CN111373468B - 用于显示矩阵的主动放电电路系统 - Google Patents

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Abstract

用于在LED显示矩阵上将电荷快速放电的主动放电电路系统包括用以实现电路路径切换的机构，以便将带电荷的节点电连接到放电电路以用于不需要的电荷的受控放电，直到其达到期望(例如，可编程)值。主动放电电路系统包括控制电路，该控制电路生成适当的定时和数字控制信号以用于开始和停止(即，致动开关)放电活动。所公开的技术适应了通道间开始时间的变化，以用于减轻否则将从LED显示矩阵呈现的重影效应，该重影效应由于在特定通道的电流驱动器停止驱动之后例如经由带电荷的寄生电容或其他此类瞬变而保持电加载在显示元件上的残留(即，不需要的)电荷而引起。

Description

用于显示矩阵的主动放电电路系统
相关申请
本申请要求2017年11月29日提交的美国临时专利申请号62/592,375的权益。
技术领域
本公开总体上涉及发光二极管(LED)驱动器，并且更具体地涉及用于LED矩阵驱动器的重影图像预防。
背景技术
LED显示面板通常是指包括布置成一个或多个行和列的LED阵列的装置。LED显示面板可以包括多个子模块，每个子模块具有一个或多个此类LED阵列。LED显示面板可以采用单颜色或不同颜色的LED阵列。当在某些显示应用中使用相同颜色的LED时，每个LED通常对应于显示单元或像素。当LED面板采用不同颜色的LED以用于全色显示时，显示单元或像素通常包括三个LED的簇：通常是红色LED、绿色LED和蓝色LED。此三个LED的簇可以被称为RGB单元。
LED驱动器电路向LED阵列输送电力，并且控制输送到LED阵列的电流。LED驱动器电路可以是单通道驱动器或多通道驱动器。驱动器电路的每个通道可以将电力输送到多个LED，并且控制输送到LED的电流。(例如在所谓的共阴极配置的节点上)电耦合在一起的多个通道通常被称为扫描线，在Li等人的2015年5月7日公开的专利申请公开号US 2015/0123555A1中描述了这种扫描线。
LED驱动器电路通过改变输送到LED并流过LED的电流来控制LED的亮度。响应于所输送的电流，LED根据LED的特性规格以一定强度发光。输送给LED的电流越大，通常产生的由LED发射的光的亮度越高。为了有效控制电流的输送，LED驱动器电路可以采用恒定电流源结合组合恒定电流源的调制(即导通和关断)，例如使用脉冲宽度调制(PWM)来实现每个扫描周期内的期望平均(均值)电流。
LED通常用于视觉显示应用中，该应用在显示器中采用多个LED的时分复用。时分复用LED矩阵显示器可以包括一个或多个LED阵列。时分复用是涉及将多个LED的阴极连接到LED驱动器的每个输出引脚的方案。时分复用电路是有利的，因为对于给定量的LED，它使用较少的LED驱动器，这引起较低的成本和较小的尺寸。时分复用显示系统的一个缺点是被称为重影、尖峰噪声或幻像噪声的副作用，这些副作用通常被认为是不需要的光发射。
发明内容
用于在LED显示矩阵上将电荷快速放电的主动放电电路系统包括用以实现将带电荷的节点电连接到放电电路以用于任何不需要的电荷的受控放电的机构。在一些实施例中，提供了用于使节点放电直到其达到期望(例如，可编程)值的放电路径。主动放电电路系统包括控制电路，该控制电路生成适当的定时和数字控制信号以用于开始和停止(即，致动)促进放电活动的开关。所公开的技术适应了通道间开始时间的变化，以用于减轻否则将由LED显示矩阵呈现的重影效应，该重影效应由于在特定通道的电流驱动器停止驱动显示元件之后，例如经由带电荷的寄生电容或其他此类瞬变(transients)而保持电加载在显示元件(LED)上的残留(即，不需要的)电荷而引起。
根据一个实施例，通过将由耦合到LED显示器的通道的寄生电容储存的电荷放电来减小重影效应。具体地，电路系统接收定时信号，该定时信号指示在PWM周期之后且在新扫描周期之前的时间的至少一部分中电荷可用于放电。响应于定时信号，电路系统将参考电压信号与可归因于电荷的放电电压信号进行比较。该电路系统向开关装置施加致动信号，该致动信号基于比较来致动开关装置并且因此将通道耦合到放电路径。
