JP5046791B2 - Ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ駆動回路に関し、特に並列接続されたＬＥＤを駆動させるＬＥＤ駆動回路に関する。

従来、並列に接続された複数のＬＥＤを駆動させるＬＥＤ駆動回路は、各ＬＥＤにおける順方向電圧のばらつきから、輝度ばらつきを発生させてしまうことがあった。従来のＬＥＤ駆動回路は、例えば特許文献１に示されるように、定電流回路によって、各ＬＥＤを流れる電流量を調整することで、このばらつきを抑制していた。

図５は、特許文献１に示されるＬＥＤ駆動回路の構成図である。図５のＬＥＤ駆動回路は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路８２を並列に複数列接続してなるＬＥＤ負荷８１と、ＬＥＤ負荷８１に電圧を供給する定電圧レギュレータ８６と、ＬＥＤ直列回路８２に接続される定電流回路８３と、定電流回路８３の負担電圧のうち最小値を検出する比較手段８８と、比較手段８８の出力に基づいて定電流回路８３の負担電圧がＬＥＤ直列回路８２の順方向電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ８６を制御する制御手段８７と、を有する。
当該ＬＥＤ駆動回路は、定電流回路８３によって各ＬＥＤ直列回路８２の順方向電流を調整することで、輝度ばらつきを抑制している。
特開２００２−８４０９号公報

制御手段７は、各々のＬＥＤ直列回路８２が点灯したとき、各ＬＥＤ直列回路８２に接続された定電流回路８３の負担電圧のうち、最小値を実質的に零に制御する。このとき、例えばいずれかのＬＥＤ直列回路８２が断線して未接続状態になっていた場合、接続されていた定電流回路８３の負担電圧は０ボルトになるため、こちらが最小値として比較手段８８に検知されてしまうことがあった。本来の負担電圧の最小値以外を有する定電流回路８３が断線した場合、断線していない他のＬＥＤ直列回路８２に過電流が流れ、ＬＥＤに発熱が生ずるとともに寿命が短くなるという問題があった。

本発明は以上の問題に鑑み、ＬＥＤ部分の異常に係らず電力損失を抑制し、回路の余分な発熱を抑えたＬＥＤ駆動回路を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ駆動回路は、複数のＬＥＤが並列に複数接続されたＬＥＤ回路部の電流量を制御するＬＥＤ駆動回路であって、前記ＬＥＤ回路部に電圧を供給するスイッチング電源と、前記ＬＥＤ毎に接続され、各ＬＥＤの順方向電流を電圧に変換するとともに、各々の順方向電流量を調整する電流制御回路と、前記スイッチング電源と前記電流制御回路毎の間に接続され、前記電流制御回路によって変換された電圧を択一的に前記スイッチング電源に供給する帰還電圧選択スイッチと、クロック信号を計数する計数回路と、前記電流制御回路の各々の電圧値を比較し、前記計数回路から供給される電圧に応じて、未接続のＬＥＤに接続されるものを除いて最も電圧値の低い前記電流制御回路または最も電圧値の高い前記電流制御回路に接続される前記帰還電圧選択スイッチをオンする帰還電圧選択部と、を有し、前記スイッチング電源は、オンした前記帰還電圧選択スイッチを介して供給される前記電流制御回路の電圧値に基づいて出力が制御されることを特徴とする。

前記電流制御回路は、一端が前記ＬＥＤに接続されるトランジスタと、一端が前記トランジスタの他端に接続され、他端が接地される第１の抵抗と、前記トランジスタの他端と前記第１の抵抗の一端との接続点の電圧と、基準電圧との差信号を増幅する差動増幅器と、前記トランジスタの制御端を前記差動増幅器の出力端または電源のどちらかに接続させる電流制御スイッチと、を有するとともに、前記トランジスタの他端と前記第１の抵抗との接続点の電圧を前記帰還電圧選択スイッチ及び前記帰還電圧選択部に供給し、前記帰還電圧選択部は、オンした前記帰還電圧選択スイッチに接続される前記電流制御回路に含まれる前記電流制御スイッチを電源に接続させることを特徴とする。

