Pwm方法和設備以及由其驅動的光源的製作方法
2023-09-25 18:39:25
專利名稱：Pwm方法和設備以及由其驅動的光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及照明和信號調製領域，並且具體來說，涉及脈寬調製(PWM)方法和設備以及由其驅動的光源。
背景技術：
諸如固態半導體和有機發光二極體(LED)之類的發光裝置的光通量的開發與改善方面的進步已經使得這些裝置適於用在一般的光照應用中，包括建築、娛樂和道路照明。發光二極體日益變得與諸如白熾燈、螢光燈和高強度放電燈這樣的光源不分伯仲。而且，隨著可供挑選的LED波長的增多，白光和變色LED光源變得更加普及。這樣，總是
存在改進對從這些光源輸出的光的控制的需求。
LED的優點在於，它們的開啟和關閉時間典型地小於100納秒。因此可以使用固定恆流電源連同LED驅動電流的脈寬調製(PWM) —起控制LED的平均照度，其中時間平均的發光強度與PWM佔空比成線性比例。在美國專利號US4090189中公開了並且在Gage，S. 、M. Modapp、D. Evans和H. Sorenson. 1977年出版的《Optoelectronics ApplicationsManual》(紐約，NY: McGraw-Hill Book Company)中記載了這一技術，其中考慮的是單色LED。還知道，脈碼調製(PCM)也是一種控制LED操作的方法。
據W. Howell在網頁文件《A Brief History of LED Lighting》(Middlesex, UK: Artistic License Inc. ， 2002 )中稱，J. Laidman在1979年為一家叫作Sound Chamber的公司開發出了 一種商品，這種商品採用基於PWM的控制器來控制大量單色LED。 之後在美國專利號US4845481中公開了類似的也採用大量單色LED的基於PWM的控制方法和設備。按照這些發明，通過用光學手段混合具有不同發光強度的單色，可以產生基本上無窮的顏色範圍。
儘管切實可行，但是這種調製信號通常必須滿足若干要求，才能創造出人類欣然感覺的明顯的照明效果。也就是說，可能需要在較高的頻率上進行調製，以避免某些頻率相關的效應，比如光源閃爍、熱循環和可聽噪聲。
而且，在很多應用中，可能需要精確控制LED的輸出，例如以提供 期望的光源明暗和/或顏色控制。提供這一控制所需的高解析度PWM信 號，尤其是在為了使上述和其它這種不希望的頻率相關的效應最小化 而選擇的切換頻率上，通常需要使用高速微處理器，所述微處理器可 能貴得令人昨舌並且對於多數照明應用可能是不切實際的。
下面給出生成PWM信號的設備和/或方法的一些實例。
在美國專利申請號2005/0191043中，公開了一種電機驅動設備， 其中電源電路通過在電機啟動和停止這兩種情況中的至少一種情況發 生時改變反饋電阻的值來改變輸出電壓，從而使得能夠以高速和低速 兩種速度中的任何一種速度來啟動電機。在所公開的設備中，使用通 過將輸入信號與參考鋸齒信號相比較而生成的PWM信號來驅動該設備 的金屬氧化物半導體(MOS)。
在美國專利申請號2005/0190142中，公開了一種在考慮了環境光 校正的同時控制顯示器亮度的方法和設備，其中環境光傳感器產生隨 著環境光的水平而線性變化的電流信號。將該電流信號與用戶明暗控 制輸入相乘，以生成自動補償環境光變化的亮度控制信號。相乘功能 提供了在相對較高的環境光水平下明顯可見的用戶明暗控制。明暗控 制輸入可以包括PWM邏輯信號或者DC信號。在後一種情況下，提供DC信 號和參考鋸齒斜坡信號作為比較器的輸入，該比較器生成等效的PWM邏
輯信號。
在2003年10月2曰發表的標題為《DDS circuit generates precise PWM waveforms》EDN設計理念(Design Idea)
(http: 〃爾.edn. com/article/CA324406. html )中，介紹了一種用 於生成精確PWM信號的電路，其中由直接數字合成器(DDS)提供具有 精細頻率解析度的高精度鋸齒波形作為比較器的輸入，該比較器的閾 值電平由致動器反饋環路控制。
前面的例子給出了生成PWM信號的各種手段。不過，前述參考文獻
和成本限制的同時提供高等級的LED光源輸^:控制的;WM信號的恰當手 段。
結果，需要克服已知PWM技術的某些缺陷的用於生成PWM信號的方法和設備。
提供這一背景信息是為了揭示申請人相信有可能與本發明相關的 信息。決不意味著，或者不應理解為，任何前述信息構成了本發明的 現有技術。
發明內容
本發明的目的是提供一種PWM方法和設備。
本發明的另 一個目的是提供一種由上述PWM方法和設備驅動的光源。
按照本發明的一方面，提供了一種用於生成具有期望解析度和頻 率的PWM信號的設備，該設備包括生成模塊，用於生成具有期望分辨 率的第一PWM信號；和比較模塊，適於將所述第一PWM信號與表示期望 頻率的參考信號進行比較，並從而生成基本上具有期望解析度和頻率 的第二PWM信號。
