JP4246029B2

JP4246029B2 - Ｌｅｄ駆動回路並びにその省電力化方法

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Publication number: JP4246029B2
Application number: JP2003348258A
Authority: JP
Inventors: 一雄関家
Original assignee: Aomori Support Center for Industrial Promotion
Current assignee: Aomori Support Center for Industrial Promotion
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: JP2005116738A

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）の発光を制御するＬＥＤ駆動回路と、その消費する無駄な電力を削減する省電力化方法に関する。

特に本発明は、液晶表示装置のバックライトに適用する光源としてのＬＥＤの駆動に好適である。

ＬＥＤは、電流に応じて輝度、あるいは光束が変化するが、製造上のばらつきにより同じ電流を流しても順方向電圧降下はＬＥＤの個体によって異なっている。そのため、複数のＬＥＤに同じ電圧をかけても電流がばらついてしまい、輝度が同じにならない。

そのため、ＬＥＤ駆動回路としては、一般に、電流制御回路をＬＥＤと直列に入れて電流を制御し、各ＬＥＤに流れる電流が同じになるようにして輝度の制御を行っている。

図２に、従来のＬＥＤ駆動回路の代表的な回路例を示す。ただし、ＬＥＤ駆動回路を図２の構成に限定するものではない。

以下、従来のＬＥＤ駆動回路について、図２を用いて説明する。

図２では、ＬＥＤ７を３ケずつ直列にした点灯部に、電流制御用のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）５と電流をセンスするセンス抵抗６が直列に入った構成になっている。また、ＦＥＴ５のゲート電圧は、センス抵抗６のセンス電圧を基準として、オペアンプ４で制御される。

ここで、図２では、ＬＥＤ７を３ケずつ直列にした点灯部が３ブロックの場合を図示しているが、これに限定するものではなく、1ブロック以上任意のブロック数とすることができる。また、ＬＥＤの直列個数についても何個としても良い。

なお、図２における主な記号の説明をすると、点灯部の各ブロックに対して１〜３のブロック番号を付け、そのブロック番号値を＃として、ＬＥＤ７をＬＥＤ＃1〜＃3と示し、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）５をＦＥＴ＃、センス抵抗６をＲsense＃、オペアンプ４をＯＰ＃と表示している。ここで、１〜３の各ブロックは、Block＃の別々の信号で点灯を指定される。

図２における左端のＶＲrefとＯＰrefは、ＬＥＤの輝度を指定するためのボリュームであり、ＯＰrefの出力電圧に、各ブロックの電流センス抵抗Ｒsense＃で発生する電圧が等しくなるように、ＯＰ＃からＦＥＴ＃への出力電圧を制御する。ＬＥＤコントローラ２においては、Block＃の信号がHi（例えば、５Ｖ）のときＯＰ＃へは、ＯＰref電圧を渡して点灯させ、Lo（例えば、０Ｖ）のときＯＰ＃へは０Ｖ（ＧＮＤ）電圧をわたして消灯させる。

３は、ＬＥＤ用の電源である定電圧電源であり、ＡＣ（交流）電源または何らかのＤＣ（直流）電源からＬＥＤ点灯用のＤＣの電圧を生成するＤＣコンバータで構成される。

一般に、ＤＣコンバータは、出力電圧を一定に保つために、出力電圧をセンスして監視する機能を有しており、そのセンスする電圧を変更すれば、ある範囲において出カ電圧を変更することができる。

なお、直列接続した複数個のＬＥＤを定電流トランジスタ回路で駆動する技術については、例えば、特許文献１にも開示されている。
特開平5-191568号公報

ところで、ＬＥＤ用の電源である定電圧電源３は、ＬＥＤの特性のばらつきによる順方向電圧降下の最悪値よりも高い電圧になっていなければならない。定電圧電源３の電圧からＬＥＤ７による実際の順方向電圧降下を引いた残りの電圧は、電流制御回路のトランジスタであるＦＥＴ５とセンス抵抗６が負担するが、そのＦＥＴ５で負担している電圧×電流の電力は、ただ熱になるだけの無駄な電力である。

