CN101578713B - 发光元件的驱动电路和电子设备 - Google Patents

Abstract

多个LED端子(106a～106c)分别按多个LED(2a～2c)而设，与对应的LED(2)的阳极相连接。升压电路(10)对输入电压(Vbat)进行升压。多个恒流源(12a～12c)分别按多个LED(2a～2c)而设，其一端分别经由LED端子(106a～106c)与对应的LED(2a～2c)相连接。多个开关(14a～14c)分别按多个恒流源(12a～12c)而设，向对应的恒流源(12)选择地输出输入电压(Vbat)和升压电路(10)的输出电压(Vout)中的一者。控制电路(20)对多个LED端子(106a～106c)的电压(Vled_a～Vled_c)进行独立地监视，基于各电压控制对应的开关(14)的连接状态。

Description

发光元件的驱动电路和电子设备

技术领域

本发明涉及用于驱动多个发光元件的驱动电路。

背景技术

在便携式电话、PDA(Personal Digital Assistance：个人数字助理)等电池驱动型的电子设备中，安装有例如被用作液晶的背光灯的LED(LightEmitting Diode：发光二极管)那样的需要比电池的输出电压高的电压的器件。例如，在这些电子设备中，较多使用锂离子电池，其输出电压通常是3.5V左右，充满电时也不过是4.2V左右。但作为LED的驱动电压，需要比电池电压高的电压。这样，在需要比电池电压高的电压时，使用开关调节器或电荷泵电路将电池电压升压，来得到驱动LED等负载电路所需的电压。专利文献1中公开了相关技术。

专利文献1：特开2005-260110号公报

发明内容

〔发明所要解决的课题〕

在专利文献1的电路中，对于RGB三色LED中的G和B，用升压后的电压进行驱动，对于R，切换电池电压和升压后的电压地进行驱动。

本发明是在这样的状况下设计的，其目的在于提供一种能高效地驱动多个发光元件的驱动电路。

〔用于解决课题的手段〕

本发明的一个方案涉及一种驱动多个发光元件的驱动电路。该驱动电路包括：分别按多个发光元件而设的多个驱动端子，用于连接所对应的发光元件的阳极；升压电路，对输入电压进行升压；分别按多个发光元件而设的多个恒流源，其一端分别与对应的驱动端子相连接；分别按多个恒流源而设的多个开关，向对应的恒流源选择地输出输入电压和升压电路的输出电压中的一者；以及控制电路，对多个驱动端子的电压分别独立地进行监视，基于 各驱动端子的电压控制对应的开关的连接状态；并且，该驱动电路被集成在一个半导体衬底上。

通过该方案，能够按各发光元件分别切换电池电压和升压电路的输出电压地进行驱动，所以能够提高效率。进而，通过将用于驱动发光元件的恒流源设置在发光元件的阳极侧，能够抑制端子数量的增加，能够抑制电路面积的增大。

控制电路可以基于与各驱动端子相连的恒流源的两端间的电压，控制与该恒流源对应的开关的连接状态。

控制电路可以包括分别按多个驱动端子而设、将对应的恒流源的两端间的电压与预定的阈值电压进行比较的多个比较器。控制电路可以基于各比较器的输出，切换对应的开关的连接状态。

控制电路可以包括分别按多个驱动端子而设的多个比较器，基于各比较器的输出切换对应的开关的连接状态。各比较器可以在与驱动端子对应的开关输出输入电压时，将驱动端子的电压与输入电压的电位差同预定的第1阈值电压进行比较，在与驱动端子对应的开关输出升压电路的输出电压时，将驱动端子的电压与升压电路的输出电压的电位差同预定的第2阈值电压进行比较。

各比较器可以在所对应的开关输出输入电压时，将所对应的驱动端子的电压与从输入电压下降第1阈值电压后的电压进行比较，在所对应的开关输出升压电路的输出电压时，将所对应的驱动端子的电压与从升压电路的输出电压下降第2阈值电压后的电压进行比较。

