双控LED驱动器的制作方法

相关申请的交叉引用

无

背景技术：

发光二极管(led)用于许多应用，包括，例如，基于液晶显示器(lcd)的平板电脑、笔记本电脑、监视器和电视机(在下文中统称为矩阵显示器)的背光。led也可以用于一般照明应用以及各种其他应用。在许多此类应用中，led被供应在多串串联连接的led串中。为了控制每个此类led串，可以提供led驱动器以控制流过led串的电流电平。

技术实现要素：

本文公开用于确定开关的有效时间部分以调节发光二极管(led)驱动器的输出电压的系统和方法。led驱动器包括用于接收来自输入电压源的输入电压且耦接到输出电压节点的第一开关，耦接到多个led的第二开关，以及耦接到第一开关和第二开关的控制逻辑。第一开关被配置成开启和断开，以便调节输出电压节点处的电压电平，其中输出电压节点处的电压电平将为多个led供电。第二开关被配置成开启和断开，以便使多个led的亮度变化。另外，控制逻辑被配置成基于外部信号，控制第一控制信号和第二控制信号以分别开启和断开第一开关和第二开关。另外，基于外部信号的有效时间部分，控制逻辑同时确定第二控制信号的有效时间部分和用于开启和断开第一开关的第一控制信号的开关循环的数量。

在另一个实施例中，方法包括通过发光二极管(led)驱动器的控制逻辑接收外部脉宽调制(pwm)信号；通过控制逻辑确定第一控制信号的时间段，以交替地导通和关闭led驱动器的第一开关；基于外部pwm信号，通过控制逻辑确定第二控制信号的有效时间部分，以控制led驱动器的第二开关；以及通过控制逻辑比较第二控制信号的有效时间部分和第一控制信号的时间段。更具体地说，该方法另外包括基于比较，通过控制逻辑确定维持交替地导通和关闭led驱动器的第一开关的时间量。

在另一个实施例中，系统包括电压转换器，该电压转换器包括由第一控制信号控制的第一开关，以便致使电压转换器将输入电压升高到可用于为发光二极管(led)串供电的输出电压，其中led串包括多个串联连接的led；第二开关，该第二开关耦接到led串，并且被配置成由第二控制信号控制，以便控制耦接的led串的亮度；以及控制逻辑，该控制逻辑耦接到第一开关和第二开关，并且被配置成基于所接收的脉宽调制(pwm)信号，确定第二控制信号的有效时间部分，并且基于第二控制信号的有效时间部分，以另外确定第一控制信号的开关循环的数量。在说明性实施例中，为了完成第一控制信号的每个开关循环，需要时间段来交替地导通和关闭第一开关。

附图说明

为了本发明的各种实施例的详细描述，现在将参考附图，在附图中：

图1示出根据各种实施例的发光二极管(led)驱动器的框图；

图2a示出根据各种实施例的当第二脉宽调制(pwm2)信号的接通时间部分大于预定阈值时的多个信号的波形；

图2b示出根据各种实施例的当第二脉宽调制(pwm2)信号的接通时间部分小于预定阈值时的多个信号的波形；以及

图3示出说明根据各种实施例的用于确定第一脉宽调制(pwm1)信号的有效时间部分的方法的流程图。

符号和术语

在以下描述和随附权利要求中使用某些术语来指代特定系统组件。如本领域技术人员将理解的，相同的可以通过不同名称来指代组件。本文档不旨在区分名称不同而非功能不同的组件。在以下讨论和随附权利要求中，术语“包括(including/comprising)”以开放式的方式使用，且因此应被解释为意指“包括但不限于....”。再者，术语“耦接(couple/couples)”旨在意指间接连接或直接连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他设备和连接的间接连接。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或更多个实施例可为优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作为限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意指是该实施例的示例性，并且不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限于该实施例。或更多

各种类型的发光二极管(led)诸如高亮度led的出现已经导致传统的照明世界进入固态照明的新时代。高光学效率、长的操作寿命、宽操作温度范围和环境友好是在有利于白炽灯或荧光灯照明解决方案内的led技术中的一些关键特征。

由于led的各种益处，led在如上所述的许多应用中是有用的，包括用于矩阵显示器(例如，计算机监视器、电视机等)的背光以及一般的照明应用。在各种lcd矩阵显示器中，以及在诸如背光的固态照明应用中，led可以被供应在多个串联连接的led串中。由于串联连接，每个led串的组成led共享公共电流。

