CN106851901B - 控制向多个发光二极管串供电的电源的集成电路 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用来控制向多个发光二极管(LED)串供电的电源的集成电路以及一种用来控制分别向第一多个LED串和第二多个LED串供电的第一电源和第二电源的集成电路。用于控制多个LED串的系统包括一组LED驱动器IC，该组LED驱动器IC的每个包括电流感应反馈(CSFB)采样锁存器，用于存储跨过受控的LED串的正向电压降的数字表示。每个CSFB锁存器耦合到串行照明接口(SLI)总线内的寄存器，该串行照明接口起源并且终止于接口IC。随着该SLI总线上的数据被移位到接口IC中，该接口IC选择表示任意的受控LED串的最高正向电压降的CSFB字，然后该CSFB字由接口IC使用以产生用于设置对于该受控的LED串的适当的电源电压的CSFB信号。

Description

控制向多个发光二极管串供电的电源的集成电路
本申请是申请日为2012年12月6日、申请号为201280069410.0、发明名称为“具有嵌入式反馈的串行照明接口”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年12月8日提交的临时申请No.61/568,545的优先权，通过全部引用将其合并于此。
本申请涉及以下申请，其每个通过全部引用合并于此：申请No.13/346,625，提交于2012年1月9日，题为Low Cost LED Driver with Integral Dimming Capability；申请No.13/346,647，提交于2012年1月9日，题为Low Cost LED Driver with Improved SerialBus。
技术领域
本发明涉及半导体器件以及用于驱动照明和显示应用中的LED的电路和方法。
背景技术
LED越来越多地用于替换照明应用中的灯和灯泡，其包括在彩色液晶显示器(LCD)和高清晰度电视(HDTV)中提供白光作为背光。为了对彩色LCD面板进行背光照明，LED串可以包括白色LED或者以可控的色温来调整以产生白光的红色、绿色以及蓝色LED的组合。尽管可以使用这些LED均匀地照明整个显示器，但是通过采用LED的多个串，其中每串被驱动到不同的电流和与该特定LED串所照射的显示器的该部分对应的亮度水平，改进了显示器的性能、对比度、可靠性和电源效率。术语“局部调光(dimming)”涉及有这样的非均匀背光亮度的背光系统。相比于采用均匀背光的LCD，功率节省可以高达50％。使用局部调光，LCD对比率(contrast ratio)可以接近等离子体TV的对比率。
为了控制从每个LED串发射的光的亮度和均匀性，必须采用特殊的电子驱动器电路来精确地控制LED电流和电压。例如，串联连接的一串“m”个白色LED需要等于近似“m”的3.1到3.5(通常是3.3)倍的电压来一致地操作。向LED串提供此所需电压通常需要称为DC到DC转换器或者开关模式电源(SMPS)的步升或者步降电压转换器和调压器(regulator)。当从单个SMPS对多个LED串供电时，电源的输出电压必须超过任何一个LED串所需的最高电压。因为所需的最高正向电压不能先验地已知，LED驱动器IC必须足够智能以使用反馈来动态地调整电源电压。如果需要两个或多个电源电压，则需要多于一个反馈信号。
在RGB背光照明的情况下，电压反馈要求甚至更复杂，因为红色、绿色和蓝色LED具有显著不同的正向电压，并且不能够共享公共电源轨(rail)。而是，RGB LED串需要三个不同的电源电压，分别是+VRLED、+VGLED和+VBLED，其每个具有单独的反馈信号以将其相应的电源电压动态地调整到适当的电平。例如，串联的一串30个红色LED需要超过66V的电源电压来恰当地操作，而30个蓝色LED可能需要超过96V的电源电压，并且30个绿色LED需要多于108V的电源电压。
除了向LED串提供适当的电压之外，背光驱动器还必须将每个串中传导的电流ILED精确地控制到±2％的容限。准确的电流控制是必须的，因为LED的亮度与流经其的电流成比例，并且任何实质的串与串电流不匹配将表现作为LCD的亮度的变化。除了控制电流之外，局部调光需要对LED照射在定时和持续时间两方面的精确脉冲控制，以便将每个背光区域、区带(zone)或区块(tile)的亮度与LCD屏幕中的相应图像同步。
另一复杂性在于，白色LED的色温随着电流而变化。作为例子，对于100％时间传导30mA的一串白色LED在亮度上理想地等同于以50％占空比而启动(pulse on)和关闭(pulseoff)的运载60mA的相同LED串。但是，即使处于相同的亮度，色温将不相同。因此准确地设置和维持每个串中的电流对于实现对彩色LCD面板实现均匀的白色背光是至关重要的。
在RGB背光照射的情况下，平衡电流甚至更复杂，因为红色、蓝色和和绿色LED的光度(luminosity)即光输出或者亮度非常不同。例如，红色LED对于相同的LED电流产生比蓝色LED更少的光。差别是可理解的，因为用于制造不同颜色的LED的半导体材料和制造工艺实质上不同。
如在此背景技术部分中将示出的，对于局部调光的已知解决方案限制了显示亮度并且承受着高的方案成本。例如，将LED驱动器控制电路与多通道的高电压电流宿(currentsink)晶体管集成的早期尝试是有问题的，因为LED串的正向电压中的不匹配导致过量的功耗以及过热。通过降低LED电流以及限制串中的LED的数量(为了更好的通道与通道电压匹配)而最小化功耗的尝试证明是不经济的，其需要更多的LED以及更大数量的LED驱动器的通道。因此，对于LED背光驱动器的完全集成的方法已被限于小的显示器面板或者非常昂贵的“高端”HDTV。
使用多芯片方法降低整体显示背光成本的随后的尝试已经牺牲了必要的特征、功能甚至安全性。
例如，图1所示的用于驱动LED的多芯片方案包括驱动多个离散的电流宿DMOSFET4和高电压保护设备3的接口IC 6。背光系统包括十六个LED串2A-2Q(统称为LED串2)，其中，每个LED串2A-2Q包含“m”个串联的LED，其长度范围是从2到16个LED。(注意，在串2A-2Q中字母“O”已省略以避免与数字0混淆。)每个LED串具有分别由离散的电流宿DMOSFET 4A-4Q之一控制的电流。响应于经高速、昂贵的SPI总线接口11传送的来自背光微控制器(μC)7的指令，接口IC 6设置每个LED串中的电流。微控制器μC 7接收来自缩放器(scalar)IC 8的视频和图像信息以便确定每个LED串所需的适当的照明水平。
如所示，每个LED串2A-2Q由公共LED电源轨12供电，该公共LED电源轨12由开关模式电源(SMPS)9产生，具有响应于来自接口IC 6的经反馈的电流感应反馈(CSFB)信号1而产生的电压+VLED。电源电压随着串联的LED的数量“m”而变化，并且范围可以是从用于10个LED的35伏到高达用于40个LED的串的150伏。SMPS 9可以从AC干线或者替换地从诸如+24V输入的另一输入供电。
SMPS 9通常包括以硬切换或者以准谐振模式操作的回扫式(flyback)转换器。正向转换器和Cuk转换器尽管是可应用的，但是对于服务于成本敏感的显示器和TV市场而言通常太昂贵并且不必要地复杂。在SMPS 9从+24V输入供电的情况下，其操作取决于串联连接的LED的数量。如果LED串的正向电压小于24V，例如少于7个LED的串联连接，则可以使用降压型(buck)切换调压器来实现SMPS 9。相反，如果LED串的正向电压大于24V，例如多于8个LED的串联连接，则可以使用升压型切换调压器来实现SMPS 9。
不管其输入电压如何，适当产生CSFB信号10对于实现对显示器的LED背光的可靠操作是至关重要的。如果反馈信号不正确，则LED电源电压+VLED可能太高或太低。如果LED电源电压太高，则在电流宿DMOSFET4A-4Q中将发生过度的功耗。如果LED电源电压太低，则需要最高电流的LED串就算能照明也将不能以指定的水平来照明。
为了实现CSFB功能，对LED串的正向电压的准确监视需要对电流宿DMOSFET 4A-4Q的漏极的电访问，这对于多芯片实现方式可能是特别有问题的，其会导致额外的封装管脚和添加的组件成本。
使用离散的DMOSFET来实现电流宿DMOSFET 4A-4Q以避免过热。可选地采用通常是高电压离散DMOSFET的额外的离散的DMOSFET 3A-3Q以箝位跨电流宿DMOSFET 4出现的最大电压，尤其是对于较高电压、例如超过100V的操作。
组件3A-3Q的每个是单独的封装中的离散的器件，需要其唯一的拾取-放置操作以将其定位并安装在其印刷电路板上。电流宿DMOSFET、箝位MOSFET(如果有的话)以及其相关联的LED串共同被称为“通道(channel)”。
每组离散的MOSFET 3A-3Q和DMOSFET 4A-4Q与其相应的白色LED串对于n通道LED驱动器系统重复“n”次。例如，除了SMPS模块9之外，16通道背光系统需要34个组件，即，微控制器、高管脚计数(high-pin-count)LED接口IC以及32个离散的MOSFET，以促进响应于从缩放器IC 8产生的视频信息的局部调光。该方案是复杂且昂贵的。
在某些情况下，期望将LED电力划分为多于一个电源，例如以降低任意一个电源及其组件中的功耗，但是现有技术的LED接口IC不能支持多个独立的反馈信号。在RGB背光照明显示器的情况下，解决方案甚至更复杂且昂贵。因为现在的以及现有技术的LED驱动器和控制器仅包括每个集成电路的单个CSFB信号，因此独立地调节三个不同的电源需要三个单独的LED接口IC以及三个单独的电源，使得如今的RGB背光照明解决方案惊人地昂贵。
在任一情况下，大量离散的组件的组装，即，高构建材料(BOM)数量导致昂贵的PCB组装，由高管脚数封装6的高封装成本进一步加剧这一现象。对于这样的大量的管脚的需要例示在图2A中，其例示了对于LED驱动系统的各个通道的更多电路细节。如所示，每个通道包括“m”个串联连接的LED21的串、具有集成的高电压二极管23的共源共栅箝位(cascode-clamp)MOSFET 22、电流宿MOSFET 24以及电流感应I-精确栅极驱动器电路25。
有源电流宿MOSFET 24是离散功率MOSFET，优选是垂直的DMOSFET，其具有栅极、源极和漏极连接。I-精确栅极驱动器电路25感应电流宿MOSFET24中的电流并为其提供所需的栅极驱动电压以传导精确量的电流。在正常操作中，电流宿MOSFET24在其饱和操作模式中运行，其独立于其漏极到源极电压而控制恒定水平的电流。由于漏极电压和电流的同时存在，在MOSFET24中消耗功率。
出于两个目的而需要持续测量电流宿MOSFET 24的漏极电压——为了检测LED故障电路27中的短路的LED的发生，以及为了促进经过CSFB电路26向系统的SMPS的反馈。由CSFB电流26产生的信号对于将+VLED动态地调整到适当的电压是至关重要的，其足够高以保证每个LED串被点亮并且足够低以避免施加在电流宿DMOSFET 24上的导致不希望的功耗的过量电压。利用仅一个CSFB信号，不能从多于一个电源对LED供电，即不能将电力需要一分为二以降低SMPS中的尺寸、成本和发热。
电流宿MOSFET 24需要到控制IC、特别是到用于电流测量的源极、用于对器件偏压的栅极以及用于故障和反馈感应的漏极的三个连接。每个通道的这三个连接被绘出为与离散到IC接口28相交。甚至在图2B中，其中共源共栅箝位MOSFET 22被删除并且电流宿MOSFET24必须维持高电压，其由HV集成二极管23所示，每个通道仍需要每个通道相交接口28的三个管脚。此每通道三个接口的需求说明了对于图1所示的高管脚数接口IC 6的需要。对于十六个通道的驱动器，每通道三个管脚的需要使用48个管脚来用于输出。包括SPI总线接口、模拟功能、电源以及更多，需要高代价的64或72管脚封装。更严重的是，许多TV印刷电路板组装车间不能以小于0.8或1.27mm的任何管脚间距来焊接封装。具有0.8mm管脚间距的72管脚封装需要14x14mm的塑料主体，以容纳配合所有管脚所需的外围线性边缘。
图1所示的多芯片结构的一个显著问题是，接口IC 6中的温度感应电路仅可以检测接口IC本身的温度，其中不发生显著的功耗。不幸地，在离散的电流宿DMOSFET 4中正产生极高的热量，其中温度感应是不可能的。不进行温度感应，电流宿MOSFET 4A-4Q的任意一个可能过热，而系统不能检测或修复此情况。
总言之，如今的对于LCD面板的LED背光照明的具有局部调光能力的实现方式承受着在成本、性能、特性和安全性方面的许多基本限制。
高度集成的LED驱动器解决方案需要以昂贵的高管脚数封装来进行封装的昂贵的大面积的管芯，并且将热量集中于单个封装中，由于电流宿MOSFET的线性操作导致的功耗而将驱动器限制到较低电流，并且由于LED正向电压不匹配导致的功耗而造成较低电压，对于更大数量的串联LED其进一步加剧。
将LED控制器与离散功率MOSFET组合的多芯片解决方案要求BOM数，以及甚至更高管脚数的封装。几乎是完全集成的LED驱动器的管脚数量的三倍，十六通道解决方案可能需要33到49个组件以及72管脚封装，其有14mmx14mm的大小。此外，离散MOSFET不提供热感应或者针对过热的保护。仅利用一个反馈信号，这些LED驱动器在没有包括另外的接口IC的情况下不能对两个或更多LED电源供电，这添加了成本和复杂性。
类似地，将这些现有LED驱动器和接口IC的使用扩展到RGB背光照明需要甚至更高的BOM数，包括三个大的高管脚数封装以及所有相关联的离散MOSFET。
具有局部调光的用于TV的成本有效且可靠的背光系统所需的是新的半导体芯片组，其去除了离散的MOSFET，提供低的整体封装成本，最小化热量在任何组件内的集中，促进过温度检测和热保护，保护低电压组件不受到高电压的影响并针对短路LED进行保护，灵活地缩放以容纳不同尺寸的显示器，并且维持对LED电流和亮度的精确控制。
理想地，灵活的解决方案将是可缩放的，以容纳变化数量的通道、反馈信号、电源、和不同尺寸的显示面板，而不需要定制的集成电路。
发明内容
根据本发明的系统包括接口集成电路(IC)，其将电流感应反馈(CSFB)信号传输到用于设置对于多个发光二级管(LED)串的单个电源电压的开关模式电源(SMPS)。多个LED驱动器IC控制LED串中的电流并且提供对于LED串的其他功能。
每个LED驱动器IC控制至少两个LED串(通道)并且包括功能上链接到该LED驱动器IC中的锁存器的串行照明接口(SLI)总线移位寄存器。锁存器用于存储控制LED串中的电流的并且可以用于控制或监视关于LED串的，诸如检测LED串中的短路和开路以及LED驱动器IC中的过高温度的其他功能的数字数据。
根据本发明，每个LED驱动器IC包括周期性地对跨过每个受控的LED串的正向电压降采样的电路，以及用于存储这样的采样的数字表示的CSFB采样锁存器。CSFB锁存器可以存储由LED驱动器IC控制的任意的LED串中的最高正向电压降的数字表示。每个CSFB锁存器耦合到LED驱动器IC的SLI总线移位寄存器内的寄存器。在一些实施例中，通过感应在控制经过LED串的电流的电流宿MOSFET处的电压来检测跨过LED串的正向电压降。
LED驱动器IC中的各个SLI总线移位寄存器以“菊链”布置通过SLI总线串联连接在一起，由此形成起源于并且终止于接口IC的SLI总线。因此，在以串行方式将先前存储在SLI总线寄存器中的数据位推回到接口IC的处理中，从接口IC移除的数据位串行地移动经过SLI总线移位寄存器以及连接它们的SLI总线并返回到接口IC。
在一些实施例中，SLI总线移位寄存器包含存储从LED驱动器IC内的CSFB锁存器接收的CSFB数据的专用CSFB寄存器。类似地，SLI总线移位寄存器可以包含以一对一关系与LED驱动器IC内的其他功能和采样锁存器链接的其他专用寄存器。
可替换地，在一个优选实施例中，每个LED驱动器IC中的SLI总线移位寄存器包括前缀(prefix)寄存器和数据寄存器，即，在SLI总线寄存器和LED驱动器IC中的锁存器之间是一对一关系。CSFB锁存器和LED驱动器IC中的其他锁存器由前缀寄存器中的数字字(地址)标识，允许存储在CSFB锁存器中的数据被复制到数据寄存器中。此结构节省了LED驱动器IC上有价值的半导体“实际资源(real estate)”，从而极大地减小了成本。
在任一实施例中，表示由LED驱动器IC控制的任意LED串的最高正向电压的数字字可以被读取并存储到驱动器IC的SLI总线移位寄存器内的寄存器中。
接口IC包含能够接收存储在SLI总线移位寄存器中的CSFB数据，并从其中选择表示由该LED控制的任意LED串的最高正向电压降的CSFB字的电路。然后由接口IC使用该字以产生SMPS模块使用来设置用于所有受控的LED串的适当的电源电压的CSFB信号。
以预定间隔实行对LED驱动器IC中的CSFB数据的采样，在每个间隔之后数据再次被移位到接口IC，该接口IC然后将新的SCFB信号发送到SMPS模块，允许基于在受控的LED串之间的新的最高正向电压降来适当地调整电源电压。
此布置允许对于包含不同数量的LED串及其它参数的系统的灵活性和可缩放性。
