JP4559364B2 - Led駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明はLED駆動装置に関する。より詳しくは、本発明は電力効率及び光効率が向上し、歪曲のない駆動電流を作り出すLED駆動装置に関する。
LED(発光ダイオード)は、デジタルマイクロミラーディバイス(DMD)を使用したDLP(デジタルライトプロセッシング)プロジェクションTV、プロジェクターなどのDMD映像装置だけでなく、LCD映像装置の光源として利用できる。
LEDを光源として利用したDMD映像装置を図1に示した。図1のDMD映像装置は、その光源として赤(Red)、緑(Green)及び青(Blue)、つまり、RGB各色に対して複数のLEDモジュール210を光源として利用する。
LEDモジュール210はLED駆動装置200によって駆動され、駆動されたLEDモジュール210が放出するRGBの光信号がレンズ220を通じて順次にDMDモジュール230に投射される。MEMS(マイクロエレクトローメカニカルシステム)工程によってDMDモジュール230に集積されている数十あるいは数百万個の鏡240は、デジタル画素情報によって独立的にON/OFFの動作を行い、これによってDMDモジュール230に投射されたRGB色信号はスクリーン250に所定の映像を形成する。
LEDを光源として使用するDMD映像装置は、図2に示したその動作波形254から分かるように、放電ランプを光源として使用する従来の映像装置の動作波形252に比べて、その光源の可用性が高いため、同じ光量に対して光効率が高いだけではなく、放電ランプに比べてLEDの寿命がはるかに長く、カラーホイールのような機械的な装置を要しないので、寿命が半永久的であるという長所がある。
このようなLEDモジュール210を駆動するためのLED駆動装置200は、図3に示したような回路構成を有することができる。図3のLED駆動装置200を線形モード駆動回路ともいう。このような形態のLED駆動装置200はLEDモジュール210に流れる電流を検出する電流検出部、検出された電流値に対応する電圧と基準電圧Vrefとを比較して誤差信号を出力するエラーアンプ262、及び誤差信号によってLEDモジュール210に流れる電流Ioを増減させる出力トランジスター264で構成することができる。
図3のLED駆動装置200は、LEDモジュール210に流れる電流Ioを検出し、その検出された電流値に対応する電圧と基準電圧Vrefとを比較して両電圧が同一になるようにLEDモジュール210に流れる電流Ioを補償して、LEDモジュール210に設定された基準電圧Vrefに対応する電流が流れるようにする。
白色光においてはRGB各色に対する光量が異なるので、LEDモジュール210を流れる電流IoもRGB各々に対してその電流値が異ならなければならず、これを基準電圧Vrefにて調節することができる。
このような線形モードのLED駆動装置200は線形的な動作を行うので、リプル成分が発生せず、これによって画質特性が優れており、また過度特性及びスイッチング特性が速いので、光効率が優れている。反面、出力トランジスター264にかかる電圧降下によって、例えば、20A以上の駆動電流が流れる際に約200W程の損失が発生し得るため、電力効率が低く、かつ大きな発熱が必然的に発生する。
つまり、図3のLED駆動装置200は、低い効率のために消費電力が大きくなり、これは電源装置に過重な負担を与えるようになるので設計容量が大きくなる一方、放熱のために大きな体積の放熱板が必要となるので大きさ及び重量が上昇し、製品の小型化に障害要因となる。
一方、LED駆動装置200は図4に示したような回路構成を有することができ、このような形態の駆動回路をスイッチモード駆動回路ともいう。スイッチモードのLED駆動装置200は電流検出部、エラーアンプ272、PWM変調部274、ゲート回路276、スイッチ278、インダクター280、ダイオード282、及びスイッチブロック284で構成できる。
スイッチモードのLED駆動装置200の電流検出部とエラーアンプ272の動作は、図3の線形モードの駆動回路と類似している。PWM変調部274は、エラーアンプ272の出力と三角波とを比較してパルス幅変調信号(PWM)を作り出し、パルス幅変調信号によってゲート回路276はMOSFETで実現できるスイッチ278を駆動する。インダクター280はスイッチ278の矩形波パルス出力を積分してLEDモジュール210に直流電流が供給されるようにする。
スイッチモードのLED駆動装置200はスイッチング動作を行うため、効率が90%以上に高く、これにより消費電力及び放熱の問題は図3の駆動回路に比べて顕著に小さいが、スイッチング動作によるリプル電流によって画質特性が線形タイプより劣化し、あるLEDモジュールから他の色のLEDモジュールに転換する際に過度特性が遅いため、光効率が低いという短所がある。
