专利名称：用于驱动多色光源的方法和器件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及使用多个可调光源进行发光的领域。具体但不排他地，本发明 涉及包括相互不同颜色的两个或更多可调光源的发光器件，用于产生具有混合了构成光源 的颜色的输出颜色的输出光。由于在实践中所使用的光源通常是LED，因此下文将光源简 单表示为LED，但是应当指出这不旨在限制保护范围，因为本发明还可以在其他类型的光源 (例如，放电灯)中来实践。
背景技术：
LED通常生成窄光谱范围内的光，其可以被表示为颜色空间中的点。对不同颜色 的两个LED而言，观察者将观察到产生的混合颜色，该混合颜色具有连接对应于该两个LED 颜色的两个颜色点的线上的颜色点。该线上的准确位置(即，准确混合颜色)依赖于相应 LED的相应光输出的强度比，而混合颜色的强度可以被视为相应各自强度的总和。同样地， 对不同颜色的三个LED而言，有可能产生由对应于三个LED颜色的三个颜色点在颜色空间 中定义的三角形内的任意混合颜色。在典型示例中，发光器件包括分别为红色、绿色和蓝色 的三个LED，但也有可能是其他颜色组合和/或附加颜色。此外，已知如果期望增加输出强 度，则添加通常生成白光的第四LED。应当指出，代替每种颜色一个LED，该器件可以具有每种颜色多个(组、串)优选为 相同的LED，其可以是串行连接或并行连接，并且被认为是构成一个光源。注意，上文所述对于本领域技术人员而言是公知的，因此将省略对这种一般背景 技术的进一步解释。在发光器件中，各自LED的各自强度由控制器基于定义期望输出混合颜色的输入 信号进行控制。假设各自LED的颜色点已知，则在三个LED系统的情况下，除了确定整体强 度的共同倍增因子之外，在输出混合颜色与各自LED强度之间存在一一对应。在四个或更 多LED的情况下，存在更多的可能性用于设置各自LED强度以获得期望的输出混合颜色。在 任何情况下，基于定义期望输出混合颜色的输入信号，控制器可以确定各自LED强度，例如 通过查询包含信息(例如以查找表或公式的形式)的存储器；定义输出颜色与LED强度之 间的关系。这方面的问题是准确性和稳定性。基于存储器中存储的信息，控制器只能够确定 针对各自LED强度的设置点或目标值，将其转译成针对由控制器生成的各自LED控制信号 的设置点或目标值。但是LED对控制信号的响应可能与预期的不同，例如由于公差或者因 为其随时间、温度等发生变化。如果LED的光输出强度(通量)不正确，则产生的输出混合 颜色可能明显偏离期望的颜色。为了保证每个LED产生正确的强度，有必要向控制器提供实际产生强度的某些反 馈。这种反馈可以由光检测器(通常为光敏二极管)提供。虽然有可能每个LED使用各自 的检测器，但是问题是不同的检测器可能给出不同的响应。因此，最好使用一个具有广泛感 测范围的单个检测器，即，对不同LED产生的不同波长敏感的检测器。因此，由于旨在测量各自LED的各自光输出，所以有必要短暂地关闭除了正在测量的LED以外的所有LED。由于 LED和光敏二极管具有较短的响应时间，因此测量事件可以发生在非常短暂的时间窗口内， 并且对非测量LED的中断可以非常短。然而，非测量LED的短暂中断会造成这些LED的平 均光输出减少，因此尽管短暂但是输出颜色的偏差以及输出光强度的减少也是可以被察觉 到的。为了避免这些人为因素，在测量窗口期间对非测量LED的光输出的短暂中断由在 这种测量窗口之外对该非测量LED的光输出的短暂增加来进行补偿。US-6. 445. 139中公开了示出所有上述特征的器件，并且为了进行更详尽的背景解 释，参照该文献，通过参考在此弓I入其内容。通常，LED的光强度与通过该LED的电流的大小成比例。在所述文献公开的器件 中，LED的光强度通过改变电流大小进行改变。因此，LED由恒定的电流大小驱动，该电流大 小被控制为具有某个期望的值。在测量窗口之前和之后的瞬间，电流被升高以具有比恒定 的期望值更高的大小。因此，在包括升高和测量窗口的持续时间的时间部分上求平均，该平 均电流与该期望值相等，从而平均光强度与该期望值相等。
发明内容
