JP2007511061A - 発光機器アレイの電力効率最適化の方法と装置 - Google Patents

Abstract

開示された実施例は、液晶ディスプレイの電力効率を最適化するための方法と装置を提供する。回路制御に付随するマイクロプロセッサ又は内蔵されたマイクロコントローラは、単一インバータに複数ＣＣＦＬのアレイの照度を均一にさせることによって、重複を除去する。マイクロコントローラは、全てのランプの動作電流を継続的に検知し、各ランプに等しい電流が加えられることを確実にするキャパシタンスを並列スイッチし個別のランプの照度ばらつきを調整することにより、電力管理を最適化する。マイクロコントローラは適切な制御信号を生成し、輝度調整を行うために電流を修正するデジタルサーボ制御アルゴリズムを実行する。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２００３年１１月６日に出願された米国仮出願番号６０／５１８，５９２の実用変更で、２００３年２月６日に出願された米国仮出願番号６０／４４５，９１４の変更で国際出願日が２００４年２月６日の同時係属ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００３４００と部分的に継続する。

本開示実施例は、一般に、効率的な電力管理及び冷陰極蛍光ランプや、発光ダイオードなどの発光機器のアレイの制御に関連する。具体的には、本開示実施例は液晶ディスプレイのバックライトの電力効率の改善に関連する。

冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）のアレイは現在ノートブックやラップトップコンピューターモニターの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライト、カーナビゲーションディスプレイ、ＰＯＳターミナル、及び医療機器に一般的に利用されている。ＣＣＦＬは優れた照明と費用効率をもたらすことから、ノートブックコンピューターやさまざまなポータブル電子機器のバックライトとして利用する為に急速に導入されてきた。これらの用途の多くは非常に限られた電源の供給を許すので、従って電源消費は賢明に管理されなければならない。現在のＬＣＤの電源管理方法は非効率的である。ディスプレイパネルのサイズが大きくなるにつれ、より電力効率の良い設計と方法が展開されることが必要である。

通常、ランプが高交流電流（ＡＣ）動作電圧を使用することから、ＣＣＦＬを駆動するために高電圧ＤＣ／ＡＣインバータが必要とされる。ＬＣＤパネルのサイズが増大するにつれ、複数ランプ又はアレイは必要な照明を供給することを必要とされる。従って、ＣＣＦＬアレイを駆動するために効率的なインバータが必要とされる。

照度は主としてコンバータによって各ＣＣＦＬに加えられた動作電流によって判断される。従来のランプパネルアレイでは、各ランプは通常ランプへの電力の供給に７０％効率的な、独自のインバータによって駆動される。この効率、又その不足は、複数ランプアレイへ動力供給のために必要な重複したインバータ回路と相まって著しい電力消費量となる。

単一インバータを使用しランプパネルアレイ全体に電力供給することによって電力を節約することが望ましい。しかしながら、共有のインバータを使用することは全てのランプの動作電流を基準ランプによって決定された同じ電流にすることを余儀なくされる。各ランプは、年数、交換及び固有製造ばらつきによって輝度と強度を変化させる特性があることから、個別ランプの変動を調節することなく、各ランプに同じ基準電圧を加えることは、アレイのランプ間で照度が異なる結果となる。そのような照度の変化はＬＣＤディスプレイに不要な線が目に見えることを引き起こす。従来技術では、拡散照明差をならすため、ランプとＬＣＤディスプレイの間により厚い拡散パネルを加えることによって問題を解決することを試みている。これは次に、ディスプレイの表面において最適な光度を得る為、ランプによるより多くの電力消費をもたらす。従って、電力節約するためにインバータと重複回路の数を減らすことは、総電力消費を最小限にすると同時に許されないランプ強度の変化を起こすばらつきを効果的に取り除く新しい設計と方法を必要とする。

ＣＣＦＬ部品ばらつきは、「固定」及び「動的」２つの分類に分けることができる。固定ばらつきはランプとトランス及び一次駆動回路などのインバータ回路部品の間の固有製造ばらつきと定義される。単一又は少数のＣＣＦＬを使用した従来ランプ設計は各ランプ回路のポテンショメーターを主導で調整することによって固定ばらつきを最小化することを試みた。この方法は、今日一般的に見られるより大きな複数ランプでは非実用的である。代わりに、これらの部品の固定ばらつきは、アレイの中のより要求の多いランプ、又はより弱いトランス又は一次駆動回路を補うため、インバータ回路に必要以上の電力を供給することを強要することによって最小化される。ばらつきの原因となるこの「過大な補い」は、余剰な電力が全く、または補われた度合いまで必要とされないかもしれないことから、もうひとつの電力の非効率的な使用である。従って、単数インバータ適用の部品の固定ばらつきにかかわらず、アレイの各ランプに最適なランプ電力を自動的に確立するパネルディスプレイ設計及び方法の必要性がある。

動的ばらつきは、使用、時間及び温度によるランプ輝度のばらつき、またインバータ回路へのＤＣ供給電圧（電池）のばらつきである。ポテンショメーターの設定点は製造時点で調節され長期にわたり固定されているため、上述の従来技術の解決策は当てはまらない。この場合もやはり、従来設計はランプ照度の最適化に実際に必要なものより高い値の初期電流設定を使用することによりこの問題を回避することを試みる。これは非効率的な電力の使用をもたらす。従って、各ランプが適切に駆動しているかを電力の過補償に頼るよりも、経年、温度、及び電池又は他のＤＣ供給電圧などの部品ばらつきを変更することを踏まえ、自動的に最適な電力を確立し、各ランプに送るインバータ回路設計の必要性がある。

