JP2005051114A - Ｌｅｄ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
昇圧回路を設けずに、電池の放電終了に近い時点での急速な電池低下による電源切れ等を防止して安定したＬＥＤの適切駆動を可能にした安価、軽量、低消費電流のＬＥＤ駆動装置を提供する。
【解決手段】
ＬＥＤ２０−１、２０−２、・・・に直列にバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を接続し、電池１０の出力電圧がＬＥＤの最適駆動電圧の範囲にあるときはバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を定電流特性領域で動作させ、電池１０の出力電圧がＬＥＤの最適駆動電圧以下に低下した場合は、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を低抵抗を呈する飽和領域で動作させる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、電池を電源としてＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動装置に関し、特に、昇圧回路を設けずに、電池の放電終了に近い時点での急速な電池低下による電源切れ等を防止して安定したＬＥＤの適切駆動を可能にしたＬＥＤ駆動装置に関する。

近年、携帯機器の充電可能な電池として扱いが容易なリチウムイオン電池が普及している。そして、電池を電源とする携帯機器の高機能化に伴って、状態表示や液晶表示のバックライトにＬＥＤが多用され、特に、液晶表示カラー化に伴って白色ＬＥＤが使われることが多い。そして、白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤと青色の光を緑と赤に変換する蛍光体から構成されて、赤・青・緑の光の三原色を得ることが一般的である。

しかし、青色ＬＥＤは原理的に２．７Ｖ程度以上の電圧で駆動する必要が有り、市場に供給されている青色ＬＥＤは３〜４Ｖの電圧を要する。そこで、白色ＬＥＤを放電終止電圧３．０Ｖのリチウムイオン電池を電源とする機器上で駆動する場合は、電圧の不足を補う為に、従来のＬＥＤ駆動装置においては、昇圧回路を設けていた。

すなわち、携帯電話機等の機器では、リチウムイオン電池の容量の８０％程度以上を利用するものとすれば電池電圧３．４Ｖ以下まで機器を動作させる必要が有り、更に、典型的な白色ＬＥＤの場合、ＬＥＤ寿命を確保する為に、通常使用温度範囲では２０ｍＡ程度以下で駆動することが一般的である。そして、複数の白色ＬＥＤを用いる場合は全てのＬＥＤの電流値を２０ｍＡ程度以下の電流値に制御することが求められる。

そこで、従来は、図１８に示すように、３．２Ｖから４．２Ｖのリチウムイオン電池１０の出力電圧を昇圧および定電圧回路６０で５Ｖ程度に昇圧して定電圧化し、これに個々のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・を並列に接続して抵抗５０−１、５０−２、５０−３、・・・により全ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の電流値を一定値に制御していた。

この場合のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の電流値と負荷線図を図１９に示す。図１９から明らかなように、図１８の構成によると、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の特性のバラツキにより、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・を流れる電流は大きく異なり、これにより、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の輝度が大きくバラツクという問題が生じた。

また、従来は、図２０に示すように、３．２Ｖから４．２Ｖのリチウムイオン電池１０の出力電圧を昇圧および定電流回路７０で抵抗８０の出力に基づき定電流化し、これに個々のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・を直列に接続した構成も知られている。

しかし、上記図１８若しくは図２０の従来技術では、いずれも昇圧および定電圧回路６０若しくは昇圧および定電流回路７０にＤＣ−ＤＣコンバータの如き昇圧回路が必要であって、このためにコストが高く、ＬＥＤを駆動する電流よりも大きい電池放電電流を電池から取り出すことになって電池の使用時間を短くするとの欠点があった。

例えば、昇圧および定電圧回路６０若しくは昇圧および定電流回路７０に用いるＤＣ−ＤＣコンバータの効率を８０％として、リチウムイオン電池１０の平均作動電圧を３．７Ｖとすれば、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・を駆動する平均電流値の、５Ｖ／３．７Ｖ／０．８＝１．６８倍の電流を流す必要があり、そして、リチウムイオン電池１０は、放電終止に近づくと電池電圧が下がるので電池放電電流は益々増える。

一方で、リチウムイオン電池１０は、放電終止に近づくと、その出力抵抗は増えるので、リチウムイオン電池１０の放電電流増は急速な電池電圧の低下を招き、特に低温時には、更に出力抵抗が増えて携帯電話機であれば放電終止のユーザーへの警告する時間的な余裕もなく電源が切れるいわゆる「電源切れ」の状態になることがあり得た。

また、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の点灯と同時にリチウムイオン電池１０の電圧が急に降下するので、リチウムイオン電池１０の電圧を監視して電池残量表示をする一般的な手法では、電池残量を適切に表示することが困難であるとの問題が有った。

