JP2014093842A - Led drive circuit for flash and electronic apparatus provided with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フラッシュ用LED駆動回路に関する。 The present invention relates to a flash LED drive circuit.
スマートフォンなどの携帯機器において、カメラの高性能化に伴い、フラッシュライト用のLED(発光ダイオード)を大電流で駆動するため、電池を電源として電気二重層コンデンサに電力を充電するための昇圧回路と、前記電気二重層コンデンサから前記LEDにフラッシュ用の電流を流すことにより前記LEDを駆動するドライバ回路が利用されている。電気二重層コンデンサは、電気二重層という物理現象を利用した大容量のコンデンサであり、携帯機器に載せられるような大きさのものでも耐圧5.5V程度で0.3F以上の容量をもつものがある。電池は大きな内部抵抗を含んでおり、大電流を流しにくいということがあり、大容量のコンデンサを利用している。 In a portable device such as a smartphone, a booster circuit for charging an electric double layer capacitor with a battery as a power source in order to drive a flashlight LED (light emitting diode) with a large current as the performance of the camera increases. A driver circuit that drives the LED by passing a flash current from the electric double layer capacitor to the LED is used. An electric double layer capacitor is a large-capacity capacitor using a physical phenomenon called an electric double layer, and a capacitor having a capacity of about 0.3 V or more with a withstand voltage of about 5.5 V, even if it is large enough to be mounted on a portable device. is there. A battery includes a large internal resistance, and it may be difficult to pass a large current, and a large capacity capacitor is used.
フラッシュ用LED駆動回路に関する発明としては、例えば特許文献1や特許文献2に開示されている発明がある。特に特許文献1に開示されている発明においては、電池から昇圧回路により電気二重層コンデンサを十分な電圧まで充電した後、定電流回路によりLEDをフラッシュ点灯させるようにしている。
As inventions related to flash LED drive circuits, there are inventions disclosed in, for example, Patent Document 1 and
ここで、特許文献1のフラッシュ用LED駆動回路を若干変形させた従来のフラッシュ用LED駆動回路の構成を図5に示す。図5に示す従来のフラッシュ用LED駆動回路110は、昇圧回路102と、電気二重層コンデンサ103と、定電流回路105と、フラッシュ電流駆動回路106と、を備えている。
Here, FIG. 5 shows a configuration of a conventional flash LED drive circuit in which the flash LED drive circuit of Patent Document 1 is slightly modified. A conventional flash
電池101の電圧を入力電圧とする昇圧回路102は、コイルL101と、NMOS1021と、PMOS1022と、NMOS1021及びPMOS1022をオンオフ制御する昇圧制御回路1023と、を含んでいる。
A
昇圧回路102の出力端には、電気二重層コンデンサ103の一端が接続されると共に、LED104のアノードに接続される。
One end of the electric
LED104のカソードには、定電流回路105が接続されると共に、フラッシュ電流駆動回路106が接続される。フラッシュ電流駆動回路106は、ドレインがLED104のカソードに接続され、ソースが電流制限抵抗R101の一端に接続され、ゲートがフラッシュLED電流制御回路1061に接続されるパワーMOS1062を含んでいる。フラッシュLED電流制御回路1061によってパワーMOS1062のオンオフが制御される。
A constant
次に、図5に示す従来のフラッシュ用LED駆動回路110における低電流駆動からフラッシュ電流駆動に移行する場合の動作について、効率を重視した場合と、応答性を重視した場合に分けて説明する。
Next, the operation of the conventional flash
まず、効率を重視した場合の、電気二重層コンデンサ103の電圧VCAP、LED104のカソード電圧VLED、及びLED104に流れるLED電流ILEDの各波形の一例を図6に示す。
First, FIG. 6 shows an example of each waveform of the voltage VCAP of the electric
定電流回路105によりLED104に低電流を流す低電流駆動時は、フラッシュLED電流制御回路1061によってパワーMOS1062はオフとされ、定電流回路105に高い電圧が印加されないようVLEDを低く設定して定電流回路105の損失を小さくして高効率化を図る。これにより、低電流に対応したLED104の順方向電圧VFだけVLEDよりも高い電圧であるVCAPも低く設定される。
At the time of low current driving in which a low current is supplied to the
従って、低電流駆動からフラッシュ電流駆動(パワーMOS1062はオンとされる)に移行しようとすれば、フラッシュ電流を流せるLED104の順方向電圧VFに対応した高い電圧までVCAPが上昇するための電気二重層コンデンサ103の充電期間が必要となる。例えば、電気二重層コンデンサ103の容量が1Fで、充電電流を0.5Aとし、LED104の必要な順方向電圧VFが低電流駆動時とフラッシュ電流駆動時で1V違うとすると、充電時間は2秒となり、低電流駆動からフラッシュ電流駆動への移行にかなり時間がかかることになる。
