一种led用高效电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种LED用高效电源，包括：用于给多元负载提供输出电压的电压调节器，所述电压调节器包括一个感应电路，其提供对应于输出电压的电压感测信号；耦合到各自多元负载的多元电流调节器，多元电流调节器的每一个通过各自负载进行电流调节，达到理想的调节范围，和一误差控制电路，其耦合到电压调节器和多元电流调节器，误差控制电路接受来自多个电流调节器的误差信号并且提供一个共同误差信号到电压调节器，电压调节器由此针对共同误差信号改变选定的输出电压水平；其中，输出电压所选定的水平为保持多个负载在理想调节范围内的最小电压。
【专利说明】—种LED用高效电源
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电路，具体涉及一种LED用高效电源。
【背景技术】
[0002]LED越来越多地用于照明，如提供背光照明的液晶显示器，LED通常是串接在一起。在这些应用中，LED是理想的提供均匀照明的设备。因此，有必要严格规范目前应用于LED的电流以保持均匀的照明，以提供高效率的运作。
[0003]一般有两种方法用于实现恒流调节串联LED。第一种方法是提供稳定的输出电压和负载电流直接调节。这种方法经常用于设备中，控制电流必须非常准确且抗噪声。电荷泵或升压转换器产生固定的电源电压，通过使用各自的电流线性稳压器，LED串在这个电压进行电流调节。这种方式的缺点是输出电压值必须设置得较高，由于装置及温度的变化，可能造成能量浪费并产生多余的热量。不同数量的LED串，固定输出电压必须设置达到最高电压的要求，因此浪费了大量的电力能源，特别是当低电压链有较少的串联LED的情况。
[0004]另一种方法是提供稳定的输出电流和间接的调节输出电压。在这种方法中，一个电压反馈升压转换器或电荷泵给LED串提供了一个输出电压。LED串（B卩，负载）被放置在一个镇流电阻系列，该镇流电阻通过升压转换器或电荷泵调节电流通过负载。该方法的优点是要求最小输出电压要达到理想的电流，该方法的缺点是，只直接控制一个负载电流，多串LED中的每一个都需要单独的镇流电阻弥补电压不匹配的负荷。这样的结果是不能精确控制其它LED串中的电流值。LED链也不能独立控制或关闭镇流电阻。此外，当LED串有不同的LED数目时，具有最高电压失配的LED串必须通过镇流电阻降低电压失配，这样就浪费了能量。
[0005]在另一种实施方式中，多股整流用线性电流调节器，及一个外部电压调节器输出到链的最高电压降负荷达到一个固定的参考电压的阴极LED串。这种方法的缺点是，固定参考电压必须设定在最小的输出电压水平，以确保负载在理想的调节区间。
【发明内容】
[0006]本实用新型克服了现有技术的缺点，提供了一个电源用间接调节单输出电压直接调节多个负载电流。线性电流调节器独立调节负载电流，电压调节器或转换器的输出电压根据所有电流调节器的反馈信息进行调整。在改变输出电压的情况下，可以允许非常精确的电流调节，以及当不同负载通电或断电时，能够切换几种操作条件。此外，电压调节器或转换器不需要预先确定输出电压的设定值，并且能够寻找保持所有电流调节器在激活模式时，所允许的最低输出电压，从而在任何给定的条件自动寻找最高效率的运行点。
[0007]并联多元负载的电源，如LED用高效电源，包括：电压调节器，多元电流调节器，和一个误差控制电路。该电压调节器提供一个共同输出电压到多元负载，用于给多元负载提供输出电压的电压调节器，所述电压调节器包括一个感应电路，其提供对应于输出电压的电压感测信号，电压感测信号在选定水平下提供反馈信息以调节输出电压。耦合到各自多元负载的多元耦合电流调节器，多元电流调节器的每一个通过各自负载进行电流调节，达到理想的调节范围，多元电流调节器中的每个都还进一步提供各自相应的误差信号，以保持在理想的调节范围内。误差控制电路，其耦合到电压调节器和多元电流调节器，误差控制电路接受来自多个电流调节器的误差信号并且提供一个共同误差信号到电压调节器，电压调节器由此针对共同误差信号改变选定的输出电压水平。其中，输出电压所选定的水平为保持多个负载在理想调节范围内的最小电压。
[0008]优选地，每个多元负载还包括一系列LED。
[0009]优选地，由误差控制电路提供的共同误差信号包括来自多个电流调节器的误差信号总和。
