JP2009530790A - Led調光制御に基づくパルス幅変調方法及び調光器 - Google Patents
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Abstract
パルス幅変調に基づくLED調光制御器を実現し操作する方法および装置を開示する。同期プロトコルを用いて、調光動作用の制御情報を、外部クロックドメインからPWM調光制御クロックドメインに転送することを可能にして、制御情報を更新する際の可視のアーティファクトを防止する。制御情報はI2Cシリアルバス経由でLED調光制御器に転送することができ、同期プロトコルは、クロックドメイン境界を越える制御情報を更新する前に、I2Cストップコンディションを待機する。アサートされたグループ調光制御信号の立上りエッジおよび立下りエッジを、グループ調光制御信号のアクティブ部分が個別のLEDパルス幅変調制御信号のアクティブ部分にオーバーラップするように発生させる。このようにして、個別のLED制御信号のパルス幅変調は、グループ調光信号によってカットオフ(遮断)されないか、または幅を低減されない。
Description
本発明は一般に、LED調光制御の方法および装置に関するものである。特に、本発明は可視のアーティファクトを生じさせることなしに、LEDのパルス幅変調調光制御を行い、異なる色の複数のLEDを調光し、クロックドメイン(領域)間で調光情報を伝達するための回路および方法に関するものである。
白熱電球の導入以来、照明技術は多くの進歩を遂げてきた。照明技術における最近の進歩の1つが発光ダイオード、または今日ではより一般的にLEDと称されるものの開発である。半導体に基づくこれらの照明製品は、小型のサイズ、低電圧供給による動作、及び制御回路との統合の容易さのような多くの望ましい性質を有する。
LEDは、その導入以来比較的急速に進化し、現在では、民生用および産業用電子機器を含む製品分野、並びに照明用途に幅広く用いられている。輝度および種々の色の利用可用性のような分野においていくつかの改良がなされてきた。他の進歩は、これらの有用な照明素子の応用、およびこれらを制御するために使用する回路に関してもたらされた。
調光動作中のフラッシュ(明滅)のような可視のアーティファクトを回避し、LEDの輝度に影響を及ぼす従来の回路の動作誤りを回避しつつ、所望の調光を達成するLED調光制御を提供するための方法および装置が必要である。
簡単に言えば、パルス幅変調に基づくLED調光制御器を実現し動作させる方法および装置について説明する。
本発明の1つの態様では、同期プロトコルを用いて、調光動作のための制御情報が、外部クッロクドメインからPWM調光制御クッロクドメインに転送することを可能にして、この制御情報が更新される際の可視のアーティファクトを防止する。
本発明の他の態様では、制御情報がI2Cシリアルバス経由でLED調光制御器に転送され、同期プロトコルは、クロックドメイン境界において制御情報を更新する前に、I2Cのストップコンディションを待機する。
本発明のさらに他の態様では、アサート(真の論理値に)されたグループ調光制御信号の立上りエッジおよび立下りエッジを、グループ調光制御信号のアクティブ(活性)部分が個別のLEDパルス幅変調制御信号のアクティブ部分にオーバーラップするように発生させる。このようにして、各LED制御信号のパルス幅変調は、グループ調光信号によってカットオフ(遮断)されないか、または幅を低減されない。
本発明は一般に、LED調光制御に関するものである。本発明の種々の態様は特に、可視のアーティファクトを生じさせることなしに、LEDのパルス幅変調調光制御を行い、異なる色の複数のLEDを調光し、クロックドメイン(領域)間で調光情報を伝達するための回路および方法に関するものである。
本明細書では、「一実施例」、「ある実施例」、または同様の語句は、当該実施例に関連して記載した特定の特徴、構造、動作、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味する。従って、本明細書におけるこうした語句の出現は、必ずしもすべてが同一実施例を参照するとは限らない。さらに、種々の特徴、構造、動作、または特性は1つ以上の実施例において、あらゆる適切な方法で組み合わせることができる。
集積回路、IC、チップ、ダイ、半導体デバイス、モノリシック集積回路、マイクロエレクトロニクスデバイス、および類似の変化語は、本明細書では互換のものとして用いることがある。これらのマイクロエレクトロニクスデバイスに関しては、信号は、これらのマイクロエレクトロニクスデバイス間及び他の回路素子との間で、物理的かつ電気的な導電接続を介して結合され、上記他の回路素子は、他のマイクロエレクトロニクスデバイスを含むが、それに限定されない。接続点は時として、入力、出力、入力/出力(I/O)、端子、ライン(線)、ピン、パッド、ポート、インターフェース、または類似の変形語およびその組合せで称する。これらの用語は、その使用について特に明記しない限り、本発明の開示目的では等価な用語と考えることができる。
