DE202011101272U1 - Device for controlling an LED arrangement - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung- in Form einer Treiberschaltung, gekennzeichnet durch ein Treibermodul (1) und einen mit dem Treibermodul in einer Kommando/Feedback-Schaltung verbundenen Prozessor (2), wobei das Treibermodul eine Gesamtheit parallel geschalteter Regler (3) umfasst, wobei jeweils einem Regler jeweils ein Regelkreis mit mindestens einer LED (4) und einer Energieerfassungseinheit (5) zugeordnet ist.Device for controlling an LED arrangement in the form of a driver circuit, characterized by a driver module (1) and a processor (2) connected to the driver module in a command / feedback circuit, the driver module comprising a total of controllers (3) connected in parallel A control circuit with at least one LED (4) and one energy detection unit (5) is assigned to each controller.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for controlling a LED arrangement according to the preamble of
Zur Aussteuerung einer Gesamtheit von lichtemittierender Dioden, nachfolgend als LED bezeichnet, werden üblicherweise Treiberschaltungen benutzt. Diese steuern die Leistung der LED dadurch, indem der Strom geregelt wird, der durch ein oder mehrere in Reihe geschaltete LED fließt. Die Betriebsspannung, die zur Leistungsaufnahme der LED oder des in Reihe geschalteten LED-Strangs benötigt wird, ergibt sich aus der Multiplikation einer Flussspannung der einzelnen LED mit der Anzahl der LED in dem Strang. Der LED-Strom wird über einen Widerstand in eine Spannung gewandelt. Diese wird stetig auf einen vorgegebenen Wert geregelt. Zur Stromversorgung dient meist ein Schaltregler. Dieser basiert auf verschiedenen Topologien und wirkt insbesondere entweder als ein Aufwärts- oder ein Abwärtswandler. Bei vielen Anwendungen liegt der Fall vor, dass die Eingangsspannung des Reglers geringer als die Betriebsspannung des LED-Strangs ist und daher erhöht werden muss. Um die Eingangsspannung des Reglers auf die LED-Strangspannung zu erhöhen, wird die Aufwärtswandler-Topologie verwendet. Deren Wirkungsgrad ist umso geringer, je höher das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Spannung des LED-Stranges ist.To drive a set of light-emitting diodes, hereinafter referred to as LED, driver circuits are commonly used. These control the power of the LED by controlling the current flowing through one or more series-connected LEDs. The operating voltage required for the power consumption of the LED or the series-connected LED string results from the multiplication of a forward voltage of the individual LED by the number of LEDs in the string. The LED current is converted by a resistor into a voltage. This is constantly regulated to a predetermined value. The power supply is usually a switching regulator. This is based on different topologies and in particular acts as either an up or a down converter. In many applications, there is the case that the input voltage of the regulator is lower than the operating voltage of the LED string and therefore must be increased. To increase the regulator's input voltage to the LED string voltage, the boost converter topology is used. Their efficiency is the lower, the higher the ratio between the input voltage and the voltage of the LED string.
Es besteht somit die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung anzugeben, mit der die beschriebenen Nachteile nachhaltig reduziert und beseitigt werden können. Die gesuchte Vorrichtung soll insbesondere weniger anfällig gegenüber externen Störsignalen sein und dem Anwender zusätzliche Freiheitsgrade für die Gestaltung der LED-Schaltung zur Verfügung stellen.It is therefore the object to provide a device for controlling a LED array, with the disadvantages described can be sustainably reduced and eliminated. In particular, the device sought should be less susceptible to external interference signals and provide the user with additional degrees of freedom for the design of the LED circuit.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Aussteuerungsvorrichtung.The object is achieved with a device for controlling a LED arrangement with the features of
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung in Form einer Treiberschaltung gelöst. Diese zeichnet sich gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 durch ein Treibermodul und einen mit dem Treibermodul in einer Kommando/Feedback-Schaltung verbundenen Prozessor. Das Treibermodul umfasst eine Gesamtheit parallel geschalteter Regler umfasst, wobei jeweils einem Regler jeweils ein Regelkreis mit mindestens einer LED und einer Energieerfassungseinheit zugeordnet ist.The object is achieved with a device for controlling an LED arrangement in the form of a driver circuit. This is characterized according to the features of
Erfindungsgemäß wird demnach von einer Gesamtheit von LED ausgegangen, die nicht in Reihe in einen einzigen LED-Strang, sondern parallel geschaltet sind. Jede einzelne LED ist in einen eigenen Regelkreis geschaltet. Dieser beinhaltet die LED selbst, eine Energieerfassungseinheit und einen Regler, der die Aussteuerung der LED übernimmt. Jeweils verschiedene Regler sind zu einem Treibermodul zusammengefasst. Dieses Treibermodul ist mit einem Prozessor über eine Kommando/Feedback-Schaltung gekoppelt.According to the invention, it is therefore assumed that there is a whole of LEDs which are not connected in series in a single LED string, but in parallel. Each individual LED is connected in its own control loop. This includes the LED itself, an energy detection unit and a controller, which takes over the control of the LED. Each different controllers are combined to form a driver module. This driver module is coupled to a processor via a command / feedback circuit.
Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die Parallelschaltung einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der LED-Applikationsentwicklung bietet. Einzelne Leistungsaufnahmen einzelner LED können so gezielt erfasst und getrennt von den übrigen LED geregelt und ausgesteuert werden.An essential advantage of such an arrangement is that the parallel connection offers an additional degree of freedom in LED application development. Individual power consumption of individual LEDs can thus be specifically detected and controlled separately from the rest of the LED and controlled.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Energieerfassungseinheit als ein Shunt-Widerstand ausgebildet, wobei der Regler einen Integrierer für eine zeitlich integrierende Messung einer über dem Shunt-Widerstand abfallenden Spannung aufweist. Diese Schaltung erfasst nicht den momentanen Strom, sondern die Ladungsmenge, die innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit durch die LED bzw. die LED-Gruppe, geflossen ist.In an advantageous embodiment, the energy detection unit is designed as a shunt resistor, wherein the controller has an integrator for a time-integrating measurement of a voltage drop across the shunt resistor. This circuit does not detect the instantaneous current, but the amount of charge that has flowed through the LED or the LED group within a certain time unit.
