JP5132688B2 - 回路素子を駆動するための方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回路素子を駆動するための装置に係り、より詳細には、これに限定されないが、移動電話の液晶ディスプレイ(LCD)スクリーンのバックライトに使用される直列接続された発光ダイオード(LED)ストリングや、駆動回路の出力キャパシタの著しい放電を引き起こす他の負荷を駆動する装置に係る。
典型的な用途である移動電話では、コンポーネントに電力を供給するためにバッテリパックが設けられる。しかしながら、移動電話は、バッテリパックにより供給されるものとは異なる独特の電圧レベル(あるときには、バッテリ電圧よりも高いか又は低く、或いは負の電圧のこともある)を各々要求する多数のサブ回路を含む。更に、バッテリ電圧は、蓄電された電力が消費されるときに低下する。DC/DCコンバータは、多数のバッテリを使用して装置の異なる部分に給電するのではなく、スペースを節約するように、単一の可変バッテリ電圧から多数の制御された電圧を発生する方法を提供する。
要求される特定の機能に基づいて、多数の形式のDC/DCコンバータが入手できる。最も一般的な2つは、電圧レベルを上昇するのに使用される昇圧コンバータと、電圧レベルを下降するのに使用される降圧コンバータとである。これらは、両方とも、インダクタ又は変圧器にまたがってある時間周期(通常、100kHzから5MHzの範囲)でDC電圧を印加することにより変換を行うスイッチモードコンバータである。これは、インダクタ又は変圧器に電流を通流させ、磁気的にエネルギーを蓄積させる。次いで、電圧がスイッチオフされて、蓄積したエネルギーを、制御された仕方で電圧出力へと移送させる。オン/オフ時間の比を調整することにより、電流需要が変化しても、出力電圧を調整することができる。
図1は、簡単な昇圧型DC/DCコンバータの回路図である。この回路は、電源1、高周波数スイッチ2、ダイオード3、インダクタ4及び負荷抵抗器5を含む。
現在の技術は、出力電圧フィルタリング用の電解、タンタル又はセラミックキャパシタをこれら種類の電力管理特定用途向け集積回路(ASIC)に対して使用している。このようなキャパシタの目的は、DC/DCコンバータによりパルスの形態で出力されるエネルギーを蓄積し、更に、ノイズや他の高周波数要素を除去することにより出力電圧信号を平滑化することである。
独特の電圧を要求する1つの特定のサブ回路は、移動電話のLCDスクリーンのバックライトに一般的に使用されるようなLEDストリングに電力を供給するのに使用されるものである。バックライトをスイッチオン又はオフするときや、有用性又は電力節約の目的でライトを低レベルにスイッチする必要があるときのように、時々、バックライトを薄暗くすることが要求される。これは、周囲光センサとで使用することができる。薄暗い効果を得るため、DC/DCスイッチモードコンバータの出力が、パルス幅変調(PWM)を使用して変調される。更に、電力節約を得るために、DC/DCコンバータは、PWMサイクルのオフ時間中にディスエイブル又は部分的にディスエイブルすることができる。
図2は、バックライトのための調光可能なLEDストリングに電力を供給するために現在使用されている典型的な回路のブロック図である。この回路は、PWM制御信号ジェネレータ6、イネーブルスイッチ71を含むDC/DCスイッチモードコンバータ7、バッテリパック8、出力フィルタキャパシタ9、及びLEDストリング10を備えている。
PWMは、長方形波信号を使用し、その長方形波信号のパルス巾を変調し、オン時間(信号がアサートされる時間)と信号の時間周期との比がLEDストリングの必要な動作に基づいて変化するようにする。図3は、PWM制御信号としてDC/DCスイッチモードコンバータ7及びLEDストリング10に印加されたときにLEDストリング10を徐々に薄暗くする効果を与えるPWM信号を示す。この図は、変化するデューティサイクル21及び時間周期20を示す。
