CN114153259B - 一种多通道恒流源调压电路及其控制方法 - Google Patents

一种多通道恒流源调压电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种多通道恒流源调压电路，在多LED灯串和传统驱动电路的基础上增设控制单元，该控制单元由多通道电流转接器、基准源、自调节环路基准电压、滤波电容CAVR、误差放大器、补偿网络RCOMP‑CCOMP、比较器、脉冲信号发生器、锯齿波发生器、峰值电流采样及斜波补偿器及触发器构成；通过降低单位时间内有效的充放电时间Tc，降低滤波电容CAVR的电压AVR。应用本发明该调压电路及其控制方法，能自动识别最大LED灯串压降支路，通过自调节环路产生基准电压动态调节LED驱动电压，实现恒流电路的最小饱和压降；并且自调节环路通过电流充放电，实现基准电压精准的动态调节，无需额外的滤波电容，能实现单芯片集成，降低***成本及复杂度。

Description

一种多通道恒流源调压电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关电源控制的电路设计，尤其涉及一种多通道恒流源调压电路及其控制方法，属于集成电路设计领域。
背景技术
随着智能手机、平板电脑、新能源汽车等飞速发展，作为人机交互主要通道的LCD面板近年来有爆发式增长。早前，显示产业曾面临“缺芯少屏”的局面。如今，液晶面板产量与日俱增，屏幕面板紧缺问题随着京东方、TCL华星、维信诺、惠科、天马等显示企业的崛起迎刃而解。下游面板制造能力提升为显示驱动芯片等上游环节带来重要机遇，然而目前驱动芯片仍然以进口产品为主。数据显示，京东方2020年仅液晶面板的驱动芯片采购超过60亿元，国产芯片在其中的占比不及5%。
目前显示驱动以多芯片方案为主，***应用比较复杂，随着小型化及高可靠性要求，市场对单片集成的显示驱动芯片需求迫切，国内外芯片设计公司都在围绕这种需求进行产品开发。
多通道恒流是实现调光调色普遍采用的技术方案，如4通道恒流，6通道恒流等，由于LED灯珠个体压降存在偏差，多颗LED灯珠级联成串后，LED灯串的压降偏差被放大，为实现多通道恒流一致性，技术上常采用多通道恒流电路工作在饱和区来消除各LED灯串压降偏差，这意味着多通道恒流电路的饱和压降会各不相同。虽说设置高饱和压降有利于多通道恒流一致性，但会增加多通道恒流电路的耗散功率，增加芯片的温升，存在可靠性风险。因此，在满足恒流一致性要求下，通常将LED灯串压降最大的支路工作在最低饱和压降，这需要芯片自动去识别最大LED灯串压降支路，来动态调节LED驱动电压。然而LED灯串压降并不是一个固定值，它会随着多通道之间切换以及调光比发生变化，技术上通常外加大电容来滤除高频信号。而现实情况下，往往由于该滤波电容容值要求太大，故在普通芯片内无法集成。在多通道恒流源调压的电路设计中，需要降低对大电容的依赖。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种多通道恒流源调压控制方法及电路，以解决单芯片无法集成高容值电容，并降低***成本、简化***应用。
本发明实现上述一个目的的技术解决方案为：一种多通道恒流源调压电路，包括电感L1，功率管M，采样电阻RCS，整流二极管D1，输出电容COUT，输出分压电阻RFB1、RFB2，LED灯串LED1~LEDn，其特征在于：所述调压电路设有控制单元，所述控制单元由多通道电流转接器、基准源、自调节环路基准电压、滤波电容CAVR、误差放大器、补偿网络RCOMP-CCOMP、比较器、脉冲信号发生器、锯齿波发生器、峰值电流采样及斜波补偿器及触发器构成，其中多通道电流转接器转接各LED灯串的电流，并与基准源一并输入至自调节环路基准电压，自调节环路基准电压的输出对滤波电容CAVR充放电并接入误差放大器的正极输入端，误差放大器的负极输入端接输出电压分压信号VFB，误差放大器的输出VC接补偿网络RCOMP-CCOMP和比较器的负端，比较器的正端接峰值电流采样信号VCS与斜波补偿量的和，其中斜波补偿量与锯齿波发生器的输出信号比例适配，并与脉冲信号发生器同步；触发器的置位端接脉冲信号发生器、复位端接比较器的输出，且状态端接功率管M的G极。
