用于LED驱动器的模拟及数字调光控制的制作方法

本申请案主张2015年2月27日申请的第62/126,440号美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术：

发光二极管(LED)提供超越常规照明设备的许多优势，例如长寿命、高效率及无毒性材料。随着电子技术的发展，发光二极管正寻找更广泛的应用。举例来说，在消费型应用中，LED灯泡正显示出代替常规白光白炽灯或荧光灯泡的前景。此外，越来越多的电子装置采用LCD作为显示器，且LED作为背光源正变得越来越流行。

通常通过控制LED的电流来调节LED。一般来说，操作LED使得其平均电流恒定，且使用电力电子组件来产生将AC电压转换成调节的LED恒定平均电流的电路以实现所要的亮度。对LED灯的亮度进行调光可提供额外的能量节省、增强灵活性及提高光源效率及寿命。LED串的调光可由模拟调光信号或数字调光信号控制。在模拟调光中，根据调光信号的幅值改变LED电流，但LED始终是接通的。在数字PWM(脉宽调制)调光中，改变LED接通/关断次数，且LED亮度由PWM调光信号的工作循环来控制。

期望LED驱动器能够与模拟调光控制信号及数字调光控制信号两者一起操作。一种常规方法是使用两个单独的引脚来接纳模拟调光信号及数字调光信号。在一些情况下，使用两个不同的控制路径。一种常规方法使用单个输入DIM引脚来接纳模拟调光控制信号或数字调光控制信号。控制电路确定输入信号是模拟的还是数字的。在模拟输入调光控制模式中，根据模拟调光控制信号的幅值改变LED电流。在数字输入调光控制模式中，LED电流由输入信号的工作循环确定。对于两种调光控制类型来说，输出电流调节保持模拟的。

技术实现要素：

本发明者已认识到常规LED控制器中的限制，即需要两个单独的调光信号引脚以接纳数字调光信号或模拟调光信号。额外的引脚数可增加成本，尤其对于多信道LED驱动器来说。在智能照明应用中，控制器经常需要控制多个信道。在此类应用中，高的引脚数不但增加部件的复杂性，而且消耗更多的芯片尺寸及电路板面积，这在空间有限的灯泡系统中是不理想的。

在常规方法中，使用单个DIM输入引脚以接纳模拟调光控制信号及数字调光控制信号两者。然而，输出LED电流控制保持模拟的。此方法的缺点是控制器芯片趋向于较大且消耗更多电力。此外，模拟调光调节不提供足够的调光线性度，尤其在低电流电平下，这对于LED照明系统来说是不理想的。

本发明教示用于LED控制电路的电路及系统，所述LED控制电路仅需要单个输入引脚以响应于模拟调光信号或数字调光信号并提供数字控制信号来调节在LED串中流动的电流以控制其亮度。与常规方法相反，针对模拟输入调光控制信号或数字输入调光控制信号两者，提供驱动线性调节器的内部PWM(脉冲模式调制)数字控制信号以控制在LED中流动的电流的接通/关断以改变其亮度。

举例来说，控制电路可包含用于确定输入信号是数字信号还是模拟信号的模式检测电路，多路复用器电路选择数字参考信号或模拟参考信号，且比较器电路比较输入信号与所选择的参考信号以提供内部数字PWM控制信号。LED驱动器还可包含用于接收内部PWM控制信号并调节LED中的电流的接通/关断的恒定电流调节器。

模拟参考信号可为锯齿波信号，且数字参考信号可为恒定电压。恒定电流调节器可包含放大器电路以将输出电流耦合到参考恒定电流。放大器电路具有用于接收PWM控制信号的启用节点以响应于PWM控制信号而启用或停用放大器。

具有内部数字调光的单引脚设计提高调光线性度，尤其在低电流电平下，并降低控制电路及总体LED驱动器系统的成本。

定义

用于本发明的术语在本发明的上下文内的技术中通常具有其一般含义。下文论述某些术语以向给实践者提供关于本发明的描述的额外引导。应了解，可以多种方式表达同一事物。因此，可使用替代的语言或同义词。

