JP2010063340A

JP2010063340A - Ｌｅｄ駆動装置

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Publication number: JP2010063340A
Application number: JP2008229565A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Matsuda; 裕樹松田; Masaki Komatsu; 雅樹小松
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】複数の発光ダイオードを点灯駆動するＬＥＤ駆動装置において、一部の発光ダイオードの輝度が低下もしくは点灯が停止されるのを回避できるようにする。
【解決手段】入力電圧を昇圧して出力可能であって昇圧率を段階的に切り替え可能に構成された昇圧回路（１１）からの電圧によって複数の発光ダイオードにそれぞれ流す所定の駆動電流を生成し出力するＬＥＤ駆動装置において、複数の発光ダイオードの各アノード端子もしくはカソード端子の電圧と参照電圧とを比較する複数の電圧比較回路(CMP1〜CMP4)と、これらの電圧比較回路の出力の論理和に相当する状態をラッチ可能なラッチ回路（LAT）とを備え、複数の電圧比較回路のうち少なくとも１つが、アノード端子もしくはカソード端子の電圧が参照電圧よりも低くなったことを検出した場合に、昇圧回路の昇圧率を高い方へ切り替える昇圧率切替え回路（１７）を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤを発光駆動するＬＥＤ駆動装置、さらには液晶モニタ等のバックライトに使用されるＷＬＥＤ（白色発光ダイオード）を駆動するＬＥＤ駆動装置に関し、特に入力電圧を昇圧して出力するチャージポンプを備えたチャージポンプ方式のＬＥＤ駆動装置に利用して好適な技術に関する。

携帯電話機等の携帯用電子機器においては、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。従来、ＷＬＥＤの駆動電圧を発生する電源装置には、昇圧型のスイッチングレギュレータを使用したＬＥＤ駆動装置と、充電した容量の端子電圧を切り替えたり充電した電荷を他の容量に転送したりすることで昇圧した電圧を出力するチャージポンプ方式のＬＥＤ駆動装置（ＬＥＤドライバ）が知られている。

いずれのＬＥＤドライバにおいても、昇圧した電圧をＬＥＤに印加し、ＬＥＤに定電流を流す定電流駆動が行われている。チャージポンプ方式のＬＥＤドライバに関する発明としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。
特開２００６−２５４６４１号公報

電池を電源とし電池電圧を昇圧してＬＥＤ駆動電圧を生成するＬＥＤドライバにおいては、電池電圧の低下によるＬＥＤの明るさの低下が問題となる。スイッチングレギュレータ方式のＬＥＤドライバにおいては、ＬＥＤに流れる駆動電流を電圧に変換して制御回路にフィードバックして、インダクタ（コイル）に間歇的に電流を流すスイッチング素子を例えばＰＷＭ駆動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るので、電池電圧の低下に伴うＬＥＤの明るさの低下が防止される。

一方、チャージポンプ方式のＬＥＤドライバにおいては、電池電圧の低下に伴うＬＥＤの明るさの低下を防止するためチャージポンプの昇圧率の切替えが行なわれている。また、従来、この昇圧率の切替えは、入力電圧（電池電圧）を監視して所定のレベル以下になったら昇圧率を高くするという方法が一般的であった。

特許文献１のＬＥＤドライバは、昇圧率を１倍出力、１．５倍昇圧、２倍昇圧の３段階に切り替えるチャージポンプを採用するとともに、入力電圧の他にＬＥＤの電圧を監視して昇圧率を切り替えるように構成している。しかし、電圧の監視には電圧比較器（コンパレータ）が必要であり、その数は監視する電圧の数およびＬＥＤの数が多くなるほど多くなる。具体的には、ＬＥＤの数が６個の場合、入力電圧Ｖｉｎと基準電圧（３Ｖ）とを比較するコンパレータ４０の他に、６個のＬＥＤのカソード電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する６個のコンパレータ４１〜４６と、これらのコンパレータの出力の論理和をとる５個のＯＲゲート５１〜５５が必要である（特許文献１の図５参照）。そのため、回路規模が大きくなりチップサイズひいてはチップコストの増大を招くという課題がある。