[0010]优选地，在误差控制电路中还包括提供共同误差信号集成的一个集成电路。
[0011]优选地，电压调节器具有拓扑结构，选自下列：电感式升压变换器，低压差稳压器，降压转换器，转换器，升压转换器，返驰式转换器，正激变换器和电荷泵稳压器。
[0012]优选地，其中每一个多元电流调节器包括一个运算放大器和双极器件，每个双极器件耦合到各自的多元负载，每个运算放大器，根据通过双极器件的电流的反馈信号，来驱动相应的双极器件。
[0013]优选地，其中每一个多元电流调节器还包括一个饱和探测器，所述饱和探测器提供各自的误差信号。
[0014]优选地，其中感应电路包括一个检测电阻。
[0015]优选地，检测电阻间接耦合到输出电压。
[0016]优选地，电压调节器还包括一个电源开关，其通过一个电感器耦合到输入电压，二极管具有耦合到所述电源开关的阳极和通过一个输出电容耦合接地的阴极，通过输出电容器提供输出电压，脉冲宽度调制器根据电压检测信号和共同误差信号提供一个工作周期来驱动电源开关。
[0017]优选地，还包括耦合到电源开关和脉冲宽度调制器的故障检测器，所述故障检测器用于检测电源的故障状况，从而关闭脉冲宽度调制器的操作。
[0018]优选地，其中感应电路包括一个连接到电源开关的检测电阻。
[0019]在另一项实用新型中，为多元并联耦合负载组件提供电源的方法，包括步骤：（一）为多元负载提供一个共同的输出电压，共同输出电压调节到选定的水平以回应电压反馈信号和共同误差信号；（二）把每一个多元负荷的电流量调节到理想的调节范围；（三）为使每个负载能保持在理想的调节范围内，提供相应的误差信号，（四）结合误差信号提供共同误差信号，选定的输出电压由此针对共同误差信号而发生改变，输出电压的选定的级别是保持每一个多元负载在其各自理想调节范围的最小电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
[0021]图I是根据本实用新型一个实施例的一个LED串电源控制电路原理框图；
[0022]图2是用于LED串功率控制电路的电流调节电路不意图；
[0023]图3包括一个饱和检测电路的电流调节电路示意图；
[0024]图4是提供图3中电流调节电路的一个半导体装置；[0025]图5是具有敏感调节电路的运算放大器的差分示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
[0027]本实用新型提供一种电源有效地驱动复数LED链中多个电流调节器反馈控制信息到一个单一的电压调节器或转换器，使供电调整输出电压到最佳设定以适应不同的负载条件。
[0028]参考图1，根据本实用新型的一个LED驱动电路的实施例。LED驱动电路可以在一个集成电路或芯片上实现。如图I所示，LED驱动电路驱动两根平行的LED链，第一条链包括四个串行连接的LED12i-124，第二条链包括六个串联的LEDH1-Hp应该理解的是，不同数量的LED链和每条链不同数量的LED可被LED驱动电路以相似的方式驱动。
[0029]LED驱动电路提供了一个共同的输出电压（Vout)到平行LED链。如图I所示的LED驱动电路具有感应升压变换器拓扑结构，但应认识到目前的调整方法通过采用误差放大器的输出电压设定值可以利用任何已知的电压调节器拓扑结构，如一个低压差稳压器(输出）、降压、升压、降压和电荷泵稳压器。该调节器可以在CMOS互补金属氧化物半导体或双极技术中运用。在一个使用双极技术的驱动电路中，NPN晶体管21提供了一个开关，依次转运电流到一个输出二极管23。输入电感25耦合到输入电压（Vin)和集电极终端的晶体管换接器21。发射极终端的晶体管换接器21通过一个电流检测电阻27耦合到地面上。晶体管换接器21基体终端的由合适的驱动器33通过脉冲宽度调制器(脉宽调制PWM)电路31以所需的工作周期被驱动。输出电容器29耦合于输出二极管23的阴极和地面之间。通过关闭晶体管换接器21，电流状况则根据输入电感25而定。当晶体管换接器21打开，电流则通过二极管23到输出电容29。由于来自输入电感电流转移的能量，多个开关周期建立了输出电容29电压。这样的结果是,输出电压Vout高于输入电压Vin。输出二极管23可能最好是一个快速肖特基二极管，其能够提供低电压降，低功耗和更高的效率。
