JP5256943B2

JP5256943B2 - Ｌｅｄ点灯装置

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Publication number: JP5256943B2
Application number: JP2008223373A
Authority: JP
Inventors: 研吾木村
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-09-01
Also published as: CN101668371B; KR101009049B1; JP2010062184A; TWI437912B; TW201012295A; US20100052552A1; KR20100027018A; CN101668371A; US8193739B2

Description

本発明は、例えば液晶ディスプレイのバックライトとして使用されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させるためのＬＥＤ点灯装置に関する。

従来、ＬＥＤ点灯装置として、例えば特許文献１は、発光素子の直列数に関係なく、ピンに印加される電圧を常に低い電源電圧以下にして低耐圧設計のＩＣを使用可能にし、かつ電力損失を少なくした発光素子駆動装置を開示している。

この発光素子駆動装置は、図３に示すように、発光素子(ＬＥＤ)２１〜２６が接続される端子Ｐ２３〜Ｐ２５に一端が接続され、時分割信号Ｓ１〜Ｓ３に応じてオン／オフするドライバ１２〜１４と、このドライバ１２〜１４に並列に接続され、ドライバ１２〜１４がオフの時に発光素子２１〜２６が発光するに至らない程度の電流を流すためのバイパス手段１５〜１７と、選択回路１８とを備える。選択回路１８は、ドライバ１２〜１４のうち１つのドレイン−ソース間電圧やＬＥＤ２１〜２６のうちの１ラインに流れる電流を検出して、制御回路１１はコンバータ回路の出力電圧を制御する。

この発光素子駆動装置においては、ＬＥＤ２１〜２６を点灯させる期間には、ドライバ１２〜１４が必要な電流を引き込んでＬＥＤ２１〜２６に電流を流し、ＬＥＤ２１〜２６を消灯させる期間には、ドライバ１２〜１４が電流の引き込みを停止するとともに、微小電流をバイパス手段１５〜１７でバイパスさせる。これにより、コンバータ回路２７の出力電圧の跳ね上がりを防止している。
特開２００３−３３２６２４号公報

ところで、近年は、バックライトの薄型化の要求に伴って、ＬＥＤ点灯装置には、チップ部品が使用されている。特に、ＬＥＤ点灯装置は、液晶パネルの裏面に配置されることか多いので、コンデンサとしては、低背面実装タイプのチップセラミックコンデンサが使用されている。勿論、電気的特性からだけ言えば、電解コンデンサもフィルムコンデンサも使用可能である。

しかしながら、電解コンデンサを使用すると、ボードの厚みが厚くなり、フィルムコンデンサを使用すると、高価になる。

上述した特許文献１に開示された発光素子駆動装置において、コンバータ回路２７の内部のコンデンサＣ２７としてチップセラミックコンデンサを使用すると、図４（ａ）に示すような時分割信号Ｓ１〜Ｓ３でドライバ１２〜１４をオン／オフさせることにより、図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２１〜２６に流れる電流をオン／オフさせて明るさを調整するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）調光を行ったとする。

この場合、図４（ｃ）に示すように、コンバータ回路２７の出力電圧が変動（低下）するとともに、ＬＥＤ２１〜２６をオンさせる時に発生するコンバータ回路２７の出力電圧の低下分を、コンデンサＣ２７を急速充電することにより補うため、コンデンサＣ２７から音鳴りが発生する。

さらに詳細に説明すると、ＬＥＤ２１〜２６を消灯させる期間（ドライバ１２〜１４がオフの期間）のコンバータ回路２７の出力電圧は、ＬＥＤ２１〜２６のＩＦ−ＶＦ特性で決定される。従って、バイアス電流が微小であれば、ＰＷＭ調光のオフ期間のコンバータ回路２７の出力電圧は、オン期間よりも低下する。その結果、上述したように、ＰＷＭ調光を行った場合に、コンバータ回路２７の出力電圧に電圧変動（低下）が発生するので、コンデンサＣ２７から音鳴りが発生する。

なお、仮に、図３に示す発光素子駆動装置において、バイパス手段１５〜１７が存在しないとすれば、ＬＥＤ２１〜２６を消灯させる期間（ドライバ１２〜１４がオフの期間）のコンバータ回路２７の出力電圧は、負荷が無くなった状態になるため、図５（ｃ）に示すように跳ね上がる。従って、ＰＷＭ調光のオフ期間のコンバータ回路２７の出力電圧は高電圧になり、場合によっては、装置の破壊などを招く。

