿過LED串的總電荷成比例。通過LED串的總電荷(也就是通過LED串的累積負載電流)可以使用PWM週期(也就是使用PWM控制開關)以及/或者使用負載電流的位準來控制(可以使用例如IDAC設置)。為了提供具有高動態範圍的LCD面板，通過LED串的總電荷應該在很廣範圍的不同目標充電值上進行調節。此外，應針對照明電路100的不同LED串個別設置總電荷。考慮到有限的空間，應以通用電源供應(例如，使用通用的DC/DC電源轉換器)供應多個LED串。此外，應該降低照明電路100的消耗功率。
圖3a所示為照明電路100的驅動器電路300。照明電路100可以包括驅動器電路300與LED串304的組合。驅動器電路300包括儲存單元302(標號分別為C1、C2、....Cn)，用於儲存通過n個並聯的LED串的電荷。儲存單元302的每一個可包含一或多個電容器。儲存單元302中儲存的電荷可以經由再循環開關306(用於n個不同的儲存單元302，分別標號為S41、S42、...、S4n)進行再循環或恢復。因此，可以降低驅動器電路300的消耗功率。同時，PWM控制開關303(用於n個LED串304，分 別標號為S31、S32、...、S3n)可以在全解析度下使用，以適配對應LED串304的亮度，藉此提供高動態範圍。
LED串304x的亮度由在PWM工作週期△tx提供的負載電流Ix控制，其中工作週期由串聯PWM控制開關303 S3x(x為1、......、n)。對應的儲存單元302(具有電容Cx)經由LED串304x充電，具有增加的電荷△Q=Ix x △tx。該電荷改變儲存單元302 Cx上的儲存電壓312 Vx，產生通過LED串304 x的調變負載電流。圖6所示為具有週期持續時間T的週期內通過LED串304x的負載電流Ix。負載電流的位準從初始值下降，而跨越儲存單元302 Cx上的儲存電壓312 Vx增加。在PWM控制開關303 S3x的導通時段結束時，也就是在週期的持續時間T的△tx之後，負載電流被中斷，藉此中斷儲存電壓312 Vx的增加。
為了避免儲存單元302上的儲存電壓312 Vx不斷增加(在後續的更新週期中)，可以使用額外的再循環開關306 S4x的放電週期。在所示的範例中，再循環開關306 S4x用以將電流提供至升壓轉換器的電感器中。再循環開關306 S4x可以在一更新週期內關閉(舉例來說，如圖6所示的時間區間△tr)，藉此讓儲存單元302 Cx放電，並降低儲存電壓312 Vx。
儲存單元302 Cx上的儲存電壓312 Vx的變化可以做為LED串304 x的亮度的指示，也就是△Vx=△Q/Cx(其中Cx是儲存單元的電容)。因此，可以感測儲存電壓312的電壓來控制亮度。然而，當使用相對大的電容值以及/或者當使用重疊的PWM工作週期和放電週期時(舉例來說，用於增加LED串304x的亮度)，監測儲存電壓312 Vx可能不夠精確。在這種情況下，可使用庫侖計數器來監測已經流過LED串304x的電荷△Q。庫侖計數器可以使用相對較小的鏡像電容器來實現，該鏡像電容器由PWM控制開關303 S3x內部的電流鏡提供的電流充電。
用於將儲存單元302放電的工作週期可被調節，使得儲存單元302上的儲存電壓312 Vx允許某一目標電流流入對應的LED串304x。特別地，儲存單元302上的儲存電壓312 Vx可以被個別設置以補償不同LED串304的壓差電壓的變化。儲存電壓312可以根據目標電壓Vax而被調節。由於所產生的LED串亮度係由總電荷△Q(藉由調整PWM工作週期來達成)調節，儲存電壓Vx的調節通常不需要非常準確。儲存電壓Vx的調節主要可根據對應LED串304的最大額定電流以及/或者對應的PWM工作週期的目標操作點來進行。
