專利名稱：用于發光二極管的驅動器裝置的制作方法
技術領域：
本公開涉及用于驅動發光二極管或LED的技術。通過特別關注于本公開在驅動用作光源的LED時的可能用途，設計了本公開。然 而，提及這一可能的應用不應被解釋為限制本公開的范圍。
背景技術：
驅動LED，特別是驅動用于照明目的的LED，提出了許多有待滿足的基本要求。考慮到預期的大量生產，驅動器的緊湊性和高的電效率可以代表第一種要求。高 性能的PWM(脈沖寬度調制)調光功能(例如LED電流上升/下降時間低于如5毫秒)代 表另一種要求。非常低的LED電流波紋(例如小于)是另一所期望的特征。高效率和緊湊性可以通過單級開關裝置實現，這是以高的波紋電流和差的下降/ 上升時間性能為代價的。其他現有的LED驅動器裝置可以導致好的下降/上升時間性能和 低的波紋，但是其呈現差的效率。實際上，對LED進行脈沖寬度調制(PWM)調光以調整其亮度(即光強度)涉及交 替打開和關閉LED的開關裝置。調整開/關波形的占空周期(即對該波形進行PWM調制) 規定了提供給LED的平均功率，并且因此，規定了由此生成的光輻射的亮度。用于驅動LED的開關裝置固有地傾向于生成高頻(HF)開關波紋。用于避免饋送到 正被調光的LED的電流上的波紋的典型裝置是使用所謂的線性電流調節器，其涉及從LED 的饋電線路得到反饋電流信號。該調節器具有低效率的固有缺陷。文獻DE-A-102005028403公開了一種在改進整體效率的同時保持線性電流調節 器的低波紋電流和較快的上升/下降時間的優點的裝置，該裝置涉及采取兩級解決方案， 這些兩級解決方案涉及向一個或更多個線性電流調節器遞送電壓的高效率前置調節器 (直流/直流(DC/DC))。反饋信號以如下方式控制DC/DC級的輸出電壓使跨越線性調節 器的壓降最小。該裝置涉及使用比較器將跨越各種電流調節器的電壓與已定義的、最小化 的基準值比較。當跨越線性調節器的電壓低于基準時，使DC/DC調節器遞送的電壓VDD增 加。當輸出電壓高于基準時，使電壓VDD減小。這是所謂的滯環(hysteretic)控制或“起 停(bang-bang)”控制。
發明內容
盡管該控制裝置是有效的，但是其仍呈現明顯的缺陷，特別是在PWM調光應用的 情況中。在該情況中，通過方波PWM信號對LED或每個LED上的電流進行斬流(開和關) 以改變LED亮度。在PWM信號的“關”時間期間，當比較器的反相輸入上的電壓為高時，傳 統的滯環或“起停”控制裝置將趨向于使VDD電壓逐漸減小。在PWM開啟時，所討論的電壓 通常對于電流調節器將是過低的，以至于不能適當地控制LED電流。因此需要一種改進的裝置，其除了消除前文略述的缺陷之外，還可以滿足如下要 求
-從單個電壓源驅動一個或更多個LED模塊或LED串，-利用PWM技術控制LED亮度，-在使LED電流上升和下降時間最優化的同時，使LED電流上的高頻波紋最小(這 是關于高性能色彩管理系統的典型要求)，-維持盡可能高的電效率，以及-使該裝置的整體尺寸最小。因此本發明的目的在于提供一種可以適當地滿足前文略述的需要的改進的裝置。根據本發明，借助于具有所附權利要求中闡述的特征的驅動器裝置實現了該目 的。權利要求形成了如這里提供的本發明的公開內容的組成部分。在一個實施例中，向兩級(級聯)LED驅動器裝置提供簡單的、非常有效的控制策 略，其涉及_開關級(其自身是非常高效的和緊湊的)，以及-與開關級級聯的線性級，其具有快速的上升和下降時間以及低的波紋。在一個實施例中，可以在不喪失快速動態性能的情況下，基于智能程序來控制這 里描述的裝置，以便于使損失最小。
現將參照附圖僅借助于示例來描述本發明，該圖是這里描述的裝置的示例性實施 例的框圖。
