JP2007295775A - 電源装置、led駆動装置、照明装置、表示装置 - Google Patents

電源装置、led駆動装置、照明装置、表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、小規模な回路構成でありながら、適切にチャージポンプのステート制御を行うことが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る電源装置は、出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfb(図1ではVc1〜Vcnの最低電圧)が参照電圧Vrefと一致するように、出力トランジスタTrの開閉制御を行うレギュレータ21と;レギュレータ21からの入力電圧Vin’を昇圧して出力電圧Voutを生成するチャージポンプ22と;出力トランジスタTrの制御電圧Saが閾値電圧Vthに達したか否かを検出する検出部23と;検出部23の比較結果信号Sbに基づいてチャージポンプ22の昇圧倍率を切り替えるステート制御部24と;を有して成る構成とされている。
【選択図】図1

Description

本発明は、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置、並びに、これを搭載したLED[Light Emitting Diode]駆動装置、照明装置、及び、表示装置に関するものであり、例えば、液晶ディスプレイ用のLEDバックライトシステムに関する。
図3は、LED駆動装置の一従来例を示すブロック図である。
本図に示すように、従来の一般的なLED駆動装置は、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを得るべく、出力電圧Voutが帰還入力されるレギュレータ101を用いて、入力電圧Vinからチャージポンプ102の入力電圧Vin’を生成するとともに、第1〜第n検出部103−1〜103−nを用いて、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比を検出し、その検出結果に応じてチャージポンプ102のステート制御(昇圧倍率制御)を行う構成とされていた。
以下では、第1〜第2検出部103−1〜103−2を用いて、チャージポンプ102のステートを3段階(1倍昇圧、1.5倍昇圧、2倍昇圧)に順次切り替えていく場合を例に挙げながら、上記従来のステート制御について具体的な説明を行う。
まず、第1検出部103−1では、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比が検出され、所望の出力電圧Voutを得るために、チャージポンプ102を1倍昇圧ステートに維持し得る否かの判定が行われる。すなわち、第1検出部103−1では、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がα(レギュレータ101やチャージポンプ102の変換効率を鑑みて、α>1)よりも高いか否かの検出が行われる。そして、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がαよりも高ければ、チャージポンプ102が1倍昇圧ステートに維持され、逆に、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がαよりも低ければ、チャージポンプ102が1.5倍昇圧ステートに移行される。
チャージポンプ102が1.5倍昇圧ステートに移行された後、第2検出部103−2では、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比が検出され、所望の出力電圧Voutを得るために、チャージポンプ102を1.5倍昇圧ステートに維持し得る否かの判定が行われる。すなわち、第2検出部103−2では、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がβ(>1/1.5)よりも高いか否かの検出が行われる。そして、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がβよりも高ければ、チャージポンプ102が1.5倍昇圧ステートに維持され、逆に、出力電圧Voutに対する入力電圧Vinの比がβよりも低ければ、チャージポンプ102が2倍昇圧ステートに移行される。
なお、LED駆動装置に関連するその他の従来技術として、例えば、特許文献1には、LEDのカソード端子電圧を出力電圧調整回路にフィードバックし、所望の出力電圧値を得るDC/DC昇圧システムが開示・提案されている。