照明電路100可以包括隔離開關307 S40，以便能夠經由再循環開關306 S41至S4n將電流饋入升壓轉換器301的電感器。隔離開關307 S40可以在再循環開關306 S41、...、S4n的其中一個(特別是恰好其中一個)關閉時開啟。因此，隔離開關307 S40的操作可以與再循環開關306 S41、...、S4n的操作同步。如果僅在升壓轉換器301的電感器電流為零時(在不連續切換期間)開啟隔離開關307S40，則可能不需要同步。
背對背(back-to-back)再循環開關306 S41至S4n可以藉由反串聯式FET配置來達成。在非重疊時間期間，再循環開關306的其中一個可利用被啟動的內接二極管導通來提供電感器電流。
如圖3a所示，再循環開關306 S41至S4n可以是背對背開關，其可以獨立於施加至它們的電壓的極性而被開啟(和阻斷)。如此一來，可以考慮這樣的情況：第一儲存單元302上的儲存電壓312可以比另一儲存單元302上的儲存電壓312更高以及/或者更低(兩者)。在這種情況下，如果再循環開關306無法獨立於再循環開關306兩端的電壓極性而開啟，一個LED串304的再循環開關306可藉由CMOS再循環開關306的內 接二極管對另一個LED串304的儲存單元302充電或放電(視該內接二極體的方向而定)。隔離開關307 S40通常不會採用背對背配置(只要Vin高於儲存單元302上的任何一個儲存電壓312)。
如上所述，LCD背光的總電流可能需要升壓轉換器301以連續導通模式操作。為了避免儲存單元302經由再循環開關306 S41、...、S4n發生上述的短路，控制單元310可被設置為在開啟一第一再循環開關S4x與關閉一第二再循環開關S4x+1之間引進一遮沒時間(blanking-time)。然而，升壓轉換器301的電感器可能會強制流通一連續電流，並且因此在遮沒時間於其輸入處產生相當大的負電壓，在此期間所有再循環開關S41，...，S4n都被開啟。這可能會損害到驅動器電路300。為了克服該問題，在一遮沒時間期間(特別是在每個遮沒時間)，可選擇在對應的儲存單元302上具有最低的儲存電壓312的LED串304的再循環開關306 S4m。所選擇的再循環開關306可以在遮沒時間期間(在實際再循環開關S4x開啟之前)關閉其一個子開關(例如其左開關)，使得所選擇的再循環開關306的另一子開關的內接二極體(例如其右開關)在遮沒時間期間提供電感器電流，直到後續開關S4x+1關閉為止。
如上所述，LED壓差的自然變化導致IDAC(和感測電阻)兩端的(增加的)電壓的消耗功率。藉由使用如圖3a所示的儲存單元302，可以將個別的電壓施加到LED串304的底部接點(以便補償壓差電壓變化)，而不增加任何實質的消耗功率。圖3b中所示為不同的儲存單元302上的不同的儲存電壓312 Vx。圖3c所示為藉由IDAC的調節降低負載電流(50mA)以降低第n個LED串的亮度的情況。可以看出，LED串304n的壓差或負載電壓314降低可以藉由LED串304n的儲存單元302上的儲存電壓 312 Vx的增加而被可靠且有效地補償。相同的優點適用於當LED串304n中的一個LED短路時，被調節到與流過並聯LED串相同的串電流時的情況。
圖4a所示為照明電路100與驅動器電路300，其利用再循環電力轉換器401(Boost2，升壓電路2)來對儲存單元302進行放電。在這種情況下，儲存單元302可以對儲存元件308(例如輸入電容Cin)放電。如此一來，可以藉由消除因隔離開關307S40所引起的功率損耗來進一步提升照明電路100與驅動器電路300的功率效率。此外，也可增加從儲存單元302回收電荷的彈性。
圖4a所示提供用於LED串304的供應電壓311 Vbst的升壓轉換器301僅為一個可用的轉換器架構的範例。圖4b所示為示範的照明電路100與示範的驅動器電路300，其提供一具有電壓位準的電源軌，以直接供應LED串304的應用。在這種情況下，就不需要供應電壓311，可藉此降低消耗功率，以及材料清單(BOM)的成本與面積。
