CN101155446A - 基于发光二极管的发光系统及发光二极管驱动电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于发光二极管的发光系统及发光二极管驱动电路和方法。驱动电路包括开关，脉宽调制信号产生器和与脉宽调制信号产生器耦接的调节器。根据脉宽调制信号产生器产生的脉宽调制信号的占空比控制开关的导通和截止的时间，以调节提供给发光二极管的电流。调节器的一个输入端接收外部输入信号，并根据该外部输入信号输出一个控制信号至所述脉宽调制信号产生器，调整其产生的脉宽调制信号的占空比，使发光二极管的电流可以根据外部输入信号而增加或减小，从而实现对发光二极管亮度的自由调整。

Description

基于发光二极管的发光系统及发光二极管驱动电路和方法

技术领域

本发明涉及一种发光系统及驱动电路和驱动方法，特别是涉及一种基于发光二极管的发光系统及发光二极管驱动电路和方法。

背景技术

由于发光二极管(LED)功耗低、寿命长、结构紧凑等众多优点，因此被广泛应用于个人数字助理(PDA)、便携式电话(Mobile Phone)等装置的液晶显示屏(LCD)中作为背景光源。LED由一DC/DC转换器驱动，通过控制开关的导通和截止，将电源提供的输入电压转换为LED所需的输出电压。通常，使用脉冲宽度调制(PWM)技术调节LED的电流，以控制LED电流的变化。其中LED的电流通过反馈回路中的一个PWM控制信号来调制。

美国专利公告第6,844,760号公开了一种LED的驱动电路。当控制信号为高电平时，与LED串联连接的晶体管导通，电源输出的驱动电流提供给LED。一个表示LED电流的反馈信号输入到误差放大器的反相输入端，误差放大器的正相输入端接收一个预先设定的参考值。误差放大器根据该反馈信号和预先设定的参考值，输出相应的误差信号给比较器。比较器根据该误差信号，输出具有相应占空比的PWM信号，以调节LED的电流。

然而，在实际应用中，需要根据外部环境光的亮度自由调整LED的亮度。例如，便携式电话在使用过程中，当外部环境光较暗时，需要增加LED的亮度，而外部环境光较亮时，可以减小LED的亮度，从而使用户可以清晰地看到液晶显示屏上显示的内容。在前所述的现有技术并不能实现LED亮度的自由调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种发光二极管的驱动电路，其可以根据外部输入信号自由调整发光二极管的亮度。

本发明另一个要解决的技术问题在于提供一种基于发光二极管的发光系统，其发光亮度可以自由调整。

本发明再一个要解决的技术问题在于提供一种可以根据外部输入信号自由调整发光二极管亮度的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管的驱动电路，其包括开关、脉宽调制信号产生器和与脉宽调制信号产生器耦接的调节器。根据脉宽调制信号产生器产生的脉宽调制信号的占空比控制开关的导通和截止的时间，以调节提供给发光二极管的电流。调节器包括至少一个输入端，其接收一个外部输入信号，并根据该外部输入信号输出一个控制信号至所述脉宽调制信号产生器，调整其产生的脉宽调制信号的占空比。

作为上述方案的改进，驱动电路还包括振荡器，其产生的振荡信号提供给调节器。调节器输出的控制信号是基于振荡信号的频率对外部输入信号进行计数而输出的占空比的值。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种发光二极管的驱动方法，驱动发光二极管的方法包括以下步骤：脉宽调制信号产生器产生脉宽调制信号，根据其占空比调节提供给发光二极管的电流；调节器接收一个外部输入信号；根据外部输入信号，调节器设置新的占空比值；将新的占空比值发送至脉宽调制信号产生器；脉宽调制信号产生器根据新的占空比值产生新的脉宽调制信号；及新的脉宽调制信号驱动发光二极管。

作为上述方案的改进，发光二极管的驱动方法还包括产生振荡信号给调节器的步骤。调节器基于振荡信号的频率对外部输入信号进行计数，产生所述新的占空比值。

本发明还提供一种基于发光二极管的发光系统，其包括相互串联的若干个发光二极管、给发光二极管提供电能的储能元件和驱动所述若干个发光二极管的驱动电路。驱动电路包括开关和脉宽调制信号产生器。脉宽调制信号产生器产生的脉宽调制信号的占空比控制开关的导通和截止，以调节储能元件提供给所述发光二极管的电流。驱动电路还包括一个与脉宽调制信号产生器耦接的调节器。调节器包括一个输入端，其接收一个外部输入信号，并根据该外部输入信号输出一个控制信号至所述脉宽调制信号产生器，调整其产生的脉宽调制信号的占空比。

