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CN100547511C - Lcd背光的数字控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在LCD显示器中背光系统的数字控制的装置和方法。尤其，该系统利用嵌入固件中的控制系统和复合信号微控制器单元(MCU)，实现背光系统的操作的伺服数字控制。该MCU提供多个输入和输出端口。这些端口运行数字和模拟信号，把处理器连接到背光系统，并使处理器控制倒相器和灯的功能。嵌入式固件控制执行数字伺服功能和几个用于精确和自动设定灯运作的算法，控制个体的灯，补偿老化，执行诊断功能，优化能耗和自动操作制造测试。

Description

LCD背光的数字控制系统
技术领域
本发明涉及在液晶显示器(LCD)中用于控制用来提供背光的荧光灯的一种控制系统、一组电路和方法。所述灯的控制是由可实现数字控制系统的微控制器单元(MCU)进行的。数字控制系统可以使多个灯在相同的倒相电路外驱动，同时还能使每一个灯保持独立的光强度和减低亮度。数字控制系统具有适应性，可补偿诸如老化、工作温度和灯的变化产生的影响。结果是均衡了LCD显示器的灯亮度。改进的性能对那些需要多个灯并且所有的灯必须产生均匀的亮度的显示器，诸如电视机或者高解析度的计算机显示器，十分有益。
背景技术
典型的倒相器和灯电路100如图1中所示。其中，倒相器被包含在一个印刷电路组件(PCA)中。该PCA包含由一个金属氧化物半导体场效应晶体管(Mosfet)开关101、一个线圈102、一个推挽式驱动电路103、一个调谐电容器104、一个变压器105以及一个压载电容器106组成的模拟电路。在该倒相器中的模拟电路的功能是将一个直流(DC)电压输入114在输出时转换为交流(AC)电压115。该倒相器被连接到一个由荧光灯109、电位计110、电阻器111以及整流二极管112组成的灯电路。所述灯可以是一个冷阴极荧光灯(CCFL)。所述电位计110的接线端被连接到一个反馈电路108。该电路感应穿过电位计110和电阻器111产生的半波整流电压，并发送该电压到一个倒相控制器107。该控制器107内含一个模拟电路，它把由反馈电路108感应到的信号与内部参数相比较，作为结果产生一个脉宽调制信号(PWM)，然后该脉宽调制信号使Mosfet101以恰当的方式开和关，从而产生驱动灯109所需的AC 115。该控制器还具有另外一个模拟电路，当第一次给该系统加电时，它允许PWM建立一个相对较大的AC电压115。该在加电时产生的较大电压是产生初始电压(击穿电压)所需的，当需要使荧光开始发光时，初始电压需要用来电离灯中的气体。一旦灯亮起来，施加给灯的电压就可以被降低。为了解决在制造过程中成分的变化，电位计110用于调整灯的亮度。一个单独的减低亮度电压113被连接到倒相控制器107中的内部比较器。该减低亮度电压113被加到来自于灯电流反馈电路108的信号上，从而导致PWM的变化和灯109亮度的变化。
倒相控制器107的使用导致了倒相器和灯电路的模拟控制。模拟控制的一些缺点包括：
1、需要手动调整电位计110来补偿成分变化。
2、不补偿灯109的老化，因为对于等量的电流，老化的灯将产生较低的光强度。
3、控制系统不能适应温度的变化。
图2中是考虑到背光组件的当前系统中的局限性的一个样例。该图表示一种大型LCD屏幕系统200的背光组件。大屏幕可以是LCD技术。大屏幕需要大量的CCFL。目前实现发光组件的方法基本上是倍增图1中的整个组件100。作为该大屏幕系统200一个可以理解的形式，各个倒相器和灯电路都需要单独的手动调整和多个倒相器电路。为了能独立的调整各个灯中的电流，需要多个倒相器。调整灯中的电流改变光的强度。在许多应用中，需要使整个显示板亮度均匀以获得高画质。特别是因为使用了大量的变压器，为装置增加了负担。该大屏幕显示系统200没有使来自灯的光均衡的方法，因为各个倒相器都是彼此独立的。该整体的解决方案是昂贵的、笨重的，需要大量的手工劳动并且灯光强度是不均匀的。同时，随着灯的老化，没有方法补偿光强度的降低。