[0030]脉宽调制电路PWM31接收各种输入以调节LED驱动电路的运作。检测电阻27两端的电压和流过晶体管换接器21的电流相匹配，并可能被用来作为对脉宽调制控制电路31的反馈信号以控制工作周期，目的是为了间接调节输出电压。脉宽调制电路PWM31还可以进一步接收来自振荡器35的时钟信号。故障保护电路37耦合到PWM电路31和输出二极管23，是适应检测电压在二极管阳极上升到危险水平的故障情况，例如由于LED串的开放电路情况，及因此关闭脉宽调制电路PWM31的操作。
[0031]在传统的电感式升压转换器，或其他类型的电压调节器，人们已经知道测量对应于一个理想设定值的输出电流的误差信号，并运用反馈回路的误差信号以调节脉宽调制电路的工作周期。
[0032]具体地说，误差信号的积分定义转换器的瞬时值，它与电源控制电路、误差放大器不断调节误差趋于零，达到负载改变条件下的输出调节。一个误差信号与电流和理想工作值之间的差异比值已被用来作为这一反馈回路的被积函数。例如，一个转换器的输出终端通过一个电阻分压器可被调节到一个设定的输出电压，或者也可以用来检测电阻性镇流器的电压以间接控制通过负载的电流。虽然这种方法非常适合使用一个单一的未知负载或多个已知负荷，但是不能够有效地调节多个未知或变化的负载，因为只有一个单误差信号，不能提供足够的信息为给定的条件来确定最佳输出电压。
[0033]此外，基于几个电压设定点的多个误差信号，如常规类型的转换器可以调节几个镇流器电阻到某一已知电压，其缺点是，如果多个负载必须是在同一时间驱动，则负载的电压差异必须通过镇流电阻下降。这造成的弊端是，转换器不能适应不断变化的条件以及输出电压必须固定。最糟的情况是，当驱动多个负载时，镇流电阻两端的电压下降，造成功率损失。
[0034]相反，本实用新型克服了这些缺点，提供一个使用多个电流调节器的电压转换器，每个电流调节器提供调节所需电流的反馈信息，并总结这些误差信号以确定瞬时转换设定值。对于多负载情况，本转换器为每个被驱动的负载在合适的工作点工作，但当其他荷载启用或禁用时，能够改变工作点。这迫使转换器提供最小的输出电压以保持多负载的调节，同时只有单一驱动负载时也迫使转换器提供最小的输出电压；这种多个作业点之间的调整保证了转换器对于任何给定的条件都能在最高效率点工作，而且不论输出电压值多少，负载电流总是调整到合适的设定值。这使得精确控制负载电流多点使用一个单一的电压调节器。因此，在本新型中，电压转换器不需要预先设定，因此相比之前的方法是一个真正的自适应方法，能够实现更高的效率。
[0035]图1中，LED驱动电路包括一个独立的电流调节电路耦合到各个LED串。每个单独的电流调节电路调节电流到各自的电流设定值，并提供各自的误差信号到一个共同的阈值和求和电路41。合并后的误差信号由系列耦合电容43和电阻45进行整合，并且整合后的误差信号被输送到PWM脉宽调制电路电路31用于调控LED驱动电路。在图2和图3中提供了更详细的电流调节电路的说明。
[0036]在本新型的LED驱动电路中，当只有四个LED的链驱动时，电流调节器将输出电压Vout调整到14v ;当六个LED的链驱动时或者两根链都被驱动时，电流调节器将输出电压Vout调整到21v。对于较多的或温度的变化，不需要提供额外的整流，而且输出电压不需要固定到最高值，因此，在通常情况下节约了大量的电力。此外，四链LED串的负载电流可以准确地调节到20毫安，甚至在更高的输出电压的情况下也是如此，防止电阻-整流器装置可能引发的不良调节亮度。两个或多个LED串可分别开启或关闭，同时转换器的输出电压在任何特定的时刻不断调整到最高效率的运行点。当六LED串关闭时，输出电压自动降低到满足更小的LED链电压要求的数值，驱动系统达到所需的最低输出电压以达到最大的效率。
[0037]参考图2，电流调节电路显示更详细。虽然目前的调节电路可使用双极或CMOS器件形成，本新型提供了一种双极性实施方式。如图2所示，一个双极电流调节器包括一个运算放大器53和一个NPN晶体管51，具有一个小的电流检测电阻55作为电流调节器的反馈装置。在运算放大器53的倒转端和NPN晶体管51的发射极之间的具有反馈环路，该反馈环路通过电流检测电阻55耦合到基地终端。NPN晶体管51的接受端耦合到LED串，如图1所示。应用到非反相端的运算放大器53的参考电压Vref使运算放大器驱动晶体管51，直到检测电阻上55的电压与参考电压Vref相匹配，从而确保通过LED串输出电流的调节，只要NPN晶体管51的集电极电压是大到足以支持调节。