此时，不论开关的连接状态如何，都能将开关和恒流源所产生的电压降与阈值电压进行比较。

升压电路可以是能切换多个升压率的电荷泵电路，控制电路可以还基于多个驱动端子的电压，切换电荷泵电路的升压率。

升压电路可以是开关调节器，控制电路可以还基于多个驱动端子的电压，通过反馈来调节开关调节器的输出电压。

本发明的另一方案是一种电子设备。该电子设备包括：电池；多个发光元件；以及接收电池的电压作为输入电压，驱动多个发光元件的上述任一种驱动电路。

另外，将以上结构要件的任意组合、本发明的结构要件以及表现形式 在方法、装置、系统等之间相互置换的方案，作为本发明的实施方式也是有效的。

〔发明效果〕

通过本发明的驱动电路，能够高效地驱动发光元件。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的发光装置的电路图。

图2的(a)和(b)是表示控制电路的结构例的电路图。

图3是表示发光装置的第1动作流程的流程图。

图4是表示发光装置的第2动作流程的流程图。

〔标号说明〕

2…LED，10…升压电路，12…恒流源，14…开关，20…控制电路，22…比较器，24…电流源，R1…电阻，26…三输入比较器，R2…第1电阻，R3…第2电阻，28…第1电流源，29…第2电流源，100…驱动电路，102…输入端子，104…输出端子，106…LED端子，112…电池，200…发光装置，C1…输出电容器。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式，参照附图说明本发明。对于各附图中所示的相同或等同的结构要件、部件、处理标注相同的标号，并适当省略重复的说明。另外，实施方式只是例示，并非限定本发明，实施方式中所记述的特征及其组合，并非都是本发明的本质特征。

在本说明书中，所谓“部件A与部件B相连接的状态”，包括部件A与部件B物理地直接连接的情形，以及部件A与部件B经由不对电连接状态产生影响的其他部件间接相连接的情形。

同样地，所谓“部件C被设置在部件A与部件B之间的状态”，除部件A与部件C、或部件B与部件C直接相连的情形外，还包括经由不对电连接状态产生影响的其他部件间接相连接的情形。

图1是表示本发明实施方式的发光装置200的电路图。发光装置200被安装在便携式电话终端或PDA等电子设备中，作为液晶面板的背光灯或照明、来电提示用的显示灯来使用。发光装置200包括作为发光元件的多个 LED2a～2c(以下根据需要统称为LED2)、用于驱动LED的驱动电路100、以及作为电源的电池112。电池112是可充电电池，输出值相应于充电状态而有所变化的电池电压Vbat。驱动电路100接收电池电压Vbat作为电源，驱动LED2a～2c。下面设LED2a～2c是正向电压Vf＝3.4V左右的白色LED，电池112是输出3V～4.2V左右的电池电压Vbat的锂离子电池来进行说明。

驱动电路100的主要部分被集成在一个半导体衬底上。驱动电路100包括输入端子102、输出端子104及多个LED驱动端子(以下称作LED端子106a～106c，并根据需要统称为LED端子106)。电池电压Vbat被作为输入电压提供到输入端子102。输出端子104连接有输出电容器C1，呈现将电池电压Vbat升压后得到的升压电压Vout。LED端子106a～106c是按多个LED2a～2c分别而设的。LED端子106a～106c分别连接对应的LED2a～2c的阳极。

驱动电路100包括升压电路10、恒流源12a～12c、开关14a～14c、控制电路20。升压电路10是对输入电压Vbat进行升压的电路，优选可以采用电荷泵电路或开关调节器。下面假定升压电路10是升压率为1.5倍的电荷泵电路。另外，LED2和与之对应的恒流源12、开关14的数量并不限于3个，可以是任意数。

恒流源12a～12c(以下根据需要统称为恒流源12)是按多个LED2a～2c分别而设的。恒流源12a～12c各自的一端分别经由对应的LED端子106a～106c与LED2a～2c相连接。

多个开关14a～14c是按多个恒流源12a～12c分别而设的。开关14a～14c向对应的恒流源12a～12c选择地输出输入电压Vbat和升压电路10的输出电压Vout中的一者。开关14a～14c的连接状态是可独立控制的。下面将开关14接通到输入电压Vbat侧的状态称为第1状态φ1，将接通到输出电压Vout侧的状态称为第2状态φ2。

控制电路20独立地监视多个LED端子106a～106c的电压(以下称作LED电压Vled_a～Vled_c)，基于各LED端子106a～106c的LED电压Vled_a～Vled_c控制对应的开关14a～14c的连接状态。