また、ＬＥＤの数が４個の場合には、図７のように、ＬＥＤ１とＬＥＤ２の電圧同士を直接比較するコンパレータＣＭＰ１、ＬＥＤ３とＬＥＤ４の電圧同士を直接比較するコンパレータＣＭＰ２、ＣＭＰ１とＣＭＰ２の出力に基づいてＬＥＤ１とＬＥＤ２のうち高い方の電圧とＬＥＤ３とＬＥＤ４のうち高い方の電圧を選択して比較するコンパレータＣＭＰ３、ＣＭＰ３の出力に基づいてＬＥＤ１〜ＬＥＤ４のうち最も高い電圧と参照電圧Ｖｒｅｆ１とを比較するコンパレータＣＭＰ４、入力電圧Ｖｉｎと参照電圧Ｖｒｅｆ２とを比較するコンパレータＣＭＰ５を設ける方法も考えられる。

しかしながら、図７のトーナメント方式で決定する回路にあっても、ＬＥＤの数よりも１つ多い数のコンパレータが必要であり、回路規模が大きくなってしまう。なお、図７において、Ｓ１，Ｓ２；Ｓ３，Ｓ４；Ｓ５，Ｓ６はセレクタとして機能するＭＯＳＦＥＴである。また、図７においては、発光ダイオードのカソード側に接続される定電流源の図示を省略してある。

さらに、特許文献１の発明も図７の方式も、電池電圧の低下に伴うＬＥＤ端子電圧の低下をコンパレータによって検出してチャージポンプの昇圧率を高くすると、それによって発光ダイオードのカソード電圧が高くなるので、コンパレータの出力が反転して、チャージポンプの昇圧率が低い方へ切り替えられる。その結果、カソード電圧が下がりそれをコンパレータが検出して再び昇圧率を高い方へ切り替えるという不安定な回路動作（発振）を引き起こすおそれがある。

これを防止するには、比較的大きなヒステリシスを有するコンパレータを使用しなくてはない。しかるに、大きなヒステリシスを有するコンパレータは素子数が多くなるため回路面積の増加を招くとともに、消費電流も多くなる。さらに、特に電流引き込みタイプのＬＥＤドライバにおいては、カソード電圧を監視するコンパレータにヒステリシス特性を持たせるとコンパレータの参照電圧をヒステリシス分以下に下げられないため、昇圧率の切替え電圧が高くなり電力効率が低下するという課題がある。

この発明の目的は、チャージポンプ方式の昇圧回路を備え発光ダイオードを点灯駆動するＬＥＤ駆動装置において、昇圧回路の昇圧率の切替え制御が不安定にならないようにすることにある。

この発明の他の目的は、ＬＥＤの電圧を監視して昇圧回路の昇圧率の切替えタイミングを検出するＬＥＤ駆動装置において、回路規模および消費電流を大幅に増大させることなく昇圧率の切替えタイミングを検出するとともに安定した切替え制御が行なえるようにすることにある。

この発明の他の目的は、ＬＥＤの電圧を監視して昇圧回路の昇圧率の切替えタイミングをコンパレータで検出するＬＥＤ駆動装置における電力効率を向上させることにある。

上記目的を達成するため本発明は、入力電圧を昇圧して出力可能であって昇圧率を段階的に切り替え可能な昇圧回路からの電圧によって複数の発光ダイオードにそれぞれ流す所定の駆動電流を生成し出力するＬＥＤ駆動装置において、前記複数の発光ダイオードの各アノード端子電圧またはカソード端子電圧を監視し前記昇圧回路の昇圧率を切り替える信号を生成する昇圧率切替え回路を備え、前記昇圧率切替え回路は、前記複数の発光ダイオードの各アノード端子もしくはカソード端子の電圧と発光ダイオードの最大順方向電圧に対応して設定された参照電圧とを比較する複数の電圧比較回路と、前記複数の電圧比較回路の出力の論理和に相当する状態をラッチ可能なラッチ回路とを備え、前記複数の電圧比較回路のうち少なくとも１つが、前記アノード端子もしくはカソード端子の電圧が前記参照電圧よりも低くなったことを検出した場合に、前記昇圧回路の昇圧率を高い方へ切り替える信号を出力するように構成したものである。