此布置该允许LED驱动系统容易地被划分为由处于不同的电源电压的不同SMPS模块供电的不同组的LED串。例如，这在显示包含通常需要不同的电源电压的红色、绿色和蓝色LED的单独的串时是有用的。在此情况下，接口IC包含能够分离分别与红色、绿色和蓝色LED串有关的CSFB字，并将适当的CSFB信号发送到提供用于不同LED串的电源电压的单独的SMPS模块的电路。在其中SLI总线移位寄存器包含专用SCFB寄存器的实施例中，可以通过对接收的位的数量计数来进行分离处理，以标识该CSFB数据与哪个LED串有关。在其中SLI移位寄存器包含前缀和数据寄存器的实施例中，前缀可以用于标识该CSFB数据与哪个LED串有关。
根据本发明的一方面，提供了一种用来控制向多个LED串供电的电源的集成电路，所述集成电路包括：与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收多个数字值，并且从所述多个数字值中识别出最低数字值，多个数字值的每个与所述多个LED串的一个LED串的一端处的电压电平对应；以及，与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述最低数字值转换成控制信号并且将所述控制信号提供给所述电源以调整所述电源的输出电压，所述转换器包含数字到模拟转换器(DAC)和运算跨导放大器，所述DAC被配置为将所述最低数字值转换成模拟电压信号，所述运算跨导放大器耦合到所述DAC并且被配置为将所述模拟电压信号转换成模拟电流信号并将所述模拟电流信号提供给所述电源。
根据本发明的另一方面，提供了一种用来控制向多个LED串供电的电源的集成电路，所述集成电路包括：与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收多个数字值，并且从所述多个数字值中识别出最低数字值，多个数字值的每个与所述多个LED串的一个LED串的一端处的电压电平对应，所述接口电路包含存储数字值的寄存器和比较器，所述比较器与所述寄存器耦合并且被配置为比较来自所述多个串行移位寄存器的传入数字值和存储在所述寄存器中的数字值以识别出较低数字值；以及，与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述最低数字值转换成控制信号并且将所述控制信号提供给所述电源以调整所述电源的输出电压。
根据本发明的另一方面，提供了一种用来控制分别向第一多个LED串和第二多个LED串供电的第一电源和第二电源的集成电路，所述集成电路包括：与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收第一多个数字值，从所述多个串行移位寄存器接收第二多个数字值，从所述第一多个数字值中识别出第一最低数字值，并且从所述第二多个数字值中识别出第二最低数字值，所述第一多个数字值的每个与所述第一多个LED串的一个LED串的一端处的电压电平对应，所述第二多个数字值的每个与所述第二多个LED串的一个LED串的一端处的电压电平对应，所述接口电路包含被配置为存储第一数字值的第一寄存器和存储第二数字值的第二寄存器，所述接口电路被配置为比较所述第一多个数字值的第一传入数字值和存储在所述第一寄存器中的第一数字值，以识别第一较低数字值，并且比较所述第二多个数字值的第二传入数字值和存储在所述第二寄存器中的第二数字值，以识别第二较低数字值；以及，与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述第一最低数字值转换成第一控制信号，将所述第二最低数字值转换成第二控制信号，将所述第一控制信号提供给所述第一电源以调整所述第一电源的输出电压，并且将所述第二控制信号提供给所述第二电源以调整所述第二电源的输出电压。
附图说明
图1是使用离散的DMOSFET作为集成电路信宿和保护电压箝位电路的用于LCD背光照明的现有技术多通道LED驱动系统的图。
图2A是使用离散的电流宿DMOSFET和保护高电压共源共栅箝位DMOSFET的单独的LED驱动通道的示意图。
图2B是使用离散的高电压电流宿DMOSFET而没有共源共栅箝位MOSFET的单独的LED驱动通道的示意图。
图3A是具有保护高电压共源共栅箝位DMOSFET和宽(fat)SLI总线接口的、具有串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图3B是使用高电压电流宿MOSFET而没有共源共栅箝位MOSFET和宽SLI总线接口的、具有串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图3C是使用高电压电流宿MOSFET而没有共源共栅箝位MOSFET并且包括前缀复用的SLI总线接口的、具有串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图4A和4B例示使用智能LED驱动器而没有共源共栅箝位MOSFET并且包括SLI串行总线控制的多通道LED背光系统的图。
图5是图4所示的系统的简化示意图，其例示了明显减少的构件材料。
图6是例示具有嵌入式SLI总线控制的智能背光系统的、基于SLI总线的控制的示意图。
图7A是具有嵌入式CSFB反馈并且使用宽SLI总线接口和协议的、具有相应的数字控制和定时(DC&T)以及模拟控制和感应(AC&S)电路的双通道LED驱动器的框图。
图7B是具有嵌入式CSFB反馈并且使用前缀复用的SLI总线的、具有相应的数字控制和定时(DC&T)以及模拟控制和感应(AC&S)电路的双通道LED驱动器的框图。
图8是例示具有包括预加载和有效锁存器以及嵌入式CSFB能力的相应的三层(three-tiered)寄存器-锁存器架构的多功能前缀复用SLI总线寄存器的框图。
图9是例示SLI总线嵌入的CSFB信号从LED驱动器IC到接口IC的通信路径的简化图。
图10A是具有保护高电压共源共栅箝位DMOSFET和宽SLI总线的、具有SLI总线嵌入式CSFB和串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图10B是使用高电压电流宿MOSFET而没有共源共栅箝位MOSFET并且包括宽SLI总线的、具有SLI嵌入式CSFB和串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图10C是使用高电压电流宿MOSFET而没有共源共栅箝位MOSFET并且包括前缀复用的SLI总线的、具有SLI总线嵌入式CSFB和串行总线控制的双通道高电压智能LED驱动器的示意图。
图11A和11B例示了使用具有共源共栅箝位MOSFET和SLI总线嵌入式CSFB信号的智能LED驱动器的多通道LED背光系统。
图12例示了模拟CSFB电路的实施例。
图13例示了模拟到数字CSFB转换器的实施例。
图14例示了数字到模拟CSFB转换器的实施例。
图15是例示了对具有用于双电源的嵌入式SLI总线控制的智能背光系统的基于SLI总线的控制的示意图。
图16是用于使用宽SLI总线协议来控制双电源的接口IC的框图。
图17是用于使用前缀复用的SLI总线协议和前缀特定的CSFB信号来控制双电源的接口IC的框图。
图18是四倍CSFB SLI总线协议和使用单个SLI总线前缀的解码系统的框图。
图19是用于使用替换的四倍CSFB编码的前缀复用的SLI总线协议来控制多个电源的接口IC的框图。
图20是例示了具有对于每个驱动器IC划分有一个颜色的三电源的嵌入式SLI总线控制的智能RGB背光系统的基于SLI总线的控制的示意图。
图21是例示了具有对于每个驱动器IC划分有三颜色的三电源的嵌入式SLI总线控制的智能RGB背光系统的基于SLI总线的控制的示意图。
图22例示了集成八个电流宿DMOSFET和四个独立的CSFB检测电路以用于提供独立的反馈控制从而产生四个不同的电源电压的八通道LED驱动器。
具体实施方式
如在背景技术部分中所述，对于TV和大屏幕LCD的现有背光解决方案是复杂、昂贵且不灵活的。为了降低对于具有局部调光的LCD的背光系统的成本而不牺牲安全可靠的操作，明显需要全新的架构，其至少去除了离散的MOSFET，最小化热在任何组件内的集中，促进过温度检测和热保护，并且保护低电压组件不受到高电压影响。尽管仅仅达到这些目标可能不足以实现能够达到家用消费电子市场的需求成本目标的真正成本有效的方案，但是这样的改进是朝向为了实现低成本局部调光这样的目标所需的第一步骤。
在此所述的本发明使能用于实现对于具有能量高效的局部调光能力的大屏幕LCD和TV的安全和经济上可行的LED背光照明系统的新的成本有效且可缩放的架构。在此公开的新的LED驱动系统、功能划分和架构完全消除了在成本、功能和对于高管脚数封装的需要方面的上述问题。该新的架构基于某些基础前提，包括：
1.对电流宿MOSFET的模拟控制、感应、和保护应该在功能上与其相关联的电流宿MOSFET集成在一起，而不是分离到另一IC中。
2.基本的调光、相位延迟功能、LED电流控制和通道特定功能应该在功能上与它们控制的电流宿MOSFET集成在一起，而不是分离到另一IC中。
3.系统定时、系统μC主机协商和其他全局参数以及对于特定通道不唯一的功能不应该在功能上与电流宿MOSFET集成在一起。
4.每个封装的设备的集成的通道，即，电流宿MOSFET的数量应该对于热管理而优化以避免过热，同时满足指定的LED电流、电源电压和LED正向电压不匹配要求。
5.与多通道LED驱动器的通信以及对多通道LED驱动器的控制应该采用低管脚数方法，理想地需要在某个接口IC上以及在每个LED驱动器IC上的总共不多于三个封装管脚。该通信方法应该仅构成驱动器IC的管芯面积和成本的一小部分。
6.接口和驱动器IC中的功能集成的水平应该被平衡以促进与单层PCB组装兼容的低成本和低管脚数封装。
7.理想地，系统应该灵活地缩放到任意数量的通道，而不需要对IC的重大重新设计。
图1的传统架构，即，用于驱动多个离散功率MOSFET的集中的控制器不能满足甚至上述目标中的一个，主要是因为其需要对于所有数字和模拟信息处理的控制的中心点或“命令中心”。必要地，命令中心IC必须与其μC主机进行通信，并且直接感应和驱动每个电流宿MOSFET。此高度的组件连接性要求大量的输入和输出线，使高管脚数封装成为必需。
分布式LED驱动器架构概况
县现有技术形成鲜明对比，以上设计标准(如果不是命令)描述了“分布式”系统，即没有对于中央控制的需要的系统。在所公开的分布式系统中，接口IC将从主机μC获得的信息翻译为简单的串行通信协议，向连接到串行总线的任意数量的智能LED驱动器“卫星”IC来数字地发送指令。
促进上述标准的LED驱动器的实现方式在Williams等人的题为“Low Cost LEDDriver with Integral Dimming Capability”的申请No.13/346,625中描述，通过引用将其全部内容合并于此。在Williams等人的题为“Low Cost LED Driver with ImprovedSerial Bus”的申请No.13/346,647中描述了LED驱动器的替换版本，也通过引用将其全部内容合并于此。
在此重申这些申请的主要概念，其包括接口和LED驱动器IC的硬件描述以及发明的“串行照明接口”或SLI总线的几个版本的操作——包含与控制LED照明特别相关的参数的串行通信协议。每个驱动器ID响应于其SLI总线数字指令，在没有接口IC的帮助的情况下，本地地进行诸如动态精确LED电流控制、PWM亮度控制、相位延迟和故障检测的所有所需的LED驱动器功能。当以“菊链”连接回到接口IC时，还可以将在任意的驱动器IC中发生的诸如开路LED、短路LED或过温度故障的故障情况传送回到接口IC，并最终传送回到主机μC。
尽管在以上两个引用的申请中公开的基本架构是类似的，但是它们的SLI总线协议和物理接口的实现不同。在第一个申请中所述的“宽(fat)”SLI总线协议中，采用长的数字字来在单个SLI总线广播中将所有的控制参数加载到每个LED驱动器中，即，用于每个驱动器IC的每个寄存器的所有数据一次(at once)从接口IC移除到SLI总线上。在第二个申请中所述的替换版本中，即，发明“前缀复用的”SLI总线协议中，使用多个SLI总线广播向特定功能锁存器引导较小的数字字。
不管采用的SLI总线协议如何，每个LED驱动器IC包括模拟电流感应反馈(CSFB)输入和输出管脚(CSFBI和CSFBO)，它们以菊链与其他驱动器IC的CSFBI和CSFBO以及接口IC连接，以向高电压开关模式电源(SMPS)提供反馈，动态地调整为LED串供电的电压。模拟CSFB信号需要在每个LED驱动器IC上的两个封装管脚。不管集成通道的数量如何，每个LED驱动器IC仅输出单个CSFB信号。
通过SLI总线，每个卫星LED驱动器-IC与中央配对(companion)接口IC通信，解释来自视频/图形处理器或缩放器IC的SPI总线命令，并将其接收到的SPI总线信息翻译为SLI总线命令。与其翻译响应一样，此接口IC将参考电压提供给确保良好的电流匹配所需的所有LED驱动器IC，产生Vsync和灰度时钟(GSC)脉冲以同步其操作，并监视每个LED驱动器IC的潜在故障。其还使用芯片上运算跨导放大器(OTA)促进模拟电压CSFB信号到模拟电流CSFB信号的电压到电流转化。模拟CSFB信号需要在接口IC上的两个封装管脚(CSFBI和ICSFB)，CSFBI管脚用于接收来自LED驱动器IC的电压CSFB信号，并且ICSFB管脚用于将电流CSFB信号传输到SMPS。
因此，通过重新划分LED背光系统的功能使得精确电流控制和调光、故障检测和CSFB感应和反馈与高电压电流宿MOSFET集成，而不是集成在系统接口IC中，从而可以去除高管脚数封装，并且实现可缩放的分布式系统。
具有集成的调光、故障检测和CSFB反馈的LED驱动器
具有SLI总线通信的本发明的LED驱动器IC 51的实现方式示出在图3A中，其包括：具有集成的电流宿DMOSFET 55A和55B的双通道驱动器、具有集成的高电压二极管58A和58B的共源共栅箝位DMOSFET 57A和57B、用于准确的电流控制的I精确栅极驱动器电路56A和56B、模拟控制和感应电路60、以及数字控制和定时电路59。芯片上偏压电源和调解器62对IC供电。
LED驱动器IC 51提供对250mA LED驱动器的两个通道的完整控制，其具有150V阻挡能力和±2％的绝对电流准确度，12位的PWM亮度控制、12位的PWM相位控制，8位的电流控制，对于LED开路和LED短路情况的故障检测、以及过温度检测，所有通过高速SLI总线而控制，并且通过公共Vsync和灰度时钟(GSC)信号与其他驱动器同步。尽管所示的特定例子例示了额定在150V阻挡能力的共源共栅箝位DMOSFET 57A和57B，但是根据需要这些器件可以针对操作而从100V到300V来定大小。驱动器IC的250mA额定电流通过两个LED串52A和52B中的封装的功耗和正向电压的不匹配而设置。
在操作中，LED驱动器IC 51在其串行输入SI管脚上接收数据流，其被馈送到SLI总线移位寄存器61的输入。数据被以由接口IC(未示出)提供的串行时钟SCK信号设置的速率来设定时钟。该数据的最大时钟速率取决于用于实现移位寄存器61的CMOS技术，但是甚至使用0.5μm线宽工艺和晶圆制造也可实现以10MHz进行的操作。只要SCK信号继续运行，数据将移位到移位寄存器61中并且最终在其到串行菊链中的下一LED驱动器IC的路径上退出串行输出管脚SO。
在意图用于驱动器IC 51的数据到达移位寄存器61中之后，SCK信号暂时被发送该数据的接口IC停止。使用“宽”SLI总线协议，用于控制LED驱动器IC参数的所有串行数据一次被移位到SLI总线移位寄存器61中，即，数据被移位到菊链中的每个驱动器IC中的移位寄存器61中。即使必须改变仅一个参数，所有数据也被重写到移位寄存器61中。其后，Vsync脉冲将来自移位寄存器61的数据锁存到该数字定时和控制(DC&T)电路59内所包含的锁存器中，以及模拟控制和感应AC&S电路60内包含的锁存器中，这些锁存器包括触发器(flipflop)或静态RAM。同样在Vsync脉冲时，先前被写到AC&S电路60内的故障锁存器中的任何数据将被复制到SLI总线移位寄存器61的适当的位中。
串行时钟SCK信号的恢复将移动移位寄存器61内的读取和写入位通过菊链而进入下一IC中。在一个优选实施例中，菊链形成连接回到接口IC的环路。将新数据发送到菊链中最终推动存在于移位寄存器中的现有数据经过环路并最终回到接口IC。以此方式，接口IC可以与设置LED串亮度和定时的各个LED驱动器IC通信，并且各个驱动器IC可以将各自的故障情况传送回到接口IC。
使用此定时钟方案，可以以高速移位数据经过大量驱动器IC而不影响LED电流或引起闪烁，因为对电流宿DMOSFET 55A和55B的电流和定时控制仅在每个新的Vsync脉冲时改变。Vsync可以从60Hz到960Hz变化，灰度时钟频率成比例地缩放，通常是Vsync频率的4096倍。因为当与SLI总线时钟SCK频率相比时Vsync较低，在1kHz以下，所以接口IC具有修改和重新发送数据，后者在给定的垂直同步脉冲持续时间内多次询问故障锁存器的灵活性。
