专利名称：增加最大脉宽调制调光率和避免发光二极管闪烁的发光二极管调光控制技术的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及一种电源系统，特别涉及一种发光二极管(LED) 调光控制电路和方法，其允许LED驱动器增加最大脉宽调制(PWM) 调光率和避免LED闪烁。
背景技术：
LED调光控制可以用来提供LED光亮的控制，而不改变LED的 颜色。例如，PWM调光控制利用一个PWM4言号来驱动一 LED。图 1图示了一个PWM调光控制信号，以及LED驱动器的电感电流和通 过PWM输入信号控制的LED电流。LED的电流是可编程的，以到 达最大亮度，然后在一定的占空比范围内"切断"，以到达一个亮度水 平的范围。PWM调光控制信号可以通过一个场效应晶体管施加到 LED。当PWM信号降低时，LED会被关闭。当PWM信号升高时， LED电流将恢复到先前的开态。
PWM调光率和PWM信号的占空比(D)成反比，也就是
PWM调光率=1/D = T^m/TpwmON , 其中，Tpwm是PWM信号的一个周期，和 TpwmON是PWM脉冲宽度。
最大PWM调光率可以基于最大PWM周期和最小PWM脉冲宽 度，以如下公式进行计算
PWM最大调光率— 二 TpWmMAX/TpwmONJVIlN, 其中，Tp，MAX是最大PWM周期，和
TpwmON MiN是最小PWM脉冲宽度。 如图2所示，常规的PWM调光控制，在PWM信号在开态时能够提供LED驱动器操作，而在PWM信号关态时不能进行LED驱动 器操作。在PWM信号的触发沿和电感电流开始上升之间形成了一个 随机的延时Td，电感电流开始上升表示电源开关驱动LED导通的时 刻。经过一个时间段Tr,上升的电感电流达到它的平均值I(L)(ave)。
对于需要大范围光亮控制的应用，最大PWM调光率必需很高。 这就需要LED驱动器能够响应非常低占空比的PWM信号。LED驱 动器必须能够在PWM输入有效的短时间内，从零电感电流转换到最 大电感电流。但是，延时Td减少了时间，这个时间对于LED驱动器 到达最大电感电流是有效时间。因此，必需用一个减小的最大PWM 调光率，以使得LED驱动器具有足够的时间来达到最大电感电流。
另外，如上面所讨论的，延时Td是随机的。延时Td的变化导致 各自LED电流的变化，电流的变化随着LED闪烁能被人眼看到。
因此，需要发明一种新型的PWM调光率控制技术，来增加最大 PWM调光率和避免LED闪烁。
发明内容
本公开内容揭示了一种新型的电路和方法，来提供LED调光控 制。根据本公开内容的一个方面，LED驱动系统包括开关调节器，来 提供电源以驱动LED。该开关调节器包括一开关电路。振荡器提供振 荡信号，以控制开关电路的开关。通过一个脉宽调制(PWM)调光控制 信号来提供调光控制输入，以提供LED的调光控制。调光控制输入施 加PWM调光控制信号，来控制开关电路的开关。提供一个同步电路 使振荡信号到PWM调光控制信号的同步。
特别地，同步电路可以允许开关电路和PWM调光控制信号的触 发沿同步打开。
开关电路可以通过一个锁存器来控制，该锁存器具有一个由振荡 器控制的控制输入。
开关调节器和振荡器可以在LED驱动器芯片上提供。同步电路相 对LED驱动器芯片可以是内部的或外部的。根据本公开内容的一个实施例，同步电路可以包括一个由PWM 调光控制信号控制的单触发电路。该单触发电路可以产生一个输出信 号，来控制锁存器的控制输入。
根据本公开内容的另一实施例，当处于PWM调光控制信号的非 触发部分时，同步电路可以保持锁存器的控制输入位于第一电平，并 且允许控制输入达到第二电平，第二电平引起开关电路迅速导通，以 响应PWM调光控制信号的触发沿。
