DE10201280A1

DE10201280A1 - Temperaturkompensierter paralleler LED Steuerschaltkreis

Info

Publication number: DE10201280A1
Application number: DE10201280A
Authority: DE
Inventors: Pauf F L Weindorf
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: GB2374990B; GB2374990A; GB0200652D0; DE10201280B4; US20020135572A1; US6717559B2

Abstract

Eine Leuchtdioden-Ansteuerschaltung stellt für jede der Vielzahl paralleler Leuchtdioden einen im Wesentlichen einheitlichen Strom bereit, wodurch die Leuchtdioden jeweils im Wesentlichen die gleiche Helligkeit aufweisen. Ein optionaler Steuerschaltkreis steuert den Stromfluss als eine Funktion eines externen Steuersignals. Optionale Temperatur-Herabsetzungsschaltkreise stellen die Intensität der Leuchtdioden als eine Funktion einer gemessenen Temperatur ein. Die gemessene Temperatur kann extern über ein Temperaturausgangssignal bereitgestellt werden. Die Leuchtdioden-Ansteuerschaltung kann besonders für Anwendungen im Automobilbereich angepasst sein.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG

Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der US-vorläufigen Anmeldung Nr. 60/261760, eingereicht am 16. Januar 2001, mit dem Titel "AMLCD LED Backlighting Navigation Radio Display".

HINTERGRUND

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Leuchtdioden-("LED")Ansteuer schaltungen und insbesondere die Gebiete der stromgesteuerten LED-Ansteuerschaltungen und der temperaturkompensierten LED-Ansteuerschaltungen.

Die Hintergrundbeleuchtung für Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigen (active matrix liquid crystal displays, "AMLCD") verwendet typischerweise eine Kaltkathoden-Fluoreszenzlam pen-(cold cathode fluorescent lamp, "CCFL")Vorrichtung. CCFL-Vorrichtungen neigen dazu, eine große Hintergrundbeleuchtungsleistungsfähigkeit aufzuweisen. CCFL-Vorrichtun gen weisen zahlreiche Nachteile auf. Beispielsweise können CCFL-Vorrichtungen Quecksil ber enthalten, eine äußerst gefährliche Substanz, die für viele AMLCD-Anwendungen ver boten worden ist. CCFL-Vorrichtungen können eine schlechte Leistungsfähigkeit bei niedri geren Temperaturen aufweisen, was zusätzliche Schaltungen nötig macht, wie ein Heizele ment oder einen Verstärkungsstromschaltkreis. CCFL-Vorrichtungen können eine nichtline are Leistungsfähigkeitskurve in Bezug auf die Temperatur aufweisen. CCFL-Vorrichtungen können einen Inverter erfordern, um die CCFL-Vorrichtung anzusteuern. CCFL-Vorrichtun gen können komplexe Steuerkonfigurationen erfordern, einschließlich Photodetektoren und Temperaturfühler, um angemessene Dimmerverhältnisse für den Nachtbetrieb bereitzustel len. CCFL-Vorrichtungen können eine kurze Lebensdauererwartung aufweisen, besonders bei niedrigeren Betriebstemperaturen, und können eine zusätzliche Abschirmung für elek tromagnetische Störung (electro-magnetic interference, "EMf") sowie elektrisches Filtern erfordern.

Alternativen zu CCFL-Vorrichtungen für die Hintergrundbeleuchtung einer AMLCD schließen auf Xenon basierende Vorrichtungen ein. Schaltkreise mit auf Xenon basierender Hinter grundbeleuchtung enthalten kein Quecksilber, weisen eine bessere Tieftemperatur-Lebens dauererwartung und bessere Tieftemperatur-Betriebsdaten auf und weisen eine geringere Phosphorzersetzung als CCFL-Vorrichtungen auf. Xenonlampen sind jedoch häufig relativ teuer und erfordern komplexe Steuerschaltungen. Xenonlampen weisen eine geringe Leis tungsfähigkeit auf. Beispielsweise kann eine Xenonlampe mit dem doppelten Durchmesser lediglich die Hälfte der Helligkeit einer auf Quecksilber basierenden CCFL-Lampe bereitstel len. Da die Leistungsfähigkeit der Xenonlampe geringer sein kann als die Hälfte der Leis tungsfähigkeit einer CCFL-Lampe, schafft die zusätzliche Leistung, die gebraucht wird, um einen auf Xenon basierenden Schaltkreis mit Strom zu versorgen, ein Problem hinsichtlich des Stromverbrauchs. Während Xenonlampen viele der Probleme der CCFL-Lampentech nologie korrigieren, schafft die Xenonlampentechnologie viele neue Probleme. Es besteht daher ein Bedarf auf dem LCD-Gebiet, eine neue und brauchbare Hintergrundbeleuchtungs vorrichtung und -ansteuerschaltung zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein Leuchtdioden-Ansteuerschaltung stellt für jede einer Vielzahl paralleler Leuchtdioden einen im Wesentlichen einheitlichen Strom bereit, wodurch die Leuchtdioden jeweils im Wesentlichen die gleiche Helligkeit aufweisen. Ein optionaler Steuerschaltkreis steuert den Stromfluss als eine Funktion eines externen Steuersignals. Optionale Temperatur-Herabset zungsschaltkreise stellen die Intensität der Leuchtdioden als eine Funktion einer gemesse nen Temperatur ein. Die gemessene Temperatur kann extern über ein Temperaturaus gangssignal bereitgestellt werden. Die Leuchtdioden-Ansteuerschaltung kann insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich angepasst sein.

Die vorstehende Diskussion diente lediglich der Einführung. Nichts in diesem Abschnitt soll als eine Einschränkung der nachfolgenden Ansprüche betrachtet werden, die den Schutz umfang der Erfindung definieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Die Beto nung liegt stattdessen auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. Überdies bezeich nen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.