在US-6.445. 139中公开的技术问题是此技术仅能应用于发光器件具有用于改 变LED光强度的可变电流大小的情况。改变电流大小要求相对复杂的驱动器。在更经济的驱动器设计中，LED电流的大 小保持恒定在标称值，并且通过占空比控制执行对LED的调暗(减少光强度)。注意，占空 比控制本身是已知的。简言之，以预定切换频率重复切换开启和关闭LED，使得LED基本上 只在开启时段产生光，而基本上在关闭时段不产生光；平均光输出由占空比(即，开启时段 的持续时间与切换周期的持续时间的比例)确定。本发明的一个目标是提供各自颜色的强度补偿，用于准确地获得针对具有占空比 控制的发光器件的期望颜色点。US-2008/0065345中公开了具有颜色控制以及占空比控制的发光器件。在测量窗 口(当只有一个光源活动而其他光源关闭时)期间，一个感测器检测器件的光输出。在该 已知器件中，如该文献的图4所示，切换周期从所有LED都为关闭开始。然后，在此周期期 间的稍后时刻，依赖于相应的占空比，各自LED被切换为开启，而所有LED在正常切换周期 的结束处被同时切换为关闭。在执行测量的情况下，当所有其他LED为关闭时，一个LED的 开启状态被及时转变，使得开启状态的最终部分延伸至下一周期的起始部分。因此，该已知 器件不中断任何LED，并且不需要任何补偿。根据本发明，如果LED电流被中断用于允许另一 LED的强度测量，则该中断在另一 切换周期(优选下一切换周期)中通过对应增加开启状态的持续时间来进行补偿。该补偿 方法的优势在于其可以利用低成本的微控制器来实现。其他优势详述在从属权利要求中提到。
参考附图通过以下一个或更多优选实施方式的描述将进一步解释本发明的这些及其他方面、特征和优势，其中相同参考标号表示相同或相似的部分，以及其中图1示意性示出了根据本发明的发光器件；图2是示意性示出了在正常操作期间作为时间函数的控制信号的曲线图；以及图3是可与图2相比的曲线图，其示出了根据本发明在测量模式和补偿模式期间 的四个控制信号和一个反馈信号。
具体实施例方式图1示意性示出了根据本发明的发光器件1。该发光器件1包括多个光源。在 所示实施方式中，示出了四个光源11、12、13、14，每个光源分别产生相互不同颜色的光21、 22、23、对，这些颜色可以说明性地分别为红色、绿色、蓝色、白色。这些不同的光贡献例如在 光学元件30中进行混合，用于产生混合的输出光31。注意，每个光源可以是各自LED或者是一组或一串LED。同样，光源可以是不同类 型的。可以分别向每个光源11、12、13、14提供各自驱动器51、52、53、54。器件1包括控 制器40，该控制器40具有耦合至相应驱动器51、52、53、54的控制输入的控制输出41、42、 43、44。在这些控制输出41、42、43、44处，控制器40分别针对相应驱动器51、52、53、54生 成控制信号SC1、SC2、SC3、SC4。注意，这些驱动器可以集成到控制器中，并且该控制器直接 连接到相应的灯。每个驱动器被设计用于依赖于在其控制输入处接收的控制信号而生成恒定大小 的灯电流。具体地，控制信号为可以采取两个值的数字信号，指示为高和低或“1”和“0”。 如果控制信号具有一个值(例如，低或“0”)，则驱动器中断其灯电流并且对应的光源关闭。 如果控制信号具有另一值(例如，高或“1”)，则驱动器产生其灯电流并且对应的光源开启。图2是示意性示出了在正常操作期间作为时间函数的控制信号SC的曲线图。在 第一时刻tl，控制信号SC从低切换到高，并且保持高直到控制信号SC从高切换回到低的时 刻t2。控制信号SC保持低直到控制信号SC从低再次切换到高的时刻t3，并且重复以上周 期。根据上文解释，应当清楚，对应的光源从时刻tl到时刻t2将为开启，并且从时刻t2到 时刻t3将为关闭。从tl到t2的时段将被指示为具有持续时间τ M的开启时段61，并且 从t2到t3的时段将被指示为具有持续时间τ _的关闭时段62。从tl到t3的时段将被 指示为具有周期持续时间T的切换周期63。切换频率f被定义为1/T。占空比Δ被定义 为τΜ/Τ。当电流流动时，光源生成其具有标称(或最大)强度Im的光。由于所述切换， 光源产生平均强度Iav = Δ Inom(在比T更长的时段上求平均)。