CN101500359A - 直流电源装置、led驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路 - Google Patents

直流电源装置、led驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供直流电源装置、LED驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路。该直流电源装置具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件(SW1)；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件(D1)；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路(15)；以及被反馈与输出电流成比例的电压，输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器(11)。在所述直流电源装置中设置可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路(13)，仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。

Description

直流电源装置、LED驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路
技术领域
本发明涉及产生LED驱动用电源电压的直流电源装置，例如涉及有效利用于产生在便携式电话机的液晶显示器的背光灯中使用的WLED(白色发光二极管)的驱动电源电压的开关电源装置以及构成该开关电源装置的电源驱动用半导体集成电路的技术。
背景技术
在便携式电话机等移动设备中，在显示用的液晶面板的背光灯中使用了WLED，在产生WLED的驱动电源电压的电源装置中一般使用由升压型的开关调节器(switching regulator)构成的DC-DC转换器。在该LED驱动用电源装置中进行以下反馈控制：将LED的驱动电流转换为电压来反馈给控制电路，通过误差放大器与基准电压进行比较，生成具有与电位差对应的脉冲宽度的驱动脉冲，驱动在电感器(线圈)中间歇地流过电流的开关元件，将驱动电流保持固定。作为与这种LED驱动用电源装置相关的发明，有例如专利文献1中记载的发明。
【专利文献1】特开2007-220855号公报
发明内容
在移动设备中，有时要求阶段性改变地液晶面板的背光灯的亮度的功能。作为可以切换亮度即驱动电流的LED驱动用电源装置，本申请人开发并研究出具有图11所示的结构的LED驱动用电源装置。
图11的LED驱动用电源装置设有将被反馈输出电流的端子FBBL的电压与参考电压Vref1进行比较，输出具有与电位差对应的脉冲宽度的信号的PFM(脉冲频率调制)比较器11、可以控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路13。该LED驱动用电源装置仅在所述PFM比较器11的输出为预定电平的期间，将从占空比控制电路13输出的脉冲信号提供给驱动电路15，生成开关元件的驱动信号。
图11的LED驱动用电源装置，当根据来自外部的电流控制信号(控制码)CC来缓慢降低LED的驱动电流时，显然存在以下问题：如图12所示，开关元件的驱动信号S1的脉冲周期逐渐延长，频率下降到人类的可听范围的上限、即20kHz以下，或者如图13所示，有时发生输出电压Vout的变化(所谓的波动(ripple))增大等在设备的特性方面不理想的状况。
该发明着眼于上述问题，其目的在于提供可以使开关元件的驱动信号的频率不降低到可听范围的上限以下、并且可以减小输出电压的波动的LED驱动用电源装置以及电源驱动用半导体集成电路。
为了达成上述目的，本发明提供一种开关调节器(LED驱动用电源装置)，具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器。该开关调节器的特征在于，设置有可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
更具体而言，作为一种LED驱动用电源装置，具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器。所述LED驱动用电源装置的特征在于，具有：引入流过所述LED单元的电流的可变电流源；以及可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，所述占空比控制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，使输出的脉冲宽度变窄，仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
根据上述结构，当输出电流减小时开关元件的导通时间缩短，因此，即使输出电流减小，PFM比较器的输出脉冲的周期也不会极端地延长，由此避免驱动信号的频率下降到人类的可听范围的上限以下，并且可以减小输出电压的波动。
