專利名稱：具有采樣和保持反饋控制的電路及方法
技術領域：
本發明總體上涉及電子電路，更具體地涉及用于驅動電流敏感型負載的方法和電路。
背景技術：
半導體元件用在移動電話、便攜式計算機、計算器、照相機、個人數字助理(PDA)、 視頻游戲控制器等便攜式應用中，以及大型計算機、測試設備、汽車、通信、制造等非便攜式 應用中。在其中的一些應用中，可能期望半導體元件來驅動電流敏感型負載或器件，例如發 光二極管(LED)。LED被稱為電流敏感器件，因為LED的亮度由流經LED的電流量來控制。 驅動LED的常用技術涉及利用脈寬調制(PWM)信號。圖1示出了通過PWM信號驅動LED負 載的示例。圖1示出了現有技術中用于驅動LED串22的驅動器電路10的電路原理圖。驅 動器電路10包括運算放大器14，其輸出端通過DC/DC變換器18耦接至電流敏感型負載16。 更具體地講，運算放大器14具有反相輸入端、同相輸入端、輸出端和使能端，其中輸出端連 接至DC/DC變換器18的輸入端，耦接同相輸入端來接收工作電位源(例如參考電位Vkef)， 反相輸入端共用地連接至開關20的一端和LED串22的一個LED的陰極。該陰極被稱為LED 串22的陰極。開關20的另一端連接至電流源M。開關20的控制端連接至運算放大器14 的使能端，用于接收PWM信號。DC/DC變換器18的輸出端耦接至LED串22的一個LED的陽 極。該陽極被稱為LED串22的陽極。工作期間，PWM信號閉合和打開開關20，其中閉合開關20會開啟或點亮LED串22， 打開開關20會使LED串22變暗。當開關20閉合時，驅動器電路10以閉環結構工作；當 開關20打開時，驅動器電路10以開環結構工作。在閉環結構中，電流源/吸收器M吸收 恒流，LED串20產生光信號。為了吸收恒流，應當在電流源/吸收器M兩端傳輸足夠的電 壓。這通常通過感測連接至運算放大器14的LED串22的陰極端的電壓并且將其與參考電 壓Vkef進行比較來實現。響應于這些輸入信號，運算放大器14產生誤差信號，該誤差信號被 施加給DC/DC變換器18，以改變(即，增大或減小)其輸出電壓，從而調節連接至DC/DC變 換器18的輸出端的LED串22的那個LED的陽極端的電壓。調節LED串22的陽極端的電 壓會進而將其陰極端的電壓調節至目標值。然而，將PWM信號作為控制信號會導致LED串 22的正向電壓在其標稱的“導通(on)”電壓和其“斷開(off)”電壓之間切換，其中“斷開” 電壓由暗電流確定。如上所述，PWM信號通過打開開關20來使LED串22變暗。在變暗期間，S卩，當PWM 信號不起作用時，反饋回路打開，LED串22的陰極上的電壓不能夠再用于確定系統反饋誤 差信號。當PWM信號再次開啟，或者變為激活時，開關20閉合。然而，來自DC/DC變換器18 的輸出功率可能不會立刻等于LED串22所需的負載功率。圖2示出了在開關20閉合之后 和DC/DC變換器18能夠傳輸其峰值輸出電流之前存在延遲的曲線30。例如，該延遲為70 微秒。當PWM信號變為激活時LED串22所需的能量超過了能夠從DC/DC變換器18獲得的 能量。因此，最終的穩態工作條件不能保持LED串22所期望的恒流，這是由于PWM脈沖具4有小于70微秒的間隔。在這種情況下，恒流調節失敗，PWM調光變為非線性調光。圖3示 出了能夠獲得的能量與PWM信號的間隔之間的關系曲線35。在圖3中，參考標號37表示的 線示出了 DC/DC變換器18所需的能量或電荷，以便DC/DC變換器18能夠給LED串22提供 足夠的能量。參考標號39表示的線是LED串22能夠獲得的能量。在第一個70微秒，LED 串22能夠獲得的能量小于LED串22所需的能量。該系統的缺點在于最小的有用PWM脈沖 定時受到限制，這限制了系統性能。雖然響應較快的DC/DC變換器可以有助于提高系統性 能，但是其增加了系統成本，并且可能引入諸如有害的電磁干擾(EMI)噪聲等額外問題。因此，有利的是，提供一種結構和方法，其能夠在具有由開關調整器驅動并且不會 引入額外誤差源的例如LED串之類的電流敏感型負載的系統中使用PWM。該結構和方法的 進一步優點是實現成本低。
通過結合附圖對以下的詳細描述進行閱讀能夠更好地理解本發明，附圖中相同的 參考標號表示相同的元件，其中圖1是現有技術中適于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的電路原理圖；圖2是圖1的驅動器電路的峰值輸出響應的曲線；圖3是圖2的驅動器電路的能夠獲得的能量相對時間的曲線；圖4是根據本發明一個實施方式的用于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的原 理圖；圖5是根據本發明另一個實施方式的用于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的 原理圖；圖6是根據本發明另一個實施方式的用于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的 原理圖；圖7是根據本發明另一個實施方式的用于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的 原理圖；以及圖8是根據本發明另一個實施方式的用于驅動電流敏感型負載的驅動器電路的 原理圖。