前記帰還電圧選択部は、前記電流制御回路から供給される電圧を比較する第１の比較回路と、前記電流制御回路から供給される電圧と、前記ＬＥＤの未接続を検知する未接続検知電圧とを比較する第２の比較回路とが含まれる比較手段と、前記比較手段の比較結果と前記計数回路から供給される電圧に基づいて前記電流制御スイッチ及び前記帰還電圧選択スイッチを制御するスイッチング制御回路と、を有することを特徴とする。

前記電流制御回路は、一端が前記ＬＥＤに接続される第２の抵抗と、一端が前記第２の抵抗の他端に接続され、他端が接地される第３の抵抗と、を更に有し、各々の前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との接続点の電圧と、前記スイッチング電源に供給される電圧とをそれぞれ比較して、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との接続点の電圧が、前記スイッチング電源に供給される電圧を上回るとき、最も電圧値の高い前記電流制御回路に接続される前記帰還電圧選択スイッチをオンし、オンした前記帰還電圧選択スイッチに接続される前記電流制御回路に含まれる前記電流制御スイッチを電源に接続させる短絡検知回路を備えることを特徴としてもよい。

前記スイッチング電源は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴としてもよい。

本発明によれば、ＬＥＤ部分の異常に係らず電力損失を抑制し、回路の余分な発熱を抑えることができる。

以下、本発明に係るＬＥＤ駆動回路を、図面に基づいて説明する。本発明の第１の実施例に係るＬＥＤ駆動回路のブロック図を図１に示す。

第１の実施例に係るＬＥＤ駆動回路は、スイッチング電源１と、ＬＥＤ回路部２と、電流制御回路３と、帰還電圧選択回路部４と、帰還電圧選択スイッチ５と、計数回路６と、からなる。

スイッチング電源１は、帰還電圧選択スイッチ５から供給される電圧に基づいた電圧をＬＥＤ回路部２に供給する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、直流電源１１と、インダクタ１２と、スイッチ１３と、ＰＷＭ制御回路１４と、ダイオード１５と、コンデンサ１６と、を備える。
インダクタ１２は、直流電源１１の電圧を昇圧する素子であり、一端が直流電源１１の正極に接続される。スイッチ１３は、一端がインダクタ１２の他端に接続され、他端が直流電源１１の負極に接続される。ダイオード１５はインダクタ１２からの電流を整流する素子であり、アノードがインダクタ１２の他端に接続される。コンデンサ１６はダイオード１５の電圧を平滑化するものであり、ダイオード１５のカソードと、直流電源１１の負極との間に接続される。ＰＷＭ制御回路１４は、スイッチ１３の他端の電流を検出し、検出した電流及び帰還電圧選択スイッチ５から供給される電圧に基づいてスイッチ１３をオンオフ制御する。

ＬＥＤ回路部２は、複数個のＬＥＤが直列に接続されてなるＬＥＤ直列回路２１を、並列に複数列備えてなる。ＬＥＤ直列回路２１は、それぞれのアノードがスイッチング電源１に接続され、電圧が供給される。

電流制御回路３はＬＥＤ直列回路２１毎の電流を調整する回路であり、それぞれがＬＥＤ直列回路２１のカソードに接続される。電流制御回路３は、トランジスタ３１、抵抗３２、差動増幅器３３、及び電流制御スイッチ３４からなる。
トランジスタ３１はｎチャンネル電界効果トランジスタであり、ドレインがＬＥＤ直列回路２１に接続される。抵抗３２は、トランジスタ３１とともにＬＥＤ電流を電圧に変換するものであり、一端がトランジスタ３１のソースに接続され、他端が接地される。差動増幅器３３は、非反転入力端が基準電圧源に接続され、反転入力端がトランジスタ３１のソースと抵抗３２の一端に接続される。電流制御スイッチ３４は、帰還電圧選択回路部４の出力に基づいて、差動増幅器３３の出力端又は電源のどちらかをトランジスタ３１のゲートに接続する。
ＬＥＤ直列回路２１の順方向電流は、トランジスタ３１のドレイン−ソース間抵抗と抵抗３２の抵抗値に基づいた帰還電圧Ｖｆｂに変換され、差動増幅器３３の反転入力端、帰還電圧選択回路４、及び帰還電圧選択スイッチ５に供給される。差動増幅器３３は、基準電圧と、帰還電圧Ｖｆｂとの差信号を増幅する。

