JP5829067B2 - Led駆動装置、照明装置、液晶表示装置 - Google Patents
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Description
上記第1の目的を達成するために、第1の技術的特徴に係るLED駆動装置は、入力電圧から出力電圧を生成してLEDに供給するための出力段を制御するDC/DCコントローラと、前記LEDの出力電流を生成する出力電流ドライバと、所定の制御信号に基づいて前記出力電圧及び前記出力電流の生成動作が停止されたときに前記出力電圧の放電を行う出力放電回路と、を集積化した構成(第1−1の構成)とされている。
また、上記第2の目的を達成するために、第2の技術的特徴に係るLED駆動装置は、入力電圧から出力電圧を生成してLEDに供給するための出力段を制御するDC/DCコントローラと、前記LEDの出力電流を生成する出力電流ドライバと、前記LEDのカソード電圧を監視してLEDショート検出を行うLEDショート検出回路と、を集積化したLED駆動装置であって、前記LEDショート検出回路は、前記LED駆動装置の外部から入力されるショート検出イネーブル信号に応じて動作可否が制御される構成(第2−1の構成)とされている。
図1は、本発明に係るLEDドライバICの第1構成例(昇降圧アプリケーション構成例)を示した回路ブロック図である。本構成例のLEDドライバIC100は、内部定電圧生成部101と、UVLO[Under Voltage Lock Out]部102と、TSD[Thermal Shut Down]部103と、OVP[Over Voltage Protection]部104と、制御ロジック部105と、OCP[Over Current Protection]部106と、コンパレータ107と、シュミットトリガ108と、発振部109と、スロープ生成部110と、PWM[Pulse Width Modulation]コンパレータ111と、ドライバ制御部112と、上側ドライバ113と、Nチャネル型MOS[Metal Oxide Semiconductor]電界効果トランジスタ114と、下側ドライバ115と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ116と、エラーアンプ117と、ソフトスタート部118と、シュミットトリガ119と、出力電流設定部120と、定電流ドライバ121と、オープン/ショート検出部122と、シュミットトリガ123及び124と、を集積化した半導体装置である。
また、図1の昇降圧アプリケーション構成では、LEDドライバIC100の外部に、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタN1と、抵抗R1〜R6と、キャパシタC1〜C6と、ダイオードD1及びD2と、インダクタL1と、発光ダイオード列LED1〜LED4が接続されている。
COMP端子は、エラーアンプ出力端子である。SS端子は、ソフトスタート用キャパシタ接続端子である。EN端子は、イネーブル端子である。RT端子は、発振周波数設定用抵抗接続端子である。SYNC端子は、外部同期信号入力端子である。SHDETEN端子は、ショート検出イネーブル信号入力端子である。GND端子は、小信号部GND端子である。PWM端子は、PWM調光信号入力端子である。FAIL1端子は、異常出力端子である。FAIL2端子は、LEDオープン/ショート異常出力端子である。LEDEN1端子及びLEDEN2端子は、それぞれLED出力イネーブル端子である。LED1端子〜LED4端子は、それぞれLED出力端子である。OVP端子は、過電圧検出端子である。VDAC端子は、DC可変調光入力端子である。ISET端子は、LED出力電流設定端子である。PGND端子は、LED出力用GND端子である。VDISC端子は、出力電圧放電端子である。OUTL端子は、ローサイドFETドレイン端子である。SW端子は、ハイサイドFETソース端子である。OUTH端子は、ハイサイドFETゲート端子である。CS端子は、DC/DC出力電流検出用端子である。BOOT端子は、ハイサイドFETドライバ電源端子である。VREG端子は、内部定電圧端子である。VCC端子は、入力電源端子である。
