JP2007511061A - 発光機器アレイの電力効率最適化の方法と装置 - Google Patents
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Abstract
開示された実施例は、液晶ディスプレイの電力効率を最適化するための方法と装置を提供する。回路制御に付随するマイクロプロセッサ又は内蔵されたマイクロコントローラは、単一インバータに複数CCFLのアレイの照度を均一にさせることによって、重複を除去する。マイクロコントローラは、全てのランプの動作電流を継続的に検知し、各ランプに等しい電流が加えられることを確実にするキャパシタンスを並列スイッチし個別のランプの照度ばらつきを調整することにより、電力管理を最適化する。マイクロコントローラは適切な制御信号を生成し、輝度調整を行うために電流を修正するデジタルサーボ制御アルゴリズムを実行する。
Description
[関連出願の相互参照]
本出願は、2003年11月6日に出願された米国仮出願番号60/518,592の実用変更で、2003年2月6日に出願された米国仮出願番号60/445,914の変更で国際出願日が2004年2月6日の同時係属PCT出願番号PCT/US2004/003400と部分的に継続する。
本出願は、2003年11月6日に出願された米国仮出願番号60/518,592の実用変更で、2003年2月6日に出願された米国仮出願番号60/445,914の変更で国際出願日が2004年2月6日の同時係属PCT出願番号PCT/US2004/003400と部分的に継続する。
本開示実施例は、一般に、効率的な電力管理及び冷陰極蛍光ランプや、発光ダイオードなどの発光機器のアレイの制御に関連する。具体的には、本開示実施例は液晶ディスプレイのバックライトの電力効率の改善に関連する。
冷陰極蛍光ランプ(CCFL)のアレイは現在ノートブックやラップトップコンピューターモニターの液晶ディスプレイ(LCD)のバックライト、カーナビゲーションディスプレイ、POSターミナル、及び医療機器に一般的に利用されている。CCFLは優れた照明と費用効率をもたらすことから、ノートブックコンピューターやさまざまなポータブル電子機器のバックライトとして利用する為に急速に導入されてきた。これらの用途の多くは非常に限られた電源の供給を許すので、従って電源消費は賢明に管理されなければならない。現在のLCDの電源管理方法は非効率的である。ディスプレイパネルのサイズが大きくなるにつれ、より電力効率の良い設計と方法が展開されることが必要である。
通常、ランプが高交流電流(AC)動作電圧を使用することから、CCFLを駆動するために高電圧DC/ACインバータが必要とされる。LCDパネルのサイズが増大するにつれ、複数ランプ又はアレイは必要な照明を供給することを必要とされる。従って、CCFLアレイを駆動するために効率的なインバータが必要とされる。
照度は主としてコンバータによって各CCFLに加えられた動作電流によって判断される。従来のランプパネルアレイでは、各ランプは通常ランプへの電力の供給に70%効率的な、独自のインバータによって駆動される。この効率、又その不足は、複数ランプアレイへ動力供給のために必要な重複したインバータ回路と相まって著しい電力消費量となる。
単一インバータを使用しランプパネルアレイ全体に電力供給することによって電力を節約することが望ましい。しかしながら、共有のインバータを使用することは全てのランプの動作電流を基準ランプによって決定された同じ電流にすることを余儀なくされる。各ランプは、年数、交換及び固有製造ばらつきによって輝度と強度を変化させる特性があることから、個別ランプの変動を調節することなく、各ランプに同じ基準電圧を加えることは、アレイのランプ間で照度が異なる結果となる。そのような照度の変化はLCDディスプレイに不要な線が目に見えることを引き起こす。従来技術では、拡散照明差をならすため、ランプとLCDディスプレイの間により厚い拡散パネルを加えることによって問題を解決することを試みている。これは次に、ディスプレイの表面において最適な光度を得る為、ランプによるより多くの電力消費をもたらす。従って、電力節約するためにインバータと重複回路の数を減らすことは、総電力消費を最小限にすると同時に許されないランプ強度の変化を起こすばらつきを効果的に取り除く新しい設計と方法を必要とする。
CCFL部品ばらつきは、「固定」及び「動的」2つの分類に分けることができる。固定ばらつきはランプとトランス及び一次駆動回路などのインバータ回路部品の間の固有製造ばらつきと定義される。単一又は少数のCCFLを使用した従来ランプ設計は各ランプ回路のポテンショメーターを主導で調整することによって固定ばらつきを最小化することを試みた。この方法は、今日一般的に見られるより大きな複数ランプでは非実用的である。代わりに、これらの部品の固定ばらつきは、アレイの中のより要求の多いランプ、又はより弱いトランス又は一次駆動回路を補うため、インバータ回路に必要以上の電力を供給することを強要することによって最小化される。ばらつきの原因となるこの「過大な補い」は、余剰な電力が全く、または補われた度合いまで必要とされないかもしれないことから、もうひとつの電力の非効率的な使用である。従って、単数インバータ適用の部品の固定ばらつきにかかわらず、アレイの各ランプに最適なランプ電力を自動的に確立するパネルディスプレイ設計及び方法の必要性がある。
動的ばらつきは、使用、時間及び温度によるランプ輝度のばらつき、またインバータ回路へのDC供給電圧(電池)のばらつきである。ポテンショメーターの設定点は製造時点で調節され長期にわたり固定されているため、上述の従来技術の解決策は当てはまらない。この場合もやはり、従来設計はランプ照度の最適化に実際に必要なものより高い値の初期電流設定を使用することによりこの問題を回避することを試みる。これは非効率的な電力の使用をもたらす。従って、各ランプが適切に駆動しているかを電力の過補償に頼るよりも、経年、温度、及び電池又は他のDC供給電圧などの部品ばらつきを変更することを踏まえ、自動的に最適な電力を確立し、各ランプに送るインバータ回路設計の必要性がある。
