JP2004253804A - 発光ダイオードの制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発光ダイオードを制御する発光ダイオード（“ＬＥＤ”）回路を提供する。
【解決手段】 本回路は、ハイブリッド直並列構成に接続されている複数のＬＥＤと、複数のＬＥＤチェーンの第１のチェーンに接続されている電流調整素子、及び上記複数のＬＥＤチェーンの残余にそれぞれ接続されている複数のカレントミラーリング素子を含む電流調整回路とを備えている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般的には発光ダイオードに関し、特定的には複数の発光ダイオードの制御に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、特にそれらのコストが低下し続けていることから、光源デバイスとして益々人気を博しつつある。自動車におけるＬＥＤの典型的な応用は、液晶ダイオードディスプレイのような情報ディスプレイデバイスの照明、及び計器パネルアセンブリ内のゲージの照明を含む。

典型的な応用では、所要の合計光強度を発生させるために複数のＬＥＤを使用する。一般的に、ＬＥＤは、例えばオペレータまたはマイクロコンピュータ命令に応答して、全強度から、例えば全強度の1/100のような全強度の極く一部分までの広範囲にわたって調整可能な光強度出力を有している。動作光強度の範囲は、一般にディミング（ dimming ）範囲、またはディミング比と呼ばれ、この範囲にわたってＬＥＤからの光強度は実質的に均一に留まり、従って複数のＬＥＤからの合計光強度は均一に見える。ＬＥＤからの知覚される光強度はその順方向電流に比例するから、均一な強度に対する要求は、均一な電流に対する要求に変換される。しかしながら、供給電圧及びＬＥＤ電圧、及び回路インピーダンスが変動するために、殆どの回路においてはＬＥＤからＬＥＤへの電流の均一性を達成することは困難である。

ＬＥＤを通る平均電流、従ってＬＥＤの光強度を調整するためにアナログ及びディジタルの両方法が使用されてきた。アナログ方法においては、要求されるディミング範囲内において電流がある最大レベルからある最小レベルまで変化するように、電圧または電流調整デバイスが連続的に調整を行う。一般にパルス幅変調（“ＰＷＭ”）と称されるディジタル方法においては、電圧または電流源が、人間の視覚プロセスがデューティ比に比例する平均強度として知覚するのに十分に高いレートで、２つのレベルの間（例えば、０と最大電圧または電流との間）で調整する。ディジタル方法は、アナログ方法におけるような極めて低いレベルの調整に伴う困難をもたらすことなく、広範囲にわたるディミングを提供する。またディジタル方法によれば、ＬＥＤにとって最も効率的な電流のレベルにおいて動作させることができる。更に、ＬＥＤの色特性は電流の関数であるから、特定電流レベルにおいて動作させることによって、全ディミング範囲において色を一定に維持することが可能になる。更に、ディジタル方法は、マイクロコンピュータインタフェース及び制御に特に適している。

典型的な応用においては、ＬＥＤ回路内のＬＥＤは、並列構成または直列構成の何れかで接続される。並列構成においては、ＬＥＤは並列に接続され、それらは、アナログの場合には連続可変の調整可能な供給電圧に接続され、またディジタルの場合にはスイッチング技術を介して供給される供給電圧に接続される。アナログの場合には供給電圧を変化させることによって、またディジタルの場合にはＰＷＭを使用することによって、ＬＥＤを流れる電流を調整する。しかしながら、供給電圧及びＬＥＤ電圧、及び回路抵抗が変化するために、各ＬＥＤ内の電流レベルを精密且つ均一に維持することは困難である。更に、回路に抵抗が存在するために合計回路電力消散が加わり、また効率が低下する。

直列構成においては、ＬＥＤ、供給電圧、及び／または、電流制限または電流調整デバイスの全てが直列に接続される。ＬＥＤ電流は、アナログの場合には電圧または電流を連続的に調整することによって、またディジタルの場合にはＰＷＭを介して調整することができる。直列構成においては全てのＬＥＤが直列に接続され、従って同一レベルの電流が流れるので、電流の均一性は保証される。しかしながら、全てのＬＥＤが直列に接続されているので、何れか１つのＬＥＤが障害を起こすと全ての照明が失われることになり、若干の応用においては安全上の問題になり得る。

本発明の目的は、上述した、及び他の諸問題を解消することである。

本発光ダイオード（“ＬＥＤ”）回路は、ハイブリッド直並列構成に接続された複数の発光ダイオードと、複数のＬＥＤチェーン内の第１のチェーンに接続されている電流調整素子を含む電流調整回路と、複数のカレントミラーリング素子とを備え、各カレントミラーリング素子は複数のＬＥＤチェーンのそれぞれのチェーンに接続されている。

