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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektronik und insbesondere eine Hintergrundbeleuchtung mit Leuchtdioden (LED-Hintergrundbeleuchtung) und eine LED-Beleuchtung.
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In modernen Anzeigen werden weiße LEDs verwendet, um das weiße Licht zu erzeugen, das für die Hintergrundbeleuchtung der LCD verwendet wird. Es ist erwünscht, die Fähigkeit zu besitzen, den Pegel der verwendeten Hintergrundbeleuchtung zu verändern. Dies ist erwünscht, um sowohl den Kontrast zu maximieren als auch die Anzeige auf das Niveau des Umgebungslichts einzustellen. Herkömmliche LED-Treiberschaltungen führen das Dimmen durch das Einstellen des Einschaltzyklus (Arbeitszyklus) einer LED-Kette aus, so dass der Prozentsatz der Einschaltzeit eine äquivalente Helligkeit (oder Durchschnittsintensität) mit der gewünschten Helligkeit erzeugt.
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Einige LED-Treiberschaltungen enthalten eine integrierte Schaltung (IC) zum Steuern des Stroms der LED-Kette. Die LED-Ketten erfordern typischerweise höhere Spannungen als die IC, um den Strom der LED-Kette zu steuern. In einer typischen Anwendung könnte eine IC der LED-Steuerung an 12 Volt arbeiten, während die LED-Kette an 40 Volt arbeiten könnte. Es können lineare Schaltungen verwendet werden, um die richtige Spannung für die IC zu erzeugen, wie z. B. eine einfache oder aktive Nebenschlussschaltung oder ein Nebenschlusswiderstand mit einem externen NMOS. Diese Schaltungen können jedoch Kosten, Chip-Fläche und Bauelemente hinzufügen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Ansteuern einer Kette lichtemittierender Elemente zu schaffen, die die obenerwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltung zum Ansteuern einer Kette lichtemittierender Elemente nach Anspruch 1 und eine Schaltung zum Ansteuern einer Kette lichtemittierender Elemente nach Anspruch 6. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der offenbarten Implementierungen verwenden den Spannungsabfall, der in der Vorrichtungskette inhärent ist, um eine Vorrichtungssteuereinrichtungs-IC in einem Treiber für Beleuchtungselemente (z. B. LEDs) mit Energie zu versorgen. In einigen Implementierungen wird der Strom aus dem unteren Ende der Vorrichtungskette gezogen und an einen Spannungsversorgungs-Anschlussstift der Vorrichtungssteuereinrichtungs-IC angelegt. In einigen Implementierungen wird der Strom von irgendwo anders als dem unteren Ende der Vorrichtungskette (z. B. aus der Nähe des unteren Endes oder vom Mittelpunkt der Vorrichtungskette) unter Verwendung eines Schalters gezogen, wobei der Ort zum Abgreifen der Spannung vom gewünschten Spannungspegel abhängt. In einigen Implementierungen wird der Strom aus der Nähe des unteren Endes und aus dem unteren Ende der Vorrichtungskette zu verschiedenen Zeitpunkten gezogen, so dass aus dem unteren Ende der Vorrichtungskette weniger Strom gezogen wird, wie der Arbeitszyklus der Vorrichtungskette zunimmt, und mehr Strom aus der Nähe des unteren Endes der Vorrichtungskette gezogen wird, wie der Arbeitszyklus der Vorrichtungskette zunimmt.
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Besondere Implementierungen eines eigenversorgten Vorrichtungstreibers können mehrere Vorteile schaffen, einschließlich: 1) niedriger Kosten, 2) minimaler Bauelemente und 3) eines hohen Wirkungsgrads, sind aber nicht darauf eingeschränkt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische graphische Darstellung eines beispielhaften Treibers einer Farbkorrekturvorrichtung zum Ansteuern von Beleuchtungselementen mit konstantem Strom;
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2 eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Treibers nach 1, wobei die Vorrichtungssteuereinrichtungs-IC aus dem unteren Ende der Vorrichtungskette mit Energie versorgt wird;
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3 eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Treibers nach 1, wobei die Vorrichtungssteuereinrichtungs-IC aus der Nähe des unteren Endes (z. B. dem Mittelpunkt) der Vorrichtungskette mit Energie versorgt wird; und
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4 eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Treibers nach 1, wobei sie die Schaltersteuerung in 3 weiter veranschaulicht.
