KR20190006007A - 조명 파워 및 컨트롤 시스템을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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데일 베이어
쯔또무 시모무라
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네오포칼 시스템즈, 인크.
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Abstract

발광 다이오드(LED)들이 조명 응용분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 다수의 발광 다이오드(LED) 혹은 임의의 다른 컨트롤가능 광원을 컨트롤하기 위해, 본 발명에서는 단일 배선 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템을 도입한다. 구체적으로는, 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들은 직렬 구성의 헤드에 위치한 컨트롤 유닛에 의해 구동되는 이 직렬 구성으로 배치된다. 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들 각각은 또한 개별적으로 컨트롤가능한 둘 이상의 LED를 포함할 수 있다. 헤드-엔드 컨트롤 유닛은 전력 및 컨트롤 신호 양쪽 모두를 단일 배선 아래로 제공하여, 각 LED 유닛이 개별적으로 혹은 지정된 그룹별로 컨트롤될 수 있게 하는 방식으로 직렬로 된 LED 유닛들 모두를 구동한다.

Description

조명 파워 및 컨트롤 시스템을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR LIGHTING POWER AND CONTROL SYSTEM}
본 발명은 직렬로 구성된 전자 시스템들의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 직렬 선상의 발광 다이오드와 같은 전자 컴포넌트들을 구동하기 위한 파워 및 컨트롤 신호들을 제공하는 기법들을 개시하지만, 이것으로 제한하는 것은 아니다.
발광 다이오드들(LEDs)은 매우 에너지 효율적인 전자 광원이다. 초기 세대의 LED들은 매우 적은 양의 조광 파워로 적색 광을 방출하였다. 그러나, 최근의 LED들은 이제 가시 파장, 자외 파장, 및 적외 파장에 걸쳐서 광을 생성할 수 있다. 또한, 최근의 LED들에는 조명원들(illumination sources)로서 이용되기에 충분한 광을 생성할 수 있도록 많은 양의 전류가 제공될 수 있다.
LED들은 종래의 광원에 대하여, 에너지 효율성, 보다 긴 수명, 보다 월등한 내구성, 작은 폼 팩터(small form factor), 및 매우 고속의 스위칭 속도를 포함하는 다수의 장점들을 제공한다. 이러한 다수의 장점들은 광범위한 응용들에서의 LED들의 사용을 촉진하였다. 그러나, LED들은 종래의 백열 광원들 및 형광 광원들에 비교하여 선행 투자 비용(up-front cost)에 있어서 여전히 상대적으로 값비싸다. 또한, LED들은 종래의 광원들보다 일반적으로 보다 정확한 전류 및 열 관리를 요구한다. 제1세대의 LED들은 주로 전자 설비에서의 표시등으로서 사용되었다. LED들은 그 낮은 에너지 이용과 작은 폼 팩터로 인하여 휴대용 전자제품들에 이상적이었다. 그러나, 더 최근에, 새로운 LED 색상들의 가용성 및 밝기의 증가는 LED들이 다수의 새로운 응용들에 사용되게 하였다.
LED들의 작은 크기 및 디지털 컨트롤 시스템을 이용하여 LED들의 스위칭을 컨트롤하는 능력은 LED 기반의 디스플레이 시스템들의 개발을 가능하게 하였다. 구체적으로, 개별적으로 컨트롤되는 LED들의 2차원 어레이는 단어들이나 이미지들을 디스플레이하도록 이용될 수 있다. 따라서, LED들은 이제, 뉴욕 시의 타임 스퀘어에서 그리고 스포츠 경기장에서 보여지는 대형 비디오 디스플레이 시스템들과 같은 매우 대형 스케일의 비디오 디스플레이 시스템들 및 다수의 최근의 전자식 전광판(scoreboard)을 위한 광원을 제공한다.
LED 기반 디스플레이 시스템들이 매우 잘 동작한다고 증명되었으나, 그러한 LED 기반 비디오 디스플레이 시스템들을 생성하는데 수반되는 고유한 어려움들 및 비용으로 인하여 LED 기반 비디오 디스플레이 시스템들의 배치가 제한된다. 신중하게 계량되고 개별적으로 컨트롤된 파워가, LED 기반 비디오 디스플레이 시스템을 생성하는 LED의 2차원 어레이의 각각의 LED에 제공되어야 한다. 1920x1080 해상도의 화소들(pixels)을 갖는 흑백 고 해상도 디스플레이 시스템을 구성하는 것은, 시스템이 신중하게 컨트롤된 파워를 이용하는 2,073,600개의 개별적인 LED들을 제공할 것을 요구한다. 다중 색상 고해상도 디스플레이 시스템을 생성하려면, 각각의 개별적인 화소에 대하여 3개의 상이한 색상의 LED들(적색, 녹색, 및 청색)이 요구되고, 6,220,800개의 개별적인 LED들이 신중하게 컨트롤된 파워를 수신해야 한다. 따라서, 그러한 대형 스케일의 비디오 디스플레이 시스템들의 설계 및 제조는 둘 다 복잡하고 매우 비용이 많이 든다.
많은 독립적인 LED들을 컨트롤하는 과제로 인하여, 대형 LED 기반 비디오 디스플레이 시스템들은 수백만 달러의 비용이 들기 때문에, 스포츠 경기장과 같은 매우 고급의 응용들만이 대형 LED 기반 비디오 디스플레이 시스템들을 구매할 수 있다. 그외의 상황들을 위한 공공의 비디오 디스플레이 시스템들은 팀 스코어 및 경기 시간을 디스플레이하기 위해 오직 제한된 사전-구성된(pre-arranged) LED 패턴들을 갖는 대형 전자 전광판과 같은 훨씬 더 단순한 디스플레이 시스템들을 이용하거나 텔레비전 디스플레이와 연관된 일반적으로 보다 작은 종래의 디스플레이 기술을 이용한다. 따라서, LED 기반 디스플레이 및 조명 시스템들을 설계하고 구성하는 작업을 단순화하는 것이 바람직할 것이다.
도면들에서, 유사한 참조번호들은 몇몇 도면들에 걸쳐서 실질적으로 유사한 컴포넌트들을 설명하며, 도면들은 반드시 스케일대로 도시되지는 않는다. 상이한 접미 문자를 갖는 유사한 참조번호들은 실질적으로 유사한 컴포넌트들의 상이한 인스턴스들을 나타낸다. 도면들은 일반적으로 한정이 아닌 예시로써 본원에 논의된 다양한 실시예들을 예시한다.
도 1은 머신이 본원에 논의된 방법들 중 임의의 하나 이상의 방법을 수행하도록 하기 위해 실행될 수 있는 명령어들의 세트를 그 내부에 갖는 컴퓨터 시스템의 예시적인 형태로 머신의 다이어그램 표현을 예시한다.
도 2a는 본원의 개시내용의 단일 와이어 다중 LED 컨트롤 시스템(single-wire multiple-LED control system)의 전체적인 아키텍처의 블록도를 예시한다.
도 2b는 LED 유닛들에 전송될 수 있는 예시적인 데이터 패킷을 예시한다.
도 3a는 공칭 전류 값으로부터의 전류 램프(ramp) 편차들로서 변조된 디지털 정보를 이용하여 타이밍도를 예시한다.
도 3b는 공칭 전류 값에 관한 사인파 형상의(sinusoidal) 편차들로서 변조된 디지털 정보를 이용하여 타이밍도를 예시한다.
도 3c는 공칭 전류 값으로부터의 전류 딥들(current dips)로서 변조된 디지털 정보를 이용하여 타이밍도를 예시한다.
도 4a는 제1 실시예에 대한 LED 라인 드라이버 회로를 예시한다.
도 4b는 제2 실시예에 대한 LED 라인 드라이버 회로를 예시한다.
도 5a는 LED 라인 드라이버 회로가 외부의 전계 효과 트랜지스터를 턴온하는 것이 어떻게 라인 전류를 상향으로 램프하게 하는지 예시한다.
도 5b는 LED 라인 드라이버 회로가 외부의 전계 효과 트랜지스터를 턴오프하는 것이 어떻게 라인 전류를 하향으로 램프하게 하는지 예시한다.
도 5c는 도 5a 및 도 5b의 회로에 의해 변조되는 전류를 예시한다.
도 6a는 이상적 대칭 및 비이상적인 전류 펄스들을 예시한다.
도 6b는 FET 스위치 타이밍 컴퓨터가 어떻게 동작하는지 그래픽적으로 예시한다.
도 6c는 단일 데이터 비트 사이클 동안의 단계들의 타임라인(timeline)을 예시한다.
도 6d는 에너지를 절약하기 위해 공칭 전류 레벨이 감소되는 것에 따른 램프 모드 변조된 전류 신호를 예시한다.
도 7은 개별적으로 컨트롤 가능한 LED 유닛의 일 실시예를 예시한다.
도 8은 개별적으로 컨트롤된 LED 유닛들의 파워 시스템이 어떻게 동작하는지 설명하는 흐름도를 예시한다.
도 9a는 램프 모드 변조에 대한 데이터 사이클 오정렬 이슈들을 예시한다.
도 9b는 딥 모드 변조에 대한 데이터 사이클 오정렬 이슈들을 예시한다.
도 10a는 종래의 펄스 폭 변조를 이용하여 생성된 펄스들을 예시한다.
도 10b는 감소된 플릭커(flicker) 변조 시스템을 이용하여 생성된 펄스들을 예시한다.
도 10c는 감소된 플릭커 변조 출력 패턴들의 생성을 예시한다.
도 10d는 불완전한 전류 펄스와 이상적인 구형 펄스를 예시한다.
도 10e는 펄스들을 재정렬하는 다양하고 상이한 랜덤화(randomization) 이후에 도 10c의 감소된 플릭커 변조 데이터 패턴을 예시한다.
도 11a는 본원의 개시내용의 교시에 기초한 가능한 제1 LED 조명 시스템의 블록도를 예시한다.
도 11b는 다중 LED 조명 기구들이 단일 컨트롤러로부터 컨트롤되는, 도 11a의 LED 조명 시스템을 예시한다.
도 12는 본원의 개시내용의 교시에 기초한 가능한 제2 LED 조명 시스템의 블록도를 예시한다.
도 13은 DMX512-A 프로토콜 기반 스테이지 조명 시스템으로서 구현된 본원의 개시내용의 LED 드라이버 시스템을 예시한다.
도 14는 단일 LED 라인 드라이버가 8×8 어레이로 구성된 64개의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들을 구동하는 응용을 예시한다.
도 15는 보다 작은 모듈러(modular) 2차원 어레이들(도 14에 예시됨)이 보다 대형의 2차원 디스플레이 시스템들을 생성하기 위해 결합되는 방법을 개념적으로 예시한다.
도 16은 2차원 디스플레이 시스템을 생성하기 위해 서로 평행하게 달려있는(hung parallel to each other) 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들의 일부 스트링들을 예시한다.
도 17은 LED 유닛들의 다수의 스트링으로부터 생성된 디스플레이 시스템을 배치하고, 교정하고, 동작시키는 방법을 설명하는 흐름도를 예시한다.
도 18은 인입하는 비디오 신호가 LED 디스플레이 시스템 모델에 의해 디코딩되고 처리되어, 배치된 LED 스트링들의 세트를 이용하여 구성된 디스플레이 시스템을 구동하는 LED 컨트롤 커맨드를 생성하는 방법을 설명하는 데이터 흐름도를 예시한다.
이하의 상세한 설명은, 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부하는 도면들에 대한 참조를 포함한다. 도면들은 예시적인 실시예들에 따른 예시를 도시한다. 본원에서 "예들"로서 또한 지칭되는 이들 실시예들은 본 기술분야의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 본 기술분야의 당업자에게는 예시적인 실시예들에서의 특정 상세가 본 발명을 실시하는데 반드시 요구되지는 않는다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 예시적인 실시예들은 발광 다이오드들(LEDs)을 컨트롤하기 위한 파워 및 데이터를 효율적으로 송신하는 시스템을 참조하여 주로 개시되지만, 본 개시내용의 교시들은 임의의 다른 유형의 전자 디바이스를 컨트롤하기 위해 파워 및 데이터를 송신하는데 이용될 수 있다. 예시적인 실시예들이 결합될 수 있으며, 그외의 다른 실시예들이 이용될 수 있거나, 구조적, 논리적 및 전기적 변경들이 청구되는 범주로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 한정하는 의미로 받아들여선 아니되며, 본 범주는 첨부하는 특허청구범위 및 그 등가물들에 의해서 정의된다.
본원에서, 단수형 용어들(a 또는 an)이 사용되지만, 특허 문서에서 통상적이듯이, 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것으로 사용된다. 본원에서 "또는"이라는 용어는, 달리 명시되지 않으면, 비배타적임을 지칭하도록 사용되거나, "A 또는 B"는 "B가 아니라 A", "A가 아니라 B" 및 "A와 B"를 포함하도록 사용된다. 또한, 본원에서 참조된 모든 공개물들, 특허들, 및 특허 문서들은 개별적으로 참조로서 포함되더라도, 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다. 본원과 참조에 의해 포함된 이들 문서들 간의 일치하지 않는 사용방식이 있는 경우, 포함된 참조물(들)에서의 사용 방식은 이들 문서에서의 양립할 수 없는 불일치성에 대해서는, 본원에서 컨트롤하고 있는 사용 방식에 대한 보충으로서 간주되어야 한다.
컴퓨터 시스템들
본 개시는 컴퓨터 시스템들이 일반적으로 LED 조명 및 디스플레이 시스템들을 컨트롤하는데 사용되므로 컴퓨터 시스템들에 관련된다. 도 1은 본 개시의 부분들을 구현하기 위해 사용될 수 있는 컴퓨터 시스템(100)의 예시적인 형태의 머신의 개략적 표현을 도시한다. 컴퓨터 시스템(100) 내에는 머신이 본 명세서에서 논의된 방법론들의 임의의 하나 이상을 수행하도록 하기 위해 실행될 수 있는 명령어들(124)의 집합이 있다. 네트워크화된 배치에서, 머신은 클라이언트-서버 네트워크 환경에서의 서버 머신 또는 클라이언트 머신으로서, 또는 피어-투-피어(또는 분산) 네트워크 환경에서의 피어 머신으로서 동작할 수 있다. 머신은 퍼스널 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 셋탑 박스(STB), 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 셀룰러 폰, 웹 어플라이언스, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브리지, 또는 그 머신에 의하여 취해질 동작들을 명시하는 (순차적이거나 또는 다른 방식의) 컴퓨터 명령어들의 집합을 수행할 능력을 가진 임의의 머신일 수 있다. 또한, 비록 단일의 머신이 설명되지만, "머신"이라는 용어는 또한 명령어들의 집합(또는 복수의 집합들)을 개별적으로 또는 공동으로 실행하여 본 명세서에서 논의된 방법론들 중 임의의 하나 이상을 수행하는 머신들의 임의의 컬렉션을 포함하는 것으로 받아들여져야 한다.
예시적인 컴퓨터 시스템(100)은 프로세서(102)(예를 들면, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽스 처리 장치(GPU) 또는 양쪽 모두), 메인 메모리(104), 및 정적 메모리(106)를 포함하는데, 이들은 버스(108)를 통하여 서로 통신한다. 컴퓨터 시스템(100)은 액정 디스플레이(LCD) 또는 음극선관(CRT)과 같은 비디오 디스플레이 시스템(115)을 구동하는 비디오 디스플레이 어댑터(110)를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(100)은 또한 알파뉴메릭(alphanumeric) 입력 디바이스(112)(예를 들면, 키보드), 커서 컨트롤 디바이스(114)(예를 들면, 마우스 또는 트랙볼), 디스크 드라이브 유닛(116), 출력 신호 생성 디바이스(118), 및 네트워크 인터페이스 디바이스(120)를 포함한다.
디스크 드라이브 유닛(116)은 본 명세서에서 기술된 방법론들 또는 기능들의 임의의 하나 이상에 의해 이용되거나 구현되는 컴퓨터 명령어들 및 데이터 구조들(예를 들면, '소프트웨어'로 또한 알려진 명령어들(124))의 하나 이상의 집합들에 저장된 머신-판독가능 매체(122)를 포함한다. 명령어들(124)은 또한 컴퓨터 시스템(100)에 의한 실행 중에 메인 메모리(104) 내에 그리고/또는 프로세서(102) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 존재할 수 있는데, 메인 메모리(104)와 프로세서(102)는 또한 머신-판독가능 매체를 구성한다. 예시적인 컴퓨터 시스템(100)은 단지 하나의 가능한 예를 나타낼 뿐이며 다른 컴퓨터들은 도 1에 도시된 모든 컴포넌트들을 가지지 않을 수 있다는 점에 유의하라.
명령어들(124)은 또한 네트워크 인터페이스 디바이스(120)를 통하여 컴퓨터 네트워크(126) 상에서 송신되거나 수신될 수 있다. 그러한 송신들은 파일 전송 프로토콜(FTP)과 같은 다수의 공지된 전송 프로토콜들 중 임의의 하나를 활용하여 발생할 수 있다.
비록 머신-판독가능 매체(122)가 예시적인 실시예에서 단일의 매체인 것으로 도시되었지만, "머신-판독가능 매체"라는 용어는 명령어들의 하나 이상의 집합들을 저장하는 단일의 매체 또는 복수의 매체(예를 들면, 집중 또는 분산 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시들 또는 서버들)를 포함하는 것으로 받아들여져야 한다. "머신-판독가능 매체"라는 용어는 또한 머신에 의해 실행하기 위한 명령어들의 집합을 저장하거나, 인코딩하거나, 운반할 수 있고 머신이 본 명세서에서 기술된 방법론들 중의 임의의 하나 이상을 수행할 수 있도록 하거나, 또는 그러한 명령어들의 집합들에 의해 이용되거나 연관된 데이터 구조들을 저장하거나, 인코딩하거나, 운반할 수 있는 임의의 매체를 포함하는 것으로 받아들여져야 한다. 따라서, "머신-판독가능 매체"라는 용어는 고체-상태 메모리들, 광학 매체, 및 자기 매체를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는 것으로 받아들여져야 한다.
본 명세서의 목적을 위해, "모듈"이라는 용어는 특정의 기능, 동작, 프로세싱, 또는 프로시져를 달성하기 위한 코드의 식별가능한 부분, 컴퓨터를 사용하거나 실행가능한 명령어들, 데이터, 또는 컴퓨터를 사용한 오브젝트를 포함한다. 모듈은 소프트웨어로 구현될 필요는 없다; 모듈은 소프트웨어, 하드웨어/회로, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로 구현될 수 있다.
본 개시에서, 컴퓨터 시스템은 매우 작은 마이크로컨트롤러 시스템을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 컴퓨터 시스템을 생성하는 네 개의 주요 컴포넌트들: 산술 연산 및 로직 유닛(ALU), 컨트롤 유닛, 메모리 시스템, 및 입력 및 출력 시스템(집합적으로 I/O로 불림)을 포함하는 단일의 집적 회로를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러들은 디지털 전자 디바이스들에 매우 자주 사용되는 매우 작고 저렴한 집적 회로들이다.
복수의 LED 컨트롤 시스템 개요
복수의 발광 다이오드들(LEDs), 또는 임의의 다른 컨트롤 가능한 전자 디바이스(다른 유형의 전자 광원들과 같은)를 컨트롤하기 위하여, 본 문서는 직렬로 연결된 복수의 유닛들에 대한 단일-와이어 직렬-조직화된 파워 및 컨트롤 시스템을 개시한다. 특히, 일 실시예에서 LED들을 컨트롤하는 개별적으로 컨트롤되는 전자 유닛들은 그 직렬 구성 내에 위치하는 컨트롤 유닛에 의해 구동되는 연속적인 구성으로 배치된다. 일련의 분리된 개별적으로 컨트롤되는 전자 유닛들은 조명 디바이스들의 "라인" 또는 "스트링"으로 지칭될 수 있다. 시리즈에 대한 파워 및 데이터를 제공하기 위해 사용되는 컨트롤 유닛은, 컨트롤 유닛이 라인 또는 스트링 상의 개별적으로 컨트롤되는 전자 유닛들 전부를 구동하기 위한 파워 및 컨트롤 신호들을 제공하기 때문에, "라인 드라이버", "스트링 드라이버" 또는 "헤드-엔드 컨트롤러"로 지칭될 수 있다. 비록 본 개시가 LED들 또는 다른 광원들을 컨트롤하는 것에 중점을 두고 있지만, 본 개시의 사상은 음향 시스템들, 모터들, 센서들, 카메라들, 액정 디스플레이들(LCD) 등과 같은 임의의 다른 유형의 전자 디바이스를 컨트롤하는데 사용될 수 있다.
도 2a는 본 개시의 사상을 사용하여 만들어진 단일-와이어 다중-LED 유닛 컨트롤 시스템의 전반적인 아키텍쳐의 블록도를 도시한다. LED 라인 드라이버 회로(220)는 일련의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 내에 위치한다. 도 2a의 예시적인 실시예에서, LED 라인 드라이버 회로(220)는 본 문서에서 나중에 더 상세히 설명될 외부 파워 서플라이 회로(210)로부터 파워를 수신한다. LED 라인 드라이버 회로(220)는 또한 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)으로부터 LED 컨트롤 데이터를 수신한다. (비록 본 문서는 'LED 라인 드라이버 회로'를 언급하지만, 라인 드라이버 회로는 LED들을 컨트롤하는 외의 다른 동작들을 수행하는 드라이버 라인에 결합된 다른 유형의 회로들에 파워 및 데이터를 전송하는데 사용될 수 있다는 점을 유의하라.)
마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)은 스트링 상에서 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 상의 다양한 LED들이 어떻게 파워 온 또는 오프 되는지를 기술하는 상세한 컨트롤 데이터 및 각각의 파워 온 된 LED의 밝기를 제공한다. 일 실시예에서, 각각의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250)은 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)이 컬러 값과 밝기를 제공하도록 서로 다른 컬러를 가지는 복수의 LED들을 가진다.
마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)은 LED 라인 드라이버 회로(220)에 적절한 포맷으로 LED 컨트롤 데이터를 제공하는 임의의 유형의 디지털 전자 시스템일 수 있다. 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)은 간단한 단일 칩 마이크로컨트롤러에서 많은 LED 스트링들을 조직화된 방식으로 구동하는 복잡한 컴퓨터 시스템까지 다양한 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상대적으로 간단한 실시예에서, 마이크로컨트롤러로 구현된 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230), 파워 서플라이(210), 및 LED 라인 드라이버(220)의 부분들이 결합되어 LED 유닛들(250)의 스트링을 컨트롤하는 단일의 LED 드라이버 시스템(239)이 될 수 있다. 좀더 복잡한 실시예에서, 도 1에 도시된 컴퓨터 시스템(100)과 같은 외부 컴퓨터 시스템은 적절한 LED 컨트롤 데이터 신호를 신호 생성 디바이스(118) 또는 임의의 다른 적절한 데이터 출력 시스템을 사용하여 LED 라인 드라이버 회로(220)로 출력하도록 프로그램될 수 있다.
하나의 특정 실시예에서, 공지의 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)가 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)으로부터의 LED 컨트롤 데이터(231)를 LED 라인 드라이버 회로(220)로 제공하기 위해 사용된다. 이와 같은 방식으로, 많은 LED 스트링들은 컴퓨터 시스템(100)과 같은 단일의 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)에 결합되고 이에 의해 컨트롤될 수 있다. 그러나, 대체적인 실시예들에서, 유니버설 시리얼 버스(USB), 이더넷, 또는 IEEE 1394 인터페이스(파이어와이어)와 같은 임의의 다른 적절한 디지털 통신 시스템이 LED 컨트롤 데이터를 LED 라인 드라이버 회로(220)에 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 무대 조명 애플리케이션들에 맞추어진 실시예에서, 데이터 인터페이스는 무대 조명을 컨트롤하기 위해 사용되는 공지의 DMX512-A 프로토콜을 취급하도록 프로그램될 수 있다. 그러한 실시예에서, 복수의 LED 라인 드라이버 디바이스들은 독립적으로 컨트롤되는 LED 유닛들의 복수의 스트링들을 컨트롤하기 위한 데이지-체인 배열로 결합될 수 있다.
파워 서플라이(210)로부터 수신된 파워(211)와 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)으로부터의 LED 컨트롤 데이터(231)를 사용하여, LED 라인 드라이버 회로(220)는 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)의 전체 스트링에 파워 및 컨트롤 데이터 모두를 제공하는 (221에서 시작하여 229로 돌아오는 라인으로 이루어진) 전류 루프 상의 전기 신호를 구동한다. 단일 와이어 상에 파워와 컨트롤 데이터 모두를 제공하는 이 시스템은 LED 조명 및 디스플레이 시스템들의 디자인과 구조를 대단히 단순화한다. 또한, 파워와 컨트롤 데이터 모두를 운반하기 위해 단일 와이어를 사용하는 것은 그러한 복수의 LED 디스플레이 또는 조명 시스템을 구성하는 비용을 상당히 감소시킨다. 개시된 시스템으로, 단일의 전류 루프(드라이버 라인이라고 또한 지칭됨)는 (1) LED 유닛들(250)에 대한 파워, (2) LED 유닛들로에 대한 컨트롤 및 구성 커맨드들, (3) LED 출력 데이터, (4) 로컬 클럭 신호를 생성하기 위해 사용되는 클럭 레퍼런스 값, (5) LED들로의 전류 출력을 조정하기 위해 사용되는 전류 레퍼런스 값, (6) 열 소모, 및 (7) 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)을 지지하기 위한 물리적 구조와 같은 스트링 상의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들에 대한 일곱 가지 이상의 기능들을 제공할 수 있다. 각각의 기능들에 대한 상세는 본 문서의 후반 섹션들에서 제공될 것이다.
