CN102791061A - 包括颜色监控的led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括颜色监控的LED驱动器。一种被提供用于驱动多色LED组件的电路包括可操作来发射不同颜色的光的至少两个LED。该电路包括被配置成从多色LED组件的LED中选择源LED和传感器LED的控制和处理单元。传感器单元与传感器LED关联并且被配置成获得代表在接收由源LED发射的入射光时由传感器LED提供的光电流的电流测量值。LED驱动器单元与源LED关联并且被配置成依照相应的输入值向源LED提供负载电流。

Description

包括颜色监控的LED驱动器

技术领域

本发明涉及用于发光二极管（LED）的驱动器电路的领域，特别地涉及用于包括多个LED的LED组件的驱动器电路。

背景技术

发光二极管（LED）的亮度直接依赖于流经二极管的负载电流。为了改变LED的亮度，已知的是使用设置为代表希望的亮度的电流的可控电流源。在数字控制应用中，数模转换器（DAC）可以用来设置作为LED驱动器而操作的可控电流源的电流。

已知的是组合不同颜色（例如红色、绿色和蓝色）和不同亮度的光以便产生可见光谱内的几乎任何颜色感觉。在现代照明系统或显示器中，至少三个不同颜色的LED的组合用来提供多色照明。可以将LED三元组布置成矩阵状结构，因而形成如下的显示器，其中该显示器的每个“像素”由典型地包括红色、绿色和蓝色LED的LED三元组代表。为了改变像素的颜色，不同LED的亮度必须是可单独调节的。更复杂的LED组件包括四个不同颜色的LED，所述颜色诸如红色、绿色、蓝色和白色（RGBW LED组件）或者红色、绿色、蓝色和黄色（RGBY LED组件）。

单个LED产生的光通量（也叫光功率）直接依赖于LED的负载电流这一事实并不意味着光通量与相应LED正向电流之间的关系是稳定的。事实上，产生的光通量与相应LED正向电流之间的比值可能由于生产公差、由于温度变化以及由于老化效应引起的漂移而改变。当利用限定的（恒定的）电流驱动LED时，不可能避免单个LED产生的光通量的这样的变化。在包括至少两个产生不同颜色的光的LED的多色LED组件中，一个LED产生的光通量的这样的变化（或者换言之，对应LED的光强度的变化）由于多色LED组件的LED发射的光的加色混合而引起得到的颜色的对应变化。这样的变化可能被感知为分散注意力的色调或饱和度变化。

因此，需要一种多色LED组件，其包括通过使每个包含的LED的光强度稳定而实现的所谓的色点稳定。

发明内容

一种用于驱动LED组件的电路被公开。这样的LED组件包括可操作来发射光的至少两个LED，其根据对应负载电流而提供光通量。所述电路包括被配置成从LED组件的LED中选择源LED和传感器LED的控制和处理单元。与传感器LED关联的传感器单元被配置成获得代表在接收由源LED发射的入射光时由传感器LED提供的光电流的电流测量值。LED驱动器单元与源LED关联并且被配置成依照相应的输入值向源LED提供负载电流。相应的用于驱动LED组件的方法被公开。

附图说明

本发明可以参照以下附图和描述而更好地被理解。图中的部件不一定符合比例，相反地强调了图解说明本发明的原理。而且，在图中相似的附图标记表示相应的部分。在附图中：

图1图解说明了LED组件中的光学反馈原理；

图2图解说明了一种多色LED组件，其包括四个不同颜色的LED，每个LED可以作为发光二极管或者作为光电二极管而操作；

图3更详细地图解说明了图2的多色LED组件的部分；

图4在图表中针对其中一个LED正作为光电二极管而操作的不同LED配对图解说明了LED负载电流与得到的光电流之间的关系；

图5图解说明了初始校准过程期间产生的示例性校准表；以及

图6为图解说明校准过程的流程图。

具体实施方式

在包括至少两个产生不同颜色的光的LED的多色LED组件中，一个LED产生的光通量的变化（即对应LED提供的光强度的变化）引起得到的颜色的对应变化。这样的变化可能被感知为分散注意力的色调或饱和度变化。为了降低LED的这种强度变化，可以向控制对应LED的负载电流的驱动器电路提供光学反馈。图1图解说明了用于使各LED提供的光强度稳定的这种光学反馈环（控制环）的原理。