Fig. 1 stellt einen Schaltplan eines Leuchtdiodenschaltkreises einer Ausführungsform der Erfindung dar.

Fig. 2 stellt eine Ausführungsform einer Anzeige dar, die eine Flüssigkristallanzeige und eine LED-Anordnung mit Hintergrundbeleuchtung einschließt.

Fig. 3 stellt eine zweite Ausführungsform einer Anzeige dar.

Fig. 4 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Anzeige dar, die einen LED- Schaltkreis und eine LCD einschließt.

Fig. 5 stellt eine dritte Ausführungsform einer Anzeige dar, die einen LED-Schaltkreis und eine LCD einschließt.

Fig. 6 stellt eine vierte Ausführungsform einer Anzeige dar, die einen LED-Schaltkreis und eine LCD einschließt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG A. DEFINITIONEN

AMLCD - Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige (Active Matrix Liquid Crystal Display).
CCFL - Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (Cold Cathode Fluorescent Lamp).
CCFL inverter - Ein Schaltkreis, der die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom bereitstellt, um die Lichtausgabe einer CCFL auf geeignete Weise zu steuern.
IRDA - Infrarot-Datenverbindung (Infrared Data Association).
LCD - Fllüssigkristallanzeige (Liquid Crystal Display).
EDR - Angereicherter diffuser Reflektor (Enhanced Diffuse Reflector). LED - Leuchtdiode (Light Emitting Diode).
Lumen - Eine Einheit der Lichtleistung, die für das menschliche Auge nutzbar ist und die als die spektrale Lichtleistung für monochromatisches Licht bei der maximalen sichtbaren Ansprechwellenlänge von 555 nm definiert ist.
NIT - Eine Einheit der Bildhelligkeit für reflektiertes, durchgelassenes oder von einer streu enden Oberfläche ausgesendetes Licht.
PWM - Pulsbreitenmodulation (Pulse Width Modulation).

B. EINFÜHRUNG

Die verbesserte LED-Ansteuerschaltung stellt eine Hintergrundbeleuchtung für AMLCDs mit zahlreichen LEDs bereit, wodurch viele der mit CCFL- und Xenon-Systemen verbundenen Probleme eliminiert werden. Die verbesserte LED-Ansteuerschaltung stellt ferner eine ver besserte LED-Steuerung für andere Anwendungen bereit. Die LEDs sind parallel geschaltet und sind stromversorgt, um Helligkeitsschwankungen zwischen den LEDs zu reduzieren. Die LEDs sind mit Masse verbunden, um einen besseren thermischen Pfad bereitzustellen, um Wärme von den LEDs abzuleiten, und um die Verbindungstemperaturen zu reduzieren und auszugleichen. Mit dem Steuerschaltkreis wird eine maximale LED-Helligkeit erreicht. Der verbesserte LED-Schaltkreis arbeitet bei einer geringeren Versorgungsspannung als her kömmliche Systeme. Ein Weißabgleich zwischen roten, grünen und blauen LEDs wird erreicht, indem geeignete Stromquellen-Emitterwiderstände ausgewählt werden. Die verbes serte LED-Ansteuerschaltung kann aufgrund einer Konfiguration mit einer einzigen Steuer leitung und einer verteilten Stromquelle auf einer dünneren Leiterplatte oder einer flexiblen Platte implementiert werden. Der von den CCFL-Vorrichtungen benötigte komplexe Inverter wird eliminiert. Ein Temperatursignal wird bereitgestellt, das einen Softwareimplementierten Abgleich des Eingangssignals erlaubt, um eine konstante LED-Helligkeit bei verschiedenen Verbindungstemperaturen zu halten und die LEDs unterzubelasten, um die Lebensdauerer wartung der LEDs zu verlängern. Ein Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis verlängert die Lebensdauererwartung der LEDs, indem die LEDs automatisch unterbelastet werden oder indem die LEDs abgeschaltet werden.

Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung auf diese bevorzugten Ausführungsformen zu beschränken, sondern dient vielmehr dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden.

C. DER LEUCHTDIODENSCHALTKREIS

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform eines LED-Schaltkreises 100 dar. Der LED-Schaltkreis 100 kann eine parallele LED-Anordnung 102, einen Stromquellenschaltkreis 104, einen Steuerschaltkreis 106, einen optionalen Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis 108 und einen optionalen Temperaturüberwachungsschaltkreis 110 einschließen.

Die parallele LED-Anordnung 102 schließt eine Vielzahl von LEDs D2, D3 und Dn ein, die parallel geschaltet sind. Die LEDs können weiße oder farbige LEDs sein, wie z. B. rote, grüne und blaue LEDs, andere farbige LEDs oder eine Kombination verschiedener Arten von LEDs. Die mit "Dn" bezeichnete LED stellt die n-te LED dar, wobei n die gesamte Anzahl von Dioden ist. Obwohl Fig. 1 lediglich drei LEDs in der LED-Anordnung 102 darstellt, kann die LED-Anordnung 102 jedwede Anzahl von LEDs aufweisen, beispielsweise 2 bis 1000 LEDs für einige Anwendungen und weitaus mehr LEDs, wie z. B. 50000, für andere Anwendun gen. Es gibt keine Grenze für die Anzahl an LEDs, die in der LED-Anordnung 102 liegen könnte. Jede zusätzliche LED weist entsprechende Stromquellentransistoren und Emitterwi derstände in einer ähnlichen Konfiguration wie die Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn und die Emitterwiderstände R7, R8 und Rn auf.

