JP5050715B2 - 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、特に、発光ダイオードを過熱から保護する機能を備えた発光ダイオード駆動回路に関する。

近年、ディスプレイ向けバックライトとして発光ダイオードが使用され始めている。ディスプレイの大型化に伴い発光ダイオードの高輝度化が必須となっているので、発光ダイオードの消費電力が増加する傾向にある。しかし、発光ダイオードの消費電力が増加するとそれに伴って発熱量も増加する。そのため、発光ダイオードの熱破壊、短寿命が深刻な問題となっている。

この問題を解決するために、特許文献１では、発光ダイオードの順方向電圧を検出するＶＦ電圧検出回路を設け、順方向電圧が低下した場合にはデューティ比を変化させることにより、発光ダイオードに流れる電流を減少させている。
２００６−２７８５２６号公報

特許文献１の発光ダイオード駆動回路では、発光ダイオードのカソード側電圧が矩形波となっているため、精度の高い順方向電圧を検出することが困難である。そのため、検出した順方向電圧に基づいて行う電流制限制御も高精度に行うことができない。加えて、ＶＦ電圧検出回路においてどのようにして順方向電圧を検出するかが記載されていない。

また、特許文献１の発光ダイオード駆動回路は、ＶＦ電圧検出回路によって発光ダイオードの順方向電圧の低下のみを検出しており、順方向電圧の低下を検出しない場合には、順方向電圧を一定に制御している。しかし、低温時には発光ダイオードの抵抗値が上昇し、それによって順方向電圧は低下する。そのため、特許文献１の場合には、非温度上昇時の順方向電圧を、低温時の温度低下を考慮した高い電圧とする必要がある。そのため、効率が十分ではなかった。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、発光ダイオードを高精度に過熱から保護することができ、または、高効率となる発光ダイオード駆動回路を提供することにある。

その目的を達成するための請求項１記載の発明は、発光ダイオードに流れる電流を一定電流に制御する直流式定電流制御回路と、前記発光ダイオードの順方向電圧に応じて変化する順方向電圧対応電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記直流式定電流制御回路は、電流設定抵抗と、前記順方向電圧対応電圧と基準電圧とを比較して、低い側の電圧を前記電流設定抵抗に加える電圧選択回路と、前記発光ダイオードに接続された定電流源と、前記電流設定抵抗と前記定電流源とを接続するカレントミラー回路とを備え、前記直流式定電流制御回路は、前記電圧検出回路によって検出された順方向電圧対応電圧が所定値以下となったことに基づいて電流制限を開始することを特徴とする。

なお、直流式定電流制御回路には、特許文献１のように、順方向電圧が矩形波状に変化し、それによって電流がのこぎり歯状に変化するものは含まれない。

この発明によれば、発光ダイオードには、直流式定電流制御回路にて制御された一定電流が流れているので、順方向電圧も一定電圧となる。従って、電圧検出回路によって検出される順方向電圧対応電圧が高精度となる。そして、その高精度に検出できる順方向電圧対応電圧が所定値以下となったことに基づいて電流制限が開始されるので、発光ダイオードを高精度に過熱から保護することができる。

ここで、上記電圧検出回路は請求項２のように構成することが好ましい。その請求項２は、請求項１において、前記電圧検出回路は、前記発光ダイオードの順方向電圧を定電流に変換する変換回路と、その変換回路によって得られた定電流が流れる抵抗とを備え、その抵抗の両端電圧を前記順方向電圧対応電圧として検出するものであることを特徴とする。

このように、発光ダイオードの順方向電圧を定電流に一旦変換し、その定電流を抵抗に流して、その抵抗の両端電圧を順方向電圧対応電圧として検出するようにすれば、高精度に順方向電圧対応電圧を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態となる発光ダイオード駆動回路１０の構成を示すブロック図である。