相应地，LED器件LD₁由适当的LED驱动器21驱动，该LED驱动器依照控制单元10提供给LED驱动器21的输入信号IN₁而设置LED LD₁的负载电流i_L1。为了促进光学反馈，光电传感器单元31被布置成邻近LED LD₁并且与其光学耦合。传感器单元31的输出信号I_actual代表LED LD₁当前提供的实际存在的光强度。在当前实例中，光电传感器单元31包括光电二极管D_S1，该光电二极管的输出电流（传感器电流i_S1）由提供输出信号I_actual的跨阻放大器放大，该输出信号在当前实例中为与放大器输入电流i_S1成比例的电压。将输出信号I_actual以及代表要由LED LD₁提供的希望的光强度的参考信号I_desired提供给控制单元10。控制单元10被配置成形成误差信号I_desired-I_actual，该误差信号被提供给包含在控制单元10中的控制器11（例如P控制器）。控制器11提供供应给LED驱动器21的输入信号IN₁，并且从而封闭反馈环。控制器11被配置成依照预定义的控制法则响应于误差信号I_desired-I_actual而提供驱动器输入信号IN₁。例如，控制器11可以是P控制器或者PI控制器。然而，其他控制特性可能是适用的。

在多色LED组件中，光学反馈可以有用地用来使LED组件提供的光的色点（即色调、亮度和饱和度）稳定。图1实例中图解说明的传感器单元31可以在两个或更多LED之间“共享”（使用复用器），从而在一个多色LED组件中只需一个单一光电二极管（或者其他光敏传感器元件）。然而，当操作临时作为光电二极管的LED以便测量多色LED组件中的另一个LED提供的光强度时，可以进一步简化该组件。下面参照图2和图3讨论这种改进的多色LED组件的实例。

图2图解说明了依照本发明一个实例的一个示例性多色LED组件的结构。图2的多色LED组件是RGBW组件，并且因而包括红色LED器件LD₁、绿色LED器件LD₂、蓝色LED器件LD₃和白色LED器件LD₄。这些LED器件LD₁、LD₂、LD₃和LD₄中的每一个分别由相应的LED驱动器单元21、22、23和24驱动。LED驱动器单元21、22、23和24分别依照控制单元10提供的输入信号IN₁、IN₂、IN₃和IN₄将负载电流i_L1、i_L2、i_L3和i_L4提供给关联的LED器件LD₁、LD₂、LD₃和LD₄。输入信号IN₁、IN₂、IN₃和IN₄依赖于耦合到LED LD₁和LD₂的传感器单元31和32之一提供的光学反馈。

 为了提供光学反馈，必须测量每个单独的LED的光强度。为此目的，控制单元10被配置成安排测量周期，在该测量周期期间，要测量其强度的LED接通并且携带特定负载电流i_L1，并且其余LED之一作为提供代表由活动的LED提供的光强度的光电流（传感器电流i_Si，下标i表示LED LD_i）的光电二极管而操作。由于光电二极管的响应时间典型地处于数微秒（例如低于10μs）的范围内，因而可以安排这样的测量周期而不会不利地影响颜色知觉，因为人眼不能分辨为完成测量周期所需的这样短（低于例如100μs）的中断。

例如，当红色LED LD₁活动时，绿色LED LD₂可以作为光电二极管而操作。传感器单元32可以与绿色LED LD₂关联，其中传感器单元可以包括例如放大器用于放大光电流并且提供反馈给控制单元10的实际强度信号I_actual（参见图1）。类似地，红色LED LD₁可以在其中绿色LED LD₂活动的测量周期期间作为光电二极管而操作。实验表明，在实践中，当仅仅两个不同的LED被配置成可作为光电二极管而操作时就可能足够了。就是说，红色LED LD₁作为光电二极管而操作以便分别测量绿色和蓝色LED LD₂和LD₃的光强度，并且绿色LED LD₂作为光电二极管而操作以便测量红色LED LD₁和白色LED LD₄的光强度。然而，哪些LED最适合作为光电二极管的决策可能依赖于LED组件的实际实现方式以及其中使用的二极管类型。在图2的实例中，示出了两个传感器单元31、32。一个传感器单元31与红色LED LD₁耦合并且一个传感器单元32与绿色LED LD₂耦合。应当指出的是，一个传感器单元可能就足够了。在这种情况下，该传感器单元可以在可作为光电二极管而操作的LED之间共享。为此目的，可以使用模拟复用器单元（未示出）。此外，可以提供另外的传感器单元35，其被配置成向控制单元10提供温度信息。多色LED组件的温度可以用来通过补偿依赖于温度的漂移而进一步提高精度。

