专利名称：Led背光驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种LED (Light Emitting Diode (发光二极管))驱动器。更具体地， 本发明的某些实施方案涉及使用NPN双极型晶体管(BJT)来驱动LED串，以最少化高电压驱动电压引脚并且降低短路风险。
背景技术：
直到最近，主要与电子设备和玩具中的简单指示灯相关联的基于半导体的固态照明Gemiconductor-based Solid-state Lighting,SSL)已变得与其他照明技术同样明亮， 并且更有效率。特别地，在过去的几年中，LED已经获得了巨大的技术改进。LED已可用于各种波长并且适用于白色照明。LED的寿命也被延长到大于10万小时，并且能够工作于输入功率高达许多瓦的情况。LED被串联地连接成LED串，以在照明(lighting)应用中使用。用来作为指示灯的常规LED以低电压和电流(例如1.5V，10mA)操作，并且恒定直流电流(DC)源足以驱动这些指示LED。然而，用于背光或照明的LED串中的每个大功率LED在任何场合都要求在 35-1400mA范围内的额定电流、3V的正向电压降和大的制造容差。该LED串必须用大功率电子线路驱动，以提供受控LED电流并且避免串联寄生电阻的功率损耗。为了避免串联电阻中的损耗，LED串由转换模式电源供电，并且当多于一个的串存在时，线性稳流器一般被用来稳定LED输出电流。标准的降压、升压以及降压-升压DC/DC 转换器拓扑结构可以被用来提供LED所需的供给电压。图1图示说明包括LED驱动器电子线路102和LED串104的标准LED照明系统 100，该LED驱动器电子线路102和该LED串104在两个单独的电子线路板上实现。驱动器电子线路板102和LED串板104被进一步封装到使用线缆的系统中。在LED串板104上的两个图示说明的LED串共用共同的电源120，并且具有单独的引脚122和引脚124以使电流流过(to drain the current)。LED驱动器电子线路板102的核心是LED驱动控制器 106，该LED驱动控制器106接收适当的电源和数字控制，并且产生在升压转换器结构中偏置LED驱动晶体管108和110所需的模拟电压。LED驱动晶体管108和110是两个NPN双极型晶体管，每个NPN双极型晶体管驱动一单独的LED串。尽管大多数驱动器电子线路被集成在驱动控制器芯片106上，但对于LED驱动晶体管108和110，分立元件是优选的，这是由于它们处理大电流的能力。驱动晶体管108和110通过到驱动集成电路(IC) 106的三个引脚(集电极、基极和发射极)的连接与LED驱动器电子线路板102集成。LED串板104 的漏电流与驱动晶体管108和110的集电极122和124连接。由驱动晶体管108和110提供的电流范围从30mA到350mA以满足各种应用(比如笔记本型计算机、液晶显示器(LCDmonitors)或平板电视)的要求。为了在背光显示器(display)中使用，标准LED照明系统100不得不解决几个问题。在LED驱动器电子线路102中，LED驱动电流应当按照需求被监控和控制。只有当最佳升压输出电压被应用以使驱动晶体管108和110的集电极上的电压最小化，系统效率才是最佳的。定制的驱动控制器芯片106的引脚的减少常常是合乎期望的。特别地，驱动晶体管的模拟引脚的减少是高度优选的，因为其能大大地降低芯片106的成本。在这个升压转换器结构中，高端电源120和低端电流吸收端(sinks) 122和IM两者都在高的模拟电压水平，并且，就涉及在电子线路板或芯片之间的嵌入式系统集成而言，将它们短路到地的风险一直存在。
发明内容
本发明涉及一种使驱动器电子引脚数量和LED短路的风险最小化的LED驱动器。 在这种LED驱动器中，NPN双极型晶体管被用于升压转换器结构中，以驱动背光显示应用中的LED串。本发明允许将控制每个晶体管的控制器集成电路所需要的引脚数量从3减少到 2。驱动电流从NPN晶体管被注入到LED串，并且更进一步的流出到地。每个LED串被连接在NPN晶体管发射极和地之间，只具有一个高电压节点并且在系统集成期间使高电压节点短路到地的风险最小化。本领域技术人员可以了解到，类似的升压转换器LED驱动器可以使用N-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-Channel Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor, N-沟道M0SFET，NMOS晶体管)来实现。为了产生相同LED照明密度，在结构保持相同的同时，晶体管尺寸、控制电压水平和外围电子组件必须被调整。本发明的某些特征和优点在本发明内容部分中已被一般性地描述；然而，基于附图、说明书及其权利要求书，附加的特征、优点和实施方案在本文中被呈现，或者对于本领域普通技术人员将是清晰的。因此，应当理解的是，本发明的范围不应该被本发明内容部分中公开的特定的实施方案所限制。