本ＬＥＤ回路は、コスト、性能、回路の複雑さ、有効寿命、電磁妨害雑音、機械的頑丈さ、製造、及び／または、有毒水銀の不使用の面において、他の技術（蛍光灯のような）に優る１またはそれ以上の長所を提供する。

本発明の付加的な利点及び長所は、以下の好ましい実施例の詳細な説明から明白になるであろう。

添付図面は、本発明の好ましい実施例を図示している。図中、同一の成分に対しては同一の番号が付されている。

以下に、複数の発光ダイオード（“ＬＥＤ”）を制御するための発光ダイオード回路を説明する。本回路は、ＬＥＤ内の電流の均一性、ディミング範囲、及び効率を最大化する一方で、コスト、電力消散、及び電磁妨害雑音（“ＥＭＩ”）を最小化する。

本発明は一般的にはハイブリッド直並列構成を有するＬＥＤ回路に関するが、説明の都合上、図１を参照して基本的なＬＥＤ回路１００から説明を始める。ＬＥＤ回路１００は、ＬＥＤのアレイ１０２と直列に接続されている例えば15Ｖの供給源のような固定電圧源ＤＣ、及び電流調整回路１０４を含んでいる。固定電圧回路ＤＣの大きさは、ＬＥＤを通って流れる所要電流を維持するのに予測される最高ＬＥＤチェーン電圧に従って決まる。固定供給電圧を使用する時の電流調整回路１０４の大きさは、予測される最低ＬＥＤチェーン電圧と最高ＬＥＤ電流とに従う電力で決まる。

ＬＥＤアレイ１０２は、直列に接続されている複数のＬＥＤ、Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、及びＤｎを含む。ＬＥＤは、無色ＬＥＤ、または赤、緑、及び青ＬＥＤのような着色ＬＥＤ、他の着色ＬＥＤ、または異なる型のＬＥＤの組合わせであることができる。“Ｄｎ”とラベル付けされているＬＥＤは、ｎ番目のＬＥＤを表している（但し、ｎは直列アレイ内のダイオードの合計数である）。図１には、ＬＥＤアレイ１０２内に７個だけのＬＥＤが示されているが、ＬＥＤアレイ１０２は如何なる数のＬＥＤをも有することができる。

電流調整回路１０４は、演算増幅器Ｕ１、電流調整用トランジスタ（以下、ＮＰＮトランジスタを電流調整素子という）Ｑ２、及び抵抗Ｒ２０を含む。ＬＥＤ Ｄ１０の陽極端子は直流電圧源ＤＣに接続され、ＬＥＤ Ｄｎの陰極端子は電流調整素子Ｑ２のコレクタ端子に接続されている。演算増幅器は入力ノード１０６に接続されており、この入力ノード１０６はマイクロプロセッサまたは他のコントローラから入力信号を受けることができる。信号は、直流電圧信号、または他の型の信号であることも、または図示のように、ＬＥＤ回路１００をディジタルモードで動作させるパルス幅変調（“ＰＷＭ”）された信号であることもできる。ＰＷＭ入力信号は、入力信号のデューティ比及び／または電圧レベルに基づいてＬＥＤの強度を制御する。一般に、入力信号のデューティ比を増加させると、ＬＥＤ Ｄ１０乃至Ｄｎはより明るくなる。

入力ノード１０６からのＰＷＭ制御信号と、素子Ｑ２のエミッタ電流（抵抗Ｒ２０によって電圧に変換され、演算増幅器Ｕ１へフィードバックされる）とに応答して、電流調整回路１０４は素子Ｑ２のベース電流を制御することによって、電流調整素子Ｑ２のコレクタ電流を、従ってＬＥＤアレイ１０２の電流を調整する。これにより、電流調整素子Ｑ２のコレクタ電流は、ほぼ０電流と、主としてＰＷＭ制御信号によって決定されるデューティ比における電流のレベルとの間でスイッチする。このため、ＬＥＤの平均電流は、従って光強度は、ＬＥＤ電圧及び供給電圧の変動には関係なく、デューティ比の直接関数になる。

