基於發光二極體的陣列的脈寬調製控制的製作方法
2023-12-07 19:30:16 2
專利名稱：基於發光二極體的陣列的脈寬調製控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制例如用於顯示和照明的發光二極體(LED)陣列的光輸出，尤其涉及控制具有以脈寬調製(PWM)脈衝形式提供的驅動電流的LED顯示。
在光顯示是由紅、綠、藍發光二極體陣列(RGB LED陣列)的複合輸出產生的地方，單個發光二極體輸出的光強度必須精密地監視和控制，以便從該陣列獲得期望的複合光輸出。在這種陣列的很多應用中，如LCD監視器，優選地是利用脈寬調製(PWM)電流脈衝來驅動陣列。通過控制PWM脈衝的形狀、持續時間和頻率，單個LED及陣列的光輸出都可以精密地控制。
為了控制RGB陣列的光輸出，現有控制系統利用對平均光強度的直接測量，在有些情況下還嘗試利用對提供給LED的正向驅動電流的測量。測量單個光輸出的困難和由於處理紋波電流及PWM脈衝開始和結束時電流上升和下降時間所引起的電流測量的不準確限制了這種現有控制系統的有效性。
通過確定一個將LED峰值光輸出與驅動該LED的PWM脈衝峰值電流關聯的常量並用該常量乘PWM脈衝平均電流來獲得LED平均光輸出值，本發明提供了改進的LED陣列控制。
在本發明的一種形式中，該常量是通過同時測量LED峰值光輸出和驅動該LED的PWM脈衝峰值電流來確定的。然後通過用PWM脈衝峰值電流除峰值光輸出來計算該常量。通過在PWM脈衝持續時間內脈衝到達其滿幅值的一個時間點同時進行測量，脈衝的上升和下降時間不會影響測量。
確定PWM脈衝的平均電流可以通過多種方式來實現。在本發明的一種形式中，PWM脈衝的平均電流是通過對PWM脈衝的電流關於時間求積分來確定的。以這種方式確定平均電流進一步減小了上升和下降時間對確定LED平均光輸出的影響。可選地，平均電流可以通過檢測PWM脈衝的電流並使該傳感器輸出通過配置成產生平均電流信號的低通濾波器或積分器來確定。
對於具有兩個由作為時間函數部分重疊的PWM脈衝驅動的離散顏色LED且只具有單個測量LED光輸出的傳感器的陣列，本發明可以實現為在PWM脈衝不重疊的時間點同時測量LED中一個的峰值光輸出和電流，在PWM脈衝重疊的時間點同時測量兩個LED的複合峰值光輸出和驅動第二LED的PWM脈衝峰值電流，並通過從兩個LED的複合光輸出中減去第一LED的光輸出測量值來確定第二LED的峰值光輸出。然後可以通過用各自的峰值電流除各LED的峰值光輸出來計算將各LED峰值光輸出與其峰值電流關聯的常量。同樣的方法可以在本發明中用於實現具有多於兩個離散顏色LED的陣列。
確定平均光輸出的重複頻率可以象對於給定應用獲得期望精度所需要的那樣經常重複。對於具有多個LED和單個或多個光傳感器的應用，本發明期望使用調整測量值及處理確定常量與平均電流所需的各測量值的多路復用硬體或軟體。在本發明的有些形式中，測量的重複頻率可以作為一種可測量參數，如LED或附著到LED的吸熱器的溫度，的函數來確定。
我們期望本發明可以實現為一種方法，或包含在一種裝置中，或包含在計算機可讀介質上的代碼中。
通過下面對其代表性實施方案的詳細描述並聯繫附圖，本發明的前述和其它特徵及優點將變得更加顯而易見。詳細描述和附圖只是為了說明本發明，而不是要限制由附加權利要求所定義的本發明及其等效裝置的範圍。
