專利名稱：具有采樣和保持反饋控制的電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電子電路，更具體地涉及用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的方法和電路。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體元件用在移動電話、便攜式計算機(jī)、計算器、照相機(jī)、個人數(shù)字助理(PDA)、 視頻游戲控制器等便攜式應(yīng)用中，以及大型計算機(jī)、測試設(shè)備、汽車、通信、制造等非便攜式 應(yīng)用中。在其中的一些應(yīng)用中，可能期望半導(dǎo)體元件來驅(qū)動電流敏感型負(fù)載或器件，例如發(fā) 光二極管(LED)。LED被稱為電流敏感器件，因為LED的亮度由流經(jīng)LED的電流量來控制。 驅(qū)動LED的常用技術(shù)涉及利用脈寬調(diào)制(PWM)信號。圖1示出了通過PWM信號驅(qū)動LED負(fù) 載的示例。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中用于驅(qū)動LED串22的驅(qū)動器電路10的電路原理圖。驅(qū) 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(fù)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(guān)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(guān)20的另一端連接至電流源M。開關(guān)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(guān)20，其中閉合開關(guān)20會開啟或點亮LED串22， 打開開關(guān)20會使LED串22變暗。當(dāng)開關(guān)20閉合時，驅(qū)動器電路10以閉環(huán)結(jié)構(gòu)工作；當(dāng) 開關(guān)20打開時，驅(qū)動器電路10以開環(huán)結(jié)構(gòu)工作。在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，電流源/吸收器M吸收 恒流，LED串20產(chǎn)生光信號。為了吸收恒流，應(yīng)當(dāng)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(jìn)行比較來實現(xiàn)。響應(yīng)于這些輸入信號，運算放大器14產(chǎn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)LED串22的陽極端的電 壓會進(jìn)而將其陰極端的電壓調(diào)節(jié)至目標(biāo)值。然而，將PWM信號作為控制信號會導(dǎo)致LED串 22的正向電壓在其標(biāo)稱的“導(dǎo)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(guān)20來使LED串22變暗。在變暗期間，S卩，當(dāng)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(tǒng)反饋誤 差信號。當(dāng)PWM信號再次開啟，或者變?yōu)榧せ顣r，開關(guān)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(fù)載功率。圖2示出了在開關(guān)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(dāng)PWM信號變?yōu)榧せ顣rLED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(wěn)態(tài)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(diào)節(jié)失敗，PWM調(diào)光變?yōu)榉蔷€性調(diào)光。圖3示 出了能夠獲得的能量與PWM信號的間隔之間的關(guān)系曲線35。在圖3中，參考標(biāo)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(biāo)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(tǒng)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(tǒng)性能。雖然響應(yīng)較快的DC/DC變換器可以有助于提高系統(tǒng)性 能，但是其增加了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和方法，其能夠在具有由開關(guān)調(diào)整器驅(qū)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(fù)載的系統(tǒng)中使用PWM。該結(jié)構(gòu)和方法的 進(jìn)一步優(yōu)點是實現(xiàn)成本低。


通過結(jié)合附圖對以下的詳細(xì)描述進(jìn)行閱讀能夠更好地理解本發(fā)明，附圖中相同的 參考標(biāo)號表示相同的元件，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中適于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的電路原理圖；圖2是圖1的驅(qū)動器電路的峰值輸出響應(yīng)的曲線；圖3是圖2的驅(qū)動器電路的能夠獲得的能量相對時間的曲線；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的原 理圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的 原理圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的 原理圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的 原理圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載的驅(qū)動器電路的 原理圖。
具體實施例方式總體來說，本發(fā)明提供了一種具有采樣和保持反饋控制機(jī)制的電路以及用于操作 該電路的方法。根據(jù)本發(fā)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(jìn)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(guān)調(diào)整 器要使用的反饋信號。根據(jù)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(xù)調(diào)節(jié)LED串的陽極端 的電壓。本發(fā)明的實施方式的一個優(yōu)點在于通過使用例如電容分壓網(wǎng)絡(luò)，可以在PWM非激 活階段期間，利用加權(quán)因子來調(diào)節(jié)LED串的陽極端的電壓。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的整體集成的驅(qū)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(guān)調(diào)整器(switching regulator) 112耦接至 電流敏感型負(fù)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(guān)調(diào)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(guān)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(qū)動 器電路100的整體集成的一部分。