KR101065226B1 - Ｌｃｄ 백라이트용 디지털 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LCD 디스플레이 내의 백라이트 시스템의 디지털 제어 장치 및 방법을 제공한다. 더욱 구체적으로는, 이 시스템은 임베디드 펌웨어의 제어 시스템과 혼합 신호 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)을 사용하여, 백라이트 시스템의 동작을 서보(servo) 디지털 제어할 수 있게 한다. MCU는 다중 입력 및 출력 포트를 제공한다. 이 포트는 디지털 및 아날로그 신호를 처리하고, 프로세서와 백라이트 시스템을 접속하여, 프로세서가 인버터 및 램프의 기능을 수행하게 한다. 임베디드 펌웨어 제어는 램프 동작의 정밀하고 자동적인 설정, 개별적인 램프의 제어, 에이징의 보상, 진단의 수행, 전력 소모의 최적화 및 제조 테스트의 자동화를 위해 사용되는 디지털 서보 기능과 수개의 알고리즘을 구현한다.

LCD 디스플레이, 백라이트 시스템, 디지털 제어 장치, 임베디드 펌웨어, 마이크로 컨트롤러 유닛

Description

ＬＣＤ 백라이트용 디지털 제어 시스템{DIGITAL CONTROL SYSTEM FOR LCD BACKLIGHTS}

본 발명은 액정 디스플레이(LCD)에 백라이트를 제공하는데 사용되는 형광 램프를 제어하기 위한 제어 시스템, 회로 세트 및 제어 방법에 관한 것이다. 디지털 제어 시스템을 실행시키는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)에 의해 램프의 제어가 수행된다. 디지털 제어 시스템은 각각의 램프마다 독립적인 광도를 보존하여 조광(dimming)하면서 다수의 램프를 동일한 인버터 회로로부터 구동시킨다. 디지털 제어 시스템은 에이징(aging), 작동 온도 및 램프 변화 등의 영향을 적응 및 보상한다. 그 결과 LCD 디스플레이용 램프의 밝기가 균일해진다. 이와 같이 개선된 성능은, 다수의 램프를 요하는 디스플레이 및 텔레비전 분야 또는 고해상도 컴퓨터 디스플레이에서와 같이 모든 램프가 균일한 강도를 생성해야만 하는 경우에 유리하다.

통상적인 인버터 및 램프 회로(100)가 도 1에 도시된다. 인버터는 인쇄 회로 어셈블리(Printed Circuit Assembly; PCA)에 포함된다. PCA는 MOSFET 스위치(101), 코일(102), 푸시풀(push-pull) 드라이버 회로(103), 튜닝 커패시터(104), 트랜스포머(105) 및 밸러스트 커패시터(106)로 구성된 아날로그 회로를 포함한다. 인버터 내의 아날로그 회로는 DC 전압 입력(114)을 출력에서 AC 전압(115)으로 변환시키는 기능을 한다. 인버터는 형광 램프(109), 전위차계(110), 저항(111) 및 정류 다이오드(112)로 구성된 램프 회로에 접속된다. 램프(109)는 냉 음극 형광 램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp; CCFL)일 수 있다. 전위차계(110)의 단자는 피드백 회로(108)에 접속된다. 이러한 회로는 전위차계(110) 및 저항(111) 양단에 발생되는 반파(half wave) 정류 전압을 감지하여, 그 전압을 인버터 컨트롤러(107)에 보낸다. 컨트롤러(107)는 피드백 회로(108)로부터 감지된 신호를 내부 기준과 비교하고, 그에 따라 램프(109)를 구동하는데 필요한 요구 AC 전압(115)을 생성하기 위해 적절한 방식으로 MOSFET(101)를 온(on) 및 오프(off) 하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 발생시키는 아날로그 회로를 내부에 포함한다. 또한, 컨트롤러는 사용자가 최초로 시스템을 기동할 때 PWM이 상대적으로 큰 AC 전압(115)을 생성할 수 있게 하는 다른 아날로그 회로도 구비한다. 기동시에 발생된 큰 전압은 형광을 개시하기 위해 필요한 바와 같이 램프 내의 가스를 이온화하는데 필요한 초기 전압(투입 전압(Strike Voltage))을 발생하는데 필요하다. 램프가 점등되면, 램프에 가해진 전압은 감소될 수 있다. 전위차계(110)는 제조시의 부품 편차를 고려하기 위해 램프의 밝기를 조절하는데 사용된다. 개개의 조광 전압(113)은 인버터 컨트롤러(107) 내의 내부 비교기에 접속된다. 조광 전압(113)은 램프 전류 피드백 회로(108)로부터의 신호에 더해져, PWM의 변화 및 램프(109) 밝기의 변화를 초래한다. 인버터 컨트롤러(107)를 사용하게 되면 인버터 및 램프 회로가 아날로그 제어된다. 아날로그 제어는 아래와 같은 몇가지 단점이 있다.

1. 부품 편차를 보상하기 위해 전위차계(110)의 수동 조정이 필요하다.

2. 에이징된 램프는 동일한 전류로 보다 작은 광도를 발생하기 때문에 램프(109)의 에이징을 보상해야 한다.

3. 제어 시스템은 온도 변화에 적응할 수 없다.

현재의 시스템에서의 제한의 일례로서 도 2의 백라이트 어셈블리를 고려한다. 도 2는 대형 LCD 스크린 시스템(200)의 백라이트 어셈블리를 나타낸다. 대형 스크린은 LCD 기술로 이루어질 수 있다. 대형 스크린은 다수의 CCFL을 필요로 한다. 발광 어셈블리에 대한 현재의 연구는 기본적으로 도 1의 전체 어셈블리(100)를 다양화시킨다. 대형 스크린 시스템(200)으로부터 알 수 있듯이, 각각의 인버터 및 램프 회로는 개별적인 수동 조정 및 다수의 인버터 회로를 필요로 한다. 다수의 인버터는 각각의 램프에서의 전류를 개별적으로 조정하는데 필요하다. 램프에서의 전류의 조정에 의해 광도의 양이 변화한다. 많은 분야에서, 높은 화질을 얻기 위해 디스플레이 패널 전체에 걸쳐 광의 균일성이 요구된다. 이의 구현에는, 특히 다수의 트랜스포머가 사용되기 때문에 중량이 증가한다. 각각의 인버터는 서로 독립적이기 때문에, 대형 스크린 시스템(200)은 램프로부터의 광을 한가지 방식으로만 균등화하지는 않는다. 이러한 모든 해법에 의하면, 비용이 많이 들고, 중량이 증가하며, 많은 노동력이 필요해지고, 램프의 광도가 불균일하다. 또한, 램프 에이징에 대해서는, 광도의 감소를 보상할 방법이 없다.

본 발명은 LCD 백라이트 어셈블리용 디지털 제어 시스템에 사용되는 장치 및 동작 방법을 포함한다. 장치는 펄스 폭 변조기(PWM), A/D 컨버터 및 다른 지원 회로를 갖는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)으로 구성된다. 이 장치는 전류 제어 회로를 포함한다. 프로세스는 MCU내 임베디드(embeded) 디지털 제어 소프트웨어로 이루어진다. 본 발명은 디지털 제어 시스템으로써 얻어진 다수의 장점을 제공한다. 램프 강도의 설정은 자동화되고 이러한 설정은 펌웨어(firmware)에 삽입되어 있기 때문에, 상기 설정은 부품 편차 또는 온도에 민감하지 않다. 제어 시스템은 램프 에이징 및 온도 변화를 보상할 수 있다.

본 발명의 다른 장점은, 다른 전압이 램프에 인가되는 필요에서 이루어지는 다양한 요구 조건에 동작이 자동적으로 적합하게 될 수 있기 때문에, 인버터 및 램프 시스템이 효율적으로 작동될 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 비용 및 백라이트 시스템의 전력 소비를 줄이는 것이다.

도 1은 통상의 인버터 및 램프회로(100)를 나타내는 도면.

도 2는 대형 LCD 스크린 시스템(200)용 백라이팅을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 장치(300)의 실시예를 나타내는 도면.

도 4는 디지털 제어 시스템(400)에 사용된 방법의 실시예를 나타내는 도면.

도 5는 램프 강도(500)의 조정 및 제조 테스트를 나타내는 도면.

본 발명의 상세한 설명 및 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 더 설명될 것 이다.

장치

디지털 제어 시스템의 실시예가 도 3에 도시되었다. 시스템은 구동하는 4개의 형광 램프를 도시하였지만, 개념은 더 많은 램프로 확장될 수 있다. 인버터 컨트롤러(101)는 MCU(301)로 대체되었다. MCU는 펄스 폭 변조기(302), 프로세서(303), A/D컨버터(304), 아날로그 멀티플렉서(multiplexer)(305), 온도 센서(306), 호스트 컴퓨터 또는 LCD 컨트롤러와 통신하는데 사용되는 I/O(307), ROM 및 RAM(308)을 포함한다. MCU(302)는 아날로그 멀티플렉서(305) 및 A/D 컨버터(304)를 포함하는 혼합 신호(mixed signal) 집적 회로이다.

또한, 장치는 램프(313 내지 316)를 통해 흐르는 AC 전류를 제어하는데 사용되는 전류 제어 회로(309 내지 312)를 포함한다. 이러한 회로는 한 세트의 패시브 및 액티브 부품을 포함한다. 회로는 전체 램프 회로 임피던스를 변경하는 방식으로, MCU(301)의 제어 하에서 전환된다. 전체 램프 회로 임피던스의 변경은 램프 전류를 변경시킬 것이다. 전류 제어 회로(309 내지 312)가 작동되는 제 2 방식은 주어진 듀티 사이클(duty cycle)에서 회로 온 및 오프를 연속적으로 전환하도록 PWM 신호를 이용하는 것이다.

PWM(302)은 AC 신호(321)의 주파수보다 훨씬 낮은 주파수로 전환한다. 전형적으로, AC(302)는 50K㎐의 범위 내일 것이다. 각 램프용 PWM은 약 100㎐에서부터 수 K㎐까지의 주파수 범위에서 전환할 것이다. PWM에 대한 더 낮은 반복 비율은 램프의 가시적인 깜빡거림을 피하기 위해 설정된다.

PWM의 듀티 사이클은 회로의 임피던스 특성을 결정할 것이다. 또한, 저항(317 내지 320)는 각 램프를 통해 전류를 감지하는데 사용된다.

321에서 2차 전압의 크기는 MCU(302)에서의 임베디드 코드에 의해 결정된다. 전압 감지 저항(322, 323)은 2차 전압을 설정하기 위해 제어 시스템에 의해 사용되는 필수 피드백을 제공한다. 장치는 통상적인 아날로그 컨트롤러의 모든 기능을 수행할 수 있다. 또한, 장치는 다중 센서 입력과 다중 디지털 및 아날로그 출력을 제공할 수 있다. 이러한 아날로그 및 디지털 입력 및 출력은 백라이트 시스템에서 디지털 제어 시스템이 동작할 수 있는 수단을 지원한다.

방법

작동 방법의 실시예를 도 4에 예시하였다. 제어 프로세스(400)는 기동 상태(401)로 개시된다. 다음 단계에서, 시스템은 플래그 상태를 체크한다. 펌웨어내에 포함된 플래그가 설정된 경우, 이는 제조 테스트(403)가 수행되어야 할 것을 나타낸다. I/O(307)는 이 플래그를 설정할 수 있다. 제조 테스트가 수행되면, 펌웨어는 램프 테스트와 이 램프에 대한 강도의 조정을 수행하도록 진행한다. 또한, 수개의 추가적인 파라미터들이 코드에 삽입되어, 백라이트 시스템의 구체적인 특성을 결정한다. 플래그가 재설정되거나 또는 제조 테스트가 완료되면, 시스템은 초기 상태를 결정(404)하도록 진행한다. 이 초기 상태는 온도의 초기 측정과 현재 온도에 대응하는 투입(strike) 전압의 산출 및 램프의 종류(type)에 의해 결정된다. 특정 백라이트 시스템을 제어하기 위해 필요한 조정 값들은 불휘발성 메모리에서 검색된다.

램프는 턴온되고 작동 절차(411)는 수개의 단계로 구성된다.

a) 초기화(405)의 일부로서, 인버터 클록이 LCD 컨트롤러 클록에 동기화된다.

b) 전류 제어 회로(309~312)가 공칭 값(nominal value)으로 설정된다.

c) 인버터는 공칭의 투입 전압의 인가로 개시된다.

d) 피드백이 획득된다(406).

e) 램프 체크(408)는 모든 램프가 턴온되었는지를 검증한다(408).

f) 모든 램프가 아직 턴온되지 않았을 경우, 인버터 출력은 과전압 체크가 수행되는 407에서 증가된다.

g) 램프가 턴온되면 서보 제어가 409에서 활성화된다. 램프 전류, 전압 및 광도는 서보 알고리즘과 피드백 신호에 의해 결정된 대로 유지된다.

h) 410에서 램프 파라미터들이 연속적인 피드백 및 적절한 동작을 위해 감시된다.

i) 서보 제어는 계속적으로 활성화된다.

조정의 예시를 도 5에 나타내었다. 프로세스는 다음과 같다.

a) 인버터는 하나의 램프에 대해 공칭 값으로 설정된다.

b) 하나의 램프는 한번에 턴온된다.

c) 현재 전압과 발광의 측정은 자동적으로 이루어지고 조정을 위해 기록된다.

상술한 장치와 방법의 다른 실시예는 LEDs EEFL 라이트와 플라스마 디스플레이 시스템 등의 다른 종류의 발광 장치로 구성되는 다른 광 시스템에 적용될 수 있다.

Claims (29)

1. 직류 입력을 아날로그 전류 출력으로 변환하도록 구성된 스위치에 의해 적어도 부분적으로 발생되는 2차 전압을 발생시키는 인버터;

   상기 2차 전압을 감지하도록 구성된 전압 감지 저항;

   복수의 램프의 각각을 통해 흐르는 AC 전류를 감지하도록 구성된 전류 감지 저항;

   상기 인버터에 결합되어, 상기 2차 전압으로부터 감지된 피드백 신호 및 상기 AC 전류로부터 감지된 피드백 신호를 수신하는 멀티플렉서(multiplexer);

   상기 멀티플렉서에 결합되어, 상기 피드백 신호를 디지털 피드백 신호로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 컨버터; 및

   상기 아날로그-디지털 컨버터에 결합되어, 적어도 부분적으로 상기 디지털 피드백 신호에 기초하고 상기 2차 전압 및 상기 복수의 램프의 각각을 통해 흐르는 AC 전류를 제어하도록 구성된 펄스 폭 변조 신호로, 상기 스위치를 구동하도록 구성된 펄스 폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트 시스템용 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 펄스 폭 변조기는 소정의 듀티 사이클(duty cycle)에서 온 및 오프 전환되어 하나 이상의 램프 제어 회로의 임피던스를 변경하는 펄스 폭 변조 신호를 하나 이상의 램프 제어 회로에 제공하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 시스템용 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 펄스 폭 변조기는 램프의 가시적인 깜박임을 피하도록 구성되는 소정의 주파수에서 전환되도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 시스템용 장치.
5. 직류를 교류로 변환하는 스위치를 통해 상기 직류를 전환함으로써 발생되는 2차 전압을 인버터의 출력에 발생시키는 단계;

   전압 감지 저항에 의해, 상기 2차 전압을 감지하는 단계;

   전류 감지 저항에 의해, 복수의 램프의 각각을 통해 흐르는 AC 전류를 감지하는 단계;

   마이크로컨트롤러 유닛에 의해, 상기 2차 전압으로부터 감지된 피드백 신호 및 상기 AC 전류로부터 감지된 피드백 신호를 수신하는 단계;

   상기 마이크로컨트롤러 유닛에 의해, 아날로그 멀티플렉서 내에서 상기 피드백 신호를 멀티플렉싱(multiplexing)하는 단계;

   상기 마이크로컨트롤러 유닛에 의해, A/D 컨버터 내에서 상기 멀티플렉싱된 피드백 신호를 디지털 피드백 신호로 변환하는 단계; 및

   상기 2차 전압 및 상기 복수의 램프의 각각을 통해 흐르는 AC 전류를 제어하도록 상기 디지털 피드백 신호에 따라 상기 스위치를 펄스 폭 변조 신호로 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 인버터의 출력에서 발생된 상기 2차 전압에 기초한 전류로 하나 이상의 발광 장치를 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 발광 장치가 턴온되었는지를 결정하기 위해, 상기 하나 이상의 발광 장치로부터의 광 출력을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 측정 단계는 상기 하나 이상의 발광 장치로부터 상기 광 출력을 결정하는데 이용되는 전류 피드백 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 측정 단계는 광 센서로부터 상기 광 출력을 결정하는데 이용되는 광 출력 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
10. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 하나 이상의 발광 장치의 임피던스를 변경하여, 상기 하나 이상의 발광 장치를 통해 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
11. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 2차 전압을 조정하여, 상기 하나 이상의 발광 장치의 성능저하(degradation)를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트를 제어하는 방법.
12. 삭제
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