在另一个实施例中，主动放电电路系统通过控制由耦合到发光二极管(LED)显示器的通道的寄生电容储存的电荷的放电来减少重影效应。主动放电电路系统包括：比较器，其具有第一比较器输入和第二比较器输入，该第一比较器输入和第二比较器输入分别被施加可归因于电荷的放电电压信号以及参考电压信号，该比较器具有比较器输出；节点，在该节点上提供放电电压信号；第一开关装置，其具有分别耦合到节点、比较器输出和放电路径的第一端子、第二端子和第三端子；以及第二开关装置，其响应于施加主动放电控制信号而被致动，以使比较器将施加到第一比较器输入的放电电压信号与施加到第二比较器输入的参考电压信号进行比较，以便在比较器输出处生成比较信号，该比较信号施加到第一开关装置的第二端子，该第一开关装置基于比较信号可控地将通道耦合到放电路径。
从下面参考附图进行的实施例的详细描述中，其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出LED显示矩阵的电路中的不需要的电荷的模型的电示意框图。
图2是包括表示主动放电电路系统的高级块的电示意框图。
图3是示出图2的主动放电电路系统的电示意框图。
图4和图5分别是第一定时图和第二定时图，示出了用于控制图2和图3的主动放电电路系统的控制信号和节点电压电平的两个不同实施例。
具体实施方式
本发明人已经认识到，重影效应是由所谓的阳极栅极浮子(anode gate float)引起的。具体地，LED具有PN结，该PN结将相对高水平的寄生电容施加到将电流从电流驱动器承载到PN结以便使其发光的电迹线。例如，杂散电容在印刷电路板(PCB)的迹线上的积累导致残留电荷，该残留电荷保持跨PN结的正向偏置，使得LED即使在被信号指示关闭后仍然发光。换句话说，不需要的电荷提供不期望的流过PN结的正向电子流，这在视觉上被视为重影图像(或简单地称为重影)现象。除此之外，这种现象还可能是由其他杂散PCB电容引起的，这些杂散PCB电容导致阳极上的不需要的电荷，或者导致PN结的任何其他不需要的正向偏置，这些正向偏置迫使时分多路LED在应保持关闭时闪烁。
例如，图1示出了LED显示面板电路系统8的一部分，该LED显示面板电路系统8包括控制器10(例如，FPGA)，其负责控制可选的DC/DC转换器12以便产生输入电压14，该输入电压14具有被优化以减小系统LED 16的功耗的可选VON电压电平。VON的电压电平通常低于更标准的系统电压源的电压电平VLED，VLED的电平对于红色LED约为2.8伏(V)并且对于蓝色LED和绿色LED约为3.8V，但VON或VLED可以用作施加到LED电流驱动器电路系统18的输入电压14。
LED电流驱动器电路系统18包括响应于PWM信号22被致动的电流驱动器20。通过寄生电容器26(也简称为寄生电容26)来表示电耦合到多个LED 16的阳极24的不期望的电荷。寄生电容器26和阳极24通过迹线28(也称为通道28)连接。在多个LED 16的阴极30处，可以在控制器10内部或外部实现对应的扫描开关32。
用于减少重影的基本技术需要改变输入电压14的偏置电平并且等待累积的电荷被动消散。然而，这种所谓的被动(即非主动)方法需要在VON和VOFF之间快速来回切换的机构。但是控制外部DC/DC转换器12增加了LED显示面板电路系统8的成本和复杂性。此类外部控制(例如，经由控制器10)还在通过LED矩阵的连续扫描周期之间强加了相当大的时间间隔。这是因为将输入电压14(例如，VON)施加到电耦合到LED电流驱动器电路系统18的所有通道，因此从VON到VOFF的用于被动重影消除的任何转变都同时影响所有通道。另外，对DC/DC转换器12的控制由控制器10管理并且因此需要在电路系统部件之间传送串行命令。此类串行命令易受传播延迟和性能、定时误差的影响。
图2示出了主动放电电路系统40，其通过提供可控放电路径42以用于在发生主动放电的可配置时间期间对寄生电容26进行放电，来主动地减轻重影。注意，图2的右手侧包括与图1中出现的那些附图标记相同的附图标记，因为两个附图均示出了类似的LED阵列部件(例如，LED 16)以及LED驱动器集成电路(IC)外部的相关联电容。在多个附图中也通用的一些其他部件(包括LED驱动器IC内部的部件，如图2的左手侧上所示)在整个本公开中也共享相同的附图标记。
定时信号36指示在PWM信号22的周期之后和新扫描信号38的周期之前的时间的至少一部分中，不需要的电荷可用于放电。本领域技术人员将理解术语“周期”通常是指可重复的定时事件，诸如在段的刷新时段期间施加(或暂停)PWM脉冲时或在致动扫描线时，尽管此类事件的确切持续时间和定时可以会变化(例如，一个周期可以比下一个长，并且甚至可以跳过周期，诸如，当LED不照明时)。