另外，開關(guān)104的第二端共用地連接至開關(guān)106的一端 和電流敏感型負(fù)載116的一端，從而形成節(jié)點117。開關(guān)106的另一端耦接至電流源/吸 收器108。開關(guān)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(yōu)選地，延遲元件118是下降沿觸發(fā)的延遲元件，其在PWM脈沖的下降沿開 始時進(jìn)行延遲，即拉長PWM信號的脈沖寬度。開關(guān)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(yīng)當(dāng)注意，延遲 元件118和電容器120是可以省略的可選特征。開關(guān)調(diào)整器112的輸出端連接至負(fù)載116 的一端，并且將驅(qū)動信號傳輸給負(fù)載116。例如，驅(qū)動器電路100用于驅(qū)動諸如發(fā)光二極管 (LED)、一串或者多個串聯(lián)連接的LED之類的電流敏感型負(fù)載。例如，電流敏感型負(fù)載116 由以串聯(lián)結(jié)構(gòu)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(guān)調(diào)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(guān)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(fù)載116的端子。LED 1221； ... , 12 還被稱為LED串。參考標(biāo)號122后的下標(biāo)“η”是整 數(shù)，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當(dāng)LED個數(shù)多于一個時，串聯(lián)連 接LED。如上所述，電流敏感型負(fù)載116可以由單個LED (例如LED 122》組成，其陽極連接 至開關(guān)調(diào)整器112的輸出端，其陰極共用地連接至開關(guān)104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉(zhuǎn)變到邏輯高電壓電平，邏輯高電壓電 平將開關(guān)104和106閉合，從而將驅(qū)動器電路100的反饋回路閉合。當(dāng)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(guān)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(guān)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(jīng)LED 1221； ... , 122η 響應(yīng)于電 流Iumi和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED 12 ，...，12 發(fā)光。在開關(guān)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(jié)點117)的電壓電 平。換句話說，在開關(guān)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(shè)置延遲時 間的電壓電平。在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，電流源/吸收器108吸收電流I·，LED 1221； ... , 12 產(chǎn) 生光信號。為了吸收電流Imad，應(yīng)當(dāng)給節(jié)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(jìn)行比較來實現(xiàn)。運算放 大器102產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號施加給開關(guān)調(diào)整器112，以改變(S卩，增大或減小)其輸 出電壓，從而調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓。調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓進(jìn)而將LED 12 的陰 極電壓調(diào)節(jié)至其目標(biāo)值，即，調(diào)節(jié)LED串1221; ... , 122n的陽極端上的電壓將會調(diào)節(jié)LED串 12 ，...，12 的陰極端上的電壓。
當(dāng)PWM脈沖處于邏輯低電壓電平時，開關(guān)104和106打開。脈沖的這部分可以稱 為第二部分。開關(guān)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(chǎn)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(chǎn)生誤差信號。該誤差信號表示當(dāng)開關(guān)104和106 閉合時在LED 12 的陰極(S卩，節(jié)點117)上出現(xiàn)的電壓。響應(yīng)于該誤差信號，開關(guān)調(diào)整器 112在其輸出端產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓施加給負(fù)載116，即LED 122^...,122^開關(guān)調(diào) 整器112的輸出電壓被稱為驅(qū)動信號或驅(qū)動電壓，用來產(chǎn)生節(jié)點117處的電壓。節(jié)點117 處的電壓是開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓和負(fù)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(tài)。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(fā)送到開關(guān)調(diào)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(xiàn)?？梢赃x擇延遲電容器120的電容值來調(diào)節(jié)打開開關(guān)104和106之后保 持反饋控制回路的時間量，以適應(yīng)開關(guān)調(diào)整器112的響應(yīng)時間延遲。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的驅(qū)動負(fù)載116A的整體集成的驅(qū)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(guān)調(diào)整器112耦接至電流 敏感型負(fù)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(guān)調(diào)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(guān)104的一端以及采樣和保持電容器IM的 一端。應(yīng)當(dāng)注意，電容器巧4可以是分立的電容器，也可以是驅(qū)動器電路150的整體集成部 分。開關(guān)104的第二端連接至選擇器電路156的輸出端。