CN101505558B - 具有补偿机制的发光元件驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种具有补偿机制的种发光元件驱动电路，用以驱动至少一发光元件，包含一开关元件、一比较器、一驱动模块以及一计时电路。开关元件用以根据一控制信号导通或不导通以控制流经该些发光元件的驱动电流。比较器根据一参考电压以及对应该驱动电流的一反馈电压产生一比较结果。驱动模块根据该比较结果产生该控制信号。计时电路用以在开关元件不导通一预定时间后，控制驱动模块使开关元件导通。补偿模块用以检测开关元件的导通时间以及反馈电压达到该参考电压值时，该控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据导通时间和延迟时间调整参考电压。

Description

具有补偿机制的发光元件驱动电路

技术领域

本发明涉及一种发光元件驱动电路，特别是涉及一种具有补偿机制的发光元件驱动电路。

背景技术

在较早期的发光元件(例如：发光二极管)驱动电路中，都是利用脉冲宽度调制电路控制一开关元件，并利用此开关元件控制流经发光元件的电流大小。再利用一比较器比较与此电流成比例关系的一反馈电压来决定要增加或降低电流，此技术即为一般熟知的电流峰值(peak-current)控制技术。但这样的结构却有着不少缺点。举例来说，此结构下的电流涟波(currentripple)会随着输入电压的不同而变化，而发光元件的输入电压通常又是交流电压，因此会造成电流准确度不佳，进而影响到发光元件的耐用度。而且，由于脉冲宽度调制电路是固定频率的工作模式，因此会使电路具有较差的电磁防护能力。此外，亦有可能在开关元件的理想关闭(亦即：不导通)时间尚未到达时，脉冲宽度调制电路便使得开关元件导通，因而造成振荡的现象。

图1示出了现有技术的发光元件驱动电路100的电路图，其改良了上述的发光元件驱动电路。如图1所示，发光元件驱动电路100包含一比较器101、一驱动模块103以及一计时电路105。比较器101比较反馈电压V_fb(其是根据电阻108和驱动电流I而产生)以及参考电压V_ref，并使驱动模块103输出一控制信号VG以控制开关元件107，藉此控制流经发光元件109以及电感111的电流I。与上述发光元件驱动电路不同的是，发光元件驱动电路100还包含一计时电路105，其会控制驱动模块103，使开关元件107在不导通一预定时间后恢复导通，电阻106便用以调整此预定时间的长短，此技术即为一般熟知的固定不导通时间(constant off-time)控制技术。

这样做的好处是，由于不导通时间固定，电流涟波不会随着输入电压的不同而变化，因此不会造成电流准确度不佳的情况。而且脉冲宽度调制电路的工作频率不固定，因此会使电路具有较好的电磁防护能力。此外，由于放电斜率固定，故可避免上述开关元件的理想关闭时间尚未到达时，便使得开关元件导通，因而造成振荡的问题。

然而，这样的结构却有着其它问题存在。图2示出了现有技术的发光元件驱动电路的电流-时间关系。如图2所示，原本电流I的最大值应被限定在I_SU，但由于电路本身会有非理想的延迟时间，当反馈电压V_fb达到参考电压V_ref时开始，至控制信号VG由高电位转态为低电位会有一延迟时间t_d，因此实际的电流I会到达I_max，而且关闭时间t_off为固定，因此无法抵消电流过大的效果，因而造成电流准确度的不稳定。若输入电压V_in越大，则此情况越明显。

发明内容

本发明的实施例揭露了一种具有补偿机制的发光元件驱动电路，用以驱动至少一发光元件，发光元件驱动电路包含一开关元件、一比较器、一驱动模块以及一计时电路。开关元件受控于一控制信号，该控制信号的占空比决定流经该发光元件的驱动电流的大小。该比较器根据一参考电压以及对应该驱动电流的一反馈电压产生一比较结果。该驱动模块根据该比较结果产生该控制信号。该计时电路用以在该开关元件不导通一预定时间后，控制该驱动模块使该开关元件导通。该补偿模块用以检测该开关元件的导通时间以及该反馈电压达到该参考电压值时，该控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据该导通时间和该延迟时间调整参考电压。