本発明の課題は、ＰＷＭ調光時の音鳴りを防止できるとともに、低背で安価なＬＥＤ点灯装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群負荷と、前記ＬＥＤ群負荷に印加する電圧を生成するコンバータ回路と、前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流に基づいて前記コンバータ回路を制御する制御回路と、前記制御回路は、前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流に基づいて電流フィードバック信号を生成し、前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流を制御する電流制御回路と、前記コンバータ回路の出力電圧に基づいて電圧フィードバック信号を生成し、前記コンバータ回路の出力電圧を制御する電圧制御回路と、前記ＬＥＤ群負荷に電流を間欠的に流す時分割回路と、前記時分割回路によって前記ＬＥＤ群負荷に電流が流されている期間は、前記電流フィードバック信号を選択し、選択した電流フィードバック信号に基づいて前記コンバータ回路の出力電圧をＰＷＭ制御し、かつ、
前記時分割回路によって前記ＬＥＤ群負荷に電流が流されていない期間は、前記電圧フィードバック信号を選択し、選択した電圧フィードバック信号に基づいて前記コンバータ回路の出力電圧をＰＷＭ制御させる選択回路と、前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れている期間にホールドされた前記コンバータ回路の出力電圧と前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れていない期間の前記コンバータ回路の出力電圧との差を増幅することにより、前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れていない期間の前記電圧フィードバック信号を得る誤差増幅器と、前記時分割回路の信号を所定時間だけ遅らせて信号を出力するディレイ回路と、前記時分割回路の信号の立ち上がり信号を出力するワンショット回路と、を備え、前記電圧制御回路は、前記ディレイ回路からの信号により前記コンバータ回路の出力電圧をホールドし、前記ワンショット回路からの信号により前記コンバータ回路の出力電圧をリセットする電圧ホールド回路を備え、前記制御回路は前記選択回路の出力信号に基づき前記コンバータ回路を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のＬＥＤ点灯装置において、前記選択回路は、前記時分割回路で生成された時分割信号に基づき、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号又は前記電圧制御回路からの電圧フィードバック信号のいずれかを選択することを特微とする。

請求項３の発明は、請求項１記載のＬＥＤ点灯装置において、前記選択回路は、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号の有無に基づき、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号又は前記電圧制御回路からの電圧フィードバック信号のいずれかを選択することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤ群負荷に電流が流されている期間は、電流制御回路によりＬＥＤ群負荷に流れる電流を制御することによってコンバータ回路の出力電圧を制御し、ＬＥＤ群負荷に電流が流されていない期間は、電圧制御回路によりコンバータ回路の出力電圧を制御するので、コンバータ回路の出力電圧を一定にすることができる。

その結果、コンバータ回路に含まれるコンデンサにチップセラミックコンデンサを使用しても、コンデンサによる音鳴りを防止することができる。その結果、チップセラミックコンデンサを使用した低背で安価なＬＥＤ点灯装置を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。このＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤ群負荷１、コンバータ回路２、制御回路３及びゲート電圧設定抵抗Ｒを備える。

ＬＥＤ群負荷１は、図１における複数のＬＥＤ７を有するバックライト１に相当し、直列に接続された複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群が、並列に複数個（図１に示す例では「３」）接続されて構成されている。なお、並列に接続するＬＥＤ群の数は任意である。このＬＥＤ群負荷１は、コンバータ回路２の出力側と制御回路３の内部のシンクドライバ３７（詳細は後述）との間に接続されている。

コンバータ回路２は、昇圧リアクトルＬ１とＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１とコンデンサＣ１からなる例えばブーストチョッパからなり、制御回路３から送られてくるＰＷＭ制御信号に応じてスイッチング素子Ｑ１がオン／オフすることにより電圧を出力する。このコンバータ回路２からの出力電圧は、ＬＥＤ群負荷１のアノード側に印加される。

制御回路３は、時分割回路３１、ディレイ回路３２、ワンショット（１ｓｈｏｔ）回路３３、選択回路３４、ゲート電圧設定回路３５、電圧制御回路３６、シンクドライバ３７、電流制御回路３８、ＰＷＭ制御コンパレータ４１及び鋸波発生回路４３を備える。

