JP5275134B2

JP5275134B2 - Ｌｅｄ駆動回路

Info

Publication number: JP5275134B2
Application number: JP2009124584A
Authority: JP
Inventors: 一之宮島
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010272763A

Description

本発明は、損失を低減させたＬＥＤ（発光ダイオード）駆動回路に関するものである。

近年、ＬＣＤ（液晶表示装置）のバックライトの光源として、ＬＥＤの利用が広がりを見せている。ＬＣＤのバックライトとしてのＬＥＤは、図４に示すように、多数のＬＥＤ５１を直列に接続したＬＥＤ列を電圧Ｖoの電圧源４４に対して複数並列接続し、多数のＬＥＤを同じ光度で発光させることにより、面発光を実現している（たとえば、特許文献１参照）。

ＬＥＤは、その性質上、そこに流す電流に応じてその発する光の強さが変化する。このため、図４の構成の場合、各ＬＥＤ列を定電流で駆動し、さらにその電流値の相対差ができるだけ小さくなるように制御する必要がある。また、ＬＥＤを駆動するための必要な電圧は、ＬＥＤの種類により異なるが、白色ＬＥＤの場合では、１個のＬＥＤ当たり最大４Ｖ程度となる。たとえば、８個のＬＥＤを直列接続して駆動させる場合、３２Ｖ程度の電圧をＬＥＤ列のアノード側に印加する必要がある。

このため、ＬＣＤのバックライト用のＬＥＤ駆動回路は、図４に示すように、ＬＥＤ５１のカソード側に、ＬＥＤ列に流れる電流を一定値に制御するための電流源回路１０Ｃを設け、アノード側にＬＥＤ列を駆動するに十分な電圧Ｖoを印加するための電圧源４４を接続して構成される。この電圧源４４には、一般に、効率の高い降圧型又は昇圧型のスイッチングレギュレータやチャージポンプ回路等が用いられる。

ＬＥＤ列を駆動する電圧源４４の電圧Ｖoが高い場合、各電流源回路１０Ｃでは、次の式(1)に示すような電力損失Ｐ_LOSSが発生する。

ここで、Ｉ_LEDはＬＥＤ列に供給される電流源回路１０Ｃのシンク電流、ＮはＬＥＤ５１の直列接続の個数、Ｖ_Ｆは単体のＬＥＤ５１の順方向電圧である。

この式(1)により、電流源回路１０Ｃの損失Ｐ_LOSSをできるだけ低減するには、電圧源４４の電圧Ｖoを、ＬＥＤ５１が正常に点灯できる電圧、つまり、「Ｎ×Ｖ_Ｆ」以上でかつできるだけ低く設定する必要がある。

図５に従来のＬＥＤ駆動回路に用いられる電流源回路１０Ｃの構成を示す。１１はＬＥＤ列に電流Ｉ_LEDを流すためのＮＭＯＳトランジスタ、１２はトランジスタ１１のゲート電圧を制御するための演算増幅器、１３はＬＥＤ列を流れる電流Ｉ_LEDを検出するための抵抗値がＲ₁の抵抗、４１は電圧Ｖ₁の電圧源である。このような構成の回路では、トランジスタ１１のソース電圧が電圧源４１の電圧Ｖ₁に一致するようにトランジスタ１１のゲートが制御されるので、電流Ｉ_LEDは、次の式(2)で決まる。

また、トランジスタ１１のゲート・ソース間電圧Ｖ_GS1とドレイン電流Ｉ_D1（＝Ｉ_LED）の関係は、次の式(3)で表される。

ここで、β₁はトランジスタ１１のトランスコンダクタンス係数、Ｖ_DS1はトランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧、Ｖ_TH1はトランジスタ１１の閾値電圧である。

この式(3)により、トランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1をできるだけ低く抑え、ドレイン電流Ｉ_D1（＝Ｉ_LED）を一定に保つためには、できるだけ大きなゲート・ソース間電圧Ｖ_GS1が必要であることがわかる。しかし、ゲートに印加できる電圧は演算増幅器１２の電源電圧で制限されるため、トランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1は次の式(4)で示すような条件が必要となる。

ただし、（Ｖ_GS1−Ｖ_TH1）＞＞Ｖ_DS1／２とする。

電流源回路１０Ｃの損失、つまりＬＥＤ駆動回路の損失は、式(1)に示されるように、電圧源４４の出力電圧Ｖoをできるだけ低く抑える必要があるが、この電圧Ｖoは、最低でも、式(4)に示される電圧Ｖ_DS1がトランジスタ１１のドレイン・ソース間に印加される電圧にする必要がある。

