JP2004048011A - 発光ダイオードアレイ給電回路及び液晶表示ユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチング素子の導通時間を入力端子間に存在する電圧Vin及び出力端子間に存在する電圧Vout の関数である数式に比例するようにする。アップコンバータにおいては、スイッチング素子の導通時間をVout /Vin2 に比例させることにより、出力電流のフィードフォワード制御を実行する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、
電圧電源に接続するための入力端子と、
発光ダイオード(LED)アレイに接続するための出力端子と、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された直流‐直流変換器と
を具える発光ダイオードアレイ給電回路であって、前記直流‐直流変換器には、
誘導性素子と、
一方向性素子と、
前記誘導性素子及び前記一方向性素子に結合されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の制御電極に結合され、前記スイッチング素子を高周波で導通及び非導通にすることにより当該直流‐直流変換器を臨界的な不連続モードで動作させるようにする高周波制御信号を発生する制御回路であって、前記出力端子を通る電流を予め決定した値に制御する制御手段が設けられた当該制御回路と
が設けられている、発光ダイオードアレイに給電する発光ダイオードアレイ給電回路に関するものである。
【0002】
本発明は更に、LEDアレイより成るバックライトを具えている液晶表示ユニットにも関するものである。
【0003】
【従来の技術】
上述した種類の発光ダイオードアレイ給電回路は周知である。臨界的な不連続モードでの動作とは、誘導性素子を通る電流が制御信号の各周期の開始時及び終了時に零(ゼロ)に等しくなり、制御信号の各周期中に零以外の値になることを意味する。この動作モードにより効率が高くなる。その理由は、一方向性素子における電力損失が大幅に削減される為である。既知の変換器では、出力端子を通る電流を制御する制御手段は、帰還が行われる電流制御ループより成っている。この場合、電流の実際値が測定され、これが比較器により所望値と比較され、この比較器がエラー信号を発生し、このエラー信号により制御信号を調整して出力端子を通る電流の実際値が所望値にほぼ等しくなるようにする。このような制御ループの利点は、電流の値を極めて正確に制御しうるようになるということにある。しかし、制御ループは多数の素子を有する為に制御ループは高価であり、制御ループの動作は比較的ゆっくりしているという欠点がある。更に、出力端子と直列に配置されたオーム抵抗の両端間の電圧を測定することにより、電流の実際値を測定する場合には、制御ループによりかなりの電力消費をも生ぜしめる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した欠点を回避した、出力電流制御用手段を具える回路を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、頭書に記載した種類の発光ダイオードアレイ給電回路において、
前記制御手段が、前記高周波制御信号の各高周波周期中に前記スイッチング素子が導通状態に維持されている期間Tonを制御するための、前記入力端子と前記出力端子とに結合された手段を有し、前記期間Tonは、前記入力端子間に存在する電圧Vin及び前記出力端子間に存在する電圧Vout の関数である数式に比例するようにしたことを特徴とする。
【0006】
本発明による発光ダイオードアレイ給電回路における制御手段は、比較的簡単且つ廉価に実現しうる。この制御手段は、発光ダイオードアレイ給電回路の入力電圧又は出力電圧の変化を比較的迅速に相殺し、出力端子を通る電流をほぼ一定のレベルに制御することを確かめた。更に、本発明による発光ダイオードアレイ給電回路における制御手段は多量の電力を消費しない。
【0007】
本発明による発光ダイオードアレイ給電回路においては、種々の型の直流‐直流変換器を用いることができる。直流‐直流変換器をアップコンバータとし、制御手段が、TonをVout /Vin2 に比例して制御する手段を有するようにする場合に、良好な結果が得られた。同様に、直流‐直流変換器をダウンコンバータとして構成することができ、制御手段は、TonをVout /(Vout −Vin)2 に比例して制御する手段を有するようにしうる。直流‐直流変換器を、変圧比がNである変圧器を有するフライバックコンバータとし、制御手段は、Tonを(Vin+Vout /N)Vin2 に比例して制御する手段を有するようにすることによっても良好な結果が得られた。
【0008】
