本申請案主張凱斯D.斯佐魯沙(Keith D.Szolusha)在2014年4月3日申請的第61/974,787號美國臨時(shí)申請案的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時(shí)申請案以引用方式并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的串聯(lián)串的電流調(diào)節(jié)器，且特定來說，涉及一種接收輸入電壓且輸出高于或低于輸入電壓的電壓來以經(jīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)電流驅(qū)動LED的調(diào)節(jié)器。

背景技術(shù)：

在一些應(yīng)用中，希望將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高于或低于輸入電壓的輸出電壓。輸出可為調(diào)節(jié)電壓或調(diào)節(jié)電流。作為實(shí)例，可希望以經(jīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)電流驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的串聯(lián)串，其中跨串的電壓必須為約20伏特且其中電源可提供從3伏特到40伏特的任何電壓。在合適的轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)例中，輸入電壓被施加于升壓調(diào)節(jié)器以輸出高于負(fù)載將需要的電壓的經(jīng)調(diào)節(jié)升壓電壓。升壓調(diào)節(jié)器后面緊接著單獨(dú)控制的降壓調(diào)節(jié)器，其接收升壓電壓作為輸入且輸出負(fù)載所需的調(diào)節(jié)電流。用戶通常設(shè)置目標(biāo)輸出電流。此轉(zhuǎn)換器需要兩個(gè)控制器IC(升壓控制器IC及降壓控制器IC)，這增加了成本且需要印刷電路板上的額外空間。另外，因?yàn)樯龎簜?cè)及降壓側(cè)中的開關(guān)單獨(dú)切換，所以可導(dǎo)致可聞拍頻。存在其它缺點(diǎn)。

使用單個(gè)控制器來控制四個(gè)開關(guān)(例如，MOSFET)的H電橋的降壓-升壓調(diào)節(jié)器也是已知的，其中電感器跨電橋連接。四個(gè)開關(guān)經(jīng)控制以取決于輸入電壓被檢測為高于所需輸出電壓還是低于所需輸出電壓而以降壓模式或升壓模式或兩者作用。此類轉(zhuǎn)換器在輸入端子與電感器之間及輸出端子與電感器之間具有開關(guān)。因此，此類轉(zhuǎn)換器可具有高輸入波紋及高輸出波紋。高輸入波紋不利地影響連接至電源總線的其它電路，而高輸出溫度不利地影響某些類型的負(fù)載。高波紋還在開關(guān)頻率及其諧波下產(chǎn)生高電磁干擾(EMI)。

有機(jī)LED(OLED)需要調(diào)節(jié)電壓而非調(diào)節(jié)電流。上述電流調(diào)節(jié)器可易于通過反饋輸出電壓信號而非負(fù)載電流信號來轉(zhuǎn)換為電壓調(diào)節(jié)器。

在某些應(yīng)用中，在輸入及輸出處具有低波紋并且具有低EMI的轉(zhuǎn)換器是重要的。因此，需要一種用于驅(qū)動LED的可將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較高或較低電壓的轉(zhuǎn)換器，其中僅需要一個(gè)控制器IC，且其中存在低輸入及輸出波紋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，用于驅(qū)動LED的轉(zhuǎn)換器具有升壓級，其中第一電感器介于電源電壓輸入端子與升壓級開關(guān)(例如，第一MOSFET)之間。升壓級開關(guān)是低側(cè)開關(guān)，因?yàn)槠溥B接在電感器與接地之間。第一電感器的位置導(dǎo)致所需低輸入波紋。升壓級的輸出是高于輸入電壓的相對恒定升壓電壓。升壓電壓并未經(jīng)調(diào)節(jié)來匹配目標(biāo)升壓電壓，因?yàn)樘娲卣{(diào)節(jié)負(fù)載電流。升壓電壓高于在轉(zhuǎn)換器的輸出處用于以目標(biāo)調(diào)節(jié)電流驅(qū)動負(fù)載所需要的電壓。

