CN101405668A - 驱动发光二极管（led）的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于提高驱动LED时的效率的系统和方法。优选实施方案包括耦连至电流控制信号输入的开关电流调节器(420)，该开关电流调节器基于电流控制信号输入上电压的幅值，控制提供给LED的电流量；耦连至开关电流调节器和LED的开关电压调节器(440)，该开关电压调节器给LED提供电流；以及耦连至开关电流调节器、LED和信号反馈电路的传感器(445、450、455)，该传感器测量与开关电流调节器以及LED有关的状态信息，并将该信息提供给控制器，其中状态信息可以用于调节电流控制信号输入上的电流。

Description

驱动发光二极管（LED）的装置和方法

技术领域

【0001】本发明一般涉及用于显示系统的装置和方法，且更具体地涉及提高驱动LED时的效率的装置和方法。

背景技术

【0002】投影显示系统一般使用超高压(UHP)弧光灯来提供将图像(或图像序列)投影在显示屏上所需的必要的光。UHP弧光灯提供足够的亮度并具有较长寿命。遗憾的是，UHP弧光灯消耗大量的功率并产生大量热。

【0003】最近，LED已经出现在市场上，其已经能够产生与UHP弧光灯的强度级相匹敌的强度级的光，特别是当多个LED联合使用时。LED具有优点，因为使用产生特定颜色光的窄光谱LED是可能的，而UHP弧光灯产生宽光谱光。另外，与UHP弧光灯相比，LED消耗较少功率并且产生较低热量。此外，LED倾向于具有比UHP弧光灯更长的寿命。

【0004】现有技术的一个缺点是，LED可能比UHP弧光灯价格高得多。这由于以下事实可能会进一步地加重，即由于LED的窄光谱性质和LED较低的光输出水平，可能需要多个LED来代替单个UHP弧光灯。这将导致价格更高和更复杂的显示系统，并且潜在地降低可靠性。

【0005】现有技术的第二个缺点是，为了最优化LED的功率消耗，并提高可用寿命和光输出，LED不能被简单地开启。LED的驱动电流可能需要监视，以及调节和调制。因此，可能需要驱动电路来控制LED的驱动电流。这可进一步导致价格更高和更复杂的显示系统。

发明内容

【0006】通过提供提高驱动LED时效率的装置和方法的本发明的优选实施方案，这些和其他问题大体被解决或避免，并且大体实现技术优点。

【0007】依照本发明的优选实施方案，提供一种电路。该电路包括连接至电流控制信号输入的开关电流调节器。开关电流调节器基于电流控制信号输入上的电压大小或电压幅值，控制提供给发光二极管的电流。该电路还包括连接至开关电流调节器和LED的开关电压调节器。开关电压调节器给发光二极管提供电流。该电路进一步包括连接至开关电流调节器、LED和信号反馈电路的传感器。传感器测量关于开关电流调节器和LED的状态信息，并经由信号反馈电路提供状态信息到控制器。状态信息在控制器可以被用于调整电流控制信号输入上的电压。

【0008】依照本发明的另一优选实施方案，提供一种显示系统。该显示系统包括光源、显示器件和控制器。光源可以包括发光二极管(LED)和LED驱动电路，LED驱动电路包括连接至电流控制信号输入的开关电流调节器。开关电流调节器基于电流控制信号输入上的电压幅值，控制提供到发光二极管的电流。该电路还包括连接至开关电流调节器和LED的开关电压调节器。开关电压调节器提供电流到LED。该电路进一步包括连接至开关电流调节器、LED和信号反馈电路的传感器。传感器测量关于开关电流调节器和LED的状态信息，并经由信号反馈电路提供状态信息。显示器件显示存储在存储器中的图像数据，同时控制器从LED驱动电路中的传感器接收状态信息，并调整电流控制信号输入上电流的幅值，并且通过显示器件控制图像数据的显示。