また、特許文献2には、電流鏡で該電流鏡の出力端にカップリングされた複数の並列発光ダイオードを駆動する方法であって、前記電流鏡の制御端の電圧を参照電圧とするステップと、前記電流鏡の入力端の電圧を増強すると共に、前記複数の発光ダイオードの入力端を電圧帰還点として、該電流鏡の入力端と出力端との間の電圧差を固定し定電圧に維持させるステップと、前記電流鏡の出力端の電圧で前記複数の発光ダイオードを駆動するステップと、を備えて成る発光ダイオードの駆動方法が開示・提案されている。
特開2004−22929号公報 特開2005−39215号公報
確かに、図3に示した従来構成のLED駆動装置であれば、例えば、入力電圧Vinの低下(バッテリの消耗など)が生じた場合でも、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成することが可能である。
しかしながら、上記従来構成のLED駆動装置は、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比に基づいて、チャージポンプ102のステート制御を行う構成とされていたので、チャージポンプ102のステート段数を増すほど、第1検出部103−1〜第n検出部103−nも増設せねばならず、回路規模の増大を招く形となっていた。
また、上記従来構成のLED駆動装置では、接続されたLEDの順方向降下電圧Vfが少々大きくても、これを支障なく駆動するために、出力電圧Voutに十分なマージンを与えた上で、レギュレータ101の帰還制御、並びに、チャージポンプ102のステート制御が行われていた。そのため、上記従来構成のLED駆動装置では、先のマージン分だけ、不要に高い出力電圧Voutが供給されており、効率の低下を招く形となっていた。
なお、特許文献1の従来技術は、LEDのカソード端子電圧に基づいて昇圧回路の帰還制御を行うことにより、出力電圧Voutの不要マージンを解消し、効率の向上を実現するための技術ではあるが、昇圧回路がチャージポンプであるとの記載はなく、当然、チャージポンプのステート制御を実現する上で直面する上記の課題(回路規模の増大や効率低下)及びその解決手段についても、何ら示唆・言及されていなかった。
また、特許文献2の従来技術は、LEDの駆動電圧を生成するための手段として、チャージポンプに代えて電流鏡を用いる構成であり、本願発明とは、その本質的構成を異にするものである。
本発明は、上記の問題点に鑑み、小規模な回路構成でありながら、適切にチャージポンプのステート制御を行うことが可能な電源装置、並びに、これを用いたLED駆動装置、照明装置、及び、表示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に、本発明に係る電源装置は、入力電圧の印加端から出力電圧の引出端に至る経路上に直列接続された出力トランジスタを備えて成り、前記出力電圧に応じた帰還電圧が所定の参照電圧と一致するように、前記出力トランジスタの開閉制御を行うレギュレータと;前記レギュレータから入力される電圧を昇圧して前記出力電圧を生成するチャージポンプと;前記出力トランジスタの制御電圧が所定の閾値電圧に達したか否かを検出する検出部と;前記検出部の比較結果に基づいて前記チャージポンプの昇圧倍率を切り替えるステート制御部と;を有して成る構成(第1の構成)とされている。
また、本発明に係るLED駆動装置は、発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置であって、前記発光ダイオードに駆動電力を供給する電源手段として、上記第1の構成の電源装置を有して成る構成(第2の構成)とされている。
なお、上記第2の構成のLED駆動装置において、前記帰還電圧は、前記発光ダイオードのカソード端子電圧である構成(第3の構成)にするとよい。
また、上記第3の構成のLED駆動装置において、前記帰還電圧は、複数並列接続された発光ダイオードの各カソード端子電圧のうち、最も電圧値の低いものである構成(第4の構成)にするとよい。
また、本発明に係る照明装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置と、前記LED駆動装置に電力を供給する機器電源と、を備えた照明装置であって、前記LED駆動装置として、上記第2〜第4いずれかの構成のLED駆動装置を有して成る構成(第5の構成)とされている。
なお、上記第5の構成の照明装置において、前記機器電源は、バッテリである構成(第6の構成)にするとよい。
また、本発明に係る表示装置は、表示パネルと、該表示パネルを照明する照明装置と、を備えた表示装置であって、前記照明装置として、上記第5または第6の構成の照明装置を有して成る構成(第7の構成)とされている。
本発明によれば、小規模な回路構成でありながら、適切にチャージポンプのステート制御を行うことが可能な電源装置、並びに、これを用いたLED駆動装置、照明装置、及び表示装置を提供することが可能となる。
