DE102007045777A1 - Scalable LED control with minimized power loss - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, bestehend aus 1 bis n parallel geschalteten LED-Ketten (2) mit jeweils mindestens einer LED (4) und mit jeweils einer gesteuerten Stromquelle (6), wobei die LED-Ketten an einem gemeinsamen steuerbaren Spannungsregler (14) mit einer Betriebsspannung betrieben werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung der beschriebenen elektrischen Schaltungsordnung. Der erfinderische Grundgedanke der Lösung liegt in der Minimierung der Gesamtverlustleistung der parallel geschalteten LED-Ketten (2) durch Bestimmung der minimal notwendigen Betriebsspannung jeder einzelnen LED-Kette (2) im bestromten Zustand der LEDs (4) und in der Ansteuerung des gemeinsamen Spannungsreglers (14).The invention relates to an electrical circuit arrangement comprising 1 to n parallel connected LED chains (2) each having at least one LED (4) and each having a controlled current source (6), wherein the LED chains on a common controllable voltage regulator (14 ) are operated with an operating voltage. Furthermore, the invention relates to a method for driving the described electrical circuit order. The inventive idea of the solution lies in the minimization of the total power loss of parallel LED chains (2) by determining the minimum required operating voltage of each LED chain (2) in the energized state of the LEDs (4) and in the control of the common voltage regulator ( 14).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 6 ein Verfahren zur Ansteuerung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen elektrischen Schaltungsordnung.The The invention relates to an electrical circuit arrangement according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention according to claim Fig. 6 shows a method for controlling the preamble of the claim 1 described electrical circuit order.

Derartige Schaltungsanordnungen von LEDs in einer Kette oder in mehreren parallel geschalteten Ketten finden zunehmend Verwendung als Hinterleuchtung von Displays, insbesondere für den Einsatz in Fahrerinformationssystemen im Automobilbereich. Die parallel geschalteten Ketten liegen an einer gemeinsamen Spannungsquelle, wodurch sich der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung verschlechtert, weil die Unterschiede zwischen den LED-Durchlassspannungen in Verlustleistungen umgesetzt werden. Wegen der Vielzahl der auf engem Raum verbauten LEDs stellt sich hier das Problem, die durch die Verlustleistung in den Halbleiterbauelementen entstehende Wärme abzuführen.such Circuit arrangements of LEDs in a chain or in several parallel switched chains are increasingly being used as backlighting of displays, especially for the use in driver information systems in the automotive sector. The parallel-connected chains are connected to a common voltage source, whereby the efficiency of the circuit deteriorates, because the differences between the LED forward voltages in power losses be implemented. Because of the variety of built in a small space LEDs here poses the problem caused by the power loss Dissipate heat generated in the semiconductor devices.

Dem Stand der Technik entsprechend wird dieses Problem durch zusätzliche Wärmeabfuhrmaßnahmen gelöst. Dazu zählen das Verbauen von großflächigen Kühlkörpern oder eine erzwungene Konvektion durch Lüfter. Auch durch Selektion von LEDs mit schmalen Toleranzbereichen in den elektrischen Kenndaten oder durch die Verwendung von CCFL-Röhren (Cold Cathode Fluorescent Lamp) kann die Verlustleistung gesenkt werden.the According to the prior art, this problem is caused by additional Heat dissipation measures solved. These include the installation of large-area heat sinks or a forced convection by fans. Also by selection of LEDs with narrow tolerance ranges in the electrical characteristics or by the use of CCFL tubes (Cold Cathode Fluorescent Lamp), the power loss can be reduced.

Diese bekannten Maßnahmen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie entweder zu viel Bauraum beanspruchen, wie im Fall der Kühlkörper und der Lüfter, da dieser in aller Regel stark begrenzt ist oder die Lösung zu kostspielig, wie im Fall der Verwendung selektierter Bauteile.These known measures However, they have the disadvantage that they either too much space claim, as in the case of the heat sink and the Fan, as this is usually very limited or the solution too expensive, as in the case of the use of selected components.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art die Verlustleistung weiter zu reduzieren, sodass zusätzliche aufwändige Wärmeabfuhrmaßnahmen entfallen können.Of the The invention is therefore based on the object, in a circuit arrangement the type described above to further reduce the power loss, so additional complex Heat dissipation measures can be omitted.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen in Anspruch 6 gelöst.These The object is achieved by the characterizing features in claim 1 in Connection solved with the characterizing features in claim 6.

