CN103747576B - 一种led背光源驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种LED背光源驱动电路，驱动电路的控制器输出PWM调光信号至线性恒流源控制背光灯，所述的控制器输出控制信号至昼夜切换开关，所述的背光灯由电压转换电路供电，所述的昼夜切换开关串联电阻RS后与电阻型温度传感器并联，该并联电路一端接地，另一端经电阻R2接入电压转换电路反馈电压输入端，所述的反馈电压输入端和电压转换电路供电输出端通过电阻R1连接。本发明的优点在于该驱动电路及其驱动方法具有功率小、夜视颜色可配的特点，同时解决了亮度衰减以及高、低温环境下偏色的问题。

Description

一种LED背光源驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及彩色液晶显示器内LED背光源的驱动电路，尤其涉及一种可自我适应环境的LED驱动电路以及亮度反馈和补色的方法。

背景技术

在航空液晶显示器领域，LED（LightEmittingDiode，发光二极管）逐渐成为了背光源的主流。LED具有体积小、寿命长、能耗小、发热低以及颜色可控性强等优势。然而，随着LED技术的广泛应用，航空领域对其中的LED液晶显示器的要求也越来越高，其中较主要的两个方面是颜色和功耗。

随着显示信息画面越来越复杂，为了能让飞行员更好的观测和明确各种信息，LED液晶显示器则被要求具有更好的色彩显示效果，特别是在夜视环境下，需要满足更利于人眼观察的夜视兼容色坐标。因此，LED彩色背光源也逐渐成为必要。同时，为了保证显示器的高可靠性，功耗问题从始至终都是一个着重考虑的方面。因此，在进行LED液晶显示器设计时，则需要增加LED彩色背光源，同时要求显示器功耗小，以减少显示器内部的发热量，保证显示器的可靠性。

由于LED彩色背光源应用暂不广泛，就目前而言，如何在保证功耗的同时，兼容显示器的色彩，此类操作的公开文献不多。同时，在高亮度航空显示器领域，还存在背光板温度变化大的特点，LED灯的导通电压随温度变化而变化，就会导致功耗的浪费或者显示器亮度的变化，而且LED灯的光效还会随温度变化而衰减。

上述问题一直困扰着LED彩色背光源设计人员，因此需要设计一种可以兼顾显示器颜色和功耗，同时在最大亮度进行反馈调整，在高、低温下进行颜色补偿的光源驱动系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种可以根据外部环境的变化，自我适应的LED驱动电路，能够进行昼夜切换、功率调节、亮度反馈和色度补偿的驱动控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种LED背光源驱动电路，驱动电路的控制器输出PWM调光信号至线性恒流源控制背光灯，所述的控制器输出控制信号至昼夜切换开关，所述的背光灯由电压转换电路供电，所述的昼夜切换开关串联电阻RS后与电阻型温度传感器并联，该并联电路一端接地，另一端经电阻R2接入电压转换电路反馈电压输入端，所述的反馈电压输入端和电压转换电路供电输出端通过电阻R1连接。

所述的控制器连接有采集背光灯工作环境温度和亮度的温度传感器和光传感器。

所述的背光灯设有多路，每路背光灯由多串LED光源并联构成，每串LED光源串联有多个LED光源，每路所述的背光灯颜色不同，包括白色LED光源和彩色LED光源。

所述的控制器通过串口与上位机进行通讯，并设有用于存储的EEPROM。

昼夜切换开关分为昼模式和夜模式，在昼模式下由控制器控制其断开，在夜模式下由控制器控制其闭合。

在昼模式下以白色LED光源为背光灯光源，在夜模式下以彩色LED光源为背光灯光源。

光传感器采集的光亮反馈值为Z，所述的LED背光源设有0-N级别调光等级，级别越高亮度越大，当LED背光源处于调光等级为X，其中0＜X＜N，此时标准光反馈值Y，如果Z大于Y，则控制器减小PWM调光信号的占空比，使亮度下降，如果Z小于Y，则控制器增加PWM调光信号的占空比，使亮度上升。