この発光ダイオード駆動回路１０は、発光ダイオードアレイ２０と、定電流駆動回路部１００と、昇降圧チョッパ部２００と、順方向電圧検出回路部３００とを備えている。そして、入力電圧Ｖｉｎは、定電流駆動回路部１００の基準電圧生成ブロック１１０およびＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０と、昇降圧チョッパ部２００のＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ２０１のドレイン端子とに入力される。なお、入力電圧Ｖｉｎは、たとえば、車両のバッテリの電圧である。

まず、昇降圧チョッパ部２００の構成を説明する。昇降圧チョッパ部２００は、上記ＭＯＳＦＥＴ２０１の他に、コイル２０２、ダイオード２０３、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ２０４、ダイオード２０５を備えている。

ＭＯＳＦＥＴ２０１のソース端子は、コイル２０２の一方の端と、ダイオード２０５のカソード端子とに接続されている。コイル２０２の他端はダイオード２０３のアノード端子と、ＭＯＳＦＥＴ２０４のドレイン端子とに接続されている。ダイオード２０３のカソード端子は、コンデンサ１１の一端と、発光ダイオードアレイ２０の最上流部に配置されている発光ダイオード２０ａのアノード端子とに接続されている。また、ダイオード２０３のカソード端子の電圧は昇降圧チョッパ部２００の出力電圧Ｖｏであり、この出力電圧ＶｏはＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０に入力される。

ＭＯＳＦＥＴ２０４のソース端子は接地され、ゲート端子はＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０と接続されている。ダイオード２０５のアノード端子は接地されている。

コンデンサ１１の他端は接地されている。発光ダイオードアレイ２０は１つまたは複数の発光ダイオード２０ａを備えている。

次に、順方向電圧検出回路部３００の構成を説明する。順方向電圧検出回路部３００は、発光ダイオードアレイ２０を構成する各発光ダイオード２０ａに対して設けられている。この順方向電圧検出回路部３００は、検出抵抗３０１と、オペアンプ３０２と、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ３０３と、過熱保護設定抵抗３０４とを備えている。

検出抵抗３０１は、一端が発光ダイオード２０ａのアノード端子に接続され、他端がオペアンプ３０２の反転入力端子とＭＯＳＦＥＴ３０３のドレイン端子とに接続されている。オペアンプ３０２の非反転入力端子は発光ダイオード２０ａのカソード端子に接続されている。オペアンプ３０２の出力端子は、ＭＯＳＦＥＴ３０３のゲート端子と接続されている。ＭＯＳＦＥＴ３０３のドレイン端子は、過熱保護設定抵抗３０４の一方の端子に接続されている。過熱保護設定抵抗３０４の他端は接地されている。

次に、定電流駆動回路部１００の構成を説明する。定電流駆動回路部１００は、基準電圧生成ブロック１１０と、Ｄｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０と、ＯＳＣ生成ブロック１３０と、定電流設定制御ブロック１４０とを備えている。

基準電圧生成ブロック１１０は、入力電圧Ｖｉｎから、温度によって変動しない基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。この基準電圧ＶｒｅｆがＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０と、ＯＳＣ生成ブロック１３０とに供給される。ＯＳＣ生成ブロック１３０は、基準電圧Ｖｒｅｆに基づいてスイッチング周波数を生成し、生成したスイッチング周波数をＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０に供給する。

Ｄｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏとを比較して、昇降圧チョッパ部２００に昇圧動作をさせるか降圧動作をさせるかを選択する。具体的には、出力電圧Ｖｏのほうが入力電圧Ｖｉｎよりも高い場合には昇圧動作を選択し、入力電圧Ｖｉｎのほうが出力電圧Ｖｏよりも高い場合には降圧動作を選択する。そして、昇圧動作を選択した場合には、ＭＯＳＦＥＴ２０１をオンにし、ＭＯＳＦＥＴ２０４を所定のＤｕｔｙ比でオンオフ制御する。降圧動作を選択した場合には、ＭＯＳＦＥＴ２０４をオフとする一方、ＭＯＳＦＥＴ２０１を所定のＤｕｔｙ比でオンオフ制御する。

