一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组及控制方法

技术领域

本发明涉及恒流源控制领域，具体涉及一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组及控制方法。

背景技术

参考图1所示，是一种常用的共阳LED显示屏恒流源驱动芯片内的恒流源驱动产生电路，上图中的R_EXT为驱动芯片的外置电阻。

设图1中的所有放大器的增益无限大，恒流源的产生原理如下：

从Bandgap产生出需要的参考电位VREF1；

NM0的源端电位被放大器AMP1钳位到VREF1，所以流过PM0的源漏电流大小为： I0＝VREF1/R_EXT；

PM1和PM0为电流镜，设电流镜的电流比例(PM1的源漏电流比PM0的源漏电流)为K，那么所以PM1的源漏电流大小为I1＝K*VREF1/R_EXT；

恒流源通道开启时，放大器AMP3、AMP_C分别将NM1、NM_C0的漏端电位钳位至VREF2，恒流源输出通道的NM_C0的所有端口的电位与NM1的所有端口的电位相同，通道的输出电流大小为NM1源漏电流大小的比例镜像，设镜像比例为J，那么恒流源通道此时的输出恒流大小(绝对值)为IOUT＝J*K*VREF/R_EXT。

在一般的恒流源驱动芯片中，J*K为一个固定值，所以恒流源通道的输出恒流大小通常都是由外置电阻R_EXT的电阻大小决定。

一般的恒流源驱动芯片的恒流通道的输出恒流范围都比较宽(对于市场上的绝大部分芯片来说，最大输出值时最小输出值的10倍以上)，此时的电流变化量是通过R_EXT来进行的调整，那么上面的I0、I1和IOUT的变化量都在10倍以上，PM0、PM1、NM1和每个通道的NM_C0的参数需要满足在最大的输出电流下可以正常的工作，那么输出电流最小的时候，PM0、PM1、NM1和每个通道的NM_C0，它们的|VGS|(VGS的绝对值)都会很小，这样会使得上面提到的两组电流镜变差，输出的恒流源精度也会变差。

为了满足恒流芯片输出恒流的范围和精度，恒流驱动芯片通常会对输出电流范围进行分段处理：

为了满足最小输出电流的精度，需要增加PM0、PM1、NM1和NM_C0的W*L，也就是增加上述4种器件的面积，最有效的方法是增加L；

由于电源电压VDD的限制，PM0、PM1、NM1和NM_C0的|VGS|

流过NM1的电流I1与R_EXT的大小成反比，NM1的漏极电压为固定电位VREF2，则NM1的栅极电压VG随着R_EXT的减小而增大。因此，可以通过检测NM1的栅极电压VG，来确定芯片是否工作在正确的电流段。由电压检测模块将VG电压分别与设计的参考电压 VRB、VRT作比较，比较结果输出至选段控制模块。选段控制模块根据比较结果产生相应的控制信号，控制PM0、PM1、NM1和NM_C0宽长比的调整。当检测到VRBVRT时，各MOS管的宽长比做相对应的调整

常见的宽长比调整方法有两种：

保持PM0、PM1的宽长比不变，即I1与I0的镜像比例K保持不变，为保持J*K不变，则IOUT与I1的镜像比例J保持不变。随着输出电流的增大，逐段增大NM1和NM_C0的 W/L，两者增大的比例相同。

保持PM0、NM1的宽长比不变，随着输出电流的增大，逐段增大NM_C0的W/L，则IOUT与I1的镜像比例J逐段增大。为保持J*K不变，I1与I0的镜像比例K需逐级减小，即需逐段减小PM1的W/L。

为了满足输出恒流的范围与精度，上述两种方案中I1的设计值均较大。

对于方法一，随着所需的IOUT电流的增大，I1也等比例增大，因此增大了芯片的功耗。

对于方法二，镜像比例K逐段减小，与方法一相比，功耗会略有降低，但由于PM1的W/L逐段减小，PM1的面积也就逐段减小，PM1与PM0的精度将逐段降低。并且，镜像比例J、K需同时变化且J*K保持不变，这不便于各电流段MOS管宽长比的设计。

对于上述两种方法，由于PM0的宽长比保持不变，如前所述，PM0的宽长比需要满足在最大的输出电流下可以正常的工作，那么输出电流最小的时候，PM0、PM1的|VGS|(VGS 的绝对值)会很小，该电流镜的精度变差，输出的恒流源精度也会变差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组及控制方法，用于检测驱动芯片的内部电流，将其控制在一定的范围内，当其设置的较小时，即可降低芯片功耗。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，包括：

