LED调光控制芯片的制作方法

led调光控制芯片
技术领域
1.本发明是关于集成电路领域，特别是关于一种led调光控制芯片。


背景技术：

2.相比传统钨丝灯的15%左右以及荧光灯的大约50%，led灯的电能至光能的转换效率高达90%左右。因此led灯具有低功耗和发热少的巨大优势。另外，led灯还有便于调节亮度的优势。使用控制芯片控制流过led灯的平均电流，即实现大范围、高精度的亮度调节。
3.通常当led灯调光的亮度比例（即pwm调光信号的占空比d）降低到大约10%以下时，由于控制芯片在pfm模式下的工作频率越来越低且不稳定，即出现led灯的光亮闪动。其次，在这样的低亮度下，手机拍照时可能会出现水波纹。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种led调光控制芯片，其能够在不增加芯片成本、面积和设计的复杂度的前提下，使得led调光控制芯片在 pfm模式下的工作频率变得很稳定，有效地解决了led灯在低亮度下的频闪和手机拍照时的水波纹等问题。
6.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种led调光控制芯片，包括：led驱动电路和调光控制电路，所述led驱动电路用于产生驱动电流以驱动led灯，所述调光控制电路用于调节驱动电流以调节led灯的亮度，所述调光控制电路包括：电流积分器、开关电容低通滤波器以及比较器。
7.电流积分器用于控制led驱动电路的平均驱动电流。
8.所述电流积分器包括电流提供单元、感应单元和积分单元，所述电流提供单元用于提供由pwm调光信号控制且用于积分单元充电的充电电流，所述感应单元用于对驱动电流进行感应以产生与驱动电流成比例且用于积分单元放电的感应电流，所述积分单元用于对异步的充电电流和感应电流的差值进行积分而获得积分电压。
9.开关电容低通滤波器用于对积分单元上的积分电压进行低通滤波而获得毫伏级的波动幅度、且波动频率稳定的输出电压。
10.比较器用于对输出电压和参考电压进行比较而获得频率稳定的pfm控制信号，通过pfm控制信号控制led驱动电路以调节驱动电流。
11.在本发明的一个或多个实施例中，所述led驱动电路包括第一开关、二极管、电感和第一电容，所述第一开关的第一端为输入端，所述第一开关的第二端与电感的第一端和二极管的阴极相连，所述二极管的阳极与地相连，所述电感的第二端与第一电容的第一端相连并与led灯相连，所述第一电容的第二端与地相连，所述第一开关的闭合和断开由pfm控制信号控制。
12.在本发明的一个或多个实施例中，所述电流提供单元包括相连的恒流源和第二开
关，所述第二开关的闭合和断开由pwm调光信号控制。
13.在本发明的一个或多个实施例中，所述感应单元的电流感应比为：，其中，为感应电流，为流过电感的驱动电流。
14.在本发明的一个或多个实施例中，所述电感上的平均驱动电流为：，其中，为pwm调光信号的占空比，为充电电流。
15.在本发明的一个或多个实施例中，所述积分单元包括积分电容，所述积分电容的第一端与电流提供单元和感应单元相连，所述积分电容的第二端与地相连，所述积分电容通过充电电流进行充电，所述积分电容通过感应电流进行放电。
16.在本发明的一个或多个实施例中，所述开关电容低通滤波器包括第三开关、第四开关、第二电容和第三电容，所述第三开关的第一端与积分单元相连，所述第三开关的第二端与第二电容的第一端相连，所述第二电容的第二端与地相连，所述第四开关的第一端与第二电容的第一端相连，所述第四开关的第二端与第三电容的第一端以及比较器的输入端相连，所述第三电容的第二端与地相连，所述第三开关和第四开关分别由两相不交叠时钟信号控制。
17.在本发明的一个或多个实施例中，所述输出电压与积分电压的低通传递函数为：；其中，为输出电压，为积分电压，为积分电容，为第二电容，为第三电容，，为频率域分析的变量，，为离散时间域分析的变量，为频率变量，为两相不交叠时钟信号的频率。
18.在本发明的一个或多个实施例中，所述第三电容远大于第二电容，所述积分电容远大于第二电容。
