CN101926223A - 用于估计发光二极管的结温度的系统和方法 - Google Patents

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拉杜·苏尔代亚努
帕斯卡尔·贝思肯
伯努特·巴泰娄
戴维·范斯藤温克尔
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    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/56—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits involving measures to prevent abnormal temperature of the LEDs

Abstract

一种估计发光二极管的结温度的方法，包括：驱动正向偏置电流通过二极管，所述电流包括在高电流值和低电流值(Ihigh，Ilow)之间切换的方波，所述高电流值(Ihigh)包括LED工作电流，所述低电流值(Ilow)包括非零测量电流。对正向偏置电压降(Vf)进行采样，并确定在测量电流(Ilow)处的正向偏置电压降(Vflow)。从所确定的正向偏置电压降推导出温度。

Description

用于估计发光二极管的结温度的系统和方法
技术领域
本发明涉及使用发光二极管(LED)的照明设备，具体涉及基于温度来控制这种设备。
背景技术
使用诸如LED之类的固态器件来发光增加动量。使用LED来发光优于传统光源的优点包括更好的光输出/尺寸比以及提高的功率效率。可以通过以下操作中的任何一个操作来控制LED的光输出强度：
(a)调节通过LED的电流的幅度，或
(b)调节通过LED的电流脉冲的频率和占空比。
也可以使用这两种技术的组合。
在操作期间，LED温度升高，这影响LED的光输出量以及输出光的主波长。对于控制LED具有最大性能来说，知道LED结处的温度十分重要。
已经认识到，需要温度测量以提供在控制LED驱动器条件中使用的反馈值。典型地，使用与LED位置接近的外部温度传感器来测量LED结温度。该方法的一个主要缺点是所测量的温度不是LED结处的实际温度(LED结处的温度通常要更高)。为了补偿该误差，可以使用精密的热扩散模型基于从传感器测量的温度来预测(或推断)LED结温度。结温度预测的精度在很大程度上依赖于模型的质量以及模型中使用的参数(如，LED周围的封装材料的热电阻和热电容等)的精度。
测量LED结温度的另一已知方法是在驱动通过LED的恒定电流的同时监测LED自身的正向电压。该方法将LED自身用作温度传感器，从而节约成本并且还应使能提高精度。然而，通过LED的电流可以产生所谓的自热效应，所述自热效应进而使温度读数不太精确。避免LED自热效应的一种解决方案是针对LED结温度测量使用非常小的电流。
然而，使用小电流来测量LED装置的正向电压意味着仅可以当LED关闭时进行测量。由于非常快速的结冷却现象，LED关闭与测量发生之间的时间延迟将影响温度读数的精度。关于使用该方法的温度测量精度的另一问题是用于测量的小电流的变化可以包括LED正向电压的变化。根据测量电流的幅度及其变化，由于温度而引起的正向电压的变化可能不可察觉。
US 2005/0082553描述了一种控制LED的方法，通过LED在工作电流下照亮时检测LED的正向电压并将所述正向电压映射到LED的环境温度来控制LED。然后利用表查找方法将温度值转换成驱动LED所需的适当电流。随后根据新值来调整流经LED的电流。
在这种控制方法中，表查找方法没有给出在LED性能上的良好控制，这是因为值是离散的，从而LED的性能将是不稳定的。为了避免不稳定的LED性能，在表中需要许多点，这要求很大的存储器大小和缓慢的控制速度。
发明内容
根据本发明，提供了一种估计发光二极管的结温度的方法，包括：
驱动正向偏置电流通过二极管，所述电流包括在高电流值与低电流值之间切换的方波，所述高电流值包括LED工作电流，所述低电流值包括非零测量电流；