本発明は前記問題点を解決するためのものであって、電力効率及び光効率が高く、かつ駆動電流の歪曲が少ないLED駆動装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、LEDを駆動するLED駆動装置において、前記LEDに流れる電流が所定の目標電流値に至るように線形モード電流を増減させて前記LEDに出力する線形モード駆動部;及び前記線形モード電流が所定の基準電流値を超えているか否かによってスイッチモード電流を増減させて前記LEDに出力するスイッチモード駆動部を含み、前記LEDに流れる電流は、前記線形モード電流と前記スイッチモード電流との合計であることを特徴とするLED駆動装置を提供する。これにより、スイッチング動作によるリプルを除去することによって電流の忠実度が高くなり、線形モードのダイナミック特性によって光効率が高くなると共に、電力効率が低い線形モードの利用を最少化し、スイッチモードに依存することによって、電力効率を最大化することができる。

前記線形モード駆動部は、前記LEDに流れる電流の電流値と前記目標電流値との差に対応する信号を出力するエラーアンプと;前記エラーアンプの出力信号に対応して前記線形モード電流を増加または減少させて前記LEDに出力する出力トランジスターとを含むことが好ましい。これによって、前記線形モード駆動部は、前記LEDに流れる電流が目標電流値となるように前記線形モード電流を増減させることができる。
前記スイッチモード駆動部は、所定の電源装置から供給される電源による矩形波電流を積分して前記スイッチモード電流に変換するインダクターと;前記インダクタに前記電源装置の電源を供給または遮断するスイッチと;前記スイッチがターンオフされた場合、前記インダクターに流れる電流をフリーホイールさせるダイオードと;前記線形モード電流の電流値と前記基準電流値とを比較して、前記線形モード電流が前記基準電流値を超えているか否かによって論理的ハイまたはロー信号を出力する比較部と;前記比較部の出力信号によって前記スイッチを開閉する信号を出力して前記スイッチを駆動するスイッチ駆動部とを含むことができる。これによって、前記スイッチモード駆動部は、前記線形モード電流が所定の基準電流値に到達するまで前記スイッチモード電流を増加または減少させることができる。
前記LED駆動装置は、前記LEDに流れる電流を検出して前記線形モード駆動部に提供する第1電流検出部と、前記線形モード電流を検出して前記スイッチモード駆動部に提供する第2電流検出部とをさらに含むことが好ましい。これにより、前記線形モード駆動部はLEDに流れる電流の電流値を評価することができ、前記スイッチモード駆動部は前記線形モード電流の電流値を評価することができるようになる。
前記LED駆動装置は、前記線形モード電流及び前記スイッチモード電流が複数のLEDに順次に流れるように、前記複数のLED各々に対して前記線形モード電流及び前記スイッチモード電流を供給または遮断するスイッチブロックをさらに含むことができる。これにより、前記LED駆動装置は複数のLEDに前記線形モード電流及び前記スイッチモード電流を順次に提供することができるようになる。一方、前記LED駆動装置は、目標電流値が変化する場合にもスイッチモードの動作による過度応答が発生しないので、光効率が高い。
本発明によれば、電力効率及び光効率の高いLED駆動装置を提供することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を中心に本発明について詳細に説明する。図5は、本発明の好ましい実施形態によるLED駆動装置10の構成を示した図面である。
本実施形態のLED駆動装置10は、デジタルマイクロミラーディバイス(DMD)を使用したDLPプロジェクションTV、プロジェクターなどのDMD映像装置及びLCDバックライトの光源として利用されるLED30を駆動する。
本実施形態のLED駆動装置10は、図5に示したように、線形モード駆動部12及びスイッチモード駆動部14を含む。本実施形態の線形モード駆動部12及びスイッチモード駆動部14の各出力端は、LED30の入力端であるアノードに連結されており、各々線形モード電流Ia及びスイッチモード電流IdをLED30のアノードに出力する。したがって、LED30を経て流れる電流Ioは線形モード電流Iaとスイッチモード電流Idとの合計になる。
線形モード駆動部12は、LED30に流れる電流が所定の目標電流値に到達するように線形モード電流Iaを増減させる。本実施形態の線形モード駆動部12はエラーアンプ122及び出力トランジスター124を含む。
エラーアンプ122は二つの入力端を有し、その出力端は出力トランジスター124の入力端に連結されている。本実施形態のエラーアンプ122は、LED30に流れる電流Ioの電流値と目標電流値との差に対応する信号を出力する。エラーアンプ122は、例えば、Op−ampで実現される。
