JP2015510667A

JP2015510667A - Ｌｅｄ行列マネージャ

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Publication number: JP2015510667A
Application number: JP2014554920A
Authority: JP
Inventors: フラッティーニジョヴァンニ; ルーゼルエヴァン; モローニジェフェリー; ジャバーリアリ; ソッチジェラルド; リーシジャンパオロ; スブラモニアムラジ; マーモディーコーシャ
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: WO2013112985A1; CN104106315A; JP6106696B2; US9491838B2; CN104106315B; US20130193852A1

Abstract

直列に接続される複数のＬＥＤ（１０２）を制御するための回路（１００）が複数のスイッチ（１４２）を含み、各スイッチは複数のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能である。スイッチの各々は、電流がスイッチを通過しない第１の状態と電流がスイッチを通過する第２の状態とを有する。この回路はさらに、スイッチをプログラミングするためのデータを受信するための入力（１１６）、及び第１のＬＥＤに並列に接続される第２のＬＥＤを制御する回路とこの回路との間でデータを転送するためのデータラインを含む。さらに、この回路は、第１のＬＥＤに直列に接続される第３のＬＥＤを制御する他の回路にデータを転送するためのデータ出力（１１２、１１４）を含む。

Description

本願は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を制御するための回路及び方法に関する。

多くの照明の適用例は、従来の光源から発光ダイオード（ＬＥＤ）光源へと移行している。ＬＥＤが使用されるエリアの１つがディスプレイボードにおけるものであり、ディスプレイボードにおいて、ＬＥＤが直列に接続されたストリング状にＬＥＤが配置される。ＬＥＤをストリング状に配置することに関する問題の１つは、ストリング状のすべてのＬＥＤが共に管理されることである。たとえば、すべてのＬＥＤが共に、オン及びオフに、そして暗くされる。ＬＥＤは個別に制御されない。さらに、１つのＬＥＤが開回路で機能不全になった場合、ＬＥＤのストリング全体が機能不全になり得、コントローラではこの問題を解決することができない。

直列に接続された複数のＬＥＤを制御するための回路が本明細書に開示されている。この回路は複数のスイッチを含み、各スイッチは複数のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能である。各スイッチは、電流がスイッチを通過しない第１の状態、及び電流がスイッチを通過する第２の状態を有する。この回路は、スイッチをプログラミングするためのデータを受信するための入力、及び第１のＬＥＤに並列に接続された第２のＬＥＤを制御する回路とこの回路との間でデータを転送するためのデータラインも含む。さらに、この回路は、第１のＬＥＤに直列に接続された第３のＬＥＤを制御する他の回路にデータを転送するためのデータ出力も含む。

複数のＬＥＤを制御するための回路の実施形態のブロック図である。

図１の回路のコントローラの概略図である。

図１の電流源の実施形態の概略図である。

ＬＥＤのアレイを動作させるために共に接続された複数の回路のブロック図である。

図４の回路間の電源構成の概略図である。

図５の回路間のデータ送信の概略図である。

図１のＬＥＤに対するパルス幅変調された駆動信号を示すタイミング図の例である。

図１のＬＥＤに供給されている電流を低電圧源に変換するための回路の実施形態である。

図１のＬＥＤに供給されている電流を低電圧源に変換するための回路の別の実施形態である。

入力電圧を平衡させる直列電流レギュレータの実施形態である。

本明細書では、複数のＬＥＤを制御するための回路が開示されている。回路１００の実施形態のブロック図が図１に示されている。回路１００は複数のＬＥＤ１０２を駆動し、ＬＥＤ１０２は、１つのＬＥＤのカソードが別のＬＥＤのアノードに接続されるように、直列に接続される。回路１００は、デジタル又はバイナリのデータ信号を送信及び／又は受信するためのいくつかのポートを有する。第１のポート１０８が、マイクロプロセッサ又は他の回路（図１には図示せず）に接続可能な入力１１０を有する。マイクロプロセッサは、ＬＥＤ１０２の動作に関して、回路１００にデータを送る。第１のポート１０８は更に、回路１００と同一又は実質的に同一の別の回路に接続可能なライン１１２を有する。この別の回路は、以下でより詳細に説明するように、異なる複数のＬＥＤを制御し得る。第２のポート１１３が、ＬＥＤ１０２に直列に接続され得るＬＥＤを制御する別の回路（図１には図示せず）に接続可能な、出力１１４及び入力１１６を有する。回路１００は更に、別の回路（図１には図示せず）又は電源に接続可能な電力接続１１８を有する。

回路１００は、ＬＥＤ１０２に接続可能な複数の端子１２０を有する。各端子１２０はＬＥＤ１０２のうちの１つのＬＥＤのアノード又はカソードに接続可能である。したがって、端子１２０はＬＥＤ１０２の数よりも１つ多い。たとえば、回路１００が１６個のＬＥＤ１０２を制御可能な場合、１７個の端子１２０が存在しなければならない。以下で説明するように、端子１２０は、端子１２０がＬＥＤ１０２の各々をオン及びオフにするためのメカニズムを提供するように、ＬＥＤ１０２の各々についてバイパス回路を提供する。

回路１００は、様々な機能を実行するいくつかの内部回路を含む。デジタルインターフェース１２６が、マイクロプロセッサ及び他の回路との間で、第１のポート１０８及び第２のポート１１３を介してデータを送受信する。デジタルインターフェース１２６は、別の回路又はマイクロプロセッサに接続可能な入力１１０からデータを受信する。デジタルインターフェース１２６は、データがどこに送信されるべきかを決定するために、データの初期分析を実行することができる。いくつかの状況において、データは、ライン１１２又は出力１１４を介して別の回路に送信される。デジタルインターフェース１２６は、入力１１６を介して他の回路からデータを受信することもできる。いくつかの実施形態において、第１のポート１０８は双方向データを処理できることに留意されたい。したがって、ライン１１２は、他の回路からデータを受信し、入力１１０を介してそのデータをマイクロプロセッサに渡すことができる。

