TWI226208B - PWM control of LED based arrays - Google Patents

Description

1226208 _ (I) 發明說明續頁 \ / - 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 本發明關於控制LED陣列的光輸出，如使用在顯示及照 明，及更特指具有PWM脈衝型式之驅動電流的控制LED顯 示。 其中一光顯示則從紅、綠和藍發光二極體（RGB LED陣列） 的一陣列之結合輸出產生，從各別發光二極體之光輸出強 度必須緊密地監視及控制以從該陣列獲致一期望的結合 的光。在許多該等陣列之應用例，如LCD監視器，其較佳 為以脈衝寬度調變（PWM)電流脈衝驅動該陣列。經由控制 該形狀、期間及頻率PWM脈衝，該各別LED的光輸出及陣 列可以緊密地控制。 先前控制系統已使用平均光強度之直接測量，及在部份 例也嘗試使用供給至LED的向前驅動電流，用以控制一 RGB陣列的光輸出。及經由處理在PWM脈衝的起端和終端 之電流的漣波電流和電流的上升及下降時間所導致之測 量各別光輸出的困難和電流測量的不準確已限制該先前 控制系統的有效性。 本發明係一 LED陣列的改良控制，其係經由決定一關於 一 LED的峰值光輸出對驅動該LED的一 PWM脈衝的峰值電 流之常數，及將該常數乘以PWM脈衝的平均電流以獲致 LED的平均光輸出的一值來獲得。 在本發明的一種型式，該常數‘則由同步測量LED的峰值 光輸出及驅動該LED的PWM脈衝之峰值電流來決定。該常 1226208 眘明説明績钔 V / 纖_議_|灘繼__議^^ 數則接著由該PWM脈衝的峰值電流區除以該峰值電流輸 出來計算。經由PWM脈衝期間之同步測量其中該脈衝已到 達其完全量值，該脈衝的上升和下降時間不會影響該測量。 決定PWM脈衝的平均電流可以不同方式來完成。在本發 明的一種方式，PWM脈衝是由PWM脈衝對時間得積分電流 來決定。在此方式決定平均電流另減少決定LED的平均光 輸出的上升和下降時間的效應。替代地，該平均電流可以 經由感測PWM脈衝的電流，及經由一低通濾波器通過該感 測器輸出，或一積分器，組態以產生一平均電流訊號來決 定。 對具有PWM脈衝驅動的兩個在時間函數部份重疊的分 立彩色LED，及僅具有單一感測器以測量LED的光輸出， 本發明實務上可同步測量LED之一的峰值光輸出及電流 於PWM脈衝不重疊時，同步測量兩個LED的結合峰值光輸 出及驅動第二個LED的峰值電流於PWM脈衝重疊時，及經 由從兩個LED的結合光輸出摘取第一個LED的光輸出之測 量來決定第二個LED的峰值光輸出。關於每個LED的峰值 光輸出對峰值電流之常數可接著經由將每個LED的峰值 光輸出除以其各別的峰值電流來計算。相同方法可以使用 在執行本發明於具兩個以上分立彩色LED的陣列上。 用以決定平均光輸出的重複率則可以隨著既定應用例 其需要獲得之精確度來決定重複次數。對具有多個LED的 應用例，及單個或多個光感測器，本發明期望使用多工器 硬體或軟體用以協調決定常數及平均電流之不同測量之 (3) 1226208 程序與測：r。在本發明的部份型式，測量的重複率可以決 疋做可測量參數的函數，如LED的溫度，或附著至LED 的散熱片。 我們期望本發明可以實際運用在一裝置如一種方法或 具體例，或電腦可讀取媒體的一碼之具體例。 本發明的先前和其他特徵和優點將隨著示範具體例之 詳細說明及伴隨著附圖之解讀而更清楚。該等詳細說明和 附圖將僅為讀：明本發明之用而非限制，本發明的範疇則隨 著申請專利範圍及等效來界定。 圖1疋根據本發明展示由PWM電流脈衝驅動之一 RGB LED陣列的關係的一訊號圖； 圖2則疋展TF根據本發明用以決定一 led的平均光輸出 的一種方法的一流程圖； 圖3則疋展7F根據本發明用以決定一 LED陣列的第一和 第二LED的平均光輸出的—種方法的一流程圖； 圖4則是圖示根據本發明決^-LED的平均光輸出的-種示範裝置；及 圖5則圖示圖4所描述裝置的詳細細節。 圖1疋根據本發明展示一紅、綠和藍發光二極體（rgb LED)的一陣列的光輸出對以典型白光發射系統内驅動每 一 LED的一 PWM脈衝之關係。請注意，為實務之目的，該 LED的光輸出是直接比例於驅動LED的電流。也應注意， 為了協助描述及瞭解本發明，該所示之pwM脈衝不會展示 任何連波’或失真於脈衝的前端或尾端邊緣為上升及下降 1226208 ⑷ 發明說明讀頁：