また、昇圧および定電圧回路６０若しくは昇圧および定電流回路７０に用いるＤＣ−ＤＣコンバータからは高周波のスイッチングノイズが発生して、高感度である携帯電話機の無線受信機に干渉して感度劣化を引き起こし易く、その対策にはシールド等の部材や基板設計や構造設計上の配慮が必要となる等の問題が生じた。

また、音声周波数や、携帯電話機の送信音声をディジタル化する目的で使われるＡＤコンバータで折り返し雑音として音声周波数化される低周波ノイズもしばしば問題となっている。

そこで、パソコン等のように、複数の電池を直列接続することにより電池電圧が高い場合は昇圧しないで個々のＬＥＤに直列に接続して抵抗により全ＬＥＤの電流値を制御することが行われているが、この場合の負荷線図は、図１９と同様になり、この構成においても、ＬＥＤの特性のバラツキにより、ＬＥＤを流れる電流は大きく異なり、これにより、ＬＥＤの輝度が大きくバラツクという問題が生じた。

そこで、特許文献１および特許文献２に示されるように、商用交流等が得られて電源電圧が高い場合は定電流回路が電流の安定化に使用された構成も提案されている。
特開２００３−５９６７６号公報 特開平１１−３０５１９８号公報

しかし、特許文献１および特許文献２の従来技術では、電源電圧を高くするために電池直列数を増やすなどのコストを上げて重量を重くするような設計を要するという欠点が有った。

そこで、図２１に示すように、電池電圧を昇圧しないで個々のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・に並列に接続して抵抗９０−１、９０−２、９０−３、・・・により全ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の電流値を制御することが行われたこともあるが、この場合、図２２の負荷線図に示すように、電池１０の電圧とＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・バラツキにより個々のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、・・・の電流値は変動が大きく、電池１０の電圧によって電流値の変化が図１９の場合よりも更に大きいという欠点が有った。

そのため、ＬＥＤ寿命を確保するために、電池が満充電で充分な電圧が有っても、高価なＬＥＤの最大定格よりも遥かに低い電流での輝度不足の状態で駆動せざるを得ないという問題があった。

そこで、この発明は、昇圧回路を設けずに、電池の放電終了に近い時点での急速な電池低下による電源切れ等を防止して安定したＬＥＤの適切駆動を可能にした安価、軽量、低消費電流のＬＥＤ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、電池を電源としてＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動装置であって、前記電池は該電池の放電終了に近い状態においてその出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧から外れて低下するＬＥＤ駆動装置において、前記ＬＥＤに直列にトランジスタを接続し、前記電池の出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧の範囲にあるときは前記トランジスタを定電流特性領域で動作させ、前記電池の出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧以下に低下した場合は、前記トランジスタを低抵抗を呈する領域で動作させることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記トランジスタは、ベースに所定の定電圧を出力する定電圧回路の出力が接続されたバイポーラトランジスタであることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ＬＥＤと前記バイポーラトランジスタとの直列回路を前記電池に対して並列に複数接続したことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記バイポーラトランジスタは、ベースに前記定電圧回路の出力が共通接続され、エミッタが前記電池の一方の端子に共通接続されることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記トランジスタは、ゲートに所定の定電圧を出力する定電圧回路の出力が接続されたＦＥＴであり、前記ＬＥＤとＦＥＴとの直列回路を前記電池に対して並列に複数接続しており、ゲートに前記定電圧回路の出力が共通接続され、ソースが前記電池の一方の端子に共通接続されることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項３の発明において、正端子に定電圧回路が接続され、負端子に前記バイポーラトランジスタのエミッタが接続される演算増幅回路を有し、前記バイポーラトランジスタは、ベースに前記演算増幅回路の出力が第１の抵抗を介して共通接続され、エミッタがそれぞれ第２の抵抗を介して前記電池の一方の端子に共通接続されることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項３の発明において、正端子に定電圧回路が接続され、負端子に前記バイポーラトランジスタのエミッタが接続される演算増幅回路を有し、前記バイポーラトランジスタは、ベースに前記演算増幅回路の出力が第１の抵抗を介して共通接続され、エミッタがそれぞれ第２の抵抗を介して前記電池の一方の端子に共通接続されることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、前記電池の一方の端子に接続された抵抗と、前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、前記抵抗と前記所定数のダイオードとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタとを含むことを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、前記電池の一方の端子に接続された定電流回路と、前記定電流回路と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、前記定電流回路と前記所定数のダイオードとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の他方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタとを含むことを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、
前記電池の一方の端子に接続された第１の抵抗と、前記第１の抵抗と前記電池の他方の端子との間に直列に接続された第２および第３の抵抗と、前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との接続点にベースが接続され、エミッタが前記電池の他方の端子に接続され、コレクタが前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続された第１のトランジスタと、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出す第２のトランジスタとを含むことを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、前記電池の一方の端子に接続された抵抗と、前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続されたサーミスタと、前記抵抗と前記サーミスタとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタとを含むことを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、前記電池の一方の端子に接続された第１の抵抗と、前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、前記抵抗と前記所定数のダイオードとの接続点に正端子が接続され、負端子に第２の抵抗を介して前記電池の一方の端子が接続され、前記負端子と出力端子との間に第３の抵抗が接続される演算増幅回路とを含むことを特徴とする。