将参考本发明的实施方案，本发明的实施例可以以所附的附图来图示说明。这些附图旨在是图示说明性的，而不是限制性的。尽管本发明在这些实施方案的上下文中被一般性地描述，应当可以理解的是，并不意图将本发明的范围限制到这些特定的实施方案。图1根据本发明的各个实施方案图示说明LED照明系统的方框图。图2根据本发明的各个实施方案图示说明基于PNP双极型晶体管的升压转换器 LED驱动器的方框图。图3根据本发明的各个实施方案图示说明基于NPN双极型晶体管的升压转换器 LED驱动器的方框图。
具体实施例方式本发明的实施方案为LED驱动器提供系统、装置和方法。在随后的说明中，出于解释的目的，具体细节被阐述以提供对本发明的理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显然本发明可以没有这些细节而被实践。本领域的技术人员将认识到，在下面被描述的本发明的实施方案可以以各种方式并且使用各种方法而被执行。本领域技术人员也将认识到， 附加的修改、应用和实施方案在本发明的范围之内，其他的领域也一样，在所述其他的领域中本发明可以提供实用性。因此，下面被描述的实施方案是图示说明本发明的具体的实施方案，并且是要避免模糊本发明。说明书中引用的“一个实施方案”或“实施方案”意味着与实施方案有关的被描述的特定特征、结构、特性或作用被包括在本发明的至少一个实施方案中。在说明书中的各个位置出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”或类似的短语不是一定都是指相同的实施方案。图2图示说明现有技术的基于PNP双极型晶体管202的升压转换器LED驱动器系统200的概念性方框图。PNP双极型晶体管202以共集电极(CC)结构来连接。LED串板 204中的每个LED串的两端都具有非零偏置，并且有时具有高电压偏置；并且范围从30mA 到350mA的大电流通过串的端。与LED驱动器电子线路板240集成的LED串板204要求附加的短路保护。在特定实施方案中，当连接驱动器板与LED板的导线意外地接触地时，意外的短路在LED电压源2 和地之间发生。在电压源和地之间的这种短路将在PNP晶体管内引起灾难性的故障。由于这个原因，采用这种设计时，需要附加的保护电路，以防止这样的事件。图3图示说明基于NPN双极型晶体管302的升压转换器LED驱动器系统300的方框图。多个LED串存在于该系统中，并且，每个串由单独的晶体管302和电阻306驱动。 NPN双极型晶体管302以共集电极(CC)结构来连接。当注入发射极320的电流以增益β 放大基极电流时，发射极320和基极322之间的电压增益近似等于1。因此，一般LED串由从驱动集成电路308被注入的基极电流的100-150倍的电流驱动。类似于LED驱动器系统 200，LED驱动器系统300只需要驱动集成电路308的两个引脚来控制每个NPN晶体管302。 LED驱动器电子线路板340和LED串板304针对每个LED串共用仅仅一个高电压大电流节点320，并且LED串的低端共用共同的到地的连接。在特定实施方案中，如果节点320由于导线接触被短接到地，驱动集成电路308可以通过检测通过电阻306的LED电流的升高来检测这个故障，并且因此禁用(Clisable)NPN晶体管302以保护整个系统。结果是，基于NPN 的LED系统300不需要附加的短路保护。除了降低短路风险的益处之外，升压转换器LED驱动器300提高了成本效益。NPN 双极型晶体管的分立元件比PNP双极型晶体管的分立元件花费少得多。背光显示应用要求多个LED串并且费用可以被显著地减少。升压转换器LED驱动器300，类似驱动器200，也提供一 LED故障检测/保护和效率最优化的简易实现。在一个实施方案中，如果为保持当前的LED电流(在电阻306上被检测到)在NPN晶体管的基极(32 上所需要的电压超过某一阈值，LED短路事件被驱动集成电路308检测到。LED开路事件通过检测电阻306上的低电流而被检测到。在两种情况下，驱动集成电路308可以通过使NPN晶体管302截止来禁用有故障的串。此外，升压转换器LED驱动器300允许LED供给电压最优化以使效益最大化，因为LED电源电压可以被减少，直到在节点3M和322之间的电压差尽可能低，同时，对在它们的有效区域中的所有串来讲，LED供给电压又足够高以维持NPN晶体管302。
