專利名稱：升壓調(diào)節(jié)器的瞬變抑制的制作方法
升壓調(diào)節(jié)器的瞬變抑制
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2008年7月15日提交的題為"多通道LED驅(qū)動器 (MUTLI-CHANNEL LED DRIVER)"(律師案巻號INTS-29,040)的美國臨 時專利申請S/N. 61/080,947的優(yōu)先權(quán)，該申請通過引用結(jié)合在本文中。


為了更全面的理解，現(xiàn)參考以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，在附圖中 圖1是LED驅(qū)動器電路的框圖2是更全面地示出用于實現(xiàn)LED驅(qū)動器電路內(nèi)的動態(tài)凈空控制的電 路系統(tǒng)的簡化框圖3是描述圖2的電路的操作的流程圖4是更全面地描述LED驅(qū)動器的升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的瞬變抑制的方式的 簡化框圖5示出由LED驅(qū)動器的輸出處的負(fù)載變化產(chǎn)生的升壓瞬變； 圖6是描述用于抑制升壓瞬變的電路系統(tǒng)的操作的流程圖； 圖7示出圖4的電路響應(yīng)于電感器負(fù)載電流的變化來抑制升壓瞬變的 方式；
圖8是示出在LED驅(qū)動器內(nèi)提供升壓漣波阻絕的方式的簡化框圖；以
及
圖9a和9b公開了示出在使用和未使用采樣保持電路系統(tǒng)的情況下圖8 的電路的操作的波形。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，其中在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記用來指代相同的元 件，說明和描述了用于LED驅(qū)動器的動態(tài)凈空控制的多個視圖和實施例，還描述了其它可能的實施例。這些附圖不一定是按比例繪制的，而且僅為 說明目的起見，在某些實例中有幾處已將附圖放大和/或簡化。本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員將可理解基于可能實施例的以下示例的許多可能應(yīng)用和變型。
LED驅(qū)動器用于驅(qū)動各種應(yīng)用中的LED。多通道LED驅(qū)動器可用于 驅(qū)動供用于諸如背光之類的各種應(yīng)用中的多個LED串(即通道)?，F(xiàn)有的 LED驅(qū)動器在為LED串提供足夠的凈空方面存在問題，而且還存在由負(fù)載 電流變化引起的LED驅(qū)動器中的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出內(nèi)的過度瞬變。
現(xiàn)在參考附圖，更具體而言參考圖l，示出了 LED驅(qū)動器102的一個 實施例的框圖。將LED驅(qū)動器102連接以驅(qū)動多個LED串104。圖1的驅(qū) 動器102控制八個通道的LED電流，以使LED串104能用于LCD背光應(yīng) 用。通過開關(guān)電感器108中的電流，從輸入電壓節(jié)點106調(diào)節(jié)LED串的驅(qū) 動電壓。該驅(qū)動電壓被提供給各個LED串104的頂端。動態(tài)凈空控制塊110 監(jiān)控各個LED串104的底部處的電壓以確定各個串的底部處的電壓。放大 器112響應(yīng)于來自連接至電位降(pot-down)的反饋組的電壓信息根據(jù)饋送至 OVP模塊中的驅(qū)動電壓在節(jié)點114處產(chǎn)生COMP電壓。來自節(jié)點114的 COMP電壓以及其它信息被輸入到累加電路116，該累加電路116向控制邏 輯118提供控制輸出，控制邏輯118用于控制FET驅(qū)動器電路系統(tǒng)120， FET驅(qū)動器電路系統(tǒng)120控制開關(guān)晶體管122的操作，開關(guān)晶體管122又 通過控制電感器108中的電流調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電壓。
現(xiàn)在參考圖2，示出了用于在LED驅(qū)動器102內(nèi)提供動態(tài)凈空控制的 電路系統(tǒng)的簡化框圖。在LED驅(qū)動器102內(nèi)，利用升壓控制器202和升壓 轉(zhuǎn)換器(包括組件202、 207、 208、 212、 216、 218以及220)操作LED串 204的多個通道以產(chǎn)生一電壓，該電壓被施加到若干組串聯(lián)LED串204的 頂端，這些組各自并聯(lián)連接至LED串204的底端處的獨立電流源。雖然圖 2中的例示僅給出了與升壓轉(zhuǎn)換器連接的單個LED串204，但在操作中， 多個LED串204可與升壓轉(zhuǎn)換器連接，從而可存在電路塊206的多個重復(fù)， 每個LED串一個電路塊206。輸入電壓V輸A被施加到電感器207的第一側(cè)。 電感器207的另一側(cè)在節(jié)點210處被連接至二極管208的陽極。電容器212 連接在二極管208的陰極與接地之間。二極管208的陰極在節(jié)點214處連接至LED串204的頂端。開關(guān)晶體管216具有在節(jié)點210與節(jié)點218之間 連接的漏/源路徑。晶體管216的柵極接收來自升壓控制器202的驅(qū)動信號。 節(jié)點218連接至升壓控制器202的電流感測(CS)輸入。電阻器220連接 在節(jié)點218與接地之間。
