專利名稱：用于多個led串電流共用的集成led驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)驅動器，特別涉及一種集成的LED驅動裝置，它可以在DC模式下使多個LED串電流共用并或者在PWM模式下具有最小的相位延遲。
驅動用于具有大數(shù)量N個LED串(例如，沒有限制，在LC-TV直接背景光)的大規(guī)模LED驅動器需要復雜的電路和昂貴的控制器而且，在現(xiàn)有技術下，當多個LED串在PWM模式下工作時，控制器之間將存在時間延遲變化，這將導致該N個LED串之間出現(xiàn)不同的相位。
現(xiàn)在參照

圖1，其中示出用于單個LED串8的傳統(tǒng)LED驅動裝置的示意圖，其中包括一個簡單的線性調節(jié)器5。該LED串優(yōu)選利用特定的恒定電流源和穩(wěn)定DC輸入電壓源(未示出)來驅動，該恒定電流源跟隨接線端2a處的恒定參考電流信號Iref，該穩(wěn)定DC輸入電壓源在接線端3提供DC輸入電壓VDC。該線性調節(jié)器5按照保持恒定LED電流ILED的方式來工作?，F(xiàn)在將詳細說明線性調節(jié)器5的通常操作。
LED電流ILED通過讀出電阻器R28來讀出。運算放大器(OP-AMP)U1與電阻器R25和R26一起用于實現(xiàn)合適的放大，從而使LED電流ILED信息反饋到調節(jié)器的控制器OP-AMP U2的負的或反相接線端。電阻器R25為耦合在OP-AMP U1的輸出端和負的或反相接線端之間的反饋電阻器。電阻器R26耦合到OP-AMP U1的負的或反相接線端和地。OP-AMPU2的轉移函數(shù)表示為R22R2311+sR22C9--(1)]]>其中s是一復數(shù)變量；電阻器R22為耦合在OP-AMP U2的輸出端和負的或反相接線端之間的反饋電阻器；電容器C9與反饋電阻器R22并聯(lián)耦合；電阻器R23的一端與OP-AMP U2的負的或反相接線端耦合，另一端與節(jié)點A耦合。OP-AMP U2的正的或非反相接線端從接線端2a接收恒定參考電流信號Iref。
仍然參照該示意圖，線性調節(jié)器5的節(jié)點A還與電阻器R21的一個接線端連接且該節(jié)點A鄰近節(jié)點B。電阻器R21的另一接線端與晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)QA1的漏極耦合。晶體管或MOSFET QA1的柵極從接線端2b接收恒定的參考電流Iref。晶體管或MOSFET QA1的源極與地耦合。節(jié)點B與電容器C8的一個接線端和二極管D8的陰極端耦合。電容C8的另一接線端與地耦合。二極管D8的陽極與OP-AMP U1的輸出端耦合。
在調節(jié)器的控制器OP-AMP U2的輸出端產(chǎn)生控制輸出，通過RC低通濾波器6將該輸出耦合到晶體管或MOSFET Q1的柵極從而向晶體管或MOSFET Q1提供柵極電壓VGS。該RC低通濾波器6包括電阻器R24和電容C10。電阻器R24的第一接線端與OP-AMP U2的輸出端和電容器C10的第一接線端耦合。電容器C10的第二接線端與地耦合。
線性調節(jié)器5還包括電阻器R20，該電阻器R20的一個接線端與電阻器R24的第二接線端耦合，并與晶體管或MOSFET QA2的漏極耦合。該晶體管或MOSFET QA2的柵極與NOT門NG3的輸出端耦合，晶體管或MOSFET QA2的源極與地耦合。NOT門NG3的輸入端從接線端2b接收恒定參考電流Iref。
在工作中，調節(jié)晶體管或MOSFET Q1的漏-源極電流使其跟隨恒定參考電流Iref，該漏-源極電流等于ILED。圖1中的線性調節(jié)器5對于DC或脈沖寬度調制(PWM)工作的LED串8工作很好。但是，當要驅動N個LED串，且每個串包括多個LED時，為了在N個LED串中實現(xiàn)相等的電流共用，通常僅將圖1中的電路簡單重復?？梢岳斫猓@將增加電路的復雜性和線性調節(jié)器的控制器成本。另外，如果LED串在PWM模式下操作，則重復的控制器和線性調節(jié)器之間的時間延遲變化將導致N個LED串之間存在不同的相位。