より具体的には、発光ダイオードをそれぞれ接続可能な複数の外部端子と、電池電圧を入力電圧として受け昇圧した電圧を出力可能であって昇圧率を２段階に切り替え可能な昇圧回路と、該昇圧回路からの電圧を受けて複数の発光ダイオードにそれぞれ流す所定の駆動電流を生成する複数の定電流回路と、を備え、１つの半導体チップ上に形成されたＬＥＤ駆動装置において、前記複数の発光ダイオードの各アノード端子電圧またはカソード端子電圧を監視し前記昇圧回路の昇圧率を切り替える信号を生成する昇圧率切替え回路を備え、前記昇圧率切替え回路は、前記複数の発光ダイオードの各アノード端子もしくはカソード端子の電圧と発光ダイオードの最大順方向電圧に対応して設定された参照電圧とを比較する複数の電圧比較回路と、前記複数の電圧比較回路の出力の論理和をとる論理ゲート回路と、該論理ゲート回路の出力をラッチするラッチ回路とを備え、前記複数の電圧比較回路のうち少なくとも１つが、前記アノード端子もしくはカソード端子の電圧が前記参照電圧よりも低くなったことを検出した場合に、前記昇圧回路の昇圧率を高い方へ切り替える信号を出力するように構成した。

上記した構成によれば、入力電圧が下がって昇圧回路の出力電圧が低下していずれかの発光ダイオードのアノード−カソード端子間電圧が最大順方向電圧よりも小さくなると、昇圧回路の昇圧率が高い方へ切り替えられて高い電圧が出力されるようになるため、複数の発光ダイオードの一部のダイオードの点灯が停止されるのを回避することができるようになる。また、電圧比較回路の出力の論理和をとった信号をラッチするラッチ回路を備えるため、昇圧率が高い方へ切り替えられたことにより出力電圧が高くなり電圧比較回路の出力が反転したとしても昇圧率が低い方へ切り替わるのを回避することができる。さらに、発光ダイオードのアノード端子もしくはカソード端子の電圧を監視して昇圧回路の昇圧率を切り替えるので、入力電圧を監視する電圧比較回路が不要となり、回路規模を低減することができる。

ここで、望ましくは、前記複数の定電流回路は、それぞれ前記複数の発光ダイオードが接続可能な前記外部端子から発光ダイオードの駆動電流を引き込むように構成し、前記参照電圧は０．１Ｖ以下に設定する。あるいは、前記複数の定電流回路は、それぞれ前記複数の発光ダイオードが接続可能な前記外部端子から発光ダイオードの駆動電流を出力するように構成し、前記参照電圧は、発光ダイオードの最大順方向電圧よりも高く、発光ダイオードの最大順方向電圧＋０．１Ｖ以下に設定する。これにより、従来に比べて昇圧率の切替えポイントを入力電圧の低い方へ移動させることができ、昇圧回路の電力効率を向上させることができるようになる。

また、望ましくは、前記ラッチ回路は、前記半導体チップの外部より供給される制御信号によってラッチ状態が解除可能に構成する。入力電圧を監視する回路を設けて、昇圧率を切り替えた後に入力電圧が高くなったことが検出された場合にラッチ状態を解除するように構成することもできるが、外部からの制御信号によってラッチ状態が解除可能に構成するにすることによって、入力電圧監視回路が不要となり回路規模を低減することができる。

本発明に従うと、チャージポンプ方式の昇圧回路を備え発光ダイオードを点灯駆動するＬＥＤ駆動装置において、昇圧回路の昇圧率の切替え制御が不安定にならないようにすることができる。また、ＬＥＤの電圧を監視して昇圧回路の昇圧率の切替えタイミングを検出するＬＥＤ駆動装置において、回路規模および消費電流を大幅に増大させることなく昇圧率の切替えタイミングを検出するとともに安定した切替え制御が行なえる。さらに、ＬＥＤの電圧を監視して昇圧回路の昇圧率の切替えタイミングをコンパレータで検出するＬＥＤ駆動装置において、昇圧回路の電力効率を向上させることでき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駆動装置の第１の実施形態を示す。なお、特に限定されるものではないが、この実施形態では、図１において太線で囲まれている部分は、一つの半導体チップ上に半導体集積回路（以下、白色ＬＥＤドライバＩＣと称する）１０として形成され、４個の白色ＬＥＤが上記白色ＬＥＤドライバＩＣ１０に外付け素子として接続され、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４のカソード端子はそれぞれ接地電位ＧＮＤに接続されている。また、白色ＬＥＤドライバＩＣ１０には、ＩＣの内部回路と共にチャージポンプ方式の昇圧回路を構成するため、２個の外付け容量素子（コンデンサ）Ｃ１，Ｃ２を接続可能な外部端子Ｃ１＋，Ｃ１−；Ｃ２＋Ｃ２−が設けられている。