在節(jié)點214處LED串的頂端包括輸出電壓節(jié)點V M，其連接至包括電 阻器222和224的電阻分壓器。電阻器222連接在節(jié)點214與節(jié)點226之 間。電阻器224連接在節(jié)點226與接地之間。在節(jié)點226處進(jìn)行電壓測量 (從通常用于過電壓保護(hù)目的的引腳)，并將測量值作為反饋電壓Vfb提 供給升壓調(diào)節(jié)器202。 LED串204由在節(jié)點214與節(jié)點228之間串聯(lián)連接 的多個單獨的LED 215構(gòu)成。在節(jié)點228處在LED串的底端設(shè)置電流源。 該電流源由相連接以在非反相輸入端接收基準(zhǔn)電壓VSB (VSET)的放大器 230構(gòu)成。利用該電壓V ^來設(shè)置電流。放大器230的輸出端連接至晶體 管232，該晶體管232的漏/源路徑連接在節(jié)點228與節(jié)點234之間。放大 器230的另一輸入連接至節(jié)點234。放大器230的反相輸入端連接至節(jié)點 234。電阻器236連接在節(jié)點234與接地之間。所公開的實施例包括電流源 的一個示例。不過，可使用電流源的其它實現(xiàn)。
節(jié)點228處產(chǎn)生的電壓被施加給比較器23S的非反相輸入端和比較器 240的反相輸入端。比較器238的反相輸入端被連接以接收基準(zhǔn)電壓V高。 比較器240的非反相輸入端被連接以接收基準(zhǔn)電壓V 1K。比較器238的輸出 端連接至與門242的一個輸入端。與門242的余下輸入端可從與每一個其 它電路塊206相關(guān)聯(lián)的每一個其它通道的比較器238的輸出端。同樣，比 較器240的輸出端連接至或門244的一個輸入端?；蜷T244的余下輸入端 可連接至來自電路塊206的每一個其它通道中的比較器的輸出端。與門242 的輸出被提供給計數(shù)/步進(jìn)算法246的降(DOWN)輸入端?；蜷T244的輸出連 接至計數(shù)/步進(jìn)算法246的升(UP)輸入端。計數(shù)/步進(jìn)算法246通過總線248 產(chǎn)生輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器250的計數(shù)值。數(shù)模轉(zhuǎn)換器250產(chǎn)生輸出模擬值， 該模擬值用作為被施加回升壓調(diào)節(jié)電路202的基準(zhǔn)電壓VREF。
利用升壓/降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的多通道LED配置在節(jié)點214處產(chǎn)生單電壓 來驅(qū)動多個串聯(lián)LED串204的頂端。LED串204的串聯(lián)組在底部節(jié)點228處各自并聯(lián)連接至單獨的電流源。通過在多個LED串204之間共用開關(guān)調(diào) 節(jié)器，這允許節(jié)省電路硬件。此配置在無需過高電壓的情況下驅(qū)動大量的 LED。不過，必須小心地調(diào)節(jié)電壓，以消除將引起熱問題和限制總電路效 率的電流源功耗。因為LED的電壓是變化的(隨過程、溫度以及老化效應(yīng) 變化)，所以這些系統(tǒng)的以前的實現(xiàn)將節(jié)點228處的電流源的輸出端處的 電壓用作調(diào)節(jié)器的反饋點，從而使調(diào)節(jié)器能自適應(yīng)并移動最佳工作電平。 這使電流源上的電壓降引起的功耗最小化。通常，這通過使各個LED串204 的底端處的模擬電壓傳遞至控制塊來實現(xiàn)，該控制塊從各個LED串中挑選 出最低電壓電平，并將選出的此電壓作為反饋電壓來傳遞。此反饋電壓被 調(diào)節(jié)至已定義的電平，以使電流源具有足以不被推動到線性工作區(qū)的凈空 (通常為幾百毫伏)。這能在所有LED串以相同的脈寬調(diào)制(PWM)減光 信號運行時良好工作，因為只要任一串導(dǎo)通，則所有串導(dǎo)通。這意味著當(dāng) 升壓調(diào)節(jié)器在開關(guān)的任何時候，關(guān)于哪個串具有最低電壓的實時信息都可 用。
然而，對于其中對不同通道使用不同的PWM減光信號的系統(tǒng)而言， 有可能不存在所有通道同時導(dǎo)通的時候。有可能僅基于在給定時間點時導(dǎo) 通的那些通道來調(diào)節(jié)，這導(dǎo)致開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出電壓電平隨不同通道打開和 關(guān)閉而不同。然而，此解決方案提供了糟糕的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)，導(dǎo)致在 串之間存在不匹配的情況下，短電流脈沖顯著被抑制。