時分割回路３１は、外部から入力される直流のＰＷＭ調光信号に応じたデューティでオン／オフする時分割信号を生成する。具体的には、時分割回路３１は、三角波発生回路７１とＰＷＭ調光コンパレータ７２とを備える。三角波発生回路７１は、三角波信号を生成してＰＷＭ調光コンパレータ７２に送る。ＰＷＭ調光コンパレータ７２は、外部から非反転入力端子（＋）に入力されたＰＷＭ調光信号と、三角波発生回路７１から反転入力端子（−）に入力された三角波信号とを比較して、矩形波の時分割信号を生成する。この時分割回路３１から出力される時分割信号は、ディレイ回路３２、ワンショット回路３３、選択回路３４及びゲート電圧設定回路３５に送られ、ゲート電圧設定回路３５からシンクドライバ３７へのゲート信号をオン／オフさせる。

ディレイ回路３２は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号を所定時間だけ遅延させ、ディレイ時分割信号として電圧制御回路３６に送る。

ワンショット回路３３は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号の立ち上がりエッジをトリガーとして所定幅を有するパルス信号を生成し、ホールド解除信号として電圧制御回路３６に送る。

ゲート電圧設定回路３５は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号とゲート電圧設定抵抗Ｒ１で設定された電圧とに基づきゲート信号を生成し、シンクドライバ３７に送る。

シンクドライバ３７は、例えば複数（直列に接続されたＬＥＤ群のライン数と同数）のＭＯＳＦＥＴから構成されており、そのゲートはゲート電圧設定回路３５に接続され、ドレインはＬＥＤ群負荷１のカソード側に接続され、ソースは接地されている。

このシンクドライバ３７に含まれるＭＯＳＦＥＴは、時分割信号がオンの指示の期間中は、ゲート電圧設定回路３５から送られてくるゲート信号に応じてオンすることにより、ＬＥＤ群負荷１にゲート信号に応じた電流を流して発光させ、また、時分割信号がオフの指示の期間中は、ゲート電圧設定回路３５から送られてくるゲート信号に応じてオフすることにより、ＬＥＤ群負荷１に流れる電流を停止させて発光を停止させる。

つまり、時分割信号のオン／オフのデューティー比に応じて、言い換えれば、外部から入力される直流のＰＷＭ調光信号に応じて、ＬＥＤ群負荷１の明るさを調整することができる。

尚、時分割信号がオンの指示の期間中のＬＥＤ群負荷１に流れる３ラインの電流と、３ラインのＬＥＤ群負荷の電圧は、ＬＥＤのＶＦのばらつきや、シンクドライバ３７のＭＯＳＦＥＴのアーリー効果などによって、完全には同一にならない。

電流制御回路３８は、ＬＥＤ群負荷１からシンクドライバ３７に流れる３ラインの電流を検出し、それぞれの電流に相当する電流検出信号を生成する。電流検出信号選択回路６１は、ＬＥＤ群負荷１からシンクドライバ３７に流れる３ラインの電流のそれぞれの電流に相当する３つの電流検出信号を入力して、そのうちの１つの電流検出信号を選択し、選択した電流検出信号を誤差増幅器６３に送る。

電流検出信号選択回路６１での電流検出信号の選択方法は、入力された３つの電流検出信号のうちから、一番大きい信号を選択する方法になっていてもよいし、一番小さい信号を選択する方法になっていてもよい。

電流検出信号の選択方法の別の方法としては、電流検出回路３８は、シンクドライバ３７のそれぞれのＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧を検出し、それぞれのドレイン電圧に相当する間接的な電流検出信号を生成し、そのうち１つを選択する方法でも良い。

誤差増幅器６３は、電流検出信号選択回路６１から送られてきて反転入力端子（−）に入力された電圧と非反転入力端子（＋）に入力された基準値を表す電圧との誤差を増幅して、電流フィードバック信号として選択回路３４に送る。

電圧制御回路３６は、コンバータ回路２の出力電圧が抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧されて入力され、ディレイ回路３２から送られてくるディレイ時分割信号、ワンショット回路３３から送られてくるホールド解除信号を入力し、これらに基づいて電圧フィードバック信号を生成し、選択回路３４に送る。この電圧制御回路３６の詳細は後述する。

選択回路３４は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号に応じて、電流制御回路３８から送られてくる電流フィードバック信号又は電圧制御回路３６から送られてくる電圧フィードバック信号のいずれかを選択し、ＰＷＭ制御コンパレータ４１に送る。

鋸波発生回路４３は、鋸波信号を発生し、ＰＷＭ制御コンパレータ４１に送る。ＰＷＭ制御コンパレータ４１は、選択回路３４から送られてくる電流フィードバック信号又は電圧フィードバック信号、及び鋸波発生回路４３から送られてくる鋸波信号に基づき矩形波のＰＷＭ制御信号を生成し、コンバータ回路２のスイッチング素子Ｑ１のゲートに送る。