本実施形態のLED駆動装置10は、LED30に流れる電流Ioを検出する第1電流検出部16を含むことができる。第1電流検出部16は、LED30の出力端であるカソードにその一端が連結され、他端は接地される。また、第1電流検出部16は、LED30に流れる電流Ioを検出して電流Ioに対応する電圧をエラーアンプ122に提供する。
エラーアンプ122は、第1電流検出部16からLED30に流れる電流Ioに対応する電圧を反転入力端子に入力し、目標電流値に対応する所定の目標電圧Vrefを非反転入力端子に入力する。ここで、目標電流値はLED30に流そうとする電流の大きさをいう。エラーアンプ122はLED30に流れる電流Ioに対応する電圧と目標電圧Vrefとの電圧差を増幅して出力信号として出力する。
出力トランジスター124は、エラーアンプ122の出力信号に対応して、線形モード電流Iaを増加または減少させてLED30に出力する。本実施形態の出力トランジスター124は互いに異なるタイプの2つのバイポラー接合トランジスターがプッシュフル形態で結合されている。つまり、出力トランジスター124では、両トランジスターのベースが結合されてエラーアンプ122の出力端と連結されており、両トランジスターのエミッタが結合されて線形モード駆動部12の出力端として線形モード電流Iaを出力する。また、npn型のトランジスターのコレクターは、所定の電源装置に連結されて電源装置から電源電圧Vccが供給され、pnp型のトランジスターのコレクターは接地されている。
本実施形態の出力トランジスター124は、現在出力されている線形モード電流Iaがエラーアンプ122の出力信号に対応するほど増加または減少するように動作する。したがって、線形モード駆動部12は、LED30に流れる電流Ioが目標電流値に到達するように線形モード電流Iaを出力し、出力された線形モード電流Iaに所定の他の電流が付加され、LED30に流れる電流Ioの電流値と目標電流値との間に差が発生すれば、その差に相当するほどの電流を、出力される線形モード電流Iaに加減することによって、LED30に流れる電流Ioが目標電流値に到達するように持続的に線形モード電流Iaが調整されるように動作する。
本実施形態のスイッチモード駆動部14は、線形モード電流Iaが所定の基準電流値を超えているか否かによってスイッチモード電流Idを増減させてLED30に出力する。本実施形態のスイッチモード駆動部14は、図5に示したように、インダクター152、ダイオード154、スイッチ146、比較部142、及びスイッチ駆動部144を含む。一方、スイッチモード駆動部14は、線形モード電流Iaを検出してスイッチ駆動部144に提供する第2電流検出部18をさらに含んでも良い。
インダクター152の一端はスイッチ146の一端及びダイオード154のカソードに連結され、他端はLED30側に連結されている。インダクタ152に流れる電流がスイッチモード電流Idとなる。ダイオード154のアノードは接地されている。スイッチモード電流Idは、所定の電源装置から供給される電源による矩形波電流をインダクター152に積分して変換したものである。
本実施形態のスイッチ146はMOSFETで実現され、ゲートはスイッチ駆動部144の出力端に連結されており、ドレインは所定の電源装置に連結されて電源電圧Vccの供給を受ける。また、スイッチ146のソースはインダクター152の一端及びダイオード154のカソードに連結されている。
スイッチ146は、ゲートに入力されるゲート電圧の論理状態によりターンオンまたはターンオフされてスイッチング動作を行う。スイッチ146がターンオンされれば、ドレイン及びソース間の電流の流れが導通して電源電圧Vccがインダクター152に印加され、導通時間が経過することによってインダクター152に流れる電流は所定レベルまで充電されてスイッチモード電流Idが増加する。一方、スイッチ146がターンオフされれば、ドレイン及びソースの電流の流れが遮断され、インダクター152に充電された電流はLED30及びダイオード154を通じループを形成して流れるようになり、この場合、電源供給が遮断されたので、スイッチモード電流Idは減少する。
比較部142は、線形モード電流Iaの電流値と基準電流値とを比較して、線形モード電流Iaが基準電流値を超えているか否かによって論理的ハイまたはロー信号を出力し、本実施形態ではOp−ampで実現される。
比較部142の非反転入力端子は第2電流検出部18の出力端と連結されており、線形モード電流Iaに対応する電圧が印加され、反転入力端子は接地されている。つまり、本実施形態における基準電流値は0であり、これに対応する電圧は接地電位である0となる。したがって、比較部142は線形モード電流Iaに対応する電圧が0より大きいと、論理的ハイ信号を出力し、そうでなければ論理的ロー信号を出力する。