例如，如果除其中一個需要高一伏的電壓外所有LED串204具有相同 的導(dǎo)通電壓，且該LED串每500毫秒僅在490納秒脈沖內(nèi)接通(例如在運 行在2 KHz PWM頻率上的10位PWM減光方案中的最低減光信號的情 況)，升壓調(diào)節(jié)器202可能必須在顯著少于此時間內(nèi)作出響應(yīng)。為此應(yīng)用 制造具有動態(tài)地快于490納秒的瞬態(tài)響應(yīng)的升壓調(diào)節(jié)器202是不實際的。 實際上，響應(yīng)時間將是數(shù)十到數(shù)百微秒的時間段，這太慢了。這意味著當(dāng) 電路需要額外的凈空時，升壓調(diào)節(jié)器202將錯過該490納秒時段，這又可 能意味著電流源沒有足夠的凈空，而且該490納秒電流脈沖將不會到達(dá)其 預(yù)期的峰值電流。這種電流抑制將引起該LED串的亮度的相應(yīng)降低，因為 該LED串將比系統(tǒng)中的其它串的PWM占空比低且正向電壓高。關(guān)于圖2所描述的實現(xiàn)使用不同的途徑來確定由升壓調(diào)節(jié)器202提供的開關(guān)調(diào)節(jié)器 輸出電壓。
基準(zhǔn)電壓V^和Vte之間的電壓窗口被設(shè)置成大于可由控制方案引入到 升壓調(diào)節(jié)器輸出電壓節(jié)點214的最小單步幅度，從而保證至少一個輸出電 平將獲得穩(wěn)定的工作點。通過將升壓調(diào)節(jié)器202的輸出電壓調(diào)節(jié)為由數(shù)模 轉(zhuǎn)換器(DAC) 250產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓輸入VMF來實現(xiàn)電壓控制。計數(shù)/步進(jìn) 算法246控制由DAC 250提供的基準(zhǔn)電壓，以使多個LED串204的最低電 壓節(jié)點的下部的電壓保持在高基準(zhǔn)電壓與低基準(zhǔn)電壓之間。可通過由計數(shù)/ 步進(jìn)算法246提供的數(shù)字控制信號、由數(shù)字控制方案基于從監(jiān)控各個LED 串204的底端處的通道電壓獲得的信息將DAC 250輸出升高和降低至所需 電平。將節(jié)點226處監(jiān)控得到的OVP信號用作升壓調(diào)節(jié)器202的反饋信號， 升壓調(diào)節(jié)器202被調(diào)節(jié)至根據(jù)從DAC 250提供的基準(zhǔn)電壓決定的電壓電 平。不論特定LED串導(dǎo)通的時間多短，這都為LED串204提供具有最高 正向電壓要求的正確電壓。此外，穩(wěn)定性較從LED串的底端取升壓反饋的 系統(tǒng)得到改善，因為從控制回路消除了通常由于與電流源瞬態(tài)響應(yīng)和LED 特性的相互作用而引入反饋通路中的相移。
DAC 250被配置成使連續(xù)變化變得越來越大(最高達(dá)最大步長限制) 以到達(dá)目標(biāo)點，除非輸出保持恒定超過特定時間或改變方向。任何后續(xù)的 改變將較小以允許LED的正向電壓的溫度變化、和由系統(tǒng)噪聲引起的變化 所需的電平中的微小波動。優(yōu)化控制算法以使輸出電壓下降比其上升快， 因為如果輸出電壓太高，它會迅速引起LED驅(qū)動器的熱問題。
LED驅(qū)動器監(jiān)控節(jié)點226處的開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出電壓，以防止如果升壓 調(diào)節(jié)器未能跟上目標(biāo)基準(zhǔn)值則基準(zhǔn)電壓V虹F被改變，并響應(yīng)于該基準(zhǔn)電壓 產(chǎn)生輸出電壓。這防止一旦升壓調(diào)節(jié)器202已經(jīng)跟上，基準(zhǔn)電壓"跑離" 所需值，并花費長時間返回所需值。當(dāng)升壓調(diào)節(jié)器202輸出電壓下降時， 這尤其重要。這是因為升壓調(diào)節(jié)器202能產(chǎn)生非?？斓妮敵鲭妷荷仙?降低輸出電壓的唯一方法是允許電流源在其正常導(dǎo)通時間對輸出電容器放 電的事實。如果LED占空比很低，則這將花費大量時間來降低輸出電壓。 因此，如果輸出電平的反饋顯著低于當(dāng)前基準(zhǔn)電壓，則系統(tǒng)將不允許基準(zhǔn)
9電壓升高，且如果輸出電平的反饋顯著高于當(dāng)前基準(zhǔn)電壓，則系統(tǒng)將不允 許基準(zhǔn)電壓降低。此配置還在不需要附加電路系統(tǒng)的情況下提供過電壓保
護(hù)，因為存在升壓調(diào)節(jié)器202不會超過的最大DAC碼?？赏ㄟ^改變對引腳
的電位降比例來改變此電平。
現(xiàn)在參考圖3，示出了描述圖2電路的操作的流程圖。在步驟302在 各個LED串204的底端上在節(jié)點228處測量電壓信息。此信息不像對FB 引腳的反饋一樣實時饋送給升壓調(diào)節(jié)器202。替代地，通過由電阻器222 和224構(gòu)成的分壓器電路監(jiān)控節(jié)點214處的輸出電壓。從電阻分壓器的節(jié) 點226提供對FB引腳的反饋電壓。利用比較器238和240在基準(zhǔn)電壓V高 與V低之間建立電壓窗口。利用這兩個比較器238和240，該電路在LED 串的導(dǎo)通期間嘗試調(diào)節(jié)LED串上的最低通道電壓。如果詢問步驟312確定 在導(dǎo)通期間節(jié)點228處的至少一個電壓是否低于基準(zhǔn)電壓Vffi，這使得該通 道上相關(guān)聯(lián)的比較器240成為邏輯"高"電平，該"高"電平將或門244 的輸出驅(qū)動成邏輯"高"電平，從而在步驟314處產(chǎn)生UP信號?；蜷T244 的輸出端處的邏輯"高"信號使計數(shù)/步進(jìn)算法246與DAC 250在步驟316 處增大基準(zhǔn)電壓VREF。被增大的基準(zhǔn)電壓V虹F在步驟31處使升壓調(diào)節(jié)器 202所提供的經(jīng)調(diào)節(jié)電壓相應(yīng)地增大。
