发光二极管的脉宽调制控制的制作方法

本公开涉及控制发光二极管(led)的亮度，并且更具体地涉及使用脉宽调制(pwm)控制方案来控制led的亮度。

背景技术：

微型发光二极管(μled)显示器是一种新兴的平板显示器技术，其包括用于显示图像的微型发光二极管(led)。与液晶显示器(lcd)技术相比，μled显示设备提供改善的对比度、更快的响应时间和更低的能耗。

μled是自发光元件，其响应于提供给二极管的正向偏置电流而产生光。随着提供给μled的电流量增加，μled发出的光量增加。在一些实现方式中，使用压控电流源来驱动μled，压控电流源生成随着电压信号的电压电平的增加而增加的驱动电流。电压信号转而可以基于指定μled的期望亮度的数据信号而生成。

技术实现要素：

实施方式涉及一种包括μled和控制器的微型发光二极管(μled)单元。控制器接收亮度数据信号并生成对应于亮度数据信号的驱动信号。控制器包括接收亮度数据信号和控制波形信号的比较器。控制器耦接至开关电流源，开关电流源基于驱动信号生成驱动电流。

在一个或多个实施方式中，控制器生成具有设定幅值和对应于亮度数据信号的占空比的驱动信号。电流源耦接至控制器的输出，并基于控制器生成的驱动信号来生成驱动电流。驱动电流的平均幅值与亮度数据信号成比例。μled耦接至电流源并发出具有的平均亮度与驱动电流成比例的光。

附图说明

结合附图，通过考虑以下详细描述，可以容易地理解实施方式的教导。

图1a示出了显示常规led和微型led(μled)的关于电流密度的内量子效率的曲线图。

图1b示出了当以恒定电流驱动led时的时序图。

图1c示出了根据一个实施方式的用于驱动μled的时序图。

图2示出了根据一个实施方式的μled显示面板的框图。

图3a示出了根据一个实施方式的μled单元的框图。

图3b示出了根据一个实施方式的μled单元的电路图。

图4示出了根据一个实施方式的用于不同数据输入的若干pwm信号的时序图。

图5示出了根据一个实施方式的用于操作μled单元的方法的流程图。

图6a至图6c示出了μled单元的其他实施方式。

具体实施方式

附图(图)和以下描述仅通过说明的方式涉及优选实施方式。应当注意，在不背离实施方式的原理的情况下，从以下讨论中，将容易认识到本文中公开的结构和方法的替代实施方式作为可行的替代方案。

现在将详细参考若干实施方式，其实例在附图中示出。应注意，只要可行，在附图中可以使用类似或相似的参考数字，并且它们可以指示类似或相似的功能。附图仅出于说明的目的而描绘各实施方式。

实施方式涉及用于通过使用数字脉宽调制(pwm)控制方案来控制微型发光二极管(mled、uled或μled)的亮度同时增加μled的效率(例如，在μled的峰值效率附近或在峰值效率工作)的控制方案。在pwm方案的导通时间期间，μled中的电流密度超过与高于阈值效率的内量子效率(iqe)对应的阈值水平。μled在pwm的导通时间期间的电流密度高于常规大型led的电流密度。控制pwm方案的截止时间，以使μled的平均亮度达到期望的水平。

发光二极管(led)的内量子效率(iqe)根据led中的电流密度而变化。图1a示出了显示常规大型led和微型led(μled)的关于电流密度的iqe的曲线图。如图1a所示，与μled的峰值iqej*’相比，常规led在较低的电流密度j*达到峰值iqe。如此，即使对于低电流密度值，常规led也快速地达到有效的光生成值。相比而言，当在低电流密度值工作时，μled会有较差的iqe。也就是说，由于μled的亮度与用于驱动μled的电流密度成比例，因此与常规led相比，如果以恒定电流驱动，μled在低照度值时效率低。

