专利名称：低emi驱动器电路的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于向电负载提供调制供电电流的驱动器电路的领域，尤其涉及用于向LED器件提供调制电源电流的LED驱动器电路。
背景技术：
用于向诸如发光二极管(LED)的负载供应限定电流的各种驱动器电路是已知的。因为LED是电流驱动电负载，通常电流源用于向LED供应电流。负载电流限定了 LED器件的亮度，该LED器件可以是单个LED组件或包括例如串联连接的多个LED的器件。为了允许调节发射光的强度(即感知的亮度)，可以使用可控电流源，该可控电流源设置到代表所需亮度的电流。在数字控制应用中，数字模拟转换器(DAC)可以用于设置可控电流源的电流。因为人眼不能分辨约100赫兹或更高赫兹的高频亮度波动，已知向LED供应足够频率的调制(例如脉冲宽度调制或脉冲密度调制等)电流。在这种情况中，人眼低通过滤LED的所得(例如脉冲宽度)调制亮度，即，眼睛仅可以感测与平均LED电流相关的平均亮度，该平均LED电流与脉冲宽度调制(PWM)的占空比成比例。因此仅通过LED的平均电流与人眼感知的亮度相关。应当注意，可以以与LED类似的方式驱动很多其他类型的电负载，例如，负载电流要经由调制恒定电源电流设置的一般负载。因为当改变实际负载电流时发射光的实际波长可能以不希望的方式改变，对于连续改变负载电流的驱动器电路，通过使用调制技术改变平均负载电流通常是优选的。使用用于调节平均负载电流(且因而感知的亮度)的调制技术并不引起波长变化，因为实际负载电流根据调制信号仅呈现值零和预设最大负载电流。由于上述原因，用于驱动发光二极管或其他负载的驱动器电路通常必须设计为相当快速地切换电源电流，这引起供电线路中的高电流梯度以及相应的电磁发射和电磁干扰(EMI)。然而，尤其当驱动LED时，要求负载的快速切换，因为不同于所需电源电流的负载电流值可能导致发射颜色的色调的变化且因而劣化连接的LED器件的整体操作。为了在仍提供负载电流的快速和精确的切换的同时减小发射且改善电磁兼容性(EMC)，对于用于驱动LED或其他电流驱动负载的改善的驱动器电路存在需要。
发明内容
公开了用于向负载提供调制负载电流的驱动器电路。根据本发明的一个示例，电路包含可控电流源，该可控电流源可操作耦合到负载且配置成根据控制信号汇集第一电流或作为第一电流的源。可控开关响应于输入信号、可操作耦合到电流源且配置成根据输入信号接管或不接管第一电流。第一电流在可控开关被驱动到阻断状态时被引导为通过负载的负载电流。第一电流在可控开关被驱动到传导状态因而旁路负载时被引导通过可控开关。输入信号包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一系列脉冲。电流源被控制为使得第一电流在输入信号的脉冲之前斜线上升且在脉冲之后斜线下降以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。还公开了用于向负载提供调制负载电流的方法。根据本发明的另一示例，方法包含根据控制信号提供第一电流，该控制信号配置成根据输入信号使用可控开关接管或不接管第一电流。第一电流在可控开关被驱动到阻断状态时被引导为通过负载的负载电流。第一电流在可控开关被驱动到传导状态因而旁路负载时被引导通过可控开关。输入信号包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一系列脉冲，且其中电流源被控制为使得第一电流在输入信号的脉冲之前斜线上升且在脉冲之后斜线下降以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。斜线上升和斜线下降时间可以设计为提供控制信号的所需转换速率且因而提供第一电流的所需转换速率。
参考下面的附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的组件没有必要按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相似的参考标号指示相应的部件。在附图中:
图1说明用于向负载提供限定的调制电流的一个示例性驱动器电路；
图2是时序图，特别说明在图1的电路的操作中出现的负载电流和供电线路电流随着时间的变化；
图3是说明在各种操作条件下由于电磁发射导致的干扰的频谱的视 图4是说明根据本发明的第一示例性驱动器电路的电路 图5包括一组时序图，说明操作期间在图4的电路中出现的很多信号的波形；
