JP2004172130A - Ｐｗｍ−駆動ランプのための高精密輝度制御 - Google Patents

Abstract

【課題】 バックライトの輝度のレンジを広くする方法を提供する。
【解決手段】 本発明の１つの特徴によれば、ランプ用のランプの明るさ制御はディスプレイのためのバックライトの照明を行う。所望する明るさに対応する所望するランプ電流に比例した振幅を有する電流コマンドを明るさ−電流変換器が発生するようになっている。制御信号に応答して決定されたデューティサイクルを有するＰＷＭドライブ信号をＰＷＭ発生器が発生し、このＰＷＭドライブ信号に応答してランプドライバが電力をランプへ供給するようスイッチングする。ランプ内の電流の流れに応答して、電流センサが電流フィードバック信号を発生し、電流コマンドおよび電流フィードバック信号に応答してエラーアンプが制御信号を発生し、よってＰＷＭ発生器またはランプドライバ内のオフセットにもかかわらず、実際のランプ電流は実質的に所望するランプ電流に等しくなる。
【選択図】 図５

Description

本発明は一般的には蛍光ランプの輝度制御に関し、より詳細には、ランプのディミングを制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）回路におけるオフセットおよび温度変動を補償することに関する。

データ、チャート、グラフ、メッセージ、他の画像、情報などをディスプレイするために種々の民生品および工業製品ではバックライトディスプレイデバイスが使用されている。これらバックライトディスプレイデバイスは前方または後方からディスプレイパネルをフラッド照明するように設けられたバックライトを有する。このバックライトは蛍光管、エレクトロルミネッセンスデバイス、ガス放電ランプ、プラズマパネルなどでよく、ディスプレイパネルは例えばパッシブまたはアクティブマトリックスの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）でよい。バックライトとディスプレイパネルは照明の明るさを制御するように可変電圧を供給するための制御回路に接続されている。このディスプレイデバイスは自動車または他の車両のダッシュボード内の電子デバイス、ポータブル電子デバイスなどのような他の構成部品と別個でもよいし、これらと一体的でもよい。

明るさを制御するためにドライバ回路はバックライトへ供給されるドライブ電流を増減するようになっている。ドライブ電流は一般に環境、例えば周辺照明条件およびユーザーの好みに応じて調節される。低照明環境では通常、明るさは低くよく、従って、より明るい照明環境よりも少ない駆動電流ですむ。この明るさは環境に応答して自動的に、および／または手動で変更できる。明るさを調節するために、バックライトディスプレイデバイスはスイッチ、キーボード、タッチスクリーン、リモートデバイスなどを有することができる。

ＬＣＤのためのバックライトとして冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）がこれまで使用されている。このＣＣＦＬはコストが低く、効率がよいので、この用途に良好に適している。ＬＣＤの偏光器およびカラーフィルタにおいて光が吸収されるため、一般的なＬＣＤはバックライトの約５％しか透過しないので、入力電力に対する光出力の比に等しい高い効率が必要である。約４００ニト（Ｎｉｔ）の使用可能な昼間照明レベルを発生するにはバックライトは２０×４０ニトでなければならない。１ニトとは１メートル離間した場所で１平方メートルの面積で測定される１キャンドルパワーの輝度のことであり、平方メートル当たりのカンデラとしても知られている。かかる照明レベルを発生できるコスト的に有効なバックライト技術は、蛍光ランプである。

ＣＣＦＬは極めて効率的な光源であるが、例えば夜間の自動車環境が求める低ディミングレベルまでその輝度を下げるように制御するのは困難である。自動車用ではわずかに区別できるレベル（例えばアクティブマトリックスＬＣＤに対しては１.０ニトの範囲内）でのディミングが必要である。従って、ＣＣＦＬのコントローラは４００：１のディミング比を発生できなければならない。

ほとんどのＣＣＦＬコントローラは絶対照明レベルをこのレベルまで下げるように制御することは困難である。一部の公知のシステムは、ランプをオーバードライブすることによって所望するディミング比を得ている。しかしながら、このような制御は、ランプの作動寿命を急激に短くしてしまう。一部の軍用ＬＣＤシステムは昼間照明用の第１ランプと必要な夜間の照明レベルを発生するための第２のより小型のランプとを使用している。しかしながら、２つの照明源を使用するシステムは、自動車環境ではコスト上競争できない。第２のランプが必要となるだけでなく、第２のコントローラも必要となるからである。