进一步地，所述多通道电流转接器中设有基准电压VILED和对应LED灯串数量的n组恒流控制电路，每一组恒流控制电路中包含运放OPi，功率管Mi，电阻Ri，其中各运放OPi的输出端接本组功率管Mi的G极，各运放OPi的正极输入端并线接基准电压VILED的正极，各运放OPi的负极输入端接本组功率管Mi的S极并通过本组电阻Ri并线接基准电压VILED的负极，功率管Mi的D极为对应LED灯串的恒定电流ILEDi，i取1~n的任意整数。
进一步地，所述自调节环路基准电压包含最小电压选择电路，跨导运放，窄脉宽电路，反相器，电压跟随器和两个开关，其中最小电压选择电路作为自调节环路基准电压的输入接各LED灯串的电流，且最小电压选择电路输出的信号Vmin接跨导运放的负端，跨导运放的正端接基准电压信号VR，窄脉宽电路的输出接入两个开关，且两个开关通过反相器择一控制其一导通、另一关断，对应其中一个开关所在支路，所述跨导运放的输出直接滤波电容CAVR充放电，对应其中另一个开关所在支路，所述跨导运放的输出通过电压跟随器接滤波电容CAVR。
更进一步地，所述最小电压选择电路包含偏置电流源Ibias，电流镜负载MN0-MN1，对应n路LED灯串电流的采样保持电路以及n+1个PMOS管，其中偏置电流源Ibias接所有PMOS管的S极，采样保持电路分路接入前n个PMOS管的G极，前n个PMOS管的D极接电流镜负载MN0-MN1，且余一个PMOS管的G极与D极共联接电流镜负载MN0-MN1，并输出最小电压Vmin。
本发明实现上述另一个目的的技术解决方案为：一种多通道恒流源调压控制方法，其特征在于：通过多通道电流转接器将各LED灯串的公共端压V1-Vn接入自调节环路基准电压，经取最小值并与基准源VR进行差分运算，输出跨导电流对滤波电容CAVR进行充放电，获得动态变化的电压AVR=[max(VLED1,…,VLEDn)+VR]*RFB2/(RFB1+RFB2)，随滤波电容CAVR充放电平衡，电压AVR在误差范围ΔAVR=IAVR*TC/CAVR内趋于稳定，其中IAVR为充放电电流，TC为单位时间内有效的充放电时间，CAVR为滤波电容的容值。
进一步地，通过降低单位时间内有效的充放电时间Tc，降低滤波电容CAVR的电压AVR。
应用本发明该调压电路及其控制方法，具备实质性特点和进步性：该方案能自动识别最大LED灯串压降支路，通过自调节环路产生基准电压动态调节LED驱动电压，实现恒流电路的最小饱和压降；并且自调节环路通过电流充放电，实现基准电压精准的动态调节，无需额外的滤波电容，能实现单芯片集成，降低***成本及复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例的***控制原理图。
图2是本发明实施例的多路恒流控制原理图。
图3是本发明实施例的自调节环路基准电压原理图。
图4是本发明实施例的自调节环路基准电压波形示意图。
图5是本发明实施例的多路信号最小电压选择电路的原理图。
实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者针对现有多通道恒流电路设计的诸多不足，仰赖于集成电路设计经验，创新提出了一种多通道恒流源调压电路及其控制方法，实现单芯片集成。