帰還電圧選択回路４は、帰還電圧選択スイッチ５および電流制御スイッチ３４を制御する回路であり、電流制御回路３の各々における帰還電圧Ｖｆｂを比較する比較手段４１と、比較手段４１による比較結果及び計数回路６の出力に基づいて帰還電圧選択スイッチ５および電流制御スイッチ３４を制御するスイッチング制御回路４２とからなる。

帰還電圧選択スイッチ５は、スイッチング制御回路４２の出力に基づいて、帰還電圧Ｖｆｂを択一的にＰＷＭ制御回路１４に供給する回路であり、各々一端がトランジスタ３１のソース及び抵抗３２の一端に接続され、他端がＰＷＭ制御回路１４に接続される。

計数回路６は、スイッチング電源１の動作開始とともにクロック信号ＣＬＫを計数する回路であり、計数された信号をスイッチング制御回路４２に供給する。

帰還電圧選択回路４の構成例を図２に示す。比較手段４１は、帰還電圧Ｖｆｂを相互に比較する第１の比較回路４１１と、帰還電圧Ｖｆｂをそれぞれ、前記ＬＥＤ直列回路の未接続を検知するための電圧である未接続検知電圧Ｖｏと比較する第２の比較回路４１２とを備える。
スイッチング制御回路４２は、帰還電圧Ｖｆｂの最小値を有する電流制御回路３を検知する最小値検知回路４２１と、帰還電圧Ｖｆｂの最大値を有する電流制御回路３を検知する最大値検知回路４２２と、帰還電圧選択スイッチ５を択一的にオンする帰還電圧選択スイッチング部４２３と、電流制御スイッチ３４を制御する電流制御スイッチング部４２４と、を備える。

最小値検知回路４２１は、比較回路４１１、４１２の出力に基づき、帰還電圧Ｖｆｂの最小値を有する電流制御回路３を選出する。ただし、未接続検知電圧Ｖｏを下回るものは選択肢から除外される。
最大値検知回路４２２は、比較回路４１１の出力に基づき、帰還電圧Ｖｆｂの最大値を有する電流制御回路３を選出する。
帰還電圧選択スイッチング部４２３は、計数回路６から供給される信号に基づいて最小値選択部４２１及び最大値検知回路４２２のいずれかを選択し、帰還電圧Ｖｆｂの最大値を有する電流制御回路３に接続される帰還電圧選択スイッチ５、又は最小値を有する電流制御回路３に接続される帰還電圧選択スイッチ５をオンする。
電流制御スイッチング部４２４は、帰還電圧選択スイッチング部４２３の出力信号及び計数回路６の出力信号に基づき、電流制御スイッチ３４を制御する。計数回路６の出力がＬレベルであるときは、オンしている帰還電圧選択スイッチ５に接続される電流制御回路３の電流制御スイッチ３４が電源に接続される。計数回路６の出力がＨレベルのときは、電流制御スイッチ３４全てが電源に接続される。

計数回路６の出力がＨレベルであるとき、スイッチング制御回路４２は帰還電圧Ｖｆｂが最大値をとる電流制御回路３に接続される帰還電圧選択スイッチ５をオンし、全ての電流制御スイッチ３４を電源に接続させる。
全てのトランジスタ３１のゲートには電源電圧が印加されるため、各々のドレイン−ソース間抵抗は全てオン抵抗になる。
このとき、スイッチング電源１は帰還電圧Ｖｆｂの最大値に基づいた電圧をＬＥＤ回路部２に供給する。