对正向偏置电压进行采样，并确定在测量电流处的正向偏执电压降；以及
从所确定的正向偏置电压降推导出温度。
该方法使用测量电流脉冲来驱动具有低非零电流的LED。这允许在LED工作时进行LED温度测量。低测量电流脉冲与高电流LED驱动脉冲交替(以方波脉冲序列的形式)。
低测量电流脉冲可以具有小于或等于1mA的电流。
优选地，确定正向偏置电压降包括：分析采样以寻找与电压降发生次数的峰值相对应的正向偏置电压降。
以这种方式，分析采样以检测测量电压降发生次数的局部峰值。检测到的峰值与同固定的低测量电流相关联的电压降相对应。可以存在于驱动电流相对应的其他峰值，然而与低电流相对应的电压降将是最低电压处的峰值。分析采样可以包括推导直方图。
多个脉冲和直方图的使用帮助对测量电流的变化求平均从而提高测量精度。在这种方法中，不需要额外的温度传感器，从而降低了整个系统的成本。
推导出的温度可以用作反馈参数以控制向二极管的电流供应。
可以用于估计模块的多个发光二极管的结温度，模块的每个发光二极管可以同时被驱动至低电流值。这避免了来自高电流处的一个二极管的干扰对低电流测量造成串扰。可以通过为一个或多个占空比控制周期仅提供低电流值来实现这种公共低电流阶段。
本发明还提供了一种用于估计发光二极管的结温度的系统，包括：
驱动装置，用于驱动正相偏置电流通过二极管，所述电流包括在低电流值与高电流值之间切换的方波，所述高电流值包括LED工作电流，所述低电流包括非零测量电流；
采样装置，用于对正向偏置电压降进行采样并确定在测量电流处的正向偏置电压降；以及
推导装置，用于从所确定的正向偏置电压降推导出温度。
本发明还提供了一种LED控制系统、一种本发明的用于估计结温度的系统、以及一种用于根据所估计的结温度来驱动LED的LED驱动电路。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的示例，附图中：
图1A至1D是说明了本发明的方法的图；
图2示出了本发明的系统。
图3示出了控制多个LED器件的第一可能时序图；
图4是控制多个LED器件的第二可能时序图；以及
图5示出了利用本发明的温度测量来控制多个LED器件的示例可能时序图。
具体实施方式
本发明提供了一种通过使用方波电流脉冲以良好的精度来测量LED结温度的方法(和设备)，其中，高电平(Ihigh)是LED的工作电流，低电平是测量电流。通过监测LED随时间的正向偏置电压(Vf)，将找到两个主值(如果工作电流在监测周期上恒定的话)，其中一个主值表示工作期间LED结处的实际温度。正向电压降的直方图可以用于数据分析。
图1A至1D是将示意性表示本发明方法的图。
图1A示出了施加到LED的驱动电流。脉冲电流源用于驱动LED。脉冲驱动通过二极管的正向偏置电流，并且所述电流采用在高电流值与低电流值之间切换的方波的形式。
低电流值是测量电流，优选地，小于或等于1mA。更优选地，低电流值小于500μA，更优选地，小于100μA，甚至更优选地，小于50μA，甚至更优选地，小于10μA，例如，在5μA的区域中。
由于两个主要原因需要低测量电流(例如小于1mA)。首先，如果在大电流处驱动LED，则自热效应开始，这意味着得到较不精确的测量。申请人发现在1mA电流以上自热效应显著。自热效应依赖于LED封装的热学设计，从而因LED设计的不同而不同。
其次，电流越大，LED越亮。在诸如2D调光电视(dimming TV)之类的应用中，从背光发出的最小光不应当大于最大照度级的1％。该2D调光系统是一种背光控制方法，其中，仅照亮背光的一部分，使得可以改善图像亮区域与暗区域之间的对比度。
对于测量阶段需要低光输出意味着需要最低可能电流，然而该电流需要足以使LED正向偏置以便可以测量电压。
当选择测量电流时将会考虑这些因素，并且所述值将依赖于LED的用途、封装的热特性以及LED特性。
图1B示出了二极管两端合成的正向偏置电压降Vf。
以规则间隔对正向偏置电压降进行采样，采样时刻被示为图1B的曲线中的实心圆。
在每个采样时刻测量电压，并且直方图计算器监测该LED电压Vf并确定电压降的主值。