制御手段が、Vin2 に比例する電流を発生する電流源を具えている本発明による発光ダイオードアレイ給電回路の例でも良好な結果が得られた。このような電流源は、これが、前記入力端子に結合された第1の分圧器と、この第1の分圧器に結合された第1のツェナーダイオードと、この第1のツェナーダイオードに結合されたスイッチング素子とを具えているようにした場合に、簡単且つ信頼的に実現しうる。好適例では、電流源が第2ツェナーダイオードを有する。この第2ツェナーダイオードは、制御手段が2つの異なる値の入力電圧(例えば、12V及び24V)に対しTonを1/Vin2 に比例するようにするのを可能にする。制御回路は電流源に加えて、
前記電流源に結合されたキャパシタと、
比較器と
を具え、この比較器が、
前記キャパシタに結合された第1比較器入力端子と、
発光ダイオードアレイ給電回路の前記出力端子に結合された第2の分圧器の出力端子に結合された第2比較器入力端子と、
前記スイッチング素子の制御電極に結合された比較器出力端子と
を有しているようにするのが好ましい。
【0009】
本発明による発光ダイオードアレイ給電回路により動作されるLEDアレイの光出力を制御したい場合には、制御回路に、前記出力端子を通る電流の振幅をほぼ方形波変調する変調手段を設けるのが好ましい。この変調手段は、LEDを通る電流を変調の各周期の一部中スイッチオフさせ、残りの部分中スイッチオンさせる。LEDが電流を流す変調の各周期の期間を調整することにより、LEDの光出力を調整しうる。本発明による発光ダイオードアレイ給電回路における制御手段による、出力端子を通る電流のフィードフォワード制御は比較的迅速である為、変調手段は制御回路内に設けることができる。帰還を有する電流制御ループが設けられた殆どの既知の発光ダイオードアレイ給電回路では、変調手段を制御回路内に設けることができない。その理由は、制御ループの動作があまりにも遅い為である。実際には、変調手段は、通常(半導体)スイッチとこのスイッチを駆動する駆動回路とを有する“チョッパー”の形態で実現する必要があった。スイッチは、発光ダイオードアレイ給電回路の出力電流を“チョッピング”することにより変調を実現している。このようなチョッパーは比較的高価であり、妨害波を発生し、給電回路の効率を例えばハードスイッチングにより低減させる。更に、妨害波の遮蔽、減衰、給電回路の費用及び複雑性の増大に対処する必要がしばしばある。本発明による発光ダイオードアレイ給電回路に含まれる制御手段により実現される出力電流の迅速な制御によれば、制御回路の一部である変調手段により出力電流の変調を有効にする。従って、変調手段は比較的廉価であり、妨害波を生ぜしめず、発光ダイオードアレイ給電回路の効率を低減させない。
【0010】
本発明による発光ダイオードアレイ給電回路は、LEDアレイより成るバックライトを具えるLCDに用いるのに特に適していることを確かめた。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1において、K1 及びK2 は電圧電源に接続するための入力端子である。これら入力端子K1 及びK2 は誘導性素子Lとスイッチング素子Q1 との直列回路により互いに接続されている。スイッチング素子Q1 はオーム抵抗R1 とキャパシタC1 との直列回路により、且つダイオードD01とキャパシタC2 との直列回路により分路されている。本例では、ダイオードD01が一方向性素子を構成している。キャパシタC2 の両端には出力端子K3 及びK4 がそれぞれ接続されている。出力端子K3 及びK4 間にはLEDアレイLEDAが接続されている。スイッチング素子Q1 の制御電極はスイッチング素子Q2 を介して回路部分Iの出力端子に接続されている。回路部分Iは、出力端子K3 及びK4 を経て流れる電流を、予め決定した値に制御する手段Iを構成する。回路部分Iの入力端子は、入力端子K1 、出力端子K3 及び回路部分CCの出力端子にそれぞれ接続されている。回路部分CCは、いつスイッチング素子Q1 を導通させる必要があるかを制御する回路部分である。この回路部分CCの入力端子は、入力端子K1 と、誘導性素子L及びスイッチング素子Q1 の共通接続端子とにそれぞれ接続されている。スイッチング素子Q2 の制御電極は回路部分IIIaの出力端子に接続されている。図1では、この接続を破線で示してある。回路部分IIIaの入力端子は光センサLSに結合されている。光センサLSと、回路部分IIIaと、スイッチング素子Q2 とが相俟って、出力端子を経て流れる電流の振幅をほぼ方形波変調する手段III を構成する。誘導性素子Lと、スイッチング素子Q1 と、キャパシタC1 及びC2 と、オーム抵抗R1 と、ダイオードD01と、光センサLSと、回路部分IIIa、CC及びIと、スイッチング素子Q2 とが相俟って、アップコンバータ型の直流‐直流変換器を構成している。光センサLSと、回路部分IIIa、CC、Iと、スイッチング素子Q2 とが相俟って、スイッチング素子Q1 を高周波で導通及び非導通にして直流‐直流変換器を臨界的な不連続モードで動作させるようにする高周波制御信号発生用制御回路を構成する。