ランプ照度を調節する既知の方法は、回路設計に調光機能を組み込むことである。調光は、通常電流制限又はＰＷＭを通して遂行される。電流制限モードでは、ランプ電流は低減されるが、ランプは常に点灯している。ＰＷＭモードでは、調光範囲を負荷サイクル（フリクションオンタイム）により判断されると同時に、約１００から４００Ｈｚの繰り返し率でランプは完全にオンオフされている。たとえば、ランプが７５％の照度に落とされると、７５％の負荷サイクルのＰＷＭ波形が使用される。ランプがオンにされる時は、“しきい値電圧”を再び加える必要性がある。しきい値電圧は動作電圧の２倍に相当し、ランプがその蛍光状態に切り替わるまで加えられ、そうするとすぐに電圧は「維持電圧」まで低減することができる。従来アナログコントローラは、約数百（２００）Ｈｚの応答周波数を持つ電流制御ループを使用することによりしきい値電圧に達したときに検知する。この応答時間が遅いことが、ランプ電圧をしきい値から維持値に低減することを遅らせ、結果として電力の非効率的な使用をもたらす。従って、蛍光性を検知し、ランプ電圧を維持電圧に低減させるために、より早い応答時間（２０Ｍ Ｈｚなど）の電流制御ループを使用するパネル設計と方法の必要性がある。

単一インバータにより駆動される複数ランプのある大型ディスプレイのその他の非効率的な電力使用は、総ランプ電流を設定する電力スイッチング制御回路である。ランプアレイを駆動するために単一インバータが使用されている従来の適用では、ランプへの電力はパルス幅変調器（ＰＷＭ）で切り替えられている。インバータの一次回路は、トランスへの電力を制御するＭＯＳＦＥＴを含む。ＭＯＳＦＥＴのオンオフ状態を切り替えにかかる時間は、次に著しい量の電力を消費する高回路抵抗をもたらす。従来アナログコントローラ回路では、一次回路のタイミングはアナログコントローラの周辺の関連受動部品を変えることによってのみ改善することができる。従って、一時回路のタイミングがより簡単に製造ばらつきに適応させ、ＭＯＳＦＥＴを駆動させるために使用されるパルスのタイミングの自動較正を通して状態を変化させることによって電力消費を最小限にさせることが好ましい。

市場がＣＣＦＬのコストを下げるにつれ、結果として複数ランプアレイディスプレイパネルの使用が拡大し、電力効率の需要が増加した。従来型のＬＣＤ機器用のバックライトは消費する電力量の面で十分に満足でない。よって、複数ランプＬＣＤディスプレイにおいてＣＣＦＬのアレイに加えられた電流を個別に検出及び調整が可能で、同時にまた電力消費量を低減するディスプレイパネル設計技術の必要性がある。

本開示実施例は、発光機器アレイの電力効率を最適化するための方法と装置を提供することにより上述の必要性に対応する。これは、複数ランプアレイの個別電流設定を維持することのできる単一ＣＣＦＬコンバータを持つ制御モジュールで達成される。

スイッチ回路を使用する制御モジュールは、整流ブリッジ、トランススイッチと、ＣＣＦＬ回路に直列に接続されたマイクロコントローラインターフェースからなる。あるいは、スイッチキャパシタ回路がＣＣＦＬ回路に直列に接続されている。マイクロプロセッサは、電流制御回路を駆動するために使用される電流及び照度フィードバック情報を検知するサーボ制御システムソフトウェアを実行する。システムソフトウェアはランプ全体の電流と電圧を監視し、各ランプに特定な電流量を得る為に必要なキャパシタンスを判断する。コントロールモジュールは、各ランプの電流、照度及び電力効率の正確制御を維持すると同時に、複数ランプアレイを駆動する単一インバータからなる。

本文で使用されている“典型的”という用語は、“例、事例、または実例として”と意味する。本文に「典型的」と示されているいかなる事例は、必ずしも他の事例よりも望ましい、または有利と解釈されない。

本開示事例は、液晶ディスプレイの電力効率を最適化する方法と装置を規定する。視覚増強モジュールに付随するマイクロプロセッサ又は内蔵されたマイクロコントローラは、単一インバータに複数ＣＣＦＬのアレイの照度を均一にさせる。マイクロコントローラは継続的にランプ全ての動作電流を検知し、各ランプに同じ電流が加えられていることを確実にするキャパシタンスを並列スイッチすることにより、個別ランプの照度のばらつきを調整する。マイクロコントローラは適切な制御信号を生成し、照度調節を行うための電流を修正するデジタルサーボ制御アルゴリズムを実行する。

図１は、ＬＣＤバックライトアレイの各ランプ１０４にインバータ１２０を必要とする従来ＣＣＦＬ制御回路１００を図示する。ＣＣＦＬランプ１０４は、著しい製造ばらつきを示す。ＣＣＦＬ部品変動は、「固定」と「動的」の２つの区分に分けることができる。固定ばらつきはランプ１０４とトランス１１２や一次駆動回路などのインバータ回路部品１００との間の固有製造ばらつきとして定義される。動的ばらつきは使用、時間、温度によるランプ照度のばらつきと、またインバータ制御回路１００へのＤＣ供給電圧のばらつきである。

ランプ１０４は、一次側回路１０６、及び二次側回路１０８からなるインバータ制御回路１００により駆動されている。一次側回路１０６は、高電流と低電圧を管理し、トランス１１０の一次側に接続している。二次側回路１０８はトランス１１２の二次、バラストキャパシタ１１４、蛍光ランプ１０４、電流センサ１１６及びランプ電流を調節するポテンショメーター１１８からなる。

同じインバータ１２０から一つ以上のランプが駆動されている場合、ランプのばらつきの理由から、各ランプを通した電流は異なる。結果として、ＬＣＤパネル全体の照度が不均一になる。ランプ（トランス１１２の二次電圧）に直接接続されているインバータ１２０の部分は、高電圧回路である。伴う電圧の大きさから、回路１００はランプ１０４に加えられた電力を変える為に簡単に制御することができない。