在升壓級的輸出處存在具有低側(cè)開關(guān)(例如，第二MOSFET)的“浮動”降壓模式級，所述低側(cè)開關(guān)是由用于控制升壓級開關(guān)的相同柵極控制信號來控制。換句話來說，所述兩個(gè)開關(guān)在相同時(shí)間接通且在相同時(shí)間斷開以具有相同工作循環(huán)。降壓模式級具有耦合到負(fù)載的第二電感器，因此也存在低輸出波紋。降壓模式級被視為浮動的，因?yàn)樨?fù)載并未連接到接地。

在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)控制器IC接收瞬時(shí)升壓級開關(guān)電流作為第一反饋信號以控制通過升壓級開關(guān)的峰值電流?？刂破鱅C還接收對應(yīng)于負(fù)載電流的信號作為第二反饋信號且利用單個(gè)控制信號控制兩個(gè)低側(cè)開關(guān)的工作循環(huán)以致使負(fù)載電流匹配目標(biāo)電流。

因此，使用本發(fā)明，僅使用一個(gè)控制器IC，且輸入及輸出處存在極小波紋，因此存在低EMI，且系統(tǒng)中的敏感電路并未受到轉(zhuǎn)換器操作的不利影響。

在另一實(shí)施例中，第一反饋信號是用于控制通過降壓模式級開關(guān)的峰值電流的通過所述開關(guān)的瞬時(shí)電流。

在一種特定配置中，降壓模式級中的第二電感的第一端直接耦合到降壓模式級開關(guān)，其中降壓模式級開關(guān)的另一端子連接到接地。升壓級開關(guān)還具有經(jīng)由電流感測電阻器連接到接地的一個(gè)端子。LED負(fù)載連接在升壓電壓端子與第二電感器的第二端之間。因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)均耦合到接地且具有相同工作循環(huán)，所以此配置可經(jīng)稍微修改以將第二電感器的第一端連接到升壓級開關(guān)以消除對降壓模式級開關(guān)及整流器的需要。因此，轉(zhuǎn)換器的成本及大小進(jìn)一步減小。此配置對驅(qū)動LED的串聯(lián)串尤其有用，因?yàn)長ED負(fù)載可為浮動的且無需連接到接地。

通過將轉(zhuǎn)換器配置為電壓調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)換器可為OLED驅(qū)動器，因?yàn)镺LED也無需耦合到接地。

本文描述了其它實(shí)施例。

附圖說明

圖1說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于以調(diào)節(jié)電流驅(qū)動LED的升壓-降壓模式轉(zhuǎn)換器的第一實(shí)施例，其使用單個(gè)控制器IC來產(chǎn)生高于或低于輸入電壓的輸出電壓，且其中調(diào)節(jié)通過升壓開關(guān)的峰值電流。

圖2更詳細(xì)地說明用于圖1的轉(zhuǎn)換器的一種可能的控制器IC。

圖3說明升壓-降壓模式轉(zhuǎn)換器的第二實(shí)施例，其中單獨(dú)控制電路選擇性地控制照明串聯(lián)串中的哪些LED來進(jìn)行亮度及/或顏色控制。

圖4說明升壓-降壓模式轉(zhuǎn)換器的第三實(shí)施例，其中升壓級及降壓模式級兩者均僅使用一個(gè)共用低側(cè)開關(guān)及一個(gè)共用高側(cè)整流器。

各個(gè)圖式中相同或等效的元件以相同數(shù)字標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

圖1說明具有升壓部分12及浮動降壓部分14的升壓-降壓模式轉(zhuǎn)換器10。負(fù)載16是發(fā)光二極管(LED)的串聯(lián)串或需要調(diào)節(jié)電流而非調(diào)節(jié)電壓的其它負(fù)載。控制器18(通常形成為集成電路)接收斜坡開關(guān)電流(在開關(guān)頻率下)及DC負(fù)載電流作為反饋信號。基于這些反饋信號，控制器18使用單個(gè)控制信號控制晶體管開關(guān)20及22的工作循環(huán)，以將負(fù)載電流維持在目標(biāo)電流，其中目標(biāo)電流通常是由用戶設(shè)置。開關(guān)20及22被示為N溝道MOSFET但是可為其它類型的開關(guān)。