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Beispielhaften Schaltungen
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Überblick über den Vorrichtungstreiber
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1 ist eine vereinfachte schematische graphische Darstellung eines Treibers 100 einer Farbkorrekturvorrichtung zum Ansteuern von Beleuchtungselementen (z. B. LEDs) mit konstantem Strom. In einigen Implementierungen kann der Vorrichtungstreiber 100 einen Vollwellengleichrichter (FWR) 102, eine Leistungsfaktor-Korrektureinrichtungs-Steuereinrichtung (PFC-Steuereinrichtung) 104, einen Transformator 103 (der eine Primärspule 103a und eine Sekundärspule 103b) besitzt), einen Transistor 113, einen Abtastwiderstand 105, einen Optokoppler 106, einen Nebenschlusswiderstands-Regler 107, die Widerstände 108, 109, einen Kondensator 110 (C1), eine Vorrichtungssteuereinrichtung 111, einen Transistor 112, einen Abtastwiderstand 115, eine weiße Kette 116, eine CA-Kette 117, eine Umlaufdiode 118, einen Induktor 119 (L1), einen Transistor 120 und einen Abtastwiderstand 121 enthalten.
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Sowohl die Anzahl der Ketten 116 als auch die Anzahl der Elemente in jeder Kette können vom besonderen Typ der Vorrichtung und der Anwendung abhängen. Die hier beschriebene Technik des Vorrichtungstreibers kann z. B. in Hintergrundbeleuchtungs- und Halbleiter Beleuchtungsanwendungen verwendet werden. Beispiele derartiger Anwendungen enthalten LCD-TVs, PC-Monitore, Spezialpaneele (z. B. in industriellen, militärischen oder medizinischen Anwendungen oder Avionik-Anwendungen) und die allgemeine Beleuchtung für kommerzielle, industrielle und öffentliche Anwendungen sowie für Wohnanwendungen. Die hier beschriebene Technik der Vorrichtungstreiber kann ebenso in anderen Anwendungen angewendet werden, einschließlich der Hintergrundbeleuchtung für verschiedene handgehaltene Vorrichtungen. Der Vorrichtungstreiber 100 kann als eine integrierte Schaltung implementiert sein, die z. B. auf einem Silicium- oder einem anderen Halbleitersubstrat hergestellt ist.
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Eine Eingangswechselspannung (z. B. eine sinusförmige Spannung) wird in den FWR 102 eingegeben, der eine gleichgerichtete Wechselspannung bereitstellt. Die PFC-Steuereinrichtung 104 ist konfiguriert, um die gleichgerichtete Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators 103 in eine Gleichspannung (Vout) auf der Sekundärseite des Transformators 103 umzusetzen, um die Ketten 116, 117 anzusteuern. Die PFC-Steuereinrichtung 104 stellt zusammen mit dem Transistor 113 und dem Abtastwiderstand 105 sicher, dass sich der durch die Primärwicklung 103a des Transformators (und folglich die Wechselstromversorgung) gezogene Strom in der richtigen Phase mit der Signalform der Eingangswechselspannung befindet, um einen Leistungsfaktor so nah wie möglich bei eins zu erhalten. Indem der Leistungsfaktor so nah wie möglich bei eins hergestellt wird, nähert sich die Blindleistungsaufnahme der Ketten 116, 117 null, wobei folglich dem Energieversorgungsunternehmen ermöglicht wird, effizient elektrische Leistung von der Eingangswechselspannung an die Ketten 116, 117 zu liefern.