次に、電圧制御回路３６の詳細を説明する。電圧制御回路３６は、ワンショット（１ｓｈｏｔ）回路５１、電圧ホールド回路５２及び電圧制御アンプ（ＡＭＰ）５５を備える。

ワンショット回路５１は、ディレイ回路３２から送られてくるディレイ時分割信号の立ち上がりエッジをトリガーとして所定幅を有するパルス信号を生成し、ホールド信号として電圧ホールド回路５２に送る。

電圧ホールド回路５２は、ＬＥＤ群負荷１に電流が流れている時にコンバータ回路２から出力される電圧をホールドする機能を有する。この電圧ホールド回路５２は、ワンショット回路５１から送られてくるホールド信号に応じてコンバータ回路２の出力電圧をホールドし、ワンショット回路３３から送られてくるホールド解除信号に応じて、出力電圧のホールドを解除する。この電圧ホールド回路５２にホールドされた電圧は電圧制御アンプ５５に送られる。

電圧制御アンプ５５は、電圧ホールド回路５２から非反転入力端子（＋）に入力された電圧と、コンバータ回路２から反転入力端子（−）に入力された電圧との差を増幅し、電圧フィードバック信号として選択回路３４に送る。

次に、このように構成される本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

外部からＰＷＭ調光信号が入力されると、時分割回路３１は、図２（ａ）に示すような、ＰＷＭ調光信号の大きさ（電圧値）に応じたデューティでオン／オフする時分割信号を生成し、ディレイ回路３２、ワンショット回路３３、選択回路３４及びゲート電圧設定回路３５に送る。

時分割回路３１からの時分割信号を入力したゲート電圧設定回路３５は、時分割信号とゲート電圧設定抵抗Ｒで発生された電圧とに基づきゲート信号を生成し、シンクドライバ３７に送る。これにより、シンクドライバ３７の内部のＭＯＳＦＥＴがオン／オフし、ＬＥＤ群負荷１からシンクドライバ３７に向かって、図２（ｃ）に示すような、時分割信号に応じたＬＥＤ電流が流れる。

電流制御回路３８では、電流検出信号選択回路６１でＬＥＤ群負荷１からシンクドライバ３７に流れる電流を検出し、検出された電流に基づき、誤差増幅器６３で、図２（ｄ）に示すような、ＬＥＤ電流が流れない期間で高電圧になる電流フィードバック信号を生成して選択回路３４に送る。

一方、時分割回路３１からの時分割信号を入力したディレイ回路３２は、図２（ｂ）に示すように、時分割信号を所定時間だけ遅延させたディレイ時分割信号を生成して電圧制御回路３６に送る。

また、時分割回路３１からの時分割信号を入力したワンショット回路３３は、図２（ｅ）に示すような、時分割信号の立ち上がりエッジをトリガーとして所定のパルス幅を有するホールド解除信号を生成して電圧制御回路３６に送る。

電圧制御回路３６においては、ワンショット回路５１は、ディレイ回路３２から送られてくるディレイ時分割信号の立ち上がりエッジをトリガーとして、図２（ｆ）に示すような所定のパルス幅を有するホールド信号を生成して電圧ホールド回路５２に送る。

電圧ホールド回路５２は、ワンショット回路５１から送られてくるホールド信号に応じてコンバータ回路２の出力電圧をホールドし、ホールドされた出力電圧を電圧制御アンプ５５に送る。

電圧制御アンプ５５は、電圧ホールド回路５２から非反転入力端子（＋）に入力された電圧と、コンバータ回路２から反転入力端子（−）に入力された電圧との差を増幅し、図２（ｇ）に示すような、ＬＥＤ電流が流れない期間で低電圧になる電圧検出信号を生成して選択回路３４に送る。

選択回路３４は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号がハイレベルの期間、つまりＬＥＤ群負荷１に電流が流れている期間（図２（ｇ）の符号Ａで示す期間）では、電流制御回路３８から送られてくる電流フィードバック信号（符号Ａで示す期間の電流フィードバック信号）を選択してＰＷＭ制御コンパレータ４１に送る。

選択回路３４は、時分割回路３１から送られてくる時分割信号がローレベルの期間、つまりＬＥＤ群負荷１に電流が流れていない期間（図２（ｇ）の符号Ｂで示す期間）では、電圧制御回路３６から送られてくる、ＬＥＤ群負荷１に電流が流れている期間にコンバータ回路２の出力電圧をホールドした電圧に基づき生成された電圧フィードバック信号（符号Ａで示す期間の電圧フィードバック信号）を選択し、ＰＷＭ制御コンパレータ４１に送る。

