CN102685976B - 自适应开关模式led系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应开关模式LED系统。涉及一种提供驱动多个LED串的智能方案的系统。处理设备从允许电流的有限集中确定对于每一个LED串的最佳电流水平。处理设备还确定用于驱动每一个LED串中的LED的PWM占空比以对LED串提供精确的亮度控制。向LED驱动器传输对于电流水平和占空比的设置用于调节LED串的电流和开-关时间。有利的是，系统在对处理设备中可用的现有资源起杠杆作用的同时降低了LED驱动器的尺寸以按照功率有效的方式操作LED。

Description

自适应开关模式LED系统
技术领域
本发明涉及驱动LED(发光二极管)，并且更具体地，涉及用于驱动多个LED串的系统。
背景技术
正在例如建筑照明，汽车头灯和尾灯，用于包括个人计算机，便携式计算机，高分辨率TV，闪光灯等等的液晶显示设备的背光的宽范围电子应用中采用LED。与诸如白炽灯和荧光灯的传统照明源相比较，LED具有显著的优点，包括高效率，良好的方向性，色彩稳定性，高可靠性，长寿命，小尺寸，以及环境安全性。
LED是电流驱动设备，意味着从其生成的光通量(即亮度)主要是被施加经过其的电流的函数。因而调节经过LED的电流是重要的控制技术。为了从直流(DC)电压源驱动LED的大阵列，通常使用例如升压型或者降-升压型功率转换器的DC-DC开关功率转换器来供应用于几个LED串的顶轨电压。在使用LED背光的液晶显示器(LCD)应用中，通常需要控制器以与每个LED串的独立电流设置并行地控制几个LED串。控制器然后可以独立控制LCD的不同部分的亮度。而且，控制器能够按照定时的方式接通或者关断LCD的不同部分。
由于LED之间的制造差异，维持指定电流水平需要的每一个LED串两端的电压降显著地变化。图1的VI曲线说明了对于两个不同LED(LED1和LED2)的电压和电流之间的指数关系。对于LED1和LED2要提供相同量的峰值电流，LED1必须在大约3.06伏特的正向电压降下操作，而LED2必须在大约3.26伏特的正向电压降下操作。假设在第一LED串中存在具有LED 1的特性的10个LED，则在该串两端存在30.6V电压降。假设在第二LED串102中存在具有LED2的特性的10个LED，则在该第二LED串两端存在32.6V电压降。因此，该2伏特的差异将由驱动第二串的电路耗散使得两个串均以40mA的相同峰值电流操作。
不同LED的不可预知的VI特性使得难于在功率有效方式下操作不同的LED串而同时仍然维持对LED串的亮度的精确控制。研究了不同技术来解决该挑战，但是许多传统方案或者低效或者要求使用附加电路，这实质上增加了用于调节经过LED串的电流的部件的成本。
发明内容
本发明的实施例包括用于控制流经一个或者多个LED串的电流的系统、LED驱动器和方法。系统包括LED驱动器设备和处理设备。处理设备是远离LED驱动器(即与LED驱动器分离)的集成电路设备。LED驱动器设备根据程控电流水平调节经过一个或者多个LED串的电流并且以由从处理设备接收的占空比设置(例如，表示为Ton时间和Tperiod时间的比值的占空比)表明的占空比接通和关断LED串。处理设备(例如，CPU或者FPGA)将用于LED串的占空比确定作为程控电流水平，基线电流水平和基线占空比的函数并且将用于占空比的设置传输到LED驱动器。在一个实施例中，处理设备通过确定程控电流水平与基线电流水平的比值并且将比值乘以基线占空比来确定用于LED串的占空比。
在一个实施例中，处理设备和集成电路设备经由通信链路彼此通信。通信链路在两个设备之间承载信息，诸如占空比设置，程控电流水平，表明经过LED串的电流是否在调节外的调节信息，和/或表明LED串为开路或者短路的故障检测信息。在一个实施例中，处理设备也被配置成确定程控电流水平以与可程控电流水平的有限集中的一个相对应。
有利的是，通过使用分离的处理设备，系统提供一种既维持对不同LED通道的相对亮度的精确控制又同时顾及到LED通道之间的电流变化的符合成本效益的方案。通过在与远离LED驱动器本身的处理设备中执行占空比计算，能够从LED驱动器去除执行这些计算所需要的复杂电路。由于使用LED的许多系统(例如，电视，监视器)已经具有能够执行数学计算的处理设备，因此不需要额外的硬件。进而，由于处理设备可以是可编程的，能够在没有任何硬件改变的情况下容易地更新用于计算对于LED通道的占空比和电流设置的公式。
LED驱动器的实施例包括与相应的LED串串联耦合的一个或者多个通道调节器(例如，低压降调节器)，根据程控电流水平对经过LED串的电流进行调节。LED驱动器还包括与相应的LED串串联耦合的通道开关(例如，PWM开关)以及以所计算的占空比接通和关断LED串的通道调节器。从处理设备接收占空比的设置。
本发明的实施例还包括一种用于驱动一个或者多个LED串的方法。在一个实施例中，根据程控电流水平调节经过LED串的电流。接收占空比设置用于开关LED串。从远离LED驱动器并且将占空比确定作为程控电流水平的函数的处理设备接收占空比设置。然后以由占空比设置表明的占空比接通和关断LED串。
