CN101917807A - 一种发光二极管驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管驱动系统，该驱动系统增设了内部补偿模块和扩频调制模块，还增设了由外部逻辑脉冲调制信号驱动的DIM管脚，和，通过外接电阻改变发光二极管内部时钟的频率REX管脚。本发明利用内部补偿的方法来实现系统的稳定，节省了外部元器件，扩频调制有效地减少了电磁噪声，采用的调光功能提高了发光二极管驱动系统的效率，具有热补偿的功能，提高了发光二极管驱动系统的可靠性，外部调频可以从外部改变发光二极管驱动系统的内部振荡频率。

Description

一种发光二极管驱动系统

技术领域

本发明涉及一种发光二极管驱动系统，尤其涉及一种具有内部补偿，扩频调制，外部调频和调光功能的发光二极管驱动系统。

背景技术

随着光电技术和半导体技术日新月异的发展，发光二极管(LED)由于其较长的使用寿命，高效率，和小体积在许许多多领域获得越来越多的关注。

由于生产工艺的差异，不同制造商生产的发光二极管的电特性会有相当大的不同。发光二极管的电压随电流变化特性曲线会影响LED的亮度和使用寿命。所以发光二极管驱动线路的设计非常重要。

当前，主要的发光二极管驱动系统是利用脉冲调制(PWM)控制来实现的。降压型，脉冲调制，电流模式结构具有以下几种优点：(1)迅速的瞬态反应；(2)当输入电压变化时，电流变化非常小(＜1％)；(3)高效率。对于电流模式结构，通常需要采用外部补偿来实现系统的稳定，采用外部补偿会使系统设计更加复杂，增加系统成本。

由于脉冲调制(PWM)控制是在较高频率下工作，发光二极管驱动系统会使电磁干扰(EMI)问题更加严重。当电流和电压被高频振荡信号调制时，就会产生电磁噪声(EMI)。EMI不但会影响发光二极管驱动系统周边相连电子仪器的正常工作，它的辐射甚至会影响没有和它相连电子仪器的工作。高频辐射噪声可以通过电网传给相连的电子仪器，也可以干扰无线电和电视信号的传播。一些方法，例如EMI过滤器和限制器，可以减少电磁噪声。但这些方法在减少电磁噪声的同时，也增加了系统的体积和成本。

图1是传统的降压型，电流模式，PWM控制的发光二极管驱动系统的电路图。VIN是输入电压管脚。GND是接地的管脚。FB是反馈管脚，它外接一个电阻分压器来决定输出电压。SW管脚接外部的电感，此点的电压在VIN和GND之间切换。COMP管脚连接外部的补偿电路。当EN管脚接地时，驱动器处于关机状态。一个2到10nF的自举电路陶瓷电容连接BST管脚和SW管脚之间，为功率开关管M0提供足够的、高于输入电压的门驱动电压。在图1中的电路12’是基准偏置模块，它产生带隙基准电压和各种参考电压。在图1中的电路16’是低压降稳压器(LDO)，它产生驱动器内部所需的VDD电压。由于较小的内阻功率开关管M0是NMOS(N沟道金属氧化物半导体)器件，内置在发光二极管驱动系统内部。电路18’是为功率开关提供足够驱动能力的自举电路。电感上的电流是由通过Rs和Ms支路的电流来测量的，通过Rs和Ms支路的电流和通过M0的电流具有一定的比例关系，例如，100∶1，这样通过测量经过Rs和Ms支路的电流，就可以检测通过M0的电流。电路20’是电流检测放大器，用来放大电流检测信号。COMP管脚是和外部补偿器件相连，保证系统稳定。在图1中的电路22’是误差放大器，它比较参考电压和反馈电压产生COMP点的电压。在图1中的电路26’是系统振荡器，它用来产生固定频率的开关时钟信号。在图1中的电路28’是产生锯齿波形，消除次谐波振荡的斜坡补偿电路。当正常工作时，每个开关时钟周期中，内部振荡器的上升沿让RS锁存器29’的输出为”1”，功率开关管M0就会打开。电感上的电流由电流检测放大器20检测和放大。PWM比较器是图1中的电路30’。斜坡补偿电路28’输出的斜坡补偿信号和误差放大器22’的输出相叠加，叠加的信号和COMP点的电压由PWM比较器30’相比较。PWM比较器30’的输出让RS锁存器29’的输出为”0”，功率开关管M0就会关闭直到下一个时钟周期。当功率开关管M0关闭时，大部分通过电感的电流流经肖特基二极管D1(D1外接在SW管脚和地之间)，这样SW点的电压就是负0.7伏。下面小开关管M1保证在非连续电流模式(DCM)下，可以对自举电路18’的电容充分充电。电路31’是欠压锁存模块(UVLO)，是用来比较VIN和2.5V电压，当VIN小于2.5V时，驱动器处于关机状态。电路32’是热关断模块(ThermalShutdown)，是当芯片温度高于160度时，热保护功能启动，驱动器进入关机状态。图1中的逻辑电路33’是为整个系统提供逻辑控制，例如，热保护功能，外部调频和调光功能都是通过这个逻辑模块来实现的。