按照本發明的另一個方面，提供了一種生成具有期望頻率和分辨 率的P西信號的方法，該方法包括以下步驟生成具有期望解析度的第 一P額信號；以及將所述第一PWM信號與表示期望頻率的參考信號進行 比較，以生成基本上具有期望頻率和解析度的第二PWM信號。
按照本發明的另一個方面，提供了一種光源，包括 一個或多個 發光元件；和驅動系統，用於以給定頻率並且以相應的相對強度驅動 所述一個或多個發光元件中的每一個，所述驅動系統包括生成模塊， 用於為所述一個或多個發光元件中的每一個發光元件生成具有表示所 述相應的相對強度的佔空比的第一P額信號；和比較模塊，其適於將每 個所述第一PWM信號與表示所述給定頻率的參考信號進行比較，並從而 以所述給定頻率生成相應的第二PWM信號，該第二PWM信號有助於以所
述相應的相對強度驅動所述一個或多個發光元件中的相應的一個發光 元件。
圖l是按照本發明的實施例的用於生成PWM信號的設備的高級框
圖2是按照本發明的實施例的用於生成PWM信號的設備的示圖；圖3是按照本發明的實施例的由PWM信號驅動的光源的示圖；和 圖4是按照本發明的實施例的由PWM信號驅動的另一種光源的示圖。
具體實施方式
定義
術語"發光元件"用於定義在通過例如在裝置兩端施加電勢差或使 電流通過裝置來激活裝置的時候發射電磁波語的區域或區域組合(例 如，可見光區域、紅外和/或紫外區域)中的輻射的裝置。因此發光元 件可以具有單色的、準單色的、多色的或寬帶光譜發射特性。發光元 件的例子包括半導體、有機或聚合物/聚合體發光二極體，光學泵浦塗 覆磷光體的發光二極體，光學泵浦納晶體發光二極體或本領域技術人 員容易想到的其它類似裝置。而且，術語發光元件用於定義發射輻射 的具體裝置，例如LED管芯，並且同樣可以用於定義發射輻射的具體裝 置與其中放置該或這些具體裝置的外殼或包裝的組合。
如本文所用，術語"大約"指的是偏離標稱值的+/-10%的變化。應 該理解，這種變化總是包含在本文給出的任何給定值之內，不管是否 專門指出。
除非另有說明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所 屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的意思。
本發明提供一種脈寬調製(PWM)方法和設備以及由其驅動的光源。 具體地說，本發明提供一種使用傳統上僅限於提供解析度和/或頻率低 於期望值的PWM信號的生成手段來生成具有期望解析度和頻率的PWM信
號的PWM方法和設備。
該設備包括生成模塊，所述生成模塊配置為用來生成第一PWM信號 作為輸出，該第一PWM信號在低於期望頻率的第一頻率上具有期望的分 辨率。將該第一PWM信號或者表示其佔空比的中間信號提供給比較模塊 的第一輸入。還將表示期望頻率的參考信號提供給比較模塊的第二輸 入。比較模塊配置為基於第一PWM信號與參考信號的比較來生成笫二 PWM信號，該第二PWM信號基本上具有期望頻率和解析度。按照這種方 式，按照本發明的設備和方法能夠生成具有期望解析度和頻率的不受 生成模塊的運行速度支配的PWM控制信號。在一個實施例中，該設備還包括轉換模塊，該轉換模塊配置為將
第一PWM信號轉換為要提供給比較模塊的第一輸入的中間信號。如上所 述，比較模塊配置為基於中間信號與參考信號的比較來生成基本上具 有期望頻率和解析度的第二PWM信號。例如，轉換模塊可以將第一PWM 信號轉換為表示第一PWM信號佔空比的模擬信號。
在另一個實施例中，該設備是在數字域中實現的，其中提供第一 PWM信號作為鎖相環(PLL)的輸入，該鎖相環例如用於在保持第一PWM 信號的佔空比基本不變的同時上變頻該第一PWM信號的頻率。在這一實 施例中，可以使用PLL的輸出例如作為參考信號， 一般是在對該輸出進 行分頻之後再用作參考信號，從而使得所生成的輸出信號具有可以用 第一PWM信號頻率的倍數表示的期望頻率。
將會意識到，可以由可操作耦合以產生期望結果的獨立的和/或組 合的模塊來提供上述模塊的不同組合和配置。例如，在一個實施例中， 可以在單一電路或晶片設計中集成上述模塊的每一個，以提供期望的 輸出，而在另一個實施例中，將每一個上述模塊組裝為組合電路的單 獨部件。在另一個實施例中，將轉換模塊、比較模塊和參考信號發生 器全部包含在單個晶片或裝置內並且使它們可操作地與生成模塊(比 如處理器等)耦合。在參考了下面的介紹之後，其它的組合和配置對 於本領域技術人員而言將會是顯而易見的。
本發明的PWM方法和設備可以用於多種應用，這些應用場合希望有 相對較高的PWM解析度和/或頻率，但是在這些應用中，用於生成這種 PWM信號的生成模塊的選擇相對受到成本和/或其它此類約束的限制。 例如，由本發明的方法和設備生成的PWM信號可能在精磷控制光源的該 一個或多個發光元件的輸出方面很有建樹，即控制發光元件的明暗和/ 或顏色等級，而不需要使用對於所面臨的應用可能相對昂貴的驅動部 件。