Bei dieser Vorrichtung ist es möglich, einen vergleichsweise kleinen Shunt-Widerstand einzusetzen. Dadurch sinkt die am Widerstand anfallende Verlustleistung. Weiterhin wird durch den Einsatz des Integrierers die Bandbreite der Regelschleife reduziert. Dabei wirkt der Integrierer wie ein Tiefpass, der externe Störungen von dem Regelkreis abschirmt.In this device, it is possible to use a comparatively small shunt resistor. This reduces the power loss at the resistor. Furthermore, the use of the integrator reduces the bandwidth of the control loop. The integrator acts as a low-pass filter that shields external interference from the control loop.
Der Regler weist einen internen Schwellwert und eine Abschalteinheit für ein Abschalten der LED bei einem Überschreiten des Schwellwertes auf. Das Treibermodul enthält eine Generiereinheit zum Erzeugen einer periodischen gepulsten Betriebsspannung mit einer vorgegebenen Pulsdauer, wobei die Pulsdauer einem maximalen Integrationsintervall des Integrierers entspricht.The controller has an internal threshold and a shutdown unit for switching off the LED when the threshold value is exceeded. The driver module includes a generating unit for generating a periodic pulsed operating voltage having a predetermined pulse duration, the pulse duration corresponding to a maximum integration interval of the integrator.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Prozessor mit einer Einheit zur optischen Leistungsmessung der LED gekoppelt. Dadurch wird der Betriebszustand der LED nicht nur über deren Leistungsaufnahme, sondern auch über deren abgegebene Strahlungsleistung erfasst.In an expedient embodiment, the processor is coupled to an optical power measurement unit of the LED. As a result, the operating state of the LED is detected not only on their power consumption, but also on their emitted radiation power.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist das Treibermodul in Form einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) ausgebildet. Diese enthält ein Modul für eine SPI-Kommunikation, ein die parallelen Regler enthaltendes Reglermodul, ein Taktgeneratormodul und ein Stromtreibermodul. Das SPI-Kommunikationsmodul stellt eine Schnittstelle zur externen Konfiguration des ASIC bereit. Das Reglermodul dient der Aussteuerung der LED. Das Taktgeneratormodul stellt einen Grundtakt für einzelne Messframes und die erwähnten zeitlichen Integrationsintervalle bereit. Das Stromtreibermodul ermöglicht einen Anschluss weiterer Peripheriebausteine an das ASIC und deren Betreiben mit einem einstellbaren Konstantstrom.In a particularly expedient embodiment, the driver module is designed in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC). It contains a module for an SPI communication, a controller module containing the parallel controllers, a clock generator module and a Current drive module. The SPI communication module provides an interface for external configuration of the ASIC. The controller module is used to control the LED. The clock generator module provides a basic clock for individual measurement frames and the mentioned time integration intervals. The current driver module enables connection of additional I / O modules to the ASIC and their operation with an adjustable constant current.
Zweckmäßigerweise enthält das Reglermodul ein Frameregister. Über das Frameregister ist eine zeitliche Vorgabe einzelner Messframes möglich. Weiterhin ist innerhalb des Reglermoduls ein Pulsdauerregister zur Vorgabe der Pulsdauer und/oder einer Einschaltdauer innerhalb eines Messframes enthalten. Möglich ist darüberh hinaus auch ein in dem Reglermodul enthaltenes Schwellwertregister über das der interne Schwellwert gesetzt werden kann.Conveniently, the controller module contains a frame register. Using the frame register, a temporal specification of individual measurement frames is possible. Furthermore, a pulse duration register for specifying the pulse duration and / or a duty cycle within a measurement frame is contained within the regulator module. Moreover, it is also possible to include a threshold value register contained in the controller module via which the internal threshold value can be set.
Zweckmäßigerweise enthält das Taktgeneratormodul ein Taktmodusregister, mit dem ein Pulsmodus wahlweise vorgegeben werden kann. Dabei ist insbesondere die Wahl zwischen einem Pulsmodus mit fester Pulsbreite bei variabler Pulsperiode oder einem Pulsmodus möglich, bei dem ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Dadurch isst sich die Taktung des Treibermoduls an die Gestaltung des Messframes der einzelnen Reglermodule anpassen.Conveniently, the clock generator module includes a clock mode register, with which a pulse mode can be optionally specified. In this case, in particular the choice is possible between a pulse mode with a fixed pulse width with a variable pulse period or a pulse mode in which a pulse-width-modulated signal is generated. As a result, the timing of the driver module eats adapt to the design of the measurement frame of the individual controller modules.
Das Stromtreibermodul enthält zweckmäßigerweise mindestens zwei unabhängige Stromtreiber, wobei ein Stromtreiberregister zur Vorgabe eines Stromwertes vorgesehen ist. Über das Stromtreiberregister kann somit extern ein Stromwert eingestellt werden, mit dem die peripher angeordneten Komponenten beaufschlagt werden können.The current driver module expediently contains at least two independent current drivers, wherein a current driver register is provided for presetting a current value. Thus, a current value can be externally set via the current driver register with which the peripherally arranged components can be charged.
Die Vorrichtung zur Aussteuerung einer LED-Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.The device for controlling a LED arrangement will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. The same reference numbers are used for identical or equivalent parts.
Es zeigt:It shows:
Die Aussteuervorrichtung ist als ein Treibermodul
Das Treibermodul
Im Vergleich zur Standardtechnologie kann bei dieser Anordnung jeweils ein Shunt-Widerstand eingesetzt werden, dessen Widerstandswert deutlich geringer ist. Dadurch wird die am Strommesswiderstand anfallende Verlustleistung deutlich reduziert und der Wirkungsgrad des Systems weiter gesteigert. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn anwendungsbedingt hohe Lastströme gefahren werden, die mit hohen Verlustleistungen verbunden sind.Compared to standard technology, a shunt resistor whose resistance value is significantly lower can be used with this arrangement. As a result, the power loss occurring at the current measuring resistor is significantly reduced and the efficiency of the system is further increased. This is particularly important when application-related high load currents are driven, which are associated with high power losses.