図1は、本発明に係る表示装置の一実施形態を示すブロック図である。本図のように、本実施形態の表示装置は、機器電源1と、LEDドライバIC2と、発光部3と、導光路4と、液晶ディスプレイパネル3(以下、LCD[Liquid Crystal Display]パネル3と呼ぶ)と、を有して成る透過型の液晶ディスプレイである。
機器電源1は、LEDドライバIC2を始めとする表示装置各部に対して、電力の供給を行う手段である。なお、機器電源1としては、商用交流電圧を直流電圧に変換する交流/直流コンバータを用いてもよいし、二次電池などのバッテリを用いてもよい。
LEDドライバIC2は、機器電源1から入力電圧Vinの供給を受け、発光部3を構成するLED31〜3nの駆動制御を行う手段である。なお、LEDドライバIC2の構成及び動作については、後ほど詳述する。
発光部3は、複数のLED31〜3nを並列接続して成り、発光部3で生成された照明光は、導光路4を介してLCDパネル5を背面照射するバックライトとして用いられる。このように、LEDをバックライトとして用いる構成であれば、蛍光管等を用いる構成に比べて、省電力、長寿命、低発熱、省スペースといった効果を得ることが可能となる。
なお、発光部3を構成するLED31〜3nは、それぞれ、赤、緑、青の発光色を有する3つのLED素子を一群として成るものであり、各LED素子の出射光を混合することで、所望の発光色(本実施形態では白色)を有する照明光を生成するものである。このような白色LEDをバックライトとして用いる構成であれば、蛍光管等を用いる構成に比べて、LCDパネル5の色再現範囲を広げることが可能となる。
導光路4は、発光部3の照射光を均一に面発光させて、LCDパネル5全体に導く手段であり、反射板や導光板(表面に特殊な加工が施された透明板)から成る。
LCDパネル5は、2枚のガラス板の間に液晶を封入し、電圧をかけることによって、前記液晶の分子方向を変え、発光部3から導光路4を介して背面照射される光の透過率を増減させることで像を表示する手段である。なお、LCDパネル5の描画制御は、不図示のLCDコントローラによって行われる。
続いて、LEDドライバIC2の構成及び動作について、詳細に説明する。
図1に示すように、LEDドライバIC2は、レギュレータ21と、チャージポンプ22と、検出部23と、ステート制御部24と、駆動電流生成部25と、を有して成る。
レギュレータ21は、出力トランジスタTr(本実施形態では、Pチャネル型電界効果トランジスタ)と、アンプAMPと、を有して成る。トランジスタTrのソースは、入力電圧Vinの印加端に接続されている。トランジスタTrのドレインは、チャージポンプ22を介して、出力電圧Voutの引出端に接続されている。トランジスタTrのゲートは、アンプAMPの出力端に接続されている。アンプAMPの反転入力端(−)は、参照電圧Vrefの印加端に接続されている。一方、アンプAMPに複数設けられた非反転入力端(+)は、各々、LED31〜3nのカソード端子電圧Vc1〜Vcnが印加される帰還端子に接続されている。
チャージポンプ22は、電荷転送用スイッチ及び電荷転送用キャパシタ(いずれも不図示)を用いて、レギュレータ21からの入力電圧Vin’を昇圧し、LED31〜3nのアノードに与えるべき所望の出力電圧Voutを生成する手段である。なお、本実施形態のチャージポンプ22は、ステート制御部24からの指示に応じて、そのステート(昇圧倍率)が複数段階(例えば、1倍昇圧ステート、1.5倍昇圧ステート、2倍昇圧ステート)に可変制御される構成とされている。
検出部23は、コンパレータCMPを用いて、出力トランジスタTrのゲート電圧Sa(アンプAMPの出力電圧)が所定の閾値電圧Vthに達したか否かを検出する手段である。コンパレータCMPの非反転入力端(+)は、出力トランジスタTrのゲート(アンプAMPの出力端)に接続されている。コンパレータCMPの反転入力端(−)は、閾値電圧Vthの印加端に接続されている。コンパレータCMPの出力端は、ステート制御部24の比較結果信号入力端に接続されている。
ステート制御部24は、検出部23からの比較結果信号Sbに基づいて、チャージポンプ22のステートを切り替える手段である。
駆動電流生成部25は、定電流源I1〜Inを用いて、LED31〜3nの各駆動電流を個別に調整する手段である。すなわち、LED31〜3n毎の発光量を制御するためには、定電流源I1〜Inの電流値調整を行えばよい。
上記構成から成るLEDドライバIC2におけるチャージポンプ22のステート制御動作について、先出の図1とともに、図2を参照しながら、詳細に説明する。
図2は、本実施形態のステート制御動作を示すタイミングチャートである。