PWM信号は、PWM制御信号としてDC/DCスイッチモードコンバータ7に印加され、そして集積型イネーブルスイッチ71を制御して、PWM制御信号がアサートされるときにイネーブルスイッチ71が閉じ、そしてPWM制御信号がアサートされないときにイネーブルスイッチ71が開くようにする。DC/DCスイッチモードコンバータは、イネーブルスイッチが閉じたときだけLEDストリングに変換された電圧を出力する。それ故、PWM制御信号と同じ周波数及び変調を伴うPWM電圧信号が、DC/DCスイッチモードコンバータにより出力される。その後、LEDストリングは、PWM出力電圧信号がアサートされるときの光放射と、PWM出力電圧信号がアサートされないときの非光放射との間でフリッカ状態となる。図3のPWM制御信号がDC/DCスイッチモードコンバータ7に印加される場合には、LEDストリング10は、先ず、PWM制御の時間周期20の大部分にわたり光を放射する。しかしながら、時間と共に、LEDストリング10が光を放射する時間周期20の割合が徐々に減少する。それ故、PWM制御信号の周波数が適切である場合には、LEDストリング10により放射される光が人間の目にとって薄暗くなったように見える。
LEDストリングのフリッカが検出できないためには、周波数を約50Hzより高くしなければならない(例えば、300Hz)。しかしながら、これらの周波数は、可聴周波数レンジである。セラミックフィルタキャパシタは、圧電クオリティを示す傾向があり、それ故、PWM出力電圧信号が可聴周波数にあるときには、キャパシタによりその連続的な変形及び再生の結果としてバズノイズが放射される。このノイズは受け容れられない。
図2に示す装置の更なる問題は、インダクタで動作しているDC/DCスイッチモードコンバータが、スイッチオン時及びフィルタリングキャパシタが放電又は部分放電状態から充電されるときに、ほとんどの電流を消費することである。これは、PWM変調を使用するときには特に重要である。というのは、回路が毎秒数百回スイッチオン及びオフにされ、従って、電流増加により、遭遇するピーク電流に基づいてインダクタ及び他のコンポーネントのサイズを決めることが要求され、ひいては、このようなコンポーネントのサイズ及び価格が増加するか、又はそれらの動作ストレスレベルが上昇するからである。
このような回路の更に別の問題は、余計な電流が、回路に給電する電力ラインへの障害を増加し、おそらくは、他の装置との干渉、又は規制範囲を越える電磁放射の放出を招くことである。
オフ状態において出力電圧が駆動されず、即ち音響ノイズが明白なものとなるときに対してキャパシタの電圧が唯一の決定要因となるように、PWM信号波形のデアサート状態間にディスエイブル又はパワーオフされるDC供給技術でも同様の問題が生じる。DC電源が駆動源である場合でも、オン状態とオフ状態との間の出力キャパシタ電圧の変動が、音響ノイズ源である。始動時に電流制限が適用されるかどうかに基づいて、電源が再イネーブルされたときはキャパシタが依然として非常に低いインピーダンス負荷として現れ、インラッシュ電流ピークも生じさせる。電源が電流制限される場合は、出力キャパシタの電圧の上昇時間の増加により、PWM波形の低いデューティサイクルにおいて出力電圧/電流に著しい非直線性を生じさせる。
キャパシタの可聴バズノイズの問題を克服するのに使用される1つの可能性は、セラミックキャパシタに代わって、タンタルキャパシタを使用することである。しかしながら、それらは、優れた共振特性を有するものの、非常に高価であり、且つ有効直列抵抗(ESR)が高いといった他の欠点もある。更に別の可能性は、PWMを使用するのに代わってLEDストリングを通るDC電流を変調することであるが、これは、白色LED(カラーLCDスクリーンのバックライトに典型的に使用される)が供給電流と共にカラーを変化させるので、カラー変化を招き、且つLEDの特性は、それらが特徴付けられた電流より著しく低いか又は高い電流において互いに変化することがある。
本発明は、パルス巾変調(PWM)出力電圧信号を発生するための電圧源と、そのPWM出力電圧信号をフィルタリングするように配置されたキャパシタと、スイッチング素子とを備えた回路素子駆動装置において、PWM出力電圧信号が最小であるときに、スイッチング素子がキャパシタを分離して、キャパシタが放電するのを防止するように、スイッチング素子がPWM出力電圧信号と同期されることを特徴とする装置を提供する。