轉(zhuǎn)換器10在其輸入處具有從電源接收輸入電壓Vin的電感器L1，且在其輸出處具有耦合到負(fù)載16的另一電感器L2。電感器L1對開關(guān)瞬態(tài)(輸入波紋)進(jìn)行濾波，因此所述開關(guān)瞬態(tài)并未耦合到電源總線，這將另外不利地影響連接到總線的其它電路。電感器L2對負(fù)載16處的開關(guān)瞬態(tài)(輸出波紋)進(jìn)行濾波，這對某些類型的負(fù)載是重要的。這還降低了開關(guān)頻率及其諧波下的EMI。因?yàn)閮H僅存在一個(gè)IC控制器18來控制升壓部分12及降壓部分14兩者，所以轉(zhuǎn)換器10的大小及成本與具有兩個(gè)IC或兩個(gè)單獨(dú)柵極信號的升壓-降壓轉(zhuǎn)換器相比有所減小。

在一些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，用戶將一或多個(gè)額外電感器連接在轉(zhuǎn)換器與電源或負(fù)載之間以減小輸入或輸出波紋。此類額外電感器在本發(fā)明中是不需要的。

雖然轉(zhuǎn)換器10經(jīng)配置以供應(yīng)調(diào)節(jié)電流，但是其可易于經(jīng)配置以通過將經(jīng)分壓的輸出電壓而非對應(yīng)于負(fù)載電流的信號反饋回到控制器18中來供應(yīng)調(diào)節(jié)電壓。

在操作期間，輸入電容器Cin幫助減小電源總線上的輸入波紋。升壓開關(guān)20及降壓開關(guān)22在每一切換循環(huán)開始時(shí)使用控制器18內(nèi)部的振蕩器而接通。當(dāng)升壓開關(guān)20接通(閉合)時(shí)，上斜坡電流流過電感器L1。二極管24(例如，肖特基二極管)此時(shí)反向偏置。此斜坡電流還流過極低值的感測電阻器26。跨電阻器26的電壓降由差分放大器28檢測，且放大器28的輸出產(chǎn)生對應(yīng)于通過開關(guān)20及電感器L1的瞬時(shí)電流的反饋信號Isw。信號Isw施加于控制器18的輸入以控制通過升壓開關(guān)20的峰值電流。電感器L1在此期間進(jìn)行充電。

當(dāng)峰值電流與關(guān)于隨后描述的負(fù)載電流的閾值相交時(shí)，控制器18將升壓開關(guān)20及降壓開關(guān)22斷開。開關(guān)20及22因此以相同工作循環(huán)D切換。電感器L1的右側(cè)處的電壓改變以使二極管24正向偏置。通過電感器L1的下斜坡電流接著對電容器30進(jìn)行再充電?？珉娙萜?0的電壓通過轉(zhuǎn)換器10的調(diào)節(jié)操作而維持為相對恒定的升壓電壓Vboost。Vboost可為大于Vin的任何電壓。此升壓電壓Vboost接著被作為輸入電壓施加到轉(zhuǎn)換器10的降壓部分14。降壓部分14經(jīng)控制以產(chǎn)生低于Vboost的輸出電壓，其中輸出電壓是跨負(fù)載16的匹配目標(biāo)電流所需的任何電壓。

當(dāng)降壓開關(guān)22閉合時(shí)，上斜坡電流流過電感器L2。當(dāng)降壓開關(guān)22斷開時(shí)，電感器L2的底部處的電壓改變以使二極管36正向偏置。通過電感器L2的電流斜降且經(jīng)由二極管36返回發(fā)送到升壓輸出電容器30及輸出電容器Cout。在電感器L2的電流高于平均負(fù)載電流的時(shí)間期間，由電感器L2的電流對電容器Cout進(jìn)行再充電，且在電感器L2的電流低于平均負(fù)載電流的時(shí)間期間，電容器Cout稍微放電并同時(shí)維持目標(biāo)電流通過負(fù)載16。電感器的三角形波紋電流由輸出電容器平滑化，且電容器Cout供應(yīng)跨負(fù)載16的將檢測的輸出電流ILED匹配為通常由用戶設(shè)置的目標(biāo)電流所需要的任何電壓Vout。