スイッチ駆動部144は、比較部142の出力信号によってスイッチ146を開閉させる信号を出力してスイッチ146を駆動する。スイッチ駆動部144は、比較部142の出力信号が論理的ハイ信号であるかまたは論理的ロー信号であるかによって、スイッチ146がターンオンまたはターンオフされるように、適切なレベルのゲート電圧を発生させてスイッチ146のゲートに印加する。
つまり、本実施形態のスイッチ駆動部144は、線形モード電流Iaが所定の基準電流値である0より大きいと、スイッチモード電流Idを出力し始めて続けて増加させ、線形モード電流Iaが基準電流値である0に到達すると、スイッチモード電流Idを減少させる。
このような本実施形態のLED駆動装置10の動作による各電流の波形を図6に示した。図6に示したように、LEDに流れる最初の電流Ioが0であると仮定すれば、線形モード駆動部12はLEDに流れる電流Ioに対応する電圧が0であり、目標電流値に対応する目標電圧Vrefが0より大きい所定の大きさを有するので、目標電流値の大きさを有する線形モード電流Iaを出力する。
これに対し、スイッチモード駆動部14は線形モード電流Iaが基準電流値である0より大きいので、スイッチモード電流Idを出力し始める。線形モード駆動部12は、LEDに流れる電流Ioが目標電流値よりスイッチモード電流Idに相当するほどさらに大きいため、線形モード電流Iaが目標電流値よりスイッチモード電流Idに相当するほどさらに小さくなるように線形モード電流Iaを減少させる。これに対し、スイッチモード駆動部14は線形モード電流Iaが依然として基準電流値である0より大きいので、スイッチモード電流Idをさらに増加させて出力する。
このように、線形モード駆動部12は線形モード電流Iaを続けて減少させ、スイッチモード駆動部14はスイッチモード電流Idを続けてさらに増加させて出力する。
スイッチモード駆動部14は、線形モード電流Iaが0になると基準電流値を超えないので、スイッチモード電流Idを減少させる。これに対し、線形モード駆動部12はLEDに流れる電流Ioがスイッチモード電流Idであり、これは目標電流値よりさらに小さいため、(目標電流値−スイッチモード電流Id)に相当するほどの線形モード電流Iaを出力させる。これに対し、スイッチモード駆動部14は線形モード電流Iaが基準電流値である0より大きいので、スイッチモード電流Idをさらに増加させて出力する。
つまり、LED駆動装置10は、線形モード電流Iaが基準電流値の近辺で所定の大きさのリプルの形態に増減し、スイッチモード電流Idが目標電流値の近辺で所定の大きさのリプルの形態に増減するように動作する。このような線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idの各リプルは相互補完的な関係にあるため、線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idの合計であるLED30に流れる電流Ioは矩形波の形態を有するようになり、目標電流値の近辺でほとんど平坦な特性を有する。
従って、本実施形態のLED駆動装置10によれば、スイッチモード回路のスイッチング動作によるリプルを除去することができるので駆動電流の歪曲特性が向上し、線形モード回路の速いダイナミック特性によって光効率が増加し、画質を改善することができるようになる。また、本実施形態のLED駆動装置10によれば、LED30に流れる電流Ioが目標電流値を維持する間、線形モード電流Iaは基準電流値である0の近辺にあり、大部分の電流はスイッチモード電流Idによるものであるので、電力効率が低い線形モード駆動部12の電力消費を最少化し、電力効率の高いスイッチモード駆動部14に依存するようにすることによって、消費電力の効率を最大化することができる。
本発明のLED駆動装置10は、複数のLED30を順次に駆動することができる。本実施形態のLED駆動装置10はRGB各色に対して複数のLEDで構成された3個のLEDモジュール30を駆動する。この場合、LED駆動装置10は、線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idが3つのLEDモジュール30に順次に流れるように、3つのLEDモジュール30各々に対して線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idを供給または遮断するスイッチブロック20をさらに含むことができる。
本実施形態のスイッチブロック20は、3つの分岐スイッチ及び分岐スイッチを駆動する分岐スイッチ駆動部を含むことができる。スイッチブロック20は、RGB各色に対応して目標電流値が変化することによって、3つの分岐スイッチを順次に開閉させる。
