专利名称：降低可听噪声的电致发光灯用h－桥驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电致发光(EL)灯的驱动器。
背景技术：
电致发光(EL)灯通常用作小显示器(如在移动电话、手表、寻呼机、仪表以及便携式音乐播放器中)的液晶显示器(LCD)背光灯。EL灯基本上由顶部透明电极板、底部电极板以及夹在这两个板之间的磷光体/电介质构成。所述磷光体/电介质可为覆盖在介电层上的烧结磷光体晶粒层。当在这些电极之间施加高的AC电压时，磷光体会发光。所使用的磷光体的类别、磷光体的密度、电压、频率以及其它因素决定着颜色和亮度。
EL灯基本上是一电容器，其电压取决于其极板上的电荷、极板的尺寸、电介质的厚度、所使用介电质的类别以及其它因素。极板之间的dv/dt与电流成比例，其决定亮度。用于向极板充电的电流的大小决定EL灯充电至其最终工作电压的速度。在EL灯被充电至其最终电压后，电压在一取决于交流频率的短的时间内保持相对恒定，且此后EL灯两端的电压的极性将反转。通常的作法是使AC电压的上升及下降时间最小化，因为这会使EL灯的整体亮度最大化。
AC电压的频率处于可听范围内，且通常为100-2000Hz。EL灯两端的峰-峰电压通常为100-400伏。高压(HV)通常是由电压非常低(例如1.5伏)的电池通过升压电路产生，所述升压电路包括连接至电源电压的电感器，所述电感器在将接地的切换晶体管接通时充电，并随后在所述切换晶体管关断时通过二极管放电。一平滑电容器通过由所述电感器以某一平均电流间断性地充电、并通过EL灯以相同的平均电流间断性地放电而保持为相对恒定的高压。通常，HV电源的切换频率至少为EL灯两端电压的频率的两倍。HV电源可利用任何升压技术。
图1A图示说明一简单的EL灯驱动器，其由H-桥10和H-桥定序器12组成。H-桥10由交替导通的PMOS晶体管14和15以及交替导通的NMOS晶体管16和17组成。双极晶体管和二极管可代替MOSFET用作开关。
图1B图示说明在切换这四个晶体管时EL灯20的VA与VB端子上产生的电压。由于EL灯20的电容效应，在实际的波形中，波形的角将为圆角。
H-桥定序器12首先接通晶体管14和17，以便以高电流将HV电源电压(节点22)完全施加至EL灯20的VA端子上，以使EL灯20尽快接通而达到最大亮度。所述高电流是利用晶体管的大的选通脉冲宽度来获得。在短的上升时间之后，EL灯20被完全充电至HV电源电压。然后，振荡器控制定序器12来关断晶体管14和17及接通晶体管15和16，以将HV电源电压以高电流完全施加至EL灯20的VB端子上。
波形上显示短的零电压间隔，其指示非重叠导通间隔。所述间隔可通过关断两个PMOS晶体管并接通两个NMOS晶体管获得。这会将EL灯放电至0伏。
由于具有大的选通脉冲宽度，晶体管可导通相对较大的电流，同时使电压斜坡上升，以迅速使EL灯20升至其最大电压，由此达到最大亮度。由于EL灯20的充电和放电速率非常快，因此EL灯20的构造性质会形成EL灯20的可听振动，并且靠近背光灯的人可以听到这种振动的嗡嗡声。
此前已在使用会降低可听噪声的技术，例如在第6,555,967号和第5,789,870号美国专利中所述的技术，这些美国专利以引用方式并入本文中。在这些技术中，电压的斜坡上升受到控制，从而使波形呈指数形状。在电压斜坡上升至最大值之前，切换晶体管以使电压极性反转，且波形随后以指数形式迅速下降。所述半波不对称。因此，EL灯永远不能完全充电，且其工作周期减少了至少三分之一。此会限制EL灯的最大亮度。此外，由于骤然出现下降，因此上升与下降特性不呈镜像，因此，现有技术只解决了一半的可听噪声问题。
发明内容
本发明说明一种用于EL灯的低噪声H-桥驱动器。为降低EL灯在由H-桥驱动时的可听噪声，在EL灯两端的电压斜坡上升或下降的同时，对流过切换晶体管的电流进行限制。此会降低EL灯两端电压的斜坡变化速率，并由此将振动和可听噪声降低到较低且可能听不到的水平。
所述较佳的驱动器提供介于半周期波形的5％-50％之间的上升时间，以及基本上呈镜像的、介于5％-50％之间的下降时间。在每个切换状态的中间部分期间，EL灯大约处于最大电压。所得到的半周期波形基本上对称，且波形的上升和下降部分基本上呈线性。如果上升时间和下降时间足够小，例如为波形周期的5％-25％，则EL灯在所述循环期间将基本上达到其最大电压，可听噪声将实际上消失，且上升和下降时间将保持足够短，从而获得较高的EL灯亮度。