图1中传统的降压型、电流模式、PWM控制的发光二极管驱动系统可提供快速的瞬间反应速度和较高的效率，回路的稳定性也容易得到保证。这种结构的最大优点是，当输入电压变化时，电流的变化率低于1％。

但是传统的电流模式控制的发光二极管驱动系统利用外部补偿来保证系统的稳定，这样会减少系统设计的灵活性，增加系统的成本。

发明内容

本发明提供一种发光二极管驱动系统，具有内部补偿，扩频调制，外部调频和调光功能。通过增加有限的线路和元器件，就可以降低系统成本，优化系统性能，提高发光二极管驱动系统的效率。

为了达到上述目的，本发明提供一种发光二极管驱动系统，包含电路连接的基准偏压模块、低压降稳压器、自举电路、功率开关管、电感、肖特基二极管、电流检测放大器、PWM比较器、误差放大器、斜坡补偿电路、逻辑电路、RS锁存器、系统振荡器、欠压锁存模块，和，热关断模块；

该发光二极管驱动系统设置如下管脚：输入电压管脚、接地管脚、反馈管脚、接外部电感的管脚、连接外部补偿电路的管脚、接地时，可使驱动器处于关机状态的管脚、自举电路管脚；

该发光二极管驱动系统还包含：

1、内部补偿模块，其电路连接所述的误差放大器和PWM比较器，该内部补偿模块包含第一补偿电容、第二补偿电容和补偿电阻，第一补偿电容与补偿电阻串联后，再与第二补偿电容并联；

第一补偿电容与补偿电阻会在驱动器系统的开环传递函数中产生一个零点，第二补偿电容会在该开环传递函数中产生一个高频极点，此高频极点可用来消除输出电容寄生电阻的影响；

利用该内部补偿模块，就可以去除外部补偿电路，这样会增加系统设计的灵活性，减少系统的成本；

该发光二极管驱动系统还包含：

2、扩频调制模块，其分别电路连接所述的误差放大器和斜坡补偿电路，还电路连接所述的RS锁存器；

发光二极管驱动系统的电磁噪声主要来自于直流电压之间开关切换过程和脉冲调制，脉冲调制通常有一个固定的频率和可变的占空比，结果，在电磁噪声的频谱中，主要就是发光二极管驱动系统的基频和谐波；

该扩频调制模块可对基频进行调制，并改变开关频率，经过扩频调制模块的调制后，在保持占空比不变的情况下，输出频谱的峰值大大低于传统具有固定开关频率的频谱峰值，原来每个谐波的能量，会在原来频率周围扩展成一个频段，这样频谱被扩展，频谱的峰值降低；

基本频率为f_o的正弦信号经过频率调制后的频谱，最大频率偏差为Δf_o，以f_m的频率被调制。经过频率调制后的频谱的峰值A_avg，大大小于原先未被调制的正弦信号的峰值A；