도 2b는 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)을 링크하는 드라이버 라인 상에 조정될 수 있는 데이터 프레임의 일 실시예를 도시한다. 데이터 프레임의 헤드에는 동기화 바이트(291)가 있다. LED 유닛들(250)로 보내지는 분리된 클럭 신호가 없기 때문에, 동기화 바이트는 LED 유닛들(250)에 의해 디지털 데이터 신호를 추적하고 각각의 새로운 데이터 프레임이 시작하는 곳을 결정하는 것을 돕기 위해 사용된다. 다음으로, 커맨드 필드(292)는 수신자 LED 유닛(250)에 의해 수행될 특정한 커맨드를 명시한다. 어드레스 필드(293)는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 중 어느 것이 커맨드에 응답할 것인지를 선택하기 위한 특정한 어드레스(또는 어드레스들의 그룹)을 명시한다. 어드레스 필드(293) 다음에는 데이터의 페이로드를 포함하는 데이터 필드(294)가 있다. 마지막으로, 선택적인 순환 잉여 검사(CRC) 코드(295)가 데이터 무결성을 보장하도록 돕기 위해 사용될 수 있다.
도 2a를 다시 참조하면, 다수의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)이 드라이버 라인(221에서 시작하여 229로 돌아오는)으로의 연속 배열로 결합될 수 있다. 각각의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250)은 하나 이상의 LED들, LED 컨트롤 회로, 및 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250)을 완성하기 위해 필요한 임의의 부가적인 컴포넌트들을 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 LED 유닛(250)에서 필요한 유일한 부가적인 전기적 컨포넌트는 LED 컨트롤 회로 및 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250) 상의 LED들을 구동하기 위한 전기 에너지의 비축량을 저장하는 캐패시터가다. 더 많은 양의 전류를 취급하는 다른 실시예들에서, 전기 에너지를 저장하기 위해 사용되는 캐패시터에 부가하여 외부 다이오드 및 작은 히트 싱크가 사용될 수 있다. 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250)에 하나보다 많은 LED가 결합되었을 때, 그 LED 유닛(250) 상의 각각의 서로 다른 LED는 그 LED 유닛(250) 상의 LED '채널'로 지칭된다.
일부 실시예들에서, 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250)을 동작시키는 파워를 저장하기 위해 하나보다 많은 캐패시터가 사용될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 서로 다른 LED들에 대한 파워를 저장하기 위해 서로 다른 캐패시터들이 사용된다. 이는 서로 다른 색을 가지는 LED들이 서로 다른 전압 레벨에서 동작하기 때문에 이루어질 수 있고, 캐패시터들을 각각의 서로 다른 색을 가지는 LED와 매칭함에 의해 캐패시터들은 그 특정의 색을 가지는 LED를 구동하기 위해 필요한 꼭 맞는 양의 전압만을 저장하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같은 방식에서, 더 높은 전압 양이 필요했던 LED들에는 그 더 높은 전압 양이 주어지지만 더 낮은 전압 양이 필요한 LED들에는 그 적당한 더 낮은 전압이 주어진다. 이는 여분의 전압을 단지 헛되이 열로 태워버리게 되는 전압 강하 회로의 비효율적인 사용을 방지한다.
개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 각각에 대한 중요한 컴포넌트는 LED 컨트롤러 회로이다. LED 컨트롤러 회로는 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(250) 상의 다양한 LED들을 지능적으로 컨트롤하는 데에 필요한 대부분의 작업들을 수행한다. 이러한 작업들은, 드라이버 라인으로부터 전기 에너지를 획득하고 그 전기 에너지를 LED 유닛에 파워를 공급하는 데 이용되는 서플라이 캐패시터에 저장하는 것, LED 컨트롤러 회로에 파워를 공급하기 위해 요구된 정류된 전압들을 생성하는 것, 드라이버 라인 상으로 변조된 데이터 신호를 복조하는 것, 데이터 프레임을 추출하기 위해 복조된 데이터 신호를 디코딩하는 것, 데이터 프레임 내의 수신된 커맨드들을 실행하는 것, 및 지정된 밝기 레벨로 다양한 LED들을 구동하는 것을 포함한다. 이들 기능들 각각에 대한 상세는 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛에 대한 섹션에서 제공될 것이다.
LED 라인 드라이버
이전의 섹션에서 전술한 바와 같이, 도 2a의 LED 라인 드라이버 회로(220)는, 221에서 시작해서 229에서 리턴되는 드라이버 라인 상의 LED 라인 드라이버 회로(220)에 직렬로 연결된 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 모두에게 파워 및 LED 컨트롤 데이터 양쪽 모두를 제공할 책임이 있다. 구성하기에 단순하고 비싸지 않은 LED 조명 및 디스플레이 시스템들을 만들기 위해, LED 라인 드라이버 회로(220)는 싱글 드라이버 라인 상의 LED 유닛들(250) 모두에 전기 파워 및 컨트롤 데이터 양쪽 모두를 제공한다. 이러한 싱글 와이어 드라이버 라인은 많은 수의 개별적으로 컨트롤가능한 조명 엘리먼트들을 이용하는 조명 및 디스플레이 시스템들의 구성을 현저히 단순화시키는데, 그 이유는 그러한 개별적으로 컨트롤가능한 조명 엘리먼트들이 각각의 조명 엘리먼트를 함께 연결하는 단일 전선을 이용하여 단순한 데이지 체인 배열로 배열될 수 있기 때문이다.
개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250)에 파워를 공급하기 위해, LED 라인 드라이버 회로(220)는, 싱글 드라이버 라인 상에 직류(DC) 신호를 구동하는 전기 전류원으로서 기능한다. 일부 실시예들에서, DC 신호는 공칭의 일정한 레벨에서 구동된다. 그러나, 각 LED 유닛(250)이 추적할 수 있는 데이터 신호 및 LED 유닛들(250)에 에너지를 제공하기에 충분한 전류를 제공하는 것이 주 목표이다. 직렬 배열로 드라이버 라인에 연결된 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 각각은 직류 신호로부터 데이터를 복조하고, 드라이버 라인 상에 구동되는 직류 신호로부터 필요한 동작 파워를 끌어올 것이다.
스트링 상의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(250) 모두에 LED 컨트롤 데이터를 제공하기 위해, LED 라인 드라이버 회로(220)는 드라이버 라인 상에 구동되는 전류로 데이터를 변조한다. 데이터를 변조하는 다양한 상이한 방법들이 이용될 수 있다. 본 개시물은 사용되고 있는 두 가지 상이한 방법을 개시하지만, 본 기술 분야에 숙련된 자가 알 수 있는 바와 같이 그외의 데이터 변조 시스템들이 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 라인 드라이버 회로는 공칭 전류 레벨로부터의 작은 업 및 다운 전류 램프들(small up and down current ramps)을 이용함으로써 드라이버 라인 상에서 데이터를 변조한다. 이러한 실시예에서, 각 데이터 비트 기간은 음의 전류 램프에 이은 양의 전류 램프 또는 양의 전류 램프에 이은 음의 전류 램프를 포함하는 2 사이클로 나뉠 수 있다. 이들 두 개의 상이한 데이터 패턴은 디지털 통신 시스템을 위해 일("1") 또는 영("0")을 표현하는 데에 이용된다. 도 3a는 데이터가 전류 상에 변조됨에 따라 LED 라인 드라이버 회로(220)에 의해 컨트롤되는 드라이버 라인 상의 전류를 그래픽적으로 나타내는 전류 다이어그램을 도시한다. 도 3a의 예에서, 로컬 영("0")은 전류의 양의 램프에 이은 전류의 음의 램프에 의해 표현되고, 일("1")은 음의 전류 램프에 이은 양의 전류 램프에 의해 표현된다. 각 데이터 위상의 콘텐츠는 양의 전류 램프 및 음의 전류 램프 양쪽 모두를 포함하여, 라인 상의 평균 전류 값이 공칭 전류 레벨(310)로 남아 있게 된다는 것에 유의한다. 도 3b는 공칭 전류 레벨(310)에 대하여 변화하는 사인파 전류(sinusoidal current)를 이용하는 유사한 실시예를 예시한다.
데이터를 코딩하는 그외의 수단은 맨체스터 코딩 및 맨체스터를 이용하는 비제로 복귀(Non-Return-To-Zero)를 포함한다. 전류로 데이터를 변조하는 그외의 수단이 또한 이용될 수 있다. 예를 들면, 제1 대안 실시예에서, 제1 전류 레벨이 논리적 영("0")을 지시하는 데에 이용될 수 있고, 제2 전류 레벨이 논리적 일("1")을 지시하는 데에 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 데이터 비트들의 스트림은 두 개의 전류 레벨 사이에서 스위칭함으로써 인코딩될 수 있다.
도 3c는 "딥 모드(dip mode)" 변조로 불리는 또 다른 데이터 변조 시스템을 예시한다. 도 3c에 예시된 딥 모드 변조 시스템에서, 각 데이터 비트 기간은 제1 하프(half) 및 제2 하프로 나뉘어진다. 변조 시스템은 데이터 비트 기간의 제1 하프 또는 제2 하프 중 어느 하나 내에 발생하는 전류 딥을 갖는 것에 의해 데이터를 변조한다. 도 3c의 특정 예에서, 영("0") 데이터 비트는 제1 하프 내에 전류 딥을 갖는 것에 의해 표현되고, 일("1") 데이터 비트는 제2 하프 내에 전류 딥을 갖는 것에 의해 표현된다. 예시의 변조 회로들은 도 3a 및 3c에 예시된 램프 모드 및 딥 모드 데이터 변조 시스템들에 대해 각각 제공될 수 잇다.
램프 모드를 이용하는 제1 LED 라인 드라이버 실시예
도 4a는 도 3a에 예시된 시스템을 이용하여 데이터를 변조하는 실시예에 대한 LED 라인 드라이버 회로(425)의 내부의 블록도를 예시한다. 도 4a의 LED 라인 드라이버 회로(425)는 "램프 모드" 변조로서 칭해지는 전류 변조 시스템을 구현한다. 램프 모드 변조 시스템은 LED 라인 드라이버 IC(420), 하나의 FET(field-effect transistor), 하나의 인덕터 및 몇개의 저항들을 이용하여 데이터를 변조할 수 있는 저비용 구현을 위해 설계되었다.
LED 라인 드라이버 회로(425)의 주 컴포넌트는 LED 라인 드라이버 회로(425)의 전체적인 동작을 컨트롤하는 정교한 LED 라인 드라이버 IC(집적 회로)(420)이다. LED 라인 드라이버 IC(420)는 디지털 회로를 구동하기 위해 필요한 클럭 신호들을 생성하는 클럭킹 회로 블록(485)을 포함한다. 클럭킹 회로 블록(485)은 다양힌 필요한 내부 클럭 신호들을 생성하기 위해 외부 클럭(486)(또는 공진기)로부터의 입력을 수신할 수 있다. 클럭킹 회로 블록(485)은 내부 코어 클럭 생성을 위해 외부 클럭(486)으로부터의 클럭 신호의 속도를 감소시키기 위한 프리스케일러(prescaler), 칩의 클럭들이 파워 리셋 후에 정확히 시동하는 것을 보장하기 위한 일부 동기화 로직, 및 적합한 데이터 레이트로 드라이버 라인 상에 변조되는 데이터를 송신하기 위한 타이밍 생성기를 포함할 수 있다.
도 4a의 LED 라인 드라이버 IC(420)의 하단 좌측을 참조하면, 데이터 인터페이스(430)는 도 2a에 도시된 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)과 같은 외부 컨트롤러로부터 컨트롤 데이터를 수신한다. 데이터 인터페이스(430)는 유입 컨트롤 데이터를 추출하고, 그 컨트롤 데이터를 커맨드 파서(command parser) 및 핸들러 회로(handler circuit)(440)로 전달한다. 단순한 실시예에서, LED 라인 드라이버 IC(420) 그 자신은 LED 컨트롤 데이터의 패턴을 생성하기 위한 회로를 포함할 수 있어, 어떠한 외부 LED 컨트롤러도 필요하지 않게 된다.
하나의 특정 실시예에서, 데이터 인터페이스(430)는 공지된 SPI(Serial Peripheral Interface) 프로토콜을 구현한다. SPI 구현은, 표준 데이터 인(432), 데이터 아웃(431), 데이터 클럭(도시되지 않음), 및 전형적으로 SPI 프로토콜에 의해 이용되는 칩 선택(도시되지 않음) 핀들을 포함할 수 있다. SPI 시스템의 동작은 특정 구현에 따라 변할 것이다. 전통적인 SPI 구현에서, 외부 SPI 마스터(예를 들면, 도 2a의 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230))는 데이터를 각 LED 라인 드라이버 IC(420) 상의 데이터 인(432) 핀에 보내고, 그들의 각자의 LED 라인 드라이버 IC(들) 상의 칩 선택 핀들을 활성화시킴으로써 어느 LED 라인 드라이버 회로(들)가 데이터에 따라 동작해야하는지를 지정한다. SPI 프로토콜은 양방향 프로토콜이어서, 개별 LED 라인 드라이버 회로들이 상태 정보를 외부 SPI 마스터 시스템에 다시 보낼 수 있게 한다. LED 라인 드라이버 회로의 일 실시예는, 캘리브레이션 정보 및 버퍼 상태에 대한 요청들과 같은 상태 쿼리들에 대한 응답들을 리턴하기 위한 리턴 데이터 경로를 이용한다. SPI 프로토콜의 대안 구현에서, 데이터 아웃(431) 라인은 데이지 체인 배열로 또 다른 LED 라인 드라이버 회로 상의 데이터 인 인터페이스에 결합될 수 있어, 일련의 LED 라인 드라이버 회로들이 싱글 마스터 LED 컨트롤러 시스템에 의해 컨트롤될 수 있게 한다.
커맨드 파서 및 핸들러 회로(440)는 유입 컨트롤 데이터를 검사하고, 적절히 유입 컨트롤 데이터에 반응한다. 일 실시예에서, LED 라인 드라이버 IC(420)는 세 가지 주요 유형의 유입 커맨드들: 구성 요청들, 상태 요청들, 및 드라이버 라인에 연결된 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들에게 드라이버 라인을 따라 데이터를 전달하는 요청들을 다룬다. 구성 요청들은 LED 라인 드라이버 IC(420)에게 컨트롤 및 상태 레지스터들 블록(441) 내의 지정된 컨트롤 레지스터들을 설정하라고 명령할 수 있다. 구성 요청들은 또한 LED 라인 드라이버 IC(420)에게 LED 라인 드라이버 IC(420) 상의 비 휘발성 구성 퓨즈들을 버닝할 것을 명령하여, 영구적인 구성 정보가 LED 라인 드라이버 IC(420)상에 프로그래밍될 수 있게 한다. 유입 상태 요청들은 LED 라인 드라이버 IC(420)로부터의 상태 정보, 예를 들면, 그것의 버퍼 상태, 동작 상태, 및 현재 구성을 요청할 수 있다. LED 라인 드라이버 IC(420)에 보내진 그러한 상태 요청들은 컨트롤 및 상태 레지스터들(441)로부터 정보를 페치(fetch)하고 응답을 다시 데이터 아웃 라인(431) 상의 마스터 컨트롤러에게 송신함으로써 다루어질 수 있다.
데이터 라인을 따라 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들에게 LED 컨트롤 데이터를 전달하기 위해, 마스터 LED 컨트롤러로부터 LED 라인 드라이버 IC(420)로 보내진 요청들이, 일반적으로 LED 라인 드라이버 IC들에 대한 통신의 대부분이 될 것이다. 커맨드 파서 및 핸들러 회로(440)는 LED 컨트롤 데이터를 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)으로 전달함으로써 이러한 LED 컨트롤 데이터 전달 요청들을 다룰 것이다. 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 컨트롤 데이터를 프레임 버퍼에 저장한다. 도 4a의 실시예에서, LED 라인 드라이버 IC(420)는 두 개의 프레임 버퍼(451 및 452)를 포함하여, LED 라인 드라이버 IC(420)는 마스터 LED 컨트롤러로부터 제1 프레임 버퍼로의 유입 LED 컨트롤 데이터를 수신하면서 동시에 드라이버 라인으로 제2 프레임 버퍼로부터의 LED 컨트롤 데이터를 변조할 수 있다. 프레임 버퍼들(451 및 452)은 일시적으로 드라이버 라인에 연결된 하나 이상의 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛(470-1 내지 470-N)을 목적지로 하는 LED 컨트롤 데이터를 저장한다.
일부 실시예들에서, LED 유닛들(470)은 LED 라인 드라이버 IC(420)에 다시 통신할 수 있다. 예를 들면, LED 유닛(470)은 지정된 타임 슬롯 동안 자신의 션트 트랜지스터(shunt transistor)를 턴 온 및 오프함으로써 LED 라인 드라이버 IC(420)에 다시 시그널링할 수 있어, 그 효과가 LED 라인 드라이버 IC(420)에 의해 검출가능할 수 있게 한다. 그러한 실시예들에서, 데이터 인(432) 상의 유입 상태 요청 메시지는 드라이버 라인에 연결된 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(470)로부터 상태를 요청할 수 있다. 커맨드 파서 및 핸들러 회로(440)는 그 후 이 LED 유닛 상태 요청을 제2 상태 요청 메시지로 변환하며, 제2 상태 요청 메시지는 그 후 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)에 주어지고 드라이버 라인으로 변조된다. 응답이 LED 유닛(470)으로부터 수신될 때, LED 라인 드라이버 IC(420)는 그 후 대응하는 응답 메시지를 데이터 아웃 라인(431) 상에서 보낼 수 있다.
라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 드라이버 라인으로 LED 유닛들(470)에게 LED 컨트롤 데이터(및 일부 실시예에서는 상태 요청들)를 송신하는 데에 책임이 있다. 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 커맨드 파서 및 핸들러 회로(440)로부터 자신에게 전달되는 컨트롤 데이터(또는 상태 요청)을 취하고, 다음으로 이용 가능한 프레임 버퍼를 채운다. 일 실시예에서, 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 컨트롤 레지스터(441)가 이것이 수행되어야 함을 규정한다면 선택적 프레임 CRC(Cyclic Redundancy Check) 바이트를 계산할 수 있다. 일 실시예에서, 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)이 드라이버 라인으로 변조하기 위한 대기 LED 컨트롤 데이터(또는 상태)를 가지고 있지 않다면, 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 드라이버 라인으로 아이들 데이터 프레임을 변조할 것이다. 아이들 데이터 프레임은 모든 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(470)에 의해 무시될 것이지만 그 개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들(470)이 드라이버 라인으로 변조되고 있는 데이터 스트림과의 동기화를 유지하는 것을 도울 것이다.
라인 데이터 트랜스미터 블록(450)은 포맷된 데이터 프레임을 프레임 버퍼들(451, 452)로부터 전류 변조 블록(490)으로 전달한다. 전류 변조 블록(490)은 드라이버 라인 상의 LED 유닛들(470)에 데이터 스트림을 제공하도록 드라이버 라인 상의 (명목상) 일정한 직류 신호를 변조하는 데에 책임이 있다. 구체적으로, 전류 변조 블록(490)은 LED 유닛들(470)을 컨트롤하기 위해 LED 컨트롤 데이터를 드라이버 라인을 따라 송신하기 위해 전류의 작고 샤프한 증가 및 감소를 유도함으로써 전류를 변조한다. 일 실시예에서, 전류 변조 블록(490)은 드라이버 라인 상의 인덕터를 바이어스하는 외부 트랜지스터를 컨트롤함으로써 이러한 목표를 달성한다.
더 자세히 전류 변조 블록(490)을 논의하기 전에, 전기적 파워 소스를 살펴보는 것이 유용하다. 대부분의 전자 회로들은 전자 회로에 전원을 공급하기 위한 전기적 파워 소스로써 전압 파워 소스를 사용하여 설계되었다. 이상적인 전압 소스는 로드 회로를 구동하도록 특정한 지정된 전압 레벨로 무한 전류를 생성할 수 있고 제로 내부 저항을 갖는 개념적인 수학적 모델이다. 물론 배터리 및 DC 파워 서플라이와 같은 실제의 전압 소스들은 무한 전류를 생성할 수 없고 제로 내부 저항을 갖지 않는다. 그러나, 실제 전압 소스에 의해 전원 공급된 로드 회로가 실제 전압 소스의 전류 용량을 초과하지 않고 비-제로 내부 저항이 로드 회로와 직렬로 추가된다면, 이상적인 전압 소스는 전압 소스를 모델링하는 회로를 위해 사용될 수 있다.
전류 소스는 전자 회로를 설계할 때 파워 소스를 모델링하는 데에는 훨씬 덜 사용되는 방법이다. 이상적인 전류 소스는 무한 내부 저항을 가지며 로드 회로를 구동하기 위한 규정된 전류 레벨로 무한 전압을 생성할 수 있는 전기적 파워 소스의 수학적 모델이다. 다시, 실제 전류 소스는 무한 전압을 제공할 수 없으며 실제 전류 소스는 무한 저항을 갖지도 않을 것이다. 하지만 실제 전류 소스에 의해 구동되는 로드 회로가 매우 높은 전압값을 요구하는 매우 높은 총 저항을 갖지 않는 한, 실제 전류 소스는 이상적인 전류 소스와 병렬로 유한 내부 저항을 갖는 이상적인 전류 소스(Norton 등가 회로로 알려진 회로)로 모델링 될 수 있다. 본원은 파워 소스 모델로 전류 소스를 사용한다. 구체적으로, LED 라인 드라이버 IC(420)의 전류 변조 블록(490) 및 보조 외부 회로는 동작 동안 조정될 수 있는 규정된 공칭 레벨로 드라이버 라인 상에 전류를 구동하는 데에 사용될 수 있다. 게다가, 전류 변조 블록(490)은 도 3a 내지 3c에 도시한 바와 같이 전류로 데이터를 변조하는 데에 사용되는 공칭 전류값으로부터의 전류의 작은 증가 및 감소를 갖는 규정 공칭 전류 값에 대해 전류 레벨을 변화시킬 수 있다.
도 4a를 다시 참조하면, 외부 파워 서플라이(410)는 LED 유닛들(470)을 통해 드라이버 라인을 따라 송신되는 전류를 생성한다. 드라이버 라인의 위에서의 외부 파워 서플라이(410)의 출력 전압(Vsupply(411)로 표시됨)은 드라이버 라인 상의 모든 LED 유닛들(470)의 합에 의해 요구되는 것보다 높은 전압 포텐셜이다. 스트링 상의 모든 LED 유닛들(470) 후에, 전류는 인덕터(462) 및 전계 효과 트랜지스터(FET)(461)을 통해 그라운드로 지나간다. 전류 변조 블록(490)은 도 3a에 도시된 변조된 전류 패턴을 생성하기 위해 FET(461)을 사용하여 인덕터(462)를 컨트롤함으로써 드라이버 라인 상의 전류 레벨을 신중히 변조한다. FET(461)가 보통의 CMOS 반도체에서 다뤄지지 못하는 상대적으로 높은 전압 포텐셜을 다뤄야만 하기 때문에 FET(461)는 일반적으로 LED 라인 드라이버 IC(420)로부터 외부적으로 구현될 것이라는 것을 주의하자.
도 3a의 전류도를 다시 참조하면, 드라이버 라인 상의 전류는 드라이버 라인으로 데이터를 변조하는 데에 사용되는 공칭 정전류 값(310)보다 높고 낮은 작은 상하 전류 변화들로 공칭 정전류값(310) 주변에서 변조된다. 도 5a, 5b 및 5c는 LED 라인 드라이버가 지정된 공칭 전류값(310) 주변에서 전류를 변조하기 위해 어떻게 FET(561)를 사용하여 인덕터(562)를 컨트롤하는지를 도시한다. FET가 아닌 전류 컨트롤 회로들이 대신 사용될 수 있음을 주의하자.
정상 상태(steady state) 직류(DC) 회로에서, 인덕터는 회로 상에 영향을 미치지 않는 단락으로서 동작한다. 그러나, 변화 상태에서, 인덕터는 전류 레벨 변화에 저항한다. 따라서, 인덕터를 통과하는 전류가 증가되면, 인덕터는 자계에 에너지를 저장함으로써 전류의 증가를 완화시킬 것이다. 유사하게, 인덕터를 통하는 전류가 감소하고 있을 때, 인덕터는 전류가 감소하는 것을 보충하기 위해 보조에 자계에 저장된 에너지를 사용함으로써 전류의 감소에 저항할 것이다.
도 5a를 참조하여, LED 라인 드라이버(425)가 초기에 턴 온 될 때, LED 라인 드라이버는 전류가 Vsupply(511)로부터 스트링 상의 모든 LED 유닛들(570)을 통과하고, 인덕터(562)를 통과하고, (전류를 컨트롤하는) FET(561)를 통과하고, 마지막으로 저항(564)을 통과하여 파워 서플라이의 그라운드(565)로 흐르도록 하기 위해 FET(561)를 턴 온할 것이다. 외부 파워 서플라이의 Vsupply(511)로부터 외부 파워 서플라이의 그라운드(565)로의 이 전기적 경로는 전류 루프라고 지칭된다. 인덕터(562) 이후에 외부 파워 서플라이로부터 다이오드(563)를 통과하여 제2 전압 소스 Vclamp(512)에 이르는 전류 브랜치가 있다는 것을 주의하자. 그러나, Vclamp(512)가 그라운드(565)보다 더 높은 전압 포텐셜에 있을 것이기 때문에, FET(561)가 턴 온 된 경우 전류는 Vclamp(512)로 흐르지 않을 것이다.
FET(561)가 초기에 턴 온 될 때, 전류는 도 5c에 도시된 바와 같이 드라이버 상에서 증가할 것이다. 그러나, 전류의 증가는 에너지를 자계에 저장함으로써 급격한 전류 증가에 저항할 것인 인덕터(562)에 의해 완화될 것이다. 따라서, 드라이버 라인 상의 전류는 도 5c에 도시된 바와 같이 스타트-업 단계(521) 동안 위로 램프될 것이다. 도 5a 상에서 "+" 및 "-" 심볼로 나타난 바와 같이 이 기간 동안 인덕터(562)에 걸친 전압 강하가 있을 것임을 주의하자. LED 라인 드라이버 IC(420)는 스타트-업 단계(521) 동안 FET(561)를 턴 업 상태로 유지하여 전류가 바람직한 공칭 전류 레벨(510)을 규정된 양만큼 초과할 때까지 드라이버 라인 상의 전류 레벨이 증가하게 할 것이다.