ランプ照度を調節する既知の方法は、回路設計に調光機能を組み込むことである。調光は、通常電流制限又はPWMを通して遂行される。電流制限モードでは、ランプ電流は低減されるが、ランプは常に点灯している。PWMモードでは、調光範囲を負荷サイクル(フリクションオンタイム)により判断されると同時に、約100から400Hzの繰り返し率でランプは完全にオンオフされている。たとえば、ランプが75%の照度に落とされると、75%の負荷サイクルのPWM波形が使用される。ランプがオンにされる時は、“しきい値電圧”を再び加える必要性がある。しきい値電圧は動作電圧の2倍に相当し、ランプがその蛍光状態に切り替わるまで加えられ、そうするとすぐに電圧は「維持電圧」まで低減することができる。従来アナログコントローラは、約数百(200)Hzの応答周波数を持つ電流制御ループを使用することによりしきい値電圧に達したときに検知する。この応答時間が遅いことが、ランプ電圧をしきい値から維持値に低減することを遅らせ、結果として電力の非効率的な使用をもたらす。従って、蛍光性を検知し、ランプ電圧を維持電圧に低減させるために、より早い応答時間(20M Hzなど)の電流制御ループを使用するパネル設計と方法の必要性がある。
単一インバータにより駆動される複数ランプのある大型ディスプレイのその他の非効率的な電力使用は、総ランプ電流を設定する電力スイッチング制御回路である。ランプアレイを駆動するために単一インバータが使用されている従来の適用では、ランプへの電力はパルス幅変調器(PWM)で切り替えられている。インバータの一次回路は、トランスへの電力を制御するMOSFETを含む。MOSFETのオンオフ状態を切り替えにかかる時間は、次に著しい量の電力を消費する高回路抵抗をもたらす。従来アナログコントローラ回路では、一次回路のタイミングはアナログコントローラの周辺の関連受動部品を変えることによってのみ改善することができる。従って、一時回路のタイミングがより簡単に製造ばらつきに適応させ、MOSFETを駆動させるために使用されるパルスのタイミングの自動較正を通して状態を変化させることによって電力消費を最小限にさせることが好ましい。
市場がCCFLのコストを下げるにつれ、結果として複数ランプアレイディスプレイパネルの使用が拡大し、電力効率の需要が増加した。従来型のLCD機器用のバックライトは消費する電力量の面で十分に満足でない。よって、複数ランプLCDディスプレイにおいてCCFLのアレイに加えられた電流を個別に検出及び調整が可能で、同時にまた電力消費量を低減するディスプレイパネル設計技術の必要性がある。
本開示実施例は、発光機器アレイの電力効率を最適化するための方法と装置を提供することにより上述の必要性に対応する。これは、複数ランプアレイの個別電流設定を維持することのできる単一CCFLコンバータを持つ制御モジュールで達成される。
スイッチ回路を使用する制御モジュールは、整流ブリッジ、トランススイッチと、CCFL回路に直列に接続されたマイクロコントローラインターフェースからなる。あるいは、スイッチキャパシタ回路がCCFL回路に直列に接続されている。マイクロプロセッサは、電流制御回路を駆動するために使用される電流及び照度フィードバック情報を検知するサーボ制御システムソフトウェアを実行する。システムソフトウェアはランプ全体の電流と電圧を監視し、各ランプに特定な電流量を得る為に必要なキャパシタンスを判断する。コントロールモジュールは、各ランプの電流、照度及び電力効率の正確制御を維持すると同時に、複数ランプアレイを駆動する単一インバータからなる。
本文で使用されている“典型的”という用語は、“例、事例、または実例として”と意味する。本文に「典型的」と示されているいかなる事例は、必ずしも他の事例よりも望ましい、または有利と解釈されない。
本開示事例は、液晶ディスプレイの電力効率を最適化する方法と装置を規定する。視覚増強モジュールに付随するマイクロプロセッサ又は内蔵されたマイクロコントローラは、単一インバータに複数CCFLのアレイの照度を均一にさせる。マイクロコントローラは継続的にランプ全ての動作電流を検知し、各ランプに同じ電流が加えられていることを確実にするキャパシタンスを並列スイッチすることにより、個別ランプの照度のばらつきを調整する。マイクロコントローラは適切な制御信号を生成し、照度調節を行うための電流を修正するデジタルサーボ制御アルゴリズムを実行する。
図1は、LCDバックライトアレイの各ランプ104にインバータ120を必要とする従来CCFL制御回路100を図示する。CCFLランプ104は、著しい製造ばらつきを示す。CCFL部品変動は、「固定」と「動的」の2つの区分に分けることができる。固定ばらつきはランプ104とトランス112や一次駆動回路などのインバータ回路部品100との間の固有製造ばらつきとして定義される。動的ばらつきは使用、時間、温度によるランプ照度のばらつきと、またインバータ制御回路100へのDC供給電圧のばらつきである。
ランプ104は、一次側回路106、及び二次側回路108からなるインバータ制御回路100により駆動されている。一次側回路106は、高電流と低電圧を管理し、トランス110の一次側に接続している。二次側回路108はトランス112の二次、バラストキャパシタ114、蛍光ランプ104、電流センサ116及びランプ電流を調節するポテンショメーター118からなる。
同じインバータ120から一つ以上のランプが駆動されている場合、ランプのばらつきの理由から、各ランプを通した電流は異なる。結果として、LCDパネル全体の照度が不均一になる。ランプ(トランス112の二次電圧)に直接接続されているインバータ120の部分は、高電圧回路である。伴う電圧の大きさから、回路100はランプ104に加えられた電力を変える為に簡単に制御することができない。
従来の解決策は各ランプ104に個別のインバータ120を使用することにより問題を解決した。各ランプ104に個別のインバータ120を使用することは、低電圧(トランス110の一次)で動作するインバータ120のスイッチ回路122を変えるために電流検知信号が使用されていることから、ポテンショメーター118で個別ランプの電流の調整を可能にする。LCDディスプレイに多数のインバータ120が使用されていることから、従来解決策は非常に高価である。