如果詢問步驟312確定LED串的節(jié)點228處沒有電壓落到基準(zhǔn)電壓V 以下，則詢問步驟304確定在整個PWM周期期間與各個LED串204相關(guān) 聯(lián)的所有通道(除了那些完全關(guān)閉的通道(即0% PWM/禁用))是否導(dǎo)通至 少一次，以及在導(dǎo)通期間是否所有通道在其LED串的底端處的電壓均超過 V高。如果是這樣，則經(jīng)調(diào)節(jié)電壓被計數(shù)/步進(jìn)算法246降低。在這種情況下， 對于由LED驅(qū)動器驅(qū)動的每一個LED串，比較器238的輸出將處于邏輯 "高"電平，而且這些信號可將與門242的輸出端驅(qū)動為邏輯"高"電平， 從而在步驟306產(chǎn)生DOWN信號。響應(yīng)于DOWN信號，基準(zhǔn)電壓V^F在 步驟308被計數(shù)/步進(jìn)算法246和DAC 250降低。在步驟310，由DAC 250 提供的降低的基準(zhǔn)電壓將使節(jié)點214處由升壓調(diào)節(jié)器202提供的經(jīng)調(diào)節(jié)電 壓相應(yīng)地降低。
如果詢問步驟304確定在整個PWM周期期間節(jié)點228處的所有通道
10電壓均不超過基準(zhǔn)電壓V s，則節(jié)點228處的至少一個電壓在所建立的電壓 窗口內(nèi)，而且在步驟320該基準(zhǔn)電壓被保持。在步驟322，這使經(jīng)調(diào)節(jié)電壓 保持在所建立的電平上。該過程在步驟324繼續(xù)且返回至步驟302以繼續(xù) 監(jiān)控節(jié)點228處的各個LED串的底端處的電壓。
現(xiàn)參考圖4，更具體地示出了升壓調(diào)節(jié)器202內(nèi)的用于在從節(jié)點210 提供的輸出電壓V^內(nèi)提供瞬變抑制的電路的替代實施例。通過在通過電 感器207的負(fù)載電流IL改變的同時對COMP電壓Vcomp加偏置，可顯著減 少已知步幅的升壓調(diào)節(jié)器202瞬變。從積分器402的輸出端提供COMP電 壓V(x)mp。向積分器402的輸出端加偏置免除了積分器402必須設(shè)置為新 值，而且避免了所得的過/低電流在設(shè)置期間被傳遞到輸出。不過，此配置 沒有改變各個負(fù)載條件下的基本回路性質(zhì)。積分器402接收來自節(jié)點228 的LED組204底端的反饋電壓FB，不過它也可如圖2中一樣配置。另外， 積分器402在第二輸入端接收基準(zhǔn)電壓VREF 404。積分器402的輸出端通 過節(jié)點410連接至加法電路406與控制算法和DAC 408。連接在節(jié)點410 和接地之間的電容器412也被連接至節(jié)點410。
控制算法和DAC 408產(chǎn)生校正偏置，該校正偏置與從積分器402的輸 出端提供的COMP電壓相加，以如上所述地顯著減少升壓瞬變。控制算法 和DAC 408響應(yīng)于來自控制輸入414的所提供的COMP電壓和所提供的負(fù) 載信息產(chǎn)生校正偏置。該負(fù)載信息可包括通過電感器207的負(fù)載電流。包 括校正偏置的COMP電壓被提供給累加電路416的輸入端。被提供為累加
電路416的輸入的還有斜率補(bǔ)償斜坡信號、反饋電壓VpB、基準(zhǔn)電壓VREF、
開關(guān)晶體管216的源極以及至系統(tǒng)接地的連接處的節(jié)點218處監(jiān)控到的電 壓。累加電路416的輸出被提供為閂鎖電路418的R輸入的控制輸出。閂 鎖電路418還在其S輸入處接收前沿消隱信號(LEB)。前沿消隱信號是 具有極低占空比(短"高"時間)的固定頻率的時鐘信號，其將418設(shè)置 為觸發(fā)電路。如果該觸發(fā)電路418被設(shè)置為占優(yōu)，則該信號也可用作前沿 消隱信號。雙穩(wěn)態(tài)電路418在其Q輸出端產(chǎn)生至開關(guān)晶體管216的驅(qū)動信
號°
在開關(guān)調(diào)節(jié)器202中，當(dāng)使用了比例控制方案時，負(fù)載調(diào)節(jié)將非常糟
11糕。通過電感器207的高于電感器207的導(dǎo)通點的負(fù)載電流中的任何增大 將導(dǎo)致輸出電壓v^的相應(yīng)降低。然而，當(dāng)對負(fù)載步幅的響應(yīng)引起輸出電
壓電平的變化時，穩(wěn)定至新的電壓電平所需的時間是非?？斓摹Ｔ诜e分系 統(tǒng)中，利用低頻時的額外增益來消除此負(fù)載調(diào)節(jié)特性的大部分。這是以損
害快速瞬態(tài)響應(yīng)為代價的，因為該系統(tǒng)僅能響應(yīng)具有由積分器gm和回路濾 波器(COMP)網(wǎng)絡(luò)阻抗所限定的帶寬的瞬變。這意味著負(fù)載電流的步進(jìn)增 大將引起初始輸出電壓下降和隨后的校正。同樣，當(dāng)負(fù)載步進(jìn)減小時，初 始瞬變沿正方向。負(fù)載電流瞬變越大，相應(yīng)的輸出瞬變越大。在圖5中更 完整地示出了這些情形。
