一种发光二极管电流平衡电路的制作方法

文档序号:8203671
专利名称:一种发光二极管电流平衡电路的制作方法
技术领域
本发明涉及发光二极管驱动技术,特别涉及一种发光二极管电流平衡电路。
背景技术
LED (Light-Emitting Diode,发光二极管)的顺向导通压降在规格书上标示的理 想值是3. 3V,但是LED接上线路后实际的顺向导通压降必然会与3. 3V这个理想值存在误 差,假使存在5%的误差,则LED实际的顺向导通压降可能介于3. 135V 3. 465V。因此,即 使是由相同数量、相同类型的LED串联耦接所形成的灯串(light bar),在各个灯串上仍然 会产生不同的顺向导通压降,如果在各个灯串上施加相同的灯串电压,各个灯串将会因为 实际的顺向导通压降不相同的缘故而使流过各个灯串的电流不相同,当然各个灯串提供的 亮度也就不相同。为了解决灯串实际的顺向导通压降不相同所造成流过的电流不均问题, 电流平衡电路就成为LED灯串的重要的驱动元件。图1为一种现有的单个LED灯串电流平衡电路的电路图。请参见图1,灯串11包 括多个串联耦接的发光二极管Dl Dn(η为正整数),灯串11的顺向导通压降Vfl为每个 发光二极管Dl Dn的顺向导通压降的总和。灯串11的第一端通过接收灯串电压VBUS来 获取导通所需的偏压,灯串11的第二端耦接至电流平衡电路。电流平衡电路包括晶体管Q、 检测电阻R和运算放大器0Ρ,其中,检测电阻R检测流过灯串11的电流值,运算放大器OP 的反相输入端接收检测电阻R所检测流过灯串11的电流值(其对应电流实际值)、非反相 输入端接收控制命令Vset (其对应电流设定值),再根据两者差值从输出端送出信号至晶 体管Q的控制端,以调整晶体管Q的工作点来改变晶体管Q上的压降,进而改变灯串11的 顺向导通压降Vfl,使流过灯串11的电流实际值趋近电流设定值。图2为一种现有的多个LED灯串电流平衡电路的电路图。请参见图2,当使用多个 LED灯串11 Im(m为正整数)时,每个灯串Ii (i为1 m中任一正整数)的第二端均需 要耦接至一个如图1所示的电流平衡电路,使流过每个灯串Ii的电流值趋近控制命令Vset 对应的电流设定值,进而使流过每个灯串Ii的电流值相等或在一定误差范围内(即达到电 流平衡)。当灯串11 Im的数量越大(或m越大)时,所需要的电流平衡电路的个数当然 也越来越多,除了增加成本和线路面积外,每个电流平衡电路也会因为各自所包括的晶体 管Q、检测电阻R及运算放大器OP本身存在的误差造成各个灯串Ii间的电流均流效果变 差。近年来有多款专用的LED控制器22的集成电路已经被设计出来。LED控制器22, 例如将多个如图1所示的电流平衡电路小型化并集成到晶片上,每个电流平衡电路通过 通道端CHi耦接至相应的灯串Ii的第二端,通常还可通过反馈端FB控制DC/DC (Direct Current/Direct Current,直流至直流)转换器21来调整灯串电压VBUS值。虽然集成电 路可达到更精确的控制及更小的线路面积,但集成电路的可靠度却不如传统线路,且因集 成电路可承受的电流和功率损耗有限(一般小于60mA),在高压大电流的LED灯串应用中, 反而还需要外加晶体管和其它元件来平衡电流,对设计者而言,非但不能节省成本,线路更复杂且不容易控制。

发明内容
为了更稳定箝制流过各个灯串的电流且线路简单容易控制,本发明提供了一种发 光二极管电流平衡电路。所述技术方案如下—种发光二极管电流平衡电路,用于驱动多个灯串,每个灯串均包括多个串联耦 接的发光二极管,每个灯串第一端均耦接至一灯串电压。该发光二极管电流平衡电路包 括一电流镜、一参考电流产生器以及一电压补偿电路。电流镜用于在开启时根据 一参考电流产生多个吸取电流,每个吸取电流提供至一相应的灯串的第二端,使流过每个 灯串电流达到平衡,并在关闭时使流过每个灯串的电流值为零。参考电流产生器包括一第 一双极性晶体管、一可调并联稳压器、一第一电阻和一第二电阻,可调并联稳压器具有阴 极端、阳极端和参考端,第一双极性晶体管集电极端耦接至一电源电压和第一电阻的第一 端,第一双极性晶体管的基极端耦接至第一电阻的第二端和可调并联稳压器的阴极端,第 一双极性晶体管的发射极端耦接至可调并联稳压器的参考端和第二电阻的第一端,可调并 联稳压器的阳极端耦接至一接地,第二电阻的第二端输出参考电流。