借助可变频率调制的三色红色-绿色-蓝色发光二极管色彩混合与控制

摘要

通过三个脉冲序列信号控制来自三元素红色-绿色-蓝色(RGB)发光二极管(LED)或三个LED(红色、绿色及蓝色)的光学组合的光的所感知输出色彩及强度(亮度)，所述三个脉冲序列信号每一者具有固定脉冲宽度及电压振幅，且然后增加或减小这些脉冲序列信号的频率(增加或减少时间周期内的脉冲的数目)以便使穿过所述RGB-LED中的每一者的平均电流变化。此通过使脉冲序列能量谱在多个频率上变化来减小任何一个频率下的电磁干扰(EMI)的等级。

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案请求对查尔斯R.西蒙斯(Charles R.Simmers)在2008年12月12日提 出申请且标题为“借助可变频率调制的三色红色-绿色-蓝色发光二极管色彩混合与控 制(Three-Color RGB Led Color Mixing and Control by Variable Frequency Modulation)” 的共同拥有美国临时专利申请案第61/121,969号的优先权；且与查尔斯R.西蒙斯在 2009年10月9日提出申请且标题为“借助可变频率调制的发光二极管强度控制(LED  Intensity Control by Variable Frequency Modulation)”的美国专利申请案第12/576,346 号有关，其中所述两个申请案出于所有目的借此以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及控制发光二极管(LED)，且更特定来说涉及通过使三个通道具有固 定脉冲宽度及固定电压信号来控制三元素红色-绿色-蓝色(RGB)LED组合的所感知 色彩及强度(亮度)，且增加或减小其每一频率以使跨越所述三个LED元素(RGB) 中的每一者的平均电流变化。

背景技术

脉冲宽度调制(PWM)是用以控制LED强度的已知技术。然而，用以控制LED 色彩及强度(亮度)的PWM方法的实施有时已在对所辐射噪声发射及/或闪烁敏感的 一些应用中已显示问题。

发明内容

需要一种使三元素RGB LED的所感知输出色彩及强度(亮度)变化同时最小化 所辐射噪声发射及闪烁的方式。可变频率调制(VFM)提供用以基于其特定系统要求 来控制三个红色-绿色-蓝色(RGB)LED的强度的替代过程，其可由终端用户较容易 地实施。驱动信号的所得三个通道(RGB)展现比现有技术PWM设计低的电力要求 以及EMI辐射两者。

根据本发明的教示，可通过使用三个脉冲序列信号来控制三元素RGB LED及/ 或三个LED(红色、绿色及蓝色)的光学组合的所感知色彩及强度(亮度)，所述三 个脉冲序列信号每一者具有固定脉冲宽度及电压振幅，且然后增加或减小这些脉冲序 列信号的频率(增加或减少时间周期内的脉冲的数目)以便使穿过所述LED(RGB) 中的每一者的平均电流变化。此通过使脉冲序列能量谱在多个频率上变化来减小任何 一个频率下的电磁干扰(EMI)的等级。

