CN100531486C - 用于发光二极管的电流控制方法和电路 - Google Patents

用于发光二极管的电流控制方法和电路 Download PDF

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Abstract

由LED电流控制电路(50-54)控制通过一个或多个LED的LED电流(ILED2)的流量，该LED电流控制电路执行一种与LED的输入线和负载无关的方法。

Description

用于发光二极管的电流控制方法和电路
本发明通常涉及多种用于控制发光二极管(“LED”)电流的方法和电路。本发明具体涉及LED电流的峰值电流强度和谷值电流强度的调节。
LED越来越多地用于例如背光、交通灯、标志、汽车和照明的多种应用中。众所周知，LED的光输出直接依赖于流过LED的电流。因此LED电流控制电路用于调节流过LED的电流以在所有工作条件期间理想地保持恒定电流。
图1说明了一种已知的LED电流控制电路20，其采用MOSFET开关Q1、二极管D1、电感输出滤波器L1和电容输出滤波器C1来控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED1的流量。只要MOSFET开关Q1接通，则电路20控制从电源(“PS”)21通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED1的增流。只要MOSFET开关Q1关断，则电路20控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED1的减流。LED电流ILED1的这种调节通过开关控制电路来完成，该开关控制电路采用运算放大器U1、脉宽调制(“PWM”)比较器U2、栅驱动器GD1、检测电阻器Rs1和包括输入阻抗(“Zi”)22和反馈阻抗(“Zf”)23的补偿RC网络。
在操作过程中，通过输入阻抗22和反馈阻抗23产生的补偿电压VCOMP施加到运算放大器U1的反相输入，以及由参考电压源(“RFS”)24提供的参考电压VREF1施加到运算放大器U1的非反相输入。运算放大器U1比较补偿电压VCOMP和参考电压VREF1以产生误差电压VERROR，该误差电压VERROR是补偿电压VCOMP和参考电压VREF1之间的放大了的差并施加到PWM比较器U2的非反相输入。在比较器U2的反相输入处施加由斜坡电压源(“RPS”)25提供的斜坡电压VRAMP，该比较器比较误差电压VERROR和斜坡电压VRAMP以产生用于通过栅驱动器GD1周期性地启动和中止MOSFET开关Q1的开关控制电压VSWC1。
理论上，上述LED电流ILED的电流调节将LED电流ILED1保持在平均电流强度处，如图2所示。然而，由于实行如图1所示的二级反馈控制的原因，因此只要在电源PS的输入线内或在LED网络LED1、LED2的负载内产生变化，则LED电流ILED1就会经历过冲或下冲，如图2所示。此外，LED常常是非线性器件，这使得难以设计最佳性能的RC网络。
本发明通过提供用于在包括电源的输入线中的变化或LED网络的负载中的变化的所有工作条件期间准确而快速地调节LED电流ILED的平均电流强度的LED电流控制方法和电路解决了现有技术的不足。
本发明的一种形式是用于调节流过一个或多个LED的LED电流的峰值电流强度和谷值电流强度的LED电流控制方法。第一，建立上跳闸电压(trip voltage)和下跳闸电压作为控制交叉阈值(controlcrossover thresholds)，并建立代表通过LED的LED电流的流量的LED电流检测电压。第二，响应于由LED电流检测电压沿反方向与下跳闸电压的每个交叉控制LED电流从谷值电流强度增加到峰值电流强度，以及响应于由LED电流检测电压沿正方向与上跳闸电压的每个交叉控制LED电流从峰值电流强度降低到谷值电流强度。
本发明的第二种形式是LED电流控制电路，该LED电流控制电路采用滞后比较器(hysteretic comparator)、LED电流检测器和开关模式转换器来调节流过一个或多个LED的LED电流的峰值电流强度和谷值电流强度。LED电流检测器建立代表通过LED的LED电流的流量的LED电流检测电压。滞后比较器建立与LED电流检测电压相比较的作为控制交叉阈值的上跳闸电压和下跳闸电压。开关模式转换器响应于由LED电流检测电压沿反方向与下跳闸电压的每个交叉控制LED电流从谷值电流强度增加到峰值电流强度，并且响应于由LED电流检测电压沿正方向与上跳闸电压的每个交叉控制LED电流从峰值电流强度降低到谷值电流强度。
