JP4564017B2 - 発光装置および情報端末装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子を駆動するスイッチングレギュレータの制御回路、電流駆動回路、およびそれらを含む発光装置に関する。
近年の携帯電話、PDA(Personal Digital Assistance)等の情報端末は、例えば液晶のバックライトに用いられる発光ダイオード(Light Emitting Diode、以下LEDという)を備えている。これらの情報端末では、Liイオン電池が多く用いられるが、その出力電圧は通常3.5V程度であり、満充電時においても4.2V程度である。一方、LEDの駆動に必要な電圧は4V以上であるため、必要に応じてスイッチングレギュレータ等の電源装置を用いて電池電圧を昇圧し、LEDに供給する必要がある。
このようなスイッチングレギュレータにより、LEDを負荷回路として駆動するためには、LEDのカソード端子に電流駆動回路を接続して、LEDに流れる電流を一定に保つように帰還制御を行っている。この帰還制御の方法としては、検出抵抗を接続し、その検出抵抗での降下電圧を一定に保つように帰還を行い、LEDを駆動する方法がある(特許文献1参照)。また、検出抵抗に変えて、LEDに所定の電流を流す定電流回路を接続して定電流駆動を行う方法もある(特許文献2参照)。
このようにLEDを駆動するためには、スイッチングレギュレータと、そのスイッチング動作を制御するための制御回路と、LEDのカソード端子に接続される電流駆動回路が必要となる。
特開2003−152224号公報 特開2004−22929号公報
本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。
携帯電話などの情報端末は、近年、液晶パネルを含む第1筐体と、操作部を含む第2筐体が連結される折り畳み型のものが主流となっている。このような折り畳み型の情報端末に搭載されるLEDを駆動する周辺回路のうち、スイッチングレギュレータの制御回路および電流駆動回路をLED駆動回路として一体集積化して構成した場合、LED駆動回路およびその周辺部品は、液晶パネルが搭載される第1筐体側に実装されることになる。
ところで、スイッチングレギュレータは、スイッチング素子により電流供給されてエネルギ変換を行うためのインダクタおよび平滑化用のコンデンサが周辺部品として必要とされ、これらの部品はチップ部品として実装される。したがって、第1筐体側の厚みは、これらの周辺部品の高さによって制約を受けるという問題があり、小型化、薄型化が商品の訴求力に関わる情報端末においては、解決すべき重要な課題と考えられる。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は折り畳み式の情報端末に搭載され、薄型化を実現可能なスイッチングレギュレータの制御回路、電流駆動回路および発光装置の提供にある。
本発明のある態様は、発光素子を駆動するスイッチングレギュレータの制御回路に関する。この制御回路は、発光素子のカソード端子に接続された電流駆動回路からカソード端子の電圧が帰還入力される第1帰還入力端子を備え、カソード端子の電圧が所定の電圧に近づくようにスイッチングレギュレータのスイッチング素子のオンオフを制御する。
「発光素子」とは、発光ダイオードや有機EL素子、レーザダイオードなど、電流や電圧により輝度が制御される素子をいう。この態様によれば、スイッチングレギュレータの制御回路に、発光素子のカソード端子の電圧が帰還される第1帰還入力端子を設け、発光素子の電流駆動回路とは別の集積回路として構成することによって、発光素子、スイッチングレギュレータ、電流駆動回路および周辺部品の配置の自由度を高めることができる。
制御回路は、発光素子のアノード端子の電圧が帰還される第2帰還入力端子をさらに備えてもよく、アノード端子の電圧が所定のしきい値電圧を超えないようにスイッチング素子のオンオフを制御してもよい。
第2帰還入力端子を設け、アノード端子の電圧をモニタすることによって、第1帰還入力端子と電流駆動回路を接続する配線が断線し、発光素子のカソード端子の電圧をモニタできなくなった場合においても、スイッチングレギュレータから出力される駆動電圧が所定のしきい値電圧以上に上昇するのを防止することができる。
