DE102014219840B4

DE102014219840B4 - Stromgenerator und Verfahren mit geringem Overhead für Beleuchtungsschaltungen

Info

Publication number: DE102014219840B4
Application number: DE102014219840.2A
Authority: DE
Inventors: Fulvio c/o Dialog Semiconductor GmbH Schiapelli; Jiri c/o Dialog Semiconductor GmbH Ledr; Alessandro c/o Dialog Semiconductor GmbH Angeli; Andrea c/o Dialog Semiconductor GmbH Acquas
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: US20160316537A1; US20160095181A1; DE102014219840A1; US9392661B2; US9532427B2

Abstract

Ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine Vielzahl von „lichtemittierende Diode LED”-Schaltungen (101); eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die Vielzahl von LED-Schaltungen (101); für jede LED-Schaltung (101) ein erstes variables Widerstandselement (410), das zwischen der jeweiligen LED-Schaltung (101) und Masse verbunden ist; für jede LED-Schaltung (101) eine erste Rückkopplungsschaltung (430), die konfiguriert ist zum Steuern einer Spannung an einem ersten Knoten (433) zwischen der jeweiligen LED-Schaltung (101) und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement (410) auf eine erste Spannung; eine Stromquelle (450, 650); und ein zweites variables Widerstandselement (420), das zwischen der Stromquelle (450, 650) und Masse verbunden ist, wobei jedes erste variable Widerstandselement (410) konfiguriert ist, einen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem Widerstandswert aufzuweisen, den das zweite variable Widerstandselement (420) aufweist, jedes der ersten variablen Widerstandselemente (410) ein erstes Transistorelement (610) aufweist; das zweite variable Widerstandselement (420) ein zweites Transistorelement (620) aufweist; und jedes erste Transistorelement (610) und das zweite Transistorelement (620) biased sind, um in dem Triode-Bereich zu arbeiten.

Description

Gebiet der Technik
Diese Anmeldung betrifft einen Stromgenerator für Beleuchtungssysteme. Insbesondere betrifft sie einen Stromgenerator für LED-Beleuchtungssystem mit einer Vielzahl von LED-Ketten. Weiter betrifft die Anwendung insbesondere eine Stromquelle, für ein LED-Beleuchtungssystem, mit geringem Overhead, die energieeffizient ist, eine geringe differentielle Nichtlinearität (DNL – differential nonlinearity) hat und Dithering-frei ist.
Hintergrund
Lichtemittierende Dioden (LED – light-emitting diodes) sind Halbleiterlichtquellen, die herkömmlicherweise als Anzeigelampen in vielen Vorrichtungen verwendet werden. Weiter werden LEDs zunehmend auch zur Beleuchtung verwendet, wo eine bestimmte Verwendung ein Vorsehen einer Hintergrundbeleuchtung ist. Zum Beispiel wird eine LED-Hintergrundbeleuchtung zuhehmend für Flüssigkristallanzeigen (LCDs – liquid crystal displays) verwendet, da LCDs keine eigene Beleuchtung erzeugen. Weiter werden LED-Hintergrundbeleuchtungssysteme immer häufiger verwendet bei einer Anzeige-Hintergrundbeleuchtung und einer Tastatur-Hintergrundbeleuchtung in tragbaren Vorrichtungen, wie zellularen Telefonen, Smartphones, PDAs, Digitalkameras, persönlichen Navigationsgeräten und anderen tragbaren Vorrichtungen mit Tastaturen und/oder LCD-Anzeigen.
LED-Beleuchtungssysteme haben im Allgemeinen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Lichtquellen, wie Glühlampen. LEDs sind zum Beispiel effizient, haben eine längere Lebensdauer, zeigen ein schnelleres Schalten und erzeugen weniger Wärme als herkömmliche Lichtquellen. Aufgrund der schnelleren Schalteigenschaften von LEDs sind sie geeignet zur Verwendung in schnellen und hoch ansprechenden Schaltungen, da sie sowohl eine schnelle Reaktions/Startzeit als auch die Fähigkeit ermöglichen, bei hoher Frequenz betrieben zu werden, wodurch weitere Verbesserungen möglich werden, wie Frequenzmodulation, um einen Energieverbrauch zu reduzieren.
LED-Beleuchtungssysteme weisen typischerweise „Ketten” von gestapelten LEDs auf (im Folgenden auch als LED-Ketten oder LED-Schaltungen bezeichnet), bei denen mehrere LEDs in Reihe geschaltet sind. Eine LED-Treiber-Steuerschaltung sieht eine geregelte hohe Versorgungsspannung für die LED-Ketten von gestapelten LEDs vor. Eine übliche Praxis zum Steuern des Stroms, der in jeder der LED-Ketten fließt, ist, einen genau definierten Strom über programmierbare Stromquellen von der Kathodenseite jeder LED-Kette zu ziehen. Um die Systemkomponenten vor übermäßigen Spannungspegeln zu schützen und zu vermeiden, dass übermäßig hoher Strom in die LED-Schaltung fließt, wird im Allgemeinen ein Überspannungsschutzmechanismus vorgesehen, um die Lieferung von Energie an die Schaltung in dem Fall zu deaktivieren, dass die Spannung über eine bestimmte Schwelle ansteigt.
1 zeigt schematisch ein herkömmliches LED-Beleuchtungssystem 100. Dieses LED-Beleuchtungssystem 100 weist eine Vielzahl von LED-Ketten 101 auf (von denen nur eine zu illustrativen Zwecken in 1 gezeigt wird), wobei jede LED-Kette 101 eine Vielzahl von LEDs 102 aufweist. Typischerweise kann eine LED-Kette 101 bis zu sechs oder mehr LEDs 102 aufweisen und das LED-Beleuchtungssystem 100 kann bis zu 12 oder mehr LED-Ketten 101 aufweisen. Ein IDAC(current digital-to-analog converter – Strom-Digital-zu-Analog-Wandler)-Stromgenerator 110, der ein Beispiel einer programmierbaren Stromquelle ist, wird für jede LED-Kette 101 an der Kathodenseite der jeweiligen LED-Kette 101 vorgesehen. Die IDAC-Stromgeneratoren 110 ermöglichen eine Versorgung eines genau definierten Stroms an jede LED-Kette 101. Das LED-Beleuchtungssystem 100, das in 1 gezeigt wird, weist weiter eine (Boost-)Verstärkungsreglerschaltung 120 (Energiequelle) auf, die eine Verstärkungssteuervorrichtung 130 aufweist und ausgebildet ist zum Vorsehen einer geregelten Verstärkungsspannung (Versorgungsspannung, Ansteuerspannung) für jede der LED-Ketten 101 oder detaillierter für einen Verstärkungsspannungsknoten 105 an der Anodenseite jeder LED-Kette 101. Eine Rückkopplungsspannung von einem Rückkopplungsknoten 106 an der Kathodenseite jeder LED-Kette 101 wird an die Verstärkungsreglerschaltung 120 geliefert. Die Verstärkungsreglerschaltung 120 ist ausgebildet zum Verstärken einer Batteriespannung auf eine Versorgungsspannung, die höher als die Batteriespannung ist, und zum Regeln der Spannung an dem Rückkopplungsknoten 106 an der Kathodenseite jeder LED-Kette durch Durchführen einer Rückkopplungssteuerung in Übereinstimmung mit den Rückkopplungsspannungen, die von den LED-Ketten 101 empfangen werden. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel und auch die oben beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele Bezug nehmen. auf die Verstärkungsreglerschaltung 120, ist offensichtlich, dass auch andere Mittel zum Zuführen einer geeigneten Ansteuerspannung für die Vielzahl von LED-Schaltungen 101 eingesetzt werden können.
In dem LED-Beleuchtungssystem 100, das in 1 gezeigt wird, ist der Strom I_LED jeder LED-Kette 101 durch einen jeweiligen IDAC-Stromgenerator 110 programmiert. Der Spannungsabfall (Overhead) über jeden IDAC-Stromgenerator 110 (d. h. der Spannungsabfall zwischen dem Rückkopplungsknoten 106 und Masse) mal dem jeweiligen Strom, multipliziert mit der Anzahl von LED-Ketten 101, führt zu einem Leistungsverlust, der minimiert werden sollte, um eine gesamte Verstärkungseffizienz zu erhöhen.
Detaillierter ist der gesamte Leistungsverlust resultierend aus dem Overhead-Verbrauch gegeben durch: P_diss = V_LED·I_LED·N_str wobei V_LED die Spannung an dem Rückkopplungsknoten 106 ist, I_LED der Strom ist, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt, und N_str die Anzahl von LED-Schaltungen 101 ist. Hier und im Folgenden, sofern nicht anders angegeben, sollen alle Spannungen in Bezug auf Masse gegeben werden. Somit muss, um die Effizienz der Verstärkungsreglerschaltung 120 zu erhöhen, der Overhead reduziert werden.
Beleuchtungssysteme nach dem Stand der Technik verwenden eine Vielzahl von Stromspiegeln, einen oder mehrere für jede LED-Kette 101, zum Liefern des genau definierten Stroms an jede LED-Kette 101. Jeder Stromspiegel ist konfiguriert zum Spiegeln eines jeweiligen Referenzstroms an die Kathodenseite der jeweiligen LED-Kette 101. Üblicherweise werden kaskodierte Stromgeneratoren, die in Sättigung arbeiten, zum Bilden der Stromspiegel verwendet.
Diese Beleuchtungssysteme haben den Nachteil, dass ein hoher Spannungsabfall über die Stromgeneratoren stattfindet, d. h. dass ein hoher Overhead vorhanden ist, auf Kosten der Systemeffizienz. Typischerweise sind die Spannungsabfälle nicht geringer als mehrere hundert mV (600 bis 800 mV oder höher). Weiter hat jede LED-Kette 101 ihren eigenen Diode-verbundenen Referenzstromzweig, der multipliziert mit der Anzahl von LED-Ketten 101 zu einem beträchtlichen Ruhestromverbrauch führt, zum Beispiel von einer Batterie des Beleuchtungssystems, wieder auf Kosten der Systemeffizienz. In dem Fall, dass weitere LED-Ketten 101 zu dem Beleuchtungssystem hinzugefügt würden, würde der Ruhestromverbrauch proportional ansteigen, wodurch die Systemeffizienz noch weiter verschlechtert würde. In anderen Worten, herkömmliche Beleuchtungssysteme haben eine schlechte Skalierbarkeit hinsichtlich eines Ruhestromverbrauchs und auch hinsichtlich eines Flächenbereichs von Schaltungen.
Ein weiterer Nachteil von herkömmlichen Beleuchtungssystemen ist, dass die jeweiligen IDACs, für die die Stromprogrammierbarkeit durch binäre Codierung implementiert ist, eine schlechte Leistung in Bezug auf DNL zeigen, mit mehreren DNL-Spitzen sowohl in den positiven als auch negativen Richtungen über den Strombereich der jeweiligen IDACs. Dieses Problem besteht aufgrund einer unvermeidbaren Nichtübereinstimmung von Vorrichtungskomponenten und einer schwer erreichbaren Strom-Trimmbarkeit in dem Strombereich der jeweiligen IDACs.