Die Verkleinerung des Shunt-Widerstandswertes führt außerdem zu einer Verringerung des zu regelnden Spannungsabfalls über den Widerstand. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit des Treibermoduls gegenüber externen Störsignalen und Schaltvorgängen, wobei sich der Signal-Rausch-Abstand der Regler verringert, wodurch die Funktionalität der Regelschaltung beeinträchtigt wird. Durch die Verwendung des Integrierers, der funktionsbedingt eine gewisse Tiefpasscharakteristik aufweist und somit als Filter wirkt und dadurch die Bandbreite innerhalb der Regelschleife reduziert, kann diesem Effekt nicht nur entgegen gewirkt, sondern die Unempfindlichkeit der Aussteuerung gegenüber äußeren Störungen sogar gesteigert werden.The reduction of the shunt resistance also leads to a reduction in the regulated voltage drop across the resistor. This increases the sensitivity of the driver module to external noise and switching, reducing the signal-to-noise ratio of the controllers, thereby compromising the functionality of the control circuitry. By using the integrator, which is functional has a certain low-pass characteristic and thus acts as a filter and thereby reduces the bandwidth within the control loop, this effect can not only counteract, but the insensitivity of the modulation against external disturbances are even increased.
Die Aussteuerung der LEDs erfolgt zeitdiskret. Als Zeitbasis wird dabei ein Zeitintervall verwendet, dessen Länge zweckmäßigerweise zwischen 2 μs und 2 ms betragen kann. Die Zeitbasis für die Synchronisation kann sowohl durch eine interne, innerhalb des Reglers selbst angeordnete, als auch durch eine externe Taktquelle vorgegeben werden.The modulation of the LEDs is time-discrete. The time base used here is a time interval whose length may expediently be between 2 μs and 2 ms. The time base for the synchronization can be specified both by an internal, arranged within the controller itself, as well as by an external clock source.
Die LED-Anordnung zerfällt somit regelungstechnisch in einzelne parallel geschaltete LED, die anstelle eines einzigen LED-Strangs verschaltet sind. Durch die Parallelschaltung wird eine Buck-Topologie möglich, bei der Abwärtswandler zum Einsatz kommen können. Sie ermöglicht ebenso die Anordnung vieler unterschiedlicher LED in einer Gesamtheit. Mit der hier gezeigten Anordnung können die unterschiedlichen LED-Ströme unabhängig voneinander messtechnisch erfasst und an jeder LED ausgeglichen werden.The LED arrangement thus decouples control technology into individual parallel-connected LEDs, which are interconnected instead of a single LED strand. The parallel connection enables a Buck topology, in which down-converters can be used. It also allows the arrangement of many different LEDs in one entity. With the arrangement shown here, the different LED currents can be detected independently of each other metrologically and compensated for each LED.
Die Anordnung wird ergänzt durch eine Vorrichtung zur optischen Leistungsmessung
Eine Einrichtung zur Stromversorgung
Im hier vorliegenden Beispiel ermöglicht der ASIC eine Parallelansteuerung, die in hier vorliegenden Beispiel für sechzehn Hochleistungs-LEDs ausgelegt ist. Optional ist eine steuerbare Stromversorgung vorgesehen, mit der das Tastverhältnis der Kanäle maximiert werden kann, sofern dies erforderlich ist. Die Lichtleistung der LEDs kann dadurch unabhängig von Temperatur und Alterung konstant gehalten werden. Durch eine anderweitige Kalibrierung lässt sich eine homogene bzw. definierte Lichtverteilung für die jeweils geforderte Anwendung erreichen. Alternativ können wie beschrieben optische Sensoren zugeordnet sein, durch die die Parameter jedes Kanals laufend korrigiert werden können. Die unabhängige Steuerbarkeit der einzelnen LED-Kanäle erlaubt die Realisierung dynamischer Lichtprofile.In the present example, the ASIC allows a parallel drive, which is designed in this example for sixteen high-power LEDs. Optionally, a controllable power supply is provided to maximize the duty cycle of the channels, if required. The light output of the LEDs can be kept constant regardless of temperature and aging. By another calibration, a homogeneous or defined light distribution for each required application can be achieved. Alternatively, as described, optical sensors may be associated by which the parameters of each channel can be continuously corrected. The independent controllability of the individual LED channels allows the realization of dynamic light profiles.
Ein weiteres, durch den ASIC realisierbares Feature besteht in der Möglichkeit, die einzelnen Kanäle zueinander phasenverschoben anzusprechen. Eine derartige Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn eine LED-Anordnung gesteuert werden soll, die einen erheblichen Leistungsbetrag von beispielsweise 200 Watt und mehr umsetzt. Ein synchrones Einschaltet aller LED-Kanäle bildet damit eine erhebliche Lastspitze für die Stromversorgung. Durch die phasenverschobene Steuerung können insbesondere die Einschaltzeitpunkte der einzelnen Kanäle zeitlich zueinander versetzt definiert und verschoben werden. Die Lastspitzen werden gedämpft oder sogar eliminiert. Weiterhin können durch das phasenverschobene Ansprechen ein Flackern und mögliche Interferenzen im Gesamtbild der LED reduziert werden, denn durch die unterschiedlichen Schaltzeitpunkte der LED werden Lücken sowohl im Stromfluss als auch bei der Lichtemission vermieden.Another feature that can be realized by the ASIC is the possibility of addressing the individual channels out of phase with one another. Such a configuration is advantageous when an LED array is to be controlled, which converts a considerable amount of power, for example, 200 watts and more. A synchronous switching on of all LED channels thus forms a considerable load peak for the power supply. The phase-shifted control, in particular, allows the switch-on times of the individual channels to be defined and shifted in time relative to one another. The load peaks are damped or even eliminated. Furthermore, by the phase-shifted response flicker and possible interference in the overall picture of the LED can be reduced, because the different switching times of the LED gaps are avoided in both the flow of current and in the light emission.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, für jeden Kanal eine individuell einstellbare Frametime vorzusehen.A further advantageous possibility is to provide an individually adjustable frame time for each channel.