蛍光照明を制御するのにこれまで多くの制御方式が使用されている。例として、電圧制御式自己共振発振器、パルスごとの電流パルス幅変調（ＰＷＭ）制御およびＰＷＭデューティサイクル制御システムまたはこれらの組み合わせが挙げられる。パルスごとの電流ＰＷＭ制御システムはランプ電流を制御するのに２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの周波数で特徴のある作動をする。ＣＣＦＬの輝度のＰＷＭのデューティサイクル制御は全体の周期的更新時間に対するランプのオン時間をデューティサイクル制御することによって行われる。例えば約１２０Ｈｚの周波数および１００％から１％未満までの範囲のデューティサイクルを有するＰＷＭ信号を発生できる。このＰＷＭ信号がオンとなっている時間の間にＣＣＦＬにより高い周波数（例えば約６０ＫＨｚ）の電流が供給される。平均ドライブ電流、従ってデューティサイクルが小さくなるにつれて総輝度は減少する。

バックライト輝度は一般にドライブ電流に比例するが、バックライトディスプレイデバイスの作動中にバックライトの効率が変化することがある。このように効率が変化することによってバックライトの輝度、従ってバックライトディスプレイデバイスの明るさが変わる。バックライトディスプレイの効率は一般に起動時には低く、次にウォームアップ期間中に高くなる。ウォームアップ期間後でもバックライトディスプレイデバイスの作動中に、例えばバックライトディスプレイデバイスがより低温の周辺条件およびより暖かい周辺条件を通過する時にバックライトの効率が変化することがある。バックライトの効率はドライブ電流レベル自身に起因しても変化することがある。ドライブ電流がより大きくなればランプ温度が高くなり、ドライブ電流が小さくなればランプの温度が低下し、効率を変える性質がある。バックライト効率は他の理由から、例えば時間に対してルーメンの維持がほとんどなかったり、全くなかったりすること、および熱抵抗および回路の作動の変動に起因しても変化し得る。

ワインドルフ外に発行された米国特許第6,388,388号は、バックライトディスプレイデバイスのために所望する明るさまたは輝度を得るために、バックライトの効率を測定するバックライトディスプレイデバイスのための明るさ制御システムを開示している。バックライトの効率はランプの温度に応じて変わる。各ランプ温度では、輝度はバックライト用の所望するドライブ電流にリニアに比例する。所望するランプ電流を推定するために、測定されたランプ温度および既知のバックライト効率を使用し、次に所望するランプ電流を発生するためにＰＷＭデューティサイクルを制御することにより、この明るさ制御システムはバックライトディスプレイデバイスのダイナミックレンジ全体にわたって所望する明るさを維持する。本明細書では上記米国特許第6,388,388号全体を参考例として援用する。

ＣＣＦＬドライブ電流は集積回路インバータ、例えばダイレクトドライブの非共振ＰＷＭコントローラを使って制御できる。一例として、マイクロセミコーポレーションのリンフィニティ（Linfinity）事業部が製造したＬＸ１６８６ダイレクトドライブＣＣＦＬインバータが挙げられる。デジタル化されたランプ温度の測定値に応答し、デジタルマイクロコントローラ内で所望するランプ電流を計算できる。このランプ電流の値は所望する平均ランプ電流を発生するインバータのＰＷＭデューティサイクルに対応する振幅を有するアナログ信号へ変換される。このアナログ信号は明るさコマンドとしてＩＣインバータへ送られる。

所望する明るさを発生するのに必要なランプ電流は既知であるが、実際の輝度レベルにおける誤差が生じ続けることが判っている。更にこれら誤差はデバイスごとに異なる。インバータのＩＣおよびその外部部品に関連する温度変化、他のオフセットおよびノイズ効果は、アナログの明るさコマンドを実際に発生するランプ電流に関連付けする伝達関数の変化を生じさせることが見い出された。例えばＰＷＭ信号を発生するのに使用される傾斜関数発生器は温度に対するドリフトを生じさせたり、または入力電力供給量が変化し得る。

本発明の１つの特徴によれば、ランプ用のランプの明るさ制御はディスプレイのためのバックライト照明を行う。所望する明るさに対応する所望するランプ電流に比例した振幅を有する電流コマンドを明るさ−電流変換器が発生するようになっている。制御信号に応答して決定されたデューティサイクルを有するＰＷＭドライブ信号をＰＷＭ発生器が発生し、このＰＷＭドライブ信号に応答してランプドライバが電力をランプへ供給するようスイッチングする。ランプ内の電流の流れに応答して、電流センサが電流フィードバック信号を発生し、電流コマンドおよび電流フィードバック信号に応答してエラーアンプが制御信号を発生し、よってＰＷＭ発生器またはランプドライバ内のオフセットにもかかわらず、実際のランプ電流は実質的に所望するランプ電流に等しくなる。