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Der Kondensator 110 gleicht den durch die PFC-Steuereinrichtung 104 gelieferten Strom aus, indem er eine Gleichspannung innerhalb relativ kleiner Variationen (niedriger Welligkeit) hält, während der Laststrom etwa Gleichstrom ist und der Strom in den Kondensator 110 die doppelte Frequenz der Eingangswechselspannung besitzt. Wenn die Eingangswechselspannung null ist, geht der Strom in der Sekundärspule 103b auf null, wobei der Kondensator 110 den Strom für die Ketten 116, 117 bereitstellt. Um die Welligkeit des Gleichstroms niedrig zu halten, wird oft ein großer Elektrolytkondensator verwendet, der unzuverlässig und teuer sein kann und eine begrenzte Lebensdauer besitzen kann.
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Die Widerstände 108, 109 bilden ein Spannungsteilernetzwerk, um Vout abwärts zu teilen, bevor sie in den Rückkopplungsknoten (FB-Knoten) der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 und den Nebenschlusswiderstands-Regler 107 eingegeben wird. Die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 zwingt den Strom aus dem FB-Knoten, um den Knoten Dw auf einen gewünschten Spannungspegel (typischerweise 1 V) zu regeln. Der Nebenschlusswiderstands-Regler 107 wirkt als eine Referenz für den Regelkreis und stellt den Strom für den Optokoppler 106 bereit. Die Umlaufdiode 118 (z. B. eine Schottky-Diode) führt den Strom von der CA-Kette 117 zurück, wenn die PWM an dem Gate des Transistors 120 ausgeschaltet ist.
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In der gezeigten Schaltungskonfiguration verwendet die weiße Kette 116 das Meiste der Leistung, während die CA-Kette 117 eine kleinere Menge der Leistung verwendet, um das Farbspektrum zu füllen. Die weiße Kette 116 kann z. B. etwa 40 Volt und etwa 350 mA (14 Watt) erfordern, während die CA-Kette 117 etwa 20 V und etwa 150 mA (3 Watt) erfordert.
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Die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 befindet sich auf der Sekundärseite des Transformators 103. Die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 ist durch die Knoten Dw, Gw und Sw an die Drain-, Gate- und Source-Anschlüsse des Transistors 112 gekoppelt. Die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 ist ferner an die Drain- und Source-Anschlüsse des Transistors 120 gekoppelt. Die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 stellt die Spannung und den Strom durch die weiße Kette 116 ein, indem sie unter Verwendung einer PWM-Signalform (die z. B. durch den Knoten Gw an das Gate des Transistors 112 angelegt ist) mit einem geeigneten Arbeitszyklus den Transistor 112 (z. B. einen MOSFET-Transistor) ein- und aus steuert. Der Strom wird durch eine (nicht gezeigte) Verstärkerschleife in der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 eingestellt, indem die Spannung über dem Abtastwiderstand 115 gesteuert wird. Die Spannung über der weißen Kette 116 wird durch das Messen der Drain-Spannung (Dw) der weißen Kette 116 und das Rückkoppeln eines Stroms in den Rückkopplungsknoten (FB) gesteuert, so dass der Antrieb (der Transistor 112 und der Abtastwiderstand 115) genug Aussteuerungsreserve besitzen, um den erforderlichen kontinuierlichen Strom an die Ketten 116, 117 zu liefern.
