JP2007299711A - 駆動電流生成装置、led駆動装置、照明装置、表示装置 - Google Patents

駆動電流生成装置、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、効率の低下を極力招かない形で、負荷に所望の駆動電流を供給することが可能な駆動電流生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る駆動電流生成部22は、LED31に所望の駆動電流iを供給する駆動電流生成装置であって、LED31の一端と接地端との間に直列接続された駆動トランジスタN0と;リファレンス抵抗R1に流れる電流i1に応じた参照電圧V1が所定の基準電圧Vrefと一致するように、駆動トランジスタN0の開閉制御を行うとともに、駆動電流iと同様の挙動を示す中間電流i2を生成する第1電流制御部CC1と;所定の比率をもって中間電流i2に応じたミラー電流i1を生成し、これをリファレンス抵抗R1に帰還入力させるカレントミラー部CM1と;駆動電流iと中間電流i2との比率を所定値に維持する第2電流制御部CC2と;を有して成る構成とされている。
【選択図】図2

Description

本発明は、負荷に所望の駆動電流を供給する駆動電流生成装置、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6は、LED駆動装置の一従来例を示すブロック図である。
図6(a)に示すように、従来のLED駆動装置は、発光ダイオードLEDの駆動電流iを生成する手段として、駆動トランジスタN0と、センス抵抗Rs1と、アンプAMPと、を有して成り、センス抵抗Rs1(抵抗値r)の一端から引き出される帰還電圧Va(=i×r)が所定の基準電圧Vrefと一致するように、駆動トランジスタN0の開閉制御を行う構成とされていた(例えば、特許文献1を参照)。
また、複数の駆動電流i1〜inを切り替えて用いる場合には、図6(b)に示すように、並列に設けられたn個(n≧2)のセンス抵抗Rs1〜Rsn(抵抗値r1〜rn)をスイッチSW1〜SWnで適宜切り替える構成とされていた。
特開2002−359090号公報
確かに、図6に示した従来構成のLED駆動装置であれば、負荷である発光ダイオードLEDに対して、所望の駆動電流iを供給することが可能である。
しかしながら、図6(a)に示したLED駆動装置では、発光ダイオードLEDのカソードと接地端との間に、駆動トランジスタN0だけでなく、センス抵抗Rs1が直列接続されていたため、発光ダイオードLEDを光らせるために必要なバッテリ電圧Vbatは下記の(1)式で表される形となっていた。
Figure 2007299711
また、図6(b)に示したLED駆動装置では、発光ダイオードLEDのカソードと接地端との間に、駆動トランジスタN0だけでなく、センス抵抗Rs1〜Rsnのいずれか一とスイッチSW1〜SWnのいずれか一が直列接続されていたため、発光ダイオードLEDを光らせるために必要なバッテリ電圧Vbatは、下記の(2)式で表される形となっていた。
Figure 2007299711
なお、上記(1)式、(2)式において、Vfは発光ダイオードLEDの順方向降下電圧、Vsatは駆動トランジスタN0の飽和電圧、VlossはスイッチSW1〜SWnを構成するトランジスタの飽和電圧をそれぞれ示している。
このように、図6(a)、(b)で示した従来構成のLED駆動装置では、発光ダイオードLEDを光らせるために、バッテリ電圧Vbatを帰還電圧Vaの分(例えば0.1[V])だけ余計に高めておく必要があり、効率の低下を招く形となっていた。
本発明は、上記の問題点に鑑み、効率の低下を極力招かない形で、負荷に所望の駆動電流を供給することが可能な駆動電流生成装置、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、本発明に係る駆動電流生成装置は、負荷に所望の駆動電流を供給する駆動電流生成装置であって、前記負荷の一端と接地端との間に直列接続された駆動トランジスタと;リファレンス抵抗に流れる電流に応じた参照電圧が所定の基準電圧と一致するように、前記駆動トランジスタの開閉制御を行うとともに、前記駆動電流と同様の挙動を示す中間電流を生成する第1電流制御部と;所定の比率をもって前記中間電流に応じたミラー電流を生成し、これを前記リファレンス抵抗に帰還入力させるカレントミラー部と;前記駆動電流と前記中間電流との比率を所定値に維持する第2電流制御部と;を有して成る構成(第1の構成)とされている。
なお、上記第1の構成から成る駆動電流生成装置において、第1電流制御部は、一端が前記カレントミラー部のミラー電流引出端に接続され、他端が接地端に接続されたリファレンス抵抗と;一入力端が前記リファレンス抵抗の一端に接続され、他入力端が前記基準電圧の印加端に接続され、出力端が前記駆動トランジスタの制御端に接続された第1アンプと;前記カレントミラー部の中間電流引込端と接地端との間に直列接続され、制御端が第1アンプの出力端に接続された第1トランジスタと;を有して成り、また、第2電流制御部は、前記カレントミラー部の中間電流引込端と第1トランジスタの一端との間に直列接続された第2トランジスタと;一入力端が第1トランジスタの一端に接続され、他入力端が前記駆動トランジスタの一端に接続され、出力端が第2トランジスタの制御端に接続された第2アンプと;を有して成る構成(第2の構成)にするとよい。