定電流設定制御ブロック１４０には、最下流の発光ダイオード２０ａのカソード電圧Ｖｃが入力されるようになっており、この電圧Ｖｃがある一定電圧となるようにＤｕｔｙ比を指示する指示信号をＤｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０に出力する。また、この定電流設定制御ブロック１４０は、たとえば、図２に例示するような定電流制御回路を備えている。

図２の定電流制御回路は、オペアンプ１４１と、トランジスタ１４２と、２つのカレントミラー回路１４３、１４４と、定電流源１４５とを備えている。オペアンプ１４１は２つの非反転入力端子を備えており、一方の非反転入力端子には過熱保護設定抵抗３０４のＭＯＳＦＥＴ３０３側の端子電圧Ｖａが入力される。他方の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。また、このオペアンプ１４１の出力端子はトランジスタ１４２のベース端子と接続されている。

トランジスタ１４２のコレクタ端子はカレントミラー回路１４３に接続されており、エミッタ端子は、前述のオペアンプ１４１の反転入力端子と接続されている。また、トランジスタ１４１のエミッタ端子とオペアンプ１４１の反転入力端子には、外付けの電流設定抵抗３０の一端も接続されている。この電流設定抵抗３０の他端は接地されている。

上記カレントミラー回路１４３の他方の端子は、もう一つのカレントミラー回路１４４に接続されている。そして、カレントミラー回路１４４の他方の端子に定電流源１４５が接続されている。この定電流源１４５は発光ダイオードアレイ２０と接続されている。

次に、このように構成された発光ダイオード駆動回路１０の作動を説明する。前述のように、Ｄｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏとをそれぞれ検出しており、入力電圧Ｖｉｎのほうが高い場合には昇降圧チョッパ部２００に降圧動作をさせ、出力電圧Ｖｏのほうが高い場合には昇降圧チョッパ部２００に昇圧動作をさせる。

上記出力電圧Ｖｏは発光ダイオードアレイ２０を構成する発光ダイオード２０ａを駆動させる駆動電圧である。従って、駆動電圧を実際に検出していることになり、また、発光ダイオード２０ａには定電流源１４５が接続されている。そのため、出力電圧Ｖｏすなわち発光ダイオード２０ａの駆動電圧は、発光ダイオード２０ａを駆動するのに必要な最低限の電圧に常時維持されることになるので、高効率となる。

次に、発光ダイオード２０ａに流れる定電流について説明する。発光ダイオード２０ａに流れる定電流は、前述の定電流制御回路（図２）によって制御される。具体的には、オペアンプ１４１の反転入力端子が電流設定抵抗３０の一端に接続されていることにより、オペアンプ１４１は請求項の電圧選択回路として機能し、電流設定抵抗３０の上記電流設定抵抗３０の一端には、過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａと基準電圧Ｖｒｅｆのうちの低い側の電圧が入力される。

ここで、電流設定抵抗３０の抵抗をＲｉとし、仮に、電流設定抵抗３０の一端に入力される電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとすると、電流設定抵抗３０に流れる電流はＶｒｅｆ／Ｒｉとなる。さらに、この電流設定抵抗３０は２つのカレントミラー回路１４３、１４４によって定電流源１４５と接続されている。そのため、定電流源１４５を流れる定電流ＩＬもＶｒｅｆ／Ｒｉとなる。そして、定電流源１４５は発光ダイオード２０ａのカソード端子に接続されている。従って、発光ダイオード２０ａにも、定電流ＩＬ（＝Ｖｒｅｆ／Ｒｉ）が流れることになる。また、電流設定抵抗３０の一端に入力される電圧が過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａである場合には、発光ダイオード２０ａに流れる定電流ＩＬはＶａ／Ｒｉとなる。

発光ダイオード２０ａに流れる定電流ＩＬがＶｒｅｆ／ＲｉとなるかＶａ／ＲｉとなるかはＶａの大きさによって決まり、Ｖａ＞Ｖｒｅｆであれば、定電流ＩＬはＶｒｅｆ／Ｒｉとなり、Ｖａ＜Ｖｒｅｆであれば定電流ＩＬはＶａ／Ｒｉとなる。ここで、Ｖａは請求項の順方向電圧対応電圧に相当するものであり、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆに対応して変動する。次に、このことを説明するとともに、順方向電圧検出回路部３００の作動を説明する。

