TWI426822B - 數位調光裝置與數位調光方法 - Google Patents

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Description

數位調光裝置與數位調光方法
本發明係有關一種數位調光裝置與調光方法，特別是指一種能確保多串發光元件的發亮時間均勻分布的數位調光裝置與調光方法。
在控制發光元件(例如發光二極體，LED)的電路中，經常需要提供調整亮度(dimming)的功能。當需要控制的為多串發光元件時，先前技術調整亮度的方式有兩種，第一種如第1圖，係以同一調光控制訊號來調整所有發光元件串的亮度，第二種如第2圖，係以不同的調光控制電路來分別調整各發光元件串的亮度。詳言之，在第1圖所示的第一種先前技術中，發光元件控制電路包含一個功率級控制電路21，控制功率級電路22中功率電晶體的切換，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，供應給多個LED通道CH1-CHn。功率級電路22例如但不限於可為第3A-3G圖所示的同步或非同步降壓、升壓、升降壓、反壓、返馳電路。其中，若功率級電路22為第3G圖所示的返馳電路，則通常將功率級控制電路21與調光控制電路23分別整合於不同積體電路之內；在其他情況下，則可將功率級控制電路21與調光控制電路23整合至同一積體電路內。在此種先前技術中，調光控制電路23提供同一調光控制訊號給所有LED通道CH1-CHn，同步控制各通道路徑上的電晶體Q1-Qn。此種先前技術的代表例可參閱美國專利US 7471287。
在第2圖所示的第二種先前技術中，則是以不同的調光控制電路23A,23B,23N來分別調整各發光元件串的亮度。此種先前技術的代表例可參閱美國專利公開案US 2009/0134817。
然而，若以同一調光控制訊號來同步控制所有發光元件串的亮度，因所有發光元件的明暗週期完全一致，將會造成輸出端電壓與電流的較大波動(ripple)，且閃爍情況也較嚴重。較佳安排方式是使各串發光元件依序輪流發亮，將各串發光元件的發亮時間均勻分布。若個別控制各發光元件串的亮度，雖能使各串發光元件的明暗週期各自獨立，但並不能確保各串發光元件的發亮時間均勻分布。
此外，數位調光訊號的頻率約在60~500Hz的範圍，但在某些應用場合中，無法供應這麼低頻的訊號。
有鑑於此，本發明乃提出一種數位調光裝置與調光方法，以解決發亮時間均勻性的問題，並能接收各種頻率的調光訊號輸入。
本發明目的之一在提供一種數位調光裝置。
本發明的另一目的在提供一種調光方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種數位調光裝置，用以控制多個發光元件通道，其包含：驅動訊號產生電路，其產生驅動訊號；多個驅動電路，根據該驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；以及移相電路，其接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同，其中，該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止驅動電路之輸出，其佔空比決定該多個發光元件通道上的平均電流。
上述數位調光裝置可更包含一頻率轉換電路，其接收具有第一頻率的調光輸入訊號，產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號，傳送給上述移相電路。
就另一個觀點言，本發明提供了一種數位調光方法，用以控制多個發光元件通道，包含：產生多個驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同；以及以該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止對應的驅動訊號。
上述數位調光方法中，可更包含頻率轉換步驟，其接收具有第一頻率的調光輸入訊號，根據之產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號。
上述數位調光裝置與方法中，可藉以下方式達成移相，產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號：記錄脈寬調變輸入訊號的脈寬；記錄脈寬調變輸入訊號的週期；將所記錄的週期除以發光元件通道的數目而產生一商值；以及根據所記錄的脈寬、及所產生之商值，而產生前述多組脈寬調變輸出訊號，其中各脈寬調變輸出訊號之週期始點分別相差該商值。
上述數位調光裝置與方法中，可藉以下方式達成第一與第二頻率之轉換：記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；將該高位準脈寬乘以m倍或除以m，其中m為第二頻率與第一頻率的比值；記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；將該低位準脈寬乘以上述m倍；以及根據m倍或除以m之之高、低位準脈寬資料，而產生前述具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號。