また、従来のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤ用電源として定電圧電源を利用し、特性にばらつきのあるＬＥＤの最悪の場合に合わせてＬＥＤ用電源電圧を決めており、必然的に高めの定電圧とされることから無駄な電力の発生を余儀なくされていた。

本発明は、このような無駄な電力を削減可能としたＬＥＤ駆動回路とその省電力化方法を提供するものである。

本発明は、その電流制御回路で使われる制御信号を監視することで、ＬＥＤの順方向電圧降下が小さくて、すなわちＬＥＤの性能が良くてＦＥＴの負担電圧が大きくなってしまう場合には、ＬＥＤ用電源の電圧そのものを下げることで、ＦＥＴが消費する無駄な電力を減らし、省電力化を実現するものである。

本発明は、以下の各項記載のＬＥＤ駆動回路とその省電力化方法によって上記課題を解決した。
(1) 可変電圧電源と、該可変電圧電源に直列に接続した複数のＬＥＤと、該複数のＬＥＤに対してさらに直列に接続したＦＥＴと、該ＦＥＴとアース間に配し、電流値をセンスするセンス抵抗と、該センス抵抗にかかる電圧値を基準として、制御する電流に応じて前記ＦＥＴにゲート電圧を印加する電流制御用のオペアンプと、前記ＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するモニタ回路と、を有してなり、該モニタ回路には、あらかじめ、前記複数のＬＥＤを駆動する電流値に対応して前記ＦＥＴが負担することになる電圧降下分に相当するゲート電圧であって、前記複数のＬＥＤの規格上許容される最大ばらつき分を含んで算出されたゲート電圧の最小値が格納されており、該モニタ回路において、前記ゲート電圧をモニタし、制御する電流値に応じて前記ゲート電圧の最小値と比較し、前記ゲート電圧が前記ゲート電圧の最小値より小の場合に、前記可変電圧電源に設定する電源電圧値を下げる方向に制御し、消費する電力が最小となるように制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
(2) 上記(1)に記載のＬＥＤ駆動回路であって、さらに、前記複数のＬＥＤを可変電圧電源に対して並列に複数ブロック配置し、複数のＬＥＤ各ブロックにおいてＦＥＴとセンス抵抗が各々さらに直列に接続されており、前記モニタ回路において、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するに際し、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧の電圧値のうち、最も高い電圧値を基準として前記可変電圧電源の電圧値を制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
(3) 電源に直列に接続した複数のＬＥＤに対してＦＥＴとセンス抵抗をさらに直列に接続し、該ＦＥＴにゲート電圧を印加する電流制御用のオペアンプで、該センス抵抗にかかる電圧値を基準として、制御する電流に応じてゲート電圧を制御して前記複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路の省電力化方法であって、前記電源を可変電圧電源とし、前記ＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として該可変電圧電源の電圧を制御するモニタ回路を具備し、該モニタ回路には、あらかじめ、前記複数のＬＥＤを駆動する電流値に対応して前記ＦＥＴが負担することになる電圧降下分に相当するゲート電圧であって、前記複数のＬＥＤの規格上許容される最大ばらつき分を含んで算出されたゲート電圧の最小値を格納しておき、該モニタ回路において、前記ゲート電圧をモニタし、制御する電流値に応じて前記ゲート電圧の最小値と比較し、前記ゲート電圧が前記ゲート電圧の最小値より小の場合に、前記可変電圧電源に設定する電源電圧値を下げる方向に制御し、消費する電力を最小とすることを特徴とするＬＥＤ駆動回路の省電力化方法。
(4) 上記(3)に記載のＬＥＤ駆動回路の省電力化方法であって、さらに、前記複数のＬＥＤを電源に対して並列に複数ブロック配置し、複数のＬＥＤ各ブロックにおいて電流制御回路のＦＥＴとセンス抵抗が各々さらに直列に接続してなる場合において、前記モニタ回路において、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するに際し、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧の電圧値のうち、最も高い電圧値を基準として前記可変電圧電源の電圧値を制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路の省電力化方法。