Aus der US 2013/249421 A1 ist ein Beleuchtungssystem mit einer Vielzahl von LED-Schaltungen bekannt. Das Beleuchtungssystem weist ferner eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die LED-Schaltungen auf, sowie für jede LED-Schaltung, einen ersten MOS-FET der zwischen der jeweiligen LED-Schaltung und Masse verbunden ist, einen Ausgangstransistor, der zwischen der jeweiligen LED-Schaltung und dem ersten MOS-FET verbunden ist, und einen Verstärker, der das Gate des Ausgangstransistors derart steuert, dass die Spannung am masseseitigen Ausgang des Ausgangstransistors auf einem vorgegebenen Spannungsniveau liegt. Zusätzlich weist das Beleuchtungssystem eine Stromquelle und einen zweiten MOS-FET auf, der zwischen der Stromquelle und Masse verbunden ist und mit jedem der ersten MOS-FETs einen entsprechenden Stromspiegel bildet. Dabei sind der zweite MOS-FET und jeder der ersten MOS-FETs derart dimensioniert, dass sie auch bei sehr kleinen Drain-Source-Spannungen (z. B. < 150 mV) verlässlich in Sättigung betrieben werden können.
Somit besteht eine Notwendigkeit für Mittel und ein Verfahren zum Steuern von Strom in einer Vielzahl von LED-Ketten eines LED-Beleuchtungssystems, die/das zu einem geringen Overhead und einer hohen Skalierbarkeit führen/führt, das heißt, die/das einen Ruhestromverbrauch unabhängig von der Anzahl von LED-Ketten in dem LED-Beleuchtungssystem minimieren/minimiert. Weiter besteht eine Notwendigkeit für derartige Mittel und ein Verfahren, die/das eine DNL-Leistung verbessern/verbessert und eine Pulsbreitenmodulation(PWM – pulse width modulation)-Operation der LED-Ketten nicht beeinträchtigen/beeinträchtigt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Overhead bzw. Overheadverbrauch in einem LED-Beleuchtungssystem unabhängig von der Anzahl der LED-Ketten des LED-Beleuchtungssystems zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung dieses Problems sieht die vorliegende Erfindung Beleuchtungssysteme gemäß den Ansprüchen 1 und 17, ein Verfahren zum Steuern eines Beleuchtungssystems gemäß Anspruch 16 und ein Verfahren zu Steuerung einer programmierbaren Stromquelle in einem Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 21 vor.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine Vielzahl von „lichtemittierende Diode(LED – light emitting diode)”-Schaltungen; eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die Vielzahl von LED-Schaltungen; für jede LED-Schaltung ein erstes variables Widerstandselement, das zwischen der jeweiligen LED-Schaltung und Masse verbunden ist; für jede LED-Schaltung eine erste Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist zum Steuern einer Spannung an einem ersten Knoten zwischen der jeweiligen LED-Schaltung und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement auf eine erste Spannung; eine Stromquelle; und ein zweites variables Widerstandselement, das zwischen der Stromquelle und Masse verbunden ist, wobei jedes erste variable Widerstandselement konfiguriert ist, einen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem Widerstandswert aufzuweisen, den das zweite variable Widerstandselement aufweist. In anderen Worten, jedes erste variable Widerstandselement und das zweite variable Widerstandselement sind gekoppelt und die Widerstandswerte der ersten variablen Widerstandselemente können in Übereinstimmung mit dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements gesteuert werden, zum Beispiel durch Steuern des Widerstandswerts des zweiten variablen Widerstandselements. Zum Beispiel können die ersten variablen Widerstandselemente den Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements mit einem gegebenen (dennoch möglicherweise variablen) Spiegelverhältnis spiegeln, so dass die Widerstandswerte der ersten variablen Widerstandselemente und der Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements das gegebene (dennoch möglicherweise variable) Spiegelverhältnis haben können. Jedes der ersten variablen Widerstandselemente der LED-Ketten weist ein erstes Transistorelement auf. Das zweite variable Widerstandselement weist ein zweites Transistorelement auf. Jedes erste Transistorelement und das zweite Transistorelement sind vorgespannt bzw. biased, um in dem Triode-Bereich zu arbeiten.
Wie oben konfiguriert kann durch geeignetes Steuern der Spannung an dem ersten Knoten auf die erste Spannung ein sehr geringer Overhead für jede LED-Schaltung erreicht werden, und die Menge an Verlustleistung kann beträchtlich reduziert werden. Da das Beleuchtungssystem nicht auf Stromspiegeln beruht, die Transistoren aufweisen, die in Sättigung betrieben werden, kann die erste Spannung wesentlich niedriger gesetzt werden als es in dem Kontext von Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik möglich wäre. Das heißt, durch Betreiben der Transistorelemente in dem Triode-Bereich kann der Spannungsabfall über die Transistorelemente im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden. Demgemäß kann eine Verstärkungsleistungseffizienz erheblich gesteigert werden. Da weiter ein einziger Referenzstromzweig erforderlich ist, mit dem eine Vielzahl von LED-Schaltungen verbunden werden kann, findet ein Ruhestromverbrauch des zweiten variablen Widerstandselements nur einmal statt, unabhängig von einer Anzahl von LED-Schaltungen. Somit wird eine hohe Skalierbarkeit hinsichtlich eines Ruhestromverbrauchs erreicht. Aus dem gleichen Grund wird auch eine hohe Skalierbarkeit hinsichtlich eines Flächenbereichs von Schaltungen erreicht. Zusätzlich wird eine Genauigkeit einer PWM-Steuerung der LED-Ketten, zum Beispiel hinsichtlich eines Timings, nicht durch den obigen Aufbau beeinträchtigt.
Das Beleuchtungssystem kann eine zweite Rückkopplungsschaltung aufweisen, die konfiguriert ist zum Steuern einer Spannung an einem zweiten Knoten zwischen der Stromquelle und dem zweiten variablen Widerstandselement auf eine zweite Spannung. Die erste Spannung kann der Spannung an dem zweiten Knoten oder der zweiten Spannung entsprechen. Die erstere Wahl kann getroffen werden zur Berücksichtigung eines Offsets in der zweiten Spannung und der Spannung an dem zweiten Knoten. Weiter kann das zweite variable Widerstandselement konfiguriert sein, einen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem von der Stromquelle ausgegebenen Strom aufzuweisen. Die Stromquelle kann steuerbar sein, um einen gesteuerten Strom vorzusehen. Dadurch kann eine geeignete Steuerung der Spannung an jedem ersten Knoten erreicht werden, d. h. die Spannung an jedem ersten Knoten kann gleich zu der Spannung an dem zweiten Knoten vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine genaue Steuerung der Ströme, die durch die ersten variablen Widerstandselemente fließen.
Jedes erste variable Widerstandselement kann derart konfiguriert sein, dass ein Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten Widerstandselements einem Verhältnis aus einem Satz von vorgegebenen Verhältnissen entspricht. Demgemäß können, zusätzlich zu einem Durchführen einer Steuerung des durch die Stromquelle ausgegebenen Stroms, die Ströme, die durch die LED-Schaltungen fließen, ebenfalls durch Variieren des obigen Verhältnisses gesteuert werden. Dadurch kann für eine gegebene Strom-Auflösung die Stromquelle vereinfacht werden.
Für jedes erste Transistorelement kann ein Gate-Anschluss des jeweiligen ersten Transistorelements mit einem Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements verbunden werden. Der Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements kann mit einem dritten Knoten zwischen einem Source-Anschluss des zweiten Transistorelements und dem Stromgenerator verbunden werden. Wie oben konfiguriert können variable Widerstandselemente erlangt werden, die einfach steuerbar sind, und der Strom, der durch die LED-Schaltungen fließt, kann einfach gesteuert werden.
In Ausführungsbeispielen ist die Stromquelle eine programmierbare Stromquelle, die konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, durch Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode. Eine vorgegebene Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits (LSB – least significant bit) des digitalen Eingangscodes kann in Übereinstimmung mit einer binären Codierung geschaltet werden; und eine verbleibende Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits (MSB – most significant bit) des digitalen Eingangscodes kann in Übereinstimmung mit einer unären Codierung geschaltet wird (d. h. thermometrische Codierung oder Thermometer-Codierung, wie später erläutert wird).
Wie oben konfiguriert kann eine ausreichende Strom-Genauigkeit und -Auflösung erreicht werden, während andererseits der Flächenbereich der Stromquelle reduziert werden kann. Weiter wird die DNL-Leistung der Stromquelle im Vergleich zum Stand der Technik derart verbessert, dass die DNL klein und streng positiv gehalten werden kann über den gesamten Bereich von numerischen Werten, die von dem digitalen Eingangscode repräsentiert werden, das heißt über den gesamten Strombereich.
Die Stromquelle kann eine Vielzahl von Stromzweigen aufweisen, die in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand (Ein-Zustand) geschaltet werden. Eine erste Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes kann in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet werden, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist, einen Strom zu leiten, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung des jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist. Eine zweite Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert ist zum Leiten von im Wesentlichen gleichen Strömen, kann in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet werden. Die Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen können nacheinander in den leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts geschaltet werden, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird. Wenn der digitale Eingangscode für einen L-Bit numerischen Wert repräsentativ ist und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, kann die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige aufweisen, die zum jeweiligen Leiten von Strömen von im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀ konfiguriert sind, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen kann zumindest (2^1-M) – 1 Stromzweige aufweisen, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2^M)·I₀.
In Ausführungsbeispielen weist das Beleuchtungssystem weiter für jede LED-Schaltung auf: ein erstes Schaltelement, das in Übereinstimmung mit einem Pulsweitenmodulation(PWM – pulse width modulation)-Signal schaltbar ist und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement verbunden ist; und ein zweites Schaltelement, das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist und konfiguriert ist zum Trennen der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung, wenn das erste Schaltelement in einen offenen Zustand geschaltet wird, d. h. in einen Zustand, in dem das erste Schaltelement offen ist und im Wesentlichen keinen Strom leitet. Dadurch kann eine genaue PWM-Steuerung des Beleuchtungssystems implementiert werden, ohne die obigen Vorteile in Bezug auf eine Overhead-Reduktion und Verbesserung einer DNL-Leistung zu beeinträchtigen. Es sollte angemerkt werden, dass dieser Aspekt unabhängig von den vorherigen Aspekten verwendet werden kann und unabhängige Vorteile hat, wie ein Vorsehen einer genauen PWM-Steuerung des Beleuchtungssystems.
Das Beleuchtungssystem kann für jede LED-Schaltung aufweisen: ein drittes Transistorelement, das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten und der jeweiligen LED-Schaltung verbunden ist; ein Kondensatorelement, das zwischen einem Gate-Anschluss des dritten Transistorelements und Masse verbunden ist; ein drittes Schaltelement, das konfiguriert ist zum Trennen, in Verbindung mit dem zweiten Schaltelement, des dritten Transistorelements und des Kondensatorelements von der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung, wenn das erste Schaltelement in den offenen Zustand geschaltet wird. Das Beleuchtungssystem kann weiter für jede LED-Schaltung aufweisen: ein Operationsverstärkerelement, das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist und mit seinem Ausgangsanschluss mit dem Gate-Anschluss des jeweiligen dritten Transistorelements über das jeweilige dritte Schaltelement verbunden ist; ein viertes Schaltelement, das konfiguriert ist zum Kurzschließen der Differentialeingangsanschlüsse des Operationsverstärkerelements, wenn das erste Schaltelement in den offenen Zustand geschaltet wird. Das Beleuchtungssystem kann weiter ein fünftes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem zweiten Knoten und dem zweiten variablen Widerstandselement verbunden ist, wobei das fünfte Schaltelement derselbe Typ ist wie jedes erste Schaltelement. Demgemäß kann eine genaue PWM-Steuerung unabhängig von einer Einschwingzeit der Schaltungen der ersten Rückkopplungsschaltung erzielt werden.
In Ausführungsbeispielen weist das Beleuchtungssystem weiter Steuermittel zum Steuern der Stromquelle und jedes ersten variablen Widerstandselements auf. Das Steuermittel kann konfiguriert sein zum Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement, eines Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements auf ein erstes Verhältnis, wenn ein numerischer Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unter einem numerischen Schwellenwert ist, und auf ein zweites Verhältnis, das kleiner ist als das erste Verhältnis, wenn der numerische Wert nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist.