本実施形態の白色ＬＥＤドライバＩＣ１０は、リチウムイオン電池などの電池２０から電池電圧が入力電圧Ｖｉｎとして印加される入力端子ＶＩＮと、該入力端子ＶＩＮに印加された入力電圧Ｖｉｎを１．５倍に昇圧して出力可能な昇圧回路を構成するチャージポンプ１１と、チップ全体を制御する制御ロジック１２と、４個の白色発光ダイオードを接続可能なダイオード接続端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４とを有する。制御ロジック１２は、ＩＣ外部から入力される制御信号とＩＣ内部の信号とに基づいて、チャージポンプなどＩＣ内部の回路を制御する信号を生成する。

上記チャージポンプ１１は、上記外付け容量素子Ｃ１，Ｃ２と、これらの容量素子Ｃ１，Ｃ２の充電、放電並びに容量素子間の電荷の転送や電圧の伝達を行うスイッチ素子（図示省略）と、発振回路ＯＳＣからの発振信号に基づいてスイッチ素子を制御するクロック信号を生成するクロック生成回路（図示省略）などから構成され、オン、オフするスイッチ素子を適宜選択制御して電荷の転送や電圧の伝達のパスを切り替えることで、１倍出力または１．５倍昇圧出力が可能にされている。

具体的には、チャージポンプ１１は、１倍出力モードの場合には入力電圧Ｖｉｎをそのまま出力端子へ伝達する。また、１．５倍昇圧モードの場合には、図３（Ａ）に示すように、一方の容量Ｃ１を、接地電位基準に入力電圧Ｖｉｎに充電した後、図３（Ｂ）に示すように、２つの容量Ｃ１，Ｃ２を並列状態に接続して、容量Ｃ１の充電電荷をＣ２に分配してＶｉｎ／２充電状態にするとともに、Ｃ１，Ｃ２のグランド側端子にＶｉｎを印加する。これによって、（Ｖｉｎ＋Ｖｉｎ／２）＝１．５Ｖｉｎに昇圧された電圧が生成される。上記図３（Ａ）と（Ｂ）の状態を交互に繰り返すことによって、電荷の転送により１．５倍に昇圧された電圧ＶＯＵＴが出力される。

また、本実施形態の白色ＬＥＤドライバＩＣ１０は、ＩＣ内部で必要な基準電圧（定電圧）を発生する基準電圧発生回路１３と、該基準電圧発生回路１３で発生された基準電圧Ｖｒｅｆを受けて基準となる電流を生成する定電流回路１４とを有する。

この実施形態においては、チャージポンプ１１の出力電圧ＶＯＵＴを出力する出力端子ＯＵＴがチップに設けられ、この出力端子ＯＵＴに４個の白色発光ダイオードのアノード端子が共通に接続され、各ダイオードのカソード端子がＬＥＤ接続用端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４にそれぞれ接続されている。そして、チップ内部には、上記ＬＥＤ接続用端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４からそれぞれダイオードの駆動電流を引き込むための定電流源ＣＳ１〜ＣＳ４が設けられている。

また、基準電圧発生回路１３で発生された基準電圧Ｖｒｅｆを受けて基準となる電流を生成する定電流回路１４および該定電流回路により生成された定電流を折り返すＭＯＳトランジスタＱ１１，Ｑ１２からなるカレントミラー回路１５が設けられ、Ｑ１２のドレイン電流を抵抗で電圧に変換し、その電圧を前記定電流源ＣＳ１〜ＣＳ４内のトランジスタに印加することで、定電流制御回路１４の定電流に比例した電流を生成し、それを端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４から駆動電流として引くことで、白色発光ダイオードを定電流駆動する。

