JP5026146B2 - 発光ダイオード駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、直列接続された複数の発光ダイオード（以下ＬＥＤともいう）と定電流源とを直列に接続して駆動する発光ダイオード駆動装置に関する。

液晶やプラズマに代表されるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の光源は、冷陰極蛍光放電管（ＣＣＦＬ）が主流であるがＣＣＦＬは水銀を含むため、環境に配慮しＣＣＦＬに代わる光源としてＬＥＤ等が望まれている。

一般的に液晶ＴＶ等のバックライトとしてＬＥＤを使用する場合、非常に多くのＬＥＤが使用される。これらのＬＥＤは、一定の明るさを保つためＬＥＤと定電流源を直列に接続する方法がよく用いられる。

しかし、ＬＥＤは順方向電圧Ｖｆに対してバラツキを持っており、仮にＬＥＤのアノードに与える電源電圧が一定の場合、ＬＥＤが持つ個々の順方向電圧Ｖｆバラツキにより、定電流源で損失する電力は大きくなる。

このため多くの定電流源を用いるシステムの場合、システム全体の損失が大きくなるため、例えば、１つの定電流源に対してＬＥＤを２個直列に接続し、全体の定電流源の数を１／２にしてシステム全体の損失を低減させる方法がよく用いられる。このように１つの定電流源に対して、ＬＥＤをＮ個直列に接続することで定電流源の個数は１／Ｎにすることができる。

この場合、消費電力を削減するには、入力電圧を下げるか定電流を止める必要があるが、ＬＥＤを１個接続する場合に比べてＮ個接続する場合の消費電力削減効果が低い。そのため２個以上、直列に接続されたＬＥＤ装置において、更なる消費電力削減効果を得る場合、バックライトを映像データ等にあわせて制御することで、必要のない光源の輝度を落として、システム全体の消費電力を削減するような方法をとれば良い。

これを直列に接続されたＬＥＤにおいて実現させるためには、個々のＬＥＤを個別に点灯または消灯できる必要がある。これを実現するため、ＬＥＤと並列にバイパススイッチを接続し、そのスイッチのオンまたはオフにより、ＬＥＤを消灯または点灯することを可能とするＬＥＤ駆動装置がある。

図１３は、従来の発光ダイオード駆動装置９１の構成を示す回路図である。発光ダイオード駆動装置９１は、直列に接続された４個の発光ダイオード９３ａ・９３ｂ・９３ｃ・９３ｄを備えている。発光ダイオード９３ｄの発光ダイオード９３ｃと反対側には、定電流源９５が接続されており、定電流源９５の他端は、接地されている。定電流源９５は、発光ダイオード９３ａ・９３ｂ・９３ｃ・９３ｄに信号電流Ａを供給する。発光ダイオード９３ａと並列にバイパススイッチ９４ａが接続されており、発光ダイオード９３ｂと並列にバイパススイッチ９４ｂが接続されている。発光ダイオード９３ｃと並列にバイパススイッチ９４ｃが接続されており、発光ダイオード９３ｄと並列にバイパススイッチ９４ｄが接続されている。バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄは、直列に接続されている。発光ダイオード駆動装置９１には、制御回路９２が設けられている。制御回路９２は、クロック信号ＣＬＫに同期して、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅを出力し、バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄの開閉を制御する。

このように定電流源９５から信号電流Ａを流し、直列接続しているＬＥＤ９３ａ・９３ｂ・９３ｃ・９３ｄを発光させている状態から、バイパススイッチを用いて、ＬＥＤ１個を消灯するには、ＬＥＤに流れる電流によって発光する光が、人間の目で可視することができないくらい微弱になるようにする必要がある。そのときの電流に対応する電圧をＶｆａとする。ＬＥＤに流れる電流によって発光する光が、人間の目で可視することができないくらい微弱になるようにするためには、バイパススイッチに電流を流し、その電流とバイパススイッチのオン抵抗とにより発生する電圧がＶｆａ以下とする必要がある。定電流源９５からの電流を３５ｍＡ、可視できない時のＬＥＤのＶｆをＶｆａ＝０．７Ｖとした場合、
「０．７Ｖ」÷「３５ｍＡ」＝２０Ω （１）
となるため、バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄのオン抵抗は２０Ωよりも小さくする必要がある。

