JP2010016350A - トランジスタスイッチモジュール及びこれを利用した発光ダイオード駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電圧制限素子を利用したトランジスタスイッチモジュール及びこれを利用した発光ダイオード駆動回路を提供する。
【解決手段】本発明は電圧制限素子を利用することで、発光ダイオードモジュールの電流を制御するＭＯＳＦＥＴがオフの状態になるとき、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極の電位を制限し、ＭＯＳＦＥＴの耐電圧要求を低くする。これにより、発光ダイオード駆動装置のコストを削減し、電力損失を比較的に低く抑え、回路効率を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、トランジスタスイッチモジュール及びこのトランジスタスイッチモジュールを利用した発光ダイオード駆動回路に関するものである。特に、電圧制限機能を持つトランジスタスイッチモジュール及びこのトランジスタスイッチモジュールを利用した発光ダイオード駆動回路に関する。

図１は、従来の発光ダイオード駆動装置である。発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット１０と、エラー・アンプ１５と、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０と、電源供給器２５と、発光ダイオードモジュール３０と、電流検出抵抗Ｒと、を備える。電源供給器２５は、発光ダイオードモジュール３０の一端に接続され、発光ダイオードモジュール３０を発光させるための駆動電圧を供給する。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０は発光ダイオードモジュール３０の他端に接続され、スイッチ制御信号により、発光ダイオードモジュール３０を流れる電流の大きさを制御する。電流検出抵抗ＲはＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０に接続され、発光ダイオードモジュール３０を流れる電流の大きさを検出して電流検出信号を生成する。エラー・アンプ１５は電流検出信号と、調光制御ユニット１０からの制御信号を受信する。エラー・アンプ１５はこれらの信号によりスイッチ制御信号をＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０へ出力して、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０を流れる電流の大きさを制御する。調光制御ユニット１０は調光信号を受信し、調光信号がオンを代表する状態になる間、基準レベル信号を制御信号として生成し、電流検出信号と基準レベル信号のレベルが一致するようにし、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０をオン状態にする。一方、調光信号がオフを代表する状態になる間、ローレベル信号を制御信号として生成し、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０をオフ状態にする。このように、調光効果を果たす。

Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０はオフ状態になると、発光ダイオードモジュール３０には電流が流れない。このとき、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０のドレインの電位は駆動電圧にほぼ等しいとされる。発光ダイオードの駆動電圧が４ボルトであることを例にして説明する。発光ダイオードモジュール３０が２０個の発光ダイオードを直列にしてなるものである場合、その駆動電圧は８０ボルトである。よって、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０として高耐圧Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを使用する必要がある。高耐圧ＭＯＳＦＥＴは耐圧を向上させるために、チップ面積の増大と、コストの増加につながることになる。そればかりか、ゲートソース間容量（Ｃｇｓ）も大幅に増加することになる。ゲートソース間容量（Ｃｇｓ）が上昇するに伴って、エラー・アンプ１５は高い駆動能力を具備するものでないとＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０を駆動することができなくなる。更に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０の損失はｆＣｖ^２に正比例する。ｆは周波数で、Ｃはゲートソース間容量値で、ｖは切替え時における電位の変化量である。即ち、ＭＯＳＦＥＴは高耐圧であるほど、その損失も大きくなり、よって、回路とＭＯＳＦＥＴが過熱し壊れて作動しなくなることを防止するために回路の放熱能力を向上させる必要がある。

かかる知見に基づいて、本発明は電圧制限素子を利用することで、発光ダイオードモジュールの電流を制御するＭＯＳＦＥＴがオフの状態になるとき、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極の電位を制御し、ＭＯＳＦＥＴの耐電圧要求を低くする。これにより、発光ダイオード駆動装置のコストを削減し、電力損失を比較的低く抑え、回路効率を向上することができる。

前記目的を達成するため、本発明は、下記に掲げるトランジスタスイッチモジュールを提供する。即ち、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールは、トランジスタスイッチと、調光制御ユニットと、電圧制限素子とを備える。前記トランジスタスイッチは、制御端と、第一端と、第二端とを有し、前記第一端は発光ダイオードモジュールに接続される。前記調光制御ユニットは、前記トランジスタスイッチの制御端に接続され、調光制御ユニットはマルチブレクサを有し、マルチブレクサの出した信号により前記トランジスタスイッチを流れる電流の大きさを制御する。マルチブレクサは、第一基準信号と、第二基準信号と、調光信号とを受信し、且つ受信した調光信号により第一基準信号または第二基準信号の何れかを選択して出力する。前記電圧制限素子はトランジスタスイッチの第一端に接続され、トランジスタスイッチの第一端の電位と第二端の電位差が所定値より小さくなるように制限する。