Bei der Verwendung eines optischen Sensors wird ein umfassendes optisches Feedback hinsichtlich der optischen Parameter der Helligkeit, des Spektrums und/oder des Farbortes möglich. Auf diese Weise können sämtliche Parameter, sowohl elektrische als auch optische, gesteuert werden. Die elektrischen Parameter werden über den ASIC und die optischen Parameter über den optischen Sensor gesteuert. Da LEDs die Möglichkeit bieten, in Mehrfarbsystemen, wie zum Beispiel im Gebiet der Bühnentechnik, oder anderer Medien wie insbesondere Videowänden, Farbräume abzudecken, ist das von den LED emittierte Spektrum abhängig von der Stromhöhe, der Temperatur der LED und deren Alter. Zusammen mit dem optischen Sensor fassen sich derartige Verstimmungen über die unabhängigen Kanäle des ASIC nachregeln.When using an optical sensor, a comprehensive optical feedback is possible with regard to the optical parameters of the brightness, the spectrum and / or the color location. In this way, all parameters, both electrical and optical, can be controlled. The electrical parameters are controlled via the ASIC and the optical parameters via the optical sensor. Since LEDs offer the possibility in multi-color systems, such as in the field of Stage technology, or other media such as video walls in particular to cover color spaces, the spectrum emitted by the LED is dependent on the current level, the temperature of the LED and their age. Together with the optical sensor, such moods can be readjusted via the independent channels of the ASIC.
Die Parallelansteuerung ermöglicht es vor allem, dieselbe Stromversorgung für LED-Kanäle zu benutzen, die sich durch eine ähnliche Vorwärtsspannung auszeichnen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn farbige LED-Konfigurationen ausgesteuert werden sollen, bei denen die LED zu einer Farbe einen gleichartigen Aufbau aufweisen, wobei deren Vorwärtsspannung praktisch identisch ist. Bei Vollfarbsystemen, die unabhängig von der Anzahl der LED-Kanäle beispielsweise im RGBW-Modus betrieben werden, werden in einem solchen Fall maximal vier Stromversorgungsmodule benötigt, die jeweils den zu R, G, B und W gehörenden LED zugeordnet sind. Die Stromversorgungsmodule können mittels in den ASIC eingebauter Digital-zu-Analog-Konverter gesteuert werden.The parallel control makes it possible to use the same power supply for LED channels, which are characterized by a similar forward voltage. This is especially the case when colored LED configurations are to be controlled, in which the LED to a color have a similar structure, with their forward voltage is virtually identical. In full color systems, which are operated independently of the number of LED channels, for example, in RGBW mode, in such a case, a maximum of four power supply modules are required, each associated with the R, G, B and W associated LED. The power supply modules can be controlled by means of built-in ASIC digital-to-analog converter.
Die Aussteuerung durch das Modul selbst ist unabhängig von dessen konkret vorliegender Topologie oder der Topologie der dafür benutzten Stromversorgung. Bei der Nutzung von geschalteten Abwärtsreglern, der so genannten Buck-Topologie, können LED-Anwendungen mit elektrischen Wirkungsgraden von über 90% sehr einfach realisiert werden. Die integrierten Frequenzgeneratoren können dabei zur Taktung der Schaltstufen benutzt werden.The modulation by the module itself is independent of its actual topology or the topology of the power supply used for it. With the use of switched buck regulators, the so-called buck topology, LED applications with electrical efficiencies of more than 90% can be realized very easily. The integrated frequency generators can be used to clock the switching stages.
Der ASIC wird über einen externen Microcontroller betrieben, der mittels eines SPI-Bussystems angekoppelt ist. Über individuelle Freigabesignale können auch mehrere ASICs am selben Bus betrieben werden, um die Anzahl der steuerbaren LED-Kanäle zu erhöhen.The ASIC is operated via an external microcontroller, which is coupled by means of an SPI bus system. Individual enable signals can also be used to operate several ASICs on the same bus in order to increase the number of controllable LED channels.
Der ASIC enthält einen eingebauten Quarzosziflator, programmierbare pulsweitenmodulierbare PWM-Ausgänge und eine I²C-Schnittstelle, die im folgenden noch näher erläutert werden. Diese dienen insbesondere dazu, Leistungstreiber für Lüfter, Stellantriebe und dergleichen Mittel zu steuern sowie digitale Sensoren und/oder elektronische Speicher, insbesondere EEPROMS, in das System zu integrieren, mit denen Kalibrierdaten gespeichert werden können.The ASIC incorporates a built-in quartzoscillator, programmable pulse width modulated PWM outputs, and an I²C interface, which will be discussed in more detail below. These serve, in particular, to control power drivers for fans, actuators and the like as well as to integrate digital sensors and / or electronic memories, in particular EEPROMS, into the system with which calibration data can be stored.
Der ASIC besteht aus mehreren unabhängigen funktionalen Modulen. Zum Betreiben der Module und zum Setzen von Betriebszuständen sind interne Register vorgesehen, die den jeweiligen Modulen zugeordnet sind. Den Registern und den Modulen entspricht eine Namenskonvention, die in einer Header-Datei des ASIC abgelegt ist. Unter Verwendung der Header-Datei wird auf die dort aufgeführten Namen bei der Programmierung des ASIC zurückgegriffen.The ASIC consists of several independent functional modules. For operating the modules and for setting operating states, internal registers are provided which are assigned to the respective modules. The registers and modules conform to a naming convention stored in a header file of the ASIC. Using the header file, the names listed there are used when programming the ASIC.
Bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel sind folgende Module vorgesehen: Ein erstes Modul ist durch jeweils ein Reglermodul
Zum Aussteuern sind in dem ASIC für jeden der auszusteuernden LED-Kanäle zwei Register vorgesehen, über die zum einen eine Abschaltschwelle des Integrierens und zum anderen eine maximale Einschaltzeit festgelegt werden können. Zusätzlich lässt sich die Periode eines gemeinsamen Einschaltzeitpunktes festlegen. Dies erfolgt durch Vorgabe einer so genannten Frametime in einem weiteren Register. Die Frametime kann wahlweise auf der Basis interner oder externe Takte definiert werden. Die genaue Gestaltung der Register und die Funktion der Frametime werden weiter unten beschrieben.For the purpose of modulation, two registers are provided in the ASIC for each of the LED channels to be controlled, via which, on the one hand, a switch-off threshold of the integration and, on the other hand, a maximum switch-on time can be determined. In addition, the period of a common switch-on time can be defined. This is done by specifying a so-called frame time in another register. The frame time can be defined on the basis of internal or external clocks. The exact layout of the registers and the function of the frame time are described below.
Weiterhin ist ein SPI-Modul
Das SPI-Modul ist auf eine Datenbreite von beispielsweise 8 bit ausgelegt und wird mit einer Taktfrequenz von beispielsweise 4 MHz betrieben. Innerhalb der SPI-Kommunikation fungiert der ASIC als Slave. Die Bitwertigkeit ist so eingestellt, dass das höchstwertige Bit (most significant bit, MSB) auf „first” gesetzt ist. Die Polarität und die Phase sind jeweils auf „Null” gesetzt. Eine steigende Flanke ist einem Setzen eines Pegels, eine fallende Flanke einem Lesen eines Pegels zugeordnet.The SPI module is designed for a data width of 8 bits, for example, and is operated at a clock frequency of, for example, 4 MHz. Within SPI communication, the ASIC acts as a slave. The bit significance is set so that the most significant bit (MSB) is set to "first". The polarity and the phase are each set to "zero". A rising edge is assigned to a setting of a level, a falling edge to a reading of a level.
Elf typischer Schreib-/Lesezugriff auf den ASIC besteht aus der Übertragung von zwei Blöcken von jeweils 16 bit, d. h. aus je zwei Datenwörtern. Der erste Block beinhaltet die Zieladresse des Registers, auf das gemäß den Angaben des zweitens Blocks schreibend oder lesend zugegriffen werden soll, der zweite Block die auf das Register zu schreibenden oder von dort gelesenen Daten. Bevor die Übertragung startet, wird über ein „Low”-active Signal an einem Eingang SS (Slave select) das SPI-Modul innerhalb des ASIC aktiviert. Auf einer Taktleitung SCK wird sodann dem SPI-Modul von einem Bus-Master ein Takt vorgegeben. Zeitgleich erfolgt mit jedem Takt eine Datenübertragung auf Datenleitungen SDI und SDO. Die Datenleitung SDI wird als MOSI, d. h. als eine master-out-slave-in-Leitung, betrieben. Die Datenleitung SDO dient als MISO, d. h. als eine master-in-slave-out-Leitung. Dabei wird bei einem steigenden Taktpegel von dem jeweiligen Sender der Datenpegel gesetzt und bei einem fallenden Pegel von dem zugehörigen Sender gelesen. Eleven typical read / write access to the ASIC consists of the transmission of two blocks of 16 bits each, ie two data words each. The first block includes the destination address of the register to be read or write accessed according to the second block, the second block the data to be written to or read from the register. Before the transmission starts, the SPI module within the ASIC is activated via a "low" active signal at an input SS (slave select). On a clock line SCK, the SPI module is then given a clock by a bus master. At the same time, data transfer takes place on data lines SDI and SDO with each clock. The data line SDI is operated as MOSI, ie as a master-out-slave-in line. The data line SDO serves as MISO, ie as a master-in-slave-out line. In this case, the data level is set at a rising clock level of the respective transmitter and read at a falling level of the associated transmitter.
Eine beispielhafte SPI-Kommunikation erfolgt in der Weise, dass an den ASIC zunächst ein festgelegter Adresswert übermittelt wird. In einer darauf folgenden Übertragung wird dem ASIC durch ein gesetztes Bit, beispielsweise das Bit 14, signalisiert, dass die folgenden Bits geschrieben werden. Beim Schreiben einer Adresse oder von Daten durch den Master werden vom ASIC keine Daten oder nur Nullen gesendet. Der Lesezugriff des Masters erfolgt im Gegenzug dann, wenn dieser Nullen sendet. Ein derartiger Datenaustausch findet insbesondere dann statt, wenn eines der Reglermodule aktiviert werden soll. In einem solchen Fall wird innerhalb des ASIC ein ENABLE-Register adressiert und danach ein Start-Bit zum Aktivieren des Reglermoduls gesetzt. Im Anschluss daran erfolgt ein Lesen des ENABLE-Registers, d. h. eine Rückmeldung darüber, dass das Reglermodul einsatzbereit ist.An exemplary SPI communication takes place in such a way that first a defined address value is transmitted to the ASIC. In a subsequent transfer, the ASIC is signaled by a set bit, for
Bei dem in
Zur Takterzeugung ist ein Taktgenerator
Werden mehrere LED-Kanäle im pulsweitenmodulierten Betrieb verwendet, gilt für diese zweckmäßigerweise eine gemeinsame Periode. Diese kann in einem dafür vorgesehenen Register eingestellt werden. Die Einstellung der Pulsweite erfolgt mittels eines weiteren Registers. Für den PWM-Betrieb sind hierzu einzelne, mit PWM0, PWM1 und PWM2 bezeichnete Register vorgesehen. Für einen Pulsbetrieb mit fester Pulsbreite, der beispielsweise unter Verwendung eines Quarzoszillators realisiert wird, sind Anschlüsse XTIN und XTOUT vorgesehen.If several LED channels are used in the pulse width modulated mode, a common period expediently applies to them. This can be set in a designated register. The setting of the pulse width is done by means of another register. For PWM operation, individual registers designated PWM0, PWM1 and PWM2 are provided for this purpose. For a pulse operation with a fixed pulse width, which is realized, for example, using a quartz oscillator, connections XTIN and XTOUT are provided.