また、請求項１３の発明は、請求項４乃至７のいずれかの発明において、前記定電圧回路は、環境温度の上昇に対応して出力電圧を低下させ、これにより、高温度領域での前記ＬＥＤの電流を、非高温度領域での前記ＬＥＤの電流よりも低減させることを特徴とする。

また、請求項１４の発明は、請求項６または７の発明において、前記定電圧回路は、前記電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出した前記電池の出力電圧に対応して所定の定電圧を形成出力する定電圧出力手段とを具備することを特徴とする。

また、請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、環境温度を検出する温度検出手段を更に具備し、前記定電圧出力手段は、前記電圧検出手段で検出した前記電池の出力電圧および前記温度検出手段で検出した環境温度に対応して所定の定電圧を形成出力することを特徴とする。

また、請求項１６の発明は、請求項１乃至１５のいずれかの発明において、前記電池は、直列接続数が１のリチウムイオン電池若しくはリチウム電池であり、前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤ若しくは青色ＬＥＤ以下の波長の光を発光するＬＥＤであることを特徴とする。

また、請求項１７の発明は、請求項１乃至１５のいずれかの発明において、前記電池は、直列接続数が３のニッケル水素電池若しくはニッケルカドミウム電池であり、前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤ若しくは青色ＬＥＤ以下の波長の光を発光するＬＥＤであることを特徴とする。

また、請求項１８の発明は、請求項１乃至１５のいずれかの発明において、前記電池は、直列接続数が２のニッケルカドミウム水素電池であり、前記ＬＥＤは、緑色ＬＥＤ若しくは緑色ＬＥＤ以上の波長の光を発光するＬＥＤであることを特徴とする。

この発明によれば、以下に示す効果を奏する。

１）従来の昇圧回路を使用する場合と比較してＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ駆動電流を減らさずに電池消費電流を減少させることができるので、特に液晶表示器のバックライトのように点灯機会が多いＬＥＤを搭載する機器に適用した場合に有効である。

２）放電終止電圧付近ではＬＥＤ駆動電流が適切に減るので、携帯電話機等の機器の電池使用時間を常温で２倍、低温では更に延ばすことが可能となる。

３）昇圧回路からの高周波と低周波のノイズがないので、これらのノイズの影響を受け易い携帯電話機等の無線受信機能を有する機器の性能が改善する。

４）コストも安くなり、また、ＬＥＤ駆動電流をＬＥＤ寿命が制約する限界まで増やすことも可能なので、機器上に使用されるＬＥＤの寿命を長く確保することができ、また、ＬＥＤの輝度を上げつつもＬＥＤの寿命を損なわないようにすることができるので、高価な白色ＬＥＤの数を減らしても輝度を確保できる。

以下、この発明に係わるＬＥＤ駆動装置の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明に係わるＬＥＤ駆動装置を原理的に示すＮＰＮ形バイポーラトランジスタ、又は、Ｎチャンネル形ＦＥＴを使用する場合に好適な回路図である。また、図２は、ＰＮＰ形バイポーラトランジスタ、又は、Ｐチャンネル形ＦＥＴを使用する場合に好適な回路図である。

図１または図２に示すこの実施例のＬＥＤ駆動装置は、駆動対象のＬＥＤ（発光ダイオード）２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・として、青色ＬＥＤや白色ＬＥＤの如く、十分な電流をもって駆動するためには３．０〜４．０Ｖの電圧が必要と考えられているＬＥＤを用いる。

また、電源となる電池１０として、公称放電終止電圧３．０Ｖのリチウムイオン電池や、公称放電終止電圧１．０Ｖのニッケル水素電池を３本直列接続した電池を用いる。

そして、この場合の電圧の不足を補うための昇圧回路は設けず、これにより昇圧回路を使用したことによって発生する問題である消費電流増と放電終止近くでの急速な電池電圧低下（特に低温時）による「電源切れ」、高周波と低周波のノイズ、コスト増等を解決して安定した適切な電流値でＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・を駆動してＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・の輝度も確保することができるようにしたものである。

図１または図２において、このＬＥＤ駆動装置は、複数のＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・を電池１０を電源として駆動する。

ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・には、それぞれ直列に定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・が接続され、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・と定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・との直列回路は、電池１０に並列に接続される。