さらに、本実施形態においては、ＬＥＤ接続用端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４の電位を入力とする昇圧率切替え回路１７が設けられている。この昇圧率切替え回路１７は、端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４に接続されている各白色発光ダイオードのカソード電圧を監視して昇圧率の切替えタイミングを検出し、該昇圧率切替え回路の出力信号ＢＭＣに応じて、前記チャージポンプ１１は１倍出力または１．５倍昇圧出力を行うように構成されている。

ここで、昇圧率切替え回路１７の設計思想を説明する。現在市場に提供されている白色発光ダイオードは、順方向電圧Ｖｆにばらつきを有しており、順方向電圧Ｖｆ以上の電圧がアノード端子に印加されないとダイオードは発光しない。そのため、上記実施形態のように、複数の白色発光ダイオードをアノードコモンに接続して、定電流回路によって各カソード端子からそれぞれ駆動電流を引き込んで発光させる場合、チャージポンプ１１の出力電圧が下がりダイオードのカソード電圧が下がると最も順方向電圧の高いものから発光しなくなる。その結果、白色発光ダイオードをバックライトとする液晶モニタでは、表示のむらが生じてしまう。

そこで、セットメーカは、できるだけ順方向電圧の揃ったダイオードを使用するように努力するが、それでもばらつき避けられない。一般には、使用するダイオードの順方向電圧の許容範囲を設定し、最小順方向電圧よりも大きく最大順方向電圧よりも小さいダイオードを選別して使用することとなる。従って、ＬＥＤドライバＩＣのダイオード接続端子の電位を監視して、その電位が（ＶＯＵＴ−最大順方向電圧）よりも低くなった場合にそれを検出してアノード電圧を高くするように制御すれば、電圧低下によるダイオードの発光停止を回避することができる。本実施形態のＬＥＤドライバＩＣでは、このような考えの下で上記昇圧率切替え回路１７が構成されている。

図２に、昇圧率切替え回路１７の具体的な回路例を示す。なお、図２においては、紙面の都合で、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４に接続される定電流源ＣＳ１〜ＣＳ４（図１参照）の図示を省略してある。

昇圧率切替え回路１７は、ダイオード接続端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４にそれぞれ反転入力端子が接続され、非反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ１が共通に印加された４個の電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４と、これらの電圧比較回路の出力の論理和をとるＯＲゲートＧ１と、該ＯＲゲートＧ１の出力をラッチするラッチ回路ＬＡＴとから構成されている。電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４とＯＲゲートＧ１とにより、ＬＥＤ端子電圧の監視手段が構成される。

ラッチ回路ＬＡＴは、ＯＲゲートＧ１の出力を入力とするＯＲゲートＧ２と、該ゲートの出力が入力端子にフィードバックされたＡＮＤゲートＧ３とを有し、ＡＮＤゲートＧ３の出力がＯＲゲートＧ２の他方の入力端子に入力されることで、ＯＲゲートＧ１の出力をラッチする。このラッチ回路は、チップ外部より入力されるイネーブル信号ＥＮが、インバータＩＮＶを介してＡＮＤゲートＧ３の他方の入力端子に入力されることによってラッチが解除されるように構成されている。

次に、昇圧率切替え回路１７の動作を詳しく説明する。上記実施形態のＬＥＤドライバＩＣにおいては、入力電圧Ｖｉｎを供給する電池電圧が充分高い場合には、チャージポンプ１１は入力電圧Ｖｉｎをそのまま出力電圧ＶＯＵＴとして、出力端子ＯＵＴより発光ダイオードのアノード端子へ印加するとともに定電流回路ＣＳ１〜ＣＳ４（図１）へ供給してカソード端子より駆動電流を引き込むことによって、発光ダイオードを点灯させる。このときＬＥＤ端子電位は参照電圧Ｖｒｅｆ１よりも高いため電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４の出力はいずれもロウレベルである。