Weiterhin ist ein Stromtreibermodul
Ein weiteres Modul ist durch ein Steuerlogikmodul
Ein serieller Datenbus
Weiterhin ist ein Ein- und ein Ausgang XTIN und XTOUT für den in der Black Box enthaltenen Quarzoszillator oder einen entsprechenden Taktgeber vorgesehen. Diese sind im hier vorliegenden Fall kapazitiv miteinander verbunden.Furthermore, an input and an output XTIN and XTOUT for the quartz oscillator contained in the black box or a corresponding clock generator is provided. These are capacitively connected in the present case.
Die Black Box des Treibermoduls
Zum Datenaustausch über das SPI-Protokoll ist ein serieller Dateneingang MOSI, ein serieller Datenausgang MISO, ein Taktkanal SCK sowie ein oder mehrere Bussfreigabekanäle SSXN und ein oder mehrere Bussrücksetzkanäle RSTXN vorgesehen.For data exchange via the SPI protocol, a serial data input MOSI, a serial data output MISO, a clock channel SCK and one or more bus enable channels SSXN and one or more bus reset channels RSTXN are provided.
Die Black Box des Treibermoduls
Die Verschaltung der LED, d. h. die Ankopplung der parallelen LED-Kanäle an das Treibermodul erfolgt über Feldeffekttransitoren. Der Spannungsanschluss MF1 bis MF16 für den jeweiligen LED-Kanal x = 1 ... 16 ist jeweils auf das Gate eines normal sperrenden MOSFET 16 vom n-Typ geschaltet. Der Drain des MOSFET ist zu der LED 5 des jeweiligen Kanals geführt. Die Source des MOSFET ist jeweils über einen Widerstand Rx zur Masse hin abgeleitet. Dieser Widerstand R1 bis R16 dient als Shunt-Widerstand für den jeweiligen Integrierer im Treibermodul.The interconnection of the LED, ie the coupling of the parallel LED channels to the driver module via field effect transistors. The voltage terminals MF1 to MF16 for the respective LED channel x = 1 to 16 are respectively connected to the gate of a normal-blocking n-
Der Source-Zweig eines jeden MOSFET ist auf den jeweiligen Integrierereingang INTPLUSx an dem Treibermodul des jeweiligen Kanals gekoppelt. Der Strom fließt aus dem SOURCE des MOSFET über den shunt in die Masse. Über dem Shunt entsteht dabei eine dem Strom proportionale Spannung, die als Eingangssignal für den mit Operationsverstärkern aufgebauten Integrierer dient. Dieser ist sehr hochohmig und zieht daher nur unwesentlich Strom aus dem Messzweig.The source branch of each MOSFET is coupled to the respective integrator input INTPLUSx on the driver module of the respective channel. The current flows from the SOURCE of the MOSFET through the shunt into the ground. Above the shunt, a voltage proportional to the current is generated, which serves as an input signal for the integrator constructed with operational amplifiers. This is very high impedance and therefore draws only insignificant power from the measuring branch.
Ein erstes Zeitintervall tonmax bezeichnet eine maximale Pulsdauer der an der LED anliegenden Betriebsspannung. Das Zeitintervall tonmax kann durch ein Register im Treibermodul vorgegeben werden. Ein zweites Zeitintervall ist durch eine so genannte Frametime tframe definiert. Die Frametime tframe bezeichnet die Zeitperiode, die zwischen zwei Einschaltzeitpunkten Ton verstreicht. Bei diesen Einschaltzeitpunkten werden alle LED-Kanäle aktiviert, die LED werden unabhängig von den vorausgegangenen Aussteuerzyklen eingeschaltet. Die Frametime definiert somit einen maximalen Zeitrahmen, innerhalb dem alle nachfolgenden Steuerungsvorgänge ausführbar sind. Sie ist mindestens so groß wie die maximale Pulsdauer tonmax und wird zweckmäßigerweise etwas größer gewählt, um Zeit für gewisse Relaxations- und Ausgleichsprozesse im ASIC zu gewinnen. Die Aussteuerung der LED wird so ausgeführt, dass die LED nach einer bestimmten Zeitdauer deaktiviert wird. Diese Zeitdauer wird als tatsächliche Einschaltzeit t0x bezeichnet und ist üblicherweise für jede einzelne LED unterschiedlich. In
Die Aussteuerung erfolgt nun für jeden LED-Kanal so, dass der innerhalb der Frametime fließende Strom ILED1,2,3 für jeden LED-Kanal gemessen wird. Dieser Stromfluss zeigt sich als integrierte Größe in Form eines an dem Integrierer gemessenen Spannungswertes UIntegrator. Als Vergleichs- und Referenzgröße der Aussteuerung ist ein allgemein gültiger Referenzspannungswert Uref vorgegeben. Dieser wird durch einen Registereintrag im Treibermodul gesetzt und legt den Schwellwert des Integrierers fest, bei dessen Überschreiten der zugehörige LED-Kanal abgeschaltet wird. Der Vergleich zwischen dem aktuell vorliegenden Spannungswert und dem Referenzspannungswert erfolgt im Komparator im für den betreffenden LED-Kanal vorgesehenen Reglermodul. The modulation is now carried out for each LED channel in such a way that the current I LED1,2,3 flowing within the frame time is measured for each LED channel. This current flow manifests itself as an integrated quantity in the form of a voltage value U integrator measured at the integrator . As a comparison and reference variable of the modulation, a generally valid reference voltage value U ref is specified. This is set by a register entry in the driver module and determines the threshold value of the integrator, at which the associated LED channel is switched off. The comparison between the currently present voltage value and the reference voltage value takes place in the comparator in the controller module provided for the relevant LED channel.
