TWI432095B

TWI432095B - 發光二極體驅動器及方法

Info

Publication number: TWI432095B
Application number: TW096141140A
Authority: TW
Inventors: Ashleigh Glen Quick; Andrew Newman
Original assignee: Clipsal Australia Pty Ltd
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2014-03-21
Also published as: CN101563956A; AU2007314090A1; US8395328B2; US20100102734A1; AU2007314090B2; WO2008052293A1; TW200833175A

Description

發光二極體驅動器及方法

本發明係關於發光二極體，並關於用於發光二極體的裝置及其控制方法。

本申請案主張澳洲臨時專利案第2006906139號之優先權，其標題為「發光二極體驅動器及方法」。

本臨時申請案的全部內容係參照合併於本文內。

電子設備普遍需求係具有一可視指示於控制元件上。此一控制元件可為一按鈕、控制桿、旋鈕，或類似物，而該可視指示通常係用以表現該控制物的狀態，舉例來說，電性負荷是打開或關閉的，或一閥門是打開或關閉的。

現代電子設備中，可視指示很快的由發光二極體(LED)所提供，其具有小、便宜，與操作壽命長的優點。利用不同顏色的LED可獲得不同色彩，其甚至可於相同的封裝中。

藉分別調整各組成色彩的亮度，雙色合併LED可用以混和兩種組成色彩以創造出額外的色彩供人觀賞。更近期，已有三色合併的LED可用，其中有些包含基本組成，其可放出紅、綠，與藍色。藉選擇調整該等組成的亮度，可獲得包含白色的任何顏色。

為了製造任何成果色彩，RGB合併LED需要各色彩組成皆有分開的亮度調整驅動器。LED亮度調整係直接利用該建立良好的方法，即脈衝寬度調變，此等一般的合併LED通常會具有至少4個端點：一共用點與三種色彩元素各具有的一驅動輸入。

利用具有一共用點與3個驅動輸入的單一三色RGB合併LED較易於驅動以獲得任何所希的人眼觀察色彩。舉例來說，一小的微處理器可用3個分開的脈衝寬度調變輸出以驅動此等指示器。圖1所示係先前技術中此種應用的一範例配置。圖1中，微處理器30驅動兩個LED 30與30’。每個LED各具有紅(31)、綠(32)，與藍(33)色彩組成。相應電阻34、35，與36係提供以限制施加至該等LED組成的電流。

在操作中，微處理器10會產生並傳輸控制信號至各個LED 30及各對應色彩組成31、32，與33以控制各LED的動作，其係根據寫入微處理器10的指示順序，熟習本技藝人士可了解之。

如圖1中可見，驅動2個LED需要6個驅動信號11、12、13、14、15，與16，每個LED組成需要一個，或是三色LED中每個LED需要3個。

然而可理解的係，當有多個此等合併LED需要驅動時(不論色彩元素的本質與數量)，且其皆可顯現分別的資訊(如顏色與亮度)，該驅動信號的數量會快速增加。例如驅動10個此等RGB合併LED會需要30個驅動信號。當一產品中多色合併LED的數量增加時，控制裝置的複雜度將增加，因而寫入控制裝置的複雜度也將增加。舉例來說，一印刷電路板上可能會需要大量的線路路徑，且一微處理器上會需要大量的脈寬調變輸出。LED控制裝置目前可利用串列資料匯流排－最著名為飛利浦的內積體電路(I2C)匯流排。此等LED控制器可使來自一微處理器的2－線路控制輸出連接至一LED驅動IC，其接著連接至一個或多個合併LED。藉由傳送適當的指令至該I2C驅動IC，可自該合併LED獲得一合適的色彩與亮度。若該合併LED包含紅、綠，與藍色元素，則藉由適當選取該等元素的亮度，則可獲得任何色彩。

雖然此有助於改進LED至一微處理器的直接連接，利用此等方法的系統卻有許多缺點。此等缺點包含該等LED驅動IC的高成本、此等匯流排系統的限定定址範圍，與該等分別給定電源及/或接地路徑至LED與其驅動IC的額外需求－經由對於該多層PCB的需求增加電路板佈局複雜性與潛藏成本。一旦可藉由利用I2C橋克服該限定定址，此會對此等排列增加額外的裝置與成本。