また、上記第1または第2の構成から成る駆動電流生成装置において、前記ミラー電流と前記中間電流との比率は1:m(>1)であり、前記中間電流と前記駆動電流との比率は1:n(>1)である構成(第3の構成)にするとよい。
また、上記第〜第3いずれかの構成から成る駆動電流生成装置は、前記リファレンス抵抗の抵抗値、または、前記基準電圧の電圧値を可変制御する手段を有して成る構成(第4の構成)にするとよい。
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、負荷である前記発光ダイオードに所望の駆動電流を供給する手段として、上記第1〜第4いずれかの構成から成る駆動電流生成装置を有して成る構成(第5の構成)とされている。
或いは、本発明に係るLED駆動装置は、複数並列接続された発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置であって、負荷である前記発光ダイオードに所望の駆動電流を供給する手段として、各発光ダイオード毎に上記第1〜第4いずれかの構成から成る駆動電流生成装置を有して成り、かつ、前記複数の駆動電流生成装置は、前記基準電圧の印加端を互いに共通としている構成(第6の構成)とされている。
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5または第6の構成から成るLED駆動装置を有して成る構成(第7の構成)とされている。
なお、上記第7の構成から成る照明装置において、前記機器電源は、バッテリである構成(第8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7または第8の構成から成る照明装置を有して成る構成(第9の構成)とされている。
本発明によれば、効率の低下を極力招かない形で、負荷に所望の駆動電流を供給することが可能な駆動電流生成装置、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の駆動制御を行う手段であり、入力電圧VinからLED31のアノードに与えるべき所望の出力電圧Voutを生成するDC/DCコンバータ21と、LED31に所望の駆動電流iを供給する駆動電流生成部22と、を有して成る。なお、駆動電流生成部22の構成及び動作については、後ほど詳細に説明する。
発光部3は、発光ダイオード31(以下、LED31と呼ぶ)を有して成り、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は、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。
次に、駆動電流生成部22の構成及び動作について、図2を参照しながら詳述する。
図2は、駆動電流生成部22の一実施形態を示す回路図である。
図2に示す通り、本実施形態の駆動電流生成部22は、これを素子レベルで見ると、Nチャネル型電界効果トランジスタN0〜N2と、Pチャネル型電界効果トランジスタP1〜P2と、アンプA1〜A2と、リファレンス抵抗R1(抵抗値r)と、を有して成る。
トランジスタN0のドレインは、LED31のカソードに接続されている。トランジスタN0のソースは、接地端に接続されている。トランジスタN0のゲートは、トランジスタN1のゲートに接続されている。トランジスタN1のドレインは、トランジスタN2のソースに接続されている。トランジスタN1のソースは、接地端に接続されている。トランジスタN2のドレインは、トランジスタP2のドレインに接続されている。トランジスタP1〜P2のソースは、いずれも電源ラインに接続されている。トランジスタP1〜P2のゲートは、いずれもトランジスタP2のドレインに接続されている。トランジスタP1のドレインは、リファレンス抵抗R1を介して、接地端に接続されている。
アンプA1の非反転入力端(+)は、基準電圧Vrefの印加端に接続されている。アンプA1の反転入力端(−)は、リファレンス抵抗R1の一端に接続されている。アンプA1の出力端は、トランジスタN0〜N1のゲートに接続されている。
アンプA2の非反転入力端(+)は、トランジスタN0のドレインに接続されている。アンプA2の反転入力端(−)は、トランジスタN1のドレインに接続されている。アンプA2の出力端は、トランジスタN2のゲートに接続されている。
なお、上記構成から成る駆動電流生成部22において、トランジスタN0は、LED31のカソードと接地端との間に直列接続され、LED31に所望の駆動電流iを供給する駆動トランジスタとして機能する。
また、上記構成から成る駆動電流生成部22は、これを機能ブロックレベルで見ると、第1電流制御部CC1と、カレントミラー部CM1と、第2電流制御部CC2と、を備えた形となっている。
第1電流制御部CC1は、リファレンス抵抗R1と、アンプA1と、トランジスタN1と、を有して成り、リファレンス抵抗R1に流れるミラー電流i1に応じた参照電圧V1が所定の基準電圧Vrefと一致するように、駆動トランジスタN0の開閉制御を行うとともに、駆動電流iと同様の挙動を示す中間電流i2を生成する手段として機能する。