図2では、図1に図示されている従来制御回路によって駆動されている複数CCFLの電圧200に対する特性電流のばらつきが図解されている。各ランプはランプの含有ガスを電離し、照明出力に達する為、しきい値電圧(201,202)を必要とする。ランプがしきい値電圧に達すると、各ランプは動作電圧曲線(203,204)によって示されている異なる電圧−電流関係を見せる。
図3は、二つのCCFLが同じインバータによって駆動される場合に電圧に対する特性電流の従来ばらつきを表す。各曲線(305、306)は、しきい値電圧が得られた後異なる。目標ランプ電流がIOP 301の公称動作電流と等しく、また公称維持電圧がVSUS 302と等しい場合、ランプ1に加えられた電圧は、V1 303のデルタを差し引いたVSUSのランプ1全体の電圧を得る為、V1のデルタによって低減されなくてはならない。同様に、ランプ2電圧に加えられた電圧は、V2 304のデルタを差し引いたVSUSのランプ2全体の電圧を得る為、V2のデルタによって低減されなくてはならない。ランプ全体の電圧低減は結果として、両方のランプが同じIOPの公称動作電流となり、均一な照度をもたらす。
図4は、本発明の一実施例に関連してN CCFL401のアレイのバックライティングのための閉ループ制御システム400を図示するブロック図である。
マイクロコントローラ402は、不揮発性メモリから、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)406にインプットする電流制御信号を生成するプログラム指令を構成する一つ以上のソフトウェアモジュールを実行する。ソフトウェアモジュールは、マイクロコントローラ、RAMメモリ、フラッシュメモリ、ROMメモリ、EPROMメモリ、EEPROMメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD−ROMまたはその他本技術分野で知られているあらゆる記憶媒体の形式に利用することができる。
FPGA406は、マイクロコントローラ402に指定された個別CFFL401に付随する視覚増強制御モジュール(VCEM)408に電流制御信号402を配信する。VECM408(図6及び図7に詳細)は、マイクロコントローラ402に指定された電流量で各CCFL401を駆動する。電流センサ410は、実際のランプ電流をマイクロコントローラ402のフィードバックとして継続的に検知する。電流センサ410による個別ランプ電流出力は、マイクロコントローラ402への入力のため、アナログマルチプレクサ412によって多重化される。
マイクロコントローラ402に実行されたサーボ制御アルゴリズムソフトウェアは、等化モジュール設定を調整するため電流センサ410に提供された多重化されたフィードバック情報を継続的に利用する。これらの設定調整は、年数、交換、固有製造ばらつき、および温度の変化による電流変動を継続的補償することによって希望する個別ランプ電流に維持する。マイクロコントローラ402に実行されたソフトウェアモジュールは、インバータ414(図1の要素112参照)による二次電圧出力制御するインバータ414の動作を同時に制御及び調整する。インバータによる二次電圧出力はCCFL401に加えられる。
さまざまな実施例において、マイクロコントローラ402、インバータ414、メモリ(図示せず)、FPGA406、マルチプレクサ412、電流センサ410及び制御モジュール408のいずれの組み合わせも、プリント(PC)基板又は特定用途向け集積回路(ASIC)に一体化することができる。あるいは、マイクロコントローラ402、FPGA406及びマルチプレクサ412はインバータ組立414に一体化することができる。マイクロコントローラ402、FPGA406機能、及びマルチプレクサ412はまた同じ又は別の単一ICに一体化することができる。さらに、一つ以上の制御モジュール408は、電流センサ410又はライトセンサ(図5、要素510参照)も含むことができる単一集積回路に一体化することができる。
マイクロコントローラ402に実行される一つ以上のソフトウェアモジュールによってサポートされるグラフィカルユーザーインターフェースは、初期電流設定実施するため、又は任意で後にサーボ制御アルゴリズムメンテナンス設定を無効にするために使用することができる。
図5は、本発明のほかの実施例に関連し、複数CCFLの視覚増強制御システムを図示する。図5で具体化されている代替視覚増強制御システム500は、マイクロコントローラ502にフィードバック情報を提供するために、電流センサ(図4、要素410参照)よりも一つ以上のライトセンサ510を利用する。マイクロコントローラ502に実行されるサーボ制御アルゴリズムソフトウェアモジュールは、制御モジュール設定を調整視するためライトセンサ510に提供される多重化フィードバック情報を継続的に利用する。これらの設定調節は年数、交換、固有製造ばらつき、および温度の変化による変動を継続的補償することによって希望する個別照度を維持する。
図4に詳細されているように、コントロールモジュール508はCCFL501の電流を設定する。付随するコントロールモジュール508を通して各CCFL501に加えられた電流の量は、ロジックブロック506からの制御シグナルによって判断される。ロジックブロック506は、FPGA(図4、要素404参照)と同等の機能を果たす。ロジックブロック506、マイクロコントローラ502及びアナログマルチプレクサ512は、単一集積デジタルコントローラ回路の構成部品であっても良い。
