JP5040185B2 - 発光ダイオード駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオード駆動回路に関し、配列された複数の発光ダイオードそれぞれを駆動する発光ダイオード駆動回路に関する。

プリンタ等において感光体を感光させる手段として、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という）をリニアに配列したＬＥＤアレイを用いたものがある。このようなＬＥＤアレイの各ＬＥＤを駆動する駆動回路としては、例えば特許文献１，２等に記載されているものがある。

図３は、従来の発光ダイオード駆動回路の一例の回路構成図を示す。この駆動回路は半導体集積回路化されている。

同図中、演算増幅器１０の反転入力端子には基準電圧源１１より基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。演算増幅器１０の出力端子はｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下、単に「ＭＯＳトランジスタ」という）Ｍ１のゲートに接続されると共に、アナログスイッチ等のスイッチ１２を介してｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ２のゲートに接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１のソースは電源Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１のドレインは演算増幅器１０の非反転入力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は接地されている。

スイッチ１２は端子１３から供給されるスイッチ制御信号に応じてオン／オフを切り換える。ＭＯＳトランジスタＭ２のソースは電源Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＭ２のドレインはＬＥＤ（発光ダイオード）１４のアノードに接続され、ＬＥＤ１４のカソードは接地されている。

演算増幅器１０は基準電圧Ｖｒｅｆと抵抗Ｒ１により、（１）式で表わされる基準電流ＩｒｅｆをＭＯＳトランジスタＭ１のドレインに流す。

Ｉｒｅｆ＝Ｖｒｅｆ／Ｒ１ …（１）
スイッチ１２がオンのときＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２はカレントミラーを構成し、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２のゲート面積比が１：１であるとすると、ＭＯＳトランジスタＭ２からＬＥＤ１４に基準電流Ｉｒｅｆが流れ、ＬＥＤ１４が発光する。
特許第３２９６８８２号公報 特許第２５１６２３６号公報

一般に、発光ダイオードは温度特性を有しており、周囲温度が高くなると順方向降下電圧Ｖ_Ｆが低下する。

従来の発光ダイオード駆動回路では、周囲温度が高くなってもＬＥＤ１４に流れる電流Ｉ_Ｌは一定であるため、周囲温度が高くなりＬＥＤ１４の順方向降下電圧Ｖ_Ｆが低下すると、ＬＥＤ１４の輝度が低下するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、発光ダイオードの温度特性を補償して温度変化があっても発光ダイオードの発光輝度を略一定に保持することができる発光ダイオード駆動回路を提供することを目的とする。

本発明の発光ダイオード駆動回路は、基準電流を生成する基準電流部と、カレントミラー回路を用いて前記基準電流に基づく駆動電流を生成して発光ダイオードに供給する電流出力部からなる発光ダイオード駆動回路であって、
前記基準電流部は、前記基準電流が抵抗回路を流れることで発生する電圧が一定の基準電圧と同一となるよう前記基準電流を制御する演算増幅器と、
抵抗と負の温度特性を持つ温度特性素子が直列接続されており、前記演算増幅器の出力に応じた前記基準電流が流れる前記抵抗回路を有することにより、発光ダイオードの温度特性を補償して温度変化があっても発光ダイオードの発光輝度を略一定に保持することができる。

前記発光ダイオード駆動回路において、
前記温度特性素子は、ベースとコレクタが共通接続されたトランジスタであることができる。

本発明によれば、発光ダイオードの温度特性を補償して温度変化があっても発光ダイオードの発光輝度を略一定に保持することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

＜ＬＥＤアレイ駆動回路の構成＞
図１は、本発明の発光ダイオード駆動回路を用いたＬＥＤアレイ装置の一実施形態のブロック構成図を示す。このＬＥＤアレイ装置は例えば４８チャネル構成である。

同図中、シフトレジスタ２０には１チャネルについて例えば６ビットの発光時間データが４８チャネル分時系列で供給され、シフトレジスタ２０で順次シフトされてラッチされたのち、パルス幅変調回路２２に供給される。パルス幅変調回路２２は、チャネル毎に発光時間データで指示されるパルス幅の発光パルスを生成し、４８チャネル分の発光パルスをＬＥＤアレイ駆動回路２６に供給する。

シフトレジスタ２４には１チャネルについて例えば６ビットの発光輝度データが４８チャネル分時系列で供給され、シフトレジスタ２４で順次シフトされてラッチされたのち、ＬＥＤアレイ駆動回路２６に供給される。ＬＥＤアレイ駆動回路２６は、チャネル毎に発光輝度データをデコードしてｎ系統のスイッチ制御信号を生成し、チャネル毎に発光パルスでオンさせるＭＯＳトランジスタを上記ｎ系統のスイッチ制御信号によって決定する。ＬＥＤアレイ駆動回路２６はＬＥＤアレイ２８を構成する４８チャネルのＬＥＤをチャネル単位に駆動する。