藉由上述的实施例，由于该开关元件的不导通时间固定，电流涟波不会随着输入电压的不同而变化，因此不会造成电流准确度不佳的情况。而且脉冲宽度调制电路的工作频率不固定，因此会使电路具有较好的电磁防护能力。此外，由于放电斜率固定，故可避免上述开关元件的理想关闭时间尚未到达时，便使得开关元件导通，因而造成振荡的问题。而且，更可补偿因不理想的电路延迟时间而造成电流精确度不佳的现象。

附图说明

图1示出了现有技术的发光元件驱动电路的电路图。

图2示出了现有技术的发光元件驱动电路的电流-时间关系。

图3(a)示出了根据本发明的较佳实施例的发光元件驱动电路的电路图。

图3(b)示出了的本发明发光元件驱动电路的电流-时间关系。

图4示出了根据本发明的较佳实施例的发光元件驱动电路的详细电路图。

图5示出了图4中所示的导通时间检测器的一例子以及其动作示意图。

图6示出了图4中所示的延迟时间检测器的一例子以及其动作示意图。

图7示出了根据本发明的较佳实施例的另一发光元件驱动电路的电路图。

附图符号说明

100、300发光元件驱动电路

301开关元件

109、302发光元件

101、303迟滞式比较器

111、304电感

103、305驱动模块

105、307计时电路

107开关元件

305a触发器

305b驱动器

309补偿模块

106、108、311、313电阻

315、317接点

401导通时间检测器

403延迟时间检测器

405运算器

501、601电流源

503、603开关模块

504、506、604、606开关

505、605电容

507、607峰值保持电路。

具体实施方式

图3(a)示出了根据本发明的较佳实施例的发光元件驱动电路的示意图。如图3(a)所示，发光元件驱动电路300系用以驱动发光元件302(亦即提供一驱动电流I给发光元件302)，包含一开关元件301、一比较器303、一驱动模块305、一计时电路307以及一补偿模块309。开关元件301在本实施例系一功率晶体管(power transistor)。驱动模块305输出一控制信号VG来决定开关元件301的导通或不导通，以控制流经发光元件302的驱动电流I，因此控制信号VG的占空比即决定流经该发光元件的驱动电流的大小。流经电阻311的电流产生一反馈电压V_FB，因流经电阻311的电流正比于驱动电流I，故反馈电压V_FB亦正比于驱动电流I。

比较器303用以根据一参考电压V_ref以及反馈电压V_FB产生一比较结果(输出信号)，驱动模块305用以根据比较结果产生控制信号VG。在此实施例中，驱动模块305包含一触发器305a以及一驱动器305b，但并非用以限定本发明，触发器305a的输出信号经由驱动器305b增加驱动能力以产生足以推动开关元件301的控制信号VG。

开关元件301导通后，随着驱动电流I的逐渐增加，反馈电压V_FB也逐渐增加，当反馈电压V_FB达到参考电压V_ref时，比较器303的输出信号由逻辑低电位转态为逻辑高电位，并触发触发器305a的重置输入端R，触发器305a的输出信号由逻辑高电位转态为逻辑低电位，控制信号VG因而由逻辑高电位转态为逻辑低电位，开关元件301因而不导通；当反馈电压V_FB达到参考电压V_ref的同时，比较器303之逻辑高电位的输出信号通知计时电路307开始计数，当计数至一预定时间后，计时电路307输出|逻辑高电位的输出信号触发触发器305a的设定输入端S，控制信号VG由逻辑低电位转态为逻辑高电位，开关元件301因而再导通。电阻313用以调整此预定时间的长度。

驱动模块305、比较器303以及计时电路307一起可以当做一控制电路，来产生控制信号，以控制开关元件301位于导通状态或是不导通状态。

而补偿模块309用以检测开关元件301的导通时间t_on以及由比较器303与驱动模块305所造成的延迟时间t_d(亦即当反馈电压V_fb达到参考电压V_ref时开始，至控制信号VG由高电位转态为低电位的延迟时间)，并根据导通时间t_on和延迟时间t_d的比例关系来计算出|补偿后的参考电压V_csref，以更新参考电压V_ref，藉以降低延迟时间t_d对电流精确度的影响。