計数回路６の出力がＬレベルになるとき、スイッチング制御回路４２は、最も帰還電圧Ｖｆｂの値が低い電流制御回路３に接続される帰還電圧選択スイッチ５をオンする。ただし、帰還電圧Ｖｆｂが未接続検知電圧Ｖｏを下回る電流制御回路３は選択肢から除かれる。
また、スイッチング制御回路４２は、オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続される電流制御回路３に含まれる電流制御スイッチ３４を電源に接続させ、その他の電流制御スイッチ３４を差動増幅器３３の出力端に接続させる。
オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続された電流制御回路３に含まれるトランジスタ３１のドレイン−ソース間抵抗は、ゲートに電源電圧が供給されることで、オン抵抗になる。他の電流制御回路３に含まれるトランジスタ３１のドレイン−ソース間抵抗は、ゲートに差動増幅器３３の出力が供給されることで、差動増幅器３３の出力に基づいた値、即ち、基準電圧と帰還電圧Ｖｆｂに基づいた値になる。
オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続された電流制御回路３は、トランジスタ３１のドレインに供給される電圧が最小値をとるとともに、ドレイン‐ソース抵抗が最小値をとるため、電力損失を最小限に抑えられる。他の電流制御回路３は、トランジスタ３１のドレインに供給される電圧の増加に伴ってドレイン‐ソース間電圧が上昇するため、流れる電流は一定になり、必要以上の電力損失を発生させない。

本実施例のＬＥＤ駆動回路によれば、計数回路６の出力がＨレベルであるときにＬＥＤ直列回路２１の未接続が検知され、計数回路６の出力がＬレベルであるときに未接続検知電圧Ｖｏを下回るものを除いた帰還電圧Ｖｆｂの最小値がＰＷＭ制御回路１６に入力されることで、ＬＥＤ直列回路２１の断線等による異常に係らずに動作することができる。
また、計数回路６の出力レベルに係らず、オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続された電流制御回路３のトランジスタ３１のドレイン‐ソース間抵抗が最小値で固定され、電流制御が停止されることにより、スイッチング電源１は安定、かつ効率的な電圧帰還制御を行なうことが可能となる。このとき、スイッチング電源１から出力される電圧は、各ＬＥＤ直列回路２１を定電流駆動させるために必要最低限の値をとる。そのため、全体的な回路の電力損失を抑えることができ、余分な発熱が発生しない。

本発明の第２の実施例に係るＬＥＤ駆動回路のブロック図を図３に示す。本発明の第２の実施例に係るＬＥＤ駆動回路は、第１の実施例に係るＬＥＤ駆動回路に、短絡検出回路７が接続され、電流制御回路３に、第２の抵抗３５、及び第３の抵抗３６が追加されてなる。
抵抗３５及び抵抗３６は、ＬＥＤ直列回路の順方向電流を電圧に変換するものであり、抵抗３５の一端はＬＥＤ直列回路のカソード側に接続される。抵抗３６は、一端が抵抗３５の他端に接続され、他端が接地される。その他の部分については、第１の実施例と同様である。

短絡検出回路７は、抵抗３５の他端と抵抗３６の一端との接続点の信号である短絡検知電圧Ｖｓｈ、計数回路６の出力電圧、及びＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎに基づいて、スイッチング制御回路のスイッチング動作を制御する回路である。
短絡検出回路７、及び帰還電圧選択回路４の構成例を図４に示す。
短絡検出回路７は、第３の比較回路７１と、論理和回路７２と、からなる。
比較回路７１は、短絡検知電圧ＶｓｈをＰＷＭ制御回路１４の電圧信号Ｖｉｎと比較する。論理和回路７２は、比較回路７１出力及び計数回路６の出力のいずれかがＨレベルになった場合に、帰還電圧選択スイッチング部４２３にＨレベルの信号を出力する。

