CN1565147A - 基于发光二极管的阵列的脉宽调制控制 - Google Patents

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Abstract

一种LED阵列,是通过确定一个将LED峰值光输出与驱动该LED的PWM脉冲峰值驱动电流关联的常量及用该常量乘PWM脉冲平均电流获得LED平均光输出值来控制的。该常量可以通过同时测量LED峰值光输出和驱动该LED的PWM脉冲峰值电流来确定。然后通过用PWM脉冲的峰值电流除峰值光输出来计算该常量。通过在PWM脉冲持续时间内脉冲到达其满幅值的时间点进行同时测量,脉冲的上升和下降时间不会影响测量。PWM脉冲的平均电流可以利用多种方法来确定,包括对PWM脉冲电流关于时间求积分,或者使PWM电流通过配置成提供PWM电流平均值的低通滤波器。以这种方式确定平均电流进一步减小了上升和下降时间对确定LED平均光输出的影响。

Description

基于发光二极管的阵列的脉宽调制控制
本发明涉及控制例如用于显示和照明的发光二极管(LED)阵列的光输出,尤其涉及控制具有以脉宽调制(PWM)脉冲形式提供的驱动电流的LED显示。
在光显示是由红、绿、蓝发光二极管阵列(RGB LED阵列)的复合输出产生的地方,单个发光二极管输出的光强度必须精密地监视和控制,以便从该阵列获得期望的复合光输出。在这种阵列的很多应用中,如LCD监视器,优选地是利用脉宽调制(PWM)电流脉冲来驱动阵列。通过控制PWM脉冲的形状、持续时间和频率,单个LED及阵列的光输出都可以精密地控制。
为了控制RGB阵列的光输出,现有控制系统利用对平均光强度的直接测量,在有些情况下还尝试利用对提供给LED的正向驱动电流的测量。测量单个光输出的困难和由于处理纹波电流及PWM脉冲开始和结束时电流上升和下降时间所引起的电流测量的不准确限制了这种现有控制系统的有效性。
通过确定一个将LED峰值光输出与驱动该LED的PWM脉冲峰值电流关联的常量并用该常量乘PWM脉冲平均电流来获得LED平均光输出值,本发明提供了改进的LED阵列控制。
在本发明的一种形式中,该常量是通过同时测量LED峰值光输出和驱动该LED的PWM脉冲峰值电流来确定的。然后通过用PWM脉冲峰值电流除峰值光输出来计算该常量。通过在PWM脉冲持续时间内脉冲到达其满幅值的一个时间点同时进行测量,脉冲的上升和下降时间不会影响测量。
确定PWM脉冲的平均电流可以通过多种方式来实现。在本发明的一种形式中,PWM脉冲的平均电流是通过对PWM脉冲的电流关于时间求积分来确定的。以这种方式确定平均电流进一步减小了上升和下降时间对确定LED平均光输出的影响。可选地,平均电流可以通过检测PWM脉冲的电流并使该传感器输出通过配置成产生平均电流信号的低通滤波器或积分器来确定。
对于具有两个由作为时间函数部分重叠的PWM脉冲驱动的离散颜色LED且只具有单个测量LED光输出的传感器的阵列,本发明可以实现为在PWM脉冲不重叠的时间点同时测量LED中一个的峰值光输出和电流,在PWM脉冲重叠的时间点同时测量两个LED的复合峰值光输出和驱动第二LED的PWM脉冲峰值电流,并通过从两个LED的复合光输出中减去第一LED的光输出测量值来确定第二LED的峰值光输出。然后可以通过用各自的峰值电流除各LED的峰值光输出来计算将各LED峰值光输出与其峰值电流关联的常量。同样的方法可以在本发明中用于实现具有多于两个离散颜色LED的阵列。
确定平均光输出的重复频率可以象对于给定应用获得期望精度所需要的那样经常重复。对于具有多个LED和单个或多个光传感器的应用,本发明期望使用调整测量值及处理确定常量与平均电流所需的各测量值的多路复用硬件或软件。在本发明的有些形式中,测量的重复频率可以作为一种可测量参数,如LED或附着到LED的吸热器的温度,的函数来确定。
我们期望本发明可以实现为一种方法,或包含在一种装置中,或包含在计算机可读介质上的代码中。
通过下面对其代表性实施方案的详细描述并联系附图,本发明的前述和其它特征及优点将变得更加显而易见。详细描述和附图只是为了说明本发明,而不是要限制由附加权利要求所定义的本发明及其等效装置的范围。
