JP5600456B2

JP5600456B2 - 発光ダイオードの駆動回路およびそれを用いた発光装置およびディスプレイ装置、駆動回路の保護方法

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Publication number: JP5600456B2
Application number: JP2010068475A
Authority: JP
Inventors: 裕之石川; 昌男米丸; 直樹井上
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: US8730228B2; US20110128303A1; JP2011009701A

Description

本発明は、発光ダイオードの駆動技術に関する。

液晶パネルのバックライトとして、従来のＣＣＦＬ(Cold Cathode Fluorescent Lamp)やＥＥＦＬ（External Electrode Fluorescent Lamp）に代えて、長寿命化、低消費電力化、広色域化の観点で優れた特性を有する白色発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略す）が用いられている。

特開２００４−３２８７５号公報特開２００２−２５２９７１号公報特開２００７−０２８７８４号公報特開２００７−１７３８１３号公報特開２００８−１３６２９３号公報

図１は、一般的なディスプレイ装置の構成を示すブロック図である。平滑化回路２０２は、商用交流電圧（１００Ｖ）を平滑化する。力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）回路２０４は、力率を改善するために設けられ、たとえば３８０Ｖ程度の直流電圧を発生する。スイッチング電源（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）２０６は、３８０Ｖの直流電圧を２４Ｖまで降圧する。こうして生成された２４Ｖの電圧は、ディスプレイ装置の各ブロックの電源電圧として利用される。

液晶パネルの裏面には、直列に接続された複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）からなるストリング（以下、ＬＥＤストリングと称する）２１０が複数配置される。図１には、単一のＬＥＤストリング２１０のみが示される。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８は、昇圧型スイッチングレギュレータであり、２４Ｖの直流電圧を昇圧して４０〜５０Ｖ程度の駆動電圧を発生する。この駆動電圧は、ＬＥＤストリングのアノード側に印加される。ＬＥＤストリング２１０のカソード側には、定電流ドライバ２１２が設けられ、発光輝度に応じた駆動電流を、ＬＥＤストリング２１０に供給する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８のコントローラ２０９は、ＬＥＤストリング２１０の電気的状態が目標値に近づくように、スイッチング素子ＳＷのオン、オフのデューティ比を制御する。

図１のシステムでは、ＬＥＤを駆動するために、商用交流電圧を一旦降圧し、その後昇圧するため、２段階の電圧変換が必要となり、効率悪化の要因となっていた。

ディスプレイ装置をはじめとする電子機器では、電源の１次側の領域（ホット領域）２１４と２次側の領域（コールド領域）２１６とが電気的に絶縁されている必要がある。図１のシステムでは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータのトランスの１次コイルと２次コイルを境界として、ホット領域ＨＯＴとコールド領域ＣＯＬＤが分離されている。

１回の電圧変換で３８０Ｖを４０〜５０Ｖに変換するためには、ＬＥＤストリング２１０の電気的状態を示す検出信号を、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２０６のコントローラ２０７にフィードバックする必要がある。しかしながらこの場合、フィードバックラインがホット領域ＨＯＴとコールド領域ＣＯＬＤを跨ぐため、電気的絶縁の条件に違反することになる。フィードバックラインにフォトカプラなどを設ければ、電気的に絶縁しつつ検出信号をコントローラ２０７にフィードバックできる。しかしながら、フォトカプラを用いると、フィードバックの精度が悪化するという問題が生ずる。

１．本発明は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ＬＥＤを高効率で駆動するための駆動回路の提供にある。

また本発明者は、ＬＥＤ駆動回路について検討し、以下の課題を認識するに至った。
図５は、一般的なＬＥＤ駆動回路３００の構成例を示す回路図である。ＬＥＤ駆動回路３００は、電源回路３０２、電流ドライバ３０４、パルス変調調光回路３０６、ＬＥＤ端子３０８、保護回路３１０を備える。ＬＥＤ端子３０８には、駆動対象の複数のＬＥＤを含むＬＥＤストリングのカソード端子が接続される。電源回路３０２は、ＬＥＤストリング１０のアノードに駆動電圧Ｖｄｒｖを供給する。

ＬＥＤ端子３０８には、電流ドライバ３０４が接続される。電流ドライバ３０４は、ＬＥＤストリング１０の輝度に応じた駆動電流Ｉｄｒｖを発生し、ＬＥＤストリング１０に供給する。

ＬＥＤ駆動回路３００が正常に動作する場合、ＬＥＤ端子３０８の電位は、所定の電圧付近に安定的に保たれる。ところが、ＬＥＤストリング１０が故障してオープン状態となったり、ＬＥＤの駆動経路上の端子が地絡あるいは天絡すると（以下、これらの状態を異常状態と称する）、ＬＥＤ端子３０８の電位（検出電圧Ｖｓとも称する）が正常時とは異なった値となる。保護回路３１０は、ＬＥＤ端子３０８の検出電圧Ｖｓを監視することにより、回路の異常状態を検出し、異常が発生すると所定の保護処理を行う。

