JP7298514B2

JP7298514B2 - 発光素子用駆動装置

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Publication number: JP7298514B2
Application number: JP2020036305A
Authority: JP
Inventors: 哲夫田部
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: JP2021140904A

Description

本発明は、発光素子用駆動装置に関する。

従来、カソード端子が共通ラインに接続されたカソードコモンの発光素子を駆動する駆動装置が知られている（例えば、特許文献１の図２）。この駆動装置は、発光素子に並列接続された負荷スイッチを備えている。この駆動装置において、負荷スイッチがオフされると、発光素子が発光され、負荷スイッチがオンされると、発光素子が発光停止される。従って、負荷スイッチのオン／オフにより発光素子の発光を制御することができる。

特開２０１１－２１０９６１号公報

しかしながら、上記の駆動装置では、発光素子の発光制御を行ううえで、発光素子に並列接続された負荷スイッチをオン／オフすることが必要であるので、発光素子の発光の応答速度が遅くなってしまう。また、この駆動装置では、発光素子が発光停止される時でも負荷スイッチがオンされるので、発光素子の発光停止時でも回路に電流が流れ、電力消費が多くなってしまう。

また、アノードコモンの発光素子に対しては、一般的に使われている吸い込み電流式のドライバ集積回路を用いて発光制御を行うことが可能である。一方、上記したカソードコモンの発光素子に対しては、この吸い込み電流式のドライバ集積回路をそのまま用いて発光制御を行うことはできず、このカソードコモンの発光素子の発光制御を行ううえでは吐き出し電流式の回路を用いることが考えられる。しかし、吐き出し電流式の回路としてのドライバ集積回路は一般的でなく、その回路を構成しようとすると、個別の部品が必要となり、回路構成が複雑化してしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、カソードコモンの発光素子の発光制御を簡易な構成で実現することが可能な発光素子用駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る発光素子用駆動装置は、カソード端子が共通ラインに接続された発光素子を駆動させる駆動装置であって、電源側から定電流を吸い込み可能であると共に、前記定電流の吸い込み時間の幅を変更可能な吸い込み電流式ドライバ集積回路と、前記吸い込み電流式ドライバ集積回路に吸い込まれる前記定電流を吐き出し定電流に変換して前記発光素子へ出力する電流変換回路と、を備える。

この構成によれば、電源側から吸い込み電流式ドライバ集積回路に定電流が吸い込まれると共に、その吸い込み電流式ドライバ集積回路に吸い込まれる定電流が電流変換回路で吐き出し定電流に変換されてカソードコモンの発光素子へ出力される。このため、カソードコモンの発光素子を、吸い込み電流式ドライバ集積回路と電流変換回路とを用いて発光させることができる。すなわち、カソードコモンの発光素子の発光制御に吐き出し電流式のドライバ回路を用いることは不要である。従って、カソードコモンの発光素子の発光制御を簡易な構成で実現することができる。

本発明の一実施形態に係る発光素子用駆動装置の全体構成図である。実施形態の発光素子用駆動装置の一チャンネル分の構成図である。実施形態の発光素子用駆動装置により得られる吸い込み電流（入力電流）と吐き出し電流（出力電流）とのシミュレーション結果である。

以下、本発明に係る発光素子用駆動装置の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

本実施形態の発光素子用駆動装置１は、発光素子２を駆動させる装置である。発光素子２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やレーザダイオードなどの発光することが可能なダイオード素子である。発光素子２は、複数個用意されている。各発光素子２は、カソード端子が共通ラインに接続されるカソードコモンの素子である。

発光素子用駆動装置１は、図１及び図２に示す如く、吸い込み電流式ドライバ集積回路（以下、ドライバＩＣと称す。）１０を備えている。ドライバＩＣ１０は、第一電源２０のプラス端子に接続されている。第一電源２０は、唯一つ設けられている。第一電源２０は、電圧ＶＤＤ１を出力することが可能な外部電源である。ドライバＩＣ１０は、第一電源２０の出力する電圧ＶＤＤ１の印加により動作することが可能である。