进行扩频调制，有两个参数用来描述调制信号的特性，调制指数m_f和调制率δ，定义如下：

m_f＝Δf_o÷f_m(1)

δ＝＝Δf_o÷f_o(2)

Δf_o是开关频率偏移的峰值(即最大频率偏差)，f_m是频率偏移的变化频率(也称调制频率)。m_f是调制指数，δ是调制率，显示在频谱中，某一频率的能量被扩展的程度；

基频的能量被扩展成一个能带B，定义如下：

B＝2·f_m·(1+m_f)＝2·(Δf_o+f_m)(3)

谐波被扩展的频宽B_h随着谐波次数h的增加而增加：

B_h＝2·f_m·(1+m_f·h)(4)

表达式(4)显示，随着谐波次数的增加，相邻谐波被扩展的频宽B_h，可能重叠，这样就会减低调制的效率；

随着调制指数m_f的增加，频谱峰值也随之减小，高调制指数对低次谐波的抑制有帮助，但是也可能引起高次谐波的重叠。

该发光二极管驱动系统增设如下管脚：

1、DIM管脚，其连接所述的逻辑电路，该DIM管脚由外部逻辑脉冲调制信号驱动；

当DIM管脚处在逻辑高电平(V_H)时，上端NMOS功率开关管打开，发光二极管驱动系统处在正常工作状态；当DIM管脚处在逻辑低电平(V_L)时，上端NMOS功率开关管关闭；当发光二极管驱动系统处在外部逻辑调光模式时，驱动系统的输出电流和外部逻辑脉冲调制信号的占空比成比例；

DIM管脚同时还具有模拟调光和热补偿功能；

当DIM管脚的电平V_DIM大于逻辑低电平V_L，而小于逻辑高电平V_H时，即，V_L＜V_DIM＜V_H时，发光二极管驱动系统进入模拟调光模式，随着V_DIM电压的减小，发光二极管驱动系统的输出电流连续减小；

当DIM管脚的电平V_DIM由外部包含热敏电阻的电阻分压器来决定时，发光二极管驱动系统就具有热补偿功能，电阻分压器是由正常电阻和热敏电阻串连而成，在正常温度下，电阻分压器在V_DIM上的分压值高于V_H，发光二极管驱动系统处在正常工作状态，当温度高于设定的T_th时，由于电阻分压器包含热敏电阻，在V_DIM上的分压值会低于V_H，这样发光二极管驱动系统的输出电流就会随着温度升高而降低；

2、REX管脚，其连接所述的逻辑电路，该REX管脚通过外接电阻改变发光二极管内部时钟的频率，当该管脚外接电阻时，可以提高开关频率。

当发光二极管的开关频率提高时，系统可以设计得体积更小，效率更高。对一个一定的电感值，较高的开关频率可以减少输出电压的纹波。对一定的输出电压纹波值，较高的开关频率可以减小电感的数值和体积，当然同时会增加发光二极管的开关损耗。当发光二极管的开关频率提高时，发光二极管驱动系统的带宽也随之提高，它的瞬间反应速度也会加快。

本发明具有以下优点：

1、利用内部补偿的方法来实现系统的稳定，节省了外部元器件；

2、扩频调制有效地减少了电磁噪声；

3、采用的调光功能提高了发光二极管驱动系统的效率；

4、具有热补偿的功能，提高了发光二极管驱动系统的可靠性；

5、外部调频可以从外部改变发光二极管驱动系统的内部振荡频率。

附图说明

图1是背景技术中传统的降压型，电流模式，PWM控制的发光二极管驱动系统的电路图；

图2是本发明提供的一种发光二极管驱动系统的电路图；

图3显示了基本频率为f_o的正弦信号经过扩频率调制后的频谱；

图4是进行扩频调制时，时域和频率波型示意图；

图5是进行逻辑调光功能时的输出电流波型示意图；

图6是发光二极管实际输出电流和最大输出电流的比例随温度变化的示意图。

具体实施方式

以下根据图2～图6，具体说明本发明的较佳实施方式：

如图2所示，是一种发光二极管驱动系统的电路图，该发光二极管驱动系统包含电路连接的基准偏压模块12、低压降稳压器16、自举电路18、功率开关管M₀和M_S、电感Rs、肖特基二极管D1、电流检测放大器20、PWM比较器30、误差放大器22、斜坡补偿电路28、逻辑电路33、RS锁存器29、系统振荡器26、欠压锁存模块31，和，热关断模块32；