ＬＥＤの輝度を制御する（調光）目的で、ＬＥＤストリング１０に流れる駆動電流Ｉｄｒｖを、輝度に応じたデューティ比でオン、オフ（スイッチング）させる場合がある。これをＰＷＭ駆動とも称する。ＰＷＭ調光回路３０６は、電流ドライバ３０４に作用し、ＰＷＭ信号ＳＰＷＭに応じて駆動電流Ｉｄｒｖをスイッチングさせる。

ＰＷＭ駆動を行う場合、駆動電流Ｉｄｒｖがオフされる期間、ＬＥＤ端子３０８の電位が異常状態と同様に、所定の範囲から外れるため、正常状態と異常状態の区別がつかなくなり、適切な回路保護が妨げられる。

２．本発明は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ＬＥＤをＰＷＭ駆動する際に、異常検出を確実に行う技術の提供にある。

１．本発明のある態様は、発光ダイオードの駆動回路に関する。この駆動回路は、駆動対象の発光ダイオードの電気的状態を示す検出電圧が所定の基準電圧と一致するように、そのデューティ比が調節される第１パルス信号を生成するパルス変調器と、１次コイルと２次コイルを含み、その１次コイルに第１パルス信号が印加されたパルストランスと、パルストランスの２次コイルに発生する信号に応じてオン、オフが制御されるスイッチング素子を含み、入力電圧を安定化して発光ダイオードの第１端子に供給するスイッチング電源と、を備える。

この態様によると、ホット領域とコールド領域を分離しつつ、単一のＤＣ／ＤＣコンバータでＬＥＤを駆動することができる。

ある態様において駆動回路は、発光ダイオードの第２端子に接続された定電流回路をさらに備えてもよい。パルス変調器は、第２端子の電位が基準電圧と一致するように、第１パルス信号のデューティ比を調節してもよい。

発光ダイオードは、液晶ディスプレイのバックライトであってもよい。駆動回路は、液晶ディスプレイに表示すべき画像データと同期した垂直同期信号を受け、垂直同期信号を逓倍し、クロック信号を発生するＰＬＬ回路と、クロック信号をカウントすることにより、パルス変調されたパルス変調信号を発生するデューティ比設定部と、をさらに備えてもよい。定電流回路は、パルス変調信号にもとづいて、発光ダイオードに流れる駆動電流をスイッチングさせてもよい。
この場合、画像データと同期して、ＬＥＤをＰＷＭ駆動できる。したがってたとえば垂直同期信号の周波数が変化した場合に、ソフトウェアあるいはハードウェアによる追加的な処理を行わなくても自動的にＰＷＭの周波数が変化させることができる。

駆動回路は、交流電圧を平滑化する平滑化回路と、平滑化回路により平滑化された電圧を受け、スイッチング電源の入力電圧を生成する力率改善回路と、をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様は、発光装置である。この装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードを駆動する上述のいずれかの態様の駆動回路と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、ディスプレイ装置である。このディスプレイ装置は、液晶パネルと、液晶パネルの背面にバックライトとして配置される上述の発光装置と、を備える。

２．本発明の別の態様は、発光ダイオードの駆動回路に関する。駆動回路は、駆動対象の発光ダイオードの電流経路上のカソード側に設けられ、駆動電流を生成する電流ドライバと、パルス変調された駆動パルスを生成し、当該駆動パルスにもとづき駆動電流をオン、オフさせるパルス変調調光回路と、発光ダイオードのカソード端子の電位を監視し、異常状態が検出されたときアサートされる異常検出信号を生成する異常検出回路と、駆動パルスがオンを示し、かつ異常検出信号がアサートされたことを契機として時間測定を開始し、異常検出信号がネゲートされる前に所定の時間が経過するとアサートされる保護信号を生成するタイマー回路と、を備える。駆動回路は、保護信号がアサートされると、所定の保護処理を実行する。

この態様によると、発光ダイオードへの駆動電流がオンであり、かつ異常検出されたことを条件として回路保護のための時間測定を行うため、駆動電流のオフ状態と異常状態を区別することができる。また、時間測定開始後に、異常検出信号がアサートされた状態で、ＰＷＭ駆動のオフ状態となっても、異常状態が継続しているものとして時間測定を続けるため、駆動パルスのデューティ比に依存せずに、確実に異常を検出できる。

タイマー回路は、一端の電位が固定されたキャパシタと、キャパシタを充電する充電回路と、キャパシタを放電する放電回路と、駆動パルスがオンを示しかつ異常検出信号がアサートされるとセットされ、異常検出信号がネゲートされるとリセットされ、セット状態において充電回路をアクティブ、放電回路を非アクティブとし、リセット状態において充電回路を非アクティブ、放電回路をアクティブとするフリップフロップと、キャパシタの他端の電位を、所定のしきい値電圧と比較し、比較結果に応じたレベルを有する保護信号を生成するコンパレータと、を含んでもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ＬＥＤを高効率で駆動できる。また本発明の別の態様によれば、ＬＥＤをＰＷＭ駆動する際に、異常を確実に検出できる。