このような構成において、電池１０の出力電圧が、満充電若しくは放電終止電圧３．０Ｖよりも十分高い場合、定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・は、定電流制御をすることにより、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・には、例えば、２０ｍＡのＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・の規格上十分な電流が流れ、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・は定格の輝度で駆動される。

しかし、電池１０が放電終了に近い状態になり、電池１０の出力電圧が放電終止電圧３．０Ｖに近くなると、定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・は、定電流特性に依る電流制御を行う為には電圧が不足となるが、代わって低抵抗として機能する。

この状態で、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・に流れる電流は、電池１０の出力電圧とこの定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・が呈する低抵抗の値により決定され、この場合ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・の輝度は若干低下するが、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・には、電池１０の出力電圧に応じた適切な電流で駆動される。

このような構成によると、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・の点灯による急速な電池１０の電圧の低下を低減して、携帯電話機等においては、低温時に放電終止のユーザーへの警告する時間的な余裕もなく電源が切れる「電源切れ」の発生を低減し得る。

また、ＬＥＤ点灯と同時に電池電圧が急に降下する程度を低減するので、電池１０の電圧を監視して適切な電池残量表示をすることが容易となる。また、昇圧していないので消費電流は少なく、高周波や低周波のノイズの発生もない。

図３乃至図７は、図１または図２に示したこの発明に係わるＬＥＤ駆動装置の原理的な回路を実現するための具体例を示す回路図である。

図３に示す回路おいては、図１または図２に示した定電流回路３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、・・・をバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を用いて実現する。

すなわち、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のそれぞれのベース、エミッタ間電流を所望の値とするように動作する定電圧回路３２−１、３２−２、・・・をバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のそれぞれのベースに接続する。

この実施例においては、昇圧をしないことによるＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の駆動電圧の不足を防止するために、電池１０の電圧の大部分をＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・に印加し、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・が定電流特性などの電流制御特性を実現するための必要電圧を０．１Ｖ程度と小さくする。

このような構成によると、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・の定電流特性（代表的な値は５０ＫΩ）によってＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・のバラツキに関わらずに適当なＬＥＤ電流を流すことができる。

ここで、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を用いて定電流特性を実現するための必要電圧の低電圧化を制約しているものは、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース・エミッタ間の電圧バラツキと温度係数バラツキと相互のバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・間の温度のバラツキである。この値は２０ｍＶ程度である。更に定電圧回路３２−１、３２−２、・・・もバラツキを含んでおり、これらのバラツキに依る電流バラツキを抑えればバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・を用いて定電流特性を実現するための必要電圧を、０．１Ｖ程度と低電圧化することが可能となる。

また、図４に示す回路おいては、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・に直列に接続されたバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４・・・のベースに定電圧回路３２を共通接続し、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４・・・のエミッタにベース、エミッタ間電圧特性のバラツキによる電流値のバラツキを低減するための抵抗４０−１、４０−２、４０−３、４０−４、・・・を接続して、電圧負帰還を掛けている。

ただし、この回路においては、バラツキを含んでいる全てのバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４・・・のベースに一様に定電圧回路３２から電圧が印加されているので、不帰還量を増やしてバラツキに耐えて安定度を増す必要が有る。

すなわち、この回路において、ＬＥＤ２０−1、２０−２、２０−３、２０−４、・・・の駆動電流が２０ｍＡの場合は、抵抗４０−１、４０−２、４０−３、４０−４、・・・に０．２Ｖの電圧を発生させるので、バラツキ２０ｍＶの影響は１／１０に抑え込まれる。結果としてバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、３１−４・・・で電流制御特性を実現するためには、０．２Ｖ強の電圧が必要である。

また、図５に示す回路は、演算増幅回路３３を用いて構成したもので、演算増幅回路３３の正端子に定電圧回路３２を接続し、演算増幅回路３３の負端子にバイポーラトランジスタ３１−１のエミッタを接続し、演算増幅回路３３の出力抵抗３４を介してバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、・・・のベースに共通接続する。

また、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、３１−３、・・・のエミッタにそれぞれ抵抗４０−１、４０−２、４０−３、・・・を接続する。

この構成によると、ＬＥＤ２０−1の駆動電流を検出してフィードバックを掛けているので、バラツキの一部が補償されており、エミッタに接続される抵抗４０−１、４０−２、４０−３、・・・の抵抗値を図４の回路の半分にしても所望の特性を得ることが可能である。結果として電流制御特性を実現するための必要電圧として０．１Ｖ強の低電圧化が可能になる。

