TWI461627B - 發光單元配置、控制系統及其方法 - Google Patents

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TWI461627B
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Description

發光單元配置、控制系統及其方法
本發明關於一種用於控制LED發光單元之光輸出的系統、一種LED發光單元配置及一種用於控制LED發光單元之光輸出的方法。
可混合來自發光單元之多重顏色LED(例如，紅色、綠色、藍色)之光以獲得白色或彩色光。
然而，LED之輸出(例如，發射通量及光譜分佈)將因例如(差異性)老化及溫度影響、重合方格化等而不同。例如，在藉由混合紅色、綠色及藍色LED產生白色光時，溫度效應在溫度小幅提升後將可產生可見顏色差異。
於此，已提出用於實現此種發光單元之穩定輸出(顏色)的數種模式，例如溫度前授(TFF)、顏色座標回授(CCFB)、通量回授(FFB)或通量回授及溫度前授之組合(FFB＋TFF)。在溫度前授中，使用一溫度感測器以偵測LED之當前溫度(例如，藉由測量安裝LED之通用散熱器的溫度)。藉由瞭解LED輸出如何隨溫度而不同，可使用當前溫度以調整LED之輸出來實現發光單元之所欲光輸出。在顏色座標回授中，測量當前LED顏色。在通量回授中，測量每一LED或LED顏色之當前通量。隨後比較當前通量(回授)與所欲通量或輸出，從而可據此調整LED之輸出以實現發光單元之所欲光輸出。在通量回授中，較佳地使用單一光學感測器以偵測LED或LED顏色之輸出。為此目的，感 測器係對所有LED顏色時間多工以偵測每一LED顏色之輸出。此意即，LED顏色係以序列方式切換成開啟/關閉，並在每一量測決定所有切換成開啟之LED的瞬時輸出。在圖1a中說明一訊框或週期T之示範性圖案。對於量測m1 ，所有LED係切換成關閉，並測量背景光。對於量測m2 ，藍色LED係切換成開啟，且藍色輸出可藉由自m2 減去m1 來決定。對於量測m3 ，綠色LED亦切換成開啟，且綠色輸出可藉由自m3 減去m2 來決定。最後，對於量測m4 ，紅色LED亦切換成開啟，且紅色輸出可藉由自m4 減去m3 來決定。以此方式，可以單一感測器決定每一LED顏色之當前輸出。
上述通量回授解決方案(視情況結合溫度前授)將在具有恆定雜散背景光落於感測器上的環境中運作得相當佳。即，上述模式假定於m1 偵測之背景光在其他量測m2 至m4 時保持相同。然而，在部分實際情況中，背景光並非恆定。例如想像另一附近LED發光單元(或其他脈衝光源或一CRT螢幕)以與量測m4 精確地相符且結果干涉量測m4 之頻率來操作。即，其他LED發光單元在m4 時係開啟，而在其他量測時可為關閉。此非恆定干涉將明顯影響上述模式並降低顏色及亮度精確性。
嘗試解決此問題時，國際專利申請公開案第WO 2006/054230 A1號揭示一種用於控制具有至少一LED且發射至少一顏色之光之發光單元之光輸出之控制系統及方法，該系統及方法基本上使用輸出回授模式。在一具體實 施例中，非週期性地供能發光單元之LED，如圖1b中所說明。藉由非週期性地供能LED，明顯降低由週期性脈衝外部光源所導致之干涉的可能性將很高。
然而，其內LED發射窗可能不同之空間(即，訊框)係受限的，意即具有與發光單元相似或較低之頻率的脈衝外部光源仍可導致干涉。
本發明之一目的係至少部分克服此問題，並提供改良式控制系統、發光單元配置及控制方法，其尤其可應付非恆定環境以在此種環境中提供穩定光輸出。
由以下說明將明白之此等及其他目的係藉由如隨附請求項1之控制系統、如請求項10之發光單元配置及如請求項11之控制方法來實現。
根據本發明之一態樣，提供一種用於控制發光單元之光輸出的系統，該發光單元包含至少一發光二極體(LED)且係經調適以發射至少一顏色之光，該控制系統包含：一感測器單元，其經調適以偵測該發光單元之光輸出並提供一對應回授信號；以及一控制單元，其經調適以基於回授信號與代表所欲光輸出之對應參考信號間之比較來控制該發光單元之光輸出，以便能提供改良的光輸出，其中該控制單元係進一步經調適以：決定一具有一隨機持續時間之切換週期；在該等重複性(recurring)切換週期內決定該(等)LED之(若干)開啟時間以提供改良的光輸出；以及根據決定之週期及(若干)開啟時間來控制該(等)LED之供能。