多くのＬＥＤを直列に接続すると、システムに供給する電圧は、
「定電流源で必要な電圧」＋「ＬＥＤのＶｆ」×「ＬＥＤの個数」 （２）
以上の電圧が必要となる。

仮に定電流源で必要な電圧を１Ｖ、ＬＥＤのＶｆを３．５Ｖ、直列接続するＬＥＤの個数を１０個とした場合、式（２）より、３６Ｖ以上の電圧を供給する必要がある。この時のバイパススイッチによる損失が最大となるのは、バイパススイッチが全てオン状態のときであり、その損失（Ｐ）は、
Ｐ＝「定電流値」×「定電流値」×「バイパススイッチのオン抵抗」×「オン状態のスイッチ数」
となる。

図１４は、従来のタイミング波形を示しており、電流信号Ａ、信号Ｂ、信号Ｃ、信号Ｄ、信号Ｅ，クロック信号ＣＬＫは、図１３の参照符号と一致している。信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して遷移する。図１４では全ての信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅが、同一タイミングで遷移した場合を示しており、電流信号Ａの電圧遷移が大きいためリンギングの影響により定電流源９５に対してストレスとなる。
特開２００２−４３０７３号公報（平成１４年２月８日（2002.2.8）公開） 実開平５−３０８８８号公報（平成５年（1993）４月２３日公開）

上記のような定数で与えられるＬＥＤ駆動装置９１の場合、ＬＥＤ９３ｄのカソードと定電流源９５の接続部分（以後、位置Ｐとする。）の電圧は、定電流を流している時は、バイパススイッチの状態により１Ｖ〜２９Ｖ、電流が停止している時は約３６Ｖの電圧となる。

このＬＥＤ駆動装置９１は、ＬＥＤ消灯時は、バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄでの損失が大きいという課題がある。この課題を解決するためには、バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄのオン抵抗を下げる必要がある。そのためにはバイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄの大きさが大きくなってしまう。このように損失の低減とバイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄの大きさは、トレードオフの関係がある。更に図１３に示した従来のＬＥＤ駆動装置９１の場合、全点灯状態から全消灯状態での状態の変化で、図１３に示すＬＥＤ９３ｄのカソード側の位置Ｐの電圧遷移は、前記の定数では、約１Ｖから約３６Ｖまで遷移する。このように大きな遷移の場合、リンギングにより定電流源９５等に対してストレスを与えるという課題がある。

本発明は、上記課題であるバイパススイッチでの損失の低減し、リンギング等の影響による定電流源へのストレスを緩和するＬＥＤ駆動装置の提供を目的とする。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置は、上記課題を解決するために、直列に接続された２個以上の発光ダイオードに一定の電流を与える定電流源と、各発光ダイオードに並列に接続された２個以上のバイパススイッチと、各バイパススイッチの開閉を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記バイパススイッチの１つの切替タイミングが、前記バイパススイッチの他の１つの切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチの開閉を制御し、前記２個以上のバイパススイッチをさらにバイパスする補助バイパススイッチをさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、２個以上のバイパススイッチがすべてオン状態になったときに、補助バイパススイッチをオン状態にすることにより、バイパススイッチの合成抵抗を低減することができる。このため、損失Ｐ＝Ｉ×Ｉ×ＲのうちのＲが低減するので、ＩＣ内部での電力（損失）を下げることができる。これによりＩＣの発熱を低減することができる。
そして、２個以上のバイパススイッチがすべてオン状態になったときに、補助バイパススイッチをオン状態にすることにより、バイパススイッチの合成抵抗を低減することができる。このため、損失Ｐ＝Ｉ×Ｉ×ＲのうちのＲが低減するので、ＩＣ内部での電力（損失）を下げることができる。これによりＩＣの発熱を低減することができる。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記バイパススイッチは、直列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスすることが好ましい。

この構成によれば、発光ダイオードの点灯時の順方向電圧Ｖｆのバラツキを吸収することができる。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記バイパススイッチは、互いに並列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスすることが好ましい。

この構成によれば、低電圧駆動が可能になる。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記制御回路は、前記バイパスする２個以上のバイパススイッチが、全てオン状態になった時に前記補助バイパススイッチをオン状態にすることが好ましい。