【0009】依照本发明的另一优选实施方案，提供使发光二极管(LED)发光的方法。该方法包括当LED驱动电路是激活的时候感测状态信息，提供状态信息到控制器，并发送指令到LED驱动电路，以基于状态信息调整LED驱动电路的输出电压。

【0010】本发明的优选实施方案的优点是，LED的电流源电路以所期望的LED光输出水平的最低热耗散要求工作。因此这导致LED驱动电路的更高效的电源供应、降低的功率消耗和增加的可用寿命。

【0011】本发明的优选实施方案的另一个优点是，将LED的光输出水平迅速地衰减到期望的水平是可能的，使得改变正在由显示系统显示的迅速变化的图像之间的光输出水平变为可能，而不是缓慢地改变多个图像之间的光输出水平。这可以引起对图像质量以及功率消耗的改进的控制。

附图说明

【0012】图1是示例显示系统图；

【0013】图2是具有显示系统的辅助硬件的示例光源图，其中LED用来提供光；

【0014】图3是按照本发明的优选实施方案，具有显示系统的辅助硬件的光源图，其中辅助硬件使功率消耗能够最优化；

【0015】图4是按照本发明优选实施方案的示例LED驱动电路的图；以及

【0016】图5a和5b是按照本发明的优选实施方案，描述LED驱动电路的操作的事件序列图。

具体实施方式

【0017】本发明关于具体上下文中给出的示例优选实施方案进行描述，也就是使用LED作为光源的显示系统。然而，本发明也可以用于其他应用，这些应用中存在一种需求，即高效地提供功率到消耗大量电流的强光输出LED，以最优化功率消耗并使产品寿命最长，比如光信标、道路警告标志、灯等等。

【0018】现在参照图1，其显示了图解说明示例显示系统100的图，其中LED用来提供由空间光调制器(SLM)使用的光。显示系统100使用SLM105，比如数字微反射镜器件(DMD)，来调制由光源110提供的光，光源110包括一个或更多个LED。从SLM 105反射的光可以在显示屏115上显示。控制器120可以控制SLM 105、光源110和存储器125的操作。存储器125可以缓冲被提供到SLM 105的图像数据(比如要被显示系统100显示的图像)。图像数据可以用于设置光调制器的状态，比如DMD中、SLM 105中的微反射镜的状态。

【0019】现在参照图2，其显示了图解说明具有显示系统的辅助硬件的示例光源视图的图，其中一个或更多个LED用来提供光。图2中所显示的图可以是显示系统100(图1)的发光部分的详细视图。使用LED来为显示系统提供光的两个显著优点是LED可以被迅速开启和关闭，并且LED可以提供不同强度级的光。通过增加显示系统的位深和对比度，以及提供调整正在显示的图像的色调和色相的能力来最优化观看质量，迅速开启和关闭的能力与产生不同强度级光的能力的结合可以有助于提高显示系统的图像质量。

【0020】为了控制LED，可能需要LED驱动电路205来调节用于使LED110发光的驱动电流。耦连在控制器120和LED 110之间的LED驱动电路205，可以有足够的智能来获得由控制器120提供的LED指令，并将它们转换成提供给LED 110的驱动电流。例如，控制器120可以发出开启LED 110的指令并且LED驱动电路205可以开启驱动电流，使得LED110发光。如果控制器120发出将LED的光输出强度降低50％的指令，那么LED驱动电路205可以以将LED的光输出降低50％所必需的量降低驱动电流，其中驱动电流的降低量取决于LED 110的特性。由LED驱动电路205提供的驱动电流可以不是以其幅值来控制LED 110发光的简单信号。例如，驱动电流可以是脉宽调制(PWM)信号，其以提供给LED110的信号的脉冲宽度(占空比)来控制发光。可替代地，LED驱动电路205可以是相对简单的，并且可以要求控制器120提供实际驱动信号用于使LED 110发光。