\ / ^ ^ V V 時間效應，而這些是可能出現在本發明的實際應用例的。 該等習知本技藝者暸解本發明提供獨特能力以如下述般 作動，即使其中有漣波和上升和下降時間效應。 圖1的驅動紅、綠和藍LED的PWM脈衝期間則各別表示為 ; Dr、Dg、DB及平均電流則表示為IR_av、IG_av、IB.av。在PWM ； 期間，該PWM脈衝Dr、Dg、DB的期間重疊，如時間的一 函數，對PWM期間的一埠。此重疊的結果，其不可能在PWM 期間發現到一個時間，當綠色LED的光輸出可直接經由一 單光感測器朝向接收所有三個LED的光輸出來測量。 圖2描述根據本發明的一種由裝置和碼執行來決定一具 有峰值光輸出的LED之平均光輸出的方法10，而其是當該 LED是由具有一峰值電流及一平均電流的PWM脈衝來驅 動該LED時。該方法包含決定關於LED的峰值光輸出之一 常數12及該PWM脈衝的峰值電流，及將該PWM脈衝的平均 電流14乘以該常數以產生該LED的平均光輸出。 該常數可以經由同步測量16該LED的峰值光輸出及LED 的峰值電流來計算，及計算該常數經由除以18即LED的峰 值光輸出除PWM脈衝的峰值電流。此如圖1經由抽樣脈衝 1A及關聯圖標示為曲線“電流脈衝”及“光感測器輸出”上 二 的“X 1A”所示。該峰值光輸出及峰值電流的同步測量較佳 _ 是在該PWM脈衝的期間DR的一點，其中該脈衝為完全發 展及上升和下降時間效應未呈現時。 決定PWM脈衝的平均電流20可以由不同的方法完成。例 如，PWM脈衝的平均電流20可以經由監視和積分該整個 1226208 _ ⑸ I發明說明績頁 PWM脈衝為一時間函數來決定。此可使用一高速類比對數 位轉換器抽樣電流及平均該抽樣如電腦或微處理器内的 時間函數來完成，如示。 圖4是為產生一如圖1虛線所示平均電流訊號。替代地， 如圖5所示，PWM脈衝的電流可被感測及通過一低通濾波 器86，或一積分器，組態以產生一平均電流訊號，如圖1 的虛線所示。根據本發明的申請專利範圍的範疇，該等習 知本技藝者所習知之方法也可使用以決定PWM脈衝的平 均電流。 該描述方法因此也可實際用以決定圖1 LED的平均光輸 出，其係經由使用抽樣脈衝3A、3B和X3A-B，經由採取同 步測量及決定PWM脈衝的期間DB點的平均電流，此時該 脈衝為完全發展及上升和下降時間效應未呈現，及該脈衝 驅動該綠色LED不會重疊驅動紅色或綠色LED的PWM脈衝 〇 圖3描述一種方法30用以決定第一和第二LED的光輸出 ，每個皆具有一峰值光輸出，係當第一和第二LED經由部 份重疊如時間函數之第一和第二PWM脈衝各別驅動，及第 一和第二LED的輸出經由一接收第一和第二LED的結合光 輸出的單光感測器所測量時。這種方法可使用以決定圖1 綠色LED的峰值和平均光輸出，其中驅動綠色LED的該 PWM脈衝一直彼此或與兩個驅動紅和藍LED的PWM脈衝重 疊。 考量圖1的第一 LED為紅色LED及第二LED為綠色LED。該 1226208 (6) 發明說明績頁： 方法30包含同步測量32該第一和第二（紅和綠）LED在時間 點（ΙΑ，X1A)於第一和第二（紅和綠）PWM脈衝不重疊彼此 為一時間函數之峰值光輸出及♦值電流。該方法另包含當 PWM脈衝驅動第一和第二（紅和綠）LED重疊時在一期間時 間（2A，X2A)同步測量34該第一和第二（紅和綠）LED的峰值 光輸出及驅動第二（綠）LED的PWM脈衝的峰值電流。第二（ 綠）LED的的峰值光輸出則在PWM脈衝不與當PWM脈衝驅 動第一和第二（紅和綠）LED重疊時之其間測得的第一和第 二（紅和綠）LED之結合的峰值光輸出重疊時之期間所測得 的第一（紅）LED的摘取36峰值光輸出所獲得。 當第一和第二（紅和綠）LED的峰值光輸出和峰值電流及 驅動其之PWM脈衝為已知，該關於第一和第二LED的峰值 光輸出和峰值電流之常數可以經由將峰值光輸出除以峰 值電流的計算38，40得之。該驅動每個LED的脈衝的平均 電流可如上述決定42，44，及LED的平均光輸出可以經由 將每個LED的常數乘以驅動該LED的PWM脈衝内平均電流 來決定4 6，4 8。 習知本技藝者瞭解圖1-3所述之方法可使用以決定具有 兩個以上LED由部份重疊如時間函數之PWM脈衝驅動的 陣列之平均光輸出。 圖4和5描述根據本發明用以在該LED經由具一峰值電流 和平均電流的PWM脈衝所驅動時決定具有一峰值光輸出 的一 LED的平均光輸出的一裝置50的示範具體例。該裝置 50則應用於一具有電源54驅動含一紅LED 56，一綠LED 58 1226208 _ (7) 發明說明績頁 ，及一藍LED 60安裝在一散熱片62的RGB LED陣列之白光 源52處。該LED 56，58，60則經由供給PWM電流脈衝以驅 動該等LED的LED驅動器64耦合至電源供應器。