この構成によれば、バイパススイッチの合成抵抗を低減することができるので、ＩＣ内部での電力（損失）を下げることができ、これによりＩＣの発熱を低減することができる。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、１Ｖ以下になるように構成されていることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記発光ダイオードは、赤色に発光するように構成されており、前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、０．７Ｖ以下になるように構成されていることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記制御回路は、クロック信号に同期して、前記バイパススイッチのオン状態とオフ状態とを切替えることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記制御回路は、すべてのバイパススイッチの切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御することが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記制御回路は、前記バイパススイッチの１つのオフ状態への切替タイミングが、前記バイパススイッチの他の１つのオフ状態への切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチの開閉を制御することが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記制御回路は、すべてのバイパススイッチのオフ状態への切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御することが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記定電流源が前記発光ダイオードに与える電流を制御する定電流源制御回路をさらに備えることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記バイパススイッチの全てがオン状態から、少なくても１つの前記バイパススイッチが、オフ状態になる時、前記バイパススイッチがオフ状態になる前に定電流源から電流を流しはじめることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置では、前記バイパススイッチの全てがオン状態になり、前記定電流源が電流を止める前に、前記バイパススイッチ全てがオン状態になってから、電流が止まるまでに遅延を持たせることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置は、以上のように、バイパススイッチの１つの切替タイミングが、バイパススイッチの他の１つの切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチが開閉するので、定電流源の電圧遷移が、各バイパススイッチが同時に開閉する場合よりも緩やかになる。このため、リンギングの影響による定電流源に対してのストレスが緩和されるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図１２に基づいて説明すると以下の通りである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置１の構成を示す回路図である。発光ダイオード駆動装置１は、直列に接続された４個の発光ダイオード３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄを備えている。発光ダイオード３ｄの発光ダイオード３ｃと反対側には、定電流源５が接続されており、定電流源５の他端は、接地されている。定電流源５は、発光ダイオード３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄに信号電流Ａを供給する。発光ダイオード３ａと並列にバイパススイッチ４ａが接続されており、発光ダイオード３ｂと並列にバイパススイッチ４ｂが接続されている。発光ダイオード３ｃと並列にバイパススイッチ４ｃが接続されており、発光ダイオード３ｄと並列にバイパススイッチ４ｄが接続されている。バイパススイッチ４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄは、直列に接続されている。

発光ダイオード駆動装置１には、バイパススイッチ４ａ・４ｂをバイパスする補助バイパススイッチ６ａと、バイパススイッチ４ｃ・４ｄをバイパスする補助バイパススイッチ６ｂとが設けられている。補助バイパススイッチ６ａ・６ｂは、直列に接続されている。

発光ダイオード駆動装置１には、制御回路２が設けられている。制御回路２は、クロック信号ＣＬＫに同期して、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅを出力し、バイパススイッチ９４ａ・９４ｂ・９４ｃ・９４ｄの開閉を制御する。制御回路２は、さらに、クロック信号ＣＬＫに同期して、信号Ｇ・Ｈを出力し、補助バイパススイッチ６ａ・６ｂを制御する。

このバイパススイッチは、具体的にはアナログスイッチ（Ｐ型／Ｎ型のＭＯＳトランジスタ並列配置など）等で構成され、そのサイズは比較的大きい。使用目的や、製造プロセス等によってサイズは様々であるが、オーダー的にはｍｍ^２程度と考えられる。このバイパススイッチが、ほぼＬＥＤの個数に対応する程度の個数必要となるので、バイパススイッチ部分の全体のサイズは、ＩＣの内部に形成するとかなりの面積を要する。本実施の形態では、図１のように補助バイパススイッチ６ａ・６ｂの組を付加するので、その分のサイズは増えるが、その増加割合について示しているのが、後述する図５であり、元々の使用スイッチ数が多いほど、増加割合が少なくなる事を示している。

複数のＬＥＤを駆動させる場合は、それぞれ個々に対応する定電流源をつなぐ（即ち、並列接続する）と、その定電流源に対しては、個々に順方向電圧Ｖｆのバラツキがある為に、トータルとして定電流源５側での損失が大きくなる。これを防ぐ（吸収する）ために、図１に示すように一つの定電流源５に対して複数のＬＥＤ３ａ〜３ｄを縦続接続して駆動する方式が、多く使われている。

図１に示すように、上記理由によってＬＥＤ３ａ〜３ｄを縦続接続して使うのであるが、そのときに定電流源５が動作する為に、最低限確保しなければならない電圧「定電流源で必要な電圧」が必要となる。このとき接続されているＬＥＤ３ａ〜３ｄを駆動（発光）させる為の電圧は、青や緑のＬＥＤ素子では３．５Ｖ程度、赤のＬＥＤ素子では２Ｖ程度必要である。因みに、ＬＥＤを消灯（人の目に見えない）する為には、それぞれ青や緑の素子では１Ｖ程度以下、赤の素子では０．７Ｖ程度以下とする必要がある。即ち、赤色の場合は、かなり低い電圧に設定しないと消灯することができない。