电压补偿电路包括多 个第一二极管、一第二双极性晶体管、一第三电阻至一第八电阻和一第一电容,每个第一二 极管的阴极端耦接至一相应的灯串的第二端,每个第一二极管的阳极端均耦接至第三电阻 的第一端和第四电阻的第一端,第三电阻的第二端耦接至可调并联稳压器的参考端和第五 电阻的第一端,第四电阻的第二端和第五电阻的第二端分别耦接至第二双极性晶体管的基 极端和集电极端,第六电阻的第一端和第二端分别耦接至第二双极性晶体管的发射极端和 接地,第七电阻的第一端耦接至第二双极性晶体管的集电极端和第一电容的第一端,第七 电阻的第二端耦接至第八电阻的第一端,第八电阻的第二端耦接至第一电容的第二端和接 地,第八电阻的第一端输出一补偿信号,补偿信号用于调整灯串电压值。进一步地,电流镜包括多个匹配的第一晶体管和一第二晶体管,每个第一晶体管 和第二晶体管均具有第一端、第二端和控制端,每个第一晶体管的第一端耦接至一相应的 灯串的第二端以提供一相应的吸取电流,第二晶体管的第一端耦接至控制端且耦接至第二 电阻的第二端以接收参考电流,每个第一晶体管和第二晶体管的第二端均耦接至接地,每 个第一晶体管与第二晶体管的控制端彼此耦接。进一步地,每个第一晶体管和第二晶体管均为双极性晶体管或均为场效应晶体 管。进一步地,每个第一晶体管和第二晶体管的第二端均通过一相应的电阻耦接至接地。进一步地,电流镜在第二晶体管的控制端未耦接至接地时开启,并在第二晶体管 的控制端耦接至接地时关闭。进一步地,发光二极管电流平衡电路还包括一过压检测电路,过压检测电路耦接 至每个灯串的第二端,用于在检测到任一灯串的第二端电压超过一过压阈值时输出一错误 信号,错误信号用于使灯串电压值为零。进一步地,过压检测电路包括多个第二二极管、一齐纳二极管、一第九电阻、一第 十电阻和一第二电容,每个第二二极管的阳极端耦接至一相应的灯串的第二端,每个第 二二极管的阴极端均耦接至齐纳二极管的阴极端,齐纳二极管的阳极端耦接至第九电阻的第一端,第九电阻的第二端耦接至第十电阻的第一端和第二电容的第一端,第十电阻的第 二端耦接至第二电容的第二端和接地,第十电阻的第一端输出错误信号。进一步地,在电源电压值小于一恒流阈值时,第一双极性晶体管截止,参考电流产 生器输出的参考电流值由电源电压值所决定,通过可变的电源电压作为调光信号以实现模 拟调光。进一步地,在电源电压值大于一恒流阈值时,第一双极性晶体管导通且可调并联 稳压器正常工作,参考电流产生器输出恒流的参考电流,发光二极管电流平衡电路还包括 一调光电路,调光电路耦接至参考电流产生器和/或电流镜,用于从一调光端接收一脉宽 调制信号并根据脉宽调制信号交替地开启和关闭参考电流产生器和/或电流镜,通过将脉 宽可变的脉宽调制信号作为调光信号以实现数字调光。在这里,“参考电流产生器和/或电 流镜”表示“参考电流产生器”、“电流镜”、“参考电流产生器和电流镜”三者择一。进一步地,电源电压改成耦接至调光端,在脉宽调制信号的占空比大于一占空比 阈值时,脉宽调制信号在高电平致能期间电平为恒压且大于恒流阈值,并在脉宽调制信号 的占空比小于占空比阈值时,脉宽调制信号在高电平致能期间电平为可变的且小于恒流阈 值。本发明因采用的参考电流产生器可提供具有强壮抗电源电压扰动特性的参考电 流供电流镜产生吸取电流到各个灯串,且电流镜采用的架构不受晶体管增益比影响,因此 电流镜可稳定箝制流过各个灯串的电流,并加入电压补偿电路检测各个灯串端点的电压以 便对各个灯串的顺向导通压降进行补偿,除了确保具有不同顺向导通压降的各个灯串均可 点亮外,还可使流过各个灯串的电流更加平衡,而且因不需采用专用的LED控制器且成本 相当低廉并更具有竞争力。


