CN111034359B - 用于led驱动器电路系统的输出级的电流控制器 - Google Patents

用于led驱动器电路系统的输出级的电流控制器 Download PDF

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Abstract

一种用于发光二极管(LED)驱动器电路系统的输出级的电流控制器，该电流控制器包括电流源，该电流源建立可用于一组通道的每个构件的标称电流量。标称电流量基于例如期望亮度水平。脉冲宽度调制(PWM)电路系统电耦合到电流源，并且被配置为控制将调节后的电流量施加到该组LED的对应构件的持续时间。补偿电路系统电耦合到电流源和PWM电路系统。补偿电路系统包括一组开关元件，以用于基于表示负载阻抗变化与寄生条件(LIVPC)和过程、电压与温度(PVT)条件中的一者或两者的反馈，为该组LED中的每个对应构件调节标称电流量，并且因此将调节后的电流量提供到PWM电路系统。

Description

用于LED驱动器电路系统的输出级的电流控制器
相关申请
本申请要求2017年8月30日提交的美国临时专利申请No.62/552,316的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开的领域总体涉及用于驱动发光二极管(LED)显示面板的技术，并且更具体地涉及调节施加到每个LED的电流量。
背景技术
图1示出简化的LED显示器100，其包括布置成形成m×n显示矩阵的LED阵列110。开关电路系统112(诸如FPGA的晶体管)建立n条扫描线(行)，其中因为在本示例中存在三个开关(SW[1]-SW[3])，所以n等于3。同样，模拟输出级120限定m个通道(列)，其中因为存在三个电流源以向三个通道(CH[1]-CH[3])提供电流，所以m等于3。电流源被示出为单通道驱动器，但是其他实施例可以包括多通道驱动器。
为了点亮定位在列和行的相交处的LED，一旦扫描线的开关(SW)被致动，则通道的电流源供应流过LED的电流。对于视觉内容的时分复用显示，可以有零到m个通道被提供电流，同时一次刷新一条扫描线。对于给定的扫描，控制电流以改变LED的亮度。通常，递送到LED的电流量越大，产生的亮度就越高。为了递送电流达精确持续时间(例如，当与其他LED形成颜色组合时)，其被视为调光，采用脉冲宽度调制(PWM)调光以快速接通和断开电流。
LED的性能特性之一是在其对应的扫描开关被致动后需要时间将其点亮(等待时间)。与预期或标称等待时间的偏差是由LED显示器以及相关联的电路系统中的各种组件导致的，由于组件的规模和密度，这些组件在LED装置之间引入负载变化。负载变化例如可归因于过程、电压与温度(PVT)的变化，以及LED在其操作期间可能遭受的负载阻抗变化与寄生条件。例如，阻抗差异起因于迹线、通孔、交叉连接、噪声和引入印刷电路板(PCB)上普遍存在的寄生电容的其他特征的差异。更具体地，从输出级的不同输出端子的角度来看，每个LED经受不同量的电容(寄生条件)。同样，不同的扫描线选择在同一通道上建立不同的电容。这种寄生电容被建模为图1所示的电容器Cw(LED驱动器输出的电容阻抗，包括封装贡献)；电容器Ctrace(PCB的电容阻抗，包括通孔和迹线弯曲)；电容器CL(跨LED组件的电容阻抗)；和电容器Cs(开关元件的电容阻抗，例如，以FPGA或控制逻辑实现)。
负载变化使得以精确的电流可预测地驱动LED变得具有挑战性，因为除了向LED供应电流之外，其电流源还将对电耦合到LED的寄生电容充电。因此，实际施加到LED的电流波动引入噪声、视觉伪像，并且有时损害核心装置功能。例如，电流波动导致LED亮度的不良变化。
发明内容
本发明人已经认识到需要改进用于调节恒定电流源的技术，以考虑到PVT考虑因素、PCB寄生效应以及影响电流的其他异常，并且通常涉及负载阻抗变化与寄生条件(LIVPC)。因此，本公开涉及用于补偿这些影响的方法、装置和系统，从而甚至为低亮度水平下显示的视觉内容提供更一致的LED亮度。