図２は、発光ダイオード駆動装置１に設けられた補助バイパススイッチ６ａを制御する信号Ｇと、バイパススイッチ４ａ・４ｂを制御する信号Ｄ・Ｅのタイミング波形を説明する波形図である。信号Ｄによりバイパススイッチ４ｂがオンになり、信号Ｅによりバイパススイッチ４ａがオンになり、バイパススイッチ４ｂ・４ｂの双方がオン状態になった時に、信号Ｇにより補助バイパススイッチ６ａは、オン状態になる。信号Ｄ・Ｅ・Ｇが、それぞれロー状態のとき、各スイッチはオン状態になる。

図３は、発光ダイオード駆動装置１に設けられたバイパススイッチを制御する信号のタイミング波形を説明する波形図である。クロック信号ＣＬＫが立ち上がると、信号Ｂがロー状態からハイ状態に立ち上がって、バイパススイッチ４ｄはオン状態からオフ状態になり、信号電流Ａは、減少する。そして、信号Ｃがロー状態からハイ状態に立ち上がって、バイパススイッチ４ｃはオン状態からオフ状態になり、信号電流Ａは、さらに減少する。次に、信号Ｄがロー状態からハイ状態に立ち上がって、バイパススイッチ４ｂはオン状態からオフ状態になり、信号電流Ａは、さらに減少する。その後、信号Ｅがロー状態からハイ状態に立ち上がって、バイパススイッチ４ａはオン状態からオフ状態になり、信号電流Ａは、さらに減少する。次に、クロック信号ＣＬＫが立ち下がる。

そして、クロック信号ＣＬＫが立ち上がると、信号Ｂがハイ状態からロー状態に立ち下がって、バイパススイッチ４ｄはオフ状態からオン状態になり、信号電流Ａは、増大する。そして、信号Ｃがハイ状態からロー状態に立ち下がって、バイパススイッチ４ｃはオフ状態からオン状態になり、信号電流Ａは、さらに増大する。次に、信号Ｄがハイ状態からロー状態に立ち下がって、バイパススイッチ４ｂはオフ状態からオン状態になり、信号電流Ａは、さらに増大する。その後、信号Ｅがハイ状態からロー状態に立ち下がって、バイパススイッチ４ａはオフ状態からオン状態になり、信号電流Ａは、さらに増大する。次に、クロック信号ＣＬＫが立ち下がる。

このように、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して遷移する。図３では全ての信号が、同一タイミングで遷移した場合に、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅ間に遅延を持たせているため、信号電流Ａの電圧遷移が緩やかになり、リンギング（電圧変動ｂ１及びｂ０）の影響による定電流源５に対してのストレスは緩和される。

ここで、定電流源５が流す電流を３５ｍＡとし、バイパススイッチのオン抵抗を２０Ωとし、補助バイパススイッチのオン抵抗は、バイパススイッチの全個数の半分の合成抵抗に設定した時、バイパススイッチの個数を１０個とし、補助バイパススイッチは、バイパススイッチ５個に対して１個つけると、補助バイパススイッチ１個の抵抗値は、１００Ωとなる。もちろん、バイパススイッチに対する補助バイパススイッチの個数の割合及びそのオン抵抗は、ここに示す限りではない。この様に設定された定数において、ＬＥＤ１個を点灯させ、他のＬＥＤ全てを消灯した場合の損失及びバイパススイッチ数の関係における、従来技術と本実施の形態の損失削減効果を図４に示す。ここで、従来技術による損失Ｐａは（バイパススイッチが１０個の場合）、
Ｐａ＝「３５ｍＡ」×「３５ｍＡ」×「２０Ω」×「９個直列」＝２２０．５ｍＷ・・・（３）
で表すことができる。

また同様に本実施の形態を用いた場合の損失Ｐｂは、
Ｐｂ＝「３５ｍＡ」×「３５ｍＡ」×（１÷（（１÷（「２０Ω」×「５個直列」））＋（１÷「１００Ω」））＋（「２０Ω」×「４個直列」）））＝１５９．２５ｍＷ・・・（４）
で表すことができる。

図５は、発光ダイオード駆動装置１によるスイッチ部の面積増加の割合を示すグラフである。まず、バイパススイッチの抵抗をＲとした場合に、このバイパススイッチの面積をＳとする。バイパススイッチの抵抗が２倍になる場合は、バイパススイッチの面積は０．５×Ｓとなる。バイパススイッチの抵抗が１／２となる場合は、バイパススイッチの面積は、２×Ｓとなる。このことから、オン抵抗２０Ωのバイパススイッチの面積をＳとすると、１個の補助バイパススイッチの面積は、１／５×Ｓと表すことができる。補助バイパススイッチは、上記の設定では２個あるので、補助バイパススイッチの面積は、２／５×Ｓとなる。この時、従来の方式の面積からの増加分（ΔＳ）は、
ΔＳ＝（［本実施の形態の面積］−［従来の面積］）÷［従来の面積］＝（（１０×Ｓ＋２／５×Ｓ）−（１０×Ｓ））／（１０×Ｓ）＝４％
として計算できる。