以Vysnc脉冲开始，DC&T电路59产生两个PWM脉冲以切换I精确栅极驱动器电路56A和56B的输出，从而在适当的相位延迟之后开启和关闭，以及对于适当的脉冲宽度持续时间或者占空因子D开启和关闭。I精确栅极驱动器电路56A和56B分别感应电流宿MOSFET 55A和55B中的电流，并提供适当的栅极驱动电压以在每个电流宿MOSFET被每个I精确栅极驱动器电路提供的PWM脉冲使能的时间期间维持目标电流。I精确栅极驱动器电路的操作因此是“选通”放大器的操作，该选通放大器被数字地脉冲开启和关闭，但是将LED中的电流控制为模拟参数。
由Vref信号以及由Iset电阻器54的值对所有LED驱动器IC全局地设置峰值电流。在一个优选实施例中，Vref信号由接口IC产生，或者其可以作为来自SMPS的辅助输出而被提供。
任何一个LED串中的具体电流可以由包括8到12位的字的Dot锁存器通过SLI总线进一步控制，该Dot锁存器在256到4096个不同的步骤中分别将电流宿MOSFET的电流调整到峰值电流值的从0％到100％的百分比。以此方式，使用新公开的架构，模拟电流模式数字到模拟转换器或者“电流DAC”的功能的、对LED电流的精确数字控制是可能的。在LCD背光照明应用中，此特征可以用于校准背光亮度，用于改进背光均匀性或者用于操作在3D模式下。
如所示，流经LED串52A的电流由电流宿DMOSFET 55A和相应的I精确栅极驱动器电路56A控制。类似地，流经LED串52B的电流由电流宿DMOSFET 55B以及相应的I精确栅极驱动器电路56B控制。施加在电流宿DMOSFET 55A和55B上的最大电压由共源共栅箝位DMOSFET57A和57B限制。只要LED的数量“m”不是太大，电压+VLED就不会超过PN二极管58A和58B的击穿电压，并且电流宿MOSFET上的最大电压将被限制到大约10V，即，在由偏压电路62施加在共源共栅箝位DMOSFET 57A和58B上的栅极偏压以下的一个阈值电压。偏压电路62还产生5伏的Vcc电源，以使用线性电压调压器和滤波电容器53从24V VIN输入操作其内部电路。
电流宿DMOSFET 55A和55B上的漏极电压也由AC&S电路60监视，并且与来自SLI总线移位寄存器61的存储在其SLED寄存器中的过电压值比较。如果该漏极电压在编程的值以下，则LED串正在正常操作。但是，如果电压升高在规定值以上，则一个或多个LED短路，并且检测并记录对于该特定通道的故障。同样，如果I精确栅极驱动器电路不能维持所需的电流，即，LED串正运行在“欠流(undercurrent)”下，这意味着LED故障为开路(fail open)，并且电路连续性丢失。然后该通道关断，其CSFB信号被忽略，并且报告故障。可以通过针对饱和情况来监视电流宿DMOSFET来进行感应此“欠流”，其意味着I精确栅极驱动器电路正在尽可能“以全导通”来驱动电流宿DMOSFET的栅极，或者可替换地通过监视跨过I精确栅极驱动器电路的输入端的电压降来进行感应此“欠流”。当在I精确栅极驱动器电路的输入端处的电压下降得太低时，发生欠流情况，由此指示开路LED故障。
如果检测到过温度情况，则报告故障，并且该通道被留下继续导通并且导电，直到接口IC发送关断该通道的命令。但是，如果温度继续升高到危险水平，AC&S电路60将独立地禁用该通道，并且报告该故障。不管故障性质如何、是短路LED、开路LED还是过温度，只要发生故障，AC&S电路60内的开路漏极MOSFET将激活并拉低FLT管脚，用信号通知主机μC已经发生故障情况。
AC&S电路60还包括模拟电流感应反馈(CSFB)信号，其反映在两个电流宿DMOSFET55A和55B的漏极处以及在CSFBI输入管脚处的电压，以确定这三个电压中的哪个最低，并将该电压传递到CSFBO输出管脚。以此方式，最低的电流宿MOSFET源电压以及因此的具有最高正向电压降的LED串被传递到下一驱动器IC的输入并最终回到接口IC，该接口IC响应地产生CSFB信号，SMPS使用该CSFB信号向该LED串的电源轨提供正确的+VLED。集成的电流感应反馈功能使用每个LED驱动器IC上的两个管脚(CSFBI和CSFBO)，并且不管LED驱动器IC 51中集成的通道数量如何，在CSFBO管脚上仅输出一个模拟信号。
以上述方式，可以实现具有集成的调光和故障检测能力的LED驱动器IC51，而不需要中央接口IC。
满足以上准则的LED驱动器65的替换实现方式示出在图3B中。被集成在LED驱动器IC 66中的LED驱动器65是具有集成的电流宿DMOSFET但是没有共源共栅箝位OSFET的双通道驱动器。替代地，电流宿DMOSFET 72A和72B包含集成的高电压二极管73A和73B，它们被设计为当DMOSFET 72A和72B处于截止条件时维持高电压。通常，这样的设计最适合于在100V以下的操作，但是根据需要其可以扩展到150V。如在图3A的LED驱动器IC 51中那样，I精确栅极驱动器电路71A和71B促进由模拟控制和感应电路70以及数字控制和定时电路74控制的准确的电流控制。芯片上偏压电源和调压器69对LED驱动器IC 66供电，在此情况下，从Vcc而不是像在驱动器IC 51中那样的从24V输入。除了缺少共源共栅箝位DMOSFET之外，驱动器IC 66与驱动器IC 50类似地操作，通过其的SLI总线75而被控制。
LED驱动器IC 66包括使用两个管脚的集成的电流感应反馈功能，并且不管集成的通道数量如何，仅输出一个模拟信号CSFBO。
使用前缀复用的SLI总线的发明的LED驱动器80的实现方式示出在图3C中。LED驱动器80是双通道驱动器并且形成在LED驱动器IC 81上。LED驱动器包括：具有集成的高电压二极管88A和88B的电流宿DMOSFET 87A和87B、I精确栅极驱动器电路86A和86B、模拟控制和感应(AC&S)电路85、以及数字控制和定时(DC&T)电路89。芯片上偏压电源和调压器84从Vcc输入对LED驱动器IC 81供电。
LED驱动器80提供对250mA LED驱动器的两个通道的完整控制，其具有150V阻挡能力和±2％的绝对电流准确度，12位的PWM亮度控制，12位的PWM相位控制，8位的电流控制，对于LED开路和LED短路情况的故障检测，以及过温度检测，所有都通过高速SLI总线而被控制，并且通过公共Vsync和灰度时钟(GSC)信号与其他驱动器同步。尽管所示的特定例子例示了额定在150V阻挡能力的电流宿DMOSFET，但是根据需要这些器件可以针对操作而从100V到300V来定大小。器件的250mA额定电流通过在被驱动的两个LED串中的封装的功耗和正向电压的不匹配而设置。在100V额定以上，将高电压共源共栅箝位DMOSFET(未示出)与电流宿DMOSFET 87A和87B串联地集成是有利的，由此电流宿MOSFET 87A和87B不需要在箝位电压以上，即，在12V以上的操作。
在操作中，LED驱动器IC 81接收在其串行输入SI管脚上的数据流，并将其馈送到前缀复用的SLI总线移位寄存器90的输入。该数据以由未示出的接口IC提供的串行时钟SCK信号设置的速率来设定时钟。该数据的最大时钟速率取决于用于实现移位寄存器90的CMOS技术，但是甚至使用0.5μm线宽工艺和晶圆制造也可实现以10MHz的操作。只要SCK信号继续运行，数据将移位到移位寄存器90中并且最终在其到串行菊链中的下一器件的路径上退出到串行输出管脚SO。
在对应于特定驱动器IC的数据到达移位寄存器90中之后，SCK信号暂时被发送数据的接口IC停止。解码器91解释要控制的功能锁存器和通道，并指导复用器92将SLI总线接口90内的数据寄存器连接到数字控制和定时(DC&T)电路89或模拟控制和感应(AC&S)电路85内的适当的功能锁存器。
其后，Vsync脉冲将来自SLI总线90中的数据移位寄存器的数据锁存到DC&T电路89或AC&S电路85内所包含的锁存器中，这些锁存器包括触发器或静态RAM。在解码器指示SLI总线询问AC&S电路85内的故障锁存器的情况下，则在Vsyn脉冲时，先前被写到AC&S电路85内的故障锁存器中的任何数据将被复制到SLI总线移位寄存器90的适当的位中。
串行时钟SCK信号的恢复将移动移位寄存器90内的读取和写入位通过菊链而进入下一IC中。在一个优选实施例中，菊链形成连接回到发送数据的接口IC的环路。将新数据发送到菊链中最终推动存在于移位寄存器中的现有数据经过环路并最终回到接口IC。以此方式，接口IC可以与各个LED驱动器IC通信，用于设置LED串亮度和定时，并且各个驱动器IC可以将各自的故障情况传送回到接口IC。
使用此定时钟方案，可以以高速移位数据经过大量驱动器IC，而不影响LED电流或引起闪烁，因为对电流宿DMOSFET 87A和87B的电流和定时控制仅在每个新的Vsync脉冲时改变。Vsync可以从60Hz到960Hz变化，灰度时钟频率成比例地缩放，其通常是Vsync频率的4096倍。因为当与串行时钟SCK信号的频率相比时Vsync较低，在1kHz以下，所以接口IC具有修改和重新发送数据，以及在连续的Vsync脉冲之间的间隔内多次询问故障锁存器的灵活性。
因为在前缀复用的或者“窄的”SLI总线协议中，SLI数据总线90内的数据寄存器不足够大到从单个SLI总线字或数据分组写到DC&T电路89和AC&S电路85内的所有功能锁存器，所以接口IC必须发送多个SLI总线分组到驱动器IC，以加载所有锁存器。当所有功能锁存器第一次初始化时的启动时，或者当必须同时改变多于一个功能锁存器中的数据时，出现此情况。如果允许控制I精确栅极驱动器电路86A和86B的数据经过几个Vsync时段在多个步骤中逐渐改变，例如，首先改变Φ锁存器，然后改变D锁存器，等等，则观看者可能能够分辨出步骤改变作为视频图像中的闪烁或者噪声。围绕此潜在问题的几个发明的解决方案在上述的Williams等人的题为“Low Cost LED Driver with Improved Serial Bus”的申请No.13/346,647中的部分“Simultaneously Loading Multiple Functional Latches”中公开。
在已经加载了功能锁存器数据之后，以下一Vysnc脉冲开始，DC&T电路89产生两个PWM脉冲以切换I精确栅极驱动器电路86A和86B的输出在适当的相位延迟之后开启和关闭，以及对于适当的脉冲宽度持续时间或者占空因子D开启和关闭。I精确栅极驱动器电路86A和86B分别感应电流宿MOSFET 87A和87B中的电流，并提供适当的栅极驱动电压以在电流宿MOSFET 87A和87B被来自I精确栅极驱动器电路86A和86B的PWM脉冲使能的时间期间维持目标电流。I精确栅极驱动器电路的操作因此类似于“选通”放大器的操作，该选通放大器数字地脉冲开启和关闭，但是将LED中的电流控制为模拟参数。
由Vref信号以及由Iset电阻器82的值而全局地设置所有LED驱动器电路中的峰值电流。在一个优选实施例中，Vref信号由接口IC产生，或者其可以作为来自SMPS的辅助输出而被提供。在一个替换实施例中，可以去除通道特定的Dot校正，并且可以调制Vref以促进对LED电流的全局电流控制。
在能够进行通道特定的Dot校正的驱动器中，任何一个LED串中的电流可以由优选包括8到12位的字的Dot锁存器通过SLI总线而控制，该Dot锁存器在256到4096个不同的步骤中分别将电流宿MOSFET的电流调整到峰值电流值的从0％到100％的百分比。以此方式，使用新公开的架构，模拟电流模式数字到模拟转换器或者“电流DAC”的功能的、对LED电流的精确数字控制是可能的。在LCD背光照明应用中，此特征可以用于校准背光亮度，用于改进背光均匀性，或者用于操作在3D模式下。
在以上引用的Williams等人的题为“Low Cost LED Driver with IntegralDimming Capability”的申请No.13/346,625中详细讨论了I精确栅极驱动器电路86A和86B以及AC&S电路85的结构和操作。
如所示，流经LED串83A的电流由电流宿DMOSFET 87A和相应的I精确栅极驱动器电路86A控制。类似地，流经LED串83B的电流由电流宿DMOSFET87B以及相应的I精确栅极驱动器电路86B控制。没有共源共栅箝位MOSFET，施加在电流宿DMOSFET 87A和87V上的最大电压被限制到在高电压二极管88A和88B的击穿电压以下来操作。偏压电路84从5V Vcc输入产生内部芯片偏压。
电流宿DMOSFET 87A和87B上的漏极电压也由AC&S电路85监视并且与来自SLI总线90的存储在其SLED寄存器中的过电压值比较。如果该漏极电压在编程的值以下，则LED串正在正常操作。但是，如果电压升高在规定值以上，则一个或多个LED短路，并且检测并记录对于该特定通道的故障。同样，如果I精确栅极驱动器电路不能维持所需的电流，即，LED串正运行在“欠流”下，这意味着LED故障开路，并且电路连续性丢失。然后该通道关断，其CSFB信号被忽略，并且报告故障。可以通过针对饱和情况来监视电流宿DMOSFET来进行感应此“欠流”，其意味着I精确栅极驱动器电路正在尽可能“以全导通”来驱动电流宿DMOSFET的栅极，或者可替换地通过监视跨过I精确栅极驱动器电路的输入端的电压降来进行感应此“欠流”。当在I精确栅极驱动器电路的输入端处的电压下降得太低时，发生欠流情况，由此检测开路LED故障。
如果检测到过温度情况，则报告故障，并且该通道被留下继续导通并导电，直到接口IC发送关断该通道的命令。但是，如果温度继续升高到危险水平，则AC&S电路85将独立地禁用通道并且报告该故障。不管故障性质如何、是短路LED、开路LED还是过温度，只要发生故障，AC&S电路85内的开路漏极MOSFET将激活并拉低FLT管脚，用信号通知主机μC已经发生故障情况。
AC&S电路85还包括模拟电流感应反馈(CSFB)信号，其反映在两个电流宿DMOSFET87A和87B的漏极处以及在CSFBI输入管脚处的电压，以确定这三个电压中的哪个最低，并将该电压传递到CSFBO输出管脚。以此方式，最低的电流源电压以及因此具有最高正向电压降的LED串被传递到下一LED驱动器的输入并最终回到SMPS以向电源轨供电+VLED。集成在LED驱动器IC 81中的集成的电流感应反馈功能使用两个管脚，并且不管集成的通道数量如何，仅输出一个模拟信号CSFBO。
以上述方式，可以实现具有集成的调光和故障检测能力的两通道LED驱动器81，而不需要中央接口IC。
SLI总线接口IC和系统应用
图4中的系统100例示了以本公开指定的方式实现的具有局部调光的用于LED背光照明的分布式系统的应用。该图例示了接口IC101，其驱动由公共SMPS 108供电的具有集成的调光和故障检测的一系列LED驱动器IC81A-81H。
LED驱动器IC 81A-81H的每个(有时在此单独称为LED驱动器IC 81)可以包括图3所示的采用前缀复用的SLI总线协议的设备，或者替换地可以包括诸如图3A和3B所示的设备的采用宽总线协议的设备。每个驱动器IC 81可以类似地并入如图3B和3C所示的高电压电流宿DMOSFET，或者替换地可以集成诸如图3A所示的共源共栅箝位保护的电流宿DMOSFET。在系统10中，例示了LED驱动器IC 81而没有复用器92和解码器91(图3C所示)，其中，应该理解，这样的功能在需要时，即，只要利用了前缀复用的SLI总线协议时则被嵌入在SLI总线接口90内。
包括三个数字时钟信号、一个数字故障信号、以及一个模拟参考电压的五个公共信号线107将接口IC 90连接到每个驱动器IC 81。定时和控制电路124产生与经过SPI总线接口122接收的来自A主机μC(未示出)的数据同步的Vsync和GSC信号。定时和控制电路124还监视FLT中断线以立即检测潜在的问题。参考电压源125全局地向系统提供参考电压以便确保良好的通道与通道电流匹配。偏压供应电路126从由SMPS 108产生的固定的+24V电源轨110所供应的VIN电压对接口IC 101供电。偏压供应电路126还产生调压的电源电压Vcc以对LED驱动器81A-81H供电，该电源电压Vcc优选是5V。Vcc电源电压通过电容器102滤波。
在此例子中，每个LED驱动器81A-81H包括：包含电流宿MOSFET87A-87Q的高电压电流控制的两个通道，其具有集成的HV二极管88A-88Q、I精确栅极驱动器电路86A-86Q、DC&T电路89A-89H、AC&S电路85A-85H、以及串行SLI总线接口移位寄存器90A-90H。尽管LED驱动器IC 81类似于图3B所示的驱动器IC 66而缺少共源共栅箝位电路，但是除了24VVIN电源而不是Vcc被用于对LED驱动器IC供电以及对共源共栅箝位DMOSFET的栅极偏压之外，该系统配置与图3A所示的LED驱动器IC 51同样好地工作。
在所示的例子中，包括连接LED驱动器81的线113A-113I的SLI总线113包括菊链，其中接口IC 101内的SLI电路123的SO串行输出经由线113A连接到LED驱动器81A的SI输入，LED驱动器81A的SO输出经由线113B连接到LED驱动器81B(未示出)的SI输入，等等。SLI总线113H连接到系统100中所示的最后的LED驱动器81H的SI输入。LED驱动器81H的SO输出转而经由线113I连接到接口IC 101内的SLI电路123的SI输入。以此方式，SLI总线113A-113I(统称为SLI总线113)形成从接口IC 101发源、行进经过每个LED驱动器IC 81A-81H(统称为LED驱动器IC 81)并回到其自身的完整环路。将数据移出接口IC 101的SO管脚同时将相等长度的位串返回到接口IC 101的SI管脚。