具體實施例方式總體來說，本發明提供了一種具有采樣和保持反饋控制機制的電路以及用于操作 該電路的方法。根據本發明的一個實施方式，在PWM激活階段期間在電容器上對陰極電壓 感測信號進行取樣。在隨后的PWM非激活階段期間，能夠獲得該采樣電壓，以提供開關調整 器要使用的反饋信號。根據另一個實施方式，在PWM激活階段期間，LED串的工作正向電壓 被存儲在電容器上，該存儲電壓使得能夠在PWM非激活階段期間連續調節LED串的陽極端 的電壓。本發明的實施方式的一個優點在于通過使用例如電容分壓網絡，可以在PWM非激 活階段期間，利用加權因子來調節LED串的陽極端的電壓。圖4是根據本發明的一個實施方式的整體集成的驅動器電路100的電路原理圖。 圖4示出了運算放大器102，其輸出端通過開關調整器(switching regulator) 112耦接至 電流敏感型負載116。更具體地講，運算放大器102具有反相輸入端、同相輸入端、輸出端和使能端，其中輸出端連接至開關調整器112的輸入端，耦接同相輸入端來接收例如參考電 位Vkef的電位源，以及反相輸入端共用地連接至開關104的一端和能量存儲元件110的一 端。例如，能量存儲元件110是采樣和保持電容器，其可以是分立的電容器，也可以是驅動 器電路100的整體集成的一部分。另外，開關104的第二端共用地連接至開關106的一端 和電流敏感型負載116的一端，從而形成節點117。開關106的另一端耦接至電流源/吸 收器108。開關104和106具有控制端，這兩個控制端彼此連接并且連接至PWM延遲元件 118的輸入端。優選地，延遲元件118是下降沿觸發的延遲元件，其在PWM脈沖的下降沿開 始時進行延遲，即拉長PWM信號的脈沖寬度。開關104和106的控制端以及PWM延遲元件 118的輸入端耦接在一起，用來接收用作控制信號的PWM脈沖或PWM信號。采樣和保持電容 器110以及電流源/吸收器108的各自一端耦接來接收工作電位源Vss。例如，工作電位源 Vss為地電位。延遲元件118的輸入端連接至延遲電容器120的一端，其輸出端連接至運算放大 器102的使能端。耦接延遲電容器120的另一端來接收工作電位源Vss。應當注意，延遲 元件118和電容器120是可以省略的可選特征。開關調整器112的輸出端連接至負載116 的一端，并且將驅動信號傳輸給負載116。例如，驅動器電路100用于驅動諸如發光二極管 (LED)、一串或者多個串聯連接的LED之類的電流敏感型負載。例如，電流敏感型負載116 由以串聯結構連接的多個1^0122^...,12 組成。更具體地講，LED 12 的陽極連接至開 關調整器112的輸出端，LED 12 的陰極耦接至LED 12 的陽極，LED 12 的陰極連接至 開關104和106的共用連接端。因此，LED 12 的陽極和LED 122n的陰極用作電流敏感型 負載116的端子。LED 1221； ... , 12 還被稱為LED串。參考標號122后的下標“η”是整 數，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當LED個數多于一個時，串聯連 接LED。如上所述，電流敏感型負載116可以由單個LED (例如LED 122》組成，其陽極連接 至開關調整器112的輸出端，其陰極共用地連接至開關104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉變到邏輯高電壓電平，邏輯高電壓電 平將開關104和106閉合，從而將驅動器電路100的反饋回路閉合。當脈沖處于邏輯高電壓 電平時，其被稱為脈沖的第一部分。閉合開關104會將LED 12 的陰極連接至運算放大器 102的反相輸入端，而閉合開關106會將LED 12 的陰極連接至電流源/吸收器108。電流 源/吸收器108連接至LED 122n的陰極，恒流Iload將流經LED 1221； ... , 122η 響應于電 流Iumi和來自開關調整器112的輸出電壓，LED 12 ，...，12 發光。在開關104和106處 于閉合位置時，采樣和保持電容器110被充電到LED 12 的陰極(即，節點117)的電壓電 平。