儘管後面的討論主要集中在針對提供用於驅動光源的該一個或多 個發光元件的驅動系統這一情形中應用本發明的PWM方法和設備，但是 本領域技術人員將很容易理解所公開的PWM方法和設備對多種其它應 用(例如電機控制或剎車控制等等)也具有適用性。
總地來說，如前文所討論的，使用脈寬調製(PWM )或脈碼調製(PCM ) 信號可以獲得從發光元件輸出的光的控制。使用這些調製方法，將連切換。如果轉換頻率足夠高，那麼人類觀看者將會感覺到基本上連續 的輸出強度，這個基本上連續的輸出強度基本上等於發光元件的時間 平均光輸出。
這樣，可以使用PWM來調製發光元件的輸出，以提供期望的輸出強 度。通過調節用於驅動發光元件的PWM信號的佔空比，即通過改變PWM 信號的脈衝寬度，也可以調節輸出強度。可以實施這種強度控制來提 供例如各種光源的明暗等級。
在白光或變色光源中，可以將兩個、三個或更多各自具有相應的 發射光語(例如， 一個(或多個)峰值波長、主色等)的發光元件的 輸出組合起來，以產生期望的輸出光譜(例如，顏色、光譜分布、色 質和/或呈現效率(rendering efficiency )、色品等)。通過調節發 光元件的相應強度，從而改變光源的組合輸出光譜，可以生成各種顏 色輸出，這些顏色輸出可以包括白光。也可以在保持強度比基本上恆 定不變的同時實施相應發光元件強度的整體調節，以提供各種光源明 暗等級，同時基本上保持輸出光譜或顏色不變。可選地，通過改變不 同顏色發光元件的強度比，可以產生不同的光顏色和/或光特性。
結果，為了提供適當的光源明暗控制和/或輸出顏色控制，驅動光 源的該一個或多個發光元件的相應PWM信號應當具有足夠高的解析度。 例如，對於紅綠藍(RGB)光源中的顏色控制，可能需要高解析度調光 方法。也就是說，在全光等級下，RGB光源的每個顏色可能需要8位分 辨率，來將輸出顏色保持在1或2個最小可覺差之內。此外，為了提供 可用於大多數照明市場的明暗範圍，例如可能希望有l: 100的明暗範 圍，使得每個顏色的總需求解析度達到大約14到15位。
此外，雖然P脂可能是適於光源明暗和顏色控制的技術，但是在一 個實施例中，PWM驅動信號也應當滿足若干要求，以便產生人類欣然感 覺到的明顯照明效果。例如，可以將PWM頻率選擇為超過大約100Hz， 以便避免所產生的光有可以察覺到的閃爍。此外，因為發光元件的部 件可能會以不同的速率傳遞和儲存熱量，所以較高的PWM頻率能夠減小 由發光元件的熱循環造成的應力的影響；在典型的發光元件包裝中， 對於例如超過大約lkHz的PWM頻率，溫度波動的不良影響可能會變得可 以忽略不計。此外，大約20Hz到大約20kHz之間的切換可能會造成可聽噪聲，從而使得可能希望以大於大約20kHz的速度進行切換。目前，標 準主流廉價微控制器可以提供高達16位的解析度，不過這一解析度是 以相對較低的頻率產生的。可選地，這些微控制器能夠提供kHz範圍內 的高頻選項，不過，解析度等級較低。
本領域技術人員將會理解，前述特性和約束也可適用於各種類型 的光源，不管它們包括單獨一個發光元件、三個發光元件(象RBG光源 中那樣)、四個發光元件(象紅色(R)、琥珀色(A)、綠色(G)和 藍色(B)光源(RAGB)中那樣)還是這些發光元件的組、陣列或組合， 而且都不脫離本公開的總體範圍和本質。
總地來說，可以將例如由微控制器等生成的P額通道的速度表示 為處理器速度- (2PWM^W" x (PWM頻率)。這樣，如果需要某種分 辨率，則增加PWM頻率的傳統解決辦法是增大處理器速度。不過這可能 不是一個選項，尤其是在較快的處理器對於所面臨的應用貴得驚人的 時候。
本發明的方法和設備提供一種對於增大處理器速度的備選方案來 滿足解析度要求。
本發明的設備被示意性地圖示為圖1中的設備100並且可以說明性
地應用於提供用於驅動光源的發光元件的驅動系統，設備100通常包 括生成模塊102，用於在輸出端104處生成在第一頻率下具有期望分 辨率的第一PWM信號；轉換模塊106，用於將該第一PWM信號轉換為輸出 108端處提供的中間信號(例如表示第一P西信號佔空比的模擬信號)， 和比較模塊IIO，其適於將該中間信號與表示期望頻率的參考信號(例 如，以期望頻率生成的參考信號)進行比較，並且從而在輸出端1"處 生成具有期望頻率和解析度的第二PWM信號。該參考信號可以由例如信 號發生器112生成。
將會意識到，如前所述，此處也可以考慮省略了轉換模塊106的其 它實施例。例如，當在數字域中實施時，例如可以將第一PWM信號用作 鎖相環路(PLL)的輸入，並且將其與表示期望頻率的參考信號(例如 PLL的分頻輸出)進行比較。
生成模塊
為了生成第一PWM信號，可以考慮各種生成模塊。在一個實施例中，生成模塊是配置為以期望的解析度但是以不同於期望頻率的頻率生成
PWM信號的微處理器(或控制器)。例如，微處理器的輸出頻率可以低 於期望頻率，從而允許最大化第一PWM信號的解析度同時保持在微處理 器的處理極限之內，微處理器的處理極限通常是由微處理器的時鐘速 度設定的。
例如，在一個實施例中，微處理器是配置為以大約3. 66kHz生成14 位PWM信號的60MHz處理器。如上所述，儘管14位PWM信號可能具有足以 控制例如給定光源的顏色和明暗等級的足夠高的解析度，但是以 3. 66kHz驅動該給定光源的發光元件可能會生成某些不希望的效果，比