在模拟输出电路系统(或更一般地，LED驱动器电路系统的输出电路、结构或级)中采用电流补偿电路，以便对实际施加到(一个或多个)LED的电流提供精细调节。这样的调节可以通过来自校准例程的反馈静态缩放，或者可以使用从高速感测电路系统获得的反馈动态缩放。例如，为了补偿负载的变化，动态地补充供应到由一个或多个LED形成的每个像素的电流。因此，本公开基于先前校准数据和动态评估的负载变化中的一者或两者的形式的反馈优化电流量。
根据一些实施例，补偿电路包括控制器，该控制器生成致动开关的一组数字控制信号，该开关为每个LED提供施加到LED的可控制量的补充电流。该量与一次(即恒定)电流成比例，并且被配置为补偿PVT条件的变化以及由于阻抗变化和寄生引起的变化，从而改善瞬态响应。在一些实施例中，可选的监视电路被配置为跟踪LED的操作，并且作为响应，生成表示PVT的变化以及LED可能遭受的负载阻抗变化与寄生条件的控制信号。
因为设计补偿网络可能复杂，所以具有集成反馈或其他控制拓扑的LED驱动器电路系统有助于以损失设计灵活性为代价，最小化设计时间和电流补偿的复杂性。因此，在描述能够由呈现视觉内容的LED驱动器电路系统的输出级所执行的补偿功能时，与传统的输出设计方法相比，本公开提供减小的设计复杂度和布局面积的损失。因此，在本公开中所描述的技术提供具有减小的设计复杂度和布局面积的改进的输出电路。
根据一个实施例，用于发光二极管(LED)驱动器电路系统的输出级的电流控制器限定一组通道，电流通过该组通道沿着可致动的扫描线可控地递送到一组LED，该电流控制器包括：电流源，其建立对于该组通道的每个构件可用的标称电流量，该标称电流量基于期望亮度水平；脉冲宽度调制(PWM)电路系统，其电耦合到电流源并且被配置为控制将调节后的电流量施加到该组LED的对应构件的持续时间；以及补偿电路系统，其电耦合到电流源和PWM电路系统，该补偿电路系统包括一组开关元件，以基于表示负载阻抗变化与寄生条件(LIVPC)和过程、电压与温度(PVT)条件中的一者或两者的反馈，针对该组LED的每个对应构件调节标称电流量，并且因此将调节后的电流量提供到PWM电路系统。
在另一个实施例中，补偿电路系统包括补偿参数存储装置，以用于为每个LED存储表示调节量(例如，表示正电流量和负电流量之间的范围)的值，通过该值以调节标称电流量。在又一个实施例中，该值中的每个值包括多个位，多个位中的每个位指示一组开关元件的不同构件的状态。
在又一个实施例中，补偿电路系统包括补偿参数控制器，以基于存储在补偿参数存储装置中的值生成与该组开关元件相对应的一组数字信号。
从下面参考附图进行的实施例的详细描述中，其他方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出根据现有技术的LED显示器的高级电气示意图。
图2是根据一个实施例的包括LED驱动器电路系统的输出电路的高级框图。
图3是根据一个实施例的更详细示出图2的输出电路系统的补偿电路系统的框图。
图4是根据一个实施例的补偿过程的流程图。
图5是根据一个实施例的示出适用于在图3的补偿电路系统中使用的控制器的组件的框图。
图6是示出32位参数如何表示施加到图3的补偿电路系统的可编程电流补偿器的开关致动信号的框图。
具体实施方式
技术人员最初理解，LED驱动器电路系统除其他外可以包括PWM控制器、系统控制器、扫描线开关电路系统(例如FPGA)、(一个或多个)时钟源和(模拟或混合信号)输出级。取决于实施方式，两个或更多个前述组件可以被包括在公共集成电路(IC)中，该公共集成电路通常被称为LED驱动器IC。例如，一些LED驱动器IC包括PWM控制器、时钟源和输出级，在这种情况下，系统控制器和FPGA可作为单独的IC使用，以形成控制LED阵列的系统。然而，为简洁起见，本公开更多地集中在对LED驱动器电路系统的输出级的改进。有关LED驱动器电路系统的其他组件的附加详细信息，请参见其他专利文件，包括先前由平面系统公司(PlanarSystems，Inc.)提交的文件。
对于示例颜色(例如，红色、绿色或蓝色)，图2示出输出级200，其包括参考电流源210、电流控制器212和经受LIVPC的LED阵列214。另外，LIVPC也可以指PVT影响，但这两者有时被称为不同的特征。