また、図６に示す回路は、ＩＣチップ上に特性のバラツキや相互のトランジスタ間の温度のバラツキが減るように配慮されて配置されたトランジスタ群３５−１、３５−２、３５−３、３５−４、・・・を使用する。この場合、トランジスタ群３５−１、３５−２、３５−３、３５−４、・・・のバラツキが充分に小さいので、上記電流バラツキの原因となる数値を小さくできる。この構成の場合、電流制御特性を実現するための必要電圧は０．１Ｖ以下も可能であり、この回路は、ＩＣに集積する場合に特に有効な回路である。

また、図７に示す回路は、図６に示した回路のトランジスタ群３５−１、３５−２、３５−３、３５−４、・・・の代わりに、ＦＥＴ群３６−１、３６−２、３６−３、３６−４、・・・を用いて構成したものである。その他の構成は図６に支援した回路と同様である。

図８は、図３乃至図７の回路で実現されるＬＥＤ駆動装置におけるＬＥＤの負荷線図を示す。なお、図８においては、ＬＥＤの特性にバラツキがある場合を示しており、縦軸がＬＥＤを流れる電流、横軸がＬＥＤに加わる電圧を示している。

図８において、電池１０の電圧が満充電に近く、したがって電池１０の出力抵抗が低い場合は、負荷線６１に示すように、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・が制御する定電流特性でＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を駆動する。

また、電池１０の電圧が下がり、したがって、電池１０の出力抵抗が高くなってきた場合は、負荷線６２の各線に示すように、バイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・は低抵抗値の飽和状態で動作する。

負荷線６２の状態では電池１０が放電終止に近づいて電圧が下がる場合若しくは低温になって電池１０の出力抵抗が機器の消費電流にしたがって大きくなって電圧が下がる場合、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を駆動する電流が電池１０の電圧にしたがって適切な電流値に低減される。

このために、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の点灯による急速な電池電圧の低下を低減して、携帯電話機等においては、低温時に放電終止のユーザーへの警告する時間的な余裕も無く電源が切れることを低減し得る。

また、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の点灯と同時に電池電圧が急に降下する程度を低減するので、電池電圧を監視して適切な電池残量表示をすることが容易となる。また、昇圧していないので消費電流は少なく、高周波や低周波のノイズの発生もない。

なお、電池１０の電圧が下がって電源切れが問題となり得る低温時には、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・は順方向電圧Ｖｆが大きくなるので、図８の負荷線６２の状態では低温時にＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の電流が低減させることができる。

また、高温度でＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の寿命を確保するために定電圧回路３２に温度特性を持たせて、定電圧出力を高温では下げて電流を低減する例を負荷線６３に示す。

ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の寿命確保が問題となり得る高温時には、図８の負荷線６１の状態であっても、定電圧回路３２の出力電圧が温度上昇と共に下がるようにすれば、図８の負荷線６３に示すように、高温時にＬＥＤの寿命の確保のためにＬＥＤ電流を低減することが実現できる。この定電圧回路３２の出力電圧の温度特性によりＬＥＤの輝度確保と寿命確保が可能になる。

図９、図１１、図１２、図１３、図１５は、上記高温度でのＬＥＤの寿命を確保するために温度特性をもたせた定電圧回路の一例を示す回路図である。

図９に示す定電圧回路は、例えば、図４若しくは図５に示した定電圧回路３２として用いられるもので、この定電圧回路は、シリコンダイオードの温度特性を利用して構成される。

すなわち、図９においてこの定電圧回路は、図４若しくは図５に示した電池１０の正端子に接続される電源ラインＶｃｃに接続された抵抗３０２と、この抵抗３０２と電池１０の負端子に接続される接地との間に接続された３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３と、抵抗３０２とシリコンダイオード３０１−１との接続点にベースが接続され、コレクタが電源ラインＶｃｃに接続されたエミッタフォロワー回路を構成するトランジスタ３０３からなり、このトランジスタ３０３のエミッタから図４に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース若しくは図５に示した演算増幅回路３３の正端子に加える定電圧を得るものである。

図９に示す回路においては、直列接続された３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の順方向電圧によりトランジスタ３０３のベース・エミッタ間電圧を固定して、トランジスタ３０３のエミッタから定電圧出力を得ているが、高温度では、シリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の温度特性により、トランジスタ３０３のベース・エミッタ間電圧が減少し、これによりトランジスタ３０３のエミッタから出力される定電圧は低下し、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流は低減する。

ここで、トランジスタ３０３のエミッタから出力される定電圧が過大とならないように、抵抗３０２が決めるシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３を流れる電流は小さい値とする。シリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の温度特性は小電流の場合の方が大きいので温度補償の目的に適合する。

なお、３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３を６個程度のショットキーバリアダイオードに置き換えると温度係数が大きくなるので高温では、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流がより低減する。