検出抵抗３０１は、一端が発光ダイオード２０ａのアノード端子に接続される一方、他端がオペアンプ３０２の反転入力端子に接続されている。また、このオペアンプ３０２の非反転入力端子は上記発光ダイオード２０ａのカソード端子と接続されている。従って、検出抵抗３０１の両端電圧は、図１にも示すように、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆと等しくなり、また、オペアンプ３０２の出力端子からは、反転入力端子に入力される電圧と非反転入力端子に入力される電圧との差に応じた電圧が出力されて、この出力がＭＯＳＦＥＴ３０３のゲート端子に入力される。

ＭＯＳＦＥＴ３０３は、ゲート端子に入力される電圧（すなわち、検出抵抗３０１の下流側の端子電圧と発光ダイオード２０ａのカソード端子の電圧との差）に応じて抵抗値が変化することになる。従って、このＭＯＳＦＥＴ３０３は、検出抵抗３０１の下流側の端子電圧と発光ダイオード２０ａのカソード端子の電圧との差に応じて抵抗値が変化する可変抵抗として機能することになり、その結果、検出抵抗３０１を流れる電流Ｉｓが安定的に過熱保護設定抵抗３０４にも流れることになる。このことから、検出抵抗３０１、オペアンプ３０２、ＭＯＳＦＥＴ３０３は、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆを定電流Ｉｓに変換する変換回路として機能しているといえる。そして、この定電流Ｉｓと、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆと、検出抵抗３０１の抵抗値Ｒｓとの間には、下記式１が成立する。
（式１） Ｉｓ＝Ｖｆ／Ｒｓ
上記定電流Ｉｓは前述のように過熱保護設定抵抗３０４にも流れる。この過熱保護設定抵抗３０４の抵抗値をＲｏとすると、過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａは下記式２によって表すことができる。
（式２） Ｖａ＝Ｉｓ×Ｒｏ
式２の定電流に式１を代入すると下記式３が得られる。
（式３） Ｖａ＝（Ｒｏ／Ｒｓ）×Ｖｆ
この式３から、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆを、定数である過熱保護設定抵抗３０４の抵抗値Ｒｏと検出抵抗３０１の抵抗値Ｒｓとを用いて表すことができることが分かる。

次に、この発光ダイオード駆動回路１０の過熱保護制御作動を図３に示す波形図も用いつつ説明する。なお、図３は昇圧動作時の例である。

図３に示すように、ダイオード２０３のアノード端子電圧Ｖｓは、ＭＯＳＦＥＴ２０４のスイッチング動作によりパルス状に変化する。パルス状に変化するアノード端子電圧Ｖｓは、コンデンサ１１の作用により平滑化され、また、発光ダイオードアレイ２０には定電流源１４５が接続されているため、昇降圧チョッパ部２００の出力電圧Ｖｏは一定電圧となる。

通常動作時（Ｖａ＞Ｖｒｅｆのとき）には、定電流ＩＬはＶｒｅｆ／Ｒｉで一定となる。また、発光ダイオード２０ａの温度が安定していれば、ｔ０時点からｔ１時点に示すように、発光ダイオード２０ａのアノード端子電圧Ｖ１および順方向電圧Ｖｆも一定である。また、前述のように、過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａは、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆに比例するので、この端子電圧Ｖａも一定である。

一方、発光ダイオード２０ａの温度が上昇すると、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆが低下する。そのため、ｔ１時点以降に示すように、発光ダイオード２０ａのアノード端子電圧Ｖ１は低下する。そして、アノード端子電圧Ｖ１の低下に伴い、定電流Ｉｓおよび過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａも低下する。ただし、過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いうちは、定電流設定抵抗３０に流れる電流は変化しないことから、定電流ＩＬも変化しない。