本発明の別の態様は、スイッチングレギュレータにより駆動される発光素子のカソード端子に接続され、発光素子に流れる電流を制御する電流駆動回路に関する。この電流駆動回路は、発光素子のカソード端子に接続される定電流回路と、発光素子のカソード端子の電圧を、スイッチングレギュレータの制御回路へと帰還する帰還出力端子を備える。
この態様によれば、発光素子の電流駆動回路に、発光素子のカソード端子の電圧を出力する帰還出力端子を設け、スイッチングレギュレータの制御回路とは別の集積回路として構成することによって、発光素子、スイッチングレギュレータ、制御回路および周辺部品の配置の自由度を高めることができる。
電流駆動回路は、発光素子が複数のとき、発光素子のカソード端子の電圧のうち最も低い電圧を出力する最小値回路をさらに備え、最小値回路の出力を帰還出力端子から帰還してもよい。
電流駆動回路からスイッチングレギュレータの制御回路へと帰還される電圧を、発光素子のカソード端子の電圧のうち、最も低い電圧を出力することによって、すべての定電流回路を安定に動作させることができる。
本発明のさらに別の態様は、発光装置である。この発光装置は、発光素子と、発光素子のアノード端子に接続され、発光素子の駆動電圧を生成するスイッチングレギュレータと、発光素子のカソード端子に接続され発光素子に流れる電流を制御する電流駆動回路と、電流駆動回路から帰還されるカソード端子の電圧が所定の電圧に近づくようにスイッチングレギュレータのスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、を備える。電流駆動回路と制御回路は、別々の半導体チップとして集積化される。
この態様によれば、発光素子、スイッチングレギュレータ、制御回路、電流駆動回路および周辺部品の配置の自由度を高めることができる。
上記発光装置は、第1、第2筐体が連結部を介して折り畳み可能に連結された情報端末装置に搭載されてもよい。発光素子および電流駆動回路は、発光素子がバックライトとして使用される液晶パネルが搭載された第1筐体に実装され、スイッチングレギュレータおよびその制御回路は、第2筐体に実装され、スイッチングレギュレータと発光素子のアノード端子とを接続し駆動電圧を供給する第1配線と、電流駆動回路と制御回路を接続し発光素子のカソード端子の電圧を帰還する第2配線と、が連結部を介して第1、第2筐体間に敷設されてもよい。
本発明のさらに別の態様は、第1、第2筐体が連結部を介して折り畳み可能に連結された情報端末装置である。この情報端末装置の第1筐体は、液晶パネルと、液晶パネルのバックライトとして設けられた発光素子と、発光素子のカソード端子に接続され発光素子に流れる電流を制御する電流駆動回路と、を備える。第2筐体は、電池と、電池の電圧から発光素子の駆動電圧を生成し、発光素子のアノード端子に供給するスイッチングレギュレータと、電流駆動回路から帰還されるカソード端子の電圧が所定の電圧に近づくようにスイッチングレギュレータのスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、を備える。
この態様によれば、液晶パネル側の第1筐体側には、発光素子と、電流駆動回路が実装され、他の回路部品は第2筐体側に実装されるため、第1筐体の薄型化を実現することができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明に係るスイッチングレギュレータの制御回路、電流駆動回路、および発光装置によれば、回路部品の配置の自由度を高めることができる。また、本発明に係る情報端末装置によれば、筐体を小型、薄型化することができる。
本発明の実施の形態に係る発光装置が搭載される携帯電話装置の外観図である。 本実施の形態に係る発光装置の構成を示す回路図である。
符号の説明
100 制御回路、 104 第1帰還入力端子、 106 第2帰還入力端子、 130 スイッチングレギュレータ、 SW1 スイッチング素子、 200 電流駆動回路、 208 帰還出力端子、 210 定電流回路、 220 最小値回路、 300 発光ダイオード、 400 発光装置、 1100 第1筐体、 1200 第2筐体、 1300 連結部、 1400 液晶パネル、 W1 第1配線、 W2 第2配線。
図1は、本発明の実施の形態に係る発光装置が搭載される携帯電話装置1000の外観図である。この携帯電話装置1000は、第1筐体1100および第2筐体1200を含み、ヒンジ構造の連結部1300により接続され、折り畳み可能に形成されている。