ドライバＩＣ１０は、定電流Ｉ１を吸い込むことが可能であると共に、その定電流Ｉ１の吸い込み時間の幅を変更可能である。すなわち、ドライバＩＣ１０は、等価的に、定電流Ｉ１を流す定電流源１１と、定電流Ｉ１の吸い込み時間の幅（すなわち、デューティオン時間）を変えるトランジスタ１２と、トランジスタ１２のオン／オフを制御するＰＷＭコントローラ１３と、を有している。以下、定電流Ｉ１を吸い込み定電流Ｉ１と称す。ドライバＩＣ１０は、発光素子２ごとに、吸い込み定電流Ｉ１を吸い込むと共に、その吸い込み定電流Ｉ１のデューティオン時間を変更可能である。定電流源１１、トランジスタ１２、及びＰＷＭコントローラ１３はそれぞれ、発光素子２ごとに対応して設けられている。

各定電流源１１の入力端子は、ドライバＩＣ１０に設けられた対応の入力端子１４に接続されている。トランジスタ１２は、半導体スイッチング素子であるＮＰＮトランジスタである。トランジスタ１２のコレクタ端子は、対応の定電流源１１の出力端子に接続されている。トランジスタ１２のエミッタ端子は、ＧＮＤ端子に接続されている。トランジスタ１２のベース端子は、対応のＰＷＭコントローラ１３に接続されている。ＰＷＭコントローラ１３は、対応のトランジスタ１２をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動する。

発光素子用駆動装置１は、電流変換回路３０を備えている。電流変換回路３０は、ドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１を吐き出し定電流Ｉｏｕｔに変換して発光素子２へ出力する回路である。尚、電流変換回路３０は、ロジック回路を含まないアナログ回路により構成されている。電流変換回路３０は、入力端子３１を有している。入力端子３１は、第二電源４０のプラス端子に接続されている。第二電源４０は、唯一つ設けられている。第二電源４０は、電圧ＶＤＤ２を出力することが可能な外部電源である。

電流変換回路３０は、第一出力端子３２を有している。第一出力端子３２は、発光素子２ごとに対応して設けられている。各第一出力端子３２は、上記したドライバＩＣ１０の対応の入力端子１４に接続されている。電流変換回路３０は、ドライバＩＣ１０が発光素子２ごとに対応した吸い込み定電流Ｉ１を吸い込もうとする際すなわちドライバＩＣ１０の各トランジスタ１２がオンした際に、第二電源４０から入力される電力を対応の第一出力端子３２から出力してドライバＩＣ１０へ供給する。電流変換回路３０からドライバＩＣ１０へ供給された電力は、定電流源１１により吸い込み定電流Ｉ１となる。

電流変換回路３０は、第二出力端子３３を有している。第二出力端子３３は、発光素子２ごとに対応して設けられている。第二出力端子３３は、対応する発光素子２のカソード端子に接続されている。電流変換回路３０は、発光素子２ごとの第一出力端子３２からドライバＩＣ１０へ吸い込み定電流Ｉ１を出力する際に、第二出力端子３３から定電流Ｉｏｕｔを出力して発光素子２へ供給する。この定電流Ｉｏｕｔは、吸い込み定電流Ｉ１に応じた大きさである。以下、この定電流Ｉｏｕｔを吐き出し定電流Ｉｏｕｔと称す。

電流変換回路３０は、カレントミラー回路５０を有している。カレントミラー回路５０は、発光素子２ごとに対応して設けられている。カレントミラー回路５０は、ドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１をリファレンス電流Ｉｒｅｆにして吐き出し定電流Ｉｏｕｔを生成する回路である。カレントミラー回路５０は、オペアンプ５１と、トランジスタ５２と、第一抵抗５３と、第二抵抗５４と、第三抵抗５５と、を有している。電流変換回路３０は、ディスクリート部品で構成されることなく、集積回路化されている。

オペアンプ５１は、第二電源４０の電圧ＶＤＤ２をプラス電位としかつＧＮＤ端子の電圧をマイナス電位として動作することが可能である。オペアンプ５１は、非反転入力端子の入力と反転入力端子の入力との差を増幅して出力する回路である。オペアンプ５１は、負帰還回路を構成している。