上記構成から成るLEDドライバIC2において、レギュレータ21を構成するアンプAMPは、LED31〜3nのカソード端子電圧Vc1〜Vcnのうち、最も電圧値の低いものを帰還電圧Vfbとして選択し、当該帰還電圧Vfbと所定の参照電圧Vrefとが一致するように、出力トランジスタTrのゲート電圧Saを生成する。
より具体的に述べると、上記の帰還電圧Vfbが参照電圧Vrefよりも高くなれば、アンプAMPは、出力トランジスタTrをより閉じるように、ゲート電圧Saをよりハイレベルとし、逆に、帰還電圧Vfbが参照電圧Vrefよりも低くなれば、出力トランジスタTrをより開けるように、ゲート電圧Saをよりローレベルとする。
このように、本実施形態のLEDドライバIC2では、LED31〜3nのカソード端子電圧Vc1〜Vcnが帰還入力されるレギュレータ21を用いて、所望の出力電圧Voutを得るために必要なチャージポンプ22の入力電圧Vin’が生成される。
一方、チャージポンプ22のステートが固定されている状態では、入力電圧Vinの低下(例えばバッテリの消耗)が進むにつれて、出力トランジスタTrを開けるべく、出力トランジスタTrのゲート電圧Saが徐々に低下していく。
そして、ゲート電圧Saが所定の閾値電圧Vthを下回ると、検出部23で生成される検出結果信号Sbの論理(すなわち、コンパレータCMPの出力論理)がハイレベルからローレベルに遷移される形となる。
検出結果信号Sbを監視するステート制御部24は、検出結果信号Sbのローレベルエッジをトリガとして、出力トランジスタTrはすでにフルオン状態(或いは、これに近い状態)であり、現在のチャージポンプ22のステート(昇圧倍率)では、所望の出力電圧Voutを得ることができなくなると判断し、チャージポンプ22に対して、現在のステートから次のステート(例えば、1倍昇圧ステートから1.5倍昇圧ステート)に移行するように指示を送る。
上記指示に応じたチャージポンプ22のステートアップが完了すると、出力電圧Voutは上昇し、これに応じてLED31〜3nのカソード端子電圧Vc1〜Vcnも上昇する。その結果、トランジスタTrのゲート電圧Saは、再び閾値電圧Vthを上回る形となり、検出部23の検出結果信号Sbがローレベルからハイレベルに復帰する。
これ以降も、上記と同様の動作により、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutが得られるように、帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefの比較結果に基づいて、レギュレータ21における出力トランジスタTrの開閉制御と、チャージポンプ22のステート制御と、が協働的に行われる。
なお、図2では、一のステートから次のステートに切り替わる際のステート遷移期間が誇張して描写されているが、これは検出結果信号Sbの論理変遷(トリガエッジ)を明示するためであり、実際のステート遷移は瞬時的に行われるものである。
上記したように、本実施形態のLEDドライバIC2は、LED31〜3nに駆動電力を供給する電源手段として、入力電圧Vinの印加端から出力電圧Voutの引出端に至る経路上に直列接続された出力トランジスタTrを備えて成り、出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfb(本実施形態では、カソード端子電圧Vc1〜Vcnの最低電圧)が所定の参照電圧Vrefと一致するように、出力トランジスタTrの開閉制御を行うレギュレータ21と;レギュレータ21から入力される電圧Vin’を昇圧して出力電圧Voutを生成するチャージポンプ22と;出力トランジスタTrのゲート電圧Saが所定の閾値電圧Vthまで低下したか否かを検出する検出部23と;検出部23の比較結果信号Sbに基づいてチャージポンプ22の昇圧倍率を切り替えるステート制御部24と;を有して成る構成とされている。
このような構成とすることにより、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの比に基づいてチャージポンプ102のステート制御を行っていた従来構成(図3を参照)と異なり、ステート段数に応じた第1〜第n検出部103−1〜103nを要することなく、単一の検出部23を用いて、小規模な回路構成でありながら、適切にチャージポンプ22のステート制御を行うことが可能となる。なお、本発明で新設されたステート制御部24は、簡単なロジック回路で構成することができるので、トータル的にも回路規模を縮小することができ、延いては、LEDドライバIC2のコストダウンに貢献することが可能となる。