根据本公开内容的一个进一步的实施例， 一个外部同步电路可以 包括一个MOSFET和一个电容部件，以施加PWM信号到时标电阻， 时标电阻支持振荡器的工作。
根据本公开内容的一个方法，使用PWM调光控制信号，执行以 下步骤来提供LED的调光控制
-使用一个由振荡信号控制的开关电路来驱动LED,并且 -使振荡信号到PWM调光控制信号同步。
开关电路可以和PWM调光控制信号的触发沿同步的打开。
本领域的技术人员通过下面的详细描述，将更容易的理解本公开 内容另外的优点和方面，其中，本公开内容实施例的图示和描述，简 单地通过示例实施本/^开内容的最佳实施方式。正如将要描述的，只 要不偏离本公开内容的精神，本公开内容还可以有其他不同的实施例， 它的一些细节在各种明显的方面可以容易地进行调整。因此，附图和 描述本质上应该认为是示例性的，而不是限制性的。
本公开内容实施例中接下来的详细描述，结合以下附图，能够得 到最佳的理解，特征并没有按照必要的比例绘制，而是能够最佳的示 例相关特征，其中
图l示例了 PWM调光控制信号的波形图，和由PWM调光控制 信号控制的电感电流与LED控制电流。
图2显示了常规的PWM调光控制波形图。图3显示了本公开内容的一个LED驱动电路的例子。 图4示例了同步调光控制技术的波形图。
图5A和5B分别显示了本公开内容同步调光控制技术的第一个实 施例的电路和波形。
图6A和6B分别显示了本公开内容同步调光控制技术的第二个实 施例的电路和波形。
图7A和7B分别显示了本公开内容同步调光控制技术的第三个实 施例的电路和波形。
对实施例的详细i兌明
本公开内容以如图3所示的LED驱动电路10的例子进行i兌明。 很显然，不管如何，这里描述的概念可以应用到任意一个具有LED调 光控制机制的LED驱动器。
LED驱动电路LED10可以在一个芯片上提供，芯片可以具有一 个输入辅助电路来支持外部LED调光控制。输入辅助电路可以包括一 个运算放大器12，运算放大器12安置在一个负反馈环中。运算放大 器12的非反转输入提供一个参考电压Vrefl,而反向输入连接到节点 Y。如下面讨论的更多细节，节点Y(如果制作在LED驱动电路外部) 可以通过外部电路来控制，以同步PWM触发沿到一个新的振荡循环 的开始。运算放大器12的输出驱动双极晶体管Ql的基极，因此在连 接到Ql发射极的节点Y产生一个电压，这个电压等于放大器12的非 反转输入端的电压。通过一个电阻R,节点Y接地。节点Y可以在关 于LED驱动电路芯片的外部，以允许一个外部电路来控制节点Y。
Ql的集电极连接到一个电流源14，电流源14和一个电容器C耦 合。屯流Iq尸Vy/R，通过晶体管Ql的电流定义了电流源14产生的、 对电容C充电的电流，其中，Vv是在输入端Y的电压，R是电阻R 的电阻值。电流源14和电容C设置在斜坡振荡电路中，斜坡振荡电 路在电流源14和电容C之间的节点OSC产生锯齿振荡信号。
振荡信号施加到比较器16的反向输入。比较器的非反转输入端施加一个参考电压Vref2。节点X连接到比较器16的输出端。如下面讨 论的更多细节，节点X可以由LED驱动电路芯片内部的各种同步电 路来控制。同步电路可以控制节点X，以4吏得在每一个PWM触发沿 使振荡器复位和电源控制锁存器复位同步。本领域的技术人员会认识 到，本公开内容的LED驱动电路芯片可以通过插脚Y支持外部PWM 调光同步控制，或通过节点X支持内部PWM调光同步控制。