如上所述，當使用IDAC來補償壓差電壓變化時，LED串304的供應電壓311 Vbst應該被緊密地調節在IDAC兩端的最小電壓，以便將消耗功率最小化。對於使用儲存單元302的照明電路100與驅動器電路300來說，可以使用固定的供應電壓311 Vbst。然後可以藉由平行地增加所有儲存單元302 C1至Cn上的平均或目標電壓Vax以實施全面調光。
對於相對較高數量的n個調光區域來說，LED驅動器電路300可採用矩陣的方式。圖5所示為使用矩陣方式的照明電路100與驅動器電路300。每一個儲存單元302 C1、...、Cn/m可以從多個(特別是m個)LED串304充電，LED串304經由LED串304頂部的多工陣列(使用多工開關501 S51至S5m)連接到通用供應電壓。多工開關501 S51至S5m可以用一互斥的方式關閉以啟動一組q=n/m個LED串304，其中q=n/m個LED 串304對q=n/m個儲存單元302C1、...、Cn/m充電。使用q個LED串組304的互斥操作一般是有優點的，從使用庫侖計數(簡單以及/或者精確)來計算每個LED串的電荷就可看出。藉由使用矩陣方式，可以減少儲存單元302的數量，藉此降低了照明電路100與驅動器電路300的成本和尺寸。
應該注意的是，LED背光是本說明書中描述的驅動器電路300的一種可能應用。使用以循環方式充電和放電的儲存單元302來調節儲存單元302上的儲存電壓至各個目標電壓Vax的原理也可以用在其他環境中。此外，應該注意的是，要達到儲存單元302 C1至Cn的受控「無損」放電，可以使用其他類型的DC/DC轉換器(如降壓轉換器、逆變器、使用電容器C1至Cn的電荷泵或類似的混合架構)來實施。
因此，本說明書描述了用於驅動負載，尤其是LED串304的驅動器電路300。特別地，驅動器電路300可以被設置為驅動複數個負載(特別是複數個LED串304)，這些負載串彼此並聯配置並且具有不同的壓差或臨限值電壓。換句話說，不同的負載可以在通過負載的負載電流和負載兩端的負載電壓314之間表現出不同的功能關係。特別地，不同的功能關係可以相對於彼此而偏移。
驅動器電路300包含電源供應，其被設置為以供應電壓311提供電力。電源供應可包括電源軌，其被設置為(直接)以供應電壓311提供電力。替代地或額外地，電源供應可以包括電源轉換器，其被設置為將電源轉換器的輸入埠提供的電力轉換為供應電壓311的DC電源(實質上為恆定的直流電)。
此外，驅動器電路300包含PWM控制開關303，其被設置為以一交替方式啟用和禁用通過負載的負載電流。特別地，可以開啟PWM控制開關303以中斷負載電流。此外，PWM控制開關303可被關閉，以使 負載電流通過負載。PWM控制開關303可以在一週期的序列(在此也稱為更新週期)內重複啟用和禁用負載電流。典型的週期頻率可以是100Hz、200Hz、400Hz或更高。
負載可以是或可能包含LED串304，並且可以在周期的序列中的每個週期內設定以及/或者調整LED串304的亮度。因此，PWM控制開關303的工作週期可用來在每個週期內設定以及/或者調整通過LED串304的累積負載電流。
此外，驅動器電路300包括儲存單元302，其被設置為使用通過負載的負載電流充電。換句話說，流過負載的負載電流可以儲存為儲存單元302中的累積電荷。儲存單元302可以包含或可以是一個或多個電容器。
負載、PWM控制開關303和儲存單元302形成一串聯配置，其中該串聯配置可以與供應電壓311並聯配置。換句話說，PWM控制開關303和儲存單元302可以串聯配置，以形成部分串聯配置。該部分串聯配置可以被配置為在加上負載後，形成與供應電壓311並聯的串聯配置。因此，串聯配置上的總壓降可以等於供應電壓311。藉由形成包含負載的串聯配置，通過負載的負載電流可被有效地儲存在儲存單元302內。
此外，驅動器電路300包含感測單元305，其被設置為提供充電指示，其指示通過負載的累積負載電流。換句話說，感測單元305可以被設置為監測在一週期序列的每個週期內流過負載的累積負載電流。