図１０は、図４に示した回路の定電圧回路３２として図９に示した回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフで、グラフ８０１は、図４に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース・エミッタ間電圧の温度特性、グラフ８０２は、図９に示したトランジスタ３０３のベース・エミッタ間電圧、グラフ３０３は、３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の電圧の温度特性を示している。

ここで、グラフ８０２で示す電圧とグラフ８０３で示す電圧のとの差の電圧を図４に示した抵抗４０−１、４０−２、・・・の値で割った値がＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流となるので、これにより、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流を高温度において低減させることができる。

図１１は、図９に示した回路の変形例を示したもので、図１１に示した回路においては、図９に示した回路の抵抗３０２を定電流回路３０４で置き換えている。その他の構成は、図９に示した回路と同じである。この回路によっても、ＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流を高温度において低減させることができる。

図１２は、図９に示した回路の他の変形例を示したものである。

この図１２に示した回路においては、図９に示した３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の代わりにトランジスタ３０６と抵抗３０５−１、３０５−２とで温度特性を実現している。

すなわち、図１２の回路において、抵抗３０５−１の値を抵抗３０５−２の値の２倍に設定すると、トランジスタ３０６と抵抗３０５−１、３０５−２との回路により、図９に示した３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３に相当する温度特性が得られる。

図１３は、図９に示した回路の更に他の変形例を示したものである。

この図１３に示す回路においては、図９に示した３個のシリコンダイオード３０１−１、３０１−２、３０２−３の代わりにサーミスタ３０７を用いて構成される。この回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフを図１４に示す。

図１４において、グラフ１２０１は、図４に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース・エミッタ間電圧の温度特性、グラフ１２０２は、図１３に示したトランジスタ３０３のベース・エミッタ間電圧、グラフ１２０３は、サーミスタ３０７の温度特性を示している。

そして、グラフ１２０２で示す電圧とグラフ１２０３で示す電圧のとの差の電圧を図４に示した抵抗４０−１、４０−２、・・・の値で割った値がＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流となる。

ここで、図１４に示すように、グラフ１２０２で示す電圧とグラフ１２０３で示す電圧が予め設定した高温時に等しくなるように抵抗３０２の値とサーミスタ３０７の特性を選べば、設定した温度以上ではＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流を遮断するように構成することができる。

図１５は、図９に示した回路の更に他の変形例を示したものである。

この図１５に示す回路においては、２個のダイオード３０１−１、３０１−２と演算増幅回路３０９を用いて温度特性を実現している。

すなわち、図１５の回路においては、抵抗３０２と２個のダイオード３０１−１、３０１−２との接続点に演算増幅回路３０９の正端子を接続し、この演算増幅回路３０９の負端子に抵抗３０８−１を介して電源ラインＶｃｃを接続し、この演算増幅回路３０９の出力端子を抵抗３０８−２を介してこの演算増幅回路３０９の負端子に接続して構成され、この演算増幅回路３０９の出力端子から図３に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベースに加える定電圧を得るものである。この回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフを図１６に示す。

図１６において、グラフ１４０１は、図４に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース・エミッタ間電圧の温度特性、グラフ１４０２は、２個のダイオード３０１−１、３０１−２の温度特性、グラフ１４０３は、演算増幅回路３３の出力端子から出力される電圧を示す。

そして、グラフ１４０２で示す電圧とグラフ１４０３で示す電圧のとの差の電圧を図４に示した抵抗４０−１、４０−２、・・・の値で割った値がＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流となるが、ここで、図１６に示すように、グラフ１４０１で示す電圧とグラフ１４０３で示す電圧が予め設定した高温時に等しくなるように抵抗３０２の値と２個のダイオード３０１−１、３０１−２の特性を選べば、設定した温度以上ではＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・を流れる電流を遮断するように構成することができる。

図１７は、図４若しくは図５に示した定電圧回路３２の他の構成例を示すブロック図である。

図１７に示す構成においては、ＣＰＵ（中央演算装置）３１１を用いて温度特性を有する定電圧を形成出力するもので、図４若しくは図５に示した回路の電池１０の電圧を示す電池電圧信号およびこの回路の環境温度を検出する図示しないサーミスタ等から出力される温度信号は、アナログディジタル変換回路（ＡＤＣ）３１０でそれぞれディジタル値に変換されてＣＰＵ３１１に取り込まれる。

ＣＰＵ３１１には、電池１０の電圧および環境温度に対応して最適な定電圧に対応するデータを記憶するメモリ３１２が接続されており、ＣＰＵ３１１は、取り込んだ電池１０の電圧および環境温度のデータに基づきこのメモリに記憶されたデータを参照して電池１０の電圧および環境温度に対応する最適な定電圧に対応するデータを演算する。

