JP2009182097A - Ｌｅｄ駆動用電源装置および電源駆動用半導体集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電池が消耗したときに、電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が減少したり全体の電圧が落ち込んだりしてシステムの正常な動作が保証されなくなるような事態が発生するのを回避する。
【解決手段】電池からの直流電圧が印加されるコイルに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧と参照電圧（Ｖref1）の電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプを有し、前記スイッチング素子を駆動する制御回路（１０）とを備え、ＬＥＤに電流を流すＬＥＤ駆動用電源装置において、制御回路には、入力電圧検出回路（１６）と、入力電流検出回路（１７）と、電圧検出回路の出力と電流検出回路の出力を演算する演算手段（１８）とを設け、入力電圧が所定の電位以下になった場合には参照電圧（Ｖref1）を変化させて入力電流を制限するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ駆動用電源電圧を発生する直流電源装置に関し、例えば携帯電話機の液晶モニタのバックライトに使用されるＷＬＥＤ（白色発光ダイオード）の駆動電源電圧を発生するスイッチング電源装置およびこれを構成する電源駆動用半導体集積回路に利用して有効な技術に関する。

携帯電話機等のモバイル機器においては、表示用の液晶パネルのバックライトにＷＬＥＤが使用されている。また、ＷＬＥＤの駆動電源電圧を発生する電源装置には、一般に、昇圧型のスイッチングレギュレータからなるＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。

ところで、ＷＬＥＤは順方向電圧Ｖｆの製造ばらつきがあるため、異なる機器間で輝度を同一にするには、定電流で駆動する必要がある。定電流駆動の方法としては、出力端子と接地点との間にＷＬＥＤと直列に電流検出用の抵抗を接続し、抵抗で電流から変換された電圧を制御回路にフィードバックして駆動電流を一定に保つフィードバック制御が行われている。このような定電流駆動のＬＥＤ駆動装置に関する発明として、例えば特許文献１に記載されている発明がある。
特開２００３−１５２２２４号公報 特開２００１−３２５８２４号公報

リチウムイオン電池のような二次電池からの直流電圧を昇圧してＷＬＥＤの駆動電流を出力するＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、電池の放電に伴なって入力電圧が下がるとともにＷＬＥＤの順方向電圧Ｖｆばらつきが大きいため、同一抵抗値の検出抵抗を使用した定電流駆動ではＷＬＥＤを所望の輝度で発光させることが困難である。

また、リチウムイオン電池の動作範囲で出力電流を一定に保とうとすると、入力電流が大きく変動してしまう。また、二次電池は放電が進むと電圧が下がり内部インピーダンスが増加する。そのため、電池が消耗したときに、ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電流が増加して電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が減少するとともに、システム全体の電圧が落ち込むため、システムの正常な動作が保証されなくなるおそれがあるという課題がある。

なお、電池からの直流電圧を昇圧してＷＬＥＤの駆動電流を出力するＤＣ−ＤＣコンバータは、上述したように、定電流駆動では所望の輝度で発光させることが困難であることから、入力電圧の検出回路を設けてＷＬＥＤに流れる電流を電池電圧の変動に対応させて変化させ、電池電圧が高いときは電流を多くして明るく発光させ、電池電圧が低いときは電流を少なくして暗く発光させて電池の消耗を防ぐようにした発明も提案されている（例えば特許文献２参照）。ただし、この先願発明は、電池電圧に応じて駆動電流を制御するもので入力電流をも検出して駆動電流を制御する本発明とは制御方法が異なる。

この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電池を電源とするＬＥＤ駆動用電源装置を有するシステムにおいて、電池が消耗したときに、電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が減少したり全体の電圧が落ち込んだりしてシステムの正常な動作が保証されなくなるような事態が発生するのを回避できるようにすることにある。

この発明の他の目的は、二次電池を電源とするＬＥＤ駆動用電源装置において、一回の充電によりシステムが動作可能な持続期間を延ばすとともに、電池の寿命を延ばすことができるようにすることにある。