下面说明控制电路20对开关14的控制。控制电路20在初始状态下将所有开关14a～14c置于第1状态φ1，使之接通到输入电压Vbat侧。

为使LED2以所希望的亮度发光，需要提供与该亮度对应的电流。为使 恒流源12稳定地提供与该亮度相应的恒电流，需要使设在恒流源12内部的电流路径上的晶体管工作在恒流区。即，需要确保恒流源12两端间的电压(即电压降)ΔV在某阈值电压Vth以上。所谓恒流区是指漏极电流(集电极电流)不依赖于漏极-源极间电压(集电极-射极间电压)的区域，相当于场效应晶体管的饱和区、双极型晶体管的放大区。恒流源12稳定工作的电压是依赖于恒流电路的形式、所使用的晶体管的种类及尺寸的，但这里假定当两端间的电压ΔV在Vth(0.2V)以上时能生成稳定的恒电流。

控制电路20监视LED端子106a～106c的LED电压Vled_a～Vled_c，检查各恒流源12a～12c是否产生了Vth(＝0.2V)以上的电压降。若电池112是满充电状态(Vbat＞～4V)，则LED2的正向电压Vf是3.4V，所以在忽略开关14的电压降的情况下，恒流源12c～12c的两端间的电压ΔV是0.6V左右，都大于阈值电压Vth(＝0.2V)。在实际中，减去导通电阻所引起的开关14的电压降后的电压才是恒流源12的两端间的电压ΔV。下面为简略说明，忽视开关14的导通电阻。

当输入电压Vbat低于3.6V，其结果例如恒流源12c的两端间的电压ΔV低于阈值电压Vth(＝0.2V)时，使与该恒流源12c对应的开关14c的连接状态成为第2状态φ2，切换到升压电路10的输出电压Vout侧。当输入电压Vbat为3.6V时，升压电路10的输出电压Vout成为5.4V，所以恒流源12c的两端间的电压ΔV再次变到0.2V以上，能够向LED2c提供稳定的恒电流。

通过本实施方式，针对各LED2分别切换输入电压Vbat或升压电路10的输出电压Vout地进行驱动，所以能够实现高效率。

下面使用具体数值说明实施方式的效率改善。即使是同样的白色LED，正向电压Vf也会存在偏差，并非是均一的。例如，在流过相同的电流的状态下，LED2a、2b、2c的正向电压Vf可能分别是3.2V、3.4V、3.6V。此时若电池电压Vbat是3.6V，则恒流源12a、12b、12c的两端间的电压ΔV分别是0.4V、0.2V、0V，所以LED2c不能进行驱动，LED2a、2b可以进行驱动。在这样的情况下，通过本实施方式的驱动电路100，能够仅对LED2c用升压电路10进行驱动，对LED2a、2b用输入电压Vbat进行驱动。

设LED2a～2c中流过的电流分别为Io1、Io2、Io3，则从电池112流入输入端子102的输入电流Iin成为

Iin＝Io1×1.0+Io2×1.0+Io3×1.5。

仅Io3乘以1.5，是因为电荷泵电路的升压率为1.5倍。若设Io1＝Io2＝Io3＝20mA，则输入电流Iin成为70mA。

现在考虑不设置多个开关14a～14c，仅设置一个开关，对所有恒流源12a～12c都一概地切换地提供输入电压Vbat或输出电压Vout的情况。此时，由于需要用电荷泵电路的输出电压Vout驱动所有LED，所以输入电流成为

Iin＝Io1×1.5+Io2×1.5+Io3×1.5。

当设Io1＝Io2＝Io3＝20mA时，输入电流Iin为90mA。在本实施方式中，输入电流Iin是70mA，所以能够减少20mA之多的电流。如果电荷泵电路的升压率更高，则该效果也会更加显著。

另外，通过本实施方式，能够减小恒流源12a～12c的电压降。即，在仅设一个开关的情况下，恒流源12a、12b、12c的电压降分别成为2.2V、2.0V、1.8V，将消耗多余的功率。而在本实施方式中，仅LED2c是用升压电路10的输出电压Vout来驱动的，所以恒流源12a、12b、12c的电压降分别成为0.4V、0.2V、1.8V，消耗功率被降低。