一般的なディスプレイ装置の構成を示すブロック図である。第１の実施の形態に係るディスプレイ装置の構成を示す回路図である。図２のＬＥＤ駆動回路の構成の一部を示す回路図である。図３の回路によるＰＷＭ駆動の一例を示すタイムチャートである。一般的なＬＥＤ駆動回路の構成例を示す回路図である。第２の実施の形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示す回路図である。図７（ａ）、（ｂ）は、図６のＬＥＤ駆動回路の動作の一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るディスプレイ装置２の構成を示す回路図である。ディスプレイ装置２は、液晶パネル４、液晶ドライバ６、バックライト８を備える。

液晶パネル４は、マトリクス状に配置された複数の画素を備える。各画素は、複数のデータ線と、複数の走査線の交点に配置されている。液晶ドライバ６は、液晶パネル４に表示すべき画像データを受ける。液晶ドライバ６は、複数のデータ線に輝度に応じた駆動電圧を印加するデータドライバと、複数の走査線を順に選択するゲートドライバを含む。

液晶パネル４の背面にはバックライト８が配置される。バックライト８は、複数のＬＥＤストリング１０と、複数のＬＥＤストリング１０を駆動するための駆動回路１００と、を備える。ＬＥＤストリング１０は、直列に接続された複数のＬＥＤを含む。

駆動回路１００は、ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０、パルストランス３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、フィルタ６４、ＰＦＣ回路６６を備える。

ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、パルス変調器２０、バッファ２６、複数の定電流回路７０、ＰＬＬ回路７２、調光回路７４を含み、ひとつの半導体基板上に一体集積化されている。

定電流回路７０は、ＬＥＤストリング１０ごとに設けられる。具体的には、各定電流回路７０は、対応するＬＥＤストリング１０のカソード端子と接地端子の間に設けられる。調光回路７４は、定電流回路７０が生成する電流を制御することにより、ＬＥＤストリング１０の輝度を調節する。さらに調光回路７４は、定電流回路７０をスイッチング動作させることにより、ＬＥＤストリング１０をＰＷＭ駆動する。ＰＷＭ駆動については後述する。

パルス変調器２０は、ＬＥＤストリング１０の電気的状態を示す検出電圧Ｖｓにもとづき、第１パルス信号Ｓ１を生成する。パルス変調器２０は、第１パルス信号Ｓ１のデューティ比を、検出電圧Ｖｓが所定の基準電圧Ｖｒｅｆと一致するように調節する。ＬＥＤストリング１０の電気的状態としては、ＬＥＤストリング１０のカソード端子の電圧、もしくはアノード端子の電圧が例示される。図２において、電気的状態はカソード端子の電圧、言い換えれば定電流回路７０の両端間の電圧である。

パルス変調器２０は誤差増幅器２２およびパルス幅変調器２４を含む。誤差増幅器２２は複数の反転入力端子（−）と単一の非反転入力端子（＋）を有する。複数の反転入力端子（−）にはそれぞれ、複数のＬＥＤストリング１０のうち、対応するひとつの電気的状態を示す検出電圧Ｖｓが入力される。誤差増幅器２２の非反転入力端子（＋）には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。誤差増幅器２２は、最も電圧値の低い検出電圧Ｖｓと、基準電圧Ｖｒｅｆの誤差を増幅し、誤差電圧Ｖｅｒｒを生成する。パルス幅変調器２４は誤差電圧Ｖｅｒｒに応じてデューティ比が変化する第１パルス信号Ｓ１を生成する。たとえばパルス幅変調器２４は、三角波もしくはのこぎり波状の周期電圧を発生するオシレータと、周期電圧を誤差電圧Ｖｅｒｒを用いてスライスするコンパレータと、を含む。なおパルス変調器２０の構成は図２のそれに限定されるものではなく、公知のさまざまな技術を利用できる。

パルストランス３０は１次コイル３２および２次コイル３４を含む。１次コイル３２の一端は接地され、その他端には、バッファ２６を介して第１パルス信号Ｓ１が印加されている。２次コイル３４には、第１パルス信号Ｓ１に応じた第２パルス信号Ｓ２が発生する。

商用交流電源６０は、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの商用交流電圧Ｖａｃを発生する。平滑化回路６２はたとえばダイオードブリッジであり、交流電圧Ｖａｃを整流する。平滑化された電圧は、ＰＦＣ回路６６を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０へと入力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、いわゆるスイッチング電源であり、スイッチング素子４２、トランス４４、整流ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ１を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０のトポロジーは一般的なものである。トランス４４の１次コイル４６の一端には、ＰＦＣ回路６６から出力される３８０Ｖ程度の直流電圧（以下、入力電圧Ｖｄｃともいう）が印加される。トランス４４の１次コイル４６の他端側には、スイッチング素子４２が設けられる。２次コイル４８の一端は接地され、その他端は整流ダイオードＤ１のアノードと接続される。出力キャパシタＣ１は、整流ダイオードＤ１のカソードと接地端子間に設けられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング素子４２のスイッチングのデューティ比（オン、オフの時間比率）に応じて調節される。出力電圧Ｖｏｕｔは、ＬＥＤストリング１０のアノードに印加される。

スイッチング素子４２のゲートソース間には、パルストランス３０の２次コイル３４が接続される。したがってスイッチング素子４２のオン、オフは、パルストランス３０の２次コイル３４に発生する第２パルス信号Ｓ２に応じて制御される。つまりスイッチング素子４２は、第１パルス信号Ｓ１に応じてスイッチングする。