上述數位調光裝置與方法中，亦可藉以下方式達成第一與第二頻率之轉換：產生與前述第一頻率接近的操作頻率，及產生前述第二頻率；以上述操作頻率，記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；以上述操作頻率，記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；以及以前述第二頻率，根據上述高、低位準脈寬資料，而產生前述脈寬調變輸入訊號。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明之數位調光裝置或數位調光方法產生多組相位錯開之脈寬調變訊號，以控制使不同通道的發光元件輪流發亮，因此使發亮時間得以均勻分布。請參考第4圖，其中顯示本發明的第一個實施例。本實施例中，數位調光裝置30包含移相電路35、發光二極體(LED)驅動訊號產生電路37、複數驅動電路39(圖中僅繪示其一)，此外並可視需要而另包含頻率轉換電路31。當調光輸入訊號的頻率不落在適當的範圍(例如60~500Hz)內時，不論其過低或過高，頻率轉換電路31可接收調光輸入訊號，將其轉換為適當的頻率，而保持訊號的佔空比(duty ratio)不變。有關頻率轉換電路31的細節，將於後文再行詳述。若調光輸入訊號的頻率已落在適當的範圍內，則毋須設置頻率轉換電路31。
LED驅動訊號產生電路37透過驅動電路39產生n個驅動訊號QC1-QCn，控制各對應LED通道CH1-CHn中之電晶體Q1-Qn的閘極，以決定當電晶體Q1-Qn導通時，各LED通道CH1-CHn上的電流量。移相電路35根據調光輸入訊號、或根據頻率轉換電路31的輸出，而產生n個具有相位差的調光控制訊號1~n，其數目與LED通道數目對應。調光控制訊號1~n為數位方波訊號，當其為高位準時致能(enable)驅動電路39，低位準時則禁止(disable)驅動電路39之輸出。換言之，調光控制訊號1~n的佔空比(duty ratio)決定各對應LED通道CH1-CHn的平均電流，亦即各LED通道上之LED的平均亮度。有關移相電路35的細節，將於後文再行詳述。
第5圖顯示本發明的另一實施例，在本實施例中，LED驅動訊號產生電路37透過驅動電路39產生n個驅動訊號IC1-ICn，控制各對應LED通道CH1-CHn中之電流源CS1-CSn，而非控制電晶體Q1-Qn的閘極。此方式同樣也可達成與前一實施例相同的功能。
第6圖舉例說明移相電路35的結構。在本實施例中，移相電路35包含脈寬記錄電路351、週期記錄電路353、除法電路355、及調光控制訊號產生器357。當移相電路35接收到調光輸入訊號時(直接接收或經由頻率轉換電路31轉換頻率後接收)，脈寬記錄電路351記錄該調光輸入訊號之高位準脈寬，並以數位資料的形式傳送給調光控制訊號產生器357。另方面，週期記錄電路353記錄調光輸入訊號之週期長度T，而除法電路355則將所記錄之週期長度T除以n，並將數位資料(T/n)傳送給調光控制訊號產生器357，其中n對應於發光元件的通道數目。調光控制訊號產生器357根據高位準脈寬與數位資料(T/n)，即可複製產生多組相位錯開的調光控制訊號1~n。
以上內容參閱第7圖之實例，當可更易明白，本例中假設n(通道數目)=4，則移相電路35所產生之調光控制訊號1~n，其週期的始點分別相差T/4，但高位準脈寬則完全相同。
以上說明係從便於了解的角度來說明，事實上，由於調光輸入訊號本身即為具有正確佔空比的脈寬調變訊號，因此移相電路35可以僅產生(n-1)組調光控制訊號電路2~n，而整體電路可以調光輸入訊號來作為第1組調光控制訊號1，不需要經過移相電路35的處理。在本發明的教示下，熟悉本技術者當可自行推演出各種枝節變化。
以下舉兩例說明頻率轉換電路31的實施方式。如前所述，數位調光裝置所接收的調光輸入訊號，其頻率不一定位在合適的範圍內，頻率轉換電路31的作用便是將高頻的調光輸入訊號予以除頻，或將低頻的調光輸入訊號予以倍頻，以產生合適頻率而佔空比不變的調光訊號。
請先參閱第8圖，本實施例中的頻率轉換電路31包含高位準記錄電路311、乘法電路或除法電路312、低位準記錄電路313、乘法電路或除法電路314、及訊號產生器316。當頻率轉換電路31接收頻率為F1的調光輸入訊號時，高位準記錄電路311記錄該調光輸入訊號的高位準脈寬，且低位準記錄電路313記錄該調光輸入訊號的低位準脈寬。視需要倍頻或除頻而定，乘法電路或除法電路312、314分別將所記錄的高、低位準脈寬乘以m倍或除以m，其中m表示調光輸入訊號的頻率F1與所欲產生之調光訊號的頻率F2間的比值，亦即m=F2/F1(當調光輸入訊號頻率低於合適範圍時)或F1/F2(當調光輸入訊號頻率高於合適範圍時)。訊號產生器316根據乘法電路或除法電路312、314所輸出之高、低位準脈寬資料，即可組合產生頻率為F2的調光訊號。