如可聽噪聲。不過，使用本發明的方法和設備，可以將該頻率增大到 更加有利的驅動頻率，同時基本上保持大約14位的期望解析度。
顯然，可以使用同一處理器在分別增大或減小其輸出頻率的同時 生成更低或更高解析度的PWM信號。例如，如果需要來自60MHz處理器 的16位PWM信號，則可以將輸出頻率設置為大約900Hz。 900Hz的驅動頻 率將有可能生成各種不希望的頻率相關的效果。本發明的設備和方法 允許增大該PWM頻率，而無需增大處理器速度並且基本上無需降低結果 得到的PWM信號的解析度。
本領域技術人員將會理解，可以考慮其它生成模塊，而不會脫離 本公開內容的總體範圍和本質。例如，可以使用更快或更慢的處理器 來提供具有初始解析度和頻率的第一PWM信號。 一般來說，處理器的選 擇可以取決於所面臨的應用和認為對具體應用不合理的處理器成本。
在本發明的另一個實施例中，生成第一PWM信號的生成模塊可以被 配置為數位訊號處理器、現場可編程門陣列、 一個或多個計數器、一 個或多個定時器(比如，555定時器等)、運算放大器電路或本領域技 術人員容易想到的其它構件。
在本發明的另一個實施例中，生成模塊是處理器並且第一PWM信號 是由該處理器以諸如屍C或SPI之類的數字格式生成的。
轉換模塊
在一個實施例中，將第一PWM信號提供給轉換模塊來轉換為中間信 號。 一般來說，中間信號將會表示第一PWM信號的佔空比，使得調製在 後者中的信息在前者中基本上保持不變。例如，在一個實施例中，配置轉換模塊，使得在生成中間信號的時候，基本上保持第一PWM信號的 解析度。
在一個實施例中，轉換模塊包括濾波器、數模轉換器(DAC)和/ 或類似裝置，用來將第一PWM信號轉換為表示該第一PWM的佔空比的模 擬信號。例如，可以使用低通濾波器來提供這一效果。例如，可以使 用無源一階低通濾波器，該濾波器任選地包括適於對從生成模塊輸出 的第一PWM信號進行濾波的單一電阻器-電容器UC)電路。在另一個 例子中，可以使用有源和/或更高階低通濾波器來提供對第一 P WM信號 中的佔空比突然變化響應速度較快的紋波較低的輸出。這種可選方案 通常會帶來額外的成本，但是在某些與這些更高效的濾波器相關的益 處超過額外成本的應用中可以考慮這一可選方案。
在一個實施例中，可以將低通濾波器的截止頻率設置為使得輸出 紋波最小化但是速度最大化。例如，在笫一PWM信號的頻率為大約 3. 66kHz的實施例中，可以使用lkHz的截止頻率來提供充分濾波，同時 仍然容許第一PWM信號的佔空比發生快速變化。將會理解，可以依據第 一PWM信號的頻率並且依據該設備所要用於的應用要求的具體信號質 量特性來調節這種低通濾波器的截止頻率。
本領域技術人員將會理解，可以考慮其它轉換模塊(其可以包括 但不限於，DAC、濾波器(比如低通濾波器、帶通濾波器、陷波濾波器 等)之類裝置的各種不同組合和/或各種不同類型)，而不會脫離本公 開的總體範圍和本質。
在本發明的另一個實施例中，可以將轉換模塊形成為用於生成第 一PWM信號的處理器的一部分。例如，在該處理器內可以存在數模轉換 器，其中將第一PWM信號直接轉換為模擬信號。
比較模塊
通常使用由轉換模塊提供的中間信號(例如模擬信號)或者在省 略比較模塊的時候(例如利用鎖相環在數字域內操作的時候)使用第 一PWM信號本身作為比較模塊的輸入。可以將該比較模塊配置為將該第 一或中間信號與表示期望頻率的參考信號(例如以期望頻率生成的或 作為期望頻率的已知函數的參考信號)進行比較，並且從而生成具有 大約期望頻率的第二PWM信號。 一般來說，通過任選的轉換和比較過程，生成PWM信號的解析度將基本上保持不變，從而使得第二PWM信號將會 具有基本上與第一PWM信號相同的解析度。
例如，在一個實施例中，可以將模擬中間信號與具有期望頻率的 參考波形進行比較，從而使得第二PWM信號的佔空比由該模擬信號與該 參考信號的連續交點(intersection)規定。將會意識到，可以在進 行這種比較之前修改所比較的信號(例如，DC偏移、歸一化、縮放、 相移、調製等)，以提供期望的效果(例如，線性和/或非線性佔空比 變換、縮放、相移、調製等)。
在一個實施例中，參考波形包括鋸齒波形或三角波形，從而通常
提供該模擬信號到第二PWM信號的線性變換。例如，在模擬信號由其值 表示第一PWM信號的佔空比的緩慢變化信號(例如，DC信號)表示的實 施例中，通過將歸一化模擬信號與同樣歸一化的三角波形或鋸齒波形 進行比較並且通過在這兩個信號之間的每個交點上的高值和低值之間 切換比較模塊的輸出，從比較模塊輸出的PWM信號通常將具有與第一 PWM信號的佔空比基本相同的佔空比，但是將會以參考波形的頻率得到 調製。在這個例子中，當模擬信號的值變化例如兩(2)倍時，第二PWM 信號的佔空比也將同樣變化。此外，如果生成模擬信號，使得它的值 是按照與第一PWM信號的佔空比基本相同的解析度定義的，那麼該分辨 率可以在第二PWM信號中基本保持不變。
