JP5149457B1 - Led点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】LEDドライバの性能によらず、また、誤動作することなく、LEDに流す最大電流と最小電流とを目標の比率にする。
【解決手段】LED点灯装置1は、LED(1〜5)を含むLED回路5と、LED(1〜5)と並列に挿入されたバイパス手段6と、LED(1〜5)およびバイパス手段6に電流を供給するLEDドライバ4とを備える。バイパス手段6は、抵抗RAとスイッチング素子TAとが直列に接続された少なくとも1つのバイパスラインからなる。LED(1〜5)に所定の最小電流を流す場合、スイッチング素子TAを動作させ、LEDドライバ4は、所定の最小電流にバイパス手段6に流れる電流分を加算した電流を供給する。加算した電流は、LED(1〜5)とバイパス手段6に直列に接続されたスイッチング素子TR1によって制御される。
【選択図】図1
【解決手段】LED点灯装置1は、LED(1〜5)を含むLED回路5と、LED(1〜5)と並列に挿入されたバイパス手段6と、LED(1〜5)およびバイパス手段6に電流を供給するLEDドライバ4とを備える。バイパス手段6は、抵抗RAとスイッチング素子TAとが直列に接続された少なくとも1つのバイパスラインからなる。LED(1〜5)に所定の最小電流を流す場合、スイッチング素子TAを動作させ、LEDドライバ4は、所定の最小電流にバイパス手段6に流れる電流分を加算した電流を供給する。加算した電流は、LED(1〜5)とバイパス手段6に直列に接続されたスイッチング素子TR1によって制御される。
【選択図】図1
Description
本発明は、LED点灯装置に関し、より詳細には、液晶表示装置のバックライト光源などに用いられるLED(Light Emitting Diode)を点灯させるためのLED点灯装置に関する。
近年、LED(Light Emitting Diode)をバックライト光源とした液晶表示装置が各メーカから発売されている。このLEDは、順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子であり、アノードに正、カソードに負の電圧をかけると、数ボルトの電圧で電流が流れ、発光する。LEDをバックライト光源として用いることで、バックライトの点灯/消灯の制御や、明るさの制御を領域ごとに行うことができるため、コントラストを大きく改善することができる。また、LEDは、従来の蛍光管と比べて、長寿命であり、消費電力が小さいため、省エネ効果も高いという利点もある。
LEDをバックライト光源、特に大画面ディスプレイのバックライト光源として用いる場合には、多数のLEDに対して電流を供給する必要があるため、LED電源をスイッチング電源とし、LEDに流れる電流を一定にするようフィードバック制御(電流フィードバック)が行われている(例えば、特許文献1を参照)。
図3は、従来のLED点灯装置の構成を示す図で、図中、100はLED点灯装置を示す。LED点灯装置100は、スイッチング電源3を含むコンバータ回路2と、LED回路5の各LED(1〜5)を駆動させるためのLEDドライバ4と、複数のLED(1〜5)を含むLED回路5とを備えている。LEDドライバ4は、例えば、周知のマイクロコンピュータおよび周辺回路を含むIC(Integrated Circuit)チップとして実装される。LEDドライバ4から外部回路への信号の出力はマイクロコンピュータにより制御される。
LEDドライバ4は、図示しないメイン制御部から、所定の調光用デューティ比に制御するための調光制御信号を受信する。そして、LEDドライバ4は、調光用デューティ比に基づくデューティ信号をフィードバック出力端子からコンバータ回路2に出力し、スイッチング電源3の動作/停止を制御して、調光用デューティ比に応じた電圧V1を生成させる。また、LEDドライバ4は、このデューティ信号に基づいて、LED回路5と接地線GNDとの間に挿入されたスイッチング素子TR1をスイッチング駆動させ、LED回路5に対して電圧V1の印加を継続して行うことで、LED(1〜5)を点灯させる。スイッチング素子TR1は、例えば、FET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)で構成される。