드라이버 라인 상에서 흐르는 전류가 바람직한 공칭 전류 레벨(510)을 규정된 양만큼 초과하면, LED 라인 드라이버 IC(420)는 전류가 더 이상 FET(561)를 통해 파워 서플라이의 그라운드(565)를 향해 흐르지 않도록 도시된 도 5b에서와 같이 FET(561)를 턴 오프 할 것이다. 그러나, 인덕터(562)는 도 5c에서 전류 강하(531)로 도시된 바와 같이 전류가 아래쪽으로 램핑하기 시작하게 하는 대신에 전류 흐름에서 임시적인 변화에 저항할 것이다. 전류가 더 이상 FET(561)를 통해 그라운드(565)로 흐를 수 없기 때문에, 전류를 완화시키는 것은 FET(561)가 턴 오프 되어있을 때 전류의 흐름을 도시하는 도 5b에 도시된 바와 같이 다이오드(563)를 통해 Vclamp(512)로 브랜치 회로에서 대신 흐를 것이다. 이것은 인덕터(562)가 전류를 구동하는 것을 계속하기 위해 그것의 자계 내의 에너지를 사용할 것이기 때문에 Vclamp(512)가 Vsupply(511)보다 높은 전압이더라도 발생할 것이다.
FET(561)가 턴 오프 되었기 때문에 전류가 아래쪽으로 램핑하기 시작하더라도, 단지 FET(561)의 턴 오프로 인한 하향 램프는 상대적으로 완만할 것이다. (FET(561)가 턴 온 될 때의 전류의 상향 램프에 비해 완만하기 때문에, 상향 전류 램프와 하향 전류 램프 사이에 비대칭을 생성한다.) 전류의 하향 램프를 가속화 하여 상향 전류 램프와 하향 전류 램프를 대략적으로 일치시키기 위해, (도 5b에서 "+" 및 "-" 심볼로 나타내진) 역 전압 바이어스가 인덕터(562)에 걸쳐 배치되어 전류의 하향 램프를 가속화시키도록 Vclamp(512)는 Vsupply(511)보다 높은 전압 포텐셜로 설정된다.
도 5c를 참조하면, 전류(531)가 바람직한 공칭 전류 값(510)보다 아래로 규정된 양보다 더 많이 강하한다면, LED 라인 드라이버는 전류 상승(532)에 의해 도시된 바와 같이 다시 위를 향하여 전류가 램핑하도록 FET(561)를 턴 온 할 것이다(도 5a의 상태에 반대). LED 라인 드라이버 IC(420)는 드라이버 라인 상의 전류가 직류의 최종 정상 상태에 도달하게 하지 않는다. 대신, 그것은 드라이버 라인 상의 전류를 바람직한 공칭 전류 레벨(510) 주변에 유지하기 위해 FET(561)를 계속해서 턴 온 및 턴 오프할 것이다.
FET(561)를 턴 온 및 턴 오프함으로써, LED 라인 드라이버 IC(420)는 드라이버 라인 상의 전류 흐름의 양을 상대적으로 정적으로(steady) 상향이고 하향인 램프들로 변조할 수 있다. 컨트롤 데이터와 상관된 방식으로 FET(561)를 턴 온 및 턴 오프함으로써, LED 라인 드라이버 IC(420)는 도 5c의 데이터 단계(522)로 도시된 바와 같이 전류 패턴으로 드라이버 라인으로 컨트롤 데이터를 변조할 수 있다. LED 라인 드라이버 IC(420)가 송신되어야 하는 임의의 데이터가 부족하면 LED 라인 드라이버 IC(420)는 빈 패킷들을 드라이버 라인으로 변조할 것이다. 이러한 방식으로, 드라이버 라인 상의 다양한 LED 유닛들은 LED 라인 드라이버 IC(420)에 의해 변조된 데이터 스트림과 동기화를 유지할 수 있을 것이다.
도 4a를 다시 참조하면, 전류 변조 블록(490)은 전류 램프들의 패턴으로 드라이버 라인으로 변조하도록 라인 데이터 트랜스미터 블록(450)으로부터 데이터 프레임들을 수신한다. 상술한 바와 같이, 전류 변조 블록(490)은 (전류가 파워 서플라이(410)의 그라운드(465)를 지나게 함으로써 전류가 위쪽으로 램핑하게 하는) 외부 FET(461)를 턴 온 하거나 (인덕터(462)에 역 바이어스를 인가함으로써 전류를 아래쪽으로 램핑하게 하는) 외부 FET(461)를 턴 오프 함으로써 이러한 임무를 달성할 수 있다.
드라이버 라인 상의 전류를 전류 기준 값으로 사용하는 일 특정 실시예에서, 전류 변조 블록(490)은 데이터를 변조하기 위해 드라이버 라인 상에 유도되는 전류 변화에도 불구하고 전류가 평균적으로 적합한 바람직한 공칭 직류(DC) 레벨이 되도록 하는 것을 보장하는 책임이 있다. 이러한 방식으로, 드라이버 라인에 결합되는 LED 유닛들은 드라이버 라인 상의 평균 전류 레벨을 검출하고 그 전류 레벨을 전류 기준 값으로 사용할 수 있다. 구체적으로, 드라이버 라인에 결합되는 LED 유닛들은 LED 유닛에 결합되는 LED들을 구동하기 위한 전류를 생성할 때 드라이버 라인 상의 평균 전류 레벨을 전류 기준으로서 사용할 수 있다.
전류 변조 블록(490)은 자체의 내부 FET(493)를 컨트롤함으로써 외부 FET(461)를 컨트롤할 수 있다. 일 실시예에서, 내부 FET(493)는 드라이버 라인 상의 전류를 컨트롤하는 데 직접적인 책임이 있는 더 큰 외부 FET(461)를 컨트롤할 수 있도록 하기 위해 10 볼트의 변동들을 처리하도록 설계된다.
드라이버 라인 전류으로의 데이터의 변조는 사소한 프로세스가 아니다. 드라이버 라인 상의 다양한 LED 유닛들(470)의 동작은 LED 라인 드라이버 회로(425)가 드라이버 라인 상의 전류를 지속적으로 컨트롤하는 것을 어렵게 할 것이다. 구체적으로, 도 5a를 참조하면, 다양한 LED 유닛들(570)은 로컬 캐패시터를 충전하기 위해 전류를 끌어내거나(이는 LED 유닛에 걸친 더 큰 전압 강하를 야기함), 또는 Vsupply(511)와 Vline(514) 사이의 전압 강하가 LED 유닛들이 션트(shunt)하는지의 여부에 따라 변하도록 라인 전류를 션트할 것이다(이는 LED 유닛에 걸친 작은 전압 강하만을 야기함). 결과로서, (FET(561)가 온일 때) 전류의 상향 램프가 항상 정확히 동일한 기울기에 있지 않도록, 인덕터(562)에 걸친 전압도 변할 것이다. 전류의 하향 램프 동안에도 동일한 문제점이 적용된다. 구체적으로, 도 5b를 참조하면, LED 유닛들(570)에 걸친 변하는 전압 강하는, Vclamp(512)로부터 인덕터를 걸쳐 Vline(514)까지의 역 전압 바이어스가 항상 같지 않아서 하향 전류 램프의 기울기가 변할 것이라는 것을 의미한다. 이러한 문제를 감소시키기 위해, 다양한 LED 유닛들(570)은 그것들의 언션팅(unshunting)을 데이터 비트들의 에지에 가까운 시간들로 한정해야 한다. 그러나, 데이터 비트 에지들 근처에서의 LED 유닛들(570)에 의한 션팅 및 언션팅은 여전히 데이터의 변조 및 복조 작업에 영향을 끼칠 것이다.
이상적으로, LED 라인 드라이버(425)는 도 6a에 점선으로 도시된 이상적인 전류 램프에 의해 예시된 바와 같이, 항상 공칭 전류 값(610)에서 시작되고 끝나며, 비트 사이클의 각각의 절반 동안 완벽하게 대칭인 전류 램프들을 생성할 것이다. 그러나, 드라이버 라인 상의 변하는 조건들은 그러한 이상적인 전류 램프들이 항상 달성되는 것을 방해할 것이다. 예컨대, 드라이버 라인 상의 누적 LED 유닛들(570)에 걸쳐 비교적 낮은 전압 강하가 존재한다면, 인덕터(562)에 걸친 더 높은 전압은 전류가 도 6a의 (점선에 의해 예시된) 이상적인 전류 램프보다 (실선으로 도시된 바와 같이) 더 빠르게 증가하도록 할 수 있다. 전류 램프의 정점의 정확한 높이는, 검출 가능하기 위해 필요한 임계치보다 큰 이상 그렇게 중요하지 않다는 것을 유념하라.
보상을 위해, 데이터 사이클의 중간에서 전류 레벨이 공칭 전류 레벨(610)을 지나도록, 하향 전류 램프가 (예상되는 하향 기울기를 고려하여 결정된) 적절한 시간에 시작되어야 한다. 도 6a의 예에서, 하향 위상이 정상보다 일찍 시작되고, 따라서 전류 램프의 약간 좌측으로 시프트된 피크를 생성하도록, 하향 전류 기울기가 이상적인 기울기보다 덜 가파를 것이라고 예측된다. 일반적으로, 램프의 제1 부분 동안의 기울기의 절대값이 램프의 제2 부분 동안의 기울기의 절대값보다 크다면, 피크는 더 일찍(타임라인 다이어그램의 좌측으로) 시프트될 것이며, 램프의 제1 부분 동안의 기울기의 절대값이 램프의 제2 부분 동안의 기울기의 절대값보다 작다면, 피크는 더 늦게(타임라인 다이어그램의 우측으로) 시프트될 것이다.
전류 램프들을 신중하게 생성하기 위해, LED 라인 드라이버 회로(425)의 전류 변조 블록(490)은 외부 FET(461)를 변경하기에 적절한 시간을 추정하기 위해 전류 거동의 모델들을 생성할 수 있다. 전류 램프들을 모델링하기 위해 다양한 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 일 특정 구현에서, 전류 변조 블록(490)은 FET를 언제 턴 온 및 턴 오프할지 결정하기 위해 전류 램프들을 모델링하기 위해 아날로그 컴퓨터를 사용한다.
도 4a를 참조하면, 전류 변조 블록(490)은 램프 A(491) 및 램프 B(492)로 라벨링된 두 개의 실질적으로 동일한 아날로그 컴퓨터 회로들을 갖는다. 전류 변조 블록(490)은 이러한 두 개의 아날로그 컴퓨터 회로들을 교번하는 방식으로 사용하여, 하나의 아날로그 컴퓨터는 데이터 사이클의 제1 하프 동안 사용되고 다른 아날로그 컴퓨터는 데이터 사이클의 제2 하프 동안 사용된다. 두 개의 아날로그 컴퓨터 회로들 각각은, 비트 사이클의 절반의 끝에서 전류 램프가 다시 공칭 라인 전류 값에서 끝나게 하도록 FET(493)의 게이트 신호를 언제 턴 온 또는 턴 오프(사실상더 큰 외부 트랜지스터(461)를 턴 온 또는 턴 오프 하게 됨)할 것인지를 추정하기 위해 아날로그 램프 회로를 사용한다. 일 실시예에서, 이러한 아날로그 램프 회로들은, FET(493)가 즉시 스위칭된다면 비트 사이클의 남아있는 절반 동안 전류가 얼마나 많이 변경될 것인지의 모델을 구축한다. 상향 램프의 경우, 모델은 FET(493)가 즉시 스위칭된다면 전류가 그것의 현재 양으로부터 얼마나 많이 하강할 것인지를 특정한다. 이는 FET(493)가 비트 사이클의 절반의 시작점에서 스위칭되었다면 큰 양의 전류 강하에서, FET(493)가 비트 사이클의 절반의 끝점에서 스위칭되었다면 제로의 전류 변화까지 변할 것이다.
전술한 바와 같이, 전류가 변하는 속도는 인덕터(462)에 걸친 전압에 의존한다. 인덕터(462)에 걸친 전압을 결정하기 위해, 전류 변조 회로(490)에 세 개의 상이한 전압 값들, Vline(414), Vclamp(412), 및 Vfetsrc(417)가 제공된다. FET(461)가 턴 온되면, 인덕터(462)에 걸친 전압은 Vline(414)으로부터 Vfetsrc(417)로의 전압 차이(에서 FET(461)에 걸친 작은 강하를 뺀 것)로 결정된다. FET(461)가 턴 오프되면, 인덕터(462)에 걸친 전압은 Vline(414)으로부터 Vclamp(412)로의 전압 차이(에서 다이오드(463)에 걸친 작은 강하를 뺀 것)로 결정될 수 있다. 이러한 전압 값들을 사용하여, (기울기로 도시되는) 전류 변화의 레이트가 추정될 수 있으며, FET(461)를 스위칭하기 위한 적절한 시간을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 전압들은 실제로 저항을 통한 전류로 판독될 수 있지만, 전류는 옴의 법칙에 따라 전압에 비례한다는 것을 유념하라.
아날로그 컴퓨터 회로들(램프 A(491) 및 램프 B(492))은 램프 회로 및 배율기 회로로 구현될 수 있다. 램프 회로는 고정된 풀 스케일 값에서 시작되고 비트 사이클의 절반의 끝에서 제로로 램프 다운되는 램프 신호를 생성하기 위해 사용된다. 그 후, 이 램프 신호는 아날로그 배율기 회로에서 (기울기로 도시된) 전류 변화의 레이트를 결정하는 전압 차이 값으로 곱해진다. FET(493)가 현재 턴 온되었다면, 램프 신호는 Vclamp(412)-Vline(414)에 대응하는 양으로 곱해지는데, 이는 이 양이 FET(493)가 턴 오프되었을 때 인덕터(462)에 걸친 전압일 것이기 때문이다. FET(493)가 현재 오프라면, 램프 신호는 Vfetsrc(417)-Vline(414)에 대응하는 양으로 곱해지는데, 이는 이 양이 FET(493)가 다시 턴 온되었을 때 인덕터(462)에 걸친 전압일 것이기 때문이다.
아날로그 램프 회로의 출력은 드라이버 라인 상의 전류의 현재의 시간 값 (또는 그 전류의 추정값)과 결합된다. 현재 전류와 공칭 전류 레벨의 차의 절대값이 램프 회로에 의해 예측된 전류 변화량과 같으면, FET(461)의 상태가 변경된다. 드라이버 라인 상의 전류는 옴의 법칙에 따라 Vfetsrc(417) 전압을 저항(464)의 저항으로 나눈 것과 같을 것이기 때문에, FET(461)가 턴 온되었을 때의 드라이버 라인 상의 전류는 Vfetsrc(417) 전압 값으로부터 결정될 수 있다. 그러나, FET(461)가 턴 오프되면, FET(461)가 오프일 때의 드라이버 라인 상의 전류를 Vclamp(412) 및 Vline(414)에 의해 결정된 인덕터(462)에 걸친 전압 및 마지막으로 알려진 전류 를 사용하여 추정하기 위해 라인 전류 추정 회로(495)가 사용될 수 있다.
램프 회로들의 동작을 가장 잘 설명하기 위해, 도 6b를 참조하여 일부 예들이 제공된다. 데이터 사이클의 시작에서, 램프 회로들 중 하나가 충전되고 인덕터에 걸친 전압 차이로 곱해져서, FET(493)가 즉시 스위칭된다면 발생할 전류 변화의 양에 대응하는 값을 생성한다. (적절하게 충전되었다고 가정하면) 전류 변화의 이 양은 비트 사이클의 절반의 끝에서 제로로 하강할 것이다. 이는 도 6b에서 인덕터에 걸친 상이한 전압 값들에 대해 도시된 라인들(651, 652 및 653)로서 개념적으로 예시된다. FET가 즉시 스위칭되었다면, 각각의 라인은 공칭 전류 레벨(610)에 대해 최대 전류 강하량에서 시작되고 비트 사이클의 절반의 끝에서의 점(691)에서 제로 전류 변화로 하강된다. 상이한 라인들(651, 652 및 653)의 기울기는 전류가 인덕터에 걸친 전압에 기초하여 얼마나 빨리 변경될 것으로 예상되는지를 나타낸다.
아날로그 컴퓨터들의 출력을 사용하기 위해, (공칭 전류 레벨(610)에 대한) 현재의 전류 값은 램프 회로에 의해 비트 사이클의 남아있는 절반 동안 발생할 것으로 예상되는 전류 강하와 비교된다. 현재의 전류 값이 전류 강하의 예측된 양을 교차하면, FET(493)가 스위칭된다. 도 6b에서, 세 개의 상이한 예들이 제시된다. 제1 예에서, 전류 증가(661)는 예측된 전류 강하 레이트(651)보다 빨라서, 시스템은 중간점(631) 전에 FET(493)를 스위칭하고, 따라서 전류 램프의 피크가 약간 좌측으로 시프트되도록 해야 한다. 전류 상승 레이트 및 전류 하강 레이트 둘다 인덕터에 걸친 전압의 영향을 받아서, 각각의 상이한 전류 상승 레이트의 예가 상이한 예측된 전류 하강 레이트를 가질 것이라는 것을 유념하라. 다른 예에서, 전류 증가(663)는 예측된 전류 강하 레이트(653)보다 느려서, 시스템은 중간점(631) 후에 FET(493)를 스위칭하고, 따라서 전류 램프의 피크가 약간 우측으로 시프트되도록 해야 한다. 전류 증가 레이트(662)가 예측된 전류 감소 레이트(652)와 실질적으로 같다면, 중간점(631)에 센터링되는 이상적인 램프가 생성될 것이다. 그러나, 전류 램프들이 중간점(631)으로부터 적당한 거리 내에서 피크에 도달하는 한, 복조 로직이 전류 램프들을 적절하게 식별하는 데 문제가 없을 것이다.
전술한 것과 같이, FET(493)가 오프라면, 도 5에 도시된 것과 같이 전류는 Vclamp(512)를 향해 일시적으로 우회되고 있으므로 드라이버 라인을 통과하는 전류를 결정하는 것이 어렵다. 따라서, 전압을 생성하기 위해 전류가 저항(464)을 통해 흐르지 않고 있으므로, 도 4의 Vfetsrc(417)에서 전압을 측정함으로써 전류를 결정하는 기법은 사용될 수 없다. 대신에, 다른 램프 회로인 라인 전류 추정 회로(495)는 하향 램프들 중에 전류를 추정하는데 이용될 수 있다. 따라서, 도 6b를 다시 참조하면, 라인 전류 추정 회로(495)는 예측 라인(680)에 의해 예시된 바와 같이 드라이버 라인 상의 전류를 예측하는데 이용될 수 있다. 전류 변화의 레이트는 역시 인덕터에 걸리는 전압 강하와 상관될 것임에 유의한다. 유사하게, 램프 회로들 중 하나(491 또는 492)는, FET(493)가 즉시 스위칭된 경우에 전류가 비트 사이클의 절반의 나머지 동안 상승할 양을 예측하는데 이용될 것이다. 2개의 예측 회로들이 (공칭 라인 전류에 관하여) 동일한 절대 값들을 출력하고 있는 경우에, FET(493)는 스위칭된다.
전류 변조 블록(490)의 내부 로직은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 시스템은 Vfetsrc(417) 전압 측정을 이용하여 FET(493)가 온 상태인 경우에 라인의 전류를 디지털적으로 결정한다. 그런 다음, 디지털-아날로그 컨버터(DAC)는 이러한 디지털 전류값을 아날로그 전류값으로 변환하여, 아날로그 램프 생성기(491 또는 492)에 의해 출력되는 예측된 아날로그 전류 강하값과 비교한다. 2개의 값들이 동일한 경우, 시스템은 (사실상 보다 큰 외부 트랜지스터(461)를 턴온하거나 턴오프할) FET(493)를 스위칭한다.
도 6c를 참조하면, 상향 전류 램프 및 그 다음의 하향 전류 램프를 포함하는 전체 데이터 사이클이 예시되어 있다. 시구간(620) 중에, (램프 A(491)와 같은) 아날로그 램프 회로들 중 하나는 전이 시간을 결정하는데 도움이 되도록 충전된다. 시간(621)에서, FET(461)는 전류 증가를 시작하기 위해서 (이것이 온 상태가 아니었다면) 턴온되며, 충전된 아날로그 램프 A 회로(491)가 (FET가 스위치 오프되는 경우에 전류가 얼마나 많이 강하할 것인지의 표현을 생성하기 위해서) 시작된다. 시구간(622) 중에, (Vfetsrc(417) 전압값으로부터 계산된 바와 같은) 드라이버 라인 상의 전류는, FET(493)가 스위치 오프되는 경우에 비트 사이클의 절반의 나머지 동안 전류가 얼마나 많이 강하할 것인지를 예측하는 아날로그 램프 A 회로(491)의 출력과 비교된다. 2개의 값들이 실질적으로 동일한 (서로의 임계값 내에 있는) 경우, 전류 변조 블록(490)은 FET(461)를 턴하여, 전류 레벨이 시구간(624) 중에 공칭 전류값(610)으로 다시 내려가게 한다.
FET(461)의 상태가 변경되어야 한다고 시스템이 결정할 수 있는 시간 및 이 변경의 영향들이 FET(461)에서 검출가능한 시간은 전파 지연들로 인해 동일하지 않을 것이다. 상세하게는, 비교 회로에서의 지연들이 존재하고, 내부 드라이버 FET(493)가 활성화됨에 따라 지연이 존재하며, 외부 FET(461)가 활성화됨에 따라 지연이 존재한다. 이들 전파 지연들을 보상하기 위해서, 2개의 값들이 동일하기 약간 전에 램프 회로(491 또는 492)가 FET 상태를 변경하도록 요청하게 하는데 조정 인자가 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이것은, 보상기가 보다 조기에 시동되게 하는, 보상기 회로의 입력에 고정 오프셋을 적용함으로써 구현될 수 있다. 따라서, 시스템은, 2개의 값들(전류값 및 예측된 전류 강하값)이 서로의 정의된 임계량 내에 있게 되는 경우에 FET의 상태를 변경할 것이다. 이러한 방식으로, FET는 2개의 값들(라인 전류 및 예측된 전류 강하)이 실질적으로 교차하는 정확한 시간보다 조금 조기에 스위칭될 것이다. 보상기에 대한 고정 오프셋 조정에 적절한 값을 결정하는데 폐루프 시스템이 이용될 수 있다.
시구간(624) 중에, 드라이버 라인 상의 전류는 공칭 전류값(610)을 향하여 다시 내려갈 것이다. 시스템이 전류의 거동을 정확하게 예측한 경우, 전류 레벨은 데이터 비트 사이클의 중심점(625)에서 공칭 전류값(610)을 통과할 것이다. 하강 시구간(624) 중에, 전류 변조 블록(490)은, FET(493)가 다시 스위칭 온된 경우에 전류가 상승하는 양을 추정하기 위해서 (데이터 사이클의 제1 하프 중에는 램프 A(491)가 이용되고 있었기 때문에 램프 B(492)와 같은) 다른 아날로그 램프 회로를 충전할 것이다. 또한, 드라이버 라인 상의 전류가 하향 전류 램프들 중에 측정되는 대신에 예측되는 일 실시예에 있어서, 시스템은 또한 전류가 강하함에 따라 전류 레벨 예측을 예측하기 위해 라인 전류 추정 회로(495)를 충전한다.
데이터 사이클 중심점(625)에서, 충전된 아날로그 램프 B 회로(492) 및 충전된 라인 전류 추정 회로(495)가 시작된다. 또한, 데이터 사이클 중심점(625)에서의 전류 레벨은 샘플링되어, 시스템이 공칭 전류 레벨(610)로 전류 레벨을 다시 복귀시키는데 필요한 (비트 사이클의 이전의 절반에서의) 전이 시간을 적절하게 결정하였는지를 확인할 수 있다. 어떠한 전류 샘플도 이용가능하지 않은 경우, 데이터 비트 사이클 중심점(625)에서의 램프 회로의 최종 출력이 테스트될 수 있다. 중심점(625)에서의 (실제 또는 예측) 전류 레벨이 공칭 전류 레벨(610) 미만인 경우에는, 아날로그 램프 A 회로를 이용하기 위한 파라미터들이 조정되어, 그것이 덜 공격적이게(aggressive) 할 수 있다(전류가 강하하는 예측 레이트를 감소시킬 수 있다). 한편, 중심점(625)에서의 (실제 또는 예측) 전류 레벨이 공칭 전류 레벨(610) 초과인 경우에는, 아날로그 램프 A 회로를 이용하기 위한 파라미터들이 조정되어, 그것이 더 공격적이게 할 것이다(전류가 강하하는 예측 레이트를 증가시킬 것이다).
데이터 사이클의 제2 하프에서의 페이즈(626) 중에, (라인 전류 추정 회로(495)를 이용하여 추정된 바와 같은) 드라이버 라인 상의 추정된 전류 레벨은, FET(493)가 즉시 턴온되는 경우에 비트 사이클의 그 절반의 나머지 동안 전류가 얼마나 많이 상승할 것인지를 예측하는 아날로그 램프 B 회로(492)의 출력과 비교된다. 이 비교 결과가 점(627)에서 특정 임계값 내에 있는 경우, FET(493)는 턴오프되어, 전류 레벨이 상승하기 시작하게 한다. 역시, 2개의 값들이 동일하기 약간 전에 FET(493)를 턴온하라는 요청이 발생하게 하기 위해서 (임계값과 같은) 전파 지연 조정 인자가 이용될 수 있다. FET(493)가 다시 턴온된 후에, 전류 레벨은 점(629)에서 데이터 사이클의 끝에 도달할 때까지 시구간(628) 동안 상승할 것이다. 시구간(628) 중에, 전류 변조 회로(490)는 다음의 데이터 사이클에서 이용하기 위해 다른 아날로그 램프 회로(이 예에서는, 램프 A(491))를 충전할 것이다.
