JP4692011B2 - 駆動回路及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は駆動回路及び駆動方法に係り、特に、出力直流電圧に応じて入力直流電圧をスイッチング制御して所定の出力直流電圧を生成し、負荷を駆動する駆動回路及び駆動方法に関する。

図４は、従来のＬＥＤ駆動システムの一例のブロック構成図を示す。

ＬＥＤ駆動システム１は、直流電源１１により発光ダイオードＬＥＤを駆動するためのシステムであり、駆動ＩＣ１２、コイルＬ、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ、キャパシタＣin、Ｃout、電流検出用抵抗Ｒ1から構成されている。

コイルＬは一端が直流電源１１の正極に接続されており、他端がショットキーバリアダイオードＳＢＤのアノードに接続されている。ショットキーバリアダイオードＳＢＤのカソードは発光ダイオードＬＥＤのアノードに接続されている。発光ダイオードＬＥＤのカソードは、電流検出用抵抗Ｒ１を介して接地されている。電流検出用抵抗Ｒ１には、発光ダイオードＬＥＤに流れる駆動電流が流れ、駆動電流に応じた電圧をその両端に発生する。

駆動ＩＣ１２は、端子Ｔ１が直流電源１１とコイルＬとの接続点に接続され、端子Ｔ２がコイルＬとショットキーバリアダイオードＳＢＤとの接続点に接続され、端子Ｔ３が発光ダイオードＬＥＤのカソードと抵抗Ｒ１との接続点に接続され、端子Ｔ４が接地されている。

駆動ＩＣ１２は、基準電圧生成回路２１、分割抵抗ＲＡ、ＲＢ、エラーアンプ２２、ＰＷＭ制御部２３、制御トランジスタ２４から構成されている。

基準電圧生成回路２１は、端子Ｔ１に接続されており、端子Ｔ１から供給される電圧から基準電圧Ｖref0を生成する。基準電圧生成回路２１で生成された基準電圧Ｖrefは、分割抵抗ＲＡ、ＲＢにより分割されて、基準電圧Ｖref0とされる。分割抵抗ＲＡ、ＲＢで分割された基準電圧Ｖref0は、エラーアンプ２２の非反転入力端子に供給される。

エラーアンプ２２の反転入力端子には、端子Ｔ３が接続されている。エラーアンプ２２は、端子Ｔ３に供給されるフィードバック電圧ＶFBと基準電圧Ｖref0との差電圧に応じた誤差信号を出力する。エラーアンプ２２で生成された誤差信号は、ＰＷＭ制御部２３に供給される。ＰＷＭ制御部２３は、誤差信号の大きさに応じてそのパルス幅が制御された駆動パルスを生成する。

ＰＷＭ制御部２３で生成された駆動パルスは、制御トランジスタ２４のゲートに供給される。制御トランジスタ２４は、ドレインが端子Ｔ２に接続され、ソースが端子Ｔ４に接続されており、ＰＷＭ制御部２３から供給される駆動パルスに応じてスイッチングされる。

制御トランジスタ２４がスイッチングされることにより、コイルＬに逆起電力が発生し、端子Ｔ２に直流電圧ＶDDを昇圧した電圧が発生する。端子Ｔ２が昇圧時にショットキーバリアダイオードＳＢＤがオンし、発光ダイオードＬＥＤには昇圧された駆動電圧が供給される。

なお、キャパシタＣinは直流電源１１の正極とコイルＬとの接続点と、接地との間に接続されている。キャパシタＣoutはショットキーバリアダイオードＳＢＤのカソードと発光ダイオードＬＥＤのアノードとの接続点と、接地との間に接続されている。キャパシタＣinは、直流電源１１から供給される直流電圧ＶDDを平滑化する。キャパシタＣoutは、負荷ＬＥＤに印加される出力電圧Ｖoutを平滑化する。

従来のＬＥＤドライバは、昇圧型であるので、発光ダイオードＬＥＤの直列灯数あるいは入力電圧によっては、設定した電流に安定化させることができない入力電圧範囲があった。

図５は従来の一例の動作説明図を示す。

例えば、昇圧型ＬＥＤドライバの出力電圧Ｖoutは入力直流電圧ＶDD以下にはできないので、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＜ＶDD ・・・（１）
となる条件では、発光ダイオードＬＥＤを駆動できなくなる。なお、式（１）においてＶDDは入力直流電圧、Ｖoutは出力直流電圧、ＶFBはフィードバック電圧、ＶLEDはＬＥＤの印加電圧を示している。