Die LEDs D2, D3 und Dn können jeweils separat mit Strom versorgt werden, um eine gleichbleibende LED-Helligkeit bereitzustellen. Dies eliminiert die meisten Helligkeits schwankungen, die durch LED-Durchlassspannungsschwankungen verursacht werden. Die Kathodenanschlüsse jeder der LEDs D2, D3 und Dn sind mit der Masse an einem Masse knoten verbunden. Die gemeinsame Masseverbindung kann mit einer Wärmesenke verbun den sein, um Wärme weg von den LEDs abzuführen. Der Anodenanschluss der LEDs D2, D3, Dn stellt eine Verbindung mit den Stromquellentransistoren Q3, Q4, Qn her. Indem der Kathodenanschluss der parallelen LEDs D2, D3 und Dn mit der Masse verbunden wird, wird ein besserer wärmeleitender Pfad hergestellt, der die LED-Sperrschichttemperatur reduziert und die Sperrschichttemperatur unter den parallelen Dioden ausgleicht. Da die Lichtstärke einer LED dramatisch abfällt, wenn die Sperrschichttemperatur ansteigt, trägt der Ausgleich der Sperrschichttemperatur dazu bei, eine gleichförmigere Helligkeit unter den LEDs D2, D3 und Dn zu halten.

Der Stromquellenschaltkreis 104 versorgt die LED-Anordnung 102 mit im Wesentlichen ein heitlichem Strom an jede LED D2, D3 und Dn. Da die Helligkeit einer LED direkt mit dem Strom in Beziehung steht, der durch die LED fließt, erlaubt eine genaue Steuerung des LED- Stroms ein(e) angemessene(s) LED-Betriebsverhalten und -Lebensdauererwartung. Die Anodenanschlüsse der LEDs D2, D3 und Dn sind mit einem Kollektoranschluss des jeweili gen Stromquellentransistors Q3, Q4 und Qn verbunden. Ein gemeinsamer Regelungsknoten verbindet die Basisanschlüsse der Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn. Die Emitteran schlüsse der Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn sind mit der Versorgungsspannung über einen Emitterwiderstand R7, R8 bzw. Rn verbunden. Die Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn können im Wesentlichen identische Kenndaten aufweisen. Daher wird die Kenn linie der Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn in Bezug auf verschiedene Kollektor ströme ("Ic") und Basis-Emitterspannungen (Vbe) im Wesentlichen ähnlich sein, da die Transistortemperaturen im Wesentlichen identisch sein werden. Die Basisanschlüsse der Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn sind mit einem gemeinsamen Regelungsknoten 154 verbunden.

Die Emitterwiderstände R7, R8 und Rn reduzieren Schwankungen in dem Strom von den Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn weiter. Daher behalten die parallelen LEDs D2, D3 und Dn eine gleichbleibende Helligkeit bei. Die Emitterwiderstände R7, R8 und Rn können vorzugsweise im Wesentlichen identische Kenndaten aufweisen. Sind die LEDs D2, D3 und Dn weiße LEDs, können die Emitterwiderstände R7, R8 und Rn 0,1 bis 1000-Ohm-Wider stände sein. Die Emitterwiderstände R7, R8 und Rn weisen vorzugsweise einen geringen Widerstand auf, wie z. B. 5 Ohm. Werden Farbdioden durch den Stromquellenschaltkreis 104 angesteuert, kann der Wert der Emitterwiderstände R7, R8 und Rn ausgewählt sein, um ein unterschiedliches gewünschtes Stromniveau für jede LED zu erreichen, um einen kor rekten Weißabgleich zu erreichen.

Der Steuerschaltkreis 106 stellt einen Fehlertoleranzschutz bereit, wenn eine oder mehrere LEDs in der LED-Anordnung 102 ausfallen. Eine LED kann durch einen Kurzschluss oder eine Stromkreisunterbrechung ausfallen. Fällt eine LED durch eine Stromkreisunterbrechung aus, trennt die LED den Kollektoranschluss des Stromquellentransistors. Fällt eine LED durch einen Kurzschluss aus, verbindet die LED den Kollektoranschluss des Stromquellen transistors mit der Masse. Derartige LED-Ausfälle neigen dazu, sich auf die Spannung an dem gemeinsamen Regelungsknoten 154 der Stromquellentransistoren auszuwirken. Der Steuerschaltkreis 106 stabilisiert die Spannung an dem gemeinsamen Basisknoten über eine Rückkopplungsschaltung. Ist die Spannung an dem gemeinsamen Basisknoten stabil, werden die verbleibenden LEDs weiter auf dem vorgeschriebenen Niveau angesteuert.

Der Transistor Q2 und die Zener-Diode D1 stellen eine Anschlussleistungsabführung (load dumping) bereit, wenn eine LED durch Stromkreisunterbrechung ausfällt. Der Strom, der durch die LED gegangen wäre, wird zum Basisanschluss des Stromquellentransistors umgeleitet, der mit der LED verbunden ist, deren Stromkreis unterbrochen ist. Dieser zusätzliche Strom wird von dem Transistor Q2 empfangen und durch die Zener-Diode D1 abgeführt. Die Anzahl der LEDs, die durch Stromkreisunterbrechung ausfallen können, wäh rend der LED-Schaltkreis 100 betriebsbereit bleibt, ist durch die Nennleistung des Transis tors Q2 und der Zener-Diode D1 beschränkt. Beispielsweise erlaubt eine Zener-Diode D1 mit einer herabgesetzten Leistungsgrenze von 500 mW vier offene LEDs. Ein Widerstand oder eine andere Vorrichtung können alternativ anstelle der Zener-Diode D1 verwendet wer den.

Ein LED-Ausfall durch einen Kurzschluss ist ein unwahrscheinlicher Ausfall. Wenn jedoch eine LED kurzgeschlossen wird, beliefert der mit dieser LED verbundene Stromquellentran sistor die kurzgeschlossene LED weiter mit dem gleichen Strom wie die anderen LEDs. Die Helligkeit der anderen LEDs wird daher durch die kurzgeschlossene LED nicht beeinflusst.