与恒流源驱动芯片的第一电流镜输入通道形成R_EXT电流镜的MOS管，以及与R_EXT 电流镜连接的电流检测模块；

其中，第一电流镜的输入通道由宽长比例可调的MOS管组件构成，用于连接输入电流 I0以及片外电阻R_EXT；

R_EXT电流镜用于产生输入电流I0的镜像电流Icmp[x]；

电流检测模块将镜像电流Icmp[x]与参考电流[IRB，IRT]进行比较，当Icmp[x]不在参考电流[IRB，IRT]的区间范围内时，调节R_EXT电流镜的镜像比例A[X]，直至IRB＜Icmp[x] ＜IRT为止；

其中，IRB为参考电流下限值，IRT为参考电流上限值。

在本发明中利用电流镜原理，构建驱动芯片输入电流的镜像电流，也就是外置电阻 R_EXT的镜像电流，以该电流作为检测结果与参考电流进行比较，在本方案中为了降低芯片内部功耗，也就是避免芯片内部电流(即第一电流镜的输出电流I1)过大，根据输入电流I0 的幅值对第一电流镜的镜像比例进行调节，使得第一电流镜的输出电流始终维持不变或维持在一个较小的波动范围内，当I1设计的足够小时，就能够降低芯片内部功耗，同时也能保证电流镜中各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于一个较大的值，电流镜的精度不会随输出恒流的大小变化而发生较大的变化，有利于提高恒流输出的精度。

进一步的，所述电流检测模块由两个比较器和一个逻辑电路组成；

两比较器分别与逻辑电路连接，两比较器的基准端分别输入参考电流IRB和参考电流IRT，其比较端分别接镜像电流Icmp[x]；

所述逻辑电路根据比较结果输出控制指令，调节R_EXT电流镜的镜像比例A[X]，直至 IRB＜Icmp[x]＜IRT为止。

进一步的，所述R_EXT电流镜为一个或两个，分别输出镜像电流Icmp[x]，其中x为对应R_EXT电流镜编号。

进一步的，当R_EXT电流镜为两个时，Icmp[1]＝Icmp[2]，或Icmp[1]＝kIcmp[2]，其中， k为系数。

进一步的，所述逻辑电路的控制策略为：

当检测到IRB

当检测到Icmp[x]

当检测到Icmp[x]>IRT时，芯片工作的电流段由第X段变为第X+1段，R_EXT电流镜的镜像比例由A[X]变为A[X+1]，镜像电流Icmp[x]减小，进行下一轮检测，直至检测到IRB

其中，A[1]到A[X]逐渐减小，X取值即为恒流源驱动芯片的电流分段数量。

进一步的，所述MOS管组件由多个MOS管连接而成，其连接线路中设置有开关元件。

进一步的，所述逻辑电路与处理器或寄存器连接，所述处理器或寄存器与所述开关元件连接用于控制MOS管组件中MOS管的接入个数；

或，

所述逻辑电路直接与开关元件连接用于控制MOS管组件中MOS管的接入个数。

进一步的，所述MOS管组件中各MOS管连接方式为串联或并联。

进一步的，所述开关元件为二极管或继电器开关。

进一步的，所述第一电流镜与一个或多个第二电流镜连接，其连接方式包括：

第一电流镜与一个或多个第二电流镜顺次连接，连接在末尾的电流镜作为恒流输出通道；

或；

第一电流镜与一个或多个第二电流镜分别连接，每个第二电流镜分别作为一个恒流输出通道。

一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测控制方法，用于驱动芯片的恒流源选段检测模组中实现选段检测控制，包括：

1)获取输入电流I0的镜像电流Icmp[x]；

2)将镜像电流Icmp[x]与参考电流[IRB，IRT]进行比较，当Icmp[x]不在参考电流[IRB， IRT]的区间范围内时，调节驱动芯片的第一电流镜的镜像比例A[X]；

3)重复2)直至IRB＜Icmp[x]＜IRT为止。

最后还包括一个输出电流的控制调节，也就是调节驱动芯片的第二电流镜的镜像比例 J[X]，使得输出电流IOUT＝I1*J[X]，其中I1为第一电流镜的输出电流，也就是第二电流镜的输入电流。

进一步的，所述2)的具体步骤包括：

当检测到IRB

当检测到Icmp[x]

当检测到Icmp[x]>IRT时，芯片工作的电流段由第X段变为第X+1段，R_EXT电流镜的镜像比例由A[X]变为A[X+1]，镜像电流Icmp[x]减小，进行下一轮检测，直至检测到 IRB