このとき、フィードバック電圧ＶFBは、
ＶFB＝{ＲB／(ＲA＋ＲB)}×Ｖref ・・・（２）
よって、式（１）に式（２）を代入すると、出力電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶLED＋{ＲB／(ＲA＋ＲB)}×Ｖref ・・・（３）
で表される。

例えば、発光ダイオードＬＥＤ、１灯の印加電圧ＶLEDを３．６Ｖ、フィードバック電圧ＶFBを０．１Ｖとすると、出力電圧Ｖoutは、式（１）より
Ｖout＝３．６＋０．１＝３．７Ｖとなる。

ＬＥＤドライバは、昇圧型であるので、入力直流電圧ＶDD＜３．７Ｖの範囲でないと動作しないことになる。例えば、入力直流電圧ＶDDを３．７Ｖ以上にすると、図５に示すように入力直流電圧ＶDDの上昇に伴って、出力直流電圧Ｖoutも上昇してしまい、発光ダイオードＬＥＤに流れる電流の制御が行えなくなる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、入力直流電圧以下のときでも所望の負荷電流を負荷に供給できる駆動回路及び駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷（ＬＥＤ）に流れる負荷電流を電圧に変換し、変換電圧（ＶFB）に基づいて入力直流電圧（ＶDD）を負荷（ＬＥＤ）に流れる負荷電流が一定になるように制御して、負荷（ＬＥＤ）を駆動する駆動回路であって、基準電圧（Ｖref10、Ｖref20））を生成する基準電圧生成手段（１２１）と、変換電圧（ＶFB）と基準電圧生成手段（１２１）で生成された基準電圧（Ｖref10、Ｖref20）との誤差を検出する誤差アンプ（２２）と、誤差アンプ（２２）の出力信号に基づいて負荷電流が一定になるように入力直流電圧（ＶDD）を昇圧して、負荷（ＬＥＤ）を駆動する制御手段（２３、２４、Ｌ、ＳＢＤ）とを有し、基準電圧生成手段（１２１）は複数の基準電圧（Ｖref10、Ｖref20）から所定の基準電圧を選択可能とされたことを特徴とする。

基準電圧生成手段（１２１）は、出力電圧を印加する負荷（ＬＥＤ）に流れる負荷電流に応じて複数の基準電圧（Ｖref10、Ｖref20）が予め設定されていることを特徴とする。

なお、上記参照符号はあくまでも参考であり、これによって、特許請求の範囲が限定されるものではない。

本発明によれば、基準電圧生成手段は複数の基準電圧から所定の基準電圧を選択可能とすることにより、負荷電流が変更された場合でも基準電圧を適宜選択することにより、確実に負荷に供給する出力直流電圧を制御することができる。

〔第１実施例〕
図１は本発明の第１実施例のブロック構成図を示す。同図中、図５と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施例のＬＥＤ駆動システム１００は、駆動ＩＣ１１１の構成が図５とは相違するとともに、イネーブルスイッチ１１２を追加した構成とされている。本実施例の駆動ＩＣ１１１は、基準電圧生成回路１２１の構成が図５とは相違している。さらに、フィードバック電圧ＶFBを最適化にするために電流検出用抵抗をＲ２に設定している。

本実施例の基準電圧生成回路１２１は、第１の基準電圧生成回路１３１及び第２の基準電圧生成回路１３２、切換スイッチ１３３から構成されている。第１の基準電圧生成回路１３１は、第１の基準電圧Ｖref10を生成する。また、第２の基準電圧生成回路１３２は、第１の基準電圧Ｖref10より大きい第２の基準電圧Ｖref20を生成する。第１の基準電圧Ｖref10及び第２の基準電圧Ｖref20は、切換スイッチ１３３に供給される。

切換スイッチ１３３は、切換端子Ｔ11から供給される切換信号に応じて第１の基準電圧Ｖref10と第２の基準電圧Ｖref20とのいずれかを選択してエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給する。切換スイッチ１３３は、切換端子Ｔ11に供給される切換信号がハイレベルのときに、第１の基準電圧Ｖref10をエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給し、切換端子Ｔ11に供給される切換信号がローレベルのときに、第２の基準電圧Ｖref20をエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給する。