本発明は、上記目的を達成するため、電池からの直流電圧が入力されるインダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備え、出力端子に接続された発光ダイオードに駆動電流を流すＬＥＤ駆動用電源装置において、前記制御回路には、入力電圧を検出する電圧検出回路と、入力電流を検出する電流検出回路とを設け、前記入力電圧が所定の電位以下に下がった場合には前記入力電流を制限するように前記スイッチング素子の駆動制御信号を生成するようにしたものである。ここで、上記電流検出回路は本来の入力電流に代えてスイッチング素子に流れる電流を検出するようにしてもよい。

上記のような構成によれば、電池電圧が低下しても、電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が大幅に減少したり、システム全体の電圧が落ち込んだりするのを回避して、システムの正常な動作を保証することができるようになる。また、電池電圧の低下に比例して入力電流が増加するのを回避できるため、一回の充電によりシステムが動作可能な持続期間を延ばすとともに、電池の寿命を延ばすことができるようになる。

また、望ましくは、電池からの直流電圧が入力されるインダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧と所定の参照電圧とを入力としそれらの電位差に応じた電圧を出力する誤差増幅回路を有し、該誤差増幅回路の出力に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備え、出力端子に接続された発光ダイオードに駆動電流を流すＬＥＤ駆動用電源装置において、前記制御回路に、前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を演算する演算手段を設け、該演算手段の出力によって前記参照電圧を変化させて前記入力電流を制限するように構成する。

さらに、望ましくは、電池からの直流電圧が入力される電圧入力端子と前記インダクタとの間に接続された電流検出用の抵抗を備え、前記電流検出回路は該電流検出用の抵抗の端子間電圧より入力電流を検出するように構成する。これにより、より正確な入力電流を検出することが可能となる。

本発明に従うと、電池を電源とするＬＥＤ駆動用電源装置を有するシステムにおいて、電池が消耗したときに、電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が減少したり全体の電圧が落ち込んだりしてシステムの正常な動作が保証されなくなるような事態が発生するのを回避することができる。また、一回の充電によりシステムが動作可能な持続期間を延ばすとともに、電池の寿命を延ばすことができるようになるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の一実施形態を示す。

本実施形態のＬＥＤ駆動用電源装置は、リチウムイオン電池のような二次電池２０からの直流電圧Ｖｉｎが入力される電圧入力端子ＩＮと接地点との間に直列形態に接続されたコイル（インダクタ）Ｌ１およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）からなるスイッチングトランジスタＳＷ１、前記コイルＬ１とＳＷ１との接続ノードと出力端子ＯＵＴとの間に接続された整流用ダイオードＤ１、出力端子ＯＵＴと接地点との間に接続された平滑コンデンサＣ１、スイッチングトランジスタＳＷ１をオン、オフ制御するスイッチング制御回路１０によって、昇圧型のスイッチングレギュレータとして構成されている。

また、出力端子ＯＵＴと接地点との間には、上記平滑コンデンサＣ１と並列に、直列形態の複数の白色発光ダイオードＷＬＥＤからなるＬＥＤユニット３０と出力電流検出用抵抗ＲFBとが直列に接続され、ＬＥＤユニット３０を流れた電流が検出用抵抗ＲFBに流れるようにされている。

なお、特に限定されるものではないが、この実施形態では、上記スイッチング制御回路１０は、スイッチングトランジスタＳＷ１および整流用ダイオードＤ１とともに一つの半導体チップ上に半導体集積回路（以下、駆動用ＩＣと称する）として形成され、コイルＬ１と平滑コンデンサＣ１は、ディスクリート部品で構成され上記駆動用ＩＣに外付け素子として接続されている。