換句話說，在開關104和106閉合時，能量被存儲在采樣和保持電容器110中。除了對 采樣和保持電容器110充電之外，定時電容器120也被充電到為延遲元件118設置延遲時 間的電壓電平。在閉環結構中，電流源/吸收器108吸收電流I·，LED 1221； ... , 12 產 生光信號。為了吸收電流Imad，應當給節點117傳輸足夠的電壓。這通常通過感測連接至 運算放大器102的LED 12 的陰極電壓并且將其與參考電壓Vkef進行比較來實現。運算放 大器102產生誤差信號，該誤差信號施加給開關調整器112，以改變(S卩，增大或減小)其輸 出電壓，從而調節LED 12 的陽極電壓。調節LED 12 的陽極電壓進而將LED 12 的陰 極電壓調節至其目標值，即，調節LED串1221; ... , 122n的陽極端上的電壓將會調節LED串 12 ，...，12 的陰極端上的電壓。
當PWM脈沖處于邏輯低電壓電平時，開關104和106打開。脈沖的這部分可以稱 為第二部分。開關104和106打開，在脈沖的第一部分期間存儲在電容器110中的能量用 來產生誤差信號。更具體地講，存儲在電容器110中的能量給運算放大器102的反相輸入 端提供輸入信號，運算放大器在其輸出端產生誤差信號。該誤差信號表示當開關104和106 閉合時在LED 12 的陰極(S卩，節點117)上出現的電壓。響應于該誤差信號，開關調整器 112在其輸出端產生輸出電壓，該輸出電壓施加給負載116，即LED 122^...,122^開關調 整器112的輸出電壓被稱為驅動信號或驅動電壓，用來產生節點117處的電壓。節點117 處的電壓是開關調整器112的輸出電壓和負載116兩端的電壓之間的差。因此，即使PWM 脈沖處于邏輯低電壓電平，誤差信號也能將反饋控制回路保持在激活狀態。另外，延遲元件 118和延遲電容器120用作定時器電路，該定時器電路連同來自采樣和保持電容器110的信 號來延長反饋誤差信號被發送到開關調整器112的時間量。這通過延遲PWM信號脈沖的下 降沿的起始來實現。可以選擇延遲電容器120的電容值來調節打開開關104和106之后保 持反饋控制回路的時間量，以適應開關調整器112的響應時間延遲。圖5是根據本發明的另一個實施方式的驅動負載116A的整體集成的驅動器電路 150的電路原理圖。圖5示出了運算放大器102，其輸出端通過開關調整器112耦接至電流 敏感型負載116A。更具體地講，運算放大器102具有反相輸入端、同相輸入端、輸出端和使 能端，其中輸出端連接至開關調整器112的輸入端，耦接同相輸入端來接收例如參考電位 Veef的電位源，以及反相輸入端共用地連接至開關104的一端以及采樣和保持電容器IM的 一端。應當注意，電容器巧4可以是分立的電容器，也可以是驅動器電路150的整體集成部 分。開關104的第二端連接至選擇器電路156的輸出端。優選地，出現在選擇器電路 156的輸出端上的電壓基本上等于其輸入端上的最低電壓電平。驅動器電路150包括開關ISS1USS2.....158x，其中開關MS1的一端連接至選擇器電路156的輸入端166，一端連接至電流源17 ，控制端共用地連接至開關104、15 .....158x的控制端和運算放大器102的使能輸入端。開關104,158^15 .....158x的控制端還被耦接來接收脈沖信號，例如作為脈寬調制信號的一部分的脈沖信號。作為LED串122n.....122nl 一部分的LED 122nl的陰極連接至輸入端166和開關158!的一端，從而形成節點開關15 的一端連接至選擇器電路156的輸入端168， 一端連接至電流源17 ，控制端共用地連接至開關KMUSS1和158x的控制端以及運算放 大器102的使能輸入端。共用地連接在一起的開關KMUSS1和158x的控制端還被耦接用 來接收脈沖信號，例如作為脈寬調制信號的一部分的脈沖信號。開關158x的一端連接至選 擇器電路156的輸入端170，一端連接至電流源17 ，控制端共用地連接至開關KMUSS1* 158x的控制端以及運算放大器102的使能輸入端，并且被耦接來接收脈沖信號，例如作為脈寬調制信號的一部分的脈沖信號。作為LED串12212.....12 —部分的LED 122^的陰極連接至輸入端168和開關1582的一端，從而形成節點1612。作為LED串122lx.....122nx一部分的LED122m的陰極連接至輸入端170和開關158x的一端，從而形成節點161x。以下 還會進一步描述 LED 串 122η、· · ·、122nl，12212, · · ·、122n2 和 122lx, · · ·、122m。開關 158”1582.....158x的另一端分別耦接至電流源/吸收器171i、1712.....171x。