通常，led的亮度(光输出强度)可以通过以下两者之中任一个来控制：(a)调节通过led的电流的幅值，或者(b)调节通过led的一系列电流脉冲(例如，脉宽调制信号(pwm))的频率和占空比。在一些实施例中，也可以使用两种技术的组合。更具体地说，由于由led串中的每个led共享公共电流，所以一般来说，串联连接到led串的电流吸收器可以用于控制led串的亮度。通过调节流过电流吸收器的电流，可以为任何合适的应用调谐串中led的亮度。

众所周知，与其他led相比，白光led具有相对高的导通阈值电压。可能白光led的导通电压甚至高于由用于驱动(一个或更多个)led串的电池生成的标称电压。因此，可以采用dc-dc升压转换器将输入电压源(例如，电池)升高(即，增加)到更高的输出电压。在说明性实施例中，升压转换器可以被实施为开关电源(smps)。开关电源是包含开关调节器以有效地转换电能的电子电源。根据各种实施例，调节器包括一个或更多个开关。开关由pwm信号控制，以交替地导通和关闭，以便调节电源的输出电压。

虽然将电流吸收器与smps集成到led驱动器中可以提供调节的输出电压，以驱动耦接的led串，但是由于smps的不完整的开关循环而造成可仍然遭受纹波输出电压。例如，如上面所提及的，smps的开关可以由第一pwm信号控制，并且耦接到led串的电流吸收器可以根据第二pwm信号由第二开关控制。一般来说，第二pwm信号被配置成通过调整电流吸收器的有效电流电平(例如，电流电平和第二pwm信号的占空比的乘积)，调谐led串的亮度。更具体地说，第一pwm信号和第二pwm信号可以在较低电平和较高电平之间转变。当第二pwm信号处于较高电平时，电流吸收器接通，从而允许电流流过led串；类似地，当第二pwm信号处于较低电平时，电流吸收器切断，并且没有电流流过led串。led串电流导通和关闭的占空比决定了通过led串的平均电流电平，以及因此决定led的亮度。

因为通过led串的瞬时电流电平在整个第二pwm信号的循环中改变以得到特定的亮度水平，所以第一pwm信号也可以改变以控制smps的开关。更具体地说，流过led串的电流的存在在smps上产生负载。因而，第一pwm信号可以通过在较高电平和较低电平之间转变，保持smps的开关交替地导通和关闭，以便将smps的输出电压调节为期望电平。因此，smps的输出电压被调节，同时电流吸收器导通且由电源通过led串供应电流。当致使smps的开关导通和关闭以调节电源的输出电压时，smps一般被称为处于“有效”模式。换言之，在smps的有效模式期间，开关根据定义的占空比在切断和接通状态之间重复地触发以调节输出电压。

另一方面，在电流吸收器的接通/切断循环中的每个期间，当电流吸收器切断时，没有电流流过led串。缺乏流过led串的电流导致缺乏smps上的负载，这可致使第一pwm信号转变到且保持在其较低的电平，以关闭smps的开关。在第一pwm信号处于较低电平时，smps被称为处于“非有效”模式。当在smps的非有效模式中时，smps没有能力调节其输出电压，此外电流吸收器也切断，并且没有电流流过led串。因此，无论如何不需要电压调节。

继续上面的示例，第二pwm信号控制电流吸收器以致使led串达到期望的亮度水平，并且第一pwm信号控制smps的开关的状态，以根据第二个pwm信号致使smps在有效模式和非有效模式之间转变。一般地，第二pwm信号的占空比可以根据led串的应用而变化。在一些应用中，可以实施第二pwm信号的相对低的占空比，这意味着在第二pwm信号的每个循环期间，在相对短的时间段内，电流吸收器将接通。如果电流吸收器接通(第二pwm信号为高)的时间太短，则可能没有充足的时间使smps从先前的非有效模式转变到有效模式。反过来，这可致使到led串的输出电压上的纹波电压的相对较大或不可接受的幅值。如此大的纹波电压一般被认为是不期望的噪声，并且可影响(一个或更多个)led串的性能。led的亮度随流过led串的电流而改变，并且电流一般由电流吸收器控制。因此，为led串供电的电压的小的变化可反过来影响电流吸收器的操作电压电平。同时，受影响的操作电压电平可导致流过led串的电流的变化。电流的此类变化可致使led的不稳定的性能，并且反过来可不利地影响使用led串的设备(例如，显示设备)的性能。额外地，输出电压上的纹波电压可致使可听噪声。可听噪声一般被称为驻留在声频范围(例如，20hz～20khz)内的噪声。根据纹波电压，可听噪声可因电容器的振动而产生，其中电容器通常耦接到smps的输出电压节点。下面描述本公开的实施例，本公开的实施例有利地致使输出电压上的纹波变化减小，这有利地可提供led串的更稳定的性能。