发明内容
本发明包含一种LCD背光组件的数字控制系统中使用的操作方法和装置。所述装置包括：一个带有脉宽调制器(PWM)，模数转换器以及其他支持电路的微控制器单元(MCU)。所述装置包括一个电流控制电路。所述过程包括在MCU中的嵌入数字控制软件。本发明提供了由数字控制系统带来的大量的优点。灯亮度的设置是自动的，并且由于他们被植入固件，这些设置对于成分的变化和温度不敏感。所述控制系统可以补偿灯的老化和温度的变化。
本发明的另外一个优势是倒相器和灯系统能够被制造得高效率地运行，因为操作可以自动地适应变化的需求，其转化为施加给灯所需要的不同的电压。
本发明还具有的另外一个优势是降低背光系统的成本及功耗。
附图说明
参照附图，详细的本发明和其优选实施例将可以得到进一步的理解。
图1是一个典型的倒相器和灯电路(100)。
图2所示为大型LCD屏幕系统的背光组件(200)。
图3所示为本发明的装置的一个实施例(300)。
图4所示为在数字控制系统中使用的方法的一个实施例(400)。
图5所示为制造测试和灯光强度校准(500)。
具体实施方式
装置
数字控制系统的一个实施例显示在图3中。该系统被显示为驱动4个荧光灯，但是，其概念可以被扩展到更多个灯。倒相控制器101已经被一个MCU 301所代替。该MCU包括数个脉宽调制器302，一个处理器303，一个A/D转换器304，一个模拟多路复用器305，一个温度传感器306，一个用于与主机或者LCD控制器通讯的I/O 307，ROM和RAM308。该MCU 301是一个包含一个模拟多路复用器305和一个A/D转换器304的复合信号集成电路。
另外，该装置包含电流控制电路309-312，用于控制流经灯313-316的AC电流。这些电路包含一组无源元件和有源元件。这些电路在MCU301的控制下被转换，在某种程度上将改变整个灯电路阻抗。整个灯电路阻抗的改变将导致灯电流的变化。电流控制电路309-312的第二种工作方式是利用一个PWM信号按指定的工作循环连续地接通和切断电路。PWM 302以比AC信号321的频率低得多的频率进行转换。典型地，AC 321会在50KHz的范围内。各个灯的PWM将以大约100赫兹到几千赫兹的频率范围内转换。为PWM设定较低的重复频率，目的是避免灯的可见闪烁。
PWM的工作循环将由电路的阻抗特性来确定。另外，电阻器317-320被用于感应通过各个灯的电流。321的次级电压的大小通过MCU 301中的嵌入代码来确定。电压感应电阻器322，323提供控制系统使用的必要的反馈，从而设定次级电压。该装置能够执行传统模拟控制器的所有功能。另外，该装置可以提供多个传感器输入和多个数字和模拟输出。这些模拟和数字输入和输出保证了通过该装置数字控制系统能够驱动背光系统。
方法
该操作方法的一个实施例表示在图4中。该控制过程400以一个加电条件开始401。在下一步中，系统检测标记条件。如果包含在固件中的标记被设定，它表明要执行制造测试。I/O 307能够设置该标记。如果制造测试被执行，则固件进而执行灯测试和灯亮度的校准。另外，几个额外的参数被输入到码中，用来确定背光系统的特定的特性。如果标记被重置或者如果制造测试被完成，则系统进而确定初始条件404。初始条件通过温度的初始测量和对应于当前温度和灯的种类的击穿电压的计算来确定。用于控制特定背光系统的校准值取自于非易失性存储器。
灯打开和操作程序411包含下列步骤：
a)作为初始化405的部分，倒相器时钟与LCD控制器时钟同步。
b)电流控制电路309-312被设定为额定值。
c)应用额定击穿电压使倒相器开始运作。
d)反馈被获得406。
e)检测灯408，校验是否所有的灯都已打开。
f)如果所有的灯仍没有打开，在执行过电压检测的407步，倒相器输出被增加。
g)一旦灯被打开，在409步，伺服控制被激活。灯电流，电压和光亮度被维持在按照伺服算法和反馈信号所确定的值。
h)在410步，灯参数被监视，以提供连续的反馈和恰当的动作。
i)伺服控制不断的活动。
校准的图解显示在图5中。该过程如下：
a)为一个灯设置倒相器为额定值。
b)一次打开一个灯。
c)为校准的目的自动地对电流电压和发出的光进行测量并且进行记录。