該裝置50包括裝置，一光二極體68，電流感測器70及訊 號控制裝置72以提供訊號至一微處理器74用以決定關於 每一 LED的峰值光輸出至PWM脈衝驅動每個LED的峰值電 流的每一 LED的常數。該等電流感測器70及光二極體68則 組態以同步測量該等LED的56，58，60的一個或多個的峰 值光輸出及PWM脈衝的峰值電流以產生該光。該微處理器 74經由將LED的56，58，60之一的測量的峰值光輸出除以 以峰值光輸出同步測量的LED的峰值電流來決定該常數。

該微處理器74也提供裝置用以決定PWM脈衝的平均電 流，及將驅動RGB LED陣列的PWM脈衝的平均電流乘以其 各別的常數。PWM脈衝的平均電流也可以一電流感測器70 監視該PWM脈衝及積分該相對時間的電流來計算。該電流 感測器70及微處理器74也可使用以抽樣PWM脈衝的電流 一小段時間及使用關於PWM脈衝時間及微處理器74的一 記憶體76所儲存的重複率之資訊來推斷平均電流值。 圖5展示本發明的一種形式其中平均電流是由感測PWM 脈衝的電流，及通過該感測的電流過一低通濾波器86，組 態以提供一平均電流訊號來決定，如圖1的虛線所示。 該記憶體76及微處理器74也可組態以另協助該等常數 的計算。該微處理器74也可包括一控制器78組態以提供控 制訊號至LED驅動器以一種獲得期望光輸出及白光源52的 -12- 1226208 _ (8) I發明說明績頁： 特性之方式來調整PWM脈衝。 一種溫度感測器80也可包括在裝置50内以決定該裝置 50測量LED的平均光輸出及調整PWM訊號以獲致光源52的 期望特性之頻率。當其要使用該裝置50及方法10，40以決 定每個PWM期間的LED的平均光輸出，其也不需要或期望 以決定平均光輸出。其可期望使得微處理器74程式化以週 期決定每個預定期間的平均光輸出，或使得微處理器74 根據記憶體76内儲存的參數於一監督參數如散熱片溫度 超出一預定作動範圍外時決定平均光輸出及調整PWM脈 衝。 圖5展示裝置50的訊號調整裝置72可包括光二極體68及 溫度感測器80的放大器及訊號調整器82。該裝置50也可包 括類比對數位轉換器（ADC)88及一多工器90以協調取本發 明實際應用時需要的同步測量。 本發明也可取根據本發明一裝置内使用的一電腦可讀 媒體之一碼的形式，其在一具有一峰值電流及一平均電流 的PWM脈衝驅動時具有指令以決定具一峰值光輸出的一 LED的平均光輸出。該碼可包括指令用以決定一關於LED 的峰值光輸出及PWM脈衝的峰值電流，及指令用以將該 PWM脈衝乘以平均電流。 該等用以決定常數的指令可包括指令以測量LED的峰 值光輸出及PWM脈衝的峰值電流，及指令用以將該峰值光 輸出除以峰值電流來計算常數。 該碼可另包含指令用以決定PWM脈衝的平均值電流。該 1226208 發明說明績頁！ \ ^ Έ 、 、S 、 、、、 、 、s$ V / ·\ -<m. ： ：.