切換週期通常係其中該等LED係供能或切換成開啟/關閉達特定時間(開啟時間)以便能提供特定輸出的時間訊框，且隨機切換週期意指其具有隨機持續時間或長度。於此，本發明係基於藉由隨機化切換週期之認知，該(等)LED可以隨機切換頻率來操作，且明顯降低由週期性固定頻率外部光源所導致之干涉的可能性很高。同時，可降低對其他附近光源之干涉。
在上所提及之WO 2006/054230中，儘管LED係非週期性地供能，然而訊框週期並非隨機且在PWM中具有預定固定值或持續時間。
隨機週期較佳地係使用控制單元之現有隨機數產生器來決定，從而不增加硬體成本。或者，可使用偽隨機數或隨機數表或其類似物。
本發光單元可為包含任何類型之一個或多個以上之LED的任何單元。例如，發光單元可包含一個或多個以上之紅色、綠色及藍色LED，其之輸出可混合成白色或彩色光。此外，發光單元之應用包括但不限於燈光單元、照明單元、燈、顯示單元(以及OLED與PloyLED顯示器)與背光。此外，回授可為通量回授、顏色控制回授等。此外，感測器單元可包含一個或多個以上之感測器。
在一具體實施例中，隨機週期係1/f RND ，而f RND ＝f 1 ＋f 2 * RND且f 1 係臨限頻率，f 2 係可允許頻率變異，而RND係介於0與1間之隨機數。臨限頻率較佳為高於避免人眼可見之閃爍的頻率。至此，上式確保(隨機)頻率永遠不 會下降至臨限頻率以下。臨限頻率可為約500 Hz，且可允許頻率變異可為約500 Hz，進而產生約500至1000 Hz之頻率範圍。除了上式之外，可使用不同隨機方案，例如在特定頻率附近的高斯(Gaussian)分佈。
在一具體實施例中，隨機週期係用以控制至少一LED之脈衝寬度調變(PWM)信號的週期。換句話說，PWM頻率係隨機化的。PWM通常係用以控制對LED之電源供應。除了PWM之外，可例如使用頻率調變或其他形式之時間調變驅動。
在一具體實施例中，控制單元係進一步經調適為在發光單元之電力開啟時設定隨機週期。因此，每次開啟發光單元時，其經指派一新週期，使得任何干涉外部脈衝光源在下一次發光單元切換成開啟時將不會干涉發光單元。替代地或補充地，在發光單元之操作期間可重複設定隨機週期。週期長度可例如每秒(1 Hz)或每週期，或在隨機時間改變一次。在前面的情況中，任何干擾將僅在一有限時間(例如，1秒或週期)發生。此在發光單元長時間開啟之情況時特別有利。
在一具體實施例中，感測器單元係進一步經調適以根據隨機週期中之(若干)開啟時間來偵測發光單元之光輸出。即，該(等)感測器之輪詢或取樣頻率係與LED之當前頻率匹配，以維持及時偵測。
在一具體實施例中，控制單元係進一步經調適以對各顏色設定一隨機週期，而在一替代性具體實施例中，所有或 至少一些顏色經指派成相同週期長度。在後者的狀況當所有顏色使用相同週期時，個別顏色之偵測可比前者的狀況更簡單。
在一具體實施例中，在操作期間，各顏色之高於一預定值之回授信號值係在與參考信號相比較前過濾掉。為達此目的可例如使用一低通濾光器。以此方式，回授信號之任何異常高測量值可予以移除，而回授信號之任何異常高測量值可歸咎於感測器單元在相鄰脈衝光源開啟之瞬間對顏色取樣。此可進一步降低任何干涉效應。
在另一具體實施例中，用於特定間隔之各顏色之回授信號極值於操作期間係在與參考信號相比較前移除。即，摒除於一特定間隔期間所偵測之回授信號的最高及最低測量值，該等測量值可為錯誤測量之結果。此亦可降低任何干涉效應，並可於操作期間受對其適當調適之控制單元影響。
根據本發明之另一態樣，提供一種發光單元配置，其包含：一發光單元，其包含至少一LED並經調適以發射至少一顏色之光；以及一控制系統，其如上所討論。此態樣展現與本發明之先前討論態樣相似之優點。
