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TWI465151B - 控制ｌｅｄ亮度的調光控制器及方法 - Google Patents

控制ｌｅｄ亮度的調光控制器及方法 Download PDF

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TWI465151B
TWI465151B TW100145058A TW100145058A TWI465151B TW I465151 B TWI465151 B TW I465151B TW 100145058 A TW100145058 A TW 100145058A TW 100145058 A TW100145058 A TW 100145058A TW I465151 B TWI465151 B TW I465151B
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Shei Chie Yang
Shui Mu Lin
Jun Sheng Cheng
ming yu Lin
Chun I Lin
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Richtek Technology Corp
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Description

控制LED亮度的調光控制器及方法
本發明係有關一種控制發光二極體(Light Emitting Diode;LED)亮度的調光控制器及方法，特別是關於一種根據LED特性對LED電流進行補償的調光控制器及方法。
現有的LED調光控制方法主要有脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM)調光及直流(DC)調光這兩種。PWM調光係控制開關的切換來控制LED上的電流IF的平均值，故使用PWM調光控制LED的亮度(brightness)時，LED的平均電流IF_avg與亮度具有線性關係，如圖1的曲線10所示，因此PWM調光可以達成線性調光。DC調光係控制LED上的電流IF，故使用DC調光控制LED的亮度時，LED的平均電流IF_avg並非線性正比於亮度，如圖1的曲線12所示，因此DC調光難以達成線性調光。雖然PWM調光可以達成線性調光，但在某些亮度BR下，DC調光可以用較低的平均電流IF_avg達到所要的亮度，也就是說，在某些亮度BR下，DC調光比PWM調光更節省輸入功率。此外，LED的亮度也會受到周遭環境溫度的影響，如圖2所示假設LED的電流IF固定在40mA，LED的亮度隨著溫度下降而上升，因此在溫度下降時可以減少LED的電流IF以保持原來的亮度，進而節省功率。
然而，現有的LED亮度控制裝置並沒有根據LED的亮度或環境溫度等LED特性對電流進行補償的功能，例如產品型號ISL97635A的LED驅動器。
因此，一種根據LED特性對LED的電流或平均電流進行補償的裝置，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種根據LED特性對LED的電流或平均電流進行補償的調光控制器及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種使DC調光達成線性調光的調光控制器及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種在PWM調光改善LED閃爍及PWM輸出解析度問題的調光控制器及方法。
根據本發明，一種控制LED亮度的調光控制器及方法，利用儲存單元儲存與LED特性相關的查詢表，並根據該電流設定資訊及該查詢表決定補償值以補償該電流設定資訊，因而可以在DC調光模式下達成線性調光。此外，在PWM調光模式下，該調光控制器及方法藉由PWM學習機制改善LED閃爍及PWM輸出解析度問題。
圖3顯示本發明的調光控制器20的實施例，其包括輸入端26及28分別用以接收PWM信號Spwmi及電流設定資訊Scsi，以及輸出端48及50分別用以輸出PWM信號Spwmo及電流設定資訊Scor，調光控制器20利用儲存單元38儲存與LED特性相關的資料，並據以對電流設定資訊Scsi或PWM信號Spwmi進行補償產生修正的電流設定資訊Scor或PWM信號Spwmo給LED驅動器22，其中電流設定資訊Scsi及Scor可以是N位元的數位信號。LED驅動器22根據電流設定資訊Scor控制LED光源模組24中LED串CH1~CHn的電流，或是根據PWM信號Spwmo控制LED串CH1~CHn的平均電流，進而決定每一LED串CH1~CHn的亮度，每一LED串CH1~CHn具有多個串聯的LED。
