跨导放大器及LED恒流驱动电路

摘要

本发明提供了一种跨导放大器及LED恒流驱动电路，该跨导放大器包括：差分输入级电路；电流传递电路，对差分输入级电路输出的电流进行传递；输入开关网络，对输入的正输入信号和负输入信号进行切换，使二者交替输入至第一电压转电流电路和第二电压转电流电路的输入端；电流传递开关网络，对电流传递电路的电流传递路径进行切换，使跨导放大器的输出信号与正输入信号保持正极性且与负输入信号保持反极性；时钟信号发生器；其中，该电流传递电路包括：第一镜像管和第二镜像管；该电流传递开关网络包括第一开关至第四开关。本发明能够减小由于器件匹配和封装应力导致的跨导放大器失调，有利于提高电路的一致性以及输出电流的一致性。

权利要求

1.一种跨导放大器，其特征在于，包括：

差分输入级电路，包括第一电压转电流电路和第二电压转电流电路；

电流传递电路，对所述差分输入级电路输出的电流进行传递；

输入开关网络，对输入的正输入信号和负输入信号进行切换，使所述正输入信号和负输入信号交替输入至所述第一电压转电流电路和第二电压转电流电路的输入端；

电流传递开关网络，对所述电流传递电路的电流传递路径进行切换，使所述跨导放大器的输出信号与所述正输入信号保持正极性，且与所述负输入信号保持反极性；

时钟信号发生器，产生周期性的非交叠的第一时钟信号和第二时钟信号，该第一时钟信号和第二时钟信号反相，该第一时钟信号和第二时钟信号用于控制所述输入开关网络和电流传递开关网络；

其中，所述电流传递电路包括：

第一镜像管，其第一端连接电源，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输出端；

第二镜像管，其第一端连接电源，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输出端，其控制端连接所述第一镜像管的控制端；

所述电流传递开关网络包括：

第一开关，其第一端连接所述第一镜像管的第二端，其第二端连接所述第一镜像管的控制端，其控制端接收所述第一时钟信号；

第二开关，其第一端连接所述第一镜像管的控制端，其第二端连接所述第二镜像管的第二端，其控制端接收所述第二时钟信号；

第三开关，其第一端连接所述第二镜像管的第二端，其第二端连接所述跨导放大器的输出端，其控制端接收所述第一时钟信号；

第四开关，其第一端连接所述第一镜像管的第二端，其第二端连接所述跨导放大器的输出端，其控制端接收所述第二时钟信号。

2.根据权利要求1所述的跨导放大器，其特征在于，所述输入开关网络包括：第五开关，其第一端接收所述负输入信号，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第二时钟信号；

第六开关，其第一端接收所述负输入信号，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第一时钟信号；

第七开关，其第一端接收所述正输入信号，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第二时钟信号；

第八开关，其第一端接收所述正输入信号，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第一时钟信号。

3.根据权利要求1所述的跨导放大器，其特征在于，所述第一时钟信号和第二时钟信号的占空比为0.5。

4.根据权利要求1所述的跨导放大器，其特征在于，所述第一电压转电流电路包括：第一三极管，其集电极作为所述第一电压转电流电路的输出端；

第一运算放大器，其正输入端作为所述第一电压转电流电路的输入端，其负输入端连接所述第一三极管的发射极，其输出端连接所述第一三极管的基极；

第一电阻，其第一端连接所述第一三极管的发射极，其第二端接地；

所述第二电压转电流电路包括：

第二三极管，其集电极作为所述第二电压转电流电路的输出端；

第二运算放大器，其正输入端作为所述第二电压转电流电路的输入端，其负输入端连接所述第二三极管的发射极，其输出端连接所述第二三极管的基极；

第二电阻，其第一端连接所述第二三极管的发射极，其第二端接地。

5.一种LED恒流驱动电路，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的跨导放大器。

6.根据权利要求5所述的LED恒流驱动电路，其特征在于，所述LED恒流驱动电路包括恒流控制电路、变压器、开关管、采样电阻、续流二极管和输出电容，其中，所述变压器的原边绕组的同名端接收输入电压，所述变压器的副边绕组的同名端接地，所述变压器的副边绕组的异名端连接所述续流二极管的正极；