Therefore, if it is attempted to shift from the low current drive to the flash current drive (the power MOS 1062 is turned on), the electric double layer for increasing VCAP to a high voltage corresponding to the forward voltage VF of the
一方、応答性を重視した場合の、電気二重層コンデンサ103の電圧VCAP、LED104のカソード電圧VLED、及びLED104に流れるLED電流ILEDの各波形の一例を図7に示す。
On the other hand, FIG. 7 shows an example of each waveform of the voltage VCAP of the electric
この場合、図7に示すように、低電流駆動からフラッシュ電流駆動に即時に移行できるようにするため、低電流駆動時においてVCAPをフラッシュ電流を流せる程度の高い電圧に設定している。しかしながら、低電流駆動時においてVLEDも高い電圧に設定されてしまうので、定電流回路105の損失が大きくなり、効率が低下する。
In this case, as shown in FIG. 7, VCAP is set to a voltage high enough to allow the flash current to flow during the low current drive so that the low current drive can be immediately shifted to the flash current drive. However, since the VLED is also set to a high voltage at the time of low current driving, the loss of the constant
上記問題点に鑑み、本発明は、低電流駆動からフラッシュ電流駆動への移行の応答性を良好とし、且つ高効率化を図れるフラッシュ用LED駆動回路を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a flash LED drive circuit that can improve the response of the transition from low current drive to flash current drive and achieve high efficiency.
上記目的を達成するために本発明は、
電池の電圧を入力電圧とする昇圧回路と、
前記昇圧回路により充電され、出力電流によりLED素子を駆動する電気二重層コンデンサと、
前記電気二重層コンデンサを入力電源とし前記LED素子のカソード側を出力とする降圧回路と、
大電流を前記LED素子に流すためのパワースイッチ素子と、
を備えるフラッシュ用LED駆動回路としている。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A booster circuit using the battery voltage as an input voltage;
An electric double layer capacitor that is charged by the booster circuit and drives the LED element by an output current;
A step-down circuit having the electric double layer capacitor as an input power source and the cathode side of the LED element as an output;
A power switch element for flowing a large current through the LED element;
The flash LED drive circuit is provided.
また、上記構成において、前記昇圧回路は、コイルと、主スイッチング素子と、整流素子と、前記主スイッチング素子及び前記整流素子をオンオフ制御する制御回路と、を有する構成としてもよい。 In the above configuration, the booster circuit may include a coil, a main switching element, a rectifying element, and a control circuit that controls on / off of the main switching element and the rectifying element.
また、上記いずれかの構成において、前記降圧回路は、コイルと、主スイッチング素子と、整流素子と、前記主スイッチング素子及び前記整流素子をオンオフ制御する制御回路と、を有する構成としてもよい。 In any of the above-described configurations, the step-down circuit may include a coil, a main switching element, a rectifying element, and a control circuit that controls on / off of the main switching element and the rectifying element.
また、上記構成において、前記昇圧回路の有するコイル、主スイッチング素子及び整流素子を前記降圧回路用に使用するための切替えスイッチを更に備える構成としてもよい。 Further, in the above configuration, a configuration may further include a changeover switch for using the coil, the main switching element, and the rectifying element of the booster circuit for the step-down circuit.
また、本発明は、上記いずれかの構成のフラッシュ用LED駆動回路と、前記フラッシュ用LED駆動回路により駆動されるLED素子と、を備えた電子機器とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus including the flash LED driving circuit having any one of the above configurations and an LED element driven by the flash LED driving circuit.
本発明によると、低電流駆動からフラッシュ電流駆動への移行の応答性を良好とし、且つ高効率化を図れる。 According to the present invention, the response from the low current driving to the flash current driving can be improved and the efficiency can be improved.
