(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための方法であって、
電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるステップと、
出力に正確な電流レベルをステアリングするために、サンプリングおよび保持アセンブリによって、ドレイン電圧をサンプリングおよび保持するステップであって、第2のスイッチを作動させるステップを含むステップと、
所望の出力電流ターンオン時間の前に前記サンプリングおよび保持アセンブリからの電流シンクが前記正確な電流レベルに安定させるステップであって、
第1のスイッチを作動させるステップと、
前記第1のスイッチを停止させるとともに第3のスイッチを作動させるステップと
を含むステップと、
出力電流を停止するステップであって、
前記第2のスイッチを停止させるステップと、
前記第3のスイッチを停止させるステップと
を含むステップと
を含み、
前記第1のスイッチは、前記サンプリングおよび保持アセンブリから出力トランジスタのゲートへの電流経路をスイッチングし、
前記第2のスイッチは、前記第3のスイッチによってスイッチングされた前記出力電流の前記サンプリングおよび保持アセンブリへの経路をスイッチングする、方法。
【請求項２】
電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための装置であって、
電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるための手段と、
出力に正確な電流レベルをステアリングするために、ドレイン電圧をサンプリングおよび保持するための手段であって、第2のスイッチを作動させるための手段を含む手段と、
所望の出力電流ターンオン時間の前に前記サンプリングおよび保持するための手段からの電流シンクが前記正確な電流レベルに安定させるための手段であって、
第1のスイッチを作動させるための手段と、
前記第1のスイッチを停止させるとともに第3のスイッチを作動させるための手段と
を含む手段と、
出力電流を停止するための手段であって、
前記第2のスイッチを停止させるための手段と、
前記第3のスイッチを停止させるための手段と
を含む手段と
を含み、
前記第1のスイッチは、前記サンプリングおよび保持するための手段から出力トランジスタのゲートへの電流経路をスイッチングし、
前記第2のスイッチは、前記第3のスイッチによってスイッチングされた前記出力電流の前記サンプリングおよび保持するための手段への経路をスイッチングする、装置。
【請求項３】
実行されたとき、プロセッサに、
電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるステップと、
出力に正確な電流レベルをステアリングするために、サンプリングおよび保持アセンブリによって、ドレイン電圧をサンプリングおよび保持するステップであって、第2のスイッチを作動させるステップを含むステップと、
所望の出力電流ターンオン時間の前に前記サンプリングおよび保持アセンブリからの電流シンクが前記正確な電流レベルに安定させるステップであって、
第1のスイッチを作動させるステップと、
前記第1のスイッチを停止させるとともに第3のスイッチを作動させるステップと
を含むステップと、
出力電流を停止するステップであって、
前記第2のスイッチを停止させるステップと、
前記第3のスイッチを停止させるステップと
を含むステップと
を行わせる、電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための命令を含み、
前記第1のスイッチは、前記サンプリングおよび保持アセンブリから出力トランジスタのゲートへの電流経路をスイッチングし、
前記第2のスイッチは、前記第3のスイッチによってスイッチングされた前記出力電流の前記サンプリングおよび保持アセンブリへの経路をスイッチングする非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、発光ダイオード(LED)に関し、より詳細には、LEDの高速ターンオン時間を達成するための複製ループを用いたドレインスイッチングのための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル調光は、広範囲の平均発光ダイオード(LED)電流を達成する非常に普及している方法である。デジタル調光は、低デューティサイクルにおいてアナログ調光よりも精度が高い。しかしながら、デジタル調光は、電流シンクまたは電流源の整定時間についての欠点を有する。極めて高い精度のデジタル調光を達成するために、出力電流をターゲット電流値に極めて迅速に安定させる必要がある。これは、特に、オーディオ帯域の外側にある高パルス幅変調(PWM)周波数が使用され、低デューティサイクルが必要とされる場合に真である。PWMは、中間電力量を与える効率的な方法であり、電気デバイスへの電力を制御するための一般的に使用される技法である。
【０００３】
デジタル調光における整定時間についての問題に対する過去の解決策は、出力電流源をオンオフするものであった。出力電流源は、20mAなどの大電流および、典型的には250mVを下回る低ヘッドルームのために大きいキャパシタンスを有する。ターンオン整定時間は、動作可能増幅器出力段駆動容量および帯域幅によって制限される。ターンオン時間は、しばしば、数百ナノ秒である。