线性调节器是用于维持稳定电压的电子电路。线性调节器可使调节装置与负载并联放置(分流调节器)或可使调节装置放置在电源与调节的负载之间(串联调节器)。调节装置像可变电阻器一样起作用，连续地调整分压器网络以维持恒定输出电压。相反，开关式调节器使用接通及切断的有源装置以维持所要输出的平均值。

恒定电流调节器是提供恒定输出电流的线性调节器。

发光二极管(LED)是双引线的半导体光源。其为一种在被激活时发射光的p-n结二极管。当将合适的电压施加到引线时，电子能够与装置内的电子空穴重新结合，从而以光子形式释放能量。

模拟信号是具有随时间改变的特征的连续信号。它与包含离散值序列的数字信号不同，所述离散值仅可取有限数量的值中的一者。

脉宽调制(PWM)是一种用于通过改变接通/关断次数而将消息编码成脉冲信号的调制技术。在电力调节器中，通过快速地打开或关闭电源与负载之间的开关而控制馈送到负载的电压(及电流)的平均值。与关断周期相比，开关接通的周期越长，供应到负载的总电力就越高。术语工作循环描述“接通”时间与规律的时间间隔或“周期”成比例；因为电力在多数时间是关断的，所以低工作循环对应于低电力。用百分比来表达工作循环，100％为全通。

多路复用器(mux)电路是选择若干输入信号中的一者并将所选择的输入转发到输出的电子装置。举例来说，2n个输入的多路复用器具有n个选择线，所述n个选择线用于选择发送到输出的输入线。

状态机是用于设计计算机程序及时序逻辑电路两者的计算的数学模型。从概念上讲，其为可处于有限数量的状态中的一者的抽象机器。所述机器一次仅能处于一个状态中；其在任何给定时间所处于的状态被称为当前状态。当由触发事件或条件启动所述机器时，其可从一个状态改变到另一状态；这被称为转变。特定状态机是由其状态的列表及针对每一转变的触发条件来定义的。

比较器电路是比较两个电压或电流并输出指示哪个更大的数字信号的电子装置。

附图说明

图1是描绘体现本发明的某些方面的用于驱动LED(发光二极管)灯的电源的简化示意图；

图2是描绘体现本发明的某些方面的线性调节器的简化示意图；

图3是描绘说明本发明的某些方面的用于区分模拟信号与数字信号的方法的简化波形图；

图4是描绘说明本发明的某些方面的用于将模拟信号转换成PWM数字信号的方法的简化波形图；

图5是描绘体现本发明的某些方面的模拟/数字模式检测电路的简化示意图；

图6是描绘体现本发明的某些方面的恒定电流调节器的简化示意图；

图7是描绘体现本发明的某些方面的多信道线性调节器的简化示意图；及

图8是描绘体现本发明的某些方面的用于开关式电源(SMPS)的控制器的简化示意图。

具体实施方式

图1是描绘体现本发明的某些方面的用于驱动LED(发光二极管)灯的电源的简化示意图。如图1中所展示，电源100包含耦合到AC输入源Vac的AC-DC转换器110以用于提供DC电压源Vin。电源100还包含具有电源端子Vcc的线性调节器120，电源端子Vcc耦合到DC电压源以用于接收DC电力供应Vin。如图1中所展示，DC电力供应Vin还经配置以为具有多个LED串的LED灯130提供电力。在图1中，Vin连接到LED串的阳极。然而，Vin也可连接到LED串的阴极。线性调节器120还包含经配置以调节在LED串中流动的电流的一或多个信道121。线性调节器120还具有耦合到LED灯的LED串的输出端子LED1、…、LED4等等及用于接收用于每一信道的调光输入信号的输入端子DIM1、…、DIM4等等。