Durch diese Konfiguration kann eine Stromauflösung erhöht werden, ohne dass eine entsprechende Zunahme in einem Flächenbereich der Stromquelle erforderlich ist. Weiter ermöglicht die Möglichkeit, das obige Verhältnis zu variieren, ein genaues Trimmen des Stroms, der durch die LED-Schaltungen fließt, für jede LED-Schaltung getrennt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Beleuchtungssystems gemäß dem obigen Aspekt, wobei das Verfahren aufweist: Umwandeln einer Ziellichtstärke des Beleuchtungssystems in einen digitalen Eingangscode und Eingeben des digitalen Eingangscodes an die programmierbare Stromquelle. Das Verfahren kann weiter aufweisen ein Bestimmen, ob der numerische Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unter einem numerischen Schwellenwert ist. Das Verfahren kann weiter aufweisen ein Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement, eines Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements auf ein erstes Verhältnis, wenn der numerische Wert unter dem numerischen Schwellenwert ist, und Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement, des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements auf ein zweites Verhältnis, das kleiner ist als das erste Verhältnis, wenn der numerische Wert nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist. Das Verfahren kann weiter aufweisen ein Steuern der programmierbaren Stromquelle, um den Ausgangsstrom zu reduzieren in Übereinstimmung mit einer Reduktion des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert der ersten variablen Widerstandselemente und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine „lichtemittierende Diode(LED – light emitting diode)”-Schaltung, eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die LED-Schaltung; und eine programmierbare Stromquelle, die zwischen der LED-Schaltung und Masse verbunden ist und konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert. Die programmierbare Stromquelle kann Schaltmittel zum Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode aufweisen. Das Schaltmittel kann ausgebildet sein zum Schalten einer vorgegebenen Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits (LSB – least significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit binärer Codierung und zum Schalten einer verbleibenden Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits (MSB – most significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit unärer Codierung.
Die programmierbare Stromquelle in dem obigen Beleuchtungssystem kann weiter eine Vielzahl von Stromzweigen aufweisen, die durch das Schaltmittel in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand geschaltet sind. Das Schaltmittel kann ausgebildet sein zum Schalten einer ersten Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist zum Leiten eines Stroms, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung des jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist. Das Schaltmittel kann ausgebildet sein zum Schalten einer zweiten Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert sind zum Leiten von im Wesentlichen gleichen Strömen in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes. Das Schaltmittel kann ausgebildet sein zum Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen aufeinanderfolgend in den leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird. Wenn der digitale Eingangscode für einen L-Bit numerischen Wert repräsentativ ist und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, kann die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige aufweisen, die konfiguriert sind zum Leiten von Strömen von im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen kann zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige aufweisen, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2^M)·I₀.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung, in dem obigen Beleuchtungssystem, einer programmierbaren Stromquelle, die konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, durch Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode, wobei das Verfahren aufweist: Schalten einer vorgegebenen Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits (LSB – least significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit binärer Codierung; und Schalten einer verbleibenden Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits (MSB – most significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit unärer Codierung.
In Obigem kann die programmierbare Stromquelle eine Vielzahl von Stromzweigen aufweisen, die von dem Schaltmittel in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand geschaltet sind. Das Verfahren kann weiter aufweisen: Schalten einer ersten Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist, einen Strom zu leiten, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung des jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist; und Schalten einer zweiten Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert ist, um im Wesentlichen gleiche Ströme zu leiten, in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes. Ein Schalten der zweiten Gruppe von Stromzweigen kann umfassen ein Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen aufeinanderfolgend in den leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Wenn der digitale Eingangscode repräsentativ ist für einen L-Bit numerischen Wert und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, weist die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige auf, die konfiguriert sind zum Leiten von Strömen von jeweils im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen weist zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige auf, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2^M)·I₀. Das Verfahren kann aufweisen, bei einer Zunahme des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird: wenn eine Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, kleiner ist als ein größter ganzzahliger Divisor eines Zielausgangsstroms entsprechend dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, und dem Strom von im Wesentlichen (2^M)·I₀, Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den eingeschalteten Zu stand, so dass die Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, dem größten ganzzahligen Divisor entspricht, aber kein Schalten der Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand; und Schalten eines oder mehrerer der Stromzweige der ersten Gruppe von Stromzweigen, so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen mit dem gewünschten Ausgangsstrom übereinstimmt, entsprechend dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Es ist offensichtlich, dass die Verfahrensschritte und Vorrichtungsmerkmale auf vielfältige Weise untereinander ausgetauscht werden können. Insbesondere können die Details der offenbarten Vorrichtung als ein Verfahren implementiert werden, und die offenbarten Verfahrensschritte als Vorrichtungsmerkmale implementiert werden, wie für Fachleute offensichtlich ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
1 ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen LED-Beleuchtungssystems für eine Vielzahl von LED-Ketten mit einem Rückkopplungsmechanismus zur Steuerung der Ansteuerspannung zeigt;
2 schematisch ein Schaltungsdiagramm eines LED-Beleuchtungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
3 schematisch ein Schaltungsdiagramm eines LED-Beleuchtungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
4 schematisch ein Schaltungsdiagramm eines LED-Beleuchtungssystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
5 schematisch ein Detail eines programmierbaren Stromgenerators gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung darstellt;
6 ein Graph ist, der eine DNL-Leistung des programmierbaren Stromgenerators darstellt; und
7 ein Schaltungsdiagramm einer Konfiguration zeigt, die eine PWM-Steuerung in den LED-Beleuchtungssystemen gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei in den Figuren identische Objekte durch identische Bezugszeichen angegeben werden. Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt sein soll, und dass die beschriebenen Merkmale und Aspekte der Ausführungsbeispiele modifiziert oder kombiniert werden können, um weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu bilden.
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer schematischen Repräsentation eines Beleuchtungssystems 400 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verstärkungsreglerschaltung 120 (Energiequelle) wird in dieser schematischen Repräsentation nicht dargestellt. Es ist jedoch offensichtlich, dass eine geeignete Spannung an den Verstärkungsspannungsknoten 105 durch die Verstärkungsreglerschaltung 120 geliefert wird und dass eine Rückkopplungsspannung, die von der Kathodenseite jeder LED-Kette 101 genommen wird, an die Verstärkungsreglerschaltung 120 geliefert wird. Weiter, obwohl 2 beispielhaft eine einzelne LED-Schaltung 101 zeigt, ist offensichtlich, dass das Beleuchtungssystem 400 eine Vielzahl von LED-Schaltungen 101 aufweisen kann, zusammen mit einer entsprechenden Anzahl von ersten Rückkopplungsschaltungen 430 (im Folgenden erläutert) und einer entsprechenden Anzahl von ersten variablen Widerstandselementen 410 (im Folgenden erläutert).
Das Beleuchtungssystem 400 umfasst eine oder mehrere LED-Schaltungen 101, eine Energiequelle, die eine Ansteuerspannung an die Vielzahl von LED-Schaltungen 101 liefert, einen Stromgenerator 450 zum Ausgeben eines Stroms IM, und ein zweites variables Widerstandselement 420, durch das der von der Stromquelle 450 ausgegebene Ausgangsstrom I_M fließt. Das Beleuchtungssystem umfasst weiter für jede LED-Schaltung 101 ein erstes variables Widerstandselement 410 und eine erste Rückkopplungsschaltung (Rückkopplungsschleife) 430. Die erste Rückkopplungsschaltung 430 kann eine Einheit-Verstärkung (Verstärkung um 1) haben und umfasst einen ersten Operationsverstärker 431 (A3) und ein Transistorelement 432. Das Transistorelement 432 kann ein Transistor sein, zum Beispiel ein NMOS-Transistor.
Aus Gründen der Kürze wird im Folgenden die Schaltung, die aus einer gegebenen LED-Schaltung 101, dem entsprechenden ersten variablen Widerstandselement 410 und der entsprechenden ersten Rückkopplungsschaltung 430 gebildet wird, als ein erster Schaltungszweig bezeichnet, und die Schaltung, die durch das zweite variable Widerstandselement 420 und die Stromquelle 450 gebildet wird, wird als ein zweiter Schaltungszweig bezeichnet.
Das zweite variable Widerstandselement 420 ist konfiguriert, einen Widerstandswert aufzuweisen, der von dem Strom I_M abhängig ist, der durch das zweite variable Widerstandselement 420 fließt, d. h. der Strom, der von der Stromquelle 450 ausgegeben wird. In diesem Kontext ist anzumerken, dass die Stromquelle 450 eine variable Stromquellesein kann, zum Beispiel eine programmierbare Stromquelle, wie ein IDAC.
Das erste variable Widerstandselement 410 jedes ersten Stromzweigs ist konfiguriert, einen Widerstandswert aufzuweisen, der von dem Widerstandswert abhängt, den das zweite variable Widerstandselement 420 aufweist. Dazu ist jedes erste variable Widerstandselement 410 mit dem zweiten variablen Widerstandselement 420 verbunden, oder wird gemeinsam mit dem zweiten variablen Widerstandselement 420 gesteuert. Detaillierter ist jedes erste variable Widerstandselement 410 konfiguriert, einen Widerstandswert R_N aufzuweisen, so dass ein Verhältnis des Widerstandswerts R_N, den das jeweilige erste variable Widerstandselement 410 aufweist, und des Widerstandswerts R₁, den das zweite variable Widerständselement 420 aufweist, r = R_N/R₁ einem aus einem Satz von vorgegebenen Verhältnissen entspricht. Weiter ist das erste variable Widerstandselement 410 jedes ersten Stromzweigs derart konfiguriert, dass das Verhältnis aus einem aus dem vorgegebenen Satz von Verhältnissen zu einem anderen aus dem vorgegebenen Satz von Verhältnissen variiert werden kann. Gemäß einem spezifischen, nicht-einschränkenden Beispiel kann das Verhältnis R_N/R₁ entweder 1/2 oder 1/20 sein.
Die erste Rückkopplungsschaltung 430 jedes ersten Schaltungszweigs ist konfiguriert zum Steuern einer Spannung an einem ersten Knoten 433 zwischen der jeweiligen LED-Schaltung 101 und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement 410 auf eine erste Spannung. Die erste Spannung kann eine extern vorgesehene Referenzspannung sein oder kann einer Spannung an einem zweiten Knoten zwischen der Stromquelle 450 und dem zweiten variablen Widerstandselement 420 entsprechen. Zu diesem Zweck wird eine Spannung von dem ersten Knoten 433 genommen und an den ersten Operationsverstärker 431 geliefert. Der erste Operationsverstärker 431 vergleicht die von dem ersten Knoten 433 genommene Spannung mit der ersten Spannung. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 431 wird dem Gate-Anschluss des Transistorelements 432 zugeführt. In der Folge wird die Source-Spannung des Transistorelements 432 durch die erste Rückkopplungsschaltung 430 geregelt und die Gate-Spannung des Transistorelements 432 passt sich selbst an in Übereinstimmung mit dem Strom, der durch das Transistorelement 432 fließt. Somit ist festzustellen, dass die erste Rückkopplungsschaltung 430 einem Spannungsfolger entspricht.