儲存單元302上的儲存電壓312會隨著儲存在儲存單元302中的電荷增加而增加，反之亦然。特別地，在儲存單元302內的儲存電壓312和累積電荷之間可存在(已知的)函數關係。該函數關係可以是線性的(例如對於電容器的情況)。在這種情況下，儲存電壓312可以作為充電指示。 特別地，感測單元305可包含用於感測儲存電壓312以決定充電指示的裝置。
替代地或額外地，感測單元305可以包含一庫侖計數器。特別地，感測單元305可以包含一電流鏡，其被設置為反映通過負載的負載電流以及/或者通過PWM控制開關303的負載電流，以提供負載電流的鏡像電流。此外，感測單元305可包含鏡像電容器，其被配置為使用鏡像電流進行充電。另外，感測單元305可包含電壓感測器，其被設置為感測鏡像電容器兩端的電壓以決定充電指示。即使儲存單元302的充電和放電重疊，此種感測單元305也可用於提供累積負載電流的精確指示。
此外，驅動器電路300包含再循環開關306，其被設置為以交替方式將儲存單元302耦合至電源供應或從電源供應去耦合，以便至少部分地讓儲存單元302對電源供應放電。特別地，再循環開關306可被關閉以將儲存單元302與電源供應耦合，藉此讓電流從儲存單元302流向電源供應以對儲存單元302進行放電。再循環開關306可以被設置為阻擋電流同時在兩個方向上流動。
流到電源供應的電流可以由電源供應重新使用以驅動負載。因此，可以提供高功率效率的驅動器電路300。特別地，可以降低驅動器電路300的消耗功率。
驅動器電路300更包含一控制單元310，其被設置為在一週期序列內重複地根據充電指示並根據在一個週期內通過負載的累積負載電流之一目標電荷值，控制PWM控制開關303與再循環開關306。特別地，可以控制PWM控制開關303和再循環開關306，使得在一週期內通過負載的累積負載電流對應於目標充電值。
對於每一個週期，可以定義(可能不同的)目標充電值。目標充電值可以指示LED串的目標亮度。用於特定週期的PWM控制開關303的工作週期可適於修改負載電流流過負載的時間間隔。用於特定週期的再循環開關306的工作週期可適於修改負載上的(平均)負載電壓314，藉此影響通過負載的負載電流的位準。
在特定週期內的累積負載電流通常對應負載電流隨時間的積分。因此，累積的負載電流可藉由PWM控制開關303的工作週期與再循環開關306的工作週期來修改。因此，結合PWM控制開關303和再循環開關306的控制可允許累積的負載電流被以精確和高功率效率的方式設定以及/或者調整。
控制單元310可被設置為控制PWM控制開關303與再循環開關306，使得儲存單元302以一互斥的方式經由負載充電並且對電源供應放電。如此一來，能夠在不同的週期循環內有效地監測累積的負載電流。特別地，儲存單元302的互斥充電和放電使得充電指示得以直接在儲存單元302處決定(例如，使用電壓感測器)。
控制單元310可被設置為決定目標指示，其指示一週期的目標充電值。如上所述，可以為每個週期個別設置目標充電值，舉例來說，為了調整LED燈串的亮度。目標指示可以包含一數位值(例如，Q位元數值)，用以允許以特定解析度設定目標充電值。用於特定週期的PWM控制開關303的工作週期可以根據特定週期的目標指示來設定。如此一來，可以在每一個週期的基礎上逐一調整，以有效且精確的方式調整通過負載的累積負載電流。
如上所述，儲存單元302上的儲存電壓312會隨著儲存於儲存單元302內的電荷增加而增加，反之亦然。此外，負載上通過的負載電流 隨著負載上的負載電壓314降低而降低(以及/或者負載上通過的負載電流隨著負載上的負載電壓314增加而增加)。