SLI电路123产生需要的SLI总线串行时钟SCK信号。因为LED驱动器IC 81没有芯片地址，所以通过SLI总线113定时钟的位的数量必须恰当地与被驱动的器件的数量相关。被驱动的器件的数量以及因此的通过SLI总线113定时钟的位的数量可以通过对SPI总线接口112中的数据交换进行编程的软件或者通过对接口IC 101的硬件修改而调整。以此方式，系统100内的通道的数量可以灵活的变化以匹配显示器的大小。经过SLI总线113移位的、即，在总线113上广播的位的数量取决于所采用的SLI总线协议以及SLI总线移位寄存器90A-90H中的位的总数。例如，“宽”SLI总线协议需要每个双通道LED驱动器的72到88位，而前缀复用的SLI总线明显更小，例如需要每个LED驱动器IC的固定的32位，而不管集成到每个驱动器IC中的通道的数量如何。
当使用硬件接口IC 101来控制SLI总线通信时，修改SLI总线电路123中的寄存器以移出更少或更多的位需要在接口IC 101的制造或设计中的修改。替换的方法涉及用使用软件来调整驱动器以在菊链中容纳更少或更多的LED驱动器的可编程接口IC替代接口IC101。
被传递到SMPS 108的电流感应反馈(CSFB)信号由模拟菊链产生，LED驱动器IC81H上的CSFBI输入管脚经由线112I联系于Vcc，LED驱动器IC 112H的CSFBO输出管脚经由线113H连接到LED驱动器81G的CSFBI输入管脚，等等，每个驱动器IC包括一个CSFBI输入管脚和一个CSFBO输出管脚。最后，线112B将LED驱动器IC 81B的CSFBO输出管脚连接到LED驱动器IC 81A的CSFBI输入管脚，进而将其CSFBO输出管脚经过线112A连接到接口IC 101的CSFBI输入管脚。CSFB信号只要经过驱动具有比先前的串更高的正向电压降Vf的LED串的驱动器IC，其电压就下降。
作为菊链，没有一条具有一个特定电压的公共线，而是CSFB电压在该链中从第一个LED驱动器IC级联到最后一个LED驱动器IC，最后的线112A上的CSFB电压表示在整个LED阵列中具有最高Vf的LED串。运算跨导放大器OTA 127将线112A上的最终的CSFB信号转换为在接口IC 101的ICSFB管脚处的电流感应反馈(CSFB)信号，其经由线111被传递到SMPS108。响应于该CSFB信号，SMPS 108将电源轨109上的+VLED电压驱动到用于无闪烁照明的最佳电压，而没有过多的功耗。
在系统100中，由接口IC 101和CSFB菊链112A-112I生成CSFB信号111的仅仅单个值以驱动SMPS 108。在需要多于一个+VLED电源电压的系统中，例如，在较大的较高电流照明的显示器或者具有RGB背光照明的显示器中，需要多于一个接口IC 101来对多于一个SMPS供电。例如，通过对于不同颜色的LED重复整个系统100，即，一个系统用于红色LED，一个系统用于蓝色LED，并且第三系统用于绿色LED，本架构可以扩展到多个SMPS解决方案，尽管成本相对较高。这样，接口IC 101的三个实例将共同经由共享的SPI总线与公共背光μC和缩放器IC通信，否则将独立地操作。不幸的是，这样的方法也将互联导线的数量加为三倍，使PCB设计极大地复杂化。
图5是系统100的简化框图，其例示了使用具有SLI串行总线控制的智能LED驱动器并且去除了高管脚数封装接口IC的明显减少的构建材料。如所示，十六个串的LED 83A-83Q仅由八个小的LED驱动器81A-81H驱动，其所有都响应于主机μC7和缩放器IC 8而由接口IC101-SLI总线113A-113I控制。与包括32个离散的MOSFET和72管脚接口IC的图1相比，新架构的系统成本极大地降低。利用明显更少的组件，也增强了系统可靠性。
系统100还容易部署，因为仅在接口IC 101和卫星LED驱动器81A-81H之间使用SLI总线协议。μC7和接口IC 101或缩放器IC 8之间的通信仍使用更复杂的较高开销SPI总线来通信。在一些系统中，接口IC 101、微控制器7和中间SPI总线接口可以去除，替代地可以将算法控制移入缩放器8中以促进完全在软件控制下的完全可缩放的系统。
如所示，系统100中仅存在两个模拟信号，在线107之一上的公共Vref，以及在线113A-113I上的菊链链接的CSFB信号，其中，模拟反馈电压CSFB或者可选的模拟反馈电流ICSFB信号控制SMPS 108的+VLED。在SMPS 108需要模拟电流而不是电压以用于其反馈输入的情况下，需要接口IC 101将在其CSFBI管脚处的模拟反馈电压转换为线111上的模拟反馈电流ICSFB信号。运算跨导放大器或OTA——集成在混合信号接口IC 101内的专门的精确模拟电路进行此功能。利用少的模拟信号并且没有具有高阻抗输入的离散DMOSFET，系统100相对不受噪声影响。
采用源自线112A-112I上的CSFB信号的经由接口IC 101提供的单个CSFB信号来控制系统100中的SMPS 108，接口IC 101被限于与单个SMPS 108一起来操作。仅具有单个电源和反馈信号，背光模块的最大功率被限于处理SMPS 108的能力的功率。在高功率水平，变得期望将电源“划分”为多个电源以便维持较高的转换器效率以及更为冷却的操作。在所示的配置中，不能在没有增加接口IC 101的数量到等于所使用的开关模式电源的数量的情况下，提供多个ICSFB信号。
此外，限于单个+VLED电源，LED串的电压不匹配的统计范围随着串的数量而增加，导致LED驱动器IC 81A-81H中的较高功耗、SMPS 108所需的较高的传递的功率、较高的发热、以及较低的整体背光系统效率。
系统100中的单个CSFB信号还阻止其在RGB背光模块中的应用，除非整个系统增加三倍，一个系统用于驱动红色LED的串，另一个系统用于驱动绿色LED的串，并且第三系统用于蓝色LED。
即使具有到SMPS 108的单个CSFB线11，每个LED驱动器IC 81A-81H仍必须将其十六个管脚中的两个专用于模拟CSFBI和CSFBO信号，其减少了否则可用于增加LED驱动器通道的数量、用于并入新的特征或者可用于使用来降低封装的热电阻的封装管脚的数量。
需要的是去除专用于每个LED驱动器IC上的CSFB功能的两个管脚所需的，并且对于去除这两个管脚有益的支持多个CSFB信号的手段。
具有SLI总线嵌入式CSFB的LED背光照明系统
为了重申，图5所示的系统100例示了线112A-112I上的电流感应反馈信号将LED驱动器IC 81连接到接口IC 101，并最终经过线111到SMPS 108。电流感应反馈或CSFB的功能是测量跨过每个LED串82的电压，确定哪个串具有最高的正向电压，并控制+VLED输出对所有LED串供电的一个电源轨109以确保+VLED足够用于每个串操作在指定的并且恒定水平的电流。
此方法的一个缺点是模拟CSFB信号需要每个LED驱动器IC上的两个管脚，这在16管脚的封装上浪费了管脚的八分之一——这些管脚可以投入于改进热电阻、添加功能、或者增加驱动器中的通道的数量。使用模拟CSFB信号的另一个缺点是没有促进支持对于RGB和多个SMPS背光系统的几个CSFB信号的便利的手段。
因为SLI总线113上的信号还将相同的LED驱动器IC互连到接口IC 101，所以CSFB信号可以数字地嵌入在SLI总线信号中，去除了对于线112A-112H上的模拟CSFB信号的需要。在此公开这样做的益处。
图6例示了具有嵌入的CSFB的LED背光系统170。与先前所述的系统100相比，需要改变以将CSFB信号嵌入到SLI总线中的仅有的组件是LED驱动器IC 174H-174H(有时在此称为驱动器IC 174)和接口IC 171。这样，LED驱动器IC 174包括模拟到数字转换器，以将电压反馈转换为数字等效物并将该信息嵌入在SLI总线数据流161内。数字SLI总线协议内的此嵌入的CSFB信号随后被接口IC 171内包含的DAC或者数字到模拟转换器转换回到模拟信号。这样，嵌入在SLI总线协议和接口内的CSFB功能有益地消除了对于模拟CSFB信号和专用的封装管脚的需要。
如所述，嵌入的CSFB功能被实施以控制单个SMPS和+VLED电源轨。发明的嵌入的CSFB方法可以容易地被修改以控制用于较高功率背光系统或者用于RGB背光照明应用的多个电源。稍后在本申请中描述本发明的此替换实施例。
应该注意到，在本发明的其他实施例中，接口IC 171可以去除，并且其功能可以重新分布到系统内的其他组件中。例如，调光、相位控制、点校正和故障管理的数字功能可以在μC7内或者在缩放器IC8内进行，而模拟Vref可以在SMPS 108内产生，添加到μC7中或者由小的离散IC提供。同样，在SLI总线161上的CSFB信号的数字表示到线160上的模拟CSFB反馈信号的转换可以集成到SMPS 108中，添加到μC7中或者由小的离散IC提供，可能还在同一小IC内，例如在8管脚封装内集成了运算跨导放大器和Vref。
为了将CSFB信号嵌入到SLI总线161中，可以采用不同的SLI总线协议。一个这样的协议、所谓的“宽”SLI总线协议和硬件涉及包含用于每个通道和每个SLI总线传输中的每个功能的所有参数信息的相对长的数字字。在此称为“前缀复用的”SLI总线的第二协议将SLI总线命令的大小降低到固定程度，落日32位，并促进仅更新那些改变的参数而不需要在每次需要特定更新时重新广播用于每个通道和功能的所有参数数据。在以下部分中描述这两个SLI总线协议和每个版本中的SLI总线嵌入的CSFB功能的实现方式。
将嵌入的CSFB实现到宽SLI总线协议&接口中
具有SLI总线嵌入的CSFB功能的LED驱动器的一个实现方式示出在图7A中。包括在LED驱动器IC 200中的是包含移位寄存器220A、221A、222A、220B、221B、222B、223、224和225的SLI总线移位寄存器201、数字控制和定时(DC&T)电路202、和模拟控制和感应(AC&S)电路203。所示的例子是双通道驱动器，但是可以以类似的方式实现其他数量的通道。
LED驱动器IC 200是混合信号，其组合了数字和模拟信号，包括数字SLI移位寄存器201，其通过几个通常是12位宽的并行的数据总线连接到数字DC&T电路202，并且还通过范围从4位到12位宽的各种并行数据总线连接到模拟AC&S电路203。
DC&T电路202的输出以通过Vsync和GSK灰度时钟信号同步的精确的定时数字地切换I精确栅极驱动器电路206A和206B以及电流宿DMOSFET205A和205B开启和关闭。电流宿DMOSFET 205A和205B响应于来自AC&S电路203的模拟信号而控制未示出的两个LED串中的电流ILEDA和ILEDB，其进而控制由I精确栅极驱动器电路206A和206B输出的栅极驱动信号。栅极驱动信号是模拟的，使用具有反馈的放大器以确保电流宿DMOSFET 205A和205B的每个中的导电电流是也由AC&T电路203提供的参考电流Iref的固定倍数。
尽管LED驱动器IC系统200仅包括电流宿DMOSFET 205A和205B，但是该电路与如图3A所示的共源共栅箝位的LED驱动器输出或者如图3B和图3C例示的高电压电流宿版本兼容。为了实现共源共栅箝位的版本，两个高电压N沟道DMOSFET与电流宿DMOSFET 205A和205B串联，其源极端联系于电流宿DMOSFET的漏极端，并且起漏极端联系于相应的被驱动的LED串的阳极。
电流宿DMOSFET 205A和205B的漏极电压和源极电压两者被用于通过LED检测电路215监视LED串的状态，特别是源极电压被用于检测开路LED串，而漏极电压用于检测短路LED。故障设置锁存器224可以用于编程用于检测短路LED的电压水平。
电流宿DMOSFET 205A和205B的漏极电压还通过CSFB电路218A使用来确定具有最高LED电压降的通道，即，具有最低的漏极电压的DMOSFET。CSFB电路218A向模拟到数字(A/D)转换器218B输出等于电流宿DMOSFET 205A和205B的漏极电压中的较低者的电压，并且A/D转换器218B将此较低漏极电压转换为其等效的数字值，将其存储在SLI总线移位寄存器201中的CSFB移位寄存器223中。尽管可以持续地更新CSFB电压，但是正常地，对于控制对LED串供电的相对低带宽的SMPS来说这是不是必须的。在许多情况下每个Vsync脉冲一个采样是足够的。
在操作中，数据以时钟速率SCK通过串行输入管脚SI被按时钟输入(clock in)到SI移位寄存器201中。这包括将数据移位到用于通道A和通道B的PWM准时数据的12位数据寄存器220A和220B中、用于通道A和通道B的相位延迟数据的12位数据寄存器221A和221B中、用于通道A和通道B的“点”当前数据的12位数据寄存器222A和222B中、以及包括用于Flt设置的8位寄存器224和用于Flt状态的4位寄存器225的用于故障信息的12位中。另外，对于具有嵌入的CSFB的驱动器，SLI总线移位寄存器201还包括包含A/D转换器218A输出的字的4位寄存器223，其表示LED驱动器IC200的CSFB电压输出。在新数据按时钟输入时，在这些寄存期内的数据从SO管脚按时钟输出。暂停SCK信号将数据静态地保持在移位寄存器内。术语“通道A”和“通道B”是任意的，并且仅用于标识输出以及其在SLI数据流中的相应数据。
在接收到Vsync脉冲之后，来自PWM A寄存器220A的数据被加载到D锁存器211A中，并且来自相位A寄存器221A的数据被加载到锁存器&计数器A电路210A的Φ锁存器212A中。同时，来自PWM B寄存器220B的数据被加载到D锁存器211B中，并且来自相位B寄存器221B的数据被加载到锁存器&计数器B电路210B的Φ锁存器212B中。在接收到在GSC灰度时钟上的随后的时钟信号之后，两个计数器对其Φ锁存器212A和212B中的脉冲的数量计数，其后分别使电流能够在I精确栅极驱动器电路206A和206V中流动，使连接到该特定通道的LED串照明。在D锁存器220A和220B中存储的脉冲数量的持续时间中，通道保持使能并导电。其后，输出被切换为关闭并且等待下一Vsync脉冲以重复此过程。DC&T电路202因此根据SLI总线数据将两个PWM脉冲同步。
还与Vsync脉冲同步，存储在Dot A和Dot B锁存器222A和222B中的数据被复制到D/A转换器213A和213B中，设置DMOSFET 205A和205B中的电流。如所示，D/A转换器213A和213B是提供Iref的精确分数部分以设置LED串中的电路的离散电路。可替换地，在优选实施例中，I精确栅极驱动器电路213A和213B并入使用二进制加权的可调电流镜，并且能够设置所希望的最大电流的分数部分。表示最大通道电流的参考电流Iref由Rset电阻器204和偏压电路217中的Vref输入而设置。
故障检测包括LED集成电路215比较电流宿DMOSFET 205A和205B的源极和漏极电压与存储在故障锁存器214中的值，这些值在每个Vsync脉冲处从Flt设置寄存器224复制。温度检测电路216监视LED驱动器IC的温度。任何故障立即触发开路漏极MOSFET 219，以导通并且拉低FLT线，产生中断。该故障信息还在接下来的Vsync脉冲时从故障锁存器214被写到Flt状态寄存器225中。
对于具有嵌入的SCFB的LED驱动器，表示对于LED驱动器IC 200的CSFB值的数字数据从A/D转换器218的输出被复制到SLI总线移位寄存器201中的CSFB寄存器223，与Vsync脉冲同步。尽管能够比每个Vsync脉冲一次更经常第刷新CSFB数据，但是对使用宽SLI总线协议而言，没有特定的方便的定时脉冲指示将数据从A/D转换器218B复制到CSFB寄存器223中。没有另外的专用的控制管脚，必须使用定时器进行CSFB写入操作，但是因为GSC和SCK时钟信号可以在正常操作中开始和停止，所以没有简单的方式来执行CSFB值的重复采样(oversampling)
在以上引用的Williams等人的题为“Low Cost LED Driver with IntegralDimming Capability”的申请No.13/346,625中进一步详述了点功能和数字到模拟转换的实现方式。该申请还包括故障和LED集成电路214和215、参考电流源217和电流感应反馈(CSFB)电路218的详细的电路实现方式示例。因而，在此不重复这些组件的细节。
以所述的方式，使用串行数据总线来控制多个LED串中的电流的幅度、定时和持续时间，以及控制LED串中的故障情况的检测以及报告故障情况的发生，并且使用嵌入的CSFB信息控制+VLED电源电压。SLI协议是灵活的，仅需要经过串行总线发送的数据匹配于所控制的硬件，特别是发送到每个LED驱动器IC的位的数量匹配于该LED驱动器IC所需要的位(通常给定的LED驱动器系统中的每个LED驱动器IC需要相同数量的位)，并且在每个Vsync时段期间发送的位的总数等于每个LED驱动器IC需要的位的数量乘以LED驱动器IC的数量。
例如，在图7A中，包括点校正、故障设置和故障报告以及CSFB信息的一个通道的宽SLI总线协议包括每个双通道驱动器IC的88位，即，每个通道或LED串44位。如果控制16串LED的八个双通道驱动器IC通过单个SLI总线环路连接，则在每个Vsync时段期间移出接口IC并经过SLI总线的位的总数等于8乘以88，或704位，其少于千位。如果SLI总线被定时钟在10MHz，则可以经过每个驱动器IC并且到每个通道地，将整个数据流定时钟在70.4微秒或者每通道4.4微秒内。
