CN104661400A

CN104661400A - 驱动多个输出的***及方法

Info

Publication number: CN104661400A
Application number: CN201410669978.7A
Authority: CN
Inventors: 戴维斯·韦恩·埃文斯; 凯文·斯库内斯; 詹姆斯·拉里·克鲁格; 普拉迪普·卡蒂卡内尼
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: US9210748B2; CN104661400B; US20150137700A1

Abstract

本发明提供驱动多个输出的***及方法，其中可使用单个电感器(105)来驱动多个输出，例如LED(215、220)或白色LED WLED(215、220)的独立串。在实例实施例中，升压DC/DC转换器(100)可与单个电感器(105)一起使用以驱动多个输出。在实例实施例中，在所述DC/DC转换器(100)的每一循环期间对所述多个输出中的每一者的误差电压进行取样，且确定所述循环中的最大误差电压。接着将来自所述DC/DC转换器(100)的电力在所述循环期间供应到所述输出。

Description

驱动多个输出的***及方法

技术领域

本发明一般来说涉及电子器件，且更明确地说，涉及驱动多个输出。

背景技术

切换电力供应器用于驱动许多类型的负载。有时，期望使用需要仅单个电感器的单个切换电力供应器来驱动多个负载。当驱动多个发光二极管(LED)负载时此是特别期望的，因为其节省板空间及金钱。代替使用一电力供应器模块来驱动每一LED串，可使用单个电力供应器模块来驱动多个LED串。但如同许多负载类型，适当地调节递送到负载的电力可是重要的。

常用的切换电力供应器拓扑使用电流模式控制。如通常实施于切换电力供应器中的电流模式控制实际上感测且控制峰值电感器电流。此可引起许多严重问题，包含不良噪声抗扰性、对斜率补偿的需要及无法校正固有低电流环路增益的峰值平均电流误差。平均电流模式控制消除这些问题且可有效地用于控制除电感器电流之外的电流，从而允许宽广得多的拓扑应用范围。

电流模式控制是其中切换电力供应器电感器位于内电流控制环路内的两环路***。此简化外电压控制环路的设计且以许多方式改进电力供应器性能，包含较好动态。此内环路的目标是控制状态空间平均化的电感器电流，但在实践中，瞬时峰值电感器电流是用于控制的基础。在许多设计中，通常感测在开关的“接通”时间期间等于电感器电流的切换电流。

在采用降压衍生的拓扑的常规切换电力供应器中，电感器位于输出中。此时，电流模式控制实际上控制输出电流，从而产生许多性能优点。另一方面，在升压拓扑中，电感器位于输入处。此时，电流模式控制控制输入电流。平均电流模式控制的技术将高增益集成电流误差放大器(CA)引入到电流环路中。跨越感测电阻器的电压表示所要电流程序电平。跨越电流感测电阻器的电压表示实际电感器电流。差或电流误差被放大且在PWM比较器输入处与大振幅锯齿(振荡器斜坡)进行比较。电流环路的增益带宽特性可通过CA周围的补偿网络针对最优性能而定制。平均电流模式方法可用于感测且控制任一电路分支中的电流。因此，举例来说，其可借助升压拓扑而控制输出电流。

LED是具有经设计以使用低电压恒定电流DC电力来产生光的发光结的半导体。LED可使用平均电流升压模式切换电力供应器。LED具有极性，且因此电流仅沿一个方向流动。驱动LED是相对简单的，且与荧光灯或放电灯不同，其不需要用以开始的点火电压。然而，太小的电流及电压将产生极少光或不产生光，且太多的电流及电压可损坏LED二极管的发光结。

当照明设计者在应用(例如，街灯或工业照明器)中布置一系列LED串时，每一串一直由个别LED驱动器以一致电流驱动。然而，输出电压通常因LED的制造中的差异而不同。为进行补偿，LED驱动器可经配置以提供比确保每一LED串的适当操作所需的电压高的电压。但，太多电压可能浪费电力。

借助针对给定温度的典型LED正向电压对正向电流量变曲线，正向电压中的小改变产生正向电流中的不成比例大改变。另外，实现所要光输出所需的正向电压可随LED裸片大小、LED裸片材料、LED裸片批次变化及温度而变化。

当LED变热时，正向电压下降且通过LED的电流增加。经增加电流产生结的额外加热。如果不限制电流，那么结可因加热而故障。此现象称为热失控。

LED光源的光输出随增加驱动电流而增加。然而，可不利地影响效率(其以流明/瓦特为单位而表达)。驱动电流可经选择处于最高达针对所使用的特定LED光源的最大推荐电流的任何电流。将LED光源驱动至高于最大推荐电流可导致较低流明维持率或在过高电流的情况下，毁灭性故障。