コンバータ回路2は、例えば、バッテリ等の電源電圧(+B)から生成される基準電圧Vに基づきLED回路5に含まれるLED(1〜5)を点灯させるための電圧V1を生成する。コンバータ回路2は、コンデンサCを含む所謂降圧型のコンバータとして構成されるが、降圧型、昇圧型、昇降圧型のいずれであってもよい。
LED回路5は、1つ以上のLEDを含んで構成される。図示の例では、LED(1〜5)の5個のLEDを含んでいる。また、LED回路5を流れる電流iは、電流検出抵抗R1により電流−電圧変換され、その電圧がLEDドライバ4の電流検出端子に入力される。LEDドライバ4は、電流検出端子に入力された電圧の値をフィードバック出力端子からコンバータ回路2に出力し、コンバータ回路2によりLED(1〜5)を定電流駆動させる。
ここで、最近の液晶表示装置は、益々高画質化され、より鮮明な画質を得るためにコントラスト比をできるだけ大きくしたいという要求がある。LEDをバックライト光源とした場合には、このコントラスト比は、LEDの最大輝度と最小輝度との比で決まる。すなわち、コントラスト比を大きくすることは、LEDを流れる最大電流(定格電流)と最小電流との比を大きくすることと同義である。
そして、LEDを流れる電流は、図3で説明したようにLEDドライバにより供給される電流によって決まる。液晶表示装置の各メーカは、所望のコントラスト比を実現するために、LEDに流す最大電流と最小電流とに対して目標の比率を設定している。例えば、この目標比率を2000:1に設定している。具体的には、LEDドライバにより供給される最大電流が250mAであれば、最小電流の目標値は0.125mAとなる。
上記したLEDに流す最小電流(以下、LED最小電流という)を実現するために、従来2つの方法が用いられている。第1の方法として、メイン制御部側で調光制御信号(調光用デューティ)を調整し、調整後の調光用デューティに基づきLEDドライバによりLED最小電流を生成する方法がある。しかし、この場合、メイン制御部側での複雑な信号調整が必要とされ、さらに、LEDドライバの性能、すなわち、LEDドライバが対応できる調光用デューティの範囲によってLED最小電流が制限されてしまうという問題がある。これについて以下の図4に基づき説明する。
図4は、LEDに流れる電流と調光用デューティとの関係を示す図で、図中、縦軸はLEDに流れる電流(単位:mA)、横軸は調光用デューティ(%)を示す。グラフL1は、調光用デューティとLEDに流れる電流(すなわち、LEDドライバにより供給される電流)との対応関係を示すものである。図4に示すように、調光用デューティが0.1%以下の場合(図中、Xの範囲の場合)には、LEDドライバの性能により動作が保証されず、目標の0.125mAを達成できないことが分かる。すなわち、このLEDドライバの性能では、調光用デューティが0.1%のときにLEDに流れる電流(最小電流)が0.200mAとなるため、目標の0.125mAを達成することができない。
また、第2の方法として、LEDドライバの外部回路によりLED最小電流を実現する方法がある。しかし、この場合、LEDドライバを停止させて外部回路によりLED最小電流を生成するため、LEDドライバの動作復帰時に誤動作する恐れがある。具体的には、停止状態にあるLEDドライバを急峻に動作復帰させると、LED電圧が上昇する。このため、LED電圧の上昇を過電圧エラーとして誤検出してしまう。
なお、特許文献1に記載の技術では、LED回路と並列にバイパス手段が挿入されているが、これは、LEDが点灯するために要する時間を短縮することを目的とし、プレデューティ比でスイッチング電源を駆動する場合にはバイパス手段に電力を供給してLEDの点灯を防止し、調光用デューティ比でスイッチング電源を駆動する場合にはLEDに電力を供給してバイパス手段を動作させないようにしたものである。従って、特許文献1に記載の技術は、所望のコントラスト比を得るために、LEDに流す最大電流と最小電流とを目標の比率にできるものではない。