采樣和保持電容器154的一端共用地連接至開關104的一端和運算放大器102的反相輸入端，另一端連接至開關調整器112的輸出端和LED 122nA2212.....122lx的陽極。圖5所示的驅動器電路150驅動電流敏感型負載116A，電流敏感型負載116A由多個串聯連接的LED 122n.....122η1、多個串聯連接的LED 12212.....12 和多個串聯連接的LED 1221x.....122m組成。每組串聯連接的LED可以被稱作LED串。LED 122n的陽極連接至開關調整器112的輸出端，LED 122n的陰極耦接至LED 122η1的陽極，LED 122nl的 陰極連接至節點Iei1處的輸入端166和開關ISS1的一端；LED 12212的陽極連接至開關調 整器112的輸出端，LED 12212的陰極耦接至LED 122n2的陽極，LED 122^的陰極連接至節 點1612處的輸入端168和開關15 的一端；以及LED 122lx的陽極連接至開關調整器112 的輸出端，LED 122lx的陰極耦接至LED 122nx的陽極，LED 122m的陰極連接至節點161x處 的輸入端170和開關158x的一端。連接在一起并且連接至開關調整器112的輸出端的LED 122nU2212, . . .、122nl 的陽極可以被稱作多個 LED 串 12&” . . . U22nl,12213, . . .、122 2和122lx.....122nx(S卩，負載116A)的陽極端。參考標號122后的下標“η”是整數，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當LED數量多于一個時，串聯連接LED。參考標 號122后的下標“X”是整數，其表示可以存在一個或多個LED串。應當注意，每個LED串可以由單個LED構成，例如LED 122n、12212.....122lx，每個LED的陽極均連接至開關調整器112的輸出端，每個LED的陰極共用地連接至開關104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉變為邏輯高電壓電平，邏輯高電壓電 平將開關104,158^15 和158x閉合，從而將驅動器電路150的反饋回路閉合。脈沖的這 一部分可以稱作脈沖的第一部分。閉合開關104使得電壓選擇器156的輸出端連接至運算 放大器102的反相輸入端；閉合開關ISS1使得輸入端166和LED 122nl的陰極連接至電流 源/吸收器17 ；閉合開關1582使得輸入端168和LED122n2的陰極連接至電流源/吸收器 1722 ；以及閉合開關158x使得輸入端170和LED 122nx的陰極連接至電流源/吸收器17&。電流源/吸收器17 .....172x連接至LED 122nl.....122nx的陰極，恒定的負載電流Iumi流經LED 122n.....12 ，恒定的負載電流Iuwd2流經LED12212.....122n2，以及恒定的負載電流Iumix流經LED 122lx.....122nx。負載電流 Iloadi、ILOAD2、· · ·、ILOADX 的總和被稱為總負載電幺丨1 Iloadto響應于負載電流Iumi和來自開關調整器112的輸出電壓，LED122n.....122nl發光，并在輸入端166( S卩，節點Iei1)上出現電壓Vci ；響應于負載電流1_2和來自開關調整器112的輸出電壓，LED 12212.....12 發光，并在輸入端168 ( S卩，節點1612)上出現電壓Vc2 ；以及響應于負載電流Iumix和來自開關調整器112的輸出電壓，LED 122lx.....122m發光，并在輸入端170( S卩，節點161x)上出現電壓V&。當開關104和MS1處于閉合位置時， 能量被存儲在采樣和保持電容器1 中，即電容器IM被充電到具有最低電壓電平的輸入端166、168或170的電壓電平。為了吸收恒流，應當分別在電流源/吸收器17&、1722.....17 兩端，S卩，給節點161ρ1612.....161x傳輸足夠的電壓。出現在電壓選擇器156的輸出端上的電壓輸入到運算放大器102的反相輸入端。響應于反相輸入端上的電壓和參考電壓 Vkef，運算放大器102產生誤差電流，該誤差電流被施加給開關調整器112，以改變(即，增 大或減小)其輸出電壓，從而調節LED122n、12212、...、122lx的陽極電壓。調節LED 122n、 12212.....122lx的陽極電壓進而會將它們各自的陰極電壓調節到目標值。當PWM信號的脈沖處于邏輯低電壓電平時，開關104U58P1582.....158x打開。