カレントミラー部CM1は、トランジスタP1〜P2を有して成り、所定の比率をもって中間電流i2に応じたミラー電流i1を生成し、これをリファレンス抵抗R1に帰還入力させる手段として機能する。なお、トランジスタP1のドレインは、ミラー電流i1の引出端に相当し、トランジスタP2のドレインは、中間電流i2の引込端に相当する。
第2電流制御部CC2は、アンプA2と、トランジスタN2と、を有して成り、駆動電流iと中間電流i2との比率を所定値に維持する手段として機能する。第2電流制御部CC2の動作について、より具体的に述べると、第2電流制御部CC2では、トランジスタN1のドレイン電圧V2が駆動トランジスタN0のドレイン電圧V3(LED31のカソード端子電圧)と一致するように、トランジスタN2の開閉制御が行われる。このような動作により、接地端に対するトランジスタN0〜N1のドレイン電圧が互いに等しくなるので、駆動電流iと中間電流i2との間で、完全にミラーを取ることが可能となる。
上記構成から成る駆動電流生成部22において、カレントミラー部CM1では、ミラー電流i1と中間電流i2との比率が1:m(>1)となるように、トランジスタP1〜P2の素子サイズが設計されている。
また、先述したように、第1電流制御部CC1では、参照電圧V1が基準電圧Vrefと一致するように、ミラー電流i1の帰還制御が行われる。
従って、ミラー電流i1及び中間電流i2は、下記の(3)式、(4)式で表される形となる。
Figure 2007299711
一方、上記構成から成る駆動電流生成部22において、第2電流制御部CC2では、中間電流i2と駆動電流iとの比率が1:n(>1)となるように、トランジスタN0〜N1の素子サイズが設計されている。
従って、LED31に供給される駆動電流iは、下記の(5)式で表される形となる。
Figure 2007299711
このように、上記構成から成る駆動電流生成部22であれば、図6に示した従来構成と異なり、LED31のカソードと接地端との間にセンス抵抗を挿入することなく、基準電圧Vrefに応じた所望の駆動電流iをLED31に供給することができる。
このとき、LED31を光らせるために必要な出力電圧Voutは、下記の(6)式で表される形となる。
Figure 2007299711
なお、上記(6)式において、VfはLED31の順方向降下電圧、Vsatは駆動トランジスタN0の飽和電圧をそれぞれ示している。
上記(6)式と先出の(1)〜(2)式とを比較すれば分かるように、本実施形態のLEDドライバIC2であれば、図6に示した従来構成に比べて、LED31のカソード端子電圧を駆動トランジスタN0の飽和電圧Vsatのみ(例えば50〜100[mV])まで下げることができるので、出力電圧Voutを引き下げて、システム全体の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。
また、本実施形態の駆動電流生成部22では、先述したように、ミラー電流i1と中間電流i2との比率が1:m(>1)に設定されており、かつ、中間電流i2と駆動電流iとの比率が1:n(>1)に設定されている。このような構成とすることにより、LED31に供給される駆動電流iに比べて、駆動電流生成部22で消費されるミラー電流i1及び中間電流i2を小さく抑えることができるので、駆動電流生成部22を設けたことによる消費電力の増大を極力回避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可能となる。
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、その他の駆動電流生成装置、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。
また、上記の実施形態では、LED31の駆動電流iを固定的に設定する構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、図3に示すように、並列に設けられたn個(n≧2)のリファレンス抵抗R1〜RnをスイッチSW1〜SWnで適宜切り替える構成や、図4に示すように、並列に印加されるn個(n≧2)の基準電圧Vref1〜VrefnをスイッチSW1〜SWnで適宜切り替える構成を採用することにより、LED31の駆動電流iを可変的に設定する構成としても構わない。なお、当該変形例を採用した場合でも、LED31を光らせるために必要な出力電圧Voutは、先出の(6)式で表される形となるので、効率の低下を極力招かない形で、LED31に所望の駆動電流iを供給することが可能である。
また、上記の実施形態では、単一のLED31に所望の駆動電流iを供給する構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、図5に示すように、複数並列接続されたLED31〜32に所望の駆動電流を供給する手段として、各LED31a〜31b毎に、先と同様の構成から成る駆動電流生成部22a〜22bを有して成り、かつ、複数の駆動電流生成部22a〜22bは、基準電圧Vrefの印加端を互いに共通とした構成としてもよい。このような構成とすることにより、多灯LEDの駆動電流量を容易にマッチングさせることが可能となる。なお、当該変形例を採用した場合、LED31a〜31bを光らせるために必要な出力電圧Voutは、(Vf1+Vsat1)と(Vf2+Vsat2)のいずれか大きい方となる。