在非调光应用中，选择恒定电流驱动器来递送所要电流，其中具有足以适应LED源的最大输入电压的正向电压输出。LED光源不设计为以反向电压驱动。

通过用经调节恒定电流电力供应器来驱动LED光源，可显著减小由电压变化及电压改变产生的光输出变化及寿命问题。因此，通常推荐恒定电流驱动器用于给LED光源供电。

常规AC-DC电力供应器及DC-DC转换器提供经调节以提供“恒定电压”的输出。然而，LED在“恒定电流”驱动下最高效且安全地工作。提供“恒定电流”输出的LED电源通常称为LED驱动器。然而，迄今为止，关于用于借助切换电力供应器供电系中的电感器来驱动多个LED输出的先前解决方案仍存在尚未解决的需要，包含串扰及低效率。

发明内容

本发明的实例实施例提供驱动多个输出的***。简要地描述，在架构中，所述***的一个实例实施例尤其可经实施如下：控制模块，其经配置以将电流从经配置以驱动多个负载的脉冲宽度调制输出一次供应到所述多个负载中的最多一个负载，所述一个负载是基于其误差电压成为所述多个负载中的每一者的所述误差电压中的最大误差电压而选择。

本发明的实施例还可视为提供用于驱动多个输出的方法。就此来说，此方法的一个实施例尤其可通过以下步骤概括地总结：将电力供应到多个负载，所述多个负载中的每一负载产生一误差信号；及选择所述多个负载中的一个负载以在脉冲宽度调制输出的单个循环期间将电力供应到所述多个负载中的产生所述多个误差信号中的最大误差信号的所述选定负载。

附图说明

图1是待与驱动多个输出的所揭示***及方法一起使用的切换转换器的实例实施例的电路图。

图2是驱动多个输出的***的实例实施例的电路图。

图3是图2的切换FET的实例实施例的电路图。

图4是驱动多个输出的方法的实例实施例的流程图。

具体实施方式

下文中参考附图将较完全地描述本发明的实施例，其中贯穿数个图，相似编号表示相似元件，且其中展示实例实施例。然而，权利要求的实施例可以许多不同形式体现，且不应视为限于本文中所陈述的实施例。本文中所陈述的实例为非限制性实例，且与其它可能实例一起仅作为实例。

大部分商业上可获得的LED“光模块”是通过串联或并联连接若干LED以形成群集或串配置而构造。在这些光模块包含作为组合件的一部分的“恒定电流”驱动器的情形中，使用外部“恒定电压”驱动器或电力供应器。一些LED电路用简单的电阻器控制流动穿过LED的电流。这是使用恒定电压电源的另一情形。已采用外部“恒定电压”供应器的其它实例包含背光式广告标牌、交通信息标牌及大屏幕高清晰度LED显示器。

在所制造的LED群集或串不包含内部“恒定电流”驱动器的情形中，使用提供“恒定电流”的外部LED驱动器或电力供应器。恒定电流LED驱动器可取决于应用及所需输出功率而具有从集成电路到封闭式防潮封装的许多不同封装配置。

取决于应用，LED可按串联及/或并联配置连接。当LED串联连接时，串中的每一LED的正向电压降相加。举例来说，如果15个LED串联配置，且每一LED具有3V(在其标称电流下)的电压降，那么45V(15×3V＝45V)的电压源将驱动所需电流(还存在跨越感测元件的小的额外电压降)。因此，“恒定电流”驱动器规范包含驱动器能够提供以克服LED电压降的输出电压范围。为了将驱动电压限于合理电平，多个串联连接的LED串可并联放置且由多输出恒定电流驱动器驱动。

LED的光输出可经由脉冲宽度调制(PWM)通过使流动穿过LED的电流量变化(在所定义限制内)或通过接通及关断LED而控制。可使用可变电阻器来实现模拟调光控制。在此情形中，当电阻设定为其最小值时，出现最大LED亮度。可使用脉冲宽度调制输入来通过使输入信号的工作循环从1％变化到100％而控制LED亮度。典型PWM频率范围介于180Hz到270Hz之间。