圖1是顯示根據本發明由PWM電流脈衝驅動的RGB LED陣列關係的信號圖；圖2是顯示根據本發明確定LED平均光輸出的方法的流程圖；圖3是顯示根據本發明確定LED陣列中第一和第二LED平均光輸出的方法的流程圖；圖4是根據本發明確定LED平均光輸出的代表性裝置的圖示；及圖5是顯示圖4所述裝置更多細節的圖示。
圖1是顯示在一種典型的白光發射系統中紅、綠、藍發光二極體(RGBLED)陣列的光輸出與驅動各LED的PWM脈衝之間關係的信號圖，其中該類型系統可以用來實現本發明。應當指出，為了可行，LED的光輸出與驅動該LED的電流成正比。還應當指出，儘管上升和下降時間的影響很可能存在於本發明的任何實際應用中，但為了便於本發明的描述和理解，所示PWM脈衝在脈衝的前沿和後沿不顯示任何紋波或畸變。本領域技術人員應當認識到本發明提供了如下所述即使在存在紋波及上升和下降時間影響的地方都能工作的獨特能力。
圖1中驅動紅、綠、藍LED的PWM脈衝的持續時間分別用DR、DG、DB來表示，平均電流分別用IR-AV、IG-AV、IB-AV來表示。在PWM周期中，作為時間的函數，對於一部分PWM周期PWM脈衝的持續時間DR、DG、DB重疊。由於重疊，不可能在PWM周期中找到一個綠色LED光輸出可利用單個用於接收所有三個LED光輸出的光傳感器直接進行測量的時刻。
圖2描述了當LED由具有峰值電流和平均電流的PWM脈衝驅動時，由根據本發明用於確定具有峰值光輸出的LED的平均光輸出的裝置和代碼所執行的方法10。該方法包括確定12將LED峰值光輸出與PWM脈衝峰值電流關聯的常量，及用該常量乘14PWM脈衝平均電流以產生LED的平均光輸出。
常量可以通過同時測量16LED的峰值光輸出和LED的峰值電流，並通過用PWM脈衝的峰值電流除18LED的峰值光輸出計算常量來計算。這在圖1中是通過採樣脈衝1A及標示為「電流脈衝」和「光電傳感器的輸出」的曲線上標記為「X1A」的關聯點來說明的。峰值光輸出和峰值電流的同時測量優選地是在PWM脈衝持續時間DR中脈衝完全展開且不存在上升和下降時間影響的一個點進行的。
PWM脈衝平均電流20的確定可以通過多種方法實現。例如，PWM脈衝的平均電流20可以通過為作為時間函數的整個PWM脈衝監視並求積分來確定。如圖4所示，這可以通過利用高速模數轉換器對電流採樣並在計算機或微處理器中對作為時間函數的採樣值求平均以產生圖1虛線所示的平均電流信號來實現。可選地，如圖5所示，PWM脈衝的電流可以被檢測並通過配置成產生圖1虛線所示平均電流信號的低通濾波器86或積分器。根據本發明，在附加權利要求範圍內還可以使用其它本領域技術人員已知的確定PWM脈衝平均電流的方法。
利用採樣脈衝3A、3B和X3A-B，通過在PWM脈衝持續時間DB中脈衝完全展開且不存在上升和下降時間影響，而且驅動藍色LED的脈衝與驅動紅色或綠色LED的脈衝不重疊的一個點進行同時測量並確定平均電流，到此為止所描述的方法還可以實現來確定圖1中藍色LED的平均光輸出。
圖3描述了當第一和第二LED分別由第一和第二PWM脈衝驅動時確定各自都具有峰值光輸出的第一和第二LED光輸出的方法30，其中第一和第二PWM脈衝作為時間的函數部分重疊，且第一和第二LED的輸出是由接收第一和第二LED複合光輸出的單個光傳感器測量的。該方法還可用於在驅動綠色LED的PWM脈衝總是與驅動紅色和藍色LED的PWM脈衝中一個或兩個重疊的地方確定圖1綠色LED的峰值和平均光輸出。