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、LEDドライバの性能によらず、また、誤動作することなく、LEDに流す最大電流と最小電流とを目標の比率にすることができるLED点灯装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、少なくとも1つのLEDを含むLED回路と、該LED回路と並列に挿入されたバイパス手段と、前記LED回路および前記バイパス手段に電流を供給するLEDドライバとを備え、前記バイパス手段は、抵抗と第1のスイッチング手段とが直列に接続された少なくとも1つのバイパスラインからなり、前記LED回路に所定の最小電流を流す場合、前記第1のスイッチング手段を動作させ、前記LEDドライバは、前記所定の最小電流に前記バイパス手段に流れる電流分を加算した電流を供給し、前記加算した電流を、前記LED回路と前記バイパス手段に直列に接続された第2のスイッチング手段によって制御することを特徴としたものである。
第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記LED回路に所定の最大電流を流す場合、前記第1のスイッチング手段を停止させ、前記LEDドライバは、前記所定の最大電流を供給することを特徴としたものである。
第3の技術手段は、第1又は第2の技術手段において、前記バイパス手段は、前記バイパスラインを複数並列接続したものであることを特徴としたものである。
第4の技術手段は、第1〜第3のいずれか1の技術手段において、前記LED回路に流す所定の最大電流と最小電流とは、所定の比率になることを特徴としたものである。
第5の技術手段は、第1〜第4のいずれか1の技術手段において、前記LEDドライバは、デューティ制御により電流を供給することを特徴としたものである。
本発明によれば、LEDと並列にバイパス手段を挿入し、LEDに流す電流が目標の最小電流になるように、LEDドライバにより供給される電流をバイパス手段に分岐させることができるため、LEDドライバの性能によらず、また、LEDドライバを停止させることがないため、誤動作することがなく、LEDに流す最大電流と最小電流とを目標の比率にすることができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明のLED点灯装置に係る好適な実施の形態について説明する。このLED点灯装置は、例えば、バックライト光源としてLEDを用いた液晶表示装置に内蔵され、LEDの点灯制御を行うものである。
図1は、本発明によるLED点灯装置の構成例を示す図で、図中、1はLED点灯装置を示す。LED点灯装置1は、前述の図3に示したLED点灯装置100と比較して、LED回路5と並列に挿入されたバイパス手段6と、バイパス手段6のオン/オフを制御する制御回路7とを備える点が異なる。なお、図1において、図3で示した構成要素と同じ符号を付した構成要素は同じ機能を有する。以下ではLED点灯装置1の動作例について簡単に説明する。
前述したように、LEDドライバ4は、図示しないメイン制御部から、所定の調光用デューティ比に制御するための調光制御信号を受信する。そして、LEDドライバ4は、調光用デューティ比に基づくデューティ信号をフィードバック出力端子からコンバータ回路2に出力し、スイッチング電源3の動作/停止を制御して、調光用デューティ比に応じた電圧V1を生成させる。また、LEDドライバ4は、このデューティ信号に基づいて、LED回路5と接地線GNDとの間に挿入されたスイッチング素子TR1(第2のスイッチング手段に相当)をスイッチング駆動させ、LED回路5に対して電圧V1の印加を継続して行うことで、LED(1〜5)を点灯させる。スイッチング素子TR1は、例えば、FET(Field Effect Transistor)で構成される。
コンバータ回路2は、例えば、バッテリ等の電源電圧(+B)から生成される基準電圧Vに基づきLED回路5に含まれるLED(1〜5)を点灯させるための電圧V1を生成する。コンバータ回路2は、コンデンサCを含む所謂降圧型のコンバータとして構成されるが、降圧型、昇圧型、昇降圧型のいずれであってもよい。
LED回路5は、少なくとも1つのLEDを含んで構成される。図示の例では、LED(1〜5)の5個のLEDを含んでいる。また、LED(1〜5)を流れる電流iLEDとバイパス手段6を流れる電流iRとを加算した電流iは、電流検出抵抗R1により電流−電圧変換され、その電圧がLEDドライバ4の電流検出端子に入力される。LEDドライバ4は、電流検出端子に入力された電圧の値をフィードバック出力端子からコンバータ回路2に出力し、コンバータ回路2によりLED(1〜5)を定電流駆動させる。