8脈沖的這部分可以稱為第二部分。當開關104,158^15 .....158,打開時，存儲在電容器巧4中的能量被用來產生誤差信號。更具體地講，存儲在電容器巧4中的能量給運算放大器 102的反相輸入端提供輸入信號，運算放大器102在其輸出端上產生誤差信號。該誤差信號表示當開關104,158^15 .....158x閉合時出現在電壓選擇器156的輸出端上的電壓。響應于該誤差信號，開關調整器112在其輸出端上產生輸出電壓，該輸出電壓被施加給負 載 116A，即，LED 122n、. . . U22nl, 12212,. . .、122 2和 12&x、. . .、122nx。開關調整器 112 的 輸出電壓被稱為驅動信號或驅動電壓，用來產生節點161ρ1612、. . . 161x的電壓。節點Iei1處的電壓是開關調整器112的輸出電壓和LED 122n.....122nl兩端的電壓之間的差；節點1612處的電壓是開關調整器112的輸出電壓和LED 12212.....122n2兩端的電壓之間的差；以及節點的電壓是開關調整器112的輸出電壓和LED 122lx.....122m兩端的電壓之間的差。節點161ρ1612、...的電壓分別將電流源/吸收器172^1722.....172x保持在激活工作模式。因此，雖然PWM脈沖處于邏輯低電壓電平，誤差信號也能將反饋控制 回路保持在激活狀態。圖6是根據本發明的另一個實施例的整體集成的驅動器電路200的電路原理圖。 圖6示出了運算放大器202，其輸出端通過開關調整器112耦接至電流敏感型負載116。更 具體地講，運算放大器202具有反相輸入端、同相輸入端、以及輸出端，其中輸出端連接至 開關調整器112的輸入端，耦接同相輸入端用來接收電位源(例如參考電位Vkef)，以及反相 輸入端共用地連接至開關104的一端、采樣和保持電容器110的一端、以及采樣和保持電容 器204的一端。電容器204可以被稱為能量存儲元件。采樣和保持電容器204的另一端共 用地連接至開關調整器112的輸出端和負載116的一端。應當注意，電容器110和204可 以是分立的電容器，也可以是驅動器電路200的整體集成部分。另外，開關104的第二端共 用地連接至開關106的一端和電流敏感型負載116的一端。開關106的另一端耦接至電流 源/吸收器108。開關104和106的控制端彼此連接，并且被耦接用來接收控制信號。采樣 和保持電容器110的另一端被耦接用來接收工作電位源Vss。優選地，工作電位源Vss為地 電位。如上所述，開關調整器112的輸出端連接至負載116的一端。例如，驅動器電 路200用于驅動電流敏感型負載，諸如發光二極管(LED)、一串或多個串聯連接的LED、多 個以并聯結構連接的LED串等等。電流敏感型負載116可以有多個以串聯結構連接的LED122i.....12 組成。更具體地講，LED 12 的陽極連接至開關調整器112的輸出端，LED 122!的陰極連接至LED 122n的陽極，以及LED12&的陰極連接至開關104和106的共 用連接端，從而形成節點117。因此，LED 12 的陽極和LED 12 的陰極用作電流敏感型負載116的端子。LED 122!.....12 也被稱為LED串。參考標號122后的下標“η”是整數，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當LED個數多于兩個時，串聯連接這 些LED。如上所述，電流敏感型負載116可以由單個LED組成，例如LED 12 ，其陽極連接 至開關調整器112的輸出端，其陰極共用地連接至開關104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉變為邏輯高電壓電平，邏輯高電壓電 平將開關104和106閉合，從而將驅動器電路200的反饋回路閉合。邏輯高電壓電平可以 被稱為脈沖或信號的第一部分。閉合開關104使得將LED 12 的陰極連接至運算放大器 202的反相輸入端，而閉合開關106使得將LED 12 的陰極連接至電流源/吸收器108。電9流源/吸收器108連接至LED 122n的陰極，恒流Iload流經LED^1.....122η 響應于電流Ium和來自開關調整器112的輸出電壓，LED 122!.....12 發光。當開關104和106處于閉合位置時，能量被存儲在采樣和保持電容器110和204中。該能量將電容器110和204 充電到在LED 12 的陰極上的電壓電平，S卩，節點117處的電壓電平。在閉環結構中，電流源/吸收器108吸收恒流，LED叫.....12 產生光信號。為了吸收恒流，應當向節點117或者在電流源/吸收器108兩端傳輸足夠的電壓。