【０００４】
当技術分野では、LED駆動の高速ターンオン時間を達成し、高PWM周波数および低デューティサイクルにおいて温度をまたいだ正確なPWM調光を行うために、複製ループを用いたドレインスイッチングが必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する実施形態は、複製ループを用いた電流ドレインスイッチングのための方法を提供する。本方法は、電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるステップと、出力トランジスタのスケーリングされ整合した複製と電流検出抵抗器とを使用して出力トランジスタの動作点を複製するステップとを含む。本方法は、次いで、出力検出抵抗器から整合した複製センサーにフィードバック電圧をシフトし、出力トランジスタから複製トランジスタにゲートの出力をシフトする。次いで、出力トランジスタのゲート電荷を保持するために第1のスイッチが作動される。複製トランジスタのドレインをバイアスするためにドレイン電圧をバッファ中にサンプリングおよび保持するために第2のスイッチが作動される。次いで、出力電流を停止するために第3のスイッチが作動される。
【０００６】
追加の実施形態は、複製ループを用いた電流ドレインスイッチングのための装置を提供する。本装置は、電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるための手段と、出力トランジスタのスケーリングされ整合した複製と電流検出抵抗器とを使用して出力トランジスタの動作点を複製するための手段と、出力トランジスタから複製トランジスタにフィードバック電圧をシフトするための手段と、出力トランジスタのゲート電荷を保持するために第1のスイッチを作動させるための手段と、複製トランジスタのドレインをバイアスするためにドレイン電圧をバッファ中にサンプリングおよび保持するために第2のスイッチを作動させるための手段と、出力電流を停止するために第3のスイッチを作動させるための手段とを含む。
【０００７】
またさらなる実施形態は、電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための方法を提供する。本方法は、電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるステップと、所望の出力電流ターンオン時間より前に内部電流源からの電流シンクを可能にし、電流源を正確なレベルに安定させるために第1のスイッチを作動させるステップとを含む。本方法は、次いで、第3のスイッチが作動される前に第2のスイッチがプリセットされた位置に残されるステップと、内部源から出力に正確な電流をステアリングするために第1のスイッチを停止させるステップとを提供する。
【０００８】
またさらなる実施形態は、電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための装置を提供する。本装置は、電流を整合させるための電流検出抵抗器と、基準抵抗器と、出力トランジスタと、出力検出抵抗器と、内部電流経路を与える第1のスイッチと、ドレイン電圧をサンプリングおよび保持するための第2のスイッチと、複製トランジスタのドレインをバイアスするためにドレイン電圧を保持するためのバッファと、出力電流を停止するための第3のスイッチとを含む。
【０００９】
さらなる実施形態は、電流ステアリングを用いた電流ドレインスイッチングのための装置を提供する。本装置は、電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させるための手段と、所望の出力電流ターンオン時間の前に内部電流源からの電流シンクが電流を正確なレベルに安定させることを可能にするために第1のスイッチを作動させるための手段と、第2のスイッチをプリセットされた位置に残すための手段と、第3のスイッチを作動させ、内部源から出力に正確な電流をステアリングするために第1のスイッチを停止させるための手段とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】デジタル調光のための線形ランプアップモデルを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、LED電流のデジタル調光のための装置を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ドレインスイッチング装置の代替実施形態を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、複製を共有する複数の出力段を用いたLEDのドレインスイッチングのための装置を示す図である。
【図５】本発明の一態様による、複製ループを用いたドレインスイッチングの方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照しながら様々な態様について説明する。以下の説明では、説明の目的で、1つまたは複数の態様の完全な理解を与えるために多数の具体的な詳細を記載する。しかしながら、そのような(1つまたは複数の)態様がこれらの具体的な詳細なしに実践され得ることは明白であり得る。