Z与Y的比较未超过预设调整阀值，则控制器不进行输出PWM调光信号的调整，若超过预设调整阀值，则控制器进行输出PWM调光信号的调整。

彩色LED光源中设有橙灯，控制器输出至橙灯的PWM调光信号占空比为C，温度传感器（3）采集的温度为T，控制器在常温状态下输出至橙灯的PWM调光信号占空比为C₀，

C=C₀×[（-0.0002）(T+55)2+0.4288×(T+55)+70.7273]／100。

所述的控制器通过串口与上位机进行通讯，通过I²C将上位机设置的值存到EEPROM中作为掉电保存数据。

本发明的优点在于该驱动电路及其驱动方法具有功率小、夜视颜色可配的特点，同时解决了亮度衰减以及高、低温环境下偏色的问题。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为自适应LED驱动电路的框图；

图2为电压转换模块的电路框图；

图3为LED白灯的额定导通电压与环境温度的关系，其中横坐标为环境温度T，纵坐标为额定导通电压值V；

图4为LED彩灯的导通电流与导通电压的关系；其中横坐标为导通电压V，纵坐标为导通电流值I；

图5为LED白灯的发光光效与环境温度的关系，其中横坐标为环境温度T，纵坐标为相对光效值L；

图6为LED彩灯的发光光效与环境温度的关系，其中横坐标为环境温度T，纵坐标为实际光效相对25℃时光效的比值IV／IV（25℃）；

图7为通过实测拟合的橙灯输出占空比与环境温度的关系，其中横坐标为环境温度(T+55)，纵坐标为橙灯的输出占空比C（基础值设定的是100）；

图8为拟合的近似二次曲线，其中横坐标为环境温度(T+55)，纵坐标为橙灯的输出占空比C（基础值设定的是100）；

图9为实测曲线和拟合曲线的比较，其中横坐标为环境温度(T+55)，纵坐标为橙灯的输出占空比C（基础值设定是100）；

上述图中的标记均为：1、控制器；2、光传感器；3、温度传感器；4、昼夜切换开关；5、电压转换电路；6、上位机；7、EEPROM；8、线性恒流源；9、背光灯。

具体实施方式

参见图1、2可知，LED背光源驱动电路包括控制器1、光传感器2、温度传感器3、昼夜切换开关4、电压转换电路5、上位机6、EEPROM7、线性恒流源8、背光灯9以及配置电阻R1、R2、电阻型温度传感器RT。控制器1采用FPGA（Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列），背光灯9设有多路，每路背光灯由多串LED光源并联构成，每串LED光源串联有多个LED光源，每路所述的背光灯9颜色不同，至少包括白色LED光源和彩色LED光源，优选设置白、橙、绿、蓝四色光源，由此采用四路线性恒流源8供电，每路线性恒流源8分别驱动一路背光灯9。

电压转换电路5是将外部供电转换成背光灯9需要的供电电压，昼夜切换开关4串联电阻RS后与电阻型温度传感器并联，该并联电路一端接地，另一端经电阻R2接入电压转换电路5反馈电压输入端，反馈电压输入端和电压转换电路5供电输出端通过电阻R1连接，这样可以根据背光灯9的工作环境温度微调输出电压。

该驱动电路的控制器1输出PWM调光信号至线性恒流源8控制背光灯9，且控制器1输出控制信号至昼夜切换开关4，控制其通断，背光灯9由电压转换电路5供电，控制器1连接有采集背光灯9工作环境温度和亮度的温度传感器3和光传感器2，根据其采集的信号控制电压转换电路5的输出，以及四路线性恒流源8的调光比例和亮度。控制器1通过串口与上位机6进行通讯，通过I²C将上位机设置的值存到EEPROM7中，EEPROM7可以掉电保存数据。

该实施例中，每路背光灯9包括串联的3个LED灯。每一串LED白灯设置的电流是其典型电流30mA，而因夜模式下亮度要求较低，则每一串LED白彩灯设置的电流是10mA。每路线性恒流源8独立采用PWM调光方式，它们的频率是相同的，但每个周期内的高低电平占空比各有不同。

上述系统采用电压转换电路5的输出作为背光灯9的正端电压，采用PWM波形控制线性恒流源8的工作状态。由于采用恒流驱动背光灯9，则其LED灯的正端电压在满足导通电压的前提下，越小越好，多出的额外电压则会消耗在开关管上，造成功率损耗。因此通过昼夜切换开关4为主，电阻型温度传感器为辅，两者结合调节背光灯9正端电压，从而达到功率最优的工作方式。具体控制时，采用二次方程对白灯与彩灯之间的导通电压关系，以及各个温度下，白灯导通电压的变化关系进行计算，当昼夜切换时，环境温度变化时，LED灯在同一电流级别下的导通电压都是刚刚满足的，从而达到显示和功率最优的目的，此外，采样线性拟合以及算法，对显示器进行亮度反馈调整以及颜色补偿。

