專利名稱：適用于大功率背光led驅(qū)動器的pwm調(diào)光控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種適用于大功率背光LED驅(qū)動器的高效率快速PWM調(diào)光控制電路，該電路可以應(yīng)用于諸如手機、平板電腦、數(shù)碼相機等電池供電的便攜式設(shè)備背光。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今消費類電子市場中，電池供電的便攜式設(shè)備諸如數(shù)碼相機、智能手機、平板電腦等在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在便攜式設(shè)備中，顯示模塊是最重要的模塊之一，它是人與設(shè)備直接的媒介。在各種電子系統(tǒng)的顯示模塊中，通常采用LCD作為顯示屏，由于LCD本身不發(fā)光，因此需要設(shè)計專門的背光電路。傳統(tǒng)的背光源采用的是冷陰極 熒光燈管(CCFL)。CCFL燈管內(nèi)含有汞，其壽命在三年左右，廢棄的CCFL燈管如果處理不當(dāng)，就會隨環(huán)境造成污染。近年來發(fā)展LED背光，則具有環(huán)保、驅(qū)動電路設(shè)計簡單、色彩表現(xiàn)力豐富等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。而由于大部分電子產(chǎn)品LED背光所需的電壓高于供電的電池電壓，就需要升壓型直流轉(zhuǎn)換器提升輸入電壓。對LED驅(qū)動進行提高效率和快速調(diào)光的研究，在節(jié)約能源，推動固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和避免汞污染等方面具有重要意義并具有廣闊的應(yīng)用前景。對于LED驅(qū)動器，要求其有穩(wěn)定的輸出電流、更高的效率和更高的調(diào)光率。傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)的調(diào)光方式由于其在輸出電流固定的情況下，調(diào)節(jié)LED顯示亮度時無色偏的優(yōu)勢，一直以來都受到設(shè)計者的青睞。但是這種控制方法一般需要在輸出端外加一個調(diào)光控制開關(guān)管的同時，串聯(lián)采樣電阻對輸出電流進行控制，直接導(dǎo)致了功耗的增加，使得大功率LED驅(qū)動器的效率受到影響。本發(fā)明針對大功率背光LED驅(qū)動器的高效率快速PWM調(diào)光控制電路，將調(diào)光開關(guān)管和電流鏡像管復(fù)用，通過低壓電流鏡對輸出電流進行控制，從而實現(xiàn)對輸出電流的無損控制。由于采用了復(fù)用的方法，對于電流控制所需的串聯(lián)電阻可以去除，沒有附加功耗，并且增加預(yù)充電開關(guān)提高電流鏡的響應(yīng)速度，因此使得傳統(tǒng)的PWM調(diào)光控制方式在大功率白光LED驅(qū)動器中效率提高和響應(yīng)快速成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種適用于大功率背光LED驅(qū)動器的高效率快速PWM調(diào)光控制電路。本發(fā)明提供的適用于大功率背光LED驅(qū)動器的PWM調(diào)光控制電路，由基本的升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器(boost converter)和輸出PWM調(diào)光控制兩個部分組成。所述直流-直流轉(zhuǎn)換器部分包括功率級和控制級。其中功率級由功率管Mn、整流ニ極管Dl和濾波電感L、濾波電容C、負載電阻R。組成；控制級由電流采樣、誤差放大器、補償電路、關(guān)斷時間控制器等模塊組成?？刂萍壍恼`差放大器將輸出PWM調(diào)光控制部分的輸出端OUT電壓與基準電壓VREF之間的差值進行放大，然后經(jīng)過補償電路對差值Ve進行補償形成Vc信號，并將其與電感電流在功率管上的壓降Vsen信號比較，得到占空比DUTY信號，最后通過驅(qū)動模塊產(chǎn)生驅(qū)動信號控制功率管Mn的導(dǎo)通與關(guān)斷。