通过创建图1C所示的直方图来实现这一操作。如所示的，计数有两个峰值。与较高电压降相对应的计数的峰值来自于驱动电流(在图1A中被示为常量)。与较低电压降相对应的计数的峰值来自于测量电流，该峰值表示低电流测量值处的正向偏置电压降。
可以通过使对应测量电流的主正向偏置电压降与正向偏置电压Vf和温度T之间的关系的校准曲线或分析模型相关，来确定LED结温度。图1D中示意性地示出了这种关系。
LED性能由LED结处的温度来确定。
使用分析函数来限定图1D所示的关系，给出了非常低的存储器需求。该分析函数使得可以非常平滑地控制LED光和颜色输出以及模拟(并非离散化)所需驱动电流的解决方案。
LED的输出通量由电流驱动序列的高电流值以及脉冲频率和占空比来控制。然而，在整个操作过程中测量电流值不变。
在工作电流处，LED结变热从而引起所谓的自热效应。因此使用该电流来测量非常不精确(在这种动态情况下，测量温度总是高于或低于实际温度)。当然温度确定的误差将对控制方案的精度造成很大影响。在工作电流处，尤其对于大功率LED(～100mA的驱动电流)，至LED的接触和接线电阻起到重要作用。接触和接线电阻的变化可以使正向偏置电压降典型地在工作电流处改变几十mV，这从而给出了结温度确定的误差。典型地，Vf对T曲线的斜率仅是每摄氏度几mV。
对于不同的电流，Vf对T曲线的斜率将不同。因此，如果LED温度要由工作电流处的正向偏置电压来确定，则由于当需要不同的LED输出通量时必须改变驱动电流，所以控制将会困难。
在计算上难以实现提供作为温度和驱动电流两者的函数的正向偏置电压降的分析模型。
本发明的方法提供了恒定测量电流，使得可以容易地推导出并存储相应正向偏置电压降与温度之间关系的模型从而无需查找表，查找表引入了不期望的离散化。
在低电流(例如小于1mA)处测量电压降(从而测量温度)的另一优点是：在诸如LED面板的背光之类的应用中，使得可以实现变暗操作，其中需要对于光输出变化的需求作出快速动态响应以及亮和暗之间的高对比度。可以通过改变电流波形的占空比来改变光输出，低测量电流导致非常小的光发射，使得可以得到良好的暗性能。
本发明还用于确定LED结温度以实现LED性能控制。
图2示出了用于估计发光二极管的结温度的系统。
电流源电路10用于驱动正向偏置电流通过二极管11，该电流包括上述方波。可以针对这一目的使用任何合适的电流源。
通过电压测量电路12对正向偏置电压降进行采样，采样被提供至处理器14。处理器14存储表示电压-温度特性的分析函数，并且基于上述直方图分析来确定测量电流处的正向偏置电压降。处理器使用该函数从所确定的正向偏置电压降来推导温度。
然后使用温度来控制二极管11，使得光输出被精确控制到期望的水平，达到了补偿温度的效果。
LED的驱动器可以具有多于一个电流源，驱动器可以具有针对两个电流值的两个电流源(或更多)。可以提供开关以产生LED脉冲电流。
如上所述，实质上可以以两种方式(或其组合)来控制LED的光通量：
(i)恒定电流的幅度，
(ii)脉冲电流(在恒定工作电流与零之间)和可变的占空比。
通常，出于多种原因以第二种方法来驱动LED。这种驱动方法使得没有机会发生热耗散。恒定工作电流使得消除了LED峰值波长对电流的依赖性，从而更容易控制LED颜色点。
图2示出了在处理器14控制下的电流源10，以便实现控制回路。
对于给定的颜色点和期望的光通量，控制回路模型的任务是基于来自LED的结温度信息，针对红、绿和蓝LED计算适当的电流。
控制回路基于建模步骤的数目：
第一元件是LED特征化，用于测量作为温度和驱动电流的函数的LED性能。
根据测量数据，构成LED的经验紧凑模型，所述LED的经验紧凑模型包括输出通量Φ、波长λ和光输出强度相对于波长的以峰值输出强度处的波长为中心的标准差σλ：这三个函数依赖于温度和驱动电流(f(Tj，I))。
然后将红、绿和蓝LED的模型并入用于计算颜色点坐标u’v’的程序中，以及并入用于计算给定温度和驱动电流处LED组的总光通量输出的程序中。
对于特定的所需颜色点和光通量，在特定结温度下，可以计算红、绿和蓝LED的电流集合。然后针对LED组的可能工作温度范围内的其他温度重复该计算。