従来の解決策は各ランプ１０４に個別のインバータ１２０を使用することにより問題を解決した。各ランプ１０４に個別のインバータ１２０を使用することは、低電圧（トランス１１０の一次）で動作するインバータ１２０のスイッチ回路１２２を変えるために電流検知信号が使用されていることから、ポテンショメーター１１８で個別ランプの電流の調整を可能にする。ＬＣＤディスプレイに多数のインバータ１２０が使用されていることから、従来解決策は非常に高価である。

図２では、図１に図示されている従来制御回路によって駆動されている複数ＣＣＦＬの電圧２００に対する特性電流のばらつきが図解されている。各ランプはランプの含有ガスを電離し、照明出力に達する為、しきい値電圧（２０１，２０２）を必要とする。ランプがしきい値電圧に達すると、各ランプは動作電圧曲線（２０３，２０４）によって示されている異なる電圧−電流関係を見せる。

図３は、二つのＣＣＦＬが同じインバータによって駆動される場合に電圧に対する特性電流の従来ばらつきを表す。各曲線（３０５、３０６）は、しきい値電圧が得られた後異なる。目標ランプ電流がＩＯＰ ３０１の公称動作電流と等しく、また公称維持電圧がＶＳＵＳ ３０２と等しい場合、ランプ１に加えられた電圧は、Ｖ１ ３０３のデルタを差し引いたＶＳＵＳのランプ１全体の電圧を得る為、Ｖ１のデルタによって低減されなくてはならない。同様に、ランプ２電圧に加えられた電圧は、Ｖ２ ３０４のデルタを差し引いたＶＳＵＳのランプ２全体の電圧を得る為、Ｖ２のデルタによって低減されなくてはならない。ランプ全体の電圧低減は結果として、両方のランプが同じＩＯＰの公称動作電流となり、均一な照度をもたらす。

図４は、本発明の一実施例に関連してＮ ＣＣＦＬ４０１のアレイのバックライティングのための閉ループ制御システム４００を図示するブロック図である。

マイクロコントローラ４０２は、不揮発性メモリから、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）４０６にインプットする電流制御信号を生成するプログラム指令を構成する一つ以上のソフトウェアモジュールを実行する。ソフトウェアモジュールは、マイクロコントローラ、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたはその他本技術分野で知られているあらゆる記憶媒体の形式に利用することができる。

ＦＰＧＡ４０６は、マイクロコントローラ４０２に指定された個別ＣＦＦＬ４０１に付随する視覚増強制御モジュール(ＶＣＥＭ)４０８に電流制御信号４０２を配信する。ＶＥＣＭ４０８（図６及び図７に詳細）は、マイクロコントローラ４０２に指定された電流量で各ＣＣＦＬ４０１を駆動する。電流センサ４１０は、実際のランプ電流をマイクロコントローラ４０２のフィードバックとして継続的に検知する。電流センサ４１０による個別ランプ電流出力は、マイクロコントローラ４０２への入力のため、アナログマルチプレクサ４１２によって多重化される。

マイクロコントローラ４０２に実行されたサーボ制御アルゴリズムソフトウェアは、等化モジュール設定を調整するため電流センサ４１０に提供された多重化されたフィードバック情報を継続的に利用する。これらの設定調整は、年数、交換、固有製造ばらつき、および温度の変化による電流変動を継続的補償することによって希望する個別ランプ電流に維持する。マイクロコントローラ４０２に実行されたソフトウェアモジュールは、インバータ４１４（図１の要素１１２参照）による二次電圧出力制御するインバータ４１４の動作を同時に制御及び調整する。インバータによる二次電圧出力はＣＣＦＬ４０１に加えられる。

さまざまな実施例において、マイクロコントローラ４０２、インバータ４１４、メモリ（図示せず）、ＦＰＧＡ４０６、マルチプレクサ４１２、電流センサ４１０及び制御モジュール４０８のいずれの組み合わせも、プリント（ＰＣ）基板又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に一体化することができる。あるいは、マイクロコントローラ４０２、ＦＰＧＡ４０６及びマルチプレクサ４１２はインバータ組立４１４に一体化することができる。マイクロコントローラ４０２、ＦＰＧＡ４０６機能、及びマルチプレクサ４１２はまた同じ又は別の単一ＩＣに一体化することができる。さらに、一つ以上の制御モジュール４０８は、電流センサ４１０又はライトセンサ（図５、要素５１０参照）も含むことができる単一集積回路に一体化することができる。

マイクロコントローラ４０２に実行される一つ以上のソフトウェアモジュールによってサポートされるグラフィカルユーザーインターフェースは、初期電流設定実施するため、又は任意で後にサーボ制御アルゴリズムメンテナンス設定を無効にするために使用することができる。

図５は、本発明のほかの実施例に関連し、複数ＣＣＦＬの視覚増強制御システムを図示する。図５で具体化されている代替視覚増強制御システム５００は、マイクロコントローラ５０２にフィードバック情報を提供するために、電流センサ（図４、要素４１０参照）よりも一つ以上のライトセンサ５１０を利用する。マイクロコントローラ５０２に実行されるサーボ制御アルゴリズムソフトウェアモジュールは、制御モジュール設定を調整視するためライトセンサ５１０に提供される多重化フィードバック情報を継続的に利用する。これらの設定調節は年数、交換、固有製造ばらつき、および温度の変化による変動を継続的補償することによって希望する個別照度を維持する。

図４に詳細されているように、コントロールモジュール５０８はＣＣＦＬ５０１の電流を設定する。付随するコントロールモジュール５０８を通して各ＣＣＦＬ５０１に加えられた電流の量は、ロジックブロック５０６からの制御シグナルによって判断される。ロジックブロック５０６は、ＦＰＧＡ（図４、要素４０４参照）と同等の機能を果たす。ロジックブロック５０６、マイクロコントローラ５０２及びアナログマルチプレクサ５１２は、単一集積デジタルコントローラ回路の構成部品であっても良い。