由以下结合附图说明的目前优选实施例的详细描述，本发明的前述形式和其它形式、特征及优点将进一步变明显。详细的描述和附图只是对本发明的说明而不是对由所附权利要求及其等价物限定的本发明的范围的限制。
图1说明了已知的LED电流控制电路的示意图；
图2说明了通过图1说明的LED电流控制电路控制的LED电流的平均电流强度的图示；
图3说明了代表根据本发明的LED电流控制方法的一个实施例的流程图；
图4说明了根据本发明的LED电流控制电路的一个实施例的示意图；
图5说明了通过图4说明的LED电流控制电路控制的LED电流的示例性图示；
图6说明了通过图4说明的LED电流控制电路产生的LED电流检测电压的示例性图示；
图7说明了通过图4说明的LED电流控制电路产生的开关控制电压的示例性图示；
图8说明了图4说明的LED电流控制电路的第一实施例的示意图；
图9说明了图8说明的LED电流控制电路的一个实施例的示意图；
图10说明了图4说明的LED电流控制电路的第二实施例的示意图；
图11说明了图4说明的LED电流控制电路的第三实施例的示意图；
图12说明了图11说明的LED电流控制电路的一个实施例的示意图；
图13说明了图12说明的LED电流控制电路的第一实施例的示意图；
图14说明了图12说明的LED电流控制电路的第二实施例的示意图。
图3说明了代表本发明的LED电流控制方法的流程图30，以及图4说明了用于实现流程图30的LED电流控制电路50。在流程图30的启动阶段S32期间，建立上跳闸电压VUT和下跳闸电压VLT作为控制交叉阈值。这可通过将由参考电压源(“RFS”)62提供的参考电压VREF2施加到滞后比较器U3的非反相输入以及将由滞后电压源(“HYS”)61提供的滞后电压VHYS施加到滞后比较器U3的控制输入来完成。在滞后比较器U3的一个实施例中，上跳闸电压VUT等于(VREF+(VHYS/2))以及下跳闸电压VLT等于(VREF-(VHYS/2))。
另外，在阶段S32期间，建立LED电流检测电压VSEN1作为通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的被检测到的流量的表示。这可通过将LED电流检测电压VSEN1施加到滞后比较器U3的反相输入的LED电流检测器(“LCS”)80来完成。在时间t0处，LED电流ILED为零(0)安培，如图5所示。因此LED电流检测电压VSEN1为零(0)伏特，如图6所示。同样在时间t0处，滞后比较器U3初始设置为在逻辑高电平LHL处输出开关控制电压VSWC2，如图7所示，并且电源(“PS”)60被施加到开关模式转换器(“SMC”)70，借此开关模式转换器接通以启动从电源60通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流动。
接着在启动阶段S32期间，开关模式转换器70控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流量从时间t0处的零(0)安培增加到时间t1处的峰值电流强度，如图5所示。因此LED电流检测电压VSEN1沿朝着上跳闸电压VUT的正方向增加，如图6所示。一旦在流程图30的阶段S34期间在时间t1处LED电流检测电压VSEN1与上跳闸电压VUT交叉，滞后比较器U3在逻辑低电平LLL处输出开关控制电压VSWC2，如图7所示，借此开关模式转换器70在时间t1处关断。
在流程图30的阶段S36期间，开关模式转换器70控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流量从时间t1处的峰值电流强度降低到时间t2处的谷值电流强度，如图5所示。因此LED电流检测电压VSEN1沿朝着下跳闸电压VLT的负方向降低，如图6所示。一旦在流程图30的阶段S38期间在时间t2处LED电流检测电压VSEN1与下跳闸电压VLT交叉，滞后比较器U3在逻辑高电平LHL处输出开关控制电压VSWC2，如图7所示，借此开关模式转换器70在时间t2处接通。