この図５に示されるグラフから、バイパススイッチ数が多くなれば、なるほど、損失削減の効果は大きく、スイッチ部に占める面積の増加割合は少なくなり、本実施の形態による効果が大きくなる。

従来技術の構成では、バイパススイッチのオン状態やオフ状態を切替えるタイミングが、クロック信号ＣＬＫに同期して状態が切り替わり、直列に接続されたバイパススイッチが、オン状態に切り替わる時に、全てのバイパススイッチを同時に切替えていたが、本実施の形態に係るバイパススイッチでは、少なくとも１つ以上のバイパススイッチの切り替わるタイミングに遅延を持たせてあればよい。また、直列に接続された前記バイパススイッチが、オフ状態に切り替わるときも同様で、従来技術の構成では、直列に接続されたバイパススイッチがオフ状態に切り替わる時に、全てのバイパススイッチを同時に切替えていたが、本実施の形態に係るバイパススイッチは、少なくとも１つ以上の前記バイパススイッチの切り替わるタイミングに遅延を持たせてあればよい。

また、これら上記のバイパススイッチのオン、オフ状態を用いてＰＷＭ駆動することにより、ＬＥＤの輝度を調整することも可能である。この場合のオフ状態とは、人が可視できないＬＥＤの発光状態である。これは、青色や緑色ＬＥＤのアノードとカソード間の両端電圧である電圧Ｖｆが１Ｖ以下になるように、また赤色ＬＥＤに対しては、電圧Ｖｆが０．７Ｖ以下になるように設定することによって可能となる。このことから定電流源から出力される電流に基づいて、バイパススイッチのオン抵抗によって発生する電圧が上記の値より小さくなるようにバイパススイッチのオン抵抗を決めることで、オフ状態を不可視とすることが可能となる。

補助バイパススイッチ６ａ・６ｂは、通常のバイパススイッチ４ａ〜４ｄと同時に使用することで、バイパスされるスイッチの合成抵抗を低減することができる。合成抵抗が下がると、ここでの損失であるＰ＝Ｉ×Ｉ×ＲのうちＲを低減することができるため、ＩＣ内部での電力（損失）を下げることができる。これによりＩＣの発熱を低減することができる。

補助バイパススイッチの動作タイミングは、リンギングに対するストレスの緩和への課題対策としては、補助バイパススイッチがバイパスする全てのスイッチがオンした後で、遅延を持ってオン状態にすることが好ましい。

例えば、信号Ｄによりバイパススイッチ４ｂがオン状態になり、信号Ｅによりバイパススイッチ４ａがオン状態になった後に、遅延を持って信号Ｇにより補助バイパススイッチ６ａは、オン状態になる。

尚、ここで注意すべきは、電流は一定である点である。負荷であるＬＥＤに流れる電流は、バイパススイッチに流れるのか、それとも補助バイパススイッチにも流れる（分流する）のか、と言う流れ方の問題はあるが、トータルの電流は同じ（一定）である。

図１に示す構成で個々のＬＥＤ３ａ〜３ｄを消灯するのは、それぞれに対応するバイパススイッチ４ａ〜４ｄがオンとなる場合である。この時に全体では定電流源５がある為に、システム全体の消費電流は一定である。しかし、そのオンとなっているバイパススイッチに電流が流れるので、ここで消費される電流（電力）をトータルで考えると、駆動タイミングによっては無駄が発生している場合がある。これを防ぐ（低減化する）為に、本実施の形態のように補助バイパススイッチ６ａ・６ｂを用いて、２組のスイッチ全体のオン／オフタイミングを制御して、スイッチ側で消費される無駄を低減化するものである。

図６は、発光ダイオード駆動装置１に設けられた発光ダイオードの他の構成を示す回路図である。バイパススイッチ４ａは、直列に接続された２個の発光ダイオード３ａをバイパスするように構成してもよい。同様に、バイパススイッチ４ｂ・４ｃ・４ｄは、それぞれ直列に接続された２個の発光ダイオード３ｂ・３ｃ・３ｄをバイパスするように構成してもよい。図６は縦続接続したバイパススイッチ１個当たり複数のＬＥＤを直列に繋ぐ使い方であり、全体で高電圧を印加する（スイッチが高耐圧）場合である。この場合は３．５Ｖ×８個＝３６Ｖ以上の電圧が必要である。この接続方式のメリットは、ＬＥＤの点灯時、順方向電圧Ｖｆは個々にばらつくものであるが、このバラツキを吸収できる点と電流を同じに出来ることである。