图1b示出了当以恒定电流驱动led时的时序图。使用图1b的驱动方案，μled以对应于μled的期望亮度的电流j1驱动。在整个周期的持续时间(例如，1/60秒)内将电流j1提供给μled。如此，用于驱动μled的电流将基于期望的亮度而变化，并且μled的iqe也将基于μled的期望亮度而变化。随着μled的亮度下降，μled中的电流密度从j*'进一步下降，导致μled的iqe降低。此外，由于μled始终被驱动发光，因此μled可能没有时间冷却。由于iqe曲线在μled的j*'下面的陡坡特征，因此产生了进一步的复杂性。当在低于j*'工作时，由于在峰值点以下工作时的iqe变化大，在阵列上的μled电性能的微小变化将导致从像素到像素在相同设定驱动电流下所发射光功率有大的变化。相反地，因为在j*'附近的区域中iqe斜率是平坦的，在j*'附近工作允许对性能的微小变化具有更大的容忍，而不会随后导致发射光的有问题的变化。

图1c示出了根据一个实施方式的用于驱动μled的时序图。使用图1c的驱动方案，无论μled的期望亮度如何，μled都以预设电流j2驱动。替代地，μled的感知亮度由μled被驱动的时间量控制。也就是说，如果期望较低的亮度，则在一个周期内的较短时间量内驱动μled，而如果期望较高的亮度，则在一个周期内的较长时间量内驱动μled。在图1c的实例中，由于以电流j2在一个周期的持续时间的一半内驱动μled，因此当以电流j2驱动μled时，μled的感知亮度将是μled的亮度的一半。由于在驱动μled的时间段期间，μled被提供有相同的预设电流，其中μled中的电流密度高于接近j*'(参见图1a)的阈值jth，因此可以更好地控制μled的iqe。也就是说，可以选择电流j2，使得μled以接近j*'的电流密度工作并实现更高的iqe。因此，实现了跨显示设备的改善的工作均匀性(相同性)。

实现其中多比特数字信号规定施加到μled像素的恒定电流信号的脉宽的标准全数字pwm方案的挑战在于每个单独的μled像素驱动器使用的电路的复杂性。对于非常小的μled像素，μled像素驱动器的复杂性和尺寸变得有问题。随着pwm信号的比特分辨率增加，复杂性进一步增加。

本文中描述了一种替代方法，其中将模拟控制信号施加到单独的μled像素驱动器以指定pwm信号的持续时间。模拟控制信号在单独的像素驱动电子器件外部生成。

在其他实施方式中，本文中详细描述了与模拟控制信号一起施加的外部波形信号的使用。波形信号可以具有任何平滑变化的形式，诸如正弦波，但是线性类型波形具有优势，例如，三角形或线性锯齿脉冲波形。

图2示出了根据一个实施方式的μled显示面板的框图。除了其他部件之外，μled显示面板可以包括列解码器210、行解码器220和多个μled单元230。列解码器210基于列选择信号选择或断定显示面板的一列μled单元。在一个实施方式中，列选择信号由n位计数器生成。在该实施方式中，列选择解码器可以是n到2ⁿ解码器。

行解码器220基于行选择信号选择或断定显示面板的一行μled单元。在一些实施方式中，行选择信号由m位计数器生成。在该实施方式中，行选择解码器可以是m到2^m的解码器。

多个μled单元230呈网格图案布置。在一些实施方式中，μled单元230呈其他图案布置，诸如，圆形图案、椭圆形图案。显示面板的每个μled单元230耦接至列解码器210的一个输出和行解码器220的一个输出。如此，可以通过断定列解码器210的特定输出和行解码器220的特定输出来寻址特定的μled单元230。例如，通过断定列解码器输出c1和行解码器输出r1来寻址μled单元230a，通过断定列解码器输出c2和行解码器输出r1来寻址μled单元230b，通过断定列解码器输出cn和行解码器输出r1来寻址μled单元230n，以此类推。