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Ähnlich stellt die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 die Spannung und den Strom durch die CA-Kette 117 ein, indem sie unter Verwendung einer PWM-Signalform (die z. B. durch den Knoten Gfb an das Gate des Transistors 120 angelegt ist) mit einem geeigneten Arbeitszyklus den Steuerungstransistor 120 (z. B. einen MOSFET-Transistor) ein- und aus steuert. Der Strom wird durch eine (nicht gezeigte) Verstärkerschleife in der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 eingestellt, indem die Spannung über dem Abtastwiderstand 121 gesteuert wird. Die Spannung über der CA-Kette 117 wird durch das Messen der Drain-Spannung (Dw) der CA-Kette 117 an dem Knoten Dfb gesteuert. Weil die CA-Kette 117 eine niedrigere Spannung als die weiße Kette 116 besitzt, kann eine schwebende Abwärtskonfiguration verwendet werden, um den Strom im Induktor 119 (L1) zu regeln, um den Strom in der CA-Kette 117 zu regeln. Innerhalb der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 befindet sich eine Nachschlagtabelle, um die Helligkeit der CA-Kette 117 als eine Funktion der Temperatur einzustellen.
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Im Vorrichtungstreiber 100 wird die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 durch eine (nicht gezeigte) 12-V-Eingangsversorgung mit Energie versorgt. Diese Leistungsversorgung kann durch eine Spannungsreglerschaltung (z. B. eine passive oder aktive Nebenschlussschaltung) bereitgestellt werden. In anderen Implementierungen kann die Leistungsversorgung (die im Folgenden als ”Vsupply” bezeichnet wird) durch die Kette 116 bereitgestellt werden, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird.
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Beispiele der Eigenversorgungskonfigurationen
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2 ist eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Vorrichtungstreibers 100 nach 1, wobei die Vorrichtungssteuereinrichtungs-IC 111 aus dem unteren Ende der Vorrichtungskette 116 mit Energie versorgt wird. In einigen Implementierungen ist das untere Ende der Kette 116 durch die Diode 202 und den Widerstand 204 an Vsupply gekoppelt. Der Kondensator 206 ist mit dem Widerstand 204 parallelgeschaltet. Wenn die lichtemittierenden Elemente (z. B. die LEDs) in der Kette 116 vorwärtsleitend sind, fließt Strom durch die Diode 202 und den Widerstand 204, der einen Spannungsabfall über dem Widerstand 204 verursacht, der in den Vsupply-Anschlussstift der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 eingegeben wird. Außerdem wird in dem Kondensator 206 eine Ladung gespeichert, wenn die Kette 116 ausgeschaltet ist, wobei der Kondensator der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 eine Versorgungsspannung bereitstellt. Eine (nicht gezeigte) zusätzliche Schaltungsanordnung kann in der Steuereinrichtungs-IC 102 enthalten sein, um die Versorgungsspannung ”Vsupply” zu erzeugen. Es kann z. B. eine einfache passive oder aktive Nebenschlussschaltung oder eine Zener-Diode intern an den Vsupply-Anschlussstift der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 gekoppelt sein.
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Selbst wenn die Versorgungsspannung (Vout) der Vorrichtungskette etwa 40 V beträgt, befindet sich das untere Ende der Vorrichtungskette auf nur 40 V bei einem Strom von null. Selbst der kleinste Strom durch die Vorrichtungskette erzeugt einen signifikanten Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall kann verwendet werden, um eine Niederspannungsversorgung für die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 zu erzeugen. Das Ziehen von z. B. nur 3,5 mA aus der Kette 116 (wenn die Kette 116 ausgeschaltet ist) erzeugt einen Abfall von etwa 30 V über der Kette 116. Dieser Abfall kommt kostenlos (was einen Wirkungsgrad von 100% bedeutet), da er in Licht umgesetzt wird, was erwünscht ist. Das Erhalten des Stroms von den 350 mA in der Kette 116 führt zu einem Fehler von weniger als 1% z. B. in der LED-Helligkeit, da 3,5 mA 1% der 350 mA in der Kette 116 sind. Dieser Fehler kann verringert werden, indem der durch die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 bereitgestellte Zyklus der Impulsbreitenmodulation (PWM-Zyklus) verschoben wird. Die Verwendung des Stroms aus der Kette 116, um die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 mit Energie zu versorgen, erzeugt eine Versorgung mit einem angemessen hohen Wirkungsgrad.