這通常通過感測連接至運算放大器202 的LED122n的陰極電壓并且將其與參考電壓Vkef進行比較來實現。運算放大器202產生誤 差電流，該誤差電流被施加給開關調整器112，以改變(即，增大或減小)其輸出電壓，從而 調節LED 12 的陽極電壓。調節LED 12 的陽極電壓進而會將LED 12 的陰極電壓調節為其目標值，即調節LED 12 的陽極電壓就會調節LED串12 .....12 的陽極端的電壓，這進而會調節LED串12 的陰極端的電壓。更具體地講，節點117處的電壓可以通過從開關調整器112輸出端上的電壓減去LED串122i.....12 兩端的電壓來確定。開關調整器112輸出端上的電壓也被稱為驅動電壓。當PWM信號處于邏輯低電壓電平時，開關104和106打開。處于邏輯低電壓電平 的脈沖信號可以被稱為脈沖的第二部分。開關104和106打開，電容器110和204提供誤 差信號，該誤差信號表示當開關104和106閉合時出現在LED 12 的陰極(即，節點117) 上的電壓或誤差信號。即使PWM脈沖處于邏輯低電壓電平，該誤差信號也能將反饋控制回 路保持在激活狀態。另外，包括采樣和保持電容器204還將改變LED 12 的陽極所提供的 誤差信號的信號分量。優選地，采樣和保持電容器110和204具有相同的電容值。由于耦 接工作電位源Vss來接收地電位，所以采樣和保持電容器110的一端被耦接用來接收地電 位，電容器110和204用作電容分壓網絡，使得當PWM脈沖處于邏輯低電壓電平并且電容器 110和204具有相同的電容值時，有效電壓貢獻降低了兩倍。因此，提供采樣和保持電容器 110和204可以給反饋誤差信號提供或者引入用戶可控的加權因子。圖7是根據本發明的另一個實施方式的連接至電流敏感型負載116A的整體集成 的驅動器電路250的電路原理圖。驅動器電路250包括運算放大器102、采樣和保持電容 器 154、電壓選擇器 156、開關 158” 15 、- · ·、158x、電流源 172^172^. · ·、172n、以及 LED 串 122n、. . .、122nl，12212、. . .、122 2和 12&x、. . .、122nx，已經參照圖 5 對這些元件進行了描述。 驅動器電路250還包括采樣和保持電容器110，其一端共用地連接至電容器154、運算放大 器102的反相輸入端和開關104，一端連接至開關調整器112的輸出端。電容器IM和110用作電容分壓網絡，從而使得當電容器110和IM具有相同的 電容值時，PWM非激活脈沖期間的有效電壓貢獻會降低2倍，除此之外，驅動LED串的驅動 器250的操作類似于驅動器150的操作。應當注意，負載116A可以由彼此并聯的兩個或多 個 LED122lx、. . .、122m 組成。圖8是根據本發明的另一個實施方式的整體集成的驅動器電路300的電路原理 圖。除了驅動器電路300不包括采樣和保持電容器110之外，驅動器電路300與圖6所示 的驅動器電路200類似。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉變為邏輯高電壓電平，邏輯高電壓電 平將開關104和106閉合，從而將驅動器電路300的反饋回路閉合。這部分PWM脈沖可以 被稱為第一部分。閉合開關104使得LED 122n的陰極連接至運算放大器202的反相輸入端，而閉合開關106使得LED 12 的陰極連接至電流源/吸收器108。電流源/吸收器108連接至LED 122n的陰極，則恒流Iload流經LED 12 .....122η 響應于電流Iload和來自開關調整器112的輸出電壓，LED122!.....122n發光，并且電容器204被充電，以存儲LED串122!.....12 兩端的正向電壓。在開關104和106處于閉合位置時，電容器204被充電到LED 122n的陰極電壓電平。在閉環結構中，電流源/吸收器108吸收恒流，LED 12 .....12 產生光信號。為了吸收電流I·，應當在電流源/吸收器108兩端傳輸足夠的電壓。這通 常通過感測連接至運算放大器202從而出現在運算放大器202的反相輸入端上的LED122n 的陰極電壓來實現。參考電壓Vkef在運算放大器202的同相輸入端上。響應于輸入信號， 運算放大器202產生誤差信號，該誤差信號被施加給開關調整器112，來改變(即，增大或 減小)其輸出電壓，從而調節LED 122i的陽極電壓。開關調整器112的輸出電壓也被稱為 驅動信號。調節LED 12 的陽極電壓進而可以調節LED 12 的陰極電壓，因此可以將節點 117處的電壓調節為期望值，其中節點117處的電壓通過從驅動信號(即，開關調整器112 的輸出端上的電壓)中減去出現在LED 122!.....12 兩端上的電壓來確定。