[0038]由于晶体管的功能特性和集电极电阻的有效性，NPN晶体管51需要线性范围的集电极到发射极的一些有限的电压以支持操作。如果NPN晶体管51集电极的电压没有大到足以支持调节所要求的电流，只要调节没有达成，运算放大器53将超驱动NPN晶体管51的基极。这将导致NPN晶体管51饱和，在此情况下的集电极电压不再是反向偏置且电流从基极流动到集电极。由于饱和性决定最低可能的使得运算放大器实现电流调节的集电极电压，NPN晶体管51的饱和特性是支持调节的一个很好的最低物理电压的指标，而这一特性转换成电流调节器的误差信号传达给脉宽调制电路31，如图1所示。
[0039]由于LED串可以被认为是一个几乎恒定的电压负荷，阈值和求和电路41接收电流调节器的NPN晶体管51的饱和信号，直到输出电压Vout上升到必要的最小电压以支持电流调节。在这个时候，电流调节器的NPN晶体管51的不再饱和，并且LED驱动电路不再需要增加输出电压。以这种方式，该LED驱动电路可为未知负载提供必要的电流，调节输出电压Vout到所需的最低电压。
[0040]一种装置能够提供饱和误差信号，现有技术中通常陈伟饱和捕获装置或者是饱和检测器，参考图3，饱和检测电路可由PNP晶体管57提供，该PNP晶体管57具有一个发射极耦合到运算放大器53的输出端，一个基极耦合到的NPN晶体管51的集电极端子，并且集电极提供输出信号的饱和度。当NPN晶体管51集电极电压以低于NPN基准电压的足够数值向前偏压PNP晶体管57时，PNP晶体管57被启动。在平面工艺，侧面的PNP发射极-基极功能可从NPN基极-集电极的相同扩散得到。因此，跟踪和匹配这些串口非常有利于准确检测NPN晶体管51饱和度的数值。
[0041]如图4所示，通过合并NPN型和PNP型装置可以得到一种改进的配置，在同一半导体71上增设靠近NPN基地区域75的P基极(PNP集电极73)的区域作为NPN输出装置。电学上，这是类似于图3的使用离散型PNP装置。然而，图4的设备更紧凑，新的P-基区收集到的误差电流实际是离开NPN装置基极的饱和电流。这将允许在一个紧凑的装置内非常精确地检测饱和度。
[0042]万一发生NPN晶体管51饱和的情况，电流将从NPN晶体管的基地区域75流出并且将被PNP集电极73接受，从而提供可以用来检测NPN输出装置饱和度的原始误差信号或电流。在多电流调节器驱动不同压降的负载时，只有具有最大压降负荷的电流调节器通过饱和值会提供误差信号。在具有相同压降负载的多电流调节器中，误差信号将等量加和以确定LED驱动调节回路最有效的操作点。
[0043]当应用的误差信号是电流信号时，这个误差电流信号可通过镜像、增益、附加或消减总和等之类的操作进行调控，以提供可以用来作为LED驱动电压转换器的反馈回路中被积函数一个误差信号。此外，在处理操作过程中的任何一点，如果提供一个代表所有饱和度的总的误差信号，来自几个电流调节器的初始误差电流信号都可以被总计或被区分开来。在这种方式下，增益转换器的整体反馈回路可以设置为依赖或独立于当前使用的电流调节器的数量。误差信号还可以用来调整整体调节环路AC相应的增益和轮廓，相对于例如温度、工艺变化、输出电压和输出负载这些因素，目的是为了提供增益的独立性。
[0044]此外，一个误差信号不需要从输出晶体管传输出来，可以替代地从电流调节器内使用的运算放大器的内部节点得到(如图1所示)。在CMOS的实施方式中，其中，运算放大器驱动NMOS晶体管的门，理想的情况是:NPN装置的饱和特性、以及相应的PNP探测器的结构都不适用。相反，由于CMOS晶体管是电压驱动的并且不下沉来自运算放大器的直流电流，可能可以在运算放大器结构内的几个点检测调节损失，以产生一个合适的误差信号被用来作为LED驱动电压调节器的调节环路的被积函数。
[0045]尽管图2和图3的双极法不限于使用一个坐式探测器去探测电流调节器实现调节的能力，该CMOS的方法不仅限于在这里的少数几个例子。一般来说，许多已知的技术可以用来检测是否具备调节能力或缺乏调节能力，并且在调节环路中这样一个信号可以被用来作为误差项。