定时信号36控制主动放电电路系统40，使得在去除迹线28上的不需要的电荷时连接放电路径42(例如，参见图4中的放电电压信号V(28)的下降斜线)。因此，根据图2的实施例，不需要动态或快速地调节LED 16的参考电压VON。在一些实施例中，VON可以是固定值。在其他实施例中，可以针对功率优化对其进行调节或调谐，但是即使在此情况下，调节也不需要动态地发生(如在被动重影消除中)，而是可以在操作的初始(校准)阶段执行。
图3更详细地示出了提供主动放电路径42的放电电路系统40的实施例。定时信号36(即PWM信号22或新扫描信号38)施加到主动放电控制逻辑52(其可以被包括在图2的控制器10中或在控制器10中实现)的控制器输入50(图3中示出了两个)。例如，控制器输入50经耦合以接收PWM信号22(具有稍后在图4中描述的后沿)，此类控制逻辑52响应于PWM信号22的后沿(例如，在PWM周期之间)将其输出54配置为改变主动放电控制(电压)信号V(60)的状态(参见例如图4)。本领域技术人员将理解，状态的改变包括逻辑电平的改变，或更具体地说，包括从指示断开状况到指示接通状况的状态的改变。
更一般地，响应于指示不需要的电荷可用于放电的定时信号36，主动放电控制逻辑52通过例如向MOSFET(或类似的致动节点)的栅极端子施加主动放电控制电压V(60)来致动第一开关60。因此，第一开关60被致动，使得节点电压V(28)被提供给节点62。换句话说，节点电压V(28)通过第一开关60被电耦合以在节点62上提供放电电压信号。因为在所公开的放电应用中任何漏极-源极电压降通常可忽略不计，所以放电电压信号也被示出为并且被称为节点电压V(28)，其可以容易地在迹线28上测量。本领域技术人员还将理解，放电电压信号V(28)表示不需要的电荷，但是其也可以指示电容是否带电荷，如图4的上升带充电周期所示。因此，短语“放电电压信号”不应被解释为仅意味着在放电周期期间的下降电压，而是应被理解为除此之外还涵盖能够指示不需要的电荷的信号。
比较器64包括第一输入66(例如，非反相端子)和第二输入68(例如，反相端子)。术语“端子”不需要解释为意味着电零件上的外部可访问节点，因为该术语还涵盖例如不一定提供与外部电路的连接点的内部晶体管节点。比较器64在输入66处接收放电电压信号V(28)。输入68接收可编程参考电压信号VOFF(通常编程为约0.3-0.7V)。比较器64比较施加到其输入66、68的这些电压，并且作为响应，在其输出70处产生电压信号，该电压信号致动第二开关72。第二开关72在其导通时将迹线28电耦合至接地74，以便将不需要的电荷主动地放电，直到放电电压信号V(28)的电平达到VOFF的电平为止，VOFF因此改变比较器64生成的比较信号以关闭第二开关72。例如，比较信号76用作致动信号，以响应于比较指示放电电压信号V(28)的电平超过参考电压信号VOFF的电平而致动第二开关72。因此，比较信号76从第一电压电平摆动到第二电压电平，第一电压电平和第二电压电平彼此不同(例如，正的栅极致动电压和地电势)。因此，第一电压电平和第二电压电平分别指示放电电压信号V(28)的电平大于参考电压信号VOFF的电平，和放电电压信号V(28)的电平小于参考电压信号VOFF的电平。
在另一个实施例中，比较器64和相关联的电路系统可以由促进可控放电路径的其他部件代替。例如，代替放电至VOFF，可以通过单个接地开关将V(28)降至零伏。然而，放电电路系统40的优点在于，更快地将V(28)放电至VOFF的值(刚好超过LED关闭的点)而不是一直降至零伏。本领域技术人员将理解，可以使用其他电路系统来使V(28)主动地放电，直到其达到VOFF、接地或其他期望电压电平为止。
图4是示出根据第一实施例的用于执行主动重影消除的信号定时的定时图80。对于图2和图3所示的通道28，当由主动放电控制逻辑52(图3)检测到PWM信号22的后沿82(下降沿)时，主动放电控制逻辑52改变主动放电控制信号V(60)的状态(即，从低到高)。主动放电控制信号V(60)然后由控制器输出54施加到第一开关60(图3)的栅极，第一开关60从而被致动以开始前述的主动放电操作。然后，该操作可以在特定的时钟计数时段(或其他预定的放电时间)之后结束，或者其可以在由新扫描信号38指示的新扫描周期的上升沿84处结束。本领域技术人员将理解还可以为多通道系统中的其他通道实现类似的次序和电路系统。