在另一個實施例中，可以調節模擬信號和參考信號的相對幅度， 使得第二PWM信號的佔空比相對於第一佔空比進行縮放，從而生成其佔 空比由第一佔空比的線性函數定義的第二PWM信號。
在另一個實施例中，參考信號是非線性信號，比如正弦信號等， 從而使得第二佔空比是由第一佔空比的非線性函數定義的，同時基本 上保持第一PWM信號的解析度不變。
不管是通過合理選擇參考波形直接進行的還是通過預處理模擬和 /或參考波形間接進行的，第二佔空比相對於笫一佔空比的其它這樣的 函數變化對於本領域技術人員來說都應當是顯而易見的，並且因此並 不意味著脫離本公開的總體範圍和本質。
在一個實施例中，比較模塊包括高速比較器，該高速比較器連續 不斷地比較例如在比較器的正輸入上的模擬信號與參考信號(在這個 例子中在比較器的負輸入上)。在另一個實施例中，比較模塊包括鎖相環，在這種情況下，將第
一PWM信號直接提供給該鎖相環的輸入，並且參考信號是作為鎖相環輸 出信號的函數提供的。
在一個實施例中，將參考波形的頻率設置為高於大約卩OkHz，從而 使得它的輸出可以用於驅動發光元件，同時使不希望的頻率相關的效 應最小化，比如閃爍、熱循環和/或可聽噪聲。例如，可以將參考波形 的頻率設定為大約30kHz。
在另一個實施例中，本發明的設備使用兩個或更多個通道來生成 相應的PWM信號，以便例如驅動給定光源中的兩個或更多個相應的發光 元件。 一般來說，普通處理器的PWM寄存器全部基於公共時鐘。這樣， 在新的PWM循環開始時，要在同一時刻維持(assert)所有輸出，造成 從電源汲取大量電流。為了減輕電源的負荷，在一個實施例中，可以 使由比較模塊對給定通道使用的參考波形與其它參考波形相比發生相 移。通過使每個參考波形發生相移，可以使原本同步的PWM信號分散在 一段時間上，從而降低了電源的驟增負荷。例如，在使用三個這樣的 通道的實施例中，即驅動RGB光源的發光元件，可以將每個通道相移PWM 周期的1/3。於是電源將會在給定時刻經歷大約l/3的電流上升。
在另 一個實施例中，可以通過調製參考波形來將數據嵌入到第二 PWM信號中。如此驅動的光源可以用作數據源或數據發送器。在一個例 子中，將幅度調製、頻率調製或相位調製的數據信號疊加在參考信號 上，以調製第二PWM信號。
在另一個實施例中，可以通過使用一個以上的發光元件並且使控 制各發光元件或發光元件組的參考信號發生相移從而使一個或多個發 光元件總是得到激勵(例如當它們的佔空比的總和等於或超過參考信 號周期時)來實現基本連續的信號。
在一個實施例中，本領域技術人員4艮容易理解，可以用多個頻率 或相互正交的數字代碼來對連續信號進行幅度調製、頻率調製或相位 調製。此外還可以使用4艮多公知調製方法之一來調製這些頻率的每一 個，所述調製方法包括幅度調製(AM)、頻率調製(FM)、頻移鍵控 (FSK)調製、脈碼調製(PCM)、脈衝點調製(PPM)、相移鍵控(PSK) 調製、移幅鍵控(ASK)、幅相鍵控(APK)、正交調幅(QAM)、離散 多音調製(DMM)、碼分多址(CDMA)和差分混沌鍵控(DCSK)方法或者容易想到的任何其它方法，並且其中每個頻率或相互正交的代碼表 示獨立的數據通信通道。
在本發明的另一個實施例中，比較模塊可以是運算放大器、施密 特觸發器或本領域技術人員容易想到的其它構件。
現在將參照具體實例介紹本發明。將會理解，下面的例子旨在介 紹本發明的實施例，而不打算用來以任何方式限定本發明。
實例
例l:
現在將參照附圖2，介紹按照本發明的一個實施例的用於生成PWM 信號的設備，用附圖標記200總地指代該設備。設備200通常包括生成 模塊202，用於在輸出端204處生成具有期望解析度和第一頻率的第一 PWM信號。然後由轉換模塊206對第一PWM信號進行轉換，以在節點208 處生成表示第一PWM信號的佔空比的模擬信號。然後將該模擬信號作為 輸入提供給比較模塊210 (比如高速比較器等)，該比較模塊HO適於
將模擬信號與具有期望頻率的參考信號(說明性地由信號發生器212提 供)進行比較，並且從而在輸出端214處生成基本上具有期望頻率和分 辨率的第二PWM信號。
生成模塊202可以包括微處理器等的裝置，其適於以期望的解析度 生成第一PWM信號，但是僅限於以低於期望頻率的頻率生成該信號。例 如，在一個實施例中，生成模塊202包括配置為以大約3. 66kHz生成14 位PWM信號的6 OMHz處理器。
轉換模塊206通常包括無源低通濾波器，該無源低通濾波器包括電 阻器216和電容器218。 一般來說，可以將低通濾波器的截止頻率設置 為使得輸出紋波最小化但是速度最大化。在前面的以3. 66kHz生成第一 PWM信號的例子中，可以使用大約lkHz的截止頻率來提供適當的結果。 一般來說，可以選擇濾波器部件來在容許第一PWM信號的佔空比發生快 速變化的同時提供充分濾波。本領域技術人員很容易理解，取決於給 定應用希望或需要的轉換模塊的輸出特性，可以考慮各種電阻器和電 容器組合，並且由此，不應認為這些組合脫離了本公開的總體範圍和 本質。此外，將會意識到，在本文的環境中，還可以考慮其它類型的 無源和/或有源濾波器，包括一階或更高階濾波器。比較模塊210通常包括高速比較器，該高速比較器連續不斷地比較 節點208處的模擬信號與從波形發生器212等提供到比較器210的負輸 入上的參考波形(例如三角波形或鋸齒波形等)。可以將參考波形的 頻率設置為期望頻率，例如30kHz,從而使得在比較器210的輸出214處 生成的PWM信號通常包括具有期望解析度和期望頻率(例如，解析度為 大約14位的原始解析度，但是頻率是大約30kHz，而不是3.66kHz)的 再生PWM信號。