图3更详细地图解说明了图2实例的部分。为了容易说明起见，仅仅示出了红色LED LD₁。红色LED LD₁可以作为发光二极管或者作为光电二极管而操作。然而，将图3中所示的部分扩展为如图2中所示的全多色组件应当是自解释性的。因此，LED驱动器21可以包括用于向LED LD₁提供调制的（脉冲式）负载电流的调制器M₁，其中调制的负载电流的占空比被设置成使得平均负载电流与驱动器输入信号IN₁相应。各种调制器可以用在这样的应用中，诸如脉宽调制器或者脉冲密度调制器。传感器单元31连接到LED LD₁并且被配置成提供代表光电流i_S1的信号，该光电流由LED LD₁响应于来源于另一个LED（例如LD₂）的入射光而产生。在这样的测量周期期间，不应当向LED LD₁提供负载电流。在当前实例中，传感器单元31包括运算放大器OA₁和晶体管T₁，二者都耦合到LED LD₁，其中运算放大器被连接成使得它保持LED（当作为光电二极管而操作时）两端的偏置电压接近零。晶体管T₁携带光电流i_S1。因此，晶体管的栅极通过放大器输出充电，这对于零二极管偏置电压而言晶体管电流等于光电流i_S1。可以将反向偏置电压施加到传感器LED以便降低结电容并且因而增大传感器带宽。然而，这可能降低可实现的精度。控制单元10被配置成接收来自传感器单元31的测量信号并且（经由使能信号EN₁）启用和禁用传感器单元，使得当LED LD₁作为发光器件而操作时可以将传感器单元31切换成不活动。控制/处理单元10进一步被配置成随后针对给定负载电流对于每个活动的LED LD₁至LD₄获得强度测量值I_actual并且将元组“负载电流”/“得到的强度”存储在驻留于存储器40中的校准表中，该存储器可以被包括或者耦合到控制/处理单元10。

图4图解说明了当作为光电二极管而操作时的LED的灵敏度。如上面所提到的，对于测试的多色LED组件而言，红色LED LD₁和绿色LED被证明分别对于绿色和白色LED而言以及对于红色和蓝色LED而言最适合作为光电二极管。从图4的图表可见哪些LED应当被组合以实现最佳的光电二极管灵敏度。测量的灵敏度曲线也可以存储在存储器40（图3）中以便允许校准光电二极管输出。在图5中描绘了初始校准期间产生的示例性校准表。

下面更详细地解释控制和处理单元10的功能以及用于使多色LED组件的色点稳定的相应方法。在图6中描绘了相应的流程图。

首先，必须在生产过程的最后步骤内执行传感器LED的初始校准（“零小时校准”）。由此，随后将限定的负载电流提供给每个LED LD₁、LD₂、LD₃、LD₄，并且使用关联的传感器LED LD₂或LD₃测量得到的光电流。如果负载电流与光强度之间的关系对于对应LED而言是已知的，那么这个关系可以用来将测量的光电流转换成强度值。可以考虑使用参考传感器的直接光强度（光通量）测量以便提高精度。可以将测量结果存储在驻留于例如存储器40（参见图3）的校准表中。在图5中图解说明了得到的校准表的一个实例。

在多色LED组件的正常操作期间，可以不时地触发重新校准，在图6中示出了其步骤。这可以是每当LED组件启动时，或者在自最近的校准以来过去了特定时间时，或者也响应于诸如过温之类的特定事件等等。如果控制单元决定触发重新校准，则执行以下步骤。

1. 安排测量周期。就是说，控制单元10使除了要测量其强度的LED之外的所有LED失活。此外，激活关联的传感器LED。

2. 在其期间瞬态电流衰减的传感器LED的响应时间之后，对传感器LED提供的光电流采样。然而，响应时间相对短，例如大约10微秒。

3. 将实际测量的光电流与从校准表获知的代表初始（零小时）校准的“希望的”光电流进行比较。计算相应的误差值。

在误差太大（即大于预定义的最大可接受误差）的情况下，计算要提供给对应LED的更新的负载电流并且可以相应地更新要提供给对应LED驱动器的输入信号IN_i。仅仅给出一个实例，假设初始校准期间由绿色LED LD₂产生的光电流对于标称负载电流下由红色LED LD₁提供的100流明的光通量而言为3.2μA（参见图5中描绘的表的第一条目）。应当进一步假设的是，在重新校准期间将光电流降低至2.9μA，其为降低1.103倍（即大约10%）。可以断定，光通量也已降低大约10%。因此，提供给对应LED LD₁的标称负载电流增大至1.103倍（即增大大约10%）以便重新确立初始的100流明光通量。

尽管已详细地描述了本发明及其优点，但是应当理解的是，可以在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下对其做出各种变化、替换和更改。

而且，本申请的范围并不预期限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员根据本发明的公开内容将容易理解的，依照本发明可以利用当前存在的或者以后开发的执行与本文描述的相应实施例基本上相同的功能或者实现基本上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求预期在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (17)