LED電流流過低值感測電阻器32，且電壓降由差分放大器34檢測。差分放大器34在各個(gè)圖式中表示更復(fù)雜的電流檢測電路，且圖2說明檢測電路作為跨導(dǎo)誤差放大器、偏移電壓及電阻器/電容器網(wǎng)絡(luò)用于產(chǎn)生對應(yīng)于將負(fù)載電流維持在目標(biāo)電流所需要的升壓開關(guān)20的峰值電流的控制電壓Vc。在實(shí)際實(shí)施例中，一些或全部檢測電路包含在控制器18塊中。在簡化的圖1中，放大器34的輸出信號ILED對應(yīng)于LED電流，且ILED被作為反饋信號施加到控制器18?？刂破?8通過調(diào)整開關(guān)20及22的工作循環(huán)來使ILED與目標(biāo)電流值匹配?？墒褂闷渌愋偷目刂破?。

開關(guān)20及22被示為共享共用驅(qū)動器38。驅(qū)動器38可為常規(guī)的推拉式驅(qū)動器，其中其軌電壓接地且為處在或高于MOSFET接通閾值電壓的電壓(高于接地)。

循環(huán)重復(fù)以維持恒定電流通過負(fù)載16。電感器及電容器在輸入及輸出處的組合導(dǎo)致極低輸入及輸出波紋，且因此導(dǎo)致低EMI。

對于電壓調(diào)節(jié)器，感測電阻器32及放大器34將被刪除且電壓傳感器將跨負(fù)載連接以產(chǎn)生電壓反饋信號以用于由控制器18匹配到目標(biāo)電壓。

電感器L1及L2可為單獨(dú)或交叉耦合。

開關(guān)20及22的工作循環(huán)(每個(gè)循環(huán)的百分比接通時(shí)間)是D，且工作循環(huán)由轉(zhuǎn)換器10調(diào)節(jié)以輸出跨負(fù)載16的輸出Vout，其是實(shí)現(xiàn)通過負(fù)載16的目標(biāo)電流所需要的。工作循環(huán)約為D＝Vout/(Vin+Vout)。在一個(gè)實(shí)例中Vout＝Vin，因此工作循環(huán)為約50％。在另一實(shí)例中，Vout＝3*Vin，因此工作循環(huán)為約75％。在另一實(shí)例中，Vout＝Vin/2，因此工作循環(huán)為約33％。

感測電阻器26可替代地連接在電感器L1之前或之后，因?yàn)槠錇榕c開關(guān)20的電流相同的電流路徑。在另一實(shí)施例中，電感器L1或開關(guān)20的內(nèi)部電阻用作感測電阻器26。類似地，感測電阻器32可位于負(fù)載16的電流路徑中的任何位置，例如介于負(fù)載16與電感器L2之間、與電感器L2串聯(lián)或介于開關(guān)22與接地之間。

PWM MOSFET 36可與LED負(fù)載16串聯(lián)連接以控制LED的表觀亮度。PWM信號(例如60Hz或更高以避免可感知閃爍)可由控制器18產(chǎn)生且由外部控制信號設(shè)置。開關(guān)20及22的開關(guān)頻率將通常介于100kHz與5MHz之間，因此每個(gè)PWM調(diào)光循環(huán)將存在許多切換循環(huán)。負(fù)載電流測量僅僅在PWM MOSFET 36接通時(shí)進(jìn)行。當(dāng)LED串?dāng)嚅_時(shí)，電容器COUT在PWM MOSFET 36斷開時(shí)間期間維持LED串電壓。這允許LED串在PWM MOSFET 36在下一個(gè)PWM循環(huán)開始時(shí)再次接通時(shí)快速恢復(fù)為其調(diào)節(jié)電流。