考慮圖1中第一LED是紅色LED，而第二LED是綠色LED。方法30包括在第一和第二(紅色和綠色)PWM脈衝作為時間函數不重疊的時間點(1A、X1A)同時測量32第一和第二(紅色和綠色)LED中一個的峰值光輸出和峰值電流。該方法還包括在驅動第一和第二(紅色和綠色)LED的PWM脈衝重疊期間(2A、X2A)同時測量34第一和第二(紅色和綠色)LED的複合峰值光輸出及驅動第二(綠色)LED的PWM脈衝的峰值電流。第二(綠色)LED的峰值光輸出是通過從在驅動第一和第二(紅色和綠色)LED的PWM脈衝重疊期間測量到的第一和第二(紅色和綠色)LED的複合峰值光輸出中減去36在PWM脈衝不重疊期間測量到的第一(紅色)LED的峰值光輸出獲得的。
一旦知道了第一和第二(紅色和綠色)LED及驅動它們的PWM脈衝的峰值光輸出和峰值電流，就可以通過用峰值電流除峰值光輸出來計算38、40將第一和第二LED的峰值光輸出與峰值電流關聯的常量。如上所述，然後就可以確定42、44驅動各LED的脈衝平均電流，及通過用驅動對應LED的PWM脈衝平均電流乘各LED常量來確定46、48LED的平均光輸出。
本領域技術人員應當認識到上述及在圖1-3中所描述的方法可以用於確定具有多於兩個LED的陣列的平均光輸出，其中LED是由作為時間函數部分重疊的PWM脈衝驅動的。
圖4和5描述了根據本發明用於當LED由具有峰值電流和平均電流的PWM脈衝驅動時確定具有峰值光輸出的LED平均光輸出的裝置50代表性實施方案的各個方面。裝置50適用於具有驅動RGB LED陣列的電源54的白色光源52，其中RGB LED陣列具有安裝在吸熱器62上的紅色LED56、綠色LED 58和藍色LED 60。LED 56、58、60通過提供驅動LED的PWM電流脈衝的LED驅動器64耦合到電源。
裝置50包括光電二極體68、電流傳感器70和信號調節設備72形式的裝置，其中信號調節設備72向微處理器74提供用於為每個LED確定將各LED的峰值光輸出與驅動各LED的PWM脈衝峰值電流關聯的常量的信號。電流傳感器70和光電二極體68配置成同時測量LED 56、58、60中一個或多個的峰值光輸出及產生光線的PWM脈衝的峰值電流。微處理器74通過用與峰值光輸出同時測量的對應LED的峰值電流除LED 56、58、60中一個的測量峰值光輸出來確定該常量。
微處理器74還提供確定PWM脈衝平均電流，及用各自常量乘驅動RGBLED陣列的PWM脈衝平均電流的裝置。PWM脈衝的平均電流可以通過利用電流傳感器70監視PWM脈衝並對其電流關於時間求積分來計算。電流傳感器70和微處理器74還可用於在脈衝的短持續時間內對PWM脈衝的電流採樣，並利用存儲在微處理器74內存76中關於該PWM脈衝持續時間和重複頻率的信息來推斷平均電流值。
圖5說明了本發明的一種形式，其中平均電流是通過檢測PWM脈衝的電流，並使該檢測電流通過配置成提供圖1虛線所示平均電流信號的低通濾波器86來確定的。
內存76和微處理器74還可以配置成更加方便常量的計算。微處理器74還可以包括配置成向LED驅動器提供控制信號的控制器78，其中控制信號用於以獲得白色光源52期望光輸出和性能所需的方式調節PWM脈衝。
溫度傳感器80也可以包含在裝置50中，用於確定裝置50應當多久測量一次LED的平均光輸出並調節PWM信號以實現光源52的期望性能。儘管確實有可能利用在此所描述的裝置50和方法10、40來確定每個PWM周期中的LED平均光輸出，但是那麼頻繁地確定平均光輸出可能不是必要的或期望的。另外，可能期望對微處理器74進行編程以便按照某種預定時間表周期性地確定平均光輸出，或者期望允許微處理器74確定平均光輸出並且當監視參數，如吸熱器溫度，落在預定工作範圍之外時根據存儲在內存76中的參數調節PWM脈衝。