本说明书中描述的特征和优点并非都是包含性的，并且特别地，在浏览附图，说明书和权利要求书之后，许多附加的特征和优点对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。而且，应该注意到，本发明主要出于可阅读性和指导目的选择在说明书中使用的语言，并且可以没有选择这些语言来限定或者划定本发明的主题。
附图说明
通过考虑下面结合附图进行的详细描述，本发明实施例的教导将变得容易理解。
图1是示出了在正向偏置的LED的I-V曲线上的制造差异的效果的曲线图。
图2示出了用于驱动多个LED串的系统的高度概览图。
图3是示出了通过处理设备控制的LED驱动器的实施例的电路图。
图4是示出了在典型LED的电子电流和光学发光之间的典型非线性传输函数的曲线图。
图5是示出了典型LED的作为结温的函数的光通量密度的典型温度降低率(de-rating)的曲线图。
图6A和图6B示出了具有多个LED驱动器的系统的实施例。
图7示出了通过用于驱动一个或者多个LED串的LED驱动器执行的方法的实施例。
具体实施方式
附图和下面的描述仅以说明的方式涉及本发明的优选实施例。根据下面的讨论应该注意到，在不偏离要求发明的原理的情况下，这里公开的结构和方法的可选实施例可容易地视为可以应用的切实可行的替代。
现在将详细参照本发明的几个实施例，附图中说明了这几个实施例的示例。注意到，可以在附图中使用实际上类似或者相似的附图标记并且可以表明类似或者相似的功能。附图仅出于说明目的阐述了本发明的实施例。本领域的普通技术人员通过下面的描述将容易意识到，在不偏离这里描述的本发明的原理的情况下可以采用这里说明的结构和方法的替代实施例。
系统构造
图2示出了用于驱动多个LED串225的系统的高度概览图的一个实施例。该系统使用自适应开关作为一种技术以有效驱动多个LED串225。在自适应开关中，每一个LED串可以操作于不同的峰值电流值并且调节经过每一个LED的电流的开/关时间以改变LED串225的亮度。为了在LED串225上维持一致亮度，具有较高峰值电流值的LED串225将具有较低的占空比，并且具有较低电流值的LED串225将具有较高占空比。
如图所示，升压转换器220向多个LED串225提供公共电压Vboost 245并且经由控制信号240由处理设备210控制。LED驱动器215是集成电路设备，其通过使用经由通信链路235从处理设备210接收的设置来调节流经LED串的电流的峰值电流和占空比(即开/关时间)来控制LED串225的亮度。
处理设备210确定LED串225的电流水平和占空比(即开/关时间)。处理设备210代表能够执行数学计算的任何集成电路设备，例如微处理器，电视图像处理器，现场可编程门阵列(FPGA)，可编程逻辑设备(PLD)或者微控制器。处理设备210和LED驱动器215是分立的(即分离且不同的)集成电路设备。换句话说，处理设备210不是与LED驱动器215相同的集成电路设备的一部分。
处理设备210和LED驱动器215经过通信链路235彼此通信。通信链路235可以代表连接两个或者更多集成电路设备以承载信息的任何串行或者并行链路。例如，通信链路235可以是串行协议接口(SPI)，集成电路间总线(I2C)等等。通信链路235也可以代表独立通信链路的集合，其中每一条链路专用于承载一种类型的信息(例如，占空比设置，程控电流水平，或者调节信息)。
在一个实施例中，处理设备210经由通信链路235从LED驱动器215接收调节信息，该调节信息表明流经LED通道225的电流是否在调节内或者在调节外。在校准处理期间，处理设备210使用该调节信息以从电流值的有限集中确定对于LED通道225的每一个的程控电流值。取决于LED通道两端的正向电压降，每一个LED通道可以具有不同的程控电流值。
处理设备210经由通信链路230从视频控制器205接收对于该LED串225的亮度设置以及预定的基线电流设置。通信链路230代表能够承载信息的连接两个或者更多集成电路设备的链路的任何类型。在一个实施例中，视频控制器205确定亮度设置和预定的基线电流设置。例如，视频控制器205可以是控制LCD显示器以形成图像的设备。视频控制器205确定对于LCD显示器的所需的背光要求，将其传输到处理设备210作为亮度和基线电流信息。尽管表示为两个分离设备，但是在一个实施例中，视频控制器205和处理设备210可以是相同集成电路设备的分离部件或者是在相同集成电路设备上执行的固件中的分离线程。
可以对于每一个LED串提供分离的亮度设置以使得能够独立控制LED通道225的亮度。使用预定的基线电流设置，亮度设置，以及程控电流水平，处理设备210计算对于LED通道225的占空比。占空比补偿每一个LED通道的程控电流值之间的变化以维持对每一个LED通道225的相对亮度的控制。将占空比设置和程控电流水平提供到LED驱动器215用于驱动LED串225。有利的是，通过在处理设备210中而非LED驱动器215中校准程控电流水平并且确定占空比设置，所公开的实施例在降低LED驱动器215的尺寸，成本和功耗的同时容易综合利用处理设备210中的可用资源。
详细的系统构造
图3是由处理设备210控制的LED驱动器215的实施例的电路图。处理设备210输出控制信号240用于控制DC-DC升压转换器220的Vboost 245电压输出。在其他实施例中，可以利用其他类型的DC-DC或者AC-DC功率转换器代替升压转换器220。升压转换器220耦合在DC输入电压Vin和多个LED串225(即LED通道)之间。升压转换器220的输出Vboost 245耦合到每一个LED通道225中的第一LED的阳极。