供應電壓311通常包含儲存電壓312和負載電壓314的總和。特別地，供應電壓311可以對應於儲存電壓312、負載電壓314，以及PWM控制開關303兩端的壓降之總和，其中PWM控制開關303兩端的壓降通常相對較小(與負載電壓314相比的話)並且通常是恆定的(當PWM控制開關303關閉以啟用負載電流時的時間間隔)。因此，儲存電壓312增加可能會導致負載電壓314降低，而儲存電壓312降低可能導致負載電壓314增加。因此，儲存電壓312的位準可用來控制負載電壓314的位準，其中負載電壓314的位準通常會影響負載電流的位準(如上所述)。
控制單元310可被設置為根據儲存單元302的儲存電壓312的目標儲存電壓Vax來控制再循環開關306。特別地，再循環開關306可被控制，使得在一週期內的平均儲存電壓312對應目標儲存電壓Vax，或在一週期內的儲存電壓312的最小值對應目標儲存電壓Vax。因此，再循環開關306可用來調整負載電流的位準，藉此在一週期內影響累積負載電流的位準。因此，再循環開關306也可以用於控制LED串的亮度，藉此增加照明電路100的動態範圍。
如上所述，控制單元310可以被設置為決定目標指示，其指示特定週期的目標充電值。目標指示可以根據每一周期的基礎逐一改變。可以根據目標指示來設定特定週期的目標儲存電壓Vax。特別地，目標指示(例如，Q位元資料字元的一個或多個位元)可用於調整目標儲存電壓Vax，以便調整負載電流的位準。此外，目標指示(例如，Q位元資料字元的一個或多個位元)可用於調整PWM控制開關的工作週期，以調整負載電流的持 續時間。因此，調整用於儲存單元302的目標儲存電壓Vax可用來提升用於設定目標充電值的解析度。
電源供應可包含DC/DC電源轉換器(例如，升壓或降壓轉換器)，其被設置為從輸入電壓Vin的電力轉換為供應電壓311的電力。來自儲存單元302的電荷可以經由再循環開關306提供給DC/DC電源轉換器的輸入埠。為此目的，電源供應可包含隔離開關307，其被設置為將DC/DC電源轉換器的輸入埠耦合至輸入電壓Vin或從輸入電壓Vin去耦合。再循環開關306可以被設置為將儲存單元302耦合至DC/DC電源轉換器的輸入埠耦合或從DC/DC電源轉換器去耦合。
控制單元310可以被設置為控制隔離開關307和再循環開關306，使得輸入埠以互斥的方式耦合至輸入電壓Vin或儲存單元302。此外，控制單元310可以被設置為根據輸入埠是耦合至輸入電壓Vin或是耦合至儲存單元302來調整DC/DC電源轉換器的操作。如此一來，來自儲存單元302的電荷可以用可靠的方式重新循環。
驅動器電路300可包含再循環電力轉換器401(例如，降壓或升壓轉換器)，其被配置在再循環開關306和電源供應的儲存元件308(例如電容器)之間。為了舉例，電源供應可以包括用於穩定輸入電壓Vin的輸入電容器作為儲存元件308。替代地，電源供應可包含供應電壓電容器，用以穩定供應電壓(例如，在供應電壓轉換器的輸出處)，作為儲存元件308。
控制單元310可以被設置為控制再循環電力轉換器401，以使用來自儲存單元302的電荷對儲存元件308充電。如此一來，來自儲存單元302的電荷可以有效且彈性的方式恢復。
一般來說，驅動器電路300被設置為驅動複數個負載，特別是q個負載，其中q是整數，q>1。為此目的，驅動器電路300可包含q個 PWM控制開關303，q個儲存單元302和q個感測單元305，以及q個再循環開關306，以分別用於q個不同負載。這q個負載，q個PWM控制開關303與q個儲存單元302可以分別形成q個串聯配置，每個串聯配置係與電源供應並聯配置。
控制單元310可被設置為根據q個充電指示並且根據q個目標充電值來分別控制q個PWM控制開關303和q個再循環開關306。q個目標充電值可以彼此獨立地設定，舉例來說，用以設置q個不同LED串的亮度。此外，q個目標充電值可以在每一個週期的基礎上逐一調整。q個PWM控制開關303與q個再循環開關306可受控制，使得在一週期內通過q個負載的累積負載電流分別對應於q個目標充電值。因此，驅動器電路300可用於有效且精確地驅動q個不同的負載(舉例來說，q個不同的LED串)。