切換端子Ｔ11には、イネーブルスイッチ１１２が接続されている。イネーブルスイッチ１１２には、入力直流電源１１の入力直流電圧ＶDDが印加されるとともに、接地に接続されており、可動接点を実線に示すように切り替えることにより、入力直流電源１１の入力直流電圧ＶDDが端子Ｔ11に印加され、可動接点を破線で示すように切り替えることにより、端子Ｔ11が接地電位とされる。

切換スイッチ１３３は、切換端子Ｔ11の電位が入力直流電圧ＶDDのときには、図１に実線で示すように第１の基準電圧生成回路１３１で生成された第１の基準電圧Ｖref10がエラーアンプ２２の非反転入力端子に印加されるように切り換わる。また、切換スイッチ１３３は、切換端子Ｔ11の電位が接地電位のときには、図１に破線で示すように第２の基準電圧生成回路１３２で生成された第２の基準電圧Ｖref2がエラーアンプ２２の非反転入力端子に印加されるように切り換わる。

図２は本発明の第１実施例の動作説明図を示す。

本実施例では、一つの白色ＬＥＤを駆動する場合には、駆動電流検出用抵抗を複数の白色ＬＥＤを直列接続したときに接続される抵抗Ｒ１に比べて大きい抵抗Ｒ２とする。駆動電流検出用抵抗をＲ２とすることにより、フィードバック電圧ＶFBを大きくする。例えば、入力直流電圧ＶDD＝４．８Ｖ以下程度で駆動する場合、１Ｖ程度となるように設定する。これによって、白色ＬＥＤには、昇圧が行われない場合でも３．７Ｖ程度の電圧が印加される。

したがって、電流制御可能な範囲を広げることが可能となる。例えば、従来、電圧ＶDD＝３．７Ｖ以下であったものを本実施例では４．８Ｖ以下に電流制御範囲を広げることが可能となる。

また、イネーブルスイッチ１１２を破線で示すように接地電位が端子Ｔ11に印加されるように切り替える。イネーブルスイッチ１１２を破線で示すように切り替えることにより、切換スイッチ１３３により第２の基準電圧Ｖref20がエラーアンプ２２に非反転入力端子に印加される。第２の基準電圧Ｖref20は、例えば、フィードバック電圧ＶFB程度、略１．０Ｖ程度に設定されている。これによって、複数の白色ＬＥＤを駆動するのと同様にＰＷＭ制御部２３によるＰＷＭ制御を行うことが可能となる。

また、２個の白色ＬＥＤを直列駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutを７．３Ｖ程度とする。１個の白色ＬＥＤの駆動電圧を３．６Ｖとすると、２個直列で７．２Ｖとなる。また、このとき、駆動電流検出用抵抗は必要最小限の電圧、０．１Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ１とする。駆動電流検出用抵抗をＲ１とすることにより、フィードバック電圧ＶFBが略０．１Ｖとなるように設定される。このとき、入力直流電圧Ｖin＝４．８Ｖで駆動する場合、ＰＷＭ制御により入力直流電圧Ｖin＝４．８Ｖが出力直流電圧Ｖout＝７．３Ｖに昇圧される。

また、イネーブルスイッチ１１２を破線で示すように入力直流電圧Ｖinが端子Ｔ11に印加されるように切り替える。イネーブルスイッチ１１２を実線で示すように切り替えることにより、切換スイッチ１３３により第１の基準電圧Ｖref10がエラーアンプ２２に非反転入力端子に印加される。第１の基準電圧Ｖref10は、例えば、フィードバック電圧ＶFB程度、略０．１Ｖ程度に設定されている。

