CN101681599B - 用于驱动以串联配置布置的多个光源的驱动电路 - Google Patents

用于驱动以串联配置布置的多个光源的驱动电路 Download PDF

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Abstract

描述了用于驱动以串联配置(2)布置的多个光源(1)的驱动电路(10)。可控电流源(20)连接到光源的所述串联布置。每个光源(1(i))通过相应的可控开关(25(i))桥接。控制器(30)控制电流源(20)的操作以设定电流水平，并控制相应开关(25(i))的操作状态以独立地控制相应光源的光输出。所述控制器(30)能够独立地设置相应的开关(25(i))的开关控制信号(SL(i))。特别地，所述控制器(30)能够增强一个选定光源(1(x))的光输出，同时保持串联布置(2)中其它光源的光输出。为此，增加所述电流水平，同时调暗其它光源。

Description

用于驱动以串联配置布置的多个光源的驱动电路
技术领域
本发明总体上涉及用于驱动多个光源的驱动装置，所述光源特别地但并非必需地是LED。本发明还涉及电平移动器(level shifter)。
背景技术
存在照明装置包括光源阵列的情况；一个例子是用作监视器、TV等的LCD显示器的背光。在以下阐述中，假设光源是LED，但这不是必需的。
用于LCD的2D背光LED阵列包括彼此上下布置的多个水平条，每个条包括彼此相邻布置的多个LED。LED可连续接通，但是所述条典型地以帧频接通和断开，使得与当前正在显示的图像线对齐的条接通，而其余条断开。LED可以均产生相同的光输出，但是如果与相应图像部分的性质相一致地修改LED的光输出，那么可以实现更好的显示结果，尤其是更好的对比度。例如，对于图像的较暗部分，相应LED可以被调暗(dim)，而对于图像的较亮部分，相应LED可以被增强(boost)。这种调节可针对整个水平条进行(1D调暗)，但优选地，所述调节在各个LED的水平上进行(2D调暗)。
在这方面的复杂性是相邻光源之间的串扰，与HCFL灯相比，该问题在LED的情况下更严重。串扰通常指的是显示器的区段由两个(或更多)光源照明。这对于位于两个相邻光源之间中部的显示器区段来说通常如此，但是，尤其是对于具有较大开度角的LED，这对于应当仅仅由一个相关光源照明的显示器区段来说也可能是如此。由于串扰，一个光源的光输出的调节可能导致可用于照明与相邻光源有关的显示器区段的光的不希望的变化。这种不希望的变化应当通过适当调节这个相邻光源的光输出来被补偿。
因而，当一个光源被调暗时，串扰补偿可能需要相邻的光源被增强，这将参考图1进行阐述，图1示意性地示出了LCD屏幕的照明装置的一部分的前视图。各个LED由附图标记1表示。LED1以水平条(由附图标记2表示)的形式以相互之间的某种水平距离彼此相邻布置，所述水平条以某种竖直距离彼此上下布置。在下文中，水平方向将作为X方向，而竖直方向将作为Y方向。各个条2将通过添加Y-指标j来区分。在第j条2(j)中的各个LED将通过添加X-指标i和Y-指标j来区分，如LED1(i，j)。虽然不是必需的，但是将假设i的范围从1到最大值iM，且j的范围从1到最大值jM。
在图1中，圆3(i，j)显示由LED1(i，j)照明的LCD屏幕的一部分。应当注意的是，在实践中，这样的部分将不具有轮廓鲜明的边界线。可以看出，LED1(i，j)在与LED1(i-1，j)、LED1(i+1，j)、LED1(i，j-1)、LED1(i，j+1)相对应的屏幕区段中产生照明贡献。在此将忽略与LED1(i-1，j-1)、LED1(i-1，j+1)、LED1(i+1，j-1)、LED1(i+1，j+1)相对应的屏幕区段中的照明贡献。
假设LED1(i，j)要被调暗。为了补偿图1所示的串扰，LED1(i-1，j)、LED1(i+1，j)、LED1(i，j-1)、LED1(i，j+1)应当被增强，而条2(j-1)、2(j)、2(j+1)中的其余LED应当继续以正常光输出驱动。
发明内容