限制通过晶体管的电流的技术包含1)提供具有相对较小的选通脉冲宽度和减小的栅极-源极电压的切换晶体管(假定为MOSFET)；2)提供电流镜，以使通过晶体管的电流与一固定的电流源相同或成比例；或3)利用反馈信号使电流保持在阈值以下。也可以使用其它适合的电流限制技术。
在特定的频率上，延长电压的上升和下降时间将会内在地降低EL灯的总体亮度。然而，在峰值声音输出降低-6dB(声音输出的四分之一)时，作为延长上升及下降时间的结果，整体亮度的降低令人惊讶地仅大约为3％，而这对于观察者而言是注意不到的。通过进一步延长上升及下降时间会获得小得多的峰值声音输出降低量。
图1A图示说明用于EL灯的简单的现有技术H-桥驱动器。
图1B是图1A所示EL灯两端用于现有技术H-桥驱动器的驱动电压的简化波形，其中晶体管未设计成在电压斜坡上升时对电流进行限制。
图2A是根据本发明的一个实施例的用于EL灯的驱动器系统，其中通过在EL灯两端的电压斜坡上升时以饱和状态工作来限制晶体管的电流。
图2B是使用图2A中的驱动器的EL灯两端的电压的简化波形，此会使噪声得到降低。
图3A是根据本发明另一个实施例的用于EL灯的驱动器系统，其中下侧切换晶体管的电流镜用于将通过所述切换晶体管的电流限制至恒定的电流。
图3B是使用图3A中的驱动器的EL灯两端的电压的简化波形，此使噪声得到降低。
图4图示说明一可用于限制上侧PMOS晶体管的电流的电流镜。
图5显示通过试验得出的上升时间、光输出和峰值声音输出之间的关系，其表明在噪声显著降低时对亮度的影响可忽略不计。
编号相同的元件为相同或等同元件。
具体实施例方式
图2A图示说明用于EL灯20的H-桥驱动器30，其产生的可听噪声低于图1A中的驱动器。H-桥定序器31可与图1A中的定序器相似，且只是由振荡器进行逻辑驱动，以如参照图1A所述交替地控制晶体管32-35。所述逻辑可包括延时，以避免晶体管交叉导通。
在图2A的驱动器30中，这两个电流路径的每一者中的至少一个晶体管的电流受到限制，以延长EL灯20两端的电压的上升和下降时间。
通过限制通过晶体管的电流，产生图2B中所示的波形。所述波形大致呈梯形，而不是图1B中所示的矩形。上升及下降时间的延长使由AC驱动器信号所导致的EL灯20的振动变得平滑，从而在整体亮度降低量可忽略不计的同时显著地降低可听噪声，如在下文中参照图5所述。
为了获得短的零电压间隔，通过定序器31接通PMOS晶体管并关断NMOS晶体管，或者关断PMOS晶体管并接通NMOS晶体管，以获得所述间隔。晶体管进行的电流限制形成向零电压间隔状态的线性斜坡变化。
所述较佳的驱动器提供介于半周期波形的5％-50％之间的上升时间、以及基本上呈镜像的、介于5％-50％之间的下降时间。在每个开关状态的中间部分期间，EL灯大约处于最大电压。所得到的半周期波形基本上对称，且波形的上升和下降部分基本上呈线性。如果上升时间和下降时间足够小，例如介于波形周期的5％-25％之间，则EL灯将在该循环期间基本上达到其最大电压，可听噪声将降低，且EL灯将保持高亮度。
半周期波形可大致呈带有圆角边缘的梯形。上升和下降时间的最佳百分比取决于所要消除的可听噪声大小。在一个其中上升和下降时间均为总波形的大约50％的实例中，AC波形基本上为三角形。但是，所述上升和下降时间将偏长，致使EL灯的亮度相对较低。
一种用于在图2B所示波形的斜坡变化阶段期间限制通过晶体管的电流的方法是提供选通脉冲宽度较图1A中所示晶体管的选通脉冲宽度减小的晶体管(每个电流路径中的所有晶体管或只一个晶体管)，以使晶体管32-37在AC电压波形的上升和下降时间期间导通有限的电流。另外，可使由定序器31(或另一电路)所提供的栅极驱动信号相比图1A中的栅极驱动信号减小，以便以更低的饱和电流水平驱动晶体管32-37。
选通脉冲宽度减小的晶体管将几乎在切换之后立即进入饱和状态，在这种情况下漏极-源极电压对电流的影响可忽略不计。在饱和状态下，在Vgs固定不变的情况下，电流得到限制。当晶体管在上升和下降时间期间达到饱和，且选通脉冲宽度足够小时，上升和下降时间将延长到图1B所示的上升和下降时间以外，如图2B所示。