在流程图30的阶段S40期间，开关模式转换器70控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流量从时间t2处的谷值电流强度增加到时间t3处的峰值电流强度，如图5所示。因此LED电流检测电压VSEN1沿朝着上跳闸电压VUT的正方向增加，如图6所示。一旦在阶段S34期间在时间t3处LED电流检测电压VSEN1与上跳闸电压VUT交叉，滞后比较器U3在逻辑低电平LLL处输出开关控制电压VSWC2，如图7所示，借此开关模式转换器70在时间t3处关断。
只要电源60正施加到开关模式转换器70，并且参考电压VREF2和滞后电压VEYS正施加到滞后比较器U3，则LED电流控制电路50将继续通过流程图30的阶段S34-S40循环，借此在电流调节相位CRP期间LED电流ILED2在峰值电流强度和谷值电流强度之间连续倾斜，如图5所示。在电流调节相位CRP期间，LED电流ILED2的平均电流强度是峰值电流强度和谷值电流强度的平均值。正如此处所描述的，峰值电流强度和谷值电流强度是参考电压VREF2和滞后电压VHYS的函数。因此，在包括电源60的输入线的变化或LED网络LED1、LED2的负载变化的电路50的所有工作条件期间电流调节相位CRP实现LED电流ILED2的平均电流强度的准确调节。
参考图4，电路50可采用任何类型的开关模式转换器(例如Buck转换器、Forward转换器、Boost转换器、Flyback转换器、Bridge转换器和Cuk转换器)来充当开关模式转换器70。图8-14说明了开关模式转换器70的多种实施例。
图8说明了作为电感输出型式的LED电流控制电路50的LED电流控制电路51。为实现流程图30(图3)，电路51采用开关模式转换器71，该开关模式转换器包括开关功率室(“SPC”)90、栅驱动器GD2和电感输出滤波器L2。栅驱动器GD2连接到滞后比较器U3的输出和MOSFET开关Q2的栅极端子G，借此MOSFET开关Q2在阶段S36(图3)期间打开并在阶段S32和S40(图3)期间关闭。电感输出滤波器L2连接到开关功率室90和LED网络LED1、LED2以便于开关功率室90控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流量。
开关功率室90可包括任何包含MOSFET开关Q2的电路装置。图9说明了一个这种电路装置，其中MOSFET开关Q2的漏极端子D连接到电源60，以及MOSFET开关Q2的源极端子S连接到电感输出滤波器L2和二极管D1，该二极管还连接到共用基准CREF。图9还说明了作为LED电流检测器80(图4)的一种型式的LED电流检测器81。LED电流检测器81包括具有既连接到LED网络LED1、LED2又连接到滞后比较器U3的反相输入的一个端子的电阻器R2。电阻器R2的另一个端子连接到共用基准CREF。通过电阻器R2的LED电流ILED2的流动将LED电流检测电压VSEN1施加到滞后比较器U3的反相输入。
图10说明了作为电容输出型式的LED电流控制电路50(图8)的LED电流控制电路52。为实现流程图30(图3)，电路52采用开关模式转换器72，该开关模式转换器包括开关功率室90、电容输出滤波器C2、栅驱动器GD2、逻辑电路(“LC”)100和占空比振荡器(duty cycleoscillator)(“DCO”)110。逻辑电路100连接到滞后比较器U3以由此接收开关控制电压VSWC2。逻辑电路100还连接到占空比振荡器110以由此接收振荡电压VOS。逻辑电路100对开关控制电压VSWC2和振荡电压VOS执行逻辑运算以在阶段S32、S36和S40(图3)期间通过栅驱动器G2控制MOSFET开关Q2的打开和关闭。占空比振荡器110控制振荡电压VOS的占空比以限制流过MOSFET开关Q2的开关电流ISW。电容输出滤波器C2连接到开关功率室90和LED网络LED1、LED2以便于开关功率室90控制通过LED网络LED1、LED2的LED电流ILED2的流量。
图11说明了作为LED电流控制电路52的替换型式的LED电流控制电路53。电路53采用开关模式转换器73，该开关模式转换器包括具有MOSFET开关Q2和用于将开关电流检测电压VSNE2提供给占空比振荡器111的开关电流检测器(“SCS”)120的开关功率室91。开关电流检测电压VSNE2是使占空比振荡器111能够输出具有限制开关电流ISW的占空比的振荡电压VOS的开关电流ISW的表示。