Der erfinderische Grundgedanke der Lösung in den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 6 liegt in der Minimierung der von den Halbleiterbauelementen in den parallel geschalteten LED-Ketten erzeugten Gesamtverlustleistung. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Bestimmung einer minimal erforderlichen Betriebsspannung verbunden mit der Ansteuerung des gemeinsamen Spannungsreglers. Ausgangspunkt ist dabei die Ermittlung der für jede einzelne LED-Kette im bestromten Zustand der LEDs minimal erforderlichen Betriebsspannung.Of the inventive idea of the solution in The features of claim 1 and claim 6 lies in the minimization that of the semiconductor devices in the parallel-connected LED strings generated total power loss. This task is solved by the determination of a minimum required operating voltage associated with the control of the common voltage regulator. starting point is the determination of the for every single LED chain in the energized state of the LEDs minimally required Operating voltage.

Die Schaltungsanordnung weist daher eine Reglereinheit auf, der als Eingangssignale über den jeweiligen Stromquellen der einzelnen LED-Ketten gemessene Spannungswerte zugeführt werden. Als resultierendes Ausgangssignal der Spannungsregelung gibt die Reglereinheit ein Steuersignal an den steuerbaren Spannungsregler aus.The Circuitry therefore has a regulator unit, which as Input signals via voltage values measured according to the respective current sources of the individual LED chains supplied become. As the resulting output signal of the voltage regulation the controller unit sends a control signal to the controllable voltage regulator out.

Zweckmäßigerweise umfasst die Reglereinheit die folgenden Funktionsblöcke:
eine Messeinheit zur Messung der Spannungswerte über den Stromquellen,
eine Auswerteeinheit, die die gemessenen Spannungswerte verarbeitet und ein Ausgangssignal bereitstellt,
einen Regler, der eingangsseitig mit dem Ausgangssignal der Auswerteeinheit und einem Sollwert-Eingangssignal verbunden ist und ein Reglerausgangssignal ausgibt,
eine Kontrolleinheit, die aus dem Reglerausgangssignal ein Steuersignal für den steuerbaren Spannungsregler erzeugt.Conveniently, the controller unit comprises the following functional blocks:
a measuring unit for measuring the voltage values across the power sources,
an evaluation unit that processes the measured voltage values and provides an output signal,
a controller which is connected on the input side to the output signal of the evaluation unit and a setpoint input signal and outputs a controller output signal,
a control unit which generates a control signal for the controllable voltage regulator from the regulator output signal.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein ebenfalls erfindungsgemäßes Verfahren realisiert, das darauf beruht, dass für einen verlustleistungsoptimierten Betrieb der Schaltungsanordnung die minimal erforderliche Betriebsspannung bestimmt wird. Die Bestimmung erfolgt derart, dass zunächst im bestromten Zustand der LEDs die Spannungswerte über den Stromquellen der jeweiligen LED-Kette gemessen werden. Die weitere Verarbeitung der über den Stromquellen gemessenen Spannungswerte geschieht in einer Verarbeitungseinheit erfindungsgemäß in der Weise, dass die kleinste dieser Spannungen bestimmt wird. Dabei kann die Verarbeitungseinheit zur Ermittlung des kleinsten Spannungswertes als Hardware-Schaltung oder in vorteilhafter Weise flexibel als Software-Programm auf einem Mikroprozessor ausgeführt sein. Anschließend wird aus der kleinsten Spannung und einem zugeführten Spannungsregler-Sollwert ein Reglerausgangssignal abgeleitet und schließlich wird das Reglerausgangssignal in ein Steuersignal für den steuerbaren Spannungsregler zur Einstellung der minimal erforderlichen Betriebsspannung transformiert.With the circuit arrangement according to the invention is a likewise inventive method realized, which is based on that for a loss-performance-optimized Operation of the circuit arrangement, the minimum required operating voltage is determined. The determination is made such that initially in energized state of the LEDs the voltage values across the current sources of the respective LED chain can be measured. Further processing of the over Current sources measured voltage values happens in a processing unit According to the invention in the Way that the smallest of these voltages is determined. It can the processing unit for determining the smallest voltage value as a hardware circuit or advantageously as flexible Software program to run on a microprocessor. Subsequently, will from the lowest voltage and a supplied voltage regulator setpoint a controller output signal is derived and finally the controller output signal in a control signal for the controllable voltage regulator for setting the minimum required Operating voltage transformed.