根據本發明之又另一態樣，提供一種用於控制發光單元之光輸出的方法，該發光單元包含至少一LED且係經調適以發射至少一顏色之光，該方法包含下列步驟：偵測發光單元之光輸出並提供一對應回授信號；基於回授信號與代表所欲光輸出之對應參考信號之間之比較來控制發光單元 之光輸出，以便能提供改良的光輸出；決定一具有一隨機持續時間之切換週期；在重複性切換週期內決定該(等)LED之(若干)開啟時間用於提供改良的光輸出；以及根據決定之週期及(若干)開啟時間來控制該(等)LED之供能。此態樣展現與本發明之先前討論態樣相似之優點。可使用上述控制系統來實施本方法。
圖2係說明在根據本發明之一具體實施例之一發光單元配置中之一發光單元10與一控制系統12的示意方塊圖。發光單元10與控制系統12可裝設於印刷電路板(PCB)或其類似物(未顯示)上。
發光單元10包含LED之陣列14，例如一個或多個以上經調適以發射紅色光之LED 14a、一個或多個以上經調適以發射綠色光之LED 14b與一個或多個以上經調適以發射藍色光之LED 14c。LED 14係連接至一用以點亮或供能給LED 14的電源供應單元16。
控制系統12包含一感測器單元18，其通常經調適以偵測由發光單元10之LED 14發射之光的通量或密度或輻射功率，並提供指示當前或目前或瞬間通量之回授信號。感測器單元18可包含一光學感測器，如光二極體，其係經時間多工以偵測不同顏色(R、G、B)之通量。控制系統12另外包含一參考單元20，其經調適以提供一參考信號，此參考信號代表各LED顏色(R、G、B)之所欲輸出通量。參考信號可例如基於由發光單元10輸出之所欲的整體顏色，該所 欲的顏色可經由使用者介面來設定。此外，控制系統12包含一控制單元22，其具有連接至感測器單元18以接收回授信號之一輸入、連接至參考單元20以接收參考信號之一輸入，及連接至電源供應單元16之一輸出。控制單元22可為一微處理器或其類似物。控制單元22通常係經調適以控制LED 14之輸出，而此控制係基於由回授信號指示之當前通量與由參考信號指示之所欲通量間之比較，並經由電源供應單元16且使用PWM而達成。
更明確地，在參考圖3a解說之一示範性操作中，控制單元22指示電源供應單元16在每一訊框或切換週期T期間利用各顏色之PWM信號將各顏色之LED 14切換成開啟與關閉。在第一週期T1 中，對於量測m1 ，所有LED係切換成關閉，並利用感測器單元18來測量背景通量。對於量測m2 ，該至少一藍色LED 14c係根據藍色之PWM信號而切換成開啟，且藍色通量係藉由自m2 減去m1 來決定。對於量測m3 ，該至少一綠色LED亦根據綠色之PWM信號而切換成開啟，且綠色通量係藉由自m3 減去m2 來決定。然後，對於量測m4 ，該至少一紅色LED亦根據紅色之PWM信號而切換成開啟，且紅色輸出係藉由自m4 減去m3 來決定。最後，LED 14係關閉。各顏色之至少一LED係開啟(開啟時間)之時間週期T之部分係決定LED 14之調暗位準的(PWM)工作循環。藉由用於各顏色R、G、B之感測單元18所測量之當前通量(回授信號)隨後係藉由控制單元22與由從參考單元20供應之參考信號所指示之各顏色R、G、B之所欲通量相比 較，且若在實際與所欲值間有差異則控制單元22適切地調整工作循環，以便能提供發光單元10之改良的光輸出。如熟悉本技術人士將瞭解，可使用圖3a中顯示之方案以外的實現時間解析LED輸出測量的方案。量測可例如散佈在許多週期上。
根據本發明，控制單元22係進一步經調適以決定切換週期T之隨機長度，決定在隨機切換週期內之LED開啟時間以提供改良的光輸出，以及根據決定週期與開啟時間控制供能該(等)LED。換句話說，改變其中工作循環係作用之切換週期或時間槽的長度。在其中PWM週期係PWM頻率之倒數的PWM控制背景中，此意即PWM頻率(用以控制LED 14之PWM信號的頻率)係隨機化的。
在圖3a中顯示之具體實施例中，於每次開啟發光單元10產生並設定一新的隨機PWM頻率(週期)。在圖3a中，發光單元10係先於週期T1 至Tm 開啟，其後關閉。然後其係再次於週期Tn 至Tx 開啟。於T1 至Tm ，控制單元22產生一隨機頻率f RND1 ，其在T1 至Tm 期間用作LED 14之開啟/關閉切換之PWM頻率。另一方面，於Tn 至Tx ，控制單元產生一新的隨機頻率f RND2 ，其在Tn 至Tx 期間用作LED 14之開啟/關閉切換之PWM頻率。若f RND2 >f RND1 ，則每一週期或時間槽Tn 至Tx 如於圖3a中係短於每一週期T1 至Tm 。然而，工作循環保持相同(脈衝寬度係根據隨機頻率/訊框來按比例調整)，只要單元10之希望光輸出不改變，從而能量或調暗位準保持相同。(新的)頻率較佳地係供應至感測器單元18(如圖2中 由虛線24所指示)，使得感測器單元18可將其之取樣頻率與LED 14之頻率相匹配。