以上がディスプレイ装置２の構成である。続いてバックライト８の動作を説明する。ユーザがディスプレイ装置２の電源を投入すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０には直流電圧Ｖｄｃが供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、第２パルス信号Ｓ２に従ってスイッチング動作を行う。ＬＥＤストリング１０には、定電流回路７０により生成される駆動電流Ｉｄが流れ、その結果、ＬＥＤストリング１０には電圧降下ＶＬＥＤが生ずる。

第１パルス信号Ｓ１のデューティ比は、ＬＥＤストリング１０のカソードが基準電圧Ｖｒｅｆと一致するように調節される。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝ＶＬＥＤ＋Ｖｒｅｆ
が成り立つように安定化される。

以上がバックライト８の動作である。

図２のバックライト８によれば、ＬＥＤストリング１０のカソードの電圧、言い換えれば定電流回路７０の両端間の電圧を、基準電圧Ｖｒｅｆと一致させることができる。定電流回路７０の両端間の電圧が低すぎると、所望の駆動電流Ｉｄを生成できず、ＬＥＤストリング１０の輝度が不安定になるおそれがあるところ、この実施の形態では、定電流回路７０の両端間電圧が保証されるため、確実に駆動電流Ｉｄを生成できる。

なお、ＬＥＤストリング１０の電気的状態として、カソード電圧に代えてアノード電圧をフィードバックしてもよい。この場合、カソード電圧を監視した場合に比べて効率の観点ではわずかに劣るものの、図２の構成と同様にＬＥＤを高効率で駆動できる。

図１に示す回路が、２個のＤＣ／ＤＣコンバータによって駆動電圧Ｖｏｕｔを生成しているのに対して、図２のバックライト８ではＤＣ／ＤＣコンバータ４０が１つである。したがって、電力効率を飛躍的に改善することができる。

さらにホット領域ＨＯＴおよびコールド領域ＣＯＬＤが、トランス４４およびパルストランス３０によって分離されているため、電気製品に要求される絶縁仕様を満たしている。ＬＥＤストリング１０の電気的状態を示す検出信号Ｖｓは、コールド領域ＣＯＬＤにおいて第１パルス信号Ｓ１に変換された後に、ホット領域ＨＯＴに伝送される。ここで電気的状態の情報は、第１パルス信号Ｓ１のパルス幅に乗せられるため、フォトカプラなどのように振幅に情報を載せる場合に比べて、ノイズに対する耐性を高めることができ、ＬＥＤストリング１０の駆動をより確実なものとできる。

続いて、実施の形態に係るバックライト８のＰＷＭ駆動に関する特徴を説明する。
近年、バックライトとしてＬＥＤを用いる場合に、液晶パネルに表示される画像の濃淡に応じて、バックライトの輝度を局所的に変化（エリアコントロールあるいはローカルディミングと称される）することによりコントラスト比を高める技術が導入されている。ローカルディミングは、複数のＬＥＤストリング１０の輝度を独立に制御することにより行われる。

ＬＥＤストリング１０の調光をＰＷＭ駆動により実施する場合、以下の問題が生ずるおそれがある。
液晶パネルには、外部からの画像データおよびそれに付随する同期信号にもとづいた画像が表示される。ところが、一般的なＬＥＤ駆動回路には、独自のオシレータが設けられ、画像データとは無関係な位相、周波数を有するクロック信号と同期してＰＷＭ駆動が行われる。そうすると、画像データとバックライトの調光が非同期となり、コントラスト比を高めるというメリットが得られなくなる。また画像データの周波数（解像度）が変更された場合に、それに応じてＰＷＭ駆動の周波数をソフトウェア的に変更する必要がある。

以下の特徴は、このような問題を解決する一助となる。

図３は、図２のＬＥＤ駆動回路１００の構成の一部を示す回路図である。ＰＬＬ回路７２は、周波数ｆｉｎの垂直同期信号ＶＳＹＮＣを受け、これをｎ逓倍してクロック信号ＣＫを生成する。ＰＬＬ回路７２はいわゆる位相比較器およびＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）および分周器を含む。

クロック信号ＣＫは、垂直同期信号ＶＳＹＮＣと同期しており、周波数もそれに応じて変化する。

調光回路７４は、複数の定電流回路７０それぞれに対して設けられるが、ここでは説明の簡潔化のため、ひとつのみを示す。調光回路７４は、ｎビットカウンタ７６とレジスタ７８を含む。レジスタ７８には、対応する定電流回路７０の輝度に応じたカウント値Ｃ１が格納される。このカウント値Ｃ１は、液晶パネル４に表示される画像データに応じて更新される。

ｎビットカウンタ７６は、クロック信号ＣＫをカウントし、レジスタ７８に格納されたカウント値Ｃ１に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号ＳＰＷＭを生成する。

図４は、図３の回路によるＰＷＭ駆動の一例を示すタイムチャートである。ｎビットカウンタ７６は、垂直同期信号ＶＳＹＮＣのポジティブエッジのタイミングでカウントを開始し、カウント数がレジスタ７８に格納されたカウント値Ｃ１に達するまでをオン期間Ｔｏｎとし、その後、次の垂直同期信号ＶＳＹＮＣのポジティブエッジまでをオフ期間Ｔｏｆｆとする。図４のタイムチャートは、一例としてｎ＝８、Ｃ１＝５の場合を示す。