閉ループ制御システム５００へのフィードバックは、一つ以上のライトセンサ５１０によって提供されている。ライトセンサ５１０はＣＣＦＬ５１０によってライト出力を検出する。ライトセンサ５１０は、アナログマルチプレクサ５１２へのインプットの為ライト出力フィードバック信号を生成する。アナログマルチプレクサ５１２は、ライトセンサーフィードバック信号を、マイクロコントローラ５０２へ内蔵することのできるアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器へ通す。マイクロコントローラ５０２に実行された閉ループサーボ制御アルゴリズムソフトウェアモジュールは、各ＣＣＦＬ５０１の所定の輝度設定点を継続的に維持する。ＣＣＦＬ５０１が経年すると、ライトセンサ５１０で輝度出力レベルを判断することによって出力精度が有利に改善する。

複数ランプアレイの個別電流設定を一定の輝度に維持するのに加えて、上述の視覚増強制御システムの実施例は、バックライト発光機器の視覚効果を生成する為に操作することができる。制御システムは、ディスプレイの選択された部分の光度を、増大、または低減するために使用することができる。たとえば、爆発が構成されるビデオ資料の、爆発が起こる場所のディスプレイ部分のライト出力レベルを増大することによって、３Ｄ効果を作成することができる。同様に、暗い路地のシーンなど陰によって増進された資料に視覚効果を作成することができる。視覚効果は、ディスプレイの特定な場所のバックライト機器からのライト出力量を変化させるソフトウェアモジュールを使用して、開示された制御システムによって作成することができる。

図６は、本発明の一実施例に従い図４と図５のブロック図に表された制御モジュールを詳細する。制御モジュール６００は、マイクロコントローラー（図示せず）によって外部で生成された制御信号に従い、個別ＣＣＦＬに加えられた電流を調整する。入力６０２及び６０４は、システムコントローラＦＰＧＡまたはロジックブロック（図示せず）によってマイクロコントローラから送られた電流制御信号を受け取る。制御信号は直流（ＤＣ）電圧またはパルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなることができる。制御信号の値は、複数ランプアレイの各ＣＣＦＬを通して電流の量を判断する。

制御信号は、制御信号を孤立制御電圧に変換する光学または光起電装置Ｕ１ ６０６に加えられる。レジスタＲ２ ６１２と Ｒ３ ６１４は、Ｕ１ ６０６に加えられた制御信号に比例する指定された電流を設定する。光学アイソレーターは制御信号をＵ１ ６１０の二次側に転送する。

Ｕ１が光起電変換器である場合、Ｕ１の出力ＬＥＤ６２６によって生成された光はＵ１ ６１０の二次側によって電圧に変換される。キャパシタＣ１ ６１８はＵ１の出力をトランジスタＱ１ ６２２に対応する孤立制御信号を生成する為フィルターにかける。レジスタＲ１ ６０２はＱ１ ６２２の安定した動作が可能な値までＱ１ ６２２ の基部にインピーダンスを設定する。トランジスタＱ１ ６２２は、ＣＣＦＬ電流応答により要求されたスイッチモードまたは線形モードで動作することができる。ダイオードＤ１−Ｄ４ ６２４からなる電流制御ブリッジは、ＣＣＦＬを駆動するため交流（ＡＣ）電流の両方の極性をＱ１ ６２２を通し送る。

この様にして受信された電流制御信号は、電圧に変換された比例光出力に変換され、制御信号によって指定された電流を生成する。制御信号に指定された電流はＣＣＦＬへの出力である。

図７は、本発明のそのほかの実施例に従い図４及び図５のシステムブロック図に図示されている視覚増強制御モジュールを詳細する。図７に例示されている代替制御モジュール７００では、２つ以上のＣＣＦＬ（７０１，７０２）が単一インバータ７０３によってこの場合も駆動されている。簡単にするため、２つの典型的なＣＣＦＬが示されている。制御モジュール７００はＣＣＦＬ１ ７０１にイコライザ７０４、そしてＣＣＦＬ２ ７０２にイコライザ７０５が備えられている。イコライザ（７０４，７０５）はスイッチ７１０によって結合された複数の並列キャパシタ７０８を備える。マイクロプロセッサ７０６はインバータ７０３を制御する。

ＣＣＦＬによって必要とされる非常に小さなキャパシタンスの値により設計が困難になる。本発明のイコライザ（７０４，７０５）は、非揮発メモリに格納された較正アルゴリズムの実行する為のマイクロコントローラ７０６を備えることにより、これらの設計困難を克服する。マイクロコントローラは、センサおよびマイクロコントローラ７０６の内部に置くことができるＡ／Ｄコンバータで、各ＣＣＦＬ（４０１，４０２）を通して電流を測定する較正手順を実行する。マイクロコントローラ７０６は次に、適切な量よってランプ電圧を上昇、低減させる正しいキャパシタの組み合わせを得る為、適切なスイッチ７１０を閉じる。

ＣＣＦＬにより必要とされる高電圧によってさらなる設計困難がもたらされる。これらの困難は、イコライザ（７０４，７０５）がＣＣＦＬ（４０１，４０２）動作点を変更するのに十分なだけわずかな電圧だけ必要とすることから、本発明のイコライザ（７０４，７０５）によって同様に克服することができる。

しきい値電圧に到達後のランプ特性曲線が非常に急勾配であることから、コントローラ全体の電圧は数百ボルトのみに違いない（図２及び図３参照）。電圧はすぐに利用できるキャパシタ及びスイッチ技術によって簡単に扱うことができる（Ｓｕｐｅｒｔｅｘ Ｉｎｃ社の高電圧スイッチ部品番号ＨＶ２０２２０参照）。マイクロコントローラはまた、スイッチ７１０を開閉する制御にＰＷＭを使うことができる。ＰＷＭ負荷サイクルは、正確なキャパシタンスの値を判断する。このアプローチは更なるキャパシタ値の微調整を可能にする。