데이터 사이클의 종단점(629)에서, 전류 변조 회로(490)는 전류 레벨을 샘플링하여, 공칭 전류 레벨(610)로 전류 레벨을 다시 복귀시키기 위해서 시스템이 전이 시간을 적절하게 추정했는지 여부를 판정할 것이다. 종단점(629)에서의 전류 레벨이 공칭 전류 레벨(610) 미만인 경우, 아날로그 램프 B 회로를 이용하기 위한 파라미터들은 조정되어, 그것이 더 공격적이게 할 것이다. 한편, 종단점(629)에서의 전류 레벨이 공칭 전류 레벨(610) 초과인 경우, 아날로그 램프 B 회로를 이용하기 위한 파라미터들은 조정되어, 그것이 덜 공격적이게 할 것이다.
도 4a에 예시된 특정 실시예에 있어서, 전류 변조 회로(490)는, FET(461)를 언제 스위칭할지를 추정하기 위해서 FET(461)가 스위칭되는 경우에 라인 전류 거동의 예측된 모델을 생성하는데 아날로그 컴퓨터들과 같은 아날로그 램프 회로들(491 및 492)을 이용하였다. 아날로그 램프 회로들(491 및 492)은, 아날로그 램프 회로들에 대한 파라미터들이 조정될 필요가 있었는지 여부를 판정하도록 각각의 이용 후에 결과들을 테스트한 디지털 시스템에 의해 교정되는데, 그에 따라 폐루프 시스템을 형성한다.
그러나, 다양한 대안적인 실시예들에 있어서, 비트 사이클의 절반의 끝에서 공칭 전류 레벨로 전류 레벨을 다시 복귀시키기 위해서 FET(461)를 언제 스위칭할지를 예측하는데 디지털 시스템이 이용될 수 있다. 이러한 시스템에 있어서, 다양한 관련 값들을 샘플링하기 위해서 아날로그-디지털 컨버터들이 이용될 것이며, 그런 다음 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 디지털 컴퓨터 시스템이 FET를 언제 스위칭할지를 결정할 것이다. 이러한 실시예에 있어서, FET(461)가 스위칭된 경우에 드라이버 라인 상의 전류의 장래 거동을 모델링하기 위해서 디지털 컴퓨터 시스템이 이용될 수 있다. 유사하게, 디지털 컴퓨터 시스템은 또한 전류가 용이하게 샘플링될 수 없는 경우에 라인의 전류를 추정할 수 있다. 그러나, 이러한 디지털 시스템을 구현하는 것은 고속의 아날로그-디지털 컨버터들을 필요로 하고, 디지털 프로세스를 구현하기 위해서 보다 큰 다이 면적을 필요로 하며, 전술한 바와 같은 아날로그 시스템보다 많은 파워를 소모할 것이다.
전류 변조 회로(490)의 매우 상이한 실시예에 있어서, 드라이버 라인 상에 적절한 전류를 구동하기 위해서 전류 미러들이 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 구현은 드라이버 라인 상의 전류를 컨트롤하도록 인덕터(462)를 컨트롤하는 트랜지스터(461)의 개시된 조합보다 덜 효율적인 것으로 확인되었다.
도 4a를 다시 참조하면, LED 라인 드라이버 IC(420)는 파워 시스템 회로 블록(480)을 포함한다. 파워 시스템 회로 블록(480)은 외부 파워 서플라이(410)로부터 소스 파워를 수신하며, 그 파워를 이용하여, LED 라인 드라이버 IC(420)를 동작시키는데 필요한 파워 신호들을 생성한다. 일 실시예에 있어서, 파워 시스템 회로 블록(480)은 전류 변조 블록(490)에서 FET(493)를 구동하는데 이용되는 비교적 고전압 소스(약 10 볼트)를 수신한다. 다른 필요한 전압 레벨들이 입력 전압원으로부터 발생되어 LED 라인 드라이버 IC(420) 상의 다른 회로들에 대한 전압원을 생성한다. 밴드 갭 전압 기준 회로(band gap voltage reference circuit)가 파워 시스템 회로 블록(480)에 의해 각종 전압 레벨을 생성하는 데에 이용된다. 일 실시예에서, 고전압 입력은 LED 라인 드라이버 IC(420)에서 아날로그 회로 구동을 위한 조정(regulated) 5V 서플라이 및 디지털 회로 파워 공급(powering)을 위한 3V 서플라이를 생성하는 데에 이용된다.
일 실시예에서, 파워 시스템 회로 블록(480)으로부터의 3V 서플라이 및/또는 5V 서플라이는 이 3V 서플라이 및/또는 5V 서플라이가 소형 외부 디바이스들에 파워를 공급하는 데에 이용될 수 있도록 여분의 전류 생성 능력(capabilities)을 가진다. 예를 들면, 파워 시스템 회로 블록(480)으로부터의 3V 서플라이 및/또는 5V 서플라이는 LED 라인 드라이버(425)에 연결된 마이크로컨트롤러 디바이스와 같은 소형 마스터 LED 컨트롤러 시스템에 파워를 공급하는 데에 이용될 수 있다.
LED 라인 드라이버 IC(420)는 안전성과 컴플라이언스(compliance)를 위하여 GFCI(ground fault circuit interrupter) 시스템을 구현할 수 있다. 구체적으로, LED 라인 드라이버 IC(420)의 파워 시스템(480)은 외부 파워 서플라이(410)로부터 VSupply(411) 지점에서 시작하는 드라이버 라인으로 얼마나 많은 양의 전류를 내려보내야 할지에 대한 정보를 수신할 수 있다. 대안으로, LED 라인 드라이버 IC(420)는 전류 센서를 이용하는 등에 의해 본 기술분야에서 널리 공지되어 있는 몇 가지 방식으로 이 전류를 검출할 수 있다. 그 다음 이 소스 전류량은 드라이버 라인의 종단에서의 전류(출력 전류)의 양과 비교될 수 있다. 예를 들면, 드라이버 라인의 종단에 도달하는 전류의 양은 Vfetsrc(417) 지점에서 전압을 측정함으로써 검출될 수 있다. (일부 전류는 VClamp(412)쪽으로도 전달되어 이 위치를 지나가는 전류도 고려되도록 하는 것이 필요할 수 있음을 유의한다) 소스 전류가 출력 전류와 현저히 다르다면 일부 전류는 드라이버 라인의 종단에서 파워 서플라이(410)의 접지(465)와는 다른 곳에 있는 접지로 누설되고 있을 수 있다. Vfetsrc(417) 지점과 VClamp(412) 지점과는 다른 위치로 누설되는 전류가 있다면, 몇 가지 유형의 잠재적으로 위험한 오작동이 발생하고 있을 수 있다. 이에 응하여, LED 라인 드라이버 IC(420)는 시스템을 턴오프(turn off)하여 드라이버 라인을 따라 내려가는 구동 전류를 중지시킬 수 있다. 일부 실시예에서, LED 라인 드라이버 IC(420)는 소정 시구간(a period of time) 동안 중지된 다음 이 문제가 오진단이었거나 단지 일시적인 문제였는지를 판정하기 위하여 추후에 동작을 재시도할 수 있다. 검출된 문제가 일시적인 문제인지 아니면 심각한 문제이든지, LED 라인 드라이버 IC(420)는 데이터 출력(431)을 이용하여 컨트롤러 시스템까지 오류와 진단 정보를 전달할 수 있다.
딥 모드(Dip Mode)를 이용하는 제2 LED 라인 드라이버 실시예
앞서 설명한 바와 같이, 드라이버 라인으로의 데이터 변조(modulate)에 이용될 수 있는 여러 가지 서로 다른 방법이 있다. 도 4b는 전류로의 데이터 변조를 위한 상이한 외부 회로와 함께 상이한 유형의 전류 변조 블록(490)을 이용하는 LED 라인 드라이버 회로(425)의 제2 실시예를 도시한다. 구체적으로, 전류 변조 블록(490) 및 그 관련 외부 회로는 도 3c의 타이밍도에 도시된 바와 같이 전류 딥(dip)들을 이용하여 공칭 전류로 데이터를 변조하는 "딥 모드" 변조 시스템을 구현한다.
도 4b를 참조하여 보면, LED 라인 드라이버 회로(425)는 2개의 외부 FET(field-effect transistors)(481 및 482) 및 듀얼 와인딩 인덕터(dual winding inductor)(483)를 사용한다. 전류 변조 블록(490)은 인덕터(483)의 1차 와인딩(primary winding)을 이용하는 표준 정방향 컨버터 구성(standard forward converter configuration)으로 드라이버 라인 루프 상의 공칭 전류를 보유하는 데에 제1 FET(481)를 이용한다. 전류 변조 블록(490)은 제2 FET(482)가 인에이블링되었을 경우 루프 전류가 빠르게 0으로 강하되도록 인덕터(483)의 2차 와인딩(secondary winding)을 구동시키는 데에 제2 FET(482)를 이용한다. 이러한 전류의 강하를 '전류 딥'이라고 하는데 전류 변조 블록(490)은 이러한 전류 딥들을 이용하는 라인으로 데이터를 변조한다. 전류 변조 블록(490)은 접지(465)로의 저항(494) 바로 위의 전압을 측정함으로써 드라이버 라인 상의 전류를 감시하는 루프 전류 감지 회로(496)를 포함한다.
일 실시예에서, 전류 변조 블록(490)은 전류 강하의 타이밍을 변조함으로써 데이터를 드라이버 라인으로 변조한다. 이런식으로, 드라이버 라인에 연결되는 LED 유닛들은 전류 강하들을 검출하고 그 서로 다른 전류 강하들 간의 상대적인 타이밍(relative timing)을 결정함으로써 데이터를 복조할 수 있다. 예를 들면, 도 3c의 타이밍도에서, 라인 드라이버는 제로("0") 데이터 비트를 한 데이터 비트 시구간의 앞에서부터 1/4인 전류 딥으로 변조하고, 원("1") 데이터 비트를 한 데이터 비트 시구간의 앞에서부터 3/4인 전류 딥으로 변조한다.
하나의 듀얼 와인딩 인덕터를 이용하는 대신에, 시스템은 2개의 서로 다른 인덕터를 이용하여 구현될 수 있다. 제1 인덕터는 드라이버 라인 상의 전류를 보유하는 데에 이용될 수 있다. 제2 인덕터는 제2 전류 딥 드라이버 FET(482)를 이용하는 전류 강하를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 루프 전류는 접지로의, FET의 소스 단자 내의 저항들을 이용하고, 루프 전류가 적정 값에 도달한다면 전류 보유 FET(481)를 턴오프하고, 제2 FET(482)가 한 비트를 변조하고 전류가 적정 값 아래로 강하되었다면 FET(481)를 다시 턴온(turn on)함으로써 감지되고 있을 수 있다.
에너지 요구사항에 기초한 조절가능한 전류
본 발명의 시스템에서, 드라이버 라인 상에 연결된 유닛들의 회로를 구동하는 데에 이용되는 전류는 드라이버 라인 상에서 구동되는 전류로부터 디커플링된다. 구체적으로, 드라이버 라인에 연결된 각각의 개별 유닛은 캐패시터 내에 그 전용의 로컬 에너지 저장소(its own local energy reservoir)를 생성하여 로컬 에너지 저장소를 이용하여 동작한다. 이 때문에, 드라이버 라인 상의 전류보다 훨씬 더 큰 로컬 전류(예를 들어, LED들을 구동하는 데에 이용하는 전류)를 각 유닛에 대하여 생성하는 것이 가능해진다. 그러나, 드라이버 라인 상의 모든 개별 노드들이 이용한 총 평균 파워는 라인 드라이버 회로에 의한 드라이버 라인 상에서 산출된 총 평균치를 초과하지 못한다. 따라서, 개별 유닛에 의한 피크 파워 이용(peak power usage)은 에너지 저장소로서 기능하는 로컬 캐패시터의 사용으로 인해 드라이버 라인 상에서 이용가능한 파워를 일시적으로 초과할 수 있다.
드라이버 라인에 연결된 모든 개별 유닛의 축적 파워 이용이 드라이버 라인 전류에 대하여 이용가능한 파워량보다 훨씬 아래로 강하된다면, 드라이버 라인 전류로부터의 파워 일부가 낭비될 것이다. 구체적으로, 드라이버 라인 와이어 자체 및 각 개별 유닛 상의 션트(shunts)와 같은 드라이버 라인 상의 각종 저항성 소자는 I2R(여기서 I는 드라이버 라인 상의 전류이며 R은 드라이버 라인 상의 저항성 소자의 축적 저항임)에 비례하는 파워를 낭비할 것이다.
에너지의 불필요한 손실을 막기 위해, 라인 드라이버는 드라이버 라인 상의 개별 노드에 의해 더 적은 양의 파워가 요구될 것이라고 알려져 있다면 드라이버 라인 상에 위치한 전류량을 대신 줄일 수 있다. 예를 들어, 드라이버 라인 상의 개별 유닛들이 야외용 디지털 LED 간판을 설치하는 데에 이용되는 LED 유닛이라면, 이들 개별 LED 유닛은 야간에 훨씬 적은 양의 파워를 요구할 것이다. 야간에는, 사람의 눈동자가 팽창되어 더 많은 양의 빛이 눈으로 들어가서 간판이 보이게 하는 데에 요구되는 에너지가 훨씬 적어질 것이다. 따라서, 디지털 LED 간판이 야간에 운영된다면, 이 간판을 운영하는 데에 훨씬 적은 양의 파워가 요구될 것이다. 이는 간판의 외관을 개선하고 에너지를 절감시킬 것이다.
이러한 점을 활용하여, LED 라인 드라이버는 공칭 전류량을, 모든 개별 LED 유닛을 동작하는 데에 충분한 파워는 여전히 제공될 수준까지 낮출 수 있다. 라인 상의 개별 LED 유닛은, 적절한 전류량으로 각각의 로컬 LED는 여전히 구동하면서도 LED의 밝기를 줄이기 위하여 감소된 듀티 싸이클(duty cycle)이 이용될 것이다. 감소된 듀티 싸이클이 더 적은량의 파워를 요구하기 때문에, 개별 LED 유닛은 드라이버 라인으로부터 더 적은량의 파워를 끌어올(draw) 것이다. 따라서, 라인 드라이버는 드라이버 라인 상의 공칭 전류 레벨을 떨어뜨릴 수 있다. 기생 저항(parasitic resistance)으로 인한 파워 손실은 전류 제곱에 비례하기 때문에 (파워 손실은 I2R), 공칭 전류를 줄인다면 상당량의 에너지를 절약할 수 있다.
마스터 컨트롤 시스템이 LED의 밝기를 컨트롤하기 위한 데이터를 제공하기 때문에 마스터 컨트롤 시스템은 라인 드라이버가 산출한 전류 레벨을 언제 줄이는 것이 적절한지를 알고 있을 것임을 유의한다. 따라서, 마스터 컨트롤 시스템은 각종 라인 드라이버가 언제 공칭 전류 레벨을 낮춰야할지 (그리고 높여야 할지) 결정할 것이다.
도 6d는 주간 동작 모드에서 야간 동작 모드로 변경하는 경우(이 때는 에너지 요구량이 줄어든다) 라인 드라이버가 생성한 전류 신호의 타이밍도이다. 라인 드라이버는 공칭 전류 레벨(610)을 천천히 강하시킨다. 데이터는 공칭 전류 레벨 주변에서 계속하여 변조된다. 이 라인 상의 개별 LED 유닛 각각이 공칭 전류 레벨이 어디 있는지를 추적할 수 있는 한, 각 LED 유닛은 스스로를 점진적으로 변하는 공칭 전류 레벨(610)에 맞출 수 있다.
대안적 전류 라인 드라이버들
본 명세서에 개시된 주요 실시예들이 주로 직류(DC) 전원의 실시예들을 설명하고는 있지만, 교류(AC) 실시예를 생성할 가능성도 있다. 직류 실시예들은 집적 회로들이 본래 직류를 사용하여 동작한다는 이점을 갖는다. 그러나, AC 라인에 결합된 유닛들은 유닛 상의 집적 회로에 전원을 넣기 위한 로컬 직류를 생성하기 위해 추가적인 회로망을 포함할 수 있다.
교류로 동작하는 시스템을 생성하는 몇가지 방법들이 존재한다. 제1 방법은 두 개의 상이한 스트링에 전원을 넣는 AC 라인 드라이버 유닛을 가질 것이다. 라인 드라이버에서의 다이오드들은 양의 펄스를 사용하여 동작하는 하나의 스트링과 음의 펄스를 사용하여 동작하는 다른 스트링을 갖도록 사용될 것이다.
다른 실시예에서, 다이오드들은 개별의 라인 유닛들에서 사용될 수 있어서, 각 라인 유닛들이 하프-웨이브 정류기를 이용하여 동작하게 한다. 로컬 다이오드를 사용하여, 개개의 라인 유닛들 칩들은 하나의 전류 방향만을 보도록 구성될 수 있다. 개개의 유닛들 중 절반은 양의 펄스들 상의 전류를 보도록 구성되고 개개의 유닛들 중 나머지 절반은 음의 펄스들 상의 전류를 보도록 구성된다. 보다 비싼 실시예에서는, 전류 활용도를 최대화하기 위해 드라이버에 결합된 각 라인 유닛이 전체 웨이브 정류 시스템을 포함할 수 있다.
AC 전류를 사용하는 드라이버 라인에서 데이터를 변조하기 위해 다양한 시스템들이 사용될 수 있다. 변조 시스템은 위상, 주파수, 듀티 사이클, 또는 구동 길이 인코딩을 사용할 수 있다. 전류 루프를 구동하는데 교류(AC)를 사용하여 달성될 수 있는 몇몇 이점이 존재한다. 예를 들면, 교류는, 쉽게 이용가능한 반도체들 보다 높은 루프 전압이 생성될 수 있게 하는 변압기 커플링이 드라이버 라인 상의 각각의 유닛에서 이용가능할 수 있게끔 허용한다.
개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛
상술한 섹션에 개시되고 도 2a에 도시된 대로, LED 라인 드라이버 회로(220)는 하나 이상의 개별적으로 컨트롤가능한 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)에 결합된 드라이버 라인(221) 상에서 변조된 전류원을 구동한다. LED 유닛(250)에 대한 전기적 접촉의 유일한 수단은 단일한 드라이버 라인(221)을 통하는 것이다. 따라서, LED 유닛(250)은 LED 유닛(250)이 단일한 드라이버 라인(221)으로부터 동작하는 데 필요한 모든 리소스를 수신해야만 한다. 이를 달성하기 위해, 드라이버 라인(221)은 LED 유닛들(250)에 대한 다수의 기능들을 제공한다. LED 유닛들(250-1 내지 250-N) 각각은 자신에게 필요한 동작 전원을 드라이버 라인(221) 상의 전류로부터 끌어온다(draw). 각 LED 유닛은 또한 LED 라인 드라이버 회로(220)에 의해 그 전류상에 변조된 LED 컨트롤 데이터를 복조한다. 일 실시예에서, 각 LED 유닛(250)은 또한 전류 기준값으로서 단일한 드라이버 라인(221) 상에 구동된 명목상의 전류 레벨을 사용한다. 이 섹션은 LED 유닛(250)의 본질을 더 자세히 설명한다.
도 7은 개별적으로 컨트롤가능한 LED 유닛(750)의 일 실시예의 블록도이다. 도 7에 도시된 특정 실시예에서, LED 유닛(750)은 LED 컨트롤러(760), 4개의 발광 다이오드(LED)(781) 및 공급 캐패시터(729)로 구성된다. 공급 캐패시터(729)는 LED 유닛(750)에의 동작 파워를 캡처, 저장, 및 공급한다. LED 컨트롤러(760)는 LED 유닛(750)의 기능 대부분을 제공하는 집적 회로일 수 있다.
LED 유닛(750)은 드라이버 라인 입력(721)을 통해 업스트림 LED 라인 드라이버 회로(도 4a에 도시된 LED 라인 드라이버(425) 등)에 의해 구동되는 스트링에 결합된다. 특히, 드라이버 라인 입력(721)은 변조된 전류원을 LED 컨트롤러(760) 상의 파워 시스템(720)에 제공한다. 파워 시스템(720)의 동작은 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
LED 유닛들의 라인이 정상 동작 모드에서 동작할 때, 매우 적은 개수의 LED 유닛들이 동시에 드라이버 라인으로부터 전하를 끌어오려고 시도할 것이므로 라인에 결합된 LED 유닛들 전체에 걸리는 누적된 강하는 매우 크지 않을 것이다. 예를 들면, 드라이버 라인이 48개의 LED 유닛들(여기서 각 LED 유닛은 충전할 때 4볼트를 끌어오지만 LED 유닛들 중 1/4만이 임의의 특정 시각에 충전 시도할 것임)을 갖는다면, 파워 서플라이는 총 48 유닛들 * 4 볼트/유닛 * 1/4, 즉, 48볼트만을 공급하면 된다. 그러나, 라인 드라이버가 초기에 동작을 개시한 경우에는, 그 라인 드라이버는 드라이버 라인 상의 LED 유닛들 전부를 활성화시켜야만 한다. 초기에, 동일한 드라이버 라인 상의 모든 LED 유닛은 동작을 시작하기 위해 모두 동시에 충전하려고 시도할 것이다. 스타트-업 중에 전원으로부터 48 볼트만이 이용가능하면, 이는 LED 유닛들 각각이 약 1 볼트로 충전(48 볼트/48 LED 유닛)하는 결과를 낳고, 비-동작 상태에 빠지게 된다. 따라서, 전체 시스템이 일단 초기화되면 LED 유닛들의 라인을 동작시키기에 특정 전압량이 충분할 수 있는 반면에, 그 동일한 파워 서플라이 전압이 드라이버 라인에 결합된 LED 유닛들 전부를 스타팅 업 하는 데에는 어려움이 있을 수 있다.
이 잠재적 문제를 해결하기 위해, LED 컨트롤러 칩들 각각의 파워 시스템은 LED 컨트롤러 칩으로 하여금 전류를 특정한 상당히 낮은 전압 임계까지 끌어오게끔 하고 그러면 전압이 증가함에 따라 스타트-업 파워 시스템이 스위치 오프하기 위한 아날로그 부트-스트랩 파워 회로를 포함한다. 따라서, LED 컨트롤러(760)가 파워-다운된 상태로 스타트할 때, 아날로그 부트-스트랩 파워 시스템은 단계(805)에서 설명한 대로 처음부터 활성화된다. 아날로그 부트-스트랩 파워 시스템은 단계(807)에서 특정한 낮은 전압 임계치(일 실시예에서는 약 1.3 볼트)를 넘었는지 테스팅하는 동안 증가하는 전류를 끌어온다. 아날로그 부트-스트랩 파워 시스템이 특정한 임계치 전압값에 도달할 때에, 아날로그 부트-스트랩 파워 시스템은 턴 오프되고 메인 파워 시스템(720)이 활성화된다. 메인 파워 시스템(720)은 단계(810)에서 로컬 공급 캐패시터(729)를 충전하기 위해 드라이버 라인으로부터 전하를 끌어오기 시작할 것이다.
로컬 공급 캐패시터(729)의 이러한 충전은 드라이버 라인 입력(721)으로부터 드라이버 라인 출력(722)으로의 LED 컨트롤러(760)에 걸리는 전압 강하를 증가시킬 것이다. 이 LED 컨트롤러(760)에 걸리는 증가하는 전압 강하는 따라서 동일한 라인 상의 다른 LED 컨트롤러들에 대한 전압이 줄어듦을 의미할 것이므로 다른 LED 컨트롤러들은 충전을 시작하기 위해 임계치에 도달하지 않을 것이다. LED 컨트롤러가 충전을 완료할 때에, LED 컨트롤러의 파워 시스템(720)은 직접적으로 드라이버 라인 입력(721)으로부터 드라이버 라인 출력(722)으로의 전류를 션트하고 로컬 공급 캐패시터(729)로부터의 로컬 파워 상에서 동작하여서 LED 컨트롤러(760)에 걸리는 전압 강하가 상당히 감소할 것이다. 이는 동일한 라인 상의 다른 LED 컨트롤러들로 하여금 증가된 전압을 수신하게 하여서 다른 LED 컨트롤러들 중 하나가 임계 전압값을 넘어(pass) 충전을 시작하게 할 것이다.
이 스타트-업 시스템이 적절히 동작하기 위해서는, LED 컨트롤러 칩의 평균 전압은, 그 LED 컨트롤러 칩이 충전되면 강하해야만 한다. 따라서, LED 컨트롤러 칩의 동작 전류를 스위치 오프 임계치로 나눈 것에 끌어온(draw) 전류을 곱한 것은 루프 스타트-업 전류보다 낮아야 한다. 이 요건을 만족시키기 위해, LED 컨트롤러 칩은 루프 상의 모든 LED 유닛들을 결정하는 스트링 상의 라인 드라이버가 완전히 시작되어 정상 동작을 인에이블하라는 명령을 보낼 때까지 매우 적은 전류를 끌어오도록 설계된다. 일 실시예에서, LED 컨트롤러 칩들은 15 밀리암페어에서 1.3 볼트의 스타트-업 임계 전압 및 3.5 볼트에서 2.4 밀리암페어의 시작 동작 전류를 갖는다. 2.4*(3.5/1.3)이 15 밀리암페어보다 작기 때문에, 스타트-업 조건이 충족된다. 따라서, 라인에 결합된 LED 유닛들 전부의 적절한 스타트-업을 보장하기 위해, 라인 드라이버는 1.3 볼트 곱하기 라인 상의 LED 컨트롤러 칩들의 개수만큼을 생성할 수만 있으면 된다.
도 8을 다시 참조하면, LED 컨트롤러가 임계 전압을 넘은 후에, 파워 시스템(720)은, 파워 시스템(720)이 단계(815)에서 외부 공급 캐패시터(729)가 LED 컨트롤러(760)(파워 시스템(720)을 포함함) 내의 논리 회로를 활성화하는 데 충분한 파워를 공급한다고 결정할 때까지 단계(810)에서 외부의 공급 캐패시터(729)를 충전할 것이다. 외부의 공급 패캐시터(729)는 근본적으로 LED 유닛(750) 상의 LED 컨트롤러(760)에 파워를 공급하기 위한 작은 배터리로서 역할한다. 파워 시스템(720)은 공급 캐패시터(729)를 드라이버 라인(721)으로부터 전류를 끌어오기 위해 주기적으로 언션트(unshunt)하여 파워 요건 명령(dictate) 대로 재충전할 것이다.