从技术概述来看，传统调压电路主体部分包括电感L1，功率管M，采样电阻RCS，整流二极管D1，输出电容COUT，输出分压电阻RFB1、RFB2，LED灯串LED1-LEDn。如图1所示的***控制原理图可见，输入电源VIN正极依次接电感L1和整流二极管D1后与并联的各LED灯串相接；功率管M的D极接入电感L1与整流二极管D1的正极之间，功率管M的S极通过采样电阻RCS和输入电源VIN的负极接地；输出电容COUT一端接整流二极管D1的负极，另一端接地；输出分压电阻相串联，且两端与输出电容COUT相并联。基于该调压电路主体部分，本发明增设控制单元作为调压电路核心，由多通道电流转接器111、基准源112、自调节环路基准电压113、滤波电容CAVR、误差放大器114、补偿网络RCOMP-CCOMP、比较器115、脉冲信号发生器16、锯齿波发生器117、峰值电流采样及斜波补偿器118及触发器119构成，其中多通道电流转接器分别连接各LED灯串LED1-LEDn的电流，并且公共端V1-Vn与基准源112的输出电压VR一并输入至自调节环路基准电压113，自调节环路基准电压113分别采样保持V1-Vn信号，并计算出其中的最小值，与基准源112进行差分运算。再输出跨导电流对基准电压芯片内的滤波电容CAVR充放电，该滤波电容CAVR上的电压AVR是一个动态变化值。自调节环路基准电压113的输出接入误差放大器114的正极输入端，误差放大器的负极输入端接输出电压分压信号VFB（即输出分压电阻RFB1、RFB2之间的电压），误差放大器的输出VC接补偿网络RCOMP-CCOMP和比较器115的负端，比较器的正端接峰值电流采样信号VCS与斜波补偿量的和，其中斜波补偿量与锯齿波发生器117的输出信号比例适配，并与脉冲信号发生器116同步；触发器119的置位端S（数字电路端口符号，与功率管S极命名相区别）接脉冲信号发生器、复位端R接比较器的输出，且状态端Q接功率管M的G极。
从工作原理及过程分析来看，***上电初期，V1-Vn的电压为零，小于基准源112的输出电压VR，自调节环路基准电压113对滤波电容CAVR充电，AVR电压从零开始逐步抬高；反馈信号VFB跟随AVR变化，控制输出电压VOUT也逐步抬高，这是***软启动过程。当VOUT电压大于LED灯串压降后，V1-Vn电压从零开始抬升，当V1-Vn电压中的最小值大于基准源112，自调节环路基准电压单元113开始对滤波电容CAVR放电，获得滤波电容CAVR上动态变化的电压AVR=[max(VLED1,…,VLEDn)+VR]*RFB2/(RFB1+RFB2)，当滤波电容CAVR充放电平衡后，滤波电容CAVR上的电压AVR稳在某个误差范围：
ΔAVR=IAVR*TC/CAVR内，其误差范围取决于充放电电流大小IAVR，充放电时间长短以及滤波电容CAVR的容值大小。其中充放电时间长短更准确的说，应该是单位时间内有效的充放电时间TC，不难理解的是，对于该多通道恒流源调压电路***而言，在上述滤波电容CAVR充放电平衡后，单位时间内AVR的电压变化量越小***环路越稳定。因此，本发明致力于通过降低IAVR*TC系数，以实现十皮法级别的CAVR的滤波电容下AVR的电压变化量为百微伏，实现滤波电容集成。
如图2所示，是本发明实施例的多路恒流控制原理图，对应图1中多通道电流转接器111。其设有基准电压210和对应LED灯串数量的n组恒流控制电路，基准电压210输出VILED，每一组恒流控制电路中包含运放OPi，功率管Mi，电阻Ri，其中各运放OPi的输出端接本组功率管Mi的G极，各运放OPi的正极输入端并线接基准电压VILED的正极，各运放OPi的负极输入端接本组功率管Mi的S极并通过本组电阻Ri并线接基准电压VILED的负极，功率管Mi的D极为对应LED灯串的恒定电流ILEDi，i取1~n的任意整数。图示可见，其中恒流控制电路200对应第一灯串LED1而设，恒流控制电路210对应第n灯串LEDn而设，其余省略图示。以恒流控制电路200为例，其所控制的恒定电流为ILED1=VILED/R1；为提高恒流电路之间一致性，功率管M1工作在饱和区，因此恒流电路的功率损耗为P=ILED1*V1。