その後、電池電圧が下がるとＶＯＵＴも下がり、ＶＯＵＴ−ＬＥＤ端子間電圧も小さくなるが、電池電圧が下がり続けるとＬＥＤ端子間電位は順方向電圧が最も大きいダイオードが接続されている端子の電位が最も早く参照電圧Ｖｒｅｆ１よりも小さくなる。すると、その端子に接続されている電圧比較回路の出力がハイレベルに変化して、ラッチ回路ＬＡＴによってラッチされ、その出力ＢＭＰがハイレベルにされる。これによって、チャージポンプ１１が１倍出力モードから１．５倍昇圧モードに切り替わる。その結果、チャージポンプ１１の出力電圧ＶＯＵＴが高くなり、電圧低下によるダイオードの発光停止が回避される。

なお、チャージポンプ１１の出力電圧ＶＯＵＴが高くなると、ＬＥＤ端子電圧も高くなり電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４の出力がすべてロウレベルになるが、ラッチ回路ＬＡＴが前の状態を保持しているため、１．５倍昇圧モードから元の１倍出力モードに戻ることはない。これにより、チャージポンプ１１が１倍出力モードと１．５倍昇圧モードを繰り返す発振状態になるのを防止することができる。

さらに、この実施形態では、４個の発光ダイオードのうち順方向電圧が最大のものが接続されているＬＥＤ端子電圧とＶＯＵＴとの電位差が、順方向電圧よりも小さくなると、できるだけ速やかに対応する電圧比較回路の出力がハイレベルに変化するように、参照電圧Ｖｒｅｆ１が決定されている。

電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４にヒステリシス特性を持たせようとすると、参照電圧Ｖｒｅｆ１をあまり下げることができないが、ラッチ回路ＬＡＴを設けたことによって電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４にヒステリシス特性を持たせる必要がなくなった。その結果、この実施形態では、参照電圧Ｖｒｅｆ１を０．１Ｖ以下に設定することができる。使用する発光ダイオードの最大順方向電圧を３．６Ｖとすると、入力電圧Ｖｉｎが３．７Ｖまで下がった時に昇圧率を１倍から１．５倍に切り替えることができる。

ＬＥＤドライバＩＣの入力電圧Ｖｉｎとチャージポンプの電力効率との関係は、図４に示すように、昇圧率の切替えポイントを境界に大きく変化するという特性があり、実線Ａで示すように昇圧率の切替えポイントの入力電圧が低い方が、一点鎖線Ｂで示すように昇圧率の切替えポイントの入力電圧が高い場合よりも効率が向上する。

電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４にヒステリシス特性を持たせると、参照電圧Ｖｒｅｆ１をあまり下げることができない。そのため、一点線Ｂで示すように、昇圧率の切替えポイントが高くなるが、ラッチ回路ＬＡＴを設けて電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４にヒステリシス特性を持たせる必要がなくなったことによって参照電圧Ｖｒｅｆ１を下げることができる。それによって、図４の実線Ａで示すように、昇圧率の切替えポイントを下げることができ、電力効率を向上させることができるようになる。具体的には、本実施形態を適用することによって、切替えポイントを３．７Ｖまで下げることができ、電力効率を６０％以上に維持することができることが分かった。

図６に、図２の昇圧率切替え回路１７で電圧比較回路を１つだけ設けたものについてシミュレーションを行なった結果を示す。なお、このシミュレーションでは、回路の電源電圧ＶＤＤは一定とした。図６において、ＶＬＥＤは発光ダイオードが接続される端子の電圧、ＣＭＰは電圧比較回路の出力である。

タイミングｔ１で電源電圧ＶＤＤを立上げ、電圧比較回路の入力電圧に相当するＬＥＤ端子電圧ＶＬＥＤを２Ｖから徐々に下げて行ったところ、参照電圧Ｖｒｅｆ１の０．１Ｖに達した時点ｔ２で、電圧比較回路の出力ＣＭＰがハイレベルに変化し、ラッチ回路の出力ＢＭＣがハイレベルに変化した。その後、ＬＥＤ端子電圧ＶＬＥＤを０Ｖから徐々に上げて行ったところ、参照電圧Ｖｒｅｆ１の０．１Ｖを越えた時点ｔ３で、電圧比較回路の出力ＣＭＰがロウレベルに変化したが、ラッチ回路の出力ＢＭＣはハイレベルを保持していた。

