JP2009089115A - Ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で小型のＬＥＤ駆動回路を提供する。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、電流制御部３がＬＥＤに応じた大きさの制御信号を出力制御部６に出力するから、ＬＥＤごとに定電流回路を設けることなく、点灯するＬＥＤに応じて所定の大きさの駆動電流を出力することができる。また、電流制御部３と負荷切替えスイッチ部５にはＲ，Ｇ，Ｂに対応する駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）がそれぞれ入力されており、電流制御部３では、Ｒ，Ｇ，Ｂの駆動パルス信号のパルス検出を行って、パルス検出された信号の該当ＬＥＤに対応する大きさの制御信号を出力制御部６に出力し、一方、負荷切替えスイッチ部５では駆動パルス信号によりＲ，Ｇ，Ｂをオンオフするから、駆動電流の切り替えとＲ，Ｇ，Ｂのオンオフとの同期動作を実現することができる。このように、簡易な同期制御回路の構成を採用することによりＬＥＤ駆動回路の回路基板を小型化することができ、さらに効率も向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動電流の異なる複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路に関する。

近年、電子機器や信号機などの様々な分野において、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。ＬＥＤは、低消費電力・長寿命・小型という特徴を有しており、従来は光源として電球が使用されていたものであっても、ＬＥＤが代替しつつある。このようなものの一つにプロジェクタがある。光源にＬＥＤを採用したＬＥＤプロジェクタは、既に多くのメーカーで開発され、製品化されている。このＬＥＤプロジェクタには、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いたものがある。

ＤＭＤは、微小なミラー（マイクロミラー）が画素単位で配列された表示素子である。各マイクロミラーは鏡面をねじれ軸周りに±１２度傾斜させることができ、鏡面下部に設けた電極を駆動することにより「ＯＮ」（＋１２度）と「ＯＦＦ」（−１２度）の二つの状態を持たせることができる。ミラーが「ＯＮ」のときは光源からの光を反射してスクリーンに投射し、一方、「ＯＦＦ」のときは光を内部の吸収体に反射する。従って、各ミラーを個別に駆動することにより、画素ごとに光の投射を制御することができる。

このようなＤＭＤを備えるＬＥＤプロジェクタでは、ＲＧＢ各色のＬＥＤが順次点灯され、これと同期するように、ＤＭＤの各ミラーの角度を制御することで画像光が生成される。このとき、ＬＥＤの順方向降下電圧は各色ごとに異なっているため、各色のＬＥＤごとに電源電圧を切り替える必要がある。

特許文献１では、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ、並びに各色のＬＥＤに対応する点灯スイッチ及び定電流回路とを設けたプロジェクタ用のＬＥＤ駆動回路が開示されている。このＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤの点灯制御と同期して、最大電圧に切り替えるときに全部のＤＣ−ＤＣコンバータをフル駆動することで電源電圧の切り替えの応答速度を向上し、一方、そうでないときは単一のＤＣ−ＤＣコンバータのみを駆動することによって損失を改善している。

しかしながら、このＬＥＤ駆動回路ではＲＧＢ各色のＬＥＤごとに定電流回路が設けられているため、回路基板のサイズが大きくなる。また、部品数が多いためにコスト面でも不利である。さらに、この駆動回路では、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて電源電圧を変えているから、電源電圧の切り替えのたびに定電流回路で大きな損失が発生してしまうために効率が悪い。光源であるＬＥＤに流す電流は大きいので、なおさらである。
特開２００６−１７４６７７号公報

本発明の課題は、高効率で小型のＬＥＤ駆動回路を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るＬＥＤ駆動回路は、１つのＤＣ−ＤＣコンバータ部と、負荷切替えスイッチ部と、電流制御部と、出力制御部とを含む。前記１つのＤＣ−ＤＣコンバータ部は、電源から所定の大きさの駆動電流を出力する。

前記負荷切替えスイッチ部は、複数のＬＥＤのそれぞれに接続される複数のスイッチ素子を含む。前記スイッチ素子は、接続される前記ＬＥＤに対応する駆動パルス信号が入力され、この駆動パルス信号に基づいてオンされることにより当該ＬＥＤに前記駆動電流を供給する。