公开的实施例提供根据电流吸收器的第二pwm信号的占空比通过控制smps的有效模式以减小纹波电压的系统和方法。更具体地说，如果控制电流吸收器的第二pwm信号的占空比小于预定阈值，则smps的有效模式的持续时间被迫使延长超过电流吸收器的关闭点。同样地，提供用于smps的开关的足够的时间部分，以消除或至少减小输出电压上的纹波，从而改善led串的性能。

说明性实施例的示例针对可以实施为dc-dc升压转换器的smps，然而，smps可以实施为其他类型的转换器，诸如降压升压转换器、正激式转换器、反激式转换器或任何合适的转换器。另外，所公开的方法和系统被描述为用白光led实施，但是一般地，其他类型的led(例如，绿色、红外线、黄色、蓝色等)也可以由所公开的转换器驱动。

图1示出根据各种实施例的led驱动器100的顶层框图。所公开的led驱动器100耦接到led串102。如图1的示例所示，led驱动器100包括升压转换器111和开关s2。开关s2实施电流吸收器。

在图1的示例中，升压转换器111包括控制逻辑106、开关s1、接收输入电压vin的电感器l以及二极管d。另外，电容器c一般耦接到输出电压vout。电容器c和二极管d之间的连接表示来自转换器111的输出电压vout。电容器c可以与led驱动器100集成，或者可以是耦接到led驱动器100的外部部件。如图所示，开关s1和开关s2可以耦接到led串102。开关s1耦接到led串的第一led(led150)的阳极。流过led串102的电流也流过开关s2(开关s2表示电流吸收器)至接地。在一些实施例中，开关s1和开关s2是半导体设备，诸如金属氧化物场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)。

led串102的led彼此串联电耦接。更特别地，串的第一led150的阳极形成led串102的第一端子，并且接收来自转换器111的输出电压vout。第一led150的阴极电耦接到串中的第二led160的阳极，以此类推，其中，串中的最后的led180的阴极表示led串102的第二端子。虽然在图1中仅示出一个led串102，但是在其他实施例中，多个led串可以耦接到led驱动器100，并且由led驱动器100操作。在存在多个串的情况下，多个led串中的每个led串可以彼此并联布置以形成led阵列。

升压转换器111基于输入电压vin生成输出电压vout，使得输出电压高于输入电压。因此，来自输入电压源(例如，电池)的输入电压vin可以通过直流-直流(dc-dc)升压转换器接收，并且升压到期望的输出电压，用于为要求特定调节的电压的各种电气部件(例如，led串102)供电。在示例中，开关s1可以被配置成重复地导通和关闭，以便调节输出电压vout的电平。升压转换器111中的开关s1的接通/切断状态由控制逻辑106借着脉宽调制(pwm)信号pwm1来控制。

pwm1信号可以是在较低电平和较高电平之间转变的时变方波。重复的转变致使开关s1导通和关闭。可替换地或者额外地，pwm1信号可以由控制逻辑106控制，以致使升压转换器111根据输出电压节点vout处的负载在“有效”模式或“非有效”模式下操作。当升压转换器111处于有效模式时，开关s1以特定的频率和占空比重复地导通和关闭，以提供电压电平来驱动输出电压节点vout处的较重的负载(例如，耦接的led串的较高亮度水平)。在开关s1导通和关闭的情况下，调节输出电压vout。

当升压转换器上有很少或没有负载(例如，电流吸收器开关s2切断)时，致使升压转换器111处于非有效模式，在该非有效模式中，升压转换器111的开关s1维持在切断状态，以便增加led驱动器100的效率。升压转换器111的负载可以基于例如流过led串102的电流。

如上面所提及的，在实施方式中，开关s2可以是被配置成调谐led串102的亮度的电流吸收器。通过控制流过led串102的电流的幅值，可以调节led的亮度。而且，可以至少部分地通过由控制逻辑106确立的且用于操作开关s2的pwm2信号来控制通过led串102的调节的电流。类似于pwm1信号，pwm2信号也可以特定频率(并且因此，周期)在较高电平和较低电平之间交替。更具体地说，在pwm2信号处于较高电平期间的时间部分是pwm2信号的频率和占空比的函数。