現(xiàn)在參考圖5，示出了負(fù)載電流502、補(bǔ)償電壓504以及輸出電壓506 隨一段時間的變化。如圖所示，當(dāng)負(fù)載電流502在時刻T,、 丁2以及丁4步進(jìn) 增大時，COMP電壓504的相應(yīng)瞬態(tài)升高在COMP電壓穩(wěn)定至穩(wěn)定狀態(tài)電 平之前出現(xiàn)。響應(yīng)于COMP電壓504,輸出電壓V誠經(jīng)歷瞬態(tài)尖峰降低， 直到輸出電壓穩(wěn)定回經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓電平。而且，當(dāng)負(fù)載電流502中存在步 進(jìn)減小時，COMP電壓以相應(yīng)的減小作出反應(yīng)，而且經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出點電壓 506在穩(wěn)定回經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓電平之前引發(fā)瞬態(tài)尖峰增大。通過在與輸入414 處所提供的負(fù)載信息所指示的負(fù)載改變的同時在加法器406處將來自控制 算法和DAC 408的偏置加到COMP電壓，可顯著減少這些負(fù)載瞬變。這使 積分器402免于必須穩(wěn)定至新的反饋電壓電平，而且避免在穩(wěn)定時間期間 將所得的過/低電流傳送至輸出。該配置具有不改變各個負(fù)載狀態(tài)下的基本 回路性質(zhì)的附加好處。
在圖5中所示的這些瞬變中存在難以校正的分量，該分量由使電感器 電流緩升或緩降至新值所花費的時間引起。然而，這不是主要的項。圖4 中所示的實現(xiàn)適用于負(fù)載已知的系統(tǒng)，而且有可能校正改變的余下部分。 這與其中存在已知的分立可能負(fù)載組的包括多串LED驅(qū)動器的電路尤其相 關(guān)。這些系統(tǒng)中的任何負(fù)載調(diào)節(jié)或瞬態(tài)尖峰特性有可能在LED驅(qū)動器中引 起功耗增加，而且有可能將電流源推送至它們的線性工作區(qū)。后一狀況要 求系統(tǒng)必須被設(shè)計成在電流源中給予足夠的凈空，以使這些事件不會將它 們推送至它們的線性工作區(qū)，從而增大片上功耗；或者替代地接受由向線性區(qū)中的多次轉(zhuǎn)變引起的糟糕的LED電流控制。
例如，如果該電路被設(shè)計成驅(qū)動8組LED，則存在9種可能的負(fù)載狀況。這些負(fù)載狀況是0安培(所有組斷開)、ILED (—個組導(dǎo)通)、2XILED(兩個組導(dǎo)通)、……、8XILED (所有8個組導(dǎo)通)。因此，在整個操作過程中，可提供專屬于每一個這些負(fù)載狀況的控制項。與圖4的電路相關(guān)的控制方案嘗試向回路提供能減少積分器輸出節(jié)點所需的電壓偏移量的輸入。這使回路中的積分控制得以保持，同時消除瞬態(tài)電壓事件的主要分量。
這可通過控制算法和DAC 408用多種方法實現(xiàn)。在第一實施例中，簡單的方案使用由積分器402定義的放大對回路的輸入的增益項。如果積分項與電感器電流IL成比例(超過連續(xù)導(dǎo)通點)，則可改變增益以嘗試減小可能負(fù)載電流范圍上的積分器402輸出總范圍。在使用PWM控制來使LED減光的LED驅(qū)動器系統(tǒng)中，可對各個可能的負(fù)載組合(0至N個LED串導(dǎo)通)施加差分增益，從而提供大量減少的積分器輸出擺動和較小的電壓瞬變。這可基于設(shè)計或模擬時對電感器電流的計算，其中通過顯示積分器在各種負(fù)載狀況期間的輸出特性的模擬挑選出增益。在負(fù)載已知但具有比實際要離散實現(xiàn)的更多狀態(tài)的非LED系統(tǒng)中，增益項可就所設(shè)計的最佳配合該應(yīng)用的負(fù)載與增益之間的關(guān)系連續(xù)。這可能不會給出完全配合，但只要總的積分器范圍減小，則瞬態(tài)響應(yīng)得到改善。
在替代實施例中，在分立負(fù)載步幅的情況下可使用更復(fù)雜的方案?？杀O(jiān)控積分器輸出并利用數(shù)字控制方案來嘗試將輸出值拉至已知電平。例如，積分器輸出電壓響應(yīng)于較高的負(fù)載電流升高，且系統(tǒng)將通過塊408內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)向回路施加作用，以嘗試使輸出電壓降低。同樣，當(dāng)輸出電壓降低時，從回路移除作用以嘗試將其變回期望電平?？舍槍Ω鱾€可能的負(fù)載水平存儲所使用的最新數(shù)模控制器代碼，并在呈現(xiàn)特定負(fù)載的任何情況開始時應(yīng)用該代碼。以此方式，系統(tǒng)可建立并將已存儲的預(yù)定偏置值集合用作對回路的輸入，以限制積分器輸出范圍且使輸出電壓瞬變最小化。此方法優(yōu)于第一替代例的優(yōu)點在于，在無需提供變化的與負(fù)載電流成比例的增益的情況下，通過使用與補(bǔ)償電容器串聯(lián)的電阻器，回路中的積分器項的有效增益不會隨負(fù)載水平改變，而且比例控制仍可實現(xiàn)?，F(xiàn)參考圖6，示出了描述了利用所述控制算法的升壓調(diào)節(jié)器202的操作的流程圖。首先，在步驟602，由積分器402響應(yīng)于FB電壓和VREF電壓確定補(bǔ)償電壓。塊408內(nèi)的控制算法響應(yīng)于所提供的補(bǔ)償電壓和由導(dǎo)通的LED串204的數(shù)量指示的負(fù)載信息來確定控制偏置值。所產(chǎn)生的偏置控制值控制控制塊408內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生校正偏置模擬電壓，該模擬電壓在步驟606被加至加法電路406內(nèi)的補(bǔ)償電壓。在通過累加電路416和閂鎖電路418產(chǎn)生輸出電壓時使用此偏置補(bǔ)償電壓，其中閂鎖電路418在步驟608產(chǎn)生控制節(jié)點210處的輸出電壓V誠的開關(guān)控制信號。
