JP3957150B2 - Ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、LEDを周期的に点滅させることで、LEDによって消費される電力を低減させることが可能な、LED駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のLEDの駆動回路としては、図１５の回路図に示されるようなLEDの駆動回路が知られていた。即ち、電源端子１０には電源電圧VDD[V]が接続され、定電流発生回路１５は、基準電圧１１の出力電圧Vref[V]と抵抗１３の電圧Va[V]の差電圧を誤差増幅器１２が増幅して、Vr ef-Va=0となるようにトランジスタ１４のゲート電圧Verrを制御する。
【０００３】
ここでは、出力端子1と2の２つの端子に、それぞれLED１９とLED２０が接続されている。
抵抗１３の抵抗値をR13[Ω]とすれば、抵抗R13には電流I=Va/R13[A]が流れる。抵抗R13と同じ電流がトランジスタ１４及び１６にも流れる。カレント・ミラー回路２１によって、トランジスタ１６〜１８が全て同じ特性であれば、トランジスタ１６と同じ電流がトランジスタ１７、１８にも流れLED１９、２０を点燈させる。
すなわち、LED１９、２０を流れる電流Iout1、Iout2は、（１）式で与えられる。
【０００４】
【式１】

【０００５】
よって、LED１９、２０に流す電流値は、抵抗１３の値もしくは、基準電圧１１の出力電圧値を調整することで所望の電流値に設定することができる。
【０００６】
図１５のLED駆動回路の消費電力Pdは、基準電圧回路１１や、誤差増幅回路１２の消費電力がLEDによって消費される電力に比べて無視できるくらい小さいとすると、（２）式で与えられる。
【０００７】
【式２】

【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のLED駆動回路では、消費電力を下げるには、LEDの電流値を下げる必要があり、その場合LEDの輝度が低下するという問題点があった。
そこで、この発明の目的は従来のこのような問題点を解決するために、LEDの視覚上の輝度を従来と同一に保ったまま、LED駆動回路の消費電力を下げることを目的としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記問題点を解決するために、この発明ではLEDの点燈を常時点燈から時分割で点燈させて、LED駆動回路の消費電力を下げた。
【００１０】
【実施例】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すLED駆動回路である。定電流発生回路１５、カレントミラー回路２１とLED１９、２０は従来と同様である。
【００１１】
カレントミラー回路のトランジスタ１７、１８とLEDを接続する端子１、２の間にスイッチ４、５が挿入され、前記スイッチ４、５はスイッチ制御回路３からの信号電圧V1、V2によってON/OFF制御される。
【００１２】
スイッチ制御回路３からの信号電圧V1、V2の例を図２に示す。横軸時間、縦軸はV1とV2の電圧を示す。図２の場合、V1とV 2の電圧は相補的に変化し、V1が高い電圧（以後Hと記述する）のときはV2は低い電圧（以後Lと記述する）となる。V1およびV2がHの時に、スイッチ４及び５がONするとすれば、LED１９、２０は交互に点滅を繰り返すことになる。
【００１３】
この時、図１のLED駆動回路の消費電力Pdは、基準電圧回路１１や、誤差増幅回路１２の消費電力及びスイッチ制御回路３の消費電力がLEDによって消費される電力に比べて無視できるくらい小さいとすると、（３）式で与えられる。
【００１４】
【式３】

【００１５】
LEDへ電流を流す時間は、従来に比較して1/2となるので、消費電力を従来の２/３に抑えることが可能である（LED部のみであれば、従来に比べ消費電力は1/2となる）。
例えば、液晶パネルのバックライトとしてＬＥＤを点燈させた場合、従来は常時点燈であるが、本実施例のようにＬＥＤを時分割で点燈させることにより消費電力を抑え、かつ表示は残像効果により従来と差し支えない状態で使用可能である。
【００１６】
図２では、LED１９とLED２０を交互に点滅させているが、LED１９とLED２０が同時に点燈の時間を設けても同時に消灯の時間を設けても良い。LED１９またはLED２０に消灯する期間があれば、その分、従来に比較して消費電力を低減する事が可能である。
【００１７】