上記で簡単に説明したように、回路１００によって受信されるデータは回路１００向けであり得、この場合はレジスタメモリ１２８に転送され得る。レジスタメモリ１２８は、最終的にＬＥＤ１０２を動作させるために用いられ得るように、データを復号及び／又はストアする。このデータは、ＬＥＤ１０２を個別に制御するための情報を含み得る。たとえば、データは、ＬＥＤ１０２の各々をどのくらいの長くオン又はオフのままで保つかに関する情報を含み得、これにより、パルス幅変調（ＰＷＭ）がＬＥＤ１０２の各々の輝度を制御することが可能となる。

チャージポンプ１３０が、ＬＥＤ１０２を動作させるために用いられる電圧から、回路１００を動作させるための適切な電圧を提供する。以下で説明するように、チャージポンプ１３０を用いることで、ＬＥＤ１０２を駆動するために用いられる相対的に高い電圧から回路１００を動作できるようになる。チャージポンプ１３０は、他の回路が別個の電源に接続される必要のないように、別の回路（図１には図示せず）にも電力を供給することができる。回路１００内の異なる構成要素に動作電圧を提供するように、バイアス回路１３２がチャージポンプ１３０から電力を受け取ることができる。

ＬＥＤ１０２を動作させるためにスイッチング回路１４０が、レジスタメモリ１２８からデータを、チャージポンプ１３０又はバイアス１３２から電力を受け取る。図１に示された単純な形式において、スイッチング回路１４０は、ＬＥＤ１０２の各々のアノードとカソードとの間に接続可能な複数のスイッチ１４２を有する。ここに示されるスイッチ１４２はＦＥＴであるが、他の形式のスイッチが回路１００内で用いられ得る。スイッチ１４２はコントローラ１４４によって制御され、各スイッチはコントローラに接続される。

回路１００の構成要素を説明してきたが、次に回路１００の動作を説明する。回路１００内の構成要素のより詳細な実施形態及びそれらの動作の説明が以下に示される。

マイクロプロセッサ又はコントローラ（図１には図示せず）からのデータが、入力１１０で受信され、デジタルインターフェース１２６に送信される。デジタルインターフェース１２６は、データがどこに送信されるべきかを決定する。この説明では、受信されるデータは、回路１００の端子１２０に接続されたＬＥＤ１０２を制御するように意図されているものと想定される。このデータは、いずれのＬＥＤ１０２が点灯されるべきかについて及びＬＥＤ１０２の各々の輝度についての情報を含む。この情報は、レジスタメモリ１２８によってストア及び／又は復号される。

電流源１５０がＬＥＤ１０２を駆動し、それによってＬＥＤ１０２が点灯される。すべてのスイッチ１４２は通常は開であり得るため、電流は通常すべてのＬＥＤ１０２を通過し、それによって通常オンである状態になる。レジスタメモリ１２８内のデータは、個別のスイッチ１４２を開くか又は閉じるようコントローラ１４４に命じる。開スイッチ１４２はそれらの関連付けられたＬＥＤ１０２をオンにし、閉スイッチ１４２はそれらの関連付けられたＬＥＤ１０２をオフにする。個別のスイッチ１５４並びにその関連付けられた個別のＬＥＤ１５６及びコントローラ１５８を参照する。回路１００内に示されるように、スイッチ１５４が開のとき、ＬＥＤ１５６は、ＬＥＤ１５６を通過し点灯させる、電流源１５０からの電流を有する。スイッチ１５４を閉じることによって、電流はＬＥＤ１５６をバイパスし、それによりＬＥＤ１５６がオフになる。ＰＷＭを用いることなどによって、スイッチ１５４をオン及びオフにすることにより、ＬＥＤ１５６の輝度が制御され得る。電流源１５０は、ストリングのアノード端である、ＬＥＤ１０２のストリングの頂部に接続されるように示されている。しかしながら、電流源１５０は、ストリングのカソード端に最も近い、ＬＥＤ１０２のストリングの底部にも接続可能である。

コントローラ１５８のより詳細な実施形態が図２に示されている。コントローラ１５８は、ＬＥＤ１５６を制御するスイッチ１５４を制御する。コントローラ１５８は、図１の回路１００におけるすべてのコントローラ１４４の典型例である。コントローラ１５８は、図１のチャージポンプ１３０に接続され得るローカル電源１６０を含み得る。電源１６０は、コントローラ１５８内の構成要素を動作できるように、チャージポンプ１３０から受け取る電圧をレギュレートする。電源１６０は、電圧の基準を、コントローラ１５８によって用いられる共通接地電位とすることもできる。図１のチャージポンプ１３０を用いることにより、異なる回路の接地電位は変わり得るため、コントローラ１５８に関して共通接地が用いられる。スイッチ１５４をオフ及びオンにできるようにするために、電源はＬＥＤ１５６のカソードを基準とする。以下で説明するように、チャージポンプ１３０は、コントローラ１５８がスイッチ１５４を動作させるために十分な高さの電圧を生成し、この電圧は回路１００の他の構成要素を動作させるために必要な電圧より高い場合がある。

レベルシフト回路１６４（本明細書では単に「レベルシフト１６４」と呼ぶことがある）が、図１のレジスタメモリ１２８からデータを受信する。このデータは、ＬＥＤ１５６がどの程度明るく点灯するべきであるかに関する情報を含む。いくつかの実施形態において、レジスタメモリ１２８はＰＷＭ信号をレベルシフト１６４に送信する。他の実施形態において、レジスタメモリ１２８はＬＥＤ１５６の輝度を示す値をレベルシフト１６４に送信する。レベルシフト１６４は、ＰＷＭ信号であり得る、ＬＥＤ１５６のための駆動信号を生成し得る。

レベルシフト１６４は、受信したデータ信号を、コントローラ１５８によって用いられ得る電圧に変換することができる。以下でより詳細に説明するように、図１の回路１００は、回路１００に接続される他の回路（図１には図示せず）とは異なる電圧で動作し得る。たとえば１つの回路の接地は、別の回路の接地とは異なる電位であり得る。同様に、図１のコントローラ１４４はすべて、異なる電位で動作し得る。これによって、電位の異なるデータ信号が生じ得る。レベルシフト１６４は、データ信号を、コントローラ１５８内で動作する電位に変換する。