图1是显示根据本发明由PWM电流脉冲驱动的RGB LED阵列关系的信号图;
图2是显示根据本发明确定LED平均光输出的方法的流程图;
图3是显示根据本发明确定LED阵列中第一和第二LED平均光输出的方法的流程图;
图4是根据本发明确定LED平均光输出的代表性装置的图示;及
图5是显示图4所述装置更多细节的图示。
图1是显示在一种典型的白光发射系统中红、绿、蓝发光二极管(RGBLED)阵列的光输出与驱动各LED的PWM脉冲之间关系的信号图,其中该类型系统可以用来实现本发明。应当指出,为了可行,LED的光输出与驱动该LED的电流成正比。还应当指出,尽管上升和下降时间的影响很可能存在于本发明的任何实际应用中,但为了便于本发明的描述和理解,所示PWM脉冲在脉冲的前沿和后沿不显示任何纹波或畸变。本领域技术人员应当认识到本发明提供了如下所述即使在存在纹波及上升和下降时间影响的地方都能工作的独特能力。
图1中驱动红、绿、蓝LED的PWM脉冲的持续时间分别用DR、DG、DB来表示,平均电流分别用IR-AV、IG-AV、IB-AV来表示。在PWM周期中,作为时间的函数,对于一部分PWM周期PWM脉冲的持续时间DR、DG、DB重叠。由于重叠,不可能在PWM周期中找到一个绿色LED光输出可利用单个用于接收所有三个LED光输出的光传感器直接进行测量的时刻。
图2描述了当LED由具有峰值电流和平均电流的PWM脉冲驱动时,由根据本发明用于确定具有峰值光输出的LED的平均光输出的装置和代码所执行的方法10。该方法包括确定12将LED峰值光输出与PWM脉冲峰值电流关联的常量,及用该常量乘14PWM脉冲平均电流以产生LED的平均光输出。
常量可以通过同时测量16LED的峰值光输出和LED的峰值电流,并通过用PWM脉冲的峰值电流除18LED的峰值光输出计算常量来计算。这在图1中是通过采样脉冲1A及标示为“电流脉冲”和“光电传感器的输出”的曲线上标记为“X1A”的关联点来说明的。峰值光输出和峰值电流的同时测量优选地是在PWM脉冲持续时间DR中脉冲完全展开且不存在上升和下降时间影响的一个点进行的。
PWM脉冲平均电流20的确定可以通过多种方法实现。例如,PWM脉冲的平均电流20可以通过为作为时间函数的整个PWM脉冲监视并求积分来确定。如图4所示,这可以通过利用高速模数转换器对电流采样并在计算机或微处理器中对作为时间函数的采样值求平均以产生图1虚线所示的平均电流信号来实现。可选地,如图5所示,PWM脉冲的电流可以被检测并通过配置成产生图1虚线所示平均电流信号的低通滤波器86或积分器。根据本发明,在附加权利要求范围内还可以使用其它本领域技术人员已知的确定PWM脉冲平均电流的方法。
利用采样脉冲3A、3B和X3A-B,通过在PWM脉冲持续时间DB中脉冲完全展开且不存在上升和下降时间影响,而且驱动蓝色LED的脉冲与驱动红色或绿色LED的脉冲不重叠的一个点进行同时测量并确定平均电流,到此为止所描述的方法还可以实现来确定图1中蓝色LED的平均光输出。
图3描述了当第一和第二LED分别由第一和第二PWM脉冲驱动时确定各自都具有峰值光输出的第一和第二LED光输出的方法30,其中第一和第二PWM脉冲作为时间的函数部分重叠,且第一和第二LED的输出是由接收第一和第二LED复合光输出的单个光传感器测量的。该方法还可用于在驱动绿色LED的PWM脉冲总是与驱动红色和蓝色LED的PWM脉冲中一个或两个重叠的地方确定图1绿色LED的峰值和平均光输出。
考虑图1中第一LED是红色LED,而第二LED是绿色LED。方法30包括在第一和第二(红色和绿色)PWM脉冲作为时间函数不重叠的时间点(1A、X1A)同时测量32第一和第二(红色和绿色)LED中一个的峰值光输出和峰值电流。该方法还包括在驱动第一和第二(红色和绿色)LED的PWM脉冲重叠期间(2A、X2A)同时测量34第一和第二(红色和绿色)LED的复合峰值光输出及驱动第二(绿色)LED的PWM脉冲的峰值电流。第二(绿色)LED的峰值光输出是通过从在驱动第一和第二(红色和绿色)LED的PWM脉冲重叠期间测量到的第一和第二(红色和绿色)LED的复合峰值光输出中减去36在PWM脉冲不重叠期间测量到的第一(红色)LED的峰值光输出获得的。