尽管串行数据总线以“电子”数据速率，即，使用MHz时钟和每秒兆位数据的速率而通信，但是用于控制改变LCD显示器面板上的图像的Vsync或者“帧”速率以慢得多的步伐而出现，因为人眼不能感知以接近电子数据速率的任何速率改变图像。尽管大多数人意识不到以60Hz帧速率，即，每秒16图像帧的闪烁，然而仅仅是使用直接比较，在A与B比较的情况下，对于许多人来说，120Hz的TV图像看起来比60HZ的TV更“清晰”。以甚至更高的Vsync速率，例如240Hz和更高的速率，仅“玩家”和视频显示器“专家”声称看到任何改进，主要表明为降低的运动模糊。在电子数据速率和相对慢的视频帧速率之间存在这样大的差别，这使得串行总线通信对于背光驱动器是可能的。
例如，在60Hz的情况下，每个Vsync时段消耗16.7毫秒，这是比将所有数据发送到所有驱动器IC所需的时间更长的量值量级。即使在以8X扫描速率且以960Hz的3D模式运行的大多数高级TV中，每个Vsync/时段消耗1.04毫秒，意味着可以实时地控制达236个通道。该通道数量极大地超过了对于即使最大的HDTV的LED驱动器系统需求。
在图7A的移位寄存器201中所示的每个双通道“宽”协议88位使得接口IC能够在每个Vsync时段期间一次写入或读取每个通道的每个寄存器中的所有数据。术语“宽”指用于控制每个通道的数据字的内容。宽协议要求对于给定的LED驱动器IC中的每个变量和每个寄存器的数据被包括在从接口IC传输到该LED驱动器IC的数据的每个分组中，即使与对于该LED驱动器IC的先前数据分组相比什么都未改变也是如此。
如果使用减少的数据协议，即每通道需要更少位的协议，则向每个通道发送数据花费甚至更少的时间。因为宽协议由于相对慢的Vsync刷新速率而没有定时限制，所以不存在数据速率的益处。然而，在串形通信协议中使用更少的位确实减小LED驱动器IC中的数字移位寄存器和数据锁存器的大小，减小LED驱动器IC的面积以及降低整体系统成本。
例如，使用64位而不是对于图7A中的LED驱动器IC 200所示的88位数据集的具有嵌入的CSFB的SLI总线的替代的双通道数据协议也是可能的。这样的数据集可以包括用于PWM亮度占空因子的12位、用于相位延迟的12位、用于故障设置的8位、以及用于故障状态的4位和用于CSFB数据的一个通道的4位，由此未包括12位点校正数据。这样，在此实现方式中，对每个LED串的单独的通道电流设置和亮度校准是不可用的。
在LCD面板制造中，许多制造商认为电子地校准显示器的均匀亮度太昂贵并且因此在商业上不实际。仍可以通过调整面板的电流设置电阻器、比如在LED驱动器IC 200中示出的设置电阻器204的值来校准全局显示器亮度，但是通过微控制器或接口IC不能控制背光亮度中的亮度均匀性。替代地，面板制造商人工地将其LED供应品“分类”为具有类似亮度和色温的LED库(bin)。
应该注意到，从SLI总线协议移除Dot数据不阻止显示整体的显示亮度控制或校准。调整系统的全局参考电压Vref仍可以进行全局调光或者全局电流控制。例如，在LED驱动器IC 200中，调整Vref的值影响由Iref产生器217产生的参考电流Iref。如果Vref电压由所有LED驱动器IC共享，则调整此电压将独立于PWM调光控制而均匀地影响每个驱动器IC以及面板的整体亮度。
将CSFB功能嵌入到SLI总线中不限于宽SLI总线协议。相反，使用前缀复用的SLI总线协议和接口更方便实现更大灵活性和更高CSFB反馈样本速率。
这样，经过串行总线发送长的数字字或指令的限制和缺点可以通过使用被添加到串行照明接口总线协议中并嵌入在每个SLI总线通信中的“寄存器地址”或“前缀”而克服。当与用于解码和复用SLI总线数据的电路组合时，嵌入的前缀信息使得数据能够仅被路由到特定目标的功能锁存器。
在前缀复用的SLI总线协议和接口中实现嵌入的CSFB
通过特别将数据仅发送到需要更新的锁存器，“前缀复用的”或者“窄”SLI总线架构避免了重复且不必要地重新发送数字数据、尤其是重新发送保持恒定或不经常改变的冗余数据的需要。在操作中，在初始设置之后，仅正改变的锁存器被重写。
包含固定数据的寄存器仅在系统第一次被初始化时被写入一次，其后不需要从接口IC经过SLI总线的随后的通信。因为仅更新正改变的锁存器，所以跨过SLI总线发送的数据量极大地降低。此发明方法提供了相比于宽SLI总线方法不同的几个优点，即：
·集成SLI总线移位寄存器所需的位的数量极大地降低，节省了管芯面积并降低了成本，尤其是在较小的(例如两个通道)LED驱动器IC中。
·以任何给定的时钟速率的SLI总线的有效带宽增加，因为不重复地发送冗余数据。
·可以用固定字长度和功能来标准化SLI总线协议而不损失通用性。
前缀复用的SLI总线的例子示出在图7B的示意电路图中所示的LED驱动器IC 230的实施例中。除了可替换的LED驱动器IC 230之外，图7B还示出了包含16位前缀寄存器232和16位数据寄存器233的SLI总线移位寄存器231、以及前缀解码器和复用器(mux)电路234。数据寄存器231中的数据被路由到分别在锁存器&计数器A 210A和锁存器&计数器B 210B中的D锁存器211A和211B以及Φ锁存器212A和212B、数字控制和定时(DC&T)电路203中的D/A转换器213A和213B之一、或者在模拟控制和感应(AC&S)电路203中的故障锁存器电路214。根据前缀寄存器232中包含的路由方向，通过前缀解码器和复用器电路234进行这些数据传送。因此前缀解码器&复用器电路234解码前缀寄存器232中存储的16位数据字并将数据寄存器233中存储的16位数据223复用到适当的D、Φ或Dot锁存器DC&T电路202或AC&S电路203中。
在故障锁存器电路214的情况下，复用器234双向操作，允许存储在数据寄存器233中的数据被写到故障锁存器电路214中，或者相反，允许存储在故障锁存器电路214中的数据被写到数据寄存器233中。类似地，取决于存储在前缀寄存器232中的前缀码，包含在A/D转换器218B内的CSFB数据由复用器234引导被写到数据寄存器233中。
尽管在宽SLI总线协议的情况下，与Vysnc脉冲同步地在功能锁存器和SLI总线寄存器之间复制数据，但是在前缀复用的SLI总线中，一些功能不需要与Vsync脉冲同步，尤其是在从故障锁存器214读回故障信息和从A/D转换器218B读回CSFB数据的情况下。替代地，数据可以根据需要从LED驱动器IC被“拉”到SLI总线中并且由接口IC检查，即使是在比每个Vsync脉冲一次更高的数据速率下也是如此。
在一个优选实施例中，前缀复用的SLI总线协议包括32位字，即，长度上是4字节，其提供在寻址大量功能锁存器的灵活性以及维持短的字线长度和小的SLI总线移位寄存器大小之间的良好平衡的折衷。在所示的例子中，SLI总线前缀寄存器232是16位长度，SLI总线数据寄存器233也是16位长度，其促进了具有高达65536种组合的变量被唯一地写入或从65536个不同的功能锁存器之一读取。
为了灵活性和可扩展性，以32位设计前缀复用的SLI总线协议。尽管促进了大量的组合，但是不需要使用所有存储在SLI总线寄存器中的数据。如果需要更少的锁存器和通道，则仅需要解码前缀的少量位以寻址所需数量的功能锁存器。同样，如果要求少于16位的精度，则在SLI总线中的数据寄存器中可以使用更小数量的位，并且将其复用到目标功能锁存器。例如，如果SLI总线数据寄存器233中包含的数据PWM亮度占空因子，则12位的数据可以比复用并且被加载的到D锁存器211A中，同时如果在SLI总线数据寄存器233中包含的数据表示LED电流“Dot”设置，则D/A转换器213A内的Dot锁存器仅需要8位。从A/D转换器和锁存器218B读取并被写到SLI总线数据寄存器233中的CSFB数据可以仅由4位的字构成。
因此，在前缀复用的SLI总线中，数据由接口IC重复地写到SLI总线移位寄存器231中，然后以顺序的方式一次一个字地被复用到几个功能锁存器211-214之一。同样，只要接口IC请求时，从锁存器214和218B复制数据，并以顺序的方式经过菊链中的移位寄存器移位并回到接口IC。在图7B所示的LED驱动器IC 200中，一个SLI总线数据寄存器233扇出到七个不同的功能锁存器中，并且从两个功能锁存器读回数据。
前缀复用的SLI总线230与图7A所示的宽SLI总线是鲜明的对比，其中，SLI总线移位寄存器201中的每个寄存器具有与LED驱动器IC中的功能锁存器的一对一的对应性，例如，SLI总线PWM A寄存器220A对应于D锁存器211A，SLI总线相位A寄存器221A对应于Φ锁存器212A，等等。此一对一对应性使得将宽SLI字线架构缩放到具有更多通道的LED驱动器IC是有问题并且成本高的。
前缀复用的SLI总线的扇出能力因此提供了用于实现多通道LED驱动器的、比宽SLI总线协议更通用的更低成本的方法。出于此以及本公开中稍后将考虑的其他原因，发明的前缀复用的SLI总线表示改进的串行照明接口总线协议、架构和物理接口。
前缀解码器和复用器234可以以各种方式实现，如在以上引用的Williams等人的题为“Low Cost LED Driver with Improved Serial Bus”的申请No.13/346,647中所述。一个实现方式示出在图8的框图中，其中SLI总线移位寄存器231中的16位前缀寄存器被细分为两个8位寄存器，即，通道寄存器232C和功能寄存器232F。数据寄存器233保持不改变。如所示，前缀解码器251具有两个输出线，其包括用于选择正控制哪个LED通道255的通道选择输出线254，以及用于控制正询问哪个功能锁存器，即，正向其写入或从其读取的功能锁存器的功能选择输出线252。
在所示的例子中，前缀解码器251用线254上的通道选择信号来选择多个通道255之一，然后用线252上的功能选择信号来选取要控制的功能。为了改变功能256的操作，复用器253然后将来自数据寄存器233的数据写到预加载锁存器258中。该数据被保留在该预加载锁存器258中，直到出现Vsync脉冲，在此时数据从该预加载锁存器258被复制到有效锁存器257中，由此改变模拟或数字功能258的操作条件，例如，D、Φ、Dot等等。有效锁存器257中的数据保持不改变直到出现下一Vsync脉冲。
可以通过将数据写到预加载锁存器261中，与Vsync脉冲同步地将数据复制到有效锁存器260中，由此改变所选通道的操作条件，从而以类似的方式改变控制功能259。可替换地，锁存器260中的数据可以从控制功能259写入并以规则的间隔被加载，即，采样到预加载锁存器216中。随着解码器251选择相应的通道和功能，在该预加载锁存器261中包含的数据然后被复制到SLI总线移位寄存器231的数据寄存器233中。
以此方式，可以实时地独立地控制LED驱动器IC内的任意数量的通道，即，任意数量的LED串，其促进经过共享的SLI总线移位寄存器231对每个控制功能256、259以及其他的功能进行精确调整，而不需要大的移位寄存器或长的数字字。
如图8所示，可以采用相同的SLI总线移位寄存器231和前缀复用的SLI总线协议来嵌入CSFB功能。CSFB信号262，即，A/D转换器的数字输出以规则的间隔被采样并写入到采样锁存器263中。在一些实施例中，A/D转换器和采样锁存器是相同的单元的部分，如同图7B所示的A/D转换器218B那样。以此方式，对于给定通道和LED驱动器IC的CSFB的最当前的值不断存在(ever-present)于采样锁存器263中。只要解码器251选择了相应的通道并且选择了CSFB功能时，包含在采样锁存器263中的数据然后就被复制到SLI总线移位寄存器231的数据寄存器233中。像任何其他功能那样，通过适当的并且相应的前缀码来选择CSFB数据。包括表1中的前缀码作为用于解码的例子：
表1
在数据被写到SLI总线移位寄存器231中之后，必须通过相应数量的SCK脉冲将该数据移位到接口IC中。将数据全部移位经过SLI总线所需的SCK脉冲的数量等于每个SLI总线移位寄存器中的位的数量乘以SLI总线中的SLI总线移位寄存器的数量。假设图8所示的固定长度32位协议，以及每个LED驱动器IC一个SLI总线移位寄存器，则将数据从该菊链中的距离接口IC最远的驱动器IC移位到该接口IC的CSFBI输入中所需的SCK脉冲的总数等于LED驱动器IC的数量的32倍。
在移位期间，选择前缀码以防止数据在SLI总线移位寄存器233中的过写入。在一个优选实施例中，可以通过使用专用的前缀功能码251、例如十六进制的0E而实现此保护，以用于从其相应的CSFB采样锁存器263加载SLI总线数据寄存器233。在随后的广播上，随着来自采样锁存器263的数据移位经过SLI总线菊链，并进入接口IC中以更新控制SMPS的反馈信号，使用不同的前缀码，例如，十六进制0F来防止向或从SLI总线移位寄存器233的任何读取或写入(此步骤被称为以上表1中的“执行CSFB”)。
通过图9所示的LED驱动器系统270的示意框图来进一步说明将CSFB功能嵌入在SLI总线内。示出了LED驱动器IC 272A和272H、接口IC 273、LED串274A、274B、274P和274Q、以及开关模式电源(SMPS)293。与嵌入的CSFB操作有关，LED驱动器IC 272A包含分别驱动LED串274A和274B的电流宿MOSFET 275A和275B、CSFB电路291A、模拟到数字(A/D)转换器275A、采样锁存器277A、以及使用包括前缀寄存器281A和数据寄存器280A的SLI总线移位寄存器282A、解码器279A及其相关联的复用器278A的SLI总线通信。为了清楚，未包括LED驱动器IC 272A内的诸如PWM调光控制、点校正和故障检测的其他功能。
类似地，LED驱动器IC 272H包含分别驱动LED串274P和274Q的电流宿MOSFET 275P和275Q、CSFB电路291H、A/D转换器275H、采样锁存器277H、以及使用包括前缀寄存器281H和数据寄存器280H的SLI总线移位寄存器282H、解码器279H及其相关联的复用器278H的SLI总线通信。未示出的其他LED驱动器IC 272B-272G具有相同的构造。接口IC 273以菊链方式连线经过SIL总线294而数字地连接到LED驱动器IC 272A-272H，每个SLI总线输出SO连线到菊链中的下一IC的SLI总线输入SI。该链中的最后的LED驱动器IC 272H使其SO输出连接到接口IC 273的SLI输入。该链中的第一LED驱动器IC 272A使其输入连接到接口IC 273的SO输出(未示出接口IC 273的输出部分)，或者可替换地，连接到用于控制LED驱动器IC的SLI总线数据的任何其他源。
接口IC 273包括包含前缀寄存器285和数据寄存器284的SLI总线移位寄存器283、解码器287及其相关联的复用器286、数字幅度比较器288、用于存储数字DCSFB信号的寄存器289、数字到模拟(D/A)转换器290以及使用ICSFB信号在图9中所示的LED驱动系统270中连接到SMPS 293的反馈输入的运算跨导放大器291，其中，数字DCSFB信号是从LED驱动器IC272A-272H获得的电流最低的CSFB采样。接口IC 273能够提供两个模拟输出：OTA 291输出的电流反馈信号ICSFB，或者可替换地由D/A转换器290输出的用于连接到需要电压而不是电流反馈信号的SMPS模块的电压反馈信号CSFBO。
ICSFB信号和CSFBO信号两者表示数字电流感应反馈信号DCSFB的模拟等效物。以规则的间隔采样的此数字DCSFB信号表示电流宿MOSFET275A-275Q上的最低电流感应(漏极)电压，并且其用于检测具有最高正向电压降的LED串274A-274Q。CSFB信号(无论是ICSFB还是CSFBO的形式)转而控制电源线271上的SMPS 293的电压+VLED以产生足以对包括具有最高正向电压降的任意串的所有LED串274供电的电压+VLED。
在操作中，接口IC 273将前缀命令经由到八个LED驱动器IC 272-272H的每个的SLI总线菊链，来按时钟输入到前缀寄存器281中，指令每个驱动器IC的复用器278将采样锁存器277的电流采样内容复制到其SLI总线移位寄存器282的数据寄存器280中，作为例子，在驱动器IC 272A中，由解码器279A解释的前缀寄存器281A中的前缀命令指示复用器278A将采样锁存器277A的电流采样内容复制到SLI总线移位寄存器282A的数据寄存器280A中。在其他LED驱动器IC中发生相同的处理和过程。
在从采样锁存器277A到SLI总线数据寄存器280A的数据传送之前或与之同时，CSFB电路291A测量电流宿MOSFET 275A和275B上的漏极电压，确定哪个MOSFET具有较低的漏极电压，并将该较低漏极电压传递到A/D转换器276A，A/D转换器276A将该电压转换为其数字等效物。结果暂时存储在采样锁存器277A中。可以在通过前缀寄存器281A中的前缀码来请求数据时采样CSFB电压，或者可以比SLI总线通信更频繁地以规则的间隔采样。因此，采样锁存器277A内包含的数据表示与在LED驱动器IC 272A内集成的两个通道的最低电流宿电压有关的最当前的信息。