本発明によって、従来無駄に消費されていたＦＥＴにおける電力を削減することが可能となり、ＬＥＤ駆動回路の省電力化を実現することができた。

本発明のＬＥＤ駆動回路並びにその省電力化方法を実施するための最良の形態を、図１に基づき説明する。なお、ここでは、図２において既に説明した従来のＬＥＤ駆動回路を構成する同一の部材には同一の番号と記号を付し、再度の説明を省略する。

本発明では、まず、従来の定電圧電源３（図２参照）を可変電圧電源13に置き換え、印加する電圧の制御を可能とする。そして、各ブロックにおいてＦＥＴ５に印加するゲート電圧（TP＃）をモニタ回路11に入力してモニタし、そのモニタ値に基づいて可変電圧電源13の電圧を制御する。

すなわち、本発明に適用するモニタ回路11は、ゲート電圧（TP＃）を入力としてモニタし、可変電圧電源13の印加電圧を制御する機能を有している。

ここで、ゲート電圧（TP＃）が高いということは、ＦＥＴ＃の抵抗値を下げてトランジスタの電圧負担を減らす方向に制御することになる。すなわち、ＬＥＤ＃の順方向電圧降下が大きいことにＦＥＴ＃が対応しようとしていることを意味する。一方、ゲート電圧（TP＃）が低いということは、ＬＥＤ＃の順方向電圧降下が小さいので、ＦＥＴ＃の抵抗値を上げてトランジスタの電圧負担を増やそうとしていることを意味する。

以下、モニタ回路11の詳細について、説明する。

モニタ回路11には、あらかじめ、複数のＬＥＤ（図１の例では、３個）の規格上許容される最大の順方向電圧値のトータルの電圧値から求めた、ＦＥＴの負担する電圧降下分に対応するゲート電圧の最小値が、制御する電流値に対応して格納される。この値は、何らかの記憶手段に格納すればよく、モニタ回路を簡単なマイコンやシーケンサで構成するのであれば、それらが具備するメモリに保持させればよく、また、ハード的に構成するのであれば、例えばオペアンプ用電源から適当にラダー抵抗で作ることができる。この場合、オペアンプ電源を例えば12Ｖとすると、オペアンプ出力が数Ｖ〜11Ｖ程度であるため、あまり、コンパレータの精度は問わない。

そして、モニタ回路11では、モニタしているゲート電圧を、制御する電流値に対応して記憶手段に格納しておいたゲート電圧の最小値と比較し、ゲート電圧の電圧値が前記ゲート電圧最小値より小の場合に、可変電圧電源に設定する電源電圧値を下げる方向に制御し、消費する電力が最小となるようにする。なお、複数ブロックのＬＥＤを駆動する場合には、各ブロックのＦＥＴ５（ＦＥＴ＃）に印加するゲート電圧（TP＃）を入力として可変電圧電源13の電圧を制御するに際し、ゲート電圧（TP＃）のうち、最も高い電圧値を基準として選択し、可変電圧電源13の電圧値を制御する。

なお、逆の場合、すなわち、規格上許容される最小の順方向電圧値のトータルの電圧値から求めた、ＦＥＴの負担する電圧降下分に対応するゲート電圧の最大値よりもゲート電圧の方が高い場合には、可変電圧電源に設定する電源電圧値を上げる方向に制御して、ＬＥＤの駆動を維持する制御を行う必要がある。ただし、この制御は、モニタ回路の機能としては必要であるが、ここで目的とする省電力化とは逆の制御であり、必須の要件ではないため、ここでの説明を省略する。

なお、ブロックが複数ある場合において、ゲート電圧と比較する電圧値として、上限となるゲート電圧の最大値（Ｖmax）より低い所定の規定電圧（Ｖmid）を定めておき、そのＶmidより高いものはなくて、かつ下限となるゲート電圧の最小値（Ｖmin）より低いものがある場合には、ＬＥＤ電源電圧を下げるように制御するようにしてもよい。そして、このように制御することで、すべての電圧がＶminとＶmaxの間に収まるようにする。ここで、ゲート電圧が、Ｖmax以上の場合はＬＥＤ電流が不足している状態、Ｖmin以下の場合はＬＥＤ電流が過剰な状態となっていることを意味している。

なお、多数のブロックをセンスした結果、上限以上と下限以下が同時に発生するような状況にならないように電流制御用トランジスタであるＦＥＴを選択しておくことが必要である。