一旦知道了第一和第二(红色和绿色)LED及驱动它们的PWM脉冲的峰值光输出和峰值电流,就可以通过用峰值电流除峰值光输出来计算38、40将第一和第二LED的峰值光输出与峰值电流关联的常量。如上所述,然后就可以确定42、44驱动各LED的脉冲平均电流,及通过用驱动对应LED的PWM脉冲平均电流乘各LED常量来确定46、48LED的平均光输出。
本领域技术人员应当认识到上述及在图1-3中所描述的方法可以用于确定具有多于两个LED的阵列的平均光输出,其中LED是由作为时间函数部分重叠的PWM脉冲驱动的。
图4和5描述了根据本发明用于当LED由具有峰值电流和平均电流的PWM脉冲驱动时确定具有峰值光输出的LED平均光输出的装置50代表性实施方案的各个方面。装置50适用于具有驱动RGB LED阵列的电源54的白色光源52,其中RGB LED阵列具有安装在吸热器62上的红色LED56、绿色LED 58和蓝色LED 60。LED 56、58、60通过提供驱动LED的PWM电流脉冲的LED驱动器64耦合到电源。
装置50包括光电二极管68、电流传感器70和信号调节设备72形式的装置,其中信号调节设备72向微处理器74提供用于为每个LED确定将各LED的峰值光输出与驱动各LED的PWM脉冲峰值电流关联的常量的信号。电流传感器70和光电二极管68配置成同时测量LED 56、58、60中一个或多个的峰值光输出及产生光线的PWM脉冲的峰值电流。微处理器74通过用与峰值光输出同时测量的对应LED的峰值电流除LED 56、58、60中一个的测量峰值光输出来确定该常量。
微处理器74还提供确定PWM脉冲平均电流,及用各自常量乘驱动RGBLED阵列的PWM脉冲平均电流的装置。PWM脉冲的平均电流可以通过利用电流传感器70监视PWM脉冲并对其电流关于时间求积分来计算。电流传感器70和微处理器74还可用于在脉冲的短持续时间内对PWM脉冲的电流采样,并利用存储在微处理器74内存76中关于该PWM脉冲持续时间和重复频率的信息来推断平均电流值。
图5说明了本发明的一种形式,其中平均电流是通过检测PWM脉冲的电流,并使该检测电流通过配置成提供图1虚线所示平均电流信号的低通滤波器86来确定的。
内存76和微处理器74还可以配置成更加方便常量的计算。微处理器74还可以包括配置成向LED驱动器提供控制信号的控制器78,其中控制信号用于以获得白色光源52期望光输出和性能所需的方式调节PWM脉冲。
温度传感器80也可以包含在装置50中,用于确定装置50应当多久测量一次LED的平均光输出并调节PWM信号以实现光源52的期望性能。尽管确实有可能利用在此所描述的装置50和方法10、40来确定每个PWM周期中的LED平均光输出,但是那么频繁地确定平均光输出可能不是必要的或期望的。另外,可能期望对微处理器74进行编程以便按照某种预定时间表周期性地确定平均光输出,或者期望允许微处理器74确定平均光输出并且当监视参数,如吸热器温度,落在预定工作范围之外时根据存储在内存76中的参数调节PWM脉冲。
图5显示装置50的信号调节设备72可以包括用于光电二极管68和温度传感器80的放大及信号调节器82。装置50还可以包括模数转换器(ADC)88和多路复用器90来协调实现本发明所需的同时测量。
本发明还可以采取用于根据本发明装置中的计算机可读介质上代码的形式,其中代码包括当LED由具有峰值电流和平均电流的PWM脉冲驱动时确定具有峰值光输出的LED平均光输出的指令。代码可以包括确定将LED峰值光输出与PWM脉冲峰值电流关联的常量的指令,及用该常量乘PWM脉冲平均电流的指令。
确定常量的指令可以包括同时测量LED峰值光输出和PWM脉冲峰值电流的指令,及通过用峰值电流除峰值光输出来计算常量的指令。
代码还可以包括确定PWM脉冲电流平均值的指令。这些指令可以包括通过对PWM脉冲的电流关于时间求积分,或可选地通过检测PWM电流并使检测电流通过配置成产生PWM电流平均值的低通滤波器,来确定平均电流的指令。