与现有技术相比，本发明采用调节器接收外部输入信号，并根据该外部输入信号调整脉宽调制信号产生器输出的脉宽调制信号的占空比，使发光二极管的电流可以根据外部输入信号而增加或减小，从而实现对发光二极管亮度的自由调整。此外，本发明调节器输出的占空比的值是基于振荡信号的频率对外部输入信号进行计数而产生的，并提供给脉宽调制信号产生器。因此，脉宽调制信号的占空比呈线性变化，相应地，发光二极管的亮度被线性调节，不会出现亮度跳变，调光效果好。

附图说明

本发明的其它特性和优点将在以下详细描述并结合图示的说明中更为明显，其中相同数字表示相同元件，并且其中：

图1是包括本发明发光二极管驱动电路的发光系统的方框图。

图2是本发明发光二极管驱动电路对发光二极管进行亮度调节的流程图。

图3是图1驱动电路中不同信号波形的时序图。

具体实施方式

图1是包括本发明发光二极管驱动电路100的发光系统10的电路框图。该发光系统10包括驱动电路100、储能元件102和相互串联连接的若干个发光二极管(LED)104。在本实施例中，储能元件102是电感。

本发明的发光二极管驱动电路100包括脉宽调制信号(PWM)产生器110、振荡器120、比较器130、驱动器140、用于调节发光二极管104亮度的调节器150和开关160。比较器130的正相输入端接收一个参考信号，例如表示LED期望亮度的电压参考信号VREF，其反相输入端接收一个由反馈电阻105检测的与实际流过LED的电流成正比的电压反馈信号VFB，其中反馈电阻105与发光二极管104串联连接。所述电压参考信号VREF可以是由一个参考信号产生器170对电源VIN的电压进行转换而产生的。在电源VIN处可以加入滤波元件，如电容108，以消除电源VIN电压的抖动。参考信号产生器170接收一个可以控制驱动电路100工作与否的使能信号EN。当使能信号EN为高电平时，参考信号产生器170对电源电压进行转换而输出电压参考信号VREF，驱动电路100正常工作。当使能信号EN为低电平时，参考信号产生器170的输出为零，阻止脉宽调制信号产生器110产生PWM信号，使驱动电路100处于非工作状态，从而关断整个电路的电流，故可减少电流泄漏，降低耗能，达到省电的目的。驱动电路100在正常工作模式下的运作将在下文中详细描述。

比较器130比较所述电压参考信号VREF和反馈信号VFB后产生一输出信号至脉宽调制信号产生器110。振荡器120产生的振荡信号输入到脉宽调制信号产生器110。振荡器120输出的振荡信号可以是锯齿波、三角波等具有固定频率的脉冲信号。脉宽调制信号产生器110根据比较器130的输出信号和振荡器120输出的振荡信号，产生具有振荡信号频率的PWM信号。驱动器140接收所述PWM信号并对其进行电平转换，以控制开关160的导通和截止。开关160与电感102串联连接在电源VIN和接地端之间。在本实施例中，开关160是N型金属氧化物半导体场效应管(MOSFEF)，其漏极与电感102的一端连接，源极经由电阻162接地，栅极由驱动器140输出的PWM信号控制。当PWM信号为高电平时，开关160导通，从电源VIN输出的电流经由电感102和开关160流入接地端，该电流产生的电能储存在电感102中。这一阶段相当于对电感102进行充电。很显然，PWM信号为高电平的持续时间越长，储存在电感102中的电能越多。当PWM信号从高电平转换为低电平时，开关160截止，储存在电感102中的电能以电流的方式释放。该电流通过连接在电感102和发光二极管104之间的肖特基二极管(Schottky diode)106对电容107进行充电。基于电容107上的电压产生的电流I_o提供给发光二极管104，使其发光，照亮诸如装有发光二极管的便携式手机的液晶显示屏。

当LED的电流I_o超过预设值时，电压反馈信号VFB大于电压参考信号VREF，比较器130会输出一个低电平信号给脉宽调制信号产生器110，使脉宽调制信号产生器110停止输出PWM信号，避免LED电流过大而降低LED的寿命。

驱动电路还包括一个检测器132，其两个输入端分别与电阻162的两端连接，以检测电阻162上的电流，并输出一个脉冲信号给脉宽调制信号产生器110，以确保脉宽调制信号产生器110输出的PWM信号的占空比保持固定，从而使发光二极管104的电流I_o保持恒定，不会随电源或温度的变化而波动。

如图1所示的驱动电路100还包括与脉宽调制信号产生器110耦接的过压保护模块180和温度保护模块190。过压保护模块180检测发光二极管的输入电压，在其达到预设值时，发出一个停止信号给脉宽调制信号产生器110，停止输出PWM信号，从而避免损坏发光二极管104。温度保护模块190检测发光二极管104的温度，并在其达到预设值时，发出一个停止信号给脉宽调制信号产生器110，停止输出PWM信号，从而避免损坏发光二极管104。