如图3所示，是本发明实施例的自调节环路基准电压原理图，对应图1中自调节环路基准电压113。其包含最小电压选择电路300，跨导运放301，窄脉宽电路302，反相器303，电压跟随器304和两个开关311、312，其中最小电压选择电路作为自调节环路基准电压的输入接各LED灯串的电流，且最小电压选择电路输出的信号Vmin接跨导运放的负端，跨导运放的正端接基准电压信号VR，窄脉宽电路的输出接入两个开关，且两个开关通过反相器择一控制其一导通、另一关断，对应其中一个开关所在支路，跨导运放的输出直接滤波电容CAVR充放电，对应其中另一个开关所在支路，跨导运放的输出通过电压跟随器接滤波电容CAVR。
其中跨导运放301来看，当信号Vmin信号小于VR时，电流IAVR从跨导运放301流出；当信号Vmin信号大于VR时，电流IAVR则反向流入跨导运放301；当信号Vmin信号等于VR时，电流IAVR为零。并且，当窄脉宽电路302的信号SW为高电平时，开关312导通、311关断，电流IAVR对滤波电容CAVR充放电；当信号SW为低电平时，开关312关断、311导通，由电压跟随器304将跨导运放301的输出电压控制在滤波电容CAVR的电容电压，以此避免信号SW信号高低切换时滤波电容CAVR的电压跳变。
前已述及，滤波电容CAVR的电压最小变化量取决于充放电电流IAVR的大小、单位时间内有效的充放电时间TC，以及滤波电容CAVR的容值，为实现芯片集成，通常要求容值小于百皮法级别；由上所述，当***稳定后，信号Vmin信号等于VR时，充放电电流IAVR为零，因此理论上滤波电容CAVR的电压最小变化量为零。但实际上对于反馈***而言，信号Vmin并不会等于VR，而是接近VR，因此充放电电流IAVR不为零。为了降低CAVR电容电压最小变化量，在满足***响应速度的情况下，应尽可能降低单位时间内有效的充放电时间TC。该参数表示在单位时间内只有在TC时间内对滤波电容CAVR进行充放电，其它时间内保持其上的电压；比如单位时间为10us，有效充放电时间TC为100nS。
当***动态变化时，信号Vmin与VR差值大，充放电电流IAVR=gm*(VR-Vmin)也较大，滤波电容CAVR的电压变化量大利于响应速度，这里gm表示跨导运放301的跨导量，***响应速度与***稳定性由跨导运放301的跨导量来折衷。
如图4所示，是本发明实施例的自调节环路基准电压波形示意图。图示可见，Ts表示单位时间，Tc表示有效充放电时间；直线401表示充放电电流IAVR较大，对应滤波电容CAVR的误差范围411较大；而直线402表示充放电电流IAVR较小，则对应滤波电容CAVR的误差范围412也较小。并且可见时间Tc相对Ts的占比，很大程度上影响着滤波电容CAVR的误差范围。
如图5所示，是本发明实施例的多路信号最小电压选择电路原理图。其包含输出Ibias的偏置电流源501，电流镜负载MN0-MN1，对应n路LED灯串电流的采样保持电路511、512以及n+1个PMOS管MP0~MPn，其中偏置电流源Ibias接所有PMOS管的S极，采样保持电路分路接入前n个PMOS管的G极，前n个PMOS管MP1~MPn的D极接电流镜负载MN0-MN1，且余一个PMOS管MP0的G极与D极共联接电流镜负载MN0-MN1。从功能实现上来看，通过该PMOS管MP0的G极输出最小电压Vmin。