本発明の様々な実施例は、パルス幅変調を用いて、LEDの調光を巧妙に、個別に制御すると共にグループとして制御して、調光による可視のアーティファクトを生じさせないシステムおよび方法を提供する。パルス幅変調はLEDを制御する効率的な方法である。LEDのオン時間およびオフ時間を変化させることによって、そして現在利用可能な種々の異なる色のLED(例えば赤色(R)、緑色(G)、青色(B)および黄色(Y))を用いることによって、人間の目に見える色混合を生成することを可能にする。人間の目は、異なる色のLEDの輝度を平均化し、これにより、異なる色を見る知覚を生じさせる。さらに、LEDを通る電流を十分に高い周波数(一般に2kHz以上)にパルス化することによって、人間の目は調光効果を知覚する。
本発明によるLED調光制御器によって克服される課題は多数存在する。こうしたLED調光制御器は、種々の不所望な可視のアーティファクトを生じさせることなしにLEDの調光を行う。例えば、LED出力の所望の調光を達成することに加えて、本発明によるLED調光制御器は、調光過程中の突発的な光のフラッシュ(明滅)のような可視のアーティファクトを回避し、そして調光波形による元の波形のチョップオフ(切断)を回避し、従って、LEDの元の輝度の変化のような可視のアーティファクトを回避する。
パルス幅変調型LED調光制御器(または単にLED調光器)は一般に、外界から制御またはアクセスすることのできるレジスタを含む。パルス幅変調型LED調光器を備えたLED照明製品の代表的な応用では、調光器のレジスタへのアクセスは単純なメカニズムによることが好ましい。以下に説明する本発明の実施例では、I2Cシリアルバスインターフェースを用いてこれらのレジスタへのアクセスを行う。なお、このシナリオでは、LED調光器は第1チップ上に存在し、制御情報は第2チップからI2Cシリアルバス経由で第1チップに送信される。これに加えて、この実施例は、オンチップ(チップ上の)発振器を用いて、調光制御信号のパルス幅変調を達成するために使用する必要なベースクロック周波数をパルス幅変調(PWM)回路に供給する。これらの調光制御信号のパルス幅変調は、カウンタおよび比較器(コンパレータ)を有する完全同期型論理回路によって達成することができる。
以下に説明する実施例では、複数のLEDが存在し、各LEDは、当該LEDの知覚される輝度を制御するためのPWM制御回路、並びにグループとしてLEDを調光するための回路を有する。個別調光動作用およびグループ調光動作用の制御回路は共に集積回路の形で実現され、その集積回路の内部に種々のレジスタを含む。種々の輝度および調光制御パラメータを指定するために、ユーザーはこれらの内部レジスタに情報を書き込むことができ、この情報は、個別LED調光PWM回路、およびグループLED調光PWM回路を制御する。
この実施例では、内部レジスタへの書込みまたはデータ転送はI2Cシリアルインターフェース経由で行われ、I2Cシリアルインターフェースは、I2Cプロトコルの非同期のスタートコンディションおよびストップコンディションを除く大部分は同期的である。これらの書込み動作は(I2Cマスター装置によって規定される)SCLクロックドメイン内で発生し、これについては以下により詳細に説明する。LED調光チップ内では、内部発振器がベースクロックを発生し、このベースクロックは分周されて個別LED調光PWM回路およびグループLED調光PWM回路内で使用され、これにより、発振器(OSC)のクロックドメインが生成される。
新たな値をレジスタに書き込む際に、本発明の実施例は、巧妙な制御パラメータの更新が、観測者によって検出される可視のアーティファクトのないLED出力を生じさせることを保証することが有利である。
図1のブロック図は、本発明の実施例を示す。発振器102は、クロック信号を8ビットカウンタ104に供給する。発振器102のクロック信号はさらに、比較器PWM0 106、PWM1 108、PWM2 110、およびPWM3 112のクロック入力端子に結合されている。比較器PWM0 106、PWM1 108、PWM2 110、およびPWM3 112はさらに、8ビットカウンタ104から出力信号を受信するように共通結線されている。これに加えて、比較器PWM0 106、PWM1 108、PWM2 110、およびPWM3 112はそれぞれ、レジスタPWM0_reg、PWM1_reg、PWM2_reg、およびPWM3_reg(図示せず)からの出力信号を受信するように結合されている。クロック分周器114は、8ビットカウンタ104の出力信号を受信するように結合されている。クロック分周器114の出力端子は、8ビットカウンタ118およびコンパレータPWM4 116に結合されている。