本発明は温度測定またはインバータの部品自身の補償をすることなく、命令されたランプ電流を正確に維持できるという利点を有する。どんな理由であれ、閉ループフィードバック電流制御システムは電流の誤差を補正する。

図１および２はバックライトディスプレイデバイス１００を示す。このバックライトディスプレイデバイス１００はバックライト１０２と、ディスプレイパネル１０４と、ベゼル１０６と、制御回路１０８と、電圧電源１１０と、ユーザーインターフェース１１２と、温度センサ１１４とを含む。バックライトディスプレイデバイス１００は背部からの投影のための逆画像を発生でき、ディスプレイ表面（図示せず）に画像を投影でき、１つ以上の拡大レンズ（図示せず）および反射表面（図示せず）を有することができ、他の部品などと共に作動したり、またはこれら他の部品を有することができる。このバックライトディスプレイデバイス１００は自動車または他の車両のためのナビゲーション無線システム内に実装してもよい。バックライトディスプレイデバイス１００は自動車または他の車両のダッシュボード、制御パネルまたは他の部品に組み込んだり、または一体的とすることができる。このバックライトディスプレイデバイス１００はラップトップコンピュータ、パーソナルオーガナイザなどの電子デバイスに組み込んだり、またはこれらと一体にすることもできる。ディスプレイパネル１０４は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含むことができる。バックライト１０２はディスプレイパネル１０４を作動させるための光を発生するように作動的に配置できる。バックライト１０２およびディスプレイパネル１０４は、例えばパッシーブまたはアクティブマトリックスＬＣＤでよい。好ましい実施例では、バックライト１０２は冷陰極蛍光ランプから構成される。これとは異なり、バックライト１０２を１つ以上の熱陰極蛍光ランプ、整合蛍光管、エレクトロルミネッセンスデバイス、ガス放電ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ、プラズマパネル、それらの組み合わせなどから構成してもよい。

好ましい実施例では、ディスプレイパネル１０４の外周のまわりにベゼル１０６が延び、このベゼルがパネルの外周を保持している。ベゼル１０６は種々の構造とすることができ、外周の一部のまわりに延びたり、または一部のまわりだけしか延びなくてもよい。ベゼル１０６は他の部品、例えばバックライト１０２を保持し、またはこのまわりに延びていてもよい。ベゼル１０６は増設ベゼルを含むことができ、別の部品、自動社内のダッシュボードの一部に接続したり、その一部でもよい。

制御回路１０８はバックライト１０２およびディスプレイパネル１０４へ画像信号を送るように接続されている。この制御回路１０８は１つ以上のマイクロプロセッサを含むことができ、他の回路、中央処理ユニットまたは車両制御ユニットの一部でもよいし、またはこれらと一体的でもよい。制御回路１０８はバックライトディスプレイデバイス１００を制御し、作動させるための他の回路、例えば１つ以上の集積回路（ＩＣ）チップ上に全体または一部を設けることができる。制御回路１０８はバックライトディスプレイデバイス１００を制御し、作動させるための他の回路、例えばバックライト１０２へドライブ電流を供給するためのインバータドライブ、トランシーバ、１つ以上のメモリデバイス、アナログ部品などを有することができる。制御回路１０８は電圧電源１１０にも接続されており、この電圧電源１１０は自動車のバッテリーまたは電気システム、他のタイプのバッテリー、家庭用電流電源または他の適当な電源によって提供できる。

制御回路１０８には温度センサ１１４が接続されており、このセンサはバックライト１０２ノ近くに作動的に配置されている。温度センサ１１４はバックライト１０２の温度を測定するようになっており、かつバックライトディスプレイデバイス１００の環境条件下で作動するのに適した任意の温度測定デバイスとすることができる。「バックライト１０２の近くに作動的に配置され」なる用語は、温度センサ１１４がバックライト１０２内の光源の温度を表示する信号を発生できるロケーションまたは位置を含むことを意図している。温度センサ１１４はバックライト１０２に直接取り付けられたサーミスタまたは他の感温抵抗器を含むことができる。温度センサ１１４はバックライト１０２の温度に対応し、変化する１つ以上の電気特性を有するバイメタル、セラミック、別の材料または材料の組み合わせでよい。これとは異なり、赤外線温度センサも使用できる。