根据本发明的具体实例性实施例，一种用于控制来自红色、绿色及蓝色发光二极 管(LED)的群组的亮度及色彩的设备包含：红色、绿色及蓝色脉冲产生电路，其具 有触发输入及脉冲输出，其中多个触发信号被施加到所述触发输入中的每一者且在红 色、绿色及蓝色脉冲输出中的每一者处从其产生多个脉冲，其中所述多个脉冲中的每 一者具有恒定宽度及振幅；红色、绿色及蓝色脉冲接通时间积分器，其每一者具有耦 合到所述红色、绿色及蓝色脉冲产生电路的相应脉冲输出的脉冲输入及积分时间间隔 输入，其中所述红色、绿色及蓝色脉冲接通时间积分器产生与当所述红色、绿色及蓝 色脉冲输出中的每一者的所述多个脉冲的所述振幅在积分时间间隔内接通时的百分比 成比例的输出电压；红色、绿色及蓝色运算放大器，其每一者具有负及正输入及一输 出，所述负输入中的每一者耦合到来自所述红色、绿色及蓝色脉冲接通时间积分器中 的相应一者的所述输出电压且所述红色、绿色及蓝色运算放大器的所述正输入中的每 一者耦合到表示来自红色、绿色及蓝色发光二极管(LED)的所需色彩及光亮度的电 压信号；及红色、绿色及蓝色电压控制的频率产生器，其具有频率控制输入及频率输 出，其中所述频率控制输入中的每一者耦合到所述红色、绿色及蓝色运算放大器的相 应输出，且产生所述多个所述触发信号的所述频率输出耦合到所述红色、绿色及蓝色 脉冲产生电路的所述触发输入，借此所述红色、绿色及蓝色电压控制的频率源致使所 述红色、绿色及蓝色脉冲产生电路产生用于从所述红色、绿色及蓝色LED产生所述所 需色彩及光亮度所必需的所述多个脉冲。

根据本发明的另一具体实例性实施例，一种用于控制来自红色、绿色及蓝色发光 二极管(LED)的群组的亮度及色彩的设备包含：红色、绿色及蓝色脉冲产生电路， 其具有触发输入及脉冲输出，其中多个触发信号被施加到所述触发输入中的每一者且 在红色、绿色及蓝色脉冲输出中的每一者处从其产生多个脉冲，其中所述多个脉冲中 的每一者具有恒定宽度及振幅；光亮度检测器，其适于从红色、绿色及蓝色发光二极 管(LED)接收彩色光且从其输出与色彩光亮度成比例的电压；亮度控制运算放大器， 其具有耦合到所述光亮度检测器的负输入及耦合到表示来自所述红色、绿色及蓝色 LED的所需色彩光亮度的电压信号的正输入；红色、绿色及蓝色增益控制的放大器， 其每一者具有耦合到表示来自所述红色、绿色及蓝色光LED的所需色彩及光亮度的红 色、绿色及蓝色控制信号的相应信号输入及耦合到所述亮度控制运算放大器的输出的 增益控制输入；及红色、绿色及蓝色电压控制的频率产生器，其具有频率控制输入及 频率输出，其中所述频率控制输入中的每一者耦合到所述红色、绿色及蓝色增益控制 的放大器的相应输出，且产生所述多个所述触发信号的所述频率输出耦合到所述红色、 绿色及蓝色脉冲产生电路的所述触发输入，借此所述红色、绿色及蓝色电压控制的频 率源致使所述红色、绿色及蓝色脉冲产生电路产生用于从所述红色、绿色及蓝色LED 产生所述所需色彩及光亮度所必需的所述多个脉冲。

根据本发明的又一具体实例性实施例，一种用于控制来自红色、绿色及蓝色发光 二极管(LED)的群组的亮度及色彩的微控制器包含：微控制器，其具有：红色、绿 色及蓝色输出；一亮度控制输入及红色、绿色及蓝色控制输入，所述红色、绿色及蓝 色输出耦合到红色、绿色及蓝色发光二极管(LED)，所述亮度控制输入耦合到色彩 光亮度控制信号且所述红色、绿色及蓝色控制输入耦合到红色、绿色及蓝色控制信号； 且所述微控制器产生多个红色、绿色及蓝色脉冲，其中所述多个红色、绿色及蓝色脉 冲中的每一者具有恒定宽度及振幅，且来自所述红色、绿色及蓝色LED中的每一者的 光亮度与所述多个恒定宽度及振幅红色、绿色及蓝色脉冲在一积分时间间隔内接通的 百分数成比例。