Ein Vergleichs-Stromquellenschaltkreis (sample current source circuit) 112 schließt einen Transistor Q1 und einen Widerstand R2 ein, die Kenndaten aufweisen, die im Wesentlichen zu denen der Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn und der Emitterwiderstände R7, R8 und Rn ähnlich sind. Indem die Kenndaten des Stromquellenschaltkreises gespiegelt wer den, kann der Strom durch den Vergleichs-Stromquellenschaltkreis 112 überwacht werden, um den Strom abzuschätzen, der durch die LEDs fließt. Der Vergleichs-Stromquellenschalt kreis 112 stellt einen Strom bereit, der im Wesentlichen dem Strom entspricht, der durch jede der LEDs D2, D3, Dn fließt. Der Vergleichsstrom wird durch einen Widerstand R3 in eine Referenzspannung umgewandelt. Der Vergleichs-Stromquellenschaltkreis 112 elimi niert den Bedarf nach einer zusätzlichen Schaltung, um den tatsächlichen Strom durch die LEDs D2, D3, Dn zu messen. Der Vergleichs-Stromquellenschaltkreis 112 erlaubt den Kathoden der LEDs D2, D3, Dn, mit dem Masseknoten anstatt mit der Vergleichsschaltung verbunden zu werden. Der Widerstand R1 stellt eine Verschiebung bereit, um sicherzustel len, dass die LEDs vollständig ausgeschaltet werden können, sogar mit einer geringen Aus gangsspannung an dem Knoten 150, die üblicherweise PWM-Steuereinrichtungen zugeord net ist.

Der Steuerschaltkreis 106 verwendet einen Strom-Rückkopplungsschaltkreis, um den Strom an die parallelen LEDs genauer zu steuern. Die zusätzliche Steuerung erlaubt den parallelen LEDs, näher an ihrer maximalen Nennleistung betrieben zu werden, welche dort liegt, wo die LEDs am hellsten sind. Der Fehlerverstärker U1 des Schaltkreises 106 kann konfiguriert werden, um eine bandbreitenbegrenzende Funktion bereitzustellen, die Stromstöße hoher Änderungsrate eliminiert. Diese Eliminierung reduziert elektromagnetische Störungs-(EMI) Emissionen oder unterdrückt diese vollständig.

Der Fehlerverstärker U1, ein Operationsverstärker, arbeitet typischerweise in einem linearen Arbeitsbereich. Der Eingang an den Fehlerverstärker U1 empfängt eine spannungsgeteilte Ausgabe von dem Operationsverstärker U2. Die Ausgangsspannung von dem Operations verstärker U2 wird durch den Spannungsteiler geteilt, der durch die Widerstände R4 und R5 ausgebildet ist.

Der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis 108 setzt den Strom an die LED-Anordnung 102 herab, wenn die Temperatur ansteigt, um die Lebensdauererwartung der LEDs zu verlän gern. Der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis 108 ist mit dem Steuerschaltkreis 106 und einem Intensitätseingangsknoten 150 verbunden. Die Eingangsspannung von dem Operati onsverstärker U2 steuert die Helligkeit der LED-Anordnung 102. Der Operationsverstärker U2 ist wie ein Differenzverstärker konfiguriert, wobei die Verhältnisse der Widerstände des Operationsverstärkers im Wesentlichen ausgeglichen sind, d. h. R12/R11 = R10/R9. Sind die Verhältnisse der Widerstände R12/R11 und R10/R9 des Operationsverstärkers im Wesentli chen gleich 1, ist die Differenzverstärkung des Operationsverstärkers U2 im Wesentlichen 1. Liegt der Ausgang des Operationsverstärkers U4 im Wesentlichen an Masse während eines nicht-herabsetzenden Zustands, feitet der Operationsverstärker U2 das Eingangssignal von dem Eingangsknoten 150 mit der durch die Widerstandsverhältnisse festgelegten Verstär kung, die eine Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor 1 sein kann. Das Intensitätsniveau signal kann eine konstante Gleichspannung, ein Pulsbreiten-moduliertes Signal oder eine andere Art von Signal sein.

Der herabsetzende Operationsverstärker U4 arbeitet üblicherweise in einem Schiene-zu- Schiene-(rail-to-rail)Modus. Arbeitet die LED-Anordnung 102 in einem normalen Betriebs temperaturbereich, liegt der Ausgang des herabsetzenden Operationsverstärkers U4, der als das Temperatur-Herabsetzungsniveau bekannt ist, im Wesentlichen an Masse. Steigt die Temperatur der LED-Anordnung 102 an, steigt das Temperatur-Herabsetzungsniveau an, nachdem eine vorbestimmte LED-Schwellenwerttemperatur erreicht ist. Da der thermische Widerstand RT1 mit der gleichen Masse und vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zu der LED-Anordnung 102 verbunden ist, ändert sich der Widerstand des thermischen Wider stands RT1 als eine Funktion der Temperatur des Lötmetalls nahe den Kathodenanschlüs sen der LEDs D2, D3 und Dn. Der thermische Widerstand RT1, der auch als ein Tempera turmessfühler bezeichnet wird, weist einen Widerstand auf, der sich als eine Funktion einer gemessenen Temperatur ändert. Beispielsweise kann der thermische Widerstand RT1 ein Modell KT230 sein, das von Infineon Technologies AG erhältlich ist. Das Modell KT230 ist ein temperaturabhängiger Widerstand mit Widerstandstoleranzen von ± 3% bei 1000 Ohm, einem Temperaturbereich von -50°C bis +150°C, und ist erhältlich in SMD- oder mit Anschlussdrähten versehenen oder kundenspezifischen Gehäusen. Das Modell KT230 weist einen linearen Ausgang, einen positiven Temperaturkoeffizienten, eine Langzeitstabilität, eine schnelle Ansprechzeit auf und ist aufgrund symmetrischer Konstruktion polaritätsunab hängig. Andere, herkömmlich erhältliche Temperaturmessfühler, wie z. B. die Modelle LM135 und LM50 von National Semiconductor, Inc., können auch verwendet werden.