そして、このＣＰＵ３１１で演算された電池１０の電圧および環境温度に対応する最適な定電圧に対応するデータは、ディジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）３１３で電圧に変換されて、図４に示したバイポーラトランジスタ３１−１、３１−２、・・・のベース若しくは図５に示した演算増幅回路３３の正端子に加える定電圧として出力される。

このような構成によると、ＣＰＵ３１１の制御により電池１０の電圧および環境温度に対応したＬＥＤ２０−1、２０−２、・・・の最適制御が可能になる。

なお、上記実施例においては、電池１０として直列接続数が１のリチウムイオン電池若しくは直列接続数が３のニッケル水素電池を用いた場合を示したが、上記直列接続数が１のリチウムイオン電池の代わりに直列接続数が１のリチウム電池を用いた場合若しくは上記直列接続数が３のニッケル水素電池の代わりに直列接続数が３のニッケルカドミウム電池を用いた場合も同様に構成することができる。

また、ＬＥＤとして緑色ＬＥＤ若しくは緑色ＬＥＤ以上の波長の光を発光するＬＥＤを用い、電池として直列接続数が２のニッケルカドミウム水素電池を用いる場合も同様に構成することができる。

この発明のＬＥＤ駆動装置は、電池を電源としてＬＥＤを駆動する携帯電話機等の機器に利用可能である。この発明のＬＥＤ駆動装置によれば、従来の昇圧回路を使用する場合と比較してＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ駆動電流を減らさずに電池消費電流を減少させることができるので、特に液晶表示器のバックライトのように点灯機会が多いＬＥＤを搭載する機器に適用した場合に有効である。また、放電終止電圧付近ではＬＥＤ駆動電流が適切に減るので、携帯電話機等の機器の電池使用時間を常温で２倍、低温では更に延ばすことが可能となる。また、昇圧回路からの高周波と低周波のノイズがないので、これらのノイズの影響を受け易い携帯電話機等の無線受信機能を有する機器の性能が改善する。また、コストも安くなり、また、ＬＥＤ駆動電流をＬＥＤ寿命が制約する限界まで増やすことも可能なので、機器上に使用されるＬＥＤの寿命を長く確保することができ、また、ＬＥＤの輝度を上げつつもＬＥＤの寿命を損なわないようにすることができるので、高価な白色ＬＥＤの数を減らしても輝度を確保できる。

この発明に係わるＬＥＤ駆動装置を原理的に示す回路図である。 この発明に係わるＬＥＤ駆動装置を原理的に示す他の回路図である。 図１または図２の回路を実現するための具体例を示す回路図である。 図１または図２の回路を実現するための具体例を示す回路図である。 図１または図２の回路を実現するための具体例を示す回路図である。 図１または図２の回路を実現するための具体例を示す回路図である。 図１または図２の回路を実現するための具体例を示す回路図である。 図３乃至図７の回路で実現されるＬＥＤ駆動装置におけるＬＥＤの負荷線図である。 ＬＥＤの寿命を確保するための温度特性をもたせた定電圧回路の一例を示す回路図である。 図９に示した回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフである。 図９に示した回路の変形例を示した回路図である。 図９に示した回路の他の変形例を示した回路図である。 図９に示した回路の更に他の変形例を示した回路図である。 図１３に示した回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフである。 図９に示した回路の更に他の変形例を示した回路図である。 図１５に示した回路を用いた場合の温度補償を説明するグラフである。 図４若しくは図５に示した定電圧回路の他の構成例を示すブロック図である。 従来のＬＥＤ駆動装置の一例を示した回路図である。 図１８に示した従来のＬＥＤ駆動装置におけるＬＥＤの負荷線図である。 従来のＬＥＤ駆動装置の他の例を示した回路図である。 従来のＬＥＤ駆動装置の更に他の例を示した回路図である。 図２１に示した従来のＬＥＤ駆動装置におけるＬＥＤの負荷線図である。

符号の説明

１０ 電池
２０−１、２０−２、２０−３、２０−４ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３０−１、３０−２、３０−３、３０−４ 定電流回路
３１−１、３１−２、３１−３、３１−４ バイポーラトランジスタ
３２、３２−１、３２−２ 定電圧回路
３３ 演算増幅回路
３４ 抵抗
４０−１、４０−２、４０−３、４０−４ 抵抗（エミッタ抵抗）
３５−１、３５−２、３５−３、３５−４ トランジスタ群
３６−１、３６−２、３６−３、３６−４ ＦＥＴ群

Claims (18)