附图说明

结合附图参照以下说明可更完全地理解本发明，附图中：

图1是根据本发明的教示用于控制发光二极管(LED)的百分数亮度的脉冲宽度 调制(PWM)驱动信号与可变频率调制(VFM)驱动信号相比较的示意性时序图；

图2是根据本发明的教示用于控制来自三元素红色-绿色-蓝色(RGB)LED组合 的光的色彩的脉冲宽度调制(PWM)驱动信号与可变频率调制(VFM)驱动信号相比 较的示意性时序图；

图3是根据本发明的教示驱动三元素RGB-LED组合的可变频率调制(VFM)脉 冲产生器的示意性框图；

图4是根据本发明的具体实例性实施例驱动三元素RGB-LED组合的VFM脉冲 产生器的示意性框图；

图5是根据本发明的另一具体实例性实施例驱动三元素RGB-LED组合的VFM 脉冲产生器的示意性框图；及

图6是根据本发明的又一具体实例性实施例经配置及编程以用作驱动三元素 RGB-LED组合的VFM脉冲产生器的微控制器的示意性框图。

尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中是显示并在本文中详细描 述其具体实例性实施例。然而，应理解，本文对具体实例性实施例的说明并非打算将 本发明限制于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书 所界定的所有修改及等效形式。

具体实施方式

现在参照图式，其示意性地图解说明具体实例性实施例的细节。图式中的相同元 件将由相同编号来表示，且类似元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号来表示。

参照图1，其描绘根据本发明的教示用于控制发光二极管(LED)的百分数亮度 的脉冲宽度调制(PWM)驱动信号与可变频率调制(VFM)驱动信号相比较的示意性 框图。针对12.5％、37.5％、62.5％及87.5％的LED亮度等级显示PWM脉冲序列。所 述亮度等级百分比对应于PWM脉冲序列处于逻辑高(即，“接通”)从而将电流供 应到LED中的百分比(见图3)。所述PWM脉冲序列包含每一PWM脉冲的开始(由 垂直箭头指示)之间的相同时间间隔(频率)且使所述脉冲中的每一者的“接通”时 间变化以便获得所需LED亮度等级。此PWM LED强度控制方法可行但导致一个频率 下的EMI随时间集中，此可导致不满足严格的欧洲及/或USA EMI发射限制的结果。

根据本发明的教示，使用可变频率调制(VFM)来控制LED光亮度同时减小在 任何一个频率下产生的EMI。针对12.5％、39％、50％及75％的LED亮度等级显示 VFM脉冲序列。所述亮度等级百分比对应于VFM脉冲序列在某一时间间隔(用户可 选择)内处于逻辑高(即，“接通”)从而将电流供应到LED中的百分比(见图3)。 VFM脉冲序列包含多个脉冲，每一脉冲具有相同脉冲宽度(“接通”或逻辑高持续时 间)，其可在各种时间间隔(即，各种频率)内发生。每一脉冲的开始由垂直箭头表 示。因此，可通过调整在某些时间间隔发生多少VFM脉冲来控制LED强度。可通过 使用较短脉冲宽度(逻辑高持续时间)且从而每时间间隔更多脉冲来改善光亮度控制 的粒度。控制LED光亮度的最终结果是脉冲在每一时间间隔期间“接通”的百分数。

参照图2，其描绘根据本发明的教示用于控制来自三元素红色-绿色-蓝色(RGB) LED组合的光的色彩的脉冲宽度调制(PWM)驱动信号与可变频率调制(VFM)驱 动信号相比较的示意性时序图。当来自红色、绿色及蓝色(RGB)LED的相等光强度 (亮度)以三像素关系分组在一起时，所得LED红色-绿色-蓝色色彩混合产生白色光。 可通过使所述三像素RGB LED之间的光强度关系变化来产生其它色彩。

当使用PWM来对三像素RGB LED进行色彩控制时，白颜色需要所述RGB LED 中的每一者在其相应红色、绿色及蓝色色彩下具有相同强度(假设所有三个RGB LED 对于给定电流具有相同光输出)。因此，PWM驱动信号的三个通道全部必须处于相 同频率及脉冲宽度。当要在PWM驱动系统中改变色彩时，PWM脉冲宽度改变以从三 个RGB LED产生所需色彩混合。此操作产生PWM频率下的非常高等级的EMI。