オペアンプ５１の出力端子は、第三抵抗５５を介してトランジスタ５２のベース端子に接続されている。トランジスタ５２は、半導体スイッチング素子であるＰＮＰトランジスタである。トランジスタ５２のコレクタ端子は、オペアンプ５１の反転入力端子に接続されている。トランジスタ５２のエミッタ端子は、上記した第二出力端子３３に接続されている。第三抵抗５５は、トランジスタ５２のベースに流れるベース電流を制限するための抵抗器である。

オペアンプ５１の非反転入力端子は、第一抵抗５３の一端に接続されていると共に第一出力端子３２に接続されている。第一抵抗５３の他端は、入力端子３１を介して第二電源４０のプラス端子に接続されている。第一抵抗５３は、吸い込み定電流Ｉ１の発生時にリファレンス電流Ｉｒｅｆが流れることによりリファレンス電圧Ｖ_ＲＥＦを生成する抵抗器（抵抗値Ｒ１）である。

トランジスタ５２のコレクタ端子及びオペアンプ５１の反転入力端子は、第二抵抗５４の一端に接続されている。第二抵抗５４の他端は、入力端子３１を介して第二電源４０のプラス端子に接続されている。第二抵抗５４は、吐き出し定電流Ｉｏｕｔが流れることにより上記のリファレンス電圧Ｖ_ＲＥＦに一致する電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＥ}を生成する抵抗器（抵抗値Ｒ２）である。第二抵抗５４の抵抗値Ｒ２は、第一抵抗５３の抵抗値Ｒ１に比して小さい。

オペアンプ５１の正常動作を確保するうえでは、オペアンプ５１の非反転入力端子の入力電位及び反転入力端子の入力電位が共に同相入力電圧範囲にあることが必要である。オペアンプ５１の非反転入力端子の入力電位及び反転入力端子の入力電位は、第二電源４０のプラス電位に近い値である。このため、オペアンプ５１は、入力電位及び出力電位を第二電源４０のプラス電位とマイナス電位との範囲内すべてで扱えるレール・ツー・レール型のオペアンプであることが望ましい。

また、電流変換回路３０が、ＰＷＭコントローラ１３によるトランジスタ１２のＰＷＭ駆動のＰＷＭ幅（すなわち、デューティ比）を再現して、吸い込み定電流Ｉ１から吐き出し定電流Ｉｏｕｔへの変換を行うためには、オペアンプ５１がそのＰＷＭ駆動のＰＷＭ周波数に対応可能であることが必要である。

次に、発光素子用駆動装置１の動作について説明する。

発光素子用駆動装置１において、すべてのＰＷＭコントローラ１３によるトランジスタ１２のＰＷＭ駆動が停止されているときは、ドライバＩＣ１０が第二電源４０側から電流を吸い込むことができず、吸い込み定電流Ｉ１ひいては吐き出し定電流Ｉｏｕｔは生成されない。この場合は、すべての発光素子２の発光が停止されている。

一方、何れかのＰＷＭコントローラ１３がトランジスタ１２のＰＷＭ駆動を開始すると、そのトランジスタ１２のデューティオン時、第二電源４０側からドライバＩＣ１０へ電流が流通する。この電流は、ドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１である。ドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１は、電流変換回路３０のカレントミラー回路５０の第一抵抗５３を経由した電流である。このため、この吸い込み定電流Ｉ１がドライバＩＣ１０に吸い込まれる際、その第一抵抗５３の両端にリファレンス電圧Ｖ_ＲＥＦが発生する。

上記の如く、オペアンプ５１は、負帰還回路を構成している。このため、オペアンプ５１の非反転入力端子の入力電位とトランジスタ５２のコレクタ端子の電位とが同電位になるように、すなわち、第一抵抗５３の両端のリファレンス電圧Ｖ_ＲＥＦに第二抵抗５４の両端の電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＥ}が一致するように自動調整される（次式（１）参照）。
Ｖ_{ＳＥＮＳＥ}＝Ｖ_ＲＥＦ・・・（１）

第二抵抗５４の両端に電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＥ}が発生すると、その第二抵抗５４を流れる電流が生成される。この電流は、電流変換回路３０の第二出力端子３３から発光素子２へ吐き出される吐き出し定電流Ｉｏｕｔとなる。この吐き出し定電流Ｉｏｕｔは、次式（２）で定義される。
Ｉｏｕｔ＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｉ１・・・（２）