所述开关管的漏极连接所述变压器的原边绕组的异名端，所述开关管的栅极连接所述恒流控制电路的输出端；

所述采样电阻的第一端连接所述开关管的源极以及所述恒流控制电路的采样输入端，所述采样电阻的第二端接地；

所述输出电容的第一端连接所述续流二极管的负极，所述输出电容的第二端接地，所述恒流控制电路包括：峰值采样保持电路，其输入端连接所述恒流控制电路的采样输入端，对所述采样电阻上的采样电压进行采样；

输出等效电流计算电路，其输入端与所述峰值采样保持电路的输出端相连，根据所述采样电压计算输出等效电流，并输出表示该输出等效电流的等效电压；

权利要求1至4中任一项所述的跨导放大器，其第一输入端连接所述输出等效电流计算电路的输出端，其第二输入端接收参考电压，对所述等效电压和参考电压进行误差放大；

PWM信号产生电路，其输入端连接所述跨导放大器的输出端，根据所述跨导放大器输出的误差信号产生PWM信号，所述PWM信号的占空比由所述误差信号调节；

逻辑和驱动电路，其输入端连接所述PWM信号产生电路的输出端，所述PWM信号经由该逻辑和驱动电路传输至所述开关管的栅极。

说明书

跨导放大器及LED恒流驱动电路

技术领域

[0001] 本发明涉及跨导放大器技术领域，尤其涉及一种跨导放大器及LED恒流驱动电路。

背景技术

[0002] 参考图1，传统的降压LED驱动电路主要包括：恒流控制电路100、续流二极管D1、电感L1、电容C1、开关管M1、采样电阻Rcs。其中，续流二极管D1的负极连接到负载LED的正极和电源端Vin，续流二极管D1的正极连接到电感L1的第一端，电感L1的第二端连接到负载LED的负极；开关管M1连接于电感L1和采样电阻Rcs之间，该开关管M1受恒流控制电路100控制。

[0003] 其中，恒流控制电路100包括：峰值采样保持电路106，功率开关M1导通时，采样流经功率开关的峰值电流在采样电阻Rcs上的采样电压Vcs；输出等效电流计算电路105，根据采样电阻Rcs上的采样电压Vcs的峰值计算出输出等效电流；跨导放大器101，对输出等效电流与基准值Vref1做误差放大，输出误差信号到环路补偿端COMP；环路补偿端COMP，该环路补偿端COMP可以外加补偿元件，一般由电阻、电容串并联组成，由误差信号Vcomp来控制环路；PWM信号产生电路102，接收误差信号Vcomp，产生PWM信号到逻辑控制电路103，PWM信号的占空比与误差信号Vcomp相关，逻辑控制电路103产生预驱动信号GT1经驱动电路104驱动功率开关M1。

[0004] 其中，输出电流的精度与基准值Vref1、峰值采样保持值相关，还与跨导放大器101的精度相关，对于电路的一致性而言，跨导放大器101的精度具有决定性的作用。

[0005] 参考图2，传统的跨导放大器电路中，MOS晶体管N1、N2作为输入对管，电阻R1和电阻R2用来加宽跨导放大器的输入线性范围，如果输入线性范围足够，电阻R1和电阻R2可以省略。MOS晶体管P1、P2、P3、P4、N4、N5作为中间级，镜像传递电流，使得输出电流Iout=Gm*（Vp-Vn），Iout为输出电流，Gm为跨导，Vp为正输入信号的电压值，Vn为负输入信号的电压值。其中，跨导Gm的大小与作为输入管的MOS晶体管N1、N2的大小，电阻R1和电阻R2的大小，以及镜像电流传递的比例相关。