LED負(fù)載可替代地為單個(gè)LED、LED的陣列、串聯(lián)及并聯(lián)的LED或任何其它配置的LED。

圖2說明可形成為單個(gè)IC芯片的一種可能的控制器18的更多細(xì)節(jié)。電感器L1及L2及各個(gè)電容器通常歸因于其大小而在芯片外部；然而，小值的電感器及電容器可形成在芯片上。

當(dāng)開關(guān)20接通時(shí)，放大器28的上斜坡輸出施加于加法器40的輸入。來自斜率補(bǔ)償器42的經(jīng)同步上斜坡鋸齒波形施加于加法器40的另一輸入以在較大工作循環(huán)下進(jìn)行斜率補(bǔ)償。斜率補(bǔ)償是常規(guī)的。

加法器40的輸出是施加于脈寬調(diào)制(PWM)比較器44的輸入的上斜坡信號。

在此期間，經(jīng)調(diào)節(jié)LED電流ILED流過LED負(fù)載16?？绺袦y電阻器32的電壓降對應(yīng)于負(fù)載16的電流。電阻器32的高側(cè)端子耦合到跨導(dǎo)誤差放大器46的一個(gè)輸入端子，且電阻器32的低側(cè)端子耦合到偏移電壓50，其值設(shè)置目標(biāo)調(diào)節(jié)電流。偏移電壓電平經(jīng)設(shè)置使得到誤差放大器46中的輸入在目標(biāo)電流下是相等的。用戶可利用外部組件(例如電阻器)設(shè)置偏移電壓電平，或其在IC內(nèi)部可為固定的。在實(shí)例中，偏移電壓被設(shè)置為100mV，其可對應(yīng)于例如1A的目標(biāo)負(fù)載電流。

誤差放大器46的輸出連接到RC電路51以產(chǎn)生設(shè)置通過電感器L1及開關(guān)20的峰值電流的控制電壓Vc?？刂齐妷篤c耦合到PWM比較器44的另一輸入。Vc在穩(wěn)態(tài)條件下是穩(wěn)定的。

當(dāng)來自加法器40的斜坡信號與Vc電平相交時(shí)，PWM比較器44的輸出將RS觸發(fā)器52復(fù)位。觸發(fā)器52的所得低輸出控制驅(qū)動器38以斷開開關(guān)20及22。

當(dāng)開關(guān)20及22斷開時(shí)，通過電感器L1及L2的電流斜降。在由振蕩器60控制的下一個(gè)切換循環(huán)開始時(shí)，觸發(fā)器52經(jīng)設(shè)置以將開關(guān)20及22接通，且反饋過程重復(fù)。典型的開關(guān)頻率在100kHz與5MHz之間。

感測電阻器26及32可位于沿其相同電流路徑的其它點(diǎn)處。

在全部實(shí)施例中，二極管24及36可被同步整流器MOSFET取代且利用工作循環(huán)1-D來控制以仿真二極管24及36的功能，但是電壓降較低以增加效率。二極管及同步整流器在本文均被稱為整流器。

在其它實(shí)施例中可使用相同控制器18。

在替代性實(shí)施例中，通過電感器L2及開關(guān)22的峰值電流可通過感測通過與開關(guān)22串聯(lián)的感測電阻器的電流來調(diào)節(jié)。峰值電流將是獲得通過負(fù)載16的目標(biāo)電流所必需的電流。開關(guān)20及22將仍然以與先前描述的方式相同的方式進(jìn)行切換，其中開關(guān)20及22的工作循環(huán)將是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出電流所必需的工作循環(huán)，且Vboost將與圖1及2的實(shí)施例相同。

圖3說明升壓-降壓模式轉(zhuǎn)換器70的第二實(shí)施例，其中控制電路72用于選擇性地控制照明串聯(lián)串中的哪些LED來進(jìn)行亮度或顏色控制，其中串中的LED可具有不同的磷光體以發(fā)射不同顏色。通過LED負(fù)載16的恒定電流ILED是使用差分放大器34由與負(fù)載16串聯(lián)的感測電阻器32來感測。差分放大器34可表示圖2中示為控制器18的部分的更復(fù)雜負(fù)載電流檢測電路。控制器18接收Isw及ILED，且控制開關(guān)20及22的工作循環(huán)以實(shí)現(xiàn)通過負(fù)載16的目標(biāo)電流。