19.在本发明的一个或多个实施例中，所述第三电容比第二电容大一个数量级以上，所述积分电容比第二电容大一个数量级以上。
20.与现有技术相比，根据本发明实施例的led调光控制芯片，通过开关电容低通滤波器可以使低亮度（如pwm调光信号占空比d=1%）下led调光控制芯片的pfm控制信号频率更稳定，消除led灯照明的频闪和拍照纹波；相比于传统的片上rc低通滤波结构，采用本发明的开关电容低通滤波器，大大节省了芯片的面积；相比于使用片外电容，节省了功能模块的成本，并减小了应用模块的面积；相比于传统的将两个模拟信号的积分结果数字化后，使用数字低通滤波器实现低通滤波，再经数模转换得到滤波后的模拟信号，大大简化了电路结构，并节省芯片的面积和功耗。
附图说明
21.图1是根据本发明一实施例的led调光控制芯片的电路原理图。
22.图2是根据本发明一实施例的开关电容低通滤波器和积分电容的电路原理图。
23.图3是根据本发明一实施例的pwm调光信号和感应电流之间的异步关系示意图。
24.图4是根据本发明一实施例的开关电容低通滤波器的传输频率特性的仿真结果图。
25.图5是根据传统rc低通滤波器的调光控制仿真结果图。
26.图6是根据本发明一实施例的开关电容低通滤波器的调光控制仿真结果图。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
28.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
29.如图1所示，一种led调光控制芯片，包括：led驱动电路10和调光控制电路20。led驱动电路10用于产生驱动电流以驱动led灯。调光控制电路20用于调节驱动电流以调节led灯的亮度。整个调光控制芯片采用的是异步的降压型（buck）直流至直流转换器结构。
30.如图1所示，led驱动电路10包括第一开关、二极管、电感和第一电容。
31.具体的，第一开关的第一端为输入端且用于输入直流电压，该直流电压一般由市电整流得到。第一开关的第二端与电感的第一端和二极管的阴极相连，二极管的阳极与地相连，电感的第二端与第一电容的第一端相连并与led灯相连，第一电容的第二端与地相连。
32.当第一开关闭合时，直流电压经电感产生驱动电流而向led灯供电，第一电容用于对驱动电流进行滤波。检测到电感上的驱动电流达到峰值时，断开第一开关，二极管导通，驱动电流逐渐减小至零。第一开关的下次闭合由调光控制电路20控制。
33.如图1所示，调光控制电路20包括：电流积分器21、开关电容低通滤波器22以及比较器。电流积分器21包括电流提供单元211、感应单元212和积分单元213。电流积分器21用于控制流过电感的平均驱动电流。
34.电流提供单元211用于提供由pwm（pulse-width modulation）调光信号控制且用
于积分单元213充电的充电电流。感应单元212用于对驱动电流进行感应以产生与驱动电流成比例且用于积分单元213放电的感应电流。积分单元213用于对异步的充电电流和感应电流的差值进行积分而获得积分电压。
35.其中，电流提供单元211包括相连的恒流源和第二开关。第二开关的闭合和断开由pwm调光信号控制。积分单元213包括积分电容。积分电容的第一端与电流提供单元211和感应单元212相连，积分电容的第二端与地相连。
36.具体的，恒流源的第一端与电源电压相连，恒流源的第二端与第二开关的第一端相连，第二开关的第二端与感应单元212和积分电容的第一端以及开关电容低通滤波器22相连，积分电容的第二端与地相连。
37.在本实施例中，感应单元212不作具体设置，可以有多种方式，如通过在电感所在的支路上串联小电阻，或者通过在电感上并联一个相互串联的电阻和电容的支路，或者其他可以感应电感上的电流、电压的电路结构。通过感应单元212感应电感上流过的电流而产生感应电流。
38.充电电流经过由pwm调光信号控制的第二开关向积分电容充电，而与驱动电流对应的感应电流则持续使得积分电容放电，最终由电流积分器21输出积分电压。
39.在本实施例中，感应电流与流过电感的电流成比例，感应单元212的电流感应比为：，其中，为感应电流，为流过电感的驱动电流，电流感应比可以设置为1比1000，在其他实施例中，电流感应比可以设置为其他数值。