レベルシフト１６４は論理回路１６６に接続される。論理回路１６６は、とりわけ、ＬＥＤ１５６の機能性をテストし、スイッチ１５４を開くべきか閉じるべきかをその機能性に基づいて決定する。論理回路１６６は、ＬＥＤ１５６の状況に関してレジスタメモリ１２８にデータを送信することも可能である。論理回路１６６は、スイッチ１５４のゲートを駆動する増幅器又はバッファであり得るドライバ１７０を駆動する。障害検出器１７２が、ＬＥＤ１５６をテストして、それが機能するかどうかを判定する。ＬＥＤ１５６が機能しない場合、スイッチ１５４を閉じたままにするため信号が論理回路１６６に送信される。

次に、コントローラ１５８の動作について説明する。図１のチャージポンプ１３０から電源１６０に電力が供給される。電源１６０は、ライン１７６上の共通電圧を基準とするレギュレートされた電圧をライン１７４で出力する。ライン１７４上の電圧は、コントローラ１５８内の構成要素に電力供給し、スイッチ１５４をオンにするだけの十分な高さである。スイッチ１５４を動作させるために、ＬＥＤ１５６に接続される他の２つの端子、ドレイン及びソース、上の電圧より高い電圧を、ゲート端子に印加しなければならない。ＬＥＤ１５６はＬＥＤ１０２のストリングの頂部であり得るため、そのアノードは電流源１５０に直接接続することができる。チャージポンプ１３０は、たとえスイッチ１５４がオンであるときでもスイッチ１５４のゲートをアノード上の電圧より高い電圧に保つことが可能なドライバ１７０用の電圧を、電源１６０が生成できることを保証するために、アノード上の電圧より高い電圧を生成する。

障害検出器１７２はＬＥＤ１５６をテストする。論理回路１６６は、障害検出器１７２にＬＥＤ１５６をテストさせるための命令を受信し得る。ＬＥＤ１５６のテストは、スイッチ１５４を開かせる信号を、障害検出器１７２がライン１７８を介して論理回路１６６に送ることに関与する。ＬＥＤ１５６は、点灯し、そのアノードとカソードとの間に順電圧降下を有するはずである。この順電圧降下は、共通ライン１７６に関連してライン１８０によって測定される。順電圧が適切である場合、ＬＥＤ１５６は正しく動作している。順電圧がゼロの場合、ＬＥＤ１５６は短絡している。順電圧がＬＥＤ１５６の順動作電圧より高い場合、ＬＥＤ１５６は開いている。ＬＥＤが正しく動作していない場合、障害検出器１７２は、スイッチ１５４を閉じたままにさせる信号を論理回路１６６に送り、これにより、ＬＥＤ１５６をバイパスする。ＬＥＤ１５６が開いている場合、ＬＥＤ１５６をバイパスすることで、ＬＥＤ１５６に直列に接続された図１の他のＬＥＤ１０２を点灯させることはない。

障害検出器１７２は、ＬＥＤ１５６が適切に動作しているものと判定した場合、論理回路１６６がＬＥＤ１５６の点灯を制御できるようにする信号をライン１７８を介して論理回路１６６に送る。通常動作の間、図１のレジスタメモリ１２８からレベルシフト１６４によってデータ値が受信され得、このデータ値はＬＥＤ１５６に必要な輝度を示す。レベルシフト１６４は、データを（ＰＷＭ）信号の形式のパルスに変換することが可能であり、パルスが長いほど長い期間ＬＥＤ１５６を点灯させ、ＬＥＤ１５６をより明るく見せる。

レベルシフト１６４からの信号は論理回路１６６に送信される。障害検出器１７２はＬＥＤ１５６を適切に動作していると判定したため、論理回路１６６は信号をドライバ１７０に渡す。ドライバ１７０はスイッチ１５４のゲートを駆動する。スイッチが開くとＬＥＤ１５６は点灯する。したがって、ドライバ１７０又は回路１００内の他の構成要素は、論理高パルスがスイッチ１５４を開きＬＥＤ１５６を点灯させるように、（ＰＷＭ）信号を反転させることができる。

再度図１を参照すると、コントローラ１４４の各々は、図２で説明されたコントローラ１５８と同様に動作し得る。したがって、回路１００に接続されるＬＥＤ１０２の各々は個別に制御され得る。たとえば、データが、デジタルインターフェース１２６によって受信され得、レジスタメモリ１２８に送信され得る。このデータに基づいて、レジスタメモリ１２８は、個別のコントローラ１４４に、それらの対応するＬＥＤ１０２が点灯するべき時間量を示すデータを出力し得る。

図１に示されるように、ＬＥＤ１０２は電流源１５０によって駆動される。電流源１５０は、ＬＥＤ１０２上に蓄積される累積電圧に関係なく、定電流を提供する必要がある。たとえば、すべてのＬＥＤ１０２が点灯している場合、ＬＥＤ１０２のストリング上の電圧は全ＬＥＤ１０２の個別の順電圧の合計となる。個別のＬＥＤ１０２がオフになると累積電圧は減少するが、ＬＥＤ１０２を介する電流は一定のままでなければならず、さもなければＬＥＤ１０２の照度は変化することになる。

電流源１５０の実施形態の詳細な図が図３に示されており、電流源１５０は定電流源である。電流源１５０は、ＤＣ電圧供給Ｖｇを含み、単に供給Ｖｇと呼ばれることもある。電圧供給Ｖｇは、接地の基準とされ、ＬＥＤ１０２のストリングの端部と同じ電位であり得る。参照のために、電圧供給Ｖｇは正のライン及び負のラインを有し、負のラインは接地に接続される。