另一方面，可变频率调制(VFM)可在多个不同且广泛变化的频率下产生固定宽 度及振幅脉冲，以便减小任何一个频率下的射频噪声功率，如同使用PWM来驱动RGB  LED时的情形。

参照图3，其描绘根据本发明的教示驱动三元素RGB-LED组合的可变频率调制 (VFM)脉冲产生器的示意性框图。VFM RGB脉冲产生器302包含三个独立VFM脉 冲序列输出。所述VFM脉冲序列输出中的每一者将红色LED 304、绿色LED 306及 蓝色LED 308中的相应一者驱动到所需光亮度以产生所需光色彩。光亮度及色彩控制 信号向VFM RGB脉冲产生器302指示需要何种亮度及色彩。所述VFM脉冲序列可 独立地从每时间间隔无脉冲(0％光亮度)到每时间间隔100％接通(最大光亮度)变 化，且每时间间隔的脉冲数目少于100％接通时间的脉冲数目。因此，通过控制到红 色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的VFM脉冲序列，从而实现所需光强度 及色彩。

参照图4，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的驱动三元素RGB-LED组合 的VFM脉冲产生器的示意性框图。VFM脉冲产生器302a包含具有固定脉冲宽度(逻 辑高持续时间)输出的RGB单稳态单稳电路406、脉冲接通时间积分器414、具有差 分输入的运算放大器412、电压控制的频率产生器410及过零检测器408。每当检测到 其相应输入处的开始脉冲时“开火”单稳电路406中的每一者(输出变为逻辑高达固 定持续时间)。以从电压控制的频率产生器410的频率确定的重复速率(每持续时间 的脉冲)从过零检测器408供应这些开始脉冲。电压控制的频率产生器410可以是电 压控制的振荡器(VCO)、电压/频率转换器等。电阻器416可用于控制到红色LED 304、 绿色LED 306及蓝色LED 308的电流量。

来自电压控制的频率产生器410的输出信号频率由来自相应运算放大器412的电 压控制。运算放大器412将红色、绿色及蓝色光亮度电压输入与来自脉冲接通时间积 分器414的相应电压相比较。来自脉冲接通时间积分器414的电压表示单稳电路406 的输出在某些持续时间期间接通的百分数。运算放大器412具有增益且将致使电压控 制的频率产生器410调整其频率以使得VFM脉冲序列在某一持续时间内的“接通” 时间等于红色、绿色及蓝色光亮度电压输入(经配置以与相应红色LED 304、绿色LED  306及蓝色LED 308所需的每一光亮度的百分比成比例的电压电平)。此布置产生对 红色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的独立闭回路亮度控制。

根据本发明的教示，任选的进一步特征可使用伪随机偏移产生器418来在电压控 制的频率产生器410的电压输入处引入随机电压扰动。这些随机电压扰动可在较大(较 宽广)数目的频率上进一步扩展EMI噪声功率，且因此减小任何一个频率下的EMI 噪声功率。当必须满足严格的EMI辐射标准时，这是非常有利的。伪随机偏移产生器 418可耦合在脉冲接通时间积分器414与运算放大器412之间、红色、绿色及蓝色光 亮度输入与运算放大器412之间或运算放大器412的输出与电压控制的频率产生器 410的电压输入之间。伪随机偏移产生器418可将额外频率提供给从来自脉冲接通时 间积分器414的光亮度闭回路控制与输出的组合产生的那些频率。

涵盖且在本发明的范围内，光强度输入可直接耦合到电压控制的频率产生器410 的电压输入且因此控制每持续时间的脉冲数目产生从RGB LED中的每一者所需要的 百分数光亮度而不管脉冲序列接通时间平均值。此布置产生针对RGB LED中的每一 者的开放回路亮度控制。