如果光源被独立驱动，上述要求可以相对容易满足。然而，如果多个光源串联地电连接(例如对于LED的条2来说就是如此)，会发生问题。例如，在条2(j-1)中，LED1(i，j-1)应当被增强，而该条中的所有其它LED应当不变。
本发明的目的是克服该问题。根据本发明的一个重要方面，可控光源的串联布置从公共可控电源来提供。控制器控制所述电源以及各个光源。如果期望增强光源之一，则增加所述电源的输出功率同时使其它各个光源被调暗。
附图说明
本发明的这些和其它方面、特征和优点将通过参考附图对一个或多个优选实施例的以下说明被进一步阐述，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似部件，且在附图中：
图1示意性地示出了用于LCD屏幕的照明装置的一部分的前视图；
图2是示意性地示出用于驱动多个LED的驱动电路的框图；
图3是示意性地示出控制器的一部分的框图；
图4是示意性地示出电平移动器的实施例的框图。
具体实施方式
图2示意性地示出了用于驱动多个LED1的驱动电路10。LED以串联配置布置，且耦接到可控电流源20的输出端子21、22。该图仅仅示出了5个LED1，但是所述多个LED可包括2-4或6或更多个LED。这些LED一起可形成如上所述的条2。每个LED1(i)由相应可控开关25(i)桥接，开关25(i)优选地被实现为晶体管或MOSFET。如果开关25(i)闭合(导通)，则相应LED1(i)断开。
电路10还包括控制器30，控制器30具有耦接到相应开关25(i)的相应控制端子的输出端子31(i)且具有耦接到电流源20的控制输入23的输出端子32。
在其输出端子32处，控制器30产生电流控制信号SC，以控制电流源20的操作以便设定LED1的光输出。在第一近似中，由LED产生的光输出(光强度)L根据L(I)＝k·I而与LED中的电流I成线性比例，k是比例常数。如果考虑非线性因素，所述光输出可以根据L(i)＝f(I)而表示为LED中的电流I的函数。电流源20产生的电流I可为恒定电流，且电流幅值可变化，以改变LED的光输出。电流I也可以以电流频率被调制以便交替地接通和断开，在这种情况下占空比确定平均电流，并因此确定平均光输出。如果占空比由从0到1的范围中的因子α表示，那么平均电流IAV可以表示为IAV＝α·I，且相应平均光输出LAV可以表示为LAV＝f(IAV)＝f(α·I)，其可以近似为α·f(I)。
在其开关控制输出31(i)处，控制器30产生用于控制相应开关25(i)的相应开关控制信号SL(i)，以独立地控制相应LED1(i)的光输出。每个开关控制信号SL(i)是以开关频率将相应开关25(i)驱动为其导通状态或者其不导通状态的脉宽调制信号，其中，开关控制信号SL(i)的占空比确定在0和1之间的范围内的调暗因子(dimfactor)β(i)：如果开关25(i)连续处于其导通状态，那么相应LED1(i)断开且相应调暗因子β(i)等于0，而如果开关25(i)连续处于其不导通状态，那么相应LED1(i)接通且相应调暗因子β(i)等于1。
如果电流源20由占空比控制来控制，那么开关频率应当显著高于电流频率。如果电流源20产生恒定电流，那么该限制消除。
在正常操作中，灯电流(作为恒定电流幅值或者作为切换电流的平均电流)被设定在预定标称水平INOM，同时各调暗因子β(i)均设定为等于1。假设期望将LED1(x)以因子ξ＞1增强，同时所有其它LED应当保持其光输出。增大相应调暗因子β(x)是不可能的。
应当注意的是，如果在正常操作中调暗因子β(i)均设定为小于1的值，那么可以绕开该问题。然而，这将意味着所安装的光输出容量的一部分在正常情况下不被使用。因为LED的成本通常随其光输出容量增加，因此期望使得所安装的光输出容量与在正常操作中的光输出需求相匹配且使得β＝1。
根据本发明，控制器30修改其用于电流源20的电流控制信号SC使得灯电流水平以所述因子ξ增大，以得到灯电流I＝ξ·INOM，而同时控制器30修改其用于相应开关25(i)的开关控制信号SL(i)使得除了所述调暗因子β(x)之外各调暗因子β(i)均以所述因子ξ减小。因而，对于i≠x的所有LED1(i)来说，(平均)电流将等于β(i)·I＝(1/ξ)·ξ·INOM＝INOM，其意味着这些LED的光输出将保持不受影响，而对于LED 1(x)来说，(平均)电流将等于ξ·INOM，其意味着该LED的光输出将增加。