参考图10和11，开关模式转换器可采用任何类型的逻辑电路和占空比振荡器。图12说明了采用开关模式转换器74的LED电流控制电路54，该开关模式转换器包括与门形式的逻辑电路101和一种型式的占空比振荡器111，该占空比振荡器采用比较器U4、参考电压源112和RS触发器形式的双稳器件113。开关电流检测器120将开关电流检测电压VSNE2施加到比较器U4的反相输入。参考电压源112将参考电压VREF2施加到比较器U4的非反相输入，此处参考电压VREF2是开关电流ISW的最大电流强度的表示。比较器U4的输出将开关电流限制电压VCL施加到RS触发器113的R输入端子。时钟CLK施加到RS触发器113的S输入端子。RS触发器113的Q输出端子施加到与门101的第一输入，该与门在第二输入处接收开关控制电压VSWC2。与门101的输出连接到栅驱动器GD2。
参考图11和12，开关功率室91可包括任何包含MOSFET开关Q2和开关电流检测器120的电路装置。
图13说明了室91的一种电路装置，其中电感器L3连接到电源60和MOSFET开关Q2的漏极端子D。二极管D2连接到MOSFET开关Q2的漏极端子D。二极管D2还连接到电容输出滤波器C2和LED网络LED1、LED2。电阻器R3形式的开关电流检测器121连接到MOSFET开关Q2的源极端子S和共用基准CREF。MOSFET开关Q2的源极端子S还连接到比较器U4的反相输入。
图14说明了室91的另一种电路装置，其中变压器T1的原边具有连接到电源61的一端和连接到MOSFET开关Q2的漏极端子D的另一端。变压器T1的副边具有连接到二极管D2的一端和连接到电容输出滤波器C2和检测电阻器R2的另一端。
为了描述本发明，按照LED的串联连接来说明LED网络LED1、LED2。实际上，本发明的LED电流控制方法和电路可通过任意数目的具有任何类型布置的LED来控制LED电流。
虽然此处公开的本发明的实施例目前被认为是优选的，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行多种改变和修改。所附权利要求指示了本发明的范围，并旨在包含等价物的意义和范围内的所有改变。

Claims (10)

1.一种用于调节流过一个或多个LED的LED电流(ILED2)的平均电流强度的方法，该平均电流强度是LED电流(ILED2)的峰值电流强度和谷值电流强度的平均值，所述方法包括：
建立上跳闸电压(VUT)和下跳闸电压(VLT)作为控制交叉阈值；
建立代表通过该一个或多个LED的LED电流(ILED2)的流量的LED电流检测电压(VSEN1)；
响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿反方向与下跳闸电压(VLT)的每个交叉，控制LED电流(ILED2)从谷值电流强度增加到峰值电流强度；以及
响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿正方向与上跳闸电压(VUT)的每个交叉，控制LED电流(ILED2)从峰值电流强度降低到谷值电流强度。
2.一种用于调节流过一个或多个LED的LED电流(ILED2)的平均电流强度的LED电流控制电路(50-54)，该平均电流强度是LED电流(ILED)的峰值电流强度和谷值电流强度的平均值，所述电路(50-54)包括：
LED电流检测器(80-81)，其被设置用于建立代表流过该一个或多个LED的LED电流(ILED)的LED电流检测电压(VSEN1)；
滞后比较器(U3)，其被设置用于建立上跳闸电压(VUT)和下跳闸电压(VLT)作为控制交叉阈值，所述滞后比较器(U3)与所述LED电流检测器(80-81)电连通以接收LED电流检测电压(VSEN1)，
其中所述滞后比较器(U3)被设置用于响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿反方向与下跳闸电压(VLT)的每个交叉，以第一逻辑电平输出开关控制电压(VSWC2)，以及
其中所述滞后比较器(U3)被设置用于响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿正方向与上跳闸电压(VUT)的每个交叉，以第二逻辑电平输出开关控制电压(VSWC2)；以及