(第1実施形態)
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の第1実施形態に係るフラッシュ用LED駆動回路の構成を図1に示す。図1に示すフラッシュ用LED駆動回路121は、昇圧回路2と、電気二重層コンデンサ3と、降圧回路4と、フラッシュ電流駆動回路6と、を備えている。フラッシュ用LED駆動回路121の構成の上述した図5で示した従来構成との相違点としては、定電流回路105を設けず、電気二重層コンデンサ3を入力電源としLED5(LED素子)のカソード側を出力とする降圧回路4を設けたことである。
(First embodiment)
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the flash LED drive circuit according to the first embodiment of the present invention. The flash
なお、図1に示す電池1、フラッシュ用LED駆動回路121、及びLED5は、例えばスマートフォンなどの電子機器に備えられる。
The battery 1, the flash
昇圧回路2は、リチウムイオン電池などから構成される電池1の電圧を入力電圧として一定の電流で電気二重層コンデンサ3を充電する機能を有する。
The step-
昇圧回路2内のNMOS21(主スイッチング素子)とPMOS22(整流素子)は昇圧制御回路23によってオンオフ制御され、スイッチング動作の必要な期間では一方がオンの時に他方はオフになるように動作し、それ以外の期間は両方オフになるように動作する。なお、PMOS22はダイオード、又はショットキーダイオードなどに置き換えてもよい。
The NMOS 21 (main switching element) and the PMOS 22 (rectifier element) in the
昇圧制御回路23は、NMOS21及びPMOS22のオンオフ期間を制御するため、コイルL1又はPMOS22又はNMOS21の電流を検出する回路を持ち、コイルL1の電流IL1を制限することにより、電気二重層コンデンサ3への充電電流を制御する。
The step-up
また、昇圧制御回路23は、昇圧回路2の出力電圧VCAPを検出する検出回路を用いてVCAPを制御する。例えば、VCAPが或る設定電圧以下になると、昇圧動作により一定電流を電気二重層コンデンサ3に流し、充電が開始され、VCAPが或る設定電圧以上になると、電流出力を止めるという方法で制御してもよい。また、VCAPを或る目標電圧値に常に制御するフィードバック制御としてもよい。
The
降圧回路4は、LED5を低電流駆動する場合に電気二重層コンデンサ3を入力電源として、LED5に或る目標電流を流すために必要な順方向電圧VFを確保できるようにLED5のカソード電圧VLEDを制御する機能を有する。
The step-down circuit 4 uses the electric double layer capacitor 3 as an input power source when the
降圧回路4は、電気二重層コンデンサ3の一端とLED5のアノードとの接続点とグランド電位との間に直列接続されたPMOS41及びNMOS42と、降圧制御回路43と、PMOS41とNMOS42との接続点に一端が接続されたコイルL2と、コイルL2の他端に一端が接続されたコンデンサC1と、コイルL2とコンデンサC1の接続点に一端が接続されてLED5のカソードとパワーMOS62のドレインの接続点に他端が接続されたスイッチSW1と、を備えている。
The step-down circuit 4 includes a PMOS 41 and an
降圧回路4内のPMOS41(主スイッチング素子)とNMOS42(整流素子)は降圧制御回路43によってオンオフ制御され、低電流駆動時には一方がオンの時に他方はオフになるように動作し、それ以外では両方ともオフになるように動作する。なお、NMOS42はダイオード、又はショットキーダイオードなどに置き換えてもよい。
The PMOS 41 (main switching element) and the NMOS 42 (rectifier element) in the step-down circuit 4 are on / off controlled by the step-down
スイッチSW1は、降圧回路4が動作する場合にはオンで、それ以外ではオフとなるように動作する。 The switch SW1 is turned on when the step-down circuit 4 is operated, and is turned off otherwise.