1. 電池を電源としてＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動装置であって、前記電池は該電池の放電終了に近い状態においてその出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧から外れて低下するＬＥＤ駆動装置において、
   前記ＬＥＤに直列にトランジスタを接続し、
   前記電池の出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧の範囲にあるときは前記トランジスタを定電流特性領域で動作させ、前記電池の出力電圧が前記ＬＥＤの最適駆動電圧以下に低下した場合は、前記トランジスタを低抵抗を呈する領域で動作させる
   ことを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
2. 前記トランジスタは、
   ベースに所定の定電圧を出力する定電圧回路の出力が接続されたバイポーラトランジスタである
   ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動装置。
3. 前記ＬＥＤと前記バイポーラトランジスタとの直列回路を前記電池に対して並列に複数接続した
   ことを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ駆動装置。
4. 前記バイポーラトランジスタは、
   ベースに前記定電圧回路の出力が共通接続され、エミッタが前記電池の一方の端子に共通接続される
   ことを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ駆動装置。
5. 前記トランジスタは、
   ゲートに所定の定電圧を出力する定電圧回路の出力が接続されたＦＥＴであり、
   前記ＬＥＤとＦＥＴとの直列回路を前記電池に対して並列に複数接続しており、
   ゲートに前記定電圧回路の出力が共通接続され、ソースが前記電池の一方の端子に共通接続される
   ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動装置。
6. 前記バイポーラトランジスタは、
   ベースに前記定電圧回路の出力が共通接続され、エミッタがそれぞれ抵抗を介して前記電池の一方の端子に共通接続される
   ことを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ駆動装置。
7. 正端子に定電圧回路が接続され、負端子に前記バイポーラトランジスタのエミッタが接続される演算増幅回路
   を有し、
   前記バイポーラトランジスタは、
   ベースに前記演算増幅回路の出力が第１の抵抗を介して共通接続され、エミッタがそれぞれ第２の抵抗を介して前記電池の一方の端子に共通接続される
   ことを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ駆動装置。
8. 前記定電圧回路は、
   前記電池の一方の端子に接続された抵抗と、
   前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、
   前記抵抗と前記所定数のダイオードとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタと
   を含むことを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
9. 前記定電圧回路は、
   前記電池の一方の端子に接続された定電流回路と、
   前記定電流回路と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、
   前記定電流回路と前記所定数のダイオードとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の他方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタと
   を含むことを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
10. 前記定電圧回路は、
    前記電池の一方の端子に接続された第１の抵抗と、
    前記第１の抵抗と前記電池の他方の端子との間に直列に接続された第２および第３の抵抗と、
    前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との接続点にベースが接続され、エミッタが前記電池の他方の端子に接続され、コレクタが前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続された第１のトランジスタと、
    前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出す第２のトランジスタと
    を含むことを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
11. 前記定電圧回路は、
    前記電池の一方の端子に接続された抵抗と、
    前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続されたサーミスタと、
    前記抵抗と前記サーミスタとの接続点にベースが接続され、コレクタが前記電池の一方の端子に接続され、エミッタから出力を取り出すトランジスタと
    を含むことを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
12. 前記定電圧回路は、
    前記電池の一方の端子に接続された第１の抵抗と、
    前記抵抗と前記電池の他方の端子との間に接続された所定の温度特性を有する所定数のダイオードと、
    前記抵抗と前記所定数のダイオードとの接続点に正端子が接続され、負端子に第２の抵抗を介して前記電池の一方の端子が接続され、前記負端子と出力端子との間に第３の抵抗が接続される演算増幅回路と
    を含むことを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
13. 前記定電圧回路は、
    環境温度の上昇に対応して出力電圧を低下させ、これにより、高温度領域での前記ＬＥＤの電流を、非高温度領域での前記ＬＥＤの電流よりも低減させる
    ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置。
14. 前記定電圧回路は、
    前記電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧検出手段で検出した前記電池の出力電圧に対応して所定の定電圧を形成出力する定電圧出力手段と
    を具備することを特徴とする請求項６または７記載のＬＥＤ駆動装置。
15. 環境温度を検出する温度検出手段
    を更に具備し、
    前記定電圧出力手段は、
    前記電圧検出手段で検出した前記電池の出力電圧および前記温度検出手段で検出した環境温度に対応して所定の定電圧を形成出力する
    ことを特徴とする請求項１４記載のＬＥＤ駆動装置。
16. 前記電池は、
    直列接続数が１のリチウムイオン電池若しくはリチウム電池であり、
    前記ＬＥＤは、
    青色ＬＥＤ若しくは青色ＬＥＤ以下の波長の光を発光するＬＥＤである
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置。
17. 前記電池は、
    直列接続数が３のニッケル水素電池若しくはニッケルカドミウム電池であり、
    前記ＬＥＤは、
    青色ＬＥＤ若しくは青色ＬＥＤ以下の波長の光を発光するＬＥＤである
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置。
18. 前記電池は、
    直列接続数が２のニッケルカドミウム水素電池であり、
    前記ＬＥＤは、
    緑色ＬＥＤ若しくは緑色ＬＥＤ以上の波長の光を発光するＬＥＤである
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置。

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