本领域技术人员将认识到，前述的升压转化器可以由N-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-沟道MOSFET，NMOS晶体管)实现。NMOS晶体管以共漏极结构(源极跟随器)来连接。驱动器输出电压依循由驱动集成电路产生的NMOS栅极电压，并且被注入到 LED串中的电流由驱动输出电压确定。相比于基于BJT的放大器，基于MOSFET的放大器可能已限制电流驱动能力；然而，基于NMOS的升压转换器更易于使用大功率晶体管来实现， 比如通过一些模拟技术提供的漏极扩展的NMOS晶体管或双扩散NMOS晶体管。因此，基于 NMOS的升压转换器可以被集成到驱动集成电路芯片中，并且通过使用单片功率晶体管所引起的有限的费用增加易于通过节约封装成本来补偿。引脚数量进一步被减少到一个(LED 驱动电压)，并且一个与LED串板的高电压连接的益处被保留。本领域技术人员还将认识到，上面所描述的结构和方法可以被应用于很多不同类型的包括分离和不分离拓扑结构二者的LED驱动电路。例如，返驰式拓扑结构(flyback topology)中的分离的LED驱动器也可以用上面所描述的性能增强来实现。本领域技术人员将认识到，其他组件和功能可以被嵌入到附图中所示的具体的实施例中。此外，这些实施例可以被修改以处理不同功率特性的LED或LED串。本领域技术人员将理解的是，前述的实施例和实施方案是示例性的并且是出于清楚和理解的目的，而不限制本发明的范围。意图的是，对本领域技术人员而言，在阅读说明书和学习附图的基础上，对本发明的所有排列、改善、等同形式、组合和改进是显而易见的， 并且所有排列、改善、等同形式、组合和改进被包括在本发明的实质精神和范围之内。因此， 意图的是，以后的非临时申请中的权利要求书将包括只要落在本发明的实质精神和范围之内的所有这样的修改、排列和等同形式。
权利要求
1.一种LED驱动器系统，所述LED驱动器系统包括驱动集成电路，所述驱动集成电路被耦合到电压源，所述驱动集成电路产生基极电压并且感测集电极电压；NPN双极型晶体管，所述NPN双极型晶体管被耦合到所述驱动集成电路，所述NPN双极型晶体管由分别在集电极和基极处的所述集电极电压和所述基极电压驱动，以根据共集电极结构在发射极产生LED电流；LED串，所述LED串被耦合到所述NPN双极型晶体管，所述LED串被偏置在所述NPN双极型晶体管的所述发射极和地之间并且由所述LED电流驱动；以及串联电阻，所述串联电阻被耦合在所述电压源和所述NPN双极型晶体管之间，所述串联电阻具有优选的电阻值，所述优选的电阻值至少部分地控制通过所述NPN双极型晶体管的所述LED电流。
2.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其中所述驱动集成电路感测所述基极电压和所述集电极电压，以为所述LED串检测开路和短路。
3.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其中所述LED串平行于包括至少一个LED并且也被偏置在所述NPN双极型晶体管的所述发射极和地之间的平行的串。
4.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其中所述NPN双极型晶体管与所述驱动集成电路集成在一封装中。
5.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其中所述驱动集成电路、所述NPN双极型晶体管和所述串联电阻被封装在一 LED驱动器电子线路板上，从而在所述LED驱动器电子线路板和所述LED串的接口处使用一个高电压引脚。
6.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其中所述NPN双极型晶体管以所述共集电极结构连接，其中在所述发射极和所述基极之间的电压增益近似等于1，并且所述LED电流是从注入所述基极的电流被放大的。
7.如权利要求1所述的LED驱动器系统，进一步包括第二 NPN双极型晶体管，所述第二 NPN双极型晶体管被耦合到所述驱动集成电路，所述第二 NPN双极型晶体管由分别在第二集电极和第二基极处的第二集电极电压和第二基极电压驱动，以根据所述共集电极结构在第二发射极产生第二 LED电流；第二 LED串，所述第二 LED串被耦合到所述第二 NPN双极型晶体管，所述LED串被偏置在所述第二发射极和地之间并且由所述第二 LED电流驱动；以及第二串联电阻，所述第二串联电阻被耦合在所述电压源和所述第二 NPN双极型晶体管之间，所述第二串联电阻具有第二优选的电阻值，所述第二优选的电阻值至少部分地控制通过所述第二 NPN双极型晶体管的所述第二 LED电流；其中所述驱动集成电路产生所述第二基极电压并且感测所述第二集电极电压。