上記の如くＰＷＭコントローラ１３によるＰＷＭ駆動が実行されると、デューティオン時、電流変換回路３０からドライバＩＣ１０へ吸い込み定電流Ｉ１が出力されると共に、同時に電流変換回路３０から発光素子２へ吐き出し定電流Ｉｏｕｔが出力される。発光素子２に吐き出し定電流Ｉｏｕｔが流れると、その発光素子２が発光する。発光素子２に流れる電流が定電流であれば、その発光波長が一定に維持される。

また、図３に示す如く、吸い込み定電流Ｉ１はＰＷＭ駆動によりパルス状に出力されるので、吐き出し定電流Ｉｏｕｔはその吸い込み定電流Ｉ１の吸い込み時間の幅（すなわち、デューティオン時間；以下、パルス幅と称す。）と同じパルス幅で出力される。このため、発光素子２の光出力（具体的には、その平均値）は、ＰＷＭ駆動のパルス幅に応じたものとなるので、ＰＷＭ駆動のパルス幅の可変により調整されることが可能である。

上記したＰＷＭ駆動は、発光素子２ごとに個別に実行される。従って、複数個の発光素子２それぞれの発光を個別に制御することで、複数個の発光素子２からなる表示装置などの表示を制御することが可能である。

ところで、仮に第二抵抗５４の抵抗値Ｒ２が第一抵抗５３の抵抗値Ｒ１に一致するものとすると（すなわち、Ｒ２＝Ｒ１が成立するものとすると）、吐き出し定電流Ｉｏｕｔが吸い込み定電流Ｉ１に一致することとなる。しかし、吸い込み定電流Ｉ１は発光素子２の発光に寄与しないので、Ｉｏｕｔ＝Ｉ１が成立する場合は、発光素子２を発光させるために必要な消費電流（消費電力）が、発光素子２の発光に寄与する吐き出し定電流Ｉｏｕｔの２倍になってしまう。

これに対して、本実施形態においては、第二抵抗５４の抵抗値Ｒ２が第一抵抗５３の抵抗値Ｒ１に比して小さく設定されている。上記（１）式の如くＶ_{ＳＥＮＳＥ}＝Ｖ_ＲＥＦが成立するので、抵抗値Ｒ２が抵抗値Ｒ１に比して小さいほど、同じ吐き出し定電流Ｉｏｕｔを得るのに、吸い込み定電流Ｉ１が小さくてよい。吸い込み定電流Ｉ１が小さくなれば、発光素子２を同じ状態に発光させるのに必要な消費電流が小さくなる。

例えば、抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２との比が、Ｒ１：Ｒ２＝１０：１が成立するように設定されていると、Ｉｏｕｔ×Ｒ２＝Ｉ１×Ｒ１の成立により、Ｉｏｕｔ＝１０×Ｉ１が成立する。この場合には、発光素子２を発光させるために必要な消費電流（消費電力）が、発光素子２の発光に寄与する吐き出し定電流Ｉｏｕｔに対して１．１倍になる。特に図３に示す如く、ＰＷＭ駆動のＰＷＭ周波数が２００Ｈｚであり、デューティオン時間が３０％であるものとしたとき、抵抗値Ｒ１が５００Ωであり、抵抗値Ｒ２が５０Ωであり、吸い込み定電流Ｉ１が５ｍＡであると、吐き出し定電流Ｉｏｕｔが５０ｍＡになる。すなわち、吐き出し定電流Ｉｏｕｔとして５０ｍＡを得るうえでは、吸い込み定電流Ｉ１として５ｍＡを流すものとすればよい。

従って、第二抵抗５４の抵抗値Ｒ２を第一抵抗５３の抵抗値Ｒ１に比して小さくすることで、発光素子２を発光させるのに消費される電流を小さくすることができ、少ない電力消費で、吐き出し定電流Ｉｏｕｔとして所望の電流を流して発光素子２を発光させることができる。

このように、本実施形態の発光素子用駆動装置１によれば、第二電源４０側からドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１を、電流変換回路３０を用いてカソードコモンの発光素子２に吐き出す吐き出し定電流Ｉｏｕｔに変換することができる。従って、カソードコモンの発光素子２を、吸い込み電流式のドライバＩＣ１０と吸い込み電流を吐き出し電流に変換する電流変換回路３０とを用いて発光させることができる。