图2是描绘体现本发明的某些方面的线性调节器的简化示意图。线性调节器200是可用于电源100中的线性调节器的实例。如图2中所展示，线性调节器200具有用于接收DC电源的电源端子Vcc，所述电源端子Vcc也可经配置以为LED灯提供电力。如上述图1中所描述，线性调节器200可具有用于调节在一或多个LED串中流动的电流的一或多个信道。出于说明的目的，仅一个信道201展示于图2中。每一信道包含用于接收输入信号的输入端子，例如，DIM1。输入信号可为数字输入信号或模拟输入信号。在一些状况下，输入信号可为调光控制信号。线性调节器200也具有用于耦合到LED灯的LED串的每一信道的输出端子，例如，LED1。每一信道经配置以基于输入信号调节在LED串中流动的电流。每一信道可包含控制电路210和恒定电流调节器220。控制器210电路耦合到输入端子以用于接收输入信号并提供PWM数字控制信号。恒定电流调节器220经配置以用于接收PWM控制信号并在输出端子(例如，LED1)处提供输出信号，以用于响应于PWM信号而调节LED灯的LED串。

如图2中所展示，线性调节器200包含用于每一信道的控制电路210和恒定电流调节器220。控制电路210包含用于(例如)从端子DIM1接收输入信号的输入端子。输入信号可为数字输入信号或模拟输入信号，且控制电路210经配置以响应于输入信号而提供数字控制信号。图2说明调光控制实施方案，其中，来自DIM1的输入信号是调光控制信号，且控制电路210经配置以提供数字控制信号PWM从而控制连接到端子LED1的LED串的调光。然而，输入信号不限于调光信号，且输出信号不限于PWM信号。

如图2中所展示，控制电路210包含经配置以确定输入信号是数字信号还是模拟信号并输出模式信号232(在图2中也标示为A/D以表示模拟或数字)的模式检测电路230。控制电路210还具有多路复用器电路240，所述多路复用器电路240包含耦合到模式检测电路的输出的选择端子241、用于从三角波产生电路250接收模拟参考信号的第一输入端子243、用于从数字参考信号产生电路260接收数字参考信号的第二输入端子245、以及经配置以响应于模式信号而提供为数字参考信号或模拟参考信号的所选择的参考信号的输出端子247。控制电路210还具有比较器电路270，所述比较器电路270包含耦合到输入信号DIM1的第一输入端子271、耦合到所选择的参考信号247的第二输入端子272、及提供数字控制信号PWM的输出端子274。

在图2中，调光模式检测块230检测输入信号是模拟信号还是数字信号，并提供调光模式指示器信号或模式信号232以指示输入信号是处于模拟调光模式还是数字PWM调光模式中。多路复用器240接收模式信号并相应地选择模拟参考信号或数字参考信号。在输入信号为数字PWM调光信号的情况下，数字参考信号可为具有适当电压值的恒定电压以在数字PWM调光信号的高电平与低电平之间区分。举例来说，可将数字参考信号设置在1.5V处。在输入信号是模拟调光信号的情况下，其幅值代表所要的经调光的光的亮度。在这些情况下，模拟参考信号可为三角波形或斜坡波形，将其与输入模拟信号比较以产生数字PWM信号，所述数字PWM信号的工作循环代表所要的LED光亮度。所选择的参考信号247连接到比较器270的输入端子272并在比较器270处与在输入端子271处的输入信号DIM1进行比较。比较器270在其输出处提供数字PWM信号274。恒定电流调节器220基于数字PWM信号274控制LED串的亮度。下文更详细地描述电路块的操作。

现参考图3到5描述模式检测电路230的操作。控制器在启动时或每当确定调光模式的需要被满足时确定调光控制模式。图3是描绘说明本发明的某些方面的用于区分模拟信号与数字信号的方法的简化波形图。如图3中所展示，模拟调光信号310通常在特定电压范围或带内缓慢地斜升或斜降，举例来说，从0.4V到1.5V。相反，数字信号(例如图3中的PWM调光信号320)通常在电源轨之间向上或向下切换，举例来说，在0V与3.3V之间。可在给定时间周期(例如10毫秒)中对模拟信号或数字信号进行确定。在此时间周期期间，如果调光信号至少几次切换到预期的模拟电压范围外，那么确定调光信号为数字PWM调光控制信号。在图3中，将所述电压范围设置在PWM逻辑高阈值330(2.5V)与逻辑低阈值340(0.3V)之间。如果信号在预设的时间周期内至少几次(例如两次)越过低阈值及高阈值，那么将信号确定为数字PWM调光控制信号。此确定在图2中的模式信号232中得到反映。可在启动时、在电源达到其最小操作范围之后进行模式确定。