比较器16的输出也连接到反向器18,然后驱动双极晶体管Q2 的基极。当比较器16的反向输入端电压变成高于参考电压Vref2时， 比较器16的输出变成低电平。因此，电连接到比较器16的反向器18 的输出变成高电平，并导通双极晶体管Q2。当晶体管Q2导通时，会 导致电容器C的一个急剧放电，下拉节点OSC，节点OSC驱动比较 器16的反向输入。
当比较器16的反向输入端的电压下降至低于非反转输入端的参 考电压Vref2时，比较器16的输出变成高电平，导致反向器18的输 出为低电平。因此，晶体管Q2关断，以重复振荡循环。
反向器18的输出连接至RS锁存器20的复位输入R, RS锁存器 20控制一开关调节器的电源开关22，该开关调节器给一个或多个LED 提供电源。如图3所示，电源开关22电连接到开关调节器输出24， 开关调节器输出24给一个或多个LED26提供电源。
本领域的技术人员将会意识到，开关调节器是一个DC/DC转换 器，可以作为一个或更多LED26的电源。例如，开关调节器可以作为 一个或更多LED26的恒流源，本^S开内容的LED调光控制可以通过 任意类型的开关调节器执行。特别是，作为一个或更多LED26的开关 调节器，可以具有降压(buck)、升压(boost )、反相(buck-boost )、 反激(flyback)或单端初级电感转换器(SEPIC)结构。开关调节器 可以配置成提供多个输出以支持多个LED26。
例如，在一个开关转换器的降压结构中，电源开关22可交替地使 输入电压连接到开关调节器的电感，和与开关调节器的电感断开连接。 在一个升压或反相结构中，电源开关22会导致电感电流在开态时的上升，和电感电流在关态时的降低。在一个开关调节器的反激构造中，
处于开态的电源开关22强迫输入电压通过变压器的初级绕组，增加了 通过绕组的电流。处于关态时，电源开关22会降^f氐初级绕组中的电流。 对于本领域的技术人员而言，这些结构中的任意开关调节器的操作细 节都是熟知的。
电源开关22连接到锁存器20的^输出。随着OSC节点的振荡信
号，锁存器20的R输入端的信号，从低电平到高电平，然后反复，
试图不断地复位锁存器20。但是，正如接下来将要更加详细讨论的，
信号高的时间比低的时间短的多。当锁存器由R输入端的高电平复位 时，电源开关22导通。双极晶体管Q3连接到锁存器20的^输出和锁
存器的R输入之间的反馈环内，以延迟激发电源开关22,直到锁存器 20的复4立完成。
当R输入变成高电平时，电源开关22可以在每一个振荡循环导 通，除非提供到锁存器20的设置输入端S的一个控制信号阻止电源开 关22在下一个周期导通。同时，该控制信号可能会限制电源开关22 的占空比。提供到S输入端的控制信号可以由一个开关调节器的控制 电路28产生，以关断电源开关22。例如，在开关调节器的电流模式， S输入端的控制信号可定义开关22的限定电流。如果调节器的电流到 达了限定电流，提供到S输入的控制信号关断电源开关22。
PWM调光控制可以通过PWM输入来实现，PWM输入由PWM
调光控制信号产生。通过一个反向器30， PWM输入可以驱动双极晶 体管Q4的基极，Q4的集电极连接到锁存器20的g输出。当PWM信 号在低电平时，反向器30驱动晶体管Q4的基极至高，导致g输出变
成低电平。因此，电源开关22的非接通被允许。当PWM信号变成高 电平时，反向器30驱动晶体管Q4的基极至低，释放g输出，以允许 锁存器20的R和S输入控制3输出。
如上面所讨论的，传统的PWM调光控制包括，在PWM调光控 制脉冲处于开态时，允许LED驱动器工作(例如，允许电源开关22 的接通)，而在PWM调光控制脉冲处于关态时，不允许LED驱动器工作(例如，阻止电源开关22的接通)。例如，根据传统的异步调光 控制技术，PWM调光控制信号可施加到锁存器20的g输出。