輸出PWM調(diào)光控制部分由ニ個輸出調(diào)光控制管M2、M3，運算放大器Amp，上拉電阻Ri>R2 預(yù)充電開關(guān)管M5、M6, ニ對互補開關(guān)管M7 M1(i,鏡像管MpM2組成,這里晶體管M2同時復(fù)用為鏡像管和調(diào)光控制管使用。晶體管！3的源極與晶體管M2的漏端相連，而柵極通過開關(guān)管M9與晶體管M4的源極和晶體管M1的柵極相連；晶體管M2J1構(gòu)成I :1000電流鏡，二者的源端分別連接到運算放大器Amp的兩個輸入端，運算放大器Amp的輸出端則與晶體管M4相連，構(gòu)成負反饋，將晶體管M1. M2的源極電壓鉗位在相同的電平上；開關(guān)管M6 —端與電阻R1相連，開關(guān)管M5另一端則與電阻R2相連，最終都接到電源VDD。開關(guān)管M6的另一端與晶體管M2的柵級相連，開關(guān)管M5的另一端連接到晶體管M3的柵級，構(gòu)成兩路預(yù)充電結(jié)構(gòu)；此夕卜，開關(guān)管M7的一端也連接到晶體管M3的柵級，開關(guān)管M8 —端連接則到晶體管M2的柵級，開關(guān)管M7開關(guān)管M8兩者的另一端都下拉到地，構(gòu)成快速下拉結(jié)構(gòu)。晶體管M4與運算放大器Amp構(gòu)成負反饋結(jié)構(gòu)，同時也做為電流鏡源邊晶體管，其源極為固定電流偏置輸入ibias， 晶體管M3的源端OUT則與控制級相連，形成控制環(huán)路，由環(huán)路對輸出電壓進行調(diào)制。兩個開關(guān)管M9、M1(i的一端都接在晶體管M1的柵極，另一端分別接晶體管M3和晶體管M2的柵極，控制晶體管M3和晶體管M2的開啟和關(guān)斷。電路中，兩個開關(guān)管M9、M1(i可采用PMOS管，其他晶體管均采用NMOS管。本發(fā)明中，晶體管M2' M3復(fù)用為LED驅(qū)動的調(diào)光管，穩(wěn)定輸出電流的時控制電流的通斷以實現(xiàn)PWM調(diào)光控制，解決了傳統(tǒng)的PWM調(diào)光方法中串聯(lián)電阻導(dǎo)致的附帶額外的功耗損失問題。晶體管M2, M3以晶體管M1的柵電壓為基準，在輸出端組成cascode結(jié)構(gòu)，晶體管MpM2工作在線性區(qū)，晶體管M4使晶體管M2的漏端電壓控制在一個很低的狀態(tài)。運算放大器Amp輸出端控制M4柵電壓形成反饋，對鏡像管M1. M2的漏端電壓鉗位，使得晶體管M1和M2的漏端電壓相等，以保證電流鏡像的精度。另外，預(yù)充電開關(guān)調(diào)光信號從低電平到高后使電流鏡輸出電流迅速恢復(fù)，從而實現(xiàn)了ー種應(yīng)用于大功率背光LED驅(qū)動的高效率快速PWM調(diào)光控制電路。本發(fā)明電路通過ー個工作在線性區(qū)的電流鏡對輸出電流進行控制，同時，電流鏡的鏡像管復(fù)用為LED調(diào)光開關(guān)管使用，由調(diào)光信號dim控制，對LED進行數(shù)字PWM調(diào)光，從而實現(xiàn)帶PWM調(diào)光的高效率LED驅(qū)動。由于采用了 cascode結(jié)構(gòu)，工作于線性區(qū)的鏡像管仍可保證所需精度，同時電流鏡的輸出漏端電壓可以很低，因此非常適用于大功率的LED驅(qū)動。另外的預(yù)充電開關(guān)管加快了調(diào)光時電流鏡的響應(yīng)速度，相比于傳統(tǒng)的PWM調(diào)光控制電路，該電路實現(xiàn)了大功率的LED驅(qū)動中的高效率，低成本的快速調(diào)光控制，從而使得傳統(tǒng)的大功率LED驅(qū)動效率的進ー步提高成為可能。本發(fā)明電路適用于大功率LED驅(qū)動的調(diào)光控制，可用于各種便攜式電子設(shè)備的升壓型LED驅(qū)動芯片設(shè)計中。


以下附圖描述了本發(fā)明的實施例，這些附圖和實施例提供了本發(fā)明的實例并且它們是非限制性的和非窮盡的。圖I是本發(fā)明設(shè)計的高效率快速PWM調(diào)光控制電路圖。
