JP4969686B2 - 発光素子駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子駆動回路に関し、特に、直列に接続された複数の発光素子を定電流駆動する発光素子駆動回路に関する。

液晶表示装置のバックライトとして、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）を２次元状に配置したＬＥＤバックライトが用いられることがある。ＬＥＤバックライトでは、バックライトの輝度を一定に保つために、複数のＬＥＤを直列に接続し、その一端に定電流源を設け、ＬＥＤを定電流駆動する方法が用いられる。ところが、ＬＥＤの特性にはばらつきがあるので、定電流駆動を行ってもＬＥＤの輝度にはばらつきが発生する。そこで、ＬＥＤの輝度のばらつきを抑制するために、ＬＥＤの輝度を個別に調整する機能を有するＬＥＤ駆動回路が考案されている（例えば、特許文献１）。

図９は、従来のＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。図９に示すＬＥＤ駆動回路は、直列に接続された５個のＬＥＤ９１を定電流駆動する。スイッチ９２は、各ＬＥＤ９１に並列に接続され、オン時にはＬＥＤ９１に流れる電流をバイパスする。ＬＥＤ９１は、対応するスイッチ９２がオフ状態のときには点灯し、当該スイッチがオン状態のときには消灯する。

駆動制御回路９４は、定電流源として機能するＦＥＴ（Field Effect Transistor ：電界効果トランジスタ）９３のゲート電圧を制御する。スイッチ制御回路９５は、スイッチ９２のオンオフを個別に制御する。スイッチ９２のオフ期間の長さは、対応するＬＥＤ９１の特性に応じて決定される。このように構成されたＬＥＤ駆動回路によれば、スイッチ制御回路９５を用いてＬＥＤ９１の輝度を個別に調整し、ＬＥＤ９１の特性にばらつきがある場合でも、ＬＥＤ９１の輝度を揃えることができる。
日本国特開２００５−３１０９９６号公報

しかしながら、上記ＬＥＤ駆動回路には、以下に示すように、あるＬＥＤ９１が消灯したときに点灯中のＬＥＤ９１に過電流が流れるという問題がある。点灯中のＬＥＤのアノード−カソード間電圧をＶｆ（Ｖｆは正の値）とする。あるＬＥＤ９１を消灯するために、対応するスイッチ９２をオフ状態からオン状態に変化させると、当該ＬＥＤのアノード−カソード間電圧はＶｆよりも十分に低いＶｚになる。このときの電圧Ｖｚはほぼ０に等しい。以下では、説明を簡略化するために、Ｖｚ＝０であるとする。

ＬＥＤ９１とＦＥＴ９３を直列に接続した回路には固定の電源電圧が印加されるので、５個のスイッチ９２のうちｋ個がオン状態になる（すなわち、ｋ個のＬＥＤ９１が消灯する）と、ＦＥＴ９３のドレイン電圧（節点Ｐの電圧）は（ｋ×Ｖｆ）だけ上昇する。ＦＥＴ９３のドレイン−ゲート間には寄生容量９６が存在するので、ドレイン電圧が上昇するとゲート電圧（節点Ｑの電圧）も上昇する。節点Ｑの電圧は、ＦＥＴ９３を定電流源として機能させる駆動制御回路９４の作用により、短時間のうちに元のレベルに戻る。しかし、節点Ｑの電圧が設定よりも高くなった短時間の間に、点灯中のＬＥＤ９１には設定よりも多くの電流が流れ、ＬＥＤ９１は設定よりも高い輝度で発光する。また、点灯中のＬＥＤ９１には過剰な電流ストレスがかかるので、ＬＥＤ９１の寿命が短くなる。

それ故に、本発明は、発光素子の輝度を個別に調整すると共に、発光素子に過電流が流れることを防止した表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面は、直列に接続された複数の発光素子を定電流駆動する発光素子駆動回路であって、
前記発光素子に直列に接続された定電流源と、
それぞれが前記発光素子のそれぞれに並列に接続された複数のスイッチと、
前記スイッチのオンオフを個別に制御でき、前記スイッチをすべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化させるスイッチ制御回路とを備える。

本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記スイッチがオン状態に変化するタイミングに合わせて、前記定電流源の動作を停止させる駆動制御回路をさらに備える。

本発明の第３の局面は、本発明の第２の局面において、
前記駆動制御回路は、前記スイッチがオン状態に変化するより前に、前記定電流源の動作を停止させることを特徴とする。