在此，优选所述占空比控制电路具备：构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的第二可变电流源、与该第二可变电流源串联连接的电容元件、在所述第二可变电流源和所述电容元件的结合节点上连接的放电用的开关、以及比较所述结合节点的电位与预定的参考电压的比较器。通过所述振荡信号对所述放电用的开关进行导通、截止控制，所述可变电流源，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，流过的电流增多。
或者，代替所述第二可变电流源而使用恒定电流源，并且设置输出与电流控制信号对应的参考电压的可变电压单元，可变电压单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，输出的电压降低。另外，代替所述第二可变电流源而使用恒定电流源，代替电容元件而使用可变电容单元，可变电容单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，电容值变小。
根据本发明，具有如下效果：可以实现能够使开关元件的驱动信号的频率不下降到可听范围的上限以下，并且能够减小输出电压的波动的LED驱动用电源装置以及电源驱动用半导体集成电路。
附图说明
图1是表示应用了本发明的LED驱动用电源装置的一个实施方式的结构框图。
图2是表示占空比控制电路的具体例的电路图。
图3是表示图2的占空比控制电路的动作的时序图。
图4是表示图1的LED驱动用电源装置的动作的时序图。
图5是在时间方向上放大图4的一部分区间来表示的时序图。
图6是表示占空比控制电路的另一结构例的电路图。
图7是表示图6的占空比控制电路的动作的时序图。
图8是表示占空比控制电路的又一结构例的电路图。
图9是表示图8的占空比控制电路的动作的时序图。
图10是表示可变电流源的具体例的电路图。
图11是表示在本发明之前研究的LED驱动用电源装置的一例的结构框图。
图12是表示图11的LED驱动用电源装置的动作的时序图。
图13是在时间方向上放大图12的一部分区间来表示的时序图。
符号说明
10：开关控制电路；11：PFM比较器；12：振荡电路；13：占空比控制电路；15：驱动电路；21、22：可变电流源；23：恒定电流源；24：可变电压电路；25：可变电容；30：LED单元；L1：线圈(电感器)；C1：滤波电容；SW1：线圈驱动用开关晶体管
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的优选实施方式。
图1表示应用了本发明的LED驱动用电源装置的一个实施方式。
本实施方式的LED驱动用电源装置，通过以下部件构成了升压型的开关调节器：在直流电压端子VDD和接地点之间以串联形态连接的线圈(电感器)L1以及由N沟道MOSFET(绝缘栅型电场效应晶体管)构成的开关晶体管SW1、在所述线圈L1和输出端子OUT之间连接的二极管D1、在输出端子OUT和接地点之间连接的滤波电容C1、对开关晶体管SW1进行导通/截止控制的开关控制电路10。并且，在输出端子OUT上连接了由串联形态的多个白色发光二极管WLED构成的LED单元30。
此外，虽然未特别限定，但在本实施方式中，上述开关控制电路10和开关晶体管SW1在一个半导体芯片上作为半导体集成电路(以下称为驱动用IC)而形成，线圈L1和二极管D1以及滤波电容C1由分立(discrete)部件构成，作为外加元件而连接在上述驱动用IC上。
开关控制电路10由以下各部构成：与反馈信号参考电压Vref1进行比较，生成具有与电位差对应的脉冲宽度(频率可变)的脉冲信号的PFM比较器11；生成预定频率的信号φosc的振荡电路12；根据振荡信号φosc生成希望的脉冲宽度的信号的占空比控制电路13；以PFM比较器11的输出的反相信号和占空比控制电路13的输出作为输入的OR门电路14；接受OR门电路14的输出，生成开关晶体管SW1的导通、截止驱动信号的驱动电路15等。
另外，在驱动用IC中设置了连接上述发光二极管WLED的阴极侧端子的反馈端子FBBL，并且在IC内部设置了与该反馈端子FBBL连接的可变电流源21，使流过发光二极管WLED的电流流过IC内的可变电流源21。并且，在反馈端子FBBL上连接了构成开关控制电路10的PFM比较器11的反相输入端子，将WLED的驱动电流转换为电压，输入到PFM比较器11。
而且，在驱动用IC中设置了输入从外部的CPU等供给的电流控制码CC(电流指令值)的端子，上述可变电流源21流过与向该端子提供的控制码CC对应的电流。在该实施方式中，上述控制码CC也被提供给占空比控制电路13，占空比控制电路13根据可变电流源21的电流值使输出的脉冲的脉冲宽度变化。具体而言，占空比控制电路13进行如下动作：可变电流源21的电流值越大，使输出脉冲的脉冲宽度越宽，可变电流源21的电流值越小，使输出脉冲的脉冲宽度越窄。
由此，当电流指令值变小，减小WLED的驱动电流时，脉冲宽度变窄，开关晶体管SW1的导通时间缩短，流过线圈L1的一次的电流量减少，因此，与不进行与电流指令值对应的脉冲宽度控制的情况相比，PFM比较器11的输出的周期不延长，开关晶体管SW1的导通脉冲的频率也不减小。
在图2中表示了占空比控制电路13的具体的电路例。该实施例的占空比控制电路13由以下各部构成：在电源电压端子VDD和接地点之间串联连接的可变电流源22以及电容器C2；与电容器C2并联连接的放电用的开关MOSFET SW2；比较可变电流源22与电容器C2的连接节点N2的电位V2和参考电压Vref2的比较器CMP2。