図１のＬＥＤアレイ１０２を単一のチェーンと考え、カレントミラーリング技術を使用することによって、複数のＬＥＤチェーンを含むように回路１００を拡張することができる。例えば、図２に示す回路２００は、チェーン１乃至ｍを含むように拡張されたアレイ１０２を含んでいる。従って、アレイ１０２は、発光ダイオードＤi,jを含む。但し、ｉ＝10、11、…、ｎは単一チェーン内の特定ダイオードを表し、ｊ＝１、２、３、…、ｍは特定のチェーンを表している。従って、ＬＥＤ Ｄ10,1乃至Ｄn,1は、図１に示すＬＥＤと同一であり、これらは他のＬＥＤチェーン２、３、…、ｍと並列に接続されている。ｎと同様に、ｍは如何なる数であることもでき、ｎと等しくする必要はない。

図示のように、電流調整回路１０４も拡張されており、付加された各ＬＥＤチェーンがそれぞれのカレントミラーリング素子Ｑ３乃至Ｑｍ＋１、及び関連抵抗Ｒ２乃至Ｒｍ＋19と直列に接続されている。しかしながら、回路１００と同様に、回路２００の電流調整回路１０４は単一の演算増幅器Ｕ１だけを含んでいる。従って、カレントミラーリングは、全調整回路を重複させることなく、チェーン毎の電流の均一性を最大にし、従ってコストを最小にする。カレントミラーリング技術は、もし電流調整素子Ｑ２及びカレントミラーリング素子Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１のような２またはそれ以上の同一のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を同一のベース・エミッタ電圧で動作させれば、それらが一次近似まで同一のコレクタ電流を流すという原理で動作する。典型的には、ＢＪＴは、コレクタ電流の均一性を最大にするために、特性、動作温度、及び外部回路インピーダンスを整合させる。

図２の回路は、各電流調整／ミラーリング（“ＣＲＭ”）素子Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１にまたがる電圧降下を監視し、これらの測定に基づいてＬＥＤアレイに供給される電圧を調整するために、監視／調整回路を含むように更に拡張することができる。供給電圧からＬＥＤチェーンが必要とする電圧を差し引いた部分がＣＲＭ素子にまたがって現れるので、導電中のＣＲＭ素子にまたがる電圧降下は、その関連ＬＥＤチェーンが必要とする電圧を表している。更に、導電中のＣＲＭにまたがる電圧降下は、その素子に関連する電力消散をも表している。

図３は、ブーストコンバータ３０２及びブーストレギュレータ３０４を含む上記監視／調整回路３０１を組み入れたＬＥＤ回路３００を示している。

もしＣＲＭ素子Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１の何れかにまたがる電圧降下が低過ぎることをブーストレギュレータ３０４が検出して、ＣＲＭ素子が飽和に近付いていることを指示すれば、ブーストレギュレータ３０４は、ＬＥＤアレイ１０２への電圧をブーストさせてＬＥＤが必要としている電流レベルを供給するようにブーストコンバータへ信号する。更に、もし、何れかのＣＲＭの電圧降下が高過ぎることをブーストレギュレータ３０４が検出して、その電力消散が過大であることを指示すれば、ブーストレギュレータ３０４は、供給電圧を引下げるようにブーストコンバータ３０２へ信号する。従って、回路１００（図１）及び２００（図２）とは異なり、ＬＥＤアレイ１０２への電圧供給は、固定ではなく、調整される。従って、供給電圧ＤＣ、及び電流調整回路１０４の大きさは、回路１００及び２００とは異なり、最悪例動作状態に対して備える必要はない。

図４に示す回路４００は、回路３００と類似しているが、最少量の回路を用いて最低ＣＲＭ電圧降下を測定できるように、ＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１にそれぞれ組合わされたダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＤｍ＋１を使用している。勿論、もしダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＤｍ＋１を逆方向に配列すれば、最高ＣＲＭ電圧降下を測定することができる。何れの場合も、電流調整回路１０４とブーストレギュレータ３０４とを接続するのに、単一の接続だけしか必要としない。（これに対して、図３の回路３００においては、ｍの接続が必要である。）回路４００においては、最低電圧降下を呈しているＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、またはＱｍ＋１がそれに組合わされたダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、またはＤｍ＋１を順方向にバイアスし、ＬＥＤアレイ１０２への電圧供給を適切なレベルに維持するように、ブーストレギュレータ３０４からブーストコンバータ３０２へのフィードバックに影響を与える。