ＬＥＤを時分割で点燈させる時の周期として、液晶パネルのバックライトとしてＬＥＤを点燈させる場合、視覚上ちらつきにならない周波数でＬＥＤを時分割で点燈させる必要がある。その為には、ＬＥＤを５Ｈｚ以上の周波数で時分割して点燈させる必要がある。
【００１８】
図１では、トランジスタ１７、１８の出力にスイッチ４及び５が挿入されているが、図３に示すように、スイッチ制御回路３からの信号により、スイッチ回路４０、５０によってトランジスタ１７、１８のゲート電圧を切り換えても、同様の効果がある。すなわち、スイッチ制御回路３からの信号V1がHの時、トランジスタ１７のゲートをトランジスタ１６のゲートに接続して、LED１９に電流を流し、信号V1がLの時、トランジスタ１７のゲートをVDDに接続してLED１９への電流を遮断する。また、スイッチ制御回路３からの信号V2がHの時、トランジスタ１８のゲートをトランジスタ１６のゲートに接続して、LED２０に電流を流し、信号V2がLの時、トランジスタ１８のゲートをVDDに接続してLED２０への電流を遮断する。
【００１９】
また、液晶のバックライトとしては、白色ＬＥＤが用いられる場合があるが、ＬＥＤの発光効率上ＬＥＤには5mA〜30mA程度の電流を流す必要がある。時分割でLEDを点燈させた場合、通常の連続通電の定格電流よりも多くの電流を瞬間的に流すことが可能なため輝度を向上させることも可能である。
【００２０】
次に、第２の実施例について説明する。図４は本発明の第２の実施例を示すLED駆動回路である。定電流発生回路１５、カレントミラー回路２１とLED１９、２０は従来と同様である。カレントミラー回路のトランジスタ１７、１８とLEDを接続する端子１、２の間にスイッチ４、５が挿入され、前記スイッチ４、５はスイッチ制御回路６からの信号電圧V1、V2によってON/OFF制御される。スイッチ制御回路６には、外部からの制御端子７が接続されており、制御端子７の信号V7によって、V1、V2の周期または、点燈時間を制御する。
【００２１】
図５に周期を変化させる例を示す。図５（ａ）に制御端子７の電圧V7が低い時を、（ｂ）に制御端子７の電圧V7が高い時をそれぞれ示す。制御端子７の電圧V7によって、スイッチ制御回路６の内部の発振回路の周波数を変化させる。制御端子７の電圧V7が低い時はスイッチ制御回路６の内部の発振回路の周波数が下がり、LEDの点滅周期が長くなり、逆に制御端子７の電圧V7が高いときは、LEDの点滅周期が短くなる。
【００２２】
実施例２ではLEDの点滅の周期を、液晶パネルの大きさや特性に合わせて調整することが可能となる。
また、図４において制御端子７の信号によって、LEDの点滅時間を制御する例を図６に示す。図６（ａ）に制御端子７の電圧V7が低い時を、（ｂ）に制御端子７の電圧V7が高い時をそれぞれ示す。制御端子７の電圧V7が低い時はスイッチ制御回路６の内部の単安定マルチバイブレータの時間を制御することで、LED１９と２０の点燈時間の割合は50%-50%で同じだが、制御端子７の電圧V7の電圧が高いときはLED１９の点燈時間を短くし、LED２０の点燈時間を長くする。
【００２３】
図６では、LED１９とLED２０を相補的に点燈させているが、同時に点燈する期間や同時に消燈する期間を設けても構わない。
【００２４】
図７に、ある一定周期でLED１９とLED２０を点滅させる時の、図４の制御回路６の例を示す。発振回路５１は、ある一定の周期で発振する。前記発振回路の出力OSC1は、第一の単安定マルチバイブレータ５３とインバータ５２を介して、第２の単安定マルチバイブレータ５４に接続されている。単安定マルチバイブレータ５３、５４はOSC1及びインバータ５２の電圧の立ち上がりでトリガがかかり、制御端子７の電圧によって決定される時間幅の出力パルスをV1、V2の電圧として発生する。
【００２５】
図８に、制御端子７の電圧によって、単安定マルチバイブレータ５３、５４の出力V1、V2が変化する例を示す。
図８(a)に制御端子７の電圧が低い時のV1、V2電圧を、（ｂ）に制御端子７の電圧V7が高い時のV1、V2の電圧をそれぞれ示す。制御端子７の電圧V7が低い時に単安定マルチバイブレータによって生成されるパルス幅が短くなり、電圧V7が高い時に単安定マルチバイブレータによって生成されるパルス幅が長くなる場合について図８では示している。
【００２６】
実施例２ではLEDの点滅の時間割合及び周期を、液晶パネルの大きさや、温度、表示速度等の特性に合わせて調整することが可能となる。
【００２７】
次に、第３の実施例について説明する。
【００２８】
図９に、図３において制御端子７の信号によって、点滅制御させるLEDを選択する場合の実施例を、本発明の第３の実施例として示す。