本發明之一優點係藉由引入位於發光單元10與控制系統12附近之外部脈衝光源來說明。外部脈衝光源以一固定頻率週期地發射可能會干涉之光。巧合地，外部脈衝光源之頻率與f RND1 一致，且在T1 至Tm 期間，外部脈衝光源恰於感測器單元18之感測器進行偵測以決定紅色通量(量測m4 )時發射光(表示為"y")。因此，若感測器單元18亦拾取附近外部脈衝光源之通量，則量測m4 之背景光將與其他量測之背景光不同。因此，自m4 減m3 將產生一過高值，且於T1 至Tm 期間當前紅色通量將錯誤，其從而將使控制單元22錯誤地調整LED 14。然而，下一次開啟發光單元10(週期Tn 至Tx )，其於頻率f RND2 下操作，從而外部脈衝光源將對先前週期干涉之可能性係明顯降低。結果係較具干涉容限之系統。
於圖3b中顯示之具體實施例中，新的隨機頻率係於開啟發光單元10期間重複產生並設定。於圖3b中，一新的隨機PWM頻率(週期)係每一週期T均產生並設定，但其可能替代地以一固定頻率(例如，1 Hz，即，每秒一次)或甚至一隨機頻率來設定。於圖3b中每一週期之新的隨機頻率意指週期T1 、T2 、...具有不同(隨機)持續時間。因此，萬一外部脈衝光源干涉一週期的量測，則因隨機PWM頻率，故用於其他週期將如此干涉的可能性便明顯降低。
上述隨機頻率較佳地係根據公式f RND ＝f 1 ＋f 2 * RND來產 生，其中f 1 係一臨限頻率，f 2 係一可允許頻率變異，而RND係介於0與1間之隨機數。臨限頻率f 1 較佳地係能避免肉眼可見之閃爍的頻率之上。臨限頻率f 1 可為約500 Hz，且可允許頻率變異f 2 可為約500 Hz，從而產生約500至1000 Hz之頻率範圍。隨機數RND較佳地係使用控制單元22之現有隨機數產生器來產生。
作為提供干涉容限之系統的其他方法，可引入一低通濾波器(未顯示)或其類似物以在與控制單元22中之參考信號相比較前過濾掉高於用於各顏色之預定值的回授信號值。低通濾光器較佳地係實施於控制單元22中。以此方式，移除回授信號之任何異常高測量值，其可歸咎於感測器單元18在毗鄰脈衝光源係開啟之瞬間取樣顏色的事實。此外，可在與控制單元22中之參考信號相比較前摒除特定間隔(例如，特定持續時間或一特定週期數)之用於各顏色之回授信號的最高及最低值。此等極值可係錯誤測量之結果，結果移除其之效應。
應注意，可在無任何回授之情況下具體化本控制系統及發光單元配置及方法。在此情況中，好處係降低對其他附近光源之干涉。同時在此情況中，可省略控制單元之感測器單元及相關回授功能(或對應方法步驟)，且發光單元可包含一個或多個以上之(PWM控制)光源，如LED、TL等。
熟悉本技術人士應認識到本發明決不限於以上說明的較佳具體實施例。相反，可在隨附申請專利範圍之範疇內進行許多修改及變更。
例如，在圖3a至3b中所有顏色係指派相同隨機頻率，但替代地可對各顏色設定一隨機頻率。
同時，除了如上述使用PWM以控制對LED之電源供應外，可能使用頻率調變，例如在頻率調變中，脈衝寬度通常具有相同絕對值，但週期卻改變。此意指開啟時間係固定，但於給定週期關閉時間則不同。使用本發明之隨機週期，開啟時間與關閉時間二者之寬度係以相同值來按比例調整，因而給出相同能量(工作循環)。
同時，儘管以FFB之背景來說明，然而本發明亦可以FFB＋TFF或CCFB模型來實施，例如
10‧‧‧發光單元
12‧‧‧控制系統
14a‧‧‧紅色LED
14b‧‧‧綠色LED
14c‧‧‧藍色LED
16‧‧‧電源供應單元
18‧‧‧感測器單元
20‧‧‧參考單元
22‧‧‧控制單元
24‧‧‧虛線
B‧‧‧顏色
G‧‧‧顏色
R‧‧‧顏色
y‧‧‧光
現在將參考呈現本發明目前較佳具體實施例的附圖，更加詳細地說明本發明之此等與其它態樣。