Durch geeignetes Steuern der Spannung an dem ersten Knoten 433 auf die erste Spannung kann ein sehr niedriger Overhead (weniger als 200 mV, zum Beispiel ungefähr 150 mV) zwischen dem Rückkopplungsknoten 106 und Masse erreicht werden und die Menge von Verlustleistung kann erheblich reduziert werden. Da das Beleuchtungssystem 400 nicht auf Stromspiegeln mit Transistoren beruht, die in Sättigung betrieben werden, können die Probleme vermieden werden, die bei Beleuchtungssystemen gemäß dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, entstehen. Demgemäß kann eine Verstärkungsleistungseffizienz erheblich gesteigert werden. Weiter findet, da ein einzelner zweiter Schaltungszweig (Referenzstromzweig) erforderlich ist, an dem eine Vielzahl von ersten Schaltungszweigen verbunden werden kann, ein Ruhestromverbrauch der Stromquelle 450 nur einmal statt, unabhängig von einer Anzahl von ersten Schaltungszweigen. Dadurch wird eine hohe Skalierbarkeit hinsichtlich eines Ruhestromverbrauchs erzielt. Aus dem gleichen Grund wird auch eine hohe Skalierbarkeit hinsichtlich eines Flächenbereichs von Schaltungen erzielt.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer schematischen Repräsentation eines Beleuchtungssystems 500 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Beleuchtungssystem 500 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist identisch zu dem Beleuchtungssystem 400 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, mit Ausnahme des Vorhandenseins einer zweiten Rückkopplungsschaltung (Rückkopplungsschleife) 440. Die zweite Rückkopplungsschaltung 440 ist zwischen dem Stromgenerator 450 und dem zweiten variablen Widerstandselement 420 vorgesehen und weist einen zweiten Operationsverstärker 441 (A2) und ein Transistorelement 442 an dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 441 auf. Das Transistorelement 442 kann ein Transistor sein, zum Beispiel ein NMOS-Transistor. Im Folgenden werden nur die Unterschiede im Hinblick auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
Eine mögliche Implementierung wird nun beschrieben. Gemäß dieser Implementierung kann die zweite Rückkopplungsschaltung 440 eine Einheit-Verstärkung haben und ist konfiguriert zum Steuern einer Spannung vb2 an einem zweiten Knoten 443 zwischen dem zweiten variablen Widerstandselement 420 und der Stromquelle 450 auf eine zweite Spannung V_REF. Die zweite Spannung V_REF ist eine extern vorgesehene Referenzspannung. Zum Steuern der Spannung vb2 an dem zweiten Knoten 443 wird eine Spannung von dem zweiten Knoten 443 genommen und an den zweiten Operationsverstärker 441 geliefert. Der zweite Operationsverstärker 441 vergleicht die von dem zweiten Knoten 443 genommene Spannung mit der zweiten Spannung V_REF. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 441 wird dem Gate-Anschluss des Transistorelements 442 zugeführt. In Folge wird die Source-Spannung des Transistorelements 442 (d. h. der Knoten 443) durch die zweite Rückkopplungsschaltung 440 auf einen Wert sehr nahe bei V_REF geregelt, wobei sich die Gate-Spannung des Transistorelements 442 selbst anpasst in Übereinstimmung mit dem durch das Transistorelement 442 fließenden Strom. Somit ist festzustellen, dass die zweite Rückkopplungsschaltung 440 einem Spannungsfolger entspricht.
Die erste Spannung, die an den ersten Operationsverstärker 431 in jedem ersten Schaltungszweig zugeführt wird, kann gleich der zweiten Spannung V_REF sein. Alternativ, wie in 3 dargestellt, wird die Spannung vb2, die von zweiten Knoten 443 genommen wird, an den ersten Operationsverstärker 431 jedes ersten Schaltungszweigs als die erste Spannung zugeführt. Der Vorteil der letzteren Konfiguration ist Folgendes: ein möglicher Spannungs-Offset des zweiten Operationsverstärkers 441 beeinflusst die Spannung vb2 an dem zweiten Knoten 443. Da jedoch die Spannung vb2 an dem zweiten Knoten als Referenzspannung für den ersten Operationsverstärker 431 dient und die ersten Rückkopplungsschaltungen 430 jeweils eine Einheit-Verstärkung haben, beeinflusst der Spannungs-Offset des zweiten Operationsverstärkers 441 die Spannungen an den jeweiligen ersten Knoten 433 mehr oder weniger auf dieselbe Weise wie die Spannung vb2 an dem zweiten Knoten 443. Somit ist festzustellen, dass der Spannungs-Offset des zweiten Operationsverstärkers 441 ein Gleichtaktbeitrag zu der Spannung vb2 an dem zweiten Knoten und den Spannungen an den entsprechenden ersten Knoten 433 ist. Dadurch ermöglicht die letztere Konfiguration, einen Offset in dem zweiten Operationsverstärker 441 zu berücksichtigen, der ansonsten dazu führen kann, dass verschiedene Spannungen an den ersten Knoten 433 (einer für jeden ersten Schaltungszweig) und an dem zweiten Knoten 443 vorhanden sind. Da der Offset des zweiten Operationsverstärkers 441 ein Gleichtaktbeitrag zwischen den ersten und zweiten Stromzweigen ist, beeinflusst er die Stromspiegelung nicht und erfordert daher kein Trimmen.
Gemäß dieser Konfiguration können die Ströme, die jeweils durch die ersten variablen Widerstandselemente 410 fließen und demgemäß auch durch die LED-Schaltungen 101 fließen, geeignet eingestellt werden, während der Overhead reduziert werden kann, wie oben erläutert.
4 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer schematischen Repräsentation eines Beleuchtungssystems 600 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Beleuchtungssystem 600 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Beleuchtungssystem 500 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass spezifische Implementierungen der ersten und zweiten variablen Widerstandselemente und der Stromquelle vorgesehen sind, und dass zusätzliche erste und fünfte Schaltelemente 611, 621 vorgesehen sind. Dabei ist anzumerken, dass die spezifische Implementierung der ersten und zweiten variablen Widerstandselemente und der Stromquelle auf die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele alleine oder in Kombination anwendbar ist. Ebenfalls ist anzumerken, dass eines oder beide der ersten und fünften Schaltelemente 611, 621 weggelassen werden kann/können, zum Beispiel wenn eine PWM-Steuerung des Stroms, der durch die LED-Schaltungen 101 fließt, nicht vorgesehen ist. Im Folgenden werden nur die Unterschiede in Bezug auf die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die ersten variablen Widerstandselemente jeweils ein oder mehrere erste Transistorelemente 610 auf (zum Beispiel Transistoren, wie zum Beispiel NMOS-Transistoren), die in dem Triode-Bereich bei allen Bedingungen betrieben werden, und das zweite variable Widerstandselement weist ein zweites Transistorelement 620 auf, das in dem Triode-Bereich bei allen Bedingungen betrieben wird. Da die ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 in dem Triode-Bereich bei allen Bedingungen betrieben werden, entsprechen sie jeweils variablen Widerstandseinheiten. Es sollte angemerkt werden, dass das zweite Transistorelement 620 und die ersten Transistorelemente 610 alle vom selben Typ sind, d. h. dieselben Eigenschaften (Spezifikationen, Betriebsparameter) haben. Die Source-Anschlüsse der ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 sind jeweils mit Masse verbunden. Für jeden ersten Schaltungszweig (d. h. für jede LED-Schaltung 101) ist das Gate von jedem des einen oder der mehreren ersten Transistorelemente 610 elektrisch mit dem Gate des zweiten Transistorelements 620 verbunden. Demgemäß wird dieselbe Vorspannung (Bias) vb1 an die Gates der ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 angelegt, und die ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620, die in dem Triode-Bereich betrieben werden und von demselben Typ sind, weisen denselben Widerstandswert zwischen ihren jeweiligen Source- und Drain-Anschlüssen auf. Wenn die ersten variablen Widerstandselemente jeweils mehr als ein erstes Transistorelement 610 parallel aufweisen, können die Widerstände der ersten variablen Widerstandselemente und des zweiten variablen Widerstandselements ein Verhältnis von 1 verschieden haben, d. h. kleiner als 1.
Wie oben angegeben, ist jedes erste variable Widerstandselement konfiguriert, einen Widerstandswert R_N aufzuweisen, so dass ein Verhältnis des Widerstandswerts R_N, den das jeweilige erste variable Widerstandselement aufweist, und des Widerstandswerts R₁, den das zweite variable Widerstandselement aufweist, r = R_N/R₁ einem aus einem Satz von vorgegebenen Verhältnissen entspricht. Gemäß einem spezifischen, nicht-einschränkenden Beispiel kann das Verhältnis r = R_N/R₁ 1/2 oder 1/20 sein. Dies wird erreicht durch Vorsehen des einen oder mehrerer Transistorelemente 610 pro erstem variablen Widerstandselement. Jedes erste Transistorelement 610 ist Teil eines jeweiligen schaltbaren Stromzweigs, wobei die schaltbaren Stromzweige parallel vorgesehen sind. Diese Stromzweige können durch zugewiesene Schaltelemente geschaltet werden oder durch die unten beschriebenen ersten Schaltelemente 611. Für jedes gegebene Verhältnis wird eine Anzahl von Stromzweigen abhängig von dem Verhältnis r in den leitenden Zustand geschaltet. Zum Beispiel, wenn ein Verhältnis r = R_N/R₁ ≤ 1 erlangt werden soll, werden 1/r Stromzweige des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements in den leitenden Zustand geschaltet. Demgemäß entspricht der Gesamtstrom, der durch die Stromzweige des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements fließt (d. h. eine Summe von parallelen Strömen), dem 1/r-fachen des Stroms Im, der durch das zweite variable Widerstandselement fließt.
Der Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements 620 ist weiter mit einem dritten Knoten 622 verbunden, der sich zwischen der Stromquelle 650 und dem zweiten Transistorelement 620 und spezifischer zwischen der Stromquelle 650 und dem Transistorelement 442 der zweiten Rückkopplungsschaltung 440 befindet. Die Spannung vb1 an dem Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements 620 und somit auch der Source-Drain-Widerstand des zweiten Transistorelements 620 ist abhängig von dem Strom Im, der durch das zweite Transistorelement 620 fließt in Übereinstimmung mit einer Beziehung, die Fachleuten bekannt ist.
Bei der obigen Konfiguration ist anzumerken, dass die Kombination des zweiten Transistorelements 620 und eines gegebenen ersten Transistorelements 610 einem Stromspiegel ähnelt, mit dem Unterschied, dass die jeweiligen ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 nicht in Sättigung betrieben werden, wie es üblicherweise bei Stromspiegeln der Fall ist, sondern in dem Triode-Bereich. Ein Betreiben der ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 in dem Triode-Bereich anstatt in Sättigung ermöglicht ein Setzen der Spannung an den ersten und zweiten Knoten 443, 433 und somit auch an dem Rückkopplungsknoten 106 auf niedrigere Werte, wodurch der Overhead reduziert wird und die Gesamtsystemeffizienz verbessert wird. In der oben beschriebenen Konfiguration variiert ein Variieren des Stroms IM, der durch das zweite Transistorelement 620 fließt, den Strom, der durch jedes erste Transistorelement 610 fließt, und demgemäß auch den Strom I_LED, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt.
Für jedes der ersten Transistorelemente 610 (eines oder mehrere pro LED-Schaltung 101) ist ein erstes Schaltelement 611 (zum Beispiel ein NMOS-Transistor) an dessen Drain-Seite vorgesehen. Die ersten Schaltelemente 611 können zum Trimmen des Stroms verwendet werden, der durch das jeweilige erste variable Widerstandselement 610 fließt, durch Ein- und Ausschalten jeweiliger Stromzweige der ersten Transistorelemente 610, und zusätzlich auch zum Anwenden einer PWM-Steuerung auf die jeweilige LED-Schaltung 101, wie im Folgenden beschrieben wird. Durch Durchführen einer PWM-Steuerung kann der Strom, der durch die jeweilige LED-Schaltung 101 fließt, periodisch unterbrochen werden, was zu der Benutzerwahrnehmung einer wärmeren Farbe des Lichts führt, das von den LEDs 102 emittiert wird. Das fünfte Schaltelement 621, das von demselben Typ ist wie jedes der ersten Schaltelemente 611, ist an der Drain-Seite des zweiten Transistorelements 620 vorgesehen, um eine Äquivalenz von Schaltungen in den ersten und zweiten Stromzweigen sicherzustellen. Demgemäß wird das fünfte Schaltelement 621 nicht geschaltet, selbst wenn eine PWM-Steuerung angewendet wird.