控制單元310可被設置為控制q個再循環開關306，使得q個儲存單元302以互斥的方式與電源供應耦合。如此一來，可以用特別可靠與精確的方式來控制不同的負載(而不會相互影響)。特別地，如此一來，可以避免q個儲存單元302的二或更多個耦合，而使得電流從儲存單元302中的一個流到另一個儲存單元302。
驅動器電路300可被設置為以多工方式驅動m個負載，其中m是整數，m>1。這m個負載的多工操作可以與上述q個並聯負載的操作相結合，使得驅動器電路300能夠驅動總共n=q×m個負載。藉由使用多工方式來驅動m個負載，可以降低驅動器電路300的成本和尺寸。
為了啟用一組m個負載的多工操作，驅動器電路300可以包含m個多工開關501，其被設置為將m個不同的負載耦合至電源供應或從電源供應去耦合。此外，驅動器電路300可包含m個PWM控制開關303，用於分別啟用或禁用通過m個負載的負載電流。
通過m個負載的負載電流可用於對單一儲存單元302充電。儲存單元302可與m個多工開關501，m個負載以及m個PWM控制開關303中的每一個形成串聯配置。當個別的多工開關501關閉時，這些串聯配置中的每一個可以與供應電壓並聯配置。
控制單元310可被設置為控制多工開關501，使得在一週期內，m個負載的至少一些的每一個被耦合至電源供應(以提供負載電流至個別的負載)。特別地，控制單元310可被配置為控制多工開關501，使得在一週期內，m個負載的每一個以一互斥的方式被耦合至電源供應電源。如上所述，對於m個負載的互斥操作對於m個負載的每一個的累積負載電流的庫侖計數可以是有益的。m個負載的每一個在一週期內可以被耦合至供應電壓至少一次，對於一週期序列中的每一週期來說可能是這種情形。換句話說，m個負載中的每一個可以在一週期內被啟動至少一次。然後可以使用通過(單一)被啟動的負載的負載電流來對儲存單元302充電。儲存單元302可以在一週期內至少部分地放電一次或多次，每次都在m個負載中的不同負載被啟動之間，如此一來，可以為m個負載中的每一個設置定義的操作條件。
圖7所示為用於驅動一負載的範例方法700的流程圖。方法700包含步驟701，使用電源供應將供應電壓311施加到負載、PWM控制開關303，以及儲存單元302的串聯配置。PWM控制開關303被設置為以一交替方式啟用和禁用通過負載的負載電流負載。此外，儲存單元302被設置為被通過負載的負載電流充電。
方法700更包含步驟702，提供充電指示，其指示通過負載的累積負載電流。此外，方法700包含步驟703，使用再循環開關306讓儲存 單元302至少部分地對電源供應放電，其中，再循環開關306被設置為以一交替方式將儲存單元302耦合到電源供應以及從電源供應去耦合。
此外，方法700包括步驟704，根據在一週期內通過負載的累積負載電流的充電指示與目標充電值，在一週期的序列內重複地控制PWM控制開關303與再循環開關306。
應該注意的是，本說明書和附圖僅敘述了所提出的方法和系統的原理。熟悉此技藝者應可實現各種配置，這些配置雖然未在本文中明確描述或標示，但具體實施了本發明的原理並且包括在其精神和範圍內。此外，本說明書中概述的所有範例和實施例僅用以解釋，以協助讀者理解在此所提出的方法和系統的原理。此外，本說明書提供的本發明的原理，方面和實施例的所有陳述與其特定範例係用以涵蓋其等效敘述定義。
100:照明電路
300:驅動器電路
302:儲存單元C1至Cn
303:PWM控制開關S31至S3n
305:感測單元
306:再循環開關S41至S4n
307:隔離開關S40
308:儲存元件
310:控制單元
311:供應電壓

Claims (15)