第1筐体1100側には液晶パネル1400が配置されており、第2筐体1200側には、操作ボタン1500が配置されている。この携帯電話装置1000の電力源となるバッテリは、第2筐体1200の裏面側に設けられている。
本実施の形態に係る発光装置は、液晶パネル1400のバックライトとして用いられる発光ダイオードおよびその周辺回路を含む。
図2は、本実施の形態に係る発光装置400の構成を示す回路図である。
発光装置400は、RGBの3色に対応する発光ダイオード300R、300G、300Bを備えており、3色が同時点灯することによって白色光となり、液晶パネル1400のバックライトとして機能する。
この発光装置400は、発光ダイオード300R、300G、300Bに流れる電流を制御する電流駆動回路200と、発光ダイオード300R、300G、300Bに駆動電圧を供給するスイッチングレギュレータ130と、スイッチングレギュレータ130のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路100を含む。
スイッチングレギュレータ130は、バッテリ500から出力される電池電圧Vbatを昇圧し、出力電圧Voutとして出力する昇圧型のDC/DCコンバータである。このスイッチングレギュレータ130は、発光ダイオード300R、300G、300Bのアノード端子に接続され、出力電圧Voutを、発光ダイオード300R、300G、300Bに供給する。
スイッチングレギュレータ130は、インダクタL1、整流ダイオードD1、出力コンデンサC1、スイッチング素子SW1を含む。
インダクタL1とスイッチング素子SW1はバッテリ500と接地電位間に直列に接続されている。スイッチング素子SW1は、MOSトランジスタであって、ゲート端子に印加されるパルス幅変調されたスイッチング信号によってそのオンオフが切り替えられる。
インダクタL1とスイッチング素子SW1の接続点には整流ダイオードD1のアノード端子が接続されている。この整流ダイオードD1のカソード端子と接地電位間には出力コンデンサC1が設けられいる。
スイッチングレギュレータ130において、スイッチング素子SW1がオンのとき、バッテリ500から、インダクタL1を介してスイッチング素子SW1へと電流が流れる。スイッチング素子SW1がオフすると、インダクタL1は、スイッチング素子SW1がオンの期間に流れていた電流を流し続けようとする。この電流は、整流ダイオードD1を介して供給され、出力コンデンサC1に向かって流れ、出力コンデンサC1が充電される。
このように、スイッチング素子SW1のオンオフを繰り返すことによって、インダクタL1と出力コンデンサC1の間でエネルギの変換が行われる。その結果、入力電圧である電池電圧Vbatが昇圧され、出力コンデンサC1によって平滑化された出力電圧Voutが出力される。
発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子には、電流駆動回路200が接続されている。電流駆動回路200は、定電流回路210R、210G、210Bおよび最小値回路220を含む。
定電流回路210R、210G、210Bは、各RGB3つの発光ダイオード300R、300G、300Bそれぞれのカソード端子に接続されている。定電流回路210R、210G、210Bは、それぞれ接続される発光ダイオード300R、300G、300Bに流れる電流を制御する。
最小値回路220には、3つの発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子の電圧が入力されており、その中で最も低い電圧を出力する。最小値回路220の出力である第1帰還電圧Vfb1は、帰還出力端子208から出力されて、制御回路100へと帰還される。
制御回路100は、パルス幅変調回路(Pulse Widht Modulation回路、以下PWM回路という)110、ドライバ回路120を含み、スイッチングレギュレータ130のスイッチング素子SW1のオンオフを制御するためのスイッチング信号を生成して、スイッチング信号出力端子108から出力する。
第1帰還入力端子104には、電流駆動回路200の帰還出力端子208から帰還された第1帰還電圧Vfb1が入力され、第2帰還入力端子106には、スイッチングレギュレータ130の出力電圧Voutが第2帰還電圧Vfb2として入力されている。