LED具有相对快速响应时间(～20纳秒)，且瞬时地达到全光输出。因此，可通过以其额定电流驱动光引擎并迅速地接通及关断所述电流而使由使电流电平变化产生的许多不期望效应(例如波长移位或正向电压改变)最小化。PWM是实现针对需要调光到小于额定电流的40％的应用的稳定结果的最好方式。通过使电流保持处于额定电平且使脉冲“接通”时间对从脉冲到脉冲(通常称为工作循环)的时间的比率变化，可降低亮度。人眼无法检测到处于大于每秒200次循环的速率的个别光脉冲且使光强度平均化，借此感知较低水平的光。

在驱动多个输出的所揭示***及方法的实例实施方案中，可使用单个电感器来驱动LED或白色LED(WLED)的多个独立串，例如背光驱动器或用于移动装置的显示驱动器。在实例实施例中，升压DC/DC转换器可与单个电感器一起使用以驱动多个输出。电感器可大于功率控制集成电路芯片，因此电感器越少越好。举例来说，可使用多个输出来驱动键盘驱动器、相机闪光灯以及显示器背光及驱动器，且使用仅一个电感器。作为非限制性实例，可使用本文中所揭示的驱动多个输出的***及方法来驱动WLED负载，其中具有高效率及无串扰的优点。在实例实施例中，在DC/DC转换器的每一循环期间对多个输出中的每一者的误差电压进行取样，且针对所述循环而确定最大误差电压。接着在所述循环期间将来自DC/DC转换器的电力供应到所述输出。

在具有串扰的情况下，来自一个输出的噪声反映于其它输出中的一者上。在多个输出应用中，效率可能受损，因为所述若干输出可需要不同输出电压电平(举例来说，驱动6个LED的串及9个LED的串两者)。电力供应器模块的输出电压经设定处于最高电压，且其它电压经驱动穿过电阻器分压器或某一其它机构以降低输出电压，从而导致效率的降低。

图1提供切换转换器100作为待在驱动多个输出的所揭示***及方法中使用的实例切换转换器。切换转换器100是经配置用于借助同步功率FET的峰值电流模式控制的升压转换器。在实例实施例中，低侧功率FET 150可单一的且可在多个输出环路之间共享。低侧FET感测装置155连同准确内部感测电阻器一起可用于将在低侧FET 150的接通状态期间穿过电感器105的电流转换为电压波形。在实例实施例中，将所述波形与经斜率补偿(在斜率补偿放大器110中)误差信号进行比较以产生低侧FET的PWM控制信号。转换器的操作的频率可经由PULSEGEN信号而设定到SR锁存器130中。

电感器105中的经由低侧FET 155而取样的电流用于通过使低侧FET 150接地(低侧FET 150及感测FET 155实质上同时接通)而充电或放电到负载中。感测FET 155馈入电流感测放大器160，从而放大跨越感测电阻器的电压，此提供关于穿过电感器的电流的信息。经放大电流感测信号接着馈入到PWM比较器120中。斜率补偿比较器110从电力模块的输出获得误差信号且使用斜率补偿来提供稳定性。经斜率补偿误差信号及电流感测信号用于经由SR触发器130及低侧驱动器140产生PWM信号以接通及关断低侧FET 150的栅极。

图2提供驱动具有高侧FET 230、235及240的多个输出的所揭示***及方法的实例实施例。图2提供3个高侧FET，但可想到，取决于需要多少输出，可使用任何数目个高侧FET。LX是在图1的切换转换器100的输出处连接到电感器的底部的切换节点。如果接通低侧FET 150，那么电感器205的一侧接地且其用图2的实例电路中的Vbat进行充电。当关断低侧FET 150时，接通高侧FET 230、235及240中的一者且存储于电感器205中的电荷将电力递送到负载。反馈环路用于维持LED串215、220及225的底部处的SINKx输入引脚上的电压调节。SINKx路径可独立启用或停用而不影响任何其它SINKx的操作。在实例实施例中，每一SINKx输入以经调节电流宿为特征且可具有独立亮度及调光(模拟及数字)控制。这些可经由模拟PWM输入或经由数字寄存器或状态机控制而存取。在实例实施例中，SINKx反馈电压馈送到产生与LED串的总误差成比例的误差信号的求和误差放大器265。