在上述开关MOSFET SW2的栅极端子上施加了来自振荡电路12的振荡信号φosc，在φosc为低电平的区间将SW2截止，通过可变电流源22的电流将电容器C2充电，节点N2的电位V2逐渐上升，在φosc为高电平的期间将SW2导通，电容器C2的电荷被放电，节点N2的电位V2锯齿状地变化。通过用比较器CMP2来比较该波形和参考电压Vref2，如图3所示，生成具有与锯齿波的斜率和参考电压Vref2的电平相对应的希望的脉冲宽度的矩形波。在振荡信号φosc中使用例如1MHz这样频率的信号。
在该实施例的占空比控制电路13中，可变电流源22的电流值根据控制码CC而阶段性变化，由此如图3中虚线所示，锯齿波的斜率变化，与之相对应，输出矩形波的脉冲宽度变化。具体而言，可变电流源22的电流值越大，锯齿波的斜率越大，矩形波的脉冲宽度越窄。此外，与控制码CC对应的可变电流源21的电流值和可变电流源22的电流值的关系是相反的，将控制码CC构成为，当增大可变电流源21的电流值时，可变电流源22的电流值减小。
接下来，使用图4和图5，一边与图12以及图13进行比较，一边说明图1的LED驱动用电源装置的动作。此外，图5是在时间方向上放大图4的一部分区间来进行表示的图，图13是在时间方向上放大图12的一部分区间来进行表示的图。
如图12(A)所示，控制码CC切换到减小LED的电流的方向时，在图11那样的结构的电源装置中，如图12(C)所示，PFM比较器11的输出的周期逐渐延长，脉冲的宽度(高电平期间)变宽，仅在低电平期间OR门14使占空比控制电路13的脉冲通过，因此，开关晶体管SW1的驱动脉冲如图12(D)所示，间隔逐渐变宽。其结果是驱动脉冲的频率有可能达到人类的可听范围的上限即20kHz以下，并且如图13(E)所示，输出电压Vout的波动也增大。
与之相对，在图1的电源装置中，即使控制码CC切换到减小LED的电流的方向，如图4(C)所示，PFM比较器11的输出的周期也不延长，脉冲的宽度(高电平期间)也不变宽。这是由于，当电流指令值减小时，如图4(B)所示，占空比控制电路13的输出脉冲的宽度变窄，开关晶体管SW1的导通时间缩短，通过一次导通驱动而流过线圈L1的电流量减小。
并且，如上所述即使电流指令值减小PFM比较器11的输出的周期也不延长时，如图4(D)所示，开关晶体管SW1的驱动脉冲的间隔也不怎么变宽。其结果是驱动脉冲的频率不会达到人类可听范围的上限即20kHz以下，并且如图5(E)所示，输出电压Vout的波动也减小。
在图6和图8中表示了上述占空比控制电路13的其它结构例。
其中，图6的占空比控制电路，使用恒定电流源23代替图2的电路中的可变电流源22，并且设置了可变电压电路24代替参考电压Vref2。可变电压电路24考虑构成如下结构：具有例如串联连接了多个电阻的梯电阻、以及与各电阻并联地设置的多个开关，并通过用所述控制码CC选择性地使这些开关成为导通或者截止状态，产生以适当的对向比(対向比)将参考电压Vref2分压而得的电压。
该电路在控制码CC切换到减小LED的电流的方向时进行控制，以使提供给比较器CMP的参考电压Vref2减小。由此，如图7中虚线所示，占空比控制电路的输出脉冲的宽度变窄，具有与图1的实施方式的电源装置相同的功能。
另一方面，图8的占空比控制电路，使用了恒定电流源23来代替图3的电路中的可变电流源22，并且设置了可变电容25来代替电容器C2。可变电容25考虑构成如下结构：具有例如多个并列形态的电容元件、以及与各电容元件串联连接的多个开关，并通过用所述控制码CC选择性地使这些开关成为导通或截止状态，切换与节点N2连接的电容元件的数量来使电容值变化。
该电路在控制码CC切换到减小LED的电流的方向时进行控制，以使与节点N2连接的电容元件的数量减少，从而使电容值减小。由此，如图9中虚线所示，节点N2的电位V2的斜率变陡，占空比控制电路的输出脉冲的宽度变窄，具有与图1的实施方式的电源装置相同的功能。
在图10中表示可变电流源21的具体的电路图。该实施例的可变电流源21由以下部件构成：恒定电流源I0以及与其串联连接的电流-电压转换用的MOSFET Q0；与该MOSFET Q0进行了电流反射镜(current mirror)连接的n个MOSFET Q1、Q2...Qn；在反馈端子FBBL和接地点之间与Q1～Qn分别串联连接的n个开关MOSFET Q11～Q1n。在Q1～Qn中流过对应于其与Q0的大小比的电流。
并且，在上述开关MOSFET Q11～Q1n的栅极端子上施加控制码CC的各比特信号B1～Bn，通过改变由B1～Bn导通的MOSFET的数量来切换总电流。Q1～Qn以及Q11～Q1n全部是N沟道MOSFET。图2的占空比控制电路内的可变电流源22可以成为以下电路：具有与图10的电路上下对称的结构，作为Q1～Qn以及Q11～Q1n而使用P沟道MOSFET，Q1～Qn的源极代替与接地点相连而与电源电压VDD相连。
以上，根据实施方式具体说明了本发明人提出的发明，但本发明并不限于上述实施方式。例如，在图1的电源装置中，在驱动用IC内设置了振荡电路12，但也可以构成为输入在芯片外部生成的振荡信号。另外，在图1中作为开关元件SW1而使用了MOSFET，但也可以使用双极性晶体管。