图1是现有技术提供的一种单个LED灯串电流平衡电路的电路图;图2是现有技术提供的一种多个LED灯串电流平衡电路的电路图;图3是本发明实施例1提供的一种LED电流平衡电路的方框图;图4是本发明实施例1提供的一种LED电流平衡电路的电路图;图5是本发明实施例1提供的图4所示的可调并联稳压器的元件符号及功能示意 图;图6A是本发明实施例1提供的图4所示的第一种LED电流平衡电路的信号模拟 图;图6B是本发明实施例1提供的图4所示的第二种LED电流平衡电路的信号模拟 图;图7是本发明实施例1提供的图4所示的LED电流平衡电路的实际信号测量图。附图中,各标号所代表的部件列表如下11 Im:灯串,21 :DC/DC 转换器,22 :LED 控制器,CHl CHm 通道端,FB 反馈端,31 DC/DC转换器,32 参考电流产生器,33 电流镜,34 电压补偿电路,35 过压检测电路,36 调光电路,DIM 调光端,Cl 第一电容,
C2 第二电容,Dl Dn 发光二极管,Dll Dlm 第一二极管,D21 D2m 第二二极管,OP 运算放大器,Q 晶体管,Qll Qlm 第一晶体管,Q22 第二晶体管,Ql 第一双极性晶体管,Q2 第二双极性晶体管,Q3 Q6 晶体管开关,R 检测电阻,Rl RlO 第一电阻 第十电阻,Rll Rim、R22 退化电阻,R31 R34 限流电阻,TLl 可调并联稳压器,ZDl 齐纳二极管,Il Im 吸取电流,Iref 参考电流,VIN 输入电压,VBUS 灯串电压,VCC, VEE 电源电压,VREF 参考电压,Vcomp 补偿信号,Vfl Vfm 灯串导通压降,Vfault 错误信号,Von-off 电源开关信号,Vpwm 脉宽调制(PWM)信号,Vset 控制命令。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。实施例1首先需要说明的是,本领域技术人员都知道双极性晶体管(Bipolar JimctionTransistor,简称BJT)具有第一端(即集电极端)、第二端(即发射极端)和控制 端(即基极端),场效应晶体管(Field-Effect Transistor,简称FET)具有第一端(即漏 极端)、第二端(即源极端)和控制端(即栅极端),电阻(resistor)和电容(capacitor) 均具有第一端和第二端,二极管、发光二极管和齐纳二极管(Zener diode)均具有阳极端和 阴极端,以下不再赘述。图3和图4分别为本发明实施例提供的LED电流平衡电路的方框图和电路图。请 同时参见图3和图4,LED电流平衡电路用于驱动多个灯串11 lm,每个灯串Ii均包括多 个串联耦接的发光二极管Dl Dn,其中m、η均为正整数,i为1 m中任一正整数。每个 灯串Ii均具有第一端和第二端,每个灯串Ii的第一端均通过耦接至灯串电压VBUS来获取 导通所需的偏压。本领域技术人员都知道为了让这些灯串11 Im得以正常工作,在每个 灯串Ii中,发光二极管Dl的阳极端应耦接至灯串Ii的第一端,发光二极管Dk的阴极端应 耦接至发光二极管Dk+Ι的阳极端,且发光二极管Dn的阴极端应耦接至灯串Ii的第二端, 其中,k为1 (n-1)中任一正整数。这些灯串11 Im组成的LED光源可应用作为液晶 显示器的背光源,例如直下式或侧面入光式背光源。LED电流平衡电路包括DC/DC转换器31、参考电流产生器32、电流镜33、电压补偿 电路34、过压检测电路35以及调光电路36。DC/DC转换器31为降压或升压转换器,用于将电源供应器(图3和图4中均未绘 出)提供常见的5V、12V或24V等规格的直流输入电压VIN转换为直流灯串电压VBUS以驱 动灯串11 lm。DC/DC转换器31还接收电源开关信号Von-off、错误信号Vfault和补偿 信号Vcomp。其中,电源开关信号Von-off例如在高电平时可使DC/DC转换器31用于产生 灯串电压VBUS供给灯串11 Im和产生电源电压VCC供给LED电流平衡电路内部电路,并 在低电平时可使DC/DC转换器31不再供电。参考电流产生器32包括第一双极性晶体管Q1、可调并联稳压器(programmableshunt regulat0r)TLl、第一电阻Rl和第二电阻R2。其中,最常见的可调并联稳压器TLl的 集成电路有德州仪器公司生产的TL431,其元件符号如图5左图所示具有阴极端、阳极端和 参考端,其功能示意图如图5右图所示。从图5右图可以看到,可调并联稳压器TLl内部具 有一个恒压源提供固定值2. 