帰還電圧選択スイッチング部４２３は、計数回路６の出力がＨレベルであるとき、及び／又はいずれかの短絡検知電圧ＶｓｈがＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎを上回るとき、帰還電圧Ｖｆｂの最大値を有する電流制御回路３に接続された帰還電圧選択スイッチ５をオンする。
計数回路６の出力がＨレベルであるとき、電流制御スイッチング部４２４は、第1の実施例と同様に、全ての電流制御スイッチ３４を電源に接続させる。
計数回路６の出力がＬレベルであるとともに短絡検知電圧ＶｓｈのいずれかがＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎを上回るときは、オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続される電流制御回路３の電流制御スイッチ３４を電源に接続させる。

計数回路６の出力がＬレベルであり、かつ短絡検知電圧Ｖｓｈの電圧値が全てＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎの値を下回るときは、帰還電圧Ｖｆｂの最小値を有する電流制御回路３に接続された帰還電圧選択スイッチ５をオンし、オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続される電流制御回路３の電流制御スイッチ３４を電源に接続させる。

本実施例のＬＥＤ駆動回路によれば、いずれかのＬＥＤ直列回路２１の順方向電圧が一定値以上減少するとき、即ち、このＬＥＤ直列回路２１に接続される電流制御回路３の短絡検知電圧ＶｓｈがＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎより大きくなるとき、帰還電圧Ｖｆｂの最大値を基準にスイッチング電源１を動作させ、オンした帰還電圧選択スイッチ５に接続される電流制御回路３の電流制御スイッチ３４を電源に接続させることで、ＬＥＤ直列回路２１間の順方向電圧に大きな差が生じても、回路の電力損失を抑えることができるため、発熱を抑制することができる。
例えば、いずれかのＬＥＤが短絡し、短絡したＬＥＤを含むＬＥＤ直列回路２１の順方向電圧が大きく下がるとき、このＬＥＤ直列回路２１に接続された電流制御回路３の帰還電圧Ｖｆｂが最大値となる。このとき、短絡したＬＥＤを含むＬＥＤ直列回路２１に接続された電流制御回路３の短絡検知電圧ＶｓｈがＰＷＭ制御回路１４の入力電圧Ｖｉｎより大きくなると、スイッチング電源１は帰還電圧Ｖｆｂの最大値に基づいた出力電圧をＬＥＤ回路部２に供給し、電流制御スイッチ３４は全て差動増幅器３３の出力端に接続させることで、当該ＬＥＤ直列回路２１の順方向電流の上昇を抑え、他のＬＥＤが連鎖的に短絡することを防ぐことができる。

前述の第２の実施例では、比較回路７１において、短絡検知電圧Ｖｓｈと入力電圧Ｖｉｎとを比較して短絡検知を行う回路の例を説明したが、短絡検知電圧Ｖｓｈと比較する電圧は入力電圧Ｖｉｎに限らず、電源電圧を基に抵抗分割などにより作成した固定電圧を使用することもできる。
図３においては、複数の帰還電圧Ｖｆｂのうちの最小値のものが帰還電圧選択スイッチ５を介して入力電圧Ｖｉｎとして用いられており、短絡検知電圧Ｖｓｈがこの入力電圧Ｖｉｎを上回ったことで短絡状態を検出するが、この短絡検知動作では誤検知を防止するために検知タイミングに休止期間をもうける等の工夫が必要となる。すなわち、本実施例の回路では、ＬＥＤの駆動はＰＷＭ制御されているため、ＰＷＭ信号のオフデューティ期間では、ＬＥＤ電流はゼロになり、このタイミングで検知動作（短絡検知電圧Ｖｓｈと入力電圧Ｖｉｎとの比較）が継続されていると、必ず短絡検知電圧Ｖｓｈが入力電圧Ｖｉｎを上回ることになる。これは、実際は短絡していないのに短絡したと誤検知してしまうことであり、この誤検知を防ぐために、ＰＷＭ信号のオフデューティ期間では検知を休止する必要がある。
これに対して、短絡検知電圧Ｖｓｈとの比較対象を固定電圧にすることにより、ＰＷＭ信号のオフデューティ期間での誤検知はなくなるため、ＬＥＤ駆動開始から終了までの全区間で短絡検知をモニターすることが可能となる。そして、この固定電圧は、正常に動作するＬＥＤ直列回路の帰還電圧Ｖｆｂに近い値で任意に決定される。