今度はデジタルコントローラ５１４の動作特性に注意が向く。上述されている通り、図１に示されているような従来インバータ回路１０６は動作するためにタイミングパルスが必要とされる。図８はトランス１１２と同調キャパシタ１１０に順に電流を送り込むＭｏｓｆｅｔスイッチ１２２のスイッチングを作動する典型的インバータコントローラ１０２からの位相Ａ信号９０７と位相Ｂ信号９０８からなるＰＷＭ１信号８０１を図示する。電流がトランス１１２と同調キャパシタ１１０に送られるとトランス１１２の一次側に正弦波電圧が得られる。トランス１１２は一次側の正弦波電圧をかなり大きな値の二次電圧に変換する。蛍光ランプの一般的な電力変換電圧は一次電圧で２４ボルトＲＭＳ、二次電圧で２２００ボルトＲＭＳである。

従来技術のインバータ回路１０６は、インバータ回路１０６が動作するために必要なタイミングパルスを生成するのにアナログ回路に依存している。たとえば、インバータ回路のランプ電圧はアナログコントローラ１０２（図示せず）の外部にあるキャパシタを使用して生成される。図１のコントローラ１０２はまたアナログコンパレータ、電圧基準、電流源及び他のアナログ部品（図示せず）を含む。キャパシタ及びその値はその設計の一部として肯定されており、回路板のアナログコントローラの隣に位置している。他のタイミングパルスは、能動アナログ部品、キャパシタ、及びレジスタに依存する同様の技術を使用して生成されている。

上記のように、これらのインバータ回路タイミングパルス生成の従来技術アナログ法の著しい欠点は、タイミングパルスがトランス、Ｍｏｓｆｅｔ、キャパシタ、レジスタ、及びそのほかのインバータ回路部品の製造変動を補うように設計されなければならないことである。これは、特定の傾向ランプ一式を駆動するのに必要なものよりも著しく大きい（また場合によっては小さな）タイミングパルスを利用する設計を生み出す。これは不必要に高い電力量がランプに流れることになる。

さらにインバータ回路の電力Ｍｏｓｆｅｔが切り替わる正確な時点がその電力消費に著しい影響を持つ。Ｍｏｓｆｅｔが切り替わるのが早すぎる、又は遅すぎる場合、Ｍｏｓｆｅｔは消費電力を非常に増大するその線形領域で動作する。また、Ｍｏｓｆｅｔの電流及び電圧波形に対するスイッチング動作の正確なタイミングは、定電力消費を達成する為に重要である。上述されているようなアナログ設計では、タイミングパルスは固定されており、また部品の最悪時動作特性に基づき構築されている。従って、タイミングパルスは一般的にシステムの正確なニーズに一致しない。この不一致は、電流と電圧が正しい時点で起こらないこととなり、高電力消費量をもたらす。

本発明のデジタル制御アプローチはインバータ回路に高精密なタイミングパルスを生成することで上記の問題を克服する。タイミングパルスは高速クロックと統合されていることから、正確であり、部品変動による誤差の影響を受けない。さらに、タイミングパルスは適応シンセサイズドタイミング回路で発生されることから、インバータ部品の特定な特性に合わせて較正することができる。

インバータ回路のタイミングパルスが図８に示されている。さまざまな負荷サイクルのＰＷＭ１ 信号８０１は図９のインバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５によって生成される。ＰＷＭ１信号８０１の各パルスは正弦波トランス二次ランプ電圧ＶＬＡＭＰ８０２の一部を生成する。ＰＷＭ１ ８０１の負荷サイクル特性により、さまざまな規模の電圧がＶＬＡＭＰ８０２に生成される。ＰＷＭ１ ８０１の負荷サイクルが大きいほど、ＶＬＡＭＰ８０２電圧が大きくなる。ＶＬＡＭＰ８０２の点８０３において、蛍光ランプをしきい値電圧に達成させる為にランプ電圧は著しく大きく、「しきい値電圧」と定義される。ランプがしきい値電圧に達すると、ＶＬＡＭＰ８０２の電圧８０４は低減され、維持電圧と定義される。大型スクリーン液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)に使用されている蛍光ランプのしきい値電圧は通常約２２００ボルトＲＭＳである。維持電圧は一般的に１０００ボルトＲＭＳである。ＶＬＡＭＰ８０２の正弦波電圧の周波数はおよそ５０ＫＨｚである。

蛍光ランプのアナログ調光は微量のＰＷＭ−１信号８０１により変化させることからなる。変動は電圧とインバータートランス１１２の二次側の電力を変化し、次にランプ１０４の調光につながる。アナログ調光が使われすぎると、ランプは点滅し、結果的に消える。この理由からアナログ調光はランプ輝度制御回路の比較的狭い範囲で使用される。ランプの大幅な調光にはデジタル調光が好まれる。

本発明において、また図９を参照して、ランプデジタル調光ＰＷＭ−２発生器９０２が使用される。この回路は波形ＰＷＭ−２信号８０５（図８）を生成する。ＰＷＭ−２信号８０５期間Ｔ１の間、ランプは点灯されている。適切な時間８０６において、ランプは完全に消灯される。ランプはＴ２の期間消灯されて続けている。時間８０７において、ＰＷＭ−２信号８０５はランプが点灯されなければならないロジック高信号伝達に切り替えられる。特定の時期にＰＷＭ−１信号８０１はしきい値電圧８０８を生成する為その負荷サイクルを変える。デジタルコントローラが電流センサフィードバック情報を使用してランプが点灯されたと検知すると、ＰＷＭ−１ ８０１は維持電圧８０９をもたらす負荷サイクルに戻るよう切り替わる。ＰＷＭ−２信号８０５は、通常４００Ｈｚ以上の繰り返し率を持つ。ＰＷＭ−２信号の繰り返し率の規模は、人間の目にランプが消灯していることを認識できないほどである。ＰＷＭ−２信号８０５の負荷サイクルは照度を判断する。デジタル調光はバックライトシステムに一般的に使用され、０から１００％の調光率を可能にする。