Der Operationsverstärker U2 empfängt eine höhere Ausgangsspannung von dem herabset zenden Operationsverstärker U4 durch den Widerstand R11. Die Ausgangsspannung von dem herabsetzenden Operationsverstärker U4 wirkt als eine negative Verschiebung zu der Eingangsspannung an dem Eingangsknoten 150. Indem die Ausgangsspannung des Ope rationsverstärkers U2 reduziert wird, erhöht der Fehlerverstärker U1 seine Ausgangsspan nung, die bewirkt, dass die Spannung an dem gemeinsamen Basisknoten 154 erhöht wird. Dies führt dazu, dass die Stromquellentransistoren Q3, Q4 und Qn weniger Strom durch die LED-Anordnung 102 fließen lassen. Die LEDs D2, D3 und Dn nehmen dann in ihrer Hellig keit ab, wenn die Temperatur ansteigt. Beispielsweise beträgt der Ausgang des Operations verstärkers U2 3,5 V, wenn die Eingangsspannung an dem Eingangsknoten 150 5 V Gleich spannung und das Temperatur-Herabsetzungsniveau 1,5 V beträgt. Der Temperatur-Herab setzungsschaltkreis 108 kann die LED-Anordnung 102 ausschalten, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert erreicht.

Der Temperatur-Überwachungsschaltkreis 110 stellt ein Temperaturausgangssignal an einem Ausgangsknoten 152 bereit, das eine Temperatur anzeigt, die zu der LED-Anordnung 102 gehört. Das LED-Temperaturausgangssignal kann eine Funktion der LED-Temperatur sein, wie sie durch den thermischen Widerstand RT1 gemessen wird. Der thermische Widerstand RT1 kann für den Temperatur-Überwachungsschaltkreis 110 und den Tempe ratur-Herabsetzungsschaltkreis 108 verwendet werden. Der Temperatur-Überwachungsver stärker U3 überwacht eine Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Spannungsteiler- Schaltkreis R19 und R20 und einem zweiten Spannungsteiler-Schaltkreis R17 und RT1, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die zu der LED-Temperatur proportional ist. Der Ausgang des Temperatur-Überwachungsverstärkers U3 ist mit dem Ausgangsknoten 152 verbunden. Der Temperatur-Überwachungsausgang 152 kann von einer externen Steuerein richtung verwendet werden, um das Ansteuerungsniveau zu dem Eingang 150 abzuglei chen, um LED-Bildhelligkeitsveränderungen als eine Funktion der Temperatur zu kompen sieren.

Der Eingangsknoten 150 des LED-Schaltkreises 100 kann ein Eingangssignal von einem Mikroprozessor oder einer anderen Steuereinrichtung empfangen. Das Eingangssignal kann ein pulsbreitenmoduliertes ("PWM") Signal, ein Gleichspannungssignal oder eine andere Art von Signal sein. Ein PWM-Eingangssignal steuert die Intensität der LED auf der Basis des Tastverhältnisses (duty cycle) und/oder des Spannungsniveaus des Eingangssignals. Im Allgemeinen werden die LEDs D2, D3 und Dn heller, wenn das Tastverhältnis des Ein gangssignals ansteigt. Ein Gleichspannungs-Eingangssignal steuert die Intensität der LED auf der Basis des Spannungsniveaus des Eingangssignals. Im Allgemeinen werden die LEDs D2, D3 und Dn heller, wenn das Spannungsniveau am Eingangsknoten 150 ansteigt.

Der LED-Schaltkreis 100 kann mit einer Versorgungsspannung von 1 V bis 15 V arbeiten. Vorzugsweise arbeitet jener bei ungefähr 5 V. Da der LED-Schaltkreis 100 eine parallele LED-Anordnung 102 einschließt, ist ein Hochleistungsumformer und eine höhere Versor gungsspannung, die üblicherweise für serielle LED-Schaltkreise benötigt wird, nicht erforder lich. Der LED-Schaltkreis 100 kann ein bandbegrenzter Schaltkreis mit niedriger elektro magnetischer Störung sein, der durch die Werte von R4, R5, C3, R3 und C2 gesteuert wird.

D. BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORM DES LED-SCHALTKREISES

Der LED-Schaltkreis 100 aus Fig. 1 kann die in Tabelle 1 aufgezeigten Komponenten ein schließen. Andere Arten von Komponenten und Komponenten anderer Werte können ebenso in dem LED-Schaltkreis 100 verwendet werden, wie dies für den Fachmann ersicht lich sein wird.

Tabelle 1

E. ANWENDUNG DES LED-SCHALTKREISES

Fig. 2 stellt eine Anwendung des LED-Schaltkreises 100 (Fig. 1) in einer Anzeigeeinheit 200 dar, die eine Aktivmatrix-LCD 204 und eine Leiterplatte (printed wiring board) 222 ein schließt. Beispielsweise kann die AMLCD 204 eine 3,8"-AMLCD sein, erhältlich von Sharp Electronics Corporation. In einem Rahmen 210 sind wenigstens Abschnitte der Anzeigeein heit 200 untergebracht. Die LED-Anordnung 202 stellt eine Hintergrundbeleuchtung für die Aktivmatrix-LCD 204 über den Lichtleiter 206 bereit. Die LED-Steuerschaltung kann bei spielsweise den Stromquellenschaltkreis 104 (Fig. 1), den Steuerschaltkreis 106 (Fig. 1), den Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis 108 (Fig. 1) und den Temperatur-Überwa chungsschaltkreis 110 (Fig. 1) einschließen. Die LED-Steuerschaltung kann auf einer Lei terplatte 222 angeordnet sein. Die LED-Anordnung 202 kann sich auf der gleichen Leiter platte 208 wie die LED-Steuerschaltung befinden. Optional können die LED-Anordnung 102, die Stromquellen 104 und RT1 auf der PWB 222 angeordnet sein, während die restliche Schaltung, beispielsweise der Stromquellenschaltkreis 104, der Steuerschaltkreis 106, der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis 108 und der Temperatur-Überwachungsschaltkreis 110 auf einer zweiten Leiterplatte 208 angeordnet sein kann.