また、電圧入力端子ＩＮとコイル（インダクタ）Ｌ１の一方の接続端子Ｔ１との間に、入力電流検出用の抵抗Ｒｓが設けられている。本実施形態においては、抵抗Ｒｓはオンチップの抵抗素子とされ、その抵抗値は例えば０．１Ωのような小さな値とされ、抵抗による損失がコイルやスイッチング素子における損失に比べて無視できるような大きさになるようにされている。さらに、駆動用ＩＣには、上記ＬＥＤユニット３０と出力電流検出用抵抗ＲFBとの接続ノードの電位が入力されるフィードバック端子ＦＢが設けられている。

スイッチング制御回路１０は、参照電圧Ｖref1を出力する可変電圧源１１と、上記フィードバック端子ＦＢに非反転入力端子が接続されフィードバック端子ＦＢの電圧と参照電圧Ｖref1とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ１２と、該誤差アンプ１２の出力が非反転入力端子に入力されるＰＷＭ（パルス幅変調）コンパレータ１３と、該ＰＷＭコンパレータ１３の出力に応じて前記スイッチングトランジスタＳＷ１のオン、オフ駆動信号を生成し出力する駆動回路（ドライバ）１５を有する。

上記ＰＷＭコンパレータ１３の反転入力端子には、所定の周波数の波形信号を生成する発振回路１４からの三角波が入力され、フィードバック電圧に応じて電圧が高いときは出力のパルス幅を狭くしフィードバック電圧が低いときは出力のパルス幅を広くするような制御を行なう。そして、このＰＷＭコンパレータ１３により生成されたパルス信号が駆動回路１５に供給される。

さらに、本実施形態においては、制御回路１０内に、電圧入力端子ＩＮに接続されて入力電圧Ｖｉｎを検出する差動アンプからなる入力電圧検出回路１６と、入力電流検出用の抵抗Ｒｓの両端子に接続されて入力電流Ｉｉｎを検出する差動アンプからなる入力電流検出回路１７および該入力電流検出回路１７の出力と前記入力電圧検出回路１６の出力を演算する演算回路１８が設けられている。

これとともに、参照電圧Ｖref1を出力する可変電圧源１１は、演算回路１８の出力に応じて電圧が変化するように構成される。演算回路１８は、使用する電池に応じてどのような制御特性を採用するかにもよるが、例えば演算増幅器（オペアンプ）を使用した加算回路などにより構成することができる。

次に、図１のＬＥＤ駆動用電源装置において、入力電源としてリチウムイオン電池を使用した場合の参照電圧Ｖref1の制御の仕方を、入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎとの関係を示す図２を用いて説明する。

リチウムイオン電池は、充電直後は電圧が４．２Ｖと高く、放電するに従って電圧が下がる。そのため、例えば図１の電源装置において、５個のＬＥＤからなるＬＥＤユニット３０に５０ｍＡの電流を流したい場合、ＬＥＤ１つ当りの順方向電圧Ｖｆを３．５Ｖとすると、消費電力は０．０５（Ａ）×３．５（Ｖ）×５（個）＝０．８７５Ｗである。ここで、レギュレータの効率を８０％とすると、電池電圧が４．２Ｖのときに入力電流は２６０ｍＡであるが、電池電圧が３．５Ｖのときは入力電流は３１０ｍＡに増加する。

従来の電源装置のように、ＬＥＤユニット３０に流す電流が一定になるように制御を行なうと、電池電圧Ｖｉｎが低下するに従い、図２に破線で示すように、入力電流Ｉｉｎがどんどん増加することとなる。そこで、本実施形態では、電池電圧Ｖｉｎがある所定の電位Ｖ１（例えば３．１Ｖ）まで低下したなら、入力電圧検出回路１６の出力と入力電流検出回路１７の出力に基いて、それ以降は入力電流Ｉｉｎが増加しないように参照電圧Ｖref1を変化させるような制御を行なう。