圖1a至1b係先前技術解決方案的時序圖。
圖2係說明根據本發明之一具體實施例之一發光單元與一控制系統的示意性方塊圖。
圖3a至3b係本發明之不同具體實施例的時序圖。
B‧‧‧顏色
G‧‧‧顏色
R‧‧‧顏色
y‧‧‧光

Claims (19)

  1. 一種用於控制一發光單元(10)之光輸出的控制系統(12)，該發光單元包含至少一發光二極體(LED)(14)且係經調適以發射至少一種顏色的光，該控制系統包含：一感測器單元(18)，其經調適以偵測該發光單元之光輸出並提供一對應回授信號；以及一控制單元(22)，其經調適以基於該回授信號與代表一所欲光輸出之一對應參考信號間之一比較來控制該發光單元之光輸出，以提供一改良的光輸出，其中該控制單元係進一步經調適以：決定一具有一隨機持續時間之切換週期；在重複性(recurring)切換週期內決定該(等)LED之(若干)開啟時間，以提供該改良的光輸出；以及根據該所決定之週期及(若干)開啟時間來控制該(等)LED之供能。
  2. 如請求項1之控制系統，其中該隨機持續時間係1/f RND ，而f RND =f 1 +f 2 *RND且f 1 係一臨限頻率，f 2 係一可允許頻率變異，而RND係介於0與1間之一隨機數。
  3. 如請求項1或2之控制系統，其中該隨機持續時間係用以控制該至少一LED之一脈衝寬度調變(PWM)信號的週期。
  4. 如請求項1或2之控制系統，其中該控制單元係進一步經調適以於該發光單元之電源開啟時設定該隨機持續時間。
  5. 如請求項1或2之控制系統，其中該控制單元係進一步經調適以於該發光單元之操作期間重複設定切換週期。
  6. 如請求項1或2之控制系統，其中該感測器單元係進一步經調適以根據該切換週期中之(若干)開啟時間來偵測該發光單元之光輸出。
  7. 如請求項1或2之控制系統，其中該控制單元係進一步經調適以對各顏色設定一切換週期。
  8. 如請求項1或2之控制系統，其中在操作期間，各顏色之高於一預定值之各回授信號值係在與該參考信號相比較前被過濾掉。
  9. 如請求項1或2之控制系統，其中在操作期間之一特定時間間隔，各顏色之各回授信號極值係在與該參考信號相比較前移除。
  10. 一種發光單元配置，其包含：一發光單元(10)，其包含至少一發光二極體(LED)(14)，並經調適以發射至少一種顏色的光；以及一如請求項1或2之控制系統(12)。
  11. 一種用於控制一發光單元(10)之光輸出的方法，該發光單元包含至少一發光二極體(LED)(14)且係經調適以發射至少一種顏色的光，該方法包含下列步驟：偵測該發光單元之光輸出並提供一對應回授信號；基於該回授信號與代表一所欲之光輸出的一對應參考信號間之一比較來控制該發光單元之光輸出，以提供一改良的光輸出； 決定一具有一隨機持續時間之切換週期；在重複性切換週期內決定該(等)LED之(若干)開啟時間，以提供該改良的光輸出；以及根據該所決定之週期及(若干)開啟時間來控制該(等)LED之供能。
  12. 如請求項11之方法，其中該隨機持續時間係1/f RND ，而f RND =f 1 +f 2 *RND且f 1 係一臨限頻率，f 2 係一可允許頻率變異，而RND係介於0與1間之一隨機數。
  13. 如請求項11或12之方法，其中該隨機持續時間係用以控制該至少一LED之一脈衝寬度調變(PWM)信號的週期。
  14. 如請求項11或12之方法，其中該切換頻率係於該發光單元之電源開啟時設定。
  15. 如請求項11或12之方法，其中切換週期係於該發光單元之操作期間重複設定。
  16. 如請求項11或12之方法，其中該發光單元之光輸出係根據該隨機週期中之(若干)開啟時間來偵測。
  17. 如請求項11或12之方法，其中對各顏色設定一隨機週期。
  18. 如請求項11或12之方法，其中各顏色之高於一預定值之各回授信號值係在與該參考信號相比較前過濾掉。
  19. 如請求項11或12之方法，其中在一特定時間間隔，各顏色之各回授信號極值係在與該參考信號相比較前移除。
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