[0006] 跨导放大器的失配会导致控制的实际值与目标值发生偏差。在LED驱动电路尤其是使用跨导放大器的LED驱动电路中，为了将电路的一致性做好，就要求把电路的跨导做准确，并且尽可能减小电路的失调。但是，由于在工艺加工制造过程的偏差和封装应力，会导致设计的对称输入管、对称电阻和镜像电流变成失配，从而导致实际电路的跨导不再准确，电路的失调明显增加。为了减小这种失配，一般需要把所有会导致失配的元件做得尽可能的对称，包括版图的中心对称，并且加大对称元件的尺寸，但是这样会导致需要更大的芯片面积，也就增加了匹配成本。另外，即使使用这些措施，仍然不能很好的解决失配导致的问题，尤其是失配受到封装应力的影响，加大对称元件的尺寸的效果并不明显。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种跨导放大器及LED恒流驱动电路，能够减小由于器件匹配和封装应力导致的跨导放大器失调，有利于提高电路的一致性以及输出电流的一致性。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种跨导放大器，包括：

[0009] 差分输入级电路，包括第一电压转电流电路和第二电压转电流电路；

[0010] 电流传递电路，对所述差分输入级电路输出的电流进行传递；

[0011] 输入开关网络，对输入的正输入信号和负输入信号进行切换，使所述正输入信号和负输入信号交替输入至所述第一电压转电流电路和第二电压转电流电路的输入端；

[0012] 电流传递开关网络，对所述电流传递电路的电流传递路径进行切换，使所述跨导放大器的输出信号与所述正输入信号保持正极性，且与所述负输入信号保持反极性；

[0013] 时钟信号发生器，产生周期性的非交叠的第一时钟信号和第二时钟信号，该第一时钟信号和第二时钟信号反相，该第一时钟信号和第二时钟信号用于控制所述输入开关网络和电流传递开关网络；

[0014] 其中，所述电流传递电路包括：

[0015] 第一镜像管，其第一端连接电源，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输出端；

[0016] 第二镜像管，其第一端连接电源，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输出端，其控制端连接所述第一镜像管的控制端；

[0017] 所述电流传递开关网络包括：

[0018] 第一开关，其第一端连接所述第一镜像管的第二端，其第二端连接所述第一镜像管的控制端，其控制端接收所述第一时钟信号；

[0019] 第二开关，其第一端连接所述第一镜像管的控制端，其第二端连接所述第二镜像管的第二端，其控制端接收所述第二时钟信号；

[0020] 第三开关，其第一端连接所述第二镜像管的第二端，其第二端连接所述跨导放大器的输出端，其控制端接收所述第一时钟信号；

[0021] 第四开关，其第一端连接所述第一镜像管的第二端，其第二端连接所述跨导放大器的输出端，其控制端接收所述第二时钟信号。

[0022] 根据本发明的一个实施例，所述输入开关网络包括：

[0023] 第五开关，其第一端接收所述负输入信号，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第二时钟信号；

[0024] 第六开关，其第一端接收所述负输入信号，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第一时钟信号；

[0025] 第七开关，其第一端接收所述正输入信号，其第二端连接所述第二电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第二时钟信号；