因此本發明的一主題即為現存的LED控制系統提供一替代物。

根據本發明一觀點，係提供一通訊協定用以控制複數個發光二極體(LED)，其係關於對應的LED驅動器，該通訊協定包含：一第一指令，其包含至少一個用以控制該等複數個LED中的第一個；至少一個接續的指令，其包含用以控制至少一個接續LED的指令，接續LED係與該第一LED串連。

一種形式中，該通訊協定進一步包含一起始碼，其係於該第一指令前。

一種形式中，每一個接續的指令前會提供一對應的起始碼。

一種形式中，該第一與接續的指令碼中至少有一個包含用以控制複數個元素的指示，該等元素係位於相應LED中。

根據本發明另一觀點，提供一種發光二極體(LED)驅動器，其包含：一輸入，其係用以接收一信號，其係根據申請專利範圍第1到4項的通訊協定；機構，其係用以根據該第一指令中至少一個指示控制相關LED；一輸出，用以輸出至少一個接續指令。

根據本發明又另一觀點，提供一種發光二極體(LED)，其包含一根據本發明先前觀點的LED驅動器。

根據本發明另一觀點，提供一種電子裝置，其包含：複數個發光二極體(LED)；複數個根據本發明先前觀點的LED驅動器，其係用以重置複數個發光二極體中對應的一個；一微處理器，其係用以產生與輸出一控制信號至該複數個LED驅動器的第一個，其係根據本發明第一觀點中所宣告的通訊協定。

圖2顯示一電子裝置1，其顯示根據本發明第一觀點的組件配置的範例。圖2中顯示一微處理器10，其具有一單一連接至LED驅動電路的輸出信號11，該驅動電路係根據本發明另一觀點所建構。LED驅動電路20的操作將更進一步詳述於下文中。LED驅動器20驅動LED 30。

圖2亦顯示一第二LED 30’，其係由一第二LED驅動器20’驅動。

微處理器10可為任何製造商製造的任何微處理器，其可傳輸單一輸出的資料流－一種通常稱為「bit－bashing」的技術。此等微處理器可由任何製造商製造，且對於能力變化的改變幾乎無限制。合適的微處理器可由包含愛特梅爾(Atmel)、德州儀器(Texas Instruments)、Zilog、飛思卡爾(Freescale)、ST，與許多其他製造商製得。

根據本發明一觀點，微處理器10產生一控制信號，並將其沿輸出11傳輸至該LED驅動器20的一輸出21。

如於下文中將更詳細描述，該由微處理器10產生的信號包含一連串的指令封包，其各用於該等LED中的一個，該等LED需要由微處理器10控制。驅動器20接受該信號，並除去(或分開)該信號或資料流中的第一指令封包，並經由輸出22來輸出留存的信號或資料流。該等留存的資料接著會輸入至下一個LED驅動器20’的輸入21’中，其會接著除去該下一個指令封包並經由輸出22’將留存的資料輸出。該信號繼續自一LED驅動器傳輸至下一個，直到所有的指令封包皆被除去或分開。

每一個LED的指令封包包含一資訊，其使每一個LED驅動器20驅動相應LED的紅(31)、綠(32)、與藍(33)光組成中的各者。

一形式中，該通訊協定包含一START碼指示，其後有一或多個接續的指令封包。該第一指令封包係施加至該第一LED驅動電路，該等信號在控制裝置後會到達該驅動電路，且該等信號會自該資料流移除。該第一指令包封之後的所有物會接著自該第一LED驅動電路離開至該第二LED驅動電路等等，如上所述。每一個LED驅動電路在見到該START碼之後會預期一個新的指令封包。為了確保該START碼傳下，每一個LED驅動電路可如圖3再產生該START碼或是如圖4僅於其接收後傳遞下去。