【0021】现在参照图3，其显示了图解说明按照本发明的优选实施方案，具有显示系统的辅助硬件的光源的图，其中辅助硬件使功率消耗能够最优化。图3中所显示的图示可以是显示系统100(图1)的发光部分的详细视图。由于材料和制造的可变性，生产完全相同地工作和表现的LED和驱动电路(比如晶体管)可能是不可能的。因此，预编程序的驱动信号、电压和电流幅值等等的使用可能不会产生最佳的热耗散和光输出水平。为了使热耗散和光输出水平能够最优化，监视电压和电流幅值并作出必要调整可能是必要的。

【0022】图3所显示的图图解说明了可以由LED指令驱动的LED 110，LED指令由控制器120经由LED驱动电路305提供。LED驱动电路305可以将来自控制器120的LED指令转换成可以用于使LED 110发光的驱动电流。传感器(或多个传感器)310可以用于检测LED 110的电压和电流幅值、温度等、驱动电流、驱动电路等，并且将信息反馈给LED驱动电路305，LED驱动电路305可以对驱动电流作出必要的调整以最优化LED 110的操作。来自传感器310的反馈信息可以被LED驱动电路305直接使用，或者被提供给控制器120，控制器120可以发出另外的LED指令到LED驱动电路305，以对驱动电流作出必要的调整。例如，传感器310可以检测LED 110的工作温度以帮助防止LED 110的过热，过热将导致缩短的工作寿命，传感器310可以检测LED驱动电路305中驱动晶体管两端的电压，以确保驱动晶体管在具有最小耗散的电流源模式工作等等。另外，传感器310可以检测关于LED 110的其他状态信息，比如LED电流和LED电压。这个状态信息也可以用于调整LED驱动电路305。此外，传感器310也可以检测关于用于向LED 110提供电流的晶体管(或者多个晶体管)的状态信息，并且状态信息被用于调整LED驱动电路305。

【0023】现在参照图4，其显示了图解说明按照本发明的优选实施方案，示例LED驱动电路400的详细视图的图。图4中显示的LED驱动电路400可以是LED驱动电路305(图3)的实现。LED驱动电路400包括总线接口单元405，其可以负责用作控制器比如控制器120(图3)和LED驱动电路400之间的媒介。总线接口单元405既可以发送也可以接收通信总线上的命令和数据。通信总线可以是并行通信总线或者串行通信总线，图4中所显示的是串行通信总线。来自控制器120的指令可以通过数模转换器(DAC)410被转换为驱动信号的表示。驱动信号的表示可以用于控制提供给LED110的驱动信号，并且可以提供给运算放大器415，优选是正(正极)端子，并且运算放大器415的输出被耦连到晶体管420的栅极端。运算放大器415的负极端可以被耦连至晶体管420的源极端以及电阻器481，以建立电流控制闭合环路。运算放大器415的放大的输出可以相应地调整，以控制晶体管420的状态来维持负极端处的电压等于正极端电压减去偏移电压。提供给LED 110的电流将基本上等于运算放大器415负极端处的电压除以电阻器481的电阻。根据本发明的优选实施方案，电阻器420可以以大功率晶体管来实现，优选是场效应晶体管(FET)。由于晶体管420的大功率需求，将晶体管420集成在与LED驱动电路400相同的集成电路上可能是不可能的。优选实施方案将把晶体管420作为与大散热片附连的独立器件。

【0024】在DAC 410和运算放大器415之间可以耦连电阻分压器网络425。电阻分压器网络425包括第一电阻器426和第二电阻器427，并且第一电阻器426被串联地安置在DAC 410和运算放大器415之间，且第二电阻器427与第一电阻器426并联地安置。如果第一电阻器426和第二电阻器427具有基本相等的电阻，那么电阻分压器网络425可以用于几乎即时地将DAC410的输出电流减少一半。在显示系统中，这种能力可以使位深的附加位能够添加，并且因而改善图像质量。耦连至晶体管432的一半的电流输入“HCUR”430可以接通/切断电阻分压器网络425。按照本发明的另一优选实施方案，更精密的电阻分压器网络可以用于代替电阻分压器网络425，并使DAC 410的电流能够几乎即时减少许多级。这可以引起将多于一个位深的比特位添加到显示系统。