特開２００３−３３２６２４号公報

ところが、トランジスタ１１のトランスコンダクタンス係数β₁や閾値電圧Ｖ_TH1は、製造ばらつきにより変動する。よって、電流源回路１０Ｃでの損失Ｐ_LOSSを低減するために、電圧源４４の出力電圧Ｖoを低く設定しすぎた場合、温度変化や製造ばらつきによって、想定よりもトランジスタ１１のトランスコンダクタンス係数β₁が低下したとき、トランジスタ１１のゲート・ソース間電圧Ｖ_GS1が式(4)を満足できなくなり、設定したＬＥＤ駆動電流を流せなくなる場合が生じる。

また、複数の電流源回路１０Ｃを１チップの半導体集積回路に集積した場合、各電流源回路１０Ｃ間のトランジスタ１１の製造ばらつきを低減する効果はあるが、電流源回路１０Ｃがレイアウトされたチップ内の位置によっては、動作中の自己発熱の影響が各電流源回路１０Ｃの位置に応じて異なり、前記トランスコンダクタンス係数β₁の変動にムラが生じ、それぞれのＬＥＤ列の電流Ｉ_LEDに均一な特性を持たせることが難しい。

このようなことから、電圧源４４の電圧Ｖoは、トランジスタ１１のトランスコンダクタンス係数β₁のばらつき、ＬＥＤの順方向電圧のばらつき、温度変化の最大値等を考慮して、高めの値に設定する必要があるが、結果として式(1)から明らかなように、電流源回路１０Ｃでの損失が増大するという問題があった。

本発明の目的は、使用するトランジスタのトランスコンダクタンス係数のばらつき、ＬＥＤの順方向電圧のばらつき、温度変化等の影響を受けずに、損失を最小限に抑えることができるようにしたＬＥＤ駆動回路を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ列の一方の端部のＬＥＤのカソードにドレインが接続され、ソースに第１の抵抗が接続された第１のトランジスタのゲート電圧を、前記第１の抵抗に生じる電圧が予め設定した第１の電圧と一致するように制御することで前記ＬＥＤ列に流れる電流値を所定の値に制御する電流源回路を備えたＬＥＤ駆動回路において、前記電流源回路に、前記第１のトランジスタのドレインとドレインが共通接続され、ソースが第２の抵抗を介して前記第１のトランジスタのソースに接続され、ゲートが固定バイアスされる第２のトランジスタを、前記第１のトランジスタに隣接して設け、前記第２の抵抗に生じる電圧が予め設定した第２の電圧と一致するように、前記ＬＥＤ列の他方の端部のＬＥＤのアノードに印加する第３の電圧を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路において、前記電流源回路および前記ＬＥＤ列を前記第３の電圧の電圧源に対して複数個並列接続し、前記各電流源回路の前記第２の抵抗に生じる電圧の内の最も低い電圧が、前記第２の電圧と一致するように前記第３の電圧を制御するようにしたことを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のＬＥＤ駆動回路において、前記各電流源回路の前記第１のトランジスタのソースに第３の抵抗の一端を接続し、該各第３の抵抗の他端を共通接続し、該共通接続の接続点に所定電圧を加算した電圧を前記第２の電圧としたことを特徴とする。

請求項４にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載のＬＥＤ駆動回路において、前記第１および第２のトランジスタの少なくとも一方をバイポーラトランジスタに置き換えたことを特徴とする。

本発明によれば、第１のトランジスタに対して第２のトランジスタに隣接して設け、２つのトランジスタの温度が等しくなるように、第２の抵抗に生じる電圧が第２の電圧となるようにＬＥＤ列に印加する第３の電圧を制御するので、第１のトランジスタのトランスコンダクタンス係数のばらつき、ＬＥＤの順方向電圧のばらつき、温度変化等の影響を受けずに、第１のトランジスタのドレイン・ソース間電圧を第２の電圧に応じた必要最小限に制御することができ、損失を最小限に抑えることができる。

本発明の第１の実施例のＬＥＤ駆動回路の回路図である。本発明の第２の実施例のＬＥＤ駆動回路の回路図である。本発明の第３の実施例のＬＥＤ駆動回路の回路図である。従来のＬＥＤ駆動回路の回路図である。従来のＬＥＤ駆動回路の電流源回路の回路図である。

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のＬＥＤ駆動回路を示す。これは、１つのＬＥＤ列当たりのＬＥＤ駆動回路を示すものである。