为进一步限制通过电流受限晶体管的电流，由定序器31(或其它电路)提供的驱动电压可稍微高于阈值电压。通过处于饱和区域的晶体管的电流大约与(Vgs-Vth)2成比例。
在一个实施例中，在EL灯两端AC电压的上升和下降时间期间，通过图2A所示晶体管的最大电流约为现有技术晶体管工作电流的50％-75％。根据EL灯的尺寸及型号和频率而定，晶体管为小EL灯提供的电流约为3-40mA。
在一个实施例中，假定系统的所有其它方面均相同，电流受限晶体管32-35的选通脉冲宽度相对于现有技术减小约25％-75％。
图3A图示说明H-桥驱动器44，其使用另一种技术来限制通过驱动器晶体管46-49的电流，以延长上升和下降时间。通过将电流镜NMOS晶体管52的栅极和源极连接至下侧晶体管48的栅极和源极上，形成下侧晶体管48的电流镜。固定的“低”电流源56连接至电流镜晶体管52的漏极上，且晶体管52的漏极连接至其栅极。将漏极连接至栅极会使晶体管52将栅极电压设定为导通固定电流所需的电压。通过H-桥定序器60接通晶体管58，从而将栅极短接至地以关断晶体管48与52二者，或者关断晶体管58从而使晶体管48与52能够导通固定电流。对所述固定电流加以设定，以产生所需的上升和下降时间，从而降低可听噪声。为晶体管49提供完全相同的电流镜，以使波形基本对称。EL灯两端的电压波形可类似于图3B所示的电压波形-其与图2B所示的波形完全相同。
可对晶体管52和48的相对尺寸加以设定，以使通过H-桥晶体管的电流为由电流源56所产生的固定电流的任意比例。
如果需要对上侧PMOS晶体管46和47进行电流限制，可使用图4所示的电流镜。PMOS电流镜晶体管61的源极和栅极连接至上侧晶体管46或47，且固定的“低”电流源62接至地。晶体管61的漏极连接至其栅极。定序器60控制晶体管64来接通和关断晶体管61和46。
或者，可对不同电流路径中一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管进行电流限制。
或者，可在上部共用节点(连接至HV电源)或下部共用节点(连接至地)处使用单个电流镜。可在下部共用节点处使用图3中所示的电流镜中的任一个，或者可在上部共用节点处使用图4中所示的电流镜。
也可以使用其它电流限制技术，例如利用反馈来将通过H-桥晶体管的电流与固定参考值相比较并控制晶体管导通与所述参考值成比例的电流。
尽管在各实例中显示的是MOSFET，但是也可以使用电流受限的双极晶体管。
图5显示在240伏的峰-峰梯形驱动电压下，通过试验得出的上升时间、光输出和峰值声音输出之间的关系，其表明在噪声显著降低情况下对亮度的影响令人惊讶地可忽略不计。在峰值可听噪声降低约-6dB时，亮度只降低大约可忽略不计的3％。在峰值可听噪声降低-12dB时，亮度只降低大约可忽略不计的5％。在频率为400Hz(半周期为1.25ms)时，10％的上升时间(125μs)将使噪声降低-10dB，而整体亮度只降低6％。
随着EL灯的老化，其等效电容降低，且其亮度降低。对于本发明而言，随着电容的降低，EL灯两端的电压的上升和下降时间也会缩短。充电时间的此种缩短将会抵消灯的亮度的固有的降低。
在详细说明本发明之后，所属领域的技术人员将会知道，根据本说明，可以在不违背本文所述的精神和发明概念的前提下对本发明进行修改。因此，并不打算将本发明的范围限定为所图示和描述的具体实施例。
权利要求
1.一种用于电致发光(EL)灯的驱动器系统，其包括包括交替切换晶体管的H-桥，所述切换晶体管包括耦接在电压电源和所述EL灯的第一端子之间的第一上侧晶体管、耦接在所述电压电源和所述EL灯的第二端子之间的第二上侧晶体管、耦接在所述EL灯的第一端子和参考电压之间的第一下侧晶体管、及耦接在所述EL灯的第二端子和所述参考电压之间的第二下侧晶体管；以及H-桥定序器，其产生用于控制所述第一上侧晶体管、所述第二上侧晶体管、所述第一下侧晶体管及所述第二下侧晶体管的导通的控制信号，以交替地切换所述晶体管，从而或者使所述第一上侧晶体管和所述第一下侧晶体管同时导通，或者使所述第二上侧晶体管和所述第二下侧晶体管同时导通，所述H-桥定序器切换所述晶体管以在所述EL灯的两端产生处于可听频率范围内某一频率的AC电压，所述EL灯两端的AC电压具有其中上升沿和下降沿分别具有上升时间和下降时间的波形，在由所述第一上侧晶体管、所述第一下侧晶体管、所述第二上侧晶体管和所述第二下侧晶体管组成的晶体管群组中，所述晶体管中的至少两个导通一受到限制的电流，从而使所述EL灯两端的AC电压的上升时间和下降时间每一者均构成所述波形的5％与50％之间，其中所述波形的上升部分和所述波形的下降部分基本上呈线性，且其中所述上升部分和下降部分基本上相互对称，由此降低由所述EL灯两端的AC电压所导致的可听振动。