【００１２】
本出願で使用する「構成要素」、「モジュール」、「システム」などの用語は、限定はしないが、ハードウェア、ファームウェア、ハードウェアとソフトウェアの組合せ、ソフトウェア、または実行中のソフトウェアなどのコンピュータ関連エンティティを含むものとする。たとえば構成要素は、プロセッサ上で作動しているプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行可能、実行スレッド、プログラムおよび/またはコンピュータであってよいが、これらであることに限定されない。例として、コンピューティングデバイス上で実行されるアプリケーションと、そのコンピューティングデバイスの両方が、構成要素であり得る。1つまたは複数の構成要素が、プロセスおよび/または実行スレッド内に存在することができ、1つの構成要素が、1つのコンピュータ上に局在化され、および/または2つ以上のコンピュータ間に分散され得る。さらに、これらの構成要素は、様々なデータ構造を記憶している様々なコンピュータ可読記録媒体から実行することができる。これらの構成要素は、信号によって、ローカルシステム、分散システム内の別の構成要素と対話し、かつ/またはインターネットなどのネットワークを介して他のシステムと対話する1つの構成要素からのデータのような1つまたは複数のデータパケットを有する信号に従うことなどによって、ローカルプロセスおよび/またはリモートプロセスによって通信し得る。
【００１３】
さらに、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味するものとする。すなわち、別段の規定がない限り、または文脈から明白でない限り、「XはAまたはBを使用する」という語句は、自然な包括的置換のいずれかを意味するものとする。すなわち、「XはAまたはBを使用する」という語句は、以下の例のいずれかによって満足される。XはAを使用する。XはBを使用する。または、XはAとBの両方を使用する。さらに、本出願および添付の特許請求の範囲で使用する冠詞「a」および「an」は、別段の規定がない限り、または単数形を示すことが文脈から明白でない限り、概して「1つまたは複数」を意味するものと解釈すべきである。
【００１４】
図1に、デジタル調光のための単純な線形ランプアップモデルを示す。TR/TON=10%であるとき、現在の誤りは、破線で囲まれた三角形のエリアによって示すように、5%である。PWM周波数が18.75Khzである場合、デューティサイクル=1/128であり、TON=417nsである。このシナリオでは、整定時間が41.7nsである場合、誤りは5%である。PWM周波数がより高くなり、デューティサイクルがより低くなると、TONはより小さくなり、誤りがより大きくなる。
【００１５】
PWMは、中間電力量を与える効率的な方法であり、電気デバイスへの電力を制御するために一般的に使用される技法である。LEDは、PWMによって電力供給され得るデバイスの一例である。
【００１６】
LEDデバイスは、様々な動作状態および動作モードをシグナリングするためにモバイルデバイスにおいて一般的に使用されるが、同様に多種多様な他の電子デバイスにおいても使用され得る。本明細書の説明は、モバイルデバイスのコンテキストにおけるデジタル調光について論じたが、本明細書で説明する方法および装置は、LEDデバイスのデジタル調光が必要とされる場合はいつでも適用可能である。本明細書で説明する実施形態は、低静止電流での高速過渡精度を必要とする広範囲の製品において使用され得る。さらに、説明する実施形態は、高速過渡パフォーマンスと低静止電力との間のジレンマを解決する。
【００１７】
図2に、ターンオン時間が出力電流源ゲートキャパシタンスによって制限されないことを実現するタイミング制御機構を提供する実施形態を示す。デジタル調光アセンブリ200は、入力として基準電流IREF202を使用する。基準電流202は、動作可能な増幅器(オペアンプ)204への入力であり、詳細には、正端子への入力である。さらに、基準電流202はまた、抵抗器206への入力である。図2に、20kオーム抵抗器として抵抗器206を示すが、適用例および回路の実装形態に応じて、他の値が使用され得る。異なるデバイスは、異なる電力および電流要件をもつ異なるLEDを使用し得る。抵抗器206は、特定の適用例に好適な任意の値であり得る。オペアンプ204は、単極双投スイッチ234からの入力を受信し、単極双投スイッチ234は、複製ループゲート電荷保持アセンブリ214と出力アセンブリ222とからの入力を受信する。複製ループゲート電荷保持アセンブリ214は、金属酸化物シリコン電界効果トランジスタ(MOSFET)216と、20kオーム抵抗器として示されているが、特定の適用例に好適な任意の値であり得る抵抗器218とを含む。増幅器204からの出力はスイッチ220に結合され、スイッチ220は、MOSFET226と抵抗器224とからなる出力電流ドライバアセンブリ222との接続を入切する。抵抗器224は、5オーム抵抗器として示されているが、抵抗器224は、特定の適用例に好適な任意の値であり得る。
【００１８】