本発明の第４の局面は、本発明の第１〜第３のいずれかの局面に係る発光素子駆動回路をバックライト駆動回路として備えた表示装置である。

本発明の第１の局面によれば、すべてのスイッチは同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化するので、スイッチがオン状態に変化したときに定電流源を流れる電流が一時的に増加したとしても、その電流は発光素子には流れない。したがって、発光素子の輝度を個別に調整すると共に、発光素子に過電流が流れることを防止することができる。また、発光素子に対する電流ストレスを低減し、発光素子の寿命を延ばすことができる。

本発明の第２の局面によれば、スイッチがオン状態に変化するタイミングに合わせて定電流源の動作を停止させることにより、発光素子に過電流が流れることをより効果的に防止することができる。

本発明の第３の局面によれば、スイッチがオン状態に変化するより前に定電流源の動作を停止させることにより、スイッチがオン状態に変化するタイミングにばらつきがある場合でも、発光素子に過電流が流れることを防止することができる。

本発明の第４の局面によれば、バックライトを構成する発光素子に過電流が流れることを防止し、バックライトの寿命を延ばすことができる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。 図１に示すＬＥＤ駆動回路を備えた液晶表示装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すＬＥＤ駆動回路における駆動電流の経路（第１の例）を示す図である。 図１に示すＬＥＤ駆動回路における駆動電流の経路（第２の例）を示す図である。 図１に示すＬＥＤ駆動回路における駆動電流の経路（第３の例）を示す図である。 図１に示すＬＥＤ駆動回路のタイミングチャートである。 従来のＬＥＤ駆動回路のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。 図６に示すＬＥＤ駆動回路のタイミングチャートである。 図６に示すＬＥＤ駆動回路の別のタイミングチャートである。 従来のＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…液晶パネル
２…表示制御回路
３…走査信号線駆動回路
４…データ信号線駆動回路
５…ＬＥＤバックライト
６…バックライト駆動回路
７…画素
１０、２０…ＬＥＤ駆動回路
１１…ＬＥＤ
１２…スイッチ
１３…ＦＥＴ
１４，２４…駆動制御回路
１５、２５…スイッチ制御回路

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。図１に示すＬＥＤ駆動回路１０は、スイッチ１２ａ〜１２ｅ、ＦＥＴ１３、駆動制御回路１４、および、スイッチ制御回路１５を備え、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅを定電流駆動する。なお、ここでは、ＬＥＤ駆動回路１０は５個のＬＥＤを駆動することとしたが、ＬＥＤ駆動回路１０が駆動するＬＥＤの個数は２個以上であれば任意でよい。言い換えると、２個以上のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路１０には後述する効果がある。

ＬＥＤ駆動回路１０の詳細を説明する前に、図２を参照してＬＥＤ駆動回路１０の利用形態の一例を説明する。図２は、ＬＥＤ駆動回路１０を備えた液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図２に示す液晶表示装置は、液晶パネル１、表示制御回路２、走査信号線駆動回路３、データ信号線駆動回路４、ＬＥＤバックライト５、および、バックライト駆動回路６を備えている。

液晶パネル１は、ｍ本の走査信号線Ｇ１〜Ｇｍ、ｎ本のデータ信号線Ｓ１〜Ｓｎ、および、（ｍ×ｎ）個の画素７を含んでいる。表示制御回路２は、走査信号線駆動回路３に対してタイミング制御信号Ｃ１を出力すると共に、データ信号線駆動回路４に対してタイミング制御信号Ｃ２と映像信号Ｖを出力する。走査信号線駆動回路３は、タイミング制御信号Ｃ１に基づき、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍを順に選択する。データ信号線駆動回路４は、タイミング制御信号Ｃ２に基づき、映像信号Ｖに応じた電圧をデータ信号線Ｓ１〜Ｓｎに印加する。これにより、選択された走査信号線に接続された画素７に、データ信号線Ｓ１〜Ｓｎに印加された電圧が書き込まれる。画素７の輝度は、画素７に書き込まれた電圧に応じて変化する。

ＬＥＤバックライト５は、液晶パネル１の背面側に設けられ、液晶パネル１の背面に光を照射する。ＬＥＤバックライト５は、２次元状に配置された複数のＬＥＤ１１を含んでいる。ＬＥＤ１１は複数のグループに分けられ、同じグループ内のＬＥＤ１１は直列に接続される。バックライト駆動回路６は、ＬＥＤ１１をグループ単位で駆動する。