[0026] 第八开关，其第一端接收所述正输入信号，其第二端连接所述第一电压转电流电路的输入端，其控制端接收所述第一时钟信号。

[0027] 根据本发明的一个实施例，所述第一时钟信号和第二时钟信号的占空比为0.5。

[0028] 根据本发明的一个实施例，所述第一电压转电流电路包括：

[0029] 第一三极管，其集电极作为所述第一电压转电流电路的输出端；

[0030] 第一运算放大器，其正输入端作为所述第一电压转电流电路的输入端，其负输入端连接所述第一三极管的发射极，其输出端连接所述第一三极管的基极；

[0031] 第一电阻，其第一端连接所述第一三极管的发射极，其第二端接地；

[0032] 所述第二电压转电流电路包括：

[0033] 第二三极管，其集电极作为所述第二电压转电流电路的输出端；

[0034] 第二运算放大器，其正输入端作为所述第二电压转电流电路的输入端，其负输入端连接所述第二三极管的发射极，其输出端连接所述第二三极管的基极；

[0035] 第二电阻，其第一端连接所述第二三极管的发射极，其第二端接地。

[0036] 本发明还提供了一种LED恒流驱动电路，包括上述任一项所述的跨导放大器。

[0037] 根据本发明的一个实施例，所述LED恒流驱动电路包括恒流控制电路、变压器、开关管、采样电阻、续流二极管和输出电容，其中，

[0038] 所述变压器的原边绕组的同名端接收输入电压，所述变压器的副边绕组的同名端接地，所述变压器的副边绕组的异名端连接所述续流二极管的正极；

[0039] 所述开关管的漏极连接所述变压器的原边绕组的异名端，所述开关管的栅极连接所述恒流控制电路的输出端；

[0040] 所述采样电阻的第一端连接所述开关管的源极以及所述恒流控制电路的采样输入端，所述采样电阻的第二端接地；

[0041] 所述输出电容的第一端连接所述续流二极管的负极，所述输出电容的第二端接地，

[0042] 所述恒流控制电路包括：

[0043] 峰值采样保持电路，其输入端连接所述恒流控制电路的采样输入端，对所述采样电阻上的采样电压进行采样；

[0044] 输出等效电流计算电路，其输入端与所述峰值采样保持电路的输出端相连，根据所述采样电压计算输出等效电流，并输出表示该输出等效电流的等效电压；

[0045] 上述任一项所述的跨导放大器，其第一输入端连接所述输出等效电流计算电路的输出端，其第二输入端接收参考电压，对所述等效电压和参考电压进行误差放大；

[0046] PWM信号产生电路，其输入端连接所述跨导放大器的输出端，根据所述跨导放大器输出的误差信号产生PWM信号，所述PWM信号的占空比由所述误差信号调节；

[0047] 逻辑和驱动电路，其输入端连接所述PWM信号产生电路的输出端，所述PWM信号经由该逻辑和驱动电路传输至所述开关管的栅极。

[0048] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0049] 本发明实施例的跨导放大器中，采用输入开关网络将正输入信号和负输入信号交替或者说周期性轮流地输入至差分输入级电路的两个输入端，并采用电流传递开关网络对电流传递电路的电流传递路径进行切换，使得跨导放大器的输出信号与正输入信号始终保持正极性。一方面，由于正、负输入信号交替输入至差分输入级电路的两个输入端，因此差分输入级电路内部的第一电压转电流电路和第二电压转电流电路之间的失调可以相互抵消，极大地提高了电路的一致性；另一方面，由于电流传递路径在交替切换，因此电流传递电路中各个器件之间的失调也相互抵消，有利于提高电路的一致性。

附图说明

[0050] 图1是现有技术中一种跨导放大器的电路结构示意图；

[0051] 图2是现有技术中一种跨导放大器的电路结构示意图；

[0052] 图3是本发明实施例的跨导放大器的电路结构示意图；

[0053] 图4是本发明实施例的时钟信号的波形图；

[0054] 图5是本发明实施例的时钟信号发生器的结构示意图；

[0055] 图6是本发明实施例的LED驱动电路的电路结构示意图。

具体实施方式

[0056] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0057] 参考图3，本实施例的跨导放大器包括：输入开关网络600、差分输入级电路、电流传递电路、电流传递开关网络以及时钟信号发生器。

[0058] 其中，差分输入级电路包括第一电压转电流电路601和第二电压转电流电路602。本实施例中，该第一电压转电流电路601包括：第一三极管Q61，其集电极作为第一电压转电流电路601的输出端；第一运算放大器A61，其正输入端作为第一电压转电流电路601的输入端，其负输入端连接第一三极管Q61的发射极，其输出端连接第一三极管Q61的基极；
第一电阻R1，其第一端连接第一三极管Q61的发射极，其第二端接地。该第二电压转电流电路602包括：第二三极管Q62，其集电极作为第二电压转电流电路602的输出端；第二运算放大器A62，其正输入端作为第二电压转电流电路602的输入端，其负输入端连接第二三极管Q62的发射极，其输出端连接第二三极管Q62的基极；第二电阻R2，其第一端连接第二三极管Q62的发射极，其第二端接地。