图6是说明根据本发明的第二示例性驱动器电路的电路图；以及 图7是说明根据本发明的第三示例性驱动器电路的电路图。
具体实施例方式各种类型的电负载通常被供应以调制负载电流，使用诸如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)或还已知为Σ - Λ调制的脉冲密度调制(PDM)的已知调制技术，从恒定供电电流获得该调制负载电流。取决于应用，可以应用这些调制技术的组合。所有这些调制技术用于以高频(例如对于LED驱动器电路IOkHz或更高)调制供电电流，从而实现低频所需值或准静态参数，例如平均负载电流、LED的可观察亮度或在多色LED布置中驱动不同颜色的两个或更多LED时的可观察颜色。图1说明驱动器电路的一个简化示例，该驱动器电路用于向一个LED(或两个或更多LED的串联电路)提供具有对应于LED的可观察亮度的可调节平均值的限定调制电流。电源(例如提供诸如13.8V的供电电压Vs的电池)耦合到驱动器电路10 (供电端子。以向驱动器Xk和其他电路(主要是逻辑电路)供应电流。在本示例中，驱动器电路10通常汲取标示为込的恒定偏置电流(静态电流)。LED器件11 (例如包括一个发光二极管LD)耦合在提供供电电压Vs的供电线路和驱动器电路10的输出电路节点(端子OUT)之间。驱动器电路10配置成根据在输入电路节点IN接收的调制控制信号ON汇集(sink)LED器件11的负载电流I。为此目的，驱动器电路10包括以在输出节点OUT汇集负载电流k的方式耦合在输出节点OUT和参考电势(例如耦合到输出端子Α_的接地电势GND)之间的可切换(借助于开关SW)电流源Q。在一个示例性实施例中，在电路节点OUT汇集的负载电流k被调制(例如根据控制信号ON被脉冲密度调制)，且因而可以仅呈现两个不同的值，即零或固定峰值i_。驱动器Xk耦合到可切换电流源(在本示例中耦合到串联连接到电流源Q的电子开关SW)以根据调制控制信号ON接通和断开负载电流k。图2说明图1的驱动器电路中在操作期间出现的电流(负载电流込和供电电流is)以及调制控制信号0N。图2的底部视图说明调制控制信号0N，例如在本示例中，该信号是具有50%的占空比的脉冲宽度调制信号。Σ - Λ调制(脉冲密度调制PDM)将导致调制控制信号的类似波形。中间的时序图说明流经LED器件11且在驱动器电路10的电路节点OUT汇集的负载电流k。负载电流k的切换时间与调制控制信号ON的切换时间匹配(当忽略对于这种考虑可以忽略的信号传播延迟时)。在顶部视图中，描绘了总供电电流is的波形。供电电流is对应于负载电流k加上等于驱动器电路10和其他电路的静态电流irc(偏置电流)的附加电流偏移。图2示出根据调制控制信号的负载电流k的切换引起明显(台阶状)电流梯度且因而引起不希望的电磁辐射的发射，且因此引起劣化整体电路布置的电磁兼容性(EMC)的电磁干扰(EMI)。图3说明源于不同切换操作的噪声频谱以及所需最大噪声水平随频率的变化，该最大噪声水平是从对于约0.15MHz频率的约6(ΜΒμν延伸到对于约30MHz频率的约3(ΜΒμν的对角线，也已知为BMW限制(参考德国汽车制造商BMW规定的严格EMC要求)。希望将噪声频谱减小到BMW限制以下。遵循该限制是对机动车中LED驱动器电路应用的要求。图4说明用于向LED器件11 (包括一个或更多LED)提供负载电流k的改善的驱动器电路10。驱动器电路10配置成根据控制信号CTL和输入信号ON的调制来调制提供到LED器件11的负载电流L输入信号0N、负载电流k和总供电电流is的示例波形在图5中示出。在图4的电路图中，更详细说明可切换电流源Q (见图1)。在本示例中，可切换电流源包括电流输出数字模拟转换器IDAC，该IDAC配置成提供可以经由数字控制信号CTL设置的参考电流iKEF。即，数字控制信号CTL (例如8位信号)的值确定参考电流iKEF的实际模拟值。因而，电流输出数字模拟转换器IDAC可以看作是(数字)可控电流源。然而，应用注意，其他类型的可控电流源也是可应用的。再者，电流源Q包括有源电流镜，该有源电流镜使用运算放大器0A、M0S晶体管M1和分别具有Rs和Rs’ =k.Rs的电阻值的两个电阻器实施。参考电流经由电阻器Rs’流出(例如接地)。所得的电压降1-4-民被供应到运算放大器OA的非反相输入。运算放大器OA的输出驱动MOS晶体管M1的栅极，使得晶体管M1的漏极电流I1与参考电流iKEF成比例(通过比例因子k)。