＜発光ダイオード駆動回路の構成＞
図２は、本発明の発光ダイオード駆動回路の一実施形態の回路構成図を示す。この駆動回路は半導体集積回路化されている。

同図中、演算増幅器３０の反転入力端子には基準電圧源回路３１より基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。演算増幅器３０の出力端子はｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２それぞれのゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２それぞれのソースは抵抗Ｒ１１，Ｒ１２それぞれを介して電源Ｖｄｄ１に接続されてカレントミラー回路を構成している。ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２それぞれのドレインはｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４それぞれのソースに接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４のゲートはＭＯＳトランジスタＭ１３のドレインに共通接続されてカレントミラー回路を構成しており、ＭＯＳトランジスタＭ１３のドレインは演算増幅器３０の非反転入力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ１３の一端に接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４はカレントミラー回路がカスケード接続された構成とすることにより、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２のドレイン電位が略同一となり、ゲート面積が同一の場合ＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４のドレイン電流は略同一となる。

抵抗Ｒ１３の他端はｐｎｐトランジスタＱ１のエミッタに接続されている。トランジスタＱ１のベースとコレクタは共通接続されてダイオードを構成しており、上記のコレクタは接地されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１４のドレインはｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１５のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１５のゲートはｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１６のゲートと接続されてカレントミラー回路を構成している。

ＭＯＳトランジスタＭ１５，Ｍ１６それぞれのソースはｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１７，Ｍ１８それぞれのドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１７，Ｍ１８のゲートはＭＯＳトランジスタＭ１５のドレインに共通接続されてカレントミラー回路を構成し、ＭＯＳトランジスタＭ１７，Ｍ１８のソースは接地されている。

ＭＯＳトランジスタＭ１５〜Ｍ１８はカレントミラー回路がカスケード接続された構成となることにより、ＭＯＳトランジスタＭ１５，Ｍ１６のソース電位が略同一となり、ゲート面積が同一の場合ＭＯＳトランジスタＭ１５，Ｍ１６のドレイン電流は略同一となる。なお、ＭＯＳトランジスタＭ１５，Ｍ１６のゲートには電圧源３４より定電圧Ｖａが印加されることでＭＯＳトランジスタＭ１７，Ｍ１８のドレイン電位はＶａ−Ｖｇｓ１（Ｖｇｓ１はｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート・ドレイン間電圧）となる。

上記の演算増幅器３０，基準電圧源回路３１，ＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１５及びＭ１７は基準電流部３３を構成している。演算増幅器３０は、ＭＯＳトランジスタＭ１３のドレイン電流が抵抗Ｒ１３を流れることにより生じるＭＯＳトランジスタＭ１３のドレイン電圧と基準電圧源回路３１からの基準電圧Ｖｒｅｆと差動増幅して、両者が同一となるようにＭＯＳトランジスタＭ１１のドレイン電流を制御してＭＯＳトランジスタＭ１３のドレインに一定の基準電流Ｉｒｅｆを流す。また、カレントミラー回路によってＭＯＳトランジスタＭ１６のドレインに基準電流Ｉｒｅｆに比例した電流が流れる。

ＭＯＳトランジスタＭ１６のドレインはｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ２２のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ２２のソースはｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ２１のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ２１のソースは抵抗Ｒ１５を介して電源Ｖｄｄ２に接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートはＭＯＳトランジスタＭ２２のドレインに接続されると共に、アナログスイッチ等のスイッチ３６，３８，４０それぞれを介してｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のゲートに接続されている。スイッチ３６，３８，４０がオンするとＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のゲート電位をＭＯＳトランジスタＭ２１のゲート電圧と同一にしてＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７をオンし、スイッチ３６，３８，４０がオフするとＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のゲート電位を電源電圧Ｖｄｄ２としてＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７をオフする。

ＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７それぞれのソースは抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３それぞれを介して電源Ｖｄｄ２に接続されており、ＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７はスイッチ３６，３８，４０がオンのときにＭＯＳトランジスタＭ２１とカレントミラー回路を構成する。

ＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートはｐチャネルＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７それぞれのドレインはＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のソースに接続されており、ＭＯＳトランジスタＭ２２，Ｍ２４，Ｍ２６，Ｍ２８はカレントミラー回路を構成している。

ＭＯＳトランジスタＭ２１〜Ｍ２８はカレントミラー回路がカスケード接続された構成となることにより、ＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のドレイン電位が略同一となり、ゲート面積が同一の場合ＭＯＳトランジスタＭ２２，Ｍ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のドレイン電流は略同一となる。ここでは、階調表現を行うために、例えばＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ２２のゲート面積に対して、ＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２４のゲート面積は６倍、ＭＯＳトランジスタＭ２５，Ｍ２６のゲート面積は３倍、ＭＯＳトランジスタＭ２７，Ｍ２８のゲート面積は２倍というように、ゲート面積をそれぞれ異ならせている。