【0025】按照本发明的优选实施方案，不是提供连续的电流到LED 110，而是以脉冲(或者以选通脉冲(strobe))提供驱动电流，脉冲可以以精确的方式被更加容易地控制。选通脉冲输入“STRB”435可以被用于有效地使来自DAC 410的输出的电流脉冲输送到LED 110。反相器437可以将选通脉冲输入“STRB”435耦连至晶体管439的栅极端，晶体管439的栅极端并联地耦连至DAC 410的输出。然后晶体管439可以将DAC 410的输出耦连至电接地并提供到电接地的电流通路。除了被耦连至DAC 410的输出，选通脉冲输入“STRB”435还可以被耦连至开关电压调节器440、LED电流跟踪和保持单元445、FET余量(headroom)跟踪和保持单元450、以及LED电压跟踪和保持单元455。选通脉冲输入“STRB”435可以起到这些单元的使能电路的作用，即，当选通脉冲输入“STRB”435是激活的(active)时，耦连到它的那些单元可以被使能。

【0026】开关电压调节器440可以以多种不同的电平提供电压，每个电平可以是由LED驱动电路400的设计者可编程的。开关电压调节器440可以基于选通脉冲输入“STRB”435和FET余量电压(headroom voltage)来调节电压电平。当选通脉冲输入“STRB”435不是激活的时，开关电压调节器可以将电压维持在先前调节的电平。当选通脉冲输入“STRB”435变为激活的时，三个跟踪和保持单元(LED电流跟踪和保持单元445、FET余量跟踪和保持单元450以及LED电压跟踪和保持单元455)可以本质上是采样和保持电路，其被重新配置以在输入处采样和保持数值。LED电流跟踪和保持单元445维持可以表示由LED 110正在抽取的电流的数值。FET余量跟踪和保持单元450维持可以表示跨越晶体管420的源极端和漏极端的压降的数值，并且LED电压跟踪和保持单元455维持可以表示跨越LED 110的阳极端和阴极端的压降的数值。

【0027】三个跟踪和保持单元的每一个具有输出，该输出可以被耦连至多路复用模数转换器(ADC)460，其可以用于将在它的多路输入处的信号转换为它们的数字表示，以提供给总线接口405。在多路复用ADC 460的输入处的信号的数字表示，比如由LED电流跟踪和保持单元445、FET余量跟踪和保持单元450以及LED电压跟踪和保持单元455所维持的数值可以被传送到控制器120。之后控制器120可以发出LED命令以对LED 110的驱动电流进行任何必要的调整，从而最优化晶体管420的热耗散、LED110的光输出等等。FET余量跟踪和保持单元450的输出也可以被提供到开关电压调节器440，在那里该数值可以被用于调节电压电平。

【0028】三个跟踪和保持单元的每一个具有输入，其作为运算放大器的输出。第一运算放大器447具有输出，该输出是LED电流跟踪和保持单元445的输入。第一运算放大器447可以用于测量电阻器481两端的电压电势。电阻器481两端的压降提供了由LED 110抽取的电流的指示。第二运算放大器452具有输出，该输出是FET余量跟踪和保持单元450的输入。第二运算放大器452可以用于测量晶体管420的不同端子上的电压电势，并且可以提供跨越晶体管420的源极端和漏极端的压降的指示。第三运算放大器457可以用于测量电容器471两端的电压电势，并且提供LED 110两端的压降的指示。

【0029】除了提供比如LED电流、LED电压和FET电压的信息的三个跟踪和保持单元之外，温度传感器(未显示)可以用于监视LED 110的工作温度。温度传感器可以经由温度传感器信号输入“TMPSEN”464向LED驱动电路400提供温度信息。之后温度信息可以被多路复用ADC 460数字化，用于向回传送到控制器120，在这里温度信息可以用于对LED110的驱动电流进行任何必要的调整，以最优化晶体管420的热耗散、LED110的光输出等等。