在每一个LED通道中，LED串225与用于控制LED通道225中的LED的开时间和关时间的PWM开关QP(例如，NMOS晶体管)串联耦合。LED串225和PWM开关QP也与用于调节经过LED通道125的电流的低压降调节器(LDO)304串联耦合。LDO 304确保将LED串225中的峰值电流调节到固定水平。LDO 304还提供本地电源抑制，这降低了来自Vboost的升压电压纹波(ripple)对LED串225的发光的影响。在每一个LED通道中，LDO 304耗散的功率与经过LED通道225的电流，PWM占空比，以及LDO 304两端的电压降的乘积成正比。
LED驱动器215包括发光控制器310，其通过根据从处理设备210接收的占空比设置394经由控制信号308控制PWM开关QP而独立控制每一个LED通道的亮度。占空比设置394包括能够用于设置PWM开关QP的开时间和关时间的信息，例如时间百分比(例如40％，60％)，或者时间上的分离占空比和占空比时段。发光控制器310还根据从处理设备210接收的程控电流水平392经由控制信号309控制LDO 304并且控制数模转换器(DAC)307。
此外，LDO 304经由复用器311向发光控制器310输出表明LDO304是否在调节外的调节反馈信号315。将该调节反馈传输到处理设备210，该处理设备210使用该调节信息390以在校准期间设置经过LED通道225的程控电流水平392，这将在下面进行更加详细的描述。
尽管图3仅示出了两个LED通道，但是LED驱动器215能够包括用于控制任意数量的LED串225的电路。在发明名称为“LEDDriver with Multiple Feedback Loops”的美国专利申请公开No.2009/0322234以及于2009年9月11日递交的发明名称为“AdaptiveSwitch Mode LED Driver”的美国申请No.12/558,275中示出了LED驱动器215的其他实施例，这里以全文引用的方式包含在此。
处理设备210接收基线电流设置380和亮度设置382。返回参照图2，经由通信信道230从视频控制器205接收基线电流设置380和亮度设置382。在另一实施例中，可以从诸如设置电流值的外部电阻器的另一源接收电流设置380。处理设备210计算对于每一个LED通道的程控电流水平392和占空比设置394并且将这些设置传输到LED驱动器215的发光控制器310。返回参照图2，在一个实施例中，经由通信链路235在处理设备210和LED驱动器215之间通信调节信息390，程控电流水平392，以及占空比设置394。
在其他实施例中，处理设备210还可以从视频控制器205接收其他类型信息，然后将其传送到发光控制器310。例如，处理设备210可以接收对于每一个LED通道的延迟信息，并且然后将其通信到发光控制器310。通过发光控制器310使用该延迟信息以在每一个PWM周期期间延迟PWM开关QP的开时间以使得一些LED通道的开时间相对于其他LED通道交错。
低压降调节器(LDO)
LDO 304根据对于每一个LED通道的程控电流水平调节经过LED串225的电流。每一个LDO 304包括运算放大器(op-amp)306，感测电阻器Rs，以及传输晶体管QL(例如，NMOS晶体管)。传输晶体管QL和感测电阻器Rs串联耦合在PWM开关QP和接地端子之间。op-amp 306的输出耦合到传输晶体管QL的栅极以控制经过LDO304的电流。op-amp 306从DAC 307接收正输入信号Vref并且经由负反馈环路从传输晶体管QL的源极接收负输入信号Vsense。
LDO 304包括反馈环路，该反馈环路经由Vsense感测经过LED串的电流并且控制传输晶体管QL以将所感测的电流维持在由Vref设置的程控电流水平。op-amp 306将Vref与Vsense进行比较。如果Vref高于Vsense，则op-amp 306增加施加到传输晶体管QL的栅极电压，增加经过感测电阻器Rs和LED串225的电流流动直到其稳定于Vref。如果Vsense变为高于Vref，则op-amp 306降低施加到传输晶体管QL的栅极电压，降低经过Rs的电流流动并且使Vsense降低直到其稳定于Vref。因而，LDO 304使用反馈环路以将Vsense维持于Vref，从而将经过LED串325的电流维持到与Vref成正比的固定值。在一个实施例中，采样和保持电路(未示出)即使在PWM开关QP为关时也维持Vsense电压水平。
LDO 304还包括比较器355，其将op-amp 306的输出351与基准电压353进行比较并且将所产生的信号输出到复用器311。比较器355的输出表明经过LDO的电流是否在调节外。例如，如果DAC设置由于在LED串225顶部处的不充分Vboost 245电压而对于LDO太高从而不能将电流维持在程控水平，则op-amp 306的输出将加大到高于基准电压353的水平。在其他可选实施例中，可以将到比较器355的输入351耦合到LDO晶体管QL的漏极或者源极来代替耦合到op-amp 306的输出。
发光控制器和处理设备