また、本発明は、下記に掲げる発光ダイオード駆動回路を提供する。即ち、本発明にかかる発光ダイオード駆動回路は、電流制御装置と、調光制御ユニットと、電圧制限素子と、を備える。電流制御装置は、一つの制御端と、複数個の第一端と、一つの第二端とを有し、前記複数個の第一端は発光ダイオードモジュールにおける複数個の発光ダイオードユニットに対応して接続され、複数個の第一端を流れる電流の大きさが実質上同じくなるように制御する。調光制御ユニットは、前記トランジスタスイッチの制御端に接続され、マルチブレクサを有し、前記マルチブレクサの出した信号により前記電流制御装置を流れる電流の大きさを制御する。前記マルチブレクサは、第一基準信号と、第二基準信号と、調光信号とを受信し、且つ前記調光信号により第一基準信号または第二基準信号の何れかを選択して出力する。電圧制限素子は、前記電流制御装置の複数個の第一端に接続され、複数個の第一端ごとの電位と第二端の電位差が所定値より小さくなるように制限する。

以上説明したように、本発明では、発光ダイオード駆動装置のコストを削減し、電力損失を比較的低く抑え、回路効率を向上することができるという効果がある。

図１は、従来技術の発光ダイオード駆動装置である。 図２は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の好ましい実施例を示すものである。 図３は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路のもう一つの実施例を示すものである。 図４は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の更に一つの実施例を示すものである。 図５は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の更にもう一つの実施例を示すものである。 図６は、本発明を多数本の発光ダイオードユニットからなる発光ダイオードモジュールに用いた発光ダイオード駆動装置の回路示すものである。

以下、図面を参照して、本発明の所期の目的及び利点をさらに詳細に記述するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。

図２は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の好ましい実施例を示すものである。発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット１００と、トランジスタスイッチ１１５と、電圧制限素子１２０と、電源供給器１２５と、発光ダイオードモジュール１３０と、を備える。電源供給器１２５は、発光ダイオードモジュール１３０の一端に接続され、発光ダイオードモジュール１３０を発光させるための駆動電圧ＶＤＤＨを供給する。トランジスタスイッチ１１５は、制御端と、第一端と、第二端とを有する。前記第一端は発光ダイオードモジュール１３０に接続され、前記第二端は基準電位点（例えばアース）に電気的に接続され、前記制御端は、調光制御ユニット１００で生成した制御信号を受ける。調光制御ユニット１００は、基準電圧ジェネレータ１０２と、マルチブレクサ１０４と、フィルター回路１０６と、エラー・アンプ１１０と、を備える。マルチブレクサ１０４の一つの入力端子は、基準電圧ジェネレータ１０２で生成した第一基準信号を受信し、もう一つの入力端子は、第二基準信号（本実施例ではアースである）を受信し、なお、受信した調光信号ＤＩＭにより、第一基準信号または第二基準信号の何れかを選択して出力する。フィルター回路１０６はマルチブレクサ１０４とエラー・アンプ１１０の間に接続され、マルチブレクサ１０４が第一基準信号または第二基準信号を切り替える際に生じたノイズを除去するように機能する。エラー・アンプ１１０は、その反転入力端子が電流検出抵抗Ｒからの検出信号（即ちトランジスタスイッチ１１５の第二端の電位である）を受信し、非反転入力端子が前記マルチブレクサ１０４から出力された信号を受信する。エラー・アンプ１１０は、マルチブレクサ１０４の出力した信号に基づいてトランジスタスイッチ１１５の制御端へ出力する信号のレベルを調整し、検出信号のレベルをマルチブレクサ１０４の出力した信号のレベルに近づけるように制御する。