Die oben beschriebene Konfiguration des Beleuchtungssystems 600 hat den Vorteil, dass die ersten und zweiten Transistorelemente 610, 620 in dem Triode-Bereich betrieben werden, wodurch sie als variable Widerstandseinheiten bei allen Bedingungen wirken, und dass somit die Spannung V_LED an dem Rückkopplungsknoten 106 minimiert werden kann und die Systemeffizienz erhöht werden kann durch geeignetes Steuern der Spannung an dem ersten Knoten 433. In einem spezifischen Beispiel wird die Spannung V_LED an dem Rückkopplungsknoten 106 auf einen Wert so niedrig wie 200 mV geregelt. Die Ausgangsimpedanz des „Stromspiegels”, der durch jeweilige erste und zweite Transistorelement 610, 620 gebildet wird, wird durch die erste Rückkopplungsschaltung verbessert, die den ersten Operationsverstärker 431 aufweist.
Da jede neu hinzugefügte LED-Schaltung 101 (d. h. jeder neu. hinzugefügte erste Schaltungszweig) nur zwei Knoten mit dem zweiten Schaltungszweig teilen müsste, d. h. die Knoten zum Liefern der Gate-Spannung vb1 und der Spannung vb2, von dem zweiten Knoten 443 genommen, ist eine hohe Skalierbarkeit zusammen mit einem geringen Ruhestromverbrauch garantiert. Tatsächlich betrifft der gesamte verbrauchte Ruhestrom den Strom, der von der Stromquelle 650 von einer Spannungsversorgung bezogen wird. Zum Beispiel kann eine interne Niederspannungs(LV – low voltage)-Versorgung vorgesehen sein (zum Beispiel durch einen Low-Dropout(LDO – low drop-out)-Regler von einer externen Batterie abgeleitet). Dieser Strom ändert sich nicht, wenn zusätzliche LED-Schaltungen 101 zu dem Beleuchtungssystem 600 hinzugefügt werden.
Im Folgenden werden Details der Stromquelle 650, die eine spezifische Implementierung der Stromquelle 450 in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen darstellt, unter Bezugnahme auf 4 und 5 erläutert. Die (programmierbare) Stromquelle 650 umfasst einen IDAC 651 (einen Digital-Analog-Wandler, der einen programmierbaren Strom ausgibt), einen kaskodierten PMOS-Transistor 653, 654, einen Referenzstromgenerator 652, einen dritten Operationsverstärker 655 (A1) und ein Transistorelement 656 (zum Beispiel einen PMOS-Transistor). Der Referenzstromgenerator 652 liefert einen Referenzstrom I_REF. Der Referenzstrom I_REF wird durch die kaskodierten PMOS-Transistoren 653, 654 an den IDAC 651 gespiegelt. Eine Spannung wird an die Source-Seite des IDACs 651 und des kaskodierten PMOS-Transistors 654 geliefert. Eine dritte Rückkopplungsschaltung (Rückkopplungsschleife), die eine Einheit-Verstärkung haben kann und die durch den dritten Operationsverstärker 655, der vorzugsweise eine hohe Verstärkung hat, und das Transistorelement 656 gebildet wird, dient dazu, die Ausgangsimpedanz der Stromquelle 650 zu erhöhen. Es ist offensichtlich, dass abhängig von spezifischen Anforderungen die dritte Rückkopplungsschaltung und/oder die kaskodierten PMOS-Transistoren aus der Stromquelle 650 weggelassen werden können.
Der IDAC 651 (allgemeiner die Stromquelle 650) empfängt einen digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert n repräsentiert, und gibt einen Ausgangsstrom I_M(n) in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode (oder dem numerischen Wert n) durch Durchführen einer Schaltoperation aus. Der digitale Eingangscode kann eine beliebige Bitlänge L haben. Gemäß einem spezifischen Beispiel wird ein digitaler 11-Bit-Eingangscode verwendet (L = 11). Der IDAC 651 (allgemeiner die Stromquelle 650) weist eine Vielzahl von schaltbaren Stromzweigen auf, die parallel vorgesehen sind und durch die, wenn in den leitenden Zustand geschaltet, ein gegebener Strom fließt. Der Ausgangsstrom des IDACs 651 (allgemeiner der Stromquelle 650) entspricht der Summe von Strömen, die durch die schaltbaren Stromzweige fließen, die durch die Schaltoperation in den leitenden Zustand geschaltet werden.
Ein wichtiges Merkmal des IDACs 651 (allgemeiner der Stromquelle 650) ist eine Verwendung einer gemischten thermometrischen und binären Codierung.
Herkömmliche IDACs führen ein Schalten in Übereinstimmung mit binärer Codierung durch, d. h. die Bits werden in Übereinstimmung mit binärer Codierung geschaltet, oder anders ausgedrückt, die Bits werden in Übereinstimmung mit einer binären Codierung in der Schaltoperation behandelt. Der herkömmliche IDAC weist eine Vielzahl von parallelen schaltbaren Stromzweigen auf, deren Anzahl der Anzahl von Bits des digitalen Eingangscodes entspricht. Jeder der Stromzweige entspricht einem gegebenen der Bits (Bit-Positionen) des digitalen Eingangscodes und, wenn in den leitenden Zustand geschaltet, leitet einen Strom entsprechend der Bit-Nummerierung (Bit-Endian) des entsprechenden Bits mal einem Basisstrom (Referenzstrom). Durch Schalten der schaltbaren Stromzweige jeweils in Übereinstimmung mit einem Bit-Wert (d. h. 0 oder 1) des jeweiligen entsprechenden Bits des digitalen Eingangscodes kann ein Ausgangsstrom I_M(n) in Übereinstimmung mit dem numerischen Wert n ausgegeben werden, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Wenn jedoch eine binäre Codierung für den IDAC verwendet wird, entsteht das Problem einer differentiellen Nichtlinearität (DNL – differential non-linearity). In dem Kontext der vorliegenden Offenbarung wird die DNL definiert als DNL(n) ≡ (I_M(n + 1)/I_M(n) – 1)·100[%].
In einem idealen Fall ist die DNL klein und positiv für alle n. Für eine binäre Codierung des IDACs jedoch, für einen gegebenen Übergang I_M(n) → I_M(n + 1), kann ein Schalten einer Vielzahl von Stromzweigen erforderlich sein, was möglicherweise zu DNL-Spitzen (sowohl positiv als auch negativ) führen kann, wenn die Stromzweige nicht perfekt abgestimmt sind, zum Beispiel wenn einige Nichtübereinstimmungen zwischen ihnen bestehen.
Bei einer thermometrischen Codierung (Thermometer-Codierung oder unäre Codierung) andererseits wird ein numerischer Wert n durch einen Bit-Code mit n Einsen startend von der LSB-Seite und Nullen für die verbleibenden Bits repräsentiert. Ein Schalten der Bits in Übereinstimmung mit der Thermometer-Codierung oder anders ausgedrückt, ein Behandeln der Bits in Übereinstimmung mit der Thermometer-Codierung in der Schaltoperation bedeutet, dass jeder . Stromzweig, wenn in den leitenden Zustand geschaltet, denselben Strom leitet.
Demgemäß werden für jeden Übergang I_M(n) → I_M(n + 1) ein oder mehrere Stromzweige in den leitenden Zustand geschaltet, während alle Stromzweige, die zuvor in dem leitenden Zustand waren, in dem leitenden Zustand gehalten werden. In anderen Worten, bei einem Übergang von I_M(n) zu I_M(n + 1) wird/werden ein oder mehrere Stromzweige zu den Stromzweigen hinzugefügt, die bereits I_M(n) vorsehen. Offenkundig kann in einer derartigen Konfiguration die DNL nicht negativ werden. Bei Modifikationen der thermometrischen Codierung kann mehr als ein Stromzweig in den leitenden Zustand geschaltet werden, insbesondere für hohe Codes, zum Beispiel bei einer exponentiellen thermometrischen Codierung.
Jedoch haben Thermometer-codierte IDACs den Nachteil, dass eine große Anzahl von parallelen Stromzweigen erforderlich ist. Für einen digitalen L-Bit-Eingangscode wäre erforderlich, dass der IDAC zumindest (2^L – 1) Stromzweige aufweist, was für große L zu einer Explosion des Flächenbereichs von Schaltungen des IDACs führt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet der IDAC 651 (allgemeiner die Stromquelle 650) eine gemischte thermometrische und binäre Codierung. Dies bedeutet, dass in der Schaltoperation eine vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit binärer Codierung behandelt wird (d. h. in Übereinstimmung mit binärer Codierung geschaltet wird), und dass eine verbleibende Anzahl von Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit unärer Codierung behandelt wird (d. h. in Übereinstimmung mit unärer Codierung geschaltet wird). Insbesondere gibt es in der Vielzahl von parallelen Stromzweigen des IDACs 651 eine erste Gruppe von (parallelen) Stromzweigen, die der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes entspricht. Die Stromzweige der ersten Gruppe sind konfiguriert zum Leiten von Strom in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung (Bit-Endian) des jeweiligen entsprechenden Bits, wenn in den leitenden Zustand geschaltet. Die Stromzweige der ersten Gruppe werden in Übereinstimmung mit einem Bitwert (d. h. 0 oder 1) des jeweiligen entsprechenden Bits der. vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet.
Weiter gibt es in der Vielzahl von Stromzweigen eine zweite Gruppe von (parallelen) Stromzweigen, die konfiguriert sind, im Wesentlichen gleiche Ströme zu leiten, wenn in den leitenden Zustand geschaltet. Es sollte angemerkt werden, dass der Strom, der durch die Stromzweige der zweiten Gruppe geleitet wird, größer ist als der höchste Strom, der von einem Stromzweig der ersten Gruppe geleitet wird. Die Stromzweige der zweiten Gruppe werden in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet, in Übereinstimmung mit einer Thermometer-Codierung. Das heißt, intern werden die verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen. Eingangscodes in digitalen Code in Übereinstimmung mit einer Thermometer-Codierung umgewandelt. Dies impliziert, dass für jeden gegebenen Übergang von I_M(n) zu I_M(n + 1) die Anzahl von Stromzweigen in der zweiten Gruppe, die vor dem Übergang in dem leitenden Zustand sind, gleich oder geringer ist als die Anzahl von Stromzweigen in der zweiten Gruppe, die in dem leitenden Zustand sind nach dem Übergang. In anderen Worten, die Stromzweige der zweiten Gruppe werden aufeinanderfolgend in den leitenden Zustand geschaltet (aber niemals von dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand geschaltet) in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert n des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Wenn zum Beispiel der digitale Eingangscode repräsentativ ist für einen L-Bit numerischen Wert und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, weist die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige auf, die konfiguriert sind zum Leiten von Strömen von jeweils im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀, wobei I₀ ein Basisstrom ist (der Referenzstrom I_REF), und die zweite Gruppe von Stromzweigen weist zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige auf, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten von Strom von im Wesentlichen (2^M)·I₀. Ein Beispiel der ersten und zweiten Gruppen von Stromzweigen wird in 5 dargestellt.