发光控制器310和处理设备210一起工作以监视每一个LED通道的特性并且设置峰值电流和PWM占空比以维持在LED通道之间的亮度匹配并且优化功率效率。对于每一个LED通道，发光控制器310从处理设备210接收程控电流水平392和占空比设置394。发光控制器310然后输出控制信号308，309，318以分别控制LDO 304，PWM开关QP，以及复用器311。发光控制器310还从LDO 304接收调节反馈信号315并且将调节反馈390传输到处理设备210。
控制信号309数字化设置DAC 307的输出，其顺次提供设置经过LED串225的程控电流的模拟基准电压Vref。在一个实施例中，控制信号309是考虑8个可能的可程控电流的3比特DAC字。例如，在一个实施例中，可以将每一个LED通道的电流设置在以2mA为增量的40mA到54mA的范围中。在下面将描述的校准阶段期间通过处理设备210确定对于每一个LED通道225的程控电流水平。发光控制器310独立控制每一个LED通道以使得能够通过处理设备210对于不同的程控电流配置不同的LED通道。
在一个实施例中，DAC 307的分辨率仅为3或者4比特。考虑到电流操作的大动态范围，另一DAC 327对于每一个DAC 307产生种子基准。DAC 327用于设置将在当通过控制信号309将DAC 307数字化设置到零时使用的基础水平。DAC 327可以例如具有10比特分辨率用于LED通道中电流范围的更好控制。
控制信号308根据对于LED通道的占空比设置394数字化控制对于每一个LED通道的PWM开关QP。处理设备210在计算处理(在下面将更加详细描述)期间将对于每一个LED通道的占空比设置394设置确定为程控电流392，基线电流设置380，以及亮度设置382的函数。发光控制器310独立控制每一个LED通道225的占空比以使得能够通过处理设备210对于不同的PWM占空比配置不同的LED通道225。对于给定LED通道的占空比设置394和程控电流392共同确定该LED通道中LED的亮度。
控制信号318控制复用器311的开关。发光控制器310通过开关复用器311的选择线路318顺序监视来自不同LED通道的反馈信号。可选地，发光控制器310能够在不使用复用器311的情况下监视来自不同LED通道的反馈信号。发光控制器310将调节反馈390传送到处理设备210用于在下面更加详细描述的校准阶段中使用。
处理设备210接收对于每一个LED通道n指定相对亮度BIn的亮度输入382。在一个实施例中，亮度输入BIn将对于每一个LED通道n的期望相对亮度表达为预定义的最大亮度的百分比(例如，BI1＝60％，BI2＝80％，BI3＝100％等等)。由于通道的亮度输出直接与占空比成正比，因此处理器将亮度输入BIn用作对于该通道的基线占空比。因而，例如，60％的亮度输入BIn表明对于通道n的最大占空比(与最大亮度相对应)的60％的基线占空比。然而，在确定PWM开关QP的占空比时，处理设备210通过补偿因子修改该基线占空比以补偿LED通道之间的已知电流变化并且维持期望的相对亮度。在下面描述的校准和计算处理期间确定该补偿因子和所产生的占空比。
校准阶段
处理器210在操作的开始处(例如，在启动之后不久)进入校准阶段以确定对于每一个LED通道的程控电流水平。独立设置每一个LED通道以补偿LED通道225之间的制造变化并且维持由亮度输入382设置的LED通道之间的相对亮度输出。因而，处理器210确保以相同亮度输入382配置的通道具有实质上匹配的亮度输出。
开始，处理设备210接收基线电流设置380，或者Iset水平(例如，Iset＝40mA)。处理设备210然后输出使发光控制器310将DAC307初始化到其最低水平的电流水平292。DAC 327也被初始化到与基线电流设置相对应的值。Vboost 245然后递增地降低(经由控制信号240)直到LED通道225中的一个不能够在期望的Iset(例如，Iset＝40mA)水平或者该水平之上操作。Vboost 245然后再次递增直到全部通道再次以期望的Iset水平操作于调节内。最弱通道(即具有在LED串225两端的最大正向电压降的LED通道)将操作于Iset或者接近该Iset，而由于LED串302的不同I-V特性，其他通道可以操作于更高的电流水平。为了监视对于每一个LED串225的电流水平，可以感测Rs两端的电压并且将其传送到处理设备210(未示出)。该信息也可以以来自DAC 307的DAC值的形式获得。
一旦Vboost 245达到适当水平，处理设备310对每一个LED通道的DAC 307从其最低水平到其最高水平进行排序并且监视来自比较器355的输出，这表明调节的状态。当DAC 307输出变得对于LDO304太高而不能将电流维持在程控水平时，op-amp 306的输出加大并且超出阈值电压353，导致比较器355输出改变，这表明通道不再在调节内。在通道在调节外之后，处理设备210顺序递减用于LED通道的DAC 307直到该通道回到调节内。处理设备210然后将在超出阈值电压353之前用于LED通道的最高可能DAC设置存储作为对于LED通道n的程控电流水平In。重复该校准处理以确定对于每一个LED通道n的程控电流水平In。在校准之后的正常操作期间，将每一个LED通道n设置到所确定的程控电流In。
为了最佳功率效率，校准处理通常确保每一个LDO 304操作于低于但是接近每一个LDO 304的饱和点。在饱和电流高于最大DAC设置的最差情况的实例中，LDO 304将尽可能地以接近于三极管和LDO 304的饱和区域之间的临界点的饱和来操作。