降圧制御回路43は、PMOS41及びNMOS42のオンオフ期間を制御するため、コイルL2またはPMOS41またはNMOS42の電流を検出する回路を持ち、コイルL2に流れる電流IL2を制御することにより、LED5の電流を決めることができる。例えば、制御方法としては電流IL2をフィードバックする電流制御とし、電圧のフィードバックを行わず、電流源としての動作をすることによってLED5の電流を制御することができる。
The step-down
フラッシュ電流駆動回路6は、パワーMOS62(パワースイッチ素子)と、電流制限抵抗 R1と、フラッシュLED電流制御回路61を有し、フラッシュ電流駆動期間にパワーMOS62をオンにすることによりLED5にフラッシュ電流(大電流)を流すことができる。フラッシュ電流の調整をする場合はこのオン期間の調整によりデューティ比を制御し、PWM(パルス幅変調)としておこなってもよい。なお、フラッシュ電流駆動期間ではスイッチSW1はオフとされる。
The flash current drive circuit 6 has a power MOS 62 (power switch element), a current limiting resistor R1, and a flash LED
本実施形態に係る構成で低電流駆動からフラッシュ電流駆動に切り替えた場合の電圧及び電流波形の一例を図2に示す。なお、図2において、LED電流が低電流駆動期間でリップルを含んでいるが、これは低電流駆動期間では降圧回路4を動作させ、コイルL2に流れる電流は三角波となり、コンデンサC1は大容量ではないので三角波が或る程度LED電流に影響するからである。 FIG. 2 shows an example of voltage and current waveforms when switching from low current driving to flash current driving in the configuration according to the present embodiment. In FIG. 2, the LED current includes ripples in the low current driving period. This causes the step-down circuit 4 to operate in the low current driving period, and the current flowing in the coil L2 becomes a triangular wave, and the capacitor C1 has a large capacity. This is because the triangular wave affects the LED current to some extent because it is not.
電気二重層コンデンサ3の電圧VCAPをフラッシュ電流駆動に必要な電圧(フラッシュ電流を流せるLED5の順方向電圧VFに対応した電圧)を保持した状態であるため、低電流からフラッシュ電流への切り替えは即時に行える。また、VCAPをフラッシュ電流駆動に必要な電圧を保持した状態にした図5に示した従来の構成に比べ、低電流駆動時に定電流回路105で消費される電力は効率の良い降圧回路4(一般的には効率が80%以上)に置き換わっているため、効率が高い状態で低電流駆動することができる。
Since the voltage VCAP of the electric double layer capacitor 3 holds the voltage necessary for driving the flash current (the voltage corresponding to the forward voltage VF of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係るフラッシュ用LED駆動回路の構成を図3に示す。図3に示すフラッシュ用LED駆動回路122は、スイッチング回路8と、電気二重層コンデンサ9と、フラッシュ電流駆動回路11と、定電流回路12と、切替え制御回路13と、スイッチSW2及びSW3(切替えスイッチ)と、コンデンサC2と、を備えている。
(Second Embodiment)
Next, FIG. 3 shows the configuration of the flash LED drive circuit according to the second embodiment of the present invention. 3 includes a
なお、図3に示す電池7、フラッシュ用LED駆動回路122、及びLED10は、例えばスマートフォンなどの電子機器に備えられる。
Note that the battery 7, the flash
スイッチング回路8は、コイルL3と、NMOS81と、PMOS82と、スイッチング制御回路83と、を有しており、昇圧動作と降圧動作の両方を行える。
The
スイッチング回路8内のNMOS81とPMOS82は、スイッチング制御回路83によってオンオフ制御され、スイッチング動作の必要な期間では一方がオンの時に他方はオフになるように動作し、それ以外の期間は両方オフになるように動作する。
The
フラッシュ電流駆動回路11は、フラッシュLED電流制御回路111と、パワーMOS112と、電流制限抵抗R2と、を有している。パワーMOS112は、低電流駆動時はオフとされ、フラッシュ電流駆動時にオンとされる。
The flash
本実施形態に係るフラッシュ用LED駆動回路122の低電流駆動時における電圧及び電流波形の一例を図4に示し、以下、低電流駆動時の動作について説明する。
FIG. 4 shows an example of voltage and current waveforms when the flash
切替え制御回路13は、電気二重層コンデンサ9の電圧VCAPが或る設定電圧Vth1より低くなったことを検出すると、スイッチSW2はオン、スイッチSW3はオフとし、スイッチング制御回路83に昇圧動作の開始を指令する。これにより、スイッチング回路8は、電池7の電圧を入力電圧として昇圧動作を開始し(この場合、NMOS81が主スイッチング素子、PMOS82が整流素子として機能する)、電気二重層コンデンサ9への充電が開始され、VCAPは上昇する。このとき、切替え制御回路13は、定電流回路12をオンとし、定電流回路12を補助的に使用してLED10を低電流駆動する。