本実施例のＬＥＤ駆動回路１００によれば、順方向電圧３．６Ｖの１個の白色ＬＥＤを駆動電圧３．７Ｖ以上の入力直流電圧で、安定して駆動させることが可能となる。

〔第２実施例〕
図３は本発明の第２実施例のブロック構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施例のＬＥＤ駆動回路２００は、駆動ＩＣ２１１の構成が図１とは相違する。本実施例の駆動ＩＣ２１１は、基準電圧生成回路２２１の構成が図５とは相違している。本実施例の基準電圧生成回路２２１は、第１の基準電圧生成回路２３１、第２の基準電圧生成回路２３２、第３の基準電圧生成回路２３３、切換スイッチ２３４、デコーダ２３５から構成されている。第１の基準電圧生成回路２３１は、０．１Ｖの第１の基準電圧Ｖref31を生成する。第１の基準電圧Ｖref31は、切換スイッチ２３４に供給される。第２の基準電圧生成回路２３２は、１．２Ｖの第２の基準電圧Ｖref32を生成する。第２の基準電圧Ｖref32は、切換スイッチ２３４に供給される。第３の基準電圧生成回路２３３は、５．０Ｖの第３の基準電圧Ｖref33を生成する。第３の基準電圧Ｖref33は、切換スイッチ２３４に供給される。

切換スイッチ２３４は、デコーダ２３５からの制御信号により第１の基準電圧Ｖref31、第２の基準電圧Ｖref32、第３の基準電圧Ｖref33のうちいずれか一つの基準電圧をエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給する。

デコーダ２３５は、端子Ｔ21及び端子Ｔ22の論理によって切換スイッチ２３４を切り替える。デコーダ２３５は、例えば、端子Ｔ21の論理が「１」、端子Ｔ22の論理が「０」のとき第１の基準電圧Ｖref31がエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給されるように切換スイッチ２３４を切り替え、端子Ｔ21の論理が「０」、端子Ｔ22の論理が「１」のとき第２の基準電圧Ｖref32がエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給されるように切換スイッチ２３４を切り替え、端子Ｔ21の論理が「１」、端子Ｔ22の論理が「１」のとき第３の基準電圧Ｖref33がエラーアンプ２２の非反転入力端子に供給されるように切換スイッチ２３４を切り替える。なお、端子Ｔ21及び端子Ｔ22の論理が共に「０」のときには不定となる。

さらに、フィードバック電圧ＶFBが０．１Ｖ、１．２Ｖ、５．０Ｖとなるように電流検出用抵抗がＲ31、Ｒ32、Ｒ33に設定可能とされている。

次に本発明の第２実施例の動作を説明する。

（１）直流電源１１がアルカリ電池を２本直列接続した構成
この場合には、入力直流電圧ＶDDの電圧範囲は、１．８Ｖ〜３．０Ｖとなる。このとき、フィードバック電圧ＶFBを０．１Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ31に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第１の基準電圧Ｖref31＝０．１Ｖを選択する。

このとき、１灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝０．１＋３．６＝３．７Ｖ
となる。

また、２灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝０．１＋（３．６×２）＝７．３Ｖ
となる。

したがって、入力直流電圧ＶDD、１．８〜３．０Ｖの電圧範囲にて、ＬＥＤ電流を定電流制御できる。

（２）直流電源１１がリチウムイオン電池１本の構成
この場合には、入力直流電圧ＶDDの電圧範囲は、２．７Ｖ〜４．２Ｖとなる。このとき、フィードバック電圧ＶFBを１．２Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ32に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第２の基準電圧Ｖref32＝１．２Ｖを選択する。

このとき、１灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝１．２＋３．６＝４．８Ｖ
となる。

また、２灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝１．２＋（３．６×２）＝８．４Ｖ
となる。

したがって、入力直流電圧ＶDD、２．７〜４．２Ｖの電圧範囲にてＬＥＤ電流を定電流制御できる。

また、このとき、フィードバック電圧ＶFBを０．１Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ31に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第１の基準電圧Ｖref31＝０．１Ｖを選択し、２灯の白色ＬＥＤを駆動する場合を考えると、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝０．１＋（３．６×２）＝７．３Ｖ
となる。よって、入力直流電圧ＶDD、２．７〜４．２Ｖの電圧範囲にて、ＬＥＤ電流を定電流制御できる。

（３）直流電源１１がリチウムイオン電池を２本直列接続した構成
この場合には、入力直流電圧ＶDDの電圧範囲は、５．４Ｖ〜８．４Ｖとなる。このとき、フィードバック電圧ＶFBを５Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ33に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第３の基準電圧Ｖref33＝５．０Ｖを選択する。