優(yōu)選地，出現(xiàn)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(qū)動器電路150包括開關(guān)ISS1USS2.....158x，其中開關(guān)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(guān)104、15 .....158x的控制端和運算放大器102的使能輸入端。開關(guān)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(diào)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(guān)158!的一端，從而形成節(jié)點開關(guān)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(guān)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(guān)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(diào)制信號的一部分的脈沖信號。開關(guān)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(guān)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(diào)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(guān)1582的一端，從而形成節(jié)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(guān)158x的一端，從而形成節(jié)點161x。以下 還會進(jìn)一步描述 LED 串 122η、· · ·、122nl，12212, · · ·、122n2 和 122lx, · · ·、122m。開關(guān) 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(guān)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(guān)調(diào)整器112的輸出端和LED 122nA2212.....122lx的陽極。圖5所示的驅(qū)動器電路150驅(qū)動電流敏感型負(fù)載116A，電流敏感型負(fù)載116A由多個串聯(lián)連接的LED 122n.....122η1、多個串聯(lián)連接的LED 12212.....12 和多個串聯(lián)連接的LED 1221x.....122m組成。每組串聯(lián)連接的LED可以被稱作LED串。LED 122n的陽極連接至開關(guān)調(diào)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(jié)點Iei1處的輸入端166和開關(guān)ISS1的一端；LED 12212的陽極連接至開關(guān)調(diào) 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(jié) 點1612處的輸入端168和開關(guān)15 的一端；以及LED 122lx的陽極連接至開關(guān)調(diào)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(jié)點161x處 的輸入端170和開關(guān)158x的一端。連接在一起并且連接至開關(guān)調(diào)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(fù)載116A)的陽極端。參考標(biāo)號122后的下標(biāo)“η”是整數(shù)，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當(dāng)LED數(shù)量多于一個時，串聯(lián)連接LED。參考標(biāo) 號122后的下標(biāo)“X”是整數(shù)，其表示可以存在一個或多個LED串。應(yīng)當(dāng)注意，每個LED串可以由單個LED構(gòu)成，例如LED 122n、12212.....122lx，每個LED的陽極均連接至開關(guān)調(diào)整器112的輸出端，每個LED的陰極共用地連接至開關(guān)104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺唠妷弘娖?，邏輯高電壓?平將開關(guān)104,158^15 和158x閉合，從而將驅(qū)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(fù)載電流Iumi流經(jīng)LED 122n.....12 ，恒定的負(fù)載電流Iuwd2流經(jīng)LED12212.....122n2，以及恒定的負(fù)載電流Iumix流經(jīng)LED 122lx.....122nx。負(fù)載電流 Iloadi、ILOAD2、· · ·、ILOADX 的總和被稱為總負(fù)載電幺丨1 Iloadto響應(yīng)于負(fù)載電流Iumi和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED122n.....122nl發(fā)光，并在輸入端166( S卩，節(jié)點Iei1)上出現(xiàn)電壓Vci ；響應(yīng)于負(fù)載電流1_2和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED 12212.....12 發(fā)光，并在輸入端168 ( S卩，節(jié)點1612)上出現(xiàn)電壓Vc2 ；以及響應(yīng)于負(fù)載電流Iumix和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED 122lx.....122m發(fā)光，并在輸入端170( S卩，節(jié)點161x)上出現(xiàn)電壓V&。當(dāng)開關(guān)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(yīng)當(dāng)分別在電流源/吸收器17&、1722.....17 兩端，S卩，給節(jié)點161ρ1612.....161x傳輸足夠的電壓。出現(xiàn)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(yīng)于反相輸入端上的電壓和參考電壓 Vkef，運算放大器102產(chǎn)生誤差電流，該誤差電流被施加給開關(guān)調(diào)整器112，以改變(即，增 大或減小)其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)LED122n、12212、...、122lx的陽極電壓。調(diào)節(jié)LED 122n、 12212.....122lx的陽極電壓進(jìn)而會將它們各自的陰極電壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。當(dāng)PWM信號的脈沖處于邏輯低電壓電平時，開關(guān)104U58P1582.....158x打開。8脈沖的這部分可以稱為第二部分。當(dāng)開關(guān)104,158^15 .....158,打開時，存儲在電容器巧4中的能量被用來產(chǎn)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(chǎn)生誤差信號。該誤差信號表示當(dāng)開關(guān)104,158^15 .....158x閉合時出現(xiàn)在電壓選擇器156的輸出端上的電壓。響應(yīng)于該誤差信號，開關(guān)調(diào)整器112在其輸出端上產(chǎn)生輸出電壓，該輸出電壓被施加給負(fù) 載 116A，即，LED 122n、. . . U22nl, 12212,. . .