現(xiàn)在參考圖7，示出了利用如上所述的升壓瞬變抑制方法的系統(tǒng)的負(fù)載電流IL702、 COMP電壓704以及輸出電壓V輸* 706。如上所述，負(fù)載電流在時刻IV 丁2以及丁4增大。與關(guān)于圖5示出的波形不同，COMP電壓704穩(wěn)定得非常快，因為這些電平由于所添加的COMP電壓偏置非常接近先前的電平。因此，在輸出電壓信號VM 706內(nèi)僅留下小的瞬態(tài)電壓尖峰，這些尖峰由使電感器電流緩變至新電平所花費的時間引起。在時刻T3和T5，在負(fù)載電流逐步降低的情況下，可以看到類似的情況。圖5和7中的例示之間的比較示出通過與電壓補(bǔ)償信號一起使用校正偏置所提供的顯著的瞬變抑制。
現(xiàn)參考圖8，示出了可將升壓調(diào)節(jié)器202配置成提供漣波阻絕的方式。積分控制如上所述地通過積分器402被包括在DC/DC控制器回路中，以改善絕對精度，同時保持比等效的比例控制方案中的相同精度所需更小的輸出電容器。DC/DC輸出上的電壓漣波由包括V輸A、 Vttlli、 I低、I電感器值、輸出電容以及輸出電容電容器有效串聯(lián)電阻的多個因素限定。這些通過以下方程關(guān)聯(lián)
占空比D-(V輸出-V輸入)/V輸出
平均電感器電流IL平均(平均)=I負(fù)載tV輸出/ (丫輸入*效率)峰值電感器電流IL峰值=IL平均+ V^/I^D叮W.5(對于連續(xù)系統(tǒng))電容器漣波電流I漣波=化峰值電容器漣波電壓V漣波二ESR * IL峰值
14在這些項的大多數(shù)已限定的給定系統(tǒng)中，限定漣波的重要數(shù)字是由負(fù)
載電流和其它因素限定的峰值電感器電流和輸出電容器ESR。在許多LED串聯(lián)連接的諸如LED驅(qū)動器之類的高壓應(yīng)用中，用來獲得所需輸出電容的電容器類型可具有相對高的ESR。這可提供高電平的輸出漣波。積分控制方案的操作將意味著此漣波波形的平均值將被調(diào)節(jié)至所需電平。對于大多數(shù)應(yīng)用，這是可接受的。不過，LED驅(qū)動器系統(tǒng)嘗試調(diào)節(jié)LED串頂端處的電壓，以使底端處的電壓僅足以使電流源正確工作。這通過使LED驅(qū)動器中的功耗最小化實現(xiàn)。如果此較低電平被調(diào)節(jié)成目標(biāo)電平的平均值，則漣波的較低部分低于目標(biāo)值，而且它們將電流源推送至其線性工作區(qū)。當(dāng)負(fù)載電流和ESR增大而且如果LED的數(shù)量增多從而使電感器電流增大時，這將變得更糟。為解決此問題，必須升高目標(biāo)電壓以保證它不會影響操作。實際上這難以實現(xiàn)，而且會導(dǎo)致電流源的凈空被設(shè)置得比所需的更高以確保永遠(yuǎn)不出問題，從而在不需要它的情況下增大了可能的功耗。
圖8示出了提供將FB引腳處的反饋信號施加到積分器402的輸入端的新方法的升壓轉(zhuǎn)換器。通常饋送至控制回路中的積分器402和累加電路416中的電壓反饋項的F B引腳的輸入由積分器402的輸入端上的開關(guān)8 02采樣和保持。通過在開關(guān)節(jié)點處于雙穩(wěn)態(tài)電路418的輸出隊列處的邏輯"低"電平時采樣和保持此電壓，積分器402將調(diào)節(jié)點設(shè)置成輸出漣波波形的最低點。這使波形中的各部分與基準(zhǔn)電壓對準(zhǔn)。這意味著可將電流源的凈空設(shè)置成低得多的電平，同時確保該漣波不會將電流源推送至它們的線性工作區(qū)。
現(xiàn)參考圖9a和9b，示出了關(guān)于未使用采樣和保持開關(guān)的電路(圖9a)和使用了采樣和保持開關(guān)的電路(圖9b)的電感器電流IL和基準(zhǔn)電壓反饋(FB)波形。當(dāng)未使用采用和保持電路時，反饋電壓在操作期間的多個點處落到基準(zhǔn)電壓Vkef以下。圖9b示出采樣和保持電路的使用，以及反饋電壓FB與所提供的負(fù)載電流IL無關(guān)地一直保持在基準(zhǔn)電壓Vmf之上。
升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生使具有最高正向電壓降的LED串204能在經(jīng)編程電流下運行所需的最小電壓。該電路采用具有快電流感測回路和慢電壓反饋回路的電流模式控制升壓架構(gòu)。該架構(gòu)實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)，這對其中功率是在不呈現(xiàn)顯著的可視噪擾的情況下對電池的嚴(yán)重消耗或?qū)C/DC適配器的即時充電的筆記本背光應(yīng)用很重要。可由該電路驅(qū)動的LED的數(shù)量取決于該應(yīng)用選擇的LED的類型。