また、タイミングｔ４でイネーブル信号ＥＮをロウレベルに変化させたところ、ラッチ回路の出力ＢＭＣはロウレベルに変化した。その後、タイミングｔ５でイネーブル信号ＥＮをハイレベルに変化させたが、何ら変化は起きずラッチ回路の出力ＢＭＣはロウレベルをキープし、タイミングｔ６でＬＥＤ端子電圧ＶＬＥＤが参照電圧Ｖｒｅｆ１の０．１Ｖに達して、電圧比較回路の出力ＣＭＰがハイレベルに変化し、ラッチ回路の出力ＢＭＣがハイレベルに変化した。これより、図２の昇圧率切替え回路１７は設計どおり動作し、チャージポンプの発振動作を回避できることが確認できた。

図５には、本発明を適用した白色ＬＥＤドライバＩＣの第２の実施形態における昇圧率切替え回路１７の構成例が示されている。第１の実施形態の白色ＬＥＤドライバＩＣは、電流引込み型のドライバであるのに対し、第２の実施形態の白色ＬＥＤドライバＩＣは電流出力型のドライバである。

この実施形態においては、チャージポンプ１１の出力電圧ＶＯＵＴを電源電圧として定電流を生成する定電流源ＣＳ１〜ＣＳ４が設けられ、該定電流源ＣＳ１〜ＣＳ４からの電流が、ＬＥＤ接続用端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４にそれぞれアノード端子が接続されている白色発光ダイオードに駆動電流として出力される。

また、ＬＥＤ接続用端子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４にそれぞれ反転入力端子が接続され、非反転入力端子に参照電圧Ｖｒｅｆ２が共通に印加された４個の電圧比較回路ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４と、これらの電圧比較回路の出力の論理和をとるＯＲゲートＧ１と、該ＯＲゲートＧ１の出力をラッチするラッチ回路ＬＡＴとが設けられている。ラッチ回路ＬＡＴは、図２に示されているものと同じ構成でよいので、図示および説明を省略する。

この実施形態においては、参照電圧Ｖｒｅｆ２は、使用する発光ダイオードの最大順方向電圧よりも０．１Ｖ高い３．７Ｖのような値に設定される。最大順方向電圧よりも高く、発光ダイオードの最大順方向電圧＋０．１Ｖ以下に設定することにより、チャージポンプの電力効率を向上させることができる。

回路の動作は、図２のものとほぼ同様であり、電池電圧が下がるとＶＯＵＴ−ＬＥＤ端子間電圧も小さくなるが、このときＶＯＵＴ−ＬＥＤ端子間電圧は順方向電圧が最も大きいダイオードが接続されている端子の電位とＶＯＵＴとの電位差が最も小さくなる。そして、順方向電圧が最大のものが接続されているＬＥＤ端子電圧が順方向電圧よりも小さくなると、端子電圧がＶｒｅｆ２よりも低くなる。その結果、その端子に接続されている電圧比較回路の出力がハイレベルに変化してラッチ回路ＬＡＴがラッチ動作してチャージポンプ１１が１倍出力モードから１．５倍昇圧モードに切り替わり、チャージポンプ１１の出力電圧ＶＯＵＴが高くされて、電圧低下によるダイオードの発光停止が回避されるとともに、チャージポンプの発振が防止される。

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、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、駆動可能な発光ダイオードの数が４個であるドライバＩＣを示したが、発光ダイオードの数が５個以上である場合にも適用することができる。

また、前記実施形態では、昇圧率切替え回路１７のラッチ回路ＬＡＴをチップ外部より入力されるイネーブル信号ＥＮによってラッチ解除できるように構成したが、制御ロジック１２が、図示しない入力電圧検出回路からの信号等により、入力電圧が充分に高くなったことを検知した場合に、ラッチ回路ＬＡＴをリセットしてラッチを解除するように構成してもよい。

以上の説明では、本発明を液晶モニタのバックライトとして使用される白色発光ダイオードを点灯するＬＥＤドライバＩＣ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、昇圧した電圧を発生し出力電流を制御したいＩＣに広く利用することができる。