本発明は、駆動電流生成装置を用いたシステム全体の効率を高める上で有用な技術である。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、駆動電流生成部22の一実施形態を示す回路図である。 は、駆動電流生成部22の変形例を示す回路図である。 は、駆動電流生成部22の別の変形例を示す回路図である。 は、発光部3が多灯並列である場合を説明するための回路図である。 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 DC/DCコンバータ
22、22a、22b 駆動電流生成部
31、31a、31b 発光ダイオード(LED)
CC1 第1電流制御部
CC2 第2電流制御部
CM1 カレントミラー部
N0、N0a、N0b Nチャネル型電界効果トランジスタ
N1、N1a、N1b Nチャネル型電界効果トランジスタ
N2、N2a、N2b Nチャネル型電界効果トランジスタ
P1、P1a、P1b Pチャネル型電界効果トランジスタ
P2、P2a、P2b Pチャネル型電界効果トランジスタ
A1、A1a、A1b アンプ
A2、A2a、A2b アンプ
R1〜Rn、R1a、R1b リファレンス抵抗
SW1〜SWn スイッチ(Nチャネル型電界効果トランジスタ)

Claims (9)

  1. 負荷に所望の駆動電流を供給する駆動電流生成装置であって、前記負荷の一端と接地端との間に直列接続された駆動トランジスタと;リファレンス抵抗に流れる電流に応じた参照電圧が所定の基準電圧と一致するように、前記駆動トランジスタの開閉制御を行うとともに、前記駆動電流と同様の挙動を示す中間電流を生成する第1電流制御部と;所定の比率をもって前記中間電流に応じたミラー電流を生成し、これを前記リファレンス抵抗に帰還入力させるカレントミラー部と;前記駆動電流と前記中間電流との比率を所定値に維持する第2電流制御部と;を有して成ることを特徴とする駆動電流生成装置。
  2. 第1電流制御部は、一端が前記カレントミラー部のミラー電流引出端に接続され、他端が接地端に接続されたリファレンス抵抗と;一入力端が前記リファレンス抵抗の一端に接続され、他入力端が前記基準電圧の印加端に接続され、出力端が前記駆動トランジスタの制御端に接続された第1アンプと;前記カレントミラー部の中間電流引込端と接地端との間に直列接続され、制御端が第1アンプの出力端に接続された第1トランジスタと;を有して成り、第2電流制御部は、前記カレントミラー部の中間電流引込端と第1トランジスタの一端との間に直列接続された第2トランジスタと;一入力端が第1トランジスタの一端に接続され、他入力端が前記駆動トランジスタの一端に接続され、出力端が第2トランジスタの制御端に接続された第2アンプと;を有して成ることを特徴とする請求項1に記載の駆動電流生成装置。
  3. 前記ミラー電流と前記中間電流との比率は1:m(>1)であり、前記中間電流と前記駆動電流との比率は1:n(>1)であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の駆動電流生成装置。
  4. 前記リファレンス抵抗の抵抗値、または、前記基準電圧の電圧値を可変制御する手段を有して成ることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の駆動電流生成装置。
  5. 発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置であって、負荷である前記発光ダイオードに所望の駆動電流を供給する手段として、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の駆動電流生成装置を有して成ることを特徴とするLED駆動装置。
  6. 複数並列接続された発光ダイオードの駆動制御を行うLED駆動装置であって、負荷である前記発光ダイオードに所望の駆動電流を供給する手段として、各発光ダイオード毎に請求項1〜請求項4のいずれかに記載の駆動電流生成装置を有して成り、かつ、前記複数の駆動電流生成装置は、前記基準電圧の印加端を互いに共通としていることを特徴とするLED駆動装置。
  7. 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5または請求項6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。
  8. 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7に記載の照明装置。
  9. 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7または請求項8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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