参考电流源210包括带隙电压参考220，该带隙电压参考220用于偏置晶体管装置，以建立PVT补偿的电流参考222，该PVT补偿的电流参考222通过补偿IC至IC变化的电熔丝224是可调节的。为简洁起见，无需描述参考电流源210的附加细节，并且技术人员将理解，参考电流源具有使用p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管装置和n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管装置的许多特定设计的实施方式，p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管装置和n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管装置使用互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺形成。然而，本公开不限于这样的晶体管装置或特定的制造工艺。同样，以不同于图1中的方式(公共阴极、公共阳极或另一类型的LED阵列)布置的LED将具有相似的阻抗和负载寄生形式，并且可以类似地受益于本公开中所描述的实施例。
电流控制器212包括公共电流源装置230，该公共电流源装置230建立对所有n个通道(例如，所有16个红色通道)公共的可用电流量。根据一个示例，公共电流源装置230对颜色为红色的所有LED(即，所谓的红色通道)施加预定电流，该预定电流等于从参考电流源210可用的最大电流量的一部分。例如，公共电流源装置230可以包括(一个或多个)电流镜、(一个或多个)数模转换器(DAC)或基于外部电阻器232或其他调节装置提供特定颜色恒定电流量的其他电路系统。换句话说，恒定电流源具有技术人员所理解的建立标称电流量的各种实施方式，其中该标称电流量是增益可调的以适应系统范围期望亮度水平的变化。例如，对于颜色为红色的LED，期望亮度水平的标称电流量可能是20毫安(mA)。尽管每个LED具有不同的LIVPC，但标称电流量仍应对通道中的每个LED保持一致。
为了补偿不同的LIVPC，电流控制器212包括针对每个通道的补偿电路系统240，以将标称电流量调节(例如，获得(source)或流失(sink))可控制的量，否则该标称电流量可用于每个通道的PWM电路系统242。然后，可用于通道中的PWM电路系统242(以及因此被致动的扫描线上的对应PWM控制的LED)的实际电流量可以被称为调节后的电流量(或简称为调节后的电流)。
在一些实施例中，补偿电流的可控量(或简单地，补偿电流)可控制地将标称电流量(或简单地，标称电流)调节最大量的约±7.75％(例如，与最大亮度下的电流成比例)或标称量(例如，与选定亮度下的电流成比例)，以便抵消LIVPC，尤其是在低亮度设置中。例如，如果LED由于例如其迹线长度比LED的那些长而经受相对较大量的寄生电容，则补偿电流补充标称电流，否则标称电流会在PWM调制期间施加到LED。从而，补偿电流通过更快地向上述寄生充电减少等待时间。
根据以下操作模式中的一种或多种对标称电流进行调节：PVT调节；LIVPC调节；和反馈调节。在这三种操作模式中，后两种是动态的，并且第一种(PVT调节)是在加电期间施加的，并且无需动态施加。稍后结合图6描述模式。
图3更详细地示出补偿电路系统240的示例。可编程电流补偿器300包括一组开关元件310，该一组开关元件310基于来自补偿参数控制器(例如数字逻辑装置)314的数字控制信号被致动。每个开关元件310可以包括单个晶体管、多个晶体管或将可编程电流补偿器300配置为充当电流源、电流沉或抑制或增强可用于LED的标称电流量的另一类型的装置的其他类型的电路系统。技术人员将理解，具有开关元件阵列的可编程电流补偿器300仅是示例，并且可编程电流补偿器300可以通过本文未说明的其他方式和方法实施。
在图3的示例中，每个开关元件被致动以向标称电流量供应增量的补偿电流量或从标称电流量流失增量的补偿电流量。如果一半的开关元件被致动以获得补充电流，而另一半的开关元件没有被驱动，则标称电流没有变化。如果所有的开关元件均被驱动以获得电流，则标称电流增加约7.75％。如果没有一个开关元件被驱动以获得电流，则标称电流降低约7.75％。换句话说，如果一组32个并联开关元件310可用于可编程电流补偿器300中，则16个的第一子集可能会抵消16个的第二子集，因为开关元件的每个输出节点都连接到通道中的对应节点，并且对应节点提供标称电流的增量部分。前述连接通过模拟电路系统调节那些增量部分，使得来自可编程电流补偿器300的总净贡献等于根据指定百分比范围(例如，±7.75％)提供的补偿电流。