因?yàn)橥ㄟ^LED的高頻波紋電流(三角形電感器L2電流)將不會導(dǎo)致可感知閃爍，所以輸出電容器(例如，圖2中的Cout)并非必需的，從而節(jié)省了大量成本及空間并允許LED的電流隨著LED通過調(diào)光器(顏色/亮度控制電路72)切換進(jìn)出串而作出快速瞬時(shí)響應(yīng)。電容器86跨感測電阻器32連接以維持跨感測電阻器32的相對恒定電壓降，因此平均LED電流被放大器34檢測到。歸因于跨感測電阻器32的低電壓，電容器86的大小遠(yuǎn)小于圖2中的輸出電容器Cout的大小。

串中的LED 88可為相同類型的LED，例如藍(lán)色發(fā)光GaN LED，但是具有不同的磷光體涂層使得存在發(fā)射藍(lán)光的一些LED、發(fā)射綠光的一些LED及發(fā)射紅光的一些LED。控制器72是由外部數(shù)字信號控制以選擇性地提供跨個(gè)別LED的短接來將其斷開。未短接的LED將繼續(xù)具有相同亮度，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器70將補(bǔ)償降低的電壓降，且調(diào)整工作循環(huán)以維持通過LED的目標(biāo)電流。以此方式，可控制經(jīng)發(fā)射顏色。另外，通過選擇性地將LED短接，除顏色之外還可控制亮度，因此不需要PWM調(diào)光MOSFET。

因?yàn)閳D1到3中的開關(guān)20及22均耦合到接地(忽略低值感測電阻器26)且具有相同工作循環(huán)，所以開關(guān)20及22可如圖4中所示那樣有效地合并到單個(gè)開關(guān)90中。開關(guān)90可為并聯(lián)連接以增加功率處理能力的多個(gè)開關(guān)。通過開關(guān)90的峰值電流由控制器18調(diào)節(jié)(以控制其工作循環(huán))以致使負(fù)載電流IELD如先前所述那樣與目標(biāo)電流匹配。因此，成本及大小進(jìn)一步減小。輸入及輸出波紋歸因于輸入及輸出處的電感器L1及L2而極低。在全部實(shí)施例中可使用圖2中所示的相同的負(fù)載電流檢測電路及開關(guān)控制電路。整流器(二極管或同步開關(guān))還在圖4中組合，因?yàn)槠涔ぷ餮h(huán)(1-D)及電壓是相同的。雙開關(guān)、雙整流器轉(zhuǎn)換器變?yōu)榫哂邢嗤再|(zhì)的單開關(guān)、單整流器轉(zhuǎn)換器。

在圖4中，經(jīng)感測開關(guān)電流Isw是IL1+IL2峰值電流而非僅僅IL1峰值電流。此設(shè)定具有更多開關(guān)電流信息及斜率，且將由感測電阻器及控制環(huán)路來補(bǔ)償。感測電阻器26可被放置成與電感器L1或L2串聯(lián)以使用升壓或降壓級峰值電流信息來控制工作循環(huán)。

圖4的輸出電容器Cout可為圖1及2中的標(biāo)準(zhǔn)輸出電容器Cout，或可不存在輸出電容器，且可使用跨電阻器32及顏色/亮度控制電路72的濾波電容器，如圖3中所示。

可驅(qū)動除LED之外的負(fù)載，且轉(zhuǎn)換器可易于經(jīng)配置以通過如先前所述那樣反饋輸出電壓來產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓以(例如)驅(qū)動OLED。

轉(zhuǎn)換器的全部組件可形成在單個(gè)集成電路中。所述任何特征可以不同方式組合在單個(gè)轉(zhuǎn)換器中。

雖然已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白在不脫離本發(fā)明的情況下可對其較廣泛方面作出改變及修改，且因此所附權(quán)利要求書將屬于本發(fā)明的真正精神及范圍的全部此類改變及修改涵蓋在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。