Im Allgemeinen kann ein gewünschter Ausgangsstrom I_M(n) des IDACs 651 (oder allgemeiner der Stromquelle 650) mit dem numerischen Wert n in Beziehung stehen, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, durch eine (stückweise) streng monoton zunehmende Funktion, wie eine lineare Funktion, zum Beispiel mit Einheit-Gradient und Null-Offset, eine Exponentialfunktion oder eine stückweise definierte Funktion mit Elementen mit linearer variabler Steigung, zum Beispiel Approximieren einer Exponentialfunktion. Abhängig von der Differenz zwischen I_M(n + 1) und I_M(n), kann mehr als ein Stromzweig in den leitenden Zustand geschaltet werden. Zum Beispiel kann insbesondere für eine nichtlineare monoton steigende Funktion und hohe Codes n eine Vielzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den leitenden Zustand geschaltet werden. Wenn zum Beispiel (mit M = 4) der Ausgangsstrom I_M(n) durch 9431·I₀ gegeben ist und der Ausgangsstrom I_M(n + 1) durch 9459·I₀ für einige n gegeben ist, sind 589 Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen in dem eingeschalteten Zustand, und Stromzweige, die Ströme I₀, 2·I₀, 4·I₀ leiten, der ersten Gruppe von Stromzweigen sind in dem eingeschalteten Zustand vor dem Übergang von n zu n + 1. Bei dem Übergang werden zwei zusätzliche Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den eingeschalteten Zustand geschaltet, während die Stromzweige der ersten Gruppe von Stromzweigen derart geschaltet werden, dass nur Stromzweige, die Ströme I₀, 2·I₀ leiten, in dem eingeschalteten Zustand bleiben.
Im Allgemeinen kann die folgende Schaltoperation bei einer Zunahme des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, von n zu n' durchgeführt werden, zum Beispiel n' = n + 1. Wenn eine Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, kleiner ist als ein größter ganzzahliger Divisor ⌊I_M(n')/(2^M·I₀)⌋ eines Zielausgangsstroms I_M(n') entsprechend dem numerischen Wert n', der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, und Strom von im Wesentlichen (2^M)·I₀, wird eine entsprechende Anzahl (d. h. ⌊I_M(n')/(2^M·I₀)⌋ – ⌊I_M(n)/(2^M·I₀)⌋) von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den eingeschalteten Zustand geschaltet, so dass die Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, mit dem größten ganzzahligen Divisor ⌊I_M(n')/(2^M·I₀)⌋ übereinstimmt. Andererseits werden keine Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den ausgeschalteten Zustand bei dem Übergang von n zu n' geschaltet. Gleichzeitig werden einer oder mehrere der Stromzweige der ersten Gruppe von Stromzweigen geschaltet (jeweils entweder von ein nach aus oder umgekehrt), so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen dem gewünschten Ausgangsstrom I_M(n') entspricht, entsprechend dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, d. h. so dass der Summenstrom, der durch die Stromzweige der ersten Gruppe von Stromzweigen geleitet wird, die in dem eingeschalteten Zustand sind, im Wesentlichen gleich dem Rest (I_M(n') mod (2^M·I₀)) I₀ ist.
In einem spezifischen Beispiel werden L = 11 und M = 4 gewählt.
Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen können die schaltbaren Stromzweige des IDACs 651 jeweils einen PMOS-Transistor und ein Schaltelement aufweisen, wie einen Transistor.
Aufgrund der thermometrischen Codierung der verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes kann eine gute DNL-Leistung ohne Beeinträchtigung einer Stromgenauigkeit des IDACs erreicht werden. 6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Strom I_LED, der durch die LED-Schaltungen 101 fließt, und der DNL (in %) für ein spezifisches Beispiel des Beleuchtungssystems darstellt. Die Werte der DNL sind bei 0,3% zentriert und im Wesentlichen zwischen 0,15% und 0,6% begrenzt. Für niedrige Stromwerte bestehen größere Abweichungen von dem Mittenwert von 0,3% und DNL-Werte höher als 0,6% sind aufgrund von Messfehlern. Abweichungen von 0,3% bei größeren Stromwerten sind aufgrund der Approximation einer streng monoton exponentiellen Beziehung, die in dem Beispiel ausgewählt ist, mit linearen Segmenten variabler Steigung. Der Anstieg von DNL-Werten zwischen 1·10^–3 A und 5·10^–3 A ist aufgrund der Schaltoperation der ersten variablen Widerstandselemente, die im Folgenden erläutert werden, und kann durch geeignetes Strom-Trimmen adressiert werden.
Aufgrund der binären Codierung der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes wird die Adressierung der Elemente des IDACs 651 wesentlich vereinfacht. Weiter kann ein Flächenbereich des IDACs 651 im Vergleich zu einem rein thermometrischen IDAC erheblich reduziert werden. Eine weitere Flächenbereichsreduzierung des IDACs 651 resultiert aus einer Verwendung des variablen Verhältnisses r von Widerstandswerten der ersten und zweiten variablen Widerstandselemente, wie oben diskutiert. Andererseits wird die DNL-Leistung des IDACs 651 nicht wesentlich durch die binäre Codierung der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite beeinflusst, aufgrund der niedrigeren Bit-Nummerierung (Bit-Endian) der Bits, die in Übereinstimmung mit einer binären Codierung codiert werden. Einer verbleibenden möglichen Auswirkung auf die DNL-Leistung, wenn vorhanden, kann entgegengewirkt werden durch Verwendung eines 2-Code-Trimmens jedes LED-Kette-Stroms I_LED, wie im Folgenden erläutert wird.
Wie am Anfang der Beschreibung von 4 angegeben, können die obigen Details hinsichtlich der Stromquelle 650 auf jedes der obigen Ausführungsbeispiele angewendet werden. Auch ist, wie für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich ist, die Anwendung des IDACs 651 oder der gesamten (programmierbaren) Stromquelle 650 nicht auf LED-Beleuchtungssysteme beschränkt, und der IDAC 651 oder die gesamte (programmierbare) Stromquelle 650 können auch für andere Anwendungen verwendet werden.
In den obigen Ausführungsbeispielen können die ersten variablen Widerstandselemente derart konfiguriert sein, dass ein Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten Widerstandselements einem Verhältnis aus einem Satz von vorgegebenen Verhältnissen entspricht, und weiter, wie oben erläutert, so dass das Verhältnis von einem aus dem vorgegebenen Satz von Verhältnissen zu einem anderen aus dem vorgegebenen Satz von Verhältnissen variiert werden kann. Gemäß einem spezifischen Beispiel kann das Verhältnis R_N/R₁ entweder 1/2 oder 1/20 sein. Dies bietet eine zusätzliche Möglichkeit zum Steuern des Stroms I_LED, der durch die LED-Schaltungen 101 fließt.
Gemäß den Ausführungsbeispielen kann das obige Verhältnis R_N/R₁ in Übereinstimmung mit dem numerischen Wert n gesetzt werden, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird. Detaillierter, solange der numerische Wert n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unterhalb eines vorgegebenen numerischen Schwellenwerts ist, wird der Widerstandswert jedes ersten variablen Widerstandselements (eines für jeden ersten Schaltungszweig, d. h. eines für jede LED-Schaltung 101) auf einen derartigen Wert gesetzt, dass das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements ein erstes Verhältnis wird, und wenn der numerische Wert n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, nicht unter dem vorgegebenen numerischen Schwellenwert ist, der Widerstandswert jedes ersten variablen Widerstandselements (eines für jeden ersten Schaltungszweig, d. h. eines für jede LED-Schaltung 101) auf einen derartigen Wert gesetzt wird, dass das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements ein zweites Verhältnis wird, das kleiner ist als das erste Verhältnis. In anderen Worten, der Widerstandswert jedes ersten variablen Widerstandselements wird auf einen kleineren Wert gesetzt, wenn der numerische Wert nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist. Das Beleuchtungssystem kann eine zugewiesene Steuervorrichtung (Steuermittel) aufweisen zum Setzen des Widerstandswerts der ersten variablen Widerstandselemente in Übereinstimmung mit dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, und/oder zum Steuern des IDACs 651 (oder allgemeiner zum Steuern der Stromquelle 650), d. h. zum Zuführen des digitalen Eingangscodes zu dem IDAC 651 (oder allgemeiner an die Stromquelle 650). Es ist offensichtlich, dass jedes Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements invers ist zu dem Verhältnis zwischen dem Strom, der durch das jeweilige erste variable Widerstandselement fließt, und dem Strom, der durch das zweite variable Widerstandselement fließt (Spiegelverhältnis).
In dem obigen Aufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Steuerung des Beleuchtungssystems wie im Folgenden beschrieben durchgeführt werden. Zuerst wird eine Ziellichtstärke des Beleuchtungssystems, die zum Beispiel durch einen Benutzer oder eine auf einer Vorrichtung mit dem Beleuchtungssystem laufenden Anwendung gesetzt wird, in den digitalen Eingangscode umgewandelt. Der digitale Eingangscode wird dann in den IDAC 651 (oder allgemeiner in die Stromquelle 650) eingegeben. Als nächstes wird bestimmt, ob der numerische Wert n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unter dem numerischen Schwellenwert ist oder nicht. In Übereinstimmung mit einem Ergebnis dieser Bestimmung wird eine Steuerung für jedes erste variable Widerstandselement durchgeführt. Demgemäß wird für jedes erste variable Widerstandselement ein Verhältnis r zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements auf das erste Verhältnis gesteuert, wenn der numerische Wert n unter dem numerischen Schwellenwert ist, und andernfalls, wenn der numerische Wert n nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist, wird das Verhältnis r zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements auf das zweite Verhältnis gesteuert, das kleiner ist als das erste Verhältnis.
Wenn das Verhältnis r zwischen dem Widerstandswert der ersten variablen Widerstandselemente und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements von dem ersten Verhältnis zu dem zweiten Verhältnis, das kleiner ist als das erste Verhältnis, bei einer Zunahme des numerischen Werts n (d. h. bei einer Zunahme der Ziellichtstärke) geschaltet wird, wird der IDAC 651 (oder allgemeiner die Stromquelle 650) gesteuert, um den Ausgangsstrom I_M in Übereinstimmung mit der Verringerung des Verhältnisses r zu reduzieren (d. h. in Übereinstimmung mit einer Zunahme des Verhältnisses zwischen dem Strom, der durch die ersten variablen Widerstandselemente fließt, und dem Strom, der durch das zweite variablen Widerstandselement fließt). Dadurch wird eine monotone Zunahme des Stroms I_LED, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt, für eine Zunahme des numerischen Werts n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, über den numerischen Schwellenwert erreicht. Diese Reduzierung des Ausgangsstroms I_M kann durch Schalten einer Anzahl von Stromzweigen des IDACs 651 von dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand erreicht werden. Andererseits, wenn das Verhältnis r zwischen dem Widerstandswert der ersten variablen Widerstandselemente und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements von dem zweiten Verhältnis zu dem ersten Verhältnis geschaltet wird bei einer Verringerung des numerischen Werts n (d. h. bei einer Verringerung der Ziellichtstärke), wird der IDAC 651 (oder allgemeiner die Stromquelle 650) gesteuert, um den Ausgangsstrom I_M in Übereinstimmung mit der Zunahme des Verhältnisses r zu erhöhen (d. h. in Übereinstimmung mit einer Verringerung des Verhältnisses zwischen dem Strom, der durch die ersten variablen Widerstandselemente fließt, und dem Strom, der durch das zweite variable Widerstandselement fließt). Dadurch wird eine monotone Abnahme des Stroms I_LED, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt, für eine Abnahme des numerischen Werts n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, über den numerischen Schwellenwert erreicht. Diese Zunahme des Ausgangsstroms I_M kann erreicht werden durch Schalten einer Anzahl von Stromzweigen des IDACs 651 von dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand. In der obigen Konfiguration kann der gewünschte Ausgangsstrom I_M(n) des IDACs 651 (oder allgemeiner der Stromquelle 650) mit dem numerischen Wert n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, durch eine Funktion in Beziehung gesetzt werden, die streng monoton ansteigt bis zu dem numerischen Schwellenwert, um einen Faktor fällt, der im Wesentlichen einem Verhältnis des zweiten Verhältnisses und des ersten Verhältnisses entspricht, und wieder streng monoton ist für numerische Werte n über dem numerischen Schwellenwert.