Mit der Erfindung wird somit erreicht, dass nur die minimal benötigte Betriebsspannung über der Parallelschaltung der LED-Ketten anliegt, also auch nur eine minimale Verlustleistung entsteht, die wiederum zu einer geringeren Wärmeentwicklung führt.With The invention is thus achieved that only the minimum required operating voltage across the parallel circuit the LED chains is applied, so only a minimal power loss arises, which in turn leads to less heat.

Hieraus ergeben sich erhebliche Vorteile hinsichtlich des erforderlichen Platzbedarfs. Wenn überhaupt notwendig, werden nur sehr kleine Kühlkörper benötigt, sodass auf den Einsatz von Zwangskonvektion verzichtet werden kann. Insgesamt gesehen bietet also die Erfindung durch die Bereitstellung einsetzbarer Display-Gehäuse mit kleinen Abmessungen mehr Freiheitsgrade beim Verbau und damit bei der Gestaltung der Einbauumgebung.This results in considerable advantages in terms of the required space. If necessary, only very small heat sinks needed so that the use of forced convection can be dispensed with. Overall, therefore, the invention provides by providing usable display housing with small dimensions more degrees of freedom in the installation and thus in the design of the installation environment.

Als weiterer Vorteil kann auf kostengünstige Standardbauelemente zurückgegriffen werden, die eine aufwändige Selektion der Bauelemente entbehrlich machen.When Another advantage can be on inexpensive standard components resorted be that elaborate Make selection of the components dispensable.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungsmerkmale werden an Hand eines bevorzugten, in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die Figur ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.Further expedient design features are based on a preferred, illustrated in the drawing Embodiment explained. there the figure shows a schematic diagram of the circuit arrangement according to the invention.

Die Schaltung besteht aus n parallel geschalteten LED-Ketten 2, die in diesem Ausführungsbeispiel jeweils nur eine LED 4 pro LED-Kette 2 aufweisen; es können aber in einer LED-Kette 2 auch mehrere in der Reihe geschaltete LEDs 4 vorgesehen werden. Jede LED-Kette 2 wird durch eine steuerbare Stromquelle 6 gespeist, wobei in weiten Bereichen die Leuchtdichte der LED 4 proportional zu einem Durchlassstrom ILED ist. Angesteuert werden die Stromquellen 6 individuell über separate Steuerleitungen Si1–Sin von einer Strom-Kontrolleinheit 10 nach Vorgabe eines Helligkeits-Sollwertes 11.The circuit consists of n parallel connected LED chains 2 , which in this embodiment each only one LED 4 per LED chain 2 exhibit; but it can be in a LED chain 2 also several LEDs connected in series 4 be provided. Every LED chain 2 is powered by a controllable power source 6 fed, where in many areas the luminance of the LED 4 is proportional to a forward current I LED . The power sources are controlled 6 individually via separate control lines S i1 -S in from a power control unit 10 after specification of a brightness setpoint 11 ,

Aus dem Prinzipschaltbild geht hervor, dass einer Reglereinheit 12 als Eingangssignale über den Stromquellen 6 der jeweiligen LCD Kette 2 gemessene Spannungsabfälle U1 bis Un zugeführt werden. Die Reglereinheit erzeugt daraus ein Steuersignal Su für einen steuerbaren Spannungsregler 14, der eine Betriebsspannung für die parallel geschalteten LED-Ketten 2 bereitstellt.The block diagram shows that a regulator unit 12 as input signals via the current sources 6 the respective LCD chain 2 measured voltage drops U 1 to U n are supplied. The control unit generates from this a control signal S u for a controllable voltage regulator 14 that supplies an operating voltage for the parallel-connected LED chains 2 provides.