基于上述系统，下面针对背光灯9的各个驱动方法详细说明：

1、电阻型温度传感器随环境温度变化调节背光灯9电压：

如图2所示，通过电压转换电路5实现背光灯9电压的调节,将输入电压经过DC/DC芯片进行降压得到背光灯9所需要的正端电压值。该DC/DC模块的输出电压的大小是通过配置的反馈电阻进行计算的。昼夜切换开关断开时，LED的供电电压V_OUT=V_FB×[1+R1／(R2+RT)]。其中R1、R2、电阻型温度传感器RT为配置电阻，V_OUT为输出电压，V_FB为反馈电压，是标准值。DC/DC芯片即是通过检测反馈电压值的大小来进行输出电压的调整，以保证VFB的值恒定为标准值。则根据此计算方式，可以实现LED电压的自适应调节。

如图3所示的LED白灯，在30mA电流情况下，-45℃时的导通电压为3.2V，则3个一串的回路电压为V_OUT=3.2×3+0.4=10V，其中0.4V为线性恒流源中的开关管和采样电阻的电压损耗，而在65℃时的导通电压为2.8V，则V_OUT=2.8×3+0.4=8.8V。

所以，如果设定的LED灯电压刚好满足常温下的工作状态，则低温时，LED灯的亮度会降低，导致液晶显示器亮度不满足；而如果设定的LED灯电压同时满足低温下的工作状态，则会在常温状态下造成功率浪费，LED灯串数越多，损耗越严重。同时还会产生大量的热能，增加显示器功耗的同时还降低了可靠性。因此，随着环境温度的变化，合理的调整LED灯正端电压则显得相当必要。

此温度传感器调节电压功能只在昼模式情况下有效。在夜模式下，只使用LED彩灯，亮度要求低，功耗很小，因此，夜模式情况下，无需考虑功耗问题。故实施此功能时，昼夜切换开关是一直保持在断开状态的。

此处选用的电阻型温度传感器是随着环境温度的变化而阻值变化的电阻型传感器，放在背光灯板上，实时反应LED灯的工作环境温度。

设电阻型温度传感器的阻值为R，环境温度为T，则R和T满足以下关系式：R=R₀+N×T(1)

其中R₀表示是电阻型温度传感器在环境温度0℃时的电阻值，N是电阻型温度传感器随温度变化的正系数。

因此处是对LED灯的正端电压进行微调，所以取最大、最小两点。则可以得到以下关系式：

在-45℃的环境条件下：

V_OUT1=10V=V_FB×[1+R1／(R2+RT1)](2)

在65℃的环境条件下：

V_OUT2=8.8V=VFB×[1+R1／(R2+RT2)](3)

其中V_FB是定值，RT1是-45℃环境下的电阻型温度传感器的电阻值，RT2是65℃环境下的电阻型温度传感器的电阻值。因此，由（2）、（3）可以得到关于R1、R2的二次方程，从而得出R1、R2的值。

因此，在昼模式下，LED灯正端驱动电压则会随着温度的变化而自我调节，既可以保证低温下亮度满足要求，又可以在高温时最大程度的降低显示器功耗，减少热量，增加显示器的可靠性。

2、昼、夜切换功能调节，利用昼、夜模式调节背光灯9的供电电压；

因在夜模式下，LED彩灯只需要10mA电流即可满足亮度要求，则此电流下的导通电压为：橙灯为2.0V，绿灯和蓝灯为3.1V，同时，在低温-45℃下，绿灯和蓝灯的导通电压会提高到3.4V，则为了满足低温下的配色要求，3个LED彩灯一串时，则相应的回路电压V_RGB=3.4×3+0.4=10.6V。