具体的には、参照電圧Ｖref1が低くなると出力電流が減少し、参照電圧Ｖref1が高くなると出力電流が増加するので、図２のＴ１の領域では電池電圧Ｖｉｎが下がると参照電圧Ｖref1を下げるように可変電圧源１１を制御する。そして、さらに、電池電圧Ｖｉｎが低下して例えば２．０Ｖに達したならばシャットダウンするようにしている。

上記のような制御を行なうことにより、電池電圧Ｖｉｎが下がるとＬＥＤの輝度は下がり照明は暗くなるが、電源（電池）を共通にする他の回路に供給される電流が大幅に減少したり、システム全体の電圧が落ち込んだりするのを回避して、システムの正常な動作を保証することができるようになる。また、電池電圧Ｖｉｎが一定以上低下した場合に入力電流Ｉｉｎが増加しないように制御するため、出力電流を一定にする制御を行なうことで入力電流Ｉｉｎが増加してしまう従来の制御方法に比べて電池の消耗を抑制し、一回の充電によりシステムが動作可能な持続期間を延ばすとともに、電池の寿命を延ばすことができる。

図３には、図１の可変電圧源１１として用いられる可変電圧回路の回路例が示されている。この可変電圧回路は、演算回路１８等からの制御電圧Ｖｃと参照電圧Ｖref0の電位差に応じた電圧を出力する差動アンプＡＭＰ１と、該アンプの出力をゲート端子に受けるＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１と、Ｑ１のドレイン端子と電源電圧端子ＶＤＤとの間にＱ１と直列に接続されたＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２と、Ｑ２とゲート共通接続されてカレントミラーを構成するＭＯＳＦＥＴ Ｑ３と、Ｑ３のドレイン端子と接地点との間に接続された抵抗Ｒ１などから構成される。

この実施例の可変電圧回路は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に制御電圧Ｖｃに比例した電流を流し、それをＱ２とＱ３からなるカレントミラー回路で折り返し、抵抗Ｒ１で電流から電圧に変換することで、制御電圧Ｖｃに比例した電圧Ｖref1を出力する。なお、図３の可変電圧回路はあくまでも一例であって、このような回路に限定されるものではない。

図４には、上記ＬＥＤ駆動用電源装置の変形例が示されている。この変形例は、入力電流検出用の抵抗Ｒｓを、スイッチングトランジスタＳＷ１と接地点との間に設け、ＳＷ１に流れる電流と入力電圧とに基いて参照電圧Ｖref1を上記と同じように変化させるようにしたものである。スイッチングトランジスタＳＷ１に流れる電流は、入力電流Ｉｉｎと相関が高いので、この変形例のようにしても前記実施形態のＬＥＤ駆動用電源装置とほぼ同様の効果が得られる。

なお、図１の実施形態では、可変電圧源１１を設けて参照電圧Ｖref1を変化させているが、図２に示すようにＶｉｎがＶ１以下ではＩｉｎを一定にするような制御で良い場合には、ＶｉｎがＶ１になった時点の入力電流検出回路１７の出力をホールドする回路を設け、参照電圧Ｖref1の代わりにホールドした電圧を誤差アンプ１２に供給する一方、フィードバック電圧ＶFBに代えて入力電流検出回路１７の出力を誤差アンプ１２に入力させるように切替えを行なうことで、図２のＴ１の領域では入力電流を一定にする制御を行なうように構成しても良い。ただし、図２のＴ１の領域で入力電流に所定の傾きを与えたい場合には、図１のような演算回路１８を使用した方が、設計が容易である。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１の電源装置においては、駆動用ＩＣ内に発振回路１２が設けられているが、チップ外部で生成された発振信号を受けるように構成されていても良い。また、誤差アンプ１２の後段にＰＷＭコンパレータ１３を設けているが、ＰＷＭコンパレータの代わりにＰＦＭ（パルス周波数変調）コンパレータを設けても良い。