参照图5，其描绘根据本发明的另一具体实例性实施例驱动三元素RGB-LED组 合的VFM脉冲产生器的示意性框图。VFM脉冲产生器302b包含具有固定脉冲宽度 (逻辑高持续时间)输出的RGB单稳态单稳电路406、具有可控制增益的放大器512、 电压控制的频率产生器410、过零检测器408、亮度检测器514及用于控制放大器512 的增益的差分放大器520。每当检测到其相应输入处的开始脉冲时“开火”单稳电路 406中的每一者(输出变为逻辑高达固定持续时间)。以从电压控制的频率产生器310 的频率确定的重复速率(每持续时间的脉冲)从过零检测器408供应这些开始脉冲。 电压控制的频率产生器410可以是电压控制的振荡器(VCO)、电压/频率转换器等。 电阻器416可用于控制到红色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的电流量。

来自电压控制的频率产生器410的输出信号频率由来自相应增益控制的放大器 512的电压控制。增益控制的放大器512接收红色、绿色及蓝色控制信号输入以用于 产生所需色彩，且增益控制的放大器512的增益由来自差分放大器520的输出控制。 在正输入处接收光亮度控制信号且在差分放大器520的负输入处接收光亮度(强度) 检测的信号。来自光强度检测器514的光亮度(强度)检测的信号电压表示来自红色 LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的经组合色彩亮度。增益由差分放大器520 控制的放大器512将致使电压控制的频率产生器410调整其频率以使得来自红色LED  304、绿色LED 306及蓝色LED 308的经组合色彩亮度等于光亮度控制电压输入(经 配置为与经组合色彩亮度的所需百分数成比例的电压电平)。此布置产生针对来自红 色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的经组合色彩亮度的闭回路亮度控制。此 配置的优点在于，可调整脉冲以补偿红色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的 光亮度输出降级。

根据本发明的教示，任选的进一步特征可使用伪随机偏移产生器418来在电压控 制的频率产生器410的电压输入处引入随机电压扰动。这些伪随机电压扰动可在较大 (较宽广)数目的频率上进一步扩展EMI噪声功率，且因此减小随时间任何一个频率 下的EMI噪声功率。当必须满足严格的EMI辐射标准时，这是非常有利的。伪随机 偏移产生器418可耦合在电压控制的频率产生器410的电压输入与增益控制的放大器 512的输出之间。如果耦合在光亮度控制信号线与到运算放大器520的输入之间、亮 度检测器514与运算放大器520的另一输入之间或运算放大器520的输出与放大器512 的增益控制输入之间则仅需要一个伪随机偏移产生器418。伪随机偏移产生器418可 将额外频率提供给从来自光亮度检测器514的光强度闭回路控制与输出的组合产生的 那些频率。

参照图6，其描绘根据本发明的又一具体实例性实施例的经配置及编程以用作驱 动三元素RGB-LED组合的VFM脉冲产生器的微控制器的示意性框图。微控制器302c 可配置为用于驱动红色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的RGB VFM脉冲产 生器。微控制器302c可具有用于控制来自光强度检测器514的色彩(RGB)、色彩强 度(亮度)及光强度(亮度)检测的模拟及/或数字输入。微控制器302c经由电流限 制电阻器416以软件程序产生驱动红色LED 304、绿色LED 306及蓝色LED 308的固 定脉冲宽度(逻辑高持续时间)输出。也通过在微控制器302c中运行的软件程序来控 制每持续时间的固定宽度脉冲的数目(频率)。

虽然已参照本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此参 照并不意味着限制本发明，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式及 功能上具有大量修改、更改及等效形式，所属领域的技术人员根据本发明将会联想到 这些修改、更改及等效形式并受益于本发明。所描绘及描述的本发明的实施例仅作为 实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。