외부 캐패시터(729)에 동작을 시작하기에 충분한 파워가 저장되면, LED 컨트롤러(760) 내 회로망은 스텝(820)에서 스타트-업 모드에 들어갈 것인데, 여기서 회로들의 부분집합만이 활성화된다. 예를 들면, LED 드라이버 회로들(780)은 아직 활성화되지 않았다. 스타트-업 모드 동안, LED 컨트롤러(760) 내 컨트롤 회로망은 LED 컨트롤러(760)가 퓨즈 블록(741) 내 비-휘발성 퓨즈들의 상태에 기초하여 스스로를 구성하는 스타트-업 액션의 집합을 수행할 것이다. LED 컨트롤러(760)는 그 후 단계(825)에서 정상 동작을 개시하라는 명령을 기다릴 것이다. 이 대기 단계(825) 동안, LED 컨트롤러는 어떠한 LED들도 활성화시키지 않고, 매우 적은 파워를 인출하고, 동일한 드라이버 라인 상의 다른 LED 유닛들은 드라이버 라인에 높은 누적 전압을 생성하지 않고도 충전되어 시동 모드에 진입하게 될 것이다. 기본적으로, 대기 상태(825) 동안, LED 컨트롤러는 커맨드들을 듣기 위하여 드라이버 라인 데이터 스트림을 추적(lock onto)하기만 할 것이고, 때로는 동작을 계속하기 위하여 파워를 인출할 것이다.
전체 루프가 개시되었다고 라인 드라이버가 결정한 후, 라인 드라이버는 LED 유닛들을 구성하기 위하여 LED 유닛들에 여러 커맨드들을 전송하고, LED 유닛들이 정상 동작에 진입하게 할 수 있다. LED 유닛들을 구성하기 위하여 전송된 커맨드들은 나중 섹션들에서 기술되는 바와 같이 전류 트위크(current tweaks), 보정(calibration), 밝기 스케일링, 어드레싱 및 드라이버 회로 라우팅을 위한 커맨드들을 포함한다. 적절한 커맨드들을 수신하면, LED 컨트롤러들(760)은 단계(840)에서 정상 동작 모드로 진입할 것이다.
정상 동작(840) 동안, LED 컨트롤러(760)를 동작시키기 위하여 외부 캐패시터(729)에서 충분한 전하가 이용가능한 것을 보장하기 위하여, 파워 시스템(720)은 서플라이 캐패시터의 전하 상태를 모니터하고 필요에 따라 라인 션팅(line shunting)으로부터 캐패시터 충전으로 스위치된다. 구체적으로는, 파워가 필요하면, 션트가 턴오프되고, 전하가 외부 캐패시터(729)에 축적될 것이다. 캐패시터가 채워질 것 같으면, 파워 시스템(720)은 충전을 멈추고 라인 전류를 션트하여, 드라이버 라인 입력(721)에 들어오는 전류가 적은 양의 전압 강하만으로도 파워 시스템(720)을 통과하여 드라이버 라인 출력(722)으로 가게 한다. 드라이버 라인 출력(722)을 통과한 전류는 후속적인 다운스트림 LED 유닛들을 구동하고, 결국 LED 라인 드라이버 회로로 루프 백(loop back)하여 회로를 완성할 것이다.
동작하는 데에 필요한 패캐시터 내의 전하를 유지하는 것에 더하여, 파워 시스템(720)은 단계(845)에서 LED 컨트롤러(760)의 파워 수요를 주의깊게 모니터하는 데에 사용될 수도 있어, 캐패시터에 저장된 전하량이 그에 따라 조정되게 할 수 있다. 예를 들어, LED 컨트롤러(760)가 우선 일부 청색 LED들을 턴온시키면, LED 컨트롤러(760)의 파워 수요들이 증가되어, 청색 LED들을 구동하는 데에 추가로 필요한 파워를 나타내기 위하여 시스템이 단계(850)로 진행한다. LED 컨트롤러(760)가 나중에 청색 LED들을 턴오프시키고 더 적은 파워를 소비하는 적색 LED들을 턴온시키면, LED들을 구동하는 데에 더 적은 파워가 필요하다고 나타내기 위하여 LED 컨트롤러(760)가 단계(860)로 진행될 수 있다. 이러한 방식으로, LED 유닛(750)을 동작시키는 데에 필요한 최소 전압만이 외부 캐패시터(729)에서 유지되기 때문에, LED 컨트롤러(760)는 매우 효율적인 방식으로 파워를 사용한다.
단일 드라이버 라인 상에 많은 수의 LED 유닛들(750)이 있으면, 각각의 LED 유닛(750)이 로컬 캐패시터를 충전하려고 하는 직렬로 된 복수의 LED 유닛들(750)의 누적 전압이 높아질 수 있다. 최악의 경우의 상황에서, 드라이버 라인 상의 모든 LED 유닛(750)은 동시에 전하를 인출하려고 할 수 있어서, 충전 시에, 라인 상의 누적 전압 강하가 라인 상의 LED 유닛들의 수와 각각의 LED 유닛 양단의 전압 강하의 곱으로 된다. 드라이버 라인이 많은 LED 유닛들을 가지면, 이 누적 전압 강하는 규제 순응도(regulatory compliance) 또는 파워 서플라이 제한들로 인해 문제가 될 수 있다.
최악의 경우의 상황을 방지하기 위하여, 드라이버 라인 상의 전류가 증가될 수 있고, 동일한 드라이버 라인 상의 복수의 LED 유닛들(750)이 조정된 방식으로 전하를 인출하도록 지시받을 수 있다. 예를 들어, 제한된 수의 LED 유닛들(750)만이 동시에 로컬 서플라이 캐패시터들을 충전하도록 언션트(unshunt)되는 것이 허용될 수 있다. 라인 상에서 증가된 양의 전류를 사용함으로써, 라인 상의 각각의 LED 유닛(750)이 더 빠른 레이트로 그 서플라이 캐패시터를 충전할 수 있을 것이다. 라인 전류를 증가시키고 동시에 전류를 인출할 수 있는 유닛들의 수를 제한함으로써, 라인 전반의 전압이 미리 정해진 범위 내에서 유지될 수 있다.
상이한 LED 유닛들(750)의 션팅을 조정하는 하나의 방법은 비트 단위로 하는 것이다. 데이터 프레임의 각각의 데이터 비트에는 0에서 시작해서 N-1까지의 숫자가 할당될 수 있으며, 여기서 N은 데이터 프레임의 비트들의 수이다. 그리고, 각각의 LED 유닛(750)은 X비트들마다만 언션트되도록 지시될 수 있으며, 여기서 X는 LED 라인 드라이버에 의해 선택된 수이다. 예를 들어, 숫자 4가 X로서 선택되면, 비트 번호 모듈로 4 = 0 (비트들 0, 4, 8 등)인 때에만, LED 유닛들(750)의 제1 그룹이 언션트될 것이다. LED 유닛들(750)의 제2 그룹은 비트 번호 모듈로 4 = 1 (비트들 1, 5, 9 등)인 때에만 언션트될 것이다. LED 유닛들(750)의 제3 그룹은 비트 번호 모듈로 4 = 2 (비트들 2, 6, 10 등)일 때에에만 언션트될 것이다. LED 유닛들(750)의 제4 그룹은 비트 번호 모듈로 4 = 3 (비트들 3, 7, 11 등)일 때에만 언션트될 것이다. (더 긴 기간에 반대되는 것으로서) 비트 단위로 언션팅하는 것을 조정함으로써, 모든 LED 유닛(750)은 LED 유닛이 드라이버 라인으로부터 더 많은 전하를 인출할 수 있는 주어진 다른 시간을 오래 대기할 필요가 없을 것이다.
파워 시스템(720)은, 밴드-갭 레퍼런스 전압을 생성하고 조절된 전압을 모든 로컬 LED들을 위에서 기재한 바와 같이 턴온시킬 수 있는 양만큼으로 설정하는 기능을 갖는 아날로그 회로 섹션을 포함할 수 있다. 파워 시스템(720)은 나쁜 LED 출력들(단락형 회로 또는 개방형 회로들)을 모니터하고, 전압을 파워 온되는 LED들에 의해 동작하는 데에 필요한 최소 전압 레벨로 조절하려고 한다. 라인 전류의 션트/언션트 동작에 대한 모든 변화들은 라인 상의 데이터에 따라 조정하여 수행되므로, 모든 LED 칩들이 동시에 트랜지션된다. 이 조정은 가능한 데이터 에러들을 최소화하기 위하여 행해진다.
파워 시스템(720)의 아날로그 섹션은 파워 시스템의 4개의 주요 파워 관련 기능들 중 3개에 대한 전압 레퍼런스로서 사용되는 밴드-갭 레퍼런스를 포함한다. 우선, 밴드-갭 레퍼런스는 코어 디지털 회로에 대한 전압원(대략 2.8 내지 3.2 볼트)을 생성하는 데에 사용된다. 둘째, 밴드-갭 레퍼런스는 LED 드라이버 서플라이를 샘플링하고 이를 밴드-갭 레퍼런스에 비교하는 디지털 컨트롤되는 전압 분배기 회로에 대한 레퍼런스이다. 마지막으로, 밴드-갭 레퍼런스 전압이 과전압/과전류 검출기에서 사용될 수 있다. 과전압 검출기는 일치하는 폴리 레지스터들을 주의깊게 사용하여 LED 드라이버 서플라이 상의 과잉 전압을 검출하고 라인 전류를 측정할 수 있다. 캐패시터(729)가 충전될 때마다 과전압 검출기가 인에이블된다. 과전압 조건이 검출되도록 불충분하게 사이즈조정된 캐패시터가 있으면, 칩은 즉시 칩을 보호하기 위하여 트랜지션될 것이다.
파워 시스템(720)의 네번째 기능은 드리이버 라인 아웃(722)에 라인 전류를 션트하거나 서플라이 캐패시터(729)를 충전하기 위하여 디지털 설정되는 라인 전류 정류기 섹션 및 라인 션트에 의해 수행되는 라인 션팅 동작이다. 정상 동작에서, 파워 시스템(720)은 전류가 서플라이 캐패시터(729)를 재충전하게 되도록 라인 전류를 주기적으로 언션트할 것이다. 이 언션팅은 동일한 드라이버 라인에 연결된 다른 LED 유닛들과 조정되는 방식으로 수행되어, 너무 많지 않은 LED 유닛들이 드라이버 라인으로부터 파워 전류를 동시에 인출 시도하게 할 수 있다.
파워 시스템(720)이 서플라이 캐패시터(729)를 충전하기 위하여 드라이버 라인(721)을 언션팅하는 것은, 서플라이 캐패시터를 충전하는 것이 LED 컨트롤러(760)를 동작하는 데에 필요한 파워를 획득하는 데에 요구되기 때문에, LED 컨트롤러(760)에 대해 매우 결정적인 기능이다. 마찬가지로, 서플라이 캐패시터(729)가 충분히 충전되었을 때 파워 시스템(720)이 출력 드라이버 라인(722)에 전류를 빠르게 션트하는 것을 실패하면, LED 컨트롤러(760)의 집적 회로를 고장내는 과잉 전압으로 인해 LED 컨트롤러(760)가 오작동할 수 있기 때문에, 서플라이 캐패시터를 충전한 후에 드라이버 라인(721)을 션팅하는 것 또한 매우 결정적이다. 따라서, 입력 드라이버 라인(721)을 션팅하는 것 및 언션팅하는 것은 파워 시스템(720)에 의해 주의깊은 컨트롤을 필요로 하는 태스크이다.
다행히도, 주의깊은 밸런스를 요구하는 이러한 상황은 다른 LED 컨트롤러들과 직렬인 드라이버 라인 상의 LED 컨트롤러를 오작동시켜도 동일한 드라이버 라인 상의 다른 LED 컨트롤러들에 현저한 영향을 미치지 않으면서 오작동시킬 있다는 점에서 매우 멋진 방식을 제공한다. 구체적으로, 오작동하는 LED 컨트롤러(760)의 회로가 파워 시스템(720)이 외부 서플라이 캐패시터(729)를 더 이상 충전하지 않고 대신에 영구적으로 션팅된 상태로 유지하는 어떤 방식으로 오작동한다면, 그 파워 시스템(720)은 라인 전류가 통과하는 단락 회로(일반적으로 션트 양단에 약간의 전압 강하를 가짐)로서 동작한다. 따라서, 동일한 드라이버 라인 상의 다른 개별적인 LED 컨트롤러들이 라인 드라이버로부터 계속해서 전류를 수신할 것이다.
한편, 파워 시스템(720)이 언션팅된 상태로 고정되어 계속해서 외부 서플라이 캐피시터를 충전하는 (그리고 외부 서플라이 캐패시터 주위의 전류를 지향시키는 션팅 상태로 진입하는 것을 실패하는) 상이한 방식으로 오작동하는 LED 컨트롤러(760)의 회로가 오작동하면, 그 파워 시스템(720)은 동일한 드라이버 라인 상의 다른 LED 컨트롤러들 전부에 영향을 미치는 개방형 회로로서 동작한다. 그러나, LED 컨트롤러(760)에 진입하는 그 전류 전부는, (제너 다이오드 또는 마치 단락 회로와 마찬가지로) 파워 시스템(720) 양단의 전압이 결국 집적 회로의 고장을 야기할 때까지, 그 LED 컨트롤러(760)의 파워 시스템(720) 양단의 전압을 증가시킬 것이다. 이러한 고장이 발생하고 나면, 드라이버 라인 전류가 오작동된 LED 컨트롤러(760)를 통해 드라이버 라인 입력(721)으로부터 드라이버 라인 출력(722) 밖으로 다시 지나갈 것이다. 오작동된 LED 컨트롤러(760)를 통과하는 전류는 동일한 드라이버 라인(721 및 722) 상의 다른 LED 컨트롤러들로 하여금 계속해서 정상적으로 동작하게 할 것이다. 추가적인 보호를 위하여, LED 컨트롤러(760)에 의해 정상적으로 보이는 것보다 높은 전압을 필요로 하는 고장난 디바이스(예를 들어, 제너 다이오드 또는 유사한 디바이스 등)는 LED 컨트롤러(760)와 병렬로 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, LED 컨트롤러(760)가 개방형 회로 방식으로 오작동하면, 고장난 디바이스를 활성화하는 데에 필요한 더 높은 전압에 도달하여 오작동된 LED 컨트롤러(760) 주위에 전기 경로를 야기할 때까지, 전압이 증가할 것이다.
LED 컨트롤러(760)에 대한 손상을 방지하기 위하여, 온도 시스템은 LED 컨트롤러(760) 집적 회로의 온도를 모니터할 수 있다. 온도가 위험 임계치를 초과하면, 파워 시스템(720)은 션트 다운 상태로 진입하여 LED 컨트롤러(760)에 대한 임의의 손상을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 파워 시스템(720)은 드라이버 라인 입력(721)에 들어가는 전류가 드라이버 라인 출력(722)을 직접 통과하도록 영구적으로 션팅된 상태로 진입할 수 있다. 이러한 방식으로, 동일한 드라이버 라인 상의 다른 LED 유닛들은 계속해서 정상적으로 동작할 수 있다. 특정 LED 컨트롤러(760)가 이러한 셧 다운 상태로 반복적으로 진입하면, 그 LED 컨트롤러(760)는 교체될 필요가 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, LED 컨트롤러(760)는 전자제품들의 서브세트가 계속해서 동작하고 추가적인 파워를 획득하기 위해서 거의 언셔트되지 않는 축소된 기능 상태로 진입할 수 있다. 이러한 방식으로, LED 컨트롤러(760)는 온도를 주기적으로 재검사하고, 온도가 감소되면 그 자신을 재활성화한다.
파워 시스템(720)에 의해 제공될 수 있는 2개의 파워와 관련되지 않은 기능들은 전류 레퍼런스 값의 생성 및 데이터 추출을 위한 전류 카피의 생성이다. 가장 일관된 광 출력 속성들을 갖는 LED를 구동하기 위하여, 일정한 전류량이 LED를 통과하여야 한다. LED의 밝기가 LED를 통과하는 전류량을 변경시킴으로써 컨트롤되면, LED에 의해 방출되는 색상들의 스펙트럼이 LED를 통과하는 전류량에 따라 변경될 수 있다. 색상들의 일관된 스펙트럼이 이상적인 목표이기 때문에, 전류량을 변조시키는 기술은 원하는 성능을 제공하지 못한다. 또한, LED의 밝기는 전류 세기에 대해 비선형 관계를 가지기 때문에, 전류 분산을 사용하여 LED 밝기를 정확하게 컨트롤하는 것은 어렵다.
개별적인 LED의 밝기를 컨트롤하기 위하여 전류 세기를 사용하는 대신에, LED의 밝기는 일정한 전류량의 적절한 시점의 온/오프 듀티 사이클을 컨트롤함으로써 통상적으로 컨트롤된다. 파워를 컨트롤하기 위한 이 기술을 구현하는 하나의 잘 공지된 시스템은 일반적으로 "펄스 폭 변조"로 알려져 있는데, 이는 LED의 밝기가 정해진 시구간 동안 정전류(constant current) 강도 펄스들의 폭에 비례하기 때문이다. 일 실시예에서, 본 발명의 시스템은 서로 다른 기술을 사용하며, 정해진 구간 동안의 정전류 펄스들의 수 및 그 정전류 펄스들의 폭은 원하는 밝기를 얻기 위해 변조된다. 이 대안적인 시스템은 "감소된 플리커 변조(Reduced Flicker Modulation)"(RFM)라고 하고, LED 드라이버 회로(780)를 커버하는 후반부에서 완전히 설명될 것이다.
최적의 LED 출력 성능을 위해, 각각의 정전류 펄스 동안 LED(781)를 구동하기 위해 사용되는 전류의 양은 가능한 한 일정해야 한다. 따라서, 일정한 전류 레퍼런스 값이 필요하다. 전류 레퍼런스 값을 생성하기 위해 다양하고 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 이로써, 파워 시스템(720)이 전류 레퍼런스 값을 생성하게 하는 두 개의 서로 다른 시스템이 제공된다.
파워 시스템(720)이 일정한 전류 레퍼런스 값을 구성하게 하는 첫 번째 방법은 전압 레퍼런스 값을 사용하는 것이다. 특히, 일정한 전류 레퍼런스 값은 밴드-갭 회로를 이용하여 일정한 전압 레퍼런스 값을 발생시키고, 이후에 원하는 일정한 전류 레퍼런스 값을 생성하기 위해 그 일정한 전압 레퍼런스를 저항에 통과시킴으로써 생성될 수 있다. 이후에, 이 전류 레퍼런스 값은 일정한 방식으로 LED(781)를 구동하도록 사용될 정전류를 생성하기 위해 전류 레퍼런스를 사용하게 될 LED 드라이버 회로(780)에 제공될 수 있다.
대안의 실시예에서, 파워 시스템(720)은 드라이버 라인 상의 전류를 샘플링함으로써 전류 레퍼런스를 생성할 수 있다. 특히, 파워 시스템(720)은 드라이버 라인(721)으로부터의 평균 드라이버 라인 전류 값(도 3a에 도시된 공칭 라인 전류)을 결정하기 위해 드라이버 라인 전류를 샘플링할 수 있다. 이후에, 이 평균 라인 전류 값은 LED 드라이버 회로(780)에 대한 전류 레퍼런스 값으로 사용될 수 있다. 드라이버 라인 전류 평균은, 파워 시스템(720)이 드라이버 라인을 션팅(shunting)하는 동안에만 업데이트/결정된다.
파워 시스템(720)에 의해 수행되는 또 다른 파워와 관련되지 않은 기능은 데이터 추출을 위한 라인 전류 카피의 생성이다. 드라이버 라인(721)의 라인 전류로 변조된 데이터의 리커버리를 가능하도록 하기 위해, 파워 시스템(720)은 션팅 전류 감지 또는 언션팅(unshunting)(또는 다이오드) 전류 감지의 다운스케일링된 카피를 데이터 추출기 블록(730)에 제공한다. 션팅 전류 감지는, 파워 시스템(720)이 션팅 모드에 있는 경우에 제공되고, 언션팅(또는 다이오드) 전류 감지는 파워 시스템(720)이 외부 서플라이 캐패시터(729)를 충전하는 경우에 제공된다.
클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)은 파워 시스템(720)으로부터 드라이버 라인 전류의 카피를 수신하고, 도 4a의 LED 라인 드라이버 회로(425)에 의해 드라이버 라인 전류로 변조되었던 데이터(예를 들어, LED 컨트롤러 구성 커맨드들 및 실제적인 LED 컨트롤 데이터)를 복조하는 역할을 한다. 드라이버 라인 전류로부터의 데이터를 복조하기 위해, 데이터 추출기 블록(730)은 우선 그 자신의 내부 클럭 신호를 발생시켜야 하며, 이후에 드라이버 라인 전류로 변조된 데이터의 데이터 레이트와 자신을 동기화하기 위해 DPLL(digital phase-locked loop)을 사용해야 하고, 마지막으로 데이터를 추출하기 위해 드라이버 라인 전류로 변조된 전류 램프들과 자신을 적절히 정렬해야 한다.
내부 클럭 신호를 발생시키기 위해, 클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)의 디지털 서브섹션은 빠른 링 오실레이터(fast ring oscillator)를 구현하고, 그 빠른 링 오실레이터 레이트에서 작동하는 디지털 로직의 연관된 섹션을 가진다. 이 빠른 오실레이터 레이트 디지털 로직 서브섹션은 더 빠른 클럭 레이트만이 제공될 수 있는 몇몇 기능들을 제공한다. 첫 번째로, 빠른 클럭 섹션은 전류 램프의 센터를 위치시키는 센터링 로직이 라인 전류 데이터 스트림상의 중앙에 적절히 배치되는 것을 보장하기 위한 디지털 지지부를 제공한다. 두 번째 기능은 빠른 자유 작동 링 오실레이터 클럭의 N 카운터에 의한 분할이다. N 카운터에 의한 분할은 작은 결함들(glitches)을 막기 위해 코어 클럭 경계들 상에서 단지 업데이트할 뿐이다. 빠른 클럭 섹션으로부터의 N 카운터 값에 의한 분할은 드라이버 라인(721) 상에서 변조된 데이터로 로킹시키는 DPLL 회로를 구현하는 것을 돕는데 사용된다. 이후에, DPLL 회로를 이용하여 얻어진 드라이버 라인 상의 데이터 스트림의 데이터 레이트는, 대부분의 LED 컨트롤러(760)를 구동하는데 사용되는 코어 클럭 신호를 생성하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 코어 클럭 레이트는 드라이버 라인의 데이터 레이트의 8배(8X)에서 동작한다.
일 실시예에서, 클럭킹 로직은 고정값을 N 카운터에 의한 분할로 최초로 설정하고, 데이터 클럭 주파수 값의 초기 추정치를 발생시키기 위해 션트 A/D 컨버터 교차점들을 카운트한다. 이후에, 클럭킹 로직은 이 초기 추정 주파수 값을 DPLL 회로에 로딩하고, DPLL 회로는 드라이버 라인 데이터 레이트로 로킹하는(lock) 것을 시도한다. 특정한 시구간 내에 클럭킹 로직이 DPLL 회로로부터 록(lock) 확인을 얻지 못할 경우, 클럭킹 로직은, 클럭킹 로직이 클럭 주파수 측정 프로세스를 재시작시키는 재동기화 모드로 진입한다.
클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)의 주요 부분은 DPLL 회로를 이용하여 발생된 코어 클럭 레이트에서 동작한다. 클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)의 주요 부분의 대부분은 (빠른 클럭 섹션의 도움으로) 그 DPLL회로를 구현하는데 사용되는 회로를 포함한다.
DPLL에 부가하여, 클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)의 주요 부분은 드라이버 라인 신호로부터 실제 데이터를 추출하기 위한 데이터 추출기 로직을 포함한다. DPLL이 데이터 비트 센터 대신에 데이터 비트 엣지 전이를 추적할 수 있기 때문에, 데이터 추출기 로직은 데이터 센터와 데이터 엣지 전이 사이를 식별하는 역할을 한다. 특히, 도 9a를 참조하면, 적절한 데이터 비트 시간(921)의 램프 모드 신호는 부정확한 데이터 비트 시간(922)의 신호와 거의 동일한 것으로 나타날 수 있으며, DPLL은 데이터 비트 센터 대신에 데이터 비트 엣지 전이를 추적한다. 이 문제를 막기 위해, 데이터 추출기 로직은 센터 이후와는 다른 데이터 비트 센터 이전의 신호를 검색하는데, 이는 적절한 데이터 비트가 항상 이 방식으로 나타나기 때문이다. 특히, 부정확한 데이터 비트 시간(925)은, 신호가 부정확한 데이터 센터 이전(931) 및 이후(932) 양측에 어떻게 동일하게 나타나는지(실제 데이터 비트 엣지)를 설명한다. 이것은 DPLL이 데이터 비트 센터 대신에 데이터 비트 엣지 전이를 추적한다는 것을 데이터 추출기 로직에 알려준다. 동일한 값이 전후로 너무 많이 존재하는 경우, 데이터 비트 센터와 적절히 정렬하기 위해 데이터 추출기 로직은 정렬을 1/2 비트 사이클만큼 이동시킨다.
도 9b는 딥 모드 변조 신호(dip mode modulated signal)의 경우의 동일한 문제를 도시한다. 도 9b를 참조하면, 적절한 데이터 비트 시간(971)의 딥 모드 신호는 부정확한 데이터 비트 시구간(972)의 딥 모드 신호와 거의 동일하게 나타날 수 있다. 잘못된 데이터 비트 구간을 부적절하게 추적하는 것을 방지하기 위해, 센터링 회로는 데이터 비트 구간의 제1 하프와 제2 하프가 서로 다르다는 것을 보장한다. 따라서, 비트 타임 구간이 시구간(975)에 도시된 것과 같이 딥을 포함하지 않거나, 비트 시구간이 시구간(976)에 도시된 것과 같이 두 개의 딥을 포함하는 경우, 센터링 로직은 그것이 잘못된 시구간을 추적한 것으로 결정할 것이다.