以上內容參閱第9圖之實例，當可更易明白，本例中假設F2=(1/2)F1，亦即電路312、314採用除法電路，且m=2。訊號產生器316將兩倍脈寬的高、低位準訊號組合，即產生圖中所示的調光訊號，此訊號可作為第6圖中的調光輸入訊號。
第10圖顯示頻率轉換電路31的另一實施例，本實施例中頻率轉換電路31包含高位準記錄電路311、低位準記錄電路313、震盪器(OSC) 315、及訊號產生器316。在本例中調光輸入訊號的頻率為F0，輸出之調光訊號的頻率為F3，其間所欲達成的轉換比率舉例而言為1/2，(F3/F0=1/2)。震盪器(OSC) 315產生F1和F2兩種高頻的取樣頻率，其頻率遠高於調光輸入訊號的頻率F0，且頻率F1、F2之間的比率與頻率F0、F3之間的比率相同，亦即F2/F1=1/2。高、低位準記錄電路311、313在震盪器(OSC) 315所產生的頻率F1之下操作，而訊號產生器316震盪器(OSC) 315所產生的頻率F2之下操作。與前例相似地，高、低位準記錄電路311、313分別記錄調光輸入訊號的高、低位準脈寬，並將數位資料傳送給訊號產生器316；訊號產生器316組合高、低位準脈寬資料而產生輸出。但由於訊號產生器316的工作頻率為F2，是頻率F1的一半，因此其所輸出的調光訊號頻率F3亦為調光輸入訊號頻率F0的一半，請參閱第11圖。
如前所述，頻率轉換電路31將調光輸入訊號轉換為相同佔空比而頻率在適當範圍的訊號，以使電路可根據適當範圍的訊號來進行調光控制。需說明的是，此種頻率轉換不限於應用在多通道LED的場合，亦可應用在單串LED的場合。在控制單串LED的場合，請參閱第4與第5圖，此時數位調光裝置30中毋須設置移相電路35，而僅需設置頻率轉換電路31、單一LED驅動訊號產生電路37、和單一驅動電路39。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中係假設以訊號高位準脈寬來決定發光元件的發亮時間，但當然也可改為以訊號低位準脈寬來決定發光元件的發亮時間；又如，發光元件不必須是發光二極體，而可為任何以電流控制亮度的發光元件；再如，本發明的數位調光裝置30可以與功率級控制電路21整合在一顆積體電路內、或分開成兩顆積體電路，此時第5圖所示的電流源電路CS1-CSn例如可與數位調光裝置30整合在同一積體電路內。凡此種種，均應包含在本發明的範圍之內。
21．．．功率級控制電路
22．．．功率級電路
23,23A-23C．．．調光控制電路
30．．．數位調光裝置
31．．．頻率轉換電路
311．．．高位準記錄電路
312．．．乘法電路或除法電路
313．．．低位準記錄電路
314．．．乘法電路或除法電路
315．．．震盪器(OSC)
316．．．訊號產生器
35．．．移相電路
351．．．脈寬記錄電路
353．．．週期記錄電路
355．．．除法電路
357．．．調光控制訊號產生器
37．．．發光二極體(LED)驅動訊號產生電路
39．．．驅動電路
CH1-CHn．．．LED通道
CS1-CSn．．．電流源電路
IC1-ICn,QC1-QCn．．．控制訊號
Q1-Qn．．．電晶體
第1圖說明先前技術之發光元件控制電路，其缺點是各串發光元件的發亮時間並非均勻分布。
第2圖顯示另一種先前技術，其同樣有上述缺點。
第3A-3G圖顯示功率級電路22的數個實施例。
第4圖顯示本發明的一個實施例。
第5圖顯示本發明的另一實施例。
第6圖顯示移相電路的實施例。
第7圖舉例說明移相電路所產生的輸出波形。
第8圖顯示頻率轉換電路的一個實施例。
第9圖舉例說明第8圖頻率轉換電路的輸入與輸出波形。
第10圖顯示頻率轉換電路的另一個實施例。
第11圖舉例說明第10圖頻率轉換電路的輸入與輸出波形。
21．．．功率級控制電路
22．．．功率級電路
30．．．數位調光裝置
31．．．頻率轉換電路
35．．．移相電路
37．．．發光二極體(LED)驅動訊號產生電路
39．．．驅動電路
CH1-CHn．．．LED通道
QC1-QCn．．．控制訊號
Q1-Qn．．．電晶體

Claims (13)

  1. 一種數位調光裝置，用以控制多個發光元件通道，包含：驅動訊號產生電路，其產生驅動訊號；多個驅動電路，根據該驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；以及移相電路，其接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同，其中該移相電路包括：脈寬記錄電路，其記錄脈寬調變輸入訊號的脈寬；週期記錄電路，其記錄脈寬調變輸入訊號的週期；除法電路，其將所記錄的週期除以發光元件通道的數目而產生一商值；以及調光控制訊號產生器，其根據所記錄的脈寬、及除法電路所產生之商值，而產生前述多組脈寬調變輸出訊號，其中各脈寬調變輸出訊號之週期始點分別相差該商值；其中，該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止驅動電路之輸出，其佔空比決定該多個發光元件通道上的平均電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位調光裝置，其中該數位調光裝置使用脈寬調變輸入訊號作為其中一組脈寬調變輸出訊號，且該移相電路產生之脈寬調變輸出訊號之數目為發光元件通道數目減一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之數位調光裝置，其中該多個發光元件通道上各設有一電晶體，且該多個驅動電路分別控制各電晶體的閘極。