图4是描绘说明本发明的某些方面的用于将模拟信号转换成PWM数字信号的方法的简化波形图。本发明教示可通过比较模拟信号与参考三角波形或斜坡波形而将模拟信号转换成数字PWM信号。如图4中所展示，模拟信号410与呈虚线的三角波形或斜坡波形420比较。形成数字信号430使得当模拟信号410在三角波形上面时，数字信号430处于高电平下。反之，当模拟信号410在三角波形下面时，数字信号430处于低电平下。在此实例中，三角波具有设置在1.5V处的峰值电平及设置在0.4V处的谷值电平以涵盖模拟信号的幅值范围。如图4中所展示，数字PWM信号430具有与三角波形420相同的周期T，其中在周期中，有接通时间Ton与关断时间Toff的总和，T＝Ton+Toff。举例来说，在图4中，Ton1及Toff1是在第一周期中，且Ton6及Toff6是在第六周期中。数字PWM信号430的工作循环是接通时间Ton与周期T的比率。因此，在所述周期中，数字PWM信号的工作循环代表模拟信号的幅值。在此，选择三角波形的周期或频率以提供模拟输入信号的变化的足够的取样。举例来说，三角波的频率可为2KHz到5KHz。

图5是描绘体现本发明的某些方面的模拟/数字模式检测电路的简化示意图。模式检测电路500是可用作图2中所展示的调节器200中的模式检测电路230的模式检测电路的实例，模式检测电路用于确定输入信号是数字信号还是模拟信号。如图5中所展示，模式检测电路500包含用于接收可为模拟信号或数字信号的输入信号(例如DIM)的输入端子501。模式检测电路500还具有输出端子502，输出端子502用于提供指示输入信号是模拟信号还是数字信号的输出信号A/D。模式检测电路500还具有分别具有参考电压REF1及REF2的两个比较器510及520。可将REF1设置为模拟信号的下界(例如0.4V)且将REF2设置为模拟信号的上界(例如1.5V)。此外，模式检测电路500具有计数器电路530、定时器电路540及逻辑电路块550，逻辑电路块550耦合到前述电路且在端子502处提供输出信号。

根据上文结合图3说明的方法，模式检测电路500确定输入信号是数字信号还是模拟信号。在此实例中，模式检测电路500经配置以确定输入信号在预设的时间周期内越过参考信号的次数，且举例来说，如果次数超过两次，那么模式检测电路500确定所述输入信号是数字信号。如果在预设的时间周期内，输入信号从低于第一参考电压上升到高于第二参考电压，从高于第二参考电压下降到低于第一参考电压，再次从低于第一参考电压上升到高于第二参考电压并从高于第二参考电压下降到低于第一参考电压，那么确定输入信号是数字信号。第一参考信号及第二参考信号横跨参考电压带，且模式检测电路500计数模拟输入信号穿越参考电压带的次数。

模式检测电路500仅是可能的实施方案的实例。可使用不同电路来实施模式检测电路。举例来说，可使用状态机设计或使用逻辑电路元件来实施模式检测电路。作为实例，如果确定信道中的一者已接收数字PWM调光信号，那么假设所有的信道均以数字PWM调光模式操作。替代地，每一信道可确定其相应输入信号是模拟信号还是数字信号。

图6是描绘体现本发明的某些方面的恒定电流调节器的简化示意图。恒定电流调节器600是可用作图2中的恒定电流调节器220的调节器的实例。如图6中所展示，恒定电流调节器600具有用于接收数字PWM信号的输入端子601和用于耦合到LED串以控制在LED串中流动的电流的输出端子602。恒定电流调节器600包含提供电流I1并在第一节点614处与第一电阻器612(R1)串联耦合的恒定电流源603。任选第一NMOS晶体管610(其栅极连接到其源极以充当二极管)可耦合在电流源603与第一节点614之间。恒定电流调节器600的输出端子602与第二NMOS晶体管620和第二电阻器622(R2)串联耦合。第二NMOS晶体管620和第二电阻器622在第二节点624处连接。恒定电流调节器600还具有运算放大器630，运算放大器630包含耦合到第一NMOS晶体管与第一电阻器之间的第一节点614的第一输入631，和耦合到第二NMOS晶体管与第二电阻器之间的第二节点624的第二输入632。运算放大器630还具有耦合到连接第一晶体管和第二晶体管的栅极的节点618的输出634。运算放大器630还具有耦合到PWM控制信号的启用节点636(EN)。