圖5顯示裝置50的信號調節設備72可以包括用於光電二極體68和溫度傳感器80的放大及信號調節器82。裝置50還可以包括模數轉換器(ADC)88和多路復用器90來協調實現本發明所需的同時測量。
本發明還可以採取用於根據本發明裝置中的計算機可讀介質上代碼的形式，其中代碼包括當LED由具有峰值電流和平均電流的PWM脈衝驅動時確定具有峰值光輸出的LED平均光輸出的指令。代碼可以包括確定將LED峰值光輸出與PWM脈衝峰值電流關聯的常量的指令，及用該常量乘PWM脈衝平均電流的指令。
確定常量的指令可以包括同時測量LED峰值光輸出和PWM脈衝峰值電流的指令，及通過用峰值電流除峰值光輸出來計算常量的指令。
代碼還可以包括確定PWM脈衝電流平均值的指令。這些指令可以包括通過對PWM脈衝的電流關於時間求積分，或可選地通過檢測PWM電流並使檢測電流通過配置成產生PWM電流平均值的低通濾波器，來確定平均電流的指令。
代碼還可以包括當第一和第二LED分別由第一和第二PWM脈衝驅動時通過確定將第一LED峰值光輸出與第一PWM脈衝峰值電流關聯的第一常量並用該第一LED常量乘第一PWM脈衝平均電流來確定各自都具有峰值光輸出的第一LED和第二LED平均光輸出的指令，其中第一和第二PWM脈衝每個都具有峰值電流和平均電流。如果PWM脈衝作為時間的函數不重疊，則第二LED的平均光輸出是通過確定將峰值光輸出與驅動第二LED的峰值電流關聯的常量並用驅動第二LED的PWM脈衝平均電流乘第二LED常量來計算的。
在驅動第一和第二LED的第一和第二PWM脈衝作為時間的函數重疊且第一和第二LED的複合峰值光輸出利用單個光傳感器測量的地方，代碼可以包括在第一和第二PWM脈衝不重疊的時間點同時測量第一和第二LED中一個的峰值光輸出和峰值電流的指令。代碼還可以包括在第一和第二脈衝作為時間函數重疊的時間點同時測量第一和第二LED兩個的峰值光輸出及第一和第二PWM脈衝中驅動另一個的峰值電流的指令。代碼還可以包括通過從在第一和第二PWM脈衝彼此重疊的時間點測量到的第一和第二LED的複合峰值光輸出中減去在第一和第二PWM脈衝不重疊的時間點測量到的第一和第二LED中一個的峰值光輸出來確定第一和第二LED中另一個的峰值光輸出的指令。
代碼還可以包括確定第二PWM脈衝電流平均值的指令。這些指令可以包括通過對第二PWM脈衝的電流關於時間求積分，或可選地通過檢測第二PWM脈衝的電流並使該檢測電流通過配置成產生第二PWM脈衝平均電流值的低通濾波器，來確定平均電流的指令。
代碼還可以包括當第一、第二和第三LED分別由第一、第二和第三PWM脈衝驅動時確定具有峰值光輸出的第三LED平均光輸出的指令，其中第一、第二和第三PWM脈衝中每個都具有峰值電流和平均電流，而且其中第一、第二和第三PWM脈衝作為時間的函數彼此部分重疊，此外其中第一、第二和第三LED的峰值光輸出是利用單個光傳感器測量的。代碼還可以包括確定將第三LED峰值光輸出與第三PWM脈衝峰值電流關聯的第三LED常量的指令，及用第三LED常量乘第三PWM脈衝平均電流的指令。代碼還可以包括通過在第一、第二和第三PWM脈衝作為時間函數不重疊的時間點同時測量第三LED的峰值光輸出和峰值電流來確定第三LED常量的指令，及用第三LED的峰值電流除第三LED的峰值光輸出的指令。