一種形式中，該LED驅動電路20具有一功能，其可將其接觸的合併LED的每一個色彩組成的一組亮度接收至其指令封包中。

藉由將該LED驅動電路置入依序列串連的配置中，則不需將資訊加至每一個電路－取而代之的，定址將由電性內部連接的順序完成。因此，舉例來說，該第一指令封包會被該第一LED驅動電路接收(且接續的指令封包會傳遞至該序列中下一者)。類似地，該第二LED驅動電路並不會收到由第一LED驅動電路移除的該指令封包，而會接收到傳送來的該第二指令封包，並會將任何接續的封包傳遞下去。此過程會重複直到到達最後一個LED驅動電路。

圖3與4顯示一此等信號的示範結構，其包含多個指令封包。圖3顯示一種例子，其中該START碼係再產生，而圖4顯示的例子為該START碼係複製而非再產生。圖3與4的該第一列(A)在該微處理器10產生該信號時會顯示之。此信號係輸入至該第一LED驅動裝置20(例如圖2中所見)的輸入21。一種形式中，該信號在該信號初始處可包含一START碼110。一種形式中，該START碼110包含一圖形，其可自該指令封包訊息中辨別出來。當一LED驅動電路辨識出包含該START碼的序列時，其可知該跟隨的指令封包係用於該LED，且接續的指令係傳至接續的裝置。

一種適宜的產生該START碼的方法為利用「bit－stuffing」將該指令部分編碼，並用一種干擾的編碼做為該START碼－一種先前技術中建立完善的技術。另一種可能方法為將該指令部分當作異步序列資料位元來傳送，並傳輸一「休息」(break)符號做為該START碼。以上為兩個適宜的方法，而還有許多其他方法可提供相同的表現。

接在該START碼110之後的是該第一指令120。此指令包含控制資訊，其係用於該第一LED驅動器20以控制其所連接的LED 30的數種元素(見圖2)。接收該信號時，LED驅動器20會移除或「關閉」該第一指令以使其不出現，或被接續的LED驅動器忽略，並由其輸出22再傳送或遞送該信號至該序列的下一個LED驅動器20’。

該信號可包含如同LED驅動器數量一樣多的指令，或可包含較多或較少，其係取決於該LED要控制的所需功能。舉例來說，若有多於LED的指令，該等額外的指令可直接忽略。若有少於LED的指令，該等額外的LED可能不被提供指示，或是該等額外的LED可與該最後一個具有特殊指令的LED有相同表現，亦或可連接至前面的LED已與該等LED有相同表現。

圖3與4的線B中，可見該信號已使該第一指令120移除，而接續的指令130與140仍留存。此為圖2中LED驅動器輸出22上的信號結構與LED驅動器20’的該輸入21’。列C中，可見該信號已使第一與第二指令移除，並留存用於最後一個待控制的LED的最後一個指令。圖2的例子中，此信號結構會出現在LED驅動器20’的輸出上，以輸入該下一個LED驅動器(未顯示於圖中)。

每一個指令的結構會修改以用於每一個獨立LED30的所需操作。一範例中，該指令的結構可為用於每一個獨立LED的一組二進位編碼亮度階級。對於RGB LED，該指令一般可包含4至8位元以編碼該紅、綠，與藍色組成LED。此等亮度階級的編碼或準確順序皆不重要，其係持續施加於該微處理器10與所有LED驅動電路間。

此狀況中，單一微處理器可驅動單一或任何其他數量的合併LED，而不需微處理器所需額外的硬體內部連接。另一種形式中，此排列可用以驅動兩個或更多個僅具單色或任何數量的色彩組成的LED。一些形式中，該等驅動的LED可具有各種數量的色彩或其他控制組成，舉例來說，該微處理器可於一LED或合併LED上設定一短暫的圖形，其係藉由設定一短暫速率或設定一時期予LED或LED組成使其開與關。

舉例來說，一系統可有10個LED，其中5個可為單色組成，2個可為2色組成，另3個可為3色組成。一LED的可控制組成數量當然不必受到限制，但特定應用中可能會需要任何一種數量。

根據本發明此觀點產生一信號時，該微處理器亦根據一軟體程式為之。一用以控制5個LED的適宜程式範例，其中2個為單色組成，3個為3色組成係顯示於下列虛擬碼中：假設：一單一指令包含紅色、綠色，與藍色的亮度係於該順序一單色LED，其亮度僅由一指令的紅色組成設定一適宜編碼系統，其係選定用於該等指令與該START碼該等兩個單色LED連接於最靠近該微處理器，後面接有該等3個3色LED。