一種用于多個LED串的集成LED驅動裝置在DC模式下可以自動電流共享，并或者，在PWM模式下具有最小的相位延遲。該集成LED驅動裝置使用了單個線性調節(jié)器或用于控制參考電流的其它控制器以及一多輸出電流鏡，該多輸出電流鏡包括多個晶體管或MOSFET。每個晶體管或MOSFET都集成在相同的襯底上，具有幾乎相同的寬-長溝道比并具有相同的源極柵極連接。因此，該多輸出鏡將提供電流共用，該電流共用幾乎不依賴于提供DC輸入電壓VDC的DC輸入電壓源、不依賴于MOSFET在半導體集成過程中的變化，以及幾乎不依賴于溫度變化。
圖1示出用于單個LED串的傳統(tǒng)LED驅動裝置的示意圖；圖2示出本發(fā)明用于多個LED串的集成LED驅動裝置的示意圖3示出本發(fā)明用于多個LED串的集成LED驅動裝置的可替換實施例的示意圖；圖4示出本發(fā)明用于多個LED串的集成LED驅動裝置的可替換實施例的示意圖。
現(xiàn)在參照圖2，其中示出根據(jù)本發(fā)明用于N個LED串281、282、...、28N的集成LED驅動裝置10的一個示例性實施例的結構圖。該集成LED驅動裝置10包括利用接線端2a處的恒定參考電流信號Iref驅動的單個線性調節(jié)器15和用于驅動N個LED串281、282、...、28N的多輸出電流鏡30。每個LED串包括多個LED。該單個線性調節(jié)器15基本上與圖1中的線性調節(jié)器5相同，因此使用了相同的附圖標記。不過仍然可以使用其它線性調節(jié)器。
現(xiàn)在說明多輸出電流鏡30，該多輸出鏡像30包括N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N，它們中的每個都集成在相同的襯底36上，并優(yōu)選具有相同的尺寸和相同的寬-長溝道(W/L)比。晶體管或MOSFET Q11、晶體管或MOSFET Q12，...，以及晶體管或MOSFET Q1N的柵極通過路徑32耦合在一起。該路徑32從鄰近第一晶體管或MOSFETQ11的柵極的節(jié)點C延伸至第N個晶體管或MOSFET Q1N的柵極，并接收線性調節(jié)器15的低通濾波器6的輸出。這樣，N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N的各柵極將從OP-AMP U2即調節(jié)器的控制器接收相同的控制輸出。路徑32和節(jié)點C集成在襯底36上。晶體管或MOSFET Q11、晶體管或MOSFET Q12、...、晶體管或MOSFET Q1N的源極通過路徑34連接在一起，其中路徑34與線性調節(jié)器15的讀出電阻器R28耦合，從而可使電流讀出電阻器R28讀出其電流。N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N的各漏極與N個LED串281、282、...、28N中相應的一個的一端耦合。換句話說，第一晶體管或MOSFET Q11的漏極與第一LED串281的一端耦合，第二晶體管或MOSFET Q12的漏極與第二LED串282的一端耦合，依次類推，直到第N晶體管或MOSFETQ1N的漏極與第N LED串28N的一端耦合。這N個LED串281、282、...、28N中的每個的另一端在接線端13接收一DC輸入電壓VDC。
現(xiàn)在說明集成LED驅動裝置10的操作，當N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N在VDS≥VGS-VT的飽和模式下工作時，由于利用相同的半導體制造工藝(例如，溫度、材料、掩模、摻雜、腐蝕)將N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12和Q1N集成在相同的襯底36上，因此流過溝道的電流幾乎不再依賴于漏-源極電壓VDS。VGS是柵-源極電壓，VT是閾值電平電壓。漏電流由柵-源(柵)電壓VGS利用公式(2)來控制，其中ID表示在VDS≥VGS-VT的飽和區(qū)域中的傳輸特性，該漏電流表示為ID=FCoWL(VGS-VT)2--(2)]]>其中F是電子的遷移率；Co是每單位面積的氧化物電容；L是溝道長度；W是溝道寬度。