Im hier vorliegenden Beispiel wird die LED1 von einem vergleichsweise hohen Strom ILED1 durchflossen. Die am Integrierer gemessene Spannung erreicht nun nach einer gewissen Zeit den Referenzspannungswert Uref. In Reaktion darauf wird nun die LED1 abgeschaltet und ist für die noch verbleibende Frametime tframe deaktiviert. Im Vergleich dazu wird die LED2 von einem niedrigeren Strom ILED2 durchflossen. Die am Integrierer gemessene Spannung erreicht somit den Spannungsreferenzwert erst zu einem späteren Zeitpunkt, der aber vor dem Ende der maximalen Pulsdauer tonmax liegt. Die LED2 wird somit ebenfalls vor Beendigung der maximalen Pulsdauer deaktiviert. Der durch die LED3 fließende Strom ILED3 weist den niedrigsten Wert auf. Daher bleibt die am Integrierer gemessene Spannung stets unterhalb des Spannungsreferenzwertes Uref. Die LED3 bleibt somit Innerhalb der maximalen Pulsdauer stets aktiv und wird erst mit dem Verstreichen der maximalen Pulsdauer tonmax in den inaktiven Zustand versetzt. Sowohl die LED1, als auch die LED2 und die LED3 werden zu Beginn eines neuen Frametime-Intervalls wieder aktiviert und der beschriebene Prozess der Aussteuerung wiederholt sich. Die tatsächliche Einschaltzeit t01 für die LED1 ist somit kleiner als die tatsächliche Einschaltzeit t02 für die LED2 und die tatsächliche Einschaltzeit t03 für die LED3. Diese entspricht der maximalen Pulsdauer tonmax, Der Referenzspannungswert Uref wird in einem Register digital vorgegeben. Dabei entspricht das least signifikant bit (LSB) beispielsweise einem Wert von 2 mV. Die maximale Pulsdauer tonmax, d. h. die maximale Einschaltzeit, wird beispielsweise in einem Register eingestellt, deren Registeradressen identisch der tatsächlichen Einschaltzeit entsprechen. Die Unterscheidung der Werte erfolgt über ein Read-Write-Bit bei der SPI-Kommunikation. Das least significant bit entspricht beispielsweise einem Wert von 2 μs.In the present example, the LED1 is traversed by a comparatively high current I LED1 . The voltage measured at the integrator now reaches the reference voltage value U ref after a certain time. In response, the LED1 is now turned off and is disabled for the remaining frame time t frame . In comparison, the LED2 is traversed by a lower current I LED2 . The voltage measured at the integrator thus reaches the voltage reference value only at a later point in time, which is, however, before the end of the maximum pulse duration t onmax . The LED2 is therefore also deactivated before the end of the maximum pulse duration. The current through the
Zu Beginn eines neuen Frames wird die tatsächliche Einschaltzeit t0x des zurückliegenen Frames für jeden einzelnen LED-Kanal übernommen bis der Referenzspannungswert wieder neu erreicht wird. Die Registeradressen sind identisch mit denen der maximalen Einschaltzeit tonmax. Die Unterscheidung beider Werte erfolgt über das Read-Write-Bit bei der SPI-Kommunikation. Das least signifikant bit entspricht demzufolge ebenfalls einem Wert von 2 μs.At the beginning of a new frame, the actual switch-on time t 0 x of the previous frame is adopted for each individual LED channel until the reference voltage value is again reached. The register addresses are identical to those of the maximum switch-on time t onmax . The distinction between the two values is made via the read-write bit during SPI communication. The least significant bit therefore also corresponds to a value of 2 μs.
Die Art des synchronen Startzeitpunktes eines neuen Frames kann mittels eines Registers SYNC festgelegt werden. Der Integrationszyklus kann durch ein internes Signal gestartet werden, lässt sich aber auch durch ein externes Signal auslösen. Ein solcher externer Synchronisierungstakt wird über ein Pin FRMSYNC empfangen. Im Falle einer internen Synchronisierung kann über das gleiche Pin der interne Synchronisierungstakt ausgegeben werden, sodass dieser Takt an weitere Treibermodule weitergegeben werden kann. In einem derartigen Fall werden alle Treibermodule auf einen einheitlichen Takt synchronisiert und wirken faktisch als ein einheitliches Treibermodul. Mit einer derartigen Gestaltung lassen sich sehr große Gesamtheiten von LED aussteuern.The type of synchronous start time of a new frame can be specified by means of a register SYNC. The integration cycle can be started by an internal signal, but can also be triggered by an external signal. Such an external synchronization clock is received via a pin FRMSYNC. In the case of an internal synchronization, the internal synchronization clock can be output via the same pin, so that this clock can be passed on to further driver modules. In such a case, all driver modules are synchronized to a common clock and in effect act as a unified driver module. With such a design, very large totalities of LED can be controlled.
Über ein weiteres Register kann der digitale Integrator-Block im ASIC ein- und ausgeschaltet werden. Der Schaltzustand des Integrator-Blocks wird an einem dafür vorgesehenen Pin ausgegeben.Another register allows the digital integrator block in the ASIC to be switched on and off. The switching state of the integrator block is output at a designated pin.
Wird der Framestart durch ein externes Signal synchronisiert, kann über ein dafür vorgesehenes Register die vom ASIC gemessene Taktzeit des externen Signal ausgelesen werden. Der Registerwert wird mit der steigenden Flanke des Synchronisationssignals aktualisiert und der Zähler im ASIC zurückgesetzt. Das least signifikant bit entspricht beispielsweise einem Wert von 2 μs.If the frame start is synchronized by an external signal, the cycle time of the external signal measured by the ASIC can be read out via a dedicated register. The register value is updated with the rising edge of the synchronization signal and the counter is reset in the ASIC. For example, the least significant bit corresponds to a value of 2 μs.
Die PWM-Generatoren PWM0 bis PWM2 sind zusätzliche Peripherie im ASIC, mit ihnen können beispielsweise Lüfterdrehzahlen geregelt werden.The PWM generators PWM0 to PWM2 are additional peripherals in the ASIC, with them, for example, fan speeds can be controlled.