代碼還可以包括確定第三PWM脈衝電流平均值的指令。這些指令可以包括通過對第三PWM脈衝的電流關於時間求積分，或可選地通過檢測第三PWM脈衝的電流並使該檢測電流通過配置成產生第三PWM脈衝平均電流值的低通濾波器，來確定平均電流的指令。
代碼還可以包括用第三PWM脈衝的電流平均值乘第三LED常量的指令。本領域技術人員很容易認識到代碼可以包括利用具有多於三個LED的光源及部分重疊PWM序列的其它組合來實現本發明的指令。
儘管以上描述利用了本發明的特定代表性實施方案，但在不背離本發明主旨和範圍的前提下可以進行許多其它的修改和變化。例如，在此所使用的術語「單個光傳感器」期望可以包括多個彼此關聯作為一個單元起作用的傳感器布置。在此所使用的術語LED同樣也期望可以包括作為一個單元起作用的LED陣列。
本發明的範圍只有通過附加權利要求才能限制，所有在其等效裝置含義和範圍內的變化都包含在其中。
權利要求
1.一種用於確定具有峰值光輸出的發光二極體(56)的平均光輸出的裝置(50)，其中發光二極體由具有峰值電流和平均電流的脈寬調製脈衝驅動，該裝置(50)包括確定將發光二極體(56)的峰值光輸出與脈寬調製脈衝的峰值電流關聯的常量的裝置(68、70、72、74)及用該常量乘脈寬調製脈衝平均電流的裝置(74)。
2.如權利要求1所述的裝置(50)，其中確定常量的裝置(68、70、72、74)包括同時測量發光二極體的峰值光輸出和脈寬調製脈衝的峰值電流的裝置(68、70、72)及通過用峰值電流除峰值光輸出來計算該常量的裝置(74)。
3.如權利要求1所述的裝置(50)，用於當第一和第二發光二極體(56、58)分別由第一和第二脈寬調製脈衝驅動時確定各自都具有峰值光輸出的第一和第二發光二極體(56、58)中第一發光二極體的平均光輸出，其中所述第一和第二脈寬調製脈衝每個都具有峰值電流和平均電流，裝置(50)包括確定將第一發光二極體(56)的峰值光輸出與第一脈寬調製脈衝的峰值電流關聯的第一發光二極體常量的裝置(68、70、72、74)及用該第一發光二極體常量乘第一脈寬調製脈衝平均電流的裝置(74)。
4.如權利要求3所述的裝置(50)，其中確定第一LED常量的裝置(68、70、72、74)包括同時測量第一發光二極體的峰值光輸出和第一脈寬調製脈衝的峰值電流的裝置(68、70、72)及通過用第一脈寬調製脈衝峰值電流除第一發光二極體(56)的峰值光輸出來計算第一發光二極體常量的裝置(74)。
5.如權利要求4所述的裝置(50)，其中所述第一和第二脈寬調製脈衝DR、DG作為時間的函數部分重疊，且所述第一和第二發光二極體的峰值光輸出是利用單個光傳感器(68)測量的，該裝置(50)還包括在第一和第二脈寬調製脈衝DR、DG作為時間函數不重疊的時間點IA同時測量第一和第二發光二極體中一個發光二極體(56)的峰值光輸出和峰值電流的裝置(68、70、72)；在第一和第二脈寬調製脈衝DR、DG作為時間函數重疊的時間點IB同時測量第一和第二發光二極體(56、58)的峰值光輸出及第一和第二脈寬調製脈衝中另一個的峰值電流的裝置(68、70、72)；及通過從在第一和第二脈寬調製脈衝DR、DG重疊的時間點IB測量到的第一和第二發光二極體的複合峰值光輸出中減去在第一和第二脈寬調製脈衝DR、DG不重疊的時間點IA測量到的第一和第二發光二極體中一個發光二極體(56)的峰值光輸出來確定第一和第二發光二極體中另一個發光二極體(58)的峰值光輸出的裝置(68、70、72)。