本发明的有益效果是：通过对Icmp[x]的检测，可以直接保证驱动芯片电流镜中的单个 MOS管的电流大小处于合理的工作区间，使各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于一个较大的值，电流镜的精度不会随输出恒流的大小变化而发生较大的变化，有利于提高恒流输出的精度。在满足恒流输出精度的情况下，电流I1的值可以设计得足够小，有利于降低芯片的功耗。

附图说明

图1是现有技术输出电流选段检测原理图；

图2是本发明原理图；

图3是电流检测模块原理图；

图4是P型MOS管的连接示意图；

图5是N型MOS管的连接示意图；

图6是本发明应用于共阳恒流驱动芯片中的实例电路；

图7是本发明应用于共阴恒流驱动芯片中的实例电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

参考图2所示，一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，适用于恒流源驱动芯片中，实现恒流源驱动芯片的恒流输出控制，为了实现本发明的技术效果，本方案中的恒流源驱动芯片是指由镜像比例可调的第一电流镜和第二电流镜组成的恒流输出通道，本发明的目的旨在调节第一电流镜和第二电流镜之间的电流I1处在一个预设的范围值内，使其波动范围较小，或者说保持不变，当I1设计得足够小时，就能降低芯片的功耗，同时保证了电流镜中各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于一个较大的值，电流镜的精度不会随输出恒流的大小变化而发生较大的变化，有利于提高恒流输出的精度。

本发明旨在提供一个输出电流控制的检测方案，一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，包括：

与恒流源驱动芯片的第一电流镜输入通道形成R_EXT电流镜的MOS管，以及与R_EXT 电流镜连接的电流检测模块；

其中，第一电流镜的输入通道由宽长比例可调的MOS管组件构成，用于连接输入电流 I0以及片外电阻R_EXT；

R_EXT电流镜用于产生输入电流I0的镜像电流Icmp[x]；

电流检测模块将镜像电流Icmp[x]与参考电流[IRB，IRT]进行比较，当Icmp[x]不在参考电流[IRB，IRT]的区间范围内时，调节R_EXT电流镜的镜像比例A[X]，直至IRB＜Icmp[x] ＜IRT为止，其中，IRB为参考电流下限值，IRT为参考电流上限值。

在本发明中利用电流镜原理，构建驱动芯片输入电流的镜像电流，也就是外置电阻 R_EXT的镜像电流，以该电流作为检测结果与参考电流进行比较，在本方案中为了降低芯片内部功耗，也就是避免芯片内部电流(即第一电流镜的输出电流I1)过大，根据输入电流I0 的幅值对第一电流镜的镜像比例进行调节，使得第一电流镜的输出电流始终维持不变或维持在一个较小的波动范围内，当I1设计的足够小时，就能够降低芯片内部功耗，同时也能保证电流镜中各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于一个较大的值，电流镜的精度不会随输出恒流的大小变化而发生较大的变化，有利于提高恒流输出的精度。

对于PMOS，工作在饱和区，电流公式如下：

公式中，μ、C

由于所需的IOUT变化范围较大，IOUT最大值可能是IOUT最小值的10倍以上，而I

为了满足IOUT的输出范围和精度，需要把PM0、PM1的面积做的很大才能减小失调电压V

对于NMOS，工作在线性区，电流计算公式如下

与PMOS类似的，当IOUT较大时，V

可选的，一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，在本方案中R_EXT电流镜可以是一个或者两个，以分别对应IRB和IRT进行对比检测，参考图4所示，在本实施例中第一电流镜由P型MOS管组件PM0和MOS管MP1组成，其中，PM0是MOS管组件的等效电路，其实际电路如图4所示是由多个P型MOS管并联组成的，通过控制PM0中MOS 管接入数量即可调节第一电流镜的镜像比例K，其中第一电流镜的输出电流为I1，该电流I1 也是第二电流镜的输入电流，由图4可以看出，第二电流镜的本质是由N型MOS管NM1和 NM_C0组成的，NM1与MP1连接作为第二电流镜的输入端，NM_C0作为恒流输出通道，其中NM_C0是由多个N型MOS管并联组成的，其原理参考图5，使得第二电流镜的镜像比例J可调节。

可选的，MP1和NM_C0除上述并联方式以外，还可以采用串联的方式，区别在于并联方式通过改变MOS管接入数量调节的是MP1和NM_C0的宽度，采用串联的方式调节的是 MP1和NM_C0的长度，其最终目的都能实现第一电流镜和第二电流镜的镜像比例调节。