ＬＥＤアレイ１０２への電圧供給を制御するためにＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１を測定するのではなく、１または複数のＬＥＤチェーン１、２、３、及びｍにまたがる電圧降下を直接測定する他の技術も使用できることに注目されたい。更にもしＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１の近傍の温度を測定する回路が含まれていれば、この温度測定を上述したＣＲＭ電力消散測定と共に使用して供給電圧及び／またはＰＷＭを調整することによって、ＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、及びＱｍ＋１の温度を管理することができる。これらの技術を使用すると、最悪例動作状態に対して電子デバイスを備えさせる必要がないので、より少数の、そしてより安価な電子デバイスの使用を容易にすることができる。更に、これらの技術は、障害状態を検出する１つの方法を提供することができる。

図５ａ及び図５ｂからなる図５は、自動車の計器クラスタ回路５００内の回路４００（図４）の特定実施例を示している。回路５００内のＬＥＤアレイ１０２は、複合ＬＥＤ電圧が一般的な自動車グレードの電子デバイスと両立可能なように、並列チェーンに配列されている。

ブーストレギュレータ３０４は、ＩＣ１で示すＰＷＭ制御ＩＣを含んでいる。制御ＩＣ１は、抵抗分圧回路網Ｒ９及びＲ１０によって分圧されたブースト出力電圧（フィードバック電圧）を調整することによって、ブーストコンバータ３０２のブースト供給出力電圧を調整する。制御ＩＣ１は、ＰＷＭ技術を使用して出力電圧を調整するために、フィードバック電圧と内部基準電圧との差を使用する。

上述したように、電流調整回路１０４は、入力１０６からのＰＷＭ制御信号と、ＣＲＭ素子Ｑ２乃至Ｑｍ＋１のエミッタ電流とに従ってＣＲＭ素子Ｑ２乃至Ｑｍ＋１のベース電流を制御することによって、ＣＲＭ素子Ｑ２乃至Ｑｍ＋１のコレクタ電流（従って、関連するＬＥＤチェーンの電流）を調整する。従って、各ＣＲＭ素子Ｑ２乃至Ｑｍ＋１のコレクタ電流は、ほぼ０電流と、主としてＰＷＭ制御信号によって決定される電流レベルとの間でスイッチする。

電流調整素子Ｑ２のベース端子は、カレントミラーリング概念に従って、それ以外のそれぞれの並列ＬＥＤチェーンに組合わされている同じようなカレントミラーリング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、及びＱｍ＋１のベース端子に接続される。従って、各ＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、及びＱｍ＋１は、本質的に同一のベース・エミッタ電圧を共有し、従って、実質的に均一のコレクタ電流を流す。同一トランジスタを、同一のマウンティングパッケージ内に集積されたＣＲＭ素子のために使用することによって、コレクタ電流の均一性が最大になる。

ＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、及びＱｍ＋１のコレクタ端子及びエミッタ端子は、類似のコレクタ及びエミッタ回路に接続されている。詳述すれば、各ＣＲＭ素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、及びＱｍ＋１のコレクタ端子はそれぞれ、ダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、及びＤｍ＋１の陰極端子に接続されている。ダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、及びＤｍ＋１の陽極端子は互いに接続され、適切な値の抵抗Ｒ１１に接続されている。抵抗Ｒ１１の他方の側は、フィードバック抵抗分圧回路網Ｒ９及びＲ１０に接続されている。図４の構造と同じように、最低陰極電圧を呈するダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、またはＤｍ＋１が、最低ＣＲＭコレクタ電圧に従ってブーストレギュレータ３０４のフィードバックを、従ってブーストコンバータ３０２の出力電圧レベルを変化させる。典型的にはアレイ１０２内の全てのＬＥＤは同一の型であり、従って実質的に類似の温度で動作するから、ＣＲＭコレクタ電圧は実質的に均一であるべきである。従って、最低コレクタ電圧を呈するＣＲＭが飽和しないように供給電圧を調整することによって、残余のＬＥＤチェーンが十分な電圧によって駆動されるようになる。更に、ブーストコンバータ３０２からのブースト電圧はＣＲＭ電圧降下が最小になるように動的に調整されるから、固定供給電圧の大きさを最悪例ＬＥＤチェーン電圧に対して備えるようになっている回路１００（図１）及び２００（図２）に比して、電力消散が減少する。電力消散が減少すると、回路成分の動作温度が低下し、より小型でより安価な成分を使用することが可能になり、ＬＥＤの最大動作電流が、従って光強度が増加し、そして回路成分の有効寿命が延長されるようになる。