图4示例两种最坏的情况，在节点OSC处的振荡信号和根据异步 调光控制技术的PWM触发沿同步。图4中的波形图表现了 PWM调 光控制信号和OSC节点的信号、锁存器20的R输入、和锁存器20 的g输出之间的时态关系。如果节点OSC处的振荡信号在循环的末端，
并且在PWM调光控制信号一变成有效就复位锁存器20，那么，电源 开关22几乎立即打开，例如，PWM信号的触发沿和g输出的信号(导
通开关22的信号)之间的延时Td大约为零。然而，如果节点OSC 处的振荡信号在PWM信号变成有效之前刚刚完成一个循环，在另一 个复位脉冲施加到锁存器20的R输入端之前，LED驱动器必须要停 下来等候一个完整的振荡周期。因此，延时Td约为1/Fosc，其中， Fosc是节点OSC处振荡信号的频率。在高PWM调光率时，Td的变 化可能引起可^L的LED闪烁。
为了增加最大PWM调光率和避免LED闪烁，本y〉开内容的 PWM调光控制技术，使用将节点OSC的振荡信号同步到PWM调光 控制信号。因此，电源开关22将与PWM调光控制信号的触发沿同步 地导通，以减小延时Td的变化。为了执行本公开内容的同步技术的 示例实施方式在图5A、 6A和7A中示意。这些实施方式的操作通过图 5B、 6B和7B中的相应波形图来解释。图5B、 6B和7B中的波形图 表现了 PWM调光控制信号和节点OSC的信号、R输入、以及g输出
之间的时态关系。
如图5A所示，将振荡信号同步到PWM调光控制信号的电路， 包括一单触发电路502，单触发电路502驱动双极晶体管504，双极晶 体管504具有一集电极耦合到图3中的节点X。单触发电路502和晶 体管504可以在LED驱动电路控制芯片中提供，来支持LED驱动电 路10的内部PWM调光控制。
对PWM调光控制信号(图5B)的触发沿的响应，单触发电路 502产生一个单触发脉冲，其复位锁存器20,并且使振荡器放电到一个起始点，其后导通电源开关22。因此，PWM信号触发沿和g输出 处的信号之间的延时Td将不依赖于Fosc。延时Td的值通过单触发信 号的持续时间来定义。因此，Td的变化将是最小的。
参考图6A,显示了本公开内容的另一个实施例，同步电路可以包 括一施加了 PWM调光控制信号的反向器602。反向器602的输出驱 动双极晶体管604的基极，双极晶体管604具有一集电极耦合到图3 中的节点X。反向器602和晶体管604可以在LED驱动电路控制芯片 中提供，来支持LED驱动电路10的内部PWM调光控制。
如图6B所示，在PWM信号的无效期间，节点X处的信号保持 锁存器20的R输入在一个高电平。然后，依次的，在一个新振荡循 环的起始点，保持振荡信号在一个低电平。对PWM信号的触发沿的 响应，晶体管Q3(图3)关闭，以允许5输出足够快速的升高，来复
位锁存器20，并导通电源开关22。因此，延时Td由最小的传送延迟 定义。其变化将是可忽略的。
图7A中的实施方式示意了一种LED驱动电路10的外部调光控 制技术。 一 个在关于LED驱动器芯片外部的同步电路包括一 MOSFET 晶体管702，其用电容704连接到时标电阻706，时标电阻706可以在 LED驱动器中提供。例如，时标电阻706可以支持振荡器的操作。一 个外部的PWM调光控制信号可以驱动MOSFET晶体管，在时标电 阻706上产生一个脉冲，时标电阻706连接到图3中的节点Y。这个 脉冲导致振荡器中额外的电流，控制施加于振荡器的斜率信号，以迅 速地越过在振荡循环的终点达到的电平(图7B)。因此，通过R输入 端的信号，锁存器迅速复位，以允许电源开关22导通。延时Td将是 最小的，并且其由振荡器斜率充电延迟来定义。其变化也是最小的。