5V的参考电压VREF至运算放大器OP的反相输入端,运算放大 器OP的非反相输入端耦接至参考端,只有在参考端电压非常接近参考电压VREF时,晶体管 Q才会有一个稳定的非饱和电流流过,而且随着参考端电压的微小变化,流过晶体管Q的电 流将在IA IOOmA变化。在参考电流产生器32中,第一双极性晶体管Ql的集电极端耦接至直流电源电压 VCC和第一电阻Rl的第一端,第一双极性晶体管Ql的基极端耦接至第一电阻Rl的第二端 和可调并联稳压器TLl的阴极端,第一双极性晶体管Ql的发射极端耦接至可调并联稳压器 TLl的参考端和第二电阻R2的第一端,可调并联稳压器TLl的阳极端耦接至接地,第二电阻 R2的第二端输出参考电流Iref。在电源电压VCC值大于恒流阈值时,第一双极性晶体管Ql导通且可调并联稳压器 TLl正常工作,可调并联稳压器TLl在参考端(或第二电阻R2的第一端)的电压几乎为恒 压并可作为供电给电压补偿电路34的直流电源电压VEE,因此参考电流产生器32由电源电 压VCC供电并可通过设置第二电阻R2的电阻值来设置参考电流Iref值。在第二电阻R2的 电阻值确定后,参考电流Iref值也被确定为恒流,所以参考电流产生器32输出的电压(或 第二电阻R2的第二端电压)也被确定为恒压。参考电流产生器32的恒压、恒流的输出可 使电流镜33更稳定地工作。如果可调并联稳压器TLl以集成电路TL431为例,第一双极性 晶体管Ql导通时集电极端至发射极端压降约IV,可调并联稳压器TLl的参考端的电压约为 2. 5V,因此恒流阈值约为3. 5V。另外,电源电压VCC值必然有一个上限,这个上限主要由第 一双极性晶体管Ql导通时可承受的电流和功率损耗所决定。电流镜33耦接至参考电流产生器32和每个灯串Ii的第二端,用于在开启时根据 参考电流Iref产生多个吸取电流Il im.,每个吸取电流Ii提供至相应的灯串Ii的第二 端,使流过每个灯串Ii的电流达到平衡,并在关闭时使流过每个灯串Ii的电流值为零。在本实施例中,电流镜33包括多个匹配的第一晶体管Qll Qlm和第二晶体管 Q22,每个第一晶体管Qli和第二晶体管Q22均为NPN双极性晶体管并具有第一端(即集电 极端)、第二端(即发射极端)和控制端(即基极端);但并非仅限于此,例如每个第一晶体 管Qli和第二晶体管Q22还可均为N通道场效应晶体管并具有第一端(即漏极端)、第二端 (即源极端)和控制端(即栅极端)。每个第一晶体管Qli的第一端耦接至相应的灯串Ii 的第二端以提供相应的吸取电流Ii,第二晶体管Q22的第一端耦接至控制端并连接成二极 管晶体管(diode-cormectedtransistor)且第二晶体管Q22的第一端还耦接至参考电流产 生器32的第二电阻R2的第二端以接收参考电流Iref,每个第一晶体管Qli和第二晶体管 Q22的第二端均耦接至接地,每个第一晶体管Qli和第二晶体管Q22的控制端彼此耦接。电 流镜33在开启时由于第一晶体管Qll Qlm匹配的缘故,流入第一晶体管Qll Qlm的吸 取电流Il Im值相等或在一定误差范围内(即达到电流平衡),迫使流过每个灯串Ii的 电流同样达到平衡,使灯串11 Im提供均勻的亮度。在本实施例中,每个第一晶体管Qli的第二端还通过相应的电阻Rli耦接至接地, 第二晶体管Q22的第二端还通过相应的电阻R22耦接至接地,电阻Rl 1 Rlm可使第一晶体管Qll Qlm产生的吸取电流Il Im不受晶体管增益比不匹配的影响,因此电阻Rll Rlm被称为退化电阻(degeneration resistor)。另外,通过将第二晶体管Q22的控制端耦 接至接地,使第二晶体管Q22和每个第一晶体管Qli均截止,达到关闭电流镜33的目的;而 当第二晶体管Q22控制端未耦接至接地,使第二晶体管Q22和每个第一晶体管Qli均正常 工作,达到开启电流镜33的目的。