閉ループ制御システム500へのフィードバックは、一つ以上のライトセンサ510によって提供されている。ライトセンサ510はCCFL510によってライト出力を検出する。ライトセンサ510は、アナログマルチプレクサ512へのインプットの為ライト出力フィードバック信号を生成する。アナログマルチプレクサ512は、ライトセンサーフィードバック信号を、マイクロコントローラ502へ内蔵することのできるアナログ/デジタル(A/D)変換器へ通す。マイクロコントローラ502に実行された閉ループサーボ制御アルゴリズムソフトウェアモジュールは、各CCFL501の所定の輝度設定点を継続的に維持する。CCFL501が経年すると、ライトセンサ510で輝度出力レベルを判断することによって出力精度が有利に改善する。
複数ランプアレイの個別電流設定を一定の輝度に維持するのに加えて、上述の視覚増強制御システムの実施例は、バックライト発光機器の視覚効果を生成する為に操作することができる。制御システムは、ディスプレイの選択された部分の光度を、増大、または低減するために使用することができる。たとえば、爆発が構成されるビデオ資料の、爆発が起こる場所のディスプレイ部分のライト出力レベルを増大することによって、3D効果を作成することができる。同様に、暗い路地のシーンなど陰によって増進された資料に視覚効果を作成することができる。視覚効果は、ディスプレイの特定な場所のバックライト機器からのライト出力量を変化させるソフトウェアモジュールを使用して、開示された制御システムによって作成することができる。
図6は、本発明の一実施例に従い図4と図5のブロック図に表された制御モジュールを詳細する。制御モジュール600は、マイクロコントローラー(図示せず)によって外部で生成された制御信号に従い、個別CCFLに加えられた電流を調整する。入力602及び604は、システムコントローラFPGAまたはロジックブロック(図示せず)によってマイクロコントローラから送られた電流制御信号を受け取る。制御信号は直流(DC)電圧またはパルス幅変調(PWM)信号からなることができる。制御信号の値は、複数ランプアレイの各CCFLを通して電流の量を判断する。
制御信号は、制御信号を孤立制御電圧に変換する光学または光起電装置U1 606に加えられる。レジスタR2 612と R3 614は、U1 606に加えられた制御信号に比例する指定された電流を設定する。光学アイソレーターは制御信号をU1 610の二次側に転送する。
U1が光起電変換器である場合、U1の出力LED626によって生成された光はU1 610の二次側によって電圧に変換される。キャパシタC1 618はU1の出力をトランジスタQ1 622に対応する孤立制御信号を生成する為フィルターにかける。レジスタR1 602はQ1 622の安定した動作が可能な値までQ1 622 の基部にインピーダンスを設定する。トランジスタQ1 622は、CCFL電流応答により要求されたスイッチモードまたは線形モードで動作することができる。ダイオードD1−D4 624からなる電流制御ブリッジは、CCFLを駆動するため交流(AC)電流の両方の極性をQ1 622を通し送る。
この様にして受信された電流制御信号は、電圧に変換された比例光出力に変換され、制御信号によって指定された電流を生成する。制御信号に指定された電流はCCFLへの出力である。
図7は、本発明のそのほかの実施例に従い図4及び図5のシステムブロック図に図示されている視覚増強制御モジュールを詳細する。図7に例示されている代替制御モジュール700では、2つ以上のCCFL(701,702)が単一インバータ703によってこの場合も駆動されている。簡単にするため、2つの典型的なCCFLが示されている。制御モジュール700はCCFL1 701にイコライザ704、そしてCCFL2 702にイコライザ705が備えられている。イコライザ(704,705)はスイッチ710によって結合された複数の並列キャパシタ708を備える。マイクロプロセッサ706はインバータ703を制御する。
CCFLによって必要とされる非常に小さなキャパシタンスの値により設計が困難になる。本発明のイコライザ(704,705)は、非揮発メモリに格納された較正アルゴリズムの実行する為のマイクロコントローラ706を備えることにより、これらの設計困難を克服する。マイクロコントローラは、センサおよびマイクロコントローラ706の内部に置くことができるA/Dコンバータで、各CCFL(401,402)を通して電流を測定する較正手順を実行する。マイクロコントローラ706は次に、適切な量よってランプ電圧を上昇、低減させる正しいキャパシタの組み合わせを得る為、適切なスイッチ710を閉じる。
CCFLにより必要とされる高電圧によってさらなる設計困難がもたらされる。これらの困難は、イコライザ(704,705)がCCFL(401,402)動作点を変更するのに十分なだけわずかな電圧だけ必要とすることから、本発明のイコライザ(704,705)によって同様に克服することができる。
しきい値電圧に到達後のランプ特性曲線が非常に急勾配であることから、コントローラ全体の電圧は数百ボルトのみに違いない(図2及び図3参照)。電圧はすぐに利用できるキャパシタ及びスイッチ技術によって簡単に扱うことができる(Supertex Inc社の高電圧スイッチ部品番号HV20220参照)。マイクロコントローラはまた、スイッチ710を開閉する制御にPWMを使うことができる。PWM負荷サイクルは、正確なキャパシタンスの値を判断する。このアプローチは更なるキャパシタ値の微調整を可能にする。
今度はデジタルコントローラ514の動作特性に注意が向く。上述されている通り、図1に示されているような従来インバータ回路106は動作するためにタイミングパルスが必要とされる。図8はトランス112と同調キャパシタ110に順に電流を送り込むMosfetスイッチ122のスイッチングを作動する典型的インバータコントローラ102からの位相A信号907と位相B信号908からなるPWM1信号801を図示する。電流がトランス112と同調キャパシタ110に送られるとトランス112の一次側に正弦波電圧が得られる。トランス112は一次側の正弦波電圧をかなり大きな値の二次電圧に変換する。蛍光ランプの一般的な電力変換電圧は一次電圧で24ボルトRMS、二次電圧で2200ボルトRMSである。