该发光二极管驱动系统设置如下管脚：输入电压管脚VIN、接地管脚GND、反馈管脚FB、接外部电感的管脚SW、连接外部补偿电路的管脚COMP、接地时，可使驱动器处于关机状态的管脚EN、自举电路管脚BST；

该发光二极管驱动系统还包含：

1、内部补偿模块34，其电路连接所述的误差放大器22和PWM比较器30，该内部补偿模块34包含第一补偿电容C1_COMP、第二补偿电容C2_COMP和补偿电阻R_COMP，第一补偿电容C1_COMP与补偿电阻R_COMP串联后，再与第二补偿电容C2_COMP并联；

在驱动器系统的开环传递函数中，主极点是：1/R_O·C1_COMP(R_O是误差放大器的输出电阻)，次极点是：1/R_L·C_O(R_L是负载电阻，C_O是输出电容)，第一补偿电容C1_COMP与补偿电阻R_COMP会在该开环传递函数中产生一个零点：1/R_COMP·C1_COMP，第二补偿电容C2_COMP会在该开环传递函数中产生一个高频极点：1/R_COMP·C2_COMP，可用来消除输出电容寄生电阻的影响，此高频极点可用来消除输出电容寄生电阻的影响；

利用该内部补偿模块34，就可以去除外部补偿电路，这样会增加系统设计的灵活性，减少系统的成本；

该发光二极管驱动系统还包含：

2、扩频调制(SSFM)模块36，其分别电路连接所述的误差放大器22和斜坡补偿电路28，还电路连接所述的RS锁存器29；

发光二极管驱动系统的电磁噪声主要来自于直流电压之间开关切换过程和脉冲调制(PWM)，PWM通常有一个固定的频率和可变的占空比，结果，在电磁噪声的频谱中，主要就是发光二极管驱动系统的基频和谐波；

该扩频调制模块36可对基频进行调制，并改变开关频率，经过扩频调制模块36的调制后，在保持占空比不变的情况下，输出频谱的峰值大大低于传统具有固定开关频率的频谱峰值，原来每个谐波的能量，会在原来频率周围扩展成一个频段，这样频谱被扩展，频谱的峰值降低；

图3显示了基本频率为f_o的正弦信号经过频率调制后的频谱，最大频率偏差为Δf_o，以f_m的频率被调制。经过频率调制后的频谱的峰值A_avg，大大小于原先未被调制的正弦信号的峰值A；

图4是进行扩频调制时，时域和频率波型示意图，当开关频率被三角扩频调制时，系统时钟周期随之变化，开关频率增加，时钟周期随之减少，反之，时钟周期则增加；三角扩频调制是扩频调制的一种方式，调制频率随时间以三角波型变化，具有最大平坦响应曲线，可以最大地减少电磁噪声；

有两个参数用来描述调制信号的特性，调制指数m_f和调制率δ，定义如下：

m_f＝Δf_o÷f_m(1)

δ＝＝Δf_o÷f_o(2)

Δf_o是开关频率偏移的峰值(即最大频率偏差)，f_m是频率偏移的变化频率(也称调制频率)。m_f是调制指数，δ是调制率，显示在频谱中，某一频率的能量被扩展的程度；

基频的能量被扩展成一个能带B，定义如下：

B＝2·f_m·(1+m_f)＝2·(Δf_o+f_m)(3)

谐波被扩展的频宽B_h随着谐波次数h的增加而增加：

B_h＝2·f_m·(1+m_f·h)(4)