、122 2和 12&x、. . .、122nx。開關(guān)調(diào)整器 112 的 輸出電壓被稱為驅(qū)動信號或驅(qū)動電壓，用來產(chǎn)生節(jié)點161ρ1612、. . . 161x的電壓。節(jié)點Iei1處的電壓是開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓和LED 122n.....122nl兩端的電壓之間的差；節(jié)點1612處的電壓是開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓和LED 12212.....122n2兩端的電壓之間的差；以及節(jié)點的電壓是開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓和LED 122lx.....122m兩端的電壓之間的差。節(jié)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(tài)。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的整體集成的驅(qū)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(guān)調(diào)整器112耦接至電流敏感型負(fù)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(guān)調(diào)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(guān)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(guān)調(diào)整器112的輸出端和負(fù)載116的一端。應(yīng)當(dāng)注意，電容器110和204可 以是分立的電容器，也可以是驅(qū)動器電路200的整體集成部分。另外，開關(guān)104的第二端共 用地連接至開關(guān)106的一端和電流敏感型負(fù)載116的一端。開關(guān)106的另一端耦接至電流 源/吸收器108。開關(guān)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(yōu)選地，工作電位源Vss為地 電位。如上所述，開關(guān)調(diào)整器112的輸出端連接至負(fù)載116的一端。例如，驅(qū)動器電 路200用于驅(qū)動電流敏感型負(fù)載，諸如發(fā)光二極管(LED)、一串或多個串聯(lián)連接的LED、多 個以并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接的LED串等等。電流敏感型負(fù)載116可以有多個以串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接的LED122i.....12 組成。更具體地講，LED 12 的陽極連接至開關(guān)調(diào)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(guān)104和106的共 用連接端，從而形成節(jié)點117。因此，LED 12 的陽極和LED 12 的陰極用作電流敏感型負(fù)載116的端子。LED 122!.....12 也被稱為LED串。參考標(biāo)號122后的下標(biāo)“η”是整數(shù)，其表示LED串可以由一個、兩個、三個等LED組成，其中當(dāng)LED個數(shù)多于兩個時，串聯(lián)連接這 些LED。如上所述，電流敏感型負(fù)載116可以由單個LED組成，例如LED 12 ，其陽極連接 至開關(guān)調(diào)整器112的輸出端，其陰極共用地連接至開關(guān)104和106。工作時，PWM脈沖或信號從邏輯低電壓電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺唠妷弘娖剑壿嫺唠妷弘?平將開關(guān)104和106閉合，從而將驅(qū)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(guān)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(guān)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(jīng)LED^1.....122η 響應(yīng)于電流Ium和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED 122!.....12 發(fā)光。當(dāng)開關(guān)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(jié)點117處的電壓電平。在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，電流源/吸收器108吸收恒流，LED叫.....12 產(chǎn)生光信號。為了吸收恒流，應(yīng)當(dāng)向節(jié)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(jìn)行比較來實現(xiàn)。運算放大器202產(chǎn)生誤 差電流，該誤差電流被施加給開關(guān)調(diào)整器112，以改變(即，增大或減小)其輸出電壓，從而 調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓。調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓進(jìn)而會將LED 12 的陰極電壓調(diào)節(jié)為其目標(biāo)值，即調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓就會調(diào)節(jié)LED串12 .....12 的陽極端的電壓，這進(jìn)而會調(diào)節(jié)LED串12 的陰極端的電壓。更具體地講，節(jié)點117處的電壓可以通過從開關(guān)調(diào)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(guān)調(diào)整器112輸出端上的電壓也被稱為驅(qū)動電壓。當(dāng)PWM信號處于邏輯低電壓電平時，開關(guān)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(guān)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(dāng)開關(guān)104和106閉合時出現(xiàn)在LED 12 的陰極(即，節(jié)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(tài)。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(yōu)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(wǎng)絡(luò)，使得當(dāng)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(xiàn)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(quán)因子。圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的連接至電流敏感型負(fù)載116A的整體集成 的驅(qū)動器電路250的電路原理圖。