控制器314基于补偿参数(例如，参见图6)、可选的动态反馈和可选的配置设置产生数字控制信号，该可选的配置设置识别是动态反馈还是补偿参数将用于生成数字控制信号。补偿参数被存储在存储器(例如，SRAM)320或其他机器可读装置中。如前所述，补偿参数是从每个特定LED的存储装置中提取的，并且被用于执行标称电流量的动态调节。
为了即使PVT差异也提高显示均匀性，补偿参数可以在上电后和PCB上的组件的系统配置期间被存储，并且在操作期间被使用以解决PVT差异。例如，图4示出用于准备存储的参数(存储在图3的存储器320中)的示例过程400。
最初，将显示器设置410为低系统范围亮度设置，以准备校准。发明人目前相信，在低亮度设置下显示器的亮度变化反映PVT变化，PVT变化表现为在其最大亮度的2％至5％下操作的芯片之间观察到的输出变化和不一致。这些可见的和可测量的亮度变化也部分地反映负载阻抗变化和杂散寄生电容。因此，最大亮度的2％至5％是此调节的合适目标，然而，也可以使用最大亮度的其他百分比。当屏幕上的像素包含三种不同的颜色时，每种颜色可以分别进行校准。
如本领域技术人员所理解的，在常规的校准过程中，使用相机对屏幕进行校准420，以用于高亮度校准。例如，在高亮度显示上执行常规的校准过程以通过存储用于控制器的校准参数来控制亮度效率的变化，该控制器调节PWM矢量以驱动LED。然而，根据本公开，在低亮度下使用类似的校准例程以确定结合图3的可编程电流补偿器300使用的不同的校准参数。如本文所使用的，术语低亮度是指最大亮度的约2％至约5％的范围。
校准的参数被归一化和装箱(binned)430，使得奇数值和超出范围的值被丢弃，并且调节范围落入较小数量的调节，这对于处理和片上存储需求是可管理的。
归一化的值被存储440在LED驱动器的嵌入式存储器中。低亮度校准参数可以被存储为矢量，如稍后参考图6示出和描述的。
通过在例如控制器314的配置寄存器中设置适当的位，激活LIVPC补偿450。
图5示出根据一个实施例的适合与控制器314一起使用以执行LIVPC(和PVT)补偿架构的动态反馈系统500。例如，可选的动态反馈电路系统510包括在每个LED的低压侧上的感测电阻器514。使用运算放大器的其他组件，电阻器514两端的电压然后可以被用作检测信号，并且输入到模数转换器(ADC)516中。当以低亮度驱动LED显示器时，ADC 516生成数字输出信号，该数字输出信号反映关于针对LED显示器中的每个LED所感测到的实际电流的动态信息。在一些实施例中，在每个LED的阳极侧或阴极侧的感测信号是可访问的。在一些实施例中，ADC 516将感测信号转换为多位宽的数字输出信号，该数字输出信号被用于在比较块520中与从存储装置中提取的补偿参数进行比较。取决于其配置，比较器520输出两个比较的数字值中的较高(或较低)值，如参考稍后描述的反馈调节模式所解释的。
图6示出如何使用补偿参数以控制由可编程电流补偿器(图3，300)提供的补偿电流的图600。例如，基于外部电阻器的值以及ADC值的进一步编程，限定可编程电流补偿器的中心点。中点设置可以被包括在存储于存储器320中的LIVPC参数中。
PVT调节允许最终设置从中心点细微调节。这些调节产生新的调节后的中心点(ACP)，该新的调节后的中心点进一步用于基于LIVPC(动态)反馈的正负调节。PVT调节与跨不同LED驱动器装置的PVT变化有关，并且是装置之间的恒定电流输出的可观察到的芯片间变化的主要因素。因此，PVT调节模式例如通过略微调节在可编程电流补偿器中致动的开关元件的默认数量以提供对补充电流的相对精细的调节。
LIVPC调节是基于对每个LED的参数存储值(被包括在LIVPC存储器320中存储的LIVPC参数中)所提供的反馈，对ACP进行动态调节。这些调节提供将ACP调节很小(例如1/32)以适应PCB上负载阻抗变化与寄生效应的差异的功能。LIVPC调节可以是PVT调节的补充。如前所述，通道可以包括32个节点以共同递送标称电流，并且那些节点耦合到32个并联开关元件，该32个并联开关元件抑制或增强从一些或所有对应节点流出的增量电流。来自32个开关元件和32个节点的结果是调节后的电流量可用于LED。