代码还可以包括当第一和第二LED分别由第一和第二PWM脉冲驱动时通过确定将第一LED峰值光输出与第一PWM脉冲峰值电流关联的第一常量并用该第一LED常量乘第一PWM脉冲平均电流来确定各自都具有峰值光输出的第一LED和第二LED平均光输出的指令,其中第一和第二PWM脉冲每个都具有峰值电流和平均电流。如果PWM脉冲作为时间的函数不重叠,则第二LED的平均光输出是通过确定将峰值光输出与驱动第二LED的峰值电流关联的常量并用驱动第二LED的PWM脉冲平均电流乘第二LED常量来计算的。
在驱动第一和第二LED的第一和第二PWM脉冲作为时间的函数重叠且第一和第二LED的复合峰值光输出利用单个光传感器测量的地方,代码可以包括在第一和第二PWM脉冲不重叠的时间点同时测量第一和第二LED中一个的峰值光输出和峰值电流的指令。代码还可以包括在第一和第二脉冲作为时间函数重叠的时间点同时测量第一和第二LED两个的峰值光输出及第一和第二PWM脉冲中驱动另一个的峰值电流的指令。代码还可以包括通过从在第一和第二PWM脉冲彼此重叠的时间点测量到的第一和第二LED的复合峰值光输出中减去在第一和第二PWM脉冲不重叠的时间点测量到的第一和第二LED中一个的峰值光输出来确定第一和第二LED中另一个的峰值光输出的指令。
代码还可以包括确定第二PWM脉冲电流平均值的指令。这些指令可以包括通过对第二PWM脉冲的电流关于时间求积分,或可选地通过检测第二PWM脉冲的电流并使该检测电流通过配置成产生第二PWM脉冲平均电流值的低通滤波器,来确定平均电流的指令。
代码还可以包括当第一、第二和第三LED分别由第一、第二和第三PWM脉冲驱动时确定具有峰值光输出的第三LED平均光输出的指令,其中第一、第二和第三PWM脉冲中每个都具有峰值电流和平均电流,而且其中第一、第二和第三PWM脉冲作为时间的函数彼此部分重叠,此外其中第一、第二和第三LED的峰值光输出是利用单个光传感器测量的。代码还可以包括确定将第三LED峰值光输出与第三PWM脉冲峰值电流关联的第三LED常量的指令,及用第三LED常量乘第三PWM脉冲平均电流的指令。代码还可以包括通过在第一、第二和第三PWM脉冲作为时间函数不重叠的时间点同时测量第三LED的峰值光输出和峰值电流来确定第三LED常量的指令,及用第三LED的峰值电流除第三LED的峰值光输出的指令。
代码还可以包括确定第三PWM脉冲电流平均值的指令。这些指令可以包括通过对第三PWM脉冲的电流关于时间求积分,或可选地通过检测第三PWM脉冲的电流并使该检测电流通过配置成产生第三PWM脉冲平均电流值的低通滤波器,来确定平均电流的指令。
代码还可以包括用第三PWM脉冲的电流平均值乘第三LED常量的指令。本领域技术人员很容易认识到代码可以包括利用具有多于三个LED的光源及部分重叠PWM序列的其它组合来实现本发明的指令。
尽管以上描述利用了本发明的特定代表性实施方案,但在不背离本发明主旨和范围的前提下可以进行许多其它的修改和变化。例如,在此所使用的术语“单个光传感器”期望可以包括多个彼此关联作为一个单元起作用的传感器布置。在此所使用的术语LED同样也期望可以包括作为一个单元起作用的LED阵列。
本发明的范围只有通过附加权利要求才能限制,所有在其等效装置含义和范围内的变化都包含在其中。

Claims (11)

1、一种用于确定具有峰值光输出的发光二极管(56)的平均光输出的装置(50),其中发光二极管由具有峰值电流和平均电流的脉宽调制脉冲驱动,该装置(50)包括确定将发光二极管(56)的峰值光输出与脉宽调制脉冲的峰值电流关联的常量的装置(68、70、72、74)及用该常量乘脉宽调制脉冲平均电流的装置(74)。
2、如权利要求1所述的装置(50),其中确定常量的装置(68、70、72、74)包括同时测量发光二极管的峰值光输出和脉宽调制脉冲的峰值电流的装置(68、70、72)及通过用峰值电流除峰值光输出来计算该常量的装置(74)。