可选的，一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，镜像电流Icmp[x]是由MOS 管PM3和PM4实现的，其中PM3和PM4分别与PM0构成R_EXT电流镜，用于输出Icmp[x]，也就是Icmp[1]和Icmp[2]，也就是通过采集Icmp[1]和Icmp[2]实现I1的检测，在本实施例中可设计Icmp[1]＝Icmp[2]＝Icmp，在实际应用中也可以设计为不同，例如设计Icmp[1]＝k*Icmp[2]，在进行比对时，同倍放大或缩小参考电流即可，为了使得计算更加简单，本实施例采用 Icmp[1]＝Icmp[2]＝Icmp的形式，且有Icmp＝A[X]*I0，A[X]为R_EXT电流镜的镜像比例，其中I1＝K[X]*I0，也就是说I1＝(K[X]/A[X])*Icmp，也就是说可以通过检测Icmp[1]和Icmp[2] 的值，反映出I1的大小，换言之，控制了Icmp的输出控制，也就是实现了I1的输出控制，因为K[X]和A[X]的值都是由第一电流镜的MOS管组件调节实现，也就是说K[X]和A[X]之间同步变化，通过调节Icmp达到了调节I1的技术目的。

可选的，一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组，参考图3所示，电流检测模块由两个比较器和一个逻辑电路组成；两比较器分别与逻辑电路连接，两比较器的基准端分别输入参考电流IRB和参考电流IRT，其比较端分别接镜像电流Icmp[x]；逻辑电路根据比较结果输出控制指令，调节R_EXT电流镜的镜像比例A[X]，直至IRB＜Icmp[x]＜IRT为止，逻辑电路与处理器或寄存器连接，处理器或寄存器与开关元件连接用于控制MOS管组件中MOS管的接入个数；或，逻辑电路直接与开关元件连接用于控制MOS管组件中MOS管的接入个数。

在本发明提供的一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，电流检测模块的作用主要是用于实现镜像电流Icmp[x]的采样比较，也就是说凡是本领域已知的采用比较电路均可用于本方案中，本发明的设计构思并不局限于本实施例所公开的一种电流检测模块。

可选的，在一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，电流检测模块可以是由采样电路和处理器组成的，将采集的镜像电流Icmp[x]送入一个处理器中，处理器内预设参考电流[IRB，IRT]的阈值，通过处理器的内部逻辑处理完成控制指令的输出，在该方案中，仅需要一个R_EXT电流镜即可，也就是将采样电流Icmp直接送入处理器中即可完成比对。

可选的，在一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，电流检测模块可以是由采样电路和FPGA模块组成的，FPGA模块通过编程设计逻辑处理原则，用于输出控制指令，在该方案中，仅需要一个R_EXT电流镜即可，也就是将采样电流Icmp直接送入处理器中即可完成比对。

可选的，在一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，逻辑电路或处理器或， FPGA模块的控制策略为：

当检测到IRB

当检测到Icmp[x]

当检测到Icmp[x]>IRT时，芯片工作的电流段由第X段变为第X+1段，R_EXT电流镜的镜像比例由A[X]变为A[X+1]，镜像电流Icmp[x]减小，进行下一轮检测，直至检测到 IRB

其中，A[1]到A[X]逐渐减小，X取值即为恒流源驱动芯片的电流分段数量。

可选的，第一电流镜和第二电流镜中的MOS管组件由多个MOS管连接而成，其连接线路中设置有开关元件，上述所提及的控制指令其本质是控制这些开关元件，以实现MOS管组件中MOS管的接入个数。

可选的，在一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，开关元件为二极管或继电器开关，也就是说本发明中的开关元件应符合自动控制要求，能够实现上电控制。

可选的，在一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测模组中，第一电流镜与一个或多个第二电流镜连接，其连接方式包括：

第一电流镜与一个或多个第二电流镜顺次连接，连接在末尾的电流镜作为恒流输出通道；

或；

第一电流镜与一个或多个第二电流镜分别连接，每个第二电流镜分别作为一个恒流输出通道。

一种LED显示屏驱动芯片的恒流源选段检测控制方法，用于驱动芯片的恒流源选段检测模组中实现选段检测控制，包括：

1)获取输入电流I0的镜像电流Icmp[x]；

2)将镜像电流Icmp[x]与参考电流[IRB，IRT]进行比较，当Icmp[x]不在参考电流[IRB， IRT]的区间范围内时，调节驱动芯片的第一电流镜的镜像比例A[X]；