調光信号ＤＩＭがオンを代表する状態に（例えばハイレベル）なると、マルチブレクサ１０４は基準電圧ジェネレータ１０２の生成した第一基準信号を選択して出力する。この時、トランジスタスイッチ１１５は所定値の電流を流すようにオンし、電流検出抵抗Ｒの生成した検出信号のレベルを前記第一基準信号のレベルに一致させるようにする。よって、調光信号ＤＩＭのオン状態の間は、発光ダイオードモジュール１３０は安定的に発光する。一方、調光信号ＤＩＭがオフを代表する状態に（例えばローレベル）なると、マルチブレクサ１０４はゼロ電圧である第二基準信号を選択して出力し、トランジスタスイッチ１１５は流れる電流をゼロまで下げる。この時、発光ダイオードモジュール１３０は発光しない。電圧制限素子１２０はトランジスタスイッチ１１５の第一端と、一つの基準レベルとに接続される。調光信号ＤＩＭがオフを代表する状態になるとき、電圧制限素子１２０は第一端の電位を所定値に制限する。これによって、トランジスタスイッチ１１５の第一端の電位と第二端の電位差が所定値より小さくなることを確保する。前記基準レベルはアース電位やシステムの安定な電圧源の何れでもよく、本実施例において、前記基準レベルは調光制御ユニット１００の電源電圧ＶＤＤＬで、前記電圧制限素子１２０はダイオードである。

電圧制限素子１２０によって制限される所定値のレベル（以下所定レベルという）は、発光ダイオードモジュール１３０の発光閾値電圧に基づいて設定されるもので、好ましくは、（駆動電圧ＶＤＤＨ−発光閾値電圧）の近くに設定される。例えば、駆動電圧ＶＤＤＨが８０ボルトで、発光ダイオードモジュール１３０が２０個の発光ダイオードを直列してなるもので、発光ダイオードの発光閾値電圧が平均で３．５Ｖとすると、その発光ダイオードモジュール１３０の発光閾値電圧は２０×３．５＝７０ボルトになる。従って、制限しようとする所定レベルを８０−７０＝１０ボルトの近くに設定するのが好ましく、発光ダイオードモジュール１３０が発光しないことを確保するために、１０ボルトよりやや高くするのがより好ましい。このように、調光信号がオンを代表する状態になる際、トランジスタスイッチ１１５の第一端の電圧は所定レベルの１０ボルトより低く、発光ダイオードモジュール１３０は発光し、この時点で電圧制限素子１２０は作動しない。一方、調光信号がオフを代表する状態になると、発光ダイオードモジュール１３０を発光させないようにトランジスタスイッチ１１５に電流を流すのを停止し、この時点で、電圧制限素子１２０は第一端の電圧を１０ボルト付近の所定レベルに制限する。よって、トランジスタスイッチ１１５の耐電圧（ｗｉｔｈｓｔａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ）は、１０ボルトより高いだけでよく、８０ボルトまで高くする必要がない。

本発明にかかる発光ダイオード駆動装置によると、一般的な低電圧ＭＯＳＦＥＴを用いればよく、高電圧ＭＯＳＦＥＴを使う必要がなく、コストを削減することができる。また、調光制御ユニット１００は低電圧ＭＯＳＦＥＴに要求される駆動能力が低いばかりでなく、電力損失も比較的低いので、発光ダイオード駆動装置の回路効率（ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上することができる。

電圧制限素子１２０として、図２に示したダイオード以外に、電圧制限することができる他のデバイスを用いてもよい。図３は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路のもう一つの実施例を示すものである。本実施例による発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット２００と、トランジスタスイッチ２１５と、電圧制限素子２２０と、電源供給器２２５と、発光ダイオードモジュール２３０と、を備える。調光制御ユニット２００は、基準電圧ジェネレータ２０２と、マルチブレクサ２０４と、フィルター回路２０６と、エラー・アンプ２１０と、を備える。図２に示した回路と比べると、図３に示す電圧制限素子２２０はツェナーダイオード（Ｚｅｎｅｒ Ｄｉｏｄｅ）で、トランジスタスイッチ２１５の第一端と基準電位点（例えばアース）の間に接続されることで、調光信号に基づいてトランジスタスイッチ２１５の第一端を所定レベルに、またはそれ以下に制限することができる。図３に示した他の素子とその機能は図２と同一であるので、重複説明は省略する。