第1帰還電圧Vfb1は、PWM回路110へと入力されており、PWM回路110は、第1帰還電圧Vfb1にもとづき、周波数が一定でオン期間の変化するパルス幅変調されたPWM信号Vpwmを生成してドライバ回路120へと出力する。PWM回路110は、第1帰還電圧Vfb1が所定の基準電圧Vrefに近づくようにPWM信号Vpwmを生成する。ここでは詳述しないが、PWM回路110は、第1帰還電圧Vfb1と基準電圧Vrefの誤差を増幅する演算増幅器と、この演算増幅器の出力Verrと、発振器から出力される三角波Voscとを比較する電圧比較器によって構成することができる。電圧比較器からは、Verr>Voscのときハイレベルが、Verr<Voscのときローレベルが出力され、電圧Verrの大きさによってハイレベルの期間、すなわちオン時間が変化するパルス幅変調された信号を得ることができる。
定電流回路210R、210G、210Bの内部には、それぞれ端子230R、230G、230Bと接地端子202R、202G、202B間の電流経路上に、電流制御用のトランジスタを備えている。トランジスタは、ドレインソース間あるいは、コレクタエミッタ間の電圧が所定の電圧以下になると飽和するため、安定な電流生成を行うことができなくなる。発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子の電圧、すなわち第1帰還電圧Vfb1の目標値となる基準電圧Vrefは、このトランジスタが飽和せず、定電流回路210R、210G、210Bが安定に動作可能な電圧範囲のうち、最小の値に設定することが好ましい。
発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子の電圧を可能な限り低く設定することにより、スイッチングレギュレータ130の出力電圧Voutを下げることができ、定電流回路210R、210G、210Bにおける消費電力を低減することができる。
ドライバ回路120は、PWM信号Vpwmにもとづき、ハイレベルとローレベルが交互に切り替えられる駆動信号Vdrvを生成する。スイッチング素子SW1のゲート端子には、この駆動信号Vdrvが入力され、スイッチング動作が制御される。
第2帰還入力端子106に入力された第2帰還電圧Vfb2は、ドライバ回路120に入力されている。ドライバ回路120は、この第2帰還電圧Vfb2と所定のしきい値電圧Vthを比較し、Vfb2>Vthのとき、駆動信号Vdrvをローレベルに固定しててスイッチング素子SW1のスイッチング動作を停止し、スイッチングレギュレータ130の昇圧動作を停止する。
つぎに、以上のように構成された発光装置400の携帯電話装置1000における実装形態について説明する。
図2中、破線1100で囲まれた領域内の回路素子は、図1の第1筐体1100に実装されることを示す。同様に、破線1200で囲まれた領域内の回路素子は、図1の第2筐体1200に実装されることを示している。また、破線1300は、図1の連結部1300に対応しており、2本の配線W1、W2によって接続されている。
携帯電話装置1000の液晶パネル1400は、第1筐体1100側に設けられているため、そのバックライトとして使用される発光ダイオード300R、300G、300Bも第1筐体1100側に実装される。
また、携帯電話装置1000のバッテリ500は、第2筐体1200側に設けられている。そのため、バッテリ500から出力される電池電圧Vbatを昇圧するスイッチングレギュレータ130およびその制御回路100は、第2筐体1200側に設けることによって、電源ラインの引き回し配線の面積を削減することができる。
スイッチングレギュレータ130に含まれるインダクタL1や出力コンデンサC1としては、高さ、あるいは面積が比較的大きなチップ部品が用いられるが、バッテリ500が設けられる第2筐体1200は、ある程度の容積を有しているため、第1筐体1100側と比べてチップ部品のサイズが問題となることは少ない。
本実施の形態に係る発光装置400では、発光ダイオード300R、300G、300Bの発光輝度を制御する電流駆動回路200を第1筐体1100側に設けている。発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子と、電流駆動回路200は3つの配線によって接続されるが、これらの配線はすべて第1筐体1100内部に敷設されるため、配線の引き回しは最小限とすることができる。