这样，根据本实施方式的驱动电路100，通过对各LED2分别设置开关14，并独立地监视所有恒流源12的两端间的电压ΔV，能够降低消耗电流，实现高效的驱动。

另外，在本实施方式中，将恒流源12a～12c设置在LED2a～2c的阳极侧。其结果，即使设置多个开关14a～14c，也能够抑制端子数量的增加。

如果将恒流源12设置在LED2的阴极侧，则为使LED2a～2c各自的阴极分别连接到驱动电路100内部的恒流源12a～12c，需要再追加三个端子。即驱动电路100中除输入端子102、输出端子104外还需要三个阳极用端子和三个阴极用端子，共计需要八个端子。与此不同，在图1的电路中，由于是将恒流源12设置在LED2的阳极侧，所以只要设置共计五个端子即可，能够削减三个端子。很容易理解在设有n个(n为整数)LED的情况下，能够削减n个端子，因而LED2的个数越多，就越能抑制电路面积的增大。

图2的(a)和(b)是表示控制电路20的结构例的电路图。图2的(a)的控制电路20a包括比较器22a、电阻R1a、电流源24a。控制电路20a是监视驱动LED2a的恒流源12a的两端间的电压ΔV的电路，对LED2b、2c也设有同样的电路。

电阻R1a的一端与开关14a的一端相连。即，根据开关14a的连接状态，电阻R1a的一端被施加输入电压Vbat或升压电路10的输出电压Vout的一者。在电阻R1a的另一端与接地端子之间，设置生成恒电流Ic1的电流源24a。通过恒电流Ic1，电阻R1a上产生电压降Vth(＝R1a×Ic1)。调节电阻R1a和恒电流Ic1，使得Vth＝0.2V。比较器22将电阻R1a的另一端与LED电压Vled_a进行比较。

即，比较器22将恒流源12a的两端间的电压ΔV与电阻R1a的电压降Vth(＝0.2V)进行比较，当ΔV≥Vth时，使开关14a连接到输入电压Vbat侧，当ΔV＜Vth时，使开关14a连接到升压电路10的输出电压Vout侧。

通过图2的(a)的控制电路20a，能够基于恒流源12a的两端间的电压ΔV合适地控制开关14a的连接状态。

图2的(b)的控制电路20b包括第1电阻R2、第2电阻R3、第1电流源28、第2电流源29、三输入比较器26a～26c(统称三输入比较器26)。

三输入比较器26在与LED端子106对应的开关14输出输入电压Vbat时，将LED电压Vled与输入电压Vbat的电位差ΔV’跟预定的第1阈值电压Vth2进行比较。另外，当与LED端子106对应的开关14输出升压电路10的输出电压Vout时，将LED电压Vled与升压电路10的输出电压Vout的电位差ΔV’跟预定的第2阈值电压Vth3进行比较。

三输入比较器26在对应的开关14输出输入电压Vbat时，将对应的LED电压Vled与从输入电压Vbat下降第1阈值电压Vth2后的电压Vx2进行比较。另外，三输入比较器26在对应的开关14输出升压电路10的输出电压Vout时，将对应的LED电压Vled与从升压电路10的输出电压Vout下降第2阈值电压Vth3后的电压Vx3进行比较。

具体来说，第1电阻R2的一端与输入端子102相连接，被施加输入电压Vbat。生成第1恒电流Ic2的第1电流源28被设置在第1电阻R2的另一端与接地端子之间。第1电阻R2上产生电压降Vth2＝(Ic2×R2)。因此，第1电阻R2与第1电流源28的连接节点的电压Vx2成为(Vbat-Vth2)。

另一方面，第2电阻R3的一端与输出端子104相连接，被施加升压电路10的输出电压Vout。生成第2恒电流Ic3的第2电流源29被设置在第2电阻R3的另一端与接地端子之间。第2电阻R3上产生电压降Vth3(＝Ic3×R3)。因此，第2电阻R3与第2电流源29的连接节点的电压Vx3成为(Vout -Vth3)。