应当注意的是，可以考虑非线性因素，这意味着灯电流水平以因子ξ增加，以便以因子ξ’增强LED1(x)，使得L(ξ·INOM)＝ξ’·L(INOM)。
应当注意的是，呈串联配置的一个或多个LED的调暗可简单地通过减小该LED的调暗因子β来完成，而不必修改电流源和/或其余LED的调暗因子。
上文阐述了增强线性阵列中的一个LED而不影响该阵列中其余LED的光输出的原理。增强该阵列中的一个LED可导致对相邻LED的串扰，这应当通过在不影响该阵列中其余LED的光输出的情况下调暗相邻LED而被补偿。假设以因子ξ增强一个LED1(x)应该通过以因子ζ＞1调暗其相邻LED1(x-1)和LED1(x+1)来补偿。在该情况下：
灯电流水平以所述因子ξ增加；
调暗因子β(x)保持等于1；
调暗因子β(x-1)和β(x+1)以因子ζ·ξ减小；
对于i≤x-1和i≥x+1，调暗因子β(i)均以所述因子ξ减小。
假设线性阵列中的一个LED应当以因子δ＞1被调暗，这应当通过以因子ξ增强相邻LED而不影响该阵列中其余LED的光输出来补偿。在该情况下：
灯电流水平以所述因子ξ增加；
调暗因子β(x)以因子δ·ξ减小；
调暗因子β(x-1)和β(x+1)保持等于1；
对于i≤x-1和i≥x+1，调暗因子β(i)均以所述因子ξ减小。
在进一步的细化中，对LED1(x-2)和LED1(x+2)的串扰可通过稍微调暗这些LED来补偿，如现在本领域技术人员所应当清楚的。
在上文中，参考图2，本发明的主要方面已经针对LED的仅一个线性阵列的实施例进行了阐述。本领域技术人员应当清楚的是，本发明也可以以具有多个一维阵列的二维阵列实现，其中，每个一维阵列设有相应的电流源。对于每个这种一维阵列，上述描述适用，同时相邻一维阵列之间的串扰还可以通过适当增强/调暗相邻阵列中的LED来补偿。
应当注意的是，阵列的取向不是本发明的必要特征。如果阵列竖直取向而不是水平取向，或者具有任何其它配置，本发明都可以实施。然而，如果可以忽略对相邻线性阵列的串扰，那么如果线性阵列水平取向则更有利，因为这允许背光控制器与LCD刷新率同相地进行LED的调暗/增强，且允许该控制器在刷新周期内且与受限空间区域相关地执行所需的计算。
应当特别注意开关25的控制，因为驱动任何开关所需的电压电平取决于该开关在阵列中的排位和同一阵列中其它开关的状况。这是由于以下事实引起：在晶体管上的电压降取决于其操作状态。通过非限制性例子的方式，假设功率LED上的电压降在该LED承载电流(即，该LED相关的开关不导通)时是约2V，在该LED由该LED相关的开关短路时是约0.2V。假设电流源20的低电压端子22处于0电压电平。那么，第二LED(从电流源20的低电压端子22开始计数)的阴极处于2V或处于0.2V。通常，对于第i个LED，在该例子中其阴极处于VC(i)＝2·NON+0.2·NOFF V，NON表示在第i个LED和低电压端子22之间接通的LED的数量，NOFF表示在第i个LED和低电压端子22之间断开的LED的数量，其中NON+NOFF＝i-1。因而，在开关25被实现为晶体管或MOSFET的情况下，开关25(i)的控制端子处的电压电平应当为VC(i)+δ，其中，δ表示在控制端子和低电压端子之间的基本恒定的电压降，例如饱和晶体管的基极-发射极电压。
另一方面，控制器30典型地包括数字电路，其中，开关控制信号作为逻辑信号产生，使所有逻辑“0”信号处于相同电压电平，所有逻辑“1”信号处于相同电压电平。
为了克服该困难，本发明提出使用电平移动器，如参考图3且参考图4所将要描述的，图3是示意性地更详细地示出控制器30的一部分的框图，图4是示意性地示出电平移动器50(用分立部件实现)的实施例的框图。
图3示出了控制器30包括数字控制电路40，数字控制电路40具有与控制器30的输出端子31(i)相对应的输出端子41(i)；为了简单起见，该图仅仅示出了一个这样的输出端子41。输出端子41(i)承载逻辑输出信号，LOW(0V)或HIGH，其中，HIGH电压电平可取决于实施方式且可以例如等于5V。电平移动器50(i)布置在数字控制电路40的输出端子41(i)和控制器30的输出端子31(i)之间。