：：;:si：>;-i>:^;>v：v：^ : ':'-· 等指令可包括指令經由以時間積分該PWM脈衝的電流用 以決定平均電流，或替代地經由感測該PWM電流及將該感 測的電流通過一組態以產生一平均PWM電流值的低通濾 波器。 該碼也可包括指令用以決定一第一 LED及一第二LED的 平均光輸出，每個皆具有一峰值光輸出，當第一和第二 LED由第一和第二PWM脈衝各別驅動時，第一和第二PWM 脈衝皆具有一峰值電流及一平均電流，經由決定一關於第 一 LED的峰值光輸出及第一 PWM脈衝的峰值電流的第一 常數，及將第一 PWM脈衝的平均電流乘以第一 LED常數。 若該PWM脈衝不重疊如一時間函數，第二LED的平均光輸 出則經由決定一關於峰值光輸出與驅動第二LED的峰值 電流，及將第二LED常數乘以驅動第二LED的PWM脈衝内 平均電流的常數。 其中驅動第一和第二LED的第一和第二PWM脈衝重疊如 時間之函數，及第一和第二LED的結合峰值光輸出則以一 單光感測器測量，該碼可包括指令以同步測量第一和第二 LED在第一和第二PWM脈衝不重疊時的峰值光輸出及峰 值電流。該碼也可包括指令以同步測量第一和第二LED的 峰值光輸出及驅動第一和第二PWM脈衝的峰值電流於第 一和第二脈衝重疊如時間函數時。該碼可另包括指令用以 經由摘取當第一和第二PWM脈衝不重疊時第一和第二 LED之一所測量的峰值光輸出與第一和第二PWM脈衝重 疊時第一和第二LED之一所測量的峰值光輸出之結合決 -14- 1226208 _ ⑽ I麵就明卿 定另一第一和第二LED的峰值光輸出。 該碼可另包含指令用以決定第二PWM脈衝的電流平均 值。該等指令可包括指令用以經由以時間積分第二PWM 脈衝的電流決定平均電流，或替代地經由感測第二PWM 脈衝的電流，及將該第二電流通過一組態以產生第二PWM ， 脈衝的一平均電流之低通滤波器。 該碼可另包括指令用以決定具有一峰值光輸出的第三 LED的平均光輸出，當第一，第二和第三LED經由第一， 第二和第三PWM脈衝各別驅動，且每個第一，第二和第三 PWM脈衝具有一峰值電流及一平均電流，及其中第一，第 二和第三PWM脈衝部份彼此重疊如時間函數，及另外其中 第一，第二和第三LED的峰值光輸出則以一單光感測器測 量。該碼可另包含指令用以決定關於具有PWM脈衝的峰值 電流之第三LED的峰值光輸出的第三LED常數，及指令用 以將第三PWM脈衝的平均電流乘以第三LED常數。該碼可 另包含指令當第一，第二和第三PWM脈衝不重疊如時間函 數時同步測量第三LED的峰值光輸出及峰值電流用以決 定第三LED常數，及指令用以將第三LED的峰值光輸出除 以第三LED的辛值電流。 ，: 該碼可另包含指令用以決定第三PWM脈衝的電流平均 、 值。該等指令可包括指令經由以時間積分第三PWM脈衝的 電流，或將第二電流通過一組態以產生第三PWM脈衝的電 流平均值的低通滤波器用以決定平均電流。 該碼可另包含指令用以將第三LED常數乘以第三PWM脈 1226208