MOS晶体管M1的源极端子经由第二电阻器Rs耦合到参考电势，例如接地电势GND。所得的电压降ii*Rs被反馈回到运算放大器OA的非反相输入，因而形成闭环运算放大器电路。由于运算放大器的高放大因子，运算放大器OA的输入电压(iKEF.k.Rs和I1.Rs)之间的差被调节到几乎为零，且因此I1被调节到近似等于k.iKEF。本质上，参考电流被“镜像”(且通过因子k放大)为MOS晶体管M1的漏极电流。晶体管M1的漏极耦合到输出电路节点0UT，晶体管M1经由该节点OUT耦合到LED器件11，从而允许经由晶体管M1汇集LED器件负载电流k。再者，MOS晶体管M1的漏极也经由第二 MOS晶体管M2耦合到供电端子Avrc (且因而耦合到供电电势vs)，该第二 MOS晶体管的栅极根据输入信号ON使用驱动器X2驱动。在本示例中，晶体管M1是N沟道MOS晶体管，而晶体管M2是P沟道MOS晶体管。P沟道晶体管M2在栅极被驱动为低(即当输入信号ON为低)时是传导的。进一步参考图5中说明的信号时序图解释图4中说明的驱动器电路10的功能。一般地，I1的波形的形状可以使用数字模拟转换器IDAC通过数字值CTL (经由电流镜0A、Rs、Rs’為间接)设置。当P沟道MOS晶体管M2处于截止状态时，则LED器件11的负载电流等于晶体管电流h。通过根据输入信号ON完全或部分激活P沟道MOS晶体管M2,负载电流k可以被晶体管M2完全或部分接管。当晶体管M2完全传导(即当信号ON为低)时，则LED器件被晶体管M2 “旁路”，通过LED器件的负载电流k是零且晶体管M2 (也称为旁路晶体管)的漏极电流i2等于根据数字控制信号CTL设置的N沟道MOS晶体管Ml的漏极电流ilt)应当注意，从供电线路汲取且流出到地GND的总电流是通过控制信号CTL设置的漏极电流i2加上静态电流(在图4中未示出，见图1)。因而，可以通过选择适当的控制信号CTL设置总供电电流波形(其负责整 个电路的EMC性能)的“形状”。提供到LED器件11的负载电流id又通过截止旁路晶体管仏(8卩，通过将输入信号ON设置为用于如图5的示例中使用的P沟道旁路晶体管的高电平)激活。换句话说，使用控制信号CTL设置负载供电电流
的形状，使得电路遵循关于EMI的要求，而通过适当地切换输入信号0N，电流从旁路晶体管M2 “移交”到LED器件11。输入信号0N、电流I1和i2以及k的示例性波形图在图5中说明且在下文讨论。为了进一步讨论，假设负载电流k要被调制(例如使用脉冲宽度调制、脉冲频率调制、脉冲密度调制等)。通过输入信号ON的波形确定所需的负载电流k的波形。为了产生从时刻^至七2的一个负载电流脉冲，从时刻^到时刻t2，输入信号ON为高。在时间间隔t2-ti中，旁路晶体管处于截止状态且如前面所解释，通过LED器件的负载电流k等于控制信号CTL设置的电流h。例如对于时刻Kt1和t>t2，输入信号ON为低时，P沟道旁路晶体管M2是传导的且旁路LED器件11且因而LED器件处于关闭状态。在时刻tl实际开启LED器件11之前，晶体管M1的漏极电流I1从零逐渐斜线上升到所需最大值itaax(通过相应地设置控制信号CTL的值)，而旁路晶体管M2旁路LED器件12且接管晶体管M1的漏极电流h。在该斜线上升时段期间(例如在时刻Ic^Pt1之间)，旁路晶体管M2完全传导且因而等式i1=i2且ifO (近似)成立。漏极电流I1 (其主要贡献于供电电流)的斜线上升在图5的左列中的底部视图(实线)中说明。输入信号ON的相应波形在图5的左列的顶部视图中说明。在斜线上升时段的结尾(例如，在时刻h和t2之间)，旁路晶体管M2完全阻断(信号ON为高)且因而等式^^且“坤(近似)成立。本质上，电流源Q的电流I1从旁路晶体管M2移交到LED器件11。在所需负载电流脉冲结尾，即在时刻t2，旁路晶体管M2再次接管电流I1且随后等式iei2和ifO再次成立。在时刻t2和t3之间，电流源Q的电流^以限定的转换速率斜线下降到O。通过适当设置时间间隔t1-t(^Pt3-t2(经由控制信号CTL)，在维持流经LED器件的实际负载电流k锐转变(需要时)的同时，转换速率可以设置为任意所需值。低转换速率(测量的，例如每纳秒安培A/ns为单位)通过减小整体电路产生的电磁干扰(EMI)明显改善电磁兼容性。图6中说明的示例基本等同于图4的示例，唯一的区别在于P沟道旁路晶体管M2被N沟道旁路晶体管(图6中同样标示为M2)代替。