图4示出了电平移动器50具有用于与数字控制电路40的输出端子41连接的输入端子51。块端子(mass terminal)M连接到数字控制电路40的块端子(未示出)。晶体管52使其发射极通过电阻器R2耦接到块端子M，使其基极通过电阻器R3耦接到块端子M，以及使其基极通过电阻器R4耦接到输入端子51。如果输入端子51接收HIGH输入信号，则晶体管52导通；如果输入端子51接收LOW输入信号，则晶体管52不导通。
电平移动器50具有连接到开关25的端子的输出端子61和62。
电平移动器50还包括电容器54，电容器54具有连接到输出端子62(用于连接到MOSFET 25的源极端子)的一个端子、并使其另一个端子连接到二极管55的阴极，二极管55的阳极连接到提供合适电压(例如5V)的辅助电压源53的正输出端子。应当注意的是，辅助电压源53的负输出端子连接到电平移动器50的块端子52。电容器54和二极管55之间的节点经由电阻器56耦接到输出端子61(用于连接到MOSFET 25的控制端子)。
应当注意的是，每个电平移动器50(i)可具有其自己的独立的辅助电压源53(i)，但是所有电平移动器也可以共享公共的辅助电压源。
电平移动器50还包括二极管57，二极管57的阴极连接到输出端子61和晶体管52的集电极，二极管57的阳极连接到输出端子62。
电容器54以规则间隔(例如，在每个帧周期开始时一次)短暂充电至辅助电压源53的电压(+5V)，如下文将要描述的。充电时间足够短，从而与帧周期相比可忽略不计。对于帧周期的其余部分，电容器54用作用于驱动开关25的电源。
如果晶体管52不导通，电容器电压经由电阻器56施加给MOSFET25的栅极。由此，MOSFET 25导通。
如果晶体管52导通，晶体管52经由二极管57从输出端子62吸取电流。因而，MOSFET 25由处于其导通状态的二极管57上的电压降驱动，换句话说，MOSFET 25的栅极处于比其源极端子低约0.6V的电平，从而MOSFET是不导通的且其漏极端子是浮置的。
电容器54的充电可以通过将LOW控制信号同时发送给所有电平移动器的所有输入端子51而相对容易地完成。因而，也可以容易地表明，所有开关25是导通的且每个开关25上的电压降非常小。因而，在每个电平移动器50中，输出端子62处的电压电平接近0，且电流可以从电压源53经由二极管55流向输出端子62，从而使电容器54充电。
总之，本发明提供了用于驱动以串联配置(2)布置的多个光源(1)的驱动电路(10)。可控电流源(20)连接到光源的所述串联布置。每个光源(1(i))通过相应的可控开关(25(i))桥接。控制器(30)控制电流源(20)的操作以设定电流水平，并控制相应开关(25(i))的操作状态以独立地控制相应光源的光输出。所述控制器(30)能够增强一个选定光源(1(x))的光输出，同时保持串联布置(2)中其它光源的光输出。为此，增加电流水平同时调暗其它光源。
虽然已经在附图和前述说明中图示和描述了本发明，但是本领域技术人员应当清楚，这些图示和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。本发明并不限于所公开的实施例；相反，在所附权利要求限定的本发明的保护范围内可以作出多种变型和修改。
例如，虽然上述说明描述了对一串中的一个LED进行增强，但是如果期望的话，可以对两个或更多的这种LED进行增强。增强可以完成至相同的水平，但这不是必要的，因为可将更高电流水平与独立调暗因子相结合来产生独立增强因子。
此外，在数字控制电路40和开关25之间的接口的其它实施方式也是可能的。例如，开关25可实现为光耦合器。