図９ではシステムクロックが１０Ｍｈｚで動作することが望ましいマスタークロック発生器９０１に統合されている。クロックは異なる２つのパルス幅変調（ＰＷＭ）ロジック回路に使用される。最初のＰＷＭ回路はインバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５で、Ｍｏｓｆｅｔｓ９１１，９１２へ切り替えるためにインバータに高周波パルスを発生するのに使用されるＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭレジスタ−１ ９０６は、ＰＷＭ−１信号８０１を表すデジタル信号を含む。デジタル信号はマイクロコントローラ９２１によってレジスタに書き込まれる。

ＰＷＭ信号の概念を理解する為に、図８のＰＷＭ−２信号８０５を考慮する。ＰＷＭ信号８０１は、Ｔ１の期間持続するロジック高期間８０９とＴ２の期間持続するロジック低期間810でできている周期的パルスからなる。ＰＷＭ信号８０５の負荷サイクルは比率Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）で定義される。負荷サイクルは通常パーセントで表される。たとえば６０％の負荷サイクルのＰＷＭ信号ではＴ１は６０％の時間に相当し、Ｔ２は４０％の時間に相当する。ＰＷＭ信号８０５の繰り返し率は合計時間の逆数または１・（Ｔ１＋Ｔ２）である。

インバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５は位相Ａ９０７及び位相Ｂ９０８信号を生成する。これらの信号は逆の極性であり、トランス（図示せず）の対応する側それぞれを駆動するために使用されている。インバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５もまたデジタルコンパレータ９１９の出力によりそのＰＷＭ信号負荷サイクルを変えられることがある。

二番目のＰＷＭ回路はランプデジタル調光ＰＷＭ−２発生器９０２である。この回路は、ＰＷＭレジスタ２のデジタル信号に対応する負荷サイクルをもつＰＷＭ信号を生成する。デジタル信号はマイクロコントローラ９２１によりレジスタに書き込まれる。ランプデジタル調光ＰＷＭ−２発生器９０２の出力は、ゲート９０９のロジックを利用して位相Ａ９０７と位相Ｂ９０８の電源を完全に切ることができる信号であるイネーブル指令９０３である。ゲート９０９の出力はＭｏｓｆｅｔドライバー９１０に接続され、順にＭｏｆｓｅｔＡ９１１とＭｏｓｆｅｔＢ９１２を駆動する。ＭｏｓｆｅｔＡ９１１は通常インバータトランスの一方の端に、またＭｏｓｆｅｔＢ９１２はトランスのもう一方の端に接続される。

インバータ電流センサ信号９２３、インバータ電圧センサ信号９２４、ランプ１ ９１３の電流センサ信号、及びバックライトシステムのほかのランプ全てに対応する信号を検出するためマイクロコントローラ９２１に装置のセンサ信号が使用されている。インバータ電圧センサ信号９２４及びランプ１ ９１３の電流センサ信号はインバータトランス（図示せず）の二次側に位置することが望ましい。入力は、Ｎがシステムに使用されたランプの数によって判断される電流センサ信号ランプＮ９１４まで電流センサ信号の数を検出することができる。全てのランプのセンサシグナルはサンプルアンドホールドアレイ９１５を使用して同時に捕らえられる。アナログマルチプレクサ９１６は信号の一つをサンプルアンドホールドアレイ９１５から、信号をセンサ信号の大きさによって適切な値に増幅するプログラマブル利得増幅器９１７へ送る。これは、信号振幅をアナログ／デジタル変換器９１８の入力にあわせることによって検出の解像度を最大化する手段として、センサ信号を最適化するために行われる。センサ情報は、システムのさまざまな部分の状況を判断するため、またインバータの制御を動的に変えるため、バス９２５からマイクロコントローラ９２１に送られる。デジタルコンパレータ９１９は、アナログ／デジタル変換器９１８の出力と、点灯し始めたランプに対応するセンサ電流を表すマイクロコントローラ９２１によって読み込まれた所定の二進値とを比較するハードウェアから成る。これらの二進値は初期化プログラミングの結果として保存される。デジタルコンパレータ９１９が組み合わせロジックと実行されていることから、ランプ輝度処理と比較した時間の遅れは無視することができる。ランプに対応するＮ個のコンパレータがある。

本発明は、インバータ回路の制御動作に使用されるＰＷＭ信号を最適化するためのデジタル駆動合成を適用する。マイクロコントローラ９２１は、その内蔵メモリにＰＷＭ−１信号８０１とＰＷＭ−２信号８０５のディフォルト値を含む。起動時にマイクロコントローラ９２１はディフォルトＰＷＭ値をＰＷＭレジスタ−１ ９０６とＰＭＷレジスタ−２ ９０４に読み込む。ＰＷＭレジスタ−１ ９０６は、インバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５の負荷サイクルを判断し、ＰＷＭレジスタ−２ ９０４はランプデジタル調光ＰＷＭ−２発生器９０２の負荷サイクルを判断する。