具體實施例方式在以下描述中，給出了許多具體細節以提供對實施例的透徹理解。在不具有這些 具體細節中的一個或更多個的情況下，或者利用其他的方法、元件、材料等，也可以實踐這 些實施例。在其他情形中，并未詳細地示出或描述公知的結構、材料或者操作，以避免使實 施例的各方面難以理解。本說明書通篇提到的“一個實施例”或“實施例”意味著結合該實施例描述的具體 的特征、結構或特性包含于至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇各處出現短語“在一 個實施例中”或“在實施例中”不一定均意指同一實施例。另外，可以在一個或更多個實施 例中以任何適當方式來組合這些具體的特征、結構或特性。這里提供的標題僅出于便利的目的，而并未解釋實施例的范圍或者含義。附圖的框圖是圍繞三個基本元件而構建的，這三個基本元件本身在本領域中是已 知的并且在提交本申請時是普遍可獲得的。具體地，附圖標記10表示DC/DC轉換器，其連接在恒壓源(例如24Vcc)和地(0或 GND)之間以在輸出線路101、102上生成用于包括一個或更多個LED(例如布置成LED “串” 的多個LED)的LED模塊的饋電電壓。所討論的LED作為整體被標注為1。盡管圖中出于說明完整性的目的而在附圖中示出了 LED模塊L，但是LED模塊L在 本質上并非表示形成本公開的主題內容的驅動器裝置的一部分。更具體地，轉換器10在第一輸出線路101上提供電壓Vout，而“地”輸出線路102連接到線性電流調節器12，在所示出的示例性實施例中，線性電流調節器12是圍繞誤差放 大器120構建的。最后，附圖標記14表示電子開關。適于實現標有10、12 (120)和14的元件的示例性元件是元件L5973AD (DC/DC調節 器10)、LM2904(誤差放大器120)和MAX 4731 (開關14)，但是提及這些元件不應被解釋為 限制本發明的范圍。在圖中，所討論的元件被示出為按照用于適當操作的需要而與提供適當的偏置、 濾波等的諸如電阻器、電容器、電感器的輔助元件耦合。本領域的技術人員將認識到，如這 里出于示例性目的而示出的輔助元件的布置僅是多個可能布置中的一個。設計可替選的輔 助元件的布置(以及選擇這些元件的適當的值)是完全在本領域的有經驗的技術人員的能 力范圍內的設計任務并且不需要在這里進行詳細描述。出于這里的目的，只要在線路101 (即電壓Vout)和地(或0電壓)之間提供包括 電阻器R3和R4的分壓器就夠了。所討論的分壓器具有適于經由開關14有選擇地連接到 調節器10的反饋引腳102(這可以是L5973AD的FB引腳)的中間點(即其中電阻器R3和 R4彼此連接的點)，因此其將用作PWM控制器。出于清楚的目的，將回想到，調節器10 (例 如，L5973)提供了高頻PWM(例如，> 50kHz)以將輸出電壓Vout調節到所期望的值。這不要與適當的PWM調光動作混淆，PWM調光動作由外部低頻(例如，100至 500Hz) PWM控制信號控制，以選擇LED模塊L的所期望的調光水平，該PWM控制信號是從例 如，諸如由使用者致動的滑動器的手動控制得到的。在線路16上饋送所討論的PWM控制信號以提供LED模塊L的PWM調光動作(有 選擇的開/關)。在線路16上提供的PWM信號控制開關14和電子開關Q2的柵極。開關Q2具有如下目的根據施加在線路16上的PWM控制信號的值，向誤差放大器 120的非反相⑴輸入交替地傳送非零額定電流基準值(例如700mA)或零值(OmA)。為此效果，包括兩個電阻器RlO和Rll的另一分壓器被布置在基準電壓Vref和地 (0電壓)之間，中間點(即其中電阻器RlO和Rll彼此連接的點)連接到誤差放大器120 的非反相輸入。在一個實施例中，控制開關Q2是MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)，其漏 極_源極線路跨越電阻器RlO連接。因此開關Q2使得在誤差放大器120的非反相輸入處 生成基準電壓，該基準電壓是外部基準電壓Vref以及RlO和Rll的值的函數。