スイッチングレギュレータ130と、発光ダイオード300R、300G、300Bのアノード端子を接続する第1配線W1は、第1筐体1100と第2筐体1200間に、連結部1300を介して敷設されることになる。この第1配線W1によって供給されるスイッチングレギュレータ130の出力電圧Voutによって発光ダイオード300は駆動される。
また、電流駆動回路200の帰還出力端子208と、制御回路100の第1帰還入力端子104を接続する第2配線W2も同様に、第1筐体1100と第2筐体1200間に、連結部1300を介して敷設される。
また、本実施の形態に係る発光装置400においては、制御回路100は、スイッチングレギュレータ130の出力電圧Voutをモニタしてスイッチング信号を生成する。そのために、スイッチングレギュレータ130の出力から制御回路100の第2帰還入力端子106を接続する第3配線W3が設けられるが、この第3配線は第2筐体1200内部に敷設される。
以上のように実装した本実施の形態に係る発光装置400によれば、制御回路100と電流駆動回路200を別々の集積回路として構成することによって、配置の自由度を高めることができ、さらに次のような効果を得ることができる。
本実施の形態に係る発光装置400では、LSIの外部に外付け部品として構成されるスイッチングレギュレータ130のスイッチング素子SW1、インダクタL1、整流ダイオードD1、インダクタL1を、第2筐体1200側に実装する。これらの外付け部品の高さは、半導体集積回路よりも厚い場合が多いため、第1筐体1100の厚みを薄型化することができる。第2筐体1200側には、バッテリ500をはじめとして、もともと厚みのある部品が設けられるため、スイッチング素子SW1等を第2筐体1200側に実装することによる第2筐体1200の厚みの増加はほとんど発生しない。
その結果、携帯電話装置1000全体としては薄型化、小型化を実現することができる。
また、本実施の形態に係る発光装置400では、ヒンジ構造を有する連結部1300に敷設される配線は、第1配線W1および第2配線W2の2本とすることができる。
もし、制御回路100および電流駆動回路200を一体集積化して1つの集積回路として構成した場合、第1筐体1100を小型、薄型化しようとすれば制御回路100、電流駆動回路200、スイッチングレギュレータ130はいずれも第2筐体1200側に実装することになる。しかしながら、この場合には、複数の発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子から電流駆動回路200の端子230R、230G、230Bを接続する3本の配線が連結部1300を跨いで敷設されることになる。これに、スイッチングレギュレータ130と発光ダイオード300R、300G、300Bのアノード端子を接続する第1配線W1が加わるため、少なくとも4本の配線が連結部1300の内部に敷設されることになる。
連結部1300を介して第1筐体1100、第2筐体1200を接続する配線数が増加すると、配線が形成される面積が増大するため、携帯電話装置1000の小型化を妨げる一因となる。したがって、連結部1300内部を通す配線は最小限とすることが望ましい。本実施の形態に係る発光装置400では、この配線を第1配線W1、第2配線W2の2本と最小限に抑えることができるため、筐体の面積の増加も最小限に抑えることができる。
さらに、連結部1300内部に敷設される配線はFPC(Flexible Prinnted Circuit)などによって形成されるため、その強度はPCB(Printed Circuit Board)上に敷設される配線に比べて劣る。
したがって、連結部1300内部を通す配線は最小限とすることが望ましく、本実施の形態に係る発光装置400では、この配線を第1配線W1、第2配線W2の2本と最小限に抑えることができるため信頼性への影響も抑えることができる。
また、本実施の形態に係る発光装置400においては、スイッチングレギュレータ130の出力電圧Voutを制御回路100の第2帰還入力端子106へと帰還する第3配線W3が第2筐体1200の内部に敷設される。