这种建模使得可以建立包含红、绿和蓝LED的结温度值和相应电流的表。最终，将表缩减成描述LED驱动电流与结温度之间关系的三个分析函数，使得三个红、绿和蓝LED的组合产生精确的颜色点和所需光通量。
出于实用应用原因，分析函数可以是抛物线函数。因此，对于每个LED组，在给定的颜色点和光通量处控制模型仅需要三个参数。通过使用分析函数而不是表查找方法，控制质量显著提高并且在LED驱动器芯片中需要更少的存储空间来存储控制模型。
出于照明目的，电流频率必须足够高以至于人眼不能看见闪烁。该最小频率在24Hz左右，但是实际上脉冲频率将典型地在300Hz和1.5kHz之间，然而其可以甚至更高。对于电视背光应用，目前最常见的帧速率是120Hz，这设置了LED脉冲的最小频率。
为了分析设备中的多个LED，还提供了一种减小对测量信号的信号干扰的方法。当在低电流处测量LED时，当模型中其他LED处于高电流时会出现来自这些LED的干扰。这种干扰可能是由于来自高电流LED的泄漏电流引起的，这可能影响所执行的测量。
在多种不同驱动方案中可能出现这种干扰问题。图3示出了对以高占空比工作的红(“R”)、绿(“G”)和蓝(“B”)LED的控制。当模型中的所有LED都处于低电流时，这导致非常小的时间窗30。图4示出了对红(“R”)、绿(“G”)和蓝(“B”)LED的控制，其中，控制相对于彼此移位的脉冲，使得当所有LED都处于低电流时没有测量窗。
这种问题的解决方案是将颜色LED模块的所有三个LED周期性地切换至低电流阶段，并使用该时间窗来测量正向电压。
图5中示出了这种方法，图5再次示出了采用与图3相同的方式对红(“R”)、绿(“G”)和蓝(“B”)LED的控制。为所需的测量提供相对大的时间窗50。具体地，时间窗50现在大于振荡PWM电流信号的周期。这意味着LED正向电压的测量不受模块中其他LED的工作电流的干扰。
在所示示例中，周期性地，模块中的所有LED错过其一个高电流脉冲并保持在低电流值。
选择窗50的持续时间以提供足够大的时间窗来精确测量LED的正向电压。如所示的，根据驱动频率从而根据驱动脉冲的周期，窗可能需要错过一个周期驱动脉冲，或者可能需要错过多个驱动脉冲。然而，还选择时间周期50，使得对LED的正常控制的干扰对设备用户感知的输出没有影响或有非常有限的影响。
可以简单地通过将LED模块的驱动器布置为能够周期性地跳过一个或多个高脉冲来实现这种修改，以便能够以上述方式测量与结温度有关的正向电压。
如图5所示，可以为同时低电流值提供比占空比控制周期慢得多的周期，因为温度/老化补偿可以具有比占空比控制的频率低得多的频率。例如，可以以几秒或几分钟的间隔来重复温度测量。因此，公共低电流周期针对LED模块的操作的测量阶段。
已测试本发明，并且发现本发明使得可以控制由于环境温度的变化而引起的颜色变化，使得这些颜色变化在LED组的整个工作温度范围上不超过人眼的检测极限。由于经由功率线来实现LED结温度测量，所以可以在不使用任何外部传感器的情况下达到这种控制精度水平。可以以高达1kHz的速率来执行测试。在LED输出通量频繁变化(例如，视频显示)时需要LED的精确颜色控制的情况下，这是非常重要的。由于通过多个热电阻(封装材料)的缓慢温度耗散，本发明实现的响应速度是不可能通过使用与LED位置接近的温度传感器来实现的。此外，这种测试速度证明了参考图5说明的时间窗50不需要可察觉地影响至观看者的输出，因为1ms的持续时间对于执行测量来说足够了。如上所述，典型的LED驱动频率是300Hz到1.5KHz。因此，对于在300Hz到1KHz范围内的驱动频率，仅需要抑制一个占空比周期以实现测量阶段。如果使用更高的驱动频率，则可以抑制两个或更多个占空比周期。
LED模块可以具有任意数目个LED，不仅仅是上述的三个。
各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (16)

1.一种估计发光二极管的结温度的方法，包括：
驱动正向偏置电流通过二极管，所述电流包括在高电流值和低电流值(Ihigh，Ilow)之间切换的方波，所述高电流值(Ihigh)包括LED工作电流，所述低电流值(Ilow)包括非零测量电流；