在圖3的調光控制器20中，介面電路30連接輸入端28用以將電流設定資訊Scsi送至N位元的暫存器34，此外介面電路30也可以將與LED特性相關的修正資料寫入儲存單元38，例如將亮度對相應LED電流查詢表(look up table)以及亮度對溫度查詢表分別寫入或更新至儲存單元38的記憶體40及42中。PWM工作週期比偵測器32連接輸入端26，根據調光控制器20內部的時脈信號CLK偵測PWM信號 Spwmi的工作週期比以決定N位元的電流設定資訊Duty_pwmi給N位元的暫存器34，具體而言，假設電流設定資訊Duty_pwmi為8位元的資料，故電流設定資訊Duty_pwmi在0至255之間，若PWM信號Spwmi的工作調期比為75%，則電流設定資訊Duty_pwmi=255×0.75≒191。暫存器34儲存電流設定資訊Scsi及Duty_pwmi其中一個後，將所儲存的電流設定資訊Scsi或Duty_pwmi提供給補償器36及儲存單元38。儲存單元38的記憶體40根據N位元的暫存器34所提供的電流設定資訊及其所儲存的亮度對相應LED電流查詢表提供補償值M(D)，其中D為亮度步階而且最大值為2N ，M為特定LED電流下PWM調光亮度及DC調光亮度之間的亮度比例。儲存單元38的記憶體42根據暫存器34所提供的電流設定資訊及其所儲存的亮度對溫度查詢表提供補償值K(T)，其中T為溫度步階，K為特定溫度及最低溫度之間的亮度比例。補償器36根據補償值M(D)及K(T)對暫存器34所提供的電流設定資訊進行補償以產生修正的電流設定資訊Scor，補償器36的實現方式有很多種，例如使用乘法器將暫存器34所提供的電流設定資訊乘上補償值M(D)及K(T)以產生電流設定資訊Scor。N位元的暫存器46儲存補償器36所提供的電流設定資訊Scor後，可以將該電流設定資訊Scor經輸出端50送至LED驅動器22以決定LED 串CH1~CHn上的電流，或是將電流設定資訊Scor送至PWM產生器44。PWM產生器44根據時脈信號CLK及電流設定資訊Scor產生修正的PWM信號Spwmo給LED驅動器22以控制LED串CH1~CHn上的平均電流，此外，PWM產生器44根據來自PWM工作週期比偵測器32的電流設定資訊Duty_pwmi控制PWM信號Spwmo的工作週期比的變化速度，以避免PWM信號Spwmo的工作週期比的變化太快而使LED串CH1~CHn發生閃爍現象。
圖4顯示圖3中PWM工作週期比偵測器32的實施例，其包括取樣電路52、磁滯電路54及頻率偵測器56。假設取樣電路52根據時脈信號CLK對PWM信號Spwmi的工作週期比進行第n+1次取樣產生取樣值Duty_s(n+1)，磁滯電路54具有磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low並且儲存取樣電路52前次取樣所得到的取樣值Duty_s(n)，磁滯電路54根據取樣值Duty_s(n+1)及Duty_s(n)、磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low決定電流設定資訊Duty_pwmi。磁滯電路54藉由磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low達成PWM學習(learning)機制，PWM學習機制可以在PWM信號Spwmi的工作週期比出現小抖動(jitter)時，使電流設定資訊Duty_pwmi維持穩定，以避免LED發生閃爍現像。
圖5係用以說明PWM學習機制，當目前的取樣 值Duty_s(n+1)大於前次取樣值Duty_s(n)且大於磁滯上限Hy_up時，磁滯電路54根據目前的取樣值Duty_s(n+1)產生電流設定資訊Duty_pwmi，當取樣值Duty_s(n+1)小於前次取樣值Duty_s(n)且小於磁滯下限Hy_low時，磁滯電路54同樣根據目前的取樣值Duty_s(n+1)產生電流設定資訊Duty_pwmi，除此之外，磁滯電路54維持電流設定資訊Duty_pwmi不變，以避免LED發生閃爍現象。
然而，時脈信號CLK為定頻，因此將造成PWM信號Spwmi與實際LED亮度之間的誤差，而且此誤差係隨PWM信號Spwmi的頻率改變，因此若使用固定磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low，將使PWM輸出解析度在PWM信號Spwmi為高頻時降低，並在PWM信號Spwmi為低頻率時，使LED發生閃爍。為解決此問題，頻率偵測器56偵測PWM信號Spwmi的頻率產生偵測信號Sf給磁滯電路54以調整磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low，進而在PWM信號Spwmi為高頻時改善PWM輸出解析度，在PWM信號Spwmi為低頻時消除LED閃爍問題。