また、前記実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１としてＭＯＳＦＥＴが使用されているが、バイポーラトランジスタを使用するようにしてもよい。 さらに、前記実施形態においては、スイッチング素子ＳＷ１および整流用ダイオードＤ１を、制御回路１０が形成されたＩＣのチップ内に形成したものを示したが、外付け素子としてＩＣに接続するように構成しても良い。また、出力電流検出用抵抗ＲFBとして外付け素子を用いる代わりに、ＩＣに出力電流引き込み端子と抵抗を設け、オンチップの抵抗を電流検出用抵抗として使用するように構成しても良い。

以上の説明では、本発明をＬＥＤ駆動用電源装置に適用した例を説明したが、本発明にそれに限定されるものではなく、電池電圧を入力電圧として昇圧した電圧を発生し出力電流をフィードバック制御したい電源装置に広く利用することができる。

図１は、本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 図２は、入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎとの関係を示すグラフである。 図３は、図１の可変電圧源として用いられる可変電圧回路の構成例を示す回路図である。 図４は、本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の変形例を示すブロック構成図である。

符号の説明

１０ スイッチング制御回路
１１ 可変電圧源
１２ 誤差アンプ
１３ ＰＷＭコンパレータ
１４ 発振回路
１５ 駆動回路（ドライバ）
１６ 入力電圧検出回路
１７ 入力電流検出回路
１８ 演算回路
２０ 二次電池（リチウムイオン電池）
３０ ＬＥＤユニット（発光ダイオード）
Ｌ１ コイル（インダクタ）
Ｃ１ 平滑コンデンサ
ＳＷ１ コイル駆動用スイッチングトランジスタ
Ｒｓ 入力電流検出用抵抗
ＲFB 出力電流検出用抵抗

Claims (5)

1. 電池からの直流電圧が入力されるインダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備え、出力端子に接続された発光ダイオードに駆動電流を流すＬＥＤ駆動用電源装置であって、
   前記制御回路は、入力電圧を検出する電圧検出回路と、入力電流を検出する電流検出回路とを備え、前記入力電圧が所定の電位以下に下がった場合には前記入力電流を制限するように前記スイッチング素子の駆動制御信号を生成することを特徴とするＬＥＤ駆動用電源装置。
2. 電池からの直流電圧が入力されるインダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧と所定の参照電圧とを入力としそれらの電位差に応じた電圧を出力する誤差増幅回路を有し、該誤差増幅回路の出力に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備え、出力端子に接続された発光ダイオードに駆動電流を流すＬＥＤ駆動用電源装置であって、
   前記制御回路は、入力電圧を検出する電圧検出回路と、入力電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を演算する演算手段とを備え、前記入力電圧が所定の電位以下に下がった場合には前記入力電流を制限するように前記演算手段の出力によって前記参照電圧を変化させることを特徴とするＬＥＤ駆動用電源装置。
3. 電池からの直流電圧が入力される電圧入力端子と前記インダクタとの間に接続された電流検出用の抵抗を備え、前記電流検出回路は該電流検出用の抵抗の端子間電圧より前記入力電流を検出するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動用電源装置。
4. 前記参照電圧を生成する可変電圧源を備え、前記演算手段は、前記入力電圧が所定の電位以下に下がった場合には前記入力電流を一定にするように前記可変電圧源を制御することを特徴とする請求項２または３に記載のＬＥＤ駆動用電源装置。
5. 電池からの直流電圧が入力されるインダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、出力のフィードバック電圧と所定の参照電圧とを入力としそれらの電位差に応じた電圧を出力する誤差増幅回路を有し、該誤差増幅回路の出力に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備えた電源駆動用半導体集積回路であって、
   前記制御回路は、前記参照電圧を出力する可変電圧源と、入力電圧を検出する電圧検出回路と、入力電流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路の出力と前記電流検出回路の出力を演算する演算手段とを備え、前記入力電圧が所定の電位以下に下がった場合には前記入力電流を制限するように前記演算手段の出力によって前記可変電圧源を制御して参照電圧を変化させることを特徴とする電源駆動用半導体集積回路。

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