圖2是高效率快速PWM調(diào)光電路的工作波形示意圖。圖3是高效率快速PWM調(diào)光功能的仿真結(jié)果驗證。
具體實施例方式以下根據(jù)附圖及設(shè)計實例對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明設(shè)計的是一種應(yīng)用于電池供電的便攜式設(shè)備諸如智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機的高效率快速PWM調(diào)光控制電路。該電路的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖I所示。該背光LED驅(qū)動器由由基本的升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器(boost converter)和輸出PWM調(diào)光控制兩部分組成。藍色方框中為功率級部分，包含功率管Mn，整流ニ極管Dl和濾波電感L、濾波電容C、負載電阻R。；控制級由電流采樣，誤差放大器，補償電路，關(guān)斷時間控制器等模塊組成。綠色方框中為控制級部分，電路通過將快速PWM調(diào)光控制電路輸出端電壓與基準電壓VREF之間的差值經(jīng)誤差放大器放大后的差值Ve經(jīng)過補償電路形成Vc信號，并將其與電感電流在功率管上的壓降Vsen信號比較，得到占空比DUTY信號，最后通過驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動信號控制功率管Mn的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)對于背光LED驅(qū)動功率的固定頻率脈沖寬度調(diào)制。紅色方框中為輸出PWM調(diào)光控制部分結(jié)構(gòu)圖。由ニ個輸出調(diào)光控制管M2、M3，運算放大器Amp,上拉電阻RpR2,預(yù)充電開關(guān)管M5、M6, ニ對互補開關(guān)管M7Iltl,鏡像管MpM2和組成，用于實現(xiàn)高效率快速PWM調(diào)光。其中Μ2、Μ3復(fù)用為電流鏡輸出管和LED驅(qū)動的調(diào)光管，實現(xiàn)輸出電流的無損控制，運算放大器Amp對鏡像管MpM2的漏端電壓鉗位，使得M1和M2的漏端電壓相等，保證電流鏡像的精度。當(dāng)調(diào)光dim信號為從低變?yōu)楦唠娖綍r，互補開關(guān)管ル18關(guān)斷，Μ9、Μ1(Ι導(dǎo)通，預(yù)充電開關(guān)Μ5、Μ6導(dǎo)通對調(diào)光管M3柵電容充電，使M21M3柵電壓快速恢復(fù)至DIM信號為低前的狀態(tài)之后，M5, M6自動關(guān)斷。而輸出LED電流則迅速恢復(fù)至電流鏡控制下的固定值，電流鏡輸出電壓反饋使系統(tǒng)產(chǎn)生升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器的功率管驅(qū)動信號使輸出電壓上升。當(dāng)調(diào)光DM信號為低時，互補開關(guān)管M9、Mltl關(guān)斷，117、118導(dǎo)通，Μ2、Μ3柵電壓被下拉到VSS，使電流鏡輸出電流迅速下降為零。圖2高效率快速PWM調(diào)光電路的工作波形示意圖。調(diào)光dim信號為從低變?yōu)楦唠娖綍r，互補開關(guān)管M7' M8關(guān)斷，M9' M10導(dǎo)通，預(yù)充電開關(guān)M5, M6導(dǎo)通對調(diào)光管M3柵電容充電，使M2iM3柵電壓快速恢復(fù)，相對于不采用預(yù)充電的情況，輸出電流恢復(fù)速度可以大大提高。圖3為輸出PWM調(diào)光控制部分在IMHz開關(guān)頻率的大功率LED驅(qū)動器中應(yīng)用后的電路仿真結(jié)果?？梢钥吹秸{(diào)光信號dim從低電平跳變到高電平，輸出電流Iout迅速恢復(fù)至預(yù)定值，系統(tǒng)開始進入穩(wěn)態(tài)工作情況。
權(quán)利要求