开关模式转换器(70-74)，其被设置用于控制通过该一个或多个LED的LED电流(ILED2)的流量，所述开关模式转换器(70-74)与所述滞后比较器(U3)电连通以接收开关控制电压(VSWC2)，
其中所述开关模式转换器(70-74)控制LED电流(ILED2)从谷值电流强度增加到峰值电流强度，以响应等于第一逻辑电平的开关控制电压(VSWC2)，以及
其中所述开关模式转换器(70-74)控制LED电流(ILED2)从峰值电流强度降低到谷值电流强度，以响应等于第二逻辑电平的开关控制电压(VSWC2)。
3.如权利要求2的LED电流控制电路(50-54)，
其中所述滞后比较器(U3)包括反相输入、非反相输入和控制输入；
其中LED电流检测电压(VSEN1)施加到滞后比较器的反相输入；
其中参考电压(VREF2)施加到非反相输入；以及
其中滞后电压(VHVS)施加到控制输入。
4.如权利要求2的LED电流控制电路(51)，其中所述开关模式转换器(71)包括：
开关(Q2)，其与所述滞后比较器(U3)电连通，以作为开关控制电压(VSWC2)的函数被打开和关闭。
5.如权利要求2的LED电流控制电路(51)，其中所述开关模式转换器(71)包括与该一个或多个LED电连通的电感输出滤波器(L2)。
6.如权利要求2的LED电流控制电路(52)，其中所述开关模式转换器(72)包括与该一个或多个LED电连通的电容输出滤波器(C2)。
7.如权利要求2的LED电流控制电路(51)，其中所述开关模式转换器(72)包括：
占空比振荡器(110和111)，其被设置用于输出振荡电压(VOS)；
逻辑电路(100)，其与所述滞后比较器(U3)电连通以接收开关控制电压(VSWC2)并与所述占空比振荡器(110)电连通以接收振荡电压(VOS)；以及
开关(Q2)，其与所述逻辑电路(100)电连通，以作为开关控制电压(VSWC2)和振荡电压(VOS)的函数被打开和关闭。
8.如权利要求7的LED电流控制电路(51)，其中所述开关模式转换器(72)进一步包括：
开关电流检测器(120)，其与所述开关(Q2)电连通以输出代表通过所述开关(Q2)的开关电流(ISW)的流量的开关电流检测电压(VSEN2)，
其中所述占空比振荡器(111)与所述开关电流检测器(120)电连通以输出作为开关电流检测电压(VSEN2)的函数的振荡电压(VOS)。
9.如权利要求8的LED电流控制电路(51)，其中所述占空比振荡器(111)包括：
比较器(U4)，其与所述开关电流检测器(120)电连通以接收开关电流检测电压(VSEN2)，所述比较器(U4)被设置用于提供作为开关电流检测电压(VSEN2)与代表开关电流(ISW)的最大电流强度的参考电压(VREF3)比较的函数的开关电流限制电压(VCL)；以及
双稳器件(112)，其与所述比较器(U4)电连通以接收开关电流限制电压(VCL)，所述双稳器件(112)被设置用于输出作为时钟信号(CLK)和开关电流限制电压(VCL)的函数的振荡电压(VOS)。
10.一种用于调节流过一个或多个LED的LED电流(ILED2)的平均电流强度的LED电流控制电路(50-54)，该平均电流强度是LED电流(ILED)的峰值电流强度和谷值电流强度的平均值，所述电路(50-54)包括：
LED电流检测器(80-81)，其被设置用于建立代表流过该一个或多个LED的LED电流(ILED)的LED电流检测电压(VSEN1)；
滞后比较器(U3)，其被设置用于建立上跳闸电压(VUT)和下跳闸电压(VLT)作为控制交叉阈值，所述滞后比较器(U3)与所述LED电流检测器(80-81)电连通以接收LED电流检测电压(VSEN1)，
其中所述滞后比较器(U3)被设置用于响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿反方向与下跳闸电压(VLT)的每个交叉，以第一逻辑电平输出开关控制电压(VSWC2)，以及
其中所述滞后比较器(U3)被设置用于响应于由LED电流检测电压(VSEN1)沿正方向与上跳闸电压(VUT)的每个交叉，以第二逻辑电平输出开关控制电压(VSWC2)；以及
开关模式转换器(70-74)，其包括用于控制通过该一个或多个LED的作为开关控制电压(VSWC2)的函数的LED电流(ILED2)的流量的装置。
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