为了提高μled显示面板的效率，μled以大于阈值的电流密度被驱动。在一些实施方式中，阈值为300a/cm²。如果期望低照度值(lowluminancevalue)(例如，在视频的暗场景中)，不是以较低电流密度驱动μled，而是将μled驱动较短的时间量，或者使用如上参考图1c所述的pwm方案用较短的发射脉冲串(emissionburst)来驱动μled。

图3a示出了根据一个实施方式的μled单元230的框图。μled单元230包括μled控制器305、电流源340和μled350。μled控制器305接收数据信号(v设定)325、选择信号320和全局控制波形信号(vt)330作为输入。在一些实施方式中，基于列解码器输出信号和行解码器输出信号来确定选择信号320。在一些实施方式中，行解码器输出信号确定选择信号320，而列输出信号是v设定信号。在该实施方式中，多个数字模拟转换器(dac)被实现为列解码器。在其他实施方式中，列解码器输出信号确定选择信号320，而行输出信号是v设定信号。在该实施方式中，多个dac被实现为行解码器。当断定选择信号220时，μled控制器305存储v设定325。然后，μled控制器305基于存储的v设定和全局控制波形信号330生成驱动信号。由μled控制器305生成的驱动信号具有设定的电压幅值和基于v设定325的值的占空比。在一些实施方式中，驱动信号的占空比随着v设定325的值增加而增加。在一个实施方式中，驱动信号的占空比与v设定325的值成比例。在其他实施方式中，占空比可以与v设定的值成反比。

除了其他部件之外，μled控制器305可包括模拟采样和保持模块315以及比较器310。模拟采样和保持模块315存储与v设定的值对应的模拟值。在一些实施方式中，μled控制器接收数字信号作为v设定信号。在该实施方式中，μled控制器305还包括数字模拟转换器(dac)。在一些实施方式中，单个dac由多个μled单元共享。例如，单个dac可以由一列中的所有μled单元共享。

比较器310将vt信号的值与模拟采样和保持模块315的输出进行比较，并基于该比较生成输出。当vt信号大于模拟采样和保持模块315的输出时，比较器310输出具有第一电压值的信号，当vt信号小于模拟采样和保持模块315的输出时，比较器输出具有第二电压值的信号。在一些实施方式中，比较器310是运算放大器(op-amp)。在其他实施方式中，比较器310是差分放大器或足够的增益的差分对，以在输入电压值中得到具有非常小的差异的饱和输出。

电流源340接收驱动信号并生成驱动电流以用于驱动μled350。在一些实施方式中，电流源340包括基于从μled控制器305接收的驱动信号而导通或截止的驱动晶体管。在该实施方式中，驱动晶体管的栅极端子由驱动信号控制，驱动晶体管的漏极端子耦接至电源电压，并且驱动晶体管的源极端子耦接至μled350。在一些实施方式中，选择驱动电流的幅值使得μled的电流密度等于或基本上等于j*'。在其他实施方式中，选择驱动信号的幅值使得μled350的电流密度大于j*'。然后μled350接收驱动电流并相应地发光。

图3b示出了根据一个实施方式的μled单元230的电路图。模拟采样和保持模块315包括采样晶体管(或采样开关)s1和保持电容器c。采样晶体管s1由选择信号320控制。当选择信号被断定时，采样晶体管将保持电容器c充电到v设定的值。当选择信号320未被断定时，保持电容器c则保持v设定的值。在一些实现方式中，保持电容器c可以为电路中的下一晶体管的栅极电容，在图3b的情况下，将是晶体管q2的栅极。

比较器310包括差分对。差分对的每一半包括电阻器和晶体管。图3b中所示的比较器310的差分对包括第一电阻器r1、第一晶体管q1、第二电阻器r2和第二晶体管q2。第一电阻器r1耦接在第一电压源(vdd)与第一晶体管q1的漏极之间。第二电阻器r2耦接在vdd与第二晶体管q2的漏极之间。在一些实施方式中，第二电阻器r2具有比第一电阻器r1更大的电阻值。