本発明の主たる目的は、LEDドライバの性能によらず、また、誤動作することなく、LEDに流す最大電流と最小電流とを目標の比率にすることにある、このための構成として、LED点灯装置1は、LED(1〜5)を含むLED回路5と、LED回路5と並列に挿入されたバイパス手段6と、LED回路5およびバイパス手段6に例えばデューティ制御により電流を供給するLEDドライバ4とを備える。LEDドライバ4は、LED回路5に所定の最小電流を流す場合、この最小電流にバイパス手段6に流れる電流分を加算した電流を供給する。そして、この加算した電流は、LED回路5とバイパス手段6に直列に接続されたスイッチング素子TR1によって制御される。
つまり、LED(1〜5)に流す最大電流と最小電流とが所定の比率(目標比率ともいう)になるときの最小電流を目標値とし、LED(1〜5)に流す電流が目標値になるように、LEDドライバ4により供給される電流をバイパス手段6に分岐させる。この目標比率は、実現したいコントラスト比やLEDの仕様などに応じて定めればよく、特に限定されるものではないが、例えば、2000:1とすることができる。
上記において、LEDドライバ4は、外部から入力される調光制御信号(調光用デューティ比)に基づいて、スイッチング電源3の動作/停止を制御して、調光用デューティ比に応じた電圧V1に基づく電流iを供給する。この電流iは、LED(1〜5)とバイパス手段6との接続点で分岐され、LED(1〜5)に電流iLEDが、バイパス手段6に電流iRがそれぞれ流れる。なお、ここでは、LEDドライバ4がデューティ制御により電流を供給する場合を例示して説明するが、このデューティ制御に限らず、例えば、電流制御を適用した場合でも同様の制御を行うことができる。
次に、バイパス手段6の構成例について説明する。このバイパス手段6は、抵抗とスイッチング素子とが直列に接続された少なくとも1つのバイパスラインからなる。図1の例では、バイパス手段6は、抵抗RAとスイッチング素子TAとが直列に接続されたバイパスラインと、抵抗RBとスイッチング素子TBとが直列に接続されたバイパスラインと、抵抗RCとスイッチング素子TCとが直列に接続されたバイパスラインとを有し、これら3つのバイパスラインが並列に接続されている。なお、スイッチング素子TA〜TCは、第1のスイッチング手段に相当し、例えば、FET(電界効果トランジスタ)、より望ましくは、FETの一種であるMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などで構成される。
ここで、LEDドライバ4から出力される電流をi、LED(1〜5)を流れる電流をiLED、バイパス手段6に流れる電流をiRとし、さらに、抵抗RAを含むバイパスラインを流れる電流をiA、抵抗RBを含むバイパスラインを流れる電流をiB、抵抗RCを含むバイパスラインを流れる電流をiCとすると、以下の式が成り立つ。
i=iLED+iR 但し、iR=iA+iB+iC …式(1)
i=iLED+iR 但し、iR=iA+iB+iC …式(1)
制御回路7は、スイッチング素子TA〜TCに接続されており、スイッチング素子TA〜TCそれぞれのオン/オフ(動作/停止)を制御する。例えば、スイッチング素子TA〜TCを全てオンにした場合、式(1)より、LED(1〜5)を流れる電流は、iLED=i−(iA+iB+iC)となる。以下同様に、スイッチング素子TAをオフ、スイッチング素子TB,TCをオンにした場合、LED(1〜5)を流れる電流は、iLED=i−(iB+iC)となる。スイッチング素子TA,TBをオフ、スイッチング素子TCをオンにした場合、LED(1〜5)を流れる電流は、iLED=i−iCとなる。スイッチング素子TA〜TCを全てオフにした場合、LED(1〜5)を流れる電流は、iLED=iとなる。
図1において、例えば、LED(1〜5)に流す最大電流と最小電流との目標比率が2000:1で、最大電流(定格電流)が250mAである場合について想定する。この場合、最小電流の目標値は0.125mAとなる。そして、最小電流を流す場合に、例えば、スイッチング素子TA,TBをオフ、スイッチング素子TCをオンに制御するものとする。すなわち、最小電流を流す場合、iLED=i−iCの関係が成立する。本例のLEDドライバ4の性能は、図4に示したように、調光用デューティが0.1%以下の場合には、動作が保証されておらず、調光用デューティが例えば0.1%のときにはLED(1〜5)には0.200mAが供給される。つまりこのLEDドライバ4の性能では、最小電流の目標値である0.125mAを達成することができない。