図３の調光システムによれば、画像データと同期して、バックライトの輝度を調節することができる。また画像データの解像度が変更された場合でも、それに追従して自動的にＰＷＭ駆動の周波数を変化させることができる。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ駆動回路１００の構成を示す回路図である。図６にはＬＥＤ駆動回路１００とＬＥＤストリング１０を含む発光装置全体が示されている。この発光装置は、液晶パネルのバックライト、携帯電話のイルミネーションあるいは照明装置など、ＬＥＤを利用したさまざまな用途として利用可能である。第２の実施の形態に係る発明は、第１の実施の形態と組み合わせて、あるいはそれとは別個に利用可能である。

ＬＥＤ駆動回路１００は、電源回路４０およびＬＥＤ駆動ＩＣ１１０を備え、少なくともひとつのＬＥＤを含むＬＥＤストリング１０を駆動する。電源回路４０は、たとえばスイッチングレギュレータ、チャージポンプ回路、リニアレギュレータのいずれか、あるいはこれらの組み合わせを含み、ＬＥＤストリング１０の駆動に要する駆動電圧Ｖｄｒｖを生成して、ＬＥＤストリング１０のアノードに供給する。電源回路４０の構成は特に限定されるものではないが、ここではスイッチング電源であるものとする。図６の電源回路４０は、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ４０に対応する。

ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、主として以下の３つの機能を有する。
（１）電源回路４０をフィードバック制御して駆動電圧Ｖｄｒｖを調節する機能
（２）ＬＥＤストリング１０に流れる駆動電流Ｉｄｒｖを調整して輝度を制御する機能
（３）異常状態を検出し、回路を保護する機能

機能２に関して、ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、電圧制御部２０を備える。電圧制御部２０は、ＬＥＤストリング１０のカソードと接続されるＬＥＤ端子の電位（以下、検出電圧Ｖｓという）を受け、検出電圧Ｖｓが所定の基準電圧Ｖｒｅｆと一致するように、フィードバックによって電源回路４０を制御する。このフィードバック制御により、電源回路４０の出力電圧Ｖｄｒｖは、
Ｖｄｒｖ＝ＶＬＥＤ＋Ｖｒｅｆ
が成り立つように調節される。電圧制御部２０は、図２におけるパルス変調器２０に対応する。

電源回路４０がスイッチングレギュレータである場合、電圧制御部２０よって基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧Ｖｓの誤差に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号ＳＷＯＵＴが生成され、電源回路４０に供給される。電源回路４０の内部のスイッチング素子（不図示）がＰＷＭ信号ＳＷＯＵＴに応じてオン、オフを繰り返すことにより、駆動電圧Ｖｄｒｖが調節される。

機能２に関して、ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は電流ドライバ（図２の定電流回路）７０およびＰＷＭ調光回路７４（図２の調光回路７４）備える。電流ドライバ７０は、駆動対象のＬＥＤストリング１０の電流経路上のカソード側に設けられる。電流ドライバ７０は、輝度に応じた駆動電流Ｉｄｒｖを生成し、ＬＥＤストリング１０に流れる電流を制御する。駆動電流Ｉｄｒｖの大きさに応じたＬＥＤストリング１０の輝度の調整を、電流調光（アナログ調光）と称する。

ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、電流調光に加えて、いわゆるＰＷＭ調光を行う。具体的には、輝度に応じたデューティ比にて駆動電流を時分割的にスイッチングさせ、駆動電流Ｉｄｒｖの時間平均を調節し、輝度を変化させる。

ＰＷＭ調光回路７４は、輝度に応じたデューティ比を有するようにパルス変調された駆動パルスＳＰＷＭを生成する。ＰＷＭ調光回路７４は、駆動パルスＳＰＷＭにもとづき電流ドライバ７０に作用して駆動電流Ｉｄｒｖをオン、オフさせる。図６において、駆動パルスＳＰＷＭのハイレベル期間がＬＥＤストリング１０の発光期間（オン期間Ｔｏｎ）に割り当てられ、ローレベル期間が非発光期間（Ｔｏｆｆ）に割り当てられる。

ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、電流調光およびＰＷＭ調光を併用して、ＬＥＤストリング１０の輝度を最適化することができる。

続いて、第３の機能である回路保護について説明する。保護機能に関して、ＬＥＤ駆動ＩＣ１１０は、異常検出回路ＣＭＰ１、タイマーラッチ回路８０、保護回路５０を備える。
異常検出回路ＣＭＰ１はＬＥＤストリング１０のカソード端子（ＬＥＤ端子）の電位、つまり検出電圧Ｖｓを監視して異常検出信号Ｓ１を生成する。異常検出回路ＣＭＰ１は、検出電圧Ｖｓが所定の範囲から逸脱すると異常状態と判定し、異常検出信号Ｓ１をアサートする。検出電圧Ｖｓが所定の範囲に含まれるとき、異常検出信号Ｓ１はネゲートされている。