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一上侧晶体管为第一PMOS晶体管，所述第二上侧晶体管为第二PMOS晶体管，所述第一下侧晶体管为第一NMOS晶体管，且所述第二下侧晶体管为第二NMOS晶体管。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者具有选通脉冲宽度，其限制流至所述EL灯的电流以设定所述上升时间和下降时间。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述晶体管中的所述至少两者包括所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述晶体管中的所述至少两者包括所述第一NMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述晶体管中的所述至少两者将控制端子连接至电流镜，每个电流镜均耦接至固定的电流源，所述电流镜使所述至少两个晶体管导通由所述固定电流源所产生的电流。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一上侧晶体管为第一PMOS晶体管，所述第二上侧晶体管为第二PMOS晶体管，所述第一下侧晶体管为第一NMOS晶体管，且所述第二下侧晶体管为第二NMOS晶体管，其中所述电流镜中的一者包括产生固定电流的第一固定电流源，第一电流镜PMOS晶体管将漏极连接至所述第一固定电流源，所述漏极还耦接至所述第一PMOS晶体管的栅极和所述第一电流镜PMOS晶体管的栅极，所述第一电流镜PMOS晶体管的源极耦接至所述电压电源，由此使所述第一PMOS晶体管在被所述H-桥定序器接通时导通大约与所述固定电流成比例的电流。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述第一上侧晶体管为第一PMOS晶体管，所述第二上侧晶体管为第二PMOS晶体管，所述第一下侧晶体管为第一NMOS晶体管，且所述第二下侧晶体管为第二NMOS晶体管，其中所述电流镜中的一者包括产生固定电流的第一固定电流源，第一电流镜NMOS晶体管将漏极连接至所述第一固定电流源，所述漏极还耦接至所述第一NMOS晶体管的栅极和所述第一电流镜NMOS晶体管的栅极，所述第一电流镜NMOS晶体管的源极耦接至所述参考电压，由此使所述第一NMOS晶体管在被所述H-桥定序器接通时导通大约与所述固定电流成比例的电流。
9.如权利要求1所述的系统，其进一步包括连接在所述电压电源和所述H-桥之间的电流镜，以用于限制通过所述晶体管的电流，其中由于所述电流镜导通受到限制的电流，因此所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者导通受到限制的电流。
10.如权利要求1所述的系统，其进一步包括连接在所述参考电压和所述H-桥之间的电流镜，以用于限制通过所述晶体管的电流，其中由于所述电流镜导通受到限制的电流，因此所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者导通受到限制的电流。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述EL灯两端的AC电压的上升时间和下降时间每一者均构成所述波形的5％与50％之间。