これにより、ＬＥＤ群負荷１に電流が流れているかどうかに拘わらず、常に一定レベルのＰＷＭ制御信号がコンバータ回路２のスイッチング素子Ｑ１に送られるので、コンバータ回路２の出力電圧は、図２（ｈ）に示すように、一定になる。

このように本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置によれば、ＰＷＭ調光を行った場合であっても、コンバータ回路２の出力電圧は一定に保たれるため、コンバータ回路２のコンデンサとしてチップセラミックコンデンサを用いても、コンデンサから音鳴りは発生しない。その結果、チップセラミックコンデンサを使用した低背で安価なＬＥＤ点灯装置を構成することができる。

なお、上述した実施例１のＬＥＤ点灯装置では、選択回路３４は、時分割信号に応じて電流フィードバック信号又は電圧フィードバック信号のいずれかを選択したが、電流制御回路３８からの電流フィードバック信号の有無に応じて、電流制御回路３８からの電流フィードバック信号又は電圧制御回路３６からの電圧フィードバック信号のいずれかを選択するように構成することができる。この場合も、上述した実施例１のＬＥＤ点灯装置と同様の効果が得られる。

また、時分割信号がオンの時に、いずれかのシンクドライバ３７に電流が流れる場合は、スイッチング素子Ｑ１への出力を止めるシャットダウン回路を追加しても良い。さらに、制御回路３が動作を開始した時、一定期間フィードバック信号とは無関係にスイッチング素子Ｑ１への信号のオン幅を０から徐々に広げていくソフトスタート回路を追加しても良い。

本発明は、携帯電話、パーソナルコンピュータのモニタ、テレビジョンなどで使用される液晶ディスプレイのバックライトの点灯装置に適用可能である。

本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。従来のＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。従来のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。従来の他のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１ＬＥＤ群負荷
２コンバータ回路
７ＬＥＤ
３１時分割回路
３２ディレイ回路
３３，５１ワンショット回路
３４選択回路
３５ゲート電圧設定回路
３６電圧制御回路
３７シンクドライバ
３８電流制御回路
４１ＰＷＭ制御コンパレータ
４３鋸波発生回路
５２電圧ホールド回路
５５電圧制御アンプ
６１電流検出信号選択回路

Claims

複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群負荷と、
前記ＬＥＤ群負荷に印加する電圧を生成するコンバータ回路と、
前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流に基づいて前記コンバータ回路を制御する制御回路と、
前記制御回路は、
前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流に基づいて電流フィードバック信号を生成し、前記ＬＥＤ群負荷に流れる電流を制御する電流制御回路と、
前記コンバータ回路の出力電圧に基づいて電圧フィードバック信号を生成し、前記コンバータ回路の出力電圧を制御する電圧制御回路と、
前記ＬＥＤ群負荷に電流を間欠的に流す時分割回路と、
前記時分割回路によって前記ＬＥＤ群負荷に電流が流されている期間は、前記電流フィードバック信号を選択し、選択した電流フィードバック信号に基づいて前記コンバータ回路の出力電圧をＰＷＭ制御し、かつ、
前記時分割回路によって前記ＬＥＤ群負荷に電流が流されていない期間は、前記電圧フィードバック信号を選択し、選択した電圧フィードバック信号に基づいて前記コンバータ回路の出力電圧をＰＷＭ制御させる選択回路と、
前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れている期間にホールドされた前記コンバータ回路の出力電圧と前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れていない期間の前記コンバータ回路の出力電圧との差を増幅することにより、前記ＬＥＤ群負荷に電流が流れていない期間の前記電圧フィードバック信号を得る誤差増幅器と、
前記時分割回路の信号を所定時間だけ遅らせて信号を出力するディレイ回路と、
前記時分割回路の信号の立ち上がり信号を出力するワンショット回路と、を備え、
前記電圧制御回路は、前記ディレイ回路からの信号により前記コンバータ回路の出力電圧をホールドし、前記ワンショット回路からの信号により前記コンバータ回路の出力電圧をリセットする電圧ホールド回路を備え、
前記制御回路は前記選択回路の出力信号に基づき前記コンバータ回路を制御することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
前記選択回路は、前記時分割回路で生成された時分割信号に基づき、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号又は前記電圧制御回路からの電圧フィードバック信号のいずれかを選択することを特微とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
前記選択回路は、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号の有無に基づき、前記電流制御回路からの電流フィードバック信号又は前記電圧制御回路からの電圧フィードバック信号のいずれかを選択することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。