6.如權利要求5所述的裝置(50)，還包括通過同時測量第二脈寬調製脈衝DG的峰值電流及第一和第二發光二極體(56、58)的複合峰值光輸出來確定第二發光二極體常量的裝置(68、70、72、74)及用第二脈寬調製脈衝DG的峰值電流除第二發光二極體(58)的峰值光輸出的裝置(74)。
7.如權利要求3或5所述的裝置(50)，還用於當第一、第二和第三發光二極體(56、58、60)分別由第一、第二和第三脈寬調製脈衝DR、DG、DB驅動時確定具有峰值光輸出的第三發光二極體(60)的平均光輸出，第一、第二和第三脈寬調製脈衝每個都具有峰值電流和平均電流，其中第一、第二和第三脈寬調製脈衝DR、DG、DB作為時間的函數部分重疊，且第一、第二和第三發光二極體(56、58、60)的峰值光輸出是利用單個光傳感器(68)測量的，裝置(50)還包括確定將第三發光二極體(60)峰值光輸出與第三脈寬調製脈衝DB峰值電流關聯的第三發光二極體常量的裝置(68、70、72、74)及用該第三發光二極體常量乘第三脈寬調製脈衝DB平均電流的裝置(74)。
8.如權利要求7所述的裝置(50)，還包括通過在第一、第二和第三脈寬調製脈衝DR、DG、DB作為時間函數不重疊的時間點3A同時測量第三發光二極體(60)的峰值光輸出和峰值電流來確定第三發光二極體常量的裝置(68、70、72、74)及用第三發光二極體(60)的峰值電流除第三發光二極體(60)的峰值光輸出的裝置(74)。
9.如權利要求1、2、5或7所述的裝置(50)，還包括通過對各脈寬調製脈衝，第一脈寬調製脈衝、第二脈寬調製脈衝DG及第三脈寬調製脈衝DB中的所述電流關於時間求積分，來確定脈寬調製脈衝中的電流、第一脈寬調製脈衝中的電流、第二脈寬調製脈衝DG中的電流及第三脈寬調製脈衝DB中的電流中至少一個電流的平均值的裝置(74)。
10.如權利要求9所述的裝置(50)，還包括用各脈寬調製脈衝，第一脈寬調製脈衝、第二脈寬調製脈衝DG和第三脈寬調製脈衝DB，的電流平均值乘常量的裝置(74)。
11.用於如權利要求1所述裝置的計算機可讀介質上的代碼，用於確定具有峰值光輸出的發光二極體的平均光輸出，其中發光二極體由具有峰值電流和平均電流的脈寬調製脈衝驅動，該裝置包括確定將發光二極體峰值光輸出與脈寬調製脈衝峰值電流關聯的常量的指令及用該常量乘脈寬調製脈衝平均電流的指令。
全文摘要
一種LED陣列，是通過確定一個將LED峰值光輸出與驅動該LED的PWM脈衝峰值驅動電流關聯的常量及用該常量乘PWM脈衝平均電流獲得LED平均光輸出值來控制的。該常量可以通過同時測量LED峰值光輸出和驅動該LED的PWM脈衝峰值電流來確定。然後通過用PWM脈衝的峰值電流除峰值光輸出來計算該常量。通過在PWM脈衝持續時間內脈衝到達其滿幅值的時間點進行同時測量，脈衝的上升和下降時間不會影響測量。PWM脈衝的平均電流可以利用多種方法來確定，包括對PWM脈衝電流關於時間求積分，或者使PWM電流通過配置成提供PWM電流平均值的低通濾波器。以這種方式確定平均電流進一步減小了上升和下降時間對確定LED平均光輸出的影響。
文檔編號H05B33/02GK1565147SQ02819551
公開日2005年1月12日 申請日期2002年9月30日 優先權日2001年10月5日
發明者S·穆圖, F·J·P·舒爾曼斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司