図１に示すＬＥＤ駆動回路１０の構成要素のうち、スイッチ１２ａ〜１２ｅはＬＥＤ１１ａ〜１１ｅと共にＬＥＤバックライト５内に配置され、ＦＥＴ１３、駆動制御回路１４およびスイッチ制御回路１５はバックライト駆動回路６内に設けられる。また、図２ではＬＥＤ１１は列ごとにグループ化されているが、ＬＥＤ１１を任意の方法でグループ化してもよい。

以下、再び図１を参照して、ＬＥＤ駆動回路１０の詳細を説明する。図１に示すように、ＬＥＤ駆動回路１０によって駆動される５個のＬＥＤ１１ａ〜１１ｅは、直列に接続される。直列に接続されたＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの一端には電源電圧Ｖｃｃが印加され、他端はＦＥＴ１３を介して接地される。ＦＥＴ１３はＮチャネル型のトランジスタであり、ＦＥＴ１３のゲート端子は駆動制御回路１４の出力端子に接続される。駆動制御回路１４は、ＦＥＴ１３を流れる電流（以下、駆動電流という）の量が所定の目標値に一致するように、ＦＥＴ１３のゲート電圧を制御する。これにより、ＦＥＴ１３は定電流源として機能する。

スイッチ１２ａ〜１２ｅは、それぞれ、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに並列に接続される。スイッチ制御回路１５は、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅを用いて、スイッチ１２ａ〜１２ｅのオンオフを個別に制御する。以下、スイッチ１２ａ〜１２ｅは、それぞれ、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがハイレベルのときにはオフ状態となり、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがローレベルのときにはオン状態になるとする。

スイッチ制御信号Ｘａがハイレベルである間、スイッチ１２ａはオフ状態になる。このとき駆動電流はＬＥＤ１１ａを流れるので、ＬＥＤ１１ａは点灯する。これに対して、スイッチ制御信号Ｘａがローレベルである間、スイッチ１２ａはオン状態になる。このとき駆動電流はＬＥＤ１１ａを流れないので、ＬＥＤ１１ａは消灯する。このようにスイッチ１２ａは、オン時にはＬＥＤ１１ａに流れる電流をバイパスする。ＬＥＤ１１ｂ〜１１ｅおよびスイッチ１２ｂ〜１２ｅについても、これと同様である。

図３Ａ〜図３Ｃは、ＬＥＤ駆動回路１０における駆動電流の経路の例を示す図である。スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがすべてハイレベルのとき（図３Ａ）には、スイッチ１２ａ〜１２ｅはすべてオフ状態となり、駆動電流はＬＥＤ１１ａ〜１１ｅを流れる。このため、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅはすべて点灯する。スイッチ制御信号Ｘａがハイレベルで、スイッチ制御信号Ｘｂ〜Ｘｅがローレベルのとき（図３Ｂ）には、スイッチ１２ａはオフ状態、スイッチ１２ｂ〜１２ｅはオン状態となり、駆動電流はＬＥＤ１１ａを流れるが、ＬＥＤ１１ｂ〜１１ｅを流れない。このため、ＬＥＤ１１ａは点灯し、ＬＥＤ１１ｂ〜１１ｅは消灯する。スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがすべてローレベルのとき（図３Ｃ）には、スイッチ１２ａ〜１２ｅはすべてオン状態となり、駆動電流はＬＥＤ１１ａ〜１１ｅを流れない。このため、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅはすべて消灯する。

ＬＥＤ駆動回路１０では、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの特性に応じて、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがハイレベルになる期間（ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの点灯期間に等しい）の長さが決定される。したがって、ＬＥＤ駆動回路１０によれば、スイッチ制御回路１５を用いてＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの輝度を個別に調整することにより、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの特性にばらつきがある場合でも、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの輝度を揃えることができる。

これに加えて、スイッチ制御回路１５は、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅを同じタイミングでハイレベルからローレベルに切り替えることにより、スイッチ１２ａ〜１２ｅをすべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化させるという特徴を有する。以下、図４と図５を参照して、上記特徴を有するスイッチ制御回路１５を備えたＬＥＤ駆動回路１０の効果を説明する。以下の説明では、点灯中のＬＥＤのアノード−カソード間電圧をＶｆ、消灯中のＬＥＤのアノード−カソード間電圧を０とする。