脉宽调制信号产生器110、振荡器120、比较器130、检测器132、驱动器140、调节器150、开关160、参考信号产生器170、过压保护模块180及温度保护模块190可以集成在同一块芯片上。

在图1所示的驱动电路100中，为达到自由调整发光二极管104亮度的目的，利用外部输入信号调节脉宽调制信号产生器110输出的PWM信号的占空比，对LED电流进行控制。LED亮度正比于脉宽调制信号产生器110输出的PWM信号的占空比。外部输入信号可以是用户经由便携式电话的按键输入的模拟信号经数字化后产生的。在本实施例中，调节器150具有两个接收端，用来接收外部输入信号。调节器150的两个接收端在不同时刻分别接收外部输入信号，并根据外部输入信号产生一个控制信号，以增加或减小脉宽调制信号产生器110输出的PWM信号的占空比，从而调节LED亮度。在一个实施例中，调节器150产生的控制信号是基于振荡器120输出的振荡信号的频率对外部输入信号进行计数而输出的占空比的值。在一个实施例中，调节器150是一种具有计数功能的数字电路，本领域普通技术人员可以利用软件编程来实现该数字电路对外部输入信号进行计数的功能，输出相应的占空比的值。当然，根据前述的调节器150在驱动电路100中的功能，本领域普通技术人员也可以用其他的方式来实现。

请同时参考图1和图2，如前所述，调节器150的两个接收端在同一时刻，只有一个接收端接收外部输入信号。因此，在步骤201，调节器150的第一端(UP端)或者第二端(DOWN端)接收外部输入信号。如果第一端接收到外部输入信号，在步骤203，调节器150判断该外部输入信号的电平，如果该外部输入信号是高电平，则增加占空比的值并以此作为新的占空比值，否则不改变占空比的值。如果第二端接收到外部输入信号，在步骤203，调节器150判断该外部输入信号的电平，如果该外部输入信号是高电平，则减小占空比的值并以此作为新的占空比值，否则不改变占空比的值。在步骤205，调节器150将设置的新的占空比值送到脉宽调制信号产生器110，脉宽调制信号产生器110根据新的占空比值产生新的PWM信号。在步骤207，驱动器140根据新的PWM信号控制开关160的导通和截止，使电感102快速的充放电，以驱动发光二极管104。发光二极管104的电流I_o随PWM信号占空比的变化而变化。在实际应用中，可以在调节器150的第一端和第二端加入滤波元件，如电容174，以消除外部输入信号的毛刺。

图3所示是本发明驱动电路100中不同信号波形的时序图。曲线301表示调节器150输出的占空比的值随第一端外部输入信号变化的波形图。调节器150输出的占空比的值与第一端外部输入信号处于高电平的持续时间成正比。第一端外部输入信号处于高电平的持续时间达到某个特定值时，占空比的值达到最大值，此后不再随第一端外部输入信号处于高电平的持续时间而增加。曲线303是脉宽调制信号产生器110接收调节器150输出的占空比的值后产生的PWM信号的波形图。曲线305是电感102与开关160接点处的电压VOUT的波形图。PWM信号的占空比越大，电压VOUT的幅值越大。曲线307是电感102上的电流I_i的波形图。PWM信号的占空比越大，电感102上的电流Ii的幅值越大。曲线309是LED电流I_o的波形图。LED电流I_o随PWM信号占空比的增大而增大，从而提高LED的亮度。虽然图3只示出了第一端外部输入信号对PWM信号、电感102与开关160接点处的电压VOUT、电感102上的电流I_i及LED电流I_o的影响，然而结合前面描述的内容，可以清楚地知道第二端的外部输入信号处于高电平的持续时间越长，调节器150输出的占空比的值越小。LED电流I_o随PWM信号占空比的减小而减小，从而降低LED亮度。

由以上描述可知，当第一端有外部输入信号时，根据外部输入信号处于高电平的持续时间，增加占空比值；当第二端有外部输入信号时，根据外部输入信号处于高电平的持续时间，减少占空比值。脉宽调制信号产生器110根据不同的占空比值产生具有不同占空比的PWM信号，从而实现对LED亮度的调节。脉宽调制信号产生器110和调节器150都利用振荡器120产生的振荡信号作为时钟信号，其中调节器150基于振荡信号的频率对外部输入信号进行计数而输出占空比的值，从而线性地增加或减少PWM信号的占空比，故LED亮度线性变化，不会出现跳变现象，调光效果好。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种发光二极管驱动电路，包括开关和脉宽调制信号产生器，根据脉宽调制信号产生器产生的脉宽调制信号的占空比控制所述开关导通和截止的时间，以调节提供给发光二极管的电流，其特征在于，所述驱动电路还包括与所述脉宽调制信号产生器耦接的调节器，该调节器包括至少一个输入端，其接收一个外部输入信号，并根据该外部输入信号输出一个控制信号至所述脉宽调制信号产生器，调整其产生的脉宽调制信号的占空比。