LEDドライバIC100は、40V高耐圧の白色LEDドライバである。LEDドライバIC100は、定電流出力4チャンネルを1チップに内蔵しており、最大120mA/chの電流供給を行うことができるので高輝度LED駆動に最適である。LEDドライバIC100は、昇降圧カレントモードに対応したDC/DCコントローラを内蔵しており、電源電圧に不安定な変動が生じる場合(バッテリへの直接接続時など)であっても、LED段数の制限なく安定した動作を実現することが可能である。LEDドライバIC100は、LEDの調光方式として、PWM方式とリニア方式のいずれかを選択することが可能である。LEDドライバIC100は、出力MOSFETを一部内蔵しているので、セット基板の小面積化に貢献することができる。
LEDドライバIC100の第1の特長は、入力電圧範囲4.5V〜30Vを実現した点である。第2の特長は、昇降圧カレントモード対応のDC/DCコントローラを内蔵した点である。第3の特長は、LED駆動用電流ドライバを4チャンネル(最大電流能力120mA/ch)内蔵した点である。第4の特長はPWM調光(最少パルス幅1μs)に対応した点である。第5の特長は、発振周波数精度±5%(@300kHz)を実現した点である。第6の特長は、各種の保護機能(UVLO、OVP、TSD、OCP、及び、SCP)を内蔵した点である。第7の特長は、LED異常状態検出機能(LEDのオープン/ショート検出機能)を内蔵した点である。第8の特長は、パッケージとして、HTSSOP[Heat-sink Thin-Shrink Small Outline Package]−B28、または、VQFN[Very Thin Quad Flat Non-leaded]028V5050を採用した点である。
LEDドライバIC100は、ディスプレイオーディオ用や中小型LCDパネル用の光源駆動手段として好適に用いることができる。
LEDドライバIC100は、VCC端子に印加される入力電圧Vinから5Vの内部定電圧VREGを生成する内部定電圧生成部101を有する(EN=H時)。この内部定電圧VREGは、LEDドライバIC100に含まれる内部回路の電源として使用されるとともに、LEDドライバIC100の外部で端子をハイレベル電圧に固定するときにも使用される。内部定電圧VREGは、UVLO部102によって監視されており、Vin>4.0VかつVREG>3.5Vで内部回路が動作し始め、Vin<3.5VまたはVREG<2.0Vになると内部回路が動作を停止する。VREG端子には、回路動作を安定化させるために、位相補償用キャパシタC2(例えば2.2μF)を接続することが望ましい。
LED出力端子LED1〜LED4のうち、定電流ドライバ121からの出力電流ILEDを流さない出力端子(延いては点灯させない発光ダイオード列)がある場合には、LEDEN1端子とLEDEN2端子を用いて、LED出力端子LED1〜LED4に対する電流出力を各個にオフすることが可能である。
発光ダイオード列LED1〜LED4に流れる出力電流ILEDは、次の(1)式で算出される。なお、(1)式中のmin[VDAC,2.0V]というパラメータは、VDAC端子電圧と出力電流設定部120の内部で予め定められた定電圧VISET(=2.0V)のうち、いずれか低い方の電圧である。また、RISETというパラメータは抵抗R6の抵抗値であり、GAINは定電流ドライバ121の回路内部で決まる定数である。
LEDドライバIC100は、VDAC端子を用いたリニア調光制御のほか、PWM端子を用いPWM調光制御を行うことも可能である。このPWM調光制御については、PWM端子に入力される外部PWM信号に基づいて、定電流ドライバ121のオン/オフを行うことにより実現される。外部PWM信号のデューティ比が出力電流ILEDのデューティ比となる。PWM調光を行わない場合(デューティ100%)には、PWM端子をハイレベル(例えば定電圧VREG)に固定すればよい。
次に、LEDドライバIC100のDC/DCコントローラブロック(発振部109、スロープ生成部110、PWMコンパレータ111、ドライバ制御部112、上側ドライバ113、トランジスタ114、下側ドライバ115、トランジスタ116、エラーアンプ117、及び、ソフトスタート部118を含む回路ブロック)について詳述する。
LEDドライバIC100では、発光ダイオード列LED1〜LED4のカソード電圧(LED端子電圧VLED1〜VLED4)が各々検出され、その最低値が基準電圧Vref(=1.0V)と一致するように、発光ダイオード列LED1〜LED4のアノード電圧(出力電圧Vout)が制御される。