(11) I v / 議:議_i_爾ι_麵 衝的電流平均值。習知本技藝者瞭解該碼可包括指令用以 將本發明實際應用於具有三個以上led及其他種部份重 疊PWM順序組合。 雖然前述說明已使用本發明的特定示範具體例，但在不 背離本發明的精神和範疇下，許多其他的改變和修正皆為 可行。例如，在此使用之“單光源”則推斷包括幾個感測器 彼此結合作動如單一裝置的配置。在此使用之LED也可包 括作動如一單元之LED陣列。

本發明的範疇僅限於申請專利範圍，及所有在其等效之 意義和範疇内的改變皆含於其中。

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Claims (1)

1. I22^Q§22749號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年7月） 拾、申請專利範圍 1. 一種用以決定一具有一峰值光輸出的LED (56)的平均光 輸出之裝置（50)，該LED是由具有一峰值電流及一平均 電流之PWM脈衝所驅動，該裝置（50)包含用以決定一關 於LED(56)的峰值光輸出及PWM脈衝的峰值電流的常數 之裝置（68，70，72，74)，及用以將PWM脈衝的平均電 流乘以該常數之裝置（74)。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置（50)，其中用以決定該常 數的裝置（68，70，72，74)包含用以決定LED的峰值光輸 出和PWM脈衝的峰值電流之裝置（68，70，72)及用以經 由將峰值光輸出除以峰值電流計算該常數之裝置（74)。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置（50)，用以決定第一和第 二LED (56，5 8)的第一 LED的平均光輸出，每個具有一峰 值光輸出，當第一和第二LED (56，58)各別經由一第一 和第二PWM脈衝所驅動，該第一和第二PWM脈衝皆具有 一峰值電流和一平均電流，該裝置（50)包含用以決定一 關於具第一 PWM脈衝的峰值電流的第一 LED (56)的峰值 光輸出的第一 LED常數之裝置（68，70，72，74)，及用以 將第一 PWM脈衝的平均電流乘以第一 LED常數之裝置 (74) ° 4. 如申請專利範圍第3項之裝置（50)，其中用以決定第一 LED常數的該裝置（68，70，72，74)包含用以同步決定第 一 LED的峰值光輸出和第一 PWM脈衝的峰值電流之裝