例2:
現在將參照附圖3，介紹使用附圖標記300總體指代並且按照本發 明的一個實施例的由PWM信號驅動的光源。光源300通常包括發光元件 301和用於發光元件301的驅動系統303。
一般來說，驅動系統303包括生成模塊302，用於在輸出304處生成 具有期望解析度和第一頻率的第一PWM信號305。然後由轉換模塊306對 第一PWM信號進行轉換，以生成表示第一PWM信號305的佔空比的模擬信 號307。然後將該模擬信號307作為輸入提供給比較模塊310 (比如高速 比較器等)，該比較模塊310適於將模擬信號307與具有期望頻率(說 明性地由信號發生器312提供)的參考波形(如三角信號或鋸齒信號311 中的波形)進行比較。通過將模擬信號307與參考波形311進行比較， 生成具有期望頻率和解析度的第二PWM信號313。然後可以在經由驅動 器320驅動發光元件301時使用該第二PWM信號313。
生成模塊302可以包括微處理器等，其適於以期望的解析度生成第 一PWM信號305,但是僅限於以^f氐於期望頻率的頻率生成該信號。例如， 在一個實施例中，生成模塊302包括配置為以大約3. 66kHz生成H位PWM 信號的60MHz處理器。
轉換模塊306通常包括適於提供具有適合所面臨應用的特性的模 擬信號307的各種類型的濾波器和/或DAC。例如，可以在某些應用中使 用包括單一RC電路的無源低通濾波器，而在其它一些希望或需要較高 質量輸出的應用中，可以使用有源和/或更高階濾波器。 一般說，可以 將轉換模塊選擇為使得輸出紋波最小化但是速度最大化。在前面的以 3. 66kHz生成第一PWM信號305的例子中，可以為無源低通濾波器配備大 約lkHz的截止頻率，以提供適當的結果。 一般來說，可以選擇轉換模塊來在容許第一PWM信號305的佔空比發生快速變化的同時提供有效的 轉換(例如，充分過濾)。
比較模塊310通常包括高速比較器，該高速比較器連續不斷地將模 擬信號307與從波形發生器312等提供在比較器310的負輸入上的鋸齒 波形或三角波形311進行比較。可以將鋸齒波形311的頻率設置為期望 頻率，例如30kHz，從而使得從比較器310的輸出的PWM信號313通常包 括具有期望解析度但是頻率較高(例如，解析度為大約14位的原始分 辨率，但是頻率是大約30kHz，而不是3. 66kHz)的再生PWM信號。
在一個實施例中，還可以通過對參考波形311進行頻率調製來將數 據嵌入到第二PWM信號313中。如果光源300是如此驅動的，則該光源可 以用作數據源或數據發送器。還可以按照其它方式調製參考波形311來 發送數據，如本領域技術人員很容易理解的。
雖然本文將模擬信號307圖解說明為通常表示基本上恆定的第一 PWM信號佔空比的直線，但是本領域技術人員將會理解，第一PWM信號 佔空比的變化通常會反映在模擬信號307上，從而可以將這些變化充分 傳遞到第二PWM信號313的佔空比。
例3:
現在將參照附圖4 ，介紹使用附圖標記400總體指代並且按照本發 明的一個實施例的由PWM信號驅動的光源。光源400通常包括三個發光
一般來說，驅動模塊403包括生成模塊402，用於在輸出404處生成 具有基本上相同的期望解析度的相應第一PWM信號405。 一般來說，第 一PWM信號405是為每個發光元件401或者給定類型或顏色的發光元件 的組或陣列生成的，並且是經由相應通道傳送的。然後由轉換模塊406 對每個PWM信號405進行轉換，以生成表示其佔空比的相應模擬信號， 如信號407。然後將該相應模擬信號407作為輸入提供給比較模塊410 (比如一個或多個高速比較器等)，該比較模塊"0適於將模擬信號407 與具有期望頻率(說明性地由信號發生器4U提供)的相應參考波形(如 三角信號或鋸齒信號411中的波形)進行比較。通過將模擬信號407與 參考波形411進行比較，生成具有期望頻率和解析度的相應第二PWM信 號413。然後將這些第二PWM信號413用於經由相應驅動器420驅動發光元件401。
生成模塊402同樣可以包括微處理器等，其適於以期望的解析度生 成第一PWM信號405，但是僅限於以低於期望頻率的頻率生成這些信號。 例如，在一個實施例中，生成模塊402包括配置為以大約3. 66kHz生成 三個14位PWM信號的60MHz處理器。