吸い込み電流式のドライバＩＣ１０は、発光素子の発光に一般的に使われる汎用品であり、アノードコモンの発光素子の発光に使われることが一般的である。この点、本実施形態では、カソードコモンの発光素子２を発光させるドライバＩＣとして、カソードコモンに対応した吐き出し電流式の専用品を用いることは不要であり、カソードコモンの発光素子２を発光させるのに必要なドライバＩＣとして汎用品である吸い込み電流式のドライバＩＣ１０を用いることができる。

このため、カソードコモンに対応した吐き出し電流式のドライバＩＣを開発することに伴う開発期間の長期化やコスト増を回避することができる。また、汎用品である吸い込み電流式のドライバＩＣ１０に吸い込まれる吸い込み定電流Ｉ１を吐き出し定電流Ｉｏｕｔに変換するのに、ロジック回路を含まないアナログ回路からなる電流変換回路３０を用いるので、発光素子用駆動装置１の回路構成が複雑化するのを回避することができる。従って、カソードコモンの発光素子２の発光制御を簡易な構成で実現することができる。

また、ドライバＩＣ１０を用いて発光素子２の発光制御を行ううえでは、そのドライバＩＣ１０内でＰＷＭコントローラ１３がトランジスタ１２のＰＷＭ駆動を行う。そして、電流変換回路３０のオペアンプ５１は、そのＰＷＭ駆動のＰＷＭ周波数に対応可能である。

このため、発光素子２の発光制御を行ううえで、発光素子２に並列接続される負荷スイッチを設けてその負荷スイッチをオン／オフすることは不要であるので、発光素子２の発光の応答速度が遅くなることは回避される。また、発光素子２の発光停止時にその負荷スイッチのオンに伴って電流が流れることは無いので、電力消費が抑えられる。従って、発光素子２の発光制御を応答速度を遅くすることなく少ない電力消費で実現することができる。

また、電流変換回路３０は、カレントミラー回路５０をなす、オペアンプ５１、トランジスタ５２、第一抵抗５３、第二抵抗５４、及び第三抵抗５５が集積回路化されて構成されている。すなわち、電流変換回路３０がディスクリート部品で構成されることなく集積回路化されている。このため、電流変換回路３０の回路サイズの極小化を図ることができ、結果として、発光素子用駆動装置１全体の専有面積を小さくすることができる。

ところで、上記の実施形態においては、電流変換回路３０が集積回路化されている。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、電流変換回路３０がディスクリート部品で構成されることとしてもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態や変形形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

１：発光素子用駆動装置、２：発光素子、１０：吸い込み電流式ドライバ集積回路（ドライバＩＣ）、１１：定電流源、１２：トランジスタ、１３：ＰＷＭコントローラ、２０：第一電源、３０：電流変換回路、４０：第二電源、５０：カレントミラー回路、５１：オペアンプ、５２：トランジスタ、５３：第一抵抗、５４：第二抵抗、５５：第三抵抗、Ｉ１：吸い込み定電流、Ｉｒｅｆ：リファレンス電流、Ｉｏｕｔ：吐き出し定電流。

Claims

カソード端子が共通ラインに接続された発光素子を駆動させる駆動装置であって、
電源側から定電流を吸い込み可能であると共に、前記定電流の吸い込み時間の幅を変更可能な吸い込み電流式ドライバ集積回路と、
前記吸い込み電流式ドライバ集積回路に吸い込まれる前記定電流を吐き出し定電流に変換して前記発光素子へ出力する電流変換回路と、
を備え、
前記電流変換回路は、前記吸い込み電流式ドライバ集積回路に吸い込まれる前記定電流をリファレンス電流にして前記吐き出し定電流を生成するカレントミラー回路を有し、
前記カレントミラー回路は、
前記リファレンス電流が流れる第一抵抗と、
前記吐き出し定電流が流れる第二抵抗と、
を有し、
前記第二抵抗の抵抗値は、前記第一抵抗の抵抗値に比して小さい、発光素子用駆動装置。
前記電流変換回路は、集積回路化されている、請求項１に記載された発光素子用駆動装置。