なお、ＭＯＳトランジスタＭ２２，Ｍ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のゲートには電圧源３５より定電圧Ｖｂが印加されて、ＭＯＳトランジスタＭ２２，Ｍ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のソース電位はＶｂ＋Ｖｇｓ２（Ｖｇｓ２はｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲート・ドレイン間電圧）とされている。

スイッチ３６，３８，４０それぞれは端子３７，３９，４１それぞれから供給されるｎ（ここではｎ＝３）系統のスイッチ制御信号に応じてオン／オフを切り換える。なお、ｎは３に限らない。ＭＯＳトランジスタＭ２４，Ｍ２６，Ｍ２８のドレインはＬＥＤ４５のアノードに接続され、ＬＥＤ４５のカソードは接地されている。

ここで、スイッチ３６，３８，４０がオフのときＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７はオフしＬＥＤ４５に電流は流れない。スイッチ３６がオンするとＭＯＳトランジスタＭ２３のドレイン電流がＬＥＤ４５に流れ、スイッチ３６，３８がオンするとＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５のドレイン電流の和がＬＥＤ４５に流れ、スイッチ３６，３８，４０がオンするとＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のドレイン電流の和がＬＥＤ４５に流れ、ＬＥＤ４５は流れる電流が大きくなるほど発光輝度が大となる。

上記のスイッチ３６，３８，４０，ＭＯＳトランジスタＭ１６，Ｍ１８〜Ｍ２８が１チャネル分の電流出力部４４を構成しており、４８チャネル分の同一構成の電流出力部４４が基準電流部３３に接続されている。各チャネルの電流出力部４４はそれぞれに接続されているＬＥＤ４５（ＬＥＤアレイ２８の一部）を駆動する。

＜発光ダイオードの温度特性の補償＞
ここで、ＭＯＳトランジスタＭ１３のドレインに流れる基準電流Ｉｒｅｆは（１）式で表される。なお、Ｖｒは抵抗Ｒ１３の両端電圧、Ｖ_ＦＱ１はトランジスタＱ１の順方向降下電圧である。

Ｉｒｅｆ＝（Ｖｒ−Ｖ_ＦＱ１）／Ｒ１３ …（１）
ここで、（１）式を温度ｔで偏微分すると、トランジスタＱ１の順方向降下電圧が負の温度特性α（＝−２ｍＶ／°Ｃ）を持つために、（２）式が得られる。

∂Ｉｒｅｆ／∂ｔ＝（Ｖｒ＋α）／Ｒ１３ …（２）
このため、周囲温度が高くなると基準電流Ｉｒｅｆは増加し、基準電流Ｉｒｅｆに比例してＭＯＳトランジスタＭ２３，Ｍ２５，Ｍ２７のドレイン電流、すなわちＬＥＤ４５に流れる電流が増加して、ＬＥＤ４５の輝度は増大する。これによって、周囲温度が高くなりＬＥＤ１４の順方向降下電圧Ｖ_Ｆが低下するために生じたＬＥＤ１４の輝度の低下が相殺され、ＬＥＤ４５の輝度を略一定に保持することができる。

なお、トランジスタＱ１の代りにダイオードを用い、抵抗Ｒ１３の他端にカソードを接続しアノードを接地しても、同一の効果を得ることができる。

なお、トランジスタＱ１が請求項記載の温度特性素子に相当し、抵抗Ｒ１３，トランジスタＱ１が抵抗回路に相当する。

本発明の発光ダイオード駆動回路を用いたＬＥＤアレイ装置の一実施形態のブロック構成図である。 本発明の発光ダイオード駆動回路の一実施形態の回路構成図である。 従来の発光ダイオード駆動回路の一例の回路構成図である。

符号の説明

３０ 演算増幅器
３１ 基準電圧源回路
３３ 基準電流部
３４，３５ 電圧源
３６，３８，４０ スイッチ
４４ 電流出力部
４５ ＬＥＤ
Ｍ１１〜Ｍ２８ ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１ ｐｎｐトランジスタ
Ｒ１１〜Ｒ２３ 抵抗
Ｖｄｄ１，Ｖｄｄ２ 電源

Claims (2)

1. 基準電流を生成する基準電流部と、カレントミラー回路を用いて前記基準電流に基づく駆動電流を生成して発光ダイオードに供給する電流出力部からなる発光ダイオード駆動回路であって、
   前記基準電流部は、前記基準電流が抵抗回路を流れることで発生する電圧が一定の基準電圧と同一となるよう前記基準電流を制御する演算増幅器と、
   抵抗と負の温度特性を持つ温度特性素子が直列接続されており、前記演算増幅器の出力に応じた前記基準電流が流れる前記抵抗回路を
   有することを特徴とする発光ダイオード駆動回路。
2. 請求項１記載の発光ダイオード駆動回路において、
   前記温度特性素子は、ベースとコレクタが共通接続されたトランジスタであることを特徴とする発光ダイオード駆動回路。

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