動作中、マイクロコントローラ９２１インバータ電流センサ信号９２３およびインバータ電圧センサ信号９２４を検出する。センサ情報は、サンプルアンドホールドアレイ９１５がマイクロコントローラ９２１によって始動でき、デジタル化されるまで情報を保持することから、正確な時点において判断される。センサ信号が捕らえられる時点は、変わることがある。これはインバータスイッチング特性の正確な特徴づけを与える。この情報は、いつＰＷＭ−１信号８０１がＭｏｓｆｅｔを切り替えるべきか適切な時点を確定する手段として、インバータのスイッチング特性を判断するために使用される。スイッチング特性が判断されると、マイクロコントローラ９２１はＰＷＭレジスタ１ ９０６の値を変え、次に回路のオン／オフ特性にスイッチング動作をあわせるためにＰＷＭ−１信号８０１の負荷サイクルを修正する。修正されたタイミングは、電力消費を低減させることによって高度の効率でインバータを動作させる。処理は自己較正動作である。それは継続して繰り返され、インバータ回路の老朽化と同様、電力効率の与えられた部品及び温度のばらつきにつながる。

本発明は、トランス二次電圧がしきい値電圧値８０３から維持電圧値８０４に変えられたときの時間を修正するしきい値電圧適応処理を行っている。定期的にシステムは、全てのランプが電流センサ信号ランプ１ ９１３と電流センサ信号ランプＮ９１４によって検知されるルーチンに入る。検知はセンサ信号がサンプルアンドホールドアレイ９１５により捕らえられたときの正確な時間を変化させることにより、しきい値処理をさまざまな時点で行っている。センサ捕獲時間はマイクロコントローラ９２１によって設定される。アナログ／デジタル変換器９１９出力からのセンサ値は、デジタルコンパレータ９１８で、点灯し始めたランプに対応するセンサ電流を表すマイクロコントローラ９２１によって読み込まれた所定の二進値と比較される。インバータ電力ＰＷＭ−１発生器９０５出力の前縁は、次に全てのランプが電流を送ると判断された時の時間に合わせるために調節される。このようにして、ランプは正確な期間のしきい値電圧のみを受け取る。時間は、マスタークロック発生器９０１によって許容される高精密で継続的に導入される。マイクロコントローラ９２１は、しきい値の正しい時間を継続して較正する処理を設定することから、調整は本発明の背景に記されているような固定又は動的変動のいずれにも影響されない。結果は、しきい値電圧８０３は最適な時点で維持電圧８０４まで低減することができ、従って電力消費を低減する。

開示された制御モジュールを使用した開示された制御システムは、コストと性能を高度に最適化したＣＣＦＬ制御回路を提供する。アレイの全てのＣＣＦＬは、同一のインバータに駆動される間等しい（または指定された）輝度と電流を示すようにすることができる。

当業者は、上述の図に示されている段階の順序及び構成部品は限定されていないと理解するであろう。方法及び構成部品は、図示された段階及び構成部品の省略または再順序付けすることにより、開示された実例の範囲を逸脱することなく容易に変更することができる。

従って、発光器具一般及び、とりわけ例陰極蛍光ランプの制御の新しく、改善された方法および装置が記載されている。当業者は、異なる技術や技法のいずれを使用し情報及び信号を示すことができることを理解するであろう。たとえば、上記の説明を通して言及されることがあるデータ、指令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、及びチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、オプティカルフィールド又はパーティクル、もしくはこれらの組み合わせにより表すことができる。

当業者は、ここに開示されている事例に関連した、さまざまな実例となるロジカルブロック、モジュール、回路及びアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピューターソフトウェア、あるいは両方の組み合わせとして使用することができることをさらに認識するであろう。このハードウェアとソフトウェアの互換性を明確に表すには、さまざまな事例となる構成部品、ブロック、モジュール、回路及びステップが機能性の点で一般的に上述されている。そのような機能性がハードウェアまたはソフトウェアで使用されているかどうかは、特定の用途及びシステム全体に課せられた設計の制約に左右される。当業者は、説明された機能を各特定の用途によって異なる方法で使用するが、そのような使用の決定が本発明の範囲から逸脱を起こすと解釈されてはならない。

ここに開示された実例に関連したさまざまな実例となるロジカルブロック、モジュール及び回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ），特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはそのほかのプログラマブルロジック装置、個別ゲート、またはトランジスタロジック、個別ハードウェア部品、またはここに説明された機能を実行するために設計されたこれらのあらゆる組み合わせとともに使用、または実行することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサでもよいが、代替としてあらゆる従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または、ステートマシーンでもよい。またプロセッサは、コンピューターデバイスの組み合わせとして、すなわちＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数マイクロプロセッサ、ＤＳＰコアとつないだ一つ以上のマイクロプロセッサ、またはあらゆるほかのそのような構成などで、使用することができる。

ここに開示されている実施例に関連した方法、またはアルゴリズムのステップは、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールまたは２つの組み合わせに直接統合することができる。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リームーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたはその他本技術分野で知られているあらゆる記憶媒体の形式に利用することができる。典型的な記憶媒体はプロセッサが記憶媒体から情報を読み出し、記憶媒体に情報を書き込むことができるようにプロセッサに連結している。別の方法では、記憶媒体はプロセッサに統合することができる。プロセッサと記憶媒体はＡＳＩＣに備えることができる。別の方法では、プロセッサと記憶媒体は個別部品として備えることができる。

先の開示された実施例の説明は、当業者が本発明を作成または使用することができるように提供されている。当業者には、これらの実施例へのさまざまな変更が容易に発見できるであろう、またここに定義された一般的原則は本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の指令に適用することができる。従って本発明はここにしめされている実施例に限定されることを意図しておらず、ここに開示された原則及び新機能に一致する最大限の範囲に合致することを意図する。

単一ＣＣＦＬを駆動する従来インバータ回路を示す。 従来個別インバータによって駆動される複数ＣＣＦＬの電圧に対する特性電流における従来の変動を表す。 従来共有インバータによって駆動される複数ＣＣＦＬの電圧に対する特性電流における従来の変動を図示する。 本発明の一実施例に従い、複数ＣＣＦＬの閉ループ制御システムを図示する。 本発明の一実施例に従い、複数ＣＣＦＬの制御システムを図示する。 本発明の一実施例に従い、制御モジュールを示す。 本発明の他の実施例に従い、制御モジュールを示す。 デジタルコントローラとランプ電圧のタイミング図を示す。 本発明のデジタルコントローラ回路のブロック図を示す。