参考图1，器件1进一步包括耦合至控制器40的测量输入47的光学感测器70，用 于提供表示实际产生的光的反馈信号Sf。此外，控制器40具有用于接收指示混合输出光31 的期望颜色的输入信号SIN。基于此输入信号&N，控制器40计算针对相应光源11、12、13、 14的占空比，并且对应地生成其对应的控制信号SCI、SC2、SC3、SC4。基于反馈信号Sf，控 制器40计算针对控制信号SC1、SC2、SC3、SC4的可能修正，即针对相应占空比的可能修正， 用于确保每个光源的实际光输出对应于相应的目标值。图3是可与图2相比的曲线图，示出了四个控制信号SC1、SC2、SC3、SC4。所有信 号具有相同的切换频率，并且切换信号同步并且同相位，使得不同控制信号SCI、SC2、SC3、SC4中切换周期的开始时刻tl 一致。此外，在所有切换周期中，开启时段在关闭时段之前。 不同控制信号SC1、SC2、SC3、SC4的占空比被显示为相互不同，这通常是真实的但当然不是 必须的。在图中，假设SC4具有最高占空比，随后为SC3和SC2，而SCl具有最低占空比。因 此从开启状态到关闭状态的转换时刻t2对于不同控制信号SC1、SC2、SC3、SC4而言通常是 相互不同的；这些转换时刻将通过分别附加索引1、2、3、4进行区分。在图3中，第一切换周期63A示出了正常操作。第二切换周期6 示出了测量模 式下的操作，其中反馈信号$指示了第一 LED 11的实际光强度。在时刻t1B，第一控制信号 SCl进行从低到高的转换，使得第一 LED 11被切换为开启。在正常操作下，其他控制信号 SC2、SC3、SC4也在相同瞬间进行从低到高的转换，但在测量模式下，控制器将此转换延迟短 暂延迟持续时间τ D，从而提供测量时间窗口 71Β，在该测量时间窗口 71Β期间只有第一 LED 11被切换为开启。这可以表示为tiB,2 一 t1B，3 一 t1B，4 一 t1B+ T D因此，在此测量时间窗口 71期间，由控制器40接收的反馈信号$表示第一LED 11 的实际光强度。注意，感测器70可以是触发式感测器，但感测器70提供连续输出信号更为容易， 在测量时间窗口 71以外的该连续输出信号简单地由控制器40忽略，其在该信号中由交叉 号指示。事实上，控制器40可以只采样测量时间窗口 71B期间的反馈信号$。在与正常操作期间相同的瞬间t2，所有控制信号SC1、SC2、SC3、SC4进行从高回到 低(即，从开启状态到关闭状态)的转换。这可以表示为t2Bji = ^,丨+丁。。，其中 i = 1、2、3、4因此，应当清楚，在此测量模式下，所述其他控制信号SC2、SC3、SC4的占空比Δ2、 Δ 3、Δ 4已经被减少。这在紧跟着所述第二切换周期6 的第三切换周期63C中进行补偿。 在此第三切换周期63C中，控制器在补偿模式下进行操作。如在正常操作期间那样，在时刻 tlc，所有控制信号SCl、SC2、SC3、SC4进行从低到高的转换，使得所有LED 11、12、13、14切 换为开启。第一控制信号SCl在正常时间t2ai进行从高回到低的转换。针对其他控制信号 SC2、SC3、SC4，从高回到低(即，从开启状态到关闭状态)的转换被延迟相同的短暂延迟持 续时间td。这可以表示为t2Cji = k+T^i+TD，其中 i = 2、3、4因此，在第二切换周期和第三切换周期上求平均，针对每个其他LED 12、13、14的 平均占空比以及因而平均光强度等于在第一切换周期上的对应平均。应当清楚，跟着是相似的测量模式，其中测量第二 LED 12，接着是补偿模式，并且 同样应用于剩余的LED 13、14。为了方便起见没有示出。注意，下一测量模式可以在紧跟着 第三切换周期63C的下一切换周期中执行，但也有可能控制器在补偿模式与随后测量模式 之间提供具有正常操作的一个或更多切换周期。此外，有可能控制器40执行环境或背景光级别的测量。在这种情况下，所有光源 的开启状态在周期6 期间延迟并且在下一周期63C期间补偿。如果所有光源为关闭，则 来自感测器70的反馈测量信号$表示环境或背景光级别和/或暗电流。该测量允许控制 器通过减去背景光来改正对不同光源的光输出的测量。