開關Q2因此經由誤差放大器120控制另一電子開關Ql (在一個實施例中，又是 M0SFET)的柵極，該電子開關Ql被布置在線路102 (即電壓V)和分路電流測量電阻器Rm之 間。附圖標記18表示線性電流調節器12的反饋線路，其經由感測電阻器Rm來感測表 示流過開關Ql的電流(其對應于流過LED的電流)的電壓并且將其反饋回誤差放大器120 的反相輸入。基本上，誤差放大器120的任務是通過根據典型的反饋方案作用于功率MOSFET Q1，使經調節的LED電流維持在非反相輸入上指定的值。如果測得的(即感測到的)電流 低于所期望的電流值，則誤差放大器120增加功率MOSFET的溝道的開啟(opening)，因此使 通過LED的電流增加。相反地，如果感測到的電流高于所期望的電流值，則誤差放大器120
5減少功率MOSFET的溝道的開啟，因此使通過LED的電流減小。圖中示出的裝置的操作如下。當線路16上的PWM信號為高時，誤差放大器120的非反相輸入處的電壓等于零并 且包括開關Ql的MOSFET是開路，從而使LED模塊L上的電流同樣是零(LED模塊的PWM調 光動作的“關”部分)并且實際上禁用電流調節器。“地”線路102上的電壓Vr是浮動的。 邏輯開關14閉合并且將PWM控制器10的反饋引腳104連接到由此形成的分壓器中的電阻 器R3和R4之間的中間點處存在的電壓Vpart。電壓Vpart是線路101上的輸出電壓Vout 的按比例縮小形式。在該狀態下，將電壓Vout調節到已定義的值，該值被設定為足夠高，即高于被選 擇用于確保線性電流調節器12將在隨后PWM開啟時適當地工作的閾值。當線路16上的PWM為低時，電流調節器12被激活(LED模塊的PWM調光動作的 “開”部分)。電流調節器將LED電流控制在如基準電壓Vref和電阻器RIO、Rll的值設定 的所期望的值Iref。同時，開關14將斷開并且PWM控制器10的反饋引腳104將從分壓器 R3、R4斷開連接(并且因此呈現為與Vout無關)。在該狀態下，“地”線路102上的電壓Vr將活躍地和動態地被調節到如下電平 (Vrl):該電平被選擇為允許在確保LED電流調節的同時仍使線性調節器12中的功率損失 最小的最低的可能值。將認識到，由于例如與線路16關聯的邏輯反相器的存在，線路16上的PWM信號的 “高”和“低”狀態以及LED模塊的PWM調光動作的“關”和“開”部分之間的關系可以與前 文中提到的關系相反。出于該原因，在所附權利要求中逐一闡述了 PWM控制信號的開/關 電平。此外，將認識到，將控制器10的輸出線路102指定為“地”線路與該線路相對于第 一輸出線路101 (其具有電壓Vout)的概念上的任務有關。如所描述的，線路102上的電壓 Vr未固定到地(即零)，然而該電壓Vr依賴于該裝置的操作條件是浮動的或者被調節到最小值。此處描述的裝置可以基于更加可靠的、噪聲更小的和快速的動態誤差放大器(可 能集成在諸如5973AD的前置調節器中)，以代替利用外部比較器的滯環控制。在不偏離如所附權利要求限定的本發明的范圍的前提下，在不損害本發明的基本 原理的情況下，細節和實施例可以相對于此處僅借助示例描述和示出的內容變化，甚至明 顯地變化。
權利要求
一種用于發光二極管LED(L)的驅動器裝置，包括 高頻脈沖寬度調制PWM控制器(10)，遞送第一輸出線路(101)和地輸出線路(102)之間的LED饋電電壓，所述控制器具有PWM控制器反饋引腳(104)， 線性電流調節器(12)，耦合到所述控制器(10)的所述地輸出線路(102)以調節LED饋電電流，所述電流調節器(12)能夠有選擇地(Q2)耦合到基準電壓(Vref，R10，R11)， 連接開關(14)，能夠有選擇地致動以將所述控制器(10)的所述反饋引腳(104)連接到所述控制器(10)的第一輸出線路(102)上的電壓(Vout)的按比例縮小的形式，以及 