しかし、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆがさらに低下し、それに伴って過熱保護設定抵抗３０４の端子電圧Ｖａがさらに低下して、その端子電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなると電流制限作動が開始され、図３のｔ２時点以降に示すように、定電流ＩＬが低下する。

上記電流制限作動においては、電流設定抵抗３０の一方の端子に、発光ダイオード２０ａの順方向電圧Ｖｆと比例関係にあるＶａが加えられる。そのため、定電流ＩＬがＶａ／Ｒｉとなり、Ｖａの低下に伴って（すなわち、そのＶａと比例関係にある順方向電圧Ｖｆの低下に伴って）、定電流ＩＬも低下する。そのため、発光ダイオード２０ａの過熱が抑制されることになる。

以上、説明した本実施形態によれば、発光ダイオード２０ａには一定電流が流れるようになっており、そのため、順方向電圧Ｖｆも一定電圧となっている。そのため、順方向電圧検出回路部３００によって検出される電圧Ｖａは高精度に順方向電圧Ｖｆに対応した値となっている。そして、この電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆ以下となったことに基づいて電流制限が開始されるので、発光ダイオード２０ａを高精度に過熱から保護することができる。

また、本実施形態によれば、Ｄｕｔｙ制御／セレクターブロック１２０は、一定電圧となっている出力電圧Ｖｏと入力電圧Ｖｉｎとを比較して、昇降圧チョッパ部２００の昇降圧動作を決定している。そのため、昇降圧チョッパ部２００からの出力電圧Ｖｏが発光ダイオード２０ａを駆動させるために必要十分な電圧とされることになるので、効率が向上する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

本発明の実施形態となる発光ダイオード駆動回路１０の構成を示すブロック図である。 図１の定電流設定制御ブロック１４０が備えている定電流制御回路の一例を示す図である。 図１の発光ダイオード駆動回路１０が動作しているときの各種電圧、電流の時間変化を示す波形である。

符号の説明

１０：発光ダイオード駆動回路、 １１：コンデンサ、 ２０：発光ダイオードアレイ、 ２０ａ：発光ダイオード、 ３０：電流設定抵抗、 １００：定電流駆動回路部、 １１０：基準電圧生成ブロック、 １２０：Ｄｕｔｙ制御／セレクターブロック、 １３０：ＯＳＣ生成ブロック、 １４０：定電流設定制御ブロック、 １４１：オペアンプ、 １４２：トランジスタ、 １４３：カレントミラー回路、 １４４：カレントミラー回路、 １４５：定電流源、 ２００：昇降圧チョッパ部、 ２０１：ＭＯＳＦＥＴ、 ２０２：コイル、 ２０３：ダイオード、 ２０４：ＭＯＳＦＥＴ、 ２０５：ダイオード、 ３００：順方向電圧検出回路部、 ３０１：検出抵抗、 ３０２：オペアンプ、 ３０３：ＭＯＳＦＥＴ、 ３０４：過熱保護設定抵抗

Claims (2)

1. 発光ダイオードに流れる電流を一定電流に制御する直流式定電流制御回路と、
   前記発光ダイオードの順方向電圧に応じて変化する順方向電圧対応電圧を検出する電圧検出回路とを備え、
   前記直流式定電流制御回路は、
   電流設定抵抗と、
   前記順方向電圧対応電圧と基準電圧とを比較して、低い側の電圧を前記電流設定抵抗に加える電圧選択回路と、
   前記発光ダイオードに接続された定電流源と、
   前記電流設定抵抗と前記定電流源とを接続するカレントミラー回路とを備え、
   前記直流式定電流制御回路は、前記電圧検出回路によって検出された順方向電圧対応電圧が所定値以下となったことに基づいて電流制限を開始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において、
   前記電圧検出回路は、前記発光ダイオードの順方向電圧を定電流に変換する変換回路と、その変換回路によって得られた定電流が流れる抵抗とを備え、その抵抗の両端電圧を前記順方向電圧対応電圧として検出するもの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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