电压采样应该每个Vsync时段至少一次地发生，并且可以以更高速率发生。优选地，每个Vsync时段应该发生两到三次以改进SMPS 293的准确性和瞬时响应。在每个Vsync时段三次以上的采样提供了减少的返回，并且例如Vsync时段十次的过多的采样占据了进行非必要的任务的接口IC。一旦LED驱动器272A-272H的A/D转换器277A-277H提供的CSFB数据已经被加载到其相应的SLI总线数据寄存器280A-280H，CSFB数据必须按时钟移出数据寄存器并移入接口IC 273。完成此所需的SCK脉冲的数量等于菊链中的LED驱动器IC 272的数量乘以协议中每个SLI总线移位寄存器282的位的数量，在此情况下是32位乘以8个驱动器IC，或256个时钟脉冲。
在将驱动器IC CSFB数据移位到接口IC 273内的SLI总线283中期间或之后，接口IC 273进行确定哪个CSFB值最低的任务，然后使用该数据将CSFBO或ICSFB信号传递到SMPS293，SMPS 293转而使用该信号设置电源轨271上的电压+VLED。虽然可以在SLI总线移位寄存器数据传送的结束时存储并分析该数据，但是也可以实时地进行。在本发明的一个实施例中，由幅度比较器288将被移位到接口IC 273的SLI总线数据移位寄存器284中的每个CSFB值与先前的值比较，并且仅当其表示比在其之前的数据更低的电压时才将其盖写到寄存器289中。在一个SLI广播周期内已经比较了来自所有驱动器IC的所有CSFB数据之后，寄存器289内的数字数据DCSFB表示系统270中的最低CSFB值。
在本发明的另一方面，在SLI总线移位操作期间可以使用前缀寄存器285中的专用前缀码，例如，十六进制码“0F”(二进制“00001111”)以防止在经过SLI总线菊链移位数据时LED驱动器IC 272对CSFB数据的盖写。可以选取相同的前缀码以指示接口IC 273进行在移位期间，即，在顺序的SCK时钟脉冲期间到来的数据的顺序比较，以确定数据流中的最低CSFB信号。在此比较操作中，解码器287引导复用器286到数字幅度比较器288的输入。此电路将SLI总线寄存器284中的数据与寄存器289中的数据比较，并且仅在新数据较低时盖写寄存器289。重复此处理直到来自每个LED驱动器IC的CSFB数据已经被移位到接口IC 273中。换句话说，在本发明的一个实施例中，可以分配特殊的前缀码，该特殊的前缀码在移位期间从不允许复用器盖写已经存在于SLI总线数据流中的CSFB数据。
接口IC 273然后将最低CSFB电压的此数字表示转换为控制SMPS 293的模拟电压CSFBO或者模拟电流ICSFB，其统称为反馈信号292。模拟反馈信号的特性取决于SMPS 293所需的反馈的类型。如果需要模拟电压，则可以使用D/A转换器290的CSFBO电压输出，其具有或者不具有缓冲器，以直接驱动SMPS 293。如果需要电流反馈信号，则使用运算放大器OTA291以将CSFBO电压信号转换为电流信号ICSFB。
不管到SMPS 293的反馈包括电流还是电压，在闭合环路操作中，D/A转换器290的输出电压对数字幅度比较器288提供的数字CSFB信号DCSFB做出反应，即，其变为DCSFB信号的动态函数。以此方式，可以以SLI总线294数字地向SMPS 293提供实时反馈，促进对LED电源输出电压+VLED的控制以保证用于处于所需水平的LED电流的LED串274A-274Q的适当照明的适合的电压。
具有SLI总线嵌入的CSFB的LED驱动器IC
根据本发明的具有SLI总线通信和嵌入的CSFB控制的LED驱动系统300示出在图10A中。其类似于图3A所示的LED驱动器IC 51，LED驱动系统300包括双通道驱动器IC 301，该双通道驱动器IC 301具有集成的电流宿DMOSFET 55A和55B、具有集成的高电压二极管58A和58B的共源共栅箝位DMOSFET 57A和57B、用于准确的电流控制的I精确栅极驱动器电路56A和56B、数字控制和定时(DC&T)电流59、以及芯片上偏压电源和调压器62。但是，不同于先前所述的驱动器IC 51，已经修改了模拟控制和感应(AC&S)电流310以及宽SLI总线移位寄存器311，以将电流感应反馈CSFB信息嵌入在SLI总线协议内。因为SLI总线移位寄存器是“宽的”，所以其包含专用于接收来自AC&S电流310内的采样锁存器(等同于图9中的锁存器277)的CSFB数据的CSFB寄存器(等同于图7A中的寄存器223)。
这样，LED驱动器IC 301提供对250mA LED驱动器的两个通道的完整控制，其具有150V阻挡能力和±2％的绝对电流准确度，12位的PWM亮度控制，12位的PWM相位控制，8位的电流控制，对于LED开路和LED短路情况的故障检测，以及过温度检测，所有都通过高速SLI总线而控制，并且通过公共Vsync和灰度时钟(GSC)信号与其他驱动器同步。尽管所示的特定例子例示了额定在150V阻挡能力的共源共栅箝位DMOSFET，但是根据需要这些器件可以针对操作而从100V到300V来定大小。器件的250mA额定电流通过被驱动的两个LED串中的封装的功耗和正向电压的不匹配而设置。
LED驱动器IC 301内的AC&S电路310还包括模拟电流感应反馈或CSFB，监视两个电流宿DMOSFET 55A和55B的信号，其由集成的模拟到数字A/D转换器转换为CSFB电压的数字版本，优选长度是4位或更多位。该数字CSFB信号或DCSFB表示驱动器IC 301中的最低电流源电压，因此表示具有最高正向电压降的LED串。此信号被复制到SLI总线移位寄存器311中的CSFB寄存器，并且经过SLI总线传递到接口IC，并最终回到系统SMPS，供应+VLED电源轨。
不同于需要CSFBO和CSFBI管脚以分别用于输出和输入CSFB信号的先前所述的LED驱动器IC 51，LED驱动器IC 301将其CSFB数据嵌入到SLI总线数据流中，并且不需要额外的管脚来促进电流感应反馈，而不管驱动器中集成的通道的数量如何。因此包含LED驱动器IC301的封装中不存在CSFBO和CSFBI管脚。因而，已经修改模拟控制和感应电路310以及宽SLI总线接口311，以将电流感应反馈CSFB信息嵌入在SLI总线协议内。
根据本发明的具有SLI总线通信和嵌入的CSFB控制的替换的LED驱动器315示出在图10B中。双通道LED驱动器IC 316包含电流宿DMOSFET72A和72B，但是省略了共源共栅箝位MOFET。替代地，DMOSFET 72A和72B包含被设计为在截止条件下维持高电压的集成的高电压二极管73A和73B。通常，这样的设计最适用于在100V以下的操作，但是如果需要也可以扩展到150V。如在LED驱动器301中那样，I精确栅极驱动器电路71A和71B促进由模拟控制和感应电路320和数字控制和定时电路74控制的准确的电流控制。芯片上偏压电源和调压器69对LED驱动器IC 316供电，在此情况下从Vcc而不是向在LED驱动器IC 301中那样从24V供电。除了缺少共源共栅箝位DMOSFET之外，LED驱动器IC 316与LED驱动器IC 301类似的操作，通过包括嵌入在SLI总线接口和协议内的数字CSFB信号的其SLI总线移位寄存器325而控制。
不同于先前所述的LED驱动器IC 66(图3B)，该LED驱动器IC 66需要CSFBO和CSFBI管脚分别用于输出和输入CSFB信号，LED驱动器IC 316将其CSFB数据嵌入到SLI总线数据流中，并且不需要额外的管脚来促进电流感应反馈，而不管该驱动器中集成的通道的数量如何。因此包含LED驱动器IC 316的封装中不存在CSFBO和CSFBI管脚。因而，已经修改模拟控制和感应电路320以及宽SLI总线接口325，以将电流感应反馈CSFB信息嵌入在SLI总线协议内。
根据本发明做出的使用前缀复用的SLI总线通信的具有嵌入的CSFB的LED驱动器330示出在图10C中。双通道LED驱动器IC 331包括：具有集成的高电压二极管88A和88B的集成的电流宿DMOSFET 87A和87B、用于准确的电流控制的I精确栅极驱动器电路86A和86B、模拟控制和感应电路335、以及数字控制和定时电路89。芯片上偏压电源和调压器84从Vcc输入对IC供电。
不同于先前所述的LED驱动器IC 80(图3C)，该LED驱动器IC 80需要CSFBO和CSFBI管脚分别用于输出和输入CSFB信号，LED驱动器IC 331将其CSFB数据嵌入到SLI总线数据流中，并且不需要额外的管脚来促进电流感应反馈，而不管该驱动器中集成的通道的数量如何。因此包含LED驱动器IC 80的封装中不存在CSFBO和CSFBI管脚。因而，已经修改模拟控制和感应电路335以及前缀复用的SLI总线接口340，以将电流感应反馈CSFB信息嵌入在SLI总线协议内。
否则，LED驱动器IC 331提供对250mA LED驱动器的两个通道的完整控制，其具有150V阻挡能力和±2％的绝对电流准确度，12位的PWM亮度控制、12位的PWM相位控制、8位的电流控制、对于LED开路和LED短路情况的故障检测、以及过温度检测，所有都通过高速SLI总线而控制，并且通过公共Vsync和灰度时钟(GSC)信号与其他驱动器同步。尽管所示的特定例子例示了额定在150V阻挡能力的电流宿DMOSFET，但是根据需要这些器件可以针对操作而从100V到300V来定大小。器件的250mA额定电流通过被驱动的两个LED串中的封装的功耗和正向电压的不匹配而设置。在额定的100V以上，将高电压共源共栅箝位DMOSFET(未示出)与电流宿DMOSFET 87A和87B串联地集成是有利的，由此电流宿MOSFET 87A和87B不需要在箝位电压以上，即，在12V以上的操作。
具有SLI总线嵌入的CSFB的LED驱动系统和接口
图11中的系统350例示了根据本发明做出的包括SLI总线嵌入的电流感应反馈的、用于具有局部调光的LED背光照明的分布使系统的应用。该图例示了驱动由公共的SMPS353供电的、具有集成的调光和故障检测的一些列LED驱动器316A-316H的接口IC 351。除了已经完全去除了模拟CSFB菊链并且在功能上被嵌入在SLI总线协议和网络接口内的DCSFB信号替代之外，该图类似于图4中的系统100。尽管未在LED驱动器IC 316A-316H中明确示出模拟到数字转换，但是接口IC 315确实例示了从SLI总线嵌入的DCSFB数字字重构模拟反馈信号所需的D/A转换器3665的添加。
LED驱动器IC 316A-316H的每个可以采用前缀复用的SLI总线协议，如图10C的LED驱动器IC 331中所示，或者可替换地可以采用如图10A和10B的LED驱动器IC 301和316中所示的宽总线协议。驱动器IC 316A-316H的每个可以与图10B和10C所示类似地并入高电压电流宿MOSFET，或者可替换地可以集成共源共栅箝位MOSFET以保护电流宿MOSFET，如图10A所示。在系统350中，例示了LED驱动器IC 316A-316H，而没有复用器92和解码器91，应该理解的是这样的器件可以根据需要，即，只要利用了前缀复用的SLI总线协议时而被包括在驱动器IC 316A-316H内。包括三个数字时钟线、一个数字故障线以及一个模拟参考电压线的五个公共信号线357将接口IC 351连接到每个驱动器IC。定时和控制电路363产生与经过SPI总线接口360接收的来自主机μC(未示出)的数据同步的Vsync和GSC信号。定时和控制电路363还监视FLT中断线，以立即检测潜在的问题。参考电压源362全局地向系统提供参考电压Vref，以便确保良好的通道与通道电流匹配。偏压电源361从由SMPS 353产生的固定的+24V电源轨354上的电源电压VIN对接口IC 351供电。偏压电路361还产生调压的电源电压Vcc以对LED驱动器316A-316H供电，该电源电压Vcc优选是5V。Vcc电源电压由电容器362滤波。
在此例子中，LED驱动器IC 316A-316H的每个包括两个通道，这两个通道包括：具有集成的HV二极管73A-73Q的高电压电流宿DMOSFET 72A-72Q、I精确栅极驱动器电路71A-71Q、DC&T电路74A-74H、包括电流感应反馈检测和到数字DCSFB的A/D转换的AC&S电路320A-320H、以及SLI总线移位寄存器325A-325H。尽管图11所示的LED驱动器IC 316A-316H缺少共源共栅箝位MOSFET，但是除了可以使用24V VIN电源而不是Vcc来对LED驱动器IC供电以及对共源共栅箝位DMOSFET的栅极偏压之外，系统350也可以以图10A所示的LED驱动器IC 300的方式构建。
三个版本10A、10B或10C的任意一个可以被插入到图11在的驱动器IC框316中。
连接LED驱动器IC 316A-316H的SLI总线356包括通过SLI总线356A-356I以菊链连接在一起的SLI总线移位寄存器325A-325H，其中接口IC 351内的SLI电路364的SO串行输出经由SLI总线356A连接到LED驱动器316A的SI输入，LED驱动器316A的SO输出经由SLI总线356B连接到LED驱动器316B(未示出)的SI输入，等等。SLI总线356H连接到系统350中所示的最后的LED驱动器316H的SI输入。LED驱动器316H的SO输出又经由SLI总线356I连接到接口IC 351内的SLI电路364的SI输入。以此方式，SLI总线356形成起源于接口IC 351、行经每个LED驱动器IC 316A-316H(有时统称为LED驱动器IC 316)、并回到其自身的完整环路。将数据移出接口IC 350的SO管脚，同时将相等长度的位串返回到接口IC350的SI管脚中。
SLI电路364根据需要产生SLI总线时钟信号SCK。因为LED驱动器IC 316A-316H没有芯片地址，所以通过SLI总线356定时钟的位的数量与被驱动的LED驱动器IC的数量相关。可以通过修改控制SPI接口360中的数据交换的软件，或者通过对接口IC 351的硬件修改而调整通过SLI总线356定时钟的位的数量。以此方式，系统350内的通道的数量可以灵活的变化以匹配显示器的大小。经过SLI总线356移位的，即，在总线356上广播的位的数量取决于所采用的SLI总线协议以及SLI总线移位寄存器中的位的总数。例如，宽SLI总线协议需要每个双通道LED驱动器的72到88位，而前缀复用的SLI总线明显更小，例如，需要每个LED驱动器IC的固定的32位，而不管集成到每个驱动器IC中的通道的数量如何。
当使用接口IC 351内的硬件控制器来控制SLI总线通信时，修改SLI总线电路364中的寄存器以移出更少或更多的位需要在接口IC 351的制造或设计中的修改。替换的方法涉及用使用软件来调整驱动器以在菊链中容纳更少或更多的LED驱动器的可编程接口IC替代接口IC 351。
到SMPS 353的电流感应反馈包括嵌入在SLI总线356内的数字电流感应反馈或DCSFB信号。经过SLI总线356移位数据最终将此嵌入的DCSFB信号返回到接口IC 351的SLI总线电路364。以先前所述的方式，SLI总线电路364进而输出表示SLI总线356中的最低CSFB字的DCSFB字，并且D/A转换器365将该DCSFB字转换为模拟CSFB反馈电压。运算跨导放大器366然后将该CSFB反馈电压转换为线358上的电流反馈ICSFB信号，以控制SMPS 353的+VLED输出。可替换地，CSFB反馈电压本身可以被用作控制SMPS 353的反馈信号。数字地嵌入CSFB数据使系统350与图4的系统100形成对比，在该系统100中，通过模拟菊链将每个LED驱动器IC连接到接口IC需要每个驱动器IC两个专用的管脚。
在系统350中，不同于系统100中，接口IC 351仅仅生成CSFB反馈信号CSFBO或ICSFB的单个值。在需要多于一个SMPS的应用中，例如，在较大的更高电流背光照明的显示器或者具有RGB背光照明的显示器中，可以修改接口IC以输出多于一个CSFB输出电压来控制多个SMPS单元。SLI总线数据流本身携带用于独立地控制多个LED电源电压导轨所需的信息，但是接口IC需要被配置为将通道信息适当地分离以利用这样的特征。以下描述本发明的多反馈多输出实施例。
模拟和数字数据转换
再次参考图9，动态地测量跨过电流宿MOSFET 275而存在的电压并且将其用于控制SMPS 293的输出电压。尽管测量的电压和反馈信号两者包括模拟信号，但是根据本发明的SLI总线嵌入的CSFB方法包括从LED驱动器IC 272到接口IC 273的数字编码的反馈路径。这样的系统需要在LED驱动器IC 272内的模拟到数字转换以感应跨过电流宿MOSFET 275的电压，以及在接口IC 273内的数字到模拟转换以产生用于SMPS 293的反馈信号。
将模拟信号改变为数字字以及其相反情况依赖于数据转换。尽管A/D和D/A转换器的设计对于本领域技术人员是公知的，但是存在大量各种转换器，并且必须选择以达到但是基本不超过数字CSFB功能的性能需求。对负载瞬变响应太慢或者受不稳定性影响和受长稳定时间影响的数据转换器设计可能导致闪烁和不一致的显示图像，并且在极端情况下甚至可能会损坏显示器中的电子组件。相反，准确的高性能转换器对于TV市场而言通常太大并且太昂贵。
图12例示了用于在LED驱动器IC内进行的感应和数字编码的电路，其中，驱动LED串274A和274B的MOSFET 275A和275B的漏极连接上的电压被连接到CSFB电路275的正输入VinA+和VinB+，该CSFB电路275包括运算放大器。该运算放大器的输出连接到其负输入VinB-，该运算放大器用作统一增益放大器或者电压跟随器，放大器正输入VinA+和VinB+中的最负者。CSFB电路275的输出还馈送A/D转换器276的输入。注意，为了清楚，用于电流宿MOSFET275A和275B的I精确栅极驱动器电路未在图12中示出。