도 7을 다시 참조하면, 데이터 레이트를 적절하게 추적하고 데이터 비트 센터와 적절하게 정렬한 후에, 클럭킹 및 데이터 추출기 블록(730)은 복조된 데이터 스트림을 데이터 프로세싱 코어(740)로 통과시킨다. 데이터 프로세싱 코어(740)는 유입하는 LED 컨트롤 데이터를 처리하는 디지털 로직의 블록이다. 일 실시예에서, 데이터 프로세싱 코어(740)는 각각의 데이터 프레임들을 식별하고; LED 컨트롤러 구성 커맨드들, LED 컨트롤 커맨드들, 및 LED 파라미터 데이터를 얻기 위해 데이터 프레임들을 분리하고; 그후에 LED 컨트롤 데이터로부터 추출된 명령들을 실행하는 역할을 한다.
일 실시예에서, 유입하는 LED 컨트롤 데이터 상에서 데이터 프로세싱 코어(740)에 의해 수행된 첫 번째 액션은 데이터 스트림의 디스크램블링이다. 드라이버 라인(721)으로 인코딩된 데이터 스트림은 다양한 서로 다른 이유들 때문에 스크램블링될 수 있다.
스크램블링하기 위한 한가지 이유는 LED 유닛(750)이 잘못된 데이터 프레이밍 신호를 추적하는 것을 막는 것이다. LED 컨트롤 데이터 값이 프레이밍 동기화 헤더 값과 동일하게 된 특정한 LED 유닛(750)에 반복적으로 보내질 경우, LED 컨트롤러들은 데이터 스트림의 잘못된 위치를 추적하여 유효한 데이터 프레임들을 절대 찾지 못할 수 있다. 데이터의 스크램블링은 이런 상황을 방지할 수 있는데, 이는 데이터 페이로드가 고정 값이더라도, 데이터 스크램블링이 각각의 데이터 프레임마다 드라이버 라인 상에서 그것을 다르게 만들기 때문이다. 따라서, 데이터 스크램블링은 데이터 스트림 내에 잘못된 프레이밍 패턴을 생성할 확률을 상당히 감소시킨다. 데이터를 스크램블하는 또 다른 이유는 전자기 간섭 문제를 감소시키기 위한 것인데, 왜냐하면 데이터의 스크램블링이 에너지를 분산시키기(spread out) 때문이다. 스크램블된 데이터 스트림을 다루기 위해, 데이터 프로세싱 코어(740) 내의 디스크램블러 유닛(742)이 프레임 동기화 마커를 찾음으로써 인입 데이터를 먼저 처리하고, 이어서 스크램블링된 데이터 프레임을 디스크램블하여 데이터 프레임 내의 실제 데이터 명령을 획득한다.
일 특정 실시예에서, LED 컨트롤 데이터 프레임을 도 2b에 도시된 바와 같이 40 바이트로 구성한다. 아래의 표는 도 2b에 도시된 예시적인 데이터 프레임의 구조를 설명한다.
예시적인 데이터 프레임
명칭 바이트 위치 함수/값
StartFrame [0] 이것은 추적할 상태 머신에 대한 '시작 프레임' 동기화 표시자이다. 이 값은 스크램블되지 않는다.
Cmd [1] LED 컨트롤러에 보내지고 있는 커맨드
Addr [2] 프레임과 연관된 LED 컨트롤러 어드레스. 이 어드레스는 드라이버 라인 상의 어느 LED 유닛들이 이 데이터 프레임에서의 커맨드에 응답할 것인지를 선택하는데 사용된다.
Payload [38:3] 36 바이트 페이로드. LED 컨트롤 커맨드들에 대하여, 이 데이터 페이로드는 4, 6, 8 또는 12 비트폭이 될 수 있는 개별 픽셀들과 연관된 파라미터 데이터이다. LED 컨트롤러 구성 커맨드들에 대하여, 페이로드 데이터는 퓨즈들을 식별하거나 변경될 레지스터들을 컨트롤할 수 있다.
CRC [39] 임의의 잘못된 커맨드들에 대한 면역을 개선시키기 위해 인에이블될 수 있는 CRC 검사
상기 표를 참조하면, 첫번째 바이트는 데이터 프레임의 시작을 나타내는데 사용되는 프레임 헤더이다. 프레임 헤더 바이트는 스크램블되지 않고 나머지 39 바이트가 v.34 자기 동기화 스크램블러를 이용하여 스크램블될 수 있다. 디스크램블러 유닛(742)의 데이터 프레임 검출 로직은 데이터 스트림에서 프레임 헤더를 반복하기 위해 인입 데이터를 검색한다. 디스크램블러 유닛(742)은 패턴을 추적하려고 시도한다. 임의의 시간량 후에 어떠한 데이터 프레임도 발견되지 않으면 디스크램블러 유닛(742)은 클록킹 및 데이터 추출기 블록(730)에 문제점을 통지할 것이다. 이어서 클록킹 및 데이터 추출기 블록(730)은 새로운 주파수로 스위칭하여 재동기화 신호를 어써트(assert)할 수 있다. 이러한 동작은 시작되었을 수 있는 임의의 가능한 프레임 락(lock)을 리셋하고 데이터 프레임을 다시 한번 검색하는 디스크램블러 유닛(742)의 프레임 검출 로직을 시작할 것이다.
디스크램블러 유닛(742)의 프레임 검출 로직이 데이터 프레임 패턴을 검출할 경우, 디스크램블러 유닛(742)은 유효한 데이터를 나타내기 위해 유효한 프레임 신호를 클록킹 및 데이터 추출기 블록(730)으로 다시 어서트할 것이다. 일 실시예에서, 디스크램블러 유닛(742)은, 디스크램블러 유닛(742)이 인입 데이터 스트림을 추적하여 적절한 출력 데이터를 가짐을 보장하기 위해, 데이터 파서 블록(743)이 유효한 데이터를 얻기 전에 적어도 하나의 프레임에서 활성화된다. 이는 디스크램블러 유닛(742)이 인입 데이터 스트림과 동기화되었음을 보장한다. 일단 디스크램블러 유닛(742)이 인입 데이터를 적절하게 추적하고 디스크램블링 처리를 완료하기만 하면, 디스크램블러 유닛(742)은 데이터 프레임의 콘텐츠를 처리하기 위해 디스크램블된 데이터 프레임들을 데이터 파서(743)에 전달한다.
데이터 파서(743)는 데이터 프레임들을 파싱한다. 데이터 파서(743)는 데이터 프레임 내의 커맨드(LED 컨트롤러 구성 명령 또는 LED 컨트롤 커맨드)을 식별하고, 데이터 프레임의 페이로드(LED 컨트롤러 구성 파라미터 또는 LED 컨트롤 데이터 파라미터)를 디코딩한다. 일 실시예에서, 데이터 파서(743)는 선택적인 CRC(cyclic redundancy code) 검사를 수행할 것이고, 데이터가 양호하면 데이터 파서(743)는 디코딩된 커맨드 및 파라미터 데이터를 데이터 프로세싱 코어(740) 내의 실행 로직에 전달할 것이다.
일 실시예에서, 데이터 파서(743)는 수신된 특정 데이터 프레임이 특정 LED 컨트롤러(760)에 적용되어야 하는지를 판정하는데 사용되는 복수의 상이한 픽셀 어드레싱 모드를 갖는다. 표준 어드레싱 모드는 데이터 프레임의 어드레스 필드에 특정 LED 유닛 어드레스를 배치한다. 일 실시예에서, 그 어드레스는 데이터 필드 내에서 LED 컨트롤 데이터에 대한 시작 어드레스를 명시한다. 어드레스 필드에서 식별된 특정 LED 유닛은 페이로드 필드 내의 LED 컨트롤 데이터의 첫번째 항목을 LED 컨트롤 데이터 폭까지 사용할 것이다. 다음 순서로 어드레싱된 LED 유닛은 데이터 페이로드 필드 내의 LED 컨트롤 데이터의 그 다음 항목을 LED 컨트롤 데이터 폭까지 사용할 것이며, 그렇게 계속된다. 그 밖의 실시예들에서, 어드레스는 단일의 LED 유닛 또는 특정 수의 연속된 LED 유닛들을 지정할 수 있다. 본 시스템에서는, 데이터 페이로드의 크기는 2, 4, 6, 8, 또는 12 비트 폭 데이터 값의 짝수 배를 저장할 수 있도록 288 비트임에 유의한다.
그룹 어드레스 모드에서, 데이터 페이로드 내의 LED 컨트롤 데이터는 특정 그룹에 할당된 LED 유닛들에만 적용될 것이다. 컨트롤 데이터는 그룹 내의 LED 유닛들 모두에 간단히 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은, 그룹의 LED 유닛 멤버들 중 어느 서브셋이 변경되어야 하는지, 그리고, 그 LED 유닛 멤버들이 어떻게 변경되어야 하는지를 결정하기 위해, 페이로드 내의 비트맵을 조사할 수 있는 비트맵 프로세싱 엔진을 이용한다. 그러므로, 각각의 LED는 표준 선형 어드레싱 시스템에서 개별적으로 어드레싱 가능하고, 각각의 LED는 할당된 그룹의 일부로서 개별적으로 어드레싱 가능하다.
CRC(cyclic redundancy code) 검사에 의해 검출된 데이터 에러들은 여러가지 상이한 방식으로 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 선택적인 CRC 보호가 인에이블되면, 데이터 프로세싱 코어(740)는 2개의 CRC 에러가 약 25 데이터 프레임의 윈도우 동안 검출될 경우 데이터를 무시하기 시작할 것이다. 더구나, LED 출력들은 이 기간 동안 턴오프될 수 있고, 데이터 프로세싱 코어(740)는 새로운 명령에 응답하지 않을 것이다. 일 실시예에서, 데이터 프로세싱 코어(740)는 정확한 CRC 값들을 갖는 4개의 데이터 프레임들이 수신될 때까지 인입 LED 컨트롤 데이터 프레임들을 계속하여 조사할 것이다. 그 시점에서, 데이터 프로세싱 코어(740)는 새로운 명령을 프로세싱하기 시작할 것이다.
많은 상이한 형태의 명령이 LED 컨트롤러(760)에서 구현될 수 있다. 일 특정 실시예에서, 3개의 주요 형태의 명령: 전체 업데이트를 하지 않는 픽셀 데이터 업데이트 명령, 전체 업데이트를 하는 픽셀 데이터 업데이트 명령, 및 LED 컨트롤러(760) 내의 컨트롤 레지스터에의 기입 명령이 구현될 수 있다. 전체 업데이트를 하지 않는 픽셀 업데이트가 하나 이상의 LED를 구동시키기 위한 파라미터의 세트를 섀도우 레지스터에 저장한다. 그러나, 그 LED 파라미터들은 즉시 사용되지 않는다. 이어서, 전체 업데이트 명령이 수신될 경우(이 LED 컨트롤러(760) 또는 임의의 다른 LED 컨트롤러에 어드레싱될 경우) 저장된 픽셀 데이터 파라미터는 LED 드라이버 회로들(780)의 출력을 변경시키기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 비디오 디스플레이들 및 일련의 별개의 디스플레이 프레임들에 의해 동작하는 다른 디스플레이 시스템들에 필요한 많은 픽셀에 대한 변경이 동기화될 수 있다.
데이터 프로세싱 코어(740)가 컨트롤 레지스터에의 기입을 수신할 경우, 데이터 프로세싱 코어(740)는 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741)에서 적절한 컨트롤 레지스터를 식별하고 연관된 데이터 값을 그 컨트롤 레지스터에 기입할 것이다. 컨트롤 레지스터들의 컨텐츠는 LED 컨트롤러(760) 내의 회로의 동작을 컨트롤하는 휘발성 컨트롤 비트이다. 컨트롤 레지스터에의 임의의 기입 패턴은 특정 컨트롤 레지스터의 값을 설정하는 대신에 다양한 함수들을 활성화시키는데 사용될 수 있다.
휘발성 컨트롤 레지스터들에 부가하여, 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741)은 또한 비휘발성 퓨즈들의 세트를 포함한다. 퓨즈들은 LED 컨트롤러(760) 내의 영구적인 구성 정보의 세트를 지정하기 위해 버닝될 수 있다. 예를 들어, LED 유닛(750)의 일 실시예가 8개의 퓨즈들을 이용하여 8개의 비트 어드레스 값을 구현한다. 이 방식으로, 256개의 고유하게 어드레스 가능한 LED 유닛들의 스트링이 단일의 LED 라인 드라이버 회로에 결합될 수 있다. 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들을 프로그램하기 위해, 지정된 컨트롤 레지스터 어드레스들에의 특정 기입 패턴이 보내진다. (특정 컨트롤 레지스터 어드레스들에서 사실상 실제 컨트롤 레지스터들이 존재할 수 있거나 존재할 수 없음을 유의한다.) 지정된 컨트롤 레지스터 어드레스들에의 적절한 기입 패턴이 보내진 경우, 데이터 프로세싱 코어(740)는 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741)에서 특정 식별된 퓨즈를 버닝할 것이다.
컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들 모두는 LED 컨트롤러들(760)을 제작한 제조자 및 LED 컨트롤러들(760)의 사용자에 의해 사용될 수 있다. 제조자는 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들을, 동일한 집적 회로 설계로부터 상이한 성능 특성들 및 기능들을 갖는 매우 다양한 상이한 LED 컨트롤러들을 제작하는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들은, LED 컨트롤러들(760)에 의해 컨트롤되는 LED들의 수, LED 컨트롤의 정확도(일 실시예에서, 4비트, 6비트, 8비트, 또는 12비트), 및 인에이블 또는 디스에이블될 수 있는 다양한 다른 LED 컨트롤러 피처들을 지정하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, LED 컨트롤러들(760)의 제조자는 특정 응용에 얼마나 많은 피처들이 요구되는지에 따라서 LED 컨트롤러들(760)의 시장을 분할할 수 있다.
컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들은 또한 LED 컨트롤러들(760) 내의 캘리브레이션 정보를 저장하는데 사용될 수 있다. 반도체 프로세스 기술의 불완전성 및 불일치성은 어떠한 2개의 집적 회로도 완전히 동일하게 동작하지는 않을 것임을 의미한다. 순전히 디지털 집적 회로에만 이용할 경우, 디지털 회로들에 사용되는 이산 양자화 데이터 값 때문에 작은 차이들이 동작에 영향을 미치지는 않을 것이다. (디지털 집적 회로 디바이스들의 제조시에 불완전성이 크면 버려질 동작 불가능한 디바이스들을 제작할 것이다.) LED 컨트롤러(760)의 경우, 많은 아날로그 회로가 존재한다는 것은 제조 차이들이 상이한 LED 컨트롤러들의 동작에 현저하게 영향을 미칠 수 있음을 의미할 것이다.
이러한 동작 차이들을 다루기 위해, 각각의 개별 LED 컨트롤러(760)가 테스트될 것이고, 상이한 LED 컨트롤러들 간의 약간의 차이를 조정하는 캘리브레이션 데이터를 저장하기 위해 퓨즈들을 사용함으로써 상이한 LED 컨트롤러들 간의 여러가지 차이들이 보상될 수 있다. 예를 들어, LED의 밝기는 LED를 흐르는 전류의 양에 의해 컨트롤된다. 그러나, 집적 회로 제조시의 불완전성 때문에, 완전히 동일한 밝기 레벨을 제공하도록 명령될 경우라도 상이한 LED 컨트롤러들의 LED 드라이버 회로들(780)에 의해 제공된 전류의 양은 동일할 수 없다. 따라서, 컨트롤 레지스터들 및 퓨즈들 블록(741) 내의 퓨즈들은 LED 드라이버 회로들(780)에 의해 LED들에 전달되는 전류를 캘리브레이트하도록 설계된 트윅/트림(tweak/trim) 값을 저장하는데 사용될 수 있다. LED 컨트롤러(760) 상의 각각의 상이한 LED 채널은 그 자신의 개별 전류 트윅/트림 값을 수신할 수 있다.
LED들 자체도 불완전한 제조 기술에 시달릴 수 있다. 완전히 동일한 양의 전류를 수신한 상이한 LED들은 완전히 동일한 밝기를 출력하지 않을 것이다. 따라서, 테스트 전에 LED들(781)을 LED 컨트롤러(760)에 결합시킴으로써, LED 컨트롤러(760)에 프로그램된 전류 트윅/트림 캘리브레이션 데이터에 의해 LED 컨트롤러(760)와 LED들(781) 둘 모두에서의 약간의 제조 차이가 보상될 수 있다. LED 드라이버 회로들(780)에 의해 제공된 전류 출력을 캘리브레이트하는 이러한 능력은, 전류 캘리브레이션 값들이 가변 LED 드라이버 회로들(780)에 추가하여 가변 LED도 보상할 것이기 때문에 LED 컨트롤러(760)가 엄격한 밝기 캘리브레이션 테스트를 통과하지 못한 가격이 싼 LED들을 이용할 수 있도록 허용한다.
LED 컨트롤러(760)의 사용자들은 사용자들에게 이용가능한 다양하고 상이한 애플리케이션 특정 특징들에 대한 한 세트의 사용자 액세스가능 퓨즈들을 프로그래밍할 수 있다. 예컨대, LED 컨트롤러(760)는 공통 애노드 LED들 또는 공통 캐소드 LED들 중 하나와 동작하도록 설계될 수 있다. 에러들에 대해 데이터 프레임들을 테스트하기 위해 CRC 값을 사용하는 것은 퓨즈에 의해 특정될 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이, 한 세트의 장치 어드레스 퓨즈들이 또한 사용자 프로그램가능할 수 있다.
드문 경우로서, 집적 회로내의 다양한 소자들이 열 또는 다른 이유로 인해 옮겨지는(migrate) 경우, 연소된 퓨즈는 나중에 연소되지 않은 것으로 보여질 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, LED 컨트롤러(760)에 행해진 퓨즈 프로그래밍에는 오류가 생길 수 있고, 이에 따라 장치가 부정확하게 동작하게 될 수 있다. 이러한 것이 발생하는 것을 방지하기 위해, 일 실시예는 ECC(error correcting coding) 스킴을 구현하기 위해 연소될 수 있는 여분의 퓨즈를 허용한다. 따라서, 퓨즈가 연소되지 않으면, 어느 퓨즈가 변했는지를 판정하고, 이에 따라 LED 컨트롤러(760)의 동작을 조정하기 위해, ECC가 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 개시된 시스템의 몇몇 실시예들은, LED 라인 드라이버가 LED 유닛으로부터의 상태를 요청하는 것을 허용할 수 있고, 이에 따라 LED 유닛은 요청된 정보로 상태 요청에 응답할 것이다. 유사하게, 몇몇 실시예들은 LED 유닛들이 커맨드를 수신한 후에 수신 확인을 제공하도록 할 수 있다. 상태 요청에 응답하기 위해(또는 수신 확인을 제공하기 위해), 데이터 프로세싱 코어(740)는 파워 시스템(720)에게 자신의 션트 회로가 특정 시간 윈도우동안 LED 라인 드라이버에 의해 검출될 수 있는 방식으로 동작하도록 요청할 수 있다. 어느 LED 유닛(750)이 응답하는지를 판정하기 위해, LED 라인 드라이버는 한번에 단지 한번의 요청을 할 수 있거나, 또는 그 안에서 응답하기 위해 각각의 LED 유닛(750)에 대해 상이한 시간 윈도우를 제공할 수 있다. 션트 회로로 시그널링하는 다른 방법은 파워 시스템이 언션트 및 션트 동작들의 고 주파수 버스트를 수행하도록 하여 LED 라인 드라이버가 주파수를 검출할 수 있도록 하는 것이다.
다시 도 7을 참조하면, LED 컨트롤러(760)의 최종 회로 블록은 LED(781)를 구동하기 위한 LED 드라이버 회로(780)를 포함하는 회로 블록이다. LED 컨트롤러(760)상의 각각의 LED 출력에 대해 독립적인 LED 드라이버 회로가 존재한다. 도 7의 실시예에서, 4개의 상이한 LED(781)를 구동하기 위한 4개의 상이한 LED 드라이버 회로들이 존재한다. 그러나, 다른 실시예들은 상이한 수의 LED(781)를 핸들링하기 위한 LED 드라이버 회로들을 포함한다. 도 7에 도시된 특정 실시예에서, LED(781)는 공통 캐소드 구성으로 배선된다. 공통 애노드 구성에서, LED 심볼은 다른 방향으로 향하게 될 수 있다.
각각의 독립적인 LED 드라이버 회로는 디지털 회로부 및 아날로그 회로부 양쪽 모두를 갖고 있다. 디지털 회로부는 데이터 프로세싱 코어(740) 및 컨트롤 레지스터 & 퓨즈(741)와 인터페이스한다. 디지털 회로부는 얼마나 많은 파워를 LED가 수신해야하는지를 표시하는 세기 값을 특정하는 디지털 정보를 수신한다. 이 세기 값은 다음에 다양한 팩터에 따라 조정되고, 정전류 출력을 구동하는데 이용된다. 아날로그 LED 드라이버 회로는 파워 시스템(729)으로부터 전류 기준을 수신하고, 관련 장치를 실제로 구동하는데 이용될 수 있는 정전류를 생성한다.
LED 드라이버 회로의 디지털부는 관련된 LED가 파워온 및 파워오프되는 때를 정확하게 컨트롤한다. 어떻게 LED를 적절하게 구동하는지 판정하기 위해, 디지털부는 구성 정보를 위해 컨트롤 레지스터 & 퓨즈(741)를 참고한다. 컨트롤 레지스터 & 퓨즈(741)는, LED가 동작하도록 허용되었는지, LED가 전류를 싱크(sinking) 또는 소싱(sourcing) 하는지(도 7에 도시된 공통 애노드 모드 또는 공통 캐소드 모드를 이용하여), LED에 대한 전류 트림/트위크(trim/tweak) 값이 무엇인지, LED가 지연 팩터를 턴온하는지 등과 같은 몇몇 상이한 파라미터들을 특정할 수 있다. 이러한 LED 구성 정보는, 어떻게 LED가 구동되는지를 판정하기 위한 LED 세기 값(LED가 턴오프되는 경우 0이 될 수 있음)을 특정하는 LED 컨트롤 데이터 프레임내에서 수신된 LED 컨트롤 정보와 결합된다. 다양한 상이한 출력 변조 시스템들이 LED를 구동하기 위해 이용될 수 있다.
퓨즈에 의해 지정되는 고정 전류 트림/트위크 값에 부가하여, LED 드라이버 회로(780)는 또한 동적으로 LED에 대한 전류를 조정할 수 있다. 예컨대, 온도 센서 회로의 출력은 LED 드라이버 회로(780)에 제공될 수 있다. LED 드라이버 회로(780)는 다음에 주위 온도에 응답하여 LED로 제공되는 전류를 조정할 수 있다. 이러한 방식에서, LED 드라이버 회로(780)는 LED 및 LED 드라이버 회로 자체의 성능에 영향을 줄 수 있는 온도 차이를 조정할 수 있다. 각각의 개별적인 LED 유닛이 내부 온도 센서를 갖도록 함으로써, 개시된 시스템은 픽셀-바이-픽셀 기초로 적절한 교정을 허용함을 주목한다. 따라서, 햇빛이 몇몇 LED 유닛에 비추고 다른 LED 유닛에는 비추지 않는 경우(그림자로 인해), 각각의 개별적인 LED 유닛은 그 자신의 로컬 조건에 기초하여 적절한 교정을 하게 된다.
종래의 PWM(pulse width modulation) 실시예에서는, 출력 파워는 정의된 시간 주기 동안 펄스 출력의 폭에 의해 결정된다. 예컨대, 도 10a는 16개의 타임 유닛들의 시간 주기를 정의하고, 어떻게 4개의 비트 세기 값이 그 시간 주기상에서 펄스 폭 변조 파워로 표현되는지를 정의한다. 세기가 제로("0000")이면, 펄스는 없다. 세기 값이 1("0001")이면, 하나의 타임 슬롯의 폭을 갖는 펄스가 출력된다. 세기 값이 2("0010")이면, 2개의 타임 슬롯의 폭을 갖는 펄스가 출력된다. 그리고, 15("1111")의 세기에 이르면, 15개의 타임 슬롯 폭인 펄스가 출력된다. 도 10a를 참조하여 기술된 종래의 펄스 폭 변조는 본 명세서의 LED 컨트롤러 유닛의 LED 드라이버 회로(780)내에서 이용될 수 있다. 그러나, 몇몇 장점을 제공하는 "RFM(reduced flicker modulation)"으로 명칭되는 새로운 출력 방법이 또한 이용될 수 있다.
RFM(reduced flicker modulation) 시스템은 종래의 펄스 폭 변조 시스템에 비해 적어도 3개의 장점을 제공한다. 구체적으로, RFM 시스템은, (1) 스위칭(스위치 온 및 스위치 오프) 주파수를 더 높은 주파수 범위로 증가시키고, 이에 따라 감지가능한 플리커를 감소시키며, (2) 시간에 걸친 전기 전류 사용을 확산시키며, 이에 따라 피크 파워 요구를 감소시키며, (3) 다양한 데이터 의존 패턴들이 주목할만한 방식으로 출력에 영향을 주는 것을 방지하는 랜더마이제이션(randomization)을 도입한다. 전류 사용을 확산시키는 것은 제한된 파워 가용성을 갖는 시스템에서 중요하다. 예컨대, 평균적으로 (캐패시터에 의해 버퍼링되는) 이용가능한 140 밀리암페어(milliamp)의 전류만이 존재하고, 각각의 세트가 60%의 듀티 사이클에서 100밀리암페어의 정전류에서 동작하는 2개의 LED가 존재하는 경우, 평균적으로 충분한 전류가 존재한다. 그러나, PWM 시스템이 LED를 구동하는데 이용된 경우, PWM이 LED 양자 모두를 동시에 적어도 시간의 10% 동안 온 시킬 것이며, 이 시간 동안 2개의 LED는 결합된 200밀리암페어를 인출하고, 따라서 평균적으로 이용가능한 것보다 더 많은 전류를 인출하게 된다. RFM 시스템으로, 전류 사용은 시간에 걸쳐 더 균등하게 확산되고, 이에 따라 2개의 LED는 평균적으로 이용가능한 것 보다 더 많은 전류를 인출하지 않고, 따라서, 라인으로부터 전류 공급을 오버로딩하는 것을 피하게 된다.