それ故、キャパシタは、その元の形状へ再生されることが防止され、従って、可聴バズノイズは放射されない。更に、PWM出力信号が次に最大になったときに、キャパシタを充電する必要がなく、それ故、減少した電流しか引き出されない。
好ましくは、PWM出力電圧信号を発生するための電圧源は、供給電圧レベルを変換電圧レベルへと変換するためのDC/DCスイッチモードコンバータを備え、そしてPWM出力電圧信号を発生するための電圧源は、更に、DC/DCスイッチモードコンバータを制御するためのPWM制御信号を出力するPWM制御信号ジェネレータを備えている。
好ましくは、スイッチング素子は、PWM制御信号によって制御される。これは、スイッチング素子のスイッチングとPWM出力電圧信号との間に同期を達成する。
好ましくは、DC/DCスイッチモードコンバータは、PWM制御信号と同期されるスイッチング素子であって、DC/DCスイッチモードコンバータの出力を制御して、そのイネーブルスイッチが閉じたときはDC/DCスイッチモードコンバータが変換電圧レベルを出力し、且つそのイネーブルスイッチが開いたときはDC/DCスイッチモードコンバータが電圧を出力しないようにするスイッチング素子を備えている。
好ましくは、キャパシタは、PWM出力電圧信号の高周波数要素をフィルタリングするように構成される。
好ましくは、回路素子は、発光ダイオード(LED)を含む。より好ましくは、回路素子は、複数の発光ダイオード(LED)を含み、それらLEDは、PWM出力電圧信号が最大であるときに光を放射し、そしてPWM出力電圧信号が最小であるときに光を放射しない。
好ましくは、LEDにより放射される光は、液晶ディスプレイ(LCD)スクリーンの後部を照明し、LCDディスプレイスクリーンは、移動電話のディスプレイスクリーンである。
好ましくは、PWM出力電圧信号は、LEDにより放射される光の輝度が徐々に変化して見えるように変調される。好ましくは、PWM出力電圧信号は、20Hzより高い周波数である。
好ましくは、スイッチング素子は、DC/DCコンバータを含む電源集積回路に一体化され、スイッチング素子が、DC/DCコンバータの出力電圧ピンと、出力フィルタリングキャパシタと、回路素子に接続する第2のピン(1つ又は複数)との間に接続を与えるようにする。
任意であるが、出力負荷スイッチは、電源集積回路の外部でよく、2つのバイポーラトランジスタ及び適切なバイアスコンポーネントを含む。
任意であるが、出力負荷スイッチは、電源集積回路の外部でよく、2つの電界効果トランジスタ及び所要のバイアスコンポーネントを含む。
任意であるが、出力負荷スイッチは、電源集積回路の外部でよく、異なるトランジスタ形式、及び所要のバイアスコンポーネントの組み合わせを含む。
好ましくは、供給入力電圧レベルは、単一セル又は多セルバッテリパックにより供給される。
好ましくは、出力フィルタキャパシタは、セラミックキャパシタである。
又、本発明は、PWM出力電圧信号を発生し、そしてキャパシタを使用してPWM出力電圧信号をフィルタリングすることを含む回路素子駆動方法において、PWM出力電圧信号が最小であるときに、PWM出力電圧信号と同期されるスイッチング素子を使用して、キャパシタを分離することを特徴とする方法も提供する。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を一例として詳細に説明する。
昇圧型DC/DCスイッチモードコンバータの回路図である。 バックライトのための調光可能なLEDストリングを駆動する典型的な回路のブロック図である。 LEDストリングを調光するために供給されるPWM信号を示す。 電源の外部の負荷スイッチを有する本発明による調光可能なLEDストリングを駆動するための回路のブロック図である。 電源の内部の負荷スイッチを有する本発明による調光可能なLEDストリングを駆動するための回路のブロック図である。
図2は、バックライトのための調光可能なLEDストリングに電力を供給する典型的な回路のブロック図である。バッテリパック8は、DC/DCスイッチモードコンバータ7へDC電圧を供給する。DC/DCスイッチモードコンバータ7は、バッテリパック8からのDC電圧を、バッテリパック8により供給されるものとは異なるレベルの電圧に変換する。特定の電圧レベルは、LEDストリングの要件に依存する。