通过研读附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施要求保护的本发明时可以理解并实现对于所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”(“a”或“an”)并不排除多个。单个处理器或其它单元可实现权利要求中记载的数个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这个事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可存储/分布在合适的介质上，例如，与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的一部分的光存储介质或固态介质，但是也可以其它形式分布，例如，经由因特网或者其它有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应理解为限制其范围。
在上文中，已经参考框图描述了本发明，框图图示了根据本发明的装置的功能块。应当理解的是，这些功能块中的一个或多个可以在硬件中实现，其中这样的功能块的功能通过独立硬件部件执行，但是这些功能块中的一个或多个也可以在软件中实现，从而这样的功能块的功能通过计算机程序或可编程装置(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器等)中的一个或多个程序行来执行。

Claims (14)

1.用于驱动以串联布置(2)布置的多个光源(1)的驱动电路(10)，所述电路包括：
具有输出端子(21，22)的可控电流源(20)，光源的串联布置连接到所述输出端子(21，22)；
多个可控开关(25)，每个光源(1(i))通过相应的可控开关(25(i))被桥接；
控制器(30)，具有耦接到相应开关(25(i))的相应控制端子的开关控制输出端子(31(i))，且具有耦接到所述电流源(20)的控制输入(23)的电流控制输出端子(32)，所述控制器(30)被设计成在其电流控制输出端子(32)处产生电流控制信号(SC)以用于控制所述电流源(20)的操作，所述控制器(30)还被设计成在其开关控制输出端子(31(i))处产生相应的开关控制信号(SL(i))以用于控制相应开关(25(i))的操作状态，以便独立地控制相应的光源(1(i))的光输出；
其中，所述控制器(30)能够独立地设定用于相应的开关(25(i))的开关控制信号(SL(i))；
其中，所述控制器(30)设计成将其开关控制信号(SL(i))产生为以开关频率驱动相应开关(25(i))至所述相应开关的导通状态或所述相应开关的不导通状态的脉宽调制信号，其中，所述开关控制信号(SL(i))的占空比确定在0和1之间的范围内的光源调暗因子(β(i))；
其特征在于，
在正常操作中，所述控制器(30)设计成控制所述电流源从而使平均光源电流(IAV)具有预定标称水平(INOM)并且产生所述开关控制信号(SL(i))从而使各调暗因子(β(i))均等于1；
其中，通过调节所述控制器的电流控制信号(SC)从而以大于1的增强因子(ξ)增加平均光源电流(IAV)，且调节用于所述其它光源(1(i))的所述控制器的开关控制信号(SL(i))从而减小用于所述其它光源(1(i))的调暗因子(β(i))，所述控制器(30)能够增强一个选定光源(1(x))的光输出同时保持串联布置(2)中其它光源的光输出。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，由所述电流源(20)产生的电流是恒定电流，同时所述电流源(20)响应于所述电流控制信号(SC)，从而改变电流幅值；
或者，其中，由所述电流源(20)产生的电流以电流频率被脉宽调制从而交替地接通和断开，同时所述电流源(20)响应于所述电流控制信号(SC)，从而改变电流的占空比。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，用于所述其它光源(1(i))的调暗因子(β(i))以等于所述增强因子(ξ)的因子减小。