图1也示出提供给控制逻辑106的外部pwm信号105。在一些实施方式中，由控制逻辑106基于外部pwm信号105的占空比控制pwm2信号的占空比。可以由旨在使用led驱动器100控制耦接的led串102的亮度的用户指定外部pwm信号105的占空比和频率(或周期)。如上面所解释的，pwm2信号的较高占空比可致使通过led串102的较高的平均电流电平，从而致使led的较高亮度水平。因此，用户可以使用电路(未示出)控制外部pwm信号105的占空比。控制逻辑106基于外部pwm信号105生成pwm2信号。外部pwm信号105的较高占空比致使控制逻辑106增加pwm2信号的占空比。

在所公开的led驱动器100的操作中，控制逻辑106基于所接收的外部pwm信号105的占空比和周期生成pwm2，以通过控制开关s2的占空比的控制调谐led串102的亮度。在说明性实施例中，pwm2信号的占空比和周期(或频率)与外部pwm信号105的占空比和周期(或频率)相同。另外，当开关s2接通(即，pwm2在较高电平处)时，与在开关s2切断的情况下相比，较高的电流电平可流过led串102。同时，控制逻辑106确定因接通的开关s2而产生的较高的电流电平，并且可以确定升压转换器111具有较重的负载。如果控制逻辑106确定升压转换器加载有较高的电流(较重的负载)，则控制逻辑106可以实施用于升压转换器111的有效模式，并且重复地致使开关s1在接通和切断状态之间转变，如上面所解释的。然而，当开关s2切断(即，pwm2在较低电平处)时，控制逻辑106确定升压转换器106具有较轻的负载，或者在一些实施例中，确定该升压转换器没有负载，并且因此控制逻辑106实施用于升压转换器111的非有效模式，从而致使开关s1转变到非有效(切断)状态。

当开关s2接通时，控制逻辑106确定pwm2信号的接通时间部分是否小于预定阈值。如果pwm2信号的接通时间部分确实小于阈值，则控制逻辑106可以在延长超过对于pwm2信号接通时间已结束的点的时间段内实施有效模式。另一方面，如果pwm2信号的接通时间部分大于阈值，则控制逻辑106可以基于pwm2信号的周期控制有效模式。将关于图2a和图2b中的波形解释pwm1和pwm2信号协调的细节。

图2a和图2b示出在两个相应的场景中外部pwm信号105与pwm信号pwm1和pwm2的波形。一种场景是当开关s2的接通时间(即，pwm2信号的接通时间部分)大于预定阈值时(图2a)，并且另一种场景是当开关s2的接通时间小于预定阈值时(图2b)。

根据各种实施例，可以由用户将预定阈值指定为pwm1信号的开关循环的预定数量与pwm1信号的周期的乘积。可替换地，用户可以指定pwm1信号的开关循环的数量和周期作为提供给控制逻辑106的输入，并且基于用户所提供的，控制逻辑106被配置成计算pwm1信号的开关循环的数量和周期的乘积。pwm1信号的周期可以通过由用户定义的时钟频率同步。开关循环被定义为用于完成从较低电平到较高电平且回到较低电平的一个转变的pwm信号的循环。开关频率也对应于由pwm1信号控制的开关s1的接通/切断循环。由用户决定开关循环的预定数量，以便尽可能多地减小升压转换器的输出电压节点(例如，vout)处的纹波电压。如上面所提及的，纹波电压可因升压转换器的开关s1调节输出电压没有足够的时间而产生。更具体地说，开关s1不具有充足的时间将输出电压节点处的电压电平调节到稳定的值。通过允许开关s1通过足够数量的循环进行转变，输出电压将能够达到稳定的目标电压电平，并且输出电压上的纹波量将减小。在示例中，用于适应该结果的s1的开关循环的数量可以至少为20。

在图2a中，提供给控制逻辑106的外部pwm信号105通过接通时间部分201和周期202表征。在接通时间部分201期间，外部pwm信号105处于较高电平232；否则外部信号处于较低电平234。

在一些实施例中，控制逻辑106可以使用外部pwm信号105的接通时间部分201和周期202，以确定pwm2信号的接通时间部分203和较高电平235和较低电平236之间pwm2信号的循环的周期204。外部pwm信号105的接通时间部分201和pwm2信号的接通时间部分203相同，并且外部和pwm2信号的周期202和周期204也相同。因此，pwm2信号与外部pwm信号105相同且同步。可替换地，pwm2信号可与外部pwm信号105不相同。例如，只要配置的电流吸收器电流和pwm2信号的占空比(即，接通时间部分203/周期204)与外部pwm信号105的占空比(即，接通时间部分201/周期202)成比例，pwm2信号的接通时间部分203就可不与外部pwm信号105的接通时间部分201相同。