电压补偿电路34包括多个第一二极管Dll Dim、第二双极性晶体管Q2、第三电 阻至第八电阻R3 R8和第一电容Cl,每个第一二极管Dli的阴极端耦接至相应的灯串Ii 的第二端,每个第一二极管Dli的阳极端均耦接至第三电阻R3的第一端和第四电阻R4的 第一端,第三电阻R3的第二端耦接至可调并联稳压器TLl的参考端用于接收电源电压VEE, 且第三电阻R3的第二端还耦接至第五电阻R5的第一端,第四电阻R4的第二端和第五电阻 R5的第二端分别耦接至第二双极性晶体管Q2的基极端和集电极端,第六电阻R6的第一端 和第二端分别耦接至第二双极性晶体管Q2的发射极端和接地,第七电阻R7的第一端耦接 至第二双极性晶体管Q2的集电极端和第一电容Cl的第一端,第七电阻R7的第二端耦接至 第八电阻R8的第一端,第八电阻R8的第二端耦接至第一电容Cl的第二端和接地,第八电 阻R8的第一端输出补偿信号Vcomp,补偿信号Vcomp用于调整灯串电压VBUS值。假设每个灯串Ii均包括13个发光二极管Dl D13,理想情况下灯串Ii顺向导通 压降为42. 9V,且假设此时电流镜33的第一晶体管Qli和电阻Rli的压降为IV,所以理想 情况下灯串电压VBUS应为43. 9V且灯串第二端电压应为IV。但是,实际上各个灯串11 Im具有不同顺向导通压降,存在部分灯串(如灯串11)略大于42. 9V,也存在部分灯串(如 灯串12)略小于42. 9V,此时为了使各个灯串11 Im均可点亮,在点灯时施加的灯串电压 VBUS必须略大于43. 9V使灯串11得以点亮,不过这样却造成灯串12的第二端电压太高, 使电流镜33中相应的第一晶体管Qll和电阻Rll压降太高,在灯串11 Im处于电流平衡 下,电流镜33中的第一晶体管Qll和电阻Rll会产生较多的功率损耗而减短使用寿命,因 此本发明实施例通过电压补偿电路34调整灯串电压VBUS值以便在确保各个灯串均可点亮 条件下降低电流镜33的功率损耗。由于理想情况下灯串的第二端电压为IV,且假设第一二极管Dli顺向导通压降为
0.7V,因此理想情况下第一二极管Dli的阳极端电压为1. 7V,当第一二极管Dli的阳极端电 压大于1. 7V时,第二双极性晶体管Q2导通,迫使储存于电容Cl上的电压下降,电容Cl的 压降通过电阻R7和R8分压以输出补偿信号Vcomp ;当第一二极管Dli的阳极端电压小于
1.7V时,第二双极性晶体管Q2截止,电源电压VEE直接通过电阻R5、R7和R8分压以输出 补偿信号Vcomp。理想情况下补偿信号Vcomp电压值约为IV,当补偿信号Vcomp电压值小 于IV时,DC/DC转换器31调低输出的灯串电压VBUS值;当补偿信号Vcomp电压值大于IV 时,DC/DC转换器31调高输出的灯串电压VBUS值。由于电源电压VCC值大于恒流阈值,电 源电压VEE为恒压,假设第二双极性晶体管Q2导通,此时第一二极管Dli的阳极端电压为 (VEE-Vbe2) X [R4+(l+i3) XR6]/[R3+R4+(l+i3) XR6],其中,Vbe2 为第二双极性晶体管 Q2 导通时基极端至发射极端压降,β为第二双极性晶体管Q2共射电流增益。因此,可通过设 置电阻R3、R4和R6的电阻值来设置第一二极管Dli的阳极端电压,例如在大于1. 7V时使 第二双极性晶体管Q2导通,而在小于1. 7V时使第二双极性晶体管Q2截止。过压检测电路35耦接至每个灯串Ii的第二端,用于在检测到任一灯串的第二端电压超过过压阈值时输出错误信号Vault,错误信号Vault用于使灯串电压VBUS值为零。在本实施例中,过压检测电路35包括多个第二二极管D21 D2m、齐纳二极管 ZD1、第九电阻R9、第十电阻RlO和第二电容C2。每个第二二极管D2i的阳极端耦接至相应 的灯串Ii的第二端,每个第二二极管D2i的阴极端均耦接至齐纳二极管ZDl的阴极端,齐 纳二极管ZDl的阳极端耦接至第九电阻R9的第一端,第九电阻R9的第二端耦接至第十电 阻RlO的第一端和第二电容C2的第一端,第十电阻RlO的第二端耦接至第二电容C2的第二 端和接地,第十电阻RlO的第一端输出错误信号Vfault。当灯串11 Im中任一灯串(如 灯串11)的第二端电压超过过压阈值而使得齐纳二极管ZDl崩溃时,灯串11的第二端电压 减去二极管D21顺向压降和齐纳二极管ZDl崩溃电压后的压降将落在第九电阻R9和第十 电阻R10,设置使第十电阻RlO分得的电压(即第十电阻RlO的第一端电压)为高电平,可 表示输出错误信号Vfault。