前記電流制御部は、前記駆動パルス信号がそれぞれ入力され、これらの駆動パルス信号のパルス検出を個別に行って、パルス検出された信号に対応する前記ＬＥＤごとに、共通の電流検出部で駆動電流を検出して、所定の大きさの制御電流に対応する信号を前記出力制御部へ出力する。前記出力制御部は、前記制御電流の大きさに従って前記駆動電流の大きさを制御する。

上述したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ部は、電流制御部がＬＥＤに応じた大きさの信号を出力制御部に出力するから、ＬＥＤごとに定電流回路を設けることなく、点灯するＬＥＤに応じて所定の大きさの駆動電流を出力することができる。

また、電流制御部と負荷切替えスイッチ部には各ＬＥＤに対応する駆動パルス信号がそれぞれ入力されており、電流制御部では、各ＬＥＤの駆動パルス信号のパルス検出を行って、パルス検出された信号の該当ＬＥＤに対応する大きさの信号を出力制御部に出力し、一方、負荷切替えスイッチ部では駆動パルス信号によりＬＥＤをオンオフするから、駆動電流の切り替えとＬＥＤのオンオフとの同期動作を実現することができる。このように、簡易な同期制御回路の構成を採用することによりＬＥＤ駆動回路の回路基板を小型化することができ、さらに効率も向上する。

以上述べたように、本発明によれば、高効率で小型のＬＥＤ駆動回路を提供することができる。

図１のように、本発明に係るＬＥＤ駆動回路１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２と、負荷切替えスイッチ部５と、電流制御部３と、出力制御部６とを含む。ＬＥＤ駆動回路１には電源入力端子１１ａ，１１ｂが設けられており、これらに電源が接続されてＤＣ−ＤＣコンバータ部２などに直流の電流が供給される。

また、ＬＥＤ駆動回路１には３つの駆動パルス入力端子１２ａ〜１２ｃが設けられており、これらにＬＥＤ点灯制御手段を接続することで電流制御部３及び負荷切替えスイッチ部５に各駆動パルス信号（Ｒ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｂ−ＰＷＭ）が入力される（図２（ａ）参照）。ＬＥＤ点灯制御手段は、赤色光、緑色光、青色光を出射するＬＥＤ（以後、Ｒ，Ｇ，Ｂとする。）をパルスにより順次点灯させるための３種類の駆動パルス信号（Ｒ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｂ−ＰＷＭ）を出力する信号発生回路である。

さらに、ＬＥＤ駆動回路１は、出力端子４１ａ，４１ｂを介してＢと、出力端子４２ａ，４２ｂを介してＧと、出力端子４３ａ，４３ｂを介してＲと、それぞれ接続され、Ｒ，Ｇ，Ｂに駆動電流を供給する。これらの出力端子４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂは、コネクタ端子、もしくはＲ，Ｇ，Ｂを実装するためのパッドなどで構成してもよく、本実施形態では単に出力端として取り扱う。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、電源から所定の大きさの駆動電流を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ部２には、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子などを含んで構成される。

負荷切替えスイッチ部５は、スイッチ素子であるＦＥＴ５１ａ〜５１ｃを含み、Ｒ，Ｇ，Ｂとそれぞれ接続される。ＦＥＴ５１ａ〜５１ｃは、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）が各々入力され、駆動パルス信号に基づいてオンされることにより当該ＬＥＤに上述した駆動電流を供給する。つまり、負荷切替えスイッチ部５は、それぞれＲ，Ｇ，Ｂを順次に切替えて点灯させるための３つのスイッチ素子を有している。

具体的には、Ｒ，Ｇ，Ｂは（−）端子４１ａ，４２ａ，４３ａを介して、アノードがＤＣ−ＤＣコンバータ部２の駆動電流の出力端子と接続されている。一方、Ｒ，Ｇ，Ｂのカソードは（−）端子４１ｂ，４２ｂ，４３ｂを介して、各ＦＥＴ５１ａ〜５１ｃと接続され、さらに抵抗Ｒ６を介して接地されている。なお、抵抗Ｒ６により電流制御部３でＲ，Ｇ，Ｂ共通に駆動電流の大きさが検出される。