如图2所示，控制器1输出指令给昼、夜切换电路，以控制该开关的开断。昼模式状态下，控制器FPGA控制昼夜切换电路，使开关处于断开状态，V_OUT=V_FB·[1+R1／(R2+RT)]，在夜模式状态下，控制器1使开关处于闭合状态，则RT与RS并联,阻值设为R，导致V_FB的值由V_OUT×[1-R1／(R1+R2+RT)]变为V_OUT×[1-R1／(R1+R2+R)]，因R的值小于RT，则V_FB小于原来的标准值。DC/DC芯片检测到V_FB的值小于标准值后，会及时进行调整，通过抬高输出电压V_OUT的值，来提升V_FB点的值，使之稳定于标准值。因此，当V_FB、R1、R2的值均不变时，最终的输出电压调整为V_OUT=V_FB·[1+R1／(R2+R)]，则V_OUT的值抬高，实现了LED灯供电电压在昼模式时为8.8V，夜模式时为10.6V的功能。

因并上电阻RS后，RT的值随温度变化对V_OUT的影响较小，且在夜模式下，功耗可以不做考虑，RT的值以固定值RP计算，

则可以得到以下关系式：

在夜模式条件下：

V_OUT(N)=10.6V=V_FB×{1+R1／[R2+RP×RS／(RP+RS)]}(4)

其中V_FB是定值，R1、R2已通过上述（2）、（3）式计算得到，RP是电阻型温度传感器在环境温度25℃时的电阻值，因此，由（4）可以计算出RS的值。

通过以上电路，可以实现LED灯电压随环境自适应的功能，即保证了液晶显示器的颜色可控性，又最大程度的降低了功耗，同时提高了可靠性。

3、采样光传感器2的数据进行光反馈调节；

参考图4，可以知道LED灯的光效是随着温度的升高而降低的，这导致了使用LED灯作为背光源的液晶显示器，在温度升高时，最大亮度会有衰减，只是衰减程度会因显示器不同而有区别。因此，在某些显示器中，光反馈功能是有需要的。

参考图1，光传感器将采样的数据送到控制器FPGA，然后FPGA根据反馈值的变化进行相应的白灯PWM波形调节。

考虑到显示器有差异性，因此，我们还需要进行归一化处理。假设显示器的调光等级是256级，为0～255。将显示器亮度调至255级，然后读取并记录亮度反馈值X（范围0～255），然后通过串口和I²C将该反馈值X存入到EEPROM中。所以，每一个显示器都有其对应的X值。

设置完成后，则其他功能由控制器FPGA内部完成。首先是通过查找表的方式设置一组标准值A，因光反馈的功能主要是防止最大亮度的衰减，因此标准值对应的调光等级范围只是224～255，分别为A1～A32，即每一个调光等级对应一个标准值。例如，255时的标准值是160，254时的标准值为158，253的标准值为155等。标准值的大小随调光等级的降低依次减小，该组标准值的取值也是与调光曲线相一致的。

显示器工作时，FPGA读取EEPROM中的X值，然后根据显示器此时的调光等级，找到相应的标准值，则对应此调光等级下的亮度反馈值则为：

Y=X×A／A32(5)

其中X为EEPROM中存入的255级下的光反馈值，A为现调光等级对应的标准值，A32为调光等级255级对应的标准值。

由（5）式则可以得出该调光等级下的标准光反馈值Y，然后用光传感器采样的实际反馈值Z与Y比较，如果Z大于Y，则FPGA减小白灯PWM的占空比，使亮度下降，如果Z小于Y，则FPGA增加白灯PWM的占空比，使亮度上升。

此处调节需要注意两点，一是Z与Y的比较，只有两者之间的差距达到一定程度才进行调节，避免在平衡点时，控制器频繁动作，导致闪烁；二是PWM的占空比调节需要逐步微调，不应产生人眼能观察到的亮度跳变。

4、采样温度传感器3的数据进行色度补偿；

如图6所示，LED彩灯的光效也会随着温度的变化而变化，而且橙灯的变化程度很大。常温配置好颜色的背光源，在低温-45℃时，三色灯产生的混合白光会发黄，高温65℃时，产生的混合白光会发蓝，就是因为低温时，橙灯光效升高，高温时，橙灯光效降低。

此自适应LED驱动电路的LED彩灯的调光方式是调频调光，然后可以自由设定调光占空比，范围是0～255。可以通过更改占空比的方式来调节彩灯的发光情况。因蓝、绿灯随温度变化光效变化较小，故色度补偿暂只针对橙灯进行调节。