轉換模塊406通常可以包括一個或多個適於提供具有適合所面臨 應用的特性的模擬信號407的各種類型的濾波器和/或DAC。例如，可以 在某些應用中使用由單一RC電路構成的無源低通濾波器，而在其它一 些希望或需要較高質量輸出的應用中，可以使用有源和/或更高階濾波 器。 一般來說，將會把轉換模塊選擇為使得輸出紋波最小化但是速度 最大化。在前面的以3. 66kHz生成第一PWM信號405的例子中，可以為無 源低通濾波器配備大約lkHz的截止頻率，以提供適當的結果。 一般來 說，應當將轉換模塊選擇成在容許第一PWM信號405的佔空比發生快速 變化的同時提供有效的轉換(例如，充分過濾)。
比較模塊410通常包括高速比較器，該高速比較器連續不斷地將模 擬信號407與從一個(或多個)波形發生器412等提供在比較器410的負 輸入上的一個或多個鋸齒波形或三角波形411進行比較。可以將一個 (或多個)鋸齒或三角波形411的頻率設置為期望頻率，例如30kHz， 從而使得在比較器410的輸出414處生成的PWM信號"3通常包括具有期 望解析度但是頻率較高(例如，解析度為大約14位的原始解析度，但 是頻率是大約30kHz，而不是3. 66kHz)的再生PWM信號。
在這一實施例中，還對參考波形411進行相移，從而使得輸出PWM 信號413也進行了相移。如前面所討論的，普通處理器的PWM寄存器一 般來說全部基於公共時鐘。這樣，在新的PWM循環開始時，要在同一時 刻維持所有的輸出，造成從電源汲取大量電流。在一個例子中，生成 模塊402可以包括這種普通處理器。為了減輕電源上的負荷，可以使每 個參考波形411相對於彼此發生相移，從而使得原來同步的PWM信號405 也由比較器410相移，以分散在一段時間內，從而減小了電源上的驟增 負荷。例如，如圖4中示意性地圖解說明的，可以將每個通道相移PWM 周期的1/3，從而使得電源在給定時刻僅僅經歷大約l/3的電流上升。
在本發明的一個實施例中，生成單個參考信號來輸入到與每個發 光元件組或陣列相關的每個比較模塊中。在另一個實施例中，生成多個參考信號，其中生成特定參考信號以供與特定發光元件組或陣列相 關聯的特定比較模塊使用。在這個實施例中，每個參考信號的頻率可 以不同或相同。例如，如果為參考信號使用不同的頻率，那麼為每個
發光元件組或陣列最終得到的PWM控制信號將具有不同的頻率。這種配 置還可以提供一種減小與光源相關聯的電源上的汲取量的手段。
在這個實施例的一個版本中，還可以通過對參考波形"1進行頻率 調製來將數據嵌入到第二PWM信號413中。如果光源400是如此驅動的，
則該光源可以用作數據源或數據發送器。還可以按照其它方式調製參 考波形411，以發送數據，如本領域技術人員很容易理解的。
雖然本文將模擬信號407圖解說明為通常表示基本上恆定的第一 PWM信號佔空比的直線，但是本領域技術人員將會理解，第一PWM信號 佔空比的變化通常會反映在模擬信號407上，從而可以將這些變化充分 傳遞到第二PWM信號413的佔空比。
顯然，本發明的前述實施例是實例並且可以以很多方式加以改變。 這些目前的或未來的變化不應認為是對本發明的思想和範圍的脫離， 並且對本領域技術人員顯而易見的所有這些修改都應包含在所附權利 要求書的範圍之內。
權利要求
1. 一種生成具有期望解析度和頻率的PWM信號的設備，該設備包括生成模塊，用於生成具有期望解析度的第一PWM信號；和比較模塊，其適於將所述第一PWM信號與表示所述期望頻率的參考信號進行比較，並從而生成基本上具有所述期望解析度和頻率的第二PWM信號。
2. 按照權利要求l所述的設備，還包括轉換模塊，該轉換模塊用 於將所述第一P詣信號轉換為表示所述第一PWM信號的佔空比的中間信 號，所述比較模塊適於將所述中間信號與所述參考信號進行比較，從 而生成所述第二PWM信號。
3. 按照權利要求2所述的設備，其中所述中間信號包括模擬信 號，所述比較模塊適於將所述模擬信號與所述參考信號進行比較。
4. 按照權利要求l所述的設備，其中所述生成模塊包括微控制 器、處理器、數字處理器、現場可編程門陣列、計數器、定時器和運 算放大器中的一個或多個。
5. 按照權利要求2所述的設備，其中所述轉換模塊包括數模轉換 器、帶通濾波器、陷波濾波器和低通濾波器中的一個或多個。
6. 按照權利要求5所述的設備，其中所述轉換模塊包括低通濾波 器，所述低通濾波器包括無源一階濾波器、有源一階濾波器、無源更 高階濾波器和有源更高階濾波器中的一個或多個。
7. 按照權利要求l所述的設備，其中所述比較模塊包括比較器、 運算放大器、施密特觸發器和鎖相環中的一個或多個。
8. 按照權利要求7所述的設備，其中所述比較模塊包括高速比較器。
9. 按照權利要求3所述的設備，其中所述參考信號是從包括三角 信號和鋸齒信號的組中選擇的。
10. 按照權利要求3所述的設備，為了生成兩個或更多個同時產生 的具有期望解析度和頻率的PWM信號，所述生成模塊用於生成兩個或更多個同時產生的第一PWM信號，所述轉換模塊用於將每個所述同時產生 的第一PWM信號轉換為相應的模擬信號，並且所述比較模塊適於將所述 相應的模擬信號與一個或多個參考信號進行比較，並從而生成具有期望解析度和頻率的相應的同時產生的第二PWM信號。