Claims (24)

1. 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知し、
   各発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為の出力情報を処理し、
   マイクロコントローラによって生成された電力節約電流制御信号に従い単一インバータを通し各発光機器へ加えられた動作電流を調節することにより、電力消費を節約する、
   ことを特徴とした複数発光機器のための電力制御方法。
2. 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項１記載の電力制御方法。
3. 前記インバータがドライバーによって置き換えられ、また前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の電力制御方法。
4. 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を検知するセンサと、
   各発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為に出力情報を処理するマイクロコントローラと、
   個別電力節約電流制御信号に従い単一インバータを通し各発光機器へ加えられた動作電流を調節することにより、電力消費を節約する電流制御回路及びサーバー制御システムソフトウェアと、
   からなる複数発光機器の電力制御装置。
5. 前記センサが電流センサであることを特徴とする請求項４記載の電力制御装置。
6. 前記センサがライトセンサであることを特徴とする請求項４記載の電力制御装置。
7. 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項４記載の電力制御装置。
8. 前記インバータがドライバーによって置き換えられ、また前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項４記載の電力制御装置。
9. マイクロコントローラから電力節約電流制御信号を受け取り、
   電力節約電流制御信号から電力節約電圧信号を分離し、
   トランジスタに互換性のある分離電力節約電圧制御信号を生成する為に電力節約電圧制御信号をフィルターにかけ、
   前記トランジスタの基部にインピーダンスを設定し、
   発光機器によって必要とされた電流応答に従い前記トランジスタを動作し、
   電力節約電流制御信号により指定された電力効率交流電流を生成する為に、前記トランジスタに電力節約電圧制御信号を加えることによって電源消費を節約するとともに、
   発光機器へ電力効率交流電流の両極性を送る、
   ことを特徴とした複数発光機器の電力制御方法。
10. 前記トランジスタが線形モードで動作することを特徴とする請求項９記載の電力制御方法。
11. 前記トランジスタがスイッチモードで動作することを特徴とする請求項９記載の電力制御方法。
12. 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項９記載の電力制御方法。
13. マイクロコントローラから電力節約電流制御信号を受け取り、電力節約電流制御信号から電力節約電圧制御信号を分離するアイソレーターと、
    トランジスタと互換性のある分離電力節約電圧制御信号を生成する為に電力節約電圧制御信号をフィルタにかけるキャパシタと、
    前記トランジスタの基部にインピーダンスを設定するレジスタと、
    電力節約電圧制御信号から、電力節約電流制御信号により指定された電力効率交流電流を生成するトランジスタと、
    発光機器に電力効率交流電流の両極を送るダイオードブリッジと、
    からなる発光機器の電流制御回路。
14. 前記アイソレーターが光学アイソレーターであることを特徴とする請求項１３記載の電流制御回路。
15. 前記アイソレーターが光起電アイソレーターであり、電流管理信号を次に電圧に変換される比例光出力に変換することを特徴とする請求項１３記載の電流制御回路。
16. 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知し、
    発光機器に個別電力節約電流制御信号を生成する為の出力情報を処理し、
    電力節約電流制御信号によって指定された電力効率動作電流をつくるため、並列キャパシタに接続された複数スイッチへ電力節約電流制御信号を加えるとともに、
    電力効率動作電流で発光機器を駆動することにより電力消費を節約する、
    ことを特徴とした発光機器の電力制御方法。
17. 前記発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項１６記載の電力制御方法。
18. 前記発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１６記載の電力制御方法。
19. 複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知するセンサと、
    発光機器に個別電力節約電力制御信号を生成するための出力情報を処理するマイクロコントローラと、
    電力節約電流制御信号により指定された電力効率動作電流を作るため、並列キャパシタに接続されたスイッチ、及び、
    電力効率動作電流によって駆動される発光機器と、
    からなる発光機器の電力制御回路。
20. 発光機器が冷陰極蛍光ランプであることを特徴とする請求項１９記載の電力制御回路。
21. 発光機器が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１９記載の電力制御回路。
22. 高周波クロックで高周波パルス幅変調電力制御信号を生成し、
    低周波クロックで低周波パルス幅変調電力制御信号を生成し、
    複数機器アレイの個別発光機器のため出力フィードバック情報を検知し、
    マイクロコントローラによって実行されるデジタル電力節約アルゴリズムを加えることにより、高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号に最適なパルス幅タイミング修正値を判断するためフィードバック情報を使用し、
    最適化された高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を生成するため判断された修正値に従い高周波及び低周波電力制御信号のパルス幅を修正し、
    発光機器を駆動するためインバータスイッチング回路に最適化された高周波及び低周波パルス幅変調を通す、
    ことを特徴とする複数発光機器の電力制御方法。
23. 前記デジタル電力節約アルゴリズムが継続的に実行されることを特徴とした請求項２２記載の電力制御方法。
24. 高周波パルス幅変調電力制御信号を生成する高周波クロックと、
    低周波パルス幅変調電力制御信号を生成する低周波クロックと、
    複数機器アレイの各発光機器の個別出力情報を感知するセンサと、
    高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号に最適なパルス幅タイミング変調値を判断するため、フィードバック情報を使用しデジタル電力節約アルゴリズムを実行するマイクロコントローラと、
    最適高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を生成する為判断された変調値に従い、高周波及び低周波電力制御信号のパルス幅を変調するパルス幅変調発生器、および
    発光機器を駆動するため、インバータスイッチング回路に最適化された高周波及び低周波パルス幅変調電力制御信号を通すロジックゲートと、
    からなる複数発光機器の電力制御装置。

Images