この構成によれば、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）のパルスによりＦＥＴ５１ａ〜５１ｃはオンとなり、ソースとドレインの間で電流が流れることで、Ｒ，Ｇ，Ｂに駆動電流が流れる。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂは点灯する。一方、駆動パルス信号のパルスがないとき、ＦＥＴ５１ａ〜５１ｃはオフとなるので、Ｒ，Ｇ，Ｂに駆動電流は流れない。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂは消灯する。

電流制御部３には、負荷切替えスイッチ部５と同様に、駆動パルス信号（Ｒ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｂ−ＰＷＭ）が入力される。電流制御部３は、これらの駆動パルス信号のパルス検出を個別に行って、パルス検出された信号に対応するＬＥＤごとに、共通の電流検出部で駆動電流を検出して、所定の大きさの制御電流に対応した信号を出力制御部６へ出力する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２が出力する駆動電流の大きさを、パルス検出された信号に対応するＬＥＤの駆動電流の大きさと一致させる。

具体的には、上述した電流検出部は、抵抗Ｒ６と演算増幅器３１を含む回路であり、また、上述したパルス検出は、エミッタ接地されたトランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂを含む回路により行なわれる。トランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂのベースには、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ）がそれぞれ入力され、各信号のパルスを受けたときにトランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂのベースに一定の電流が流れることによってコレクタとエミッタとの間で電流が流れる。

トランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂのコレクタは、抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂを介して他のトランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのベースにそれぞれ接続されている。よって、トランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂのコレクタとエミッタとの間で電流が流れるとトランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのベース電流が増加するので、同様にトランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのコレクタとエミッタとの間でも電流が流れる。

トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのエミッタは、安定化部７及び電源入力端子１１ａを介して電源の＋極に接続されており、コレクタは抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを介して演算増幅器３１の（＋）端子にそれぞれ接続されている。ここで、抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは異なる抵抗値を持っており、トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂの何れに電流が流れたかによって演算増幅器３１の（＋）端子の入力レベルが選択的に決定される。つまり、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ）のパルスに応じて入力レベルが切り替えられる。

また、駆動パルス信号Ｒ−ＰＷＭについては、上述したようなパルス検出のためのトランジスタは設けられていない。しかし、図２（ａ）に示すように駆動パルス信号は、Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭのうち何れか１つのパルスが常に発生するように制御されているから、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ）の両方についてパルス検出されない場合、駆動パルス信号Ｒ−ＰＷＭのパルスが検出されたものとみなすことができる。このため、電流制御部３には、駆動パルス信号Ｒ−ＰＷＭのパルス検出用のトランジスタを備える必要が無い。ただし、駆動パルス信号が図２（ａ）に示すパタン以外で入力される場合、駆動パルス信号Ｒ−ＰＷＭにもパルス検出用のトランジスタを備える必要がある。

演算増幅器３１と抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ３〜Ｒ６は、上述した制御電流を生成するための増幅回路である。演算増幅器３１の（＋）端子には、上述した抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの他、別の抵抗Ｒ３の一端が接続されており、他端はＦＥＴ５１ａ〜５１ｃのドレインと接続されている。一方、演算増幅器３１の（−）端子には、抵抗Ｒ４の一端が接続され、他端は接地されている。抵抗Ｒ５は、一端で接地され、他端で演算増幅器３１の出力端子と接続されている。抵抗Ｒ６は、一端が演算増幅器３１の（−）端子と接続され、他端はＦＥＴ５１ａ〜５１ｃのドレインと接続されている。演算増幅器３１の出力端子は、出力制御部６のＦ／Ｂ端子と接続されており、演算増幅器３１から出力制御部６へ制御電流が出力される。