DC/DCスイッチモードコンバータ7は、イネーブルスイッチ71を含む。このイネーブルスイッチは、DC/DCスイッチモードコンバータ7の動作を制御し、イネーブルスイッチが閉じたときにDC/DCスイッチモードコンバータ7が変換された電圧を出力すると共に、イネーブルスイッチが開いたときにDC/DCスイッチモードコンバータ7が電圧を出力しないようにする。PWM制御信号ジェネレータ6は、(図2に示すような)パルス巾変調制御信号をDC/DCスイッチモードコンバータ7のイネーブルスイッチ71に供給する。PWM制御信号は、イネーブルスイッチ71を制御して、PWM信号が最大であるときにイネーブルスイッチ71が閉じ、そしてPWM信号が最小であるときにイネーブルスイッチ71が開くようにする。
PWM信号が最大であり、従って、イネーブルスイッチ71が閉じたときには、変換された電圧がDC/DCスイッチモードコンバータ7により出力される。それ故、DC/DCスイッチモードコンバータは、PWM制御信号と同じ周波数及び変調のPWM電圧信号を出力する。PWM出力電圧信号の最大値は、変換された電圧レベルである。PWM出力電圧信号が最大であるときに、電流が出力キャパシタ9に向かって流れてそれを充電すると共に、LEDストリング10に向かって流れて、LEDが光を放射するようにする。電流が完全なDC電流である場合には、キャパシタ9は、完全に充電すると、それ以上の電流を受け取ることができない。しかしながら、実際には、DC電流は、常に、高周波発振を含む。それ故、電流が僅かな量だけ低いレベルに瞬間的に低下すると、キャパシタ9は、そのプレートに蓄積された同等の量の電荷を解放し、それ故、LEDストリング10を通過する電流を平滑化する作用を有する。電流の高周波発振が電流の瞬間的増加を引き起こすと、キャパシタ9は、再充電する。
PWM出力電圧信号が最小になり、DC/DCスイッチモードコンバータ7により電圧が出力されないことを意味するときには、キャパシタ9がLEDストリング10を通して放電する。プロセスは、PWM出力電圧信号に基づいて繰り返される。
セラミックキャパシタは、圧電クオリティを示し、それ故、キャパシタが充電されるときには、若干の変形が生じる。放電の際には、キャパシタは、その元の形態に戻る。PWM出力電圧信号の周波数は、ほぼ300Hzであり、従って、変形は、毎秒300回生じる。これが可聴周波数範囲であるために、バズノイズが生じる。
図4は、本発明により調光可能なLEDストリング10を駆動するための回路を示す。この回路は、PWM制御信号ジェネレータ6と、イネーブルスイッチ71を含むDC/DCスイッチモードコンバータ7と、バッテリパック8と、出力フィルタキャパシタ9と、LEDストリング10と、出力負荷スイッチ13とを備えている。
出力負荷スイッチ13は、バイポーラトランジスタの構成より成り、そしてPWM制御信号と同期される(ひいては、PWM出力電圧信号とも同期される)ようにPWM制御信号により制御される。それ故、PWM出力電圧信号が最大であるときに、出力負荷スイッチ13は、電流の通過を許し、そしてPWM出力電圧信号が最小であるときに、出力負荷スイッチ13は、電流の通過を許さない。PWM出力電圧信号が最小であり、出力負荷スイッチ13が電流の通過を許さないときに、キャパシタ9が分離され、LEDストリング10を通して放電できず、むしろ、その電荷を保持する。それ故、キャパシタは、その元の形状へ再生しない。その後、キャパシタ9が可聴周波数において連続的に変形及び再生しないために、バズノイズは放射されない。更に、PWM信号が次に最大となると、キャパシタ9は、既に充電されており、それ故、DC/DCスイッチモードコンバータ7のインダクタ及び他のコンポーネントを通して引き出される電流の量が減少される。
或いは又、図5に示すように、出力負荷スイッチ13は、DC/DCコンバータ7を含む電源集積回路へ一体化され、出力負荷スイッチ13が、DC/DCコンバータ7の出力電圧ピンと、出力フィルタリングキャパシタ9と、LEDストリング10に接続する第2のピン(1つ又は複数)との間に接続を与えるようにする。