OVP端子には、抵抗R1と抵抗R2との接続ノードから引き出される出力電圧Voutの分圧電圧が入力される。過電圧検出電圧は、発光ダイオード列LEDの直列数Nと順方向降下電圧VFのバラツキ許容電圧Vperを鑑みて適宜決定すればよい。過電圧検出電圧を決定する際、オープン検出電圧(=過電圧検出電圧の85%)も考慮して決定することが望ましい。OVP部104が一旦保護動作を発動した後は、出力電圧Voutが過電圧検出電圧の72.5%まで低下したときに、その保護動作が解除される。抵抗R1の抵抗値をROVP1とし、抵抗R2の抵抗値をROVP2とすると、次の(3)式が成立する。従って、例えば、ROVP1=330kΩ、ROVP2=22kΩに設定すると、Voutが32V以上となったときに、OVP部104の保護動作が発動する。
RT端子に接続される抵抗R4の抵抗値を調整することにより、発振部109の内部キャパシタに対する充放電電流が決定され、スロープ電圧Vslpの発振周波数(延いては昇降圧DC/DCコンバータの発振周波数FOSC)を設定することができる。RT端子に外部接続される抵抗R4の抵抗値については、次の(4)式を参考に設定すればよい。
LEDドライバIC100は、昇降圧DC/Dコンバータを外部同期させるためのクロック入力を受け付けるSYNC端子を備えている。ただし、SYNC端子にクロック入力を行っているときに、途中で内部発振に切り替えるなどの動作を行うべきではない。SYNC端子をハイレベルからローレベル固定に切り替えた後、発振部109が動作し始めるまで約30μsec程度の遅延時間がある。SYNC端子に入力されたクロックは立ち上がりエッジのみ有効となっている。また、外部入力周波数が内部発振周波数に比べて遅い場合は、上記の遅延時間後、発振部109が動作し始めるので、そのような入力は避けるべきである。
LEDドライバIC100では、起動時の電流に制限をかけながら緩やかに出力電圧Voutが立ち上がるため、出力電圧Voutのオーバーシュートや突入電流を防ぐことができる。また、OCP検出時やOVP検出時には、SS端子電圧がローレベルにリセットされるので、スイッチングが停止され、再復帰動作が開始される。
図3は、FAIL1出力機能を説明するためのブロック図であり、図4は、FAIL2出力機能を説明するためのブロック図である。LEDドライバIC100は、ICに内蔵されている保護回路動作状態をFAIL1端子及びFAIL2端子(いずれもオープンドレイン形式)に出力する。FAIL1端子の出力信号は、UVLO、TSD、OVP、SCPのいずれかが動作したときにローレベルとなる。FAIL2端子の出力信号は、LEDのオープン検出またはショート検出のいずれかが動作したときにローレベルとなる。
低電圧誤動作防止回路(UVLO部102)は、入力電圧Vinが3.5V以下となったとき、または、内部定電圧VREGが2.0V以下となったときに、内部定電圧生成部101以外の回路をシャットダウンする。温度保護回路(TSD部103)は、ICのジャンクション温度が175℃以上となったときに、内部定電圧生成部101以外の回路をシャットダウンする。なお、TSD部103は、ICのジャンクション温度が150℃以下となったときに、回路動作を復帰させる。過電流保護回路(OCP部106)は、パワーFET(トランジスタN1)に流れる電流をハイサイド側検出抵抗R3によって電圧信号として検出し、CS端子電圧がVCC−0.6V以下となったときに過電流保護をかける。過電流保護がかかると、SS端子容量C6がディスチャージされて、DC/DCスイッチングがオフされる。過電圧保護回路(OVP部104)は、DC/DCの出力電圧VoutをOVP端子電圧により検出し、OVP端子電圧が2.0V以上となったときに過電圧保護をかける。過電圧保護がかかると、SS端子容量C6がディスチャージされて、DC/DCスイッチングがオフされる。
LEDドライバIC100には、図1で描写されていない出力短絡保護回路(SCP)が内蔵されている。出力短絡保護回路(SCP)では、LED端子電圧VLED1〜VLED4が0.3V以下になると、内蔵されているカウンタ動作が開始され、約100ms(FOSC:2000kHz時)経過後にラッチがかかり回路がシャットダウンされる。100ms以内にLED端子電圧VLED1〜VLED4が0.3V以上になるとカウンタはリセットされる。発光ダイオード列LED1〜LED4のアノード側(DC/DC出力端側)が地絡したとき、出力電流ILEDはオフとなり、LED端子電圧VLED1〜VLED4はローレベルとなる。また、発光ダイオード列LED1〜LED4のカソード側が地絡した場合にも、LED端子電圧VLED1〜VLED4はローレベルとなる。従って、出力短絡保護回路(SCP)は、発光ダイオード列LED1〜LED4のアノード/カソード双方の地絡保護に対応している。