三输入比较器26a～26c具有两个反相输入端子和一个非反相输入端子。三输入比较器26a～26c是对从两个反相输入端子中选出的一个端子的电压与非反相输入端子的电压进行比较的电路。三输入比较器26a的两个反相输入端子被输入电压(Vbat-Vth2)和电压(Vout-Vth3)。三输入比较器26b、26c也是一样。三输入比较器26a～26c各自的非反相输入端子分别被施加LED电压Vled_a～Vled_c。

当开关14a接通到输入电压Vbat侧时，LED电压Vled_a由

Vled_a＝Vbat-ΔV’

给出。这里，ΔV’是开关14a和恒流源12a的两端间的电压，是开关14a的电压降与恒流源12a的电压降之和。

另外，当开关14a接通到升压电路10的输出电压Vout侧时，LED电压Vled_a由

Vled_a＝Vout-ΔV’

给出。

三输入比较器26根据开关14a的连接状态，切换将LED电压Vled_a与哪个反相输入端子的电压进行比较。即，在开关14a接通到输入电压Vbat侧的第1状态φ1下，选择以输入电压Vbat为基准生成的电压(Vbat-Vth2)与LED电压Vled_a进行比较。相反，在开关14a接通到输出电压Vout侧的第2状态φ2下，选择以输出电压Vout为基准生成的电压(Vout-Vth2)与LED电压Vled_a进行比较。

结果，在第1状态φ1下，电压(Vbat-ΔV’)与电压(Vbat-Vth2)被进行比较，结果能够将电压降ΔV’与阈值电压Vth2进行比较。同样地，在第2状态φ2下，电压(Vout-ΔV’)与电压(Vout-Vth3)被进行比较，结果能够将电压降ΔV’与阈值电压Vth3进行比较。

设导通电阻所引起的开关14a上产生的电压降为Von。此时，通过设定成Vth2＝Vth3＝(Von+Vth)，能够将恒流源12a的两端间的电压ΔV与阈值电压Vth进行比较。例如，若Von＝0.2V、Vth＝0.2V，则设定为Vth2＝Vth3＝0.4V即可。

三输入比较器26b、26c也同三输入比较器26a一样地进行工作。

在图2的(a)的电路中，需要按各LED分别设置电流源24和电阻R1， 所以当LED为n个时，就需要n个电阻R1、n个电流源24。与此不同，通过图2的(b)的电路，即使LED的数量增加，也只需设置第1电阻R2、第2电阻R3、第1电流源28、第2电流源29即可，所以能够削减电路面积。

下面回到图1，说明升压电路10是可切换升压率α的电荷泵电路时的情况。此时，控制电路20还基于多个LED电压Vled切换电荷泵电路的升压率α。这里，假定升压率α可在1倍、1.5倍、2倍之间切换。图3是表示发光装置200的第1动作流程的流程图。另外，在图3和后述的图4的流程图中，各处理的顺序是可以适当改变的。

首先，电路起动，将电荷泵电路的升压率α设定为最低值(1倍)，将所有开关14设定为第1状态φ1(S100)。接着，在驱动LED2a～2c的状态下，监视各开关14的两端间的电压ΔV。当监视结果是ΔV＞Vth时(S102为“否”)，继续监视。

当某个恒流源12变成ΔV＜Vth时(S102为“是”)，检查与该恒流源12相连的开关14的状态(S104)。如果检查结果是该开关14为第1状态φ1(S104为“是”)，则将之设定为第2状态φ2(S106)，回到步骤S102。

如果在步骤S104中开关是第2状态φ2(S104为“否”)，则使电荷泵电路的升压率α提高一级(S108)。即，如果这之前是保持着升压率α为1倍，则变更成1.5倍，如果是1.5倍则变更成2倍。以上控制可以通过对控制电路20设置状态机功能来实现。

接下来说明升压电路10为开关调节器时的情况。当采用开关调节器时，控制电路20通过反馈来控制开关动作，使得多个恒流源12中的两端间电压ΔV的最小者与预定的目标值Vref相一致。该目标值设定为与阈值电压Vth相同的值，或者比阈值电压Vth大的值。

通过基于图3的流程图的处理，能够合适地执行电荷泵电路的升压率α的切换控制和各开关14的控制。

图4是表示发光装置200的第2动作流程的流程图。图4的流程图中的步骤S120、S122、S124、S126分别对应于图3的流程图中的S100、S102、S104、S106，所以在此省略其说明。