該電路能夠升壓至34.5伏并驅(qū)動每個通道的串聯(lián)的9個LED。然而，在替代實施例中可支持其它升壓水平和LED數(shù)量。動態(tài)凈空控制電路控制最高正向電壓的LED組或有效地控制來自任意輸入電流引腳的最低電壓。最低電壓的輸入電流引腳被用作升壓調(diào)節(jié)器的反饋信號。升壓調(diào)節(jié)器將輸出驅(qū)動至正確電平，以使處于最低電壓的輸入電流引腳處于目標(biāo)凈空電壓。因為所有這些LED串被連接至相同的輸出電壓，所以其它輸入電流引腳將具有較高的電壓，但各個通道上的經(jīng)調(diào)節(jié)電流源將確保各個通道具有相同的經(jīng)編程電流。輸出電壓將逐個循環(huán)地調(diào)節(jié)，而且始終參照該架構(gòu)中的最高正向電壓串。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能理解的是，在獲得此公開的益處的情況下，當(dāng)驅(qū)動多個通道中的LED串時，此LED驅(qū)動器提供改進(jìn)的工作特性。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中的附圖和詳細(xì)描述應(yīng)被認(rèn)為是說明性而不是限制方式，而且不旨在受限于所公開的特定形式和示例。反之，如所附權(quán)利要求所限定地，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，所包括的是對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言明顯的任何進(jìn)一步修改、變化、重新排列、替換、替代物、設(shè)計選擇以及實施例。因此，旨在使所附權(quán)利要求被解釋為包含所有這些進(jìn)一步修改、變化、重新排列、替換、替代物、設(shè)計選擇以及實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生對多個LED串的頂節(jié)點的輸出電壓的電路，包括電感器，其中有負(fù)載電流流過；開關(guān)晶體管，其響應(yīng)于開關(guān)控制信號；積分器，響應(yīng)于LED串的底節(jié)點處的電壓和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生補(bǔ)償電壓；電路系統(tǒng)，用于響應(yīng)于所述補(bǔ)償電壓和流過所述電感器的負(fù)載電流將偏置與所述補(bǔ)償電壓組合，其中所述偏置僅在所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化期間產(chǎn)生，而且顯著減少來自所述補(bǔ)償電壓和所述輸出電壓的電壓瞬變；累加電路，用于累加包括所述偏置的補(bǔ)償電壓與至少所述LED串的底節(jié)點處的電壓以產(chǎn)生第一控制信號；閂鎖電路，用于響應(yīng)于所述第一控制信號和前沿消隱信號產(chǎn)生所述開關(guān)控制信號。
2. 如權(quán)利要求I所述的電路，其特征在于，所述用于組合的電路系統(tǒng)還包括控制邏輯，用于響應(yīng)于所述補(bǔ)償電壓和所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化產(chǎn)生所述偏置；以及加法電路，用于將所述偏置加到所述補(bǔ)償電壓，以顯著減少所述電壓瞬變。
3. 如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，所述控制邏輯還包括電路系統(tǒng)，用于實現(xiàn)一控制算法，所述控制算法用于響應(yīng)于所述補(bǔ)償電壓和所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化產(chǎn)生所述偏置的數(shù)字值；以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)于所述偏置的所述數(shù)字值產(chǎn)生模擬格式的偏置。
4. 如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述累加電路還累加所述補(bǔ) 償值、所述LED串的底節(jié)點處的電壓、斜率補(bǔ)償斜坡信號以及電流感測信號 以產(chǎn)生所述第一控制信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述電路的基本回路性質(zhì)在 各種負(fù)載狀況下保持不變。
6. 如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，還包括在所述積分器與所述 LED串的底節(jié)點之間的采樣和保持電路。