In einem spezifischen Beispiel wird ein digitaler 11-Bit-Eingangscode verwendet, und das Verhältnis r wird von dem ersten Verhältnis (zum Beispiel 1/2) zu dem zweiten Verhältnis (zum Beispiel 1/20) an dem Übergang von dem Codewert 1282 zu 1283 geschaltet. In diesem Beispiel ist die Funktion I_M(n) streng monoton für Codewerte bis zu 1282, fällt um einen Faktor von im Wesentlichen (1/20)/(1/2) = 1/10 von dem Codewert 1282 zu 1283, und ist wieder streng monoton für Codewerte größer als 1283.
Das obige Schalten des Verhältnisses r = R_N/R₁ zwischen dem Widerstandswert der ersten variablen Widerstandselemente und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements ermöglicht, die erforderliche Anzahl von parallelen Stromzweigen des IDACs 651 für eine gegebene Stromauflösung zu verringern, und geht somit mit einer signifikanten Verringerung eines Flächenbereichs des IDACs 651 für eine gegebene Stromauflösung einher.
Es ist offensichtlich, dass die Anzahl von numerischen Schwellenwerten nicht auf einen beschränkt ist, und dass zwei oder mehr numerische Schwellenwerte für den numerischen Wert n, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, vorgesehen werden können. In solchen Fällen müssten drei oder mehr Verhältnisse R_N/R₁ in den ersten variablen Widerstandselementen einstellbar sein.
Zusammenfassend ermöglicht die pseudo-thermometrische Struktur des IDACs kombiniert mit dem variablen Verhältnis r (oder dem variablen Spiegelverhältnis, welches das Inverse des Verhältnisses r ist) signifikante Einsparungen von Flächenbereich hinsichtlich des vollständig thermometrischen Falles ohne Beeinträchtigung einer DNL-Leistung.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Trimmen des Stroms in dem Beleuchtungssystem beschrieben, das die obige Schaltoperation der Stromquelle und der ersten variablen Widerstandselemente einsetzt. Dabei ist offensichtlich, dass dieses Verfahren auf alle in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ausführungsbeispiele anwendbar ist.
Zuerst wird der Strom IM, der durch den IDAC 651 (allgemeiner durch die Stromquelle 650) ausgegeben wird, auf einen gegebenen Stromwert bei einem gegebenen, aber im Prinzip beliebigen, Codewert getrimmt (d. h. ein numerischer Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird). Dann wird für jeden ersten Schaltungszweig der Strom I_LED, der durch die jeweilige LED-Schaltung 101 fließt, auf einen gegebenen Stromwert bei dem numerischen Wert n unmittelbar unter dem numerischen Schwellenwert getrimmt. Dies wird durch Schalten der ersten Schaltelemente 611 durchgeführt. Alle Schaltelemente 611, die zu diesem Zeitpunkt in den nicht-leitenden Zustand geschaltet sind, werden nicht in den leitenden Zustand geschaltet während einer PWM-Steuerung, während das erste Verhältnis gesetzt ist. Schließlich wird für jeden ersten Schaltungszweig der Strom I_LED, der durch die jeweilige LED-Schaltung 101 fließt, auf einen gegebenen Stromwert bei dem numerischen Wert n + 1 an dem numerischen Schwellenwert getrimmt unter Verwendung, als Trimm-Ziel für den Strom, des getrimmten Stromwerts für Code n multipliziert mit der Ziel-DNL. Dies wird wieder durch Schalten der ersten Schaltelemente 611 durchgeführt. Alle Schaltelemente 611, die in den nicht-leitenden Zustand zu diesem Zeitpunkt geschaltet sind, werden nicht in den leitenden Zustand geschaltet während einer PWM-Steuerung, während das zweite Verhältnis gesetzt ist.
Mittels des obigen Trimmvorgangs können sowohl der Strom I_LED, der durch jede LED-Schaltung 101 fließt, als auch die DNL-Leistung über den gesamten Codebereich getrimmt werden, insbesondere, da der Übergangspunkt von dem ersten Verhältnis zu dem zweiten Verhältnis der einzige kritische Punkt ist hinsichtlich möglichen Abweichungen der DNL von ihrem jeweiligen Zielwert.
Im Folgenden wird eine Konfiguration und ein Verfahren zum Durchführen einer PWM-Steuerung in dem Beleuchtungssystem gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass das vorgeschlagene Schema für eine PWM-Steuerung nicht die Operation der ersten Rückkopplungsschaltung 430 beeinträchtigt.
Wie aus 7 zu sehen ist, umfasst das Beleuchtungssystem für jede LED-Schaltung 101 (d. h. für jeden ersten Schaltungszweig) die ersten Schaltelemente 611, die schaltbar sind in Übereinstimmung mit einem Pulsweitenmodulations(PWM – pulse width modulation)-Signal und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten 433 und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement verbunden sind, und ein zweites Schaltelement 434 (zum Beispiel ein NMOS-Transistor), das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung 430 vorgesehen ist. Wie oben angeführt, umfasst das Beleuchtungssystem ein erstes Schaltelement 611 pro erstem Transistorelement 610. Da diejenigen der ersten Schaltelemente 611 pro erstem Schaltungszweig, die während einer PWM-Steuerung geschaltet werden, gleichzeitig geschaltet werden, ist es für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung der PWM-Steuerung ausreichend, auf ein erstes Schaltelement 611 pro erstem Schaltungszweig Bezug zu nehmen, das für das eine oder die mehreren ersten Schaltelemente 611 pro erstem Schaltungszweig repräsentativ ist. Das zweite Schaltelement 434 ist konfiguriert zum Trennen der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung 430, wenn das erste Schaltelement 611 in den nicht-leitenden Zustand (d. h. einen offenen Zustand, ausgeschalteten Zustand) durch die PWM-Steuerung geschaltet wird. Demgemäß wird ein PWM-Signal an das zweite Schaltelement 434 geliefert, das im Wesentlichen phasengleich ist mit dem PWM-Signal, das an das erste Schaltelement 611 geliefert wird.
Weiter ist in jeder ersten Rückkopplungsschaltung 430 ein drittes Transistorelement 432 (zum Beispiel ein NMOS-Transistor) vorgesehen, das als ein Hochspannungsschaltelement dient, und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten 433 und der jeweiligen LED-Schaltung 101 verbunden. Ein Kondensatorelement 435 mit einer gegebenen Kapazität ist zwischen einem Gate-Anschluss des dritten Transistorelements 432 und Masse verbunden. Weiter ist ein drittes Schaltelement 436 (zum Beispiel ein NMOS-Transistor) angeordnet und konfiguriert zum Trennen, in Verbindung mit dem zweiten Schaltelement 434, des dritten Transistorelements 432 und des Kondensatorelements 435 von der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung 430, wenn das erste Schaltelement 611 in den offenen Zustand geschaltet wird. Demgemäß wird ein PWM-Signal an das dritte Schaltelement 436 geliefert, das im Wesentlichen phasengleich ist mit dem PWM-Signal, das an das erste Schaltelement 611 und das zweite Schaltelement 434 geliefert wird.
Das Kondensatorelement 435 ist mit dem Gate des dritten Transistorelements 432 verbunden. Sobald die erste Rückkopplungsschaltung 430 durch die zweiten und dritten Schaltelemente 434, 436 getrennt (abgeschaltet) wird, wird die Gate-Spannung des dritten Transistorelements 435 in dem Kondensatorelement 435 gespeichert. Daher wird, auch wenn die Knoten des jeweiligen ersten Schaltungszweigs während des ausgeschalteten Zustands des ersten Schaltelements 611 potenzialfrei sein können, die Source-Gate-Spannung V_gs des dritten Transistorelements 432 fast konstant gehalten. Demgemäß kann, nachdem das erste Schaltelement 611 wieder in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird (und auch die zweiten und dritten Schaltelemente 434, 436 wieder in den eingeschalteten Zustand geschaltet werden), eine Steuerung der Spannung an dem ersten Knoten 433 durch die erste Rückkopplungsschaltung 430 nahezu sofort wieder aufgenommen werden, unabhängig von einer Reaktionsgeschwindigkeit der ersten Rückkopplungsschaltung 430 (einer Einschwingzeit der Schaltungen der ersten Rückkopplungsschaltung 430). Ein interner Regler 920 (der Teil des Kette-Treibers sein kann) und ein interner Pegelverschieber 910 garantieren, dass das dritte Schaltelement 436 bei allen Bedingungen richtig arbeitet.
Jede erste Rückkopplungsschaltung 430 umfasst weiter den ersten Operationsverstärker 431 (ein Operationsverstärkerelement), der mit seinem Ausgangsanschluss mit dem Gate-Anschluss des dritten Transistorelements 432 über das dritte Schaltelement 436 verbunden ist, sowie ein viertes Schaltelement 437 – (zum Beispiel ein NMOS-Transistor), das konfiguriert zum Kurzschließen der Differentialeingangsanschlüsse des ersten Operationsverstärkers 431, wenn das erste Schaltelement 611 in den offenen Zustand geschaltet wird. Demgemäß wird ein PWM-Signal an das vierte Schaltelement 437 geliefert, das im Wesentlichen um 180 Grad in der Phase verschoben ist in Bezug auf das PWM-Signal, das an das erste Schaltelement 611 geliefert wird. Somit wird, während das erste Schaltelement 611 in den ausgeschalteten Zustand geschaltet wird, die erste Spannung an beide Anschlüsse des ersten Operationsverstärkers 431 geliefert, der einen guten Ausgangspunkt zum Wiederaufnehmen der Rückkopplungssteuerung vorsieht, wenn das erste Schaltelement 611 wieder in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird (und auch die zweiten und dritten Schaltelemente 434, 436 wieder in den eingeschalteten Zustand geschaltet werden).
Es ist anzumerken, dass der PWM-Mechanismus nur auf dem richtigen Timing der PWM-Signale beruht, die die ersten bis vierten Schaltelemente 611, 434, 436, 437 ansteuern, was einfach erreicht werden kann. Andererseits beruht der PWM-Mechanismus nicht auf den Einschwingzeiten des ersten Operationsverstärkers 431 und anderen Schaltungen der ersten Rückkopplungsschaltung 430, wodurch eine sehr genaue PWM-Steuerung bei allen Lastbedingungen möglich ist.
Wie oben beschrieben, weist der zweite Schaltungszweig das fünfte Schaltelement 621 auf, das von demselben Typ ist wie die ersten Schaltelemente 611 und zwischen dem zweiten Knoten 443 und dem zweiten variablen Widerstandselement verbunden ist. Das fünfte Schaltelement 621 wird nicht geschaltet und kompensiert die Auswirkungen der ersten Schaltelemente 611 (zum Beispiel hinsichtlich Widerstand/Reaktanz, Kapazität und Induktivität), wodurch eine perfekte Balance zwischen den ersten und zweiten Schaltungszweigen sichergestellt ist.
Zusammengefasst wurden Verfahren und Schaltungen beschrieben zum Vorsehen von steuerbarem Strom für eine oder mehrere LED-Ketten mit nur geringem Spannungsabfall an der Stromquelle, wodurch ein Leistungsverlust reduziert wird. Die vorgeschlagenen Schaltungen haben eine gute Skalierbarkeit, um viele LED-Ketten zu unterstützen. Weiter wurden Verfahren und Schaltungen beschrieben, die eine verbesserte Linearität haben, d. h. eine geringe differentielle Nichtlinearität (DNL), und Dithering-frei sind.