異常検出回路ＣＭＰ１は、たとえば検出電圧Ｖｓを所定の第１しきい値電圧ＶＴＨ１と比較するコンパレータであってもよい。異常検出回路ＣＭＰ１が、ＬＥＤストリング１０を含む経路のオープン状態を検出する場合、第１しきい値電圧ＶＴＨ１は、基準電圧Ｖｒｅｆより低く、接地電圧０Ｖに近い値に設定することが望ましい。この場合、異常検出回路ＣＭＰ１は、
Ｖｓ＜ＶＴＨ１
となると、異常状態と判定して異常検出信号Ｓ１をアサート（ハイレベル）する。

タイマーラッチ回路８０は、駆動パルスＳＰＷＭがオンを示し、かつ異常検出信号Ｓ１がアサートされたことを契機として時間測定を開始する。開始後、異常検出信号Ｓ１がネゲートされる前に所定の時間Ｔ１が経過すると、タイマーラッチ回路８０は保護信号Ｓ２をアサートする。

この機能を実現するために、たとえばタイマーラッチ回路８０、ＡＮＤゲート８２、ＳＲフリップフロップ８４、充電回路８６、放電回路８７、第１キャパシタＣ１０、タイマー用コンパレータＣＭＰ２、ラッチ８８を含む。

第１キャパシタＣ１０は、その第１端子が接地されて電位が固定されている。充電回路８６は、アクティブ、非アクティブが切りかえ可能に構成され、アクティブ状態において第１キャパシタＣ１０に定電流Ｉｃを供給して充電する。たとえば充電回路８６は、定電流Ｉｃを生成する定電流源ＣＣＳ１と、その経路上に設けられた充電用スイッチＳＷ１を含む。充電用スイッチＳＷ１がオンのとき充電回路８６はアクティブとなる。

放電回路８７はアクティブ状態において第１キャパシタＣ１０から電流を引き抜き放電する。放電回路８７はたとえば、第１キャパシタＣ１０の第２端子と接地端子の間に設けられる放電用スイッチＳＷ２を含む。放電用スイッチ（ＳＷ２）がオンすると放電回路８７はアクティブとなり、第１キャパシタＣ１０の第２端子の電位（キャパシタ電圧Ｖｃ）が接地電位（０Ｖ）に初期化される。

ＡＮＤゲート８２は、駆動パルスＳＰＷＭと異常検出信号Ｓ１の論理積を生成し、ＳＲフリップフロップ８４のセット端子（Ｓ）に出力する。ＳＲフリップフロップ８４のリセット端子（反転論理）には、異常検出信号Ｓ１が入力される。

つまり、ＳＲフリップフロップ８４は、駆動パルスＳＰＷＭがオンを示し、かつ異常検出信号Ｓ１がアサートされるとセットされる。またＳＲフリップフロップ８４は、異常検出信号Ｓ１がネゲートされるとリセットされる。

ＳＲフリップフロップ８４は、セット状態において充電回路８６をアクティブ、放電回路８７を非アクティブとする。ＳＲフリップフロップ８４がセット状態のとき、第１キャパシタＣ１０が定電流Ｉｃで充電されるため、第１キャパシタＣ１０の第２端子の電位（キャパシタ電圧）Ｖｃが時間と共に上昇していく。

ＳＲフリップフロップ８４は、リセット状態において充電回路８６を非アクティブ、放電回路８７をアクティブとする。放電回路８７がアクティブとなると、キャパシタ電圧Ｖｃが初期化される。

タイマー用コンパレータＣＭＰ２は、キャパシタ電圧Ｖｃを所定の第２しきい値電圧ＶＴＨ２と比較し、比較結果に応じたレベルを有する保護信号Ｓ２を生成する。保護信号Ｓ２は、Ｖｃ＞ＶＴＨ２のときハイレベル（アサート）となる。キャパシタ電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝ｔ×Ｉｃ／Ｃ１０
で与えられる。ここでｔは充電開始からの経過時間、Ｃ１０は第１キャパシタＣ１０の容量値を示す。
したがって保護信号Ｓ２は、充電開始から以下の式で表される所定時間Ｔ１が経過するとアサートされる。
Ｔ１＝ＶＴＨ２×Ｃ１０／Ｉｃ

ラッチ８８は、保護信号Ｓ２をラッチする。保護回路５０は、ラッチされた保護信号Ｓ２’を受ける。保護信号Ｓ２’がアサートされると、つまり異常状態が所定の時間Ｔ１だけ持続すると、保護回路５０は所定の保護処理を実行する。保護処理とは、たとえば電源回路４０や電流ドライバ７０などのシャットダウンであるが、特に限定されない。

以上が図６のＬＥＤ駆動回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、図６のＬＥＤ駆動回路１００の動作の一例を示すタイムチャートである。上から順に、駆動パルスＳＰＷＭ、異常検出信号Ｓ１、キャパシタ電圧Ｖｃ、保護信号Ｓ２が示される。