11. 按照權利要求10所述的設備，所述比較模塊適於將所述相應 的模擬信號與相應的參考信號進行比較，所述參考信號被配置為將一 個或多個相應信號特性傳遞給各個所述相應的同時產生的第二PWM信 號。
12. 按照權利要求ll所述的設備，其中所述一個或多個相應的信 號特性包括頻率、相位和調製中的一個或多個。
13. 按照權利要求l所述的設備，用於生成用來驅動光源的一個或 多個發光元件的驅動信號。
14. 一種生成具有期望頻率和解析度的PWM信號的方法，該方法包 括以下步驟生成具有期望解析度的第一PWM信號；和將所述第一PWM信號與表示期望頻率的參考信號進行比較，以生成 基本上具有期望頻率和解析度的第二PWM信號。
15. 按照權利要求14所述的方法，還包括將所述第一PWM信號轉換 為表示所述第一PWM信號的佔空比的模擬信號的步驟，所述比較步驟包 括將所述模擬信號與所述參考信號進行比較，以生成所述第二PWM信 號。
16. 按照權利要求15所述的方法，為了生成兩個或更多個同時產 生的PWM信號，所述生成步驟包括生成兩個或更多個同時產生的第一 PWM信號，所述轉換步驟包括將每個所述同時產生的第一PWM信號轉換 為相應的模擬信號，並且所述比較步驟包括將每個所述相應的模擬信 號與一個或多個參考信號進行比較，以生成具有期望解析度和頻率的 相應的同時產生的第二PWM信號。
17. —種光源，包括 一個或多個發光元件；和驅動系統，用於以給定頻率並且以相應的相對強度驅動所述一個 或多個發光元件中的每一個，所述驅動系統包括生成模塊，用於為所述一個或多個發光元件中的每一個發光元 件生成具有表示所述相應的相對強度的佔空比的笫一PWM信號；和 比較模塊，其適於將每個所述第一PWM信號與表示所述給定頻率的參考信號進行比較，並從而以所述給定頻率生成相應的第二PWM信號，該第二PWM信號有助於以所述相應的相對強度驅動所述一個或多個發光元件中的相應的一個發光元件。
18. 按照權利要求17所述的光源，所述驅動系統還包括轉換模塊，該轉換模塊用於將每個所述第一PWM信號轉換為表示其所述佔空比的模擬信號，所述比較模塊適於將每個所述模擬信號與所述參考信號進行比較，以生成所述相應的第二PWM信號。
19. 按照權利要求18所述的光源，包括兩個或更多個發光元件，所述比較模塊適於將每個所述模擬信號與相應的參考信號進行比較，所述參考信號配置為將一個或多個相應的信號特性傳遞給所述相應的第二PWM信號，所述相應的第二PWM信號有助於按照它來驅動所述一個或多個發光元件中的所述相應的一個發光元件。
20. 按照權利要求19所述的光源，其中所述一個或多個相應的信號特性包括頻率、相位和調製中的一個或多個。
21. 按照權利要求20所述的光源，所述一個或多個相應的信號特性包括相應的相位，從而使得光源施加在電源上的負荷分布在一段所述相應的第二PWM信號上。
22. 按照權利要求21所述的光源，其中所述一個或多個相應的信號特性還包括相應的調製，其提供了使用所述兩個或更多個發光元件的信息通信，並且其中所述相應的相位提供了要經由所述兩個或更多個發光元件傳送的基本上連續的信號。
23. 按照權利要求17所述的光源，所述生成模塊用於生成具有期望解析度的每個所述第一PWM信號，所述期望解析度提供對於每個所述相應的相對強度的期望等級的控制。
24. 按照權利要求23所述的光源，其中所述期望等級的控制是依照每個所述相應的相對強度上的期望明暗控制來確定的。
25. 按照權利要求23所述的光源，包括兩個或更多個具有相應的光譜輸出的發光元件，其中所述期望等級的控制是依照有助於提供受控的組合光譜輸出的所述兩個或更多個發光元件之間的期望相對強度控制來確定的。
26. 按照權利要求25所述的光源，其中所述組合光譜輸出包括下列中的一個或多個所選擇的白光、所選擇的彩色光、所選擇的色品、所選擇的顏色再現指數、所選擇的色質等級、所選擇的輸出效率、所選擇的亮度和所選擇的色溫。
27. 按照權利要求25所述的光源，其中所述期望等級的控制還是依照期望的明暗控制來確定的。
28. 按照權利要求17所述的光源，所述比較模塊包括鎖相環，其中所述參考信號是作為所述鎖相環的輸出的函數提供的。
全文摘要
本發明提供一種脈寬調製(PWM)方法和設備以及由其驅動的光源。具體地說，本發明提供一種使用傳統上僅限於提供具有較低解析度和/或頻率的PWM信號的生成手段來生成具有期望解析度和頻率的PWM信號的PWM方法和設備。本發明的PWM方法和設備可以用於多種應用，這些應用希望有相對較高的PWM解析度和/或頻率，但是在這些應用中，用於生成這些PWM信號的生成手段的選擇相對受到成本和/或其它此類約束的限制。例如，由本發明的方法和設備生成的PWM信號可能在精確控制光源的一個或多個發光元件的輸出方面是有用的，即控制發光元件的明暗和/或顏色等級，而不需要使用對於所面臨的應用可能相對昂貴的驅動部件。
文檔編號H03K7/08GK101512901SQ200780032450
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月28日 優先權日2006年8月28日
發明者S·P·羅賓遜 申請人:Tir科技公司