2.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括振荡器，所述调节器接收该振荡器产生的振荡信号，所述控制信号是基于振荡信号的频率对所述外部输入信号进行计数而输出的占空比的值。

3.根据权利要求1或2所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述调节器的输入端包括用来接收所述外部输入信号的两个输入端，该两个输入端是第一输入端和第二输入端，当第一输入端接收所述外部输入信号且该外部输入信号是高电平时，调节器输出的占空比的值增加，当第二输入端接收所述外部输入信号且该外部输入信号是高电平时，调节器输出的占空比的值减小。

4.根据权利要求1或2所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括比较器，该比较器接收一个参考信号和一个表示发光二极管电流的反馈信号，该比较器比较该参考信号和反馈信号后产生一输出信号至所述脉宽调制信号产生器，以控制脉宽调制信号的输出。

5.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括与脉宽调制信号产生器耦接的过压保护模块，该过压保护模块接收发光二极管的输入电压，在其达到预设值时，发出一个停止信号给所述脉宽调制信号产生器，停止输出脉宽调制信号。

6.根据权利要求1所述的发光二极管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括与脉宽调制信号产生器耦接的温度保护模块，该温度保护模块检测发光二极管的温度，在其达到预设值时，发出一个停止信号给所述脉宽调制信号产生器，停止输出脉宽调制信号。

7.一种基于发光二极管的发光系统，包括相互串联的一个以上发光二极管、给所述发光二极管提供电能的储能元件和驱动所述一个以上发光二极管的驱动电路，所述驱动电路包括开关和脉宽调制信号产生器，根据脉宽调制信号产生器产生的脉宽调制信号的占空比控制所述开关的导通和截止的时间，以调节所述储能元件提供给所述发光二极管的电流，其特征在于，所述驱动电路还包括一个与所述脉宽调制信号产生器耦接的调节器，该调节器包括一个输入端，其接收一个外部输入信号，并根据该外部输入信号输出一个控制信号至所述脉宽调制信号产生器，调整其产生的脉宽调制信号的占空比。

8.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述驱动电路还包括振荡器，所述调节器接收该振荡器产生的振荡信号，所述控制信号是基于振荡信号的频率对所述外部输入信号进行计数而输出的占空比的值。

9.根据权利要求7或8所述的发光系统，其特征在于，所述驱动电路还包括比较器，该比较器接收一个参考信号和一个表示发光二极管电流的反馈信号，该比较器比较该参考信号和反馈信号后产生一输出信号至所述脉宽调制信号产生器，以控制脉宽调制信号的输出。

10.一种基于权利要求7-9任一项所述发光系统的发光二极管的驱动方法，该方法包括：脉宽调制信号产生器产生脉宽调制信号，通过其占空比调节提供给发光二极管的电流，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

调节器接收一个外部输入信号；

根据所述外部输入信号，调节器设置新的占空比值；

将所述新的占空比值发送至所述脉宽调制信号产生器；

脉宽调制信号产生器根据新的占空比值产生新的脉宽调制信号；及

所述新的脉宽调制信号驱动所述发光二极管。

11.根据权利要求10所述的发光二极管的驱动方法，其特征在于，所述调节器具有第一接收端和第二接收端，在所述调节器接收外部输入信号的步骤中，调节器第一接收端和第二接收端的其中之一接收所述外部输入信号。

12.根据权利要求11所述的发光二极管的驱动方法，其特征在于，在所述调节器设置新的占空比值的步骤中还包括以下步骤：

所述调节器判断所述外部输入信号是由第一接收端还是第二接收端接收；及

若外部输入信号是由第一接收端接收，当该外部输入信号是高电平时，增加占空比的值，若外部输入信号是由第二接收端接收，当该外部输入信号是高电平时，减小占空比的值。

13.根据权利要求10所述的发光二极管的驱动方法，其特征在于，还包括产生振荡信号给所述调节器的步骤，所述调节器基于该振荡信号的频率对所述外部输入信号进行计数，产生所述新的占空比值。

14.根据权利要求10所述的发光二极管的驱动方法，其特征在于，在所述新的脉宽调制信号驱动所述发光二极管的步骤中包括：

所述新的脉宽调制信号是高电平时，控制开关导通，对与该开关串联连接的储能元件进行储能；及

所述新的脉宽调制信号是低电平时，控制开关截止，所述储能元件将所储存的电能提供给所述发光二极管。

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