7. —種用于產(chǎn)生對多個LED串的頂節(jié)點的輸出電壓的電路，包括 電感器，其中有負(fù)載電流流過；開關(guān)晶體管，其響應(yīng)于開關(guān)控制信號；積分器，用于響應(yīng)于所述LED串的底節(jié)點處的電壓和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生補(bǔ)償 電壓；電路系統(tǒng)，用于實現(xiàn)一控制算法，所述控制算法用于響應(yīng)于所述補(bǔ)償電壓 和所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化產(chǎn)生所述偏置的數(shù)字值；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于響應(yīng)于所述偏置的所述數(shù)字值產(chǎn)生模擬格式的所述偏置；加法電路，用于將所述偏置加到所述補(bǔ)償電壓，以顯著減少來自所述補(bǔ)償 電壓和所述輸出電壓的電壓瞬變；累加電路，用于累加包括所述偏置的補(bǔ)償電壓與至少所述LED串的底節(jié) 點處的電壓以產(chǎn)生第一控制信號；以及閂鎖電路，用于響應(yīng)于所述第一控制信號和前沿消隱信號產(chǎn)生所述開關(guān)控 制信號。
8. 如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，所述累加電路還累加所述補(bǔ) 償值、所述LED串的底節(jié)點處的電壓、斜率補(bǔ)償斜坡信號以及電流感測信號 以產(chǎn)生所述第一控制信號。
9. 如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，所述升壓調(diào)節(jié)器的基本回路 性質(zhì)在各種負(fù)載狀況下保持不變。
10. 如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，還包括在所述積分器與所述 LED串的底節(jié)點之間的采樣和保持電路。
11. 一種用于控制對多個LED串的頂節(jié)點的輸出電壓的方法，包括以下步驟響應(yīng)于LED串的底節(jié)點處的電壓和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生補(bǔ)償電壓； 僅在所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化期間產(chǎn)生偏置；將所述偏置與所述補(bǔ)償電壓組合，其中所述偏置顯著減少來自所述補(bǔ)償電 壓和所述輸出電壓的電壓瞬變；累加包括所述偏置的補(bǔ)償電壓與至少所述LED串的底節(jié)點處的電壓以產(chǎn)生第一控制信號；響應(yīng)于所述第一控制信號和前沿消隱信號產(chǎn)生開關(guān)控制信號；以及 響應(yīng)于輸入電壓和所述開關(guān)控制信號產(chǎn)生所述輸出電壓。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述組合的步驟還包括將 所述偏置加到所述補(bǔ)償電壓以顯著減少所述電壓瞬變的步驟。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生偏置的步驟還包 括以下步驟利用控制算法響應(yīng)于所述補(bǔ)償電壓和所述負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化產(chǎn)生 所述偏置的數(shù)字值；以及將所述偏置的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成模擬格式的所述偏置。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述累加步驟還包括累加 所述補(bǔ)償值、所述LED串的底節(jié)點處的電壓、斜率補(bǔ)償斜坡信號以及電流感 測信號以產(chǎn)生所述第一控制信號的步驟。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括保持升壓調(diào)節(jié)器的 基本回路性質(zhì)在各種負(fù)載狀況下不變的的步驟。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括采樣和保持用來產(chǎn) 生補(bǔ)償電壓的所述LED串的底節(jié)點處的電壓的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及升壓調(diào)節(jié)器的瞬變抑制，其中公開了一種用于產(chǎn)生對多個LED串的頂節(jié)點的輸出電壓的電路。該電路包括其中有負(fù)載電流流過的電感器和響應(yīng)于開關(guān)控制信號的開關(guān)晶體管。積分器響應(yīng)于LED串的底節(jié)點處的電壓和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生補(bǔ)償電壓。用于組合偏置與補(bǔ)償電壓的電路系統(tǒng)響應(yīng)于補(bǔ)償電壓和流過電感器的負(fù)載電流。該偏置僅在負(fù)載電流的步進(jìn)負(fù)載變化期間產(chǎn)生，而且其顯著減少來自補(bǔ)償電壓和輸出電壓的電壓瞬變。累加電路累加包括偏置的補(bǔ)償電壓與至少LED串的底節(jié)點處的電壓來產(chǎn)生第一控制信號。閂鎖電路響應(yīng)于第一控制信號和前沿消隱信號產(chǎn)生開關(guān)控制信號。
文檔編號H05B37/02GK101668370SQ20091016045
公開日2010年3月10日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者A·R·沃林頓, N·I·阿奇博爾德 申請人:英特賽爾美國股份有限公司