因此，与图4的示例相比，输入信号ON必须反转。再者，负载电流k并不像先前示例那样直接通过MOS晶体管M1汇集，而是经由耦合在LED器件11和晶体管M1的负载路径之间的第三晶体管M2’汇集。第三晶体管M2’使用与旁路晶体管M2的栅极信号(通过驱动器X2产生)相反(反相器X1)的栅极信号驱动。当为LED器件11供应的供电电势\高于为驱动器电路10供应的供电电势Vs时仅需要第三晶体管M2’。否则，旁路晶体管M2的固有反向二极管将以不希望的方式传导。然而，图6的示例的功能基本与先前示例的功能相同。图7的示例也基本等同于图4的示例，唯一的差别在于P沟道旁路晶体管M2具有以“上下倒置”配置与其串联耦合的第二 P沟道晶体管M2’，使得在为LED器件11供应的供电电势\高于为驱动器电路10供应的供电电势Vs的情况下，第二 P沟道MOS晶体管M2,实质上操作为防止实际旁路晶体管M2的反向传导的二极管。第二 P沟道的基极可以不连接或其基极可以连接到源电极。应当注意，如上面所解释，限定负载电流k的ON脉冲的输入信号ON和限定总供电电流的转换速率的控制信号CTL典型地使用数字处理器或微控制器产生。然而，任意其他可控信号源可以是适当的。下面总结本发明的一些方面。然而，下文并不被视为本发明的本质特征的完整列举。在上面讨论的图中，示出用于向负载提供调制负载电流k的很多驱动器电路。电路包含耦合到负载(其例如是LED器件11)的可控电流源Q。可控电流源Q配置成根据控制信号CTL (其可以是数字信号)汇集第一电流I1或作为第一电流I1的源。可控开关(例如旁路晶体管M2)响应于输入信号ON且连接到电流源Q。开关配置成根据输入信号ON接管或不接管第一电流I1使得第一电流^在可控开关被驱动到阻断状态时引导为通过LED器件11的负载电流k。而且，第一电流I1在可控开关被驱动为传导状态因而旁路LED器件11时引导为通过可控开关。为此目的，输入信号ON包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一系列脉冲。最后，电流源Q被控制，使得第一电流I1在输入信号ON的脉冲之前斜线上升且在脉冲之后斜线下降，以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。斜线上升和斜线下降时间被设置为实现第一电流I1的所需转换速率。尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，对于本领域技术人员而言，很明显，可以在不偏离本发明的精神和范围的条件下做出各种变化和修改，这些变化和修改将实现本发明的一些优点。对于本领域技术人员而言很明显，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。应当提及，即使在没有明确提及的情况下，参考特定图解释的特征可以与其他图的特征组合。而且，本发明 的方法能够以使用适当的处理器指令的全软件实现方式或以利用硬件逻辑和软件逻辑的组合的混合实现方式实现以获得相同的结果。对于发明概念的这种修改旨在被所附权利要求所覆盖。
权利要求
1.一种用于向负载提供调制负载电流的驱动器电路，该驱动器电路包含: 可控电流源，可操作耦合到负载且配置成根据控制信号汇集第一电流或作为第一电流的源；以及 响应于输入信号的可控开关，该可控开关可操作耦合到电流源且配置成根据输入信号接管或不接管第一电流，使得第一电流在可控开关被驱动到阻断状态时被引导为通过负载的负载电流，且第一电流在可控开关被驱动到传导状态因而旁路负载时被引导通过可控开关; 其中输入信号 包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一系列脉冲；并且 其中电流源控制为使得第一电流在输入信号的脉冲之前斜线上升且在该脉冲之后斜线下降，以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中该可控电流源包含数字模拟转换器，该数字模拟转换器配置成接收控制信号的数字值且提供相应模拟信号，其中该驱动器配置成提供第一电流，使得第一电流基本与模拟信号成比例。
3.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中该可控电流源包含: 电流输出数字模拟转换器，其被配置成接收控制信号的数字值且响应于控制信号提供参考电流；以及 电流镜电路，其被配置成提供第一电流，使得第一电流与参考电流成比例。