この構成によれば、演算増幅器３１の（＋）端子の入力レベルは、駆動パルス信号Ｂ−ＰＷＭのパルスが検出された場合、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ２ｂと抵抗Ｒ３に各々流れる電流により決定され、また、駆動パルス信号Ｇ−ＰＷＭのパルスが検出された場合、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ２ａと抵抗Ｒ３に各々流れる電流により決定される。さらに、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ）が両方ともパルス検出されない場合、つまり、駆動パルス信号Ｒ−ＰＷＭのパルスが検出された場合、入力レベルは抵抗Ｒ６に流れる電流のみにより決定される。

演算増幅器３１は、（＋）端子と（−）端子の入力レベルの差に基づいた大きさの制御信号を出力するから、制御信号は、駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）のパルスによって大きさが切り替えられる。よって、各抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ３〜Ｒ６の抵抗値を適宜設定することで制御信号を適当な大きさとし、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２から点灯するＬＥＤに対応する大きさの駆動電流を出力させることができる。

出力制御部６は、電流制御部３からＦ／Ｂ端子に入力された制御信号の大きさに従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２が出力する駆動電流の大きさを制御する。出力制御部６は、例えば、汎用のＤＣ−ＤＣコンバータ制御ＩＣなどで構成される。

このようなＬＥＤ駆動回路１によれば、図２に示すとおり、図２（ａ）のような駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）が入力されると、これらのパルスと同期して、Ｒ，Ｇ，Ｂに各々流れる駆動電流ＩＲ，ＩＧ，ＩＢは、図２（ｂ）のように、各々に対応する所定の大きさとなる。よって、Ｒ，Ｇ，Ｂに各々の両端には、それぞれのダイオード特性により、ＶＲ，ＶＧ，ＶＢの様な電圧となって現れる。

上述したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、電流制御部３がＬＥＤに応じた大きさの制御信号を出力制御部６に出力するから、ＬＥＤごとに定電流回路を設けることなく、点灯するＬＥＤに応じて所定の大きさの駆動電流を出力することができる。

また、電流制御部３と負荷切替えスイッチ部５にはＲ，Ｇ，Ｂに対応する駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）がそれぞれ入力されており、電流制御部３では、Ｒ，Ｇ，Ｂの駆動パルス信号のパルス検出を行って、パルス検出された信号の該当ＬＥＤに対応する大きさの制御信号を出力制御部６に出力し、一方、負荷切替えスイッチ部５では駆動パルス信号（Ｂ−ＰＷＭ，Ｇ−ＰＷＭ，Ｒ−ＰＷＭ）によりＲ，Ｇ，Ｂをオンオフするから、駆動電流の切り替えとＲ，Ｇ，Ｂのオンオフとの同期動作を実現することができる。このように、簡易な同期制御回路の構成を採用することによりＬＥＤ駆動回路の回路基板を小型化することができ、さらに効率も向上する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２と出力制御部６と電流制御部３には、常時、電流が流れているために駆動電流の切り替え時に高速に応答することができる。

さらに、ＬＥＤ駆動回路１の好ましい態様として、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の駆動電流を出力する端子を、一端が接地されたコンデンサＣ１と接続し、また、各ＬＥＤに並列接続となるように、コンデンサＣ１の容量よりも大きな容量を有するコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを各々接続するのがよい。このとき、コンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを、可能な限り、出力端子の近傍にそれぞれ配置するのが望ましい。コンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを該端子から遠方に配置すると、配線の抵抗により悪影響を受けてしまうからである。さらに、Ｒに並列接続されるコンデンサＣ２ｃは、Ｇ，Ｂにそれぞれ並列接続されるコンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの容量より大きな容量を有するものがよい。

この構成によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２が駆動電流を変化させた時、最も電圧差が大きく現れるのがＶＢ→ＶＲであり、この電圧差によるサージ電流をコンデンサＣ２ｃが吸収することにより、ＶＲの立ち上がり波形に現れるオーバーシュートを効果的に抑制することができる。具体的には、図３のように、コンデンサＣ２ｃが無い場合、Ｒの両端の電圧ＶＲの立ち上がり波形において破線で示す程度のオーバーシュートが発生していたが、コンデンサＣ２ｃを備えた場合、実線で示す程度にまで改善がみられた。他の駆動電圧ＶＧ，ＶＢについても同様である。このようにオーバーシュートを抑制することによって、Ｒ，Ｇ，Ｂへのダメージを削減し、その寿命を改善することができる。なお、必ずしもＲ，Ｇ，Ｂの全てにコンデンサＣ２ａ〜Ｃ２ｃを備える必要はなく、必要なＬＥＤだけに備えればよい。