由于N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12和Q1N利用相同的工藝集成在相同的襯底36上，從節(jié)點C接收相同的柵極控制信號，并且源極都在節(jié)點D與線性調節(jié)器15連接，因此等效于N個LED串的電流ILED1、ILED2、...、ILEDN的相應電流的漏電流，其比例可以通過晶體管或MOSFET尺寸(W/L比)來表示ILED1∶ILED2∶...ILEDN＝(W/L)1∶(W/L)2∶...∶(W/L)N(3)根據(jù)前面所述，由于N個鏡像晶體管或MOSFET Q11、Q12、...、Q1N以相同的尺寸(W/L比)集成，因此多輸出電流鏡30可以產(chǎn)生電流鏡效應，該效應用于產(chǎn)生自動電流共用，該自動電流共用幾乎不依賴于提供電壓VDC的DC輸入電壓源、幾乎不依賴于半導體集成工藝中產(chǎn)生的MOSFET的變化、并且?guī)缀醪灰蕾囉跍囟茸兓?br> 現(xiàn)在參照圖3，其中示出根據(jù)本發(fā)明用于N個LED串1281、1282、...、128N的集成LED驅動裝置100的可替換實施例的示意圖。通常，集成LED驅動裝置100包括一用于驅動N個LED串1281、1282、...、128N的多輸出共柵共源(cascode)電流鏡130以代替圖2實施例中的多輸出電流鏡30，從而提高傳輸幾乎恒定電流的電流鏡的輸出阻抗。
現(xiàn)在說明多輸出共柵共源電流鏡130，該多輸出共柵共源電流鏡130包括N個鏡像晶體管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N和N個共柵共源晶體管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N，它們中的每個都集成在相同的襯底136上，并優(yōu)選具有相同的尺寸和相同的寬-長溝道(W/L)比。晶體管或MOSFET Q101、晶體管或MOSFET Q102、...、晶體管或MOSFET Q10N的柵極通過路徑132耦合在一起。該路徑132從鄰近第一鏡像晶體管或MOSFET Q101的柵極的節(jié)點C100延伸至第N個鏡像晶體管或MOSFET Q10N的柵極，并接收線性調節(jié)器15的低通濾波器6的輸出。這樣，N個鏡像晶體管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N的各柵極將接收相同的控制輸出。路徑132和節(jié)點C100集成在襯底136上。晶體管或MOSFET Q101、晶體管或MOSFETQ102、...、晶體管或MOSFETQ10N的源極通過路徑134連接在一起，其中路徑134與線性調節(jié)器15的讀出電阻器R28耦合，從而可使電流讀出電阻器R28從其讀出電流。N個鏡像晶體管或MOSFETQ101、Q102、...、Q10N的各漏極通過N個共柵共源晶體管或MOSFETQ111、Q112、...Q11N中相應的一個與N個LED串1281、1282、...、128N中相應的一個的一端耦合。
現(xiàn)在說明N個共柵共源晶體管或MOSFETQ111、Q112、...、Q11N，晶體管或MOSFETQ111、晶體管或MOSFETQ112、...以及晶體管或MOSFETQ11N的柵極通過路徑142耦合在一起。路徑142與路徑144耦合，其在節(jié)點E將第一共柵共源晶體管或MOSFET Q111的漏電流連接到這樣的柵極從而提供柵極電壓VGS。第一共柵共源晶體管或MOSFETQ111的漏電流等效第一LED串電流ILED1。因此，N個共柵共源晶體管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N中每個柵極都接收相同的控制信號。路徑142、路徑144和節(jié)點E集成在襯底136上。