然而，只要所有光源在小于100%的 占空比进行操作，则其关闭状态便具有重叠，具体地在切换周期结束处具有重叠，并且控制器可以在这种表示环境或背景光级别的重叠期间从感测器70获取反馈测量信号$。总之，本发明提供了一种发光器件1，该发光器件1包括产生相互不同颜色的光 21-24的多个LED 11-14。这些LED在切换周期63中由占空比控制的恒定大小的供给电流 驱动。在每个切换周期中，每个LED首先切换为开启然后切换为关闭。在测量模式中，在一个切换周期6 期间，除了一个LED 11之外，所有LED的所有 开启状态被短暂地中断，使得光感测器70测量来自这一个LED的光。该测量可以用于调整 这一个LED的占空比。在下一个切换周期63C中，通过延长除了所述一个LED之外的所有 LED的开启状态来补偿开启状态的中断，该延长具有与中断的持续时间τ D相等的持续时 间。虽然在附图和前文描述中已经详细地说明并描述了本发明，但是本领域技术人员 应当清楚这种说明和描述应当被认为是说明性或示例性而不是限制性的。本发明不限于所 公开的实施方式；而是若干变化和修改都有可能在所附权利要求中所限定的本发明的保护 范围内。例如，代替在测量模式下延迟从关闭状态到开启状态的转换(即，延迟开启状 态)，可以在切换为开启之后，一次或多次地将非测量光源短暂地切换为关闭(即，短暂地 中断开启状态)。此外，代替在补偿模式下延迟从开启状态到关闭状态的转换(即，延长开启状 态)，可以在切换为关闭之后，一次或多次地将非测量光源短暂地切换为开启(即，短暂地 中断关闭状态)。此外，补偿模式没有必要发生在测量模式周期之后的周期中。有可能补偿模式周 期在测量模式周期之前，甚至有可能补偿模式与测量模式发生在相同的周期中。这对于时 间平均而言没有区别；然而，所描述的实施方式更易于实现。补偿模式甚至没有必要发生在 与测量模式周期紧邻(之后或之前)的周期中；可以接受一个或更多周期将测量模式周期 与补偿模式周期分开，但这依赖于周期的持续时间以及人眼的时间敏感度。假设人眼的时 间敏感度是大约IOms ；进一步假设当前周期具有Ims的持续时间在这种情况下，可以接受 由多达八个周期将测量模式周期与补偿模式周期分开，这是因为IOms上的平均仍可以给 出正确颜色效果。尽管如此，所述的在下一周期补偿仍是优选的。通过对附图、公开和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的 发明时可以理解和实施所公开实施方式的其他变体。在权利要求中，用词“包括”不排除其 他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要 求中列举的若干项的功能。仅凭相互不同的从属权利要求中列举的特定措施的这一事实并 不表示不能利用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上(诸如，光 存储介质或者与其他硬件一起提供或是作为其一部分的固态介质)，并且还可以通过其他 形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信系统)进行分布。权利要求中的任何参 考标记不应当解释为限制本范围。在上文中，已经参考框图解释了本发明，这些框图示出了根据本发明的器件的功 能块。应当理解，这些功能块的一个或更多个可以通过硬件来实现，其中这种功能块的功能 由各自硬件组件来执行，但是这些功能块的一个或更多个还可能通过软件来实现，使得这 种功能块的功能由计算机程序的一行或多行程序或者可编程器件(诸如，微处理器、微控制器、数字信号处理器等)来执行。
权利要求