运算放大器630是在PWM信号控制下在启用节点636(EN)处使输出电流I2与输入电流I1相关的反馈回路的一部分。如果通过PWM信号在高态下启用运算放大器，那么第一节点614处的电压与第二节点624处的电压相等，且在第二NMOS晶体管620中流动的电流I2与恒定电流源610的电流I1成比例，比例系数n是第一电阻器R1的电阻与第二电阻器R2的电阻的比率。换句话说，R1＝n*R2且I2＝n*I1。当PWM信号为低时，关闭运算放大器630并且也关闭第二NMOS晶体管620，从而导致电流I2为零。以此方式，输出端子处提供给LED串的电流I2由PWM控制信号控制。I2的平均电流与PWM信号的工作循环成比例。因此，当PWM信号是调光控制信号时，LED串的亮度与PWM调光信号的工作循环成比例。

图7是描绘体现本发明的某些方面的多信道线性调节器的简化示意图。如图7中所展示，线性调节器700包含四个信道710、720、730及740，且可用作为图1中的LED驱动系统中的调节器120。信道调节流向分别耦合到LED灯的LED串的输出端子LED1、…、LED4的电流。信道还具有分别用于接收调光输入信号的输入端子DIM1、…、DIM4。每一信道包含与图2中的调光控制电路210类似的模拟及数字调光电路。每一信道还具有与图2中的恒定电流调节器220类似的恒定电流调节器。在此实例中，每一信道具有单独的调光控制。然而，可使用单个调光控制电路来控制多个信道或全部信道。

在上文描述的实例中，在相同的输入引脚处，组合恒定电流调节器与接收模拟调光信号或数字PWM调光信号的控制电路以形成用于控制一或多个LED串的调光的线性调节器。线性调节器提供快速操作的优势且能够响应于窄的PWM控制脉冲。然而，本发明不限于上文描述的具体实例。上文描述的控制电路可与其它类型的电源一起使用。举例来说，控制电路还可与以反激式、降压或升压配置的开关式电源(SMPS)一起使用。下文参考图8描述实例。

图8是描绘用于开关式电源(SMPS)的控制器的简化示意图，所述控制器包含用于在相同的引脚处接纳模拟控制信号或数字控制信号的一或多个调光控制引脚。如图8中所展示，控制器800包含具有一或多个调光控制引脚DIM的调光控制电路850，所述一或多个调光控制引脚DIM接收模拟调光控制信号或数字调光控制信号并控制流向连接到输出引脚CH1、CH2、CH3及CH4的LED串的电流。PWM调光及模拟调光块810类似于图2中的调光控制电路210，且电流吸收器820类似于图2中的恒定电流调节器220。此外，尽管仅展示一个PWM调光及模拟调光块810，但可存在多个此类电路块以允许每一信道独立调光控制。

如图8中所展示，SMPS控制器800可包含常规PWM控制功能块，例如标记为Logic的逻辑块、PWM比较器PWM、误差放大器EA、过流保护比较器OCP、RS触发器等等。控制器800还具有提供时钟信号CLK及锯齿波信号SAW的振荡器OSC。如上文所描述，还可用以各种配置(例如，反激式、降压或升压配置)的开关式电源(SMPS)实施本发明。控制器800包含提供控制信号OUT以控制电力开关的驱动放大器DRIVE以调节在电感器中流动的电流，所述驱动放大器作为以反激式配置的变压器或以降压或升压配置的电感器的部件。控制器800还可包含用于提供参考电压的电路块BANDGAP、EN及Reference。控制器800还可包含常规控制器中的标准引脚，例如VIN、EN、VCC、GND、CS及COMP等等。