虛擬碼：送出該START碼送出該用於第一單色LED的指令，其包含該組(第一亮度、任何物、任何物)送出該用於第二單色LED的指令，其包含該組(第二亮度、任何物、任何物)送出該用於第三LED的指令，其包含該組(第三紅色、第三綠色、第三藍色)送出該用於第四LED的指令，其包含該組(第四紅色、第四綠色、第四藍色)送出該用於第五LED的指令，其包含該組(第五紅色、第五綠色、第五藍色)

本發明一替換形式中，由該微處理器10產生的信號不需有START嵌於其中。此例子中，可用兩個微處理器的輸出，該第一個此等輸出用於發出一新指令流起始處的信號，而該第二個此等輸出用於將該指令流編碼，該指令係接著送至每一個驅動電路。該指令的此一邊碼可包含數位資料，一般來說如二進制數字(位元)流。

圖5顯示根據本發明此觀點的一種配置，其中相同的元素標以相同圖示符號。此配置中，微處理器10具有兩個輸出，11與12。輸出11的功能如前面配合附圖2所述，但輸出12現提供該START資訊，以當一新的指令流傳送時通知每一個LED驅動器20、20’...，替代該的START碼。

此配置中，LED驅動器20、20’...將具有一第三輸入23用以接收來自該微處理器10的START碼。

圖6顯示一控制信號的範例結構，其係由該圖5中所示配置中的微處理器10產生。圖6的列A中，START碼係提供於微處理器10的輸出12上並輸入至該等LED驅動器20中的每一個，其係經由相應輸入23。列B顯示由微處理器10產生信號的結構並輸出至輸出11，其會接著由每一個LED驅動器20接收。可了解的係，當此結構由輸出12提供，其中不會出現START碼。圖6中的列B、C與D係對應於圖3與4中列A、B與C，並與其有相同功能。

圖7顯示一LED驅動電路的範例系統方塊圖，該驅動電路係如圖2中所示用於具有單一輸入的LED驅動器，該輸入其係用以接收一START碼與指令封包。此配置中，該START碼與指令封包於資料輸入21進入驅動器20。該START碼係於方塊24被偵測到，而該指令封包係於方塊26被接收並被解碼並傳遞至脈衝寬度調變器(PWM)通道方塊27，用以經由一視情況而用的限流方塊29施加至該LED(未顯示於圖中)的組成。震盪器/計時器產生器28提供時間點予PWM方塊27。

從方塊26，留存的指令封包會傳送至資料輸出22。若該START碼再生並傳送至接續的驅動器，其係完成於方塊35並有留存的指令封包字方塊26提供至輸出22。

圖8顯示圖7配置的一參考電路圖。此參考電路利用一小的、低成本的微處理器作為該LED驅動電路的主要元件，而所有主要功能皆完備於軟體中。適宜的微處理器可由德州儀器、飛思卡爾，與其他製造商取得。此一配置本質上可由任何其他等效電路取代，不論其是否使用軟體。

圖9顯示圖5中所示一LED驅動器的LED驅動電路範例系統方塊圖，其具有一單一輸入用以接收START碼與指令封包。此為用於圖7的驅動器20的一種替代配置。此種配置中，該指令封包於一資料輸入21進入驅動器20。該START碼係於微處理器10的一第二輸出分開產生(如前文中配合圖5所述)，且其會於第二輸入23進入驅動器20。該指令封包與START碼係於方塊26被接收。該指令封包會被解碼並傳送至脈衝寬度調變器(PWM)通道方塊27，用以經由一視情況而定的限流方塊29施加至該LED(未顯示於圖中)的組成。震盪器/計時器產生器28提供時間點予PWM方塊27。