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之數位調光裝置，其中該多個發光元件通道上各設有一電流源，且該多個驅動電路分別控制各電流源的電流量。
  5. 一種數位調光裝置，用以控制多個發光元件通道，包含：驅動訊號產生電路，其產生驅動訊號；多個驅動電路，根據該驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；移相電路，其接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同，其中，該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止驅動電路之輸出，其佔空比決定該多個發光元件通道上的平均電流；以及頻率轉換電路，其接收具有第一頻率的調光輸入訊號，產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號，傳送給上述移相電路，其中該頻率轉換電路包括：高位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；第一乘法電路，將該高位準脈寬乘以m倍，其中m為第二頻率與第一頻率的比值；低位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；第二乘法電路，將該低位準脈寬乘以上述m倍；以及訊號產生器，其根據第一和第二乘法電路所輸出之高、低位準脈寬資料，而產生前述具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號。
  6. 一種數位調光裝置，用以控制多個發光元件通道，包含：驅動訊號產生電路，其產生驅動訊號； 多個驅動電路，根據該驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；移相電路，其接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同，其中，該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止驅動電路之輸出，其佔空比決定該多個發光元件通道上的平均電流；以及頻率轉換電路，其接收具有第一頻率的調光輸入訊號，產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號，傳送給上述移相電路，其中該頻率轉換電路包括：高位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；第一除法電路，將該高位準脈寬除以m，其中m為第一頻率與第二頻率的比值；低位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；第二除法電路，將該低位準脈寬除以上述m值；以及訊號產生器，其根據第一和第二除法電路所輸出之高、低位準脈寬資料，而產生前述具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號。
  7. 一種數位調光裝置，用以控制多個發光元件通道，包含：驅動訊號產生電路，其產生驅動訊號；多個驅動電路，根據該驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；移相電路，其接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同， 其中，該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止驅動電路之輸出，其佔空比決定該多個發光元件通道上的平均電流；以及頻率轉換電路，其接收具有第一頻率的調光輸入訊號，產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號，傳送給上述移相電路，其中該頻率轉換電路包括：高位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；低位準記錄電路，其記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；訊號產生器，其根據上述高、低位準脈寬資料，而產生前述脈寬調變輸入訊號；以及震盪器，其產生與前述第一頻率約相等的頻率，作為高、低位準記錄電路的操作頻率，並產生前述第二頻率，作為訊號產生器的操作頻率。