また、本実施形態のLEDドライバIC2において、アンプAMPへの帰還電圧Vfbは、出力電圧Voutではなく、LED31〜3nのカソード端子電圧Vc1〜Vcnのうち、最も電圧値の低いものとされている。このような構成とすることにより、実際に接続されているLED31〜3nのうち、最も順方向降下電圧Vfが大きいものを支障なく駆動するために最適な出力電圧Voutを生成することができるので、出力電圧Voutの不要なマージンを低減して、効率を向上することが可能となり、延いては、LEDドライバIC2を備えた照明装置及び表示装置の消費電力低減に貢献することが可能となる。
特に、PDA[Personal Digital/Data Assistant]や携帯電話端末などの電子機器に搭載され、機器電源1としてバッテリを用いる照明装置に本発明を適用すれば、電子機器のバッテリ駆動時間を延ばすことができるだけでなく、電子機器の軽薄化や小型化にも貢献することができる。
なお、上記の実施形態では、本発明を透過型液晶表示装置に適用した場合を例示して説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、その他の電源装置、照明装置、或いは、表示装置にも広く適用することが可能である。
また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明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、上記の実施形態では、赤色光、緑色光、青色光を混合して白色光を生成するLEDを例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、その他の発色光を混合して所望の発色光を出射するLEDや、単色光を出射するLEDを用いた構成についても、当然に本発明を適用することが可能である。
本発明は、チャージポンプを備えた電源装置の小型化や効率向上に有用な技術であり、延いては、これを用いたLED駆動装置、照明装置、及び、表示装置の小型化や消費電力低減に資するものである。なお、本発明に係るLED駆動装置及び照明装置は、例えば、液晶ディスプレイのバックライトシステムを構築する際に利用可能であり、また、これを備えた表示装置としては、液晶テレビジョン受像装置や、PDAの液晶ディスプレイ、或いは、携帯電話機の液晶ディスプレイなどを挙げることができる。
は、本発明に係る表示装置の一実施形態を示すブロック図である。 は、本実施形態のステート制御動作を示すタイミングチャートである。 は、LEDドライバの一従来例を示すブロック図である。
符号の説明
1 機器電源(バッテリ)
2 LEDドライバIC
3 発光部
4 導光路
5 液晶ディスプレイパネル(LCDパネル)
21 レギュレータ
22 チャージポンプ
23 検出部
24 ステート制御部
25 駆動電流生成部
31〜3n 発光ダイオード
AMP アンプ
Tr 出力トランジスタ(Pチャネル電界効果型トランジスタ)
CMP コンパレータ
I1〜In 定電流源

Claims (7)

  1. 入力電圧の印加端から出力電圧の引出端に至る経路上に直列接続された出力トランジスタを備えて成り、前記出力電圧に応じた帰還電圧が所定の参照電圧と一致するように、前記出力トランジスタの開閉制御を行うレギュレータと;前記レギュレータから入力される電圧を昇圧して前記出力電圧を生成するチャージポンプと;前記出力トランジスタの制御電圧が所定の閾値電圧に達したか否かを検出する検出部と;前記検出部の比較結果に基づいて前記チャージポンプの昇圧倍率を切り替えるステート制御部と;を有して成ることを特徴とする電源装置。
  2. 発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置であって、前記発光ダイオードに駆動電力を供給する電源手段として、請求項1に記載の電源装置を有して成ることを特徴とするLED駆動装置。
  3. 前記帰還電圧は、前記発光ダイオードのカソード端子電圧であることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動装置。
  4. 前記帰還電圧は、複数並列接続された発光ダイオードの各カソード端子電圧のうち、最も電圧値の低いものであることを特徴とする請求項3に記載のLED駆動装置。
  5. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置と、前記LED駆動装置に電力を供給する機器電源と、を備えた照明装置であって、前記LED駆動装置として、請求項2〜請求項4のいずれかに記載のLED駆動装置を有して成ることを特徴とする照明装置。
  6. 前記機器電源は、バッテリであることを特徴とする請求項5に記載の照明装置。
  7. 表示パネルと、前記表示パネルを照明する照明装置と、を備えた表示装置であって、前記照明装置として、請求項5または請求項6に記載の照明装置を有して成ることを特徴とする表示装置。
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