Die Reglereinheit 12 umfasst eine Messeinheit 14, die n Eingänge zur Messung der n Spannungswerte U1 bis Un aufweist. Die n Spannungswerte U1 bis Un werden anschließend in einer Auswerteeinheit 16 derart verarbeitet, dass aus den n Spannungswerte U1 bis Un der kleinste Spannungswert Umin ermittelt und als Ausgangssignal zusammen mit einem Sollwert Usoll einem Regler 18 zugeführt wird. Der Regler 18 führt die ausgewählte Spannung Umin dem Sollwert Usoll nach und leitet ein Reglerausgangssignal Sr an eine Spannungs-Kontrolleinheit 20 weiter, die ein Steuersignal Su zur Ansteuerung des Spannungsreglers 14 bereitgestellt. Der Spannungsregler 14 erzeugt dann die zum Betrieb der LED-Kette 2 minimale erforderliche Betriebsspannung UBmin.The controller unit 12 includes a measuring unit 14 having n inputs for measuring the n voltage values U 1 to U n . The n voltage values U 1 to U n are then in an evaluation unit 16 processed such that the smallest voltage value U min determined from the n voltage values U 1 to U n and as an output signal together with a setpoint U is a controller 18 is supplied. The regulator 18 performs the selected voltage U min the setpoint U soll and passes a controller output signal S r to a voltage control unit 20 Next, the control signal S u to control the voltage regulator 14 provided. The voltage regulator 14 then generates the to operate the LED chain 2 minimum required operating voltage U B min.

Auch eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Implementierung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Möglichkeit, durch Auswertung der gemessenen Spannungswerte U1 bis Un kurzgeschlossene oder unterbrochene LED-Ketten 2 zu erkennen und daraus Sicherungs- und Schutzmaßnahmen, wie z. B. eine Abschaltung der jeweiligen LED-Kette, abzuleiten.The method according to the invention and its implementation in the circuit arrangement according to the invention also open up the possibility of short-circuiting or interrupted LED chains by evaluating the measured voltage values U 1 to U n 2 recognize and from it safety and protective measures, such. B. a shutdown of the respective LED chain derive.

Claims (10)