因此，本公开内容的调光控制技术提供了振荡信号到PAVM调光 控制信号的同步。因此，电源开关22的导通与PWM调光控制信号同 步。所以，延时Td可以被最小化，以增加最大PWM调光率。同样， 延时Td的变化也可以最小化，以避免LED闪烁。
前面的描述示意和描述了本发明的各方面。加之，本公开内容示意和描述的仅仅是推荐实施例，正如前面所提到的，可以理解，本发 明能够用于各种其他的组合、调整、和环境，能够在本发明这里所表 达的发明构思的范围内、按照上面的教导和/或相关领域的技术或知 识，进行改变和调整。
这里上面所描述的实施例，是为了进一步解释对于实施本发明的 最好的实施方式，能够使其他本领域的技术人员，通过这样或那样的 实施例，以及对本发明的特别应用和使用所需要的各种修改，利用本 发明。
因此，这里的描述并不是为了限定本发明为所公开的形式。同时， 是为了将权利要求书解释为包括各种替代实施方式。
权利要求
1、一种驱动发光二极管(LED)的系统，包括提供电源来驱动LED的开关调节器，所述开关调节器包括开关电路；提供振荡信号的振荡器，以控制所述开关电路的开关；适合提供有脉宽调制(PWM)调光控制信号的调光控制输入，调光控制输入配置成施加所述PWM调光控制信号到开关电路的控制开关，和同步电路，将同步所述振荡信号到所述PWM调光控制信号。
2、 如4又利要求1所述的系统，其中，同步电路配置成和所述PWM 调光控制信号同步地导通开关电路。
3、 如权利要求2所述的系统，其中，同步电路配置成和所述PWM 调光控制信号的触发沿同步地导通开关电路。
4、 如权利要求l所述的系统，进一步包括一锁存器，锁存器具有 一个由振荡控制的控制输入端，以导通开关电路。
5、 如权利要求4所述的系统，其中，开关调节器和振荡器形成在 LED驱动器芯片中。
6、 如权利要求5所述的系统，其中，同步电路是关于LED驱动 器芯片的内部电路。
7、 如4又利要求6所述的系统，其中，同步电路包括由所述PWM 调光控制信号控制的单触发电路。
8、 如权利要求7所述的系统，其中，单触发电路配置成产生一个 输出信号，以控制锁存器的控制输入。
9、 如权利要求6所述的系统，其中，同步电路配置成在PWM调 光控制信号无效期间，保持锁存器的控制输入在第一电平，并且允许 控制输入跃迁到第二电平，由此导致开关电路导通，以响应PWM调 光控制信号的触发沿。
10、 如权利要求5所述的系统，其中，同步电路是关于LED驱动器芯片的外部电路。
11、 如权利要求IO所述的系统，其中，同步电路配置成控制振荡器。
12、 如权利要求11所述的系统，其中，同步电路包括一电容部件， 以施加所述P W M信号到时标电阻，时标电阻支持振荡器的工作。
13、 一种使用PWM调光控制信号进行LED调光控制的方法，包 括以下步骤使用由振荡器控制的开关电路驱动LED，和 同步振荡器到PWM调光控制信号。
14、 如权利要求13所述的方法，其中，开关电路的开关同步到 PWM调光控制信号的边沿。
全文摘要
在LED驱动系统中用来提供LED调光控制的电路和系统，具有用于提供电源来驱动LED的开关调节器。开关调节器包括施加振荡信号至开关电路的控制开关的开关电路。调光控制输入由脉宽调制(PWM)调光控制信号提供，来提供LED的PWM调光控制。调光控制输入施加PWM调光控制信号到开关电路的控制开关。同步电路将振荡信号同步到PWM调光控制信号。
文档编号H05B33/08GK101438623SQ200680054568
公开日2009年5月20日 申请日期2006年9月1日 优先权日2006年3月13日
发明者马克·W·摩洛赛克 申请人:线形技术公司