オープン/ショート検出部122のLEDオープン検出回路(OPEN)では、LED端子電圧VLED1〜VLED4が0.3V以下で、かつ、OVP端子電圧が1.7V以上のときに、LEDオープン検出がかかり、オープンとなった発光ダイオード列のみラッチオフとなる。
制御ロジック部105は、PWMオフ検出回路を備えており、所定時間に亘って外部PWM信号がローレベルに維持されていることが確認されたときに、LEDドライバIC100を省電力モード(スリープモード)に移行する。このような構成とすることにより、LEDドライバIC100の省電力化を実現することが可能となる。なお、制御ロジック部105は、EN端子に入力されるイネーブル信号がハイレベル(イネーブル時の論理レベル)とされた後、内蔵されているカウンタ動作を開始し、約100ms(FOSC:2000kHz時)経過後にPWMオフ検出回路を動作させる。
LEDドライバIC100は、出力電圧放電回路(図1では不図示)を備えている。VDISC端子を出力電圧Voutの印加端に接続することにより、イネーブル信号や各種保護動作に応じてDC/DCコントローラブロックがシャットダウンされる際に、キャパシタC3の残留電荷を素早く放電して、発光ダイオード列LED1〜LED4のちらつきを防止することができる。
オープン/ショート検出部122のLEDショート検出回路(SHORT)では、LED端子電圧VLED1〜VLED4が4.5V以上で、かつ、OVP端子電圧が1.6V以下のときに、内蔵されているカウンタ動作が開始され、約100ms(FOSC=300kHz時)経過後にラッチがかかり、ショート検出された発光ダイオード列のみラッチオフされる。PWM調光時には、外部PWM信号がハイレベルであるときにのみ、LEDショート検出動作が有効となるように、LEDショート検出信号がマスクされており(図4を参照)、LEDショート検出後、約100ms(FOSC=300kHz時)経過後に回路がラッチオフされる。100ms以内にLEDショート検出条件が解除されると、カウンタはリセットされる。カウンタの周波数は、RT端子を用いて決定される周波数となり、32770カウントでラッチがかかる。
図5は、LEDドライバIC100の保護機能一覧表である。UVLO検出条件はVin<3.5VまたはVREG<2.0Vであり、UVLO解除条件はVin>4.0VかつVREG>3.5Vである。UVLO検出時動作は、全ブロック(REG以外)のシャットダウンである。TSD検出条件はTj>175℃であり、TSD解除条件はTj<150℃である。TSD検出時動作は全ブロック(REG以外)のシャットダウンである。OVP検出条件はVOVP>2.0Vであり、OVP解除条件はVOVP<1.45Vである。OVP検出時動作は、SS端子の電荷引き抜き(ディスチャージ)である。OCP検出条件はVCS≦VCC−0.6Vであり、OCP解除条件はVCS>VCC−0.6Vである。OCP検出時動作は、SS端子の電荷引き抜き(ディスチャージ)である。SCP検出条件はVLED1〜VLED4<0.3V(100msディレイ、300kHz時)であり、SCP解除条件はEN入力またはUVLO解除である。SCP検出時動作はディレイカウンタによる所定時間カウント後のラッチオフ(REG以外)である。LEDオープン保護検出条件はVLED1〜VLED4<0.3VかつVOVP>1.7Vであり、LEDオープン保護解除条件はEN入力またはUVLO解除である。LEDオープン保護検出時動作は、検出LEDチャンネルのみオフ(オフラッチ)である。LEDショート保護検出条件はVLED1〜VLED4>4.5VかつVOVP<1.6Vであり、LEDショート保護解除条件はEN入力またはUVLO解除である。LEDショート保護検出時動作は、検出LEDチャンネルのみオフ(タイマーディレイオフラッチ)である。
図6は、保護シーケンスを説明するためのタイムチャートである。(*1)について、VCC投入から動作電圧範囲への到達後にVDACの電圧固定を行い、その後にENを投入することが望ましい。(*2)について、PWM及びSYNCはVREG≧4.6Vで投入することが望ましい。PWM及びSYNCの投入順序は不問である。(*3)について、FOSC=2000kHzのときには約100msの遅延が生じる。(*4)については、FAIL1端子を外部電圧でプルアップしているときの様子が描写されている。
図7は、LEDドライバ100の第2構成例(昇圧アプリケーション構成)を示す回路ブロック図である。第2構成例では、昇圧アプリケーションを実現するために、図1のトランジスタN1、ダイオードD1、及び、キャパシタC4が取り除かれており、インダクタL1と抵抗R3が直接的に接続されている。