１０は電流源回路であり、ＬＥＤ５１が複数同方向に直列接続されたＬＥＤ列内の一方の端のＬＥＤのカソードにドレインが接続されたＮＭＯＳトランジスタ１１、演算増幅器１２、抵抗値がＲ₁の抵抗１３、ＮＭＯＳトランジスタ１４、抵抗値がＲ₂の抵抗１５からなる。演算増幅器１２は、非反転入力端子に電圧Ｖ₁の電圧源４１の正極が接続され、反転入力端子にトランジスタ１１のソースと抵抗１３の共通接続点が接続され、抵抗１３に発生する電圧が電圧Ｖ₁と一致するように、トランジスタ１１のゲートを制御する。トランジスタ１４は、トランジスタ１１と等しい温度となるように隣接して配置され、ゲートに固定電圧Ｖ₃の電圧源４４が接続されている。また、このトランジスタ１４と抵抗１５との直列回路は、トランジスタ１１のドレイン・ソース間に並列接続されている。

２０は演算増幅器であり、非反転入力端子に電圧源４２の正極の電圧Ｖ₂が印加し、反転入力端子にトランジスタ１４と抵抗１５の共通接続点の電圧Ｖ_Pが印加している。この電圧源４２の負極はトランジスタ１１のソースと抵抗１３，１５の共通接続点に接続されている。この電圧源４２の電圧Ｖ₂は、ＬＥＤ列に流す電流Ｉ_LEDが所定値となるためのトランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1が必要最小値となるような電圧値に設定される。

３０は電圧制御回路であり、演算増幅器２０の出力電圧によって電圧制御信号を発生する制御部３１と、その制御部３１によって制御された電圧ＶoをＬＥＤ列のアノードに印加する電圧源３２とからなる。電圧源３２には、スイッチングレギュレータやチャージポンプが用いられる。また、制御部３１としてはその電圧源３２を制御するＰＷＭ回路等が使用される。

本実施例のＬＥＤ駆動回路は、抵抗１５に生じた電圧Ｖ_Pが電圧源４２の電圧Ｖ₂と一致するように、演算増幅器２０の出力によって、電圧制御回路３０の制御部３１が制御され電圧源３２の電圧Ｖoが制御される。このとき、次の式(5)に示すように、トランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1が制御される。

ここで、β₂はトランジスタ１４のトランスコンダクタンス係数、Ｖ_GS2はトランジスタ１４のゲート・ソース間電圧、Ｖ_TH2はトランジスタ１４の閾値電圧である。

トランジスタ１４はトランジスタ１１の温度センサとして働き、ＬＥＤ列を駆動した際にトランジスタ１１に発生した熱によりトランジスタ１１のトランスコンダクタンスβ₁が低下して、式(3)によりそのドレイン電流Ｉ_D1（＝Ｉ_LED）が低下したとしても、トランジスタ１４のトランスコンダクタンスβ₂も同程度に低下するので、式(5)により、トランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1が引き上げられる。このため、トランジスタ１１のトランスコンダクタンスβ₁が動作中に自己発熱により低下し、目標とするドレイン電流Ｉ_D1（＝Ｉ_LED）を出力することができなくなる問題を回避することができる。

このように、電圧源３２の出力電圧Ｖoは、駆動するＬＥＤ５１の順方向電圧Ｖ_Fのばらつきや温度による変動、電流源回路１０自体の自己発熱による影響等をすべて制御の要素に加えて、帰還制御される。よって、トランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1をできるだけ最小限にし、ＬＥＤ駆動回路自体の損失を最小限に抑えることが可能となる。

＜第２の実施例＞
図２に本発明の第２の実施例のＬＥＤ駆動回路を示す。この実施例は、２個のＬＥＤ列を駆動する場合についてのものである。

１０Ａ，１０Ｂは図１の電流源回路１０と同様の電流源回路であり、それぞれのＬＥＤ列に駆動電流を供給する。２０Ａは図１の演算増幅器２０と同様な演算増幅器であるが、非反転入力端子に接続される電圧Ｖ₂の電圧源４２の負極は、電圧Ｖ₁の電圧源４１の正極に接続されている。図１では電圧源４２の負極をトランジスタ１１のソースに接続していたが、そのトランジスタ１１のソースは電圧Ｖ₁と一致するように制御されるので、図２の接続関係は図１のそれと等価である。このように接続することで、演算増幅器２０Ａを１個にすることができる。また、演算増幅器２０Ａの反転入力端子は２個設けられ、それぞれ電流源回路１０Ａ，１０Ｂのトランジスタ１４のソースと抵抗１５の共通接続点に接続されている。演算増幅器２０Ａは、２個の反転入力端子のうちの低い方の電圧の端子の電圧が電圧Ｖ₂と一致するように、電圧制御回路３０で電圧源３２の電圧Ｖoを制御する。