4.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中该可控开关包含旁路晶体管，该旁路晶体管具有耦合到可控电流源的主电流路径，该旁路晶体管配置成根据输入信号导通和截止。
5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中该旁路晶体管耦合在可控电流源和第一供电电势之间。
6.根据权利要求5所述的驱动器电路，其中该旁路晶体管包含P沟道MOS晶体管。
7.根据权利要求4所述的驱动器电路，还包含耦合在可控电流源和负载之间的另外的晶体管，该另外的晶体管配置成使用提供到旁路晶体管的输入信号的反转版本驱动。
8.根据权利要求7所述的驱动器电路，其中该旁路晶体管和该另外的晶体管包含N沟道MOS晶体管。
9.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中该旁路晶体管包含P沟道MOS晶体管，该驱动器电路还包含与旁路晶体管串联耦合的另外的P沟道MOS晶体管，使得旁路晶体管和另外的P沟道MOS晶体管的源电极以另外的P沟道MOS晶体管操作为二极管的方式直接连接到公共电路节点。
10.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中输入信号和控制信号通过微控制器或数字处理器提供。
11.根据权利要求1所述的驱动器电路，还包含处理器，其中输入信号和控制信号通过该处理器提供。
12.根据权利要求11所述的驱动器电路，其中该处理器包含微控制器。
13.根据权利要求11所述的驱动器电路，其中该处理器包含数字处理器。
14.根据权利要求11所述的驱动器电路，其中控制信号由具有限定的转换速率的第二系列脉冲组成，其中第一系列脉冲的每个脉冲在第二系列的相应脉冲期间出现。
15.根据权利要求14所述的驱动器电路，其中第二系列的脉冲具有比第一系列的相应脉冲的脉冲宽度长至少第二系列的脉冲的相应斜线上升和斜线下降时间的脉冲宽度。
16.根据权利要求14所述的驱动器电路，其中第二系列的一个脉冲的斜线上升时间段和斜线下降时间段分别在第一系列中的相应脉冲之前和之后出现。
17.一种用于向负载提供调制负载电流的方法，该方法包含: 根据控制信号提供第一电流； 根据输入信号使用可控开关接管或不接管第一电流，使得第一电流在可控开关被驱动到阻断状态时被引导为通过负载的负载电流，且第一电流在可控开关被驱动到传导状态因而旁路负载时被引导通过可控开关； 其中输入信号包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一序列脉冲；并且 其中电流源配置成控制为使得第一电流在输入信号的脉冲之前斜线上升且在该脉冲之后斜线下降，以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中控制信号由具有限定的转换速率的第二序列脉冲组成，其中第一序列的每个脉冲在第二序列的相应脉冲期间出现。
19.根据权利要求18所述的方法，其中第二序列的脉冲具有比第一序列的相应脉冲的脉冲宽度长至少第二序列的脉冲的相应斜线上升和斜线下降时间的脉冲宽度。
20.根据权利要求18所述的方法，其中第二序列的一个脉冲的斜线上升时间段和斜线下降时间段分别在第一序列 中的相应脉冲之前和之后出现。
全文摘要
驱动器电路可以向负载提供调制负载电流。根据一个示例，电路包括可控电流源，该可控电流源可操作耦合到负载且配置成根据控制信号汇集第一电流或作为第一电流的源。可控开关响应于输入信号、可操作耦合到电流源且配置成根据输入信号接管或不接管第一电流。第一电流在可控开关被驱动到阻断状态时被引导为通过负载的负载电流。第一电流在可控开关被驱动到传导状态因而旁路负载时被引导通过可控开关。输入信号包括根据所需调制方案限定所需负载电流波形的第一系列脉冲。电流源被控制为使得第一电流在输入信号的脉冲之前斜线上升且在脉冲之后斜线下降，以实现所需的斜线上升和斜线下降时间。
文档编号H05B37/02GK103188856SQ20121058233
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2011年12月29日
发明者F.科尔蒂贾尼, F.米尼奥利 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司