比較器PWM4 116はさらに、制御レジスタGrppwm_reg(図示せず)の出力信号を受信し、かつ8ビットカウンタ118の出力信号を受信するように結合されている。第1アンド(AND、論理和)ゲート120は、比較器PWM0 106の出力信号および比較器PWM4 116の出力信号を受信するように結合され、第1LEDを制御するための出力信号LED0を生成する。第2アンドゲート122は、比較器PWM1 108の出力信号および比較器PWM4 116の出力信号を受信するように結合され、第2LEDを制御するための出力信号LED1を生成する。第3アンドゲート124は、比較器PWM2 110の出力信号および比較器PWM4 116の出力信号を受信するように結合され、第3LEDを制御するための出力信号LED2を生成する。第4アンドゲート126は、比較器PWM3 112の出力信号および比較器PWM4 116の出力信号を受信するように結合され、第4LEDを制御するための出力信号LED3を生成する。この実施例では、第1、第2、第3および第4LED(図示せず)の各々が異なる色の光を発光する。
当業者および本明細書の開示を利用できる者は、代案の組合せ論理回路および/または信号極性を用いて、例示した機能を達成することを認識する。
さらに図1のブロック図を参照すれば、この実施例は、個別のLEDの輝度制御用の4つの個別PWM回路(PWM0〜PWM3)、およびグループ調光用のグループPWM回路(PWM4)を有する。なお、グループ調光の代わりに、同一の技術を用いて個別調光制御も達成することができる。個別PWM回路は、(この実施例では内部発振器から導出した)OSCクロックを異なるように分周したクロックによってクロック動作する。4つのLEDの個別の輝度制御は、ユーザーがPWM0_reg〜PWM3_regの値を変更することによって達成される。レジスタの書込みは、この実施例では、I2Cインターフェースのフロントエンドを通して行われる。グループ調光制御は、レジスタPWM4_regの値を変更することによって達成することができる。
当業者は、フィリップス(Philips)社によって開発され、現在フィリップス社からの許諾の下に幅広い半導体製造業者によって使用されている周知のI2C2線シリアルバスに精通している。I2Cプロトコルはマスター/スレーブプロトコルであり、1本の線をシリアルデータ用に使用し、これはSDAとして周知であり、そして1本の線をシリアルクロック用に使用し、これはSCLとして周知である。I2Cのマスター装置はSCLクロック信号を生成する。I2Cプロトコルはタイミング、アドレス指定、クロッキング(クロック動作)、データ転送、確認応答(アクノレッジ)、電圧レベルなどを指定している。
なお、I2Cのクロック、即ちシリアルクロック(SCL)は連続クロックではない。SCL信号はI2Cマスター装置によって任意時刻に停止および開始することができる。これに加えて、I2Cプロトコルによれば、SCL線上のクロック信号がハイ(高)である際に、SDA線上のデータは有効でなければならないが、2つの例外がある。SCL線上のクロック信号がハイである間の、SDA線上のハイ−ロー(低)の遷移が「スタート」コンディション(開始条件)として解釈される。SCL線上のクロック信号がハイである間のSDA線上のロー−ハイの遷移が「ストップ」コンディション(停止条件)として解釈される。
I2C2線シリアルバスは広く知られ、多くの製造業者から普通に入手可能であり、本明細書では、これについてのさらに詳細な説明は行わない。
図2に、調光制御用の基本的な時間波形を示す。1番目の波形は個別PWM回路の出力信号である。2番目の波形はグループ調光PWM回路の出力信号である。3番目の波形は合成調光波形である。図2に示す波形を検討すれば、LED調光制御器の動作がわかる。グループ調光信号により、合成波形は異なるオン時間およびオフ時間を有する。こうしたLEDの平均輝度の変化は、平均化動作を行う人間の目によって調光として知覚される。PWM4_regの値を変化させることによって、グループPWM回路のパルス幅変調出力信号を変化させることができ、このことは合成波形の制御を可能にし、従ってLED出力を調光する制御を提供する、ということがわかる。
ユーザーが個別PWM回路をオン時間50%およびオフ時間50%に初期設定したものと仮定する。これは特定輝度に対応する。ここで、ユーザーがLED出力を減光したい場合、PWM4_regの値を、出力輝度を例えば25%低減するように設定する。これによりLED輝度は25%低減すべきである。しかし、本発明によるLED調光制御器は、これらに限らないが次のような要素、即ち、ユーザーインターフェースはPWM周波数(OSCクロックドメイン)とは異なる周波数(SCLクロックドメイン)で動作し、従って、これら2つのクロックドメイン間に巧妙なハンドシェイクが存在する必要があり、従って、LED出力を更新する過程は突発的ではなく円滑なものであるべきである、ということを考慮にいれなければならない。結果的な更新は、人間の目が突発的な切り替わりを知覚しないほど巧妙であるべきである。