上述の式(1)において、i=0.200mA、iLED=0.125mAとすると、抵抗RCに流れるべき電流iCは、0.075mAとなる。これより抵抗RCの抵抗値は、V1/iCにより求めることができる。ここで、電圧V1は抵抗RC(およびLED回路5)に印加される電圧で既知である。このように、スイッチング素子TCのみをオンに制御することで、LEDドライバ4により供給される電流i(=0.200mA)のうち、抵抗RCに電流iC(=0.075mA)だけ分岐させることができる。このため、LED(1〜5)には目標の最小電流iLED(=0.125mA)を流すことができる。
上記例では、スイッチング素子TA,TBをオフ、スイッチング素子TCをオンに制御することで、LED(1〜5)に最小電流を流すようにしたが、スイッチング素子TA,TB,TCのいずれか1つ以上をオンに制御することで、LED(1〜5)に最小電流を流すようにしてもよい。
なお、LED(1〜5)に最大電流(例えば、250mA)を流す場合、スイッチング素子TA〜TCを全てオフに制御する。すなわち、抵抗RA〜RCには電流が流れないため、iLED=iの関係が成立する。このため、LEDドライバ4は、最大電流をそのまま供給すればよい。これにより、LED(1〜5)には目標の最大電流iLED(=250mA)が流れることになる。
ここで、バイパス手段6を抵抗のみで構成した場合、バイパス手段6には常に電流が流れてしまう。このため、LED(1〜5)に最大電流を流す場合でも、LEDドライバ4は、この最大電流に、バイパス手段6に供給する電流分を加算した電流を供給する必要があり、この分がロスになっていた。これに対して、本発明では、バイパス手段6を抵抗とスイッチング素子により構成したため、LED(1〜5)に最大電流を流す場合、スイッチング素子をオフにして、抵抗に電流が流れないようにすることができる。これにより、LEDドライバ4は、最大電流をそのまま供給すればよいため、上記のロスが発生することはない。
図2は、LEDに流れる電流と調光用デューティとの対応関係の一例を示す図で、図中、縦軸はLEDに流れる電流(単位:mA)、横軸は調光用デューティ(%)を示す。グラフL1は、前述の図4に示した従来のものと同様である。グラフL2は、本発明の回路構成におけるLED(1〜5)に流れる電流と調光用デューティとの対応関係を示すもので、グラフL1を電流iR(本例では、iR=iC)分だけ低くシフトさせたものである。本発明の回路構成によれば、上記で説明したように、LEDドライバ4により供給される電流iのうち、抵抗RCに電流iCだけ分岐させることができる。このため、LED(1〜5)に流す電流iLEDの最大電流と最小電流の比率を目標比率(例えば、2000:1)にすることができる。
以下、前述の図1に基づき本発明による他の実施例について説明する。本例の場合、通常時、LED(1〜5)に流れる電流iLEDの最大電流を例えば200mAとし、LEDドライバ4で制御可能な最小電流を例えば1mAとする。ここで、V1=100V、RA=110kΩ、RB=2MΩ、RC=2.5MΩとする。
(1)スイッチング素子TA〜TCを全てオフした場合、最大電流は200mA、最小電流は1mAとなるため、最大電流と最小電流との比は、200mA:1mA=200:1となる。
(2)スイッチング素子TAをオンし、スイッチング素子TB,TCをオフした場合、最大電流は200mA、最小電流は、
1mA−(100V/110kΩ)≒1mA−0.9mA≒0.1mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.1mA=2000:1となる。
1mA−(100V/110kΩ)≒1mA−0.9mA≒0.1mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.1mA=2000:1となる。
(3)スイッチング素子TA,TBをオンし、スイッチング素子TCをオフした場合、最大電流は200mA、最小電流は、