図７（ａ）は、回路保護が実行される場合のシーケンスを示す。ある時刻ｔ０に駆動信号ＳＰＷＭがハイレベルとなり、ＬＥＤストリング１０がオン状態となる。この状態で、ＬＥＤストリング１０の経路にオープン状態が発生すると、ＬＥＤ端子の電位Ｖｓが接地電圧（０Ｖ）付近まで低下し、異常検出信号Ｓ１がアサートされる（ハイレベル）。異常検出信号Ｓ１がアサートされると、ＳＲフリップフロップ８４がセットされ、充電回路８６による第１キャパシタＣ１０の充電が開始する。

時刻ｔ２において駆動パルスＳＰＷＭがローレベルに遷移するが、このことはＳＲフリップフロップ８４の状態に影響を及ぼさない。つまり充電回路８６による充電が継続する。

時刻ｔ３にキャパシタ電圧Ｖｃが第２しきい値電圧ＶＴＨ２に達する。このことは、異常状態が所定期間ｔ１以上持続したことを示す。時刻ｔ３に保護信号Ｓ２（Ｓ２’）がアサートされ、保護処理が実行される。

その後、時刻ｔ４に異常状態が解消して異常検出信号Ｓ１がネゲートされると、ＳＲフリップフロップ８４がリセットされ、放電回路８７によってキャパシタ電圧Ｖｃが初期化される。

図７（ｂ）は、回路保護が実行されない場合のシーケンスを示す。時刻ｔ３までは図７（ａ）と同様である。図７（ｂ）では、充電開始から所定時間Ｔ１経過前の時刻ｔ４’に、異常検出信号Ｓ１がネゲートされる。したがってキャパシタ電圧Ｖｃが第２しきい値電圧ＶＴＨ２に達しないため、保護信号Ｓ２（Ｓ２’）はアサートされず、保護処理は実行されない。

このように、実施の形態に係るＬＥＤ駆動回路１００よれば、ＬＥＤストリング１０のオン期間Ｔｏｎにおいて異常状態が発生し、その後、所定時間Ｔ１以上、異常状態が継続した場合に保護処理を行うことができる。異常状態の継続中において、駆動パルスＳＰＷＭがオフ状態となっても、異常状態の検出を解除しないため、駆動パルスＳＰＷＭのパルス幅が変化しても、それに影響を受けることなく回路を保護できる。

比較技術として、ＳＲフリップフロップ８４を省略して、ＡＮＤゲート８２の出力信号により直接的に、充電回路８６と放電回路８７のアクティブ、非アクティブを切りかえる場合について考察する。すなわち、ＬＥＤストリング１０がオン状態（発光状態）でありかつ異常検出信号Ｓ１がアサートされる期間において、充電回路８６がアクティブとなる。

この比較技術では、異常検出信号Ｓ１がアサートされた後に、直ちに駆動パルスＳＰＷＭがローレベルとなると、異常状態が継続しているにもかかわらず、充電回路８６が非アクティブとなり、時間測定が停止してしまう。つまり、異常状態が所定時間Ｔ１以上、継続した場合であっても保護信号Ｓ２がアサートされず、保護処理も行われない状況が生じうる。

これに対して、実施の形態に係るＬＥＤ駆動回路１００によれば、駆動パルスＳＰＷＭのパルス幅（オン期間Ｔｏｎの長さ）によらずに、回路保護をかけることができる。

実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。

２…ディスプレイ装置、４…液晶パネル、６…液晶ドライバ、８…バックライト、１０…ＬＥＤストリング、２０…パルス変調器（電圧制御部）、２２…誤差増幅器、２４…パルス幅変調器、２６…バッファ、３０…パルストランス、３２…１次コイル、３４…２次コイル、４０…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路）、４２…スイッチング素子、４４…トランス、４６…１次コイル、４８…２次コイル、Ｄ１…整流ダイオード、Ｃ１…出力キャパシタ、６０…商用交流電源、６２…平滑化回路、６４…フィルタ、６６…ＰＦＣ回路、７０…定電流回路、７２…ＰＬＬ回路、７４…調光回路、１００…ＬＥＤ駆動回路、１１０…ＬＥＤ駆動ＩＣ、Ｓ１…第１パルス信号、Ｓ２…第２パルス信号、７６…ｎビットカウンタ、７８…レジスタ、８０…タイマーラッチ回路、８２…ＡＮＤゲート、８４…ＳＲフリップフロップ、８６…充電回路、ＣＣＳ１…定電流源、ＳＷ１…充電用スイッチ、８７…放電回路、８８…ラッチ、ＣＭＰ２…タイマー用コンパレータ、４０…電源回路、５０…保護回路、ＣＭＰ１…異常検出回路、Ｓ１…異常検出信号、Ｓ２…保護信号、Ｃ１０…第１キャパシタ。