ところで、本発明におけるＬＥＤ電源の電圧変更は、ＬＥＤの順方向電圧のばらつきに対応することを目的とする。ここで、ＬＥＤ１ケについて見ると、その電圧変更範囲はＬＥＤの標準値から−0.4Ｖ〜＋0.6Ｖ程度の範囲であり、0.2Ｖ単位くらいで動かせれば十分であると考えられる。図１に記載の例では、ＬＥＤを３ケ直列としており、この場合は、その３倍程度を考えればよい。なお、省電力化を考えた場合、マイナス電圧側の調整は不要としてもよい。また、処理も簡単であるため、マイコンを利用して制御する必要もなく、簡単なシーケンサを用いるのでも構わない。最も簡単なアルゴリズムとしては、起動時にＶmaxを越えているものがあるかどうかだけをチェックし、超えているものが1ブロックでもあれば電圧を1段階上げて再度チェックする処理を単に繰り返すようにすればよい。この場合、可変電圧電源13のデフォルトの電圧をＬＥＤばらつきの低電圧側に取っておき、単に電圧を上げる方向のみで調整すればよいので、Ｖmin側のチェックは不要である。

本発明のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤを液晶表示装置用のバックライト照明として使うことを好適とするものであり、輝度が高く、ＬＥＤに流れる電流も数十ｍＡ〜100ｍＡ程度を対象としている。また、適用するＬＥＤ用電源、すなわち、可変電圧電源として、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータを想定しており、その電源電圧を下げることによってもコンバータの電力変換効率はほとんど変化しない。すなわち、省電力化のために増える回路での消費電力は、ＬＥＤ用電源を下げることで削減できる電力よりも充分に小さい。よって、本発明を適用することで省電力化システム全体としての消費電力を低減することができる。

本発明の省電力化方法を、液晶表示装置のバックライト光源に適用するＬＥＤ駆動回路を例にあげて説明する。

本発明のＬＥＤ駆動回路は、図１に示すように、３ケのＬＥＤが直列接続され、そのブロックが３組あるものとする。また、従来例は、図２で説明したＬＥＤ駆動回路を適用するものとする。

ここで、ＬＥＤは、ＲＧＢ（赤、緑、青）の各色に対し、順方向電圧降下の標準値は、例えば表１に示す特性を有する。

本実施例では、表１の赤ＬＥＤを例にとり、その赤ＬＥＤの駆動の場合を説明する。

赤ＬＥＤが３ケ直列の場合には、表１から、電流80ｍＡで標準値として6.9Ｖとなり、その製造ばらつき（３ケで最大＋1.5Ｖ）を考慮すると、最大で8.4Ｖになる。

ここで、最大100ｍＡまで調光するものとすると、センス抵抗を10Ωとして、１Ｖ発生するから、この値と、ＦＥＴのトランジスタ抵抗値が０になりきらないために発生する若干の電圧を、３ケのＬＥＤの順方向降下電圧に加えたものが、ＬＥＤ用電源電圧に相当することになる。

ここで、本発明では、赤ＬＥＤ３ケ直列で80ｍＡとして、センス抵抗10Ωでは0.8Ｖを発生するから、標準では6.9＋0.8＋（若干の電圧）≒８Ｖ弱がＬＥＤ用電源の標準電圧となることから、本発明の手順を適用して、８Ｖ弱から9.5Ｖまでの範囲で所要の変更を実施する。ここで、本発明の場合、ＬＥＤの性能如何では、８Ｖ弱の電圧とすることもできる。一方、従来例では、無条件で9.5Ｖの定電圧電源をＬＥＤ用電源として具備しておく必要がある。