表达式(4)显示，随着谐波次数的增加，相邻谐波被扩展的频宽B_h，可能重叠，这样就会减低调制的效率；

随着调制指数m_f的增加，频谱峰值也随之减小，高调制指数对低次谐波的抑制有帮助，但是也可能引起高次谐波的重叠。三角扩频调制是SSFM的一种方式，调制频率随时间以三角波型变化，具有最大平坦响应曲线，可以最大地减少电磁噪声(EMI)；

在实际应用中，设计人员感兴趣的是在输出f₀的频谱幅度降低到多少，对输出频谱幅度降低影响最大的是调制指数m_f。随着调制指数m_f的增加，输出频谱幅度降低也越大。当调制指数m_f＜10时，随着调制指数m_f的增加，输出频谱幅度降低也最快。当调制指数m_f＞10以后，三角扩频调制对降低频谱幅度的效果最好。从实际应用的角度来说，由于受调制率δ的限制，调制指数m_f小于20。调制指数m_f的选择是权衡降低频谱幅度和开关频率偏差的结果。通常m_f可以取在10左右，δ小于0.1，这样，调制频率f_m也就确定。公式(1)和公式(2)给出了Δf_o、f_m、f_o、m_f和δ之间的关系，如果m_f、δ和f_o已知，Δf_o和f_m也就可以确定。

如图2所示，该发光二极管驱动系统增设如下管脚：

1、DIM管脚38，其连接所述的逻辑电路33，该DIM管脚38由外部逻辑脉冲调制(PWM)信号驱动；

当DIM管脚38处在逻辑高电平(V_H)时，上端NMOS功率开关管M0打开，发光二极管驱动系统处在正常工作状态；当DIM管脚38处在逻辑低电平(V_L)时，上端NMOS功率开关管M0关闭；如图5所示，是进行逻辑调光功能时的输出电流波型示意图，当发光二极管驱动系统处在外部逻辑调光模式时，驱动系统的输出电流和外部逻辑脉冲调制信号的占空比成比例；

DIM管脚38同时还具有模拟调光和热补偿功能；

当DIM管脚的电平V_DIM大于逻辑低电平V_L，而小于逻辑高电平V_H时，即，V_L＜V_DIM＜V_H时，发光二极管驱动系统进入模拟调光模式，随着V_DIM电压的减小，发光二极管驱动系统的输出电流连续减小；

当DIM管脚的电平V_DIM由外部包含热敏电阻的电阻分压器来决定时，发光二极管驱动系统就具有热补偿功能，电阻分压器是由正常电阻和热敏电阻串连而成，在正常温度下，电阻分压器在V_DIM上的分压值高于V_H，发光二极管驱动系统处在正常工作状态，当温度高于设定的T_th时，由于电阻分压器包含热敏电阻，在V_DIM上的分压值会低于V_H，这样发光二极管驱动系统的输出电流就会随着温度升高而降低，图6是发光二极管输出电流随温度变化的示意图；

2、REX管脚39，其连接所述的逻辑电路33，该REX管脚39通过外接电阻改变发光二极管内部时钟的频率；当该管脚外接电阻时，可以提高开关频率；

当发光二极管的开关频率提高时，系统可以设计得体积更小，效率更高。对一个一定的电感值，较高的开关频率可以减少输出电压的纹波。对一定的输出电压纹波值，较高的开关频率可以减小电感的数值和体积，当然同时会增加发光二极管的开关损耗。当发光二极管的开关频率提高时，发光二极管驱动系统的带宽也随之提高，它的瞬间反应速度也会加快。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种发光二极管驱动系统，该发光二极管驱动系统包含电路连接的基准偏压模块(12)、低压降稳压器(16)、自举电路(18)、功率开关管(M₀)和(M_S)、电感(Rs)、肖特基二极管(D1)、电流检测放大器(20)、PWM比较器(30)、误差放大器(22)、斜坡补偿电路(28)、逻辑电路(33)、RS锁存器(29)、系统振荡器(26)、欠压锁存模块(31)，和，热关断模块(32)；