而且，在所述实施方式中，表示了在IC芯片内形成了构成开关调节器的开关晶体管SW1的例子，但由于该晶体管中流过比较大的电流，因此也可以作为外加的元件来连接。另外，在实施例的驱动用IC中构成为从外部输入提供驱动电流的指令值的控制码CC，但也可以代替控制码而通过模拟信号来提供电流指令值。
产业上的可利用性
在以上的说明中说明了在LED驱动用电源装置中应用了本发明的例子，但本发明不限于此，可以广泛应用于想要产生升压后的电压，并对输出电流进行反馈控制的电源装置。

Claims (6)

1.一种直流电源装置，具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器，
所述直流电源装置的特征在于，
具有：可以根据从外部提供的电流控制信号，来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，
仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
2.一种LED驱动用电源装置，具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器，
在与所述输出端子连接的LED单元中流过驱动电流，
所述LED驱动用电源装置的特征在于，
具有：引入流过所述LED单元的电流的可变电流源；以及
可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，
所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，
所述占空比控制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，使输出的脉冲宽度变窄，
仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
3.根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，
所述占空比控制电路具备：构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的第二可变电流源；与该第二可变电流源串联连接的电容元件；在所述第二可变电流源和所述电容元件的结合节点上连接的放电用的开关；以及比较所述结合节点的电位与预定的参考电压的比较器，
通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制，
所述可变电流源，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，流过的电流增多。
4.根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，
所述占空比控制电路具备：构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的恒定电流源；与该恒定电流源串联连接的电容元件；在所述恒定电流源与所述电容元件的结合节点上连接的放电用的开关；输出与所述电流控制信号对应的参考电压的可变电压单元；以及比较所述结合节点的电位与从所述可变电压单元输出的参考电压的比较器，
通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制，
所述可变电压单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，输出的电压降低。
5.根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，
所述占空比控制电路具备：构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的恒定电流源；与该恒定电流源串联连接的可变电容单元；在所述恒定电流源与所述可变电容单元的结合节点上连接的放电用的开关；以及比较所述结合节点的电位与预定的参考电压的比较器，
通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制，
所述可变电容单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，电容值变小。
6.一种电源驱动用半导体集成电路，具备：在电感器中间歇地流过电流的开关元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器，
该电源驱动用半导体集成电路的特征在于，
具有：被反馈输出电流的外部端子；
与该外部端子相连、并引入所述输出电流的可变电流源；以及
可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，
所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，
所述占空比控制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，将输出的脉冲宽度变窄，
仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
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