目標電流値が変化する場合、これに対応する目標電圧Vrefは、図6に示したように、所定時間0の区間を形成する。目標電圧Vrefが所定の目標レベルから0に変化する場合、線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idは、図6に示したように、0に定着するまで所定の過度区間を有する。また、目標電圧Vrefが0から所定の目標レベルに変化する場合にも、線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idは、基準電流値及び目標電流値の近辺でリプルを形成し、安定するまで所定の過度区間を有する。
このような過度区間においても、線形モード電流Ia及びスイッチモード電流Idは相互補完的な関係にあるため、LED30に流れる電流Ioは矩形波の形態を有するようになり、基準電流値及び目標電流値の近辺でほとんど平坦な特性を有する。
従って、本実施形態のLED駆動装置10によれば、スイッチング動作による過度応答を除去することができるので、DMDが動作できない不用区間を最少化することができ、かつ光効率を向上させることができる。
以上、好ましい実施形態を通じて本発明について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、特許請求の範囲内で多様に実施できる。
従来のLED駆動装置の構成を示した図である。 従来のDMD映像装置の動作波形を示した波形図である。 従来の線形モードのLED駆動装置の回路構成を示した回路図である。 従来のスイッチモードのLED駆動装置の回路構成を示した回路図である。 本発明の好ましい実施形態によるLED駆動装置の構成を示した図である。 図5のLED駆動装置による目標電圧及び各電流の波形を示した波形図である。
符号の説明
10 LED駆動装置
12 線形モード駆動部
14 スイッチモード駆動部
16 第1、2電流検出部
18 第1、2電流検出部
20 スイッチブロック
30 LED
122 エラーアンプ
124 出力トランジスター
142 比較部
144 スイッチ駆動部
146 スイッチ
152 インダクター
154 ダイオード
Ia 線形モード電流
Id スイッチモード電流
Vcc 電源電圧
Vref 目標電圧

Claims (4)

  1. LEDを駆動するLED駆動装置において、
    前記LEDに流れる電流が所定の目標電流値に至るように線形モード電流を増減させて前記LEDに出力する線形モード駆動部と;
    前記線形モード電流が所定の基準電流値を超えているか否かによってスイッチモード電流を増減させて前記LEDに出力するスイッチモード駆動部とを含み、
    前記線形モード駆動部は、
    前記LEDに流れる電流の電流値と前記目標電流値との差に対応する信号を出力するエラーアンプと;
    前記エラーアンプの出力信号に対応して前記線形モード電流を増加または減少させて前記LEDに出力する出力トランジスターとを含み、
    前記スイッチモード駆動部は、
    所定の電源装置から供給される電源による矩形波電流を積分して前記スイッチモード電流に変換するインダクターと;
    前記インダクターに前記電源装置の電源を供給または遮断するスイッチと;
    前記スイッチがターンオフされた場合、前記インダクターに流れる電流をフリーホイールさせるダイオードと;
    前記線形モード電流の電流値と前記基準電流値を比較して、前記線形モード電流が前記基準電流値を超えているか否かによって論理的ハイまたはロー信号を出力する比較部と;
    前記比較部の出力信号によって前記スイッチを開閉する信号を出力して前記スイッチを駆動するスイッチ駆動部とを含むことを特徴とするLED駆動装置。
  2. 前記LEDの出力端であるカソードにその一端が連結され、他端は接地されており、前記LEDに流れる電流を検出して前記検出された電流に対応する電圧を前記エラーアンプに提供する第1電流検出部をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のLED駆動装置。
  3. 出力端が前記比較部の非反転入力端子と連結されており、
    前記線形モード駆動部から出力される前記線形モード電流を検出して前記線形モード電流に対応する電圧を前記非反転入力端子へ印加する第2電流検出部をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のLED駆動装置。
  4. 前記線形モード電流及び前記スイッチモード電流が複数のLEDに順次に流れるように、前記複数のLED各々に対して前記線形モード電流及び前記スイッチモード電流を供給または遮断するスイッチブロックをさらに含み、
    前記スイッチブロックは、
    複数の分岐スイッチ及び前記複数の分岐スイッチを駆動する分岐スイッチ駆動部を含み、RGB各色に対応して前記目標電流値が変化することによって、前記複数の分岐スイッチを順次に開閉させることを特徴とする、請求項1に記載のLED駆動装置。

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