本発明の第１の実施例に係るＬＥＤ駆動回路のブロック図である。 第１の実施例に係る帰還電圧選択回路の構成例である。 本発明の第２の実施例に係るＬＥＤ駆動回路のブロック図である。 第２の実施例に係る帰還電圧選択回路及び短絡検出回路の構成例である。 従来のＬＥＤ駆動回路の回路図である。

符号の説明

１ スイッチング電源
２ ＬＥＤ回路部
３ 電流制御回路
４ 帰還電圧選択部
５ 帰還電圧選択スイッチ
６ 計数回路
７ 短絡検出回路

Claims (3)

1. 複数のＬＥＤが並列に複数接続されたＬＥＤ回路部の電流量を制御するＬＥＤ駆動回路であって、
   前記ＬＥＤ回路部に電圧を供給するスイッチング電源と、
   前記ＬＥＤ毎に接続され、各ＬＥＤの順方向電流を電圧に変換するとともに、各々の順方向電流量を調整する電流制御回路と、
   前記スイッチング電源と前記電流制御回路毎の間に接続され、前記電流制御回路によって変換された電圧を択一的に前記スイッチング電源に供給する帰還電圧選択スイッチと、
   クロック信号を計数する計数回路と、
   前記電流制御回路の各々の電圧値を比較し、前記計数回路から供給される電圧に応じて、未接続のＬＥＤに接続されるものを除いて最も電圧値の低い前記電流制御回路または最も電圧値の高い前記電流制御回路に接続される前記帰還電圧選択スイッチをオンする帰還電圧選択部とを有し、
   前記スイッチング電源は、オンした前記帰還電圧選択スイッチを介して供給される前記電流制御回路の電圧値に基づいて出力が制御され、
   前記電流制御回路は、一端が前記ＬＥＤに接続されるトランジスタと、一端が前記トランジスタの他端に接続され、他端が接地される第１の抵抗と、前記トランジスタの他端と前記第１の抵抗の一端との接続点の電圧と、基準電圧との差信号を増幅する差動増幅器と、前記トランジスタの制御端を前記差動増幅器の出力端または電源のどちらかに接続させる電流制御スイッチとを有するとともに、
   前記トランジスタの他端と前記第１の抵抗との接続点の電圧を前記帰還電圧選択スイッチ及び前記帰還電圧選択部に供給し、前記帰還電圧選択部は、オンした前記帰還電圧選択スイッチに接続される前記電流制御回路に含まれる前記電流制御スイッチを電源に接続させることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
2. 前記帰還電圧選択部は、
   前記電流制御回路から供給される電圧を比較する第１の比較回路と、
   前記電流制御回路から供給される電圧と、前記ＬＥＤの未接続を検知する未接続検知電圧とを比較する第２の比較回路とが含まれる比較手段と、
   前記比較手段の比較結果と前記計数回路から供給される電圧に基づいて前記電流制御スイッチ及び前記帰還電圧選択スイッチを制御するスイッチング制御回路と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路。
3. 前記電流制御回路は、
   一端が前記ＬＥＤに接続される第２の抵抗と、一端が前記第２の抵抗の他端に接続され、他端が接地される第３の抵抗とを更に有し、
   各々の前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との接続点の電圧と、前記スイッチング電源に供給される電圧とをそれぞれ比較して、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との接続点の電圧が、前記スイッチング電源に供給される電圧を上回るとき、最も電圧値の高い前記電流制御回路に接続される前記帰還電圧選択スイッチをオンし、オンした前記帰還電圧選択スイッチに接続される前記電流制御回路に含まれる前記電流制御スイッチを電源に接続させる短絡検知回路を備えることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動回路。