図９（ａ）に制御端子７の電圧V7が低い時のV1、V2電圧を、（ｂ）に制御端子７の電圧V7が高い時のV1、V2電圧をそれぞれ示す。制御端子７の電圧V7が低い時は、V1はHのままでLED１９を常時点燈させ、LED２０を点滅制御するが、制御端子７の電圧V7が高い時はV2はHのままでLED２０を常時点燈させ、LED１９を点滅制御する。
【００２９】
実施例３では複数個のLEDのうち、いづれか１つは常時点燈させ、他のLEDのうちいづれか１つは点滅制御することで、液晶パネルの用途に合わせて、低消費電力のバックライト用のLEDの駆動が可能となる。
【００３０】
次に、第４の実施例について説明する。
図１０は本発明の第４の実施例を示すLED駆動回路である。図１との違いは、定電流発生回路１５の抵抗１３が可変抵抗３０になっている点である。可変抵抗３０は外部端子３１からの信号電圧によって、変化する。可変抵抗３０の値が変化する事でLED１９、LED２０に流れる電流値を変化させることができるのは（１）式より明白である。
【００３１】
図１０では、外部信号によって可変抵抗３０の値を変化させているが、基準電圧回路１１の出力電圧値Vref[V]の値を変化させてもLED１９、LED２０に流れる電流値を変化させることができるのは（１）式より明白である。
また、図１０において可変抵抗３０の値を外部端子３１からの信号で制御せずに、LED駆動回路内に温度センサを集積化し、前記温度センサの出力によって可変抵抗３０の値を制御すれば、温度によって変化する液晶の特性に合わせて、LEDに流す電流値を調整することができる。
【００３２】
以上、制御するLEDを２個として実施例を述べたが、３個以上でも同様に、かつ、さらに複雑にLEDの駆動方法を制御できることは明白である。また、スイッチ４及び５は簡単にスイッチの役目をするトランジスタに置き換えることが可能である。
【００３３】
次に、第５の実施例について説明する。
【００３４】
図１１は本発明の第５の実施例を示すLED駆動回路である。定電流発生回路１５は、従来と同様である。定電流発生回路１５の基準電圧回路１１の電源は、電源端子１０に接続されている。昇圧回路１０１は、電源端子１０の電圧VDD[V]を、より高い電圧VDDU[V]に端子１００の電圧を昇圧する。昇圧回路１０１は、容量を使用したチャージ・ポンプ型のものでも、コイルを使用したスイッチング・レギュレータ型でも昇圧の機能を実現できるのであれば、回路方式は問わない。昇圧回路１０１には、コンパレータ６０の出力が接続されており、コンパレータ６０の出力電圧によって、昇圧回路１０１の動作のON/OFFを制御する。コンパレータ６０のプラス端子には、定電流発生回路１５の誤差増幅回路１３のプラス端子入力電圧Vref[V]が印加され、マイナス端子には誤差増幅回路１３のマイナス端子入力電圧Va[V]が印加されている。
【００３５】
図１１において、昇圧回路１０１は、コンパレータ６０の出力電圧が高いとき、すなわち、Vref[V]>Va[V]の時、昇圧動作を行い、コンパレータ６０の出力電圧が低いとき、すなわち、Vref[V]<Va[V]の時、昇圧動作を停止する。このように制御することで、抵抗１３に流れる電流が、I=Vref/R13[A]となる最適の昇圧された電圧VDDU[V]でLEDを駆動させることが可能となる。
【００３６】
トランジスタ６１は、ソース・フォロア回路で、定電流源６３によって、駆動されLED１９の接続されている端子１の電圧よりも、およそしきい値電圧下がった電圧をソースに発生する。トランジスタ６２もソース・フォロア回路で、前記トランジスタ６１のソース電圧よりも、およそしきい値電圧上がった電圧をソース、即ち、トランジスタ１６のゲートとドレインに発生する。トランジスタ６１と６２のしきい値電圧の絶対値が等しいと、端子１の電圧と、ほぼ等しい電圧がトランジスタ１６のゲートとドレインに発生するため、トランジスタ１６と１７で構成するカレント・ミラーが正確に動作する。
【００３７】
例えば、リチウムイオン２次電池を端子１０の電源電圧VDD[V]に使用する場合、その電圧はおよそ、3.6V程度である。一方、白色LEDの順方向ON電圧は、最大4.0V程度必要であるため、リチウムイオン２次電池の電圧を白色LEDが点燈する電圧まで昇圧する必要がある。