なお、本実施形態では、出力制御部６は、入力される制御信号の大きさに応じて駆動電流を変化させる電流制御を行うようにしたが、仮に電圧制御を行うようにした場合でも構成に変わりは無い。また、本発明に係るＬＥＤ駆動回路の各回路素子の数量及び接続形態などの構成は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において設計に応じ適宜決定すべきものである。

また、本実施形態では、３色のＬＥＤを駆動する場合を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、複数の単一色のＬＥＤを、それぞれ明るさを変えて駆動する場合でも、本発明のＬＥＤ駆動回路を適用できる。さらに、本発明に係るＬＥＤ駆動回路は、ＬＥＤプロジェクタのみならず、信号機などの他のＬＥＤ表示装置にも適用できるものである。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明のＬＥＤ駆動回路の一例を示す電気回路図である。 図１に示したＬＥＤ駆動回路に入力されるＬＥＤの駆動パルス信号とＲＧＢ各々の駆動電流及び端子間電圧の関係を示す波形図である。 図１に示したＬＥＤ駆動回路におけるＬＥＤの駆動電圧の立ち上がり状態を例示する波形図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ駆動回路
２ ＤＣ−ＤＣコンバータ部
３ 電流制御部
３１ 演算増幅器
５ 負荷切替えスイッチ部
５１ａ〜５１ｃ ＦＥＴ
６ 出力制御部
Ｃ１，Ｃ２ａ〜Ｃ２ｂ コンデンサ
Ｒ，Ｇ，Ｂ 赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ

Claims (3)

1. １つのＤＣ−ＤＣコンバータ部と、負荷切替えスイッチ部と、電流制御部と、出力制御部とを含むＬＥＤ駆動回路であって、
   前記１つのＤＣ−ＤＣコンバータ部は、電源から所定の大きさの駆動電流を出力し、
   前記負荷切替えスイッチ部は、複数のＬＥＤのそれぞれに接続される複数のスイッチ素子を含み、
   前記スイッチ素子は、接続される前記ＬＥＤに対応する駆動パルス信号が入力され、この駆動パルス信号に基づいてオンされることにより当該ＬＥＤに前記駆動電流を供給し、
   前記電流制御部は、前記駆動パルス信号がそれぞれ入力され、これらの駆動パルス信号のパルス検出を個別に行って、パルス検出された信号に対応する前記ＬＥＤごとに、共通の電流検出部で駆動電流を検出して、所定の大きさの制御電流に対応する信号を前記出力制御部へ出力し、
   前記出力制御部は、前記制御電流に対応する信号の大きさに従って前記駆動電流の大きさを制御する、
   ＬＥＤ駆動回路。
2. 請求項１記載のＬＥＤ駆動回路であって、
   前記１つのＤＣ−ＤＣコンバータ部は、前記駆動電流を出力する端子には、一端が接地された第一のコンデンサが接続されるとともに、前記ＬＥＤに並列接続となるように、前記第一のコンデンサの容量よりも大きな容量を有する第二のコンデンサが接続された、
   ＬＥＤ駆動回路。
3. 請求項２記載のＬＥＤ駆動回路であって、
   前記負荷切替えスイッチ部は、それぞれ赤色光、緑色光、青色光を出射するＬＥＤを順次に切替えて点灯させるための３つのスイッチ素子を有し、
   前記赤色光を出射するＬＥＤに並列接続される前記第二のコンデンサは、前記緑色光及び青色光を出射するＬＥＤにそれぞれ並列接続される前記第二のコンデンサの容量より大きな容量を有する、
   ＬＥＤ駆動回路。
   

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