40.在本实施例中，电感上的平均驱动电流为：，其中，为pwm调光信号的占空比，为充电电流。通常充电电流以及电流感应比均为固定值。因此，流过led灯的平均驱动电流，也就是led灯的亮度，仅由pwm调光信号的占空比
控制，且与之成正比例。
41.在本实施例中，开关电容低通滤波器22用于对积分电容上的积分电压进行低通滤波而获得毫伏级的波动幅度、且波动频率稳定的输出电压。
42.如图2所示，开关电容低通滤波器22包括第三开关、第四开关、第二电容和第三电容。
43.具体的，第三开关的第一端与积分单元213的积分电容的第一端相连以接收积分电压，第三开关的第二端与第二电容的第一端相连，第二电容的第二端与地相连。第四开关的第一端与第二电容的第一端相连，第四开关的第二端与第三电容的第一端以及比较器的输入端相连以输出电压，第三电容的第二端与地相连。第三开关和第四开关分别由两相不交叠时钟信号控制，两相不交叠时钟信号分别为ckb时钟信号和ck时钟信号。
44.积分电容上的积分电压被ckb时钟信号控制的第三开关采样到一个很小的第二电容上以形成的采样电压，采样电压几乎与积分电压相等。而第二电容上的采样电压又被不交叠ck时钟信号控制的第四开关采样到一个相对较大的第三电容上，形成低通滤波输出电压。
45.采样电压与积分电压的关系为：；输出电压与采样电压的关系为： ；最终得到输出电压与积分电压的低通传递函数为：；其中，为积分电容，为第二电容，为第三电容，，为频率域
分析的变量，，为离散时间域分析的变量，为频率变量，为两相不交叠时钟信号的频率。
46.由于第三电容远大于第二电容，积分电容远大于第二电容。具体为，第三电容比第二电容大一个数量级以上，积分电容比第二电容大一个数量级以上，所以输出电压与积分电压的低通传递函数可进一步近似为： 。
47.如图1和图2所示，比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较器的第一输入端与第三电容的第一端相连，比较器的第二输入端用于接收参考电压。比较器用于对输出电压和参考电压进行比较而获得频率稳定的pfm（pulse-frequency modulation）控制信号，通过pfm控制信号控制第一开关的闭合和断开，从而控制led驱动电路10以调节驱动电流。
48.如图3所示，由于参与积分的充电电流和感应电流是异步的，那么必然导致积分电容上的积分电压非周期性的波动，对应的采用传统的rc滤波器后的输出电压以及比较器cmp输出pfm控制信号也产生非周期性的波动，从而带来led灯在低亮度下的频闪和手机拍照时的水波纹等问题。
49.图4为开关电容低通滤波器22的传输频率特性的仿真结果。其中对应的仿真参数为，，，该开关电容低通滤波器22的带宽为。
50.图5为传统的使用rc低通滤波器的调光控制仿真结果。仿真中的rc低通滤波器的参数为，。由仿真结果可以看出，由于rc低通滤波器的带宽太大，比较器cmp输出的pfm控制信号的频率很不稳定。也就是说，led调光控制芯片在pfm模式下的工作频率很不稳定。
51.图6为应用开关电容低通滤波器22的调光控制仿真结果。由于开关电容低通滤波
器22的带宽相较于传统rc低通滤波器约16khz的带宽降低了100倍，即约160hz。从而使得异步的充电电流和感应电流经积分并经低通滤波后的输出电压的波动幅度大大减小（仅为6mv左右）且波动频率稳定。进而使得led调光控制芯片在pfm模式下的工作频率变得很稳定，有效地解决了led调光灯在低亮度下的频闪以及手机拍照时的水波纹等问题。
52.另外，这里需要指出的是，在相同的平均驱动电流下，减小电感上的电流峰值可以增加pfm模式下的频率。即便频率稳定程度一样，提高pfm模式下的频率有助于减少频闪和水波纹，但当平均驱动电流很小时，led调光控制芯片在pfm模式下的工作频率的提高是有限的，通过减小低通滤波带宽以提高pfm模式下的频率稳定度还是必要的技术手段。
53.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。