【0030】开关电压调节器440可以用于提供已调节的电压到LED 110，并且可以具有至少四个到电路的连接，用于向LED 110提供驱动电流。开关电压调节器440的第一输出465在开关电压调节器440的输出处可以仅仅提供与开关电压调节器440的输入电压基本相同的电压电势。第一输出465可以被耦连到正极LED电压电源(+LED电源)。开关电压调节器440可以具有反馈感测连接466，其可以被开关电压调节器440用来监视用于提供驱动电流到LED 110的电路中的电流。反馈感测连接466可以测量电阻器470(一般被称作感测电阻器)两端的压降。

【0031】第二输出472可以用于接通和切断晶体管475。接通和切断晶体管475可以将输入电压(+LED电源)降低到LED 110的阳极端所需的电平。第三输出473可以用于接通和切断晶体管476。当第二输出472使晶体管475接通时，第三输出473使晶体管476切断，反之亦然。晶体管475和晶体管476可以交替地提供同步整流并且提供最高的效率。按照本发明的优选实施方案，晶体管475和晶体管476的占空比可以取决于输出电压与输入电压的比率。

【0032】在晶体管475和晶体管476之间发生切换的期间，+LED电源可以即刻被耦连到电感器480，允许电感器480在其磁场中存储能量。然后存储在电感器480的磁场中的能量可以被用于提供驱动电流到LED 110。驱动电流可以通过LED阳极端被提供到LED 110。使用电流感测反馈，由LED 110抽取的驱动电流可以由通过晶体管420和电阻器481到负极电源(-LED电源)或者电接地的电流通路调节，其中通过使用电流感测反馈，晶体管420被用于调节驱动电流。

【0033】现在参看图5a和5b，其按照本发明的优选实施方案，显示图解说明描述LED驱动电路操作的事件序列500的图。图5a所显示的事件序列500可以是LED驱动电路，比如LED驱动电路305(图3)的操作的说明，其中LED驱动电路305利用传感器(比如传感器310(图3))调节输出电压，以确保正在由LED驱动电路305驱动的LED(或多个LED)正在提供最大的光输出并且将功率消耗最小化。

【0034】只有当控制LED驱动电路305操作的脉冲是激活的时候，或者当LED驱动电路305是受选通脉冲作用的时候，比如图4所显示的，由于LED驱动电路305的操作是在脉冲工作状态的(或者是在选通脉冲工作状态的)，那么LED驱动电路305提供电流使LED发光，比如使LED110(图1)发光。当脉冲是激活的，LED驱动电路305提供电流到LED110以使LED110发光。然后事件序列500可以从判定LED驱动电路305是否正在驱动LED 110开始(方框505)。如果LED驱动电路305没有正在驱动LED 110，那么没有电流正被提供到LED 110并且LED 110不发光。因此，LED也不耗散任何热量。

【0035】如果LED驱动电路305正在工作，即脉冲是激活的，那么LED110和/或LED驱动电路305的状态可以被感测(方框510)。按照本发明的优选实施方案，LED 110和/或LED驱动电路305状态的感测可以通过使用传感器比如传感器310(图3)，或者通过跟踪和保持单元比如LED电流跟踪和保持单元445(图4)等等来完成。参照图5b，由传感器310和/或跟踪和保持单元所提供的状态信息可以包括比如晶体管(FET)电压(或者余量)525、LED温度530、LED电压535、LED电流540等等信息。然后状态信息可以被发送到控制器，比如控制器120(图3)(方框515)。控制器可以负责控制LED驱动电路305的操作。之后来自传感器310以及各种跟踪和保持单元的信息可以被控制器120用于对LED驱动电路305的输出电压(以及输出电流)进行调整(方框520)。控制器120可以改变被提供到LED驱动电路305的电压控制指令，以改变LED驱动电路305的输出电压。LED驱动电路305的监视本质上是连续的，并且一旦已经对LED驱动电路305的输出电压作出了调整，LED驱动电路305的操作就通过回到方框505而继续。