又、本発明は、オフ状態において出力電圧が駆動されず、即ち音響ノイズが明白なものとなるときに対してキャパシタの電圧が唯一の決定要因となるように、PWM信号波形のデアサート状態間にディスエイブル又はパワーオフされるDC供給技術にも適用することができる。DC電源が駆動源である場合でも、オン状態とオフ状態との間の出力キャパシタ電圧の変動が、音響ノイズ源である。始動時に電流制限が適用されるかどうかに基づいて、電源が再イネーブルされたときはキャパシタが依然として非常に低いインピーダンス負荷として現れ、インラッシュ電流ピークも生じさせる。電源が電流制限される場合は、出力キャパシタの電圧の上昇時間の増加により、PWM波形の低いデューティサイクルにおいて出力電圧/電流に著しい非直線性を生じさせる。
それ故、音響ノイズの問題を低減するのに加えて、本発明は、低いデューティサイクルにおいてDC電源のPWM出力電流の改良された直線性を与える。
又、本発明は、負荷が特に大きな放電を有する場合にDC/DCコンバータの動作の改良された安定性も提供する。上述した実施例では、これは、特に、LEDストリング10がより短い第2ストリングを有するときに生じる。
負荷スイッチ素子は、外部コンポーネント数を減少し、出力電流及び電圧の調整を改善するように電流又は電圧制御回路に組み込まれる。
以上の実施例は、これに制限されるものでないことが明らかであろう。当業者であれば、本明細書を読んだときに、他の変形や変更が明らかとなろう。このような変形や変更は、ここに述べる特徴及び機能的に同等の全ての特徴に置き換わるのに適したこの分野で既に知られた特徴へと拡張される。更に、本発明の開示は、ここで明示的又は暗示的に開示された新規な特徴又はそれら特徴の新規な組み合わせ或いはそれを一般化したものを包含すると理解され、又、本出願又はそこから派生する出願の係争中に、そのような特徴及び/又はそのような特徴の組み合わせを網羅する新規な請求項が公式化されることがある。
1:電源
2:高周波数スイッチ
3:ダイオード
4:インダクタ
5:負荷抵抗器
6:PWM制御信号ジェネレータ
7:DC/DCスイッチモードコンバータ
8:バッテリパック
9:出力フィルタキャパシタ
10:LEDストリング
13:出力負荷スイッチ
71:イネーブルスイッチ

Claims (12)

  1. パルス巾変調(PWM)出力電圧信号を発生するための電圧源手段(6,7,8)と、
    前記PWM出力電圧信号をフィルタリングするように構成されたキャパシタ(9)と、
    前記PWM出力電圧信号が最小であるときに、前記キャパシタ(9)を負荷(10)から分離させるように、前記PWM出力電圧信号と同期するように構成されたスイッチング手段(13)と、
    を備え、
    少なくとも1つの発光ダイオード(LED)(10)を含む回路素子を、前記電圧源手段(6,7,8)によって前記少なくとも1つのLED(10)へと前記スイッチング手段(13)を介して電流を供給することにより駆動するよう構成され、
    前記PWM出力電圧信号が最大であるときは、前記電圧源手段(6,7,8)から前記スイッチング手段(13)を介して流れる電流によって前記少なくとも1つのLED(10)が光を放射し、そして前記PWM出力電圧信号が最小であるときは、前記電圧源手段(6,7,8)及び前記キャパシタ(9)から前記スイッチング手段(13)を介して電流が流れず、前記少なくとも1つのLED(10)が光を放射しない
    よう構成された、装置。
  2. PWM出力電圧信号を発生するために構成された前記電圧源手段(6,7,8)は、供給電圧レベルを変換電圧レベルへと変換するように構成されたDC/DCスイッチモードコンバータ(7)を備えた、請求項1に記載の装置。
  3. PWM出力電圧信号を発生するために構成された前記電圧源手段(6,7,8)は、前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)を制御するためのPWM制御信号を出力するように構成されたPWM制御信号ジェネレータ手段(6)を更に備えた、請求項2に記載の装置。