明るさ制御システムはバックライトディスプレイデバイス１００の所望する明るさまたは輝度を得るために、バックライト１０２の瞬間効率を決定する。後述するように、バックライトの効率はランプの温度によって決まる。各ランプ温度では明るさはバックライト用のドライブ電流または電力にリニアに比例する。所望する明るさに対応するドライブ電流を表示するバックライト効率を推定するために、明るさ制御システムはバックライトディスプレイデバイス１００のダイナミックレンジ全体にわたって所望する明るさを維持できる。このダイナミックレンジは自動車の環境内で遭遇する温度レンジを含む種々の周辺条件を含むことができる。

図３に示されるように、制御回路１０８はアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１２０と、バックライト効率計算器１２２と、バックライトドライブ計算器（ＢＤＣ）１２４と、バックライトドライバ１２６とを含む。温度センサ１１４はバックライト１０２の温度を表示するアナログ信号を発生する。ＡＤＣ１２０はアナログ信号をデジタル温度信号に変換し、バックライト効率計算器１２２はデジタル温度信号に応答してバックライト効率を決定する。バックライトドライブ計算器１２４はバックライト効率および所望する明るさに応答して所望するドライブ電流レベルを決定する。所望する明るさ信号をマニュアルまたは自動明るさ制御システムから命令される明るさ信号とすることができる。所望するドライブ電流レベルは米国特許第6,388,388号に示されるように計算することが好ましい。

ドライバ１２６は例えばＬＸ１６８６ＣＣＦＬインバータ集積回路から構成できる。このドライバ１２６をアナログコマンド信号でドライブすべき場合、ドライブ計算器１２４内の所望する電流レベルはデジタル−アナログコンバータ（図示せず）によりアナログ電圧に変換できる。ドライバ１２６へ供給されるコマンドランプ電流はアナログ電流コマンドへ変換される前にドライバ１２６の公称伝達関数に従ってドライブ計算器１２４によって適当にスケーリングされる。しかしながら、ドライバ１２６内の温度およびその他の効果に起因し、バックライト１０２内を流れる実際のランプ電流は従来の明るさ制御システムでは異なることがあった。

図４に示されるように、集積回路ドライバ／インバータ、例えばＬＸ１６８６集積回路は、明るさコマンド１３２と比較するために傾斜関数信号１３０を使用し、ランプのオン時間を制御するためにＰＷＭデューティサイクルを発生できる。明るさコマンド１３２の振幅が傾斜関数信号１３０よりも大となると、ＰＷＭドライブ信号１３４はインバータをオンにし、バックライト１０２へ高周波電流（例えば約５０〜８０ＫＣ）を供給する論理ハイレベルを有する。

公称温度で公称電圧レベルを生じさせるための傾斜関数信号１３０が示されている。温度変動およびその他のオフセットエラーは傾斜関数信号１３６が示す位置まで傾斜関数信号をドリフトさせることがある。ランプ信号のレベルの正の変化または負の変化により傾斜関数信号が明るさコマンド１３２の電圧レベルと交差する時の時間が変わる。この結果生じるＰＷＭドライブ信号１３８は所望するランプ電流を発生させるオン時間の長さが不正確となる。バックライト１０２をドライブするためのオン時間は正確ではないので、バックライト１０２がディスプレイする明るさが不正確となる。

図５に示されるように、バックライト内を流れる電流に対するフィードバック制御ループを追加することによって、本発明は上記問題を補正せんとするものである。バックライトドライバ１２６は上記のようにＬＸ１６８６から構成できるＰＷＭインバータＩＣ１４０を含む。バックライトドライブ計算器１２６からのコマンドランプ電流はエラーアンプ１４２の非反転入力端へ加えられる。このエラーランプ１４２は高利得のオペアンプでよい。エラーアンプ１４２はＰＷＭインバータ１４０へ入力するための制御信号をコンパレータ１４４の非反転入力端に発生する。傾斜関数発生器１４６は傾斜関数信号を発生し、この信号はコンパレータ１４４の反転入力端へ加えられる。コンパレータ１４４の出力端はＰＷＭコントローラ１４８に結合されている。ＰＷＭコントローラ１４８からトランスドライバ１５０へＰＷＭドライブ信号が送られ、トランスドライバ１５０はＰＷＭドライブ信号のオン時間中にスイッチングされたバッテリー電力をトランス１５２へ加える。トランス１５２はＣＣＦＲバックライト１０２に接続されている。