【0012】
図1に示す回路の動作は以下の通りである。
入力端子K1 及びK2 を電圧電源に接続し、回路部分IIIaがスイッチング素子Q2 を導通状態に制御すると、制御回路は、直流‐直流変換器が臨界的な不連続モードで動作するように、スイッチング素子Q1 を高周波で導通及び非導通にする。前述したように、このことは、誘導性素子を流れる電流の振幅が制御信号の各周期の開始時及び終了時にほぼ零になることを意味する。その結果、直流電流が出力端子K3 及びK4 を流れ、LEDアレイLEDAが発光する。
【0013】
制御回路はスイッチングを以下のようにして制御する。キャパシタC1 (及びスイッチング素子Q1 の一部である寄生キャパシタ)が存在する為、誘導性素子Lを流れる電流の方向(極性)が、制御信号の各周期の終了時に極めて短い時間の間変化する。その結果、極めて小さい振幅の電流がキャパシタC1 から入力端子K1 へ向かう方向に流れる。これにより、スイッチング素子Q1 と誘導性素子Lとの共通接続端子を入力端子K1 におけるよりも高い電位にする。回路部分CCがこの状態を検出して回路部分Iを動作させ、この回路部分Iがスイッチング素子Q1 を導通状態にするとともに、Vinを入力端子間の電圧としVout を出力端子間の電圧とした場合にVout /Vin2 に比例する期間Ton中このスイッチング素子Q1 を導通状態に維持するようにする。期間Ton中、誘導性素子Lを流れる電流は値Ipeakまで直線的に増大する。Ipeakの値に対しては、以下の式が成り立つ。
Ipeak=Vin・Ton/Lo
ここに、Lo は誘導性素子Lの誘導率である。
【0014】
期間Tonの終了時に、スイッチング素子Q1 が回路部分Iにより非導通とされる。制御信号の周期における残りの部分中に、誘導性素子Lを流れる電流の振幅がほぼ零まで直線的に減少する。その結果、誘導性素子Lを流れる電流の形状は三角形となり、従って、制御信号の各周期中に誘導性素子Lを流れる電流の平均値はIpeak/2に等しくなる。その結果、直流‐直流変換器が消費する電力Pinは以下の式を満足する。
Pin=Vin・Ipeak/2
【0015】
直流‐直流変換器による電圧変換が損出なく行われるものとすると、直流‐直流変換器によりLEDアレイに供給される電力(Vout ・Iout )は、直流‐直流変換器が消費する電力に等しくなる。すなわち、
Vin・Ipeak/2=Vout ・Iout
となる。ここに、Iout は出力端子K3 及びK4 を経て流れる電流である。
【0016】
上の式から次式を容易に取出すことができる。
Ton=Iout ・2・Lo ・Vout /Vin2
【0017】
この式から明らかなように、期間TonがVout /Vin2 に比例する値に制御される場合には、電流Iout を一定値に維持しうる。従って、図1に示す回路の出力電流Iout は、入力電圧Vin又は出力電圧Vout が変化した場合に殆ど変化しない状態に保たれる。
【0018】
動作中は、スイッチング素子Q2 が、スイッチング素子Q1 を制御する制御信号の周波数よりも著しく低い周波数でスイッチオン及びスイッチオフされる。スイッチング素子Q2 が非導通である変調周期の部分中では、出力端子を流れる電流Iout の振幅は零である。その結果、出力端子を流れる電流Iout の振幅はほぼ方形波変調される。LEDアレイの光出力は光センサLSにより監視され、この光出力の平均値を表わす信号が回路部分IIIaにより発生される。この回路部分IIIaでは、この平均値が、同じくこの回路部分IIIaにより発生され光出力の所望平均値を表わす基準信号と比較される。スイッチング素子Q2 の導通状態を制御する信号のデューティーサイクル、換言すれば、出力電流振幅の変調のデューティーサイクルは、この比較の結果に応じて調整される。その結果、光出力の平均値はほぼ一定のレベルに制御される。スイッチング素子Q2 が(変調の各周期において)導通状態にされると、回路部分Iにより行われる出力電流のフィードフォワード制御は、出力電流Iout の振幅が比較的短い時間でほぼ零から一定値まで増大しうるようにするのに充分迅速に行われることに注意すべきである。電流帰還を含む、よりゆっくりした制御ループと相違して、出力電流Iout の振幅を変調する手段III を制御回路の一部とし、妨害を生ぜしめ効率を減少させる“チョッパー”を省略しうるようにするのがこの迅速な制御である。
【0019】