请参考图3(b)，驱动电流I原本预期达到的值为I_SU，但因延迟时间t_d的关系，会造成驱动电流I的值过大而达到I_max。因此若将比较器303的参考电压值调低，则预期达到的电流值会降低成I_SU’，相同地，因延迟时间t_d的关系，亦会造成驱动电流I的值过大而达到I_max’，藉此使得ISU的值等于I_max’的值，以消除掉延迟时间t_d的影响。公式(1)-(3)描述了参考电压的计算过程：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ripple}}=I_{\max }-I_{\min }=\frac{V_{\mathrm{leds}}}{L}{t}_{\mathrm{off}}$ 公式1

$\frac{V_{\mathrm{csref}}}{R_{\mathrm{sns}}}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{sns}}}-t_d\×\frac{{\mathrm{CR}}_1{I}_{\mathrm{mean}}}{t_{\mathrm{on}}}$ 公式2

$V_{\mathrm{csref}}=V_{\mathrm{ref}}-\frac{V_{\mathrm{ref}}}{{\mathrm{CR}}_2{I}_{\mathrm{mean}}}\×t_d\×\frac{{\mathrm{CR}}_1{I}_{\mathrm{mean}}}{t_{\mathrm{on}}}$ 公式3

其中，公式(1)代表电流涟波，V_leds是图3中发光元件302上的电压，而L是电感304的值，而t_off是开关元件301的不导通时间。在公式(2)中，V_ref系未补偿前的初始参考电压值，V_csref是补偿后调整的参考电压值，R_sns是电阻311的值，I_mean是平均电流值(＝(I_max+I_min)/2)。CR₁是跟电流涟波有关的第一参考值，举例来说，若电流涟波被预估为+/-20％，则CR₁为0.4，若电流涟波被预估为+/-30％，则CR₁为0.6，以此类推，且由公式(2)可推得公式(3)。在公式(3)中，CR₂是跟电流涟波有关的第二参考值，举例来说，若电流涟波被预估为+/-20％，则CR₂为1.2，若电流涟波被预估为+/-30％，则CR₂为1.3，以此类推。

在此以V_ref＝0.25V，电流涟波被预估为+/-20％为例子，则上述的公式(1)、(2)和(3)则变成：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ripple}}=I_{\max }-I_{\min }=\frac{V_{\mathrm{leds}}}{L}{t}_{\mathrm{off}}$ 公式1

$\frac{V_{\mathrm{csref}}}{R_{\mathrm{sns}}}=\frac{0.25}{R_{\mathrm{sns}}}-t_d\×\frac{{0.4I}_{\mathrm{mean}}}{t_{\mathrm{on}}}$ 公式2

$V_{\mathrm{csref}}=0.25-\frac{0.25}{{1.2I}_{\mathrm{mean}}}\×t_d\×\frac{{0.4I}_{\mathrm{mean}}}{t_{\mathrm{on}}}$

$=0.25-0.0833\×t_d\×\frac{1}{t_{\mathrm{on}}}$ 公式3

由公式(3)可知，V_csref是和导通时间t_on与延迟时间t_d的比例有关，因此仅须测得导通时间t_on和延迟时间t_d的比例便可求得V_csref，不须考虑其它的变量。

图4示出了根据本发明之较佳实施例的发光元件驱动电路之详细电路图。如图4所示，补偿模块309包含一导通时间检测器401、一延迟时间检测器403以及一运算器405。导通时间检测器401用以产生一导通时间参数，延迟时间检测器403用以产生一延迟时间参数，运算器405用以根据导通时间参数以及延迟时间参数产生参考电压V_ref。

图5示出了图4中所示的导通时间检测器的一例子以及其动作示意图。在此例中，导通时间检测器401，其包含一电流源501、一开关模块503、一电容505以及一峰值保持电路507。电流源501用以提供一预定电流I_on。开关模块503根据控制信号VG使电容505根据预定电流I_on充电或放电，以产生一导通时间参数信号S_ton。具体而言，当开关元件301导通时，控制信号VG会使开关504导通，藉此对电容505充电，而开关元件301不导通时，控制信号VG会使开关506导通，藉此对电容505放电。峰值保持电路507取样导通时间参数信号S_ton(此例中为取其峰值)以产生导通时间参数。导通时间t_on可由下列的公式(4)推得：