高侧FET 230、235及240中的FET的背对背性质用于防止来自FET体二极管的泄漏从VOUTx往回进入到LX节点。将来自电感器205的电荷施加到每循环具有最大误差信号的输出。在替代实施例中，将来自电感器205的电荷施加到每循环具有最大百分比误差信号(Verr/VOUTx)的输出。在图2的实例实施方案中，触发器块250中存在借助用于驱动图1的低侧FET 150的PWM信号来计时的三个D触发器。尽管在图2的触发器块250中使用三个触发器，但取决于被驱动的输出的数目可使用任何数目个触发器。数据随着每一时钟信号而发送到触发器块250。仲裁逻辑块255决定将1还是0发送到触发器块250的每一触发器。随着每一时钟循环，仲裁逻辑块255确定在SINK 1、SINK2、SINK 3节点处取样的输出电压中的哪一者具有最大误差。在所述特定循环中具有最大误差的输出将是电力被递送到的输出。关于每一切换循环做出新决策。在实例实施例中，每循环仅对一个输出路径进行充电。

在实例实施例中，仲裁逻辑255由三个比较器馈送(比较器的数目取决于待进行比较的输出信号的数目，使得当x从1变为N时，比较器的数目等于N-x的和，其中N为输出信号的数目)。比较器块260中的每一比较器确定一个误差电压是否高于其它误差电压中的每一者。仲裁块255确定针对所述特定循环哪一输出“取胜”且将适当数字控制馈送到“取胜”触发器，所述“取胜”触发器接着获得时钟输入且按需要接通高侧FET230、235及240中的一者。

在实例实施例中，用户可通过吸收较多电流而控制亮度。或者，用户可借助由亮度及调光控制模块提供的PWM信号控制亮度。为了设定VOUT1、VOUT2、VOUT 3的输出的电压，在此实例实施方案中使用400mV的VREF。接着任何数目个输出上的总误差在误差放大器265中被加回误差信号中以控制电感器205的充电。由于输出是唯一的，因此输出负载之间的串扰被降低。此外，效率因针对每一串使用唯一输出电压而优化。

图3提供切换多个输出的***的实例实施例的简化切换矩阵的电路300，所述多个输出包括电感器305、低侧FET 350及高侧FET 330、335及340。当低侧FET 350闭合且高侧FET 330、335及340断开时，对电感器305进行充电。当特定输出产生最大误差信号时，电力被递送所述输出。在电力递送循环期间，低侧FET 350断开且高侧FET330、335及340中的一者闭合。如果VOUT1产生最大误差信号，那么高侧FET 330闭合且FET 335、340及350断开。如果VOUT2产生最大误差信号，那么FET 335闭合且FET 330、340及350断开。如果VOUT3产生最大误差信号，那么FET 340闭合且FET330、335及350断开。在实例实施例中，针对切换转换器100的PWM信号的每一循环对误差信号进行取样及比较。

图4提供驱动多个输出的方法的实例实施例的流程图400。在框410中，将电力供应到多个负载，所述多个负载中的每一负载产生一误差信号。在框420中，选择多个负载中的一个负载以在脉冲宽度调制输出的单个循环期间将电力供应到所述多个负载中的产生多个误差信号中的最大误差信号的选定负载。

图4的流程图展示仲裁逻辑软件的可能实施方案的架构、功能性及操作。就此来说，每一框表示一模块、段或代码部分，其包括用于实施指定逻辑功能的一或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方案中，框中所述的功能可不以图4中所述的次序发生。举例来说，图4中连续展示的两个框事实上可实质上同时执行，或者所述框有时可取决于所涉及的功能性而以反向次序执行。流程图中的任何过程描述或框应理解为表示模块、段或代码部分，其包含用于实施过程中的特定逻辑功能或步骤的一或多个可执行指令，且替代实施方案包含于实例实施例的范围内，其中功能可不以来自所展示或所论述的次序的次序执行，取决于所涉及的功能性，包含实质上同时执行或以反向次序执行。另外，流程图中的过程描述或框应理解为表示由硬件结构(例如状态机)做出的决策。

实例实施例的逻辑可以硬件、软件、固件或其组合实施。在实例实施例中，逻辑以存储于存储器中且由适合指令执行***执行的软件或固件实施。如果以硬件实施，如在在替代实施例中，那么逻辑可借助此项技术中所有众所周知的以下技术中的任一者或其组合而实施：具有用于实施数据信号上的逻辑功能的逻辑门的离散逻辑电路、具有适当组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等。另外，本发明的范围包含以体现于硬件或软件配置的媒体中的逻辑来体现本文中所揭示的实例实施例的功能性。