【0036】本发明所涉及领域的技术人员将意识到，前述的实例只是本发明可以实现的许多实施方案中的一些；并且可以对那些实例和所实现的其他实施方案的细节作出各种增加、删减、替代和其他的修改，而不偏离所要求保护的发明的范围。

Claims (15)

1.一种包括电路的装置，其包括：

开关电流调节器，其被耦连至电流控制信号输入，所述开关电流调节器被配置为基于所述电流控制信号输入上的电压幅值，控制被提供给发光二极管LED的电流；

开关电压调节器，其被耦连至所述开关电流调节器和所述LED，所述开关电压调节器被配置为提供电流到所述LED；和

传感器，其被耦连至所述开关电流调节器、所述LED和信号反馈电路，所述传感器被配置为测量与所述开关电流调节器和所述LED有关的状态信息，并且经由所述信号反馈电路将所述状态信息提供给控制器，其中所述状态信息可以被用于调整所述电流控制信号输入上的电压。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括电阻器网络，其被耦连在所述电流控制信号输入和所述开关电流调节器之间，所述电阻器网络被配置为基于电流分配信号的数值分配在所述电流控制信号输入上的电流。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述传感器包括：

LED电压传感器，其被耦连至所述LED的阳极端和所述LED的阴极端，所述LED电压传感器被配置为测量所述LED两端的压降；

LED电流传感器，其被耦连至所述LED，所述LED电流传感器被配置为测量流过所述LED的电流；以及

开关余量传感器，其被耦连至所述开关电流调节器，所述开关余量传感器被配置为测量所述开关电流调节器两端的压降。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述传感器进一步包括耦连至所述LED的温度传感器，所述温度传感器被配置为测量所述LED的温度。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述开关是场效应晶体管，且其中所述开关余量传感器测量是否所述开关电流调节器正在以具有最小消耗的电流源模式工作。

6.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括选通脉冲信号输入，其被耦连至所述开关电压调节器和所述传感器，其中所述开关电压调节器和所述传感器被配置为只在所述选通脉冲信号输入上的信号处于激活状态时工作。

7.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括电感器，其被耦连在所述开关电压调节器的正电势和所述LED的阳极端之间，所述电感器被配置为提供电流给所述LED。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述电路是LED驱动电路，并且进一步包括：

电源，其包括发光二极管LED，所述LED被连接以通过所述LED驱动电路驱动；

显示器件，其被配置为显示存储在存储器中的图像数据；和

控制器，其被耦连到所述LED驱动电路和所述显示器件，所述控制器被配置为从所述LED驱动电路中的所述传感器接收状态信息，调整所述电流控制信号输入上所述电流的幅值，并通过所述显示器件控制所述图像数据的显示。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述显示器件是电子微反射镜器件。

10.一种用于使发光二极管LED发光的方法，所述方法包括：

基于LED驱动电路是激活的判定，感测与所述LED有关的状态信息；

提供所述状态信息到控制器；以及

发送指令到所述LED驱动电路，以基于所述状态信息调整所述LED驱动电路的输出电压，其中所述指令由所述控制器发送。

11.根据权利要求10所述的方法，其中驱动晶体管控制驱动所述LED的电流量，并且其中所述状态信息包括从下面的组中选择的信息，所述组包括：LED温度、LED电压、LED电流和驱动晶体管电压。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述感测、提供和发送在所述LED驱动电路是激活的时候发生。

13.根据权利要求12所述的方法，其中当所述LED驱动电路在使能信号线上接收激活信号的时候，所述LED驱动电路是激活的。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述提供包括：

将所述状态信息转换为数字数据，以及

通过通信接口传送所述数字数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述发送包括：

通过所述通信接口传送所述指令；以及

将所述指令转换为模拟信号，其中所述指令以所述模拟信号的幅值表示。

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