Schaltungsanordnung bestehend aus 1 bis n parallel geschalteten LED-Ketten mit jeweils mindestens einer LED und mit jeweils einer gesteuerten Stromquelle, wobei die LED-Ketten an einem gemeinsamen steuerbaren Spannungsregler mit einer Betriebsspannung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass über den jeweiligen Stromquellen (6) der einzelnen LED-Ketten (2) gemessene Spannungswerte (U1 bis Un) als Eingangssignale einer Reglereinheit (12) zugeführt werden und diese ein Steuersignal (Su) an den steuerbaren Spannungsregler (14) ausgibt.Circuit arrangement consisting of 1 to n parallel LED chains with at least one LED and each with a controlled current source, the LED chains are operated on a common controllable voltage regulator with an operating voltage, characterized in that on the respective current sources ( 6 ) of the individual LED chains ( 2 ) measured voltage values (U 1 to U n ) as input signals of a control unit ( 12 ) and these a control signal (S u ) to the controllable voltage regulator ( 14 ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (12) folgende Funktionsblöcke aufweist: eine Messeinheit (14) zur Messung der Spannungswerte (U1 bis Un) über den Stromquellen (6), eine Auswerteeinheit (16), die die gemessenen Spannungswerte (U1 bis Un) verarbeitet und ein Ausgangssignal (Umin) bereitstellt, einen Regler (18), der eingangsseitig mit dem Ausgangssignal (Umin) der Auswerteeinheit (16) und einem Sollwert-Eingangssignal (Usoll) verbunden ist und ein Reglerausgangssignal (Sr) ausgibt, eine Spannungs-Kontrolleinheit (20), die aus dem Reglerausgangssignal (Sr) ein Steuersignal (Su) für den steuerbaren Spannungsregler (14) erzeugt.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the control unit ( 12 ) comprises the following functional blocks: a measuring unit ( 14 ) for measuring the voltage values (U 1 to U n ) over the current sources ( 6 ), an evaluation unit ( 16 ), which processes the measured voltage values (U 1 to U n ) and provides an output signal (U min ), a controller ( 18 ), the input side with the output signal (U min ) of the evaluation unit ( 16 ) And a reference input signal (U soll), and outputs a control output signal (S r), (a voltage monitoring unit 20 ), from the controller output signal (S r ) a control signal (S u ) for the controllable voltage regulator ( 14 ) generated. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) als Hardware-Schaltung ausgeführt ist.Circuit arrangement according to Claim 2, characterized in that the evaluation unit ( 16 ) is designed as a hardware circuit. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) flexibel als Software-Programm auf einem Mikroprozessor implementiert ist.Circuit arrangement according to Claim 2, characterized in that the evaluation unit ( 16 ) is flexibly implemented as a software program on a microprocessor. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strom-Kontrolleinheit (10) über separate Steuerleitungen (Si1–Sin) mit den jeweiligen Stromquellen (6) der einzelnen LED-Ketten (2) verbunden ist.Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a current control unit ( 10 ) via separate control lines (S i1 -S in ) with the respective power sources ( 6 ) of the individual LED chains ( 2 ) connected is. Verfahren zur Ansteuerung von 1 bis n parallel geschalteten LED-Ketten mit jeweils mindestens einer LED und mit jeweils einer gesteuerten Stromquelle, wobei die LED-Ketten an einem gemeinsamen steuerbaren Spannungsregler mit einer Betriebsspannung betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass für einen verlustleistungsoptimierten Betrieb der Schaltungsanordnung die minimal erforderliche Betriebsspannung (UBmin) bestimmt wird.Method for controlling 1 to n parallel connected LED chains, each with at least one LED and each having a controlled current source, wherein the LED chains are operated on a common controllable voltage regulator with an operating voltage, characterized in that for a loss of power optimized operation of the circuit the minimum required Liche operating voltage (U Bmin ) is determined. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal erforderliche Betriebsspannung (UBmin) durch die Signalverarbeitungsschritte a) bis d) bestimmt wird: a) im bestromten Zustand der LEDs werden die Spannungswerte (U1 bis Un) über den Stromquellen (6) der jeweiligen LED-Kette (2) gemessen, b) von den gemessenen Spannungswerten (U1 bis Un) wird die kleinste Spannung (Umin) bestimmt, c) aus der kleinsten Spannung (Umin) und einem zugeführten Spannungsregler-Sollwert (Usoll) wird ein Reglerausgangssignal (Sr) abgeleitet, d) das Reglerausgangssignal (Sr) wird in ein Steuersignal (Su) für den steuerbaren Spannungsregler (14) zur Einstellung der minimal erforderlichen Betriebsspannung (UBmin) transformiert.A method according to claim 6, characterized in that the minimum required operating voltage (U Bmin ) is determined by the signal processing steps a) to d): a) in the energized state of the LEDs, the voltage values (U 1 to U n ) over the current sources ( 6 ) of the respective LED chain ( 2 ), b) the lowest voltage (U min ) is determined from the measured voltage values (U 1 to U n ), c) from the lowest voltage (U min ) and a supplied voltage regulator setpoint (U soll ) a controller output signal ( S r ), d) the controller output signal (S r ) is converted into a control signal (S u ) for the controllable voltage regulator (S 14 ) to set the minimum required operating voltage (U Bmin ) transformed. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Strom-Kontrolleinheit (10) durch Vorgabe eines Helligkeits-Sollwertes (11) die gewünschte Helligkeit über die Steuerleitungen (Si1–Sin) individuell für die einzelnen LED-Ketten (2) eingestellt werden kann.Method according to claim 6 or 7, characterized in that by means of a current control unit ( 10 ) by specifying a brightness setpoint ( 11 ) the desired brightness via the control lines (S i1 -S in ) individually for the individual LED chains ( 2 ) can be adjusted. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der gemessenen Spannungswerte (U1 bis Un) kurzgeschlossene oder unterbrochene LED-Ketten (2) erkannt werden können.Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that by evaluation of the measured voltage values (U 1 to U n ) short-circuited or interrupted LED chains ( 2 ) can be detected. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer kurzgeschlossenen oder unterbrochenen LED-Kette (2) Sicherungs- und Schutzmaßnahmen, insbesondere eine Abschaltung der jeweiligen LED-Kette (2), abgeleitet werden können.A method according to claim 9, characterized in that upon detection of a short-circuited or interrupted LED chain ( 2 ) Safety and protection measures, in particular a shutdown of the respective LED chain ( 2 ), can be derived.
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