當圖3的調光控制器20執行DC調光時，不論是提供PWM信號Spwmi或是提供電流設定資訊Scsi給調光控制器20，最後都是由暫存器46提供電流設定資訊Scor給LED驅動器22以達成DC調光。在DC調光模式時，調光控制器20藉由儲存單元38所 提供的補償值M(D)及K(T)可以達成線性調光，而且在相同亮度下，LED的平均電流比PWM調光模式下的平均電流更低，因而可以降低輸入功率。
當圖3的調光控制器20執行PWM調光時，不論是提供PWM信號Spwmi或是提供電流設定資訊Scsi給調光控制器20，最後都將由PWM產生器44提供PWM信號Spwmo給LED驅動器22以達成PWM調光。在PWM調光模式下，由於PWM工作週期比偵測器32的PWM學習機制，因此可以避免因PWM信號Spwmi的工作週期比的抖動而使LED發生閃爍現象。而且根據PWM信號Spwmi的頻率調整磁滯上限Hy_up及磁滯下限Hy_low，調光控制器20更可以改善在PWM信號Spwmi為高頻時的PWM輸出解析度，以及在PWM信號Spwmi為低頻時的LED閃爍問題。
調光控制器20也可以根據LED目前的亮度及環境溫度持續改善LED調光效率(efficiency)及效能(performance)。如圖6所示，在LED光源模組24中設置亮度感測器58及溫度感測器60分別感測LED的亮度及環境溫度以產生目前的亮度資料B_data及溫度資料T_data，亮度資料B_data及溫度資料T_data經由介面電路30分別送至記憶體40及42，記憶體40及42中分別儲存多個查詢表，並且分別根據亮度資料B_data及溫度資料T_data選擇最適當的查詢表 以提供最佳補償值M(D)及K(T)。
除了使用亮度及溫度修正資料來補償LED電流之外，還有其他LED特性的修正資料可以用來補償LED電流，例如色偏修正資料，而且不同色光的LED也有不同的效能，這些LED特性都可以做成查詢表存在儲存單元38中以更好的控制LED的電流達成更好的亮度效率。
圖7顯示調光控制器20的第二實施例，其與圖3的電路同樣包括介面電路30、PWM工作調期比偵測器32、暫存器34、補償器36、儲存單元38及暫存器46，但是圖7的調光控制器20沒有PWM產生器44，因此無法達成PWM調光。
圖8顯示調光控制器20的第三實施例，其與圖3的電路同樣包括介面電路30、暫存器34、補償器36、儲存單元38及暫存器46，但是圖8的調光控制器20沒有PWM工作調期比偵測器32及PWM產生器44，因此無法根據PWM信號Spwmi調整LED的電流，也不能達成PWM調光。
圖9顯示調光控制器20的第四實施例，其與圖3的電路同樣包括介面電路30、暫存器34、補償器36、儲存單元38、PWM產生器44及暫存器46，但是圖9的調光控制器20沒有PWM工作調期比偵測器32，因此無法根據PWM信號Spwmi調整LED的電流或平均電流。
圖7、圖8及圖9的電路也可以如圖6的電路使用亮度感測器58及溫度感測器60分別感測LED的亮度及環境溫度以產生目前的亮度資料B_data及溫度資料T_data給記憶體40及42，記憶體40及42再分別根據亮度資料B_data及溫度資料T_data選擇最適當的查詢表以提供最佳補償值M(D)及K(T)。
10‧‧‧LED的平均電流對亮度的曲線
12‧‧‧LED的平均電流對亮度的曲線
20‧‧‧調光控制器
22‧‧‧LED驅動器
24‧‧‧LED光源模組
26‧‧‧調光控制器20的輸入端
28‧‧‧調光控制器20的輸入端
30‧‧‧介面電路
32‧‧‧PWM工作週期比偵測器
34‧‧‧暫存器
36‧‧‧補償器
38‧‧‧儲存單元
40‧‧‧記憶體
42‧‧‧記憶體
44‧‧‧PWM產生器
46‧‧‧暫存器
48‧‧‧調光控制器的輸出端
50‧‧‧調光控制器的輸出端
52‧‧‧取樣電路
54‧‧‧磁滯電路
56‧‧‧頻率偵測器
58‧‧‧亮度感測器
60‧‧‧溫度感測器
圖1顯示LED的平均電流IF_avg對亮度的關係曲線；圖2顯示環境溫度對LED的亮度的影響；圖3顯示本發明的調光控制器的第一實施例；圖4顯示PWM工作週期比偵測器的實施例；圖5係用以說明PWM學習機制；圖6顯示根據LED的亮度及環境溫度選擇補償值M(D)及K(T)的實施例；圖7顯示調光控制器的第二實施例；圖8顯示調光控制器的第三實施例；以及圖9顯示調光控制器的第四實施例。
20．．．調光控制器
22．．．LED驅動器
24．．．LED光源模組
26．．．調光控制器20的輸入端
28．．．調光控制器20的輸入端
30．．．介面電路
32．．．PWM工作週期比偵測器
34．．．暫存器
36．．．補償器
38．．．儲存單元
40．．．記憶體
42．．．記憶體
44．．．PWM產生器
46．．．暫存器
48．．．調光控制器的輸出端