为了完整性，在图4中还示出了第一扫描信号86和第二扫描信号88。这些信号可选地采用反相逻辑，其也可以用于任何其他信号。例如，当第一扫描信号86具有低逻辑电平时，第一扫描开关90(图2)被致动，并且当第二扫描信号88具有低逻辑电平时，第二扫描开关92(图2)被致动。因此，当第一扫描开关90(图2)被致动时，PWM信号22的第一周期96的持续时间94控制向LED 98(图2)施加多长的电流。当第一周期96刚好完成时，即后沿82指示第一周期96的结束时，并且在LED 102(图2)的下一个周期100开始之前，启动主动放电。
图5是示出根据第二实施例的用于执行主动重影消除的信号定时的定时图110。在该实施例中，新扫描信号38启动并停止主动放电操作。通常将新扫描信号生成为单个灰度时钟(GCLK)脉冲，其中前沿在当前扫描完成之前一个时钟脉冲宽度出现，并且后沿与当前扫描完成同步。Nadershahi的标题为“Intensity Scaled Dithering Pulse WidthModulation”的国际申请公开号WO2018/098036中可获得GCLK及其与PWM和扫描定时的关系的示例的附加描述。
在一个或多个实施例中，所描述的特征、操作或特性可以以各种不同的配置来布置和设计，或者以任何合适的方式组合。因此，对系统和方法的实施例的详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而仅是代表本公开的可能实施例。另外，还将容易理解，如本领域技术人员将理解的，结合所公开的实施例描述的方法的步骤或动作的顺序可以改变。因此，附图或详细描述中的任何顺序都仅用于说明目的，并不意味着暗示要求的顺序，除非指定为要求顺序。
实施例可以包括各种操作、块和电路系统，其可以被体现在由通用或专用计算机(或其他电子装置)执行的机器可执行指令中。可替代地，操作、块和电路系统可以由包括用于执行步骤的特定逻辑的硬件部件执行，或者由硬件、软件或固件的组合执行。
硬件可以包括诸如比较器、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)等装置。例如，控制逻辑52可以包括翻转触发器和其他逻辑部件，这些翻转触发器和其他逻辑部件基于PWM或新扫描定时信号执行逻辑操作，以用于产生发起和结束主动放电操作的栅极驱动致动信号。
还可以提供包括各种操作、块和电路系统的实施例作为包括计算机可读存储介质的计算机程序产品，该计算机可读存储介质具有在其上存储的指令，该指令可以用于对计算机(或其他电子装置)进行编程以执行本文所描述的过程。计算机可读存储介质可以包括但不限于：硬盘驱动器、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储器装置或适合存储电子指令的其他类型的介质/机器可读介质。
在某些实施例中，特定的软件模块可以包括存储在存储器装置的不同位置中的不同指令，它们一起实现模块的所描述的功能。实际上，模块可以包括单个指令或多个指令，并且可以分布在若干个不同的代码段上、分布在不同程序之间以及跨若干个存储器装置分布。一些实施例可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，软件模块可以位于本地和/或远程存储器存储装置中。另外，在数据库记录中绑定或呈现在一起的数据可以驻留在同一存储器装置中，或跨若干个存储器装置驻留，并且可以跨网络在数据库中的记录字段中链接在一起。
本领域技术人员将理解，可以在不脱离本公开的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求确定。

Claims (16)

1.一种主动放电电路系统，其用于通过控制由耦合到发光二极管显示器即LED显示器的通道的寄生电容储存的电荷的放电来减少残留电荷，所述主动放电电路系统包括：
比较器，其具有第一比较器输入和第二比较器输入，所述第一比较器输入和所述第二比较器输入分别被施加可归因于所述电荷的放电电压信号以及参考电压信号，所述比较器具有比较器输出；
节点，在所述节点上提供所述放电电压信号；
第一开关装置，其具有分别耦合到所述节点、所述比较器输出和放电路径的第一端子、第二端子和第三端子；以及
第二开关装置，其响应于施加主动放电控制信号而被致动以使所述比较器将施加到所述第一比较器输入的所述放电电压信号与施加到所述第二比较器输入的所述参考电压信号进行比较，以便在所述比较器输出处生成比较信号，所述比较信号被施加到所述第一开关装置的所述第二端子，所述第一开关装置基于所述比较信号将所述通道可控地耦合到所述放电路径。