Die darauf folgenden drei Registeradressen PULSE_TB0 bis PULSE_TB2 bestimmen jeweils die Betriebsmodi der einzelnen PWM-Generatoren. Zweckmäßigerweise geben die ersten vier Bit innerhalb der Registeradressen PWM0 bis PWM2 die Pulsbreite an, sofern innerhalb der Registeradressen PULSE_TB0 bis PULSE_TB2 der pulsweitenmodulierte Betriebsmodus aktiviert ist. Das least signifikant bit der Registereinträge in den Adressen PULSE_TBx entspricht einer Zeit von beispielsweise 500 ns.The following three register addresses PULSE_TB0 to PULSE_TB2 respectively determine the operating modes of the individual PWM generators. Expediently, the first four bits within the register addresses PWM0 to PWM2 indicate the pulse width if the pulse width-modulated operating mode is activated within the register addresses PULSE_TB0 to PULSE_TB2. The least significant bit of the register entries in the addresses PULSE_TBx corresponds to a time of, for example, 500 ns.
Innerhalb der Registeradressen PULSE_TBx kann über jeweils ein Bit zwischen dem pulsweitenmodulierten Modus und dem normalen Pulsmodus umgeschaltet werden. Sofern der normale Pulsmodus aktiv ist, stellen die übrigen Bit die Pulsperiode ein. Das least signifikant bit entspricht dabei einer Zeit von beispielsweise 2 μs. Die Pulsbreite selbst entspricht einem Takt des ASIC. Sie ist fest gekoppelt und daher nicht einstellbar. Bei einem Systemtakt von 16 MHz entspricht die Pulsbreite einer Zeit von ca. 62 ns.Within the register addresses PULSE_TBx, one bit each can be switched between the pulse-width modulated mode and the normal pulse mode. If the normal pulse mode is active, the remaining bits set the pulse period. The least significant bit corresponds to a time of, for example, 2 μs. The pulse width itself corresponds to one clock of the ASIC. It is firmly coupled and therefore not adjustable. At a system clock of 16 MHz, the pulse width corresponds to a time of approximately 62 ns.
Schließlich kann eine weitere Registeradresse PWM_BASE vorgesehen sein, über die die Pulsbreite und Periode aller drei Kanäle einstellbar ist. Die ersten vier Bits des Registers geben die pulsweitenmodulierte Periode en, wenn der PWM-Betriebsmodus im zugehörigen Register PULSE_TBx aktiviert ist. Das least signifikant bit entspricht beispielsweise einer Zeit von 500 ns.Finally, a further register address PWM_BASE can be provided, via which the pulse width and period of all three channels can be set. The first four bits of the register give the pulse width modulated periods when the PWM mode of operation is enabled in the associated register PULSE_TBx. For example, the least significant bit corresponds to a time of 500 ns.
Die erfindungsgemäße Anordnung wurde anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.The arrangement according to the invention has been described on the basis of exemplary embodiments. In the context of expert action, further embodiments are possible. These arise in particular from the dependent claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Treibermoduldriver module
- 22
- Prozessorprocessor
- 33
- ReglermodulControl module
- 44
- LEDLED
- 55
- EnergieerfassungseinheitPower detection unit
- 66
- Shunt-WiderstandShunt resistor
- 77
- Integriererintegrator
- 88th
- optischer Leistungsmesseroptical power meter
- 99
- Stromversorgungpower supply
- 9a9a
- ReglermodulControl module
- 1010
- Komparatorcomparator
- 10a10a
- Digital/Analog-UmsetzerDigital / analog converter
- 1111
- SPI-ModulSPI module
- 12 12
- Taktgeneratorclock generator
- 1313
- StromtreibermodulCurrent drive module
- 1414
- SteuerlogikmodulControl logic module
- 1515
- Datenbusbus
- BIASRBiasr
- ReferenzstromprogrammierungReference current programming
- CTLxCTLx
- Ausgang für Steuersignale an LeistungsschalterOutput for control signals to circuit breakers
- GNDAGNDA
- Masseausgang analoger TeilMass output analog part
- GNDDGNDD
- Masseausgang digitaler TeilMass output digital part
- INTxINTx
- IntegrierereingängeIntegrating inputs
- INTGNDINTGND
- Masseanschluss für IntegriererGround connection for integrator
- INTNINTN
- Masse für IntegriererMass for integrators
- INTPLUSxINTPLUSx
- IntegriereranschlussIntegriereranschluss
- MCUMCU
- Microcontrollermicrocontrollers
- MFxMFx
- Spannungsanschlussvoltage connection
- PWMSYNCPWMSYNC
- pulsweitenmodulierbare SynchronisationPulse width modulated synchronization
- RDYRDY
- Aktivschalten ASIC/ReglermodulActivation ASIC / controller module
- REFSDCREFSDC
- Setzen ReferenzspannungSet reference voltage
- RESETRESET
- Systemresetsystem reset
- RSTXNRSTXN
- BussrücksetzkanalBussrücksetzkanal
- Rx Rx
- Shunt-Widerstand je KanalShunt resistance per channel
- SCKSCK
- SPI-BustaktSPI bus clock
- SCLSCL
- I²C-Clock (Taktung)I²C clock (clocking)
- SDASDA
- I²C-DatenI²C data
- SDISDI
- SPI-DateneingangSPI data input
- SDCSDC
- analoges Bezugspotentialanalog reference potential
- SDOSDO
- SPI-DatenausgangSPI data output
- SSSS
- SPI-BusfreigabeSPI bus release
- SSXNSSXN
- BusfreigabekanalBusfreigabekanal
- SYNCSYNC
- Triggersignal für neuen Integrationszyklus (Frame)Trigger signal for new integration cycle (frame)
- TESTTEST
- Eingang für TestprozedurenInput for test procedures
- VDDDVDDD
- Spannungsversorgung digitaler TeilPower supply digital part
- VDDAVDDA
- Spannungsversorgung analoger TeilPower supply analog part
- XTINXTIN
- Quarzoszillator EingangCrystal oscillator input
- XTOUTXTOUT
- Quarzoszillator AusgangCrystal oscillator output
Claims (9)
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- 2011-05-31 DE DE202011101272U patent/DE202011101272U1/en not_active Expired - Lifetime
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