本発明を適用したＬＥＤ駆動装置（ＬＥＤドライバＩＣ）の第１の実施形態を示すブロック構成図である。実施形態のＬＥＤドライバＩＣにおける昇圧率切替え回路の具体例を示す回路構成図である。実施形態のＬＥＤドライバＩＣにおけるチャージポンプの１．５倍昇圧の動作原理を示す回路説明図である。実施形態のＬＥＤドライバＩＣにおける昇圧率切替え可能なチャージポンプの入力電圧と電力効率との関係を示す特性図である。本発明を適用したＬＥＤ駆動装置（ＬＥＤドライバＩＣ）の第２の実施形態を示すブロック構成図である。第１の実施形態のＬＥＤドライバＩＣにおける昇圧率切替え回路についてシミュレーションを行なった結果を示すタイミングチャートである。本発明に先立って検討したＬＥＤドライバにおけるＬＥＤ端子電圧監視回路の一例を示す回路構成図である。

符号の説明

１０ＬＥＤドライバＩＣ
１１チャージポンプ
１２制御ロジック
１３基準電圧発生回路
１４定電流制御回路
１５カレントミラー回路
１７昇圧率切替え回路
ＬＡＴラッチ回路
ＯＳＣ発振回路
ＣＳ１〜ＣＳ４定電流源
ＣＭＰ１〜ＣＭＰ４電圧比較回路
ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４発光ダイオード接続端子

Claims

入力電圧を昇圧して出力可能であって昇圧率を段階的に切り替え可能な昇圧回路からの電圧によって複数の発光ダイオードにそれぞれ流す所定の駆動電流を生成し出力するＬＥＤ駆動装置であって、
前記複数の発光ダイオードの各アノード端子電圧またはカソード端子電圧を監視し前記昇圧回路の昇圧率を切り替える信号を生成する昇圧率切替え回路を備え、
前記昇圧率切替え回路は、
前記複数の発光ダイオードの各アノード端子もしくはカソード端子の電圧と発光ダイオードの最大順方向電圧に対応して設定された参照電圧とを比較する複数の電圧比較回路と、
前記複数の電圧比較回路の出力の論理和に相当する状態をラッチ可能なラッチ回路と、を備え、
前記複数の電圧比較回路のうち少なくとも１つが、前記アノード端子もしくはカソード端子の電圧が前記参照電圧よりも低くなったことを検出した場合に、前記昇圧回路の昇圧率を高い方へ切り替える信号を出力するように構成したことを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
発光ダイオードをそれぞれ接続可能な複数の外部端子と、電池電圧を入力電圧として受け昇圧した電圧を出力可能であって昇圧率を２段階に切り替え可能な昇圧回路と、該昇圧回路からの電圧を受けて複数の発光ダイオードにそれぞれ流す所定の駆動電流を生成する複数の定電流回路と、を備え、１つの半導体チップ上に形成されたＬＥＤ駆動装置であって、
前記複数の発光ダイオードの各アノード端子電圧またはカソード端子電圧を監視し前記昇圧回路の昇圧率を切り替える信号を生成する昇圧率切替え回路を備え、
前記昇圧率切替え回路は、
前記複数の発光ダイオードの各アノード端子もしくはカソード端子の電圧と発光ダイオードの最大順方向電圧に対応して設定された参照電圧とを比較する複数の電圧比較回路と、
前記複数の電圧比較回路の出力の論理和をとる論理ゲート回路と、
該論理ゲート回路の出力をラッチするラッチ回路と、を備え、
前記複数の電圧比較回路のうち少なくとも１つが、前記アノード端子もしくはカソード端子の電圧が前記参照電圧よりも低くなったことを検出した場合に、前記昇圧回路の昇圧率を高い方へ切り替える信号を出力するように構成したことを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
前記複数の定電流回路は、
それぞれ前記複数の発光ダイオードが接続可能な前記外部端子から発光ダイオードの駆動電流を引き込むように構成され、
前記参照電圧は０．１Ｖ以下に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記複数の定電流回路は、
それぞれ前記複数の発光ダイオードが接続可能な前記外部端子から発光ダイオードの駆動電流を出力するように構成され、
前記参照電圧は、発光ダイオードの最大順方向電圧よりも高く、発光ダイオードの最大順方向電圧＋０．１Ｖ以下に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記ラッチ回路は、前記半導体チップの外部より供給される制御信号によってラッチ状態が解除可能に構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置。