図７は、発光ダイオード駆動装置１に設けられた発光ダイオードのさらに他の構成を示す回路図である。バイパススイッチ４ａは、互いに並列に接続された２個の発光ダイオード３ａをバイパスするように構成してもよい。同様に、バイパススイッチ４ｂ・４ｃ・４ｄは、互いに並列に接続された２個の発光ダイオード３ｂ・３ｃ・３ｄをそれぞれバイパスするように構成してもよい。図７はバイパススイッチ毎に複数のＬＥＤを並列接続する使い方であり、この場合は個々のＬＥＤ毎に電流はばらつく（異なる）が、低電圧駆動が可能なところがメリットである。但し、厳密にはＬＥＤ毎に電流が異なる為に、表示照度にばらつきはあるが、照明として使用される条件によっては、そのバラツキを吸収できる応用もあり得る。

尚、本実施の形態に係るＬＥＤはバックライト照明用を例として考慮しているが、光源として白色ＬＥＤや赤、緑、青のＬＥＤを使用する事もできる。その場合に、各色毎のＬＥＤの場合は色の組み合わせでトータルの色を得る事も出来る。その接続方式も、赤、緑、青の各色を図６に示すように縦続接続することもできるし、図７に示すように並列接続する事もできる。

本実施の形態では、バイパススイッチ（第一スイッチ）と補助バイパススイッチ（第二スイッチ）のそれぞれの対応スイッチ数については、第一スイッチが１０個の場合に、第二スイッチを５個毎（つまり、全体で２個）に対応させてもよい。また、これは何個毎に対応させても良い。１０個＝２個＋２個＋２個＋２個＋２個でも、４個＋２個＋４個でも、３個＋２個＋４個＋１個でも良い。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に係る発光ダイオード駆動装置１ａの構成を示す回路図である。前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。発光ダイオード駆動装置１ａは、定電流源５ａと定電流源制御回路７とを備えている
図９は、定電流源制御回路７及び定電流源５ａの構成を示す回路図である。定電流源５ａは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ８を有しており、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ８のドレインは、発光ダイオード３ｄのカソードに結合されており、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ８のソースは、抵抗９を介してグランドに接続されている。

定電流源制御回路７は、アンプ１０とモード切替スイッチ１１とを有しており、アンプ１０の反転入力端子には、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ８のソースが結合されており、モード切替スイッチ１１は、アンプ１０の出力とグランドとのいずれかをＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ８のゲートに接続する。

定電流源５ａから出力される電流を制御する定電流源制御回路７は、制御回路２ａからの信号Ｆを用いて定電流源５ａを制御する。上記信号Ｆは、バイパススイッチ４ａ〜４ｄが全てオン状態になった時に遅延を持ってローレベルになり、定電流源５ａの電流を止める。これにより、ＬＥＤ４ａ〜４ｄが全消灯時に定電流源５ａから流れる電流を止めることができるため、システムの消費電力を削減し、およびバイパススイッチ４ａ〜４ｄの損失を低減することを可能にする。

バイパススイッチ４ａ及び４ｂの両方がオン状態になった時に、補助バイパススイッチ６ａは、オン状態になる。信号Ｄ，Ｅ，Ｇが、それぞれローのとき、バイパススイッチ６ａがオン状態になる。

図１０は、従来のタイミング波形を示しており、信号電流Ａ、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅ・Ｆ、及びクロック信号ＣＬＫは、図８の記号と一致している。信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅ・Ｆは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して遷移する。図１０では全ての信号が、同一タイミングで遷移した場合を示しており、信号電流Ａの電圧遷移が大きいためリンギング（電圧変動ｃ１及びｃ０）の影響により定電流源５ａに対してストレスとなる。

図１１は、実施の形態２のタイミング波形を示しており、信号電流Ａ、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅ・Ｆ、及びクロック信号ＣＬＫは、図８の参照符号と一致している。信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して遷移する。図１１では全ての信号が、同一タイミングで遷移した場合に、信号Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅの信号間に遅延を持たせているため、信号電流Ａの電圧遷移が緩やかになり、リンギング（電圧変動ｄ１及びｄ０）の影響による定電流源５ａに対してのストレスは緩和される。更に実施の形態２では、全ＬＥＤ消灯時に定電流源５ａの電流を止めるため、消費電力および、バイパススイッチでの損失を削減できる。