上述的装置和方法的其它实施例可以被应用于由其它种类的发光设备，诸如LEDs、EEFL光和等离子显示系统，组成的其它发光系统。

Claims (22)

1、一种在显示器的背光系统中使用的装置，包括：
产生次级电压(321)的倒相器；
感应倒相器反馈的电压感应电阻器(322，323)；
电流控制电路(309-312)；以及
连接到电流控制电路(309-312)的微控制器单元(301)，其包括：
脉宽调制器(302)，用于在微控制器单元(301)的控制下开关电流控制电路(309-312)；及
A/D转换器(304)，连接到电流控制电路(309-312)，结合作为背光系统的数字控制系统。
2、根据权利要求1所述的装置，所述微控制器单元包括一个复合信号集成电路，所述复合信号集成电路包括连接到A/D转换器(304)的模拟多路复用器(305)。
3、根据权利要求1所述的装置，其中背光系统包括一个或者多个冷阴极荧光灯(CCFL)。
4、根据权利要求1所述的装置，其中背光系统包括一个或者多个外置电极荧光灯(EEFL)。
5、根据权利要求1所述的装置，其中背光系统包括一个或者多个发光二级管(LED)。
6、根据权利要求1所述的装置，其中背光系统包括等离子显示系统。
7、根据权利要求1所述的装置，其中背光系统包括一个或者多个发光装置。
8、一种在显示器的背光系统中使用的装置，包括：
产生次级电压(321)的倒相器；
感应倒相器反馈的电压感应电阻器(322，323)；及
微控制器单元(301)，连接到倒相器，从而响应倒相器的反馈以控制倒相器的功能。
9、根据权利要求8所述的装置，微控制器单元(301)包括一个复合信号集成电路，所述复合信号集成电路包括连接到电压感应电阻器(322，323)的模拟多路复用器(305)。
10、一种嵌入到微控制器单元的固件中的LCD背光系统的操作方法，包含以下步骤：
设定电流控制电路(309-312)为额定值；
从倒相器产生次级电压(321)；
感应次级电压(321)的反馈；及
按照通过改变电流控制电路(309-312)的输出所获得的反馈信号执行闭环伺服控制(409)来维持一个光亮度值。
11、根据权利要求10所述的方法，进一步包括通过改变灯电路的阻抗路径来控制流过灯的电流。
12、一种嵌入到微控制器单元的固件中的背光控制系统的操作方法，包含以下步骤：
设定电流控制电路(309-312)为额定值；
从倒相器产生次级电压(321)；
感应次级电压(321)的反馈；及
按照通过改变电流控制电路(309-312)的输出所获得的反馈信号执行闭环伺服控制(409)来维持一个光亮度值。
13、根据权利要求12所述的方法，其中背光系统包括一个或者多个冷阴极荧光灯(CCFL)。
14、根据权利要求12所述的方法，其中背光系统包括一个或者多个外置电极荧光灯(EEFL)。
15、根据权利要求12所述的方法，其中背光系统包括一个或者多个发光二级管(LED)。
16、根据权利要求12所述的方法，其中背光系统包括液晶显示系统。
17、根据权利要求12所述的方法，其中背光系统包括一个或者多个发光装置。
18、根据权利要求12所述的方法，包括从光传感器获得反馈信号。
19、根据权利要求12所述的方法，包括从电流反馈获得反馈信号。
20、一种嵌入到微控制器单元的固件中的背光控制系统的操作方法，所述背光控制系统包括：连接到次级电压(321)的反馈的模拟多路复用器(305)；连接到模拟多路复用器(305)的A/D转换器(304)；及连接到A/D转换器(304)的微控制器单元(301)，用以设置次级电压(321)，
所述操作方法包含以下步骤：
从倒相器产生次级电压(321)；
感应次级电压(321)的反馈；及
按照获得的反馈和伺服算法来维持一个光亮度值。
21、根据权利要求20所述的方法，进一步包括用同一次级电压(321)驱动几个灯的步骤。
22、根据权利要求20所述的方法，进一步包括使用反馈信息补偿灯的老化和调节倒相器及/或电流控制电路的步骤。
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