如果选择反馈调节模式，则动态反馈系统500的比较器520(图5)动态比较输出的监视值，并且将该监视值与存储值进行比较，并且基于标尺的编程值标定差值。
技术人员将理解，可以在不脱离本发明的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。例如，电流控制器212(图2)可以包括现在已知或将来可以被开发以生成前述调节后的电流的任何装置或电路。例如，电流控制器212可以包括以下装置，诸如比较器、放大器、振荡器、计数器、频率发生器、斜坡电路和发生器、数字逻辑、模拟电路、专用集成电路(ASIC)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、状态机、数字逻辑、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂逻辑装置(CLD)、计时器集成电路、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)和其他电路系统。术语电路和电路系统是指执行一个或多个软件或固件程序、组合逻辑电路或提供所描述功能的其他合适的硬件组件的ASIC、电子电路、处理器(共享、专用或成组)或存储器(共享、专用或成组)，可以是这些ASIC、电子电路、处理器(共享、专用或成组)或内存器(共享、专用或成组)的一部分，或者包括这些ASIC、电子电路、处理器(共享、专用或成组)或内存器(共享、专用或成组)。在一些实施例中，电路系统可以在一个或多个软件或固件模块中实施，或者与电路系统相关联的功能可以由一个或多个软件或固件模块实施。在一些实施例中，电路系统可以包括至少部分地以硬件实现的逻辑。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书确定。

Claims (10)

1.一种用于发光二极管驱动器电路系统即LED驱动器电路系统的输出级的电流控制器，所述电流控制器限定一组通道，电流通过所述一组通道沿着可致动的扫描线可控制地递送到一组LED，所述电流控制器包括：
电流源，其建立可用于所述一组通道的每个构件的标称电流量，所述标称电流量基于期望亮度水平；
脉冲宽度调制电路系统即PWM电路系统，其电耦合到所述电流源并且被配置为控制将调节后的电流量施加到所述一组LED的对应构件的持续时间；以及
补偿电路系统，其电耦合到所述电流源和所述PWM电路系统，所述补偿电路系统包括一组开关元件，以基于表示负载阻抗变化与寄生条件即LIVPC和过程、电压与温度条件即PVT条件中的一者或两者的反馈，针对所述一组LED中的每个对应构件调节所述标称电流量，并且因此将所述调节后的电流量提供到所述PWM电路系统。
2.根据权利要求1所述的电流控制器，其中所述补偿电路系统包括补偿参数存储装置，以用于为每个LED存储表示用于调节所述标称电流量的调节量的值。
3.根据权利要求2所述的电流控制器，其中所述值中的每个值包括多个位，所述多个位中的每个位指示所述一组开关元件的不同构件的状态。
4.根据权利要求2所述的电流控制器，其中所述补偿电路系统包括控制器，所述控制器基于存储在所述补偿参数存储装置中的值生成与所述一组开关元件相对应的一组数字信号。
5.根据权利要求2所述的电流控制器，其中所述调节量在所述标称电流量的正最大百分比与负最大百分比之间的预定范围内。
6.根据权利要求2所述的电流控制器，其中每个开关元件包括一个以上的晶体管。
7.根据权利要求1所述的电流控制器，其中所述一组开关元件的每个构件与所述一组开关元件的其他构件并联布置。
8.根据权利要求7所述的电流控制器，其中所述一组开关元件的每个构件被配置为基于来自一组数字控制信号中的对应一个的对应信号来改变状态。
9.根据权利要求8所述的电流控制器，其中所述一组数字控制信号包括表示电流的多个增量减小的第一组逻辑电平和表示电流的多个增量增大的第二组逻辑电平。
10.一种LED显示面板，其包括根据权利要求1所述的电流控制器。
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