図４は、ＬＥＤ駆動回路１０のタイミングチャートである。スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅは、時刻ｔ０ではすべてローレベルである。その後、スイッチ制御信号Ｘａは時刻ｔ１でハイレベルに変化し、スイッチ制御信号Ｘｂ〜Ｘｅは時刻ｔ２でハイレベルに変化する。さらに、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅは、時刻ｔ３でローレベルに変化する。このため、スイッチ１２ａ〜１２ｅは、すべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化する。ＬＥＤ駆動回路１０は、時刻ｔ１〜ｔ２では図３Ｂに示す状態にあり、時刻ｔ２〜ｔ３では図３Ａに示す状態にあり、時刻ｔ３〜ｔ４では図３Ｃに示す状態にある。

図５は、図９に示すＬＥＤ駆動回路においてスイッチ９２をすべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化させるのではなく、スイッチ９２をすべて同じタイミングでオン状態からオフ状態に変化させた場合（以下、従来のＬＥＤ駆動回路という）のタイミングチャートである。従来のＬＥＤ駆動回路では、スイッチ制御信号Ｙａ〜Ｙｅは、時刻ｔ０でローレベルからハイレベルに変化する。その後、スイッチ制御信号Ｙｂ〜Ｙｅは時刻ｔ１でローレベルに変化し、スイッチ制御信号Ｙａは時刻ｔ２でローレベルに変化する。さらに、スイッチ制御信号Ｙａ〜Ｙｅは、時刻ｔ３でハイレベルに変化する。従来のＬＥＤ駆動回路は、時刻ｔ０〜ｔ１では図３Ａに示す状態にあり、時刻ｔ１〜ｔ２では図３Ｂに示す状態にあり、時刻ｔ２〜時刻ｔ３では図３Ｃに示す状態にある。

従来のＬＥＤ駆動回路では、時刻ｔ１において４個のスイッチ９２がオフ状態からオン状態に変化したときに、ＦＥＴ９３のドレイン電圧（節点Ｐの電圧）は（Ｖｃｃ−５×Ｖｆ）から（Ｖｃｃ−Ｖｆ）に上昇する（図５を参照）。ＦＥＴ９３のドレイン電圧が上昇すると、ドレイン−ゲート間に存在する寄生容量９６の作用により、ＦＥＴ９３のゲート電圧（節点Ｑの電圧）が上昇し、これに伴いＦＥＴ９３を流れる駆動電流も増加する。従来のＬＥＤ駆動回路では、時刻ｔ１以降もスイッチ制御信号Ｙａはハイレベルであり、１段目のＬＥＤ９１は点灯し続ける。このため、駆動電流が駆動制御回路９４の作用によって元のレベルに戻るまでの間、点灯中の１段目のＬＥＤ９１に過電流Ｉｅｘが流れる。この結果、ＬＥＤ９１が設定よりも高い輝度で発光することや、ＬＥＤ９１の寿命が短くなることが問題となる。

一方、本実施形態に係るＬＥＤ駆動回路１０では、時刻ｔ３においてスイッチ１２ａ〜１２ｅがオフ状態からオン状態に変化したときに、ＦＥＴ１３のドレイン電圧（節点Ａの電圧）は（Ｖｃｃ−５×Ｖｆ）からＶｃｃに上昇する（図４を参照）。ＬＥＤ駆動回路１０でも従来のＬＥＤ駆動回路と同様に、ＦＥＴ１３のドレイン電圧が上昇すると、ＦＥＴ１３のゲート電圧（節点Ｂの電圧）が上昇し、これに伴いＦＥＴ１３を流れる駆動電流も増加する。ところが、ＬＥＤ駆動回路１０では、時刻ｔ３以降、スイッチ１２ａ〜１２ｅはすべてオン状態であるので、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに駆動電流は流れない。このため、駆動電流が過剰となっても、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに過電流Ｉｅｘが流れることはない。したがって、点灯中のＬＥＤ１１に過電流が流れることを防止することができる。また、ＬＥＤ１１に対する電流ストレスを低減し、ＬＥＤ１１の寿命を延ばすことができる。