一般に、昇圧回路で昇圧した後に、定電流回路を付加する場合、昇圧回路の昇圧電圧値は、ある一定の値、例えば５Vになるように制御される。そのため、必要以上の電圧がトランジスタ１７のドレイン・ソース間にかかり、損失または発熱の原因となる。実施例５のようにLEDの電流を一定に保つように、昇圧電圧を制御することで、トランジスタ１７のドレイン・ソース間の電圧は、より低い値に抑えることが可能であり、損失および発熱の点で、優れた特性となる。
【００３８】
図１２では、図１１に比較してコンパレータ６０のマイナス入力端子に、オフセット用電源６４が、挿入されている。図１１では、コンパレータ６０のオフセット電圧によってよっては、正常に動作しない場合があるが、図１２に示すように、オフセット用電源６４を挿入することで、安定に動作させることが可能となる。オフセット用電源の電圧値をVof1[V]とすれば、昇圧回路１０１のON/OFF制御は、Vref>VA+Vof1の時、コンパレータ６０の出力が高くなり、１０１は昇圧動作を行い、Vref<VA+Vof1の時、コンパレータ６０の出力が低くなり、１０１は昇圧動作を停止する。このようにすると、抵抗１３に流れる電流は、I=(Vref-Vof1)/R13[A]となるように制御される。
【００３９】
この場合、Vof1[V]は、コンパレータ６０のオフセット電圧よりも、大きい値とする。
図１３に別の実施例を示す。図１１との違いは、昇圧回路１０１のON/OFF制御を行うコンパレータ７０の、プラス入力端子が誤差増幅器１２の出力電圧Verr[V]に、マイナス入力端子が昇圧された電圧VDDU[V]から、オフセット用電源７１の電圧Vof2[V]を引いた値としている点である。この場合、昇圧回路１０１のON/OFF制御は、Verr>VDDU-Vof2の時、コンパレータ７０の出力が高くなり、１０１は昇圧動作を行い、 Verr<VDDU-Vof2の時、コンパレータ７０の出力が低くなり、１０１は昇圧動作を停止する。抵抗R13に流れる電流Iが、Vref/R13よりも小さいときは、誤差増幅器１２の出力Verrは、高くなる。逆に、抵抗R13に流れる電流Iが、Vref/R13よりも大きいときは、誤差増幅器１２の出力Verrは、低くなる。従って、抵抗R13に流れる電流Iが、Vref/R13よりも小さいときは、誤差増幅器１２の出力Verrは、高くなりVDDUとほぼ同じ電圧まで上昇する。その時は、コンパレータ７０の出力は高くなっているので、昇圧回路１０１は昇圧動作を行う。やがて、VDDUの電圧値が大きくなり、定電流回路１５が電流を流せるようになると、誤差増幅器１２の出力電圧Verrは、徐々に下がり、 Verr<VDDU-Vof2の時、コンパレータ7０の出力が低くなり昇圧回路１０１の昇圧動作を停止する。このように、制御することで、必要以上に昇圧電圧VDDUを高くすることを防止でき、前述のように、損失および発熱の点で、優れた特性となる。
【００４０】
図１１、１２のコンパレータ６０及び図１３のコンパレータ７０には、若干のヒステリシスを付加しておくと回路の動作がより安定する。
【００４１】
次に、第６の実施例について説明する。
【００４２】
図１４に本発明の第６の実施例を示す。図１２に対し、図１４はスイッチ制御回路３とスイッチ４、５とLED２０が付加されている。これらは、すべて図１と同等である。さらに、スイッチ７４、７５が付加されており、スイッチ４と７４、スイッチ５と７５はそれぞれ同期しており、スイッチ４が閉じている時はスイッチ７４も閉じており、スイッチ４が開いている時は、スイッチ７４も開いている。スイッチ５と７５についても同様である。
【００４３】
スイッチ制御回路３によって、LED１９とLED２０の点滅を制御するので、その点燈しているLEDのアノード電圧によって、昇圧回路１０１のON/OFFを制御する。
但し、LED１９とLED２０の両方ともONの時には、スイッチ７４と７５は、同時にONすることないように、どちから片方を優先させるようなロジックで制御する。
【００４４】
また、LED19とLED20の両方OFF時の不安定動作を除くために、スイッチ制御回路３の出力V1とV2でORをとり、その出力がL（低い）の時は、昇圧回路１０１の昇圧動作を止めるようにしても良い。
【００４５】
さらに、LED１９とLED２０を相補的に点燈させるように制御すれば、昇圧回路１０１の昇圧能力は、常時点燈時の半分でかまわないため、昇圧回路も含めてLED駆動回路の最適化が可能となる。