N個共柵共源晶體管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N中每個漏極與N個LED串1281、1282、...、128N中相應的一個的一端耦合。換句話說，第一共柵共源晶體管或MOSFET Q111的漏極與第一LED串1281的一端耦合，第二共柵共源晶體管或MOSFET Q112的漏極與第二LED串1282的一端耦合，依次類推，直到第N晶體管或MOSFET Q11N的漏極與第N LED串128N耦合。這N個LED串1281、1282、...、128N中的每個的另一端在接線端113接收一穩(wěn)定DC輸入電壓VDC。 N個共柵共源晶體管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N的源極與N個鏡像晶體管或MOSFET Q101、Q102、...、Q10N的相應的漏極耦合。
由于利用相同的工藝和相同的尺寸(W/L比)將N個鏡像晶體管或MOSFET Q101、Q102和Q10N以及N個共柵共源晶體管或MOSFET Q111、Q112、...、Q11N集成在相同的襯底136上且其中每個鏡像共柵共源晶體管或MOSFET對MC1、MC2、...、MCN具有相同的源極和柵極連接，因此多輸出共柵共源電流鏡130可以產(chǎn)生電流鏡效應，該效應用于產(chǎn)生自動電流共用，該自動電流共用在提高在LED中傳輸恒定電流的恒定電流鏡的輸出阻抗的同時，幾乎不依賴于DC輸入電壓源VDC、幾乎不依賴于半導體集成工藝中產(chǎn)生的MOSFET的變化、并幾乎不依賴于溫度變化。
現(xiàn)在參照圖4，其中示出根據(jù)本發(fā)明用于N個LED串2281、2282、...、228N的集成LED驅動裝置200的第二可替換實施例的示意圖。該集成LED驅動裝置100利用鏡像-共柵共源晶體管或MOSFET對MC10(Q200，Q210)來替換線性調節(jié)器15，并將鏡像-共柵共源晶體管或MOSFET對MC10集成在相同的襯底236上，但是與鏡像-共柵共源晶體管或MOSFET對MC11、MC12、...、MC1N相比具有不同的W/L比。鏡像-共柵共源晶體管或MOSFET對MC10(Q200，Q210)用作電流控制器或調節(jié)器250，用于從恒定電流源202接收恒定參考電流Iref。
現(xiàn)在說明多輸出共柵共源電流鏡230，該多輸出共柵共源電流鏡230包括N個鏡像晶體管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N和N個共柵共源晶體管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N，它們中的每個都集成在相同的襯底136上，并優(yōu)選具有相同的尺寸和相同的寬-長溝道(W/L)比。晶體管或MOSFET Q201、晶體管或MOSFET Q202、...、晶體管或MOSFET Q20N的柵極通過路徑232耦合在一起。該路徑232與路徑238耦合，在節(jié)點F處將N個鏡像晶體管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的柵極以及鏡像晶體管或MOSFETQ200的柵極與電流控制器或調節(jié)器250的共柵共源晶體管或MOSFET Q210的源極連接。從而這些柵極的每一個接收相同的控制信號。N個鏡像晶體管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的每個源極和鏡像晶體管或MOSFET200的源極與地耦合。N個共柵共源晶體管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N中的每一個漏極以及鏡像晶體管或MOSFET 200的漏極與N個共柵共源晶體管或MOSFETQ211、212、...、Q21N的相應的源極和共柵共源晶體管或MOSFET Q210的源極連接。路徑232、238和節(jié)點F集成在相同的襯底236上。