在一个实施例中，与在初始校准阶段期间相反，可以联机执行校准。在联机校准期间，将Vboost 245电压设置到预定义的电压水平并且将DAC 307设置到其最低水平。在系统正在运行时，Vboost245以某一时间间隔(例如，每8ms)降低直到一个或者多个LED串225不操作于Iset或者该Iset之上，并且Vboost再次增加以将最弱通道带回到调节中。一旦Vboost 245达到适当水平，处理设备210就将每一个LED通道的DAC 307并行地从其最低水平排序到其最高水平并且监视来自比较器355的输出。排序以某一时间间隔(例如，每8ms)发生。在LED串进入调节外时，处理设备210然后将在进入调节外之前对于LED通道的最高可能的DAC设置存储作为对于该LED通道n的程控电流水平In。继续按照相同的方式对剩余的LED串进行排序以识别其程控电流水平In。
进而，在系统正在运行时，通过处理设备210持续监视LED通道225的调节状态。如果LED通道落入调节外，如由比较器355的输出表明并且经由调节信号390通信到处理设备210，则处理设备210降低对于该LED通道的程控电流水平直到其下降回到调节内。此外，处理设备210能够周期性递增程控电流水平392以确定它们是否应该增加。如果LED通道225以较高电流水平停留在调节中，则通过处理设备210将对于LED通道225的新的DAC设置存储作为对于该LED通道n的新的程控电流水平In。
在其他实施例中，可以通过具有与处理设备210的降低交互的发光控制器310执行全部或者部分校准。在一个实施例中，升压转换器220由发光控制器310直接控制(未示出)。发光控制器310从处理设备210或者视频控制器205接收Iset。发光控制器310设置Vboost 245以使得最弱通道操作于Iset处或者其附近。发光控制器310然后对DAC 307排序直到识别最佳的DAC 307设置。然而，由于在发光控制器310中执行校准要求将附加控制电路添加到发光控制器310中，因此，在发光控制器310中执行校准不如在处理设备210中执行校准有利。
占空比计算
基于被确定用于每一个LED通道n的程控电流水平In，处理设备210使用下面的等式确定对于每一个LED通道n的PWM占空比(PWM outn)：
PWM _ ou t n = B I n Iset I n - - - ( 1 )
其中BIn是代表对于通道n的期望相对亮度设置的基线占空比，并且Iset是预定义的基线电流水平。等式(1)通过补偿因子调整该基线占空比以补偿通道之间的电流变化并且维持期望的相对亮度。在正常操作期间，处理设备210向发光控制器310提供PWM_outn作为对于通道n的占空比设置394。发光控制器310然后根据对于每一个通道n的占空比设置394经由控制信号308驱动PWM开关QP。
现在提供示例以进一步说明处理设备210和发光控制器310的操作。在该示例中，PWM亮度输入382将每一个通道n的相对亮度BIn设置到60％亮度。电流设置输入380将基线电流设置Iset设置到40mA。在上述的校准阶段期间，处理设备210确定对于每一个LED通道的程控电流水平392并且将该程控电流水平392通信到发光控制器310。发光控制器310然后经由控制信号309和DAC 307设置程控电流水平。在该示例中，处理设备210将第一LED通道设置到I1＝46mA的电流水平，将第二LED通道设置到I2＝40mA的电流水平，并且将第三LED通道设置到I3＝42mA的电流水平以使得每一个LED通道操作于其饱和点附近但是低于该饱和点。处理设备210对程控电流水平应用等式(1)以确定如下用于每一个LED通道n的占空比PWM_outn：
PWM _ ou t 1 = B I 1 Iset I 1 = 60 % 40 mA 46 mA = 52.2 % - - - ( 2 )
PWM _ ou t 2 = B I 2 Iset I 2 = 60 % 40 mA 40 mA = 60 % - - - ( 3 )
PWM _ ou t 3 = B I 3 Iset I 3 = 60 % 40 mA 42 mA = 57 . 1 % - - - ( 4 )
因而，校准和计算处理确定对于每一个LED通道n的电流In和占空比PWM_outn。有利的是，每一个LED通道将具有相同的平均电流(PWM_outn×In＝24mA)。因此，由于亮度输出紧密地相关于经过LED通道的平均电流，每一个LED通道的观察亮度将良好匹配。
如果对于不同的通道n不同地设置相对亮度输入BIn 382，则等式(1)确保了不同通道的平均电流之间的比值与亮度输入之间的比值匹配。例如，如果配置第四通道用于亮度输入BI4＝75％并且配置第五通道用于亮度输入BI5＝25％，则处理设备210校准通道以使得第四通道和第五通道之间的平均电流的比值为3∶1。
与发光控制器310相反，在处理设备210中执行亮度计算对于降低发光控制器310的尺寸和复杂度有利。用于执行这样的占空比计算的电路会占用LED驱动器中相当大的空间。然而，在使用LED驱动器的许多系统中，诸如电视和监视器，能够执行这样的计算的处理设备210已经是该系统的现有部件。因而能够对这些现有系统资源起杠杆作用以简化自适应开关LED驱动器的实现。进而，与LED驱动器215不同，处理设备210可以经由固件或者以其他方式可编程，这允许在没有任何硬件改变的情况下容易地更新用于计算亮度的公式。