ここで実施の形態１と同様に、定電流源５から流す電流を３５ｍＡとし、バイパススイッチのオン抵抗を２０Ωとし、補助バイパススイッチのオン抵抗は、バイパススイッチの全個数の半分の合成抵抗に設定する。バイパススイッチの個数を１０個、補助バイパススイッチは、バイパススイッチ５個に対して１個つけると、補助バイパススイッチ１個の抵抗値は、１００Ωとなる。もちろん、バイパススイッチに対する補助バイパススイッチの割合及びそのオン抵抗は、ここに示す限りではない。この様に設定された定数において、ＬＥＤ全てを消灯した場合の損失及びバイパススイッチ数の関係における、従来技術と本発明の損失削減効果を図１２に示す。ここで、従来技術による損失Ｐｃは、バイパススイッチが１０個の場合、
Ｐｃ＝「３５ｍＡ」×「３５ｍＡ」×「２０Ω」×「１０個直列」＝２４５ｍＷ・・・（４）
で表すことができる。

また同様に本実施の形態を用いた場合の損失Ｐｄは、定電流源５ａで電流を止めるため、発生することはない。このグラフからバイパススイッチ数が多くなれば多くなるほど、損失削減の効果は大きくなる。

上記では、直列に接続されたバイパススイッチ４ａ〜４ｄのオン状態やオフ状態を切替えるタイミングは、クロックＣＬＫに同期して状態を切替える。直列に接続されたバイパススイッチ４ａ〜４ｄが、オン状態に切り替わるとき、少なくとも１つ以上のバイパススイッチが切り替わるタイミングに遅延を持たせている。更に直列に接続された前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄが、オン状態に切り替わるとき、それぞれの前記バイパススイッチが前記クロック信号ＣＬＫに対して、全て違うタイミングでオン状態に切り替わる。更に直列に接続された前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄが、オフ状態に切り替わるとき、少なくとも１つ以上の前記バイパススイッチが、切り替わるタイミングに遅延を持たせている。また直列に接続された前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄが、オフ状態に切り替わるとき、それぞれの前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄが前記クロック信号ＣＬＫに対して、全て違うタイミングでオフ状態に切り替わる。

上記に加え実施の形態２では、前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄの全てが定常的にオン状態である時に、前記定電流源５ａからの電流を信号Ｆによって止める。前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄの全てがオン状態から、少なくても１つの前記バイパススイッチが、オフ状態になる時、前記バイパススイッチがオフ状態になる前に定電流源５ａから電流を流しはじめる。前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄの全てがオン状態になり、前記定電流源５ａが電流を止める前に、前記バイパススイッチ４ａ〜４ｄ全てがオン状態になってから電流が止まるまでに遅延を持たせる。

以上のように、実施の形態１及び２によれば、補助バイパススイッチを用いてバイパススイッチの損失を低減し、制御タイミングによって定電流源へのストレスを緩和させることのできるＬＥＤ駆動装置が実現できる。

実施の形態１及び２は、画像表示装置のバックライト光源等に使用される、複数のＬＥＤを縦続接続して定電流で駆動する照明装置であって、その個々のＬＥＤ素子をそれぞれ単独でオン／オフさせる為のバイパススイッチを設けて、バイパススイッチへの制御信号によって駆動する場合に、バイパススイッチでの損失を低減化し、オン／オフ時のリンギング等を低減化して、システム全体での悪影響（ノイズ、低寿命化等の問題）を解消する為の構成及びその為の方法に関する。

従来は、個々のＬＥＤに対応するバイパススイッチは一組（第一）あったが、実施の形態１及び２では、もう一組別途バイパススイッチ（補助バイパススイッチ、第二）を設けて、これと並列接続し合計のオン抵抗を低減化できるように、第一の組の駆動状況に応じて、第二の組をスイッチング制御する。勿論、その際にリンギングが生じないように、スイッチングのタイミングを制御している。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、直列接続された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）と定電流源を直列に接続して駆動する発光ダイオード駆動装置に適用することができ、表示装置のバックライト光源装置に適用することができる。

実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置の構成を示す回路図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられた補助バイパススイッチを制御する信号のタイミング波形を説明する波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられたバイパススイッチを制御する信号のタイミング波形を説明する波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置による損失削減効果を示すグラフである。 上記発光ダイオード駆動装置によるスイッチ部の面積増加の割合を示すグラフである。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられた発光ダイオードの他の構成を示す回路図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられた発光ダイオードのさらに他の構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る発光ダイオード駆動装置の構成を示す回路図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられた定電流源制御回路及び定電流源の構成を示す回路図である。 バイパススイッチを制御する信号のタイミング波形の比較例を説明する波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられたバイパススイッチを制御する信号のタイミング波形を説明する波形図である。 上記発光ダイオード駆動装置による損失削減効果を示すグラフである。 従来の発光ダイオード駆動装置の構成を示す回路図である。 上記発光ダイオード駆動装置に設けられたバイパススイッチを制御する信号のタイミング波形を説明する波形図である。