스위칭 주파수를 증가시키고, 전류 사용을 더 균등하게 확산시키기 위해, RFM 변조 시스템은 실질적으로 주어진 시간 주기 동안 PWM 시스템과 동일한 수의 타임 유닛에 대해 정전류 출력을 제공하지만, 정전류가 턴온되는 때의 타임 유닛은 시간 주기에 걸쳐 더 균등하게 분배된다. 도 10b는 감소된 플리커 변조가 도 10a의 PWM 예의 동일한 에너지 출력에 대한 정전류 펄스를 출력하는 방법을 도시한다.
도 10b의 출력 패턴을 생성하기 위해, 각각의 비트 위치와 관련된 도 10c의 4개의 패턴들은, 세기 값의 각각의 비트 위치가 온 되는 경우 논리적 OR가 될 수 있다. 예컨대, 세기 값 9("1001")가 특정되었다면, 최상위 비트 위치("1000")와 관련된 패턴 및 최하위 비트 위치("0001")와 관련된 패턴은 도 10c에 도시된 바와 같이 함께 논리적 OR 될 수 있다.
도 10a의 펄스 폭 변조 시스템의 출력과 도 10b의 감소된 플리커 변조 시스템의 출력과 비교하는 경우, 더 많은 개별적인 펄스들이 감소된 플리커 변조 시스템으로 파워를 출력할 때 시간 주기 당 발생함을 알 수 있다. 구체적으로, 도 10a의 펄스 폭 변조 시스템에 있어서, 각각의 시간 주기 동안 단지 하나의 정전류 펄스가 존재하고, 이에 반해 시간 주기에 걸쳐 더 균등하게 에너지를 확산시키는 감소된 플리커 변조 시스템은 복수의 정전류 펄스를 갖는다. 이들 시스템 중 하나에서 생성되는 각각의 정전류 펄스는 완벽하게 형성된 이상적인 직각의 펄스가 아니다. 도 10d는 점선으로 그려진 이상적인 전류 펄스의 클로즈업을 도시하고, 굵은 실선으로 그려진 더 현실적인 전류 펄스를 도시한다. 도 10d에 도시된 바와 같이, 정전류 펄스의 상승 및 하강 시간은 이상적 직각 펄스에 도시된 바와 같은 0이 아니다. 실제 정전류 펄스에서, 상승 시간은 일반적으로 하강 시간 보다 더 길다. (이 상승 시간의 길이는 본 명세서에서 "LED 턴온 지연"으로 명칭된다.) 따라서, 실제 정전류 펄스 동안의 에너지 출력의 양은 이상적인 직각 정전류 펄스 동안 출력되는 에너지의 양보다 적을 것이다. 따라서, 이 감소된 에너지 출력은 LED 출력이 원하는 것보다 덜 강렬하게 만든다. 이러한 영향이 보상되지 않으면, 세기 출력 스케일에서 비선형성이 존재하게 된다.
이러한 영향을 보상하기 위해, LED 드라이버 회로(780)의 디지털 회로는 발생하는 정전류 펄스의 수를 카운트하고, 지정된 복수의 정전류 펄스 이후에 여분의 정전류 펄스 타임 유닛을 부가한다. 예컨대, 단일 타임 유닛의 실제 정전류 펄스가 단일 타임 유닛의 이상적 직각 정전류 펄스 보다 5% 적은 에너지를 출력하면, 발생하는 모든 20개의 펄스에 대해, 20 x 5%는 100%와 동일하거나, 또는 전체 타임 유닛 펄스가 분실되었으므로, 정전류의 여분의 타임 유닛이 부가될 것이다. 일 실시예에서, 조정가능한 LED 턴온 지연 값은 각각의 펄스상에서 손실된 에너지의 양의 표시를 저장하기 위한 것이다. LED 턴온 지연 값은 각각의 정전류 펄스 이후에 관련된 LED에 대한 누산기에 부가된다. 누산기가 오버플로우하면, 여분의 타임 유닛이 손실된 에너지를 보상하기 위해 LED "온" 시간에 부가된다.
클록킹 및 데이터 추출기 블록(730)의 설명에 개시된 바와 같이, LED 컨트롤러(760)는 디지털 회로를 구동하는데 이용되는 코어 클럭 신호를 생성하기 위해 프리 러닝 내부 링 오실레이터를 이용할 수 있다. 고속의 프리 러닝 링 오실레이터 클럭은 몇몇 클럭 지터를 나타낼 수 있다. 코어 클럭을 생성하기 위해, 고속의 프리 러닝 링 오실레이터 클럭은 디지털 PLL(phase-locked loop)에 의해 컨트롤되는 N카운터에 의한 분할로 감소된다. 코어 데이터 클럭을 생성하기 위해 디지털 PLL을 사용하는 것은 코어 클럭에 몇몇 양자화 에러를 도입시킬 것이다. 이러한 결과로 인해, 내부 코어 클럭은 각각의 코어 클럭 사이클에 대해 약간 다른 시간 길이를 가질 수 있다. 코어 클럭이 LED 출력을 구동하는데 이용되므로, LED 온 타임 유닛은 또한 이러한 약간 다른 시간 길이를 가질 것이다.
LED 온 타임들의 이러한 작은 클럭킹 부정확성이 클럭킹 부정확성과 서로 맞게 LED 컨트롤 데이터 패턴과 결합된 때, LED 출력이 현저히 영향을 받을 수 있는 식으로 그 영향이 과장될 수 있다. LED 출력 성능에 악영향을 주는 식으로, LED 온/오프 데이터 패턴과의 결합으로부터의 임의의 이러한 작은 클럭킹 결함을 방지하기 위해, LED 출력들의 턴 온 및 오프의 랜더마이제이션이 LED 온/오프 데이터 패턴에 도입된다. 구체적으로, LED가 턴 온될 시간들은 시구간 내를 랜덤하게 이동할 수 있다.
구체적으로, 각각의 LED를 통해 동일한 양의 전류를 얻기 위해 과도한 전압을 열로서 번 오프함으로써 상이한 LED들에 제공되는 전압을 주의 깊게 조절하는 대신에, 시스템은 상이한 LED들 간의 제조 차이들로 인해 각각의 LED를 지나는 전류들의 양이 상이할 수 있더라도 동일한 전압을 상이한 LED들에게 제공할 수 있다. 전류 차이들을 균등하게 하기 위해, 대응하는 상이한 레이트들의 전류 펄스들이 각각의 LED에게 제공될 수 있다. 더 낮은 전류를 갖는 LED들은 더 높은 레이트의 전류 펄스들을 수신할 것이다. 따라서, 과도한 에너지를 비효율적으로 번 오프하는 식으로 전류를 균등하게 하는 대신에, 상이한 LED들은 각각의 LED에게 제공되는 전류 펄스들의 레이트를 조정함으로써 균등하게 될 것이다.
도 7의 LED 유닛들(750)의 세트에 결합된 도 4a의 LED 라인 드라이버 회로(425)는 낭비되는 파워의 양을 최소화하는 매우 효율적인 LED 조명 시스템을 형성한다. LED 라인 드라이버 회로(425)에서, 메인 라인 드라이버 FET(461)는 매우 적은 파워를 열로서 소모하도록 항상 완전한 온 또는 완전한 오프이다. 개별 LED 유닛들(750)에서, 로컬 파워 시스템(720)은 LED 유닛의 로컬 서플라이 캐패시터가 충전될 때 라인 전류를 션트하여 라인상의 다음의 LED 유닛으로 전류 모두가 지나게 한다. 각각의 개별 LED 유닛(750) 내에서, 컨트롤 회로는 LED 드라이버 회로(780)가 인에이블된 LED들(781)로의 파워의 대부분을 소모하도록 최소 파워를 이용한다. 그러므로, 전체 컨트롤되는 LED 조명 시스템은 매우 효율적이다. 이 시스템은 LED들이 오프인 때 매우 제한된 파워만을 드로우한다. 그리고, LED들이 온인 때, 이 시스템은 매우 적은 파워를 소모한다.
도 7의 실시예에 도시된 바와 같이, 각각의 LED 유닛은 네 개의 상이한 LED를 컨트롤하지만, 다른 실시예들은 상이한 수의 LED들을 구비할 수 있다. 파워 이용을 더 최적화하기 위해(또한 비용을 더 줄이기 위해), N개의 LED들 각각을 컨트롤하는 세 개의 LED 유닛의 그룹들은 세 개의 LED 유닛 각각이 단일 컬러를 지원하게 함으로써 N개의 픽셀들(각각 적색, 녹색 및 청색 LED들을 가짐)을 구현하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 도 7의 실시예에 있어서, 네 개의 독립적인 픽셀들은 각각의 LED 유닛이 동일한 컬러의 네 개의 LED를 컨트롤하게 함으로써 생성될 수 있다. LED 유닛들의 이러한 전개는 상이한 컬러의 LED들이 상이한 양들의 파워를 필요로 하며 각각의 LED 유닛이 특정한 컬러의 LED들(적색, 녹색 또는 청색)을 지원하는데 필요한 파워만을 드로우할 것이기 때문에 파워 이용을 더 최적화할 것이다.
개선된 컬러 시스템들
대안적인 실시예에서, 개별 LED 유닛들은 픽셀 회로들로서 구현될 수 있는데, 여기서 LED 유닛들에는 컬러 데이터가 제공되어 적색, 녹색 및 청색 LED들로 이루어진 컬러 픽셀들을 구동한다. 각각의 LED 유닛은 하나 이상의 픽셀을 컨트롤할 수 있다. 픽셀 회로들은 픽셀 회로에 의해 컨트롤되는 각각의 픽셀에 대한 컬러/밝기 정보를 수신할 것이다. 픽셀 회로들은 다음의 스킴들을 포함하는 다수의 상이한 컬러 인코딩 스킴들 중 어느 하나를 이용하여 동작할 수 있다:
YUV 또는 YCrCb 또는 YPbPr 컬러스페이스들
RGB (Red, Green 및 Blue) 컬러스페이스
HSV (Hue, Saturation 및 Value) 컬러스페이스
CMYK (Cyan, Magenta, Yellow 및 blacK) 컬러스페이스
픽셀 회로는 원하는 컬러를 생성하기 위해 수신된 컬러 정보를, 적색, 녹색 및 청색 픽셀들의 세트를 구동하는데 필요한 값들로 변환한다. 매우 정확한 컬러들을 생성하기 위해, 각각의 개별 픽셀 회로는 LED들에 제공되는 전류 및 그 전류의 온도를 고려할 수 있다. 픽셀 회로는 LED에 제공될 전류 및 그 전류의 온도에 따라서 각각의 컬러의 LED에 대한 출력 세기 값들을 조정할 것이다.
픽셀 레벨에서 컬러스페이스 변환을 수행하는 디스플레이 시스템은 몇몇 이점들을 제공한다. 디스플레이 정보를 제공하는 시스템은 이미지 데이터를 제공하는 시스템이 컬러스페이스 변환을 수행할 필요가 없기 때문에 간결하게 될 수 있다. 대신에, 그 컬러스페이스 변환은 픽셀 광이 생성되는 위치에서 수행된다.
또한, 픽셀 광원에 전 컬러 정보를 제공하는 시스템은 원래의 컬러스페이스가 직접 이용될 수 있기 때문에 더 높은 품질의 출력을 제공할 수 있다. 예컨대, YCbCr 컬러스페이스는 RGB 컬러스페이스가 많은 상호 리던던시를 갖기 때문에 RGB 컬러스페이스보다 더 효율적이다. 더욱이, 컬러 변환 프로세스 동안에 도입되는 양자화 에러가 존재하지 않는다. 따라서, 픽셀 광 렌더링 시스템에게 YCbCr 인코딩된 컬러 정보 모두를 제공함으로써, 픽셀 광 렌더링 시스템(픽셀 회로)은 전 컬러 정보를 이용하여 가장 정확한 컬러 재생을 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템은 정확히 원하는 전류를 얻도록 주의 깊게 조정되지 않은 전압원을 제공하지만 대신에 거의 원하는 전류를 제공하는 전압원을 효율적으로 제공함으로써 에너지 효율을 개선할 수 있다. 이러한 시스템에 있어서, LED의 방출 스펙트럼이 영향을 받을 수 있다. 전술한 바와 같이 컬러 컨트롤을 수행하는 픽셀 회로에 있어서, 컬러 회로는 LED에 제공되는 전류에 응답하여 컬러 출력을 조정할 수 있다. 따라서, LED에 제공되는 전류가 LED의 컬러 출력을 변하게 한다면, 컬러 출력에서의 그 변화는 컬러 컨트롤 회로에 의해 고려되어 적절한 최종 컬러 출력을 생성하기 위해 그 픽셀에 대한 LED들 모두의 출력을 조정할 수 있다. 이런 식으로, 컬러 픽셀을 생성하는데 이용되는 상이한 컬러 LED들에 실제로 제공되는 전류는 각각의 컬러 LED에 대한 적절한 출력 세기를 결정하는 컬러 회로에 대한 입력이 된다.
자동화된 어드레싱 시스템
전술한 바와 같이, 개별 LED 컨트롤러 유닛들(도 7에서 760) 각각은 단일의 드라이버 라인상의 개별 LED 컨트롤러 유닛들 모두가 개별적으로 컨트롤이능하다면 고유한 어드레스가 주어져야 한다. 이것은 드라이버 라인상의 단일의 개별 LED 컨트롤러 유닛에 LED 라인 드라이버를 결합하고 또한 그 어드레스 퓨즈들을 특정한 어드레스 값들로 번하게 하는 커맨드를 LED 라인 드라이버로부터 단일의 LED 컨트롤러 유닛으로 전송함으로써 수행될 수 있다. 그 후, 각각이 고유한 어드레스들을 갖는 일련의 LED 컨트롤러 유닛들은 특정한 패턴으로 단일의 드라이버 라인상에서 연속적으로 서로 결합되어 알려진 시퀀스대로 개별적으로 컨트롤이능한 LED 컨트롤러 유닛들을 갖는 드라이버 라인을 생성할 수 있다.
LED 컨트롤러 유닛들의 이러한 스트링들의 생성을 간결하게 하기 위해, 어드레스 프로그래밍 로직은 "홀 효과" 센서의 추가에 의해 개선될 수 있다. 홀 효과 센서는 로컬 자계를 검출할 수 있는 전기 센서이다. 어드레스 프로그래밍 로직을 개선하기 위해, 홀 효과 센서가 특정한 자계를 검출할 때에만 어드레스 프로그래밍 로직이 활성화되게 하는 식으로 홀 효과 센서를 추가할 수 있다. 따라서, LED 컨트롤러 유닛이 정의된 자계 내에 있지 않다면, 어드레스 프로그래밍 로직은 동작하지 않을 것이다. 이런 식으로, 어드레스가 아직 번 인되지 않은 몇몇 LED 컨트롤러 유닛들은 동일한 드라이버 라인에 결합될 수 있다. 그 후, 드라이버 라인상의 LED 컨트롤러 유닛들에게 고유한 어드레스들을 제공하기 위해, 각각의 개별 LED 컨트롤러 유닛은 (한번에 하나씩) 적절한 자계 내에 순차적으로 배치될 것이며, 고유한 어드레스를 프로그래밍하게 하는 커맨드는 드라이버 라인으로 보내질 것이다. 하나의 LED 컨트롤러 유닛만이 적절한 자계 내에 있을 것이기 때문에, 그 하나의 LED 컨트롤러 유닛만이 어드레스를 번 인하게 하는 커맨드에 응답할 것이다. 동일한 드라이버 라인상의 다른 LED 컨트롤러들은 어드레스를 번 인하게 하는 커맨드를 무시할 것이다. 따라서, 고유한 어드레스들은 각각의 LED 컨트롤러 유닛을 적절한 자계에 순차적으로 배치하고 그 후 고유의 어드레스를 프로그래밍하기 위한 커맨드를 전송함으로썽 단일의 드라이버 라인상에서 이미 서로 결합되어 있는 각각의 LED 컨트롤러 유닛으로 프로그래밍될 수 있다.
응용 개요
앞선 섹션들에서 기재되고 도 2a에서 도해된 단일 와이어 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템은 매우 다양한 응용들에서 이용될 수 있다. 가장 기본적인 응용들 중 하나에서, 개별로 컨트롤되는 라이팅 유닛들(250)의 스트링이 일련의 크리스마스 트리 라이트들의 스트링과 같은 간단하게 컨트롤되는 장식용 라이팅 시스템으로서 배치될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 드라이버 라인(221)은 전기적 파워를 전달하는 것과 더불어 스트링에 기계적 구조를 제공하여, 인코딩된 컨트롤 데이터를 제공하고, 전류 기준 값을 제공하고 개별 LED 유닛들(250)에 대한 히트 싱크(heat sink)로서 동작하는 절연 와이어일 수 있다. 이와 같은 배치에서, 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)은 다양한 여러 라이팅 패턴의 세트를 갖는 작은 마이크로 컨트롤러일 수 있다. 이 라이팅 패턴들은 마스터 LED 마이크로 컨트롤러 시스템(230)을 프로그램하는 사람의 상상력에 의하여만 제한된다. 예시들은 이하를 포함한다: 색채들의 스펙트럼을 갖는 솔리드 라이팅(solid lighting), 여러 색채를 갖는 다양한 여러 깜박이는 라이트 패턴, 광원이 스트링으로 이동하는 것처럼 나타나도록 하는 LED 유닛들의 점진적인 활성화(progressive activation) 등.
앞선 섹션들에서 기재된 단일 와이어 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템에 대한 무한개에 가까운 가능한 응용들은 본 문서의 범위를 벗어난다. 그러나, 이하의 섹션들은 개시된 시스템에 대한 많은 가능한 응용의 서브세트를 제공할 것이다.
컨트롤되는 라이팅 응용들
본 문서의 배경기술에서 기재된 바와 같이, LED들은 많은 전통적인 라이팅 응용들에서 이용되고 있다. 이 이용에 대한 가장 큰 이유들 중 두 가지는, LED들의 에너지 효율과 LED 라이팅 시스템들에 대한 매우 낮은 유지비로 해석되는 LED들의 견고함이다. (LED들은 필라멘트 기반 백열 전구들 또는 심지어 소형 형광 전구들만큼 자주 교환될 필요가 없다). 그러나, LED 기반 라이팅 시스템들의 더 높은 가격은 이들의 배치를 제한하여 왔다. 본 개시의 단일 와이어 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템은 LED 기반 라이팅 시스템들의 비용을 줄이면서 동시에 LED 기반 라이팅 시스템의 피처 세트(feature set)를 개선한다. 따라서, 본 개시의 단일 와이어 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템은 LED 기반 라이팅 시스템들에 대한 시장을 확장시킬 수 있다.
본 개시의 단일 와이어 다중 LED 파워 서플라이 및 컨트롤 시스템은 LED 기반 라이팅 시스템들의 설계, 제조, 및 설치의 배선 복잡도를 줄임으로써 LED 기반 라이팅 시스템들의 비용을 줄인다. 특히, 단일 드라이버 라인[및 회로를 완성하는 자신의 리턴 피드(return feed)]은 LED 기반 라이팅 시스템을 구성하는 데에 요구되는 배선을 크게 단순화한다. 도 2a에서 도해된 바와 같이, 가능한 일 실시예는 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230), 파워 서플라이(210), 및 LED 라인 드라이버(220)의 기능들을 단일 LED 드라이버 시스템(239)으로 결합하여 오직 단일 드라이버 라인(221)[및 자신의 리턴 와이어(229)]이 많은 개별로 컨트롤되는 LED 유닛들(250-1 내지 250-N)을 구동하도록 한다. 이런 방식으로, 라이팅 시스템의 제조가 크게 단순화된다. 하지만, 도 2a의 LED 라이팅 시스템은 (각각이 여러 색채의 다중 LED를 갖는) 모든 LED 유닛(250)이 개별로 컨트롤되어 정교한 다중 색채 패턴들이 생성될 수 있도록 허용한다.
도 11a 내지 12는 본 개시의 교시사항들을 이용하여 구성될 수 있는 가능한 LED 라이팅 시스템들의 블록도들을 도해한다. 이들은 단지 본 개시의 교시사항들을 이용하여 창작될 수 있는 셀 수 없는 가능한 라이팅 픽스쳐(fixture)들 중 두 개의 예시라는 것을 알아야 한다.
도 11a의 실시예에서, LED 라이팅 시스템은 두 개의 유닛으로 나누어져 왔다: LED 라이팅 픽스쳐(1125)와 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130). 도 11a의 실시예는 전통적인 AC(alternating current) 라이팅 환경들에서 이용될 수 있다. LED 라이팅 픽스쳐(1125) 부분은 전형적으로 스위칭된 AC 전류에 의해 컨트롤되는 전통적인 라이팅 픽스쳐처럼 설치될 수 있다. 그러나, 전통적인 라이트 스위치 대신에, 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)이 스탠드 온/오프 스위치가 통상적으로 놓이는 곳에 놓인다.
마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)은 파워 서플라이, 마이크로 컨트롤러, 사용자 인터페이스, 및 파워 라인 데이터 인코더를 포함한다. 사용자는 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)상의 사용자 인터페이스와 상호작용하여 컨트롤 명령들(턴 온, 턴 오프, 라이트들을을 파란색으로 설정, 무지개 패턴들을 디스플레이 등)을 제공한다. 마이크로 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더는 그 후, 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)을 LED 라이팅 픽스쳐(1125)에 결합하는 파워 라인에 컨트롤 명령들을 변조한다. 다양한 여러 잘 알려진 파워 라인 데이터 변조 시스템이 이용될 수 있다.
도 11a에서 도해된 가능한 일 실시예에서, 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)상의 사용자 인터페이스는 다이얼들(dials)의 쌍을 포함할 수 있다. 제1 밝기 다이얼(1135)은 LED 라이팅 픽스쳐가 파워 온 될 것인지, 및 얼만큼 밝게 LED들이 조광하여야 하는지를 컨트롤하는 데에 이용될 수 있다. 제2 색상 다이얼(Color Hue dial)(1136)은 LED 유닛들에 대한 특정 색상을 선택하는 데에 이용될 수 있다. LED 라이팅 픽스쳐(1125)가 통상적인 화이트 광원으로서 동작하는 것을 허용하도록 화이트 세팅이 색상 다이얼(1136)상에 놓일 것이다.
마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)은 전통적인 라이팅 픽스쳐로서 설치될 수 있는 LED 라이팅 픽스쳐(1125)를 구동한다. LED 라이팅 픽스쳐(1125) 내의 파워 서플라이 및 데이터 추출기(1110)는 컨트롤 및 파워 라인(1131)으로부터 컨트롤 명령들을 수신하고 복조하고 추출한다. 파워 서플라이 및 데이터 추출기(1110)는 그 후 추출된 컨트롤 데이터와 필요한 파워를 LED 라인 드라이버(1110)에게 보내어 본 문서의 앞선 섹션들에서 기재된 바와 같이 일련의 LED 유닛들(1150)을 구동한다.
단일 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)은 다중 LED 라이팅 픽스쳐를 구동할 수 있다. 예를 들어, 도 11b는 실시예를 도해하는데, 여기서 단일 마스터 LED 컨트롤러 및 파워 라인 데이터 인코더 시스템(1130)은, 전통적인 라이트 스위치가 다중 오버헤드 라이팅 픽스쳐를 컨트롤할 수 있는 것처럼 세 개의 LED 라이팅 픽스쳐들(1125, 1126, 및 1127)을 컨트롤한다.
도 12는 무선 컨트롤 시스템으로 컨트롤되는 대안적인 라이팅 시스템 실시예를 도해한다. 구체적으로, 도 12는 LED 라이팅 픽스쳐(1229) 및 무선 LED 컨트롤 트랜스미터(1238)를 포함하는 대안적 라이팅 시스템 실시예를 도해한다. LED 라이팅 픽스쳐(1229)는 전통적인 AC 파워 라이팅 픽스쳐와 동일한 위치에 동일한 방법으로 설치될 수 있다. LED 라이팅 픽스쳐(1229) 내의 파워 서플라이(1210)로의 AC 파워(1211)는 LED 라인 드라이버(1220)와 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1230)에 대해 필요한 DC 파워를 생성한다. [일 실시예에서, 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1230)은 LED 라인 드라이버(1220)로부터 동작 파워를 수신할 수 있다는 것을 알아야 한다.]
마스터 LED 컨트롤러 시스템(1230)은 LED 컨트롤 트랜스미터(1238)로부터 무선 명령을 수신하기 위한 센서 회로(1232)를 포함한다. 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1230)은 LED 컨트롤 트랜스미터(1238)로부터 수신된 명령들을 디코딩하고, 이 명령들을 LED 라인 드라이버(1220)에게 보낸다. 무선 시스템은 블루투스, 적외선 또는 임의의 다른 적절한 무선 데이터 송신 시스템을 이용할 수 있다. 적외선 송신 시스템이 이용되면, LED 컨트롤 트랜스미터(1238)의 기능들은 프로그램가능한 적외선 원격 컨트롤 시스템에 의해 다루어질 수 있다. 따라서, 도 12의 LED 라이팅 픽스쳐(1229)는 홈 시어터 시스템들을 구비한 공간들에서의 이용이 이상적일 것이다. LED 라이팅 픽스쳐(1229)에게 파워를 공급하는 AC 파워(1211)는 전통적인 벽면 라이트 스위치로부터 온 것일 수 있다. 전형적인 사람들의 기대에 맞추기 위해서, 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1230)은 LED 라이팅 픽스쳐에 항상 파워를 공급하여 자신의 디폴트 모드로서의 백색 광을 방출할 수 있다. 이런 방식에서, LED 라이팅 픽스쳐(1229)는, LED 컨트롤 트랜스미터(1238)가 이용되지 않는 경우에 평범한 라이팅 픽스쳐처럼 동작할 것이다.