[0059] 输入开关网络600对输入的正输入信号Vp和负输入信号Vn进行周期性切换，使得正输入信号Vp和负输入信号Vn交替输入至第一电压转电流电路601和第二电压转电流电路602的输入端。需要说明的是，本文中正输入信号Vp和负输入信号Vn中的“正”和“负”仅用于区分两路输入信号，并非限定两路输入信号的电压或电流的极性关系，二者例如都可以是正电压信号。

[0060] 在本实施例中，输入开关网络600包括开关S5、开关S6、开关S7、开关S8。其中，开关S5的第一端接收负输入信号Vn，第二端连接第一电压转电流电路601的输入端（在本实施例中具体为第一运算放大器A61的正输入端），其控制端接收第二时钟信号CL0；开关S6的第一端接收负输入信号Vn，其第二端连接第二电压转电流电路602的输入端（在本实施例中具体为第二运算放大器A62的正输入端），其控制端接收第一时钟信号CH0；开关S7的第一端接收正输入信号Vp，其第二端连接第二电压转电流电路602的输入端（本实施例中具体为第二运算放大器A62的正输入端），其控制端接收第二时钟信号CL0；开关S8的第一端接收正输入信号Vp，其第二端连接第一电压转电流电路601的输入端（本实施例中具体为第一运算放大器A61的正输入端），其控制端接收第一时钟信号CH0。

[0061] 电流传递电路用于对差分输入级电路输出的电流进行传递，本实施例中，电流传递电路包括：镜像管P61，其第一端连接电源，其第二端连接第一电压转电流电路601的输出端；镜像管P62，其第一端连接电源，其第二端连接第二电压转电流电路602的输出端，其控制端连接镜像管P61的控制端。镜像管P61和镜像管P62例如可以是MOS晶体管。

[0062] 电流传递开关网络包括开关S1、S2、S3、S4。其中，开关S1的第一端连接镜像管P61的第二端，其第二端连接镜像管P61的控制端，其控制端接收第一时钟信号CH0；开关S2的第一端连接镜像管P61的控制端，其第二端连接镜像管P62的第二端，其控制端接收第二时钟信号CL0；开关S3的第一端连接镜像管P62的第二端，其第二端连接跨导放大器的输出端D，其控制端接收第一时钟信号CH0；开关S4的第一端连接镜像管P61的第二端，其第二端连接跨导放大器的输出端D，其控制端接收第二时钟信号CL0。

[0063] 结合图3至图5，第一时钟信号CH0和第二时钟信号CL0可以由时钟信号发生器220产生，该第一时钟信号CH0和第二时钟信号CL0是周期性的，彼此反相而且非交叠。该时钟信号发生器220可以采用现有技术中任何适当的结构来实现。优选地，该第一时钟信号CH0和第二时钟信号CL0可以为占空比0.5的方波信号。

[0064] 作为一个非限制性的例子，当第二时钟信号CL0为逻辑高而第一时钟信号CH0为逻辑低时，开关S5、S7、S2和S4导通，开关S6、S8、S1和S3断开，图3所示跨导放大器的第一输入端Va接收负输入信号Vn，电阻R1上的电流为Vn/R1，该电流直接连接到输出端D；跨导放大器的第二输入端Vb接收正输入信号Vp，电阻R2上的电流为Vp/R2，该电流经镜像管P61、P62镜像到输出端D，假设镜像管P61到镜像管P62的电流镜像比1:K，则输出电流Iout为：

[0065] Iout1=（Vp/R2/K-Vn/R1）

[0066] 当第二时钟信号CL0为逻辑低而第一时钟信号CH0为逻辑高时，开关S5、S7、S2和S4断开，开关S6、S8、S1和S3导通，图3所示的跨导放大器的第一输入端Va接收正输入信号Vp，电阻R1上的电流为Vp/R1，该电流直接传输到输出端D，跨导放大器的第二输入端Vb接收负输入信号Vn，电阻R2上的电流为Vn/R2，该电流经镜像管P61、P62镜像到输出端D，假设镜像比K，则输出电流Iout为：