電圧供給Ｖｇの正のラインと負のラインの間にキャパシタＣ１が接続される。正のラインとノードＮ１との間に第１のスイッチＱＨが接続される。ノードＮ１と負のラインとの間に第２のスイッチＱＬが接続される。図３の実施形態において、スイッチＱＨ、ＱＬはＦＥＴであり、ＱＨのドレインは正のラインに接続され、ＱＬのソースは負のラインに接続される。ＱＨのソースとドレインの間にダイオードＤ１が接続され、ＱＬのソースとドレインの間にダイオードＤ２が接続される。ダイオードＤ１、Ｄ２は、ＱＨ及びＱＬを横切って発生し得る過渡現象を減衰させる。

ノードＮ１は、ＬＥＤ１０２に接続されるインダクタＬ１に接続される。したがって、ＬＥＤ１０２を動作させるために必要な電流はインダクタＬ１を介して流れる。ＬＥＤ１０２のストリングを横切って又はＬＥＤ１０２のストリングに並列に接続されるキャパシタは存在しないことに留意されたい。電流センサ１９０が、インダクタＬ１を介する、したがってＬＥＤ１０２を介する電流フローを測定する。電流センサ１９０並びにＱＨ及びＱＬのゲートはコントローラ１９２に接続され、これにより、スイッチＱＨ及びＱＬがオフ及びオンになる。

コントローラ１９２は、インダクタＬ１を通過する電流をレギュレートするようスイッチＱＨ及びＱＬをオフ及びオンにする。電流センサ１９０は、インダクタＬ１を介する電流フローを測定し、電流フローに関するデータをコントローラ１９２に出力する。コントローラ１９２は、ＬＥＤ１０２を動作させるために必要な電流を維持するために、スイッチＱＨ及びＱＬの開及び閉の時間を変更する。たとえば、ＬＥＤ１０２がより多くの電流を必要とする場合、コントローラ１９２はより長い期間ＱＬを開きＱＨを閉じることができる。インダクタＬ１のストレージ特性は、急速な電圧変更を可能にすることによって定電流を維持するように働く。したがって、インダクタＬ１は、ＬＥＤ１０２を介する定電流フローを維持しながら、ＬＥＤ１０２をオフ及びオンにする結果としての電圧の変化を緩和することができる。前述のように、ＬＥＤ１０２に並列に接続されるキャパシタは存在しない。したがって、電流源１５０が接続されたＬＥＤ１０２の頂部に現れる電圧は、非常に迅速に変化し得る。

電流源１５０の動作を説明してきたが、次にいくつかの回路間の接続を説明する。上記で簡単に説明したように、いくつかの回路１００は、ＬＥＤのアレイを制御するために共に接続され得る。デバイス１９８を形成するために共に接続された回路１００の例が図４に示されており、この図は、ＬＥＤ１０２のアレイ２００を動作させるために共に接続された複数の回路１９９の概略図である。回路１９９は図１の回路１００と同一であり、個別に、第１の回路２０６、第２の回路２０８、第３の回路２１０、及び第４の回路２１２と呼ばれる。第１及び第２の回路２０６、２０８はＬＥＤの第１のストリング２１８を動作させるものであり、第１の回路２０６はＬＥＤの第１の部分２２０を動作させ、第２の回路２０８はＬＥＤの第２の部分２２２を動作させる。第３及び第４の回路２１０、２１２はＬＥＤの第２のストリング２２６を動作させるものであり、第３の回路２１０はＬＥＤの第３の部分２２８を動作させ、第４の回路２１２はＬＥＤの第４の部分２３０を動作させる。

アレイ２００は、並列に接続された、ＬＥＤの第１のストリング２１８及びＬＥＤの第２のストリング２２６と共に示されている。ＬＥＤのストリング２１８、２２６は並列であるが、必ずしも電気的に並列に接続されるとは限らないことに留意されたい。任意数のＬＥＤの並行なストリングがアレイ２００に追加されてもよい。同様に、ＬＥＤのストリング２１８、２２６の各々は、直列に接続された２つの部分のみを有する。ＬＥＤのストリング２１８、２２６は、任意数の部分を含むように拡張されてもよい。より大きなアレイ２００を用いると、点灯され得るより多くのＬＥＤ１０２を有することによってアレイ２００がより多くの情報を表示できるようになる。

回路１９９に接続されたデータラインにマイクロプロセッサ２４０が接続される。マイクロプロセッサ２４０は、どのＬＥＤ１０２が点灯されるべきかに関する及び点灯の期間に関する情報を含むデータを、すべての回路１９９に送信する。たとえば、データは、いずれの回路１９９がデータを受信するべきかを決定するヘッダ情報と、それに続く、その特定の回路に接続されたＬＥＤの各々についての点灯データとを含み得る。マイクロプロセッサ２４０は、第２の回路２０８の入力１１０にデータを送信する。図１に示すように、入力１１０は図１のデジタルインターフェース１２６に接続される。受信されたデータが、第２の回路２０８に接続されたＬＥＤの第２の部分２２２を動作させることを意図している場合、図１のデジタルインターフェース１２６は、データを処理し、それを図１のレジスタメモリ１２８に送信する。意図していない場合、デジタルインターフェース１２６は、第１の回路２０６の入力に接続された出力１１４にデータを送信する。第２の回路２０８と同様に、デジタルインターフェース１２６は、データが第１の回路２０６に接続されたＬＥＤの部分２２０を動作させることを意図しているかどうかを判定する。

第１の回路２０６は、ＬＥＤの第１のストリング２１８の頂部に位置する。したがって第１の回路２０６は、ＬＥＤの第１のストリング２１８に関連付けられるいずれの他の回路にもデータを送信しない。第１の回路２０６は、入力１１６及び出力１１４に接続される回路がないことを検出し得るか、又は第１の回路２０６は、ＬＥＤのストリング２１８における頂部回路として機能するようにプログラミングされ得る。図１のデジタルインターフェース１２６は、入力１１０上で受信されたデータを保存するか、又はそのデータをライン１１２に送信し得る。他の実施形態において、第１の回路２０６の出力１１４及び入力１１６は互いに電気的に接続され得る。実施形態に関係なく、第１の回路２０６向けでないデータは、ライン１１２上でＬＥＤの第１のストリング２１８における次の回路、即ち第２の回路２０８、に送信される。