스테이지 라이팅 시스템들을 위한 LED 스트링 기술 이용
음악 콘서트들 및 스테이지 연극들은 라이브 공연의 연출을 개선하기 위해 특수 라이팅 시스템들을 이용한다. 스테이지 라이팅을 위한 라이팅 하드웨어 및 컨트롤 시스템들을 개발하고 판매하는 데에만 전념하는 전체 산업이 있다. 여러 컴포넌트 간의 상호동작을 허용하기 위해, USITT(United States Institute for Theatre Technology)는 DMX512-A라고 알려진, 스테이지 라이팅과 효과들을 컨트롤하는 데에 이용되는 표준 통신 프로토콜을 개발하여 왔다. DMX512-A 통신 프로토콜은 스테이지 라이팅 및 효과 유닛들에게 명령들을 송신하기 위한 EIA-485 기반 시리얼 프로토콜이다.
스테이지 라이팅 시장을 서빙하기 위해서, 본 발명의 교시사항들이 대중적인 DMX512-A 통신 프로토콜과 결부되어 구현될 수 있다. 제1 실시예에서, 변환 유닛이 DMX512-A 통신 프로토콜을 LED 라인 드라이버 유닛에 대한 네이티브 프로토콜로 변환하는 데에 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 2a를 참조하면, 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)이 입력(232)에서 DMX512-A 통신 프로토콜인 명령들을 수신하고, 이 명령들을 번역하고, 그 후 이 명령들을 LED 라인 드라이버 유닛(220)에 대한 네이티브 프로토콜로 보내지는 컨트롤 데이터(231)로 출력하는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU: microcontroller unit)일 수 있다. LED 라인 드라이버 유닛(220)은 그 후 본 문서의 앞선 섹션들에서 기재된 바와 같이 개별로 컨트롤되는 LED 유닛들(250)을 구동한다. 마스터 LED 컨트롤러 시스템(230)은 데이지 체인 배열(daisy chain arrangement)로, DMX512-A 통신 프로토콜 정보를 다음 DMX512-A 기반 장치에게 릴레이(relay)할 수 있다.
본 발명의 교시 내용들은 전용(dedicated) DMX512-A 기반 시스템에서도 이용될 수 있다. 도 13은 DMX512-A 기반 스테이지 라이팅 시스템(1339)을 위한 라인 드라이버(1320)의 전용적 구현을 도시한다. 전통적인 DMX512-A 기반 컨트롤러 시스템(1330)은 DMX512-A 포맷 데이터(1331)를 DMX512-A 기반 라인 드라이버(1320)에 송신하는데 사용될 수 있다. 또한, 동일한 배선이 파워 서플라이(1310)에 전달되는 파워도 전달할 수 있다. 라인 드라이버(1320) 내의 DMX512-A 데이터 인터페이스(1325)는 DMX512-A 프로토콜 포맷 명령들을 수신 및 디코딩한다.
다음으로, 라인 드라이버(1320)는 이 명령들을 번역하고, 번역된 명령들을 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1350)에 파워를 공급하기 위한 전류와 함께 드라이버 라인(1321)에 송신한다. 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1350)은 명령들을 적절하게 수신하고 실행한다. 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1350)은, 단순히 LED들을 다양한 밝기 레벨들로 턴 온 할 수 있는 것 외에도, 부가적인 기능들을 수행할 수 있다는 점에 유념하라. 예를 들어, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1350)은 LED들을 패닝(panning) 또는 틸팅(tilting)하는 것 및 차광판(gobos)을 이용하는 것과 같은 부가적인 구성들을 포함할 수 있다. (차광판은 광원들 앞에 사용되어 라이트 출력에 영향을 미치는 필터들 또는 패턴들이다.)
DMX512-A 데이터 인터페이스(1325)는, 데이지 체인 스트링(daisy-chain string) 내의 다음 DMX512-A 기반 유닛(1327)이 컨트롤 데이터도 수신할 수 있도록, DMX512-A 프로토콜을 출력할 수 있다. 유사하게, 파워 신호들도 파워 서플라이(1310)로부터 다음 DMX512-A 기반 유닛(1327)에 전달될 수 있다.
LED 스트링을 자동차 응용분야에 이용하는 것
자동차들은 다양한 광원들을 갖추고 있다. 예를 들어, 전형적인 자동차는 자동차의 코너들에서의 적어도 4개의 턴 표시 라이트들(turn indicator lights), 2개의 브레이크 라이트들, 돔 내부 라이트들(interior dome lights), 인가 번호판 라이트들(license plate lights), 중앙 장착형 브레이크 라이트(central mounted brake light), 트렁크 라이트들(trunk lights), 엔진 후드 라이트들(engine hood lights), 후진 표시 라이트들(reverse indicator lights) 및 다른 부가적인 라이트들을 가질 것이다. 이러한 상이한 라이트들 각각은 특정한 밝기 및 컬러 요구들로 인해 다른 유형의 전구를 이용할 것이다. 이러한 다양한 라이트들을 구동하기 위해, 다양한 상이한 굵은 배선 설비들(bulky wiring harnesses)이 자동차 곳곳에 라우팅될(routed) 것이다. 수많은 상이한 자동차들 및 자동차 구성들이 존재하므로, 많은 상이한 배선 설비들이 있어야할 필요가 있다. 다수의 상이한 배선 설비들 및 전구들이 비축되어야하기 때문에, 이러한 전통적인 시스템은 물품 관리가 어렵다는 문제를 발생시킨다.
자동차의 배선을 단순화시키기 위해, 이전 섹션에서 서술된 다수의 LED 유닛들의 단일 배선 스트링이 자동차 환경에 사용될 수 있다. 단일 배선은 자동차 곳곳에 라우팅되어 자동차 상에서 모든 다양한 상이한 라이트 출력들(각 라이트 출력에서 여분의 슬랙(slack)을 구비함)을 연결할 것이다. 예를 들어, 단일 배선은 컨트롤 로케이션에서 시작하고, 그 다음 전방 좌측 표시 라이트들, 전방 우측 표시 라이트들, 돔 내부 라이트들, 우측 후방 표시 라이트들, 우측 후방 브레이크 라이트들, 좌측 후방 표시 라이트들, 좌측 후방 브레이크 라이트들, 후진 표시 라이트, 인가 번호판 라이트, 트렁크/해치 라이트들, 및 임의의 다른 필요한 라이트 로케이션으로 라우팅하며, 종국적으로 중앙 컨트롤 로케이션으로 회귀할 것이다. 그런 다음, 광원이 필요한 각 지점에서 배선이 절단되고 컨트롤되는 LED 라이트 유닛(도 2의 250)이 배선에 직렬 방식으로 연결된다.
다음으로, 스트링 상의 모든 라이트 유닛들의 컨트롤이 중앙 컨트롤 유닛(가령, LED 드라이버 시스템(239))에 의해 처리된다. 중앙 컨트롤 유닛은 각 라이트 유닛으로부터 정확히 어떤 라이트(컬러, 밝기 및 이들에 대한 변경들)가 출력되는지를 컨트롤하기 때문에, 동일한 라이트 출력 유닛이 상이한 로케이션들 전부에서 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 중앙 컨트롤 유닛은, 턴 신호 표시 라이트들이 황색으로 깜빡거리고, 브레이크 라이트들이 적색을 출력하며, 후진 표시 라이트들이 백색을 출력하는 것을 보장할 수 있다. 안전성을 부가하기 위해, 하나의 스트링이 고장난 경우에 다른 스트링이 계속 동작할 수 있도록, 2개의 독립적인 스트링들이 병렬로 구동될 수 있다. 심지어 2개의 시스템들이 병렬로 구동하는 경우에도, 그러한 2개의 배선 시스템은 여전히, 전통적인 자동차 전기 설비의 무수한 배선들보다 훨씬 덜 복잡할 것이다.
본 발명의 라이팅 시스템은 완전하게 컨트롤이능하기 때문에, 자동차 내의 중앙 컨트롤 유닛은 자동차 라이팅을, 통상적으로 사용되는 것과는 다른 방식들로 사용할 수 있다. 예를 들어, 자동차가 도난당한 경우, 무선 통신 시스템(셀룰러 전화 네트워크 또는 General Motors, Inc.의 OnStar 네트워크 등)은, 도난당한 자동차가 눈에 띄게 하는 성가시고 두드러진 패턴으로, 라이팅 시스템에 자동차의 모든 라이트들을 깜빡거리도록 지시할 수 있다. 유사하게, 차주가 넓은 주차장에서 자동차를 찾지 못할 경우에 자동차를 찾도록 돕는데 동일한 기술이 이용될 수 있다. 또한, 자동차의 라이트들은 다양한 방식들로 정보를 출력하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 자동차 상의 일렬의 외부 라이트들이 바 다이아그램(bar diagram) 방식으로 배터리 충전 상태(또는 임의의 다른 데이터)를 출력하는데 사용될 수 있다. 또한, 컨트롤되는 라이트 출력은 코딩된 정보를, 길을 따라 배치된 여러 가지 센서들에 출력하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 주차 차고들 또는 톨 부스들은, 입장을 허용하거나 서비스의 사용에 대해 특정 자동차에 과금하기 위해, 다양한 식별 패턴들을 검출하는 센서들을 가질 수 있다.
자동차 구성물 및 자동차 부품 물품 관리를 단순화하는 것 이외에, 본 발명의 LED 스트링 시스템은 매우 에너지 효율적이다. 자동차들이 가솔린에서 종국적으로 전기로 전환함에 따라, 자동차 내의 모든 전기 시스템들의 효율성이 매우 중요하게 되었다. 따라서, 본 발명의 LED 기반 라이팅 시스템은 전기 자동차들 내에 사용하는데 이상적이다. 시스템은 광원으로서 에너지 효율적인 LED들을 사용할 뿐만 아니라, 라이트의 양도 필요성에 따라 세심하게 컨트롤될 수 있다. 예를 들어, 브레이크 라이트들은 낮 동안에도 보이도록 상당한 양의 광을 출력할 필요가 있지만, 밤에는 더 적은 라이트를 출력하도록(그리고 그에 따라 에너지를 절약하도록) 조정될 수 있다.
자동차 애플리케이션들 이외에도, LED 스트링 시스템은 항공기 내의 사용에도 이상적이다. 항공기 내에서, 무게는 핵심 고려 사항이며, 가벼운 LED 스트링 시스템이 최소한의 무게로 라이팅을 제공할 수 있다. 또한, 라이팅은, 동일한 라이팅이 일반 목적의 백색 라이팅, 무드 라이팅, 긴급 탈출 라이팅과 같은 몇 가지 목적들을 위해 사용될 수 있도록 컨트롤된다.
LED 스트링을 모듈러 디스플레이 시스템용으로 이용하는 것
이전 섹션들에서 서술된 단일 배선 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템은 디스플레이 시스템들을 생성하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 2a를 참고하면, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(250)은, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(250)이 디스플레이 시스템 내의 개별 픽셀들로서 컨트롤될 수 있도록, 2차원 패턴으로 배열될 수 있다.
도 14는 예시적 시스템을 도시하는데, 여기서 단일 LED 라인 드라이버(1420)는 8×8의 2차원 어레이로 배열된 64개의 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1450-1 내지 1450-64)을 구동하는데 사용되고 있다. 단일 드라이버 라인 상의 256개의 개별 컨트롤되는 LED 유닛들로는, 16×16 어레이가 생성될 수 있다. (이는 하나의 단순한 예이며, 다른 크기들 및 형상들의 모듈들이 생성될 수 있고 이 모듈들은 임의의 원하는 패턴으로 결합될 수 있다는 점에 유념하라.) 단일 파워 서플라이(1410)는 LED 라인 드라이버(1420)와 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1450-1 내지 1450-64)의 전체 어레이에 파워를 제공한다. 도 14에 도시된 2차원 어레이 시스템의 가장 중요한 양태들 중 하나는, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들(1450-1 내지 1450-64) 전부를 드라이버 라인(1421)에 연결하는데 단지 단일 배선만이 사용된다는 것이다. 이는 도 14의 어레이 시스템을 구성하는 것을 매우 단순하게 한다.
LED 라인 드라이버(1420)는, 픽셀 컨트롤 데이터(1432)를 LED 라인 드라이버(1420)에 송신하는 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1430)에 의해 컨트롤된다. LED 라인 드라이버(1420)를 컨트롤하는 것 이외에, 마스터 LED 컨트롤러 시스템(1430)은, 각각이 그들 자신이 연관된 8×8 어레이들을 구동하는 많은 다른 LED 라인 드라이버들을 컨트롤할 수 있다. 다수의 어레이들을 모듈 방식으로 결합함으로써, 보다 큰 디스플레이 시스템들이 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 15는 보다 작은 2차원 모듈 어레이인 10×8 어레이를 개념적으로 도시한다. 만약 도 15의 배열에 도 14의 8×8 어레이가 사용되었더라면, 전체 디스플레이는 80×64 픽셀이 될 것이다. 각 모듈 유닛 및/또는 더 많은 모듈 유닛들 내에 더 많은 개별 컨트롤되는 LED 유닛들을 이용하여 더 높은 해상도 디스플레이들이 생성될 수 있다.
2차원 디스플레이 시스템들 이외에, 개시된 LED 스트링들은 3차원 패턴으로 배열될 수 있다. LED 스트링들의 3차원 배열로, 3차원 이미지가 생성될 수 있다.
LED 스트링을 스트링 디스플레이 시스템들용으로 사용하는 것
이전 섹션들에서 서술된 단일 배선 다중 LED 파워 및 컨트롤 시스템은 또한, 여러 가지 다른 비 전통적인(non-traditional) 디스플레이 시스템들을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들의 여러 긴 스트링들이 서로 평행하게 걸려서 도 16에 도시된 것과 같은 2차원 디스플레이 시스템을 생성할 수 있다. 각 스트링의 헤드에서, 라인 드라이버 유닛은 단일 라인을 구동하여 스트링 상의 개별 컨트롤되는 LED 유닛들 전부를 컨트롤한다. 라인 드라이버 회로들 전부는 어레이 상에 이미지들을 렌더링하는데 적합한 데이터를 송신하는 단일 마스터 컨트롤러 시스템에 의해 컨트롤될 수 있다. 도 16의 디스플레이 시스템은, 큰 디스플레이 시스템이 필요한 곳이라면 어디든지, 말려서(rolled up) 수송되고, 설치될 수 있다. 다른 실시예에서, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들을 연결하는데 평평한 플렉서블 배선이 사용되기 때문에, 개별 컨트롤되는 LED 유닛들은 전통적인 리트랙팅(retracting)형 반사 프로젝션 스크린과 같은 플렉서블한 시트 상에 장착될 수 있다. 그러한 디스플레이 시스템은 또한, 큰 디스플레이 시스템이 필요한 곳이라면 어디든지, 카페트처럼 말려서 수송되고, 설치될 수 있다.
개별 컨트롤되는 LED 유닛들의 다수의 조정된 스트링들의 배치로, 가상의 임의의 표면(또는 단글링 스트링들(dangling strings)의 경우 비표면(non surface))이 디스플레이 시스템 내에 만들어질 수 있다. 개별 컨트롤되는 LED 유닛들의 다수의 스트링들의 배치는 심지어 임의의 세심한 방식으로 행해질 필요조차 없다. 일부 유형의 2차원 패턴이 생성되는 한, 캘리브레이션 시스템은 2차원 패턴을 식별하고 그 패턴을 캘리브레이팅하는데 사용될 수 있다. 도 17 및 도 18을 참조하여 일례가 제공된다.
도 17을 참조하면, 단계 1710에서, 자유 형식 디스플레이 시스템의 생성은 개별 컨트롤되는 LED 유닛들의 여러 스트링들을 배치하는 것에 의해 시작된다. 스트링들은 LED 스트링들로부터 떨어진 관점에서 보았을 때, 적어도 몇 가지 유형의 2차원 패턴을 생성하는 임의의 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 빌딩은 빌딩의 일면에 부착되는 다수의 상이한 LED 스트링들을 가질 수 있을 것이다. 또한, 다수의 2차원 어레이들이 생성되고 컨트롤될 수 있다. 예를 들어, 밴은, 밴의 2개의 주요 면들이 2차원 어레이들의 역할을 하도록, 다수의 LED 스트링들로 둘러싸일 수 있다.
다음으로, 단계 1720에서, LED 스트링들 전부는 컴퓨터 시스템과 같은 단일 마스터 LED 컨트롤 시스템에 연결될 것이다. 마스터 LED 컨트롤 시스템은, 부착된 LED 스트링들의 수에 대해 통보받고 마스터 LED 컨트롤 시스템이 LED 유닛들 각각을 고유하게 어드레싱하는 것을 허용하는 어드레싱 정보를 제공받을 것이다. 이 시점에서, 마스터 LED 컨트롤 시스템은 배치된 LED 스트링들의 토폴로지에 관한 정보를 가지고 있지 않을 것이라는 점에 유념하라.
다음으로, 단계 1730에서, 캘리브레이션 카메라 시스템이 디스플레이 시스템에 대한 공칭 뷰잉 관점에서 배치된다. 건물의 측면에 부착된 LED 스트링들의 예시의 경우, 양호한 유리한 지점(vantage point)은 그 빌딩으로부터 거리를 가로지르는 인도(sidewalk) 위일 수 있다. 밴(van)의 예시의 경우, 양호한 유리한 지점은 그 밴의 측면으로부터 20피트일 수 있다. (그 밴의 양쪽 측면은 두 개의 상이한 캘리브레이션(calibration) 실행들로 처리될 것임을 유의한다.) 캘리브레이션 카메라 시스템을 위치시킨 후, 단계 1740에서 마스터 LED 컨트롤 시스템은 캘리브레이션 패턴들의 세트를 디스플레이할 것이다. 캘리브레이션 패턴들은, 다양한 LED 스트링들 상에서 모든 LED 유닛의 위치 및 상대적인 밝기를 식별하기 위해 사용된다. 이러한 캘리브레이션은 배치된 LED 유닛들의 2차원 패턴이 식별되도록 해준다. 캘리브레이션 카메라에 의해 보여지지 않는 LED 유닛들(아마도 밴의 다른 측면 상에서 LED 유닛들의 예시에서의 뷰(view)로부터 차단되는 것으로 인함)은 무시된다.
이러한 캘리브레이션 시스템은, 마스터 컨트롤러 시스템과 캘리브레이션 시스템 사이의 연결을 포함하여, 캘리브레이션 시스템에 의해 디스플레이되고 있는 현재 캘리브레이션 패턴과 캘리브레이션 시스템에 의해 캡쳐되고 있는 이미지 사이에서 용이하게 연관될 것이다. 그러나, 컬러 출력, 점멸(blinking) 패턴, 또는 그들의 조합에 의해 각각의 LED 유닛의 어드레스가 전송되는 코딩 시스템은 캘리브레이션 디스플레이들을 캡쳐된 캘리브레이션 이미지들에 일치시키기 위해 또한 사용될 수 있다.
캘리브레이션 패턴들을 캡쳐하고 그 패턴들을 이용하여 각각의 LED 유닛의 상대적인 위치 및 밝기를 식별한 후, 단계 1750에서 그 캘리브레이션 정보는 마스터 LED 컨트롤 시스템에 저장된다. 이 점에서, 마스터 LED 컨트롤 시스템은 2차원 어레이의 모델을 생성하기 위해 사용되는 모든 가시적인 LED 유닛들의 위상(topology)에 관한 정보를 가진다. 마스터 LED 컨트롤 시스템은, 그 모델을 사용하여 이미지들을 바꾸고(translate) 그 후 적절한 메시지들을 LED 유닛들로 송신함으로써, 이미지들을 렌더링할 수 있다. 마스터 LED 컨트롤 시스템은, 선택적 단계 1760에서 설명된 것처럼 캘리브레이션 정보의 서브셋을 개개의 LED 유닛들로 전송함으로써, 캘리브레이션 작업들(duties)의 일부를 개개의 LED 유닛들에게 공유할 수 있다. 예를 들어, 특정 LED 유닛은, 그 LED 유닛을 다른 LED 유닛들보다 덜 밝은 것으로 보이게 하는 캘리브레이션 카메라 시스템의 유리한 지점으로 향하지 않을 수 있다. 이것을 보상하기 위해, 그 특정 LED 유닛에서의 캘리브레이션 데이터는 그 LED 유닛의 밝기를 증가시켜야만 한다는 것을 명시할 수 있다.
LED 스트링들을 배치하고, 캘리브레이션 정보를 캡쳐하고, 그리고 2차원 어레이의 모델을 구축한 후, 자유형(freeform) 디스플레이 시스템은 단계 1770에서의 동작을 위한 준비를 한다. 그러나 둘 이상의 2차원 어레이가 LED 스트링들로 생성되었던 경우, 둘 이상의 디스플레이 시스템이 정의될 수 있다. 예를 들어, LED 스트링들로 덮여진 밴의 경우, 그 밴의 다른 측면 상에서 제2의 유리한 지점을 선택함으로써 제2 디스플레이 시스템이 생성될 수 있다. 따라서, 단계 1765에서, 다른 디스플레이 시스템 모델이 LED 스트링들의 동일한 세트로부터 생성될 수 있도록, 사용자는 다른 2차원 면(즉, 밴의 다른 측면)에 대해 단계 1730 내지 1760을 반복하는 것을 선택할 수 있다.
도 18은, 도 17의 방법을 이용하여 생성된 디스플레이 모델을 가지는 배치된 LED 스트링들의 세트가 비디오 정보를 디스플레이하기 위하여 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 디스플레이 시스템은 그 모델을 이용하여 비디오 정보를 개개의 LED 유닛들로 송신되는 LED 컨트롤 명령들로 바꾼다.
도 18의 좌측에서 시작하여, 컴퓨터 시스템(1810), DVD(1811), HDMI(1812), 블루레이(1813), 또는 다른 비디오 소스를 포함하는 임의의 유형의 적절한 비디오 소스가 프레임 디코더(1820)에 제공된다. 프레임 디코더(1820)는 최초의 비디오 소스를 일련의 디지털 프레임 표현으로 디코딩한다. 프레임 디코더(1820)의 아래는 최초의 비디오 프레임의 개념적인 실례이다.
다음으로, 프레임 스케일러(1830)는 최초의 소스 프레임의 스케일을 디스플레이에 적합한 크기로 조정한다. 예를 들어, 최초 비디오 프레임의 해상도는 보간(interpolation)을 이용하여 축소 또는 확대될 필요가 있을 수 있다. 프레임 스케일러(1830)는 최초 비디오 프레임의 서브셋에만 접속하여 처리될 필요가 있는 비디오 정보의 양을 감소시킬 수 있다. 프레임 스케일러(1830)의 아래는 프레임 디코더(1820) 아래의 최초 비디오 프레임으로부터 크기가 감소된 비디오 프레임의 개념적인 실례이다.
다음으로, 단계 1840에서 소스 비디오의 토포그래피 재맵핑이 발생한다. 자유형 디스플레이 시스템은 종래의 직사각형 비디오 프레임 상에 정확하게 맵핑하는 깔끔한 2차원 어레이를 갖지 않을 수 있을 것이다. 따라서, 이미지 클리핑(image clipping), 프레임 왜곡(distortion), 및 픽셀 보간이 발생하여, 자유형 디스플레이 시스템 상으로 비디오 소스 프레임이 맵핑하도록 할 수 있다. 토포그래피 재맵핑 단계 1840의 아래는 자유형 디스플레이의 비직사각형 형태를 보상하기 위한 왜곡된 프레임의 개념적 이미지이다.
마지막으로, 데이터 배포 시스템(1850)은 수정된 소스 프레임을 스캐닝하고 LED 유닛 명령들의 세트를 생성하여 디스플레이 모델에 따라 적절하게 어드레스된 LED 유닛들로 송신한다. 데이터 배포 시스템(1850)의 아래는 자유형 디스플레이 시스템을 생성하는 다양한 디스플레이 스트링들의 개념적 모델이다. 데이터 배포 시스템(1850)은 LED 업데이트 명령들을 다양한 LED 스트링 컨트롤러들(1880-1 내지 1880-N)로 송신한다. 각각의 최초의 소스 비디오 프레임에 대해 단계 1820 내지 1850을 반복함으로써, 비디오 정보는, 도 17의 방법으로 생성된, (개별적으로 컨트롤되는 LED 유닛들과 함께) LED 스트링들의 세트 및 배치된 LED 스트링들의 모델을 이용하여 생성된 자유형 디스플레이 시스템 상에 디스플레이될 수 있다.
전술한 기술적인 개시는 설명을 위한 것이며, 한정을 위한 것은 아니다. 예를 들어, 상술한 실시예들(또는 그것의 하나 이상의 측면들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 다른 실시예들은 상술한 설명의 검토를 통해 해당 분야의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 특허청구범위의 범위는 첨부된 청구항들을 참고하여, 그러한 청구항들에 주어지는 균등물의 전체 범위에 따라 결정되어야만 한다. 첨부된 청구항들에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "여기에서(in which)"는 각각의 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기에서(wherein)"의 평이한 영어 용어의 동의어로서 사용된다. 또한, 이하의 청구항들에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "포함하는(comprising)"은 확장이 가능하고, 즉, 그러한 용어 이후에 나열된 요소들에 추가하여 요소들을 포함하는 시스템, 장치, 물건, 또는 프로세스는 여전히 그 청구항의 범위 내에 해당하는 것으로 간주된다. 또한, 이하의 청구항에서, 용어 "제1", "제2", 및 "제3" 등은 단순히 부호(label)로 사용되고, 그것들의 대상에 수치적 요건을 부과하기 위해 의도되는 것은 아니다.

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  1. 제1항의 장치
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