バックライト１０２と直列に電流検出デバイス１５４、例えば電流トランス、抵抗器または同等品を使ってバックライト１０２を通過する電流の尺度が得られる。検出された電流信号は半波または全波整流器１５６内で整流され、サンプル抵抗器１５８の両端に印加され、瞬間ランプ電流に比例した電圧を発生する。瞬間ランプ電流測定値はフィードバック抵抗器１６０により電流フィードバック信号としてエラーアンプ１４２の反転入力端へ加えられる。エラーアンプ１４２の出力端と反転入力端との間には積分器を形成するようにコンデンサ１６２が結合されている。エラーアンプ１４２の積分器構造を使用することにより、反転入力端には実際の平均ランプ電流に比例した電圧が加えられる。エラーアンプ１４２の出力は（例えばコマンドランプ電流と電流フィードバック信号との間の差を積分することにより）反転入力端における平均電流がドライブ計算器１２４からのランプ電流コマンドに等しくなるように、ＰＷＭデューティサイクルを制御する。従って、傾斜関数発生器の部品または他のランプドライバ部品の温度に関連するどんなオフセットも除去される。更に、ノイズまたはランプパルス量子化によって生じる輝度変動も積分エラーアンプの平均効果により低減される。

（傾斜関数信号の周波数によって決定される）ＰＷＭドライブ信号の周波数は約１００〜２００Ｈｚの範囲内とすることができるが、ＰＷＭドライブ信号のオン時間中のランプ電流は例えば約６０〜８０ＫＨｚの範囲内の周波数を有することができる。電流フィードバック信号をエラーアンプ１４２によって平均化するために、エラーアンプ１４２、抵抗器１６０およびコンデンサ１６２から構成された積分器は、ＰＷＭドライブ信号の極周波数未満の極周波数でオープンループ極を提供するようになっている。

本発明は従来の米国特許第6,388,388号の「バックライト効率」方法および「冷陰極蛍光ランプ低ディミングフリッカー防止制御回路」を発明の名称とする、２００１年７月２７日に出願された継続中の米国特許出願第09/917,128号（本明細書ではこの出願の全体を参考例として援用する）に示されているような低ディミングフリッカー防止制御回路と組み合わせて有利に使用できる。

明るさ制御システムを有するバックライトディスプレイデバイスの側面図である。 図１のバックライトディスプレイデバイスの正面図である。 明るさ制御システムのブロック図である。 本発明を説明するためのサンプル波形を示す。 本発明の制御フィードバックループの好ましい実施例を示すブロック略図である。

符号の説明

１００ バックライトディスプレイデバイス
１０２ バックライト
１０４ ディスプレイパネル
１０６ ベゼル
１０８ 制御回路
１１０ 電圧電源
１１２ ユーザーインターフェース
１１４ 温度センサ
１２０ アナログ−デジタルコンバータ
１２２ バックライト効率計算器
１２４ バックライトドライブ計算器
１２６ バックライトドライバ
１３０ 傾斜関数信号
１３２ 明るさコマンド
１３４ ＰＷＭドライブ信号
１３６ 傾斜関数信号
１３８ ＰＷＭドライブ信号
１４０ ＰＷＭインバータ
１４２ エラーアンプ
１４４ コンパレータ
１４８ ＰＷＭコントローラ
１５０ トランスドライバ
１５２ トランス
１５４ 電流検出デバイス
１５６６ 整流器
１５８ サンプル抵抗器
１６０ フィードバック抵抗器
１６２ コンデンサ

Claims (3)

1. 所望する明るさに対応する所望するランプ電流に比例した振幅を有する電流コマンドを発生する工程と、
   制御信号に応答して決定されたデューティサイクルを有するＰＷＭドライブ信号を発生する工程と、
   前記ＰＷＭドライブ信号に応答し、ランプへ電力を供給するようにスイッチングする工程と、
   前記ランプ内の電流に応答し、電流フィードバック信号を発生する工程と、
   前記電流コマンドおよび前記電流フィードバック信号に応答して前記制御信号を発生し、よって実際のランプ電流を前記所望するランプ電流に実質的に等しくする工程とを備えた、ディスプレイをバック照明するためのランプからの明るさを制御する方法。
2. 前記制御信号を発生する前記工程が、前記電流コマンドと前記電流フィードバック信号との差を積分することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ＰＷＭドライブ信号が所定のＰＷＭ周波数を有し、前記実際のランプ電流が前記ＰＷＭ周波数よりも高い所定のランプ周波数を有し、前記エラーアンプが前記所定のＰＷＭ周波数よりも低い極周波数のオープンループ極を特徴とし、よって前記電流フィードバック信号が前記エラーアンプによって平均化される、請求項１記載の方法。

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