假设常温25℃环境下，配置好颜色后，橙灯的占空比值为C0。根据多次实验验证，在低温-45℃和高温65℃时，可以通过调节占空比的值进行颜色的修正，一般低温-45℃时，需要将占空比的值修正到0.75×C0，而到高温65℃时占空比的值需修正到1.2×C0。因此可以得到关于橙灯占空比与LED工作温度的图7（因FPGA采样的温度模拟量转换成数字量后实为T+55℃,T为LED彩灯工作的环境温度）。然后使用线性拟合。设定最终输出的橙灯占空比为C_OUT，则可以得到关于C_OUT和T的二次多项式：

C_OUT=（-0.0002）(T+55)2+0.4288×(T+55)+70.7273（6）

通过（6）式得到的函数如图8。图9是对两个函数曲线进行的比较，可以看出，两者基本一致。

此处C_OUT是以常温设定的C₀为100来计算的，因此最终对于任何一块显示器，如果常温设置的橙灯占空比为C₀，则对应的调整过后的输出PWM波形的占空比值C与LED彩灯工作的环境温度T有以下的关系式：

C=C₀×[（-0.0002）(T+55)2+0.4288×(T+55)+70.7273]／100（7）

则在控制器FPGA中，可以使用算法进行橙灯占空比的调节，以达到随温度变化校正液晶显示器颜色的目的，保证液晶显示器的颜色不会发生变化。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LED背光源驱动电路，驱动电路的控制器（1）输出PWM调光信号至线性恒流源（8）控制背光灯（9），其特征在于：所述的控制器（1）输出控制信号至昼夜切换开关（4），所述的背光灯（9）由电压转换电路（5）供电，所述的昼夜切换开关（4）串联电阻RS后与电阻型温度传感器并联，该并联电路一端接地，另一端经电阻R2接入电压转换电路（5）反馈电压输入端，所述的反馈电压输入端和电压转换电路（5）供电输出端通过电阻R1连接；

所述的控制器（1）连接有采集背光灯（9）工作环境温度和亮度的温度传感器（3）和光传感器（2）；

所述的昼夜切换开关（4）分为昼模式和夜模式，在昼模式下由控制器（1）控制其断开，在夜模式下由控制器（1）控制其闭合。

2.根据权利要求1所述的LED背光源驱动电路，其特征在于：所述的背光灯（9）设有多路，每路背光灯由多串LED光源并联构成，每串LED光源串联有多个LED光源，每路所述的背光灯（9）颜色不同，包括白色LED光源和彩色LED光源。

3.根据权利要求2所述的LED背光源驱动电路，其特征在于：所述的控制器（1）通过串口与上位机（6）进行通讯，并设有用于存储的EEPROM（7）。

4.一种基于权利要求3所述的LED背光源驱动电路的驱动方法，其特征在于：在昼模式下以白色LED光源为背光灯（9）光源，在夜模式下以彩色LED光源为背光灯（9）光源。

5.根据权利要求4所述的LED背光源驱动电路的驱动方法，其特征在于：光传感器（2）采集的光亮反馈值为Z，所述的LED背光源设有0-N级别调光等级，级别越高亮度越大，当LED背光源处于调光等级为X，其中0＜X＜N，此时标准光反馈值Y，如果Z大于Y，则控制器（1）减小PWM调光信号的占空比，使亮度下降，如果Z小于Y，则控制器（1）增加PWM调光信号的占空比，使亮度上升。

6.根据权利要求5所述的LED背光源驱动电路的驱动方法，其特征在于：Z与Y的比较未超过预设调整阀值，则控制器（1）不进行输出PWM调光信号的调整，若超过预设调整阀值，则控制器（1）进行输出PWM调光信号的调整。

7.根据权利要求5或6所述的LED背光源驱动电路的驱动方法，其特征在于：彩色LED光源中设有橙灯，控制器（1）输出至橙灯的PWM调光信号占空比为C，温度传感器（3）采集的温度为T，控制器（1）在常温状态下输出至橙灯的PWM调光信号占空比为C₀，

C=C₀×[（-0.0002）(T+55)2+0.4288×(T+55)+70.7273]／100。

8.根据权利要求7所述的LED背光源驱动电路的驱动方法，其特征在于：所述的控制器（1）通过串口与上位机（6）进行通讯，通过I²C将上位机设置的值存到EEPROM（7）中作为掉电保存数据。