1.一种用于驱动发光器件(1)的方法，所述发光器件(1)包括产生相互不同颜色的光 (21,22,23,24)的多个光源(11、12、13、14)，其中所述光源在切换周期(63)中由占空比控 制的恒定大小的供给电流驱动，其中在每个切换周期中，每个光源首先处于开启状态(61) 然后处于关闭状态(62)；所述方法包括如下步骤在测量模式下，选定一个待测量的光源(11)，并且在一个切换周期(63B)期间，短暂地 同时中断所有非选定光源的所有开启状态；在补偿模式下，通过短暂地中断所述非选定光源的关闭状态来补偿所述开启状态的中 断，在所述补偿模式下所述关闭状态的中断具有与在所述测量模式下所述开启状态的中断 的持续时间(td)相等的持续时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿模式在与其中执行所述测量模式的周期 (63B)不同的切换周期(63C)中执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述补偿模式在比其中执行所述测量模式的周期 (63B)更晚的切换周期(63C)中执行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述补偿模式在紧跟着其中执行所述测量模式的 周期(6 )的切换周期(63C)中执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述测量模式下，在所述切换周期(63B)的开 始执行所述非选定光源的开启状态的中断，作为从所述关闭状态到所述开启状态转换的延 迟。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述补偿模式下，在所述关闭状态的开始执行 所述非选定光源的关闭状态的中断，作为从所述开启状态到所述关闭状态转换的延迟，从 而将所述非选定光源的所有开启状态有效地延长所述持续时间(τ D)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述测量模式下，在所述非选定光源的开启状 态的中断期间，测量所述器件(1)的光输出(31)，并且将所述测量结果与针对所述选定的 一个光源(11)的光输出的目标值进行比较。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括针对不同的选定光源(12、13、14)而重复所 述测量模式和补偿模式的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中针对第二选定光源(1 的测量模式在紧跟着其中 执行针对所述第一选定光源(11)的补偿模式的周期(63C)的周期(63D)中执行。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括执行环境测量模式的步骤，其中在一个 切换周期期间，所有光源的所有开启状态被短暂地中断；以及执行环境补偿模式的步骤，其 中所述开启状态的中断通过短暂地中断所有光源的关闭状态进行补偿，在所述环境补偿模 式下关闭状态的中断具有与在所述环境测量模式下开启状态的中断的持续时间(Td)相等 的持续时间。
11.一种发光器件(1)，包括产生相互不同颜色的光(21、22、23、24)的多个光源(11、 12、13、14)；其中所述器件包括控制器(40)，所述控制器00)被编程用于执行权利要求1-10的任 意一项所述的方法。
12.根据权利要求11所述的发光器件(1)，进一步包括占空比供给装置(51、52、53、M)，用于向每个光源供给占空比控制的恒定大小的供给 电流；所述控制器(40)，适于生成用于控制所述占空比供给装置的控制信号(SC1、SC2、SC3、 SC4)，使得控制针对相应光源的相应供给电流的占空比切换，在具有预定周期持续时间(T) 的切换周期(63)中，所有光源的切换周期同步并且同相位，并且其中针对每个光源的每个 切换周期包括跟随有关闭状态(62)的开启状态(61)；光感测器(70)，被布置用于从所述发光器件接收输出光(31)，所述输出光(31)是来自 各自光源(11、12、13、14)的各自光输出(21、22、23、24)的混合，所述光感测器(70)与所述 控制器的输入G7)耦合，用于向所述控制器提供反馈测量信号(SF)。