従来技術のインバータ回路106は、インバータ回路106が動作するために必要なタイミングパルスを生成するのにアナログ回路に依存している。たとえば、インバータ回路のランプ電圧はアナログコントローラ102(図示せず)の外部にあるキャパシタを使用して生成される。図1のコントローラ102はまたアナログコンパレータ、電圧基準、電流源及び他のアナログ部品(図示せず)を含む。キャパシタ及びその値はその設計の一部として肯定されており、回路板のアナログコントローラの隣に位置している。他のタイミングパルスは、能動アナログ部品、キャパシタ、及びレジスタに依存する同様の技術を使用して生成されている。
上記のように、これらのインバータ回路タイミングパルス生成の従来技術アナログ法の著しい欠点は、タイミングパルスがトランス、Mosfet、キャパシタ、レジスタ、及びそのほかのインバータ回路部品の製造変動を補うように設計されなければならないことである。これは、特定の傾向ランプ一式を駆動するのに必要なものよりも著しく大きい(また場合によっては小さな)タイミングパルスを利用する設計を生み出す。これは不必要に高い電力量がランプに流れることになる。
さらにインバータ回路の電力Mosfetが切り替わる正確な時点がその電力消費に著しい影響を持つ。Mosfetが切り替わるのが早すぎる、又は遅すぎる場合、Mosfetは消費電力を非常に増大するその線形領域で動作する。また、Mosfetの電流及び電圧波形に対するスイッチング動作の正確なタイミングは、定電力消費を達成する為に重要である。上述されているようなアナログ設計では、タイミングパルスは固定されており、また部品の最悪時動作特性に基づき構築されている。従って、タイミングパルスは一般的にシステムの正確なニーズに一致しない。この不一致は、電流と電圧が正しい時点で起こらないこととなり、高電力消費量をもたらす。
本発明のデジタル制御アプローチはインバータ回路に高精密なタイミングパルスを生成することで上記の問題を克服する。タイミングパルスは高速クロックと統合されていることから、正確であり、部品変動による誤差の影響を受けない。さらに、タイミングパルスは適応シンセサイズドタイミング回路で発生されることから、インバータ部品の特定な特性に合わせて較正することができる。
インバータ回路のタイミングパルスが図8に示されている。さまざまな負荷サイクルのPWM1 信号801は図9のインバータ電力PWM−1発生器905によって生成される。PWM1信号801の各パルスは正弦波トランス二次ランプ電圧VLAMP802の一部を生成する。PWM1 801の負荷サイクル特性により、さまざまな規模の電圧がVLAMP802に生成される。PWM1 801の負荷サイクルが大きいほど、VLAMP802電圧が大きくなる。VLAMP802の点803において、蛍光ランプをしきい値電圧に達成させる為にランプ電圧は著しく大きく、「しきい値電圧」と定義される。ランプがしきい値電圧に達すると、VLAMP802の電圧804は低減され、維持電圧と定義される。大型スクリーン液晶ディスプレイ(LCD)に使用されている蛍光ランプのしきい値電圧は通常約2200ボルトRMSである。維持電圧は一般的に1000ボルトRMSである。VLAMP802の正弦波電圧の周波数はおよそ50KHzである。
蛍光ランプのアナログ調光は微量のPWM−1信号801により変化させることからなる。変動は電圧とインバータートランス112の二次側の電力を変化し、次にランプ104の調光につながる。アナログ調光が使われすぎると、ランプは点滅し、結果的に消える。この理由からアナログ調光はランプ輝度制御回路の比較的狭い範囲で使用される。ランプの大幅な調光にはデジタル調光が好まれる。
本発明において、また図9を参照して、ランプデジタル調光PWM−2発生器902が使用される。この回路は波形PWM−2信号805(図8)を生成する。PWM−2信号805期間T1の間、ランプは点灯されている。適切な時間806において、ランプは完全に消灯される。ランプはT2の期間消灯されて続けている。時間807において、PWM−2信号805はランプが点灯されなければならないロジック高信号伝達に切り替えられる。特定の時期にPWM−1信号801はしきい値電圧808を生成する為その負荷サイクルを変える。デジタルコントローラが電流センサフィードバック情報を使用してランプが点灯されたと検知すると、PWM−1 801は維持電圧809をもたらす負荷サイクルに戻るよう切り替わる。PWM−2信号805は、通常400Hz以上の繰り返し率を持つ。PWM−2信号の繰り返し率の規模は、人間の目にランプが消灯していることを認識できないほどである。PWM−2信号805の負荷サイクルは照度を判断する。デジタル調光はバックライトシステムに一般的に使用され、0から100%の調光率を可能にする。
図9ではシステムクロックが10Mhzで動作することが望ましいマスタークロック発生器901に統合されている。クロックは異なる2つのパルス幅変調(PWM)ロジック回路に使用される。最初のPWM回路はインバータ電力PWM−1発生器905で、Mosfets911,912へ切り替えるためにインバータに高周波パルスを発生するのに使用されるPWM信号を生成する。PWMレジスタ−1 906は、PWM−1信号801を表すデジタル信号を含む。デジタル信号はマイクロコントローラ921によってレジスタに書き込まれる。
PWM信号の概念を理解する為に、図8のPWM−2信号805を考慮する。PWM信号801は、T1の期間持続するロジック高期間809とT2の期間持続するロジック低期間810でできている周期的パルスからなる。PWM信号805の負荷サイクルは比率T1/(T1+T2)で定義される。負荷サイクルは通常パーセントで表される。たとえば60%の負荷サイクルのPWM信号ではT1は60%の時間に相当し、T2は40%の時間に相当する。PWM信号805の繰り返し率は合計時間の逆数または1・(T1+T2)である。
インバータ電力PWM−1発生器905は位相A907及び位相B908信号を生成する。これらの信号は逆の極性であり、トランス(図示せず)の対応する側それぞれを駆動するために使用されている。インバータ電力PWM−1発生器905もまたデジタルコンパレータ919の出力によりそのPWM信号負荷サイクルを変えられることがある。
二番目のPWM回路はランプデジタル調光PWM−2発生器902である。この回路は、PWMレジスタ2のデジタル信号に対応する負荷サイクルをもつPWM信号を生成する。デジタル信号はマイクロコントローラ921によりレジスタに書き込まれる。ランプデジタル調光PWM−2発生器902の出力は、ゲート909のロジックを利用して位相A907と位相B908の電源を完全に切ることができる信号であるイネーブル指令903である。ゲート909の出力はMosfetドライバー910に接続され、順にMofsetA911とMosfetB912を駆動する。MosfetA911は通常インバータトランスの一方の端に、またMosfetB912はトランスのもう一方の端に接続される。
インバータ電流センサ信号923、インバータ電圧センサ信号924、ランプ1 913の電流センサ信号、及びバックライトシステムのほかのランプ全てに対応する信号を検出するためマイクロコントローラ921に装置のセンサ信号が使用されている。インバータ電圧センサ信号924及びランプ1 913の電流センサ信号はインバータトランス(図示せず)の二次側に位置することが望ましい。入力は、Nがシステムに使用されたランプの数によって判断される電流センサ信号ランプN914まで電流センサ信号の数を検出することができる。全てのランプのセンサシグナルはサンプルアンドホールドアレイ915を使用して同時に捕らえられる。アナログマルチプレクサ916は信号の一つをサンプルアンドホールドアレイ915から、信号をセンサ信号の大きさによって適切な値に増幅するプログラマブル利得増幅器917へ送る。これは、信号振幅をアナログ/デジタル変換器918の入力にあわせることによって検出の解像度を最大化する手段として、センサ信号を最適化するために行われる。センサ情報は、システムのさまざまな部分の状況を判断するため、またインバータの制御を動的に変えるため、バス925からマイクロコントローラ921に送られる。デジタルコンパレータ919は、アナログ/デジタル変換器918の出力と、点灯し始めたランプに対応するセンサ電流を表すマイクロコントローラ921によって読み込まれた所定の二進値とを比較するハードウェアから成る。これらの二進値は初期化プログラミングの結果として保存される。デジタルコンパレータ919が組み合わせロジックと実行されていることから、ランプ輝度処理と比較した時間の遅れは無視することができる。ランプに対応するN個のコンパレータがある。
本発明は、インバータ回路の制御動作に使用されるPWM信号を最適化するためのデジタル駆動合成を適用する。マイクロコントローラ921は、その内蔵メモリにPWM−1信号801とPWM−2信号805のディフォルト値を含む。起動時にマイクロコントローラ921はディフォルトPWM値をPWMレジスタ−1 906とPMWレジスタ−2 904に読み込む。PWMレジスタ−1 906は、インバータ電力PWM−1発生器905の負荷サイクルを判断し、PWMレジスタ−2 904はランプデジタル調光PWM−2発生器902の負荷サイクルを判断する。
動作中、マイクロコントローラ921インバータ電流センサ信号923およびインバータ電圧センサ信号924を検出する。センサ情報は、サンプルアンドホールドアレイ915がマイクロコントローラ921によって始動でき、デジタル化されるまで情報を保持することから、正確な時点において判断される。センサ信号が捕らえられる時点は、変わることがある。これはインバータスイッチング特性の正確な特徴づけを与える。この情報は、いつPWM−1信号801がMosfetを切り替えるべきか適切な時点を確定する手段として、インバータのスイッチング特性を判断するために使用される。スイッチング特性が判断されると、マイクロコントローラ921はPWMレジスタ1 906の値を変え、次に回路のオン/オフ特性にスイッチング動作をあわせるためにPWM−1信号801の負荷サイクルを修正する。修正されたタイミングは、電力消費を低減させることによって高度の効率でインバータを動作させる。処理は自己較正動作である。それは継続して繰り返され、インバータ回路の老朽化と同様、電力効率の与えられた部品及び温度のばらつきにつながる。
本発明は、トランス二次電圧がしきい値電圧値803から維持電圧値804に変えられたときの時間を修正するしきい値電圧適応処理を行っている。定期的にシステムは、全てのランプが電流センサ信号ランプ1 913と電流センサ信号ランプN914によって検知されるルーチンに入る。検知はセンサ信号がサンプルアンドホールドアレイ915により捕らえられたときの正確な時間を変化させることにより、しきい値処理をさまざまな時点で行っている。センサ捕獲時間はマイクロコントローラ921によって設定される。アナログ/デジタル変換器919出力からのセンサ値は、デジタルコンパレータ918で、点灯し始めたランプに対応するセンサ電流を表すマイクロコントローラ921によって読み込まれた所定の二進値と比較される。インバータ電力PWM−1発生器905出力の前縁は、次に全てのランプが電流を送ると判断された時の時間に合わせるために調節される。このようにして、ランプは正確な期間のしきい値電圧のみを受け取る。時間は、マスタークロック発生器901によって許容される高精密で継続的に導入される。マイクロコントローラ921は、しきい値の正しい時間を継続して較正する処理を設定することから、調整は本発明の背景に記されているような固定又は動的変動のいずれにも影響されない。結果は、しきい値電圧803は最適な時点で維持電圧804まで低減することができ、従って電力消費を低減する。
開示された制御モジュールを使用した開示された制御システムは、コストと性能を高度に最適化したCCFL制御回路を提供する。アレイの全てのCCFLは、同一のインバータに駆動される間等しい(または指定された)輝度と電流を示すようにすることができる。
当業者は、上述の図に示されている段階の順序及び構成部品は限定されていないと理解するであろう。方法及び構成部品は、図示された段階及び構成部品の省略または再順序付けすることにより、開示された実例の範囲を逸脱することなく容易に変更することができる。
従って、発光器具一般及び、とりわけ例陰極蛍光ランプの制御の新しく、改善された方法および装置が記載されている。当業者は、異なる技術や技法のいずれを使用し情報及び信号を示すことができることを理解するであろう。たとえば、上記の説明を通して言及されることがあるデータ、指令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、及びチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、オプティカルフィールド又はパーティクル、もしくはこれらの組み合わせにより表すことができる。
当業者は、ここに開示されている事例に関連した、さまざまな実例となるロジカルブロック、モジュール、回路及びアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピューターソフトウェア、あるいは両方の組み合わせとして使用することができることをさらに認識するであろう。このハードウェアとソフトウェアの互換性を明確に表すには、さまざまな事例となる構成部品、ブロック、モジュール、回路及びステップが機能性の点で一般的に上述されている。そのような機能性がハードウェアまたはソフトウェアで使用されているかどうかは、特定の用途及びシステム全体に課せられた設計の制約に左右される。当業者は、説明された機能を各特定の用途によって異なる方法で使用するが、そのような使用の決定が本発明の範囲から逸脱を起こすと解釈されてはならない。
ここに開示された実例に関連したさまざまな実例となるロジカルブロック、モジュール及び回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP),特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、またはそのほかのプログラマブルロジック装置、個別ゲート、またはトランジスタロジック、個別ハードウェア部品、またはここに説明された機能を実行するために設計されたこれらのあらゆる組み合わせとともに使用、または実行することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサでもよいが、代替としてあらゆる従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または、ステートマシーンでもよい。またプロセッサは、コンピューターデバイスの組み合わせとして、すなわちDSPとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数マイクロプロセッサ、DSPコアとつないだ一つ以上のマイクロプロセッサ、またはあらゆるほかのそのような構成などで、使用することができる。
ここに開示されている実施例に関連した方法、またはアルゴリズムのステップは、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールまたは2つの組み合わせに直接統合することができる。ソフトウェアモジュールは、RAMメモリ、フラッシュメモリ、ROMメモリ、EPROMメモリ、EEPROMメモリ、レジスタ、ハードディスク、リームーバブルディスク、CD−ROMまたはその他本技術分野で知られているあらゆる記憶媒体の形式に利用することができる。典型的な記憶媒体はプロセッサが記憶媒体から情報を読み出し、記憶媒体に情報を書き込むことができるようにプロセッサに連結している。別の方法では、記憶媒体はプロセッサに統合することができる。プロセッサと記憶媒体はASICに備えることができる。別の方法では、プロセッサと記憶媒体は個別部品として備えることができる。
先の開示された実施例の説明は、当業者が本発明を作成または使用することができるように提供されている。当業者には、これらの実施例へのさまざまな変更が容易に発見できるであろう、またここに定義された一般的原則は本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の指令に適用することができる。従って本発明はここにしめされている実施例に限定されることを意図しておらず、ここに開示された原則及び新機能に一致する最大限の範囲に合致することを意図する。
Claims (24)
- 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知し、
各発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為の出力情報を処理し、
マイクロコントローラによって生成された電力節約電流制御信号に従い単一インバータを通し各発光機器へ加えられた動作電流を調節することにより、電力消費を節約する、
ことを特徴とした複数発光機器のための電力制御方法。 - 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項1記載の電力制御方法。
- 前記インバータがドライバーによって置き換えられ、また前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項1記載の電力制御方法。
- 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を検知するセンサと、
各発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為に出力情報を処理するマイクロコントローラと、
個別電力節約電流制御信号に従い単一インバータを通し各発光機器へ加えられた動作電流を調節することにより、電力消費を節約する電流制御回路及びサーバー制御システムソフトウェアと、
からなる複数発光機器の電力制御装置。 - 前記センサが電流センサであることを特徴とする請求項4記載の電力制御装置。
- 前記センサがライトセンサであることを特徴とする請求項4記載の電力制御装置。
- 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項4記載の電力制御装置。