在一些实施方式中，使用晶体管(例如，二极管连接的晶体管)来实现电阻器r1、r2和r3。在其他实施方式中，使用电流源而不是使用第三电阻器r3。在其他实施方式中，可以使用电流源子电路(例如，电流镜)来实现所有电阻器。

第一晶体管q1的栅极耦接至vt，第二晶体管q2的栅极耦接至模拟采样和保持模块315的输出。

比较器310进一步包括耦接至第一晶体管q1和第二晶体管q2的源极的第三电阻器r3。第三电阻器r3进一步耦接至第二电压源(vss)。在一些实施方式中，第二电压源是地。在其他实施方式中，第二电压源具有相对于地的负电压。

在一些实施方式中，使用晶体管(例如，二极管连接的晶体管)来实现电阻器r1、r2和r3。在其他实施方式中，使用电流源来代替第三电阻器r3。在一些实施方式中，使用额外的晶体管来增加差分对的增益。在一个实施方式中，差分对被设计为具有至少10但优选至少30的增益。差分对可以被设计为提供具有高增益的快速开关，同时折中共模抑制和线性度。

图3b中所示的电流源340是开关电流源。开关电流源340包括p型晶体管(例如，pmos)t1和n型晶体管(例如，nmos)t2。n型晶体管t2的栅极耦接至比较器310的输出。n型晶体管t2耦接在p型晶体管t1的漏极与μled350之间。当比较器310的输出超过阈值时，n型晶体管t2导通，并且电流被提供给μled350。在一些实施方式中，使用第二p型晶体管来代替n型晶体管t2。

提供给μled350的电流的幅值由p型晶体管t1控制。p型晶体管由参考电压v参考控制。在一些实施方式中，参考电压v参考表示来自电流镜的一半的控制电压，而电流镜的另一半远离驱动器单元305。p型晶体管t1进一步耦接在电源电压与n型晶体管t2的漏极之间。在一些实施方式中，μled350可以包括具有连接至正电源电压的公共阳极的μled阵列中的一个元件。在该实施方式中，μled350的阴极连接至n型晶体管t2，该n型晶体管t2提供到使用v参考设定的由晶体管t1到地形成的固定电流槽(currentsink)的可切换链路。在该实施方式中，晶体管t1是n型晶体管，因此，整个电路可以使用n型晶体管来实现。

图4示出了根据一个实施方式的用于不同数据输入的若干pwm信号的时序图。图4的时序图示出了在四个连续帧(帧1到帧4)期间具有四个不同值(v1到v4)的数据信号v设定。在帧1期间，数据电压v设定具有值v1。在该帧开始时，选择信号320被使能，并且电容器c被充电到v设定的值。如此，v帧的值基本上等于v1。

在该帧期间，锯齿脉冲作为全局控制波形信号(vt)被提供给比较器310。比较器比较锯齿脉冲(vt)的电压值与v帧的电压值，并且当v帧的电压值大于vt的电压值时输出具有第一电压值(例如，hi电平)的信号，并且当vt的电压值小于v帧的电压值时输出具有第二电压值(例如，lo电平)的信号。如果锯齿脉冲(vt)的衰减是线性的，则比较器的输出处于第二电压电平的时间量与锯齿脉冲的幅值和v帧的值之间的差成比例。例如，如果锯齿波的幅值是|vt|并且锯齿波的斜率是m，则比较器的输出处于第二电压电平的时间量t是：

因此，比较器的输出处于第一电压电平的时间量t'是：

类似地，在帧2期间，数据电压v设定具有值v2，并且当选择信号320被提供给模拟采样和保持模块315时，电容器被充电直到v帧的值基本上等于v2。如图4中所示，由于v2的值大于v1，所以帧2期间vμled的脉冲的长度t2短于帧1期间vμled的脉冲的长度t1。类似地，帧3和帧4期间vμled的脉冲的长度与数据电压v设定的电压电平相关。