When the switching
また、切替え制御回路13は、VCAPが或る設定電圧Vth2より高くなったことを検出すると、スイッチSW2はオフ、スイッチSW3はオンとし、スイッチング制御回路83に降圧動作の開始を指令する。このとき、切替え制御回路13は、定電流回路12はオフとする。
Further, when the switching
これにより、スイッチング回路8とコンデンサC2は、電気二重層コンデンサ9を入力電源とし、LED10のカソード側を出力とする降圧回路として動作し(この場合、PMOS82が主スイッチング素子、NMOS81が整流素子として機能する)、LED10に流れる電流ILEDが或る設定電流に制御され、LED10が低電流駆動される。このとき、VCAPは降下する。なお、図4において、ILEDにリップルが含まれるが、これは降圧動作時にコイルL3に流れる電流IL3は三角波となり、コンデンサC2は大容量でないのでILEDが三角波の影響を或る程度受けるからである。
As a result, the switching
以上のような制御による低電流駆動期間において、VCAPはフラッシュ電流駆動に必要な電圧を保持した状態に制御される。従って、パワーMOS112がオンとされると、即時にフラッシュ電流をLED10に流すことが可能となる。本実施形態であれば、低電流駆動時に定電流回路12を使用せずにスイッチング回路8を降圧動作させる期間があるため、電力損失を低減し、高効率化を図ることができる。
In the low current driving period by the control as described above, the VCAP is controlled so as to hold the voltage necessary for the flash current driving. Therefore, when the
更に、本実施形態であれば、図1の構成に比べてコイルを1つにまとめることができ、コスト削減が可能となる。 Furthermore, according to the present embodiment, the coils can be combined into one as compared with the configuration of FIG. 1, and the cost can be reduced.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。また、本発明の実施形態に係るフラッシュ用LED駆動回路は、小型高効率な回路として、特に、携帯電話、スマートフォン、デジタルカメラなどの電子機器に用いると好適である。 The embodiment of the present invention has been described above, but the embodiment can be variously modified within the scope of the gist of the present invention. In addition, the flash LED drive circuit according to the embodiment of the present invention is particularly suitable for use as an electronic device such as a mobile phone, a smartphone, or a digital camera as a small and highly efficient circuit.
1 電池
2 昇圧回路
21 NMOS
22 PMOS
23 昇圧制御回路
L1 コイル
3 電気二重層コンデンサ
4 降圧回路
41 PMOS
42 NMOS
43 降圧制御回路
L2 コイル
C1 コンデンサ
SW1 スイッチ
5 LED
6 フラッシュ電流駆動回路
61 フラッシュLED電流制御回路
62 パワーMOS
R1 電流制限抵抗
7 電池
8 スイッチング回路
81 NMOS
82 PMOS
83 スイッチング制御回路
L3 コイル
9 電気二重層コンデンサ
10 LED
11 フラッシュ電流駆動回路
111 フラッシュLED電流制御回路
112 パワーMOS
R2 電流制限抵抗
12 定電流回路
13 切替え制御回路
SW2、SW3 スイッチ
C2 コンデンサ
121、122 フラッシュ用LED駆動回路
1
22 PMOS
23 Step-up control circuit L1 Coil 3 Electric double layer capacitor 4 Step-down circuit 41 PMOS
42 NMOS
43 Step-down control circuit L2 Coil C1
6 Flash
R1 Current limiting resistor 7
82 PMOS
83 Switching control
11 Flash
R2 current limiting resistor 12 constant
Claims (5)
前記昇圧回路により充電され、出力電流によりLED素子を駆動する電気二重層コンデンサと、
前記電気二重層コンデンサを入力電源とし前記LED素子のカソード側を出力とする降圧回路と、
大電流を前記LED素子に流すためのパワースイッチ素子と、
を備えることを特徴とするフラッシュ用LED駆動回路。 A booster circuit using the battery voltage as an input voltage;
An electric double layer capacitor that is charged by the booster circuit and drives the LED element by an output current;
A step-down circuit having the electric double layer capacitor as an input power source and the cathode side of the LED element as an output;
A power switch element for flowing a large current through the LED element;
A flash LED driving circuit comprising:
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