全てのLEDを一緒に更新する方法は、本明細書で「ストップ時の更新」と称するメカニズムによって提供される。
ストップ時の更新の方法では、ユーザーがSCLクロックドメインに属する調光制御レジスタを更新する際に、OSCクロックドメインに属する回路の更新は、ストップコンディションがI2Cバス上に発行されるまで遅らせる。この手順は、この実施例における4つのLEDの全てを同時に、それぞれの指定輝度レベルに同時に更新することを可能にする。このようにして、人間の目が、調光の前に変化する異なる色を知覚する状況が回避される。例えば、個別のLED輝度値の元の組合せが明るい紫色を生じさせる場合に、この方法を用いることによって、調光動作は、明るい紫色が最終的に暗い紫色に落ち着く前に突発的に他の色に変化する代わりに、暗い紫色を生じさせる。
OSCクロックドメイン内の実際の更新は、クロックドメイン境界を越えるデータの転送から生じる可視のアーティファクトが存在しないように慎重に制御する。このことは強固(ロバスト)で同期的なデジタル制御メカニズムによって達成される。例示するPWMの実現は、カウンタ/比較器の実現である。自走(フリーラン)カウンタはクロック数をカウントする。比較器はPWM4_regの値をカウンタと比較して一致するか否かを調べる。一致する場合に、PWM4出力をアサートする。
上述したように、LEDの光出力を調光する際に可視のアーティファクトを回避することが望ましい。こうした可視のアーティファクトを回避する方法は、SCLクロックドメインに属するPWM4_regが更新されたか否かを判定して、ストップコンディションを待機することを含む。一旦、SCLクロックドメイン内でストップコンディションが生じると、OSCクロックドメインとの巧妙なクロック境界ハンドシェイクが実行され、OSCクロックドメイン内でフラグがセットされる。これに続いて、OSCクロックドメインに属するPWM4カウンタが巧妙に転回して0になるまで待機状態が生じる。この時点では、OSCクロックドメインの属するPWM4_regシャドーレジスタは新たな値に更新される。この手順は、新たな調光波形にアーティファクトがないことを保証する。図3は本発明によるデータ転送手順に従った結果及び従わない結果を示す。
元の波形を切断(チョップ)しない(従って、LEDの元の輝度特性を変化させない)目的を達成するために、本発明の種々の実施例は、調光波形の立上りエッジおよび立下りエッジを、元の波形から時間的に分離することを保証することを含む。この目的のための回路を実現する多くの異なる方法が存在することは、当業者および本発明の開示を利用する者にとって明らかである。さらに、上述したエッジの分離が達成されることを保証するために、デジタルカウンタの設計および比較器の設計に細心の注意を払うことも明らかである。LED調光制御器を設計するに当たり、集積回路として実現すべき本発明によれば、レイアウト後にバックアノテート(結果を反映すること)されるタイミング結果を分析して、レイアウト後でも上述したエッジの分離を有効にすることを保証すべきである。異なる半導体製造プロセスの転換点における種々の信号のタイミングの変化は所望の回路挙動に影響し得るので、この手順の価値は集積回路設計者にとって明らかである。あり得る最小のグループ調光パルスは、あり得る最大の個別PWMパルスに等しいかより大きいことを保証する必要がある。
LEDの調光制御用途における使用に適した回路、システム、および方法を説明してきた。本発明の種々の実施例は、パルス幅変調に基づくLED調光制御器を提供し、このLED調光制御器は、第2クロックドメインにおいてLED制御信号を発生しつつ、第1クロックドメインからのデータを受信する制御レジスタを有する。こうした制御レジスタの更新によって通常生じる可視のアーティファクトは、本発明の実施例によって解消される。
本発明の実施例によって多数の利点が提供される。1つの利点は、調光動作中の光のフラッシュのような可視のアーティファクトが解消されることである。
他の利点は、本発明による同期デジタル設計を、現代のシミュレータおよび静的なタイミング解析ツールによって検証可能であることである。
なお、本発明のさまざまな実施例は、グループ、個別、またはその双方を含む任意のLED調光用途に適用することができる。
さらに、この実施例はI2Cフロントエンドで説明したが、当業者および本発明の開示を利用する者は、他のフロントエンドプロトコルを用いることができ、本発明はI2Cインターフェースの使用に限定されないことを認識する。
本発明は、上述した実施例に限定されず、請求項及びそれと等価なものの範囲内のあらゆる全ての実施例を包含することをは明らかである。
Claims (14)
- 複数のLEDを有する、LEDに基づく照明製品を制御する方法において、
第1クロックドメインを規定する第1ベースクロックを発生するステップと、