$C_{\mathrm{on}}\×V_{\mathrm{en}}=I_{\mathrm{on}}\×t_{\mathrm{on}}\→t_{\mathrm{on}}=\frac{C_{\mathrm{on}}\×V_{\mathrm{en}}}{I_{\mathrm{on}}}$ 公式4

其中，C_on为电容505的值，V_en为导通时间参数信号S_ton的峰值电压(亦即导通时间参数)，藉由此公式，便可求得导通时间t_on。

图6示出了图4中所示的延迟时间检测器的一例子以及其动作示意图。在此例中，延迟时间检测器403，其包含一电流源601、一开关模块603、一电容605以及一峰值保持电路607。由于动作方式与图5所示的电路相同，故在此不再赘述。请再参考图3(a)，在此例中，由于接点315和317处的时间差异无法直接控制开关模块603，因此延迟时间检测器403须另外包含一延迟函数信号产生电路(未示出)，根据延迟时间t_d产生一延迟函数信号f(t_d)，用以控制开关模块603。延迟函数信号f(t_d)可以由以下步骤产生：比较反馈电压V_FB与参考电压V_ref，得一比较结果；以及，将比较结果与控制信号VG进行互斥或(exclusive OR)运算，就可以产生延迟函数信号f(t_d)。

延迟时间t_d可由下列的公式(5)推得：

$C_d\×V_{\mathrm{end}}=I_d\×t_d\→t_d=\frac{C_d\×V_{\mathrm{end}}}{I_d}$ 公式5

其中，C_d为电容605的值，V_end为延迟时间参数信号S_td的峰值电压(亦即延迟时间参数)，藉由公式(3)(4)(5)，便可求得补偿后的参考电压值V_csref，如公式(6)所示。

$V_{\mathrm{csref}}=0.25-0.0833\×\frac{V_{\mathrm{end}}}{V_{\mathrm{en}}}\×\frac{C_d}{C_{\mathrm{on}}}\frac{I_{\mathrm{on}}}{I_d}$ 公式6

运算器405根据公式(6)的相关参数产生补偿后的参考电压值。

图3(a)中补偿模块309可以不用直接检测反馈电压V_FB，取而代之的是直接检测比较器303的比较结果，如同图7所示。图7量测到的信号延迟时间可能只有包含到驱动模块305的信号延迟时间，而少了比较器303的信号延迟时间。如果比较器303的信号延迟时间非常小于驱动模块305的信号延迟时间，则可以直接忽略，将驱动模块305的信号延迟时间就直接当成延迟时间t_d；如果比较器303的信号延迟时间不可忽略，则可以将驱动模块305的信号延迟时间加上一偏移值(offset)，来当成所想要的延迟时间t_d。

须注意的是，图5和图6所示的结构仅用以举例，并非用以限定本发明，其它可达成相同功效的结构亦应在本发明的范围之内。此外，根据上述的实施例，可得到相对应的发光元件驱动方法，其步骤可简述如下：根据一参考电压以及对应流经该发光元件的一驱动电流的一反馈电压产生一比较结果；根据比较结果产生一控制信号；根据控制信号来导通或不导通一开关元件以控制流经发光元件的驱动电流；若开关元件不导通一预定时间后，使开关元件导通；以及检测开关元件的导通时间以及反馈电压达到参考电压值时，控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据导通时间和延迟时间调整该参考电压。此方法之详细特征已于上述实施例中详述，故在此不再赘述。

藉由上述的实施例，可具有下列的优点：不导通时间固定，电流涟波不会随着输入电压的不同而变化，因此不会造成电流准确度不佳的情况；脉冲宽度调制电路的工作频率不固定，因此会使电路具有较好的电磁防护能力；放电斜率固定，故可避免上述开关元件的理想关闭时间尚未到达时，便使得开关元件导通，因而造成振荡的问题；可补偿因不理想的电路延迟时间而造成电流精确度不佳的现象；所提供的参考电压为电容和电流的比例关系，因此不会有其它变量影响；补偿机制不须额外增加接脚，可简化元件数目及设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1. 一种具有补偿机制的发光元件驱动电路，用以驱动至少一发光元件，包含：

