用于生成LED通道的供电电流的照明控制系统和方法与流程

本发明涉及一种用于生成用于至少两个led通道的供电电流的照明控制系统和方法。这种led通道可以被特别用于驱动分段的led背光。

常规显示器通过冷阴极管、白色发光二极管或通过红色、绿色和蓝色led的组合来产生白色背景照明。因为其快速开启时间，所以具有led的背光可以借助于脉冲调制来控制亮度。这样的led背光将在这里进一步被考虑。

为了主观地增加对比度，显示器的led背光通常被细分成段，每段具有其自己的驱动，并因此具有其自身的亮度控制。传统上由数字视频处理器执行确定亮度的任务。这些段传统上借助于脉冲调制信号而被驱动。然而，在使用传统的脉冲调制技术的情况下，期望亮度的动态范围可能不足，特别是考虑到用于4k或uhd电视机的背光系统。例如，高动态范围hdr规范需要针对亮度的增大的动态范围。

要实现的目的是提供一种用于控制led通道的改进概念，led通道针对要实现的亮度具有改进的动态范围。

该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。具体实施方式和扩展是从属权利要求的主题。

改进的概念是基于以下思想：向多个led通道提供各个供电电流不仅是基于脉冲宽度调制信号的宽度，还基于这样的脉冲的幅度。因此，得到的供电电流不仅由该电流被供应给led通道的时间定义而且由各个电流值来定义。为此，为每个led通道提供了单独的脉冲调光信号和单独幅度调光信号，其是电流生成的基础。此外，对于要被供电的每个led通道，提供相对于像垂直同步(vsync)之类的公共同步信号的单独时间偏移量。供电电流的变化仅在要被供电的led通道的相应时间偏移量处才开始生效。因此，可以避免在该通道的亮度参数改变时对相邻通道的负面影响。例如，考虑到相应的时间偏移量，每个通道的幅度调光信号和脉冲调光信号都与同步信号同步。

例如，外部视频处理器为每个led通道提供亮度值。可以通过单个处理单元从这些亮度值生成相应的幅度调光信号和脉冲调光信号。因此，可以实现脉冲供电电流的脉冲宽度和幅度的有效组合，而不影响其他通道。

在根据改进概念的照明控制系统的实施例中，生成了用于第一led通道和至少第二led通道的供电电流。例如，产生用于多个led通道的供电电流。该系统包括：第一受控电流源，其用于基于第一受控信号生成针对第一led通道的第一供电电流；以及类似地，第二受控电流源，其用于基于第二控制电流生成针对第二led通道的第二供电电流。该系统还包括第一信号组合器，其用于基于包括周期性起始脉冲的同步信号并且基于第一幅度调光信号与第一脉冲调光信号的组合来生成第一受控信号。类似地，第二信号组合器被提供，其用于基于同步信号并且基于第二幅度调光信号和第二脉冲调光信号的组合生成第二控制信号。第一信号组合器和第二信号组合器被设计成使得相应的第一和第二控制信号的变化仅在相对于同步信号的所述起始脉冲中的一个起始脉冲的相应的时间偏移量处才开始生效。

例如，第一信号组合器的时间偏移量与第二信号组合器的时间偏移量是不同的。更一般来说，如果多个led通道要被供电，则针对要被供电的每个led通道提供专用信号组合器和专用受控电流源。在这种情况下，每个信号组合器的时间偏移量是不同的。

例如，由信号组合器生成的所有控制信号是脉冲宽度调制信号，脉冲宽度调制信号由取决于相应的幅度调光信号的脉冲幅度和取决于相应脉冲调光信号的脉冲持续时间来定义。

此外，例如，由信号组合器生成的所有控制信号对于每个起始脉冲具有公共周期长度，并且每个控制信号具有由该控制信号的相应时间偏移量确定的单独周期起始。一个周期可以由同步信号的两个起始脉冲之间的时间来定义。然而，该周期长度可随同步信号的可能变化而改变。每个控制信号的周期起始可以通过从第一状态到第二状态的转变来定义，第二状态导致电流由相关联的受控电流源产生。换句话说，周期起始可以由供电电流以期望幅度流动的时刻而被定义。

根据这样的实施方式中的一些实施方式，控制信号中的每一个的脉冲幅度的变化仅在所述控制信号的相应周期起始处才开始生效。

在一些实施方式中，每个控制信号的脉冲持续时间与所述控制信号的周期长度之间的比率小于或等于1。这样的比率可以被表示为相应控制信号的占空比。如果该比率小于1，则在控制信号中(相应地，在供电电流中)存在时间段，其中控制信号(相应地，供电电流)返回到零值或另一个预定义的基础值。