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3 ist eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Vorrichtungstreibers 100 nach 1, wobei die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 aus der Nähe des unteren Endes (z. B. dem Mittelpunkt) der Vorrichtungskette 116 mit Energie versorgt wird. Im Allgemeinen kann die Versorgungsspannung für die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 über einer gewünschten Anzahl der lichtemittierenden Elemente in der Kette 116 abgegriffen werden, um den gewünschten Spannungspegel zu erreichen. Die Konfiguration nach 3 ist zur Konfiguration nach 2 ähnlich, mit Ausnahme, dass die Diode 202 entfernt worden ist und der Schalter 306 hinzugefügt worden ist. Der Schalter 306 kann durch einen Steuerknoten 308 (Ctrl) der Vorrichtungssteuereinrichtung 111 oder durch ein weiteres Bauelement (z. B. einen Mikrocontroller, eine Logik) gesteuert sein.
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In der Konfiguration nach 3 wird die Leistung aus der Nähe des unteren Endes der Kette 116 (z. B. vom Mittelpunkt der Kette 116) gezogen, wenn die Kette 116 eingeschaltet ist. Jedes lichtemittierende Element (z. B. jede LED) besitzt eine Vorwärtsspannung von 3 V bei 350 mA, wobei das Anzapfen des vierten lichtemittierenden Elements in der Kette 116 Zugriff auf etwa 12 V bereitstellt. Dieser Zugang bietet eine gut gesteuerte Spannung, um die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 mit Energie zu versorgen.
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In einigen Implementierungen kann es erwünscht sein, beide in den 2 und 3 beschriebene Konfigurationen in einer ”hybriden” Konfiguration zu verwenden. In der ”hybriden” Konfiguration kann der Strom in der Nähe des unteren Endes und am unteren Ende der Kette 116 zu verschiedenen Zeitpunkten gezogen werden, so dass weniger Strom aus dem unteren Ende der Kette 116 gezogen wird, wie der Arbeitszyklus der Kette 116 zunimmt, und mehr Strom aus der Nähe des unteren Endes (z. B. dem Mittelpunkt) der Kette 116 gezogen wird, wie der Arbeitszyklus der Kette 116 zunimmt. Die Konfiguration nach 2 kann verwendet werden, um den Vorrichtungstreiber 100 hochzufahren.
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4 ist eine vereinfachte schematische graphische Darstellung der Sekundärseite des Treibers nach 1, wobei sie die Steuerung des Schalters 306 in 3 weiter veranschaulicht. Der Transistor 402 (der Schalter 306) ist nur vorgespannt eingeschaltet, wenn der Transistor 112 vorgespannt eingeschaltet ist, z. B. durch die Vorrichtungssteuereinrichtung 111. Der Transistor 112 kann z. B. durch eine Spannung, die durch die Vorrichtungssteuereinrichtung 111 an sein Gate angelegt ist, ein gesteuert sein. Wenn der Transistor 112 vorgespannt eingeschaltet ist, ist eine Vorspannung an das Gate des Transistors 402 gesetzt, die den Transistor 402 einschaltet und den Stromfluss in den Kondensator 304 erlaubt.
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Während dieses Dokument viele spezifische Implementierungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen an den Umfang dessen, was beansprucht sein kann, ausgelegt werden, sondern statt dessen als Beschreibungen der Merkmale, die für spezielle Ausführungsformen spezifisch sein können. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Kontext getrennter Ausführungsformen beschrieben sind, können außerdem in Kombination in einer einzigen Ausführungsform implementiert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben sind, getrennt oder in irgendeiner geeigneten Unterkombination in mehreren Ausführungsformen implementiert sein. Obwohl die Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben sein können und sogar anfangs als solche beansprucht sein können, können außerdem eines oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination entfernt sein, wobei die beanspruchte Kombination zu einer Unterkombination oder einer Variation einer Unterkombination gelenkt sein kann.