1.一種適用于大功率背光LED驅(qū)動器的PWM調(diào)光控制電路，由基本的升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器和輸出PWM調(diào)光控制兩部分組成；所述直流-直流轉(zhuǎn)換器部分包括功率級和控制級；其中功率級由功率管Mn、整流二極管Dl和濾波電感L、濾波電容C、負載電阻R。組成；控制級由電流采樣、誤差放大器、補償電路、關(guān)斷時間控制器模塊組成；控制級的誤差放大器將輸出PWM調(diào)光控制部分的輸出端OUT電壓與基準電壓VREF之間的差值進行放大，然后經(jīng)過補償電路對差值Ve進行補償形成Vc信號，并將其與電感電流在功率管上的壓降Vsen信號比較，得到占空比DUTY信號，最后通過驅(qū)動模塊產(chǎn)生驅(qū)動信號控制功率管Mn的導(dǎo)通與關(guān)斷；其特征在于 輸出PWM調(diào)光控制部分由二個輸出調(diào)光控制管％13，運算放大器Amp，上拉電阻RpR2,預(yù)充電開關(guān)管M5、M6, 二對互補開關(guān)管M7Iltl,鏡像管Mp M2組成，這里晶體管M2同時復(fù)用為鏡像管和調(diào)光控制管使用；晶體管M3的源極與晶體管M2的漏端相連，晶體管M3柵極通過開關(guān)管M9與晶體管M4的源極和晶體管M1的柵極相連；晶體管M2' M1構(gòu)成I :1000電流鏡，二者的源端分別連接到運算放大器Amp的兩個輸入端，運算放大器Amp的輸出端與晶體管M4相連，構(gòu)成負反饋，將晶體管MpM2的源極電壓鉗位在相同的電平上；開關(guān)管M6 —端與電阻R1相連，開關(guān)管M5 —端則與電阻R2相連，最終都接到電源VDD ;開關(guān)管M6的另一端與晶體管M2的柵級相連，開關(guān)管仏的另一端連接到晶體管M3的柵級，構(gòu)成兩路預(yù)充電結(jié)構(gòu)；開關(guān)管M7的一端也連接到晶體管M3的柵級，開關(guān)管M8 —端連接到晶體管M2的柵級，開關(guān)管M7和開關(guān)管M8的另一端都下拉到地，構(gòu)成快速下拉結(jié)構(gòu)；晶體管M4與運算放大器Amp構(gòu)成負反饋結(jié)構(gòu)，同時也做為電流鏡源邊晶體管，其源極為固定電流偏置輸入ibias，晶體管M3的源端OUT與控制級相連，形成控制環(huán)路，由環(huán)路對輸出電壓進行調(diào)制；兩個開關(guān)管M9' M10的一端都接在晶體管M1的柵極，另一端分別接晶體管M3和晶體管仏的柵極，控制晶體管13和晶體管M2的開啟和關(guān)斷。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于大功率背光LED驅(qū)動器的高效率快速PWM調(diào)光控制電路。該電路通過一個工作在線性區(qū)的電流鏡對輸出電流進行控制，同時電流鏡的鏡像管復(fù)用為LED調(diào)光開關(guān)管使用，由調(diào)光信號dim控制，對LED進行數(shù)字PWM調(diào)光，電流鏡輸出端電壓則通過升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器控制，環(huán)路調(diào)制產(chǎn)生系統(tǒng)所需輸出電壓，從而實現(xiàn)帶PWM調(diào)光的高效率LED驅(qū)動。由于電流鏡采用了cascode結(jié)構(gòu)，工作于線性區(qū)的鏡像管仍可保證所需精度，同時環(huán)路控制電流鏡的輸出漏端電壓可以很低，降低了系統(tǒng)功耗，因此非常適用于大功率的LED驅(qū)動。另外預(yù)充電開關(guān)管加快了調(diào)光時電流鏡的響應(yīng)速度，相比于傳統(tǒng)的PWM調(diào)光控制電路，該電路實現(xiàn)了大功率的LED驅(qū)動中的高效率，低成本的快速調(diào)光控制。
文檔編號H05B37/02GK102811540SQ20121029195
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者周敏超, 呂旦竹, 程林, 洪志良 申請人:復(fù)旦大學(xué)