Andere Komponenten können hinzugefügt werden, um den Aufbau und die Wartung zu erleichtern, oder aus anderen Gründen mechanischen oder thermischen Ursprungs, wie z. B. die Wärmesenke 212. Die Anzeigeeinheit 200 kann für die Verwendung in einer Anwendung im Automobilbereich angepasst sein, wie z. B. einer Radioanzeige, einer Armaturenbrettan zeige, einer Navigationsanzeige, einer Klimaanlagenanzeige oder einer anderen Automobil anzeige, oder in einer anderen Anzeige wie z. B. einer Computeranzeige, einer PDA- Anzeige, einer Mobiltelefonanzeige, und in anderen Anzeigen.

Fig. 3 stellt eine Anwendung des LED-Schaltkreises 100 (Fig. 1) in einer Anzeigeeinheit 300 dar. In einem Metallrahmen 326 ist wenigstens ein Abschnitt der Anzeigeeinheit 300 untergebracht. Die LED-Anordnungen 316 und 324 sind auf der Leiterplatte 318 befestigt, die ferner den LED-Schaltkreis 100 einschließt. Das Licht von den LED-Anordnungen 316 und 324 wird von den Reflektoren 302 und 314 in den Lichtleiter 310 reflektiert. Ein optio naler Schirm 322, wie z. B. ein Metallschirm, kann zwischen die Leiterplatte 318 und den Lichtleiter 310 angeordnet werden. Ein angereicherter diffuser Reflektor ("EDR") 320 kann zwischen dem Metallschirm 322 und dem Lichtleiter 310 angeordnet sein. Der Lichtleiter 310 kann eine lichtextrahierende Oberfläche (light extracting surface) 312 einschließen. Das Licht von dem Lichtleiter 310 kann durch einen Diffusor 308 und einen refklektierenden Pola risator 306 durchgehen, bevor es die LCD 304 erreicht.

Fig. 4 stellt eine Ausführungsform einer Anzeige 400 dar, die einen LED-Schaltkreis 402 und eine LCD 404 einschließt. Die LCD 404 kann eine Aktivmatrix-LCD sein. Der LED- Schaltkreis 402 kann der LED-Steuereinrichtung 100 (Fig. 1) ähnlich sein. Der LED-Schalt kreis 402 kann eine LED-Anordnung 410 für die Hintergrundbeleuchtung der LCD 404, einen Stromregelungsschaltkreis 412 zum Regeln der Intensität der LED-Anordnung 410, einen Steuerschaltkreis 414, der auch Rückkopplungsschaltung genannt wird und der den Strom regelungsschaltkreis 412 steuert, einen Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis, der die Intensität der LED-Anordnung 410 als eine Funktion einer gemessenen Temperatur, bei spielsweise der Lötstellentemperatur an dem Kathodenanschluss der LEDs in der LED- Anordnung 410, einstellt, umfassen.

Eine optionale LED-Steuereinrichtung 406 steuert die Intensität der LED-Anordnung 410 durch Anlegen eines Eingangssignals an den Eingangsknoten 450. Die LED-Steuereinrich tung 406 kann ein Mikroprozessor oder eine andere Art von Steuereinrichtung sein. Die LED-Steuereinrichtung 406 kann ein Eingangssignal generieren, das ein pulsbreitenmodu liertes ("PWM") Signal, ein Gleichspannungssignal und/oder eine andere Art von Signal ein schließt. Ein PWM-Eingangssignal steuert die Intensität der LED auf der Basis des Tastver hältnisses und/oder des Spannungsniveaus des Eingangssignals. Im Allgemeinen wird die LED-Anordnung 410 heller, wenn das Tastverhältnis des Eingangssignals ansteigt. Ein Gleichspannungseingangssignal steuert die Intensität der LED auf der Basis des Span nungsniveaus des Eingangssignals. Im Allgemeinen wird die LED-Anordnung 410 heller, wenn das Spannungsniveau am Eingangsknoten 450 ansteigt.

Optional kann die LED-Steuereinrichtung 406 das Temperaturausgangssignal an dem Aus gangsknoten 452 überwachen und das Intensitätssignal an den Eingangsknoten 450 als eine Funktion des Temperaturausgangssignals abgleichen. Sobald das Temperaturaus gangssignal einen Anstieg in der Temperatur der LED-Anordnung 410 anzeigt, kann die LED-Steuereinrichtung 406 das Eingangssignal erhöhen, um die Ansteuerung der LED- Anordnung 410 zu erhöhen, wodurch eine gleichbleibende LED-Bildhelligkeit beibehalten wird. Die LED-Steuereinrichtung 406 kann ein Softwaremodul einschließen, das die LED- Temperatur überwacht und die LEDs als eine Funktion der LED-Temperatur unterbelastet.