Claims

駆動対象の発光ダイオードの電気的状態を示す検出電圧が所定の基準電圧と一致するように、そのデューティ比が調節される第１パルス信号を生成するパルス変調器と、
１次コイルと２次コイルを含み、その１次コイルに前記第１パルス信号が印加されたパルストランスと、
前記パルストランスの２次コイルに発生する信号に応じてオン、オフが制御されるスイッチング素子を含み、入力電圧を安定化して前記発光ダイオードの第１端子に供給するスイッチング電源と、
前記発光ダイオードの第２端子に接続された定電流回路と、
パルス変調された駆動パルスを生成し、当該駆動パルスにもとづき前記定電流回路が生成する駆動電流をオン、オフさせるパルス変調調光回路と、
前記発光ダイオードの第２端子の電位を監視し、異常状態が検出されたときアサートされる異常検出信号を生成する異常検出回路と、
前記駆動パルスがオンを示し、かつ前記異常検出信号がアサートされたことを契機として時間測定を開始し、前記異常検出信号がネゲートされる前に所定の時間が経過するとアサートされる保護信号を生成するタイマー回路と、
を備え、
前記パルス変調器は、前記第２端子の電位が前記基準電圧と一致するように、前記第１パルス信号のデューティ比を調節するものであり、
前記タイマー回路は、時間測定開始後に、前記異常検出信号がアサートされた状態で、前記駆動パルスがオフを示す状態となっても、異常状態が継続しているものとして時間測定を続けるものであり、
前記保護信号がアサートされると、所定の保護処理を実行することを特徴とする発光ダイオードの駆動回路。
前記発光ダイオードは、液晶ディスプレイのバックライトであり、
本駆動回路は、
前記液晶ディスプレイに表示すべき画像データと同期した垂直同期信号を受け、前記垂直同期信号を逓倍し、クロック信号を発生するＰＬＬ回路と、
前記クロック信号をカウントすることにより、パルス変調されたパルス変調信号を発生するデューティ比設定部と、
をさらに備え、
前記定電流回路は、前記パルス変調信号にもとづいて、前記発光ダイオードに流れる駆動電流をスイッチングさせることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
交流電圧を平滑化する平滑化回路と、
前記平滑化回路により平滑化された電圧を受け、前記スイッチング電源の入力電圧を生成する力率改善回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
前記タイマー回路は、
一端の電位が固定されたキャパシタと、
前記キャパシタを充電する充電回路と、
前記キャパシタを放電する放電回路と、
前記駆動パルスがオンを示しかつ前記異常検出信号がアサートされるとセットされ、前記異常検出信号がネゲートされるとリセットされ、セット状態において前記充電回路をアクティブ、前記放電回路を非アクティブとし、リセット状態において前記充電回路を非アクティブ、前記放電回路をアクティブとするフリップフロップと、
前記キャパシタの他端の電位を、所定のしきい値電圧と比較し、比較結果に応じたレベルを有する前記保護信号を生成するコンパレータと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードを駆動する請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とする発光装置。
液晶パネルと、
前記液晶パネルの背面にバックライトとして配置される請求項５に記載の発光装置と、
を備えることを特徴とするディスプレイ装置。
駆動対象の発光ダイオードの電流経路上のカソード側に設けられ、駆動電流を生成する電流ドライバと、
パルス変調された駆動パルスを生成し、当該駆動パルスにもとづき前記駆動電流をオン、オフさせるパルス変調調光回路と、
前記発光ダイオードのカソード端子の電位を監視し、異常状態が検出されたときアサートされる異常検出信号を生成する異常検出回路と、
前記駆動パルスがオンを示し、かつ前記異常検出信号がアサートされたことを契機として時間測定を開始し、前記異常検出信号がネゲートされる前に所定の時間が経過するとアサートされる保護信号を生成するタイマー回路と、
を備え、
前記タイマー回路は、時間測定開始後に、前記異常検出信号がアサートされた状態で、前記駆動パルスがオフを示す状態となっても、異常状態が継続しているものとして時間測定を続けるものであり、
前記保護信号がアサートされると、所定の保護処理を実行することを特徴とする発光ダイオードの駆動回路。
前記タイマー回路は、
一端の電位が固定されたキャパシタと、
前記キャパシタを充電する充電回路と、
前記キャパシタを放電する放電回路と、
前記駆動パルスがオンを示しかつ前記異常検出信号がアサートされるとセットされ、前記異常検出信号がネゲートされるとリセットされ、セット状態において前記充電回路をアクティブ、前記放電回路を非アクティブとし、リセット状態において前記充電回路を非アクティブ、前記放電回路をアクティブとするフリップフロップと、
前記キャパシタの他端の電位を、所定のしきい値電圧と比較し、比較結果に応じたレベルを有する前記保護信号を生成するコンパレータと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の駆動回路。
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードを駆動する請求項７または８に記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とする発光装置。
駆動電流を生成し、駆動対象の発光ダイオードに供給するステップと、
パルス変調された駆動パルスを生成し、当該駆動パルスにもとづき前記駆動電流をオン、オフさせるステップと、
前記発光ダイオードのカソード端子の電位を監視し、異常状態が検出されたときアサートされる異常検出信号を生成するステップと、
前記駆動パルスがオンを示し、かつ前記異常検出信号がアサートされたことを契機として時間測定を開始し、前記異常検出信号がネゲートされる前に所定の時間が経過するとアサートされる保護信号を生成するステップであって、時間測定開始後に、前記異常検出信号がアサートされた状態で、前記駆動パルスがオフを示す状態となっても、異常状態が継続しているものとして時間測定を続けるステップと、
前記保護信号がアサートされると、所定の保護処理を実行するステップと、
を備えることを特徴とする保護方法。