[0067] Iout2=（K*Vp/R1-Vn/R2）

[0068] 假设第二时钟信号CL0和第一时钟信号CH0的占空比0.5，则一个时钟信号CL0周期内输出电流的平均值为：

[0069] Ioutavg=0.5*Iout1+0.5*Iout2

[0070] 下面分析使用时钟信号CL0和CH0带来的好处。

[0071] 假设完全对称，即R1=R2，K=1，则有

[0072] Ioutavg=（Vp-Vn）/R1

[0073] 假设R1=1.1*R2，K=1，有：

[0074] Iout1=（Vp/R2/K-Vn/R1）=（Vp-Vn/1.1）/R2，控 制 环路 稳 定，有 Iout1=0，Vp=Vn/1.1。

[0075] Iout2=（K*Vp/R1-Vn/R2）=（Vp/1.1-Vn）/R2，控制环路稳定，有Iout2=0，Vp=1.1Vn。

[0076] 两者求平均，Ioutavg=0.5*（Vp/1.1+Vp-Vn/1.1-Vn）/R2

[0077] 控制环路稳定，有Ioutavg=0，从而Vn=Vp，即可以完全消除电阻偏差导致的失调。

[0078] 同样，令R1=R2，K=1.1，有：

[0079] Ioutavg=0.5*（Vp/1.1+1.1Vp-Vn-Vn）/R2

[0080] 控制环路稳定，有Ioutavg=0，从而1.0045Vn=Vp，即可以基本消除由于镜像偏差导致的失调。

[0081] 参考图6，图6示出了本实施例的LED驱动电路，包括：恒流控制电路900、变压器T1、开关管M1、采样电阻Rcs、续流二极管D2、输出电容Cbulk。其中，变压器T1的原边绕组L2的同名端接收输入电压Vin，变压器T1的副边绕组L3的异名端连接续流二极管D2的正极，副边绕组L3的同名端接地；开关管M1的漏极连接原边绕组L2的异名端，开关管M1的栅极连接恒流控制电路900的输出端；采样电阻Rcs的第一端连接开关管M1的源极以及恒流控制电路900的采样输入端，采样电阻Rcs的第二端接地；输出电容Cbulk的第一端连接续流二极管D2的负极，输出电容Cbulk的第二端接地。需要说明的是，本文中“接地”指的是连接至常规的地，而非浮地。

[0082] 进一步而言，恒流控制电路900包括：跨导放大器901、PWM信号产生电路902、逻辑和驱动电路903、输出等效电流计算电路904以及峰值采样保持电路905。

[0083] 其中，峰值采样保持电路905的输入端连接恒流控制电路900的采样输入端，对采样电阻Rcs上的采样电压进行采样；输出等效电流计算电路904的输入端与峰值采样保持电路905的输出端相连，根据采样得到的采样电压计算输出等效电流，并输出表示该输出等效电流的等效电压；跨导放大器901的第一输入端连接输出等效电流计算电路904的输出端，其第二输入端接收参考电压Vref1，对等效电压和参考电压Vref1进行误差放大；PWM信号产生电路902的输入端连接跨导放大器901的输出端，根据跨导放大器901输出的误差信号产生PWM信号GT1，该PWM信号GT1的占空比由上述误差信号调节；逻辑和驱动电路903的输入端连接PWM信号产生电路902的输出端，PWM信号GT1经由该逻辑和驱动电路
903处理后得到驱动信号GT，该驱动信号GT传输至开关管M1的栅极，用以控制开关管M1的导通和关断。

[0084] 另外，该恒流控制电路900还可以具有补偿端口COMP，该补偿端口COMP与跨导放大器901的输出端以及PWM信号产生电路902的输入端相连。该补偿端口COMP可以外接补偿元件，例如由电阻、电容串联或并联而成。

[0085] 图6中的跨导放大器901的结构即为图3所示的跨导放大器电路结构，这里不再做详细说明。由于跨导放大器901采用输入开关网络和电流传递开关网络轮流切换差分输入级电路以及电流的传递路径，因此可以显著提高输出电流的一致性。

[0086] 本领域技术人员应当理解，图6仅是示意，实际上，本实施例的跨导放大器结构可以应用于任何包含跨导放大器的LED驱动电路中。

[0087] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。