以上のことから、本発明例では、従来例に対し、最大で約17％（1.5Ｖ強÷9.5Ｖ）の電力削減を実現することができる。

また、輝度を絞って電流を減らした場合には標準電圧も下がることになるが、本発明では、その標準電圧の低下に自動的に追従してＬＥＤ用電源電圧を下げることができる。

例えば、10ｍＡで調光するものとすると、表１から、赤ＬＥＤ３ケ直列で5.4Ｖとなり、標準電圧は、上記と同様にして、センス抵抗10Ωでは0.1Ｖを発生するから、5.4Ｖ＋0.1Ｖ＋（若干の電圧）≒ ６Ｖ弱となる。この場合でも、従来例では、9.5Ｖの定電圧を適用することになるが、本発明例では、ＬＥＤの性能如何では、可変電圧電源の電圧を調整して６Ｖ弱とすることもでき、従来例に対し、最大で約37％（（9.5−６弱）Ｖ÷9.5Ｖ）の電力削減を実現することができる。

すなわち、本発明における省電力効果は、明らかである。

本発明のＬＥＤ駆動回路の構成を示す模式図である。従来のＬＥＤ駆動回路の構成を示す模式図である。

符号の説明

２ＬＥＤコントローラ
３定電圧電源
４オペアンプ
５ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）
６センス抵抗
７ＬＥＤ
11 モニタ回路
13 可変電圧電源

Claims

可変電圧電源と、
該可変電圧電源に直列に接続した複数のＬＥＤと、
該複数のＬＥＤに対してさらに直列に接続したＦＥＴと、
該ＦＥＴとアース間に配し、電流値をセンスするセンス抵抗と、
該センス抵抗にかかる電圧値を基準として、制御する電流に応じて前記ＦＥＴにゲート電圧を印加する電流制御用のオペアンプと、
前記ＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するモニタ回路と、を有してなり、
該モニタ回路には、あらかじめ、前記複数のＬＥＤを駆動する電流値に対応して前記ＦＥＴが負担することになる電圧降下分に相当するゲート電圧であって、前記複数のＬＥＤの規格上許容される最大ばらつき分を含んで算出されたゲート電圧の最小値が格納されており、
該モニタ回路において、前記ゲート電圧をモニタし、制御する電流値に応じて前記ゲート電圧の最小値と比較し、前記ゲート電圧が前記ゲート電圧の最小値より小の場合に、前記可変電圧電源に設定する電源電圧値を下げる方向に制御し、消費する電力が最小となるように制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路であって、
さらに、前記複数のＬＥＤを可変電圧電源に対して並列に複数ブロック配置し、複数のＬＥＤ各ブロックにおいてＦＥＴとセンス抵抗が各々さらに直列に接続されており、
前記モニタ回路において、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するに際し、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧の電圧値のうち、最も高い電圧値を基準として前記可変電圧電源の電圧値を制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
電源に直列に接続した複数のＬＥＤに対してＦＥＴとセンス抵抗をさらに直列に接続し、該ＦＥＴにゲート電圧を印加する電流制御用のオペアンプで、該センス抵抗にかかる電圧値を基準として、制御する電流に応じてゲート電圧を制御して前記複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路の省電力化方法であって、
前記電源を可変電圧電源とし、
前記ＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として該可変電圧電源の電圧を制御するモニタ回路を具備し、
該モニタ回路には、あらかじめ、前記複数のＬＥＤを駆動する電流値に対応して前記ＦＥＴが負担することになる電圧降下分に相当するゲート電圧であって、前記複数のＬＥＤの規格上許容される最大ばらつき分を含んで算出されたゲート電圧の最小値を格納しておき、
該モニタ回路において、前記ゲート電圧をモニタし、制御する電流値に応じて前記ゲート電圧の最小値と比較し、前記ゲート電圧が前記ゲート電圧の最小値より小の場合に、前記可変電圧電源に設定する電源電圧値を下げる方向に制御し、消費する電力を最小とすることを特徴とするＬＥＤ駆動回路の省電力化方法。
請求項３に記載のＬＥＤ駆動回路の省電力化方法であって、
さらに、前記複数のＬＥＤを電源に対して並列に複数ブロック配置し、複数のＬＥＤ各ブロックにおいて電流制御回路のＦＥＴとセンス抵抗が各々さらに直列に接続してなる場合において、
前記モニタ回路において、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧を入力として前記可変電圧電源の電圧を制御するに際し、各ブロックのＦＥＴに印加するゲート電圧の電圧値のうち、最も高い電圧値を基準として前記可変電圧電源の電圧値を制御することを特徴とするＬＥＤ駆動回路の省電力化方法。