當PWM脈沖或信號處于邏輯低電壓電平時，開關104和106打開。脈沖的這個部 分可以稱為脈沖的第二部分。開關104和106打開，則電容器204提供誤差信號，該誤差信 號表示當開關104和106閉合時出現在LED 12 的陰極或節點117上的電壓或誤差信號。 即使PWM脈沖處于邏輯低電壓電平，該誤差信號也將反饋控制回路保持在激活狀態。采樣和保持電容器204所存儲的電壓被引回LED串122i.....12 的陽極，這使得誤差信號在PWM信號的激活和非激活階段(例如PWM信號的邏輯高電平狀態和邏輯低電平狀態)都是時間上連續的。根據該方法，在PWM信號的激活階段感測整個LED串122i.....12 的工作電壓，而在PWM信號的非激活階段感測LED122i的陽極，從而使得開關調整器112能夠補充 PWM脈沖期間耗散的能量，并且在不產生調節損失的情況下保持穩態條件。目前為止，應當理解，已經提供了具有采樣和保持反饋控制機制的電路和用于操 作該電路的方法。根據本發明的一個實施方式，采樣和保持反饋控制機制增強了驅動電流 敏感型負載(例如，利用恒流的LED串)的開關調整器的PWM調光性能。該電路和方法包括 提供足夠長時間的誤差信號，該誤差信號使得開關調整器能夠做出響應并且傳輸與PWM脈 沖期間耗散的能量相等的輸出能量電平，從而滿足正在應用的PWM調光的穩定工作條件。 在相關的PWM激活脈沖的時間間隔之外的時間出現和存在誤差信號。例如，在PWM激活脈 沖的末端，LED或LED串的陰極電壓被存儲在采樣和保持電容器中，該采樣和保持電容器可 以位于集成控制電路的內部或者外部，該電容器可以與控制電路整體集成在一起。所存儲 的誤差信號使得即使在PWM脈沖終止之后也能使反饋控制保持激活。可選地，可以將定時 器電路與采樣和保持信號一起使用，以延長饋入開關調整器的反饋誤差信號的時間，從而 允許開關調整器補充PWM脈沖期間耗散的能量。這保證了適應期望的PWM定時間隔的穩態 操作。定時電路可以是電容器，其允許用戶選擇電容值，從而允許用戶選擇定時，以適應開 關調整器的響應時間延遲。本發明實施方式的一個優點在于LED 二極管串的總正向電壓被存儲在采樣和保 持電容器上，從而允許開關調整器(例如，DC/DC變換器)不僅能對PWM脈沖的激活階段做 出響應，也能對PWM脈沖的非激活階段做出響應。另一個有利特征在于用戶可以通過包括 電容分壓器來修改誤差信號的陽極信號貢獻，例如可以使用電容值相同的兩個電容器，其中一個電容器被布置在采樣和保持節點(例如，運算放大器的反相輸入端)和地之間，從而 PWM非激活脈沖期間的有效陽極電壓貢獻被降低了 2倍。因此，用戶可控的加權因子可以引 入反饋誤差信號中。另一個優點在于可以使用這些實施方式來補償諸如與在開關調整器輸出端上出 現的大容量電容器等效串聯電阻(ESR)相關的系統寄生電壓損失之類的二階效應。雖然在此公開了特定的實施方式，但并不是要將本發明局限于所公開的實施方 式。所屬領域的技術人員應意識到在不脫離本發明的思想的情況下可以進行變型和變化。 本發明包含所有落入所附權利要求范圍內的這些變型和變化。
權利要求
1.一種用于保持電路的工作狀態的方法，包括如下步驟利用脈沖的第一部分將能量存儲在第一能量存儲元件(110)中；在脈沖的第二部分期間，利用存儲在第一能量存儲元件(110)中的能量來產生誤差信號；利用所述誤差信號來產生驅動信號；以及根據所述驅動信號來產生第一節點(117，161x)處的第一電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其中將能量存儲在第一能量存儲元件(110)中的步驟包括利用脈沖的第一部分來閉合第一開關(104)和第二開關(106)，其中閉合第一開關 (104)使得第一節點(117，161x)電耦接到第一能量存儲元件(110)；以及利用第一節點(117，161x)處的第一電壓對第一能量存儲元件(110)進行充電。
3.如權利要求2所述的方法，其中對第一能量存儲元件(110)進行充電的步驟包括從 所述驅動信號中減去電流敏感型負載(116A)兩端的電壓以產生第一節點(117，161x)處的 第一電壓，還包括利用第一節點(117，161x)處的第一電壓來對第二能量存儲元件(154)進 行充電。
4.如權利要求3所述的方法，其中脈沖的第一部分以脈沖的上升沿開始，脈沖的第二 部分以脈沖的下降沿開始，以及所述方法還包括對脈沖的下降沿進行延遲的步驟。
5.如權利要求2所述的方法，還包括利用脈沖的第二部分來打開第一開關(104)和第二開關(106)；以及 將存儲在第一能量存儲元件(110)中的能量施加給放大器(102,20 的輸入端，其中 誤差信號出現在所述放大器(102,20 的輸出端上，其中利用所述誤差信號來產生驅動信 號的步驟包括將所述誤差信號輸入到輸出驅動信號的開關調整器(112)，還包括利用第一 節點(117，161x)處的第一電壓來將電流源(108)保持在激活模式。