pwm1信号包括对应于用于升压控制器111的有效模式和非有效模式的有效时间部分206和非有效时间部分207。在有效时间部分206期间，如图所示，pwm1信号在较高电平230和较低电平231之间转变。虽然在图2a的示例中的pwm1信号示出五个脉冲(即，五个开关循环)，但是在其它实施例中，在每个有效时间部分期间，pwm1信号可以包括任何数量的开关循环。另一方面，当pwm1信号处于非有效时间部分207时，控制逻辑器106迫使pwm1信号为较低电平231。在一些说明性实施例中，基于pwm2信号的接通时间部分203，控制逻辑106确定接通时间部分203大于可以先前被编程到控制逻辑106中的预定阈值。然后控制逻辑106确定pwm1信号的有效时间部分206等于pwm2信号的接通时间部分203。

在图2b中，然而，外部pwm信号105以比图2a中的接通时间部分201更短的接通时间部分208在较高电平232和较低电平234之间转变。图2b的示例中的外部pwm信号105通过周期209表征。在如上面所解释的说明性实施方式中，基于外部pwm信号105，控制逻辑106确定pwm2信号的接通时间部分210等于外部pwm信号105的接通时间部分208，以及周期209和周期211也彼此相等(即，pwm2信号与外部pwm信号105相同且同步)，但是在其他实施例中它们可以不同。

控制逻辑106确定pwm2信号的接通时间部分210是否小于预定阈值，该预定阈值是pwm1信号的开关循环的预定数量与pwm1信号的周期(在图2b中pwm1信号的周期被示为周期205)的乘积。在图2b中，控制逻辑106将确定pwm2信号的接通时间部分210小于预定阈值。作为该确定的结果，控制逻辑106迫使pwm1信号在较高电平230和较低电平231之间转变至少n次。根据各种实施例，n等于用于计算阈值的开关循环的预定数量(例如，20)。pwm1信号的有效时间部分213可以等于pwm1信号的周期205乘以n的乘积。通过迫使pwm1信号切换n次(甚至延长超过pwm2信号的接通时间部分210的结束)，控制逻辑106可以有利地为pwm1信号提供足够的时间段，以控制升压转换器在输出电压节点vout处达到稳定的电压电平，从而减小或消除输出电压vout上的纹波电压。

图3示出说明根据各种实施例用于减小为led串供电的升压转换器的纹波电压的方法的流程图300。流程图300在框302中开始例如通过所公开的led驱动器100的控制逻辑106接收外部pwm信号105。根据各种实施方式，外部pwm信号105可以包括分别在图2a和图2b中的接通时间部分201和接通时间部分208以及周期202和周期209。

流程图300在框304处继续通过控制逻辑106接收pwm1信号的周期(例如，图2a和图2b中的周期205)。该周期是pwm1信号完成较低电平230和较高电平231之间的转变的时间量。在一些实施例中，pwm1信号的转变致使led驱动器100的开关s1导通和关闭。

在框306处，流程图300继续由控制逻辑106确定pwm2信号的接通时间部分。在示例中，pwm2信号的接通时间部分可以等于所接收的外部pwm信号105的接通时间部分。

基于pwm2信号的接通时间部分，流程图300在框308处继续比较pwm2信号的接通时间部分和pwm1信号的周期。

仍然参考图3，基于比较，流程图300在框310处继续由控制逻辑106确定pwm1信号的有效时间部分。更具体地说，如果pwm2信号的接通时间部分小于导通和关闭pwm1信号的预定数量乘以pwm1信号的周期(例如，周期205)的乘积，则控制逻辑器106确定维持交替地导通和关闭开关s1的时间量，确定pwm1信号的有效时间部分(例如，有效时间部分206和有效时间部分213)等于预定数量。然而，如果pwm2信号的接通时间部分大于导通和关闭pwm1信号的预定数量乘以pwm1信号的周期(例如，周期205)的乘积，则控制逻辑器106确定pwm1信号的有效时间部分(例如，有效时间部分206)等于pwm2信号的接通时间部分。额外地或者可替换地，如果控制逻辑106确定接通时间部分203没有准确地等于导通和关闭pwm1信号的预定数量乘以pwm1信号的周期(例如，周期205)的乘积，则控制逻辑106可以延长有效时间部分206(即，大于接通时间部分203)，以便使得pwm1信号能够完成最后的开关循环。

上面的讨论意图说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上面的公开内容，则许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。本发明旨在将随附权利要求解释为涵盖所有此类变化和修改。