当灯串11 Im中任一灯串的第二端电压未超过过压阈值而 无法使齐纳二极管ZDl崩溃时,将没有压降落在第九电阻R9和第十电阻R10,第十电阻RlO 分得的电压为零或低电平,可表示未输出错误信号Vfault。另外,可通过使用不同崩溃电压 的齐纳二极管来设计不同的过压阈值,即设置当灯串中有多少个发光二极管短路时才输出 错误信号Vfault。在电源电压VCC值大于恒流阈值时,参考电流产生器32输出恒流的参考电流 Iref,使得电流镜33根据参考电流Iref产生的吸取电流Il Im为恒流,因此在电流镜33 开启时将迫使流过灯串11 Im的电流为恒流,即灯串11 Im提供固定不变的亮度,此时 需要采用数字调光实现调整LED光源亮度的功能。数字调光即是通过交替地开启和关闭电 流镜33,使灯串11 Im交替地一下发光(亮)一下不发光(暗),若亮暗的切换频率在 IOOHz以上,人眼将因视觉暂留的影响而感觉不到亮暗的变化,只能感觉到这个变化的平均 值,即人眼只能感受到平均亮度且这个平均亮度与亮暗的比例成正比。因此,通过调整电流 镜33开启和关闭的时间比例,进而调整灯串11 Im亮暗的比例,即可实现以数字调光方 式调整LED光源亮度的功能。在本实施例中,通过调光电路36交替地开启和关闭电流镜33。调光电路36耦接 至参考电流产生器32和/或电流镜33,从调光端DIM接收PWM(Pulse-Width Modulation, 脉宽调制)信号Vpwm,并根据PWM信号Vpwm交替地开启和关闭参考电流产生器32和/或 电流镜33,而通过调整PWM信号Vpwm的脉宽(或占空比)来调整电流镜33开启和关闭的 时间比例。因此,即是通过脉宽可变的PWM信号Vpwm作为调光信号输入调光电路36,以通 过调光电路36交替地开启和关闭电流镜33来实现数字调光功能。在本实施例中,调光电路36包括晶体管开关Q3 Q6和限流电阻R31 R34。在 PWM信号Vpwm为低电平时,晶体管开关Q5截止、Q6导通,电流镜33的晶体管Qll Qlm和 Q22基极端均耦接至接地而截止,不再产生吸取电流111 Ilm,表示电流镜33被关闭。在 PWM信号Vpwm为高电平时,晶体管开关Q5导通、Q6截止,调光电路36不影响电流镜33的 运作,表示电流镜33被开启。另外,在电源开关信号Von-off为低电平时,晶体管开关Q3截 止、Q4导通,参考电流产生器32的第一双极性晶体管Ql的基极端耦接至接地而截止,且可 调并联稳压器TLl的阴极端和阳极端均耦接至接地而使参考电流Iref和电源电压VEE均 为零,表示参考电流产生器32被关闭。在电源开关信号Von-off为高电平时,晶体管开关 Q3导通、Q4截止,调光电路36不影响参考电流产生器32的运作,表示参考电流产生器32被开启。图6A和图6B为图4所示LED电流平衡电路的信号模拟图,其中LED电流平衡电 路驱动6个灯串11 16并设置流过灯串11 16的电流Il 16为20mA。请先参见图 6A,在PWM信号Vpwm的占空比为50%的条件下,可从模拟波形中看出吸取电流Il 16值 均相等或在一定误差范围内(即达到电流平衡),使灯串11 16提供的亮度相等或在一定 误差范围内。请再参见图6B,假使电源电压VCC存在扰动而介于4V 15V,可从模拟波形 中看出吸取电流Il 16值均没有改变,证明本发明实施例提供的LED电流平衡电路具有 强壮的抗电源扰动特性。图7为图4所示LED电流平衡电路的实际信号测量图,其中,LED电流平衡电路驱 动6个灯串11 16并设置流过灯串11 16的电流Il 16为20mA。请参见图7,其为在 PWM信号Vpwm的占空比为1 %、25 %和50 %条件下实际测量流过某一灯串的电流波形,其中 横坐标每格单位为20 μ s,纵坐标每格单位为20mA。可见当PWM信号Vpwm的脉宽改变时, 流过灯串的电流会根据脉宽而改变,且每次改变过程中电流值均可维持在20mA条件下,因 此在脉宽改变时(相当于占空比改变时)仍然拥有相当好的线性有效电流调整。另外,实 际测量流过灯串11 16的电流Il 16分别为19. 8mA、19. 8mA、19. 9mA、19. 9mA、20. 1和 20. 0mA,因此本发明实施例提供的LED电流平衡电路可提供接近1. 5%的电流误差调整率。