1.一种用于驱动多色LED组件的电路，所述多色LED组件包括可操作来发射不同颜色的光的至少两个LED，该电路包括：

控制和处理单元，被配置成从多色LED组件的LED中选择源LED和传感器LED；

传感器单元，与传感器LED关联并且被配置成获得代表在接收由源LED发射的入射光时由传感器LED提供的光电流的电流测量值；以及

LED驱动器单元，与源LED关联并且被配置成依照相应的输入值向源LED提供负载电流。

2.权利要求1的电路，其中控制和处理单元被配置成在测量时段期间临时地使多色LED组件的除了选择的源LED之外的所有其他LED失活，使得仅仅向选择的源LED提供负载电流。

3.权利要求1的电路，其中控制和处理单元被配置成接收电流测量值并且将该值与存储的校准数据进行比较，并且其中根据所述比较来更新输入值。

4.权利要求2的电路，其中控制和处理单元被配置成在其中不执行测量的正常操作期间将所有LED选择为源LED。

5.权利要求3的电路，进一步包括：

存储器，耦合到控制和处理单元，所述校准数据存储在该存储器中，

其中所述校准数据包括在限定的温度下针对限定的校准时间的负载电流、相应光通量和相应光电流的映射。

6.一种用于驱动LED组件的方法，所述LED组件包括可操作来发射光的至少两个LED，该方法包括：

从LED组件的LED中选择源LED和传感器LED；

依照相应的输入值向源LED提供负载电流；

获得代表在接收由源LED发射的入射光时由传感器LED提供的光电流的电流测量值。

7.权利要求6的方法，进一步包括：在向源LED提供负载电流之前，在测量时段内临时地使LED组件的除了选择的源LED之外的所有其他LED失活，使得仅仅能够向选择的源LED提供负载电流。

8.权利要求6的方法，进一步包括：

将电流测量值与存储的校准数据进行比较；以及

根据所述比较来更新输入值。

9.权利要求7的方法，进一步包括：在其中不执行测量的正常操作期间将LED组件的所有LED选择为源LED。

10.权利要求6的方法，其中LED组件为多色LED组件，所述多色LED组件包括可操作来发射不同颜色的光的至少两个LED以便通过加色混合而实现一种得到的颜色，该方法进一步包括：

随后将LED组件的每个LED选择为源LED并且将LED组件的另一个LED选择为传感器LED，因而随后提供代表由于从对应LED发射的光而引起的光电流的电流测量值；

将每个电流测量值与存储的校准数据进行比较；以及

根据所述比较来更新每个输入值，因而调节由每个单独的LED提供的光通量以便实现得到的颜色的希望的色调、饱和度和亮度。

11.一种用于驱动LED组件的电路，所述LED组件包括可操作来发射光的至少两个LED，该电路包括：

控制和处理单元，被配置成从LED组件的LED中选择源LED和传感器LED；

传感器单元，与传感器LED关联并且被配置成获得代表在接收由源LED发射的入射光时由传感器LED提供的光电流的电流测量值；以及

LED驱动器单元，与源LED关联并且被配置成依照相应的输入值向源LED提供负载电流。

12.权利要求11的电路，其中控制和处理单元被配置成在测量时段期间临时地使LED组件的除了选择的源LED之外的所有其他LED失活，使得仅仅向选择的源LED提供负载电流。

13.权利要求11的电路，其中控制和处理单元被配置成接收电流测量值并且将该值与存储的校准数据进行比较，并且其中根据所述比较来更新输入值。

14.权利要求12的电路，其中控制和处理单元被配置成在其中不执行测量的正常操作期间将所有LED选择为源LED。

15.权利要求13的电路，进一步包括：

存储器，耦合到控制和处理单元，所述校准数据存储在该存储器中，

其中所述校准数据包括在限定的温度下针对限定的校准时间的负载电流、相应光通量和相应光电流的映射。

16.权利要求11的电路，其中LED组件为多色LED组件，所述多色LED组件包括可操作来发射不同颜色的光的至少两个LED以便通过加色混合而实现一种得到的颜色，控制和处理单元进一步被配置成：

随后将LED组件的每个LED选择为源LED并且将LED组件的另一个LED选择为传感器LED，因而随后提供代表由于从对应LED发射的光而引起的光电流的电流测量值；以及

将每个电流测量值与存储的校准数据进行比较，其中根据所述比较来更新每个输入值，因而调节由每个单独的LED提供的光通量以便实现得到的颜色的希望的色调、饱和度和亮度。

17.权利要求13的电路，其中根据所述比较来更新输入值，并且其中仅在电流测量值与存储的希望的值之间的差超过预定义的阈值时才执行所述更新。

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