第２の回路２０８の入力１１６上で受信されたデータは、データがすでに分析されており第２の回路２０８向けでないため、ライン１１２に渡される。より具体的に言えば、データは入力１１６上で受信された場合、それがＬＥＤのストリング２１８内のすべての回路によって分析されており、ＬＥＤの並列のストリングに送信されるべきことが意図されている。第２の回路２０８のライン１１２は第４の回路２１２の入力に接続される。したがって、ＬＥＤの第１のストリング２１８からのデータはＬＥＤの第２のストリング２２６に送信され、前述のプロセスが反復される。第４の回路２１２のライン１１２はマイクロプロセッサ２４０に接続される。このライン上のデータは、テストされ機能していないＬＥＤの位置を含み得る。マイクロプロセッサ２４０は、当分野で知られているように、欠陥ＬＥＤの視覚的影響を軽減するように動作し得る。

アレイ２００におけるデータ送信を説明してきたが、次に電力分散を説明する。ＬＥＤ１０２のストリングは、頂部ＬＥＤと底部ＬＥＤとの間に比較的高い電圧を有し得る。いくつかの実施形態において、電圧はおよそ１００ボルトである。回路１００内の構成要素は５ボルトで動作し得る。本明細書では、ＬＥＤ１０２を動作させる高電圧が、回路１００内の低電圧構成要素を動作させ得る回路が開示されている。

電力は、ＬＥＤ１０２に接続されたチャージポンプ１３０を用いることによって回路１９９に供給され得る。チャージポンプ１３０を用いる電源の実施形態が図５に示されており、この図は、共に接続された第１の回路２０６及び第２の回路２０８の概略図である。回路２０６、２０８がＬＥＤ１０２から電力を受け取るため及び内部の電子構成要素を駆動させるために、チャージポンプが用いられる。第１のチャージポンプ２５０が第１の回路２０６内に位置し、第２のチャージポンプ２５２が第２の回路２０８内に位置する。要約すると、チャージポンプ２５０、２５２は、ＬＥＤ１０２を横切って存在する電圧から、回路２０６、２０８に対して適切な動作電圧を生成する。本明細書で説明する実施形態において、チャージポンプ２５０、２５２及び関連付けられる電圧レギュレータは、回路１９９内の電子構成要素を動作させるために必要な電圧を生成する。

チャージポンプをより良く説明するために、図１及び図２並びにチャージポンプ１３０をさらに参照する。チャージポンプ１３０はＬＥＤ１０２のストリングによって電力供給される。したがって、チャージポンプのための供給電圧は、ＬＥＤ１０２のストリングの頂部のアノードの最高電圧と、ストリングの底部のカソードとの間である。スイッチ１４２がオンのとき、ドレインからソースへの電圧は降下する。理想的には電圧降下はゼロであるが、これは数ミリボルトであり得る。オフである頂部ＬＥＤの電圧は、その対応するスイッチを動作させるために十分な高さでないことになる。チャージポンプ１３０は、スイッチ１４２を動作させるためこのより高い電圧を生成する。

すべてのＬＥＤ１０２がバイパスされ、ＬＥＤ１０２のストリングを横切る総電圧が数１００ミリボルト程度の低さとなり得るように、すべてのスイッチ１４２がオンである状況があり得る。この場合、すべてのコントローラ１４０は、それらの供給電圧を、スイッチをオンに保つために十分な高さとする必要がある。この状況では、すべてのコントローラ１４０は、それらがより高い電圧で動作し得るようにチャージポンプ１３０から電力を受け取る。

回路１９９は更に、バイアス回路２５８、２６０を用いて、共通接地を５Ｖ上回り得る供給電圧を生成する。バイアス回路２５８、２６０は、デジタルインターフェース１２６及びレジスタメモリ１２８に電力を供給する。図５の実施形態において、第１の回路２０６及び第２の回路２０８は、ＬＥＤ１０２のストリングを駆動するようにスタックされるため、チャージポンプ２５２の出力はバイアス２５８の出力に等しい。したがって、チャージポンプ２５２の出力及びバイアス２５８の出力を共に接続し得、負荷を共有し得る。さらに、チャージポンプ２５２又はバイアス２５８いずれかが単独で必要な負荷を供給することが可能な場合、それらのいずれかをオフにすることができる。

上記で簡単に説明したように、回路２０６、２０８における電力システムは、接地の基準とされたときに回路２０６、２０８が異なる電位で動作する場合でも、回路２０６、２０８間のデータ送信を可能にする。第１の回路２０６と第２の回路２０８との間の電力及びデータ接続の例が、図６に示されている。いくつかの実施形態において、第１の回路２０６を動作させる電圧は、第２の回路２０８の接地ノードと同じ電位でない接地ノードの基準とされ得る。異なる電位が与えられたときに通信を正しく動作させるために、回路２０６、２０８はレベルシフタ２６１を含む。第２の回路２０８に関して示されるように、回路２０６、２０８の各々は、レベルシフトアップ２６２及びレベルシフトダウン２６４を有し得る。回路２０６、２０８は更に、以下で説明するように複数のバッファ／ドライバを含む。データレジスタ及び他の構成要素はデータラインに接続されるが、図６では示されていない。

データは、第２の回路２０８によってライン１１０上で受信される。データライン１１０はドライバ２６６に接続する。ドライバ２６６は、本実施形態では５ボルトである、第２の回路２０８に存在する電圧から動作する。ドライバ２６６は、第１の回路２０６に存在する５ボルト電位でデータを動作させるために、データをレベルシフトアップ２６２に出力する。データはまた、図１のレジスタメモリ１２８によって分析され得る。データは、レベルシフトアップ２６２から、第１の回路２０６に存在する５ボルト電位で動作するドライバ２６８に出力される。ドライバ２６８は、第２の回路２０８と実質的に同じか又は同一である第１の回路２０６にライン１１４上でデータを出力する。