MOSFET216は、入力として、サンプリングおよび保持アセンブリ208の出力を受信する。サンプリングおよび保持アセンブリ208は、キャパシタ212を含み、キャパシタ212は、やはりオペアンプ210への入力である出力段ドレイン電圧を格納する。オペアンプ210は、負入力がオペアンプ210の負のフィードバックループである電流ドライバとして機能する。サンプリングおよび保持アセンブリはまた、LED230を回路から入切するスイッチ228に接続される。
【００１９】
図2の実施形態は、出力電流の整定時間が比較的低い帯域幅および低い電流オペアンプに限定されないことを実現する。オフ時間中に、複製ループは同じ動作点を維持する。
【００２０】
図2の実施形態は、ターンオン時間が出力電流源のゲートキャパシタンスによって制限されないことを保証するタイミング制御機構を実現する。ゲート電荷はオフ状態中に保持される。ドレインおよびゲートスイッチの随意の重複しない制御は、さらに、ゲート電荷を保持する。順に、スイッチ220は、ゲート電圧を同じに保つために開かれる。許容できる整合のために出力段と複製との間の動作点が小さい場合、これは随意である。スイッチ220はドレイン電荷を保持する。スイッチ232および228を開く際と、単極双投スイッチ234を切り替える際に遅延はほとんどない。
【００２１】
またさらなる実施形態は、随意のドレイン追跡がオフ状態中の動作点整合をさらに改善し、精度をさらに改善することができることを実現する。
【００２２】
図2は、LEDドライブ230の高速ターンオン時間を達成するために複製ループを用いたドレインスイッチングを行う。そのトポロジーは、高PWM周波数および低デューティサイクルにおいて温度をまたいだ+/-2%の正確なPWM調光電流精度を達成する。図2に、停止(スイッチ220→スイッチ232→スイッチ228)と作動(スイッチ228→スイッチ232→スイッチ220)とのための重複しないスイッチシーケンスを提供する。スイッチ234は、常に、スイッチ220と同時に位置をシフトする。
【００２３】
図3に、電流ステアリングを行う代替実施形態を示す。図3に示す実施形態では、ターンオン時間は出力電流源によって制限されない。出力電流ドライバは、早くオンにされるので、内部源から出力ピンに電流の進路を変更する前に、それは所望のレベルに安定する。アセンブリ300は、オペアンプ304の正端子への入力である基準電流源IREF302を含む。オペアンプ304への負入力はフィードバック電流増幅器である。基準電流源302はまた、20kオームとして示されている抵抗器306に接続されるが、抵抗器306の値は、特定の適用例および回路の実装形態に基づいて選択され得る。
【００２４】
オペアンプ304からの出力は、MOSFET322に与えられる。MOSFET322はまた、入力として、サンプリングおよび保持アセンブリ308の出力を受信する。サンプリングおよび保持アセンブリ308は、オペアンプ310への入力である出力ピンの電圧を保持するキャパシタ312を含む。オペアンプ310は、電圧フォロワ電流ドライバとして機能する。オペアンプ310の入力は、スイッチ314に接続される。サンプリングおよび保持アセンブリはまた、LED326を回路から入切するスイッチ316およびスイッチ324に接続される。
【００２５】
スイッチ324はまた、出力電流ドライバアセンブリ318からの入力を受信する。出力電流ドライバアセンブリ318はMOSFET322を含み、MOSFET322は、オペアンプ304に接続され、検出抵抗器320にも接続される。検出抵抗器320は、5オームとして示されているが、適用例および回路の実装形態に好適な任意の値であり得る。
【００２６】
図3では、停止シーケンスは、スイッチ314オフ→スイッチ324オフである。作動シーケンスは、スイッチ316オン→スイッチ324オン/スイッチ316オフ→スイッチ314オンである。この実施形態の利点は、出力ドライバ全体がオフであることによるオフモード中の低静止電流である。随意のドレイン追跡は、外部LED順方向電圧を検知し、したがって、オフ状態中の動作点整合を改善し、さらに精度を改善することができる。
【００２７】
図4に、追加の実施形態による、複製を共有する複数の出力段を用いたドレインスイッチングのための装置を示す。アセンブリ400は、オペアンプ404の入力である基準電流からの正端子での入力I_REF402を含む。抵抗器406はまた、オペアンプ404の正端子への入力を与える。抵抗器406は、20kオーム抵抗器であるものとして示されているが、この値は、本実施形態が適用される適用例に応じて調整され得る。オペアンプ404は、単極双投スイッチ438および440からの入力を負入力で受信する。オペアンプ404の出力は、MOSFET416への入力である。MOSFET416はまた、オペアンプ410の出力に接続される。オペアンプ410は、キャパシタ408からの入力を正端子で受信し、またスイッチ412および414に接続される。スイッチ412はまた、スイッチ432とMOSFET422とに接続される。MOSFET422は、さらに、単極双投スイッチ438と抵抗器426とに接続される。単極双投スイッチ440の出力はまた、20キロオームの値を有するものとして示されている抵抗器418に接続される。抵抗器418の値は、特定の適用例の要求に応じて変更され得る。MOSFET416は、スイッチ420に接続され、スイッチ420を通してMOSFET422に接続される。MOSFET416は、スイッチ424を通してMOSFET430に接続される。MOSFET422はまた、25キロオームとして示されている、その値が適用例の要求に応じて変更され得る抵抗器426に接続される。MOSFET430は、同様にスイッチ414に接続され、スイッチ434にも接続され、また、6.25オームとして示されている、その値が適用例の要求に基づいて選択され得る抵抗器428に接続される。スイッチ434は、LED436に接続され、スイッチ432にも接続される。スイッチ432は、スイッチ412にも接続される。