50．．．調光控制器的輸出端

Claims (21)

  1. 一種控制LED亮度的調光控制器，包括：第一暫存器，接收及儲存第一電流設定資訊；儲存單元，連接該第一暫存器並儲存與該LED特性相關的查詢表，根據該第一電流設定資訊以及該查詢表提供補償值；以及補償器，連接該第一暫存器及儲存單元，根據該補償值對該第一電流設定資訊進行補償以產生第二電流設定資訊用以決定該LED亮度。
  2. 如請求項1之調光控制器，更包括第二暫存器，連接該補償器，接收及儲存該第二電流設定資訊，並將該第二電流設定資訊送至該調光控制器的輸出端，以供調整該LED上的電流。
  3. 如請求項1之調光控制器，更包括：第二暫存器，連接該補償器，接收及儲存該第二電流設定資訊；以及PWM產生器，連接該第二暫存器，根據儲存在該第二暫存器的該第二電流設定資訊產生脈寬調變信號至該調光控制器的輸出端以供調整該LED上的平均電流。
  4. 如請求項1之調光控制器，更包括介面電路連接該調光控制器的輸入端及該第一暫存器，將來自該調光控制器的輸入端的該第一電流設定資訊送至該第一暫 存器。
  5. 如請求項1之調光控制器，更包括介面電路連接該儲存單元，寫入或更新該查詢表。
  6. 如請求項1之調光控制器，其中該儲存單元根據該LED的亮度及環境溫度選擇該查詢表。
  7. 如請求項1之調光控制器，更包括PWM工作週期比偵測器連接該調光控制器的輸入端及該第一暫存器，根據時脈信號偵測來自該調光控制器的輸入端的第一脈寬調變信號的工作週期比以產生該第一電流設定資訊給該第一暫存器。
  8. 如請求項7之調光控制器，其中該PWM工作週期比偵測器包括：取樣電路，根據該時脈信號對該第一脈寬調變信號的工作週期比取樣以產生第一取樣值；磁滯電路，連接該取樣電路並儲存該取樣電路前次取樣所產生的第二取樣值，根據該第一取樣值、該第二取樣值、一磁滯上限及一磁滯下限決定該第一電流設定資訊；以及頻率偵測器，連接該磁滯電路，偵測該第一脈寬調變信號的頻率產生偵測信號給該磁滯電路以調整該磁滯上限及該磁滯下限；其中，當該第一取樣值大於該第二取樣值及該磁滯上限時以及當該第一取樣值小於該第二取樣值及該磁滯下限時，該磁滯電路根據該 第一取樣值產生該第一電流設定資訊，除此之外，該磁滯電路維持該第一電流設定資訊不變。
  9. 如請求項7之調光控制器，更包括：第二暫存器，連接該補償器，接收及儲存該第二電流設定資訊；以及PWM產生器，連接該第二暫存器，根據儲存在該第二暫存器的該第二電流設定資訊產生第二脈寬調變信號至該調光控制器的輸出端以供調整該LED上的平均電流。
  10. 如請求項9之調光控制器，其中該PWM產生器根據該時脈信號以及來自該PWM工作週期比偵測器的該第一電流設定資訊控制該第二脈寬調變信號的工作週期比的變化速度。
  11. 如請求項1之調光控制器，其中該補償器包括乘法器將該第一電流設定資訊乘上該補償值以產生該第二電流設定資訊。
  12. 一種控制LED亮度的調光控制方法，包括下列步驟：(A)接收及儲存第一電流設定資訊；(B)根據該第一電流設定資訊以及一與該LED特性相關的查詢表決定補償值；以及(C)根據該補償值對該第一電流設定資訊進行補償以產生第二電流設定資訊用以決定該LED的亮度。
  13. 如請求項12之調光控制方法，其中該步驟C包括根據該第二電流設定資訊調整該LED的電流。
  14. 如請求項12之調光控制方法，其中該步驟C包括根據該第二電流設定資訊產生脈寬調變信號以調整該LED上的平均電流。
  15. 如請求項12之調光控制方法，更包括更新該查詢表。
  16. 如請求項12之調光控制方法，更包括根據該LED的亮度及環境溫度選擇該查詢表。
  17. 如請求項12之調光控制方法，更包括根據時脈信號偵測第一脈寬調變信號的工作週期比以產生該第一電流設定資訊。
  18. 如請求項17之調光控制方法，其中該偵測第一脈寬調變信號的工作週期比以產生該第一電流設定資訊的步驟包括：根據該時脈信號對該第一脈寬調變信號的工作週期比取樣以產生第一取樣值；根據該第一脈寬調變信號的頻率決定磁滯上限及磁滯下限；以及當該第一取樣值大於前次取樣所產生的第二取樣值及該磁滯上限時以及當該第一取樣值小於該第二取樣值及該磁滯下限時，根據該第一取樣值產生該第一電流設定資訊，除此之外，維持該第一電流設定資訊不變。
  19. 如請求項17之調光控制方法，其中該步驟C包括根 據該第二電流設定資訊產生第二脈寬調變信號以調整該LED上的平均電流。
  20. 如請求項19之調光控制方法，更包括根據該時脈信號以及該第一電流設定資訊控制該第二脈寬調變信號的工作週期比的變化速度。
  21. 如請求項12之調光控制方法，其中該步驟C包括將該第一電流設定資訊乘上該補償值以產生該第二電流設定資訊。
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