前記第1クロックドメイン内で、複数のパルス幅変調されたLED制御信号を発生するステップであって、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の各々が少なくとも1つのLEDに関連するステップと、
前記第1クロックドメイン内で、パルス幅変調されたグループ調光信号を発生するステップと、
前記グループ調光信号を、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の各々と論理結合するステップとを具え、
前記グループ調光信号の最短パルスが、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号のいずれの最長パルスよりも長くなるように、前記グループ調光信号を発生することを特徴とする照明製品の制御方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の各々の発生が、少なくとも部分的に、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の各々の発生用のパルス幅変調器に関連する制御レジスタの内容に基づくことを特徴とする方法。
- 請求項2に記載の方法において、前記グループ調光信号の発生が、少なくとも部分的に、前記グループ調光信号の発生用のパルス幅調光器に関連する制御レジスタの内容に基づくことを特徴とする方法。
- 請求項2に記載の方法において、さらに、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の発生用のパルス幅変調器に関連する各制御レジスタの更新内容を、第2クロックドメインから受信するステップを具えていることを有する方法。
- 請求項2に記載の方法において、さらに、前記グループ調光信号の発生用のパルス幅変調器に関連する制御レジスタの更新内容を、第2クロックドメインから受信するステップを具えていることを有する方法。
- 請求項2に記載の方法において、さらに、前記複数のパルス幅変調されたLED制御信号の各々の発生用のパルス幅変調器に関連する各制御レジスタの更新内容、および前記グループ調光信号の発生用のパルス幅変調器に関連する制御レジスタの更新内容を、I2Cシリアルバス経由で受信するステップを具えていることを有する方法。
- 請求項6に記載の方法において、さらに、前記複数のパルス幅変調LED制御信号の各々の発生用のパルス幅変調器に関連する制御レジスタの更新内容、および前記グループ調光信号の発生用のパルス幅変調器に関連する制御レジスタの更新内容を前記第1クロックドメインに転送する前に、I2Cのストップコンディションが発生したことを判定するステップを具えていることを特徴とする方法。
- 請求項7に記載の方法において、さらに、前記第1クロックドメイン内で、I2Cのストップコンディションが発生したことの判定に応答するフラグをセットすることを有する方法。
- 請求項2に記載の方法において、前記複数のLEDが、異なる色のLEDを含むことを特徴とする方法。
- パルス幅変調に基づくLED調光器において、
第1発振回路と、
前記第1発振回路に結合された第1カウンタと、
各々がLEDに関連し、かつ各々が前記第1発振回路および前記第1カウンタに結合された複数の個別パルス幅変調回路と、
各々が前記複数の個別パルス幅変調回路の少なくとも1つに関連する複数の制御レジスタと、
グループ調光パルス幅変調回路、及び前記グループ調光パルス幅変調回路に関連する制御レジスタとを具え、前記グループ調光パルス幅変調回路は、前記第1カウンタの出力信号を分周した信号を受信するように結合され、
前記複数のパルス幅変調回路及び前記グループ調光パルス幅変調回路は、前記第1発振回路によって規定される第1クロックドメインに属し、前記複数の制御レジスタ及び前記グループ調光器に関連する制御レジスタは、第2クロックドメイン内で生成される制御情報を受信するように構成されていることを特徴とするLED調光器。 - 請求項10に記載のLED調光器において、さらに、前記複数の個別パルス幅変調回路の出力信号を前記グループ調光パルス幅変調回路の出力信号と論理結合するための結合論理ゲート具えていることを特徴とするLED調光器。
- 請求項11に記載のLED調光器において、さらに、前記制御レジスタに結合されたI2Cシリアルバスインターフェースを具えていることを特徴とするLED調光器。
- 請求項12に記載のLED調光器において、さらに、I2Cのストップコンディションを検出した際にセットされるフラグを具えていることを特徴とするLED調光器。
- 請求項11に記載のLED調光器において、さらに、前記結合論理ゲートがLEDに結合されていることを特徴とするLED調光器。
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