  4. 前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)は、前記PWM制御信号により駆動されるイネーブルスイッチング素子(71)であって、前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)の出力を制御して、そのイネーブルスイッチング素子(71)が閉じたときは前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)が変換電圧レベルを出力し、且つそのイネーブルスイッチング素子(71)が開いたときは前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)が電圧を出力しないように構成されたイネーブルスイッチング素子(71)を備えた、請求項3に記載の装置。
  5. 前記PWM出力電圧信号は、前記少なくとも1つのLED(10)により放射される光の輝度が徐々に変化して見えるように変調される、請求項1から4のいずれかに記載の装置。
  6. 前記キャパシタ(9)は、セラミックキャパシタである、請求項1からのいずれかに記載の装置。
  7. パルス巾変調(PWM)出力電圧信号を発生するステップと、
    キャパシタ(9)を使用して前記PWM出力電圧信号をフィルタリングするステップと、 前記PWM出力電圧信号が最小であるときに、スイッチング素子(13)が前記キャパシタ(9)を負荷(10)から分離させるように、前記スイッチング素子(13)を前記PWM出力電圧信号と同期させるステップと、
    を備え、
    少なくとも1つの発光ダイオード(LED)(10)を含む回路素子を、前記PWM出力電圧信号によって前記少なくとも1つのLED(10)へと前記スイッチング手段(13)を介して電流を供給することにより駆動するよう構成され、
    前記PWM出力電圧信号が最大であるときは、前記PWM出力電圧信号によって前記スイッチング手段(13)を介して流れる電流により前記少なくとも1つのLED(10)に光を放射させ、そして前記PWM出力電圧信号が最小であるときは、前記PWM出力電圧信号及び前記キャパシタ(9)からの放電によっては前記少なくとも1つのLED(10)に前記スイッチング手段(13)を介して電流を流さず、前記少なくとも1つのLED(10)に光を放射させない
    よう構成された、方法。
  8. PWM出力電圧信号を発生する前記ステップは、供給DC電圧レベルを、その供給電圧レベルとは異なる変換DC電圧レベルへと変換する段階を含む、請求項に記載の方法。
  9. PWM出力電圧信号を発生する前記ステップは、更に、
    PWM制御信号ジェネレータ(6)を使用してPWM制御信号を発生する段階、及び
    前記PWM制御信号でDC/DCスイッチモードコンバータ(7)を制御する段階、
    を含む請求項に記載の方法。
  10. DC/DCスイッチモードコンバータ(7)の出力を制御する前記段階は、前記PWM制御信号でイネーブルスイッチング素子(71)を動作して、そのイネーブルスイッチング素子(71)が閉じたときには、前記変換電圧レベルが前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)により出力され、且つ前記イネーブルスイッチング素子(71)が開いたときには、前記DC/DCスイッチモードコンバータ(7)により電圧が出力されないようにすることを含む、請求項又はに記載の方法。
  11. PWM出力電圧信号をフィルタリングする前記ステップは、PWM出力電圧信号の高周波数要素をフィルタリングする段階を含む、請求項から10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記少なくとも1つのLEDストリング(10)により放射される光の輝度が徐々に変化して見えるように前記PWM出力電圧信号を変調するステップを更に備えた、請求項7から11のいずれかに記載の方法。
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