3)重复2)直至IRB＜Icmp[x]＜IRT为止。

最后还包括一个输出电流的控制调节，也就是调节驱动芯片的第二电流镜的镜像比例 J[X]，使得输出电流IOUT＝I1*J[X]，其中I1为第一电流镜的输出电流，也就是第二电流镜的输入电流。

进一步的，2)的具体步骤包括：

当检测到IRB

当检测到Icmp[x]

当检测到Icmp[x]>IRT时，芯片工作的电流段由第X段变为第X+1段，R_EXT电流镜的镜像比例由A[X]变为A[X+1]，镜像电流Icmp[x]减小，进行下一轮检测，直至检测到 IRB

参考图6和图7所示，分别是本发明的在共阳LED显示屏驱动芯片恒流源中的实例应用和在共阴LED显示屏驱动芯片恒流源中的实例应用，其工作原理如下：

(1)将恒流输出的电流范围分为L段，电流值从第1段到第L段依次增大，当前工作在第X段；

(2)PM3、PM4与PM0构成电流镜，将流过R_EXT的电流镜像产生电流Icmp1、Icmp2，镜像比例由电流检测结果控制，这里设计Icmp1＝Icmp2＝Icmp＝A[X]*I0(A[1]到A[L]依次减小)；

其中，根据公式IOUT[X]＝I0[X]*K[X]*J[X]，保持K[X]*J[X]为常数，调节I0[X]，使IOUT[X] 即为实际工作电流，或当前工作电流。

(3)参考电流IRT为电流检测范围的上限，参考电流IRB为电流检测范围的下限。电流检测模块将电流Icmp1、Icmp2分别与IRT、IRB进行比较，根据检测结果，由逻辑电路产生相应的选段控制信号(SP[L:1]和SN[L:1])和镜像比例控制信号(SP[L:1])，选段控制信号SP[L:1]和SN[L:1]分别用于控制PM0[L:1]、NM_C0[L:1]中MOS管开启的数量。设1≤X≤L，当SN[X]、SP[X]有效时，VGNO[X]＝VGN、VGPO[X]＝VGP；当S[X]无效时，VGNO[X]＝GND， VGPO[X]＝VDD。

(4)当检测到IRB

通常情况下，在一个固定的电路中I1只能做到在一定的区间内波动，其原因在于第一电流镜的镜像比例K是由MOS管组件中MOS管的数量决定的，只有当MOS管数量趋近与无穷多时，才能满足K的取值是连续的，而通常情况下K的取值是几个固定值，例如在一个 MOS管组件中有10个MOS管，那么K的取值也就是10个值(假设为1-10)，只有当输出电流IOUT恰好工作在这10个点位时，才能保证I1固定不变。

例如输出电流为IOUT＝10A，输入电流I0＝1A，K＝1，J＝10，则有IOUT＝10A＝1A*1*10；

若此时，输出电流IOUT变为20A，基于J*K不变的前提下，I0＝2A，要满足I1＝1A，则K＝2/1＝2，则J对应变成5，则维持了I1＝1A不变。在实际情况中，这种情况一般不会出现，也就是说只有出现这种巧合时I1才能维持不变。

若此时，输出电流IOUT变为9A，基于J*K不变的前提下，I0＝0.9A，要满足I1＝1A，则K＝1/0.9，显然K在实际中取值并不包括这个值，因此只能取与之相近的一个K值，即保持K＝1不变，这个情况I1＝0.9A。也就是说在实际情况下一般无法实现I1维持不变，这种状态只能在理想条件下实现。

(5)当检测到Icmp

(6)当检测到Icmp>IRT时，也就是表示I1大于预设值，芯片内部功耗较大，该状态下，选段控制信号SP[L:1]和SN[L:1]发生改变，芯片工作的电流段由第X段变为第X+1段，PM0[L:1]、NM_C0[L:1]中MOS管开启的数量增多，镜像比例由A[X]变为A[X+1]，镜像电流Icmp减小，也就是I1减小，进行下一轮检测，直至检测到IRB

综上，本发明的控制策略，主要是将芯片内部电流I1控制在一个合理的范围内，使其技能降低芯片内部功耗，也能保证使各MOS管的|VGS|(VGS的绝对值)都处于一个较大的值，电流镜的精度不会随输出恒流的大小变化而发生较大的变化，有利于提高恒流输出的精度。在满足恒流输出精度的情况下，电流I1的值可以设计得足够小，有利于降低芯片的功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。