要するに、発光ダイオード回路５００は、ハイブリッド直並列構成を有している。並列接続は、回路電圧を、自動車グレードの電子成分、安全基準、ＥＭＩ、及び低コストと無矛盾の合理的レベルに制限する。更に、並列接続は、１またはそれ以上のＬＥＤの障害に起因して照明が全く失われる可能性を最小にする。直列接続は、各直列チェーン内の電流の均一性を最大にし、電流調整素子の数と関連コスト及び電流消散とを最小にする。電流調整は、源電圧及びＬＥＤ電圧の変動には関係なく、電流及び強度を精密に制御する。電流調整と共に使用されているカレントミラーリング技術は、最小の回路で並列チェーンを通る電流の均一性を最大にする。広範囲の動作光強度（即ち、ディミング範囲）、及び簡易化されたマイクロコンピュータ制御及びインタフェーシングを達成するために、ディジタル（例えば、ＰＷＭ）制御が使用されている。電流調整／カレントミラーリング技術と共に適用されるＰＷＭ方法は、ＬＥＤの効率及び色の一貫性を最大にする。最後に、供給電圧は、電流調整／カレントミラーリング素子に関連する電力消散を最小にするために、ＬＥＤ要求に従って動的に調整される。これを達成するために、各ＣＲＭ素子にまたがる電圧が測定され、供給電圧がＬＥＤ電圧及び電力消散要求に従って調整される。

図５のＬＥＤ回路５００は、以下の表１に示されている成分を含むことができる。当業者には明白なように、他の型の成分及び異なる値の成分もＬＥＤ回路５００内に使用することができる。

以上の詳細な説明は単なる例示に過ぎず、本発明を限定する意図の下になされたものではない。本発明の思想及び範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであることを理解されたい。

直列接続された発光ダイオードの単一のチェーンを有する発光ダイオード回路の回路図である。 電流調整／カレントミラーリング（“ＣＲＭ”）素子に接続された複数の発光ダイオードのチェーンを有する発光ダイオード回路の回路図である。 本発明により、図２の発光ダイオード回路に監視／調整回路を設けた回路の回路図である。 本発明により、図３の回路の回路のそれぞれのＣＲＭ素子に１組のダイオードを接続した回路の回路図である。 図５ａ及び図５ｂは一緒になって、図４の回路を自動車計器クラスタに適用する場合の回路図である。 図５ａ及び図５ｂは一緒になって、図４の回路を自動車計器クラスタに適用する場合の回路図である。

符号の説明

１００ 基本的ＬＥＤ回路
１０２ ＬＥＤのアレイ
１０４ 電流調整回路
１０６ 入力ノード
２００ ＬＥＤ回路
３００ ＬＥＤ回路
３０１ 監視／調整回路
３０２ ブーストコンバータ
３０４ ブーストレギュレータ
４００ ＬＥＤ回路
５００ ＬＥＤ回路（自動車計器クラスタ）

Claims (5)

1. 発光ダイオード（“ＬＥＤ”）回路であって、
   並列に接続されている複数のＬＥＤチェーンを備え、上記各ＬＥＤチェーンは直列に接続されている複数のＬＥＤを含み、
   電流調整回路を更に備え、上記電流調整回路は、上記複数のＬＥＤチェーンの第１のチェーンに接続されている電流調整素子と、上記複数のＬＥＤチェーンの残余のチェーンのそれぞれに接続されている複数のカレントミラーリング素子とを含む、
   ことを特徴とするＬＥＤ回路。
2. 上記電流調整回路は、上記電流調整回路へ供給される制御信号のレベル及びデューティ比の直接関数として上記複数のＬＥＤチェーン内の電流を均一に維持することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ回路。
3. 上記制御信号は、パルス幅変調（“ＰＷＭ”）信号であることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ回路。
4. 監視／調整回路を更に備え、上記監視／調整回路は、上記複数のＬＥＤチェーン及び上記電流調整回路に接続されており、上記電流調整素子及び上記カレントミラーリング素子（“ＣＲＭ素子”）にまたがる、または上記ＬＥＤチェーンにまたがる電圧降下を監視し、上記監視した電圧降下に基づいて上記複数のＬＥＤチェーンへ印加する供給電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ回路。
5. 上記監視／調整回路は、ブーストレギュレータ及びブーストコンバータを含み、上記ブーストレギュレータは上記ＣＲＭ素子にまたがる、または上記ＬＥＤチェーンにまたがる電圧降下を監視してフィードバック信号を上記ブーストコンバータへ供給し、上記ブーストコンバータは上記フィードバック信号に応答して上記複数のＬＥＤチェーンへ印加する供給電圧を調整することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ回路。

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