综上关于本发明多通道恒流源调压电路及其控制方法的实施例详述可见，本方案具备实质性特点和进步性：该方案能自动识别最大LED灯串压降支路，通过自调节环路产生基准电压动态调节LED驱动电压，实现恒流电路的最小饱和压降；并且自调节环路通过电流充放电，实现基准电压精准的动态调节，无需额外的滤波电容，能实现单芯片集成，降低***成本及复杂度。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种多通道恒流源调压电路，包括电感L1，功率管M，采样电阻RCS，整流二极管D1，输出电容COUT，输出分压电阻RFB1、RFB2，LED灯串LED1~LEDn，其特征在于：所述调压电路设有控制单元，所述控制单元由多通道电流转接器、基准源、自调节环路基准电压、滤波电容CAVR、误差放大器、补偿网络RCOMP-CCOMP、比较器、脉冲信号发生器、锯齿波发生器、峰值电流采样及斜波补偿器及触发器构成，其中多通道电流转接器转接各LED灯串的电流，并与基准源一并输入至自调节环路基准电压，自调节环路基准电压的输出对滤波电容CAVR充放电并接入误差放大器的正极输入端，误差放大器的负极输入端接输出电压分压信号VFB，误差放大器的输出VC接补偿网络RCOMP-CCOMP和比较器的负端，比较器的正端接峰值电流采样信号VCS与斜波补偿量的和，其中斜波补偿量与锯齿波发生器的输出信号比例适配，并与脉冲信号发生器同步；触发器的置位端接脉冲信号发生器、复位端接比较器的输出，且状态端接功率管M的G极。
2.根据权利要求1所述多通道恒流源调压电路，其特征在于：所述多通道电流转接器中设有基准电压VILED和对应LED灯串数量的n组恒流控制电路，每一组恒流控制电路中包含运放OPi，功率管Mi，电阻Ri，其中各运放OPi的输出端接本组功率管Mi的G极，各运放OPi的正极输入端并线接基准电压VILED的正极，各运放OPi的负极输入端接本组功率管Mi的S极并通过本组电阻Ri并线接基准电压VILED的负极，功率管Mi的D极为对应LED灯串的恒定电流ILEDi，i取1~n的任意整数。
3.根据权利要求1所述多通道恒流源调压电路，其特征在于：所述自调节环路基准电压包含最小电压选择电路，跨导运放，窄脉宽电路，反相器，电压跟随器和两个开关，其中最小电压选择电路作为自调节环路基准电压的输入接各LED灯串的电流，且最小电压选择电路输出的信号Vmin接跨导运放的负端，跨导运放的正端接基准电压信号VR，窄脉宽电路的输出接入两个开关，且两个开关通过反相器择一控制其一导通、另一关断，对应其中一个开关所在支路，所述跨导运放的输出直接滤波电容CAVR充放电，对应其中另一个开关所在支路，所述跨导运放的输出通过电压跟随器接滤波电容CAVR。
4.根据权利要求3所述多通道恒流源调压电路，其特征在于：所述最小电压选择电路包含偏置电流源Ibias，电流镜负载MN0-MN1，对应n路LED灯串电流的采样保持电路以及n+1个PMOS管，其中偏置电流源Ibias接所有PMOS管的S极，采样保持电路分路接入前n个PMOS管的G极，前n个PMOS管的D极接电流镜负载MN0-MN1，且余一个PMOS管的G极与D极共联接电流镜负载MN0-MN1，并输出最小电压Vmin。
5.一种多通道恒流源调压控制方法，基于权利要求1至4任一项所述调压电路实现，其特征在于：通过多通道电流转接器将各LED灯串的公共端压V1-Vn接入自调节环路基准电压，经取最小值并与基准源VR进行差分运算，输出跨导电流对滤波电容CAVR进行充放电，获得动态变化的电压AVR=[max(VLED1,…,VLEDn)+VR]*RFB2/(RFB1+RFB2)，随滤波电容CAVR充放电平衡，电压AVR在误差范围ΔAVR=IAVR*TC/CAVR内趋于稳定，其中IAVR为充放电电流，TC为单位时间内有效的充放电时间，CAVR为滤波电容的容值。
6.根据权利要求5所述多通道恒流源调压控制方法，其特征在于：通过降低单位时间内有效的充放电时间Tc，降低滤波电容CAVR的电压AVR。
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