  1. 一種用以驅動一負載之驅動器電路(300)，其中該驅動器電路(300)包含：- 一電源供應，其被設置為以一供應電壓(311)提供電力；- 一脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制開關(303)，其被設置為以一交替方式啟用與禁用一通過該負載之負載電流；- 一儲存單元(302)，其被設置為使用該通過該負載的負載電流充電，其中該負載、該PWM控制開關(303)與該儲存單元(302)形成一串聯配置，其與該供應電壓(311)並聯配置；- 一感測單元(305)，其被設置為提供一指示通過該負載的一累積負載電流的充電指示；- 一再循環開關(306)，其被配置為以一交替的方式將該儲存單元(302)耦合至該電源供應或從該電源供應去耦合，以便至少部分地讓該儲存單元(302)對該電源供應放電；以及- 一控制單元(310)，其被設置為在一週期序列內重複地根據該充電指示並根據在一個週期內通過該負載的該累積負載電流之一目標電荷值，控制該PWM控制開關(303)與該再循環開關(306)。
  2. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中該控制單元(310)係被設置為控制該PWM控制開關(303)與該再循環開關(306)，使得該儲存單元(302)係以一互斥的方式經由該負載充電與向電源供應放電。
  3. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中該控制單元(310)被設置用以：- 決定指示用於一週期的目標充電值之一目標指示；以及 - 根據該目標指示設定一用於該週期的PWM控制開關(303)之工作週期。
  4. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該儲存單元(302)上的一儲存電壓(312)隨著儲存於該儲存單元(302)內的電荷增加而增加，以及反之亦然；- 該負載上通過的該負載電流隨著該負載上的一負載電壓(314)降低而降低；- 該供應電壓(311)包含該儲存電壓(312)與該負載電壓(314)的總和；以及- 該控制單元(310)被設置為根據用於該儲存單元(302)的該儲存電壓(312)的一目標儲存電壓(Vax)來控制該再循環開關(306)，特別是使得在一週期間的平均儲存電壓(312)對應於該目標儲存電壓(Vax)或者使得一週期間的儲存電壓(312)的一最小值對應該目標儲存電壓(Vax)。
  5. 如請求項4所述之驅動器電路(300)，其中該控制單元(310)被設置為：- 決定指示用於一週期的該目標充電值之一目標指示；以及- 根據該目標指示設定一用於該週期的該目標儲存電壓(Vax)。
  6. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該電源供應包含一DC/DC電源轉換器，其被設置為將電力從一輸入電壓轉換為該供應電壓(311)；- 該電源供應包含一隔離開關(307)，其被設置為將該DC/DC電源轉換器的一輸入埠耦合至該輸入電壓或從該輸入電壓去耦合； - 該再循環開關(306)被設置為將該儲存單元(302)耦合至該DC/DC電源轉換器的該輸入埠或從該輸入埠去耦合；以及- 該控制單元(310)被設置為控制該隔離開關(307)與該再循環開關(306)，使得該輸入埠係以一互斥的方式被耦合至該輸入電壓或該儲存單元(302)。
  7. 如請求項6所述之驅動器電路(300)，其中該控制單元(310)被設置為根據該輸入埠是被耦合至該輸入電壓或是該儲存單元(302)來調整該DC/DC電源轉換器的操作。
  8. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該驅動器電路(300)包含一被配置在該再循環開關(306)和該電源供應的一儲存元件(308)之間的再循環電力轉換器(401)；以及- 該控制單元(310)被配置為控制該再循環電力轉換器(401)，使得該儲存元件(308)係以來自該儲存單元(302)的電荷充電。