図2は、図1に示す実施例の回路部分Iをより詳細に示す。図2において、端子K5 は入力端子K1 に接続され、端子K6 は入力端子K2 に接続され、動作中電圧Vinが端子K5 及びK6 間に存在する。端子K5 及びK6 はオーム抵抗R01及びR03の直列回路により、且つオーム抵抗R05、ツェナーダイオードD03、トランジスタQ03及びキャパシタC3 の直列回路により相互接続されている。オーム抵抗R03はツェナーダイオードD02により分路されている。オーム抵抗R03とツェナーダイオードD02との共通接続端子はトランジスタQ03のベース電極に接続されている。端子K5 はオーム抵抗R02によりトランジスタQ03のエミッタ電極に接続されている。キャパシタC3 はスイッチング素子Q4 により分路される。スイッチング素子Q4 の制御電極は回路部分CCの出力端子に接続されている。オーム抵抗R01、R02、R03及びR05と、ツェナーダイオードD02及びD03と、トランジスタQ03とは、これらが相俟ってVin2 に比例する電流を生じるように構成する。端子K8 は出力端子K3 に接続される。この端子K8 は、オーム抵抗R07及びR10の直列回路により端子K6 にも接続されている。動作中、この直列回路の両端間に電圧Vout が存在する。オーム抵抗R07とオーム抵抗R10との共通接続端子は比較器COMPの第1入力端子に接続されている。トランジスタQ03とキャパシタC3 との共通接続端子は比較器COMPの第2入力端子に接続されている。K7 はスイッチング素子Q1 の制御電極に結合される比較器出力端子である。
【0020】
図2に示す回路部分Iの動作は以下の通りである。
スイッチング素子Q1 を導通させる必要があることを回路部分CCが検出すると、この回路部分の出力端子における電圧が低レベルから高レベルに変化し、スイッチング素子Q4 が導通し、キャパシタC3 が放電される。その結果、比較器COMPの第2入力端子に存在する電圧がこの比較器の第1入力端子に存在する電圧よりも低くなり、比較器出力端子K7 に存在する電圧が高レベルとなり、スイッチング素子Q1 が導通する。キャパシタC3 が放電されると直ちに、スイッチング素子Q4 が再び非導通となり、Vin2 に比例する電流を供給する電流源がキャパシタC3 を充電する。キャパシタC3 の両端間の電圧が比較器COMPの第1入力端子における電圧よりも低い限り、比較器出力端子における電圧は高レベルにあり、スイッチング素子Q1 が導通状態に維持される。キャパシタC3 の両端間の電圧が比較器COMPの第1入力端子における電圧に等しくなると、比較器出力端子における電圧が低レベルになり、従って、スイッチング素子Q1 が非導通となる。キャパシタC3 を充電する電流はVin2 に比例し、比較器の第1入力端子における電圧はVout に比例する為、TonはVout /Vin2 に比例するようになる。電流源は、12V及び24VのようなVinの2つの異なる値に対し用いるのに適するように設計する。Vinの2つの異なる値のうちの低い方の値では、ツェナーダイオードD02のみが導通し、ツェナーダイオードD03は導通しない。従って、電流源により供給される電流はオーム抵抗R02を通る電流である。Vinの2つの異なる値のうちの高い方の値では、双方のツェナーダイオードが導通しており、電流源により供給される電流はオーム抵抗R02及びR05の双方を通る電流の合計となる。
【0021】
図2の回路部分Iにおける電流源は、これが供給する電流が正確ではないが近似でVin2 に比例するように設計することに注目すべきである。更に、Vinはしばしば、バッテリにより供給され、従って、制限された範囲に亙ってしか変化しない。その結果、電流源は、Vinの平均値からあまり相違しない(例えば、多くとも10%又は20%しか相違しない)Vinの値に対しVin2 にほぼ比例する電流を供給する必要があるだけである。例えば、Vinの平均値が12Vに等しくなるように設計した電流源の場合で最も実際的な場合には、電流源が10.8V<Vin<13.2Vの範囲内のVinの値に対しVin2 にほぼ比例する電流を供給すれば完全に満足するものである。同様に、12V及び24VのようなVinの2つの異なる値に対し設計する場合には、例えば、10.8V<Vin<13.2Vの範囲内のVinの値と21.6V<Vin<26.4Vの範囲内のVinの値とに対し電流源がVin2 にほぼ比例する電流を供給しさえすれば満足な結果が得られる。
【0022】
図1及び図2に示す回路の実際例では、Vinの10%の変化により生ぜしめる出力電流Iout の変化は3%よりも少ないということを確かめた。同様に、Vinの20%の変化により生ぜしめる出力電流Iout の変化は5%よりも少ない。手段Iが存在しない、換言すれば、スイッチング素子Q1 のTonが変化しないままに保たれてしまう場合には、入力電圧Vinが10%変化することにより、出力電流Iout を20%変化せしめてしまい、入力電圧Vinが20%変化することにより、出力電流Iout を40%変化せしめてしまう。
【図面の簡単な説明】
【図1】アップコンバータ型の直流‐直流変換器を有し、LEDアレイが接続された本発明による回路の実施例を示す回路図である。
【図2】図1の実施例の一部を詳細に示す回路図である。
【符号の説明】
LEDA LEDアレイ
LS 光センサ
I 回路部分
CC 回路部分