一开关元件，受控于一控制信号，用以控制流经该发光元件的驱动电流；

一比较器，用以根据一参考电压以及对应该驱动电流的一反馈电压产生一比较结果；

一驱动模块，用以根据该比较结果产生该控制信号；

一计时电路，用以在该开关元件不导通一预定时间后，控制该驱动模块使该开关元件导通；以及

一补偿模块，用以检测该开关元件的导通时间以及该反馈电压达到该参考电压值时，该控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据该导通时间和该延迟时间调整该参考电压。

2. 如权利要求1所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该补偿模块根据该导通时间和该延迟时间的比例关系调整该参考电压。

3. 如权利要求1所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该补偿模块包含：

一导通时间检测器，用以产生一导通时间参数；

一延迟时间检测器，用以产生一延迟时间参数；以及

一运算器，用以根据该导通时间参数以及该延迟时间参数调整该参考电压。

4. 如权利要求3所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该导通时间检测器包含：

一电流源，用以提供一预定电流；

一开关模块，耦接至该电流源；

一电容，耦接至该开关模块；以及

一峰值保持电路；

其中，该开关模块根据该控制信号使该电容充电或放电，以产生一导通时间参数信号，且该峰值保持电路取样该导通时间参数信号以产生该导通时间参数。

5. 如权利要求3所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该延迟时间检测器包含：

一延迟函数信号产生电路，用以根据该延迟时间产生一延迟函数信号；

一电流源，用以提供一预定电流；

一开关模块，耦接至该电流源；

一电容，耦接至该开关模块；以及

一峰值保持电路；

其中，该开关模块根据该延迟函数信号使该电容充电或放电，以产生一延迟时间参数信号，且该峰值保持电路取样该延迟时间参数信号以产生该延迟时间参数。

6. 如权利要求1所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该开关元件是一功率晶体管。

7. 如权利要求1所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该发光元件包含有至少一发光二极管。

8. 如权利要求1所述的具有补偿机制的发光元件驱动电路，其中，该驱动模块包含：

一触发器，当该反馈电压达到该参考电压值时，该比较结果使该触发器输出信号的逻辑电位转态，使该开关元件不导通；在该开关元件不导通一预定时间后，该计时电路使该触发器输出信号的逻辑电位转态，以导通该开关元件；以及

一驱动器，用以根据该触发器的输出信号产生该控制信号。

9. 一种具有补偿机制的发光元件驱动方法，用以驱动至少一发光元件，包含：

比较一参考电压以及对应流经该发光元件的一驱动电流的一反馈电压，以产生一比较结果；

根据该比较结果产生一控制信号；

根据该控制信号来导通或不导通一开关元件，以控制该驱动电流；

当该开关元件不导通一预定时间后，使该开关元件导通；以及

检测该开关元件的导通时间以及该反馈电压达到该参考电压值时，该控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据该导通时间和该延迟时间调整该参考电压。

10. 如权利要求9所述的具有补偿机制的发光元件驱动方法，其中，该调整该参考电压的步骤系根据该导通时间和该延迟时间的比例关系调整该参考电压。

11. 如权利要求9所述的具有补偿机制的发光元件驱动方法，其中，该调整该参考电压的步骤系根据一导通时间参数以及一延迟时间参数调整该参考电压。

12. 一种具有补偿机制的发光元件驱动电路，用以驱动至少一发光元件，包含：

一开关元件，受控于一控制信号，可以位于一导通状态以及一不导通状态，用以控制流经该发光元件的驱动电流；

一控制电路，用以根据一参考电压以及对应该驱动电流的一反馈电压，来产生该控制信号；以及

一补偿模块，用以检测该开关元件位于该导通状态的导通时间，以及该反馈电压达到该参考电压值时，该控制信号产生相对应变动的延迟时间，并根据该导通时间和该延迟时间调整该参考电压。

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