该发光二极管驱动系统设置如下管脚：输入电压管脚(VIN)、接地管脚(GND)、反馈管脚(FB)、接外部电感的管脚(SW)、连接外部补偿电路的管脚(COMP)、接地时，可使驱动器处于关机状态的管脚(EN)、自举电路管脚(BST)；

其特征在于，该发光二极管驱动系统还包含：

内部补偿模块(34)，其电路连接所述的误差放大器(22)和PWM比较器(30)；

扩频调制模块(36)，其分别电路连接所述的误差放大器(22)和斜坡补偿电路(28)，还电路连接所述的RS锁存器(29)；

该发光二极管驱动系统增设如下管脚：

DIM管脚(38)，其连接所述的逻辑电路(33)，该DIM管脚(38)由外部逻辑脉冲调制信号驱动；

REX管脚(39)，其连接所述的逻辑电路(33)，该REX管脚(39)通过外接电阻改变发光二极管内部时钟的频率。

2.如权利要求1所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，所述的内部补偿模块(34)包含第一补偿电容(C1_COMP)、第二补偿电容(C2_COMP)和补偿电阻(R_COMP)，第一补偿电容(C1_COMP)与补偿电阻(R_COMP)串联后，再与第二补偿电容(C2_COMP)并联。

3.如权利要求2所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，所述的第一补偿电容(C1_COMP)与补偿电阻(R_COMP)在该发光二极管驱动系统的开环传递函数中产生一个零点：1/R_COMP·C1_COMP，第二补偿电容(C2_COMP)在该发光二极管驱动系统的开环传递函数中产生一个高频极点：1/R_COMP·C2_COMP。

4.如权利要求1所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，所述的扩频调制模块(36)对基频进行调制，并改变开关频率；

m_f＝Δf_o÷f_m    (1)

δ＝＝Δf_o÷f_o   (2)

Δf_o是开关频率偏移的峰值，即最大频率偏差，f_m是频率偏移的变化频率，也称调制频率，m_f是调制指数，δ是调制率，显示在频谱中，某一频率的能量被扩展的程度；

基频的能量被扩展成一个能带B，定义如下：

B＝2·f_m·(1+m_f)＝2·(Δf_o+f_m)      (3)

谐波被扩展的频宽B_h随着谐波次数h的增加而增加：

B_h＝2·f_m·(1+m_f·h)                (4)

5.如权利要求4所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，随着调制指数mf的增加，输出频谱幅度降低也越大；

当调制指数m_f＜10时，随着调制指数m_f的增加，输出频谱幅度降低也最快；

当调制指数m_f＞10以后，三角扩频调制对降低频谱幅度的效果最好。

6.如权利要求5所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，所述的调制指数mf小于20。

7.如权利要求6所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，所述的调制指数m_f取10，δ小于0.1。

8.如权利要求1所述的发光二极管驱动系统，其特征在于，

当DIM管脚(38)处在逻辑高电平V_H时，上端NMOS功率开关管(M0)打开，发光二极管驱动系统处在正常工作状态；

当DIM管脚(38)处在逻辑低电平V_L时，上端NMOS功率开关管(M0)关闭；

当DIM管脚(38)的电平V_DIM大于逻辑低电平V_L，而小于逻辑高电平V_H时，即，V_L＜V_DIM＜V_H时，发光二极管驱动系统进入模拟调光模式，随着V_DIM电压的减小，发光二极管驱动系统的输出电流连续减小；

当DIM管脚(38)的电平V_DIM由外部包含热敏电阻的电阻分压器来决定时，发光二极管驱动系统就具有热补偿功能，电阻分压器是由正常电阻和热敏电阻串连而成，在正常温度下，电阻分压器在V_DIM上的分压值高于V_H，发光二极管驱动系统处在正常工作状态，当温度高于设定的T_th时，由于电阻分压器包含热敏电阻，在V_DIM上的分压值会低于V_H，这样发光二极管驱动系统的输出电流就会随着温度升高而降低。

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