12.一种由用于电致发光(EL)灯的驱动器系统执行的方法，其包括交替导通H-桥中的切换晶体管，所述切换晶体管包括耦接在电压电源和所述EL灯的第一端子之间的第一上侧晶体管、耦接在所述电压电源和所述EL灯的第二端子之间的第二上侧晶体管、耦接在所述EL灯的第一端子和参考电压之间的第一下侧晶体管、耦接在所述EL灯的第二端子和所述参考电压之间的第二下侧晶体管；以及产生控制信号，所述控制信号控制所述第一上侧晶体管、所述第二上侧晶体管、所述第一下侧晶体管及所述第二下侧晶体管的导通，以交替地切换所述晶体管，从而或者使所述第一上侧晶体管和所述第一下侧晶体管同时导通，或者使所述第二上侧晶体管和所述第二下侧晶体管同时导通，从而产生所述控制信号来切换所述晶体管，以在所述EL灯两端产生处于可听频率范围内某一频率的AC电压，所述EL灯两端的AC电压具有其中上升沿和下降沿分别具有上升时间和下降时间的波形，通过由所述第一上侧晶体管、所述第一下侧晶体管、所述第二上侧晶体管和所述第二下侧晶体管组成的晶体管群组中的所述晶体管中的至少两者导通受到限制的电流，从而使所述EL灯两端的AC电压的上升时间和下降时间每一者均构成所述波形的5％与50％之间，其中所述波形的上升部分和所述波形的下降部分基本上呈线性，且其中所述上升部分和所述下降部分基本上相互对称，由此降低由所述EL灯两端的AC电压所导致的可听振动。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一上侧晶体管为第一PMOS晶体管，所述第二上侧晶体管为第二PMOS晶体管，所述第一下侧晶体管为第一NMOS晶体管，且所述第二下侧晶体管为第二NMOS晶体管。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者具有选通脉冲宽度，其限制流至所述EL灯的电流以设定所述上升和下降时间。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述晶体管中的所述至少两者包括所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述晶体管中的所述至少两者包括所述第一NMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述晶体管中的所述至少两者将控制端子连接至电流镜，每个电流镜均耦接至固定的电流源，所述电流镜使所述至少两个晶体管导通由所述固定电流源产生的电流，其中产生控制信号包括通过所述电流镜导通所述固定电流，和使用所述电流镜控制所述晶体管中的所述至少两者来导通大约与由所述固定电流源产生的所述固定电流成比例的电流。
18.如权利要求17所述的方法，其中产生控制信号包括产生发送至控制晶体管的接通和关断控制信号，所述控制晶体管耦接到所述晶体管中的所述至少两者的控制端子。
19.如权利要求12所述的方法，其中通过所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者导通受到限制的电流包括由连接于所述电压电源和所述H-桥之间的电流镜限制通过所述H-桥中的晶体管的电流。
20.如权利要求12所述的方法，其中通过所述晶体管群组中的晶体管中的所述至少两者导通受到限制的电流包括由连接于所述参考电压和所述H-桥之间的电流镜限制通过所述H-桥中的晶体管的电流。
21.如权利要求12所述的方法，其中所述EL灯两端的AC电压的上升时间和下降时间每一者均构成所述波形的5％与25％之间。
全文摘要
本文说明一种用于EL灯的低噪声H－桥驱动器。所述H－桥控制切换晶体管在EL灯两端形成AC电压。为降低EL灯在由H－桥驱动时的可听噪声，在EL灯两端的电压上升及下降的同时对通过所述切换晶体管的电流进行限制。这将降低EL灯两端电压的斜坡变化速率，并由此将振动降低到听不到的水平。上升时间和下降时间可分别构成半个波形的5％－50％。上升和下降部分基本上呈线性，且对于半个波形而言对称。可使用H－桥中的两个或两个以上具有相对较小的选通脉冲宽度的MOSFET对电流进行限制。也可将连接至固定低电流源的电流镜连接至H－桥中的两个或两个以上切换晶体管，或者可将电流镜连接至H－桥的共用节点，以使晶体管在接通时导通与所述固定低电流成比例的电流。
文档编号H05B33/08GK101056486SQ20071009040
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月6日 优先权日2006年4月13日
发明者道格拉斯·P·安德森, 戴维·W·里特 申请人:麦奎尔有限公司