第１の回路２０６から第２の回路２０８に送信されるデータは、第２の回路２０８に比べて高い電位が第１の回路２０６に存在することに起因して、シフトダウンされる必要がある。ドライバ２７０が第１の回路２０６からライン１１６へデータを送信する。データは第２の回路２０８内のドライバ２７２によって受信される。ドライバ２７０、２７２はどちらも、第１の回路２０６に存在する電位で動作する。データはレベルシフトダウン２６４に送信され、ここでその電位は第２の回路２０８に適した電圧で動作するように変更される。出力ドライバ２７４が、レベルシフトダウン２６４からライン１１２にデータ信号を出力する。

回路１００が図４のＬＥＤのストリング２００の頂部に位置付けられる場合、データを他の回路に送信できるようにするために、データラインが共に接続される必要がある。図６の実施形態において、第１の回路２０６は、図４のストリング２１８の頂部において、ＬＥＤの第１の部分２２０を制御する。したがって、データは、第１の回路２６０以外に更に送信される必要がないため、第２の回路２０８の出力１１４及び入力１１６は共に接続される。図６の実施形態において、出力１１４及び入力１１６を接続するために外部ラインが用いられる。出力１１４及び入力１１６は、図６に示されていない電子スイッチによって内部的に接続されてもよいことに留意されたい。

図３及び図４を再度参照すると、電流源１５０は複数のＬＥＤ１０２に電流を供給する。たとえば、回路１９９の各々は１６個のＬＥＤ１０２を制御し得る。回路１９９が直列に接続される場合、電流源１５０は多くのＬＥＤ１０２に電流を提供する。ＬＥＤ１０２がオフ及びオンになると、オフ及びオン遷移によって作られる過渡現象は減衰される必要がある。非常に多くのＬＥＤ１０２が電流源１５０に接続されている場合、いくつかのＬＥＤが同時にオフ及びオンにする可能性がある。スイッチングノードで見られる接地に対する寄生容量は高速で充電及び放電され、これらの過渡現象を生じさせる。

図１を参照すると、過渡現象に関連付けられる問題を克服するために、同時のオン及びオフ遷移数が制限されるように、ＬＥＤ１０２のための制御信号が分析される。図１の回路１００によって受信及び処理され得るＰＷＭ信号の例を示すタイミング図である図７を参照する。データはフレームの形式で受信され、第１のフレームが受信及び処理される。回路１００は、第２のフレームが受信及び処理される間の第１のフレームを表すデータを表示する。したがって、表示されたデータは遅延されている。フレーム間ですべてのＬＥＤ１０２のブランキングが生じ得る。各フレームは所望のフレームレート及びＰＷＭ解像度に基づいて、多くのサブフレームに分割され得る。サブフレームのうちのいくつかがアクティブとなり、その他は必要な光強度に応じてディセーブルされ得る。

マイクロプロセッサから受信されるデータはタイミング図２８０に示されている。このデータは直列フォーマットであり得、フレームバッファ２８１にストアされ得る。フレームバッファ内に受信されるＰＷＭ信号がＮ個あり、Ｎ個のＰＷＭ信号の各々がＬＥＤ１０２のうちの単１のＬＥＤ１０２を制御する。たとえば、ＰＷＭ１がＬＥＤ１０２のストリング内の第１のＬＥＤを制御し、ＰＷＭ２がＬＥＤ１０２のストリング内の第２のＬＥＤを制御する。回路１００が１６個のＬＥＤ１０２を制御する実施形態において、フレームバッファ２８１内に受信されるＰＷＭ信号が１６個ある。

前述のように、ＰＷＭ信号はＬＥＤ１０２の各々がオンである時間を決定する。図７の実施形態において、ＰＷＭ信号の高い部分はＬＥＤ１０２のうちの１つのＬＥＤ１０２がオンである時間量を表す。しかしながら、この高い部分はＬＥＤ１０２のうちの１つのＬＥＤ１０２がオフである時間も表し得る。すべてのＰＷＭ信号は同時にオンにされ得、これはブランキング期間後であり得ることに留意されたい。他の実施形態において、ＰＷＭ信号はフレーム期間中オンであり得る。

ＰＷＭ信号は、各ＰＷＭ信号に遅延が割り当てられるように、図表２８２に示されるようにソーター２８３によってソートされる。ＰＷＭ信号は、遅延が最短ＰＷＭ信号から最長へと順序付けられるようにソートされる。図７の実施形態に関して、ＰＷＭ２は、最短信号を有しており遅延１（Ｄ１）が割り当てられる。ＰＷＭ１は、２番目に短い信号を有しており遅延２（Ｄ２）が割り当てられ、その後遅延３（Ｄ３）が割り当てられるＰＷＭ３が続く。基準信号ＰＷＭＮは、最後のＰＷＭ信号であり、遅延Ｍが割り当てられ、ＭはＮより小さいか又はＮに等しい整数である。

これで遅延が確立され、タイミング図２８４によって示されるように遅延２８５によって実装される。遅延はＰＷＭ信号の各々を、数マイクロ秒から数ミリ秒であり得るＴｄの期間だけ増分し得る。遅延は、システム応答に基づき、過渡現象を抑制するために十分な遅延が存在するように設定される。ＰＷＭ２に関連付けられる過渡現象は、ＰＷＭ１がオンになる前に抑制される。図に示されるように、信号ＰＷＭ２は最短であるため遅延されない。ＰＷＭ１は２番目に短いため、期間Ｔｄ遅延される。ＰＷＭ３は３番目に短いため、期間Ｔｄの２倍の量遅延される。上記で簡単に説明したように、同時にオフになるＬＥＤ１０２が多すぎることで過渡現象が生成される可能性がある。ＰＷＭ信号を最短から最長にソートすることによって、ＰＷＭ信号がフレーム期間中に同時にオフにされることはなくなる。いくつかの実施形態において、１つのＬＥＤが、第２のＬＥＤがオフになるのと同時にオンになるとき、遅延はない。同時のオン及びオフ遷移の影響は相殺され、関連する過渡現象は生成されない。表示される信号がない場合、たとえばサブフレームがアクティブでない場合、電流源１５０を完全にディセーブルにすることで省電力化が実施され得る。