6.如權利要求1所述的方法，其中根據驅動信號產生第一節點(117，161x)處的電壓的 步驟包括產生第二節點處的第二電壓，以及其中將能量存儲在第一能量存儲元件(110)中 的步驟包括利用脈沖的第一部分來閉合第一開關(104)和第二開關(106)，其中閉合第一開關 (104)和第二開關(106)的步驟產生了分別流經第一節點(117，161x)和第二節點(161x)的 第一電流和第二電流；將第一節點或第二節點耦接至第一能量存儲元件(110)，其中在第二節點上出現第二 電壓；以及通過從驅動信號中減去電流敏感型負載(116A)的第一部分兩端的電壓來產生第一電 壓，從驅動信號中減去電流敏感型負載(116A)的第二部分兩端的電壓來產生第二電壓，利 用第一電壓或第二電壓來對第一能量存儲元件(110)進行充電。
7.一種驅動器電路(100，150，200，250)，包括運算放大器(102，202)，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端； 第一開關(104)，具有控制端、第一端和第二端，耦接該控制端來接收控制信號，該第一 端耦接至運算放大器(102)的第一輸入端；第二開關(106，158)，具有控制端、第一端和第二端，第二開關的控制端耦接至第一開關(104)的控制端，用于接收控制信號，以及第二開關(106,158》的第一端耦接至第一開 關(104)的第二端；第一電流源(108，172》，具有第一導電端和第二導電端，第一導電端耦接至第二開關 (106,158)的第二端；以及第一能量存儲元件(110，巧4，204)，具有第一端和第二端，第一能量存儲元件(154)的 第一端耦接至所述運算放大器(102,20 的第一輸入端。
8.如權利要求7所述的驅動器電路(100，150，200，250)，還包括開關調整器(112)，具有輸入端和輸出端，該輸入端耦接至所述運算放大器(102，202) 的輸出端；以及第二能量存儲元件(110，154，204)，具有第一端和第二端，第一端共用地耦接至第一能 量存儲元件(110，154，204)的第一端和所述運算放大器(102,20 的第一輸入端，第二端 耦接至所述開關調整器(112)的輸出端。
9.如權利要求7所述的驅動器電路(100，150，200，250)，其中耦接第一能量存儲元件 (110)的第二端來接收工作電位源(Vss)，所述驅動器電路還包括脈寬調制延遲元件(118)，具有輸入端、第一輸出端和第二輸出端，該輸入端共用地連 接至第一開關(104)的控制端和第二開關(106,158)的控制端，用于接收控制信號；以及第二能量存儲元件(120)，具有第一端和第二端，該第一端耦接至所述脈寬調制延遲元 件(118)的第二輸出端，耦接該第二端來接收第一工作電位源(Vss)。
10.如權利要求7所述的驅動器電路(100，150，200，250)，還包括電壓選擇器(156)，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中該輸出端連接至第一 開關(104)的第二端，該第一輸入端連接至第二電流源(Hl1)的第一端；第三開關(158x)，具有控制端、第一端和第二端，第三開關(158x)的控制端耦接至第一 開關(106)的控制端和第二開關(158》的控制端，用于接收控制信號，第三開關(158x)的 第一端耦接至所述電壓選擇器(156)的第二輸入端；以及第二電流源(172x)，具有第一導電端和第二導電端，該第一導電端耦接至第三開關 (158x)的第二端。
全文摘要
本發明涉及具有采樣和保持反饋控制的電路及方法，并針對一種驅動器電路以及用于保持驅動器電路的工作狀態的方法。所述驅動器電路包括電容器，該電容器連接至運算放大器的反相輸入端和通過一個開關連接至電流敏感型負載的一端。所述運算放大器的輸出端連接至開關調整器，所述開關調整器的輸出端連接至電流敏感型負載的另一端。能量存儲元件連接至所述運算放大器的反相輸入端。在PWM脈沖的第一部分期間，能量被存儲在能量存儲元件中，該能量在PWM脈沖的第二部分期間被用來產生誤差信號。根據該誤差信號產生驅動信號，該驅動信號在PWM脈沖的第二部分期間被用來產生對電流源進行偏置的電壓。
文檔編號H05B37/02GK102045921SQ201010505708
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月13日 優先權日2009年10月14日
發明者A·G·拉塞爾, C·B·巴塞洛繆斯 申請人:半導體元件工業有限責任公司