前記二つの実施例はともにＮ型ＭＯＳＦＥＴを例にするが、実際には、トランジスタスイッチとしてＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよく、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴやＰ型ＭＯＳＦＥＴを複数使ってもよい。図４は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の更に一つの実施例を示すものである。本実施例による発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット３００と、トランジスタスイッチ３１５と、電圧制限素子３２０と、電源供給器３２５と、発光ダイオードモジュール３３０と、を備える。調光制御ユニット３００は、基準電圧ジェネレータ３０２と、マルチブレクサ３０４と、フィルター回路３０６と、エラー・アンプ３１０と、を備える。本実施例において、トランジスタスイッチ３１５は基準電位点（電源供給器３２５が出力した駆動電圧ＶＤＤＨ）と電源電圧ＶＤＤＬ’の間に接続され、このトランジスタスイッチ３１５はＰ型ＭＯＳＦＥＴである。トランジスタスイッチ３１５はその第一端が発光ダイオードモジュール３３０に接続され、第二端が基準電位点（本実施例では電源供給器３２５が出力した駆動電圧ＶＤＤＨ）に電気的に接続される。発光ダイオードモジュール３３０はその一端がトランジスタスイッチ３１５の第一端に接続され、他端がアースに接続される。調光制御ユニット３００は、調光信号ＤＩＭに従い、トランジスタスイッチ３１５をオン状態またはオフ状態にさせて調光の機能を果たす。電圧制限素子３２０は、少なくとも一つのダイオードを含む。このダイオードの数により、電圧制限素子３２０によって制限しようとする所定レベルを調整し（即ち、制限する所定レベル≒Ｎ×Ｖｄ、Ｎはダイオードの数で、ＶｄはダイオードのＰＮ接合面による順方向バイアス電圧値である）、トランジスタスイッチ３１５がオフ状態になっても、両端の電位差が所定値より小さくなるようにする。

図５は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを発光ダイオード駆動装置に用いた回路の更にもう一つの実施例を示すものである。本実施例による発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット４００と、トランジスタスイッチ４１５と、電圧制限素子４２０と、電源供給器４２５と、発光ダイオードモジュール４３０と、を備える。調光制御ユニット４００は、基準電圧ジェネレータ４０２と、マルチブレクサ４０４と、フィルター回路４０６と、エラー・アンプ４１０と、を備える。図２に示した回路と比べると、図５に示す電圧制限素子４２０は、少なくとも一つのバイポーラトランジスタを含む。各バイポーラトランジスタのエミッタは、次のバイポーラトランジスタのベースに接続され、最末のバイポーラトランジスタのエミッタがアースされる。これら複数のバイポーラトランジスタのコレクタは一つの電流源（本実施例では電流ミラーである）に接続される。これで、バイポーラトランジスタにＰＮ接合の特性を表し、トランジスタスイッチ４１５の第一端と第二端の電位差が所定値以下になるように制限することができる。

前記実施例はすべて発光ダイオードモジュールとして１本の発光ダイオードユニット（即ち、ＬＥＤストリング）を例にするが、実際には、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールは、発光ダイオードユニットを複数個並列に接続する発光ダイオードモジュールに適用することもできる。図６は、本発明にかかるトランジスタスイッチモジュールを多数の発光ダイオードユニットからなる発光ダイオードモジュールに用いた回路の更に一つの実施例を示すものである。本実施例による発光ダイオード駆動装置は、調光制御ユニット５００と、電流制御装置５１５と、電圧制限素子５２０と、電源供給器５２５と、発光ダイオードモジュール５３０と、を備える。調光制御ユニット５００は、基準電圧ジェネレータ５０２と、マルチブレクサ５０４と、フィルター回路５０６と、エラー・アンプ５１０と、を備える。発光ダイオードモジュール５３０は、複数の発光ダイオードユニットからなるものである。電流制御装置５１５は、一つの制御端と、複数個の第一端と、一つの第二端とを有する。前記複数個の第一端は発光ダイオードモジュール５３０における複数の発光ダイオードユニットに対応して接続され、第二端はアースに電気的に接続される。電流制御装置５１５は電流ミラーであるので、前記複数個の第一端を流れる電流の大きさが実質上同じで、発光ダイオードモジュール５３０の各発光ダイオードユニットごとの発光輝度がほとんど一致するようにさせる。電圧制限素子５２０は複数個のダイオードを含み、各ダイオードは、その正極側が電流制御装置５１５の対応する第一端に接続され、その負極側が基準レベルとされる電源電圧ＶＤＤＬに接続される。このように、電流制御装置５１５の複数個の第一端の電位はすべて電圧制限素子５２０により制限されることで、複数個の第一端と前記第二端の電位差が所定値より小さくなることを確保することができる。