13.根据权利要求12所述的器件，其中所述控制器被设计用于基于所述发光器件的 输出光(31)的期望颜色和强度以及基于接收自所述光感测器(70)的所述反馈测量信号 (Sf)，来计算相应供给电流的开启状态的持续时间(τ·” τ0Ν,2，、N,3，τ 0N’4)；其中所述控 制器能够在正常操作模式下操作，其中所述控制器在每个切换周期(63A)中将针对每个光源的每个供给电流的开启状态的开始时刻设置为与所述切换周期的开 始时刻(t1A) —致；以及将针对每个光源的每个供给电流的开启状态的持续时间设置为与所述计算的持续时间(τ ON，l，T ON, 2' T ON, 3' T ON,^ 相等。
14.根据权利要求12所述的器件，其中所述控制器被设计用于基于所述发光器件的 输出光(31)的期望颜色和强度以及基于接收自所述光感测器(70)的所述反馈测量信号 (Sf)，来计算相应供给电流的开启状态的持续时间(τ·” τ0Ν,2，、N,3，τ 0N’4)；其中所述控 制器能够在测量模式下操作，其中所述控制器选定其实际光强度待测量的一个光源(11)， 并且其中所述控制器在第一切换周期(6 )中将针对此选定的一个光源(11)的供给电流的开启状态的开始时刻设置为与所述切换 周期的开始时刻(t1B) —致；以及将针对此选定的一个光源(11)的供给电流的开启状态的持续时间设置为与所述计算 的持续时间(τ·。相等；在针对所述选定的一个光源(11)的供给电流的开启状态中，针对所有非选定光源 (12、13、14)同时地将针对所有所述非选定光源(12、13、14)的供给电流的开启状态短暂地 中断短暂的延迟持续时间(td)；以及将针对所有非选定光源(12、13、14)的供给电流的开启状态的有效持续时间设置为与 所述计算的持续时间(τ0Ν,2，τ0Ν,3, τ 0Ν’4)减去所述延迟持续时间(τ D)相等； 其中所述控制器能够在补偿模式下操作，其中所述控制器将针对每个光源的每个供给电流的开启状态的开始时刻设置为与所述第二切换周期 (63C)的开始时刻(tlc) 一致；将针对所述选定的一个光源(11)的供给电流的开启状态的持续时间设置为与所述计 算的持续时间(τ ^1)相等；以及将针对所有非选定光源(12、13、14)的供给电流的开启状态的持续时间设置为与所述 计算的持续时间(τ0Ν,2，τ0Ν,3, τ 0Ν’4)加上所述延迟持续时间(τ D)相等。
15.根据权利要求14所述的器件，其中所述控制器在紧跟着所述第一切换周期(63B)的第二切换周期(63C)中操作在补偿模式下。
16.根据权利要求14所述的器件，其中在所述测量模式下，所述控制器将针对所述其 他光源(12、13、14)的供给电流的开启状态的开始时刻相对于所述切换周期的开始时刻 (t1B)延迟短暂的延迟持续时间(、)。
17.根据权利要求14所述的器件，其中所述控制器被设计用于定期进入所述测量模 式，每次选定不同的光源作为所述一个光源，并且每次跟随有补偿模式。
18.根据权利要求14所述的器件，其中所述控制器被设计用于在所述测量模式下，在 所述延迟持续时间(τΒ)期间，考虑接收自所述感测器(70)的反馈测量信号(SF)，用于将 此信号与所述选定的一个光源(11)的期望输出光强度进行比较，并且如果此比较表明偏 差，则调整所述计算的针对所述选定的一个光源(11)的供给电流的开启状态的持续时间(T 0Ν，1)。
全文摘要
一种发光器件(1)包括产生相互不同颜色光(21-24)的多个LED(11-14)。LED在切换周期(63)中由占空比控制的恒定大小的供给电流驱动。在每个切换周期中，每个LED首先切换为开启(61)然后切换为关闭(62)。在测量模式下，在一个切换周期(63B)期间，除了一个LED(11)之外，所有LED的所有开启状态被短暂地中断，使得光感测器(70)测量来自这一个LED的光。该测量可以用于调整这一个LED的占空比。在下一个切换周期(63C)中，通过延长除了所述一个LED之外的所有LED的开启状态补偿开启状态的中断，该延长具有与中断的持续时间(τD)相等的持续时间。
文档编号H05B33/08GK102144429SQ200980134544
公开日2011年8月3日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年9月4日
发明者G·W·范德文, J·A·克瓦克曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司