3、如权利要求1所述的装置(50),用于当第一和第二发光二极管(56、58)分别由第一和第二脉宽调制脉冲驱动时确定各自都具有峰值光输出的第一和第二发光二极管(56、58)中第一发光二极管的平均光输出,其中所述第一和第二脉宽调制脉冲每个都具有峰值电流和平均电流,装置(50)包括确定将第一发光二极管(56)的峰值光输出与第一脉宽调制脉冲的峰值电流关联的第一发光二极管常量的装置(68、70、72、74)及用该第一发光二极管常量乘第一脉宽调制脉冲平均电流的装置(74)。
4、如权利要求3所述的装置(50),其中确定第一LED常量的装置(68、70、72、74)包括同时测量第一发光二极管的峰值光输出和第一脉宽调制脉冲的峰值电流的装置(68、70、72)及通过用第一脉宽调制脉冲峰值电流除第一发光二极管(56)的峰值光输出来计算第一发光二极管常量的装置(74)。
5、如权利要求4所述的装置(50),其中所述第一和第二脉宽调制脉冲DR、DG作为时间的函数部分重叠,且所述第一和第二发光二极管的峰值光输出是利用单个光传感器(68)测量的,该装置(50)还包括:
在第一和第二脉宽调制脉冲DR、DG作为时间函数不重叠的时间点IA同时测量第一和第二发光二极管中一个发光二极管(56)的峰值光输出和峰值电流的装置(68、70、72);
在第一和第二脉宽调制脉冲DR、DG作为时间函数重叠的时间点IB同时测量第一和第二发光二极管(56、58)的峰值光输出及第一和第二脉宽调制脉冲中另一个的峰值电流的装置(68、70、72);及
通过从在第一和第二脉宽调制脉冲DR、DG重叠的时间点IB测量到的第一和第二发光二极管的复合峰值光输出中减去在第一和第二脉宽调制脉冲DR、DG不重叠的时间点IA测量到的第一和第二发光二极管中一个发光二极管(56)的峰值光输出来确定第一和第二发光二极管中另一个发光二极管(58)的峰值光输出的装置(68、70、72)。
6、如权利要求5所述的装置(50),还包括通过同时测量第二脉宽调制脉冲DG的峰值电流及第一和第二发光二极管(56、58)的复合峰值光输出来确定第二发光二极管常量的装置(68、70、72、74)及用第二脉宽调制脉冲DG的峰值电流除第二发光二极管(58)的峰值光输出的装置(74)。
7、如权利要求3或5所述的装置(50),还用于当第一、第二和第三发光二极管(56、58、60)分别由第一、第二和第三脉宽调制脉冲DR、DG、DB驱动时确定具有峰值光输出的第三发光二极管(60)的平均光输出,第一、第二和第三脉宽调制脉冲每个都具有峰值电流和平均电流,其中第一、第二和第三脉宽调制脉冲DR、DG、DB作为时间的函数部分重叠,且第一、第二和第三发光二极管(56、58、60)的峰值光输出是利用单个光传感器(68)测量的,装置(50)还包括确定将第三发光二极管(60)峰值光输出与第三脉宽调制脉冲DB峰值电流关联的第三发光二极管常量的装置(68、70、72、74)及用该第三发光二极管常量乘第三脉宽调制脉冲DB平均电流的装置(74)。
8、如权利要求7所述的装置(50),还包括通过在第一、第二和第三脉宽调制脉冲DR、DG、DB作为时间函数不重叠的时间点3A同时测量第三发光二极管(60)的峰值光输出和峰值电流来确定第三发光二极管常量的装置(68、70、72、74)及用第三发光二极管(60)的峰值电流除第三发光二极管(60)的峰值光输出的装置(74)。
9、如权利要求1、2、5或7所述的装置(50),还包括通过对各脉宽调制脉冲,第一脉宽调制脉冲、第二脉宽调制脉冲DG及第三脉宽调制脉冲DB中的所述电流关于时间求积分,来确定脉宽调制脉冲中的电流、第一脉宽调制脉冲中的电流、第二脉宽调制脉冲DG中的电流及第三脉宽调制脉冲DB中的电流中至少一个电流的平均值的装置(74)。
10、如权利要求9所述的装置(50),还包括用各脉宽调制脉冲,第一脉宽调制脉冲、第二脉宽调制脉冲DG和第三脉宽调制脉冲DB,的电流平均值乘常量的装置(74)。
11、用于如权利要求1所述装置的计算机可读介质上的代码,用于确定具有峰值光输出的发光二极管的平均光输出,其中发光二极管由具有峰值电流和平均电流的脉宽调制脉冲驱动,该装置包括确定将发光二极管峰值光输出与脉宽调制脉冲峰值电流关联的常量的指令及用该常量乘脉宽调制脉冲平均电流的指令。
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