在CSFB电路275的一个实施例中，该运算放大器包括具有匹配的输入P-沟道MOSFET 401A、401B和401C和电流源403的差分输入。包括匹配的N沟道MOSFET 402A和402B的电流镜反映了负输入P-沟道MOSFET 401A中的电流。N沟道MOSFET 402B中的电流与P沟道MOSFET 401B和401C中的电流一起被求和，驱动包括N沟道MOSFET 404的第二放大器级以及包括电流源的有效负载405。与从其输出到负输入MOSFET 401A的负反馈一起，包括电容器406和电阻器407的补偿网络以设置放大器的零极点响应并维持在操作的整个范围的稳定性。
在操作中，存在于放大器的VinA+和VinB+输入上的最负输入比其并行的相对方更多地导通P沟道MOSFET 401B或401C，并使得放大器的输出变到MOSFET 401B和401C的两个漏极电压中的较低者。然后该输出由A/D转换器276数字化，并且在请求时被加载到SLI总线移位寄存器中。
尽管示出图12中的CSFB电路275用于双通道LED驱动器IC，但是简单地通过添加连接到匹配于MOSFET 401B和401C的P沟道MOSFET的正输入，可以集成任意数量的通道。例如，如果第三正输入连接到了P沟道MOSFET401D，则CSFB电路275将输出其三个输入值的最低者，通道A、通道B或通道C任一个。以此方式，CSFB电路275检测并输出特定LED驱动器IC中的任意电流宿MOSFET的最低漏极电压。
如之前所述，CSFB电路275确定跨过给定的LED驱动器IC内的电流宿MOSFET而存在的最低电压。此模拟电压被输入到模拟到数字转换器276。使用本领域技术人员公知的方法可以容易地实现模拟到数字转换器276。在图13中示出了4位D/A转换器276，其包括包含电阻器417A-417P(统称为电阻器417)的分压器、相应数量的模拟比较器418A-418P、稳定的参考电压源Vref 416、以及二—十进制编码BCD数字编码器420。
如所示，参考电压Vref被划分为十六个线性均匀的步长，范围从Vref的十六分之一到Vref。这十六个参考电压连接到模拟比较器418A-418P的负输入。例如，电阻器417A的更加正的端子，即，不连接到地的一侧连接到比较器418A的负输入。类似地，电阻器417G的更加正的端子连接到比较器418G的负输入，等等。到比较器418P的输入直接联系到参考电压Vref。模拟比较器418A-418P的正输入连接到A/D转换器276的输入端，该A/D转换器276又连接到CSFB电路475的输出。因为比较器418A测量串行电阻器链417的最低电压，所以其输出可以被认为是转换器的最低有效位或LSB。相反，因为比较器418P测量最高电压，即，高于Vref的输入，所以其可以被认为是A/D转换器276的最高有效位或MSB。
在操作中，由CSFB电路275输出的模拟电压与在到模拟比较器418A-418P的负输入处的十六个参考电压比较。由Vref 416供电，使用一系列电阻器417的串联串来生成各个参考电压。对于任何给定的输入电压，A/D转换器输入可能超过某些比较器上的参考电压，并且落在其他比较器上的参考电压以下。对于其中CSFB输入超过参考电压的那些比较器，相应的比较器的输出将呈现出逻辑“高”状态。对于其中参考电压超过CSFB输入的那些比较器，相应的比较器的输出将呈现出逻辑“低”状态。例如，当到A/D转换器276的输入电压仅稍微超过输入到比较器418G的参考电压时，则比较器418A-418G的所有输出将为高，并且比较器418H-418P的所有输出将仍为低。
以此方式，十六个比较器418A-418P的输出产生位的，即，“1”和“0”的唯一数字组合，其表示CSFB电路275的模拟CSFB电压输出的数字近似。比较器418A-418P的十六个输出被馈送到BCD解码器420中，BCD解码器420又输出四位二—十进制编码或BCD码，该BCD码随后被存储在采样锁存器277中以作为数字CSFB数据。BCD编码器420将比较器418输出的十六个可能的组合以一对一的对应性转换为十六个4位字。以下在表2中示出了一个可能的转换：
表2
根据需要，采样锁存器277中的4位DCSFB数据被传递到SLI总线寄存器280，随后以先前所述的方式经过SLI总线移位并进入接口IC中。包含DCSFB数据的采样锁存器277被称为“采样锁存器”，因为将模拟数据转换为数字数据的处理花费了有限的时间量，即，A/D转换不是瞬时的，使得电压数据仅以某个周期基础被“采样”。此外，如上所述，正常地不存在以明显高于帧速率的频率，即，以比Vsync频率的五倍更快的速率采样视频背光系统中的CSFB反馈电压的强制需要或益处。
在前缀复用的SLI总线的情况下，响应于用于读取DCSFB数据的相应前缀码，采样锁存器277中的DCSFB数据经过复用器278被传递到SLI总线数据寄存器280中，其中该前缀被解码并且该数据从采样锁存器被复制到SLI总线移位寄存器的数据字段中。在前缀复用的SLI总线的一个优选实施例中，其中SLI总线数据寄存器是16位宽，从LED驱动器IC产生的4位DCSFB字优选被加载到表3中所示的数据寄存器的4个最低有效位中：
表3
DCSFB采样锁存器 SLI总线数据寄存器
wxyz 0000 0000 0000wxyz
相对照，在宽SLI总线协议中，采样锁存器277中的数据直接映射到SLI总线协议中的相应的4位字，而不需要中间的复用器278。这样，每个LED驱动器IC规则地产生每个IC至少一个DCSFB字，并基于规则的周期或在请求时将该信息加载到SLI总线数据寄存器中。
因为每个驱动器IC产生其自己的表示该特定IC中的电流宿MOSFET的最低漏极电压的DCSFB信号，该接口IC必须通过数字码而分类以标识对于所有通道和驱动器IC的最低CSFB电压的值。如图14所示，存储在数字寄存器289中的此最低CSFB电压然后被D/A转换器290转换回到模拟反馈信号并且作为模拟反馈信号292而输出。D/A转换器290的电压输出，即，CSFBO可以直接用于驱动SMPS的反馈输入，或者可替换地，运算跨导放大器OAT291可以用于将此电压转换为反馈电流ICSFB。
可以使用本领域技术人员公知的方法容易地实现四位数字到模拟转换器290。图14所示的一个这样的方法是采用包括电阻器431-438的R/2R阶梯设计。每个数字输入DO-D3被偏压在处于Vcc的逻辑“高”状态，或者处于接地的逻辑“低”状态。这些输入连接到电阻器“阶梯”，产生跨过电阻器网络的电压VR。通过改变寄存器289中的二进制位组合，电阻器阶梯电压VR可以动态地变化。具体地，如果寄存器289包括4位的字，十六个可能的数字组合创建十六个唯一的等效电路，每个具有不同且唯一的VR电压。为了避免与变化的负载阻抗的相互作用，电压跟随器439缓冲阶梯输出电压。通过使用电阻器二进制加权，D/A转换器290产生数字码到模拟电压的线性单调转换。
支持多个SLI总线嵌入的CSFB信号
如之前所述，模拟电流感应反馈的限制之一是其支持多个独立的反馈信号的不灵活性。当每个系统需要多于一个SMPS时，需要多个反馈信号以支持较高的功率水平或者驱动具有不同颜色的多串LED。例如，在其中单个电源过大并且能量低效的较大的较亮的显示器中，需要产生独立的+VLED电源的两个SMPS模块。在RGB背光照明中，需要至少三个单独的电源，一个用于对红色LED串供电，一个用于对绿色LED串供电，并且另一个用于对蓝色LED串供电。在某些情况下，在RGBG背光中，采用四个电源，因为需要关于绿色LED需要两串而不是一串以实现最佳颜色平衡。不管怎样，在如今的系统中，支持具有不同的输出电压的多个电源需要将整个LED背光系统加倍或翻三倍，使得解决方案成本高、复杂且对于耦合到多个模拟反馈信号中的噪声敏感。
将SLI总线嵌入的CSFB方法修改为支持多个DCSFB信号解决了多个模拟电流感应反馈信号的有问题的方面，而除了额外的SMPS模块之外不改变BOM系统成本，不改变SLI总线架构，不改变LED驱动器IC，并且对接口IC进行最小的改变。这样，根据本发明而做出的单个背光系统能够适配为以直接的方式支持多个电源。
如图15所示，根据本发明而做出的多电源LED驱动系统450包括单个接口IC 451以及单个SLI总线菊链161，其使用对于多个DCSFB信号而适配的所公开的SLI总线嵌入的CSFB方法，利用用于每个SMPS模块的独立的反馈线452和455来控制八个LED驱动器IC 174的阵列以及两个SMPS模块453和456。以此方式，单个缩放器视频处理器IC 153和微控制器152可以从两个高电压电源而驱动分离的LED背光阵列，SMPS模块453和456的每个以对于其正驱动的LED串的最佳电压来操作。为了精确的电流匹配，所有LED驱动器IC 174A-174H共享线155上的公共Vref模拟参考电压。
在如所示的双电源背光系统450中，从被动态地调压到作为数字反馈信号DCSFB1的函数的电压的+VLED1的公共高电压电源轨454对LED串156A-156H供电。接口IC 451通过询问从LED驱动器IC 174A-174D取回的SLI总线嵌入的CSFB数据并且选择该数据流中的最低值而确定DCSFB1的值。此数字值然后被作为电压反馈信号CSFBO1或者作为电流反馈信号ICSFB1而被转换为用于控制SMPS1模块453的线452上的模拟反馈信号。类似地，被动态地调压到作为数字反馈信号DCSFB2的函数的电压的+VLED2的公共高电压电源轨457对LED串156I-156Q供电。接口IC 457通过询问从LED驱动器IC 174E-174H取回的SLI总线嵌入的CSFB数据并选择该数据流中的最低值而确定DCSFB2的值。此数字值然后被作为电压反馈信号CSFBO2或者作为电流反馈信号ICSFB2而被转换为用于控制SMPS2模块456的线455上的模拟反馈信号。
从询问经由SLI总线161I被移位到接口IC 451中的SLI总线161上的数据流，并通过到来的数据位而分类来确定构成CSFB数据的每个字的部分的接口IC 451，以及其来自于的驱动器IC而得到DCSFB1和DCSFB2数据这两者。在宽SLI总线协议的情况下，可以使用计数器或者利用可编程逻辑以确定哪个LED驱动器IC与正到达于线161I的数据有关而实现此分类功能。用于将CSFB数据编码为SLI总线协议的此方法促进控制来自每个驱动器IC嵌入一个单个的CSFB反馈信号的LED驱动器IC的多个电源。尽管驱动器IC 174不需要从先前所述并在单个电源应用中使用的诸如图6所示的系统170的那些进行修改，但是必须修改图15中的接口IC 451以询问其到来的CSFB数据，并将其解析为两个通道的反馈以便独立地控制多个电源。
将LED驱动器IC 174A-174D有关的CSFB数据与LED驱动器IC 174E-174H有关的CSFB数据分离的方法被功能性地例示在图16中。进入SLI总线移位寄存器474的SLI总线数据流473包括从八个单独的LED驱动器IC(未示出)中并且在该八个单独的LED驱动器IC内产生的八个CSFB信号473A-473H，每个驱动器IC将其自己唯一的CSFB反馈值发送到接口IC用于处理。解释到来的CSFB反馈数据的SLI总线移位寄存器474存在于如所示输出反馈信号487和488以控制两个电源的上述的接口IC内，例如，在接口IC或其等效物内。
因为包含CSFB数据472的宽SLI总线协议471不包含关于哪个驱动器IC产生了特定CSFB信号的信息，所以必须使用计数器或可编程逻辑来在数据被移位到SLI总线移位寄存器474中时标识该数据的源。在所示的例子中，从LED驱动器IC 174A-174D产生的CSFB数据字473A-473D控制电源电压SMPS1的输出电压，而从LED驱动器IC 174E-174H产生的CSFB数据字473E-473H控制电源电压SMPS2的输出电压。在结构上表示字473A-473H的每个的数据字471包括嵌入在构成非CSFB数据的位内的、表示CSFB数据的CSFB分组472。在所示的例子中，用于控制SMPS2的数据字473E到473H首先被移位到SLI总线移位寄存器474中，跟着是控制SMPS1的字。此序列是任意的并且可以在不同系统之间变化。事实上，对于控制SMPS1和SMPS2的数据的可以想到的散布，将进一步使分类处理复杂化。
为了将到来的SLI总线数据解析为不同的字473A-473H，隔离每个字中的CSFB数据分组472，并标识哪个LED驱动器IC通道发送了数据，计数器477对SCK脉冲的数量计数，并且解码器478解释对相应的数据做什么，将其从SLI总线寄存器加载到有效锁存器作为CSFB1数据、CSFB2数据或者将其丢弃。具体地，复用器475将用于通道A、B、C和D的SLI总线数据引导到比较1寄存器478，并且将用于通道E、F、G和H的数据引导到比较2寄存器479。尽管SLI总线移位寄存器474包含长度是66或88位的整个宽SLI总线协议字，但是仅4位宽的CSFB分组472被加载到比较寄存器478或479中。所有其他位被丢弃或者由接口IC内的其他寄存器和功能使用。
当通道1CSFB数据分组472已经被加载到比较1寄存器478中时，到来的数据与“最低CSFB1”寄存器480中的数据比较，仅在新数据具有在数字上较低的幅度值时盖写寄存器480数据。否则，“最低CSFB1”中的数据保持不更改。在SLI总线移位操作的完成时或者在下一Vsync脉冲时，DCSFB1数据然后被加载到有效锁存器和D/A转换器482中，并且SMPS1的输出电压改变。模拟反馈信号487可以包括电压输出CSFBO1或者电流ICSFB1，其中运算跨导放大器OTA 484将CSFBO1反馈电压转换为ICSFB1反馈电流。以类似的方式，当通道2CSFB数据472被加载到比较器2寄存器479中时，到来的数据与“最低CSFB2”寄存器481中的数据比较，并且仅在新数据具有在数字上较低的幅度值时盖写寄存器481数据。否则，“最低CSFB2”中的数据保持不更改。在SLI总线移位操作的完成时或者在下一Vsync脉冲时，DCSFB2数据然后被加载到有效锁存器和D/A转换器483中，并且SMPS2的输出电压改变。模拟反馈信号488可以包括电压输出CSFBO2或者电流ICSFB2，其中运算跨导放大器OTA 486将CSFBO2反馈电压转换为ICSFB2反馈电流。
以此方式，计数器477、解码器476、和复用器475能够解释并分类SLI总线数据流473，从每个LED驱动器IC提取SLI总线嵌入的数字CSFB信号472以经由模拟CSFB信号487和488动态地控制两个SMPS输出。通过改变解码器476并且添加额外的比较寄存器和D/A转换器，此概念可以扩展到三个或更多电源。如所示，数据流473将控制SMPS2的所有LED驱动器IC数据分组为连续的字473H-473E，跟着是控制SMPS1的所有LED驱动器IC数据，其包括顺序的SLI总线字473D-473A。在本发明的其他实施例中，用于两个或更多个SMPS模块的CSFB反馈数据可以以交替或者随机的方式散布。因此，解码器476可以包括可重配置的逻辑、场可编程门阵列或者小型微控制器核心，以便对于变化的序列灵活地适配分类过程。注意，在启动时，CSFB寄存器最初被加载有最高值。在那之后，在SLI总线数据中更新最新近的CSFB数据，永久动态地调整电源电压。
在根据本发明的一个替换实施例中，分离SLI总线嵌入的CSFB数据并将其分配到几个电源电压之一所需的信息可以被内置到协议本身。在前缀复用的SLI总线协议和硬件接口中，使用分离的前缀码提取和分配嵌入的CSFB数据的一个方法如图17所示。在此例子中，用于标识要被数字CSFB数据控制的SMPS的前缀码及其相关联的CSFB数据被嵌入在由每个LED驱动器IC产生的SLI总线数据流中。通过读取并解码该前缀码，然后接口IC能够容易地将反馈数据分配到适当的SMPS。
作为示例，SLI总线数据流493嵌入两种类型的CSFB信号，具体地，包括具有用于控制SMPS1的相应数据CSFB1的前缀码“前缀1”的SLI总线字491，以及包括对应于用于控制SMPS2的CSFB2数据的“前缀2”的SLI总线字492。在此实施例中，SLI总线数据流493包括控制SMPS2的四个字493H-493E以及控制SMPS1的四个字493D-493A。SLI总线数据流493在SCK信号的控制下顺序地被移位到SLI总线串行移位寄存器494中，由此前缀码由前缀解码器495解释，并且复用器496引导该数据到适当的功能锁存器。
在前缀码标识CSFB1数据的情况下，前缀解码器495指导复用器496将CSFB数据从SLI总线寄存器494的数据字段加载到“比较1”寄存器478，如所示包括用于LED驱动器IC A、B、C和D的CSFB数据。比较1功能478然后仅在SLI总线494中的到来的数据具有比当前存在于“最低CSFB1”寄存器480中的数据更低的数字幅度时才盖写最低CSFB1锁存器480中的数据，否则寄存器480中的数据保持不改变。在SLI总线数据流493中的所有字被移位到SLI总线移位寄存器494中并且被解释之后，“最低CSFB1”寄存器480中的数据表示CSFB1数据的当前数字表示，即，DCSFB1。此时或者与下一Vsync脉冲同步地，DCSFB1数据被复制到有效锁存器和D/A转换器482中，产生包括电压输出CSFBO1的模拟反馈输出486或者在被OTA484转换后的电流输出ICSFB1。