このとき、１灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝５．０＋３．６＝８．６Ｖ
となる。

また、２灯の白色ＬＥＤを駆動する場合には、出力直流電圧Ｖoutは、
Ｖout＝ＶFB＋ＶLED＝５．０＋（３．６×２）＝１２．２Ｖ
となる。

したがって、入力直流電圧ＶDD、５．４〜８．４Ｖの電圧範囲にてＬＥＤ電流を定電流制御できる。

また、このとき、３灯で効率よく白色ＬＥＤを駆動するためには、フィードバック電圧ＶFBを０．１Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ31に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第１の基準電圧Ｖref31＝０．１Ｖを選択し、２灯で効率よく白色ＬＥＤを駆動するためには、フィードバック電圧ＶFBを１．２Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ32に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第２の基準電圧Ｖref32＝１．２Ｖを選択し、１灯以上で効率よく白色ＬＥＤを駆動するためには、フィードバック電圧ＶFBを５．０Ｖとなるように駆動電流検出用抵抗をＲ33に調整するとともに、基準電圧生成回路２２１により第３の基準電圧Ｖref33＝５．０Ｖを選択するようにすればよい。

このように、本実施例によれば、広い電圧範囲で効率よく駆動を行うことができる。また、１灯及び複数灯の白色ＬＥＤに必要な駆動電圧を常に昇圧して得ることができるため、安定して白色ＬＥＤを駆動することができる。

〔その他〕
なお、本実施例では、白色ＬＥＤを駆動する場合について説明したが、負荷は白色ＬＥＤに限定されるものではなく、他のＬＥＤなど他の負荷であってもよい。

本発明の第１実施例のブロック構成図である。 本発明の第１実施例の動作説明図である。 本発明の第２実施例のブロック構成図である。 従来の一例のブロック構成図である。 従来の一例の動作説明図である。

符号の説明

１００、２００ ＬＥＤ駆動システム
１１ 直流電源、
２２ エラーアンプ、２３ ＰＷＭ制御部、２４ 制御トランジスタ
１１１、２１１ 駆動ＩＣ、１１２ イネーブルスイッチ
１２１、２２１ 基準電圧生成回路
１３１ 第１の基準電圧生成回路、１３２ 第２の基準電圧生成回路
１３３ 切換スイッチ
２１１ 駆動ＩＣ
２２１ 基準電圧生成回路
２３１ 第１の基準電圧生成回路、２３２ 第２の基準電圧生成回路
２３３ 第３の基準電圧生成回路、２３４ 切換スイッチ、２３５ デコーダ

Claims (4)

1. 基準電圧を生成する基準電圧生成手段と、
   発光ダイオードに流れる電流を電圧変換手段によって変換された変換電圧と前記基準電圧生成手段で生成された基準電圧との誤差を検出する誤差アンプと、
   前記誤差アンプの出力信号に基づいて前記電流が一定になるように入力直流電圧を昇圧した電圧を前記発光ダイオードと前記電圧変換手段との直列回路に供給する供給手段とを有する、駆動回路であって、
   前記基準電圧生成手段は、複数の基準電圧から、前記入力直流電圧が前記発光ダイオードの順方向電圧より大きくても、前記順方向電圧と前記変換電圧との和を前記入力直流電圧よりも大きくする電圧に設定された基準電圧を選択可能とされたことを特徴とする駆動回路。
2. 前記順方向電圧が大きいとき、前記順方向電圧が小さいときよりも小さな基準電圧を前記複数の基準電圧から選択可能に構成された、請求項１に記載の駆動回路。
3. 発光ダイオードに流れる電流を電圧変換手段によって変換された変換電圧と基準電圧生成手段で生成された基準電圧との誤差を検出する誤差アンプの出力信号に基づいて、前記電流が一定になるように入力直流電圧を昇圧した電圧を前記発光ダイオードと前記電圧変換手段との直列回路に供給する、発光ダイオードの駆動方法であって、
   複数の基準電圧から、前記入力直流電圧が前記発光ダイオードの順方向電圧より大きくても、前記順方向電圧と前記変換電圧との和を前記入力直流電圧よりも大きくする電圧に設定された基準電圧が選択されることを特徴とする、発光ダイオードの駆動方法。
4. 前記順方向電圧が大きいとき、前記順方向電圧が小さいときよりも小さな基準電圧が前記複数の基準電圧から選択される、請求項３に記載の発光ダイオードの駆動方法。

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