WO2005104246A1

WO2005104246A1 - 定電流駆動装置、バックライト光源装置及びカラー液晶表示装置

Info

Publication number: WO2005104246A1
Application number: PCT/JP2005/005370
Authority: WO
Inventors: Norimasa Furukawa
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2005-11-03
Also published as: EP1739757A1; EP2363894A3; JP4123183B2; JP2005310999A; KR20060133445A; CN1788363A; US7538497B2; US20060176411A1; CN100397667C; EP2363894A2; KR101196806B1; EP1739757A4

Abstract

　本発明は、直列接続された複数の発光ダイオードをパルス幅変調定電流駆動回路により定電流駆動する定電流駆動装置であり、直列接続された複数の発光ダイオード（４１Ａ）～（４１Ｅ）の各々に並列に接続されたサイリスタ（８１Ａ）～（８１Ｅ）からなるバイパス回路（８０Ａ）～（８０Ｅ）に設けられたゲート電位設定回路（８３Ａ）～（８３Ｅ）によって、直列に接続された発光ダイオード（４１Ａ）～（４１Ｅ）の正常動作時にはサイリスタ（８１Ａ）～（８１Ｅ）がオフ状態にあり、発光ダイオード（４１Ａ）～（４１Ｅ）がオープン状態になった場合に、オープン状態になった発光ダイオード（４１Ａ）～（４１Ｅ）に並列接続されているサイリスタをターンオンさせるゲート電位をサイリスタに与える。

Description

明細書

定電流駆動装置、バックライト光源装置及びカラー液晶表示装置技術分野

[0001] 本発明は、直列接続された複数の発光ダイオード（LED： Light Emitting Diode)をパルス幅変調定電流駆動回路により定電流駆動するようにした定電流駆動装置、この定電流駆動装置により駆動されるバックライト光源装置及びカラー液晶表示装置に関する。

本出願は、日本国において 2004年 4月 20日に出願された日本特許出願番号 200 4 124795を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照することにより、本出願に援用される。

背景技術

[0002] 近年、液晶 TVやプラズマディスプレイ（PDP： Plasma Display Panel)に代表されるようにディスプレイの薄型化が図られている。特に、モパイル用ディスプレイの多くは液晶系であり、忠実な色の再現性が望まれている。また、液晶パネルのバックライトは、蛍光管を使った CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)タイプが主流であるが、環境の安全を維持するため、水銀を用いることなく製造することができる光源が要求され、 CCFLに変わる光源として発光ダイオード等を用いることが有望視されて、る。一般的に、発光ダイオードを表示画素に用いたディスプレイでは、発光ダイオードをマトリクスの駆動をするために、各画素に対して X— Yのアドレッシング駆動回路を必要とし、これにより、発光させたい画素の位置にある発光ダイオードを選択 (アドレツシング)し、点灯させる時間を変調することにより輝度調整を実施し (パルス幅変調（ PWM : Pulse Width Modulation)駆動）、所定の階調性のある表示画面を得ている。このため、駆動用の回路が複雑になりコストが高くなつている。この種のディスプレイとして、特開 2001— 272938号公報に開示されたものがある。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] ところで、発光ダイオードは、寿命があり、不点灯になる力個々の素子の壊れ方には、断線してしまう OPENモードによる不良と、短絡してしまう Shortモードによる不良と、そのいずれでもなぐ光量の低下が発生するモードの 3種類に大きくは分類される。これらの故障を検出するためには、一つ一つの LED素子を独立した駆動回路で駆動する方法を採用するとともに、個々の素子の動作状態を常にフィードバックするシステムを構築しなければならないので、コストがかさみ、実際の機器では実現が困難であった。

また、発光ダイオードを個別の発光画素に使用した画像表示ディスプレイが存在しているが、その場合のマトリクス型の駆動においても、前述のように、発光ダイオード個々の素子の不良を個別に判断し、さらに除去する機能を備えたシステムは、従来、存在していな力た。

発光ダイオードを液晶ディスプレイのノックライトとして使用する場合、個々の発光ダイオードの電力が大きぐ個数が比較的少ないため、不良により不点灯箇所が生じると、ムラなどを生じ、見苦しい。また、照明用途の LED駆動装置においては、大電力駆動用のマトリクス駆動 LSI等は作成されておらず、現実的にはコスト点で不利であるため、直列接続形式が用いられると考えられるが、直列接続形式では、個々の発光ダイオードの不良が発生し、それが、断線の場合では、一列全てが不点灯となり、著しい色ムラを生じてしまう。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、直列接続された複数の素子例えば発光ダイオードを定電流駆動するにあたり、素子の OPENモードの不良時にその箇所の素子電流を迂回し、その箇所の断線状態を自動的に回避するようにした定電流駆動装置、この定電流駆動装置により駆動されるバックライト光源装置及びカラー液晶表示装置を提供することにある。

本発明は、直列接続された複数の素子をパルス幅変調定電流駆動回路により定電流駆動する定電流駆動装置であって、直列接続された複数の素子の各々に並列に接続されたサイリスタカゝらなるバイパス回路を備え、バイパス回路には、直列に接続された素子の正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、直列に接続された素子がオープン状態になった場合にはサイリスタをターンオンさせるゲート電位をサイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられて、る。また、本発明は、表示パネルを背面側力も照明するバックライト光源装置であって、直列接続された複数の発光ダイオードと、直列接続された複数の発光ダイオードの各々に並列に接続されたサイリスタカもなるバイパス回路を備え、ノィパス回路には、直列に接続された発光ダイオードの正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、直列に接続された発光ダイオードがオープン状態になった場合にはサイリスタをターンオンさせるