KR20120100827A - 적응형 스위치 모드 ｌｅｄ 시스템 - Google Patents

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Abstract

다중 LED 스트링을 구동하기 위한 현명한 접근을 제공하는 시스템. 프로세싱 장치는 허용된 전류의 한정된 세트에서 각 LED 스트링에 대해 최적의 전류 레벨을 결정한다. 상기 프로세싱 장치는 또한 전체 LED 스트링의 특정한 밝기 제어를 제공하기 위하여 각 LED 스트링에 대한 상기 LED 스트링을 구동하기 위한 PWM 듀티 사이클을 결정한다. 전류 레벨 및 듀티 사이클의 상기 세팅은 상기 전류와 상기 LED 스트링의 온-오프 타임 조정을 위해 LED 드라이버에게 전송된다. 바람직하게도, 상기 시스템은 전력 효율적인 방법으로 LED를 작동하기 위해 상기 프로세싱 장치에서 사용 가능한 기존 리소스를 활용하면서 LED 드라이버의 크기를 감소시킨다.

Description

적응형 스위치 모드 ＬＥＤ 시스템{Adaptive Switch Mode LED System}
본 발명은 LED (light-emitting diodes)의 구동에 연관되며, 보다 특정하게는 LED 다중 스트링(multiple strings of LEDs)의 구동을 위한 시스템에 연관된다.
LED는 건축 조명, 자동차의 전조등과 후미등, 개인용 컴퓨터를 포함하여 액정 표시 장치용 백라이트, 노트북, 고화질 TV 등 전자 응용 프로그램에 다양하게 사용되고 있다.
백열등과 형광등 같은 기존 조명에 비해 LED는 고효율, 좋은 방향성, 컬러 안정성, 긴 수명시간, 작은 크기 및 환경적인 측면 등에서 상당한 장점을 가지고 있다.
LED는 전류 구동 장치(current-driven devices)이기 때문에 LED로부터 생성되는 광속(luminous flux), 이를테면 밝기(brightness)는 근본적으로 LED를 통해 인가되는 전류의 함수이다. 따라서, LED를 통해 흐르는 전류를 조정(regulating)하는 것은 중요한 제어 기술이다.
직류(DC) 전압 소스로부터 큰 LED 어레이(array)를 구동하기 위해 부스트(boost) 또는 벅 부스트(buck-boost) 전력 변환기와 같은 DC-DC 스위칭 변환기가 LED의 여러 스트링에 대해 탑 레일(top rail) 전압을 공급하는데 사용된다.
액정 디스플레이(LCD) 응용예에서 LED를 백라이트로 사용할 때는 각 열의 전류 세팅과는 별도로 몇몇 LED 스트링을 제어하는 프로세싱 장치가 요구된다. 상기 프로세싱 장치는 LCD의 서로 다른 섹션의 밝기를 독립적으로 제어할 수 있다. 나아가 상기 프로세싱 장치는 LCD의 서로 다른 부분을 적절하게 끄거나 또는 켤 수 있다.
LED 사이의 제조 과정의 차이 때문에, 지정된 전류 레벨 유지를 위해 각각의 LED 스트링에 인가된 전압 강하가 상당히 다르게 된다. 도 1의 전압-전류 곡선은 두 개의 다른 LED들(LED1 및 LED2)의 전압 및 전류 사이의 기하급수 적인 관계를 보여준다.
LED1과 LED2의 경우 피크 전류는 동일하지만, LED2는 대략 3.26 볼트의 순방향 전압에서 작동해야 하는 반면에, LED1은 대략 3.06 볼트의 순방향 전압 에서 작동해야 한다. 제1 LED 스트링에서 LED1의 특성을 갖는 10개의 LED가 있다고 가정하면, 상기 스트링에 걸쳐 3.06V 전압 강하가 발생한다. 제2 LED 스트링(102)에서 LED2의 특성을 갖는 10개의 LED가 있다고 가정하면, 제2 LED 스트링(102)에 걸쳐 3.26V의 전압 강하가 발생한다.
그러므로 40mA의 동일한 피크 전류에서 두 개의 스트링의 작동과 같이 제2 스트링 회로 구동에 의해 2볼트의 차이는 소산된다.
다른 LED들의 예측 불가능한 전류-전압 특성은 계속해서 전체 LED 스트링들의 밝기 제어를 유지하면서 전력 효율적인 방법에서 LED 스트링들의 작동을 어렵게 만든다. 다른 기술들은 이 문제를 해결하기 위해 많은 개발을 했으나, 많은 종래 솔루션들은 비효율적이거나 실질적으로 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하기 위해 사용되는 구성 요소의 비용 증가 및 부가적인 회로의 사용이 요구되었다.
본 발명의 실시예들은 LED 드라이버 시스템 및 하나 또는 그 이상의 LED 스트링의 전류 제어 방법을 포함한다.
이 시스템은 LED 드라이버 장치와 프로세싱 장치를 포함한다. 프로세싱 장치는 LED 드라이버와 별개의(이를테면, 분리된) 집적 회로 장치다. LED 드라이버 장치는 프로그램 된 전류 레벨에 따라 하나 또는 그 이상의 LED 스트링을 통해 전류를 조정하고, 프로세싱 장치로부터 수신된 듀티 사이클 세팅(예를 들어, 듀티 사이클은 비율이나 톤 그리고 시간간격으로 표현)에 의해 지시된 듀티 사이클에서 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭한다.
상기 프로세싱 장치(이를테면, CPU 또는 FPGA)는 프로그램 된 전류 레벨, 베이스라인 전류 레벨, 및 베이스라인 듀티 사이클의 함수로서 상기 LED 스트링에 대한 듀티 사이클을 결정하고, 상기 LED 드라이버로 상기 듀티 사이클에 대한 세팅을 전송한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 프로세싱 장치는 베이스라인 전류 레벨로 프로그램 된 전류레벨의 비율을 결정하고 베이스라인 듀티 사이클에 의해 비율을 곱하여 상기 LED 스트링에 대한 상기 듀티 사이클을 결정한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 프로세싱 장치와 집적된 회로 장치는 통신 링크를 통하여 통신한다. 통신 링크는 두 장치 사이에서 듀티 사이클, 프로그램 된 전류 레벨, LED 스트링을 통한 전류가 규정에서 벗어난 여부를 나타내는 조정 정보, 및/또는 LED 스트링이 오픈(open)되어 있는지 짧은지(short)를 나타내는 결함 검출 정보(fault detection information)를 전송한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 프로세싱 장치는 프로그램 가능한 전류 레벨의 제한된 세트의 하나에 해당하는 프로그램 된 전류 레벨을 결정하는 것 또한 포함한다.
바람직하게도, 별도의 프로세싱 장치의 사용을 통하여, 이 시스템은 LED 채널들간에 전류 변화(current variations)를 허용하는 동시에 다른 LED 채널들의 상대적인 밝기에 대한 정밀한 제어를 유지하는 것에 있어서 코스트(cost) 효과적인 솔루션을 제공한다.
LED 드라이버 자체로부터 구분된 프로세싱 장치에서 듀티 사이클의 계산을 수행함으로써, 계산을 수행하기 위해 요구되는 복잡한 회로는 LED 드라이버에서 제거할 수 있다. 왜냐하면 텔레비전이나 모니터와 같이 LED를 사용하는 많은 시스템은 이미 수학적 계산을 수행할 수 있는 프로세싱 장치를 가지고 있으며, 어떠한 추가 하드웨어가 필요하지 않기 때문이다.
나아가, 프로세싱 장치는 어떤 하드웨어 변경 없이 쉽게 업데이트 될 수 있는 LED 채널들에 관한 듀티 사이클과 전류 사이클의 계산에 위한 수식을 프로그램 가능하게 한다.
하나 또는 그 이상의 채널 레귤레이터(이를테면, 저 전압강하 레귤레이터(a low dropout regulator)) 를 포함하는 상기 LED 드라이버의 실시예는 프로그램 된 전류 레벨에 따라 LED 스트링을 통해 전류를 조정하는 해당 LED 스트링과 직렬로 결합되어 있다.
상기 LED 드라이버는 또한 해당 LED 스트링과 직렬로 결합된 채널 스위치(이를테면, PWM(Pulse-Width Modulation) 스위치)와 상기 계산된 듀티 사이클에서 상기 LED 스트링을 켜거나 또는 크도록 스위치 하는 채널 레귤레이터를 포함한다. 듀티 사이클에 대한 세팅은 프로세싱 장치로부터 수신된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 프로세싱 장치는 베이스라인 전류 레벨로 프로그램 된 전류레벨의 비율을 결정하고 베이스라인 듀티 사이클에 의해 비율을 곱하여 상기 LED 스트링에 대한 상기 듀티 사이클을 결정한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 LED 스트링을 구동하는 방법을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전류는 프로그램된 전류 레벨에 따라 상기 LED 스트링을 통해 조정된다. 듀티 사이클 세팅은 상기 LED 스트링의 스위칭을 위해 수신된다. 상기 듀티 사이클 세팅은 상기 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 상기 듀티 사이클을 결정하고 상기 LED 드라이버로부터 구분되어 있는 프로세싱 장치로부터 수신된다.
설명에서 묘사된 특징과 장점은 모두 포괄하지 않으며 특히, 설명과 도면 및 청구항에서 보인 많은 추가적인 특징과 장점은 당업자에게 자명하다. 나아가 설명서에서 사용된 용어는 주로 가독성과 교육적인 목적을 위해 주로 선택되었으며, 창의적인 주제를 제한하거나 기술하기 위함이 아닌 것을 인지해야 한다.
LED 드라이버 시스템 및 하나 또는 그 이상의 LED 스트링의 전류 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 바이어스 된 LED들의 전류-전압 곡선의 제조 차이(manufacturing differences)의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 여러 개의 LED 스트링을 구동하는 시스템의 상위 레벨 개요에 따른 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 프로세싱 장치에 의해 제어되는 LED 드라이버의 구현을 방법을 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일반적인 LED를 위한 전류 및 광학적 밝기(optical luminance) 사이의 전형적인 비선형 전달함수에 따른 그래프이다.
도 5는 전형적인 LED에 대한 접합 온도(junction temperature)의 함수로서 광속 밀도(luminous flex density)의 전형적인 온도 디레이팅(de-rating)을 도시한다.
도 6a와 도 6b는 여러 개의 LED 드라이버가 있는 시스템의 실시예들을 나타내는 그래프이다.
도 7은 하나 또는 그 이상의 LED 스트링에 의해 수행 된 방법의 실시예를 나타내는 블록도이다.
이하의 명세서에서의 설명 및 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시적으로 제시한 것에 불과하다. 따라서 이하에서 서술되는 본 발명의 실시예들에 따른 구조 및 방법은, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들을 상세히 설명하기 위해 참조부호들이 이용될 수 있으며, 이러한 참조부호들의 예들은 아래 도면들에서 기재되어 있다. 도면들 내에서 몇몇 동일하거나 유사한 참조 번호들이 사용되는 경우는 동일하거나 유사한 기능(functionality)에 해당하는 것일 수 있다. 다만, 도면들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로만 이해되어야 한다. 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 실시예들을 쉽게 도출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 LED 스트링을 구동하는 시스템의 상위 레벨 개요에 따른 블록도이다. 상기 시스템은 다중의 LED 스트링(225)의 효과적인 구동에 대한 기술로서 적응형 스위칭(adaptive switching)을 사용한다.
적응형 스위칭에서, 각 LED 스트링은 다른 피크 전류 값과 상기 LED 스트링(225)의 다양한 밝기로 조절된 각 LED 스트링을 통해 흐르는 전류의 온/오프 타임에서 동작한다.
상기 LED 스트링(225)에 걸쳐 일관성 있는 밝기를 유지하기 위해, 높은 피크 전류 값을 갖는 LED(225) 스트링은 낮은 듀티 사이클을 가져야 하고 낮은 피크 전류 값을 갖는 LED 스트링(225)은 높은 듀티 사이클을 가져야 한다.
도 1에서 부스트 컨버터(boost converter)(220)는 공통 전압 Vboost(245)를 다중의 LED 스트링(225)에게 제공하며, 제어 신호(control signal)(240)을 통해 프로세싱 장치(210)에 의해 제어된다.
LED 드라이버(215)는 피크 전류 조정하는 것에 의한 상기 LED 스트링(224)의 밝기와 통신 링크(235)를 통해 상기 프로세싱 장치(210)로부터 수신된 세팅을 이용하여 상기 LED 스트링을 통해 흐르는 전류 듀티 사이클(예를 들어, 온/오프 타임)을 제어하는 집적된 회로 장치이다.
프로세싱 장치(210)는 상기 LED 스트링(225)의 전류 레벨과 듀티 사이클(이를테면, 온/오프 타임)을 결정한다.
프로세싱 장치(210)는 마이크로프로세서(microprocessor), 텔레비전 이미지 프로세서, FPGA(field programmable gate array), PLD(programmable logic device) 또는 마이크로컨트롤러(microcontroller)와 같은 수학적 계산을 수행할 수 있는 집적된 회로 장치를 나타낸다. 또한, 프로세싱 장치(210)는 LED 드라이버(215)처럼 동일한 집적된 회로의 부분이 아니다.
프로세싱 장치(210)와 LED 드라이버(215)는 통신 링크(235)를 통해 통신한다. 통신 링크(235)는 정보를 싣기 위해 두 개 또는 그 이상의 집적 회로 장치와 연결하는 직렬 또는 병렬 연결에 해당된다. 이를테면, 통신 링크(235)는 직렬 프로토콜 인터페이스(serial protocol interface), 집적간 회로 버스(inter-integrated circuit bus)등이 될 수 있다.
통신 링크(235)는 또한 정보(이를테면, 듀티 사이클 세팅, 프로그램 된 전류 레벨 또는 조정 정보)의 한 종류를 전송할 수 있게 하는 각 링크에서 독립적인 통신 링크의 집합체를 대표할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 프로세싱 장치(210)는 LED 채널(225)을 통한 전류의 흐름이 조정 범위(regulation)를 벗어났는지에 대한 여부를 지시하는 조정 정보(regulation information)를 상기 통신 링크(235)를 통해 상기 LED 드라이버(215)로부터 수신한다.
보정 과정(calibration process) 동안, 상기 프로세싱 장치(210)는 전류 값의 한정된 세트로부터 각각의 상기 LED 채널(225)에 대한 프로그램 된 전류 값을 결정하기 위해 상기 조정 정보를 이용한다. 각 LED 채널은 상기 LED 채널에 걸쳐 순방향 전압(forward voltage)에 의해 다른 프로그램 된 전류를 가질 수 있다.
상기 프로세싱 장치(210)는 통신 링크(230)를 통해 미리 상기 비디오 컨트롤러(205)로부터 상기 LED 스트링(225)에 대한 베이스라인 전류 세팅과 밝기 세팅을 수신한다. 통신 링크(230)는 정보를 전송할 수 있는 두 개 또는 그 이상의 집적된 회로 장치의 링크 연결의 모든 유형을 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 비디오 컨트롤러(205)는 미리 정해진 베이스라인 전류 세팅과 밝기 세팅을 결정한다. 이를테면, 비디오 컨트롤러(205)는 이미지로부터 LCD 디스플레이를 제어하는 장치가 될 수 있다. 상기 비디오 컨트롤러(205)는 LCD 디스플레이에 대한 백라이트 요구 사항(backlighting requirements)을 결정하고 이것을 밝기 및 베이스라인 전류 정보로써 프로세싱 장치(210)에게 전송한다.
두 개의 개별 장치로 표시되지만, 본 발명의 일실시예에 따르면, 비디오 컨트롤러(205)와 프로세싱 장치(210)는 동일한 집적 회로 장치의 별도의 구성 요소 또는 동일한 집적 회로 장치에서 실행되는 펌웨어에서 별도의 쓰레드(threads) 일 수 있다.
별도의 밝기 세팅은 각 LED들의 스트링에 제공될 수 있고 상기 LED채널(225)의 밝기는 독립적으로 제어될 수 있다. 미리 결정된 베이스라인 전류 세팅, 밝기 세팅 및 프로그램 된 전류 레벨을 사용하여, 상기 프로세싱 장치(210)는 상기 LED 채널(225)에 대한 듀티 사이클을 계산한다.
상기 듀티 사이클은 각 LED 채널(225)의 상대적 밝기 제어를 유지하기 위해 각 LED 채널의 상기 프로그램 된 전류 사이의 차이에 대해 보상한다. 듀티 사이클 세팅과 프로그램 된 전류 레벨은 LED 스트링(225) 구동을 위해 상기 LED 드라이버(215)에게 제공된다.
바람직하게도, 상기 LED 드라이버(215) 대신 프로세싱 장치(210)에서 상기 프로그램 된 전류 레벨 보정과 상기 듀티 사이클 세팅으로, 상기 LED 드라이버(215)의 크기, 비용, 전력 소비를 줄이는 동시에 공개된 실시예들의 활용을 상기 프로세싱 장치(210)에서 쉽게 리소스의 사용이 가능하다.
도 3은 프로세싱 장치(210)에 의해 제어되는 LED 드라이버(215)의 회로도이다. 프로세싱 장치(210)는 DC-DC 부스트 컨버터(220)의 Vboost(245)전압 출력을 제어하기 위한 제어 신호(control signals)(240)를 출력한다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 부스트 컨버터(220)는 DC-DC 또는 AC-DC 전력 컨버터의 다른 종류로 교체 가능하다. 부스트 컨버터(220)은 DC 입력 전압 Vin과 다중의 LED 스트링(225)들, 이를테면 LED 채널들 사이에 결합된다. 부스트 컨버터(220)의 상기 출력 Vboost(245)는 각 LED 채널(225)에서 제1 LED 양극으로 결합된다.
각 LED 채널에서, LED스트링(225)은 LED 채널(225)에서 상기 LED의 온 타임과 오프 타임의 제어를 위한 PWM 스위치 QP(이를테면, NMOS 트랜지스터)와 직렬로 결합된다. LED 스트링(225)과 PWM 스위치 QP는 또한 LED 채널(225)를 통해 전류를 조정하기 위한 LDO(low dropout regulator)(304)와 직렬로 결합한다.
LED(304)는 고정된 레벨로 조정된 LED 스트링(225)에서 상기 피크 전류를 보장한다. LDO(304)는 또한 LED 스트링(225)의 밝기에 대한 Vboost로부터 부스트 전압 리플(ripple)의 영향을 줄이는 네이티브 전력 공급 리젝션(native power supply rejection)을 제공한다.
각 LED 채널에서, LDO(304)는 LED 채널(225)을 통한 전류의 프로덕트(product), 상기 PWM 듀티 사이클, 및 LED(304)에 걸친 상기 전압 강하에 비례하는 전력을 소멸한다.
상기 LED 드라이버(215)는 상기 프로세싱 장치(210)로부터 수신된 듀티 사이클 세팅(394)에 부합하는 제어 신호(308)를 통해 PWM 스위치 QP를 제어함으로써 각 LED 채널의 밝기를 독립적으로 제어하는 밝기 컨트롤러(luminance controller)(310)를 포함한다.
듀티 사이클 세팅(394)은 상기 PWM 스위치 QP의 온/오프 타임의 셋(set)에 사용되는 정보를 포함한다. 이를테면, 시간의 비율(예를 들어, 40%, 60%) 또는 시간과 듀티 사이클 기간에 대한 별도의 듀티 사이클이 있다.
밝기 컨트롤러(310)는 제어 신호(309)를 통해 LDO(304)를 제어하고, 또한 프로세싱 장치(210)로부터 프로그램 된 전류 레벨(392)에 따른 DAC(digital-to-analog converters)(307)를 제어한다.
또한, LDO(304)는 멀티플렉서(multiplexer)(311)를 통해 LDO(304)가 밝기 컨트롤러(310)의 조정 범위(regulation)에서 벗어났는지의 여부를 지시하는 조정 피드백 신호(regulation feedback signal)(315)를 출력한다.
이 조정 피드백(regulation feedback)은 상기 LED 채널을 통해 보정(calibration)하는 동안 프로그램 된 전류 레벨(392)을 설정하기 이 조정 정보를 이용하는 상기 프로세싱 장치(210)에게 전송되며, 이것은 아래에서 더 자세히 설명되어 있다.
도 3에는 단 2개의 LED 채널이 있는데, LED 드라이버(215)는 LED 스트링(225)의 수에 상관없이 제어하기 위한 회로를 포함시킬 수 있다. 다른 실시예에 따르면, LED 드라이버(215)는 미국 특허공개공보 2009/0322234호 "다중 피드백 루프를 갖는 LED 드라이버" 및 미국 특허출원 12/558,275호(2009.9.11. 출원), "적응형 스위치 모드 LED 드라이버" 등에서 참조될 수 있다.
상기 프로세싱 장치(210)는 베이스라인 전류 세팅(380)과 밝기 세팅(382)를 수신한다. 다시 도 2를 참고하면, 상기 베이스라인 전류 세팅(380)과 밝기 세팅(382)은 통신 채널(230)을 통해 상기 비디오 컨트롤러(205)로부터 수신된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 전류 세팅(380)은 전류 값을 설정하는 외부 저항과 같은 또 다른 소스로부터 수신된다. 상기 프로세싱 장치(210)는 각 LED 채널에 대해 프로그램 된 전류(392)와 듀티 사이클 세팅(394)을 계산하고 이 세팅을 상기 LED 드라이버(215)의 상기 밝기 컨트롤러(310)에 전송한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 2를 다시 참고하면, 상기 규정 정보(390), 프로그램 된 전류 레벨(392), 및 듀티 사이클 세팅(394)은 통신 링크(235)를 통해 상기 프로세싱 장치(210)와 LED 드라이버(215) 사이에 전달된다.
본 발명에 다른 실시예들에 따르면, 상기 프로세싱 장치(210)는 상기 비디오 컨트롤러(205)로부터 다른 형태의 정보 또한 수신할 수 있다. 그 후에 상기 밝기 컨트롤러(310)로 전달된다. 이를테면, 상기 프로세싱 장치(210)가 각 LED 채널에 대해 지연 정보(delay information)를 수신하면, 밝기 컨트롤러(310)와 통신한다.
각 PWM 사이클 동안 지연 정보는 PWM 스위치 QP의 온 타임의 지연을 위해 밝기 컨트롤러(310)에서 사용된다. 몇 LED 채널의 온타임에 다른 LED 채널에 대한 상대적 시차를 얻는다.
LED(304)는 각 LED 채널에 대해 프로그램 된 전류 레벨에 따라 LED 스트링(225)를 통해 흐르는 전류를 조정한다. 각 LDO(304)는 연산 증폭기(op-amp)(306), 감지 저항 RS, 및 패스 트랜지스터(pass transistor) QL(이를테면, NMOS 트랜지스터)로 구성된다.
패스 트랜지스터 QL와 감지 저항(sense resistor) RS는 PWM 스위치 QP와 접지 단자 사이에 직렬로 결합되어 있다. 연산증폭기(306)의 출력은 상기 LDO(304)를 통해 전류를 제어하기 위해 패스 트랜지스터 QL의 게이트와 결합되어 있다.
연산 증폭기(306)는 DAC(307)로부터 양(positive)의 입력 신호 Vref를 수신하고 음의(negative) 피드백 루프(feedback loop)를 통해 패스 트랜지스터 QL의 소스로부터 음(negative)의 입력 신호 Vsense를 수신한다.
LDO(304)는 Vsense를 통하여 상기 LED 스트링을 통해 전류를 감지하는 피드백 루프와 Vref에 의해 설정된 상기 프로그램 된 전류 레벨에서 감지된 전류를 유지하기 위한 패스 트랜지스터 QL로 구성된다.
연산 증폭기(306)는 Vref를 Vsense에 비교한다. 만약 Vref가 Vsense보다 크다면, 연산 증폭기(306)는 패스 트랜지스터 QL에 적용되는 게이트 전압을 증가시키고, Vref에서 LED 스트링(225)와 감지저항 RS를 통해 흐르는 전류를 증가시킨다. 만약 Vsense가 Vref 보다 높아지면, 연산증폭기(306)는 패스 트랜지스터 QL에 적용되는 게이트 전압을 감소시키고, Vref에서 안정화 될 때까지 RS와 감소하는 Vsense 요인(causing Vsense to drop)에서 흐르는 전류를 감소시킨다.
그러므로, LDO(304)는 Vref에서 Vsense를 유지하기 위해 피드백 루프를 사용하고, 따라서 고정된 값으로 LED 스트링(225)를 통해 흐르는 전류는 Vref에 비례한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 샘플(sample)과 홀드 회로(hold circuit)(미도시)는 PWM 스위치 QP가 오프(off)되어도 Vsense를 유지한다.
LDO(304)는 추가적으로 연산 증폭기(306) 출력(351)을 기준 전압(reference voltage)(353)에 비교하는 비교기(comparator)(355)를 포함하고, 멀티플렉서(multiplexer)(311)로 결과 신호(resulting signal)를 출력한다. 비교기(355)의 출력은 LDO를 통해 흐르는 전류가 조정 범위를 벗어났는지에 대한 여부를 나타낸다.
이를테면, 만약 LED 스트링(225)의 탑(top)에서 Vboost(245) 전압의 불충분함으로 인하여, 프로그램 된 레벨에서 전류를 유지하기 위한 LDO에 대해 DAC 세팅이 매우 높다면, 연산 증폭기(306)의 출력은 상기 기준 전압(353)의 상위 수준으로 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 비교기(355)에서 입력(351)은 연산 증폭기(306)의 출력을 대신하여 LDO 트랜지스터 QL의 드레인(drain) 또는 소스(source)에 결합될 수 있다.
밝기 컨트롤러(310)와 프로세싱 장치(210)는 함께 각 LED 채널의 특성 모니터링과, 상기 피크 전류의 세팅, LED 채널 사이에서 밝기 매칭을 유지 시키기 위한 PWM 듀티 사이클, 및 전력 효율성의 최적화를 수행한다.
각 LED 채널에 대해, 밝기 컨트롤러(310)는 프로그램 된 전류 레벨(392)과 상기 프로세싱 장치(210)로부터 듀티 사이클 세팅(394)을 수신한다. 그리고 밝기 컨트롤러(310)는 LDO(304)와 PWM 스위치 QP, 및 멀티플렉서(311)를 제어하기 위한 제어 신호(control signals)(308, 309, 318)를 각각 출력한다.
밝기 컨트롤러(310)는 또한 LDO(304)로부터 조정 피드백 신호(regulation feedback signal)(315)를 수신하고, 상기 조정 피드백(regulation feedback)(390)을 상기 프로세싱 장치(210)에게 전송한다.
제어 신호(309)는 LED 스트링(225)을 통해 흐르는 프로그램 된 전류 설정에 대한 아날로그 기준 전압(reference voltage)을 차례로 제공하는 DAC(307)의 출력을 디지털방식으로 세팅한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제어 신호(309)는 8개의 프로그램이 가능한 전류를 허용하는 3비트 DAC단어 이다.
이를테면, 본 발명의 일실시예에 따라서, 각 LED채널은 2mA의 단위로 54mA에서 40mA의 범위의 전류로 세팅될 수 있다. 프로그램 된 전류 레벨은 아래에서 설명한대로 보정 단계(calibration stage)에서 각 LED 채널(225)에 대해 상기 프로세싱 장치(210)에 의해 결정된다.
밝기 컨트롤러(310)는 각 LED 채널을 독립적으로 제어하며 그러한 다른 LED 채널은 상기 프로세싱 장치(210)에 의해 다른 프로그램 된 전류로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, DAC(307)의 레졸루션(resolution)은 3 또는 4비트 이다. 전류 운영(current operation)의 넓은 동적인 범위(large dynamic range)를 허용하려면, 또 다른 DAC(327)는 각 DAC(307)에 대한 씨드 레퍼런스(seed reference)를 생성한다.
상기 DAC(327)는 DAC(307)이 제어 신호(309)에 의해 디지털 방식으로 0을 세팅할 때 사용하는 베이스 레벨(base level)을 설정하는데 사용된다. 이를테면, DAC(327)은 LED 채널에서 전류의 범위를 보다 효율적으로 관리하기 위한 10비트 레졸루션(resolution)을 가질 수 있다.
제어 신호(308)는 LED 채널을 위한 듀티 사이클 세팅(394)을 따라 각 LED 채널에 대해 디지털 방식으로 PWM 스위치 QP를 제어한다.
상기 프로세싱 장치(210)는 프로그램 된 전류(392)의 함수로서 각 LED 채널에 대한 듀티 사이클 세팅(394)과 베이스라인 전류 세팅(380), 및 아래에서 더 자세히 설명되는 보정 과정(calculation process)동안 밝기 세팅(382)를 결정한다.
밝기 컨트롤러(310)는 각 LED 채널(225)의 듀티 사이클을 독립적으로 제어하고, 이러한 다른 LED 채널들(225)은 상기 프로세싱 장치(210)에 의해 다른 PWM 듀티 사이클로 구성된다. 상기 듀티 사이클 세팅(394)과 주어진 LED 채널에 대한 프로그램 된 전류(392)는 상기 LED 채널에서 LED들의 밝기를 총괄하여 결정한다.
제어 신호(318)는 멀티플렉서(311)의 스위칭을 제어한다. 밝기 컨트롤러(310)는 멀티플렉서(311)의 선택 라인(select line)(318)을 스위칭 함으로써 다른 LED 채널로부터의 피드백 신호들을 연속적으로 모니터한다. 또한, 밝기 컨트롤러(310)는 멀티플렉서(311)의 사용 없이 상기 다른 LED 채널들로부터의 피드백 신호를 모니터 할 수 있다.
상기 밝기 컨트롤러(310)는 아래에 자세히 설명된 보정 단계(calibration stage)에서 사용하기 위해 상기 프로세싱 장치(210)에 조정 피드백(regulation feedback)(390)을 전달한다.
프로세싱 장치(210)는 각 LED 채널 n에 대한 지정된 상대적 밝기 BIn인 밝기 입력(brightness input)(382)을 수신한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 밝기 입력 BIn은 정의된 최대 밝기의 백분율로 각각의 LED 채널 n에 대해 원하는 상대적인 밝기로 표현하는데, 이를테면, BI1= 60%, BI2= 80%, BI3=100% 등으로 표현한다.
채널의 밝기 입력이 듀티 사이클에 직접적으로 비례하기 때문에 프로세서(processor)는 채널에 대한 베이스라인 듀티 사이클로서 밝기 입력 BIn을 사용한다. 이를테면, 60%의 밝기 입력 BIn은 최대 듀티 사이클(최대 밝기에 대응하는)에 60%의 채널 n에 대한 베이스라인 듀티 사이클을 나타낸다.
하지만, LED 채널 사이에 알고 있는 전류 변화(current variations)에 대한 보상(to compensate)과 원하는 상대적인 밝기 유지하기 위한 PWM 스위치 QP의 듀티 사이클을 결정할 때, 상기 프로세싱 장치(210)는 이 베이스라인 듀티 사이클을 보정 계수(compensation factor)로 수정한다. 이 보정 계수(compensation factor)와 듀티 사이클의 결과는 아래에서 설명되는 보정(calibration)과 계산 과정에서 결정된다.
프로세서(processor)(210)는 각 LED채널에 대한 프로그램 된 전류 레벨의 결정을 위한 작업의 시작에서 보정 단계(calibration stage)로 진입한다. 각 LED 채널은 상기 LED 채널(225)들 사이의 제조 변형(manufacturing variations)에 대한 보상(to compensate)과 밝기 입력(382)에 의해 설정된 LED 채널들 사이의 상대적인 밝기 출력을 유지하기 위해 독립적으로 설정된다.
그러므로, 프로세서(processor)(210)는 같은 밝기 입력(382)을 갖도록 설정된 채널들이 실질적으로 밝기 출력이 일치하는 것을 보장한다.
처음에, 상기 프로세싱 장치(210)는 베이스라인 전류 세팅(380) 또는 Iset 레벨(예를 들어, Iset = 40mA)을 수신한다. 그리고 상기 프로세싱 장치(210)는 가장 낮은 레벨로 DAC(307)들을 초기화 하는 밝기 컨트롤러(310)를 야기하는 전류 레벨(292)을 출력한다.
DAC(327)는 또한 전류 세팅에 해당하는 값으로 초기화된다. 그리고 Vboost(245)는 원하는 레벨 Iset(이를테면, Iset = 40mA)이상에서 LED채널(225) 중에 하나의 작동이 실패할 때까지 점차적으로 감소된다(제어 신호(240)을 통해). Vboost(245)는 모든 채널들이 원하는 Iset 레벨에서 조정 범위에서 작동 할 때까지 다시 증가한다.
약한 채널(weakest channel)(이를테면, LED 스트링(225)에 걸쳐 최고의 순방향 전압 강하를 갖는 LED 채널)은 Iset 근처에서 작동하는 반면, LED 스트링(302)의 채널들은 서로 다른 전류-전압 특성 때문에 높은 전류 레벨에서 작동한다.
각 LED 스트링(225)에 대한 전류 레벨을 모니터 하기 위해, RS의 전압은 감지 및 프로세싱 장치(210)로 전달이 가능하다(미도시). 이 정보는 또한 DAC(307)에서 DAC 값의 형태도 가능하다.
Vboost(245)가 적절한 수준에 도달하면, 프로세싱 장치(210)는 가장 작은 레벨부터 가장 최고 레벨까지 각 LED 채널에 대한 DAC(307)를 배열하고 조정 범위의 상태를 표시하는 비교기(355)로부터 모니터한다.
DAC(307) 출력이 프로그램 된 레벨에서 전류를 유지하기 위해 LDO에 대해 너무 높을 때, 연산 증폭기(306)의 출력은 증가하고, 상기 채널이 더 이상 조정 범위 내에 존재 하지 않도록 비교기(355) 출력 변경을 야기하는 문턱 전압(threshold voltage)(353)을 초과한다.
채널이 조정 범위에서 벗어난 후에, 프로세싱 장치(210)는 순차적으로 채널이 규정 범위 내로 다시 들어오도록 상기 LED 채널에 대해 상기 DAC(307)를 감소시킨다. 그리고 상기 LED 채널 n에 대한 프로그램 된 전류 레벨 In이 상기 문턱 전압(threshold voltage)(353)을 초과하기 전에 프로세싱 장치(210)는 LED 채널에 대한 최대로 가능한 DAC 세팅을 저장한다.
이러한 보정 절차(calibration process)는 각LED 채널 n에 대한 상기 프로그램 된 전류 레벨 In을 결정하기 위해 반복된다. 정상 동작 다음의 보정 시, 각 LED 채널 n은 결정된 프로그램 된 전류로 설정된다.
상기 보정 과정(calibration process)은 일반적으로 각 LDO(304)가 최고의 전력 효율을 위해 각 LDO(304)의 포화점 이하지만, 근처에서 작동되는 것을 보장한다.
최악의 경우의 사례에서 포화전류가 최대 DAC 세팅 보다 높을 때, 상기 LED(304)는 상기 LDO(304)의 트라이오드(triode)와 포화 영역 사이의 인터페이스 점에 근접한 포화에서 동작한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보정(calibration)은 초기 보정 단계의 역과 같은 온 더 플라이(on-the-fly)로 처리된다. 온 더 플라이(on-the-fly) 보정 동안, 상기 Vboost(245) 전압은 사전에 정의된 전압 레벨로 설정되고 DAC(307)는 가장 낮은 레벨로 설정된다.
시스템이 실행되면서, 상기 Vboost(245)는 특정 시간 간격(예를 들어, 매 8 ms)으로 하나 또는 그 이상의 LED 스트링(225)이 Iset 이상에서 작동하지 않을 때까지 감소하고, Vboost는 상기 약한 채널이 다시 조정 범위 내로 들어오도록 다시 증가한다.
일단 Vboost(245)가 적절한 레벨에 도달하면, 프로세싱 장치(210)는 각 LED 채널을 병렬로 가장 낮은 레벨부터 가장 높은 레벨까지 DAC(307)을 배열하고 비교기(355)의 출력을 모니터한다. 배열하는 것은 특정 시간 간격으로 이루어 진다(예를 들어, 매 8 ms).
LED 스트링이 조정 범위에서 벗어나면, 프로세싱 장치(210)는 LED 채널 n에 대해 상기 프로그램 된 전류 레벨 In과 같이 조정 범위에서 벗어나기 전에 LED 채널에 대한 최대로 가능한 DAC 세팅을 저장한다. 상기 나머지 LED 스트링은 계속해서 프로그램 된 전류 레벨 In을 식별하기 위해 같은 방식으로 배열된다.
나아가, 상기 시스템이 실행되면 상기 LED 채널(225)의 상기 조정 상태(regulation status)는 끊임없이 상기 프로세싱 장치(210)에 의해 모니터링 된다.
만약 LED 채널이 조정 범위 밖으로 벗어나면, 비교기(355)의 출력에 의해 나타남으로써 상기 프로세싱 장치(210)와 조정 신호(regulation signal)(390)를 통해 통신하고, 상기 프로세싱 장치(210)는 LED 채널이 다시 조정 범위 내로 들어오도록 하기 위한 프로그램 된 채널 레벨을 감소시킨다.
또한, 상기 프로세싱 장치(210)는 프로그램 된 전류 레벨이 증가되어야 하는 지를 확인하고 주기적으로 프로그램 된 전류 레벨(392)를 증가 시킬 수 있다. 만약 상기 LED 채널(225)가 높은 전류 레벨에서 조정 범위 안에 있다면, LED 채널(225)에 대한 상기 새로운 DAC 세팅은 상기 LED 채널 n에 대해 새롭게 프로그램 된 전류 레벨 In으로 상기 프로세싱 장치(210)에 의해 저장된다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 보정(calibration)의 일부 또는 전부는 상기 프로세싱 장치(210)에 의한 상호작용(interaction) 감소와 함께 상기 밝기 컨트롤러(310)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 부스트 컨버터(boost converter)(220)는 밝기 컨트롤러(310)에 의해 직접적으로 제어된다(미도시). 밝기 컨트롤러(310)는 상기 프로세싱 장치(210) 또는 비디오 컨트롤러(205)로부터 Iset을 수신한다. 밝기 컨트롤러(310)는 상기 약한 채널이 Iset 근처에서 작동하도록 VBoost(245)를 설정한다.
밝기 컨트롤러(310)는 최적의 DAC(307) 세팅이 확인될 때까지 DAC(307)를 배열한다. 하지만, 밝기 컨트롤러(310)에서 보정(calibration)을 수행하는 것은 상기 프로세싱 장치(210)에서 보정을 수행하는 것만큼 유리하지 않다. 왜냐하면 상기 밝기 컨트롤러(310)에 추가적인 제어 회로가 요구되기 때문이다.
각 LED 채널 n에 대해 결정된 프로그램 된 전류 레벨 In을 바탕으로, 상기 프로세싱 장치(210)는 다음 수학식을 사용하여 각 LED 채널 n에 대한 PWM 듀티 사이클(PWM_outn)을 결정한다.
Figure pat00001
BIn은 채널 n에 대해 원하는 상대적인 밝기 세팅을 나타내는 상기 베이스라인 듀티 사이클이고 Iset은 미리 정의된 베이스라인 전류 레벨이다. 수학식 1은 채널 간의 전류 변화(current variations)에 대한 보상과 원하는 상대적인 밝기를 유지하기 위한 보정 계수(compensation factor)
Figure pat00002
로 베이스라인 듀티 사이클의 크기를 조정한다.
정상 작동 시, 프로세싱 장치(210)는 채널 n에 대한 듀티 사이클 세팅(394)으로 밝기 컨트롤러(310)에 PWM_outn을 제공한다. 밝기 컨트롤러(310)는 PWM 스위치 QP를 제어 신호(308)를 통해 듀티 사이클 세팅(394)에 따라 각 채널 n 에 대하여 구동한다.
예시적으로 프로세싱 장치(210)와 밝기 컨트롤러(310)의 작동 설명이 제시된다. 이 예에서, PWM 밝기 입력(382)은 60%의 밝기로 각 채널 n의 상대적인 밝기 BIn을 설정한다. 전류 세팅 입력(380)은 베이스라인 전류 세팅 Iset을 40mA로 설정한다.
위에서 설명한 보정 단계(calibration stage) 동안, 프로세싱 장치(210)는 각 LED 채널에 대한 프로그램 된 전류 레벨(392)을 결정하고 밝기 컨트롤러(310)로 프로그램 된 전류 레벨을 전달한다. 그리고 밝기 컨트롤러(310)는 제어 신호(309)와 DAC(307)를 통해 프로그램 된 전류를 설정한다.
이 예에서, 프로세싱 장치(210)는 각 LEDL채널들이 포화점(saturation points) 근처에 있지만 그 아래에서 작동 되도록 제1 LED 채널은 I1 = 46mA의 전류 레벨로, 제2 LED채널은 I2 = 40mA의 전류 레벨로, 제3 LED 채널은 I3 = 42mA의 전류 레벨로 설정한다.
프로세싱 장치(210)는 다음과 같은 각 LED 채널 n에 대해 듀티 사이클 PWM_outn을 결정하기 위해서 프로그램 된 전류 레벨 수학식 1을 적용한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
따라서, 보정(calibration) 및 계산 과정(processes)에서 각 LED 채널 n에 대한 전류 In과 듀티 사이클 PWM_outn이 결정된다.
바람직하게도, 각 LED 채널은 동일한 평균 전류를 갖는다(
Figure pat00006
). 그러므로, 각 LED 채널에서 관찰된 밝기는 LED 채널을 통해 평균 전류에 밀접하게 관련되어 있기 때문에 잘 매칭된다.
만약 상대적인 밝기 입력 BIn(382)이 다른 채널 n에 대해 다르게 설정되면, 수학식 1은 다른 채널의 평균 전류 사이의 비율이 밝기 입력 사이의 비율과 일치하도록 보장한다.
예를 들어, 만약 네 번째 채널이 밝기 입력 BI4 = 75%로 구성되고 다섯 번째 채널의 밝기 입력은 BI5 = 25%로 구성되어 있다면, 프로세싱 장치(210)는 네 번째와 다섯 번째 채널 평균 전류의 비율 3:1과 같이 보정한다.
밝기 컨트롤러(310)와 대조적으로 프로세싱 장치(210)에서 밝기 계산을 수행하는 것은 밝기 컨트롤러(310)의 복잡도와 크기를 줄이기에 유용하다. 이러한 듀티 사이클 계산을 수행하기 위한 회로는 LED 드라이버에서 상당한 공간을 차지할 수 있다.
하지만, TV와 모니터와 같은LED 드라이버를 사용하는 많은 시스템에서, 이러한 계산을 수행하는 능력을 갖는 프로세싱 장치(210)는 이미 시스템의 기존 구성 요소이다. 이러한 기존 시스템 리소스(resources)는 적응적 스위치(adaptive switch) LED 드라이버의 구현을 단순화하는데 활용될 수 있다.
게다가, LED 드라이버(215)와는 달리, 프로세싱 장치(210)는 어떠한 하드웨어 변경 없이 밝기를 계산하기 위한 수식을 쉽게 업데이트 할 수 있도록 별도의 펌웨어를 통해 프로그램이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 다음 방정식을 따라 PWM_outn으로부터 PWM 스위치 QP의 온 타임(on time)에 듀티 사이클을 계산한다.
Figure pat00007
여기서 Tonn은 채널 n에서 스위치 QP에 대한 듀티 사이클 온타임(on-time)이고 Tperiod는 하나의 완전한 듀티 사이클의 기간이다. 다르게 명시된, Tonn 과 Tperiod는 두 개의 시간 구성 요소로 분리된 듀티 사이클 PWM_outn의 표현이다.
Tonn과 Tperiod는 초(seconds) 또는 클럭 사이클(clock cycles)과 같은 시간 단위로 측정이 가능하다. 이를테면, 만약 PWM_outn이 40%이고 Tperiod는 1000 클럭 사이클(clock cycles)이면 Tonn은 400클럭 사이클(clock cycles)이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, Tperiod는 여러 가지 방법 중 하나로 프로세싱 장치(210)에 의해 결정될 수 있다. 이를테면, 미리 설정된 세팅 또는 비디오 컨트롤러(205)로부터 수신한 세팅으로부터 결정될 수 있다.
Tonn과 Tperiod는 PWM 스위치 QP를 켜거나 또는 끄도록 하기 위한 제어를 위해 듀티 사이클 세팅(394)으로 LED 드라이버(215)에게 전송된다. Tonn과 Tperiod의 형태로 LED 드라이버에게 듀티 사이클 세팅(394)이 전송되는 것은 PWM_outn과는 대조적으로 LED 드라이버에서 제거되는 Tonn t시간에 PWM_outn 변환에 대한 추가적인 프로세싱 회로를 가능하게 하기 때문에 유리하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 광속(luminous flux)과 LED들의 순방향 전류(forward current) 사이의 관계의 비선형(non-linearity)을 고려하기 위해 수학식 1의 수정된 버전을 적용한다.
도 4는 LED의 순방향 전류의 함수로부터 방출되는 상대적인 광속(luminous flux)의 플롯(plot)이다. 광 효율은 순방향 전류가 증가할수록 감소하며 경사면에서 약간의 감소를 일으킨다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 다음과 같은 형식의 제2 명령된 다항식을 사용하여 밝기 전달 함수를 모델링한다.
Figure pat00008
여기서 c0, c1 및 c2 는 실험적으로 결정된 상수이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 다음과 같은 보정 방정식(compensation equation)을 각 LED 채널 n에 대해 PWM_outn을 결정하기 위해 적용한다.
Figure pat00009
밝기 입력 BIn의 비율로 LED채널 사이의 평균 전류의 비율과 일치하는 수학식 1과는 달리, 대신 수학식 7은 상대적인 밝기 BIn에 비례하는 LED 채널의 상대적인 광속 출력(relative luminous flux output)을 설정한다.
이것은 LED 채널 사이의 보다 특정한 상대적인 밝기 출력을 유지하는 것을 제공한다. 그러므로, 같은 밝기 입력으로 구성된 LED 채널은 실질적으로 같은 밝기 출력을 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 보정 단계(calibration stage)에서 각 LED 채널 n에 대한
Figure pat00010
의 비를 평가하고, 이 결과를 메모리에 저장한다.
실 시간(real-time) 작동 동안에, 프로세싱 장치(210)는 밝기 입력(382)이 갱신될 때마다 수학식 7의 하나 남은 곱하기 연산을 수행하기 위해 필요하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 추가적으로 LED 채널 사이의 온도 변화에 대한 보상을 제공하는 수학식 1의 수정된 다른 버전으로 적용된다.
도 5는 접합 온도의 함수(function of junction temperature)로 55mA의 순방향 전류로 순방향 바이어스 된 LED에서 방출되는 상대적인 광속밀도를 나타낸다. 플롯은 LED가 섭씨 25에서 85도 까지 오르는 의 접합 온도로서 밝기의 약12%의 감소를 보여준다. 이러한 감소는 주로 온도의 선형 함수(linear function of temperature)이다.
그러므로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 각 LED 채널 n에 PWM_outn를 결정하기 위해 다음 방정식을 적용한다.
Figure pat00011
여기서 CT는 실험적으로 결정된 온도의 선형 함수이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프로세싱 장치(210)는 LED 스트링(225)에 대한 온도 데이터를 수신하도록 구성되는 추가의 온도 입력 신호(미도시)를 포함하도록 수정된다. 온도 데이터는 모든 기존의 LED 온도 측정 기술을 사용하여 얻을 수 있다.
도 6a 및 6b는 여러 개의 LED 드라이버(215) 시스템의 실시예들을 보여준다. 도 6a는 시스템이 통신 링크(235)를 통해 프로세싱 장치(210)에 결합한 세 개의 LED드라이버(예를 들어, 215-1, 215-2, 215-3)를 포함하는 시스템을 제외하고는 도 2와 비슷하다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 적은 또는 그 이상의 LED 드라이버(215)가 있을 수 있다. 각 LED 드라이버(215)는 프로그램 된 전류 레벨에 기초하여 하나 또는 그 이상의 LED 스트링(예를 들어, 225-1, 225-2, 225-3)을 통해 흐르는 전류로 제어되고 듀티 사이클 세팅은 프로세싱 장치(210)로부터 수신된다.
부스트 컨버터(boost converter)(220)는 LED 스트링(225) 모두에게 공통 Vboost(315) 전압을 제공한다. Vboost(245) 전압은 프로세싱 장치(210)로부터 수신된 제어 신호(240)에 기초하여 부스트 컨버터(220)에 의해 제어된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 6a에서 프로세싱 장치(210)는 이전에 설명한 보정 과정(calibration process)에서 적절한 Vboost(245) 전압을 결정한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, LED 드라이버(215)와 프로세싱 장치(210)는 Vboost(245)의 적절한 전압 레벨을 결정하기 위해 수정된 보정 과정(calibration process)을 적용한다.
보정 단계(calibration stage)에서, 각 LED 드라이버(215)는 약한 LED 스트링(225)이 Iset 또는 그 근처에서 작동되도록 Vboost(245) 전압 설정을 시도한다. 하지만, 프로세싱 장치(210)만은 제어 신호(240)를 통해 부스트 컨버터(220)를 직접적으로 제어할 수 있다. 따라서 각 LED 드라이버(215)는 프로세싱 장치(210)에 자체 전압 설정을 통신 링크(235)를 통해 제공한다.
프로세싱 장치(210)는 다른 LED 드라이버(215)로부터 수신된 다양한 전압 세팅 중에 가장 낮은 전압 세팅을 선택한다. 프로세싱 장치(210)는 제어 신호(240)를 통해 가장 낮은 전압 세팅에 따라 Vboost(245)전압을 설정한다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 가장 낮은 전압 세팅은 또한 프로세싱 장치(210)로부터 모든 LED 드라이버(215)에게 전송된다.
부스트 컨버터(220)를 제어하기 위한 제어 신호(640)는 프로세싱 장치(210) 대신에 LED 드라이버(215-1)와 연결된 것을 제외하고 도 6b는 도 6a와 유사하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, LED 드라이버(215)와 프로세싱 장치(210)는 Vboost(245)의 적절한 전압 레벨을 결정하기 위해 다른 수정된 보정 과정(calibration process)을 적용한다.
보정 단계(calibration stage)에서, 각 LED 드라이버(215)는 약한 LED 스트링(225)이 Iset 또는 그 근처에서 작동되도록 Vboost(245) 전압을 설정하는 것을 시도한다. 하지만, 하나의 LED 드라이버(215-1)만 Vboost(245)를 제어하기 위해 부스트 컨버터(220)과 직접적으로 연결되어 있다.
각 LED 드라이버(이를테면, 215-1, 215-2, and 215-3)는 통신 링크(235)를 통해 프로세싱 장치(210)에 자체적인 전압 세팅을 제공한다.
프로세싱 장치(210)는 다른 LED 드라이버(215)로부터 수신된 다양한 전압 세팅 중에 가장 낮은 전압 세팅을 선택하고, 가장 낮은 전압 세팅을 LED 드라이버(215-1)에게 전송한다. LED 드라이버(215-1)는 프로세싱 장치(210)로부터 수신된 전압에 따라 제어 신호(640)를 통해 Vboost(245) 전압을 설정한다.
도 7은 하나 또는 그 이상의 LED 스트링(225)을 구동하기 위한 LED 드라이버(215)에 의해 수행되는 방법의 일실시예를 보여준다. LED 드라이버 전송(710)은 프로세싱 장치에게 통신 링크를 통하여 LED 스트링에 흐르는 전류가 조정 범위를 벗어났는지에 대한 여부를 나타내는 조정 정보이다.
조정 정보를 사용하여, 프로세싱 장치는 보정 단계 동안에 LED 스트링이 조정 범위 내에 들어오도록 하기 위해 프로그램 된 전류 레벨을 설정한다. 프로그램 된 전류 레벨은 프로그램 가능한 전류 레벨의 한정된 세트로부터 결정된다.
LED 드라이버 수신(The LED driver receives)(720)은 통신 링크를 통해 프로세싱 장치로부터 프로그램 된 전류 레벨을 수신하는 것이다. 그리고 조정(regulates)(730)은 프로그램 된 전류 레벨에 따라 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하는 것이다.
LED 드라이버는 또한 제1 LED 스트링을 켜거나 또는 끄기 위해 프로세싱 장치로부터 듀티 사이클 세팅을 수신(740)한다. 듀티 사이클은 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 프로세싱 장치에 의해 결정된다.
LED 드라이버는 듀티 사이클 세팅에 의해 지시된 듀티 사이클에서 LED 스트링을 켜거나 또는 끄기 위해 스위칭(750)한다. 이 과정은 각 LED 스트링이 독립적으로 제어되도록 LED 스트링 수를 되풀이 될 수 있다.
본 명세서를 통해, 본 발명의 특정한 실시예와 응용 프로그램에 관한 적응형 스위치 모드 LED 드라이버를 제어하는 펌웨어에 대한 추가적인 대안의 디자인들은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있다. 따라서, 본 명세서를 통해 특정한 실시예들이 설명되거나 도시되었더라도 본 발명은 그러한 특정한 구조와 설명들에 국한되어 정해져서는 안 되며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에서 설명되고 있는 방법이나 장치의 상세한 동작이나 과정을 본 발명의 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정하거나 변형할 수 있다.