本実施例では、電流源回路１０Ａ，１０Ｂの内のトランジスタ１１のソースと抵抗１５の共通接続点の電圧Ｖ_Pが低い方、つまりトランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1が低いか、あるいはトランスコンダクタンスβ₁が低下している方のトランジスタ１１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DS1が、電圧Ｖ₂に応じた必要最小限のドレイン電流Ｉ_D1（＝Ｉ_LED）を流す電圧となるように、演算増幅器２０Ａによって、電圧Ｖoの帰還制御が行われる。

なお、３個以上のＬＥＤ列を駆動する場合は、演算増幅器２０Ａの反転入力端子の数を３個以上に増やして、同様に構成すればよい。この場合、演算増幅器２０Ａの複数の反転入力端子の内の最も電圧の低い端子の電圧が電圧Ｖ₂に一致するように、帰還制御が行われる。

＜第３の実施例＞
図３に本発明の第３の実施例のＬＥＤ駆動回路を示す。本実施例では、電流源回路１０Ａ，１０Ｂの抵抗１３，１５の共通接続点に抵抗値がＲ₃の抵抗６１の一端をそれぞれ接続して、その抵抗６１の他端を基準に電圧源４２を接続している。このようにすることで、電流源回路１０Ａ，１０Ｂのトランジスタ１１のソース電圧Ｖ₁の平均値を電圧Ｖ₂の基準値とすることができ、図２のＬＥＤ駆動回路と同様に動作できる。

なお、図３に示すように、電圧源４２を、電流源４２１と抵抗値がＲ₄の抵抗４２２により構成する場合は、抵抗４２２の抵抗値Ｒ₄を抵抗抗６１の抵抗値Ｒ₃をよりも大きく設定し、且つ電流源４２１の電流を十分小さくすればよい。

＜その他の実施例＞
なお、以上の実施例ではトランジスタ１１，１４としてＭＯＳＦＥＴを使用したが、これに代えて、バイポーラトランジスタを使用することもできる。この場合、ゲートはベースに、ドレインはコレクタに、ソースはエミッタに置き換えればよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：電流源回路、１１：ＮＭＯＳトランジスタ、１２：演算増幅器、１３：抵抗値がＲ₁の抵抗、１４：ＮＭＯＳトランジスタ、１５：抵抗値がＲ₂の抵抗
２０，２０Ａ：演算増幅器
３０：電圧制御回路、３１：制御部、３２：電圧がＶ_oの電圧源
４１：電圧がＶ₁の電圧源、４２：電圧がＶ₂の電圧源、４３：電圧がＶ₃の電圧源、４４：電圧がＶ_oの電圧源、４２１：電流源、４２２：抵抗値がＲ₄の抵抗
５１：ＬＥＤ
６１：抵抗値がＲ₃の抵抗

Claims

複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ列の一方の端部のＬＥＤのカソードにドレインが接続され、ソースに第１の抵抗が接続された第１のトランジスタのゲート電圧を、前記第１の抵抗に生じる電圧が予め設定した第１の電圧と一致するように制御することで前記ＬＥＤ列に流れる電流値を所定の値に制御する電流源回路を備えたＬＥＤ駆動回路において、
前記電流源回路に、前記第１のトランジスタのドレインとドレインが共通接続され、ソースが第２の抵抗を介して前記第１のトランジスタのソースに接続され、ゲートが固定バイアスされる第２のトランジスタを、前記第１のトランジスタに隣接して設け、
前記第２の抵抗に生じる電圧が予め設定した第２の電圧と一致するように、前記ＬＥＤ列の他方の端部のＬＥＤのアノードに印加する第３の電圧を制御するようにしたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記電流源回路および前記ＬＥＤ列を前記第３の電圧の電圧源に対して複数個並列接続し、
前記各電流源回路の前記第２の抵抗に生じる電圧の内の最も低い電圧が、前記第２の電圧と一致するように前記第３の電圧を制御するようにしたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項２に記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記各電流源回路の前記第１のトランジスタのソースに第３の抵抗の一端を接続し、該各第３の抵抗の他端を共通接続し、該共通接続の接続点に所定電圧を加算した電圧を前記第２の電圧としたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のＬＥＤ駆動回路において、
前記第１および第２のトランジスタの少なくとも一方をバイポーラトランジスタに置き換えたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。