IIIa 回路部分
COMP 比較器
Claims (10)
- 電圧電源に接続するための入力端子と、
発光ダイオードアレイに接続するための出力端子と、
前記入力端子と前記出力端子との間に接続された直流‐直流変換器と
を具える発光ダイオードアレイ給電回路であって、前記直流‐直流変換器には、
誘導性素子と、
一方向性素子と、
前記誘導性素子及び前記一方向性素子に結合されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の制御電極に結合され、前記スイッチング素子を高周波で導通及び非導通にすることにより当該直流‐直流変換器を臨界的な不連続モードで動作させるようにする高周波制御信号を発生する制御回路であって、前記出力端子を通る電流を予め決定した値に制御する制御手段が設けられた当該制御回路と
が設けられている発光ダイオードアレイ給電回路において、
前記制御手段が、前記高周波制御信号の各高周波周期中に前記スイッチング素子が導通状態に維持されている期間Tonを制御するための、前記入力端子と前記出力端子とに結合された手段を有し、前記期間Tonは、前記入力端子間に存在する電圧Vin及び前記出力端子間に存在する電圧Vout の関数である数式に比例するようにしたことを特徴とする発光ダイオードアレイ給電回路。 - 請求項1に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記直流‐直流変換器はアップコンバータであり、前記期間TonはVout /Vin2 に比例している発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項1に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記直流‐直流変換器はダウンコンバータであり、前記期間TonはVout /(Vout −Vin)2 に比例している発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項1に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記直流‐直流変換器は、変圧比をNとした変圧器を有するフライバックコンバータであり、前記期間Tonは(Vin+Vout /N)Vin2 に比例している発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項2又は4に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記制御手段が、Vin2 に比例する電流を発生する電流源を具えている発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項5に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記電流源が、前記入力端子に結合された第1の分圧器と、この第1の分圧器に結合された第1のツェナーダイオードと、この第1のツェナーダイオードに結合されたスイッチング素子とを具えている発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項6に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記電流源が、第2のツェナーダイオードを具えている発光ダイオードアレイ給電回路。
- 請求項5〜7のいずれか一項に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記制御手段が更に、
前記電流源に結合されたキャパシタと、
比較器と
を具え、この比較器が、
前記キャパシタに結合された第1比較器入力端子と、
発光ダイオードアレイ給電回路の前記出力端子に結合された第2の分圧器の出力端子に結合された第2比較器入力端子と、
前記スイッチング素子の制御電極に結合された比較器出力端子と
を有している発光ダイオードアレイ給電回路。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光ダイオードアレイ給電回路において、前記制御回路には、前記出力端子を通る電流の振幅をほぼ方形波変調する手段が設けられている発光ダイオードアレイ給電回路。
- 発光ダイオードアレイより成るバックライトと、請求項1〜9のいずれか一項に記載の発光ダイオードアレイ給電回路とが設けられた液晶表示ユニット。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP02077826 | 2002-07-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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