もし、連結部1300内部に敷設される第2配線W2が断線した場合、制御回路100には第1帰還電圧Vfb1として0Vが帰還されることになる。このとき、制御回路100は、この第1帰還電圧Vfb1を所定の基準電圧Vrefに近づくようにスイッチング素子SW1のオンオフを制御しようとするため、出力電圧Voutは、発光ダイオード300R、300G、300Bの駆動に必要な電圧を超えて、さらに上昇して装置全体の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。
本実施の形態に係る発光装置400においては、第3配線W3は第2筐体1200内部にのみ敷設されるため、断線のおそれは低い。制御回路100は、この第3配線W3により帰還される出力電圧Voutが所定のしきい値Vthを超えないようにスイッチング素子SW1のスイッチング動作を制御するため、第2配線W2が断線した場合においても、出力電圧Voutが上昇するのを防止することができ、携帯電話装置1000の信頼性を高めることができる。
また、本実施の形態に係る発光装置400では、発光ダイオード300R、300G、300Bのカソード端子の電圧を帰還し、この値が所定の基準電圧Vrefに近づくように制御を行う。この基準電圧Vrefを、定電流回路210R、210G、210Bを動作させるために必要な最低限度の電圧値に設定することにより、スイッチングレギュレータ130により生成される出力電圧Voutを最小とすることができ、高効率化を実現することができる。
上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
本実施の形態において、制御回路100は、スイッチング素子SW1が一体集積化されて構成されてもよく、さらにその他の回路素子が含まれていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積などによって決めればよい。
本実施の形態では、情報端末装置として携帯電話装置1000を例に説明を行ったがPDAや第2世代コードレス電話システムなど液晶のバックライトを必要とする折り畳み型の情報端末装置に広く適用することができる。
本発明に係るスイッチングレギュレータの制御回路、電流駆動回路、および発光装置は、小型化が要求される情報端末装置に利用することができる。

Claims (2)

  1. 第1、第2筐体が連結部を介して折り畳み可能に連結された情報端末装置に内蔵される発光装置であって、
    発光素子と、
    前記発光素子のアノード端子に接続され、前記発光素子の駆動電圧を生成するスイッチングレギュレータと、
    前記発光素子のカソード端子に接続され、前記発光素子に流れる電流を制御する電流駆動回路と、
    前記電流駆動回路から帰還される前記カソード端子の電圧が所定の電圧に近づくように前記スイッチングレギュレータのスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
    を備え、前記電流駆動回路と前記制御回路は、別々の半導体チップとして集積化され
    前記発光素子および前記電流駆動回路は、前記発光素子がバックライトとして使用される液晶パネルが搭載された第1筐体に実装され、
    前記スイッチングレギュレータおよびその制御回路は、第2筐体に実装され、
    前記スイッチングレギュレータと前記発光素子のアノード端子とを接続し前記駆動電圧を供給する第1配線と、前記電流駆動回路と前記制御回路を接続し前記発光素子のカソード端子の電圧を帰還する第2配線が前記連結部を介して前記第1、第2筐体間に敷設されたことを特徴とする発光装置。
  2. 第1、第2筐体が連結部を介して折り畳み可能に連結された情報端末装置であって、
    前記第1筐体は、
    液晶パネルと、
    前記液晶パネルのバックライトとして設けられた発光素子と、
    前記発光素子のカソード端子に接続され前記発光素子に流れる電流を制御する電流駆動回路と、を備え、
    前記第2筐体は、
    電池と、
    前記電池の電圧から前記発光素子の駆動電圧を生成し、前記発光素子のアノード端子に供給するスイッチングレギュレータと、
    前記電流駆動回路から帰還される前記カソード端子の電圧が所定の電圧に近づくように前記スイッチングレギュレータのスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
    を備えることを特徴とする情報端末装置。
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