在步骤S124中，若开关是第1状态φ1(S124为“是”)，则将开关切换到第2状态φ2(S126)。在步骤S124中，若开关是第2状态φ2(S124 为“否”)，则通过反馈来控制开关调节器，使得与被设定为第2状态的开关14对应的恒流源12的两端间的电压ΔV与目标值Vref相一致。(S128、S130)。

具体来说，首先，当被设定为第2状态φ2的开关14有多个时，选择与这些开关14对应的恒流源12的两端间电压ΔV中的最小者(S128)。该处理采用最小值电路即可。

然后，将选出的两端间电压ΔV作为反馈电压，利用脉冲宽度调制或脉冲频率调制控制开关调节器，使得电压ΔV与目标值Vref相一致(S130)。另外，开关调节器的控制电路的结构是公知的，所以在此省略其详细说明。

通过基于图4的流程图的处理，能够合适地执行开关调节器的反馈控制和各开关14的控制。

上述实施方式是个例示，本领域技术人员能够理解可以对其各结构要件和各处理过程的组合进行各种变形，并且这些变形例也处于本发明的范围内。下面说明这样的变形例。

在实施方式中说明了LED2a～2c都是白色LED的情况，但本发明不限于此，可以使用各种不同颜色的LED。在使用不同颜色的LED时，正向电压Vf的值更加不同，所以更能体验到本发明的效果。

另外，发光元件不限于LED，也可以是有机EL元件、半导体激光器等。

基于实施方式用特定的语句说明了本发明，但实施方式仅是表示本发明的原理和应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明思想的范围内，可以对实施方式进行很多变形和配置的变更。

〔工业可利用性〕

本发明能够适用于LED等发光元件的驱动技术。

Claims (7)

1.一种驱动多个发光元件的驱动电路，包括：

分别按上述多个发光元件而设的多个驱动端子，用于连接所对应的发光元件的阳极；

升压电路，对输入电压进行升压；

分别按上述多个发光元件而设的多个恒流源，其一端分别经由上述驱动端子与对应的上述发光元件相连接；

分别按上述多个恒流源而设的多个开关，向对应的恒流源选择地输出上述输入电压和上述升压电路的输出电压中的一者；以及

控制电路，对上述多个驱动端子的电压进行独立地监视，基于与各驱动端子相连的各恒流源的两端间的电压控制与该恒流源对应的上述开关的连接状态；

并且，该驱动电路被集成在一个半导体衬底上。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：

上述控制电路包括分别按上述多个驱动端子而设、将对应的恒流源的两端间的电压与预定的阈值电压进行比较的多个比较器，并基于各比较器的输出，切换对应的开关的连接状态。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于：

上述控制电路包括分别按上述多个驱动端子而设的多个比较器，基于各比较器的输出切换对应的开关的连接状态，

各比较器在与驱动端子对应的开关输出上述输入电压时，将驱动端子的电压与上述输入电压的电位差同预定的第1阈值电压进行比较，在与驱动端子对应的开关输出上述升压电路的输出电压时，将驱动端子的电压与上述升压电路的输出电压的电位差同预定的第2阈值电压进行比较。

4.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于：

各比较器在所对应的开关输出上述输入电压时，将所对应的驱动端子的电压与从上述输入电压下降上述第1阈值电压后的电压进行比较，在所对应的开关输出上述升压电路的输出电压时，将所对应的驱动端子的电压与从上述升压电路的输出电压下降上述第2阈值电压后的电压进行比较。

5.如权利要求1至4的任一项所述的驱动电路，其特征在于： 

上述升压电路是可切换多个升压率的电荷泵电路，

上述控制电路还基于上述多个驱动端子的电压，切换上述电荷泵电路的升压率。

6.如权利要求1至4的任一项所述的驱动电路，其特征在于：

上述升压电路是开关调节器，

上述控制电路还基于上述多个驱动端子的电压，通过反馈来调节上述开关调节器的输出电压。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

电池；

多个发光元件；以及

接收上述电池的电压作为输入电压，驱动上述多个发光元件的权利要求1至4的任一项所述的驱动电路。 

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