該START碼與留存的指令封包會接著經由輸出22送至接續的驅動器。

圖9的配置可同等完成為一單一微處理器，其上具有寫入的指令用以產生圖9配置的功能。此會如同圖8中所示。

本發明另一觀點中提供一種控制複數個LED的方法。

該第一觀點

另一觀點中，本發明提供電腦可執行的指示，其使一電腦執行本文中描述方法的數個步驟。更明確的說，該電腦可執行指示會使該電腦(如微處理器10)執行產生第一指令封包的步驟，其包含至少一個指示用以控制複數個LED中的第一個，並產生至少一個接續的指令封包，其包含控制至少一個接續LED的指示，該等LED係與第一LED串聯。另一種形式中，該電腦可執行指示會使該電腦亦產生一START碼並將其插入一資料流中，其係於該指令與接續指令封包之前。另一種形式中，該電腦可執行指示會使該電腦於每一個該等指令與接續指令封包之前產生START碼。

另一觀點中，該電腦可執行指示亦使一電腦執行由該驅動器20執行的步驟。如前文中配合圖8所述，該電腦也可為一微處理器。此觀點中，該電腦可執行指示此該電腦執行下列步驟：接收資料流，其包含一第一指令封包與至少一個接續指令封包；將該第一指令封包自該資料流中分離；根據該第一指令封包中的指示控制一與該電腦相關的LED；輸出該至少一個接續指令封包以用於其他驅動器。

一種形式中，該電腦可執行指示亦可使該電腦於該資料流中偵測出一START碼，且可傳輸該START碼並將其輸出，其具有至少一個接續指令封包或產生一新的START碼並將其輸出，其具有至少一個接續指令封包。

本發明另一觀點中，其亦提供一機器可讀媒介，如該微處理器10上的記憶體，或其他分離的記憶媒介，其可包含於CD、DVD、隨身碟，或其他可攜式記憶媒介。

一實施例中，該LED驅動電路可完成為一積體電路，其係利用一適宜的半導體技術，例如利用矽，但不限於此。本實施例的一種變化係為將該電路附加並整合於一LED裝置。一實施例中，此可為一具有3主要色彩LED元件的LED。此一實施例中，該限流電阻可為整合的，或由一電阻取代，其係基於限流配置，兩種技術皆已建立完好。

此一實施例中，其使來自一微處理器的單一控制信號、完成封裝的積體驅動電路，與LED會具有四個電性連接，其包含一電源輸入、一電源回路(或接地)、一資料進入信號，與一資料輸出信號。一實施例會利用兩個微處理器的輸出，其包含一用以指出新指令流起始處的第五電性連接。

一種形式中，該微處理器10會以至少100000位元/秒的速率傳輸該指令流。此速率使該10個RGB LED可於3毫秒內完成色彩與亮度的完整更新。以更快的速度操作本質上會更直接並等量地降低更新時間。本質上，快速的更新或僅控制少量的LED，較慢的速率亦可適用。

此配置具下列優點：在超過定址範圍時，任何數量的合併LED皆可被驅動而不須特別的額外裝置；可有少數來自該控制裝置的驅動信號；其提供將此一LED驅動電路整合至與合併LED相同的組成封裝。將該驅動電路整合至該LED封裝可減少總成本，且大量減低該驅動IC與該合併LED色彩組成間的電性內部連接。

本發明的各觀點可用於任何數量的電子裝置中，其具有LED作為其電路的一部份。此包含娛樂裝置，如電視、數位機上盒、音效系統、DVD播放器、CD播放器，與遙控單元。其亦包含電腦與電腦週邊，以及用於車上的播放器與其他裝置。本發明的各種觀點也可應用於本申請專利申請前未發明的電子裝置。

可瞭解的係，上文中配合特定實施例已作描述，在本發明不同觀點的範疇中可有許多變化與修改。

說明書全文以及所附的申請專利範圍中，除非文中有其他需要，否則將可了解「包含」與「包括」一辭以及其變形如「包含有」與「包括有」係指所述整體或群體包含於其中，而非用以屏除其他任何整體或群體。