以类似的方式，当前缀码标识CSFB2数据的情况下，前缀解码器495指导复用器496将CSFB数据从SLI总线寄存器494的数据字段加载到比较2寄存器479，如所示包括用于LED驱动器IC E、F、G和H的CSFB数据。比较功能479然后仅在SLI总线494中的到来的数据具有比当前存在于“最低CSFB2”寄存器481中的数据更低的数字幅度时才盖写“最低CSFB2”锁存器481中的数据，否则寄存器481中的数据保持不改变。在SLI总线数据流493中的所有字被移位到SLI总线移位寄存器494中并且被解释之后，最低CSFB2寄存器481中的数据表示CSFB2数据的当前数字表示，即，DCSFB2。此时或者与下一Vsync脉冲同步地，DCSFB2数据被复制到有效锁存器和D/A转换器483中，产生包括电压输出CSFBO2的模拟反馈输出487或者在被OTA485转换后的电流输出ICSFB2。
在所示的例子中，被移位到SLI总线移位寄存器494中的前四个字是与SMPS2的控制相关联的字，即，LED驱动器IC H、G、F和E，跟着是控制SMPS1的四个字，按照如同LED驱动器IC D、C、B和A那样的顺序。但是，利用前缀复用的SLI总线，数据流不限于特定序列。而是，数据序列可以在任何交替的或随机的序列中混合用于SMPS1和SMPS2的反馈数据。此外，使用对于每个CSFB信号不同的前缀码，可以将任意数量的CSFB信号嵌入到SLI总线数据流中。
例如，格式可以容易地适配为支持符合驱动RGB背光照明系统的三个电源，或者支持在RGBG或RGBY背光照明方法中有用的四个单独的反馈信号。RGBG背光照明解决方案采用由一个SMPS供电的红色LED串、由另一个SMPS供电的蓝色LED串、以及由两个SMPS模块供电的两倍数量的绿色LED串，以便补偿当今的绿色LED的较低亮度。在RGBY背光照明中，包括黄色LED，以扩展色温的范围。在其中使用RGB、RGBG或RGBY来产生实际图像而不是产生白色背光的标志图样应用中也可以使用相同的系统。
总言之，图17示出的是，可以使用单独的前缀码来将多个不同的CSFB信号嵌入到SLI总线数据流中以产生对于管理多个电源而不需要模拟反馈网络的灵活解决方案。替换的方法是将高达四个CSFB信号嵌入到单个前缀复用的SLI总线字的数据字段中，将一个16位的SLI总线数据字段划分为四个CSFB4位“元组”。将CSFB数据嵌入到SLI总线协议中的这种替换方法例示在图18中，其中使用32位前缀复用的或者“窄的”ZLI总线协议的一个SLI总线字501包括16位前缀码502E以及四个4位CSFB信号502A-502D。
在SLI总线字501的数据字段中，CSFB1字502A包括：在SLI总线数据字段中的四个最低有效位，位0到3；CSFB2字502B包括：在SLI总线数据字段中的接下来四个较高有效位，位4到7；CSFB3字502C包括：SLI总线数据字段中的接下来四个更高有效位，位8到11；以及CSFB4字502D包括：SLI总线数据字段中的四个最高有效位，位12到15。
前缀解码器502解码前缀502E，其指示复用器504以将所有四个CSFB字502A-502D传输到比较寄存器505中。比较寄存器505然后将SLI总线中的4位CSFB数据502A与最低CSFB寄存器506中的CSFB1数据比较，仅在502A中的新数据较低时才盖写寄存器506中的数据。比较寄存器505同时比较SLI总线中的4位CSFB2数据502B与最低CSFB寄存器560中的CSFB2数据，并且仅在502B中的新数据较低时才盖写寄存器506中的数据。同时期地，比较功能505比较502C中的数据与“最低CSFB”寄存器506中的CSFB3数据，并且比较502D中的数据与“最低CSFB”寄存器506中的CSFB4数据。在数据被移位到串行移位寄存器501中之后，“最低CSFB”寄存器506包含最当前的CSFB值。
寄存器506内的数据然后被用于实时地或者与下一Vsync脉冲同步地使用D/A转换器507A-510以及跨导放大器511-514来产生CSFB反馈输出511-518。寄存器506中的四个最低有效位表示由D/A转换器507和OTA 511处理以产生用于控制SMPS1的CSFB01和ICSFB1输出的DCSFB1数据。类似地，在连续的4位组合中，寄存器506包含用于控制SMPS2的DCSFB2数据、用于控制SMPS3的DCSFB3数据、以及用于控制SMPS4的DCSFB4数据。如以根据本发明做出的方式所述，SLI总线501中的一个多CSFB指令独立地动态实时控制高达四个SMPS输出电压。
独立地控制三个SMPS输出的多CSFB嵌入的SLI总线的应用例示在图19中，由此SLI总线数据流523包括九个SLI总线字523I-523A的序列，每个遵循由前缀复用的SLI总线字521表示的四倍CSFB协议，其具有相应的数据字段“wxyz”。用于CSFB1的数据被编码在SLI总线字523G、523D和523A的四个最低有效位中，而剩余的位表示可能的最高数字值，即，二进制的1111或十六进制的“F”。SLI总线字523G、523D和523A中的数据因此包括以格式[11111111 1111wxyz]的16位二进制字。
以类似的方式，用于CSFB2的数据被编码在SLI总线字523H、523E和523B的接下来四个较高有效位中，而剩余的位表示可能的最高数字值，即，二进制的1111。SLI总线字523H、523E和523B中的数据因此包括以格式[11111111wxyz 1111]的16位二进制字。用于CSFB3的数据被编码在SLI总线字523I、523F和523C的接下来四个较高有效位中，而剩余的位表示可能的最高数字值，即，二进制的1111。SLI总线字523I、523F和523C中的数据因此包括以格式[1111wxyz 1111 1111]的16位二进制字。如所示，SLI总线数据流523中的字不包含CSFB4数据，因此其仍然处于最高电压DCSFB值1111。
SLI总线数据523串行地被移位到SLI总线移位寄存器524中，一旦被四倍解码器525解码，就指示复用器526将适当的4位元组从SLI总线数据521分别写到“比较”寄存器527、528和529中，其中，CSFB1被加载到比较1寄存器527中，CSFB2数据被加载到比较2寄存器528中，CSFB3数据被加载到比较1寄存器529中，以用于随后在模拟反馈信号539-541中的转换。如所示，CSFB4数据不被加载到任何比较寄存器中，因此不影响任何SMPS输出。这样的三个输出解码可应用于RGB背光照明应用。
一个可能的RGB背光示出在图20中，其中LED驱动器IC 562A、562D和562G控制和提供用于SMPS1 554的CSFB反馈信号564之一，以电源轨557上的电压+VLED1对红色LED串560A、560B、560G、560H、560M和560N供电；其中LED驱动器IC 562B、562E和562H控制和提供用于SMPS2 555的CSFB反馈信号564之一，以电源轨558上的电压+VLED2对绿色LED串560C、560D、560I、560J、560P和560Q供电；以及其中LED驱动器IC 562C、562F和562I控制和提供用于SMPS3 556的CSFB反馈信号564之一，以电源轨559上的电压+VLED3对蓝色LED串560E、560F、560K、560L、560R和560S供电。
所有三个CSFB信号被数字地嵌入到包括SLI总线563A-563J的单个SLI总线菊链中，并且被接口IC 551转换为单独的模拟反馈信号564，促进响应于来自μC552和缩放器IC553的指令对红色、绿色和蓝色LED电源电压+VLED1、+VLED2和+VLED3的动态控制。
在系统550中，每个LED驱动器IC驱动具有相同颜色的两串LED，并且输出单个CSFB值。在图21所示的替换实施例中，每个LED驱动器IC 612控制三个不同的LED串，即，一个红色、一个绿色和一个蓝色LED串，并且输出三个不同的CSFB信号。具体地，LED驱动器IC 612A分别控制红色、绿色和蓝色LED串610A、610B和610C，LED驱动器IC 612B分别控制红色、绿色和蓝色LED串610D、610E和610F，等等。此菊链中的最后的LED驱动器IC，即，驱动器612F分别控制红色、绿色和蓝色LED串610Q、610R和610S。每个驱动器IC 612输出用于红色、绿色和蓝色反馈和数字地嵌入在SLI总线613中的电源控制的其自己的CSFB3、CSFB2和CSFB1反馈值。
接口IC 601解释由SLI总线菊链613携带的嵌入的CSFB数据，并且输出三个单独的模拟反馈信号614以动态地控制SMPS1模块604、SMPS2模块605、和SMPS3模块606，以产生具有相应的电压+VLED1、+VLED2和+VLED3的动态调整的输出607、608和609。以此方式，缩放器IC603、μC602、接口IC 601以及六个驱动器IC 612形成具有使用SLI总线控制对十八个LED串的独立的动态控制而不需要多个模拟反馈环路的动态可调的背光系统。
对于要嵌入在驱动器IC内的多于一个CSFB信号，必须在LED驱动器IC内产生多于一个CSFB信号。图22例示了八通道LED驱动器IC651，其集成了：八个电流宿DMOSFET 653A-653H、四个独立的CSFB检测电路654A-654D、四个单独的A/D转换器，其导致嵌入四个单独的CSFB信号CSFB1-CSFB4的16位SPI总线字670，其中，所述四个单独的CSFB信号CSFB1-CSFB4提供对四个不同的SMPS输出电压+VLED1-+VLED4的独立的反馈控制。
在操作中，LED串652A和652B中的电流产生跨过电流宿DMOSFET653A和653B的感应电压。CSFB电路654A然后确定这两个电压中的哪个较低，并将较低的电压输出到A/D转换器655A，将模拟反馈数据转换为4位数字字CSFB4。类似地，LED串652C和652D中的电流产生跨过电流宿DMOSFET 653C和653D的感应电压。CSFB电路654B然后确定这两个电压中的哪个较低，并将较低的电压输出到A/D转换器655B，将模拟反馈数据转换为4位数字字CSFB3。同样，来自LED串652E和652F的电压反馈确定由A/D转换器655C输出的CSFB2的数字值，并且来自LED串652G和652H的电压反馈确定由A/D转换器655D输出的CSFB1的数字值。
CSFB4数据被存储在采样锁存器666的四个最高有效位中，CSFB3占据接下来四个较低有效位，CSFB2占据接下来四个较低有效位，CSFB1填充采样锁存器666的四个最低有效位。当由前缀解码器667A和前缀码669P指示这样做时，来自预加载锁存器666的所有16位数据经过复用器667B被复制到SLI总线移位寄存器5658的数据字段669D中。此数据字段由此不包含一个而是包含四个独立的4位CSFB字CSFB4到CSFB1，如数据集670所示。
这些CSFB信号在被移位到接口IC中之后最终以图18所述的方式设置+VLED4到+VLED1电源的相应电压输出。四个CSFB信号在其中两组绿色LED串由分离的SMPS电压供电的RGBG背光中是有用的。可替换地，不需要使用所有16位。例如，在RGB应用中，可以去除A/D转换器655A，并且可以使用采样锁存器666的12个最低有效位来控制三个单独的电源，例如用于红色LED串的+VLED3、用于绿色LED串的+VLED2、以及用于蓝色LED串的+VLED1。通过删除具有电流宿MOSFET 652A和652B的未使用的CSFB 654A，并且还删除不需要的MOSFET电流宿652D、652F和652H以实现三个CSFB、三通道LED驱动器IC，这样的方法与图21所示的系统示例一致。

Claims (16)

1.一种用来控制向多个发光二极管串供电的电源的集成电路，所述集成电路包括：
与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收多个数字值，并且从所述多个数字值中识别出最低数字值，多个数字值的每个与所述多个发光二极管串的一个发光二极管串的一端处的电压电平对应；以及
与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述最低数字值转换成控制信号并且将所述控制信号提供给所述电源以调整所述电源的输出电压，所述转换器包含数字到模拟转换器和运算跨导放大器，所述模拟转换器被配置为将所述最低数字值转换成模拟电压信号，所述运算跨导放大器耦合到所述模拟转换器并且被配置为将所述模拟电压信号转换成模拟电流信号并将所述模拟电流信号提供给所述电源。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述接口电路包含输出端子，其与菊链式耦合的所述多个串行移位寄存器的第一串行移位寄存器的输入耦合。
3.如权利要求2所述的集成电路，其中所述接口电路进一步包含输入端子，其与菊链式耦合的所述多个串行移位寄存器的最后一个串行移位寄存器的输出耦合。
4.如权利要求1所述的集成电路，其中所述接口电路进一步被配置为生成时钟信号来控制所述多个串行移位寄存器的操作。
5.如权利要求1所述的集成电路，进一步包括用来与主机微控制器通信的串行外围接口。
6.一种用来控制向多个发光二极管串供电的电源的集成电路，所述集成电路包括：
与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收多个数字值，并且从所述多个数字值中识别出最低数字值，多个数字值的每个与所述多个发光二极管串的一个发光二极管串的一端处的电压电平对应，所述接口电路包含存储数字值的寄存器和比较器，所述比较器与所述存储数字值的寄存器耦合并且被配置为比较来自所述多个串行移位寄存器的传入数字值和存储在所述存储数字值的寄存器中的数字值以识别出较低数字值；以及
与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述最低数字值转换成控制信号并且将所述控制信号提供给所述电源以调整所述电源的输出电压。
7.如权利要求6所述的集成电路，其中所述接口电路进一步被配置为响应于所述传入数字值低于存储在所述存储数字值的寄存器中的数字值，用所述传入数字值替换存储在所述存储数字值的寄存器中的数字值。
8.如权利要求6所述的集成电路，其中所述转换器包括数字到模拟转换器，其被配置为将所述最低数字值转换成模拟电压信号。
9.如权利要求8所述的集成电路，进一步包含运算跨导放大器，其耦合到所述模拟转换器并且被配置为将所述模拟电压信号转换成模拟电流信号并且将所述模拟电流信号提供给所述电源。
10.如权利要求6所述的集成电路，其中所述接口电路进一步包括输出端子，其与菊链式耦合的所述多个串行移位寄存器的第一串行移位寄存器的输入耦合。
11.如权利要求10所述的集成电路，其中所述接口电路进一步包括输入端子，其与菊链式耦合的所述多个串行移位寄存器的最后一个串行移位寄存器的输出耦合。
12.如权利要求6所述的集成电路，进一步包括用来与主机微控制器通信的串行外围接口。
13.一种用来控制分别向第一多个发光二极管串和第二多个发光二极管串供电的第一电源和第二电源的集成电路，所述集成电路包括：
与菊链式耦合的多个串行移位寄存器耦合的接口电路，所述接口电路被配置为从所述多个串行移位寄存器接收第一多个数字值，从所述多个串行移位寄存器接收第二多个数字值，从所述第一多个数字值中识别出第一最低数字值，并且从所述第二多个数字值中识别出第二最低数字值，所述第一多个数字值的每个与所述第一多个发光二极管串的一个发光二极管串的一端处的电压电平对应，所述第二多个数字值的每个与所述第二多个发光二极管串的一个发光二极管串的一端处的电压电平对应，所述接口电路包含被配置为存储第一数字值的第一寄存器和存储第二数字值的第二寄存器，所述接口电路被配置为比较所述第一多个数字值的第一传入数字值和存储在所述第一寄存器中的第一数字值，以识别第一较低数字值，并且比较所述第二多个数字值的第二传入数字值和存储在所述第二寄存器中的第二数字值，以识别第二较低数字值；以及
与所述接口电路耦合的转换器，所述转换器被配置为将所述第一最低数字值转换成第一控制信号，将所述第二最低数字值转换成第二控制信号，将所述第一控制信号提供给所述第一电源以调整所述第一电源的输出电压，并且将所述第二控制信号提供给所述第二电源以调整所述第二电源的输出电压。
14.如权利要求13所述的集成电路，其中所述接口电路进一步被配置为响应于所述第一传入数字值低于存储在所述第一寄存器中的第一数字值，用所述第一传入数字值替换存储在所述第一寄存器中的第一数字值。
15.如权利要求13所述的集成电路，其中所述接口电路进一步被配置为响应于所述第二传入数字值低于存储在所述第二寄存器中的第二数字值，用所述第二传入数字值替换存储在所述第二寄存器中的第二数字值。
16.如权利要求13所述的集成电路，其中所述第一多个发光二极管串具有第一颜色并且所述第二多个发光二极管串具有不同于所述第一颜色的第二颜色。
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