【００２８】
図5に、本発明の一実施形態の使用のフローチャートを与える。方法500は、ステップ502で開始し、電流検出抵抗器を横断する電圧を、整合した基準抵抗器を横断する基準電流によって作成される電圧に整合させる。ステップ504において、出力トランジスタの動作点が、出力トランジスタのスケーリングされ整合した複製と電流検出抵抗器とを使用して複製される。ステップ506において、フィードバック電圧が、出力検出抵抗器から整合した複製抵抗器にシフトされる。ステップ508において、出力トランジスタから複製トランジスタへのゲートの出力がシフトされる。この時点で、ステップ508において、出力トランジスタのゲート電荷を保持するために第1のスイッチが作動される。ステップ510において、複製トランジスタのドレインをバイアスするためにドレイン電圧をバッファ中にサンプリングおよび保持するために第2のスイッチが作動される。ステップ512において、出力電流を停止するために第3のスイッチが作動される。
【００２９】
開示したプロセスにおけるステップの特定の順序または階層は、例示的な手法の一例であることを理解されたい。設計上の選好に基づいて、プロセスにおけるステップの特定の順序または階層は再構成可能であることを理解されたい。添付の方法クレームは、様々なステップの要素を例示的な順序で提示したものであり、提示された特定の順序または階層に限定されるものではない。
【００３０】
上記の説明は、本明細書に記載された様々な態様を当業者が実践することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な修正が当業者には容易に明らかとなり、本明細書で定義する一般的な原理は、他の態様に適用され得る。したがって、特許請求の範囲は本明細書で示す態様に制限されるよう意図されているわけではなく、特許請求の範囲の文言と一致するすべての範囲が与えられるべきであり、単数の要素への言及は、そのように明記されていない限り、「唯一無二の」ではなく、「1つまたは複数の」を意味するよう意図されている。別段に明記されていない限り、「いくつかの」という用語は1つまたは複数を指す。当業者に知られている、または後で知られることになる本開示全体にわたって説明する様々な態様の要素に対するすべての構造的および機能的均等物は、参照により本明細書に明確に組み込まれ、特許請求の範囲によって包含されるものとする。その上、本明細書で開示された内容は、そのような開示が特許請求の範囲で明記されているか否かにかかわらず、公に供するものではない。いかなるクレーム要素も、要素が「ための手段(means for)」という語句を使用して明確に記載されていない限り、ミーンズプラスファンクションとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００３１】
200  デジタル調光アセンブリ
202  基準電流IREF
204  増幅器(オペアンプ)
204  増幅器
206  抵抗器
208  サンプリングおよび保持アセンブリ
210  オペアンプ
212  キャパシタ
214  複製ループゲート電荷保持アセンブリ
216  金属酸化物シリコン電界効果トランジスタ(MOSFET)
218  抵抗器
220  スイッチ
222  出力電流ドライバアセンブリ
224  抵抗器
226  MOSFET
228  スイッチ
230  LEDドライブ
232  スイッチ
234  単極双投スイッチ
234  スイッチ
300  アセンブリ
302  基準電流源IREF
304  オペアンプ
306  抵抗器
308  サンプリングおよび保持アセンブリ
310  オペアンプ
312  キャパシタ
314  スイッチ
316  スイッチ
318  出力電流ドライバアセンブリ
320  検出抵抗器
322  MOSFET
324  スイッチ
326  LED
400  アセンブリ
402  入力I_REF
404  オペアンプ
406  抵抗器
408  キャパシタ
410  オペアンプ
412  スイッチ
414  スイッチ
416  MOSFET
418  抵抗器
420  スイッチ
422  MOSFET
424  スイッチ
426  抵抗器
428  抵抗器
430  MOSFET
432  スイッチ
434  スイッチ
436  LED
438  単極双投スイッチ
440  単極双投スイッチ
【図１】
0005872112.tif 000002
【図２】
0005872112.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005872112.tif 000006