对正向偏置电压降(Vf)进行采样，并确定在测量电流(Ilow)处的正向偏置电压降(Vflow)；以及
从所确定的正向偏置电压降推导出温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量电流(Ilow)小于或等于1mA。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定正向偏置电压降(Vf)包括分析采样以寻找与电压降发生次数的峰值相对应的正向偏置电压降。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，分析采样包括推导直方图。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括使用推导出的温度作为反馈控制参数以控制至二极管的电流供应。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，从所确定的正向偏置电压降推导出温度包括：使用表示在测量电流处的电压-温度特性的变换函数将正向偏置电压降转换成温度值。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在LED正在提供所需光输出的同时进行结温度估计，所需光输出由正向偏置电流的占空比和高电流值来确定。
8.一种估计模块的多个发光二极管的结温度的方法，包括将如前述任一项权利要求所述的方法用于模块的每个发光二极管，
其中，所述方法还包括：针对测量周期将模块的每个发光二极管同时驱动到低电流值(50)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在LED正在提供所需光输出的同时进行结温度估计，所需光输出由正向偏置电流的占空比和高电流值来确定，并且其中，通过为至少一个占空比控制周期仅提供低电流值，将模块的每个发光二极管同时驱动至低电流值(50)。
10.一种用于估计发光二极管的结温度的系统，包括：
驱动装置(12)，用于驱动正向偏置电流通过二极管，所述电流包括在高电流值和低电流值之间切换的方波，所述高电流值(Ihigh)包括LED工作电流，所述低电流值(Ilow)包括非零测量电流；
采样装置(14)，用于对正向偏置电压降(Vf)进行采样，并确定在测量电流(Ilow)处的正向偏置电压降(Vflow)；以及
推导装置(14)，从所确定的正向偏置电压降推导出温度。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，测量电流(Ilow)小于或等于1mA。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其中，所述采样装置(14)包括分析装置，用于分析采样以寻找与电压降发生次数的峰值相对应的正向偏置电压降。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中，从所确定的正向偏置电压降推导出温度的推导装置(14)包括用于存储变换函数的存储器，所述变换函数表示测量电流处的电压-温度特性。
14.一种用于估计模块的多个发光二极管的结温度的系统，包括如权利要求10至13中任一项所述的系统，其中，所述驱动装置(12)适于针对测量周期将模块的每个发光二极管同时驱动至低电流值。
15.根据权利要求14所述的系统，适于当LED正在提供所需光输出时实现结温度估计，所需光输出由正向偏置电流的占空比和高电流值来确定；并且其中所述驱动装置(12)适于通过为至少一个占空比控制周期仅提供低电流值将模块的每个发光二极管同时驱动至低电流值。
16.一种LED控制系统，包括：
如权利要求10至15中任一项所述的用于估计结温度的系统；以及用于根据所估计的结温度来驱动LED的LED驱动电路。
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