  9. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該儲存單元(302)上的一儲存電壓(312)係隨著該儲存於該儲存單元(302)的電荷增加，以及反之亦然；以及- 該感測單元(305)包含用以感測該儲存電壓(312)以決定該充電指示的裝置。
  10. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中該感測單元(305)包含：- 一庫侖計數器；以及/或者- 一電流鏡，其被設置為反映該通過該負載以及/或者該PWM控制開關(303)的負載電流，以提供一鏡像電流；- 一鏡像電容器，其被設置為使用該鏡像電流充電；以及 - 一電壓感測器，其被設置為感測該鏡像電容器上的一電壓以決定該充電指示。
  11. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該驅動器電路(300)包含用於q個不同負載的q個PWM控制開關(303)、q個儲存單元(302)、q個感測單元(305)，以及q個再循環開關(306)；- q為大於1的整數；- q個負載、q個PWM控制開關(303)，以及q個儲存單元(302)分別形成q個串聯配置，每一串聯配置係與該電源供應並聯配置；以及- 該控制單元(310)係被設置為分別根據該q個充電指示與根據q個目標充電值控制該q個PWM控制開關(303)與該q個再循環開關，特別是使得在一週期內通過該q個負載的累積負載電流分別對應於該q個目標充電值。
  12. 如請求項11所述之驅動器電路(300)，其中該控制單元(310)被設置為控制該q個再循環開關(306)，使得該q個儲存單元(302)係以一互斥的方式與該電源供應耦合。
  13. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該驅動器電路(300)包含m個多工開關(501)，其被設置為將m個不同負載耦合至該電源供應或從該電源供應去耦合；- m為一大於1的整數；- 該驅動器電路(300)包含m個PWM控制開關(303)；- 該儲存單元(302)與該m個多工開關(501)、m個負載，以及m個PWM控制開關(303)的每一個形成一串聯配置；以及 - 該控制單元(310)係被設置為控制多工開關(501)，使得在一週期間，m個負載的每一個至少有一些以互斥的方式耦合到電源供應。
  14. 如請求項1所述之驅動器電路(300)，其中：- 該負載包含一LED串；以及/或者- 該再循環開關(306)係被設置為阻擋電流同時在二個方向流動。
  15. 一種用以驅動一負載的方法(700)，其中該方法(700)包含：- 使用一電源供應，施加(701)一供應電壓(311)至該負載、一脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制開關(303)、以及一儲存單元(302)的一串聯配置，其中該PWM控制開關(303)被設置為以一交替方式啟用和禁用通過該負載的一負載電流，其中，該儲存單元(302)被設置為被通過該負載的該負載電流充電；- 提供(702)一指示通過該負載的一累積負載電流之充電指示；- 使用一再循環開關(306)至少部分地讓該儲存單元(302)對該電源供應放電(703)，其中該再循環開關(306)被設置為以一交替的方式將該儲存單元(302)耦合至該電源供應以及從該電源供應去耦合；以及- 根據在一週期內通過該負載的該累積負載電流的該充電指示與該目標充電值，在一週期的序列內重複地控制(704)該PWM控制開關(303)與該再循環開關(306)，特別是使得在一週期內通過負載的該累積負載電流對應於該目標充電值。
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