符号の説明

１ 発光ダイオード駆動装置
２ 制御回路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 発光ダイオード
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ バイパススイッチ
５ 定電流源
６ａ、６ｂ 補助バイパススイッチ
７ 定電流源制御回路
８ ＭＯＳＦＥＴ
９ 抵抗
１０ アンプ
１１ モード切替スイッチ
Ａ 信号電流
Ｂ〜Ｅ、Ｇ、Ｈ 信号
Ｐ 位置

Claims (25)

1. 直列に接続された２個以上の発光ダイオードに一定の電流を与える定電流源と、
   各発光ダイオードに並列に接続された２個以上のバイパススイッチと、
   各バイパススイッチの開閉を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記バイパススイッチの１つの切替タイミングが、前記バイパススイッチの他の１つの切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチの開閉を制御し、
   前記２個以上のバイパススイッチをさらにバイパスする補助バイパススイッチをさらに備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
2. 前記バイパススイッチは、直列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスする請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
3. 前記バイパススイッチは、互いに並列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスする請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
4. 前記制御回路は、前記バイパスする２個以上のバイパススイッチが、全てオン状態になった時に前記補助バイパススイッチをオン状態にする請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
5. 前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、１Ｖ以下になるように構成されている請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
6. 前記発光ダイオードは、赤色に発光するように構成されており、
   前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、０．７Ｖ以下になるように構成されている請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
7. 前記制御回路は、クロック信号に同期して、前記バイパススイッチのオン状態とオフ状態とを切替える請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
8. 前記制御回路は、すべてのバイパススイッチの切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
9. 前記制御回路は、前記バイパススイッチの１つのオフ状態への切替タイミングが、前記バイパススイッチの他の１つのオフ状態への切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
10. 前記制御回路は、すべてのバイパススイッチのオフ状態への切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
11. 前記定電流源が前記発光ダイオードに与える電流を制御する定電流源制御回路をさらに備える請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
12. 前記定電流源制御回路は、前記バイパススイッチが全てオン状態になった時に、前記定電流源の電流を止める請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
13. 前記定電流源は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを有しており、
    前記Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのドレインは、前記発光ダイオードのカソードに結合されており、
    前記Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのソースは、抵抗を介してグランドに接続されており、
    前記定電流源制御回路は、前記Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのソース及びゲートに結合されている請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
14. 前記定電流源制御回路は、アンプとモード切替スイッチとを有しており、
    前記アンプの反転入力端子には、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのソースが結合されており、
    前記モード切替スイッチは、前記アンプの出力とグランドとのいずれかを前記Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続する請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
15. 前記バイパススイッチは、直列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスする請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
16. 前記バイパススイッチは、互いに並列に接続された２個以上の発光ダイオードをバイパスする請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
17. 前記２個以上のバイパススイッチをさらにバイパスする補助バイパススイッチをさらに備え、
    前記制御回路は、前記バイパスする２個以上のバイパススイッチが、全てオン状態になった時に前記補助バイパススイッチをオン状態にする請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
18. 前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、１Ｖ以下になるように構成されている請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
19. 前記発光ダイオードは、赤色に発光するように構成されており、
    前記バイパススイッチは、前記定電流源により供給される電流と前記バイパススイッチのオン抵抗とによって発生する電圧が、０．７Ｖ以下になるように構成されている請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
20. 前記制御回路は、クロック信号に同期して、前記バイパススイッチのオン状態とオフ状態とを切替える請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
21. 前記制御回路は、すべてのバイパススイッチの切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
22. 前記制御回路は、前記バイパススイッチの１つのオフ状態への切替タイミングが、前記バイパススイッチの他の１つのオフ状態への切替タイミングよりも遅延するように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
23. 前記制御回路は、すべてのバイパススイッチのオフ状態への切替タイミングが互いに異なるように各バイパススイッチの開閉を制御する請求項１１記載の発光ダイオード駆動装置。
24. 前記バイパススイッチの全てがオン状態から、少なくても１つの前記バイパススイッチが、オフ状態になる時、前記バイパススイッチがオフ状態になる前に定電流源から電流を流しはじめる請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
25. 前記バイパススイッチの全てがオン状態になり、前記定電流源が電流を止める前に、前記バイパススイッチ全てがオン状態になってから、電流が止まるまでに遅延を持たせる請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。

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