本發明書中的任何先前技藝並非亦不應被當作任何形式的建議知識將此等先前技藝形成部分一般普遍常識。

1．．．電子裝置

10．．．微處理器

11－16．．．輸出信號

20、20’．．．LED驅動電路

21、21’．．．輸入

22、22’．．．輸出

23．．．輸入

30、30’．．．LED

31、31’．．．紅光組成

32、32’．．．綠光組成

33、33’．．．藍光組成

34、35、36．．．電阻

110．．．START碼

120．．．第一指令

130、140．．．接續指令

圖1所示係先前技術的配置，其具有2個RGB合併LED連結至一微處理器上。

圖2所示係本發明一觀點的第一示範實施例，其中數個LED驅動電路係連接至單一微處理器輸出。

圖3所示係一示範時間圖與指令序列，其可應用於圖2的配置中。

圖4所示係替代的示範時間圖與指令序列，其可應用於圖2的配置中。

圖5所示根據本發明一觀點的第二示範實施例，其中有兩個LED驅動器電路連接至2個微處理器輸出。

圖6所示係一示範時間圖與指令序列，其可應用於圖5的配置中。

圖7所示係如圖2中所示LED驅動器的方塊圖。

圖8所示係圖2的LED驅動器的參考電路圖。

圖9所示係如圖5中所示LED驅動器的方塊圖。

110．．．START碼

120．．．第一指令

130．．．接續指令

140．．．接續指令

Claims

一種通訊協定，其用以控制複數個發光二極體(LED)，該等LED係相關聯於相應的LED驅動器，該通訊協定包含：一第一指令封包，其含有用以控制該等複數個LED中第一者之至少一個指示，並且至少一個接續指令封包含用以控制至少一個接續的LED之指示，該至少一個接續的LED係與該第一LED串聯；以及一START碼，其係提供於該第一指令封包前，該START碼用於和該等LED驅動器中的每一者通訊，以指示相應的接續指令封包。
如申請專利範圍第1項的通訊協定，其中該第一個與接續的指令封包中至少一者包含用以控制各別LED中複數個元件之指示。
一種發光二極體(LED)驅動器，其包含：一輸入，其用以根據申請專利範圍第1項或第2項的通訊協定接收一信號；一用以根據第一指令封包中的至少一指示而控制相關聯的LED的機構；一輸出，用以輸出至少一個接續的指令封包。
如申請專利範圍第3項的發光二極體(LED)驅動器，其進一步包含用以將該第一指令封包自該信號分離的機構。
一種發光二極體(LED)，其包含如申請專利範圍第 3項的LED驅動器。
一種用以控制複數個LED的裝置，該裝置包含：用以產生並輸出一信號之機構，該信號包含一START碼、一第一指令封包，與至少一個接續的指令封包；根據該第一指令封包中的指示而用以接收該信號並控制一LED的機構，該LED相關聯於用以接收該信號之該機構；用以將該第一指令封包自該信號中分離以提供一留存的信號的機構，該留存的信號包含該START碼；以及用以輸出該留存的信號之機構，其中該START碼係提供於該第一指令封包前，且其中該START碼被包含於該留存的信號之中，以指示一接續指令封包。
如申請專利範圍第6項的裝置，其中該用以產生的機構為一微處理器。
如申請專利範圍第7項的裝置，其中該用以接收與控制的機構、用以分離的機構，與用以輸出的機構皆包含一LED驅動器。
如申請專利範圍第8項的裝置，其中該LED驅動器為一微處理器。
如申請專利範圍第8項或第9項的裝置，其進一步包含至少一個相關聯於至少一個接續LED的接續驅動器。
一種電子裝置，其包含：複數個發光二極體(LED)；複數個如申請專利範圍第3項的LED驅動器，用以控制複數個發光二極體中個別之一者；以及一微處理器，其根據如申請專利範圍第1項或第2項的通訊協定，產生及輸出一信號至該等複數個LED驅動器中的第一者。
一種用以控制複數個LED的方法，該方法包含：產生與輸出一信號，該信號包含一START碼、一第一指令封包與至少一個接續指令封包；根據該第一指令封包中的指示接收該信號並控制一LED；將該第一指令封包自該信號中分離，以提供一留存的信號，該留存的信號包含該START碼；以及輸出該留存信號，其中該START碼係提供於該第一指令封包前，且其中該START碼被包含於該留存信號之中，以指示一接續指令封包。