現(xiàn)在說明N個共柵共源晶體管或MOSFETQ211、Q212、...Q21N，晶體管或MOSFET Q211、晶體管或MOSFET Q212、...以及晶體管或MOSFETQ21N的柵極通過路徑242耦合在一起。路徑242與路徑244耦合，該路徑242在節(jié)點E10將恒定參考電流Iref或共柵共源晶體管或MOSFETQ210的漏電流連接到這樣的柵極。這樣N個共柵共源晶體管或MOSFETQ211、Q212、...、Q21N中每一個的柵極都接收相同的控制信號。路徑242、路徑244和節(jié)點E10集成在襯底236上。N個共柵共源晶體管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N中每個的漏極與N個LED串2281、2282、...、228N中相應的一個的一端耦合。這N個LED串2281、2282、...、228N中的每個的另一端在接線端213接收一穩(wěn)定DC輸入電壓VDC。 N個共柵共源晶體管或MOSFET Q211、Q212、...、Q21N的源極與N個鏡像晶體管或MOSFET Q201、Q202、...、Q20N的漏極中相應的一個耦合。共柵共源晶體管或MOSFET Q210的漏極與恒定參考電流源202耦合并接收恒定參考電流源Iref。
在操作中，由于利用相同的工藝將多輸出電流鏡230的N個鏡像共柵共源晶體管或MOSFET對MC11、MC12、...、MC1NQ111、Q112、...、Q11N以及電流控制器或調節(jié)器250的鏡像共柵共源晶體管或MOSFET對MC10(Q200，Q210)集成在相同的襯底236上，且它們具有相同的源極連接和柵極連接，因此等效于N個LED串的電流ILED1、ILED2、...、ILEDN中其相應的電流的漏電流，其比例可以通過晶體管或MOSFET尺寸(W/L比)來縮放并可提供一電流鏡增益k，可以表示為Iref∶ILED1∶ILED2∶...ILEDN＝1∶k∶k∶k∶...∶k(4)本領域技術人員根據(jù)上述說明書可以對本發(fā)明進行多種修改實現(xiàn)多個實施例。因此，該說明應理解為只是說明性的，其目的是使本領域技術人員可以最好方式的執(zhí)行本發(fā)明。在基本不脫離本發(fā)明精神的情況下可以對結構細節(jié)進行改變，但是在所附權利要求的范圍內所有修改的全部使用仍然保留。
權利要求
1.一種用于驅動N個LED串的LED驅動裝置，包括用于調節(jié)參考電流信號的裝置(15)；和一與N個LED串(281-28N)耦合的多輸出電流鏡(30)，該電流鏡具有N個鏡像晶體管(Q11-Q1N)且與調節(jié)裝置(15)耦合，其中該N個鏡像晶體管(Q11-Q1N)集成在單一襯底(36)上，并具有基本相同的寬-長溝道(W/L)比，基本相同的柵極控制信號，和基本相同的源極連接。
2.如權利要求1所述的裝置，其中調節(jié)裝置(15)包括一線性電流調節(jié)器，該線性電流調節(jié)器具有用于讀出電流的裝置(R28)和用于產(chǎn)生輸出控制信號的控制器(U2)，該輸出控制信號提供給襯底(36)上集成的節(jié)點，其中N個鏡像晶體管(Q11-Q1N)的柵極與該節(jié)點耦合。
3.如權利要求1或2所述用于驅動N個LED串的LED驅動裝置，包括一線性電流調節(jié)器(15)，具有用于讀出電流的裝置和具有輸出控制信號的控制器(U2)；和一多輸出電流鏡(30)，包括一用于接收所述輸出控制信號的節(jié)點，N個鏡像晶體管(Q11-Q1N)，其分別具有一與所述節(jié)點耦合的柵極、一與N個LED串(281-28N)中相應的一個耦合的漏極、以及一與電流讀出裝置耦合的源極，并具有寬-長溝道(W/L)比，其中N個鏡像晶體管(Q11-Q1N)集成在單一襯底(36)上，并具有基本相同的W/L比。
4.如權利要求1、2或3所述的裝置，其中多輸出電流鏡(230)還包括N個共柵共源晶體管(Q211-Q21N)，它們中每個的源極與N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)中相應的一個的漏極耦合以形成N個鏡像-共柵共源晶體管對(MC11-MC1N)，其中N個共柵共源晶體管(Q211-Q21N)中的每個晶體管的漏極都直接與N個LED串(2281-228N)中相應的一個耦合；N個共柵共源晶體管(Q211-Q21N)中的每一個都具有基本相同的W/L比，該W/L比基本上與N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)的W/L比相同；并且N個共柵共源晶體管(Q211-Q21N)都集成在單一襯底(236)上。
5.如權利要求1、2、3或4所述的裝置，還包括一耦合到N個LED串(281-28N)上的DC輸入電壓。