   1226208 置（68 ’ 70，72)及用以經由將第一 LED (56)的峰值光輸出 除以第一 PWM脈衝的峰值電流計算該第一 LED常數之 裝置（74)。 5. 如申請專利範圍第4項之裝置（5〇)，其中第一和第二pWM 脈衝DR，DG部份重疊如時間函數及第一和第二LED的峰 值光輸出則以一單光感測器（68)測量，該裝置（5〇)另包 含·· 用以同步測量第一和第二LED (56)之一的峰值光輸 出和峰值電流於第一和第二PWM脈衝DR，DG不重疊如 時間函數之時間點1A之裝置（68，70，72); 用以同步測量第一和第二LED (56，58)的峰值光輸出 和其他第一和第二PWM脈衝的峰值電流於第一和第二 PWNUi衝Dr，Dg重疊如時間函數之時間點iB之裝置（68 ，7〇，72); 用以決定另一第一和第二LED (58)的峰值光輸出之 裝置（68，70，72)，其係從第一和第二PWM脈衝Dr，Dg 重壹時的時間點1B之第一和第二led所測量的峰值光 輸出艾結合摘取在第一和第二pWM脈衝Dr，Dg不重疊 時的時間點1A之第一和第二LED (56)之一所測量的峰 值光輪.出來決定另一第一和第二LED (58)的峰值光輸 出。 6. 如申請專利範圍第5項之裝置（5〇)，另包經由測量第二 PWM脈衝、及同步測量第一和第二咖（56，π)的結合 峰值光輸出以決定第二LED常數之裝置（68，7〇，72，74)

   1226208 及用以將第二LED (58)的峰值光輸出除以第二PWM脈衝 Dg的♦值電流之裝置（74)。 7. 如中請專利範圍第3或5項之裝置（50)，另決定一具有峰 值光輸出的第三LED (60)的平均光輸出，第一，第二和 第三LED(56，58，60)各別由第一，第二和第三PWM脈衝 DR，Dg，DBK驅動，且第一，第二和第三PWM脈衝皆 具有一峰值電流及一平均電流，及其中第一，第二和 第三PWM脈衝Dr，Dg，DB所部份重疊如時間函數及第 一，第二和第三LED (56，58，60)的峰值光輸出以單一 光感測器（68)測量，該裝置（50)另包含用以決定關於具 有第三PWM脈衝DB的峰值電流的第三LED (60)的峰值光 輸出的一第三LED常數之裝置（68，70，72，74)及用以將 第三PWM脈衝DB的平均電流乘以第三LED常數之裝置 (74) 〇 8. 如申請專利範圍第7項之裝置（50)，另包含用以在第一 ，第二和第三PWM脈衝DR，DG，DB不重疊如一時間函 數時之時間點3A同步測量第三LED (60)的峰值光輸出 和峰值電流以決定第三LED常數之裝置（68，70，72，74) ，及用以將第三LED (60)的平均光輸出除以第三LED (60) 的峰值電流之裝置（74)。 9. 如申請專利範圍第1，2或5項之裝置（50)，另包含經由以 時間積分各別PWM脈衝，第一 PWM脈衝，第二PWM脈衝 DG，第三PWM脈衝DB内的電流來決定PWM脈衝内，第 一 PWM脈衝，第二PWM脈衝DG及第三PWM脈衝DB内電

   1226208 流的群組之一的電流平均值之裝置。 10. 如申請專利範圍第9項之裝置（50)，另包含用以將該常 數乘以各別PWM脈衝的第一 PWM脈衝，第二PWM脈衝 Dg及第三PWM脈衝DB内的電流平均值之裝置（74)。 11。 一種電腦可讀取媒體，其上存有用於如申請專利範圍第 1項之裝置之碼，該碼用以決定具有一峰值光輸出的一 LED的平均光輸出及該LED是由具有一峰值電流及一平 均電流的一 PWM脈衝所驅動，該裝置包含指令以決定 一關於該LED的峰值光輸出及PWM脈衝的峰值電流的 常數，及指令用以將該PWM脈衝的平均電流乘以該常