2.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，其中所述第二开关装置包括分别耦合到所述通道、所述节点和致动节点的第四端子、第五端子和第六端子，在所述致动节点上提供所述主动放电控制信号。
3.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，其中所述第一比较器输入是反相输入，并且所述第二比较器输入是非反相输入。
4.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，其中所述比较信号包括彼此不同的第一电压电平和第二电压电平，所述第一电压电平和所述第二电压电平分别指示所述放电电压信号的电平大于所述参考电压信号的电平，和所述放电电压信号的电平小于所述参考电压信号的电平。
5.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，还包括控制器输入和控制器输出，所述控制器输入经耦合以接收具有后沿的脉冲宽度调制信号即PWM信号，并且所述控制器输出被配置为响应于所述PWM信号的所述后沿而改变所述主动放电控制信号的状态。
6.根据权利要求5所述的主动放电电路系统，其中所述控制器输入包括第一控制器输入，所述主动放电控制信号的所述状态包括第一状态，并且所述主动放电电路系统还包括与所述第一控制器输入不同的第二控制器输入，所述第二控制器输入经耦合以接收新扫描信号，所述控制器输出响应于所述新扫描信号而被配置为将所述主动放电控制信号从所述第一状态改变为与所述第一状态不同的第二状态。
7.根据权利要求5所述的主动放电电路系统，其中所述状态包括第一状态，并且所述控制器输出被配置为在预定的放电时间之后，将所述主动放电控制信号从所述第一状态改变为与所述第一状态不同的第二状态。
8.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，其中所述参考电压信号是可编程的。
9.根据权利要求1所述的主动放电电路系统，其中所述节点响应于所述第二开关装置的致动而耦合到限定所述LED显示器的所述通道的LED的一个或多个阳极。
10.一种用于通过将由耦合到发光二极管显示器即LED显示器的通道的寄生电容储存的电荷放电来减少残留电荷的方法，所述方法包括：
接收定时信号，所述定时信号指示在脉冲宽度调制周期即PWM周期之后和新扫描周期之前的至少一部分时间中，所述电荷可用于放电，其中所述定时信号包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿来自指示所述PWM周期的结束的PWM信号，并且所述第二边沿来自指示所述新扫描周期的开始的新扫描信号；
响应于所述定时信号，将参考电压信号与可归因于所述电荷的放电电压信号进行比较；以及
基于所述比较向开关装置施加致动信号，所述致动信号致动所述开关装置并且因此将所述通道耦合到放电路径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一边沿是所述PWM信号的后沿。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二边沿是指示所述新扫描周期的所述开始的所述新扫描信号的前沿。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述开关装置是第一开关装置，所述方法还包括：响应于所述定时信号，将主动放电控制信号施加到第二开关装置，所述主动放电控制信号致动所述第二开关装置以将所述放电电压信号施加到比较器的第一输入和第二输入中的一个，以用于将所述放电电压信号与施加到所述第一输入和所述第二输入中的另一个的所述参考电压信号进行比较。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述比较器的比较器输出处生成所述致动信号。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述致动信号响应于所述比较指示所述放电电压信号的电平超过所述参考电压信号的电平而致动所述开关装置。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述致动信号的第一状态期间致动所述开关装置；以及
响应于新扫描信号，从所述第一状态改变为第二状态以在所述PWM周期的新周期中停止致动所述开关装置。
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