然而，如果该比率等于一，则不存在这样的零阶段，并且控制信号(相应地，得到的供电电流)的值仅由相关联的led通道的幅度调光信号确定。换句话说，可以以这种方式执行供电电流的纯粹模拟控制。然而，在这种情况下，变化也仅在所述led通道的相应的时间偏移量处才开始生效。因此，每个led通道发现相应幅度调光信号的变化在由通道的相应时间偏移量定义的不同时间处开始生效。

在一些实施方式中，每个信号组合器被设计用于基于相应的幅度调光信号生成相应的模拟幅度信号，并且用于基于相应的脉冲调光信号、基于同步信号以及相应时间偏移量来生成相应的脉冲切换信号。通过利用所述脉冲切换信号调制所述模拟幅度信号来生成相应的控制信号。例如，通过基于脉冲切换信号的状态接通和切断模拟幅度信号来执行调制。例如，模拟幅度信号由数模转换器dac基于数字幅度调光信号而被生成。

在各种实施例中，每个通道的时间偏移量可以为每个所述信号组合器而被预设。例如，时间偏移量仅在控制系统的生产阶段中被预设一次，或者在初始化阶段(例如，在每种情况下的控制系统启动时)被预设。

在一些实施方式中，根据改进概念的照明控制系统还包括信号处理单元，其用于基于要被供电的多个led通道的亮度值集合来生成幅度调光信号和脉冲调光信号配对(pair)的集合。关于上述说明，例如，所述集合的第一配对包括第一幅度调光信号和第一脉冲调光信号，并且所述集合的第二配对包括第二幅度调光信号和第二脉冲调光信号。

在这样的实施方式中的一些实施方式中，信号处理单元为所提供的每个亮度值生成一对幅度调光信号和脉冲调光信号。换句话说，配对的集合和亮度值集合是等量的(equinumerous)。

在替代实施方式中，信号处理单元被配置为基于亮度值的集合的预定义子集来生成所述配对的集合，使得所述配对的集合和所述子集是等量的。例如，如果照明控制系统对于这样数量的led通道具有预定的有限数量的供电输出，并且要被供电的亮度值的数量(相应地，led通道的数量)较多，则这样的照明控制系统中的两个或更多个可以一起被操作，使得每个照明控制系统专用于亮度值的整个集合的特定子集。可以通过预编程或通过提供附加控制信息来控制亮度值到不同照明控制系统的分布。

鉴于上面对照明控制系统及其各种实施例的描述，还提供了根据改进的概念的用于生成供电电流以用于为多个led通道供电的方法。该方法包括对于要被供电的每个led通道，基于包括周期性起始脉冲的同步信号以及基于所述led通道的幅度调光信号和所述led通道的脉冲调光信号的组合来生成所述led通道的控制信号。所述控制信号的变化只在相对于同步信号的起始脉冲中的一个起始脉冲的定义时间偏移量处才开始生效。所述led通道的供电电流基于所述控制信号利用专用于所述led通道的受控电流源而被生成。

从上述照明控制系统的各种实施例的描述中，这种方法的各种实施例对于熟练的读者来说变得显而易见。

下面参考附图更详细地描述根据改进的概念的几个示例实施例。在附图中，具有相同功能或含义的元件由相同的附图标记标识。因此，这样的元件可能不会重复地被描述。

在附图中：

图1示出具有要被供电的led通道的照明控制系统的示例实施方式；

图2示出改进概念的示例实施方式中的示例时间信号图；

图3示出改进概念的示例实施方式中的另一示例时间信号图；以及

图4示出根据改进的概念的信号处理的示例实施方式。

图1示出了根据改进概念的照明控制系统lcs的示例实施例，其被设计用于向多个led通道ch1、ch2、...chn提供供电电流iled1、iled2、...、iledn。例如，led通道是液晶显示器lcd的背光的一部分，其中每个led通道专用于显示器的限定区域。例如，这样的显示器可以是4k电视机或超高清uhd电视机的一部分。因此，照明控制系统lcs可以是用于这种应用的背光控制系统。

对于要被供电的每个led通道ch1、ch2、...、chn，照明控制系统lcs包括相应的受控电流源cs1、cs2、...、csn和相关联的信号组合器sc1、sc2、...、scn。信号组合器sc1、sc2、...、scn被提供第一同步信号vsync，并且可选地被提供第二同步信号hsync。此外，每个信号组合器接收对于每个信号组合器是独立的一对调光信号。特别地，所述调光信号配对中的每个配对包括幅度调光信号和脉冲调光信号。这样的调光信号配对的集合以图1中的md、pd表示。调光信号配对的集合md、pd可由信号处理单元spu提供，信号处理单元spu被设计用于从信号处理单元spu的输入处提供的相应的亮度值bv生成对应的幅度调光信号和脉冲调光信号配对。这将在下面结合图4更详细地解释。