1mA−(100V/110kΩ)−(100V/2MΩ)≒1mA−0.9mA−0.05mA≒0.05mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.05mA=4000:1となる。
1mA−(100V/110kΩ)−(100V/2MΩ)≒1mA−0.9mA−0.05mA≒0.05mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.05mA=4000:1となる。
(4)スイッチング素子TA〜TCを全てオンした場合、最大電流は200mA,最小電流は、
1mA−(100V/110kΩ)−(100V/2MΩ)−(100V/2.5MΩ)≒1mA−0.9mA−0.05mA−0.04mA≒0.01mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.01mA=20000:1となる。
1mA−(100V/110kΩ)−(100V/2MΩ)−(100V/2.5MΩ)≒1mA−0.9mA−0.05mA−0.04mA≒0.01mA
となる。従って、最大電流と最小電流との比は、200mA:0.01mA=20000:1となる。
上記(1)〜(4)の例では、複数のバイパスラインを並列に接続し、スイッチング素子TA〜TCにおけるオン/オフの組み合わせを制御することで、所望の電流比(最大電流と最小電流との比)を実現することができる。なお、2000:1の電流比に固定して使用する場合には、上記(2)のパターンとなるが、この場合、少なくともスイッチング素子TAを含むバイパスラインがあればよく、スイッチング素子TBを含むバイパスライン、スイッチング素子TCを含むバイパスラインを不要としてもよい。
このように本発明によれば、LED(1〜5)と並列にバイパス手段6を挿入することで、LED(1〜5)に流す電流iLEDが目標の最小電流になるように、LEDドライバ4により供給される電流iをバイパス手段6に分岐させることができる。このため、LEDドライバ4の性能によらず、また、LEDドライバ4を停止させることがないため、誤動作することがなく、LED(1〜5)に流す最大電流と最小電流とを目標の比率にすることができる。
また、抵抗を含むバイパス手段6を用いるため、この抵抗が異常時に放電抵抗としても機能するため、回路を保護し、LED点灯装置1あるいはLED点灯装置1を内蔵する液晶表示装置の安全性を確保することができる。
1,100…LED点灯装置、2…コンバータ回路、3…スイッチング電源、4…LEDドライバ、5…LED回路、6…バイパス手段、7…制御回路。
Claims (5)
- 少なくとも1つのLEDを含むLED回路と、該LED回路と並列に挿入されたバイパス手段と、前記LED回路および前記バイパス手段に電流を供給するLEDドライバとを備え、
前記バイパス手段は、抵抗と第1のスイッチング手段とが直列に接続された少なくとも1つのバイパスラインからなり、
前記LED回路に所定の最小電流を流す場合、前記第1のスイッチング手段を動作させ、前記LEDドライバは、前記所定の最小電流に前記バイパス手段に流れる電流分を加算した電流を供給し、
前記加算した電流を、前記LED回路と前記バイパス手段に直列に接続された第2のスイッチング手段によって制御することを特徴とするLED点灯装置。 - 請求項1に記載のLED点灯装置において、前記LED回路に所定の最大電流を流す場合、前記第1のスイッチング手段を停止させ、前記LEDドライバは、前記所定の最大電流を供給することを特徴とするLED点灯装置。
- 請求項1または2に記載のLED点灯装置において、前記バイパス手段は、前記バイパスラインを複数並列接続したものであることを特徴とするLED点灯装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED点灯装置において、前記LED回路に流す所定の最大電流と最小電流とは、所定の比率になることを特徴とするLED点灯装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のLED点灯装置において、前記LEDドライバは、デューティ制御により電流を供給することを特徴とするLED点灯装置。
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