[0046]另一实例中调节过程中，电流调节器运算放大器的两端将趋向相等。在这一点上，运算放大器可以认为是平衡和调控状态的。对于PMOS输入运算放大器，通过在差分对的阳极和阴极检测相等的电流，来检测平衡状况。因此，不平衡的情况是在同一差分对中，检测到极为不均等的电流。可以用差分对输出的简单镜像电流达到检测均等水平的目的:一个重复的差分对、一个重复的输出阶段或者是其它现有技术已知的方法。
[0047]图5为一个具有调节敏感器的运算放大器的差分对。一对内部设备82，84可作为运算放大器的一对差分，一对外部设备86，88可作为感测放大器能力以进行调节的差分对。而这只是许多可以使用的技术其中之一，它表明一个结构可以用来执行这里公开的调节方法。图5中的差分电流结构也可以通过镜像、增益、附加或消减总和等类似的方法来进行操纵，以便提供一个合适的误差信号，可以用来作为电压调节器或转换器的反馈回路的被积函数。
[0048]以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【权利要求】
1.一种LED用高效电源，包括： 用于给多元负载提供输出电压的电压调节器，所述电压调节器包括一个感应电路，其提供对应于输出电压的电压感测信号，电压感测信号在选定水平下提供反馈信息以调节输出电压； 耦合到各自多元负载的多元电流调节器，多元电流调节器的每一个通过各自负载进行电流调节，达到理想的调节范围，多元电流调节器中的每个都还进一步提供各自相应的误差信号，以保持在理想的调节范围内，和 一误差控制电路，其耦合到电压调节器和多元电流调节器，误差控制电路接受来自多个电流调节器的误差信号并且提供一个共同误差信号到电压调节器，电压调节器由此针对共同误差信号改变选定的输出电压水平； 其中，输出电压所选定的水平为保持多个负载在理想调节范围内的最小电压。
2.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：每个多元负载还包括一系列LED。
3.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：由误差控制电路提供的共同误差信号包括来自多个电流调节器的误差信号总和。
4.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：在误差控制电路中还包括提供共同误差信号集成的一个集成电路。
5.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：电压调节器具有拓扑结构，选自下列：电感式升压变换器，低压差稳压器，降压转换器，转换器，升压转换器，返驰式转换器，正激变换器和电荷泵稳压器。
6.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：其中每一个多元电流调节器包括一个运算放大器和双极器件，每个双极器件耦合到各自的多元负载，每个运算放大器，根据通过双极器件的电流的反馈信号，来驱动相应的双极器件。
7.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：其中每一个多元电流调节器还包括一个饱和探测器，所述饱和探测器提供各自的误差信号。
8.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：其中感应电路包括一个检测电阻。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于：检测电阻间接耦合到输出电压。
10.根据权利要求I所述的驱动电路，其特征在于：电压调节器还包括一个电源开关，其通过一个电感器耦合到输入电压，二极管具有耦合到所述电源开关的阳极和通过一个输出电容耦合接地的阴极，通过输出电容器提供输出电压，脉冲宽度调制器根据电压检测信号和共同误差信号提供一个工作周期来驱动电源开关。
11.根据权利要求10所述的驱动电路，其特征在于：还包括耦合到电源开关和脉冲宽度调制器的故障检测器，所述故障检测器用于检测电源的故障状况，从而关闭脉冲宽度调制器的操作。
12.根据权利要求10所述的驱动电路，其特征在于：其中感应电路包括一个连接到电源开关的检测电阻。
【文档编号】H05B37/02GK203378107SQ201320433901
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】孙月静, 方欣怡 申请人:孙月静