信号组合器sc1、sc2、...、scn中的每个被配置用于生成对相关联的通道的对应受控电流源cs1、cs2、...、csn进行控制的对应控制信号cc1、cc2、...、ccn。所述控制信号的生成是基于包括周期性起始脉冲的同步信号vsync以及基于所述通道的幅度调光信号和脉冲调光信号的组合来进行的。

同步信号vsync可以是分离视频场的视频图像(例如，要显示的两个图像)的垂直同步信号。例如，同步信号的周期性起始脉冲可以正在指示新图像的开始。

对于信号组合器sc1、sc2、...、scn中的每个，定义了特定的时间偏移量。这样的时间偏移量可以取决于由各个led通道ch1、ch2、...、chn照亮的区域的时间顺序。特别地，所有通道的时间偏移量可以是不同的。信号组合器被设计成使得它们的输出的变化(即对应的控制信号cc1、cc2、...、ccn)仅在所述通道相对于同步信号vsync的起始脉冲中的一个起始脉冲的相应时间偏移量处才开始生效。例如，在由对应的起始脉冲和随后的起始脉冲定义的同步信号vsync的每个周期中，控制信号的任何变化仅在由起始脉冲加上所述通道的相关联的时间偏移量定义的时刻处才开始生效。

现在参考图2，该图示出了同步信号vsync和供电电流iled1、iled2、iled2和iledn的时间信号图。为了更好的概述，在该图中省略了进一步的供电电流。在时刻t0、t2、t4和t6处存在同步信号vsync的相应起始脉冲，每个起始脉冲指示新信号周期的开始，例如，新的图像帧。

图2所示的供电电流由脉冲信号，特别是具有针对每个led通道和每个信号周期的特定脉冲宽度和特定幅度的脉冲宽度调制信号形成。每个脉冲在同步信号vsync的起始脉冲之后开始偏移时间o1、o2、o3、on。例如，第一供电电流iled1具有o1的时间偏移量，第二供电电流iled2具有o2的时间偏移量，第三供电电流iled3具有o3的第三时间偏移量，并且第n供电电流iledn具有第n时间偏移量on。

例如，在时刻t1处，针对每个led通道向对应的信号组合器提供一对新的调光信号(即幅度调光信号和脉冲调光信号)。然而，从图2可以看出，只有在t2时刻处同步信号vsync的随后的起始脉冲之后的供电电流的下一个脉冲的开始处，变化才立即开始生效。此外，相对于具有供电电流iledn的最后一个第n通道，时刻t2周围的当前脉冲属于先前的信号周期，并且在t1处提供的变化仅在时间t2+on处(因此，在时刻t3之后)变得明显。例如，在时刻t3和t5处，可以向系统提供新的幅度调光信号和脉冲调光信号配对的新的对应集合。

相对于图2中的第二供电电流iled2，应当注意，根据改进的概念的信号生成还使得可以提供具有相对短的脉冲宽度和相对高幅度的升压电流脉冲。例如，对于这种短的升压脉冲，也可以以允许比led通道的连续操作的电流高两到四倍的电流来驱动led通道。然而，实际的升压因素取决于特定的应用或实施方式，并不限于给定的示例。

还应注意的是，可以分别针对由同步信号vsync定义的每个信号周期和针对每个led通道来单独设置每个供电电流的脉冲宽度和脉冲幅度。可以基于led通道的应用和实施方式来预定义时间偏移量o1、o2、o3、...、on。例如，在lcd的背光系统的应用中，偏移时间可以由led通道的位置和在所述位置的lcd上显示图像所处的时间来定义。因此，图像显示和背光同步。此外，根据改进的概念，每个位置处的每个图像帧的期望亮度可以有效地被控制，并且对相邻通道有很少影响或几乎没有影响。

返回参考图1，由信号组合器sc1、sc2、...、scn生成的控制信号cc1、cc2、...、ccn是脉冲宽度调制信号，其由取决于对应幅度调光信号的脉冲幅度定义并且由取决于相应脉冲调光信号的脉冲持续时间来定义，正如图2的图所示。此外，由信号组合器生成的所有控制信号对于每个起始脉冲具有公共周期长度。

如图2中的图所示，优选地，受控信号中的每一个具有由所述受控信号的相应时间偏移量确定的单独周期起始。因此，控制信号中的每一个的脉冲幅度的变化以及由此得到的供电电流的变化仅在所述控制信号的相应周期起始处才开始生效。例如，受控电流源由压控电流源形成，压控电流源可以由晶体管特别是场效应晶体管来实施，其具有取决于其控制电压的受控电流吞吐量。然而，其他形式的受控电流源是本领域众所周知的。