包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表的软件实施例可以任何计算机可读媒体体现，以供由指令执行***、设备或装置(例如基于计算机的***、含有处理器的***或可从所述指令执行***、设备或装置取得指令并执行所述指令的其它***)使用或连同其一起使用。在此文档的上下文中，“计算机可读媒体”可为可含有、存储或传递供由指令执行***、设备或装置使用或连同其一起使用的程序的任何构件。计算机可读媒体可为(举例来说，但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***、设备或装置。计算机可读媒体的较特定实例(非穷尽性列表)将包含以下各项：便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(电子)、只读存储器(ROM)(电子)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)(电子)及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学)。另外，本发明的范围包含以体现于硬件或软件配置的媒体中的逻辑来体现本发明的实例实施例的功能性。

尽管已详细描述了本发明，但应理解，可在不背离如由所附权利要求书界定的本发明的精神及范围的情况下对其做出各种改变、替代及更改。

Claims

1.一种***，其包括：

切换调节器；

最多一个电感器，其连接于所述切换调节器与多个负载之间；以及

仲裁逻辑模块，其经配置以在所述切换调节器的每一循环期间对所述多个负载中的每一负载的误差电压进行取样，且将电力从所述最多一个电感器供应到所述多个负载中的具有所述经取样误差电压中的最大误差电压的所述负载。

2.根据权利要求1所述的***，其进一步包括多个比较器，所述多个比较器经配置以将所述多个负载中的每一者的反馈与所述多个负载的每一其它反馈进行比较以用于输入到所述仲裁逻辑模块中。

3.根据权利要求2所述的***，其中比较器的数目为至少2ⁿ个，其中n为正被驱动的负载的数目。

4.根据权利要求1所述的***，其针对每一负载进一步包括：

D触发器；

高侧驱动器；以及

一对场效应晶体管，其经配置以驱动每一负载。

5.根据权利要求4所述的***，其中每一D触发器通过来自所述切换调节器的脉冲宽度调制信号而计时，且接收来自所述仲裁逻辑模块的输入。

6.根据权利要求4所述的***，其中所述对场效应晶体管配置成背对背配置，以将电力从所述电感器供应到所述多个负载中的一者。

7.根据权利要求1所述的***，其进一步包括求和误差放大器，所述求和误差放大器经配置以对每一负载的所述误差电压一起进行求和以供与参考电压进行比较，所述比较设定所述切换调节器的所述脉冲宽度调制信号的脉冲宽度。

8.根据权利要求1所述的***，其中所述切换调节器包括升压调节器。

9.根据权利要求1所述的***，其针对每一负载进一步包括：

经调节电流宿，其经配置以吸收来自所述电感器且跨越每一负载的电流，所述经取样误差电压是在所述负载与其电流宿之间进行取样的。

10.根据权利要求1所述的***，其中至少一个负载包括至少一个白色LED。

11.一种切换电力供应器模块，其包括：

控制模块，其经配置以将电流从经配置以驱动多个负载的脉冲宽度调制输出一次供应到所述多个负载中的最多一个负载，所述一个负载是基于其误差电压是所述多个负载中的每一者的所述误差电压中的最大误差电压而选择的。

12.根据权利要求11所述的电力供应器模块，其中所述误差电压是在所述脉冲宽度调制输出的每一循环期间进行取样的。

13.根据权利要求11所述的电力供应器模块，其进一步包括经配置以将电流供应到所述多个负载的最多一个电感器。

14.根据权利要求11所述的电力供应器模块，其进一步包括求和误差放大器，所述求和误差放大器经配置以对每一负载的所述误差电压一起进行求和以供与参考电压进行比较，所述比较设定所述脉冲宽度调制输出的脉冲宽度。

15.根据权利要求11所述的电力供应器模块，其针对每一负载进一步包括：

16.根据权利要求11所述的电力供应器模块，其进一步包括多个比较器，所述多个比较器经配置以将所述多个负载中的每一者的反馈与所述多个负载的每一其它反馈进行比较以用于输入到仲裁逻辑模块中，比较器的数目为至少2ⁿ个，其中n为正被驱动的负载的数目。

17.一种将电力从单个脉冲宽度调制输出供应到多个负载的方法，其包括：

将电力供应到多个负载，所述多个负载中的每一负载产生一误差信号；以及

选择所述多个负载中的一个负载以在所述脉冲宽度调制输出的单个循环期间将电力供应到所述一个负载，所述选定负载产生所述多个负载的所述多个误差信号中的最大误差信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中将电力供应到所述多个负载包括借助最多一个电感器将电力供应到所述多个负载。

19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括对所述多个负载中的每一负载的所述误差电压一起进行求和以供与参考电压进行比较，所述比较设定所述脉冲宽度调制输出的脉冲宽度。

20.根据权利要求17所述的方法，其中至少一个负载包括至少一个白色LED。