210: 프로세싱 장치
220: 부스트 컨버터
205: 비디오 컨트롤러
215: LED 드라이버

Claims (26)

  1. 하나 또는 그 이상의 LED 스트링을 구동하는 시스템에 있어서,
    제1 프로그램 된 전류 레벨에 따라 제1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조절 하고, 제1 듀티 사이클에서 상기 제1 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭 하는 제1 LED 드라이버 장치; 및
    상기 제1 LED 드라이버 장치와는 구별되는 별개의 집적 회로이며, 상기 제1 LED 스트링을 위한 상기 제1 듀티 사이클을 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 결정하는 프로세싱 장치
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세싱 장치로부터 상기 제1 LED 드라이버 장치로 상기 제1 듀티 사이클 및 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨에 대한 세팅을 전송하는 통신 링크
    를 더 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류가 조정 범위(regulation)를 벗어났는지의 여부를 지시하는 조정 정보(regulation information)는 상기 제 1 LED 드라이버 장치로부터 상기 프로세싱 장치로 상기 통신 링크를 통해 전송되고, 상기 프로세싱 장치는 상기 조정 정보에 기초하여 상기 제 1 LED 스트링을 통해 전류가 조정 범위 내에 있도록 하는 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨을 결정하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세싱 장치는 프로그램 가능한 전류 레벨의 한정된 세트 중 하나에 대응하도록 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨을 결정하는 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 장치는 베이스라인 듀티 사이클과 베이스라인 전류 레벨의 함수로 상기 제1 듀티 사이클을 결정하는 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 LED 드라이버 장치는 제2 프로그램 된 전류 레벨에 따라 제2 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하고 제2 듀티 사이클에서 상기 제2 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하고, 상기 제2 LED 스트링은 상기 제1 LED 스트링과는 서로 다른 전류-전압 특성을 갖고 상기 제2 프로그램 된 전류 레벨은 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨과는 상이하고,
    상기 프로세싱 장치는 상기 제2 LED 스트링을 위한 상기 제2 듀티 사이클을 상기 제2 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 결정하는 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 프로세싱 장치는 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 밝기 전달 함수(luminance transfer function)에 부분적으로 기초하여 상기 제1 듀티 사이클을 결정하고 상기 밝기 전달 함수는 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링이 동일한 상대적 밝기를 갖게 조정되도록 광속(luminance flux)이 실질적으로 매칭되도록 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세싱 장치는 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링 사이의 온도 변화를 보상하기 위한 온도 보상 함수를 포함하는 밝기 전달 함수와 온도 측정치를 수신하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    제2 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하는 제2 LED드라이버; 및
    상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링에 공통 전압을 제공하는 전력 컨버터
    를 더 포함하고,
    상기 제1 LED 드라이버는 상기 프로세싱 장치로 제1 전압 세팅을 전송하고 상기 제2 LED 드라이버는 상기 프로세싱 장치로 제2 전압 세팅을 전송하며,
    상기 프로세싱 장치는 상기 전력 컨버터에 의해 제공된 상기 전압을 제어하기 위해 상기 제1 전압 세팅 및 상기 제2 전압 세팅 중에 낮은 값을 선택하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 LED 드라이버 장치는,
    상기 제1 프로그램 된 전류 레벨에 따라 상기 제1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하는 제1 채널 레귤레이터(regulator); 및
    상기 제1 듀티 사이클에서 상기 제1 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하는 제1 채널 스위치
    를 포함하는 시스템.
  11. 하나 또는 그 이상의 LED 스트링을 구동하기 위한 LED 드라이버 장치에 있어서,
    제1 프로그램 된 전류 레벨에 따라 상기 제1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하는 제1 채널 레귤레이터(regulator); 및
    제1 듀티 사이클에서 상기 제1 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하는 제1 채널 스위치
    를 포함하고,
    상기 제1 듀티 사이클은 프로세싱 장치에 의해 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 결정되며, 상기 LED 드라이버 장치는 상기 프로세싱 장치로부터 상기 제1 듀티 사이클에 대한 세팅을 수신하고, 상기 프로세싱 장치는 상기 LED 드라이버 장치와 구별되는 별개의 집적 회로 장치인, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    통신 링크를 통해 상기 프로세싱 장치로부터 상기 제1 듀티 사이클 및 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨에 대한 세팅들을 수신하는 밝기 조절 회로(luminance control circuit)
    를 더 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 밝기 조절 회로는 상기 프로세싱 장치로 상기 제1 LED 스트링이 조정 범위를 벗어났는지의 여부를 지시하는 조정 정보를 상기 통신 링크를 통해 전송하고, 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨은 상기 조정 정보에 기초하여 상기 제1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류가 조정 범위 내에 있도록 상기 프로세서 장치에 의해 결정되는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 프로그램 된 레벨은 프로그램 가능한 전류 레벨의 한정된 세트 중 하나에 대응하도록 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되는 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 듀티 사이클은 베이스라인 전류 레벨과 베이스라인 듀티 사이클의 함수로서 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되는 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    제2 프로그램 된 전류 레벨에 따라 제2 LED 스트링을 통해 흐르는 전류를 조정하는 제2 채널 레귤레이터 - 상기 제2 프로그램 된 전류 레벨은 제1 프로그램 된 전류 레벨과는 상이함 -; 및
    제2 듀티 사이클에서 상기 제2 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하는 제2 채널 스위치 - 상기 제2 LED 스트링은 상기 제1 LED 스트링과는 서로 다른 전류-전압 특성을 가짐 -
    를 더 포함하고,
    상기 제2 LED 스트링에 대한 상기 제2 듀티 사이클은 상기 제2 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 듀티 사이클은 밝기 전달 함수에 부분적으로 기초하여 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되고, 상기 밝기 전달 함수는 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링이 동일한 상대적 밝기를 갖게 조정되도록 광속이 실질적으로 매칭되도록 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 밝기 전달 함수는 상기 프로세싱 장치에 의해 수신되는 온도 측정치에 기초하여 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 스트링과의 온도 변화를 보상하기 위한 온도 보상 함수를 포함하는 장치.
  19. LED 드라이버 장치를 이용하여 하나 또는 그 이상의 LED 스트링 세트로부터 제1 LED 스트링을 구동하기 위한 방법에 있어서,
    제1 프로그램 된 전류 레벨에 따라 상기 제1 LED 스트링을 통해 전류를 조정하는 단계,
    상기 제1 LED 스트링의 스위칭을 위한 제1 듀티 사이클에 대한 세팅을 수신하는 단계 - 상기 제1 듀티 사이클은 프로세싱 장치에 의해 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 결정되고, 상기 프로세싱 장치는 상기 LED 드라이버 장치와는 구별되는 별개의 집적 회로임 -; 및
    상기 제1 듀티 사이클에 따라 제1 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 프로그램 된 전류 레벨 및 상기 제1 듀티 사이클에 대한 세팅을 통신 링크를 통해 수신되는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 LED 스트링의 전류가 조정 범위에서 벗어났는지의 여부를 나타내는 조정 정보를 상기 통신 링크를 통해 상기 프로세싱 장치로 전송하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제1 프로그램 된 전류 레벨은 상기 조정 정보에 기초로 상기 제1 LED 스트링을 통해 흐르는 전류가 상기 조정 범위 내에 있도록 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되는 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 프로그램 된 전류 레벨을 수신하는 단계 -상기 제1 프로그램 된 전류 레벨을 프로그램 가능한 전류 레벨의 한정된 세트로부터 상기 프로세싱 장치에 의해 결정됨 -를 더 포함하는 방법.
  23. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 듀티 사이클은 베이스라인 전류 레벨과 베이스라인 듀티 사이클의 함수로서 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되는 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    제2 프로그램 된 전류 레벨에 따라 제1 LED 스트링을 통해 전류를 조정하는 단계 -상기 제2 프로그램 된 전류 레벨은 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨과는 상이함-;
    상기 제2 LED 스트링의 스위칭에 대한 제2 듀티 사이클의 세팅을 수신하는 단계 -상기 듀티 사이클은 상기 제2 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 결정되고, 상기 프로세싱 장치로부터 수신됨-; 및
    상기 제2 듀티 사이클에서 상기 제2 LED 스트링을 켜거나 또는 끄도록 스위칭하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 듀티 사이클은 밝기 전달 함수에 부분적으로 기초하여 상기 제1 프로그램 된 전류 레벨의 함수로서 상기 프로세싱 장치에 의해 결정되고, 상기 밝기 전달 함수는 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링이 동일한 상대적 밝기를 갖게 조정되도록 광속이 실질적으로 매칭되도록 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 밝기 전달 함수는 상기 프로세싱 장치로부터 수신 된 온도 측정치에 기초하여 상기 제1 LED 스트링 및 상기 제2 LED 스트링 사이의 온도 변화를 보상하기 위한 온도 보상 함수를 포함하는 방법.
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