4.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，为了补偿所述一个选定光源(1(x))和与所述一个选定光源(1(x))相邻的至少一个相邻光源(1(x-1)；1(x+1))之间的串扰，所述控制器(30)设计成调节用于所述至少一个相邻光源(1(x-1)；1(x+1))的其开关控制信号(SL(i))，从而减小所述至少一个相邻光源(1(x-1)；1(x+1))的光输出。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，用于所述至少一个相邻光源(1(x-1)；1(x+1))的调暗因子(β(x-1)；β(x+1))以高于所述增强因子(ξ)的因子减小。
6.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述控制器(30)能够调暗一个选定光源(1(x))的光输出，并且，其中，为了补偿所述一个选定光源(1(x))和与所述一个选定光源(1(x))相邻的至少一个相邻光源(1(x-1)；1(x+1))之间的串扰，所述控制器(30)被设计成增强所述至少一个光源(1(x-1)；1(x+1))同时保持串联布置(2)中其它光源的光输出。
7.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述控制器(30)设计成确定所有光源(1(i))的所需光输出，确定所述光源(1(i))中的哪一个光源(1(x))要产生最高光输出，设定其用于该光源(1(x))的开关控制信号(SL(x))从而限定等于1的调暗因子(β(x))，设定其电流控制信号(SC)从而产生在调暗因子(β)等于1的情况下得到该光源(1(x))的所需最高光输出的平均光源电流(IAV)，并设定其用于其它光源(1(i≠x))的开关控制信号(SL(i≠x))从而限定与所述平均光源电流(IAV)相结合导致所需相应光输出的相应的调暗因子(β(i≠x))。
8.根据权利要求1所述的驱动电路，为了驱动包括光源(1(i，j))的多个串联布置(2(j))的阵列，其中每个光源由相应可控开关(25(i，j))桥接，所述串联布置(2(j))彼此相邻布置，所述驱动电路包括用于给相应的各个串联布置(2(j))供电的各个可控电流源(20(j))，其中，所述控制器(30)设计成产生电流控制信号(SC(j))以用于控制相应电流源(20(j))的操作，且其中，所述控制器(30)设计成产生开关控制信号(SL(i，j))以用于控制相应开关(25(i，j))的操作状态。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其中，所述控制器(30)能够增强特定串联布置(2(j))中一个选定光源(1(x，j))的光输出，并调节用于相邻串联布置(2(j-1)；2(j+1))中的至少一个相邻光源(1(i，j-1)；1(i，j+1))的其开关控制信号(SL(i，j-1)；SL(i，j+1))，从而减小用于所述至少一个相邻光源(1(i，j-1)；1(i，j+1))的调暗因子(β(i，j-1)；β(i，j+1))以用于串扰补偿。
10.根据权利要求8所述的驱动电路，其中，所述控制器(30)能够调暗特定串联布置(2(j))中一个选定光源(1(x，j))的光输出，并增强处于相邻串联布置(2(j-1)；2(j+1))中的至少一个相邻光源(1(i，j-1)；1(i，j+1))的光输出以用于串扰补偿。
11.照明装置，包括以串联布置(2)布置的多个光源(1)，所述照明装置设有根据前述权利要求1-7中任一项所述的驱动所述多个光源(1)的驱动电路(10)。
12.照明装置，该照明装置包括阵列，该阵列包括光源(1(i，j))的多个串联布置(2(j))，其中，所述串联布置(2(j))彼此相邻布置，所述照明装置设有根据前述权利要求8-10中任一项所述的驱动光源(1)的串联布置(2(j))的所述阵列的驱动电路(10)。
13.显示屏幕，例如用于监视器或电视机，该显示屏幕包括根据权利要求11所述的照明装置。
14.显示屏幕，例如用于监视器或电视机，该显示屏幕包括根据权利要求12所述的照明装置。
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