8.一种LED驱动器系统，所述LED驱动器系统包括驱动集成电路，所述驱动集成电路被耦合到电压源，所述驱动集成电路产生栅极电压并且感测漏极电压；NMOS晶体管，所述NMOS晶体管被耦合到所述驱动集成电路，所述NMOS晶体管由分别在栅极和漏极处的所述栅极电压和所述漏极电压驱动，以根据共漏极结构在源极产生LED电流；LED串，所述LED串被耦合到所述NMOS晶体管，所述LED串被偏置在所述NMOS晶体管的所述源极和地之间并且由所述LED电流驱动；以及串联电阻，所述串联电阻被耦合在所述电压源和所述NMOS晶体管之间，所述串联电阻具有优选的电阻值，所述优选的电阻值至少部分地控制通过所述NMOS晶体管的所述LED电流。
9.如权利要求8所述的LED驱动器系统，其中所述驱动集成电路感测所述栅极电压和所述漏极电压，以为所述LED串检测开路和短路。
10.如权利要求8所述的LED驱动器系统，其中所述LED串平行于包括至少一个LED并且也被偏置在所述NMOS晶体管的所述源极和地之间的平行的串。
11.如权利要求8所述的LED驱动器，其中所述NMOS晶体管被集成在所述驱动集成电路中。
12.如权利要求8所述的LED驱动器系统，其中所述驱动集成电路、所述NMOS晶体管和所述串联电阻被封装在一 LED驱动器电子线路板上，从而在所述LED驱动器电子线路板和所述LED串的接口处使用一个高电压引脚。
13.如权利要求8所述的LED驱动器系统，进一步包括第二 NMOS晶体管，所述第二 NMOS晶体管被耦合到所述驱动集成电路，所述第二 NMOS 晶体管由分别在第二漏极和第二栅极处的第二漏极电压和第二栅极电压驱动，以根据共漏极结构在第二源极产生第二 LED电流；第二 LED串，所述第二 LED串被耦合到所述第二 NMOS晶体管，所述LED串被偏置在所述第二源极和地之间并且由所述第二 LED电流驱动；以及第二串联电阻，所述第二串联电阻被耦合在所述电压源和所述第二 NMOS晶体管之间， 所述第二串联电阻具有第二优选的电阻值，所述第二优选的电阻值至少部分地控制通过所述第二 NMOS晶体管的所述第二 LED电流；其中所述驱动集成电路产生所述第二栅极电压并且感测所述第二漏极电压。
14.一种驱动LED的方法，所述驱动LED的方法包括步骤将LED串的低端耦合到地，所述LED串包括至少一个LED ；经由高电压引脚，将所述LED串的高端耦合到LED驱动器电子线路，所述LED驱动器电子线路包括在一线性区间中起作用并且产生LED电流的晶体管；以及从所述LED串的所述高端到所述低端注入所述LED电流。
15.如权利要求14所述的驱动LED的方法，其中所述晶体管是以共集电极结构被连接的NPN双极型晶体管，所述NPN双极型晶体管的所述发射极被连接到所述高电压引脚，以注入所述LED电流。
16.如权利要求14所述的驱动LED的方法，其中所述晶体管是以共漏极结构被连接的 NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的所述源极被连接到所述高电压引脚，以注入所述LED电流。
17.如权利要求14所述的驱动LED的方法，其中所述LED驱动器电子线路进一步包括驱动集成电路和串联电阻，所述驱动集成电路、所述串联电阻和所述晶体管被集成在所述 LED驱动器电子线路的基板上。
18.如权利要求17所述的驱动LED的方法，其中所述串联电阻被偏置在电源和控制电压之间，并且在所述串联电阻上的电压降被用来控制所述LED电流并且检测所述LED串的开路和短路。
19.如权利要求14所述的驱动LED的方法，其中所述LED串平行于包括至少一个LED 并且也被偏置在所述高端和低端之间的平行的串。
20.如权利要求14所述的驱动LED的方法，进一步包括步骤 将第二 LED串的低端连接到地；经由第二高电压引脚，将第二 LED串的高端连接到所述LED驱动器电子线路，所述LED 驱动器电子线路进一步包括在一线性区间中起作用并且产生第二 LED电流的第二晶体管； 以及通过所述第二晶体管，从所述第二 LED串的所述高端到所述低端注入所述第二 LED电流。
全文摘要
本发明涉及一种LED驱动器，所述LED驱动器使所述驱动器电子引脚数量最小化并且集成了短路保护特征。NPN双极型晶体管被采用于升压转换器结构中，以驱动背光显示应用中的LED串。所述双极型晶体管通过两个引脚与所述驱动器电子线路集成。驱动电流从所述NPN晶体管被注入到所述LED串，以最少化每个LED串的高电压连接至一个。
文档编号H05B37/02GK102467885SQ201110344469
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月3日 优先权日2010年11月11日
发明者P·比安科, S·卡萨拉 申请人:美信集成产品公司