以上述べたように、本発明にかかる電圧制限素子は、電圧制限機能を持つデバイス、またはこれらのデバイスの組み合わせのいずれであってもよく、特に制限されない。例えば、電圧制限素子としては、少なくとも一つのダイオード、少なくとも一つのツェナーダイオード、少なくとも一つのバイポーラトランジスタ、及びＭＯＳＦＥＴ等が挙げられ、これらは１種単独で使用してもよいし、また２種以上を任意に組み合わせて使用してもよい。また、各制御手段ごと、例えば実施例の調光制御ユニットに静電放電（ＥＳＤ）保護ユニットが設けられ、制御手段内部の回路の電位を約一つのアース電位から一つの操作電位までの範囲内にあるように制限する。これによって、制御手段を静電による瞬間的な高圧による壊れから守ることができる。よって、本発明にかかる電圧制限素子として制御手段の静電放電保護ユニットを用いても、同じ効果を果たすことができる。

本発明は、まさに新規性、進歩性、産業上の利用可能性という三つの特許を受けるための要件に満たすものである。本発明を幾つかの好ましい実施例について記述したが、本発明はこれら特定の実施例に限定されず、この発明の本来の精神及び範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な修正及び変形が可能である。

１００，２００，３００，４００，５００ 調光制御ユニット
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２ 基準電圧ジェネレータ
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４ マルチブレクサ
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６ フィルター回路
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０ エラー・アンプ
１１５，２１５，３１５，４１５，５１５ トランジスタスイッチ
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 電圧制限素子
１２５，２２５，３２５，４２５，５２５ 電源供給器
１３０，２３０，３３０，４３０，５３０ 発光ダイオードモジュール
ＶＤＤＨ 駆動電圧
ＶＤＤＬ，ＶＤＤＬ’ 電源電圧
Ｒ 電流検出抵抗

Claims (7)

1. トランジスタスイッチモジュールにおいて、
   制御端と、第一端と、第二端とを有するトランジスタスイッチであって、前記第一端は発光ダイオードモジュールに接続されるトランジスタスイッチと、
   前記トランジスタスイッチの制御端に接続される調光制御ユニットであって、第一基準信号と、第二基準信号と、調光信号とを受信し、且つ受信した調光信号により第一基準信号または第二基準信号の何れかを選択して出力するマルチブレクサを有し、前記マルチブレクサの出した第一基準信号または第二基準信号により前記トランジスタスイッチを流れる電流の大きさを制御する調光制御ユニットと、
   前記トランジスタスイッチの第一端に接続される電圧制限素子であって、トランジスタスイッチの第一端の電位と第二端の電位差が所定値より小さくなるように制限する電圧制限素子と、
   を備えることを特徴とするトランジスタスイッチモジュール。
2. 前記電圧制限素子は、調光制御ユニットにおける静電放電保護ユニットであることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタスイッチモジュール。
3. 前記調光制御ユニットは、さらにエラー・アンプを有し、エラー・アンプは前記第二端の電位とマルチブレクサが出力した信号に基づいて、トランジスタスイッチの状態を制御することを特徴とする請求項１に記載のトランジスタスイッチモジュール。
4. 発光ダイオード駆動回路において、
   一つの制御端と、複数個の第一端と、一つの第二端とを有する電流制御装置であって、前記複数個の第一端は発光ダイオードモジュールにおける複数個の発光ダイオードユニットに対応して接続され、複数個の第一端を流れる電流の大きさが実質上同じくなるように制御する電流制御装置と、
   前記制御端に接続される調光制御ユニットであって、第一基準信号と、第二基準信号と、調光信号とを受信し、且つ受信した調光信号により第一基準信号または第二基準信号の何れかを選択して出力するマルチブレクサを有し、前記マルチブレクサの出した第一基準信号または第二基準信号により前記電流制御装置を流れる電流の大きさを制御する調光制御ユニットと、
   前記電流制御装置の複数個の第一端に接続される電圧制限素子であって、複数個の第一端ごとの電位と第二端の電位差が所定値より小さくなるように制限する電圧制限素子と、
   を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動回路。
5. 前記電流制御装置は、電流ミラーであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード駆動回路。
6. 前記電圧制限素子は、調光制御ユニットにおける静電放電保護ユニットであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード駆動回路。
7. 前記調光制御ユニットは、さらにエラー・アンプを有し、エラー・アンプは前記第二端の電位とマルチブレクサが出力した信号に基づいて、トランジスタスイッチの状態を制御することを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード駆動回路。

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