图1还示出了每个信号组合器的示例实施方式。在该示例实施方式中，每个信号组合器包括具有两个输出的信号发生器sg1、sg2、...、sgn，所述输出中的一个控制数模转换器dac，并且另一个控制脉冲宽度调制发生器pwm。因此，与dac结合的信号发生器基于相应的幅度调光信号生成模拟幅度信号，并且结合pwm发生器基于相应的脉冲调光信号生成脉冲切换信号。此外，这些信号生成优选地取决于同步信号vsync和相关联的通道的相应时间偏移量中的至少一个。

例如，时间偏移量可以被存储在信号发生器中。例如，可以使用由相应脉冲将扫描线分开的可选的水平同步信号hsync来应用时间偏移量。例如，同步信号hsync具有指示出每条线的起始的单个短脉冲。因此，每个通道的时间偏移量可以以第二同步信号hsync的多个同步脉冲的形式而被表示和/或被实施。

在已经生成模拟幅度信号和相关联的脉冲切换信号的情况下，可以通过利用所述脉冲切换信号来调制所述模拟幅度信号而生成得到的控制信号。例如，在图1的实施例中，这通过利用脉冲切换信号来控制携带了模拟幅度信号的开关来实现。

应当注意，图1相对于信号组合器sc1的示例实施方式仅仅是用于生成控制信号的许多可能选项之一。在不详细地说明的情况下，也可以通过在数字信号处理器中将脉冲信号产生为数字信号并利用相应的数模转换器将它们转换为模拟形式来生成控制信号。

现在参考图3，该图示出了同步信号vsync和供电电流的另一时间信号图，如图2所示。然而，与图2中的信号相反，供电电流不被提供为具有零值阶段或定义的低值阶段、但在每个周期内都具有固定值的脉冲信号。

例如，如图2所示，在时刻t1处提供新的脉冲调光信号和幅度调光信号配对，其中脉冲调光信号指示每个控制信号的脉冲持续时间与所述控制信号的周期长度之间的比率等于1。换句话说，供电电流的有效值仅由幅度调光信号决定。

然而，如之前对于图2所述的，在时刻t1处提供的变化仅在时刻t2处的同步信号vsync的下一个起始脉冲之后的对应时间偏移量o1、o2、o3、on之后才开始生效。

返回参考图1，照明控制系统lcs可以被用于控制应用，其中脉冲持续时间基于脉冲调光信号而被改变，或者保持不变，因此始终处于开启状态，这取决于特定脉冲调光信号。在这两种情况下，执行幅度调光信号相对于时间偏移量的同步。

现在参考图4，如上所述，信号处理单元spu可以被指定用于基于要被供电的多个led通道的亮度值的集合bv来生成幅度调光信号和脉冲调光信号配对的集合md、pd。在一些实施方式，集合md、pd的生成可以基于集合bv的预定义子集，使得仅亮度值子集被用于生成幅度调制信号和脉冲调光信号的对应的配对。

优选地，这样的子集的基数对应于要由照明控制系统的一个实例供电的led通道的数量。例如，如果亮度值的集合bv的基数高于可由照明控制系统的一个实例供电的通道的数量，则这样的照明控制系统的几个实例可以按照称为并行这样的方式进行操作，每个照明控制系统可操作用于为不同的led通道集合供电。信号处理单元可以被集成到照明控制系统中，或者可以在照明控制系统的外部。照明控制系统的每个实例可以在具有或不具有信号处理单元的单独半导体芯片封装中被实施。

图4描述了信号处理单元相对于来自亮度值的集合bv的幅度调光信号和脉冲调光信号配对的集合md、pd的生成的功能。特别地，在图4的示例实施方式中，在集合bv中形成几个基数为4的子集，并且每个子集被用于生成四对幅度调光信号和脉冲调光信号的相应子集。特别地，由亮度值bv1、bv2、bv3、bv4组成的第一子集被评估以生成具有对应的幅度调光信号md1、md2、md3、md4和脉冲调光信号pd1、pd2、pd3、pd4配对的子集。以相同的方式，具有亮度值bv5至bv8的子集被处理为配对md5、pd5至md8、pd8。

在本示例中，集合bv由亮度值的n个元素组成，产生相同数量的配对。更一般来说，亮度值的每个预定义子集与对应的对子集是等量的。应该注意的是，仅仅为了解释的原因，已经选择了每个子集的元素的数量为4，并且可以更大或更小，这取决于可由照明控制系统特别是照明控制系统的一个实例供电的led通道的数量。