对于本发明实施例提供的调光方式,上述为采用数字调光(或称为PWM调光),然 而本发明实施例还可采用模拟调光(或称为直流调光)。因为在电源电压VCC值小于恒流 阈值时,第一双极性晶体管Ql截止,参考电流产生器32输出的参考电流Iref值由电源电 压VCC值所决定,因此通过可变的电源电压VCC作为调光信号可实现模拟调光。在采用模 拟调光时,调光电路36中用于数字调光的电路必须使其失效,例如将调光端DIM所接收的 PWM信号Vpwm设置恒为高电平。另外,本发明实施例还可采用数字及模拟混合调光达到更高的亮度对比,此时将 电源电压VCC改成耦接至调光端DIM,并由调光端DIM接收PWM信号Vpwm。在PWM信号Vpwm 的占空比(如50%)大于占空比阈值(如20%)时,PWM信号Vpwm在高电平致能期间电 平为恒压且大于恒流阈值,此时相当于仅采用数字调光。在PWM信号Vpwm的占空比(如 10% )小于占空比阈值(如20% )时,PWM信号Vpwm在高电平致能期间电平为可变的且小 于恒流阈值,且随着PWM信号Vpwm占空比越低,高电平致能期间电平会越低,相当于在采用 数字调光的情形下进一步采用模拟调光以便在低亮度时有更细腻的亮度对比。综上所述,本发明实施例提供的LED电流平衡电路因采用的参考电流产生器提供 具有强壮抗电源电压扰动特性的参考电流供电流镜产生吸取电流到各个灯串,且电流镜采 用的架构不受晶体管增益比影响,因此电流镜可稳定箝制流过各个灯串的电流,并加入电 压补偿电路检测各个灯串端点电压,以便对各个灯串的顺向导通压降进行补偿,除了确保 具有不同顺向导通压降的各个灯串均可点亮外,还可使流过各个灯串的电流更加平衡,而 且因不需采用专用的LED控制器且成本相当低廉并更具有竞争力。以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和 原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发光二极管电流平衡电路,用于驱动多个灯串,每个灯串均包括多个串联耦接 的发光二极管,每个灯串的第一端均耦接至一灯串电压,其特征在于,该发光二极管电流平 衡电路包括一电流镜,用于在开启时根据一参考电流产生多个吸取电流,每个吸取电流提供至一 相应的灯串的第二端,使流过每个灯串电流达到平衡,并在关闭时使流过每个灯串电流值 为零;一参考电流产生器,包括一第一双极性晶体管、一可调并联稳压器、一第一电阻和一第 二电阻,该可调并联稳压器具有阴极端、阳极端和参考端,该第一双极性晶体管的集电极端 耦接至一电源电压和该第一电阻的第一端,该第一双极性晶体管的基极端耦接至该第一电 阻的第二端和该可调并联稳压器的阴极端,该第一双极性晶体管的发射极端耦接至该可调 并联稳压器的参考端和该第二电阻的第一端,该可调并联稳压器的阳极端耦接至一接地, 该第二电阻的第二端输出该参考电流;以及一电压补偿电路,包括多个第一二极管、一第二双极性晶体管、一第三电阻至一第八电 阻和一第一电容,每个第一二极管的阴极端耦接至一相应的灯串的第二端,每个第一二极 管的阳极端均耦接至该第三电阻的第一端和该第四电阻的第一端,该第三电阻的第二端耦 接至该可调并联稳压器的参考端和该第五电阻的第一端,该第四电阻的第二端和该第五电 阻的第二端分别耦接至该第二双极性晶体管的基极端和集电极端,该第六电阻的第一端和 第二端分别耦接至该第二双极性晶体管的发射极端和该接地,该第七电阻的第一端耦接至 该第二双极性晶体管的集电极端和该第一电容的第一端,该第七电阻的第二端耦接至该第 八电阻的第一端,该第八电阻的第二端耦接至该第一电容的第二端和该接地,该第八电阻 的第一端输出一补偿信号,该补偿信号用于调整该灯串电压值。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,该电流镜包括多 个匹配的第一晶体管和一第二晶体管,每个第一晶体管和该第二晶体管均具有第一端、第 二端和控制端,每个第一晶体管的第一端耦接至一相应的灯串的第二端以提供一相应的吸 取电流,该第二晶体管的第一端耦接至控制端且耦接至该第二电阻的第二端以接收该参考 电流,每个第一晶体管和该第二晶体管的第二端均耦接至该接地,每个第一晶体管与该第 二晶体管的控制端彼此耦接。