回路１００のいくつかの主な実施形態を説明してきたが、次にその他の実施形態を説明する。ＬＥＤ１０２に対する電流源を提供する電流源１５０である図３を参照する。前述のように、ＬＥＤ１０２は、コントローラ１９２に必要な電圧よりも典型的にかなり高い電圧から動作する。たとえば、コントローラ１９２は、数ボルトで動作するデジタル及びアナログの回路を有し得る。他方で、ＬＥＤ１０２は、典型的に、１０ボルトから数１００ボルトまでの範囲の電圧によって駆動される。コントローラ１９２はＬＥＤ１０２のために提供される供給とは異なる供給を用いることが可能であり、この供給は、費用が掛かり、回路上で比較的大きな領域を占める可能性がある。コントローラ１９２はＬＥＤ１０２に対して電流を供給するために用いられるＤＣ電圧を変換することも可能であるが、こうしたＤＣＤＣ変換は非常に非効率的である。

ＬＥＤ１０２に供給している電流を、コントローラ１９２に供給するための電圧に効率的に変換するための回路３００が図８に示されている。ツェナーダイオードＺ１がＬＥＤ１０２に直列に接続される。ツェナーダイオードＺ１は、コントローラ１９２の動作電圧に等しい、Ｖｄｄと呼ばれる電圧を有する。ツェナーダイオードＺ１は、ＬＥＤ１０２を介する電流フローを動作電圧に変換する。２つのキャパシタＣ３及びＣ４がスイッチＳＷ１〜ＳＷ４によって充電され、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４はスイッチング回路３０２によって制御される。このスイッチングにより電圧Ｖｄｄを接地の基準とすることができる。

ＬＥＤ１０２に供給されている電流を、コントローラ１９２に供給するための電圧に効率的に変換するための別の回路３１０が、図９に示されている。回路３１０は回路３００に類似している。ただし、回路３１０は、ツェナーダイオードＺ１の代わりにスイッチＳＷ５を用いる。スイッチＳＷ５はキャパシタＣ３の充電時間を制御し、キャパシタＣ３は出力電圧Ｖｄｄを制御する。スイッチＳＷ５とＳＷ１及びＳＷ２の組み合わせとが、一方がオフの間に他方がオンであるように、反対の状態で動作することに留意されたい。したがって、電流は常にＬＥＤ１０２を介して流れることができる。

図３の電流源１５０を参照すると、高い入力電圧を横切って直列に電流レギュレータをスタックすることで、より高い効率性が達成され得る。直列レギュレータを有することに伴う問題の１つは、これらのレギュレータにわたって電圧を平衡させることである。直列のレギュレータにわたって電圧を平衡させる回路３２０が図１０に示される。回路３２０は第１の電流源３２２及び第２の電流源３２４を含み、第１の電流源３２２は図３の電流源１５０と実質的に同様である。第１の電流源３２２は第１のコントローラ３２６を含み、第２の電流源３２４は第２のコントローラ３２８を含む。各電流源３２２、３２４は、コントローラ３２６、３２８によって制御されるスイッチ又はＦＥＴ３３０を有する。

レギュレータ３２２、３２４の直列接続により、レギュレータ３２２、３２４間の電圧の平衡化が可能となり、これによってＦＥＴ３３０がそれらにわたってより低い電圧を有することが可能となる。第１のレギュレータ３２２はＬＥＤ１０２のための電流源を提供する。第２の電流源３２４は、コンバータ３２２、３２４にわたる電圧を平衡させるために、コンバータ３２２、３２４への入力電圧をレギュレートする。

本願に関する当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明された実施形態に対する改変が成され得ること、及び、多くの他の実施形態が可能であることを理解されよう。