- 前記インバータがドライバーによって置き換えられ、また前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項4記載の電力制御装置。
- マイクロコントローラから電力節約電流制御信号を受け取り、
電力節約電流制御信号から電力節約電圧信号を分離し、
トランジスタに互換性のある分離電力節約電圧制御信号を生成する為に電力節約電圧制御信号をフィルターにかけ、
前記トランジスタの基部にインピーダンスを設定し、
発光機器によって必要とされた電流応答に従い前記トランジスタを動作し、
電力節約電流制御信号により指定された電力効率交流電流を生成する為に、前記トランジスタに電力節約電圧制御信号を加えることによって電源消費を節約するとともに、
発光機器へ電力効率交流電流の両極性を送る、
ことを特徴とした複数発光機器の電力制御方法。 - 前記トランジスタが線形モードで動作することを特徴とする請求項9記載の電力制御方法。
- 前記トランジスタがスイッチモードで動作することを特徴とする請求項9記載の電力制御方法。
- 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項9記載の電力制御方法。
- マイクロコントローラから電力節約電流制御信号を受け取り、電力節約電流制御信号から電力節約電圧制御信号を分離するアイソレーターと、
トランジスタと互換性のある分離電力節約電圧制御信号を生成する為に電力節約電圧制御信号をフィルタにかけるキャパシタと、
前記トランジスタの基部にインピーダンスを設定するレジスタと、
電力節約電圧制御信号から、電力節約電流制御信号により指定された電力効率交流電流を生成するトランジスタと、
発光機器に電力効率交流電流の両極を送るダイオードブリッジと、
からなる発光機器の電流制御回路。 - 前記アイソレーターが光学アイソレーターであることを特徴とする請求項13記載の電流制御回路。
- 前記アイソレーターが光起電アイソレーターであり、電流管理信号を次に電圧に変換される比例光出力に変換することを特徴とする請求項13記載の電流制御回路。
- 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知し、
発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為の出力情報を処理し、
電力節約電流制御信号によって指定された電力効率動作電流をつくるため、並列キャパシタに接続された複数スイッチへ電力節約電流制御信号を加えるとともに、
電力効率動作電流で発光機器を駆動することにより電力消費を節約する、
ことを特徴とした発光機器の電力制御方法。 - 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項16記載の電力制御方法。
- 前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項16記載の電力制御方法。
- 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知するセンサと、
発光機器に個別電力節約電力制御信号を生成するための出力情報を処理するマイクロコントローラと、
電力節約電流制御信号により指定された電力効率動作電流を作るため、並列キャパシタに接続されたスイッチ、及び、
電力効率動作電流によって駆動される発光機器と、
からなる発光機器の電力制御回路。 - 発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項19記載の電力制御回路。
- 発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項19記載の電力制御回路。
- 高周波クロックで高周波パルス幅変調電力制御信号を生成し、
低周波クロックで低周波パルス幅変調電力制御信号を生成し、
複数機器アレイの個別発光機器のため出力フィードバック情報を検知し、
マイクロコントローラによって実行されるデジタル電力節約アルゴリズムを加えることにより、高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号に最適なパルス幅タイミング修正値を判断するためフィードバック情報を使用し、
最適化された高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を生成するため判断された修正値に従い高周波及び低周波電力制御信号のパルス幅を修正し、
発光機器を駆動するためインバータスイッチング回路に最適化された高周波及び低周波パルス幅変調を通す、
ことを特徴とする複数発光機器の電力制御方法。 - 前記デジタル電力節約アルゴリズムが継続的に実行されることを特徴とした請求項22記載の電力制御方法。
- 高周波パルス幅変調電力制御信号を生成する高周波クロックと、
低周波パルス幅変調電力制御信号を生成する低周波クロックと、
複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知するセンサと、
高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号に最適なパルス幅タイミング変調値を判断するため、フィードバック情報を使用しデジタル電力節約アルゴリズムを実行するマイクロコントローラと、
最適高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を生成する為判断された変調値に従い、高周波及び低周波電力制御信号のパルス幅を変調するパルス幅変調発生器、および
発光機器を駆動するため、インバータスイッチング回路に最適化された高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を通すロジックゲートと、
からなる複数発光機器の電力制御装置。
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