Fig. 5 stellt eine dritte Ausführungsform einer Anzeige 500 dar, die einen LED-Schaltkreis und eine LCD einschließt. Die Anzeige 500 schließt einen Rahmen 502 und 530 ein, eine AMLCD 504, einen reflektierenden Polarisator 506, einen Diffusor 508, einen Lichtleiter 510, einen angereicherten gerichteten Reflektor (enhanced specular reflector, ESR) 512, eine erste Leiterplatte 520, einen Satz von Seiten-LED-Anordnungen 522, einen LED-Steuerein richtungsschaltkreis 524, eine zweite Leiterplatte 526, eine lichtextrahierende Oberfläche 532 sowie ein wärmeleitendes Haftmittel (pressure sensitive adhesive) 534. Der LED-Steu erschaltkreis 524 ist mit einer ersten Seite der zweiten Leiterplatte 526 verbunden und die LED-Anordnung 522 ist mit der gegenüberliegenden Seite verbunden. Das wärmeleitende Haftmittel 534 kann das Bergquist Bond Ply (tm) 100 sein, das von der Bergquist Company, 18930 West 78th Street, Chanhassen, Minnesota 55317, erhältlich ist.

Fig. 6 stellt eine vierte Ausführungsform einer Anzeige 600 dar, die einen LED-Schaltkreis und eine LCD einschließt. Die Anzeige 600 schließt einen Rahmen 610 und 638 ein, eine AMLCD 612, einen reflektierenden Polarisator 614, einen Diffusor 616, einen Lichtleiter 618, einen angereicherten gerichteten Reflektor (ESR) 620, eine erste Leiterplatte 632, eine LED- Anordnung 630, einen LED-Steuerschaltkreis 634, eine zweite Leiterplatte 636, ein wärme leitendes Haftmittel 640 sowie eine lichtextrahierende Oberfläche 642. Die zweite Leiterplatte 636 kann dünner sein als die erste Leiterplatte 632. Die zweite Leiterplatte 636 ist über das wärmeleitende Haftmittel 640 thermisch mit dem Rahmen 610 verbunden. Der ESR 620 kann in einem Winkel von etwa 45° liegen, um das Licht von der LED 630 derart zu reflektie ren, dass eine Seiten-LED nicht erforderlich ist. Der Rahmen 610 bildet einen Lichthohlraum (light cavity) aus, der den Lichtleiter 618, den ESR 620, die LED-Anordnung 630 sowie den Diffusor 616 enthält. Optional schließt der Lichthohlraum ferner die zweite Leiterplatte 636 ein.

Wie der Fachmann der vorstehenden Beschreibung und den Figuren und Ansprüchen ent nehmen kann, können Modifikationen und Änderungen an den bevorzugten Ausführungs formen der Erfindung vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, der in den nachstehenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Leuchtdioden-Vorrichtung, umfassend:
eine Vielzahl von Leuchtdioden, die jeweils einen Anoden- und Kathodenanschluss aufweisen; und
einen Stromquellenschaltkreis, der eine Vielzahl von Stromquellentransistoren umfasst;
wobei die Leuchtdioden parallel geschaltet sind, so dass der Anodenanschluss jeder Leuchtdiode mit einem unterschiedlichen Stromquellentransistor leitend verbunden ist und der Kathodenanschluss jeder Leuchtdiode mit einem Masseknoten elektrisch gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Basisklemme jedes Stromquellentransis tors mit einem Stromregelungsknoten verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Steuerschaltkreis umfasst, der eine Spannung an den Stromregelungsknoten im Wesentlichen auf einem gewünschten Span nungsniveau hält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Steuerschaltkreis auf ein Eingangsintensitätsniveau-Signal ansprechbar ist, das an einem Eingangsknoten empfan gen wird, wobei das gewünschte Spannungsniveau an dem Stromregelungsknoten eine Funktion des Eingangsintensitätsniveau-Signals ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Steuerschaltkreis einen Vergleichs- Stromquellenschaltkreis umfasst, der einen Referenzstrom bereitstellt, der im Wesentlichen dem Strom an dem Anodenknoten jeder der LEDs entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Vergleichs-Stromquellenschaltkreis einen Stromquellentransistor mit einer Basisklemme umfasst, die mit dem Stromregelungsknoten verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Steuerschaltkreis eine Rückkopplungsschal tung umfasst, die mit dem Vergleichs-Stromquellenschaltkreis verbunden ist, der die Span nung an dem Stromregelungsknoten auf einem gewünschten Spannungsniveau nach einem Ausfall einer oder mehrerer der Vielzahl von Leuchtdioden hält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Intensitätsniveau-Signal ein Pulsbreiten- moduliertes Signal umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Intensitätsniveau-Signal ein analoges Gleichspannungssignal umfasst.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner einen Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis umfasst, der mit dem Steuerschaltkreis leitend verbunden ist, wobei der Temperatur-Herab setzungsschaltkreis das Eingangsintensitätsniveau-Signal derart abgleicht, dass das gewünschte Spannungsniveau an dem Stromregelungsknoten eine Funktion des Eingangs intensitätsniveau-Signals und eines Temperatur-Herabsetzungsniveaus ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis eine Helligkeit der Leuchtdioden herabsetzt, wenn der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis einen Temperaturanstieg über einen Temperaturschwellenwert erfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis einen im Wesentlichen linearen Temperaturmessfühler umfasst, der mit dem Masseknoten verbunden ist; wobei der Temperaturmessfühler die Temperatur des Lötmetalls misst, das den Kathodenanschluss der Leuchtdioden mit dem Masseknoten verbindet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der lineare Temperaturmessfühler einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner einen Temperatur-Überwachungsschalt kreis umfasst, der ein Temperaturausgangssignal bereitstellt, das die Temperatur des Löt metalls anzeigt, das den Kathodenanschluss der Leuchtdioden mit dem Masseknoten ver bindet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Leuchtdioden-Steuerschaltkreis ein bandbegrenzter Schaltkreis mit geringer elektromagnetischer Störung ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Leuchtdiodenvorrichtung mit einer Versor gungsspannung von weniger als 10 Volt arbeitet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Leuchtdiodenvorrichtung mit einer Versor gungsspannung von im Wesentlichen 5 Volt arbeitet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Steuerschaltkreis unempfindlich gegenüber fehlerhaften Leuchtdioden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei Fehlfunktion einen Kurzschluss in einer Viel zahl der Leuchtdioden umfasst.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei Fehlfunktion eine Stromkreisunterbrechung in einer Vielzahl der Leuchtdioden umfasst.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden angepasst ist, um eine Hintergrundbeleuchtung für eine Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige bereitzustellen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden eine Vielzahl farbiger Leuchtdioden umfasst.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden eine Vielzahl wei ßer Leuchtdioden umfasst.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden wenigstens fünf weiße Leuchtdioden umfasst.