なお、LED１９、２０は特に、相補的に点燈させる必要はなく、前述の実施例１〜４のようにさまざまな駆動方法が考えられ、またLEDの数も２つ以上であれば、いくつでも構わない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明のLED駆動回路では、液晶の特性に合わせて最適な点燈をさせることで、LED駆動時の消費電力を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例のスイッチ駆動電圧の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の別のLED駆動回路の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例のスイッチ駆動電圧の一例の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例のスイッチ駆動電圧の一例の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例のスイッチ制御回路６の一例の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施例のスイッチ駆動電圧の一例の説明図である。
【図９】本発明の第３の実施例のスイッチ駆動電圧の一例の説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図１２】本発明の第５の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図１４】本発明の第６の実施例のLED駆動回路の説明図である。
【図１５】従来のLED駆動回路の説明図である。
【符号の説明】
３、６ スイッチ制御回路
４、５ スイッチ
７ 制御端子
１５ 定電流発生回路
１９、２０ LED
２１ カレントミラー回路

Claims (7)

1. 液晶パネルのバックライトとして用いられる複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路において、
   抵抗と、基準電圧と前記抵抗の電圧との差電圧を増幅して出力信号を出力する誤差増幅器と、前記出力信号に基づいて前記抵抗に流れる定電流を出力するトランジスタと、を有する定電流発生回路と、
   前記定電流に基づいた電流を出力するカレントミラー回路と、
   前記定電流に基づいた電流によって駆動される、前記複数のＬＥＤの中の１個以上のＬＥＤからなる一のＬＥＤ群と、
   前記定電流に基づいた電流によって駆動される、前記複数のＬＥＤの中の１個以上のＬＥＤからなる他のＬＥＤ群と、
   前記カレントミラー回路から前記一のＬＥＤ群への電流を制御し、１個以上のスイッチからなる一のスイッチ群と、
   前記カレントミラー回路から前記他のＬＥＤ群への電流を制御し、１個以上のスイッチからなる他のスイッチ群と、
   前記一のスイッチ群を所定周期でオンオフ制御し、前記他のスイッチ群を前記所定周期から半周期ずれた周期でオンオフ制御するスイッチ制御回路と、
   を備えていることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
2. 前記スイッチ制御回路は、外部からの信号により、前記一のスイッチ群及び前記他のスイッチ群を介し、前記一のＬＥＤ群及び前記他のＬＥＤ群の中の所定のＬＥＤを選択して動作させることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
3. 前記スイッチ制御回路は、外部からの信号により、前記一のスイッチ群及び前記他のスイッチ群を介し、前記一のＬＥＤ群及び前記他のＬＥＤ群の各ＬＥＤの点滅周期または点燈時間を制御することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
4. 前記定電流発生回路は、外部からの信号により、前記抵抗の値を変化させることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
5. 前記定電流発生回路は、外部からの信号により、前記基準電圧の値を変化させることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
6. 前記定電流発生回路は、温度によって前記抵抗の値を変化させることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
7. 前記定電流発生回路は、温度によって前記基準電圧の値を変化させることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。

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