6.如權利要求1或5所述的裝置，其中多輸出電流鏡(30)提供自動電流共用，該自動電流共用基本上不依賴于溫度變化、DC輸入電壓變化和晶體管變化。
7.如權利要求1、2、3或4所述的裝置，其中N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)的柵極與N個LED串(1281-128N)中的第一LED串(1281)耦合。
8.如權利要求7所述的裝置，其中多輸出電流鏡(30)在DC模式下提供自動電流共用，該自動電流共用在PWM模式下具有最小的相位延遲。
9.如權利要求2所述的裝置，其中多輸出電流鏡(130)還包括N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)，它們中每個的源極與N個鏡像晶體管(Q101-Q10N)中相應的一個的漏極耦合以形成N個鏡像-共柵共源晶體管對(MC1-MCN)，其中N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)中的每個晶體管的漏極都直接與N個LED串(1281-128N)中相應的一個耦合；N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)中的每個柵極都與N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)中的第一共柵共源晶體管(Q111)的漏極連接；N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)中的每一個都具有基本相同的W/L比，該W/L比基本上與N個鏡像晶體管(Q101-Q10N)的W/L比相同；并且N個共柵共源晶體管(Q111-Q11N)都集成在單一襯底(136)上。
10.如權利要求4所述的裝置，其中該調節(jié)裝置(250)包括一集成在單一襯底(236)上的鏡像晶體管(Q200)，該鏡像晶體管(Q200)具有與N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)的柵極控制信號和源極連接基本相同的柵極控制信號和源極連接，并具有一第二W/L比，其中N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)的W/L比是第二W/L的k倍；和一集成在單一襯底上的共柵共源晶體管(Q210)，該共柵共源晶體管(Q210)的柵極控制信號與N個共柵共源晶體管(Q211-Q21N)的柵極控制信號基本相同，并具有一第二W/L比，其中共柵共源晶體管(Q210)的第二W/L比等于鏡像晶體管(Q200)的W/L比。
11.如權利要求10所述的裝置，其中N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)的源極與地耦合；N個鏡像晶體管(Q201-Q20N)的柵極與一路徑耦合，該路徑與調節(jié)裝置(250)的鏡像晶體管(Q200)的漏極耦合。
12.如權利要求7或11所述的裝置，其中多輸出電流鏡(230)提供自動電流共用，該自動電流共用幾乎不依賴于溫度變化并幾乎不依賴于晶體管的變化。
全文摘要
一種用于多個LED串的集成LED驅動裝置，該驅動裝置使用單一線性調節(jié)器或其它控制器以及一多輸出電流鏡，該多輸出電流鏡幾乎不依賴于DC輸入電壓源、幾乎不依賴于由于半導體集成工藝導致的晶體管或MOSFET的變化、并幾乎不依賴于溫度變化。多輸出電流鏡包括多個晶體管或MOSFET，它們中的每個都集成在相同的襯底上，具有相同的寬－長溝道比以及相同的源極連接和柵極連接。該集成LED驅動裝置在DC模式下提供自動電流共用，且或者在PWM模式下具有最小的相位延遲。該鏡像輸出電流鏡包括多個鏡像－共柵共源晶體管對。
文檔編號H01L33/00GK1537403SQ02815162
公開日2004年10月13日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權日2001年8月3日
發(fā)明者勁 張, 張勁 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司