驅(qū)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(guān) 158” 15 、- · ·、158x、電流源 172^172^. · ·、172n、以及 LED 串 122n、. . .、122nl，12212、. . .、122 2和 12&x、. . .、122nx，已經(jīng)參照圖 5 對這些元件進(jìn)行了描述。 驅(qū)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(guān)104，一端連接至開關(guān)調(diào)整器112的輸出端。電容器IM和110用作電容分壓網(wǎng)絡(luò)，從而使得當(dāng)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(xiàn)會降低2倍，除此之外，驅(qū)動LED串的驅(qū)動 器250的操作類似于驅(qū)動器150的操作。應(yīng)當(dāng)注意，負(fù)載116A可以由彼此并聯(lián)的兩個或多 個 LED122lx、. . .、122m 組成。圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的整體集成的驅(qū)動器電路300的電路原理 圖。除了驅(qū)動器電路300不包括采樣和保持電容器110之外，驅(qū)動器電路300與圖6所示 的驅(qū)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(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺唠妷弘娖?，邏輯高電壓?平將開關(guān)104和106閉合，從而將驅(qū)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(guān)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(guān)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(jīng)LED 12 .....122η 響應(yīng)于電流Iload和來自開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓，LED122!.....122n發(fā)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(guān)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(huán)結(jié)構(gòu)中，電流源/吸收器108吸收恒流，LED 12 .....12 產(chǎn)生光信號。為了吸收電流I·，應(yīng)當(dāng)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(xiàn)在運算放大器202的反相輸入端上的LED122n 的陰極電壓來實現(xiàn)。參考電壓Vkef在運算放大器202的同相輸入端上。響應(yīng)于輸入信號， 運算放大器202產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號被施加給開關(guān)調(diào)整器112，來改變(即，增大或 減小)其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)LED 122i的陽極電壓。開關(guān)調(diào)整器112的輸出電壓也被稱為 驅(qū)動信號。調(diào)節(jié)LED 12 的陽極電壓進(jìn)而可以調(diào)節(jié)LED 12 的陰極電壓，因此可以將節(jié)點 117處的電壓調(diào)節(jié)為期望值，其中節(jié)點117處的電壓通過從驅(qū)動信號(即，開關(guān)調(diào)整器112 的輸出端上的電壓)中減去出現(xiàn)在LED 122!.....12 兩端上的電壓來確定。當(dāng)PWM脈沖或信號處于邏輯低電壓電平時，開關(guān)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(guān)104和106打開，則電容器204提供誤差信號，該誤差信 號表示當(dāng)開關(guān)104和106閉合時出現(xiàn)在LED 12 的陰極或節(jié)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(tài)。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(tài)和邏輯低電平狀態(tài))都是時間上連續(xù)的。根據(jù)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(guān)調(diào)整器112能夠補充 PWM脈沖期間耗散的能量，并且在不產(chǎn)生調(diào)節(jié)損失的情況下保持穩(wěn)態(tài)條件。目前為止，應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)提供了具有采樣和保持反饋控制機(jī)制的電路和用于操 作該電路的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，采樣和保持反饋控制機(jī)制增強(qiáng)了驅(qū)動電流 敏感型負(fù)載(例如，利用恒流的LED串)的開關(guān)調(diào)整器的PWM調(diào)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(guān)調(diào)整器能夠做出響應(yīng)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(yīng)用的PWM調(diào)光的穩(wěn)定工作條件。 在相關(guān)的PWM激活脈沖的時間間隔之外的時間出現(xiàn)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(nèi)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(guān)調(diào)整器的反饋誤差信號的時間，從而 允許開關(guān)調(diào)整器補充PWM脈沖期間耗散的能量。這保證了適應(yīng)期望的PWM定時間隔的穩(wěn)態(tài) 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(yīng)開 關(guān)調(diào)整器的響應(yīng)時間延遲。本發(fā)明實施方式的一個優(yōu)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(guān)調(diào)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(yīng)，也能對PWM脈沖的非激活階段做出響應(yīng)。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(xiàn)，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(jié)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(xiàn)被降低了 2倍。因此，用戶可控的加權(quán)因子可以引 入反饋誤差信號中。另一個優(yōu)點在于可以使用這些實施方式來補償諸如與在開關(guān)調(diào)整器輸出端上出 現(xiàn)的大容量電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)相關(guān)的系統(tǒng)寄生電壓損失之類的二階效應(yīng)。雖然在此公開了特定的實施方式，但并不是要將本發(fā)明局限于所公開的實施方 式。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)意識到在不脫離本發(fā)明的思想的情況下可以進(jìn)行變型和變化。 本發(fā)明包含所有落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的這些變型和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于保持電路的工作狀態(tài)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(chǎn)生誤差信號；利用所述誤差信號來產(chǎn)生驅(qū)動信號；以及根據(jù)所述驅(qū)動信號來產(chǎn)生第一節(jié)點(117，161x)處的第一電壓。