PWM控制線路(16)，接收開/關PWM控制信號以有選擇地產生受控LED調光，所述PWM控制線路(16)耦合至所述電流調節器(12)和所述連接開關(14)，以有選擇地將所述電流調節器(12)耦合到所述基準電壓(Vref，R10，R11)并且控制所述連接開關(14)的開關，由此 在所述PWM控制信號的開/關電平中的一個電平下，所述電流調節器(12)使所述LED饋電電流中斷，所述控制器(10)的所述地輸出線路(102)上的電壓(Vr)是浮動的，以及，所述連接開關(14)將所述PWM控制器反饋引腳(104)連接到所述控制器(10)的所述第一輸出線路(101)上的電壓(Vout)的所述按比例縮小的形式，以及 在所述PWM控制信號的開/關電平中的另一個電平下，所述電流調節器(12)耦合到所述基準電壓(Vref，R10，R11)并且控制所述LED饋電電流，所述連接開關(14)使所述控制器(10)的所述反饋引腳(104)從所述控制器(10)的所述第一輸出線路(101)上的電壓(Vout)的所述按比例縮小的形式斷開連接，以及所述控制器(10)的所述地輸出線路(102)上的電壓(Vr)被調節。
2.如權利要求1或2所述的裝置，包括控制開關(Q2)，其被連接到所述PWM控制線路 (16)以使所述電流調節器(12)耦合到非零基準電壓(Vref，RIO, Rll)和零基準值中的任 一個。
3.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述控制器(10)被配置為在所述PWM控 制器反饋引腳(104)通過所述連接開關(14)連接到所述控制器(10)的所述第一輸出線路 (101)上的電壓(Vout)的所述按比例縮小的形式時，將所述第一輸出線路(101)的電壓調 節至高于所述裝置驅動的LED的閾值或者閾值之和的電平，因此允許所述電流調節器(12) 在隨后PWM開啟時操作。
4.如前面任一權利要求所述的裝置，其中，所述控制器(10)被配置為在所述電流調 節器(12)被激活時，將所述地輸出線路(102)上的電壓(Vr)調節至給定的值。
5.如權利要求4所述的裝置，其中所述給定值是在允許所述電流調節器(12)在被激活 時調節LED電流時，使所述電流調節器(12)中的功率損失最小的最小值。
全文摘要
一種用于LED(L)的驅動器裝置包括高頻PWM控制器(10)，遞送第一(101)和地輸出線路之間的LED饋電電壓；和線性電流調節器(12)，耦合到控制器(10)的地輸出線路(102)以調節LED饋電電流。電流調節器(12)可以有選擇地(Q2)耦合到基準電壓(Vref，R10，R11)，并且提供連接開關(14)以將控制器(10)的反饋引腳(104)連接到控制器(10)的第一輸出線路(102)上的電壓(Vout)的按比例縮小的形式。在控制線路(16)上提供開/關PWM控制信號，由此在PWM控制信號的開/關電平中的一個電平下，電流調節器(12)使LED饋電電流中斷，由此控制器(10)的地輸出線路(102)上的電壓(Vr)是浮動的，并且連接開關(14)將PWM控制器反饋引腳(104)連接到控制器(10)的第一輸出線路(101)上的電壓(Vout)的按比例縮小的形式；以及在PWM控制信號的開/關電平中的另一個電平下，電流調節器(12)耦合到基準電壓(Vref，R10，R11)以控制LED饋電電流，并且連接開關(14)使控制器(10)的反饋引腳(104)從控制器(10)的第一輸出線路(101)上的電壓(Vout)的按比例縮小的形式斷開連接，并且控制器(10)的地輸出線路(102)上的電壓(Vr)被調節。
文檔編號H05B33/08GK101904217SQ200780101991
公開日2010年12月1日 申請日期2007年12月20日 優先權日2007年12月20日
發明者保羅·德安娜, 尼古拉·贊福林, 尼科·切科內洛 申請人:奧斯蘭姆有限公司