3.如权利要求2所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,每个第一晶体管 和该第二晶体管均为双极性晶体管或均为场效应晶体管。
4.如权利要求2所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,每个第一晶体管 和该第二晶体管的第二端均通过一相应的电阻耦接至该接地。
5.如权利要求2所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,该电流镜在该第 二晶体管的控制端未耦接至该接地时开启,并在该第二晶体管的控制端耦接至该接地时关 闭。
6.如权利要求1所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,该发光二极管电 流平衡电路还包括一过压检测电路,该过压检测电路耦接至每个灯串的第二端,用于在检 测到任一灯串的第二端电压超过一过压阈值时输出一错误信号,该错误信号用于使该灯串 电压值为零。
7.如权利要求6所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,该过压检测电路包括多个第二二极管、一齐纳二极管、一第九电阻、一第十电阻和一第二电容,每个第二二 极管的阳极端耦接至一相应的灯串的第二端,每个第二二极管的阴极端均耦接至该齐纳二 极管的阴极端,该齐纳二极管的阳极端耦接至该第九电阻的第一端,该第九电阻的第二端 耦接至该第十电阻的第一端和该第二电容的第一端,该第十电阻的第二端耦接至该第二电 容的第二端和该接地,该第十电阻的第一端输出该错误信号。
8.如权利要求1所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,在该电源电压值 小于一恒流阈值时,该第一双极性晶体管截止,该参考电流产生器输出的该参考电流值由 该电源电压值所决定,通过可变的该电源电压作为调光信号以实现模拟调光。
9.如权利要求1所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,在该电源电压值 大于一恒流阈值时,该第一双极性晶体管导通且该可调并联稳压器正常工作,该参考电流 产生器输出恒流的该参考电流,该发光二极管电流平衡电路还包括一调光电路,该调光电 路耦接至该参考电流产生器和/或该电流镜,用于从一调光端接收一脉宽调制信号并根据 该脉宽调制信号交替地开启和关闭该参考电流产生器和/或该电流镜,通过将脉宽可变的 该脉宽调制信号作为调光信号以实现数字调光。
10.如权利要求9所述的一种发光二极管电流平衡电路,其特征在于,该电源电压改成 耦接至该调光端,在该脉宽调制信号的占空比大于一占空比阈值时,该脉宽调制信号在高 电平致能期间电平为恒压且大于该恒流阈值,并在该脉宽调制信号的占空比小于该占空比 阈值时,该脉宽调制信号在高电平致能期间电平为可变的且小于该恒流阈值。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管电流平衡电路,属于发光二极管驱动技术领域。该发光二极管电流平衡电路包括参考电流产生器、电流镜和电压补偿电路。参考电流产生器提供具有强壮抗电源电压扰动特性的参考电流供电流镜产生吸取电流到各个灯串,且电流镜采用的架构不受晶体管增益比影响,因此电流镜可稳定箝制流过各个灯串的电流。电压补偿电路检测各个灯串端点的电压以便对各个灯串的顺向导通压降进行补偿,除了确保具有不同顺向导通压降的各个灯串均可点亮外,还可使流过各个灯串的电流更加平衡。另外,本发明不需要采用专用的LED控制器且成本相当低廉并更具有竞争力。
文档编号H05B37/02GK102111932SQ20091026168
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者李吉欣, 李振强, 林文明, 林立韦, 黄元伯 申请人:冠捷投资有限公司
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