在另一实施例中，处理设备210利用下面的等式根据PWM_outn计算PWM开关QP的占空比开时间：
Tonn＝PWM_outn×Tperiod(5)
其中Tonn代表对于通道n中的开关QP的占空比开时间并且Tperiod是一个完整占空比的时段。换言之，Tonn和Tperiod是被分离为两个分离的时间分量的占空比PWM_outn的代表。可以按照诸如秒或者时钟周期的任何时间单位测量Tonn和Tperiod。例如，如果PWM_outn是40％并且Tperiod是1000个时钟周期，则Tonn是400个时钟周期。在一个实施例中，能够按照多种方式中的任意方式，例如根据预定设置或者根据从视频控制器205接收的设置，通过处理设备210确定Tperiod。
Tonn和Tperiod被通信到LED驱动器215作为用于控制PWM开关QP的开时间和关时间的占空比设置394。与PWM_outn相反，将占空比设置394以Tonn和Tperiod的形式通信到LED驱动器是有利的，这是由于其允许从LED驱动器215移除用于将PWM_outn转换为Tonn时间的附加处理电路。
发光传输函数补偿
在可选实施例中，处理设备210应用等式(1)的修正版本以考虑LED的光通量与正向电流之间关系中的非线性。图4是正向导通的LED发射的相对光通量作为电流的函数的曲线图。该曲线图说明了光学效率随着正向电流增加而下降，并且这导致斜率的稍微降低。在一个实施例中，处理设备210使用下面形式的二阶多项式对发光传输函数进行建模：
lum(x)＝c2x2+c1x+c0    (6)
其中c0，c1和c2是通过实验确定的常数。在该实施例中，处理设备210应用下面的补偿等式以确定对于每一个通道n的PWM outn：
PWM _ ou t n = B I n lum ( Iset ) lum ( I n ) - - - ( 7 )
与上文将LED通道之间的平均电流的比值与亮度输入BIn的比值匹配的等式(1)相比较，等式(7)代替以与相对亮度BIn成比例地设置LED通道的相对光通量输出。这提供了LED通道之间相对亮度输出的更加精确的维持。因而，利用相同亮度输入配置的LED通道将具有实质上相同的亮度输出。
在一个实施例中，处理设备210在校准阶段期间评估对于每一个LED通道n的比值并且将该结果存储在存储器中。在实时操作期间，处理设备210仅需要在每次更新亮度输入382时执行等式(7)的一个剩余乘法操作。
温度补偿
在另一可选实施例中，处理设备310应用附加地提供LED通道之间的温度变化补偿的等式(1)的不同修正版本。图5是从具有55mA正向电流的正向偏置LED发射的相对光通量密度作为结温的函数的曲线图。该曲线图说明了随着LED的结温从25摄氏度升高到85摄氏度光通量大致降低12％。该降低实质是温度的线性函数。因而，在一个实施例中，处理设备210应用下面的等式以确定对于每一个LED通道n的PWM_outn：
PWM _ ou t n = B I n lum ( Iset ) lum ( I n ) C T - - - ( 8 )
其中CT是根据实验确定的温度的线性函数。在该实施例中，修改处理设备210以包括配置以接收对于LED串225的温度数据的附加温度输入信号(未示出)。可以使用任何传统的LED温度测量技术获得该温度数据。
具有多个LED驱动器的系统
图6A和图6B示出了具有多个LED驱动器215的系统的实施例。图6A与图2类似，除了该系统现在包括经由通信链路235耦合到处理设备210的三个LED驱动器(例如，215-1，215-2，215-3)。在其他实施例中，可以具有更少或者更多的LED驱动器215。每一个LED驱动器215基于从处理设备210接收的程控电流水平和占空比设置来控制经过一个或者多个LED串(例如，225-1，225-2，225-3)的电流。升压转换器220向所有LED串225提供公共Vboost 315电压。基于从处理设备210接收的控制信号240通过升压转换器220控制Vboost 245电压。
在图6A的一个实施例中，处理设备210在先前描述的校准处理期间确定适当的Vboost电压245。在另一实施例中，LED驱动器215和处理设备210应用修正的校准处理以确定Vboost 245的适当电压水平。在校准阶段期间，每一个LED驱动器215试图设置Vboost 245电压以使得其最弱LED串225操作于Iset处或者其附近。然而，仅处理设备210能够经过控制信号240直接控制升压转换器220。每一个LED驱动器215因而经由通信链路235将其自身的电压设置提供到处理设备210。处理设备210从接收自不同的LED驱动器215的各种电压设置中选择最低电压设置。处理设备210经由控制信号240根据最低电压设置来设置Vboost 245电压。在其他实施例中，也可以从处理设备210向全部LED驱动器215传输最低电压设置。
图6B与图6A类似，除了用于控制升压转换器220的控制信号640现在连接到LED驱动器215-1而非处理设备210。在该实施例中，LED驱动器215和处理设备210应用不同的修正的校准处理以确定Vboost 245的适当电压水平。在校准阶段期间，每一个LED驱动器215试图设置Vboost 245电压以使得其最弱LED串225操作于Iset处或者其附近。然而，仅一个LED驱动器215-1直接连接到升压转换器220用于控制Vboost 245电压。每一个LED驱动器(例如，215-1，215-2，和215-3)因而经由通信链路235将其自身电压设置提供到处理设备210。处理设备210从接收自不同LED驱动器215的各种电压设置中选择最低电压设置并且将该最低电压设置传输到LED驱动器215-1。LED驱动器215-1然后根据从处理设备210接收的电压设置经由控制信号640设置Vboost 245电压。