  8. 一種數位調光方法，用以控制多個發光元件通道，包含；產生多個驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同；以及以該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止對應的驅動訊號，其中該接收脈寬調變輸入訊號並將其移相的步驟包括：記錄該脈寬調變輸入訊號的脈寬；記錄該脈寬調變輸入訊號的週期；將所記錄的週期除以發光元件通道的數目而產生一商值；以及根據所記錄的脈寬、及所產生之商值，而產生前述多組脈寬調變輸出訊號，其中各脈寬調變輸出訊號之週期始點分 別相差該商值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之數位調光方法，其中該多個發光元件通道上各設有一電晶體，且該控制該多個發光元件通道上的電流之步驟包括：分別控制各電晶體的閘極。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之數位調光方法，其中該多個發光元件通道上各設有一電流源，且該控制該多個發光元件通道上的電流之步驟包括：分別控制各電流源的電流量。
  11. 一種數位調光方法，用以控制多個發光元件通道，包含：產生多個驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同；以該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止對應的驅動訊號；以及接收具有第一頻率的調光輸入訊號，根據之產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號；其中該接收具有第一頻率的調光輸入訊號而產生具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號之步驟包括：記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；將該高位準脈寬乘以m倍，其中m為第二頻率與第一頻率的比值；記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；將該低位準脈寬乘以上述m倍；以及根據m倍之高、低位準脈寬資料，而產生前述具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號。
  12. 一種數位調光方法，用以控制多個發光元件通道，包含：產生多個驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同；以該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止對應的驅動訊號；以及接收具有第一頻率的調光輸入訊號，根據之產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號；其中該接收具有第一頻率的調光輸入訊號而產生具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號之步驟包括：記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；將該高位準脈寬除以m，其中m為第一頻率與第二頻率的比值；記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；將該低位準脈寬除以上述m值；以及根據除以m之高、低位準脈寬資料，而產生前述具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號。
  13. 一種數位調光方法，用以控制多個發光元件通道，包含：產生多個驅動訊號，控制該多個發光元件通道上的電流；接收具有一佔空比的脈寬調變輸入訊號，將其移相產生多組相位錯開之脈寬調變輸出訊號，且各脈寬調變輸出訊號之佔空比與脈寬調變輸入訊號之佔空比相同；以該多組脈寬調變輸出訊號致能或禁止對應的驅動訊 號；以及接收具有第一頻率的調光輸入訊號，根據之產生具有第二頻率的上述脈寬調變輸入訊號；其中該接收具有第一頻率的調光輸入訊號而產生具有第二頻率的脈寬調變輸入訊號之步驟包括：產生與前述第一頻率約相等的操作頻率，及產生前述第二頻率；以上述操作頻率，記錄調光輸入訊號的高位準脈寬；以上述操作頻率，記錄調光輸入訊號的低位準脈寬；以及以前述第二頻率，根據上述高、低位準脈寬資料，而產生前述脈寬調變輸入訊號。
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