25. Anzeigeeinheit, die für eine Anwendung im Automobilbereich angepasst ist, umfas send:
eine Flüssigkristallanzeige;
eine Hintergrundbeleuchtungs-Leuchtdiodenanordnung, die eine Vielzahl von Leuchtdioden in einer parallelen Anordnung umfasst,
wobei ein Kathodenanschluss jeder Leuchtdiode mit einem gemeinsamen Masseknoten verbunden ist,
wobei die Hintergrund beleuchtungs-Leuchtdiodenanordnung die Flüssigkristallanzeige rückseitig beleuchtet; und
ein Stromquellenschaltkreis, der im Wesentlichen gleiche elektrische Ströme, die jeder Leuchtdiode zugeführt werden, aufrecht erhält.

26. Anzeigeeinheit nach Anspruch 25, ferner umfassend:
einen Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis, der mit dem Stromquellenschaltkreis leitend verbunden ist;
wobei der Temperatur-Herabsetzungsschaltkreis die Intensität der Leuchtdiodenanordnung als eine Funktion einer Temperatur verringert, die an dem gemeinsamen Masseknoten gemessen wird, nachdem ein Schwellenwert erreicht worden ist.

27. Anzeigeeinheit nach Anspruch 26, ferner umfassend:
einen Lichtleiter in der Nähe der Flüssigkristallanzeige und der Leuchtdiodenanord nung; und
ein Gehäuse, das wenigstens einen Abschnitt der Flüssigkristallanzeige, des Licht leiters und der Leuchtdiodenanordnung umgibt.

28. Anzeigeeinheit nach Anspruch 27, ferner umfassend:
eine Leuchtdioden-Steuereinrichtung, die ein Pulsbreiten-moduliertes Signal bereit stellt, das die Intensität der Leuchtdiodenanordnung steuert.

29. Anzeigeeinheit nach Anspruch 27, ferner umfassend:
eine Leuchtdioden-Steuereinrichtung, die ein analoges Gleichspannungssignal bereitstellt, das die Intensität der Leuchtdiodenanordnung steuert.

30. Anzeigeeinheit nach Anspruch 27, wobei die Leuchtdioden-Steuereinrichtung einen Mikroprozessor umfasst.

31. Verfahren zum Steuern einer parallelen Leuchtdiodenanordnung, umfassend:
Überwachen einer Temperatur einer Leuchtdiodenanordnung an einem Knoten, der mit einer Leuchtdiode verbunden ist; und
Bereitstellen eines temperaturgeregelten Signals an die Leuchtdiode.

32. Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend:
Überwachen einer Vergleichsstromquelle; und
Abgleichen des temperaturgeregelten Signals als eine Funktion eines Stroms aus der Vergleichsstromquelle.

33. Anzeigeeinheit, umfassend:
eine Flüssigkristallanzeige;
einen Lichtleiter, der hinter der Flüssigkristallanzeige angeordnet ist;
eine Leuchtdiodenanordnung;
einen gerichteten Reflektor, der Licht aus der Leuchtdiode in den Lichtleiter reflek tiert;
eine Leiterplatte mit einer ersten und zweiten Seite, wobei die Leuchtdiodenanord nung mit der ersten Seite verbunden ist und ein Steuerschaltkreis der Leuchtdiodenanord nung mit der anderen Seite verbunden ist;
einen Rahmen, in dem die Flüssigkristallanzeige, der Lichtleiter, die Leuchtdiodenan ordnung und die Leiterplatte untergebracht sind, wobei die Leiterplatte mit dem Rahmen thermisch verbunden ist.

34. Anzeigeeinheit nach Anspruch 33, wobei die Leiterplatte in dem Lichthohlraum der Anzeigeeinheit liegt.

35. Anzeigeeinheit nach Anspruch 34, wobei der gerichtete Reflektor in einem Winkel von im Wesentlichen 45° eingestellt ist, um Licht aus der Leuchtdiodenanordnung in den Lichtleiter zu reflektieren.

36. Anzeigeeinheit nach Anspruch 35, wobei die Leiterplatte Wärme aus der Leuchtdiodenanordnung und dem Steuerschaltkreis der Leuchtdiodenanordnung hin zu dem Rahmen leitet.

37. Anzeigeeinheit nach Anspruch 36, wobei die Leiterplatte an einer Vielzahl von Stellen mit dem Rahmen thermisch verbunden ist.

38. Anzeigeeinheit nach Anspruch 37, die ferner einen Diffusor zwischen dem Lichtleiter und der Flüssigkristallanzeige umfasst.

39. Anzeigeeinheit nach Anspruch 38, die ferner einen reflektierenden Polarisator zwi schen dem Diffusor und der Flüssigkristallanzeige umfasst.

40. Anzeigeeinheit nach Anspruch 39, wobei die Leuchtdiodenanordnung eine Vielzahl von Seiten-LEDs umfasst.