图5示出了根据一个实施方式的用于操作μled单元的方法的流程图。μled单元230接收亮度数据值并将亮度数据值存储510在存储元件(诸如，图3b的电容器c)中。在一些实施方式中，响应于选择信号335来存储亮度数据值。μled单元230进一步接收520锯齿脉冲信号(vt)。μled单元230基于亮度数据值和锯齿脉冲信号生成530pwm信号。通过比较存储的亮度数据值和锯齿脉冲信号的电压值来生成pwm。

基于pwm信号生成540驱动信号。在一些实施方式中，驱动信号由基于pwm信号生成驱动电流的电流源生成。基于生成的驱动信号驱动550μled。然后μled发出光，光的平均亮度与亮度数据值成比例。

替代实施方式

图6a至图6c示出了μled单元230的其他实施方式。在图6a中，在μled控制器600中提供的模拟采样和保持模块315的输出被提供给单稳态多谐振荡器610。单稳态多谐振荡器的“导通”时间基于v帧的值来控制。也就是说，单稳态多谐振荡器被v帧电压触发处于“不稳定”状态，并且返回到“稳定”状态之前的时间量与v帧的值成比例。

图6b示出了根据一个实施方式的具有接收时钟(clk)信号625的本地积分器620的μled控制器625。积分器620对clk625进行积分以生成控制波形信号。然后将控制波形信号提供给比较器310以与v帧进行比较，从而生成vμled电压。

图6c示出了μled控制器640，具有修改的模拟采样和保持模块630，修改的模拟采样和保持模块630包括与保持电容器c并联的电阻器r。在一些实施方式中，模拟采样和保持模块630进一步包括用于控制何时将保持电容器c的电压提供给比较器310的开关。此外，不是接收全局控制波形信号vt，而是比较器310接收预定参考电压(v参考)635。

当选择信号被断定时，保持电容器c被充电以具有基本上等于v设定的输出电压。然后，当保持电容器c的电压被提供给比较器以用于生成μled驱动信号vμled时。随着保持电容器c的电压被提供给比较器310，电容器通过电阻器r放电，从而减小作为时间的函数的由保持电容器c提供的电压值。因此，可以基于v设定的值和保持电容器c与电阻器r的组合的rc常数来控制vμled的脉冲的宽度。在一些实施方式中，不用分立电容器，而是将晶体管q2的栅极电容用作电容器c。

亮度控制

在一个实施方式中，通过修改用于生成数据信号v设定的数字模拟转换器(dac)的输出电压范围来控制μled的亮度范围。例如，当μled以全亮度范围使用时，可以使用1v的电压范围，当μled以50％的亮度范围使用时，使用0.5v的电压范围。也就是说，对于8位数字信号，如果数字信号的值为255，则当μled以全亮度范围使用时，dac将产生1v的v设定，而当μled以半亮度范围使用时，dac将产生0.5v的v设定。类似地，如果数字信号的值为128，则当μled以全亮度范围使用时，dac将产生0.5v的v设定，而当μled以半亮度范围使用时，dac将产生0.25v的v设定。

在一个实施方式中，将偏移量添加到dac的输出，使得即使当dac的范围减小时，当提供最大亮度数据值作为输入时，dac也输出等于电源电压(vcc)的电压电平。例如，如果dac以半范围使用，则dac的输出可以具有从数据值为0时的0.5v到数据值为255时的1v的范围。

在另一实施方式中，通过修改全局控制波形脉冲vt的持续时间来控制μled的亮度范围。也就是说，在保持全局控制波形信号的频率或周期恒定(例如，60hz)的同时，在全局控制波形信号的一周期内的全局控制波形脉冲vt的持续时间减小以减小μled的亮度范围，或者增加以增加μled的亮度范围。

在阅读本公开后，本领域普通技术人员将通过所公开的实施方式原理理解另外的替代结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了具体实施方式和应用，但是应该理解，这些实施方式不限于本文中公开的精确构造和部件，并且在不背离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，在本文中公开的方法和装置的布置、操作和细节中可以做出对于本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。