以上に示すように、本実施形態に係るＬＥＤ駆動回路１０では、すべてのスイッチ１２ａ〜１２ｅは同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化するので、スイッチ１２ａ〜１２ｅがオン状態に変化したときに駆動電流が一時的に増加したとしても、その電流はＬＥＤ１１ａ〜１１ｅには流れない。したがって、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅの輝度を個別に調整すると共に、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに過電流が流れることを防止することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示すブロック図である。図６に示すＬＥＤ駆動回路２０は、第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動回路１０（図１）において、駆動制御回路１４とスイッチ制御回路１５を駆動制御回路２４とスイッチ制御回路２５に置換したものである。本実施形態の構成要素のうち、第１の実施形態と同一の要素については同一の参照符号を付して説明を省略する。

駆動制御回路２４は、駆動制御回路１４と同様に、駆動電流の量が所定の目標値に一致するように、ＦＥＴ１３のゲート電圧を制御する。スイッチ制御回路２５は、スイッチ制御回路１５と同様に、スイッチ１２ａ〜１２ｅのオンオフを個別に制御すると共に、スイッチ１２ａ〜１２ｅをすべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化させる。

これに加えて、駆動制御回路２４は、ＦＥＴ１３のゲート電圧をハイレベルとローレベルに切り替える機能を有する。ＦＥＴ１３は、ゲート電圧がハイレベルである間はオン状態となり、定電流源として機能する。これに対して、ゲート電圧がローレベルである間は、ＦＥＴ１３はオフ状態となり、定電流源として機能しない。

さらに、駆動制御回路２４とスイッチ制御回路２５には、共通のタイミング制御信号Ｃ０が入力される。駆動制御回路２４は、タイミング制御信号Ｃ０に基づき、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングに合わせて、ＦＥＴ１３のゲート電圧をハイレベルからローレベルに変化させる。このように駆動制御回路２４は、スイッチ１２ａ〜１２ｅがオン状態に変化するタイミングに合わせて、定電流源の機能を停止させる。

図７は、ＬＥＤ駆動回路２０のタイミングチャートである。図７において、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅは、図４と同様に変化する。ＦＥＴ１３のゲート電圧は、駆動制御回路２４によって、時刻ｔ１〜ｔ３ではハイレベルに、時刻ｔ３〜ｔ４ではローレベルに制御される。図７では、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがローレベルに変化するタイミングと、ＦＥＴ１３のゲート電圧がローレベルに変化するタイミングはほぼ同じである。

このように構成された本実施形態に係るＬＥＤ駆動回路２０によれば、スイッチ１２ａ〜１２ｅがオン状態に変化するタイミングに合わせて、ＦＥＴ１３で構成された定電流源の動作を停止させることにより、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに過電流が流れることをより効果的に防止することができる。

なお、駆動制御回路２４は、図８に示すように、スイッチ制御信号Ｘａ〜Ｘｅがハイレベルからローレベルに変化するより前に、ＦＥＴ１３のゲート電圧をハイレベルからローレベルに変化させることにより、スイッチ１２ａ〜１２ｅがオフ状態からオン状態に変化するより前に、ＦＥＴ１３で構成された定電流源の機能を停止させてもよい。これにより、スイッチ１２ａ〜１２ｅがオン状態に変化するタイミングにばらつきがある場合でも、ＬＥＤ１１ａ〜１１ｅに過電流が流れることを防止することができる。

なお、ここまで発光素子駆動回路の例としてＬＥＤ駆動回路について説明してきたが、同様の方法で、ＬＥＤ以外の発光素子の駆動回路を構成することもできる。

本発明の発光素子駆動回路は、発光素子の輝度を個別に調整すると共に、発光素子に過電流が流れることを防止できるので、ＬＥＤなど各種の発光素子の駆動回路に利用することができる。

Claims (4)

1. 直列に接続された複数の発光素子を定電流駆動する発光素子駆動回路であって、
   前記発光素子に直列に接続された定電流源と、
   それぞれが前記発光素子のそれぞれに並列に接続された複数のスイッチと、
   前記スイッチのオンオフを個別に制御でき、前記スイッチをすべて同じタイミングでオフ状態からオン状態に変化させるスイッチ制御回路とを備えた、発光素子駆動回路。
2. 前記スイッチがオン状態に変化するタイミングに合わせて、前記定電流源の動作を停止させる駆動制御回路をさらに備えた、請求項１に記載の発光素子駆動回路。
3. 前記駆動制御回路は、前記スイッチがオン状態に変化するより前に、前記定電流源の動作を停止させることを特徴とする、請求項２に記載の発光素子駆動回路。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子駆動回路をバックライト駆動回路として備えた、表示装置。

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