図8は、LEDドライバ100の第3構成例(降圧アプリケーション構成)を示す回路ブロック図である。第3構成例では、降圧アプリケーションを実現するために、図1のダイオードD2が取り除かれており、OUTL端子がオープンとされている。
図9は、液晶表示装置の第1実施形態を示すブロック図である。第1実施形態の液晶表示装置Xは、LED駆動装置Aと、出力段Bと、LEDバックライトCと、液晶表示パネルDと、を有する。
本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
101 内部定電圧生成部
102 UVLO部
103 TSD部
104 OVP部
105 制御ロジック部
106 OCP部
107 コンパレータ
108 シュミットトリガ
109 発振部
110 スロープ生成部
111 PWMコンパレータ
112 ドライバ制御部
113 上側ドライバ
114 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
115 下側ドライバ
116 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
117 エラーアンプ
118 ソフトスタート部
119 シュミットトリガ
120 出力電流設定部
121 定電流ドライバ
122 オープン/ショート検出部
123、124 シュミットトリガ
N1 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
R1〜R6 抵抗
C1〜C6 キャパシタ
D1、D2 ダイオード
L1 インダクタ
LED1〜LED4 発光ダイオード列
A LED駆動装置(LEDドライバIC)
A1 DC/DCコントローラ
A2 出力電流ドライバ
A3 出力放電回路
A31 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
A32 NANDゲート
A33 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
A34 ツェナダイオード
A4 ショート検出回路
A41 コンパレータ
A42 ORゲート
B 出力段
C LEDバックライト
D 液晶表示パネル
L 配線層
X 液晶表示装置
Claims (6)
- 入力電圧から出力電圧を生成してLEDに供給するための出力段を制御するDC/DCコントローラと、
前記LEDの出力電流を生成する出力電流ドライバと、
所定の制御信号に基づいて前記出力電圧及び前記出力電流の生成動作が停止されたときに前記出力電圧の放電を行う出力放電回路と、
を集積化し、
前記出力放電回路は、
ゲートに印加される前記制御信号に応じて前記出力電圧の印加端と接地端との間を導通/遮断する第1のNチャネル型電界効果トランジスタと、
ドレインが前記出力電圧の印加端に接続され、ソースが前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のNチャネル型電界効果トランジスタのゲートに接続された第2のNチャネル型電界効果トランジスタと、
を含むことを特徴とするLED駆動装置。 - 前記出力放電回路は、さらに、カソードが前記制御信号の印加端に接続され、アノードが接地端に接続されたツェナダイオードを含むことを特徴とする請求項1に記載のLED駆動装置。
- 前記第1及び第2のNチャネル型電界効果トランジスタのうち、少なくとも一方の上層には、配線層が積層形成されていることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動装置。
- 前記制御信号は、前記LED駆動装置のイネーブル信号またはシャットダウン信号であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のLED駆動装置。
- 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のLED駆動装置と、
前記出力段と、
前記LEDと、
を有することを特徴とする照明装置。 - 液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルを背面から照射する請求項5に記載の照明装置と、
を有することを特徴とする液晶表示装置。
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