Claims

直列に接続される複数の第１のＬＥＤを制御するための回路であって、
複数のスイッチであって、各スイッチが前記複数の第１のＬＥＤのうちの１つの第１のＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能であり、前記複数のスイッチの各々が、電流が前記スイッチを通過しない第１の状態と電流が前記スイッチを通過する第２の状態とを有する、前記複数のスイッチ、
前記スイッチをプログラミングするためのデータを受信するための第１のデータ入力、
前記第１のＬＥＤに並列に接続される第２のＬＥＤを制御する回路と前記回路との間でデータを転送するためのデータライン、及び
前記第１のＬＥＤに直列に接続される第３のＬＥＤを制御する他の回路にデータを転送するためのデータ出力、
を含む、回路。
請求項１に記載の回路であって、レベルシフトをさらに含み、前記レベルシフトが、前記データに関連付けられる電圧レベルを前記回路の動作電圧と適合可能にする、回路。
請求項１に記載の回路であって、チャージポンプをさらに含み、前記チャージポンプが、前記複数の第１のＬＥＤのうちの少なくとも１つに供給される電圧を、前記回路を動作させるために必要な電圧に変換する、回路。
請求項３に記載の回路であって、前記チャージポンプが、前記第３のＬＥＤを制御する前記回路に電気的に接続可能な出力を有する、回路。
請求項１に記載の回路であって、障害検出器をさらに含み、前記障害検出器が、前記複数の第１のＬＥＤのうちの１つが機能しているかどうかを判定する、回路。
請求項５に記載の回路であって、前記障害検出器が、前記複数の第１のＬＥＤのうちの１つに障害が検出されたときデータを送信する、回路。
請求項５に記載の回路であって、前記障害検出器が、前記複数の第１のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤの前記アノードとカソードとの間の電圧を測定する、回路。
請求項５に記載の回路であって、前記複数の第１のＬＥＤのうちの障害のある１つのＬＥＤに関連付けられる前記スイッチが、電流に前記障害のあるＬＥＤをバイパスさせるために前記第２の状態に置かれる、回路。
請求項１に記載の回路であって、電流源をさらに含み、前記電流源が前記複数の第１のＬＥＤを駆動し、
前記電流源が、
第１のノード及び第２のノードを有する電圧入力と、
出力ノードと、
前記第１のノード及び前記出力ノード間に接続され、コントローラによって制御される第１のスイッチと、
前記出力ノード及び前記第２のノード間に接続され、前記コントローラによって制御される第２のスイッチと、
前記出力ノードと前記ＬＥＤとの間に接続されるインダクタと、
を含む、
回路。
請求項９に記載の回路であって、
前記インダクタを介する電流を感知する電流センサを更に含み、
前記電流センサが前記コントローラに接続される出力を有し、
前記コントローラが、前記電流センサによって感知された前記電流に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御する、
回路。
請求項１に記載の回路であって、前記第３のＬＥＤを制御する前記回路からデータを受信する第２のデータ入力をさらに含む、回路。
請求項１１に記載の回路であって、前記データ出力が前記第２のデータ入力に接続可能である、回路。
請求項１に記載の回路であって、前記スイッチを制御するための前記データがパルス幅変調フォーマットであり、前記回路がデータソーターをさらに含み、前記データソーターがそれらのオン時間に基づいて前記パルス幅変調された信号をソートする、回路。
請求項１３に記載の回路であって、遅延をさらに含み、最短のオン時間を有する前記スイッチが最初にオフにされる、回路。
請求項１３に記載の回路であって、前記データが複数フレームのフォーマットで受信され、前記スイッチのすべてが各フレームの開始時に前記第２の状態である、回路。
前記ＬＥＤを駆動する電流源をさらに含み、前記スイッチのすべてが前記第２の状態であるとき前記電流源がディセーブルとなる、回路。
複数のＬＥＤを制御するためのデバイスであって、
第１の複数のＬＥＤを制御するための第１の回路、及び
第２の複数のＬＥＤを制御するための第２の回路、
を含み、
前記第１の複数のＬＥＤが前記第２の複数のＬＥＤに直列に接続可能であり、
前記第１の回路が、
データラインと、
複数のスイッチであって、各スイッチが前記第１の複数のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能であり、前記複数のスイッチの各々が、電流が前記スイッチを通過しない第１の状態と電流が前記スイッチを通過する第２の状態とを有し、前記データライン上で受信されたデータが前記スイッチの前記状態を制御する、前記複数のスイッチと、
を含み、
前記第２の回路が、
第１の回路の前記データラインに接続可能な第１のデータラインと、
プロセッサに接続可能な第２のデータラインと、
複数のスイッチであって、各スイッチが前記第２の複数のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能であり、前記スイッチの各々が、電流が前記スイッチを通過しない第１の状態と電流が前記スイッチを通過する第２の状態とを有し、前記第２のデータライン上で受信されたデータが前記スイッチの前記状態を制御する、前記複数のスイッチと、
を含み、
前記第２の回路の前記第２のデータラインによって受信されたデータが、前記データが前記第１の回路内の前記スイッチを制御するためのものであるかどうかを判定するために分析され、前記データが前記第１の回路内の前記スイッチを制御するためのものでない場合、前記データが前記第１のデータラインを介して前記第１の回路に送信される、
デバイス。
請求項１７に記載のデバイスであって、第３の複数のＬＥＤを制御するための第３の回路をさらに含み、
前記第３の回路が、
前記第２の回路の前記第２のデータラインに接続可能なデータラインと、
複数のスイッチであって、各スイッチが前記第３の複数のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能であり、前記スイッチの各々が、電流が前記スイッチを通過しない第１の状態と電流が前記スイッチを通過する第２の状態とを有し、前記データライン上で受信されたデータが前記スイッチの前記状態を制御する、前記複数のスイッチと、
を含み、
前記データラインによって受信されたデータが前記第３の回路内の前記スイッチを制御する、
デバイス。
請求項１７に記載のデバイスであって、電流源をさらに含み、前記電流源が前記第１の複数のＬＥＤ及び前記第２の複数のＬＥＤを駆動し、
前記電流源が、
第１のノード及び第２のノードを有する電圧入力と、
出力ノードと、
前記第１のノード及び前記出力ノード間に接続され、コントローラによって制御される第１のスイッチと、
前記出力ノード及び前記第２のノード間に接続され、前記コントローラによって制御される第２のスイッチと、
前記出力ノードに接続され、前記第２の複数のＬＥＤに接続可能なインダクタと、
を含む、
デバイス。
直列に接続される複数の第１のＬＥＤを制御するための回路であって、前記回路が、
複数のスイッチであって、各スイッチが前記複数の第１のＬＥＤのうちの１つのＬＥＤのアノードとカソードとの間で接続可能であり、前記スイッチの各々が、電流が前記スイッチを通過しない第１の状態と電流が前記スイッチを通過する第２の状態とを有する、前記複数のスイッチ、
前記スイッチをプログラミングするためのデータを受信するための第１のデータ入力であって、前記スイッチがパルス幅変調された信号によって制御される、前記第１のデータ入力、
前記第１のＬＥＤに並列に接続される第２のＬＥＤを制御する回路と前記回路との間でデータを転送するためのデータライン、
前記第１のＬＥＤに直列に接続される第３のＬＥＤを制御する他の回路にデータを転送するためのデータ出力、
前記パルス幅変調された信号をそれらのオン時間に基づいてソートするデータソーター、
遅延であって、最短のオン時間を有する前記スイッチが最初にオフにされる、前記遅延、及び
電流源、
を含み、
前記電流源が、
第１のノード及び第２のノードを有する電圧入力と、
出力ノードと、
前記第１のノード及び前記出力ノード間に接続され、コントローラによって制御される第１のスイッチと、
出力ノード及び前記第２のノード間に接続され、前記コントローラによって制御される第２のスイッチと、
前記出力ノードに接続され、前記第２の複数のＬＥＤに接続可能なインダクタと、
を含む、
回路。