2.如權(quán)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(guān)(104)和第二開關(guān)(106)，其中閉合第一開關(guān) (104)使得第一節(jié)點(117，161x)電耦接到第一能量存儲元件(110)；以及利用第一節(jié)點(117，161x)處的第一電壓對第一能量存儲元件(110)進(jìn)行充電。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中對第一能量存儲元件(110)進(jìn)行充電的步驟包括從 所述驅(qū)動信號中減去電流敏感型負(fù)載(116A)兩端的電壓以產(chǎn)生第一節(jié)點(117，161x)處的 第一電壓，還包括利用第一節(jié)點(117，161x)處的第一電壓來對第二能量存儲元件(154)進(jìn) 行充電。
4.如權(quán)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(jìn)行延遲的步驟。
5.如權(quán)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(guān)(104)和第二開關(guān)(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(xiàn)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(chǎn)生驅(qū)動信 號的步驟包括將所述誤差信號輸入到輸出驅(qū)動信號的開關(guān)調(diào)整器(112)，還包括利用第一 節(jié)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(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)驅(qū)動信號產(chǎn)生第一節(jié)點(117，161x)處的電壓的 步驟包括產(chǎn)生第二節(jié)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(guān)(104)和第二開關(guān)(106)，其中閉合第一開關(guān) (104)和第二開關(guān)(106)的步驟產(chǎn)生了分別流經(jīng)第一節(jié)點(117，161x)和第二節(jié)點(161x)的 第一電流和第二電流；將第一節(jié)點或第二節(jié)點耦接至第一能量存儲元件(110)，其中在第二節(jié)點上出現(xiàn)第二 電壓；以及通過從驅(qū)動信號中減去電流敏感型負(fù)載(116A)的第一部分兩端的電壓來產(chǎn)生第一電 壓，從驅(qū)動信號中減去電流敏感型負(fù)載(116A)的第二部分兩端的電壓來產(chǎn)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(jìn)行充電。
7.一種驅(qū)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(guān)(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(guān)(106，158)，具有控制端、第一端和第二端，第二開關(guān)的控制端耦接至第一開關(guān)(104)的控制端，用于接收控制信號，以及第二開關(guān)(106,158》的第一端耦接至第一開 關(guān)(104)的第二端；第一電流源(108，172》，具有第一導(dǎo)電端和第二導(dǎo)電端，第一導(dǎo)電端耦接至第二開關(guān) (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(quán)利要求7所述的驅(qū)動器電路(100，150，200，250)，還包括開關(guān)調(diào)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(guān)調(diào)整器(112)的輸出端。
9.如權(quán)利要求7所述的驅(qū)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(qū)動器電路還包括脈寬調(diào)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(guān)(104)的控制端和第二開關(guān)(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(diào)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(quán)利要求7所述的驅(qū)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(guān)(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(guān)(158x)，具有控制端、第一端和第二端，第三開關(guān)(158x)的控制端耦接至第一 開關(guān)(106)的控制端和第二開關(guān)(158》的控制端，用于接收控制信號，第三開關(guān)(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(dǎo)電端和第二導(dǎo)電端，該第一導(dǎo)電端耦接至第三開關(guān) (158x)的第二端。
全文摘要
本發(fā)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(qū)動器電路以及用于保持驅(qū)動器電路的工作狀態(tài)的方法。所述驅(qū)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(guān)連接至電流敏感型負(fù)載的一端。所述運算放大器的輸出端連接至開關(guān)調(diào)整器，所述開關(guān)調(diào)整器的輸出端連接至電流敏感型負(fù)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(chǎn)生誤差信號。根據(jù)該誤差信號產(chǎn)生驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號在PWM脈沖的第二部分期間被用來產(chǎn)生對電流源進(jìn)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(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者A·G·拉塞爾, C·B·巴塞洛繆斯 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司