Claims

Ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine Vielzahl von „lichtemittierende Diode LED”-Schaltungen (101); eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die Vielzahl von LED-Schaltungen (101); für jede LED-Schaltung (101) ein erstes variables Widerstandselement (410), das zwischen der jeweiligen LED-Schaltung (101) und Masse verbunden ist; für jede LED-Schaltung (101) eine erste Rückkopplungsschaltung (430), die konfiguriert ist zum Steuern einer Spannung an einem ersten Knoten (433) zwischen der jeweiligen LED-Schaltung (101) und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement (410) auf eine erste Spannung; eine Stromquelle (450, 650); und ein zweites variables Widerstandselement (420), das zwischen der Stromquelle (450, 650) und Masse verbunden ist, wobei jedes erste variable Widerstandselement (410) konfiguriert ist, einen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem Widerstandswert aufzuweisen, den das zweite variable Widerstandselement (420) aufweist, jedes der ersten variablen Widerstandselemente (410) ein erstes Transistorelement (610) aufweist; das zweite variable Widerstandselement (420) ein zweites Transistorelement (620) aufweist; und jedes erste Transistorelement (610) und das zweite Transistorelement (620) biased sind, um in dem Triode-Bereich zu arbeiten.
Das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 1, das weiter eine zweite Rückkopplungsschaltung (440) aufweist, die konfiguriert ist zum Steuern einer Spannung an einem zweiten Knoten (443) zwischen der Stromquelle (450, 650) und dem zweiten variablen Widerstandselement (420) auf eine zweite Spannung, wobei die erste Spannung der Spannung an dem zweiten Knoten (443) oder der zweiten Spannung entspricht.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite variable Widerstandselement (420) konfiguriert ist, einen Widerstandswert in Abhängigkeit von einem von der Stromquelle (450, 650) ausgegebenen Strom aufzuweisen.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes erste variable Widerstandselement (410) derart konfiguriert ist, dass ein Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements (410) und dem Widerstandswert des zweiten Widerstandselements (420) einem Verhältnis aus einem Satz von vorgegebenen Verhältnissen entspricht.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes erste Transistorelement (610) ein Gate-Anschluss des jeweiligen ersten Transistorelements (610) mit einem Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements (620) verbunden ist.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gate-Anschluss des zweiten Transistorelements (620) mit einem dritten Knoten (622) zwischen einem Drain-Anschluss des zweiten Transistorelements (620) und der Stromquelle (450, 650) verbunden ist.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle (450, 650) eine programmierbare Stromquelle ist, die konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, durch Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode; eine vorgegebene Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits LSB des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit einer binären Codierung geschaltet wird; und eine verbleibende Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits MSB des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit einer unären Codierung geschaltet wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stromquelle (450, 650) eine Vielzahl von Stromzweigen aufweist, die in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand geschaltet sind; eine erste Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet wird, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist, einen Strom zu leiten, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung des jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist; und eine zweite Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert ist zum Leiten von im Wesentlichen gleichen Strömen, in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes geschaltet wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen nacheinander in einen leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts geschaltet werden, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei, wenn der digitale Eingangscode für einen L-Bit numerischen Wert repräsentativ ist und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige aufweist, die zum jeweiligen Leiten von Strömen von im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀ konfiguriert sind, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige aufweist, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2^M)·I₀.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter für jede LED-Schaltung (101) aufweist: ein erstes Schaltelement (611), das in Übereinstimmung mit einem Pulsweitenmodulation-Signal schaltbar ist und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten (433) und dem jeweiligen ersten variablen Widerstandselement (410) verbunden ist; und ein zweites Schaltelement (434), das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung (430) vorgesehen ist und konfiguriert ist zum Trennen der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung (430), wenn das erste Schaltelement (611) in einen offenen Zustand geschaltet wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 11, das weiter für jede LED-Schaltung (101) aufweist: ein drittes Transistorelement (432), das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung (430) vorgesehen ist und zwischen dem jeweiligen ersten Knoten (433) und der jeweiligen LED-Schaltung (101) verbunden ist; ein Kondensatorelement (435), das zwischen einem Gate-Anschluss des dritten Transistorelements (432) und Masse verbunden ist; ein drittes Schaltelement (436), das konfiguriert ist zum Trennen, in Verbindung mit dem zweiten Schaltelement (434), des dritten Transistorelements (432) und des Kondensatorelements von der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung (430), wenn das erste Schaltelement (611) in den offenen Zustand geschaltet wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 12, das weiter für jede LED-Schaltung (101) aufweist: ein Operationsverstärkerelement (431), das in der jeweiligen ersten Rückkopplungsschaltung (430) vorgesehen ist und mit seinem Ausgangsanschluss mit dem Gate-Anschluss des jeweiligen dritten Transistorelements (432) über das jeweilige dritte Schaltelement (436) verbunden ist; ein viertes Schaltelement (437), das konfiguriert ist zum Kurzschließen der Differentialeingangsanschlüsse des Operationsverstärkerelements, wenn das erste Schaltelement (611) in den offenen Zustand geschaltet wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, das weiter ein fünftes Schaltelement (621) aufweist, das zwischen dem zweiten Knoten (443) und dem zweiten variablen Widerstandselement (420) verbunden ist, wobei das fünfte Schaltelement (621) derselbe Typ ist wie jedes erste Schaltelement (611).
Das Beleuchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, das weiter Steuermittel zum Steuern der Stromquelle (450, 650) und jedes ersten variablen Widerstandselements (410) aufweist, wobei das Steuermittel konfiguriert ist zum Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement (410), eines Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements (410) und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements (420) auf ein erstes Verhältnis, wenn ein numerischer Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unter einem numerischen Schwellenwert ist, und auf ein zweites Verhältnis, das kleiner ist als das erste Verhältnis, wenn der numerische Wert nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist.
Ein Verfahren zum Steuern eines Beleuchtungssystems gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, wobei das Verfahren aufweist: Umwandeln einer Ziellichtstärke des Beleuchtungssystems in den digitalen Eingangscode; Eingeben des digitalen Eingangscodes an die programmierbare Stromquelle (450, 650); Bestimmen, ob der numerische Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, unter einem numerischen Schwellenwert ist; Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement (410), eines Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements (410) und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements (420) auf ein erstes Verhältnis, wenn der numerische Wert unter dem numerischen Schwellenwert ist; Steuern, für jedes erste variable Widerstandselement (410), des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des jeweiligen ersten variablen Widerstandselements (410) und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements (420) auf ein zweites Verhältnis, das kleiner ist als das erste Verhältnis, wenn der numerische Wert nicht unter dem numerischen Schwellenwert ist; und Steuern der programmierbaren Stromquelle (450, 650), um den Ausgangsstrom zu reduzieren in Übereinstimmung mit einer Reduktion des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des ersten variablen Widerstandselements (410) und dem Widerstandswert des zweiten variablen Widerstandselements (420).
Ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine „lichtemittierende Diode LED”-Schaltung (101); eine Energiequelle zum Vorsehen einer Ansteuerspannung für die LED-Schaltung (101); und eine programmierbare Stromquelle (450, 650), die zwischen der LED-Schaltung (101) und Masse verbunden ist und konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, wobei die programmierbare Stromquelle (450, 650) Schaltmittel aufweist zum Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode; und das Schaltmittel ausgebildet ist zum Schalten einer vorgegebenen Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits (LSB – least significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit binärer Codierung und zum Schalten einer verbleibenden Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits (MSB – most significant bit) des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit unärer Codierung.
Das Beleuchtungssystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die programmierbare Stromquelle (450, 650) weiter eine Vielzahl von Stromzweigen aufweist, die durch das Schaltmittel in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand geschaltet sind; wobei das Schaltmittel ausgebildet ist zum Schalten einer ersten Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist zum Leiten eines Stroms, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung des jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist; und das Schaltmittel ausgebildet ist zum Schalten einer zweiten Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert sind zum Leiten von im Wesentlichen gleichen Strömen in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes.
Das Beleuchtungssystem gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Schaltmittel ausgebildet ist zum Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen aufeinanderfolgend in den leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei, wenn der digitale Eingangscode für einen L-Bit numerischen Wert repräsentativ ist und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige aufweist, die konfiguriert sind zum Leiten von Strömen von im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige aufweist, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2_M)·I₀.
Ein Verfahren zur Steuerung, in einem Beleuchtungssystem, einer programmierbaren Stromquelle (450, 650), die konfiguriert ist zum Ausgeben eines Ausgangsstroms in Übereinstimmung mit einem digitalen Eingangscode, der einen numerischen Wert repräsentiert, durch Durchführen einer Schaltoperation in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode, wobei das Verfahren aufweist: Schalten einer vorgegebenen Anzahl von Bits auf der Seite des niederwertigsten Bits LSB des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit binärer Codierung; und Schalten einer verbleibenden Anzahl von Bits auf der Seite des höchstwertigen Bits MSB des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit unärer Codierung.
Das Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die programmierbare Stromquelle (450, 650) eine Vielzahl von Stromzweigen aufweist, die von dem Schaltmittel in Übereinstimmung mit dem digitalen Eingangscode schaltbar sind, und wobei der Ausgangsstrom einer Summe von Strömen der Stromzweige entspricht, die in einen leitenden Zustand geschaltet sind, wobei das Verfahren weiter aufweist: Schalten einer ersten Gruppe von Stromzweigen entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes, wobei jeder Stromzweig der ersten Gruppe von Stromzweigen konfiguriert ist, einen Strom zu leiten, der in Übereinstimmung mit einer Bit-Nummerierung der jeweiligen entsprechenden Bits der vorgegebenen Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes ist; und Schalten einer zweiten Gruppe von Stromzweigen, die konfiguriert ist, um im Wesentlichen gleiche Ströme zu leiten, in Übereinstimmung mit den verbleibenden Bits auf der MSB-Seite des digitalen Eingangscodes.
Das Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Schalten der zweiten Gruppe von Stromzweigen ein Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen aufeinanderfolgend in den leitenden Zustand in Übereinstimmung mit einem zunehmenden Wert des numerischen Werts umfasst, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23 wobei, wenn der digitale Eingangscode für einen L-Bit numerischen Wert repräsentativ ist und die vorgegebene Anzahl von Bits auf der LSB-Seite des digitalen Eingangscodes durch M bezeichnet wird, die erste Gruppe von Stromzweigen M Stromzweige aufweist, die konfiguriert sind zum Leiten von Strömen von im Wesentlichen (2⁰)·I₀, (2¹)·I₀, ..., (2^M-1)·I₀, wobei I₀ ein Basisstrom ist, und die zweite Gruppe von Stromzweigen zumindest (2^L-M) – 1 Stromzweige aufweist, die jeweils konfiguriert sind zum Leiten eines Stroms von im Wesentlichen (2¹)·I₀, wobei das Verfahren bei einer Zunahme des numerischen Werts, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, aufweist: wenn eine Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, kleiner als ein größter ganzzahliger Divisor eines Zielausgangsstroms ist entsprechend dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird, und dem Strom von im Wesentlichen (2¹)·I₀, Schalten von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen in den eingeschalteten Zustand, so dass die Anzahl von Stromzweigen der zweiten Gruppe von Stromzweigen, die in dem eingeschalteten Zustand sind, dem größten ganzzahligen Divisor entspricht, aber kein Schalten der Stromzweige der zweiten Gruppe von Stromzweigen von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand; und Schalten eines oder mehrerer der Stromzweige der ersten Gruppe von Stromzweigen, so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen mit dem gewünschten Ausgangsstrom übereinstimmt, entsprechend dem numerischen Wert, der durch den digitalen Eingangscode repräsentiert wird.