操作方法
图7示出了由用于驱动一个或者多个LED串225的LED驱动器215执行的方法的实施例。LED驱动器经由通信链路向处理设备传输710表明LED串中的电流是否处于调节外的调节信息。使用该调节信息，处理设备在保持LED串处于调节内的校准阶段期间设置程控电流水平。从可程控电流水平的有限集中确定程控电流水平。
LED驱动器经由通信链路从处理设备接收720程控电流水平并且根据该程控电流水平调节730经过LED串的电流。LED驱动器还从处理设备接收740占空比设置用于接通和关断第一LED串。处理设备将占空比确定为程控电流水平的函数。LED驱动器然后以由该占空比设置表明的占空比接通或者关断750LED串。能够对多个LED串的任何一个重复该处理以使得独立控制每一个LED串。
在阅读本公开内容时，本领域技术人员将意识到对于固件控制的自适应开关模式LED驱动器的其他附加替代设计。因而，尽管说明和描述了本发明的特定实施例和应用，但是要理解，本发明并不局限于这里公开的精确构造和部件，并且在不偏离在所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这里公开的本发明的方法和装置的布置，操作以及细节做出对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的各种修改，改变和变型。

Claims (22)

1.一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)串的系统，所述系统包括：
LED驱动器设备，包括：
与LED串串联耦合的传输晶体管，所述LED串中的电流流经所述传输晶体管，所述LED驱动器设备根据用于程控电流水平的设置通过调整所述传输晶体管的栅极电压来调节通过所述LED串的峰值电流；以及
通道开关，其与所述LED串串联耦合以根据用于所述LED的占空比的占空比设置来接通或关断所述LED串；以及
处理设备，其将用于所述LED串的所述占空比确定为所述程控电流水平的函数、经由通信链路将用于所述LED串的所述占空比的所述占空比设置传输到所述LED驱动器设备、以及经由所述通信链路将用于所述LED串的所述程控电流水平的所述设置传输到所述LED驱动器设备，所述处理设备是远离所述LED驱动器设备的集成电路。
2.如权利要求1的系统，其中所述LED驱动器设备经由所述通信链路向所述处理设备传输表明经过所述LED串的所述电流是否在调节外的调节信息，并且其中所述处理设备确定所述程控电流水平以基于所述调节信息将经过所述LED串的所述电流保持在调节内。
3.如权利要求1的系统，其中进一步配置所述处理设备以确定对于所述LED串的所述程控电流水平与可程控电流水平的有限集中的一个相对应。
4.如权利要求1的系统，其中所述处理设备进一步将所述占空比确定为基线电流水平和基线占空比的函数。
5.一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)串的系统，所述系统包括：
第一LED驱动器设备，其根据第一程控电流水平调节经过第一LED串的电流并且以第一占空比接通或者关断所述第一LED串，所述第一LED驱动器设备根据第二程控电流水平调节经过第二LED串的电流并且以第二占空比接通或者关断所述第二LED串，所述第二LED串具有与所述第一LED串不同的电流-电压特性并且所述第二程控电流水平与所述第一程控电流水平不同；以及
处理设备，其将用于所述第一LED串的所述第一占空比确定为所述第一程控电流水平的函数以及将对于所述第二LED串的所述第二占空比确定为所述第二程控电流水平的函数，所述处理设备是远离所述第一LED驱动器设备的集成电路。
6.如权利要求5的系统，其中所述处理设备将所述第一占空比确定为部分地基于发光传输函数的所述第一程控电流水平的函数以使得光通量在被配置用于相同相对亮度的所述第一LED串和所述第二LED串之间实质上匹配。
7.如权利要求6的系统，其中所述处理设备接收温度测量，并且其中所述发光传输函数包括用于补偿所述第一LED串和所述第二LED串之间的温度变化的温度补偿函数。
8.一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)串的系统，所述系统包括：
第一LED驱动器设备，其根据第一程控电流水平调节经过第一LED串的电流并且以第一占空比接通或者关断所述第一LED串；
处理设备，其将用于所述第一LED串的所述第一占空比确定为所述第一程控电流水平的函数，所述处理设备是远离所述第一LED驱动器设备的集成电路；
第二LED驱动器设备，其调节经过第二LED串的电流；以及
功率转换器，其向所述第一LED串和所述第二LED串提供公共电压，
其中所述第一LED驱动器设备向所述处理设备传输第一电压设置并且所述第二LED驱动器设备向所述处理设备传输第二电压设置，
其中所述处理设备选择所述第一电压设置和所述第二电压设置中的最低者以控制由所述功率转换器提供的所述电压。
9.一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)串的LED驱动器设备，所述LED驱动器设备包括：
通道调节器，其包括与LED串串联耦合的传输晶体管，所述LED串中的电流流经所述传输晶体管，所述通道调节器根据用于程控电流水平的设置通过调整所述传输晶体管的栅极电压来调节经过所述LED串的峰值电流；
通道开关，其与所述LED串串联耦合以根据用于占空比的占空比设置来接通或者关断所述LED串；以及
发光控制电路，其配置成经由通信链路从处理设备接收用于所述占空比的所述占空比设置和用于所述程控电流水平的所述设置，其中所述处理设备将所述占空比确定为所述程控电流水平的函数，所述处理设备是远离所述LED驱动器设备的集成电路。
10.如权利要求9的LED驱动器设备，其中所述发光控制电路被配置成经由所述通信链路向所述处理设备传输表明所述LED串是否在调节外的调节信息，并且其中所述处理设备确定所述程控电流水平以基于所述调节信息将经过所述LED串的所述电流保持在调节内。
11.如权利要求9的LED驱动器设备，其中通过所述处理设备确定所述程控水平以与可程控电流水平的有限集中的一个相对应。
12.如权利要求9的LED驱动器设备，其中所述处理设备进一步将所述占空比确定为基线电流水平和基线占空比的函数。
13.一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)串的LED驱动器设备，所述LED驱动器设备包括：
第一通道调节器，其配置成根据第一程控电流水平调节经过第一LED串的电流；
第一通道开关，其配置成以第一占空比接通或者关断所述第一LED串，处理设备将所述第一占空比确定为所述第一程控电流水平的函数并且所述LED驱动器设备从所述处理设备接收用于所述第一占空比的设置，所述处理设备是远离所述LED驱动器设备的集成电路；
第二通道调节器，其被配置成根据第二程控电流水平调节经过第二LED串的电流，所述第二程控电流水平与所述第一程控电流水平不同；以及
第二通道开关，其被配置成以第二占空比接通或者关断所述第二LED串，所述第二LED串与所述第一LED串具有不同的电流-电压特性，并且
其中所述处理设备将用于所述第二LED串的所述第二占空比确定为所述第二程控电流水平的函数。
14.如权利要求13的LED驱动器设备，其中所述处理设备将所述第一占空比确定为部分地基于发光传输函数的第一程控电流水平的函数以使得光通量在被配置用于相同相对亮度的所述第一LED串和所述第二LED串之间实质上匹配。
15.如权利要求14的LED驱动器设备，其中所述发光传递函数包括用于基于所述处理设备接收的温度测量补偿所述第一LED串和所述第二LED串之间的温度变化的温度补偿函数。
16.一种用于通过发光二极管(LED)驱动器设备驱动一个或多个LED串的方法，所述方法包括：
接收用于第一LED串的第一占空比的第一设置，所述第一设置经由通信链路从处理设备在所述LED驱动器设备处进行接收，所述处理设备是远离所述LED驱动器设备的集成电路；
接收用于所述第一LED串的第一程控电流水平的第二设置，所述第二设置经由所述通信链路从所述处理设备在所述LED驱动器设备处进行接收，所述处理设备将所述第一占空比确定为所述第一程控电流水平的函数；
根据用于所述第一LED串的所述第一程控电流水平调节经过所述第一LED串的峰值电流；并且
根据用于所述第一LED串的所述第一占空比接通或者关断所述LED串。
17.如权利要求16的方法，进一步包括经由所述通信链路向所述处理设备传输表明所述第一LED串中的电流是否在调节外的调节信息，并且其中所述处理设备确定所述第一程控电流水平以基于所述调节信息将所述第一LED串中的所述电流保持在调节内。
18.如权利要求16的方法，其中所述第一程控电流水平被所述处理设备从可程控电流水平的有限集中确定。
19.如权利要求16的方法，其中所述处理设备进一步确定所述第一占空比作为基线电流水平和基线占空比的函数。
20.一种用于通过发光二极管(LED)驱动器设备驱动一个或多个LED串的方法，所述方法包括：
根据第一程控电流水平调节经过第一LED串的电流；
接收用于开关所述第一LED串的第一占空比的设置，所述第一占空比被处理设备确定为所述第一程控电流水平的函数，所述处理设备是远离所述LED驱动器设备的集成电路；
根据所述第一占空比接通或者关断所述LED串；
根据第二程控电流水平调节经过第二LED串的电流，所述第二程控电流水平与所述第一程控电流水平不同；
接收用于开关所述第二LED串的第二占空比的设置，所述占空比被确定为所述第二程控电流水平的函数并且被从所述处理设备接收；以及
以所述第二占空比接通或者关断所述第二LED串。
21.如权利要求20的方法，其中所述处理设备将所述第一占空比确定为部分地基于发光传输函数的所述第一程控电流水平的函数以使得光通量在被配置用于相同相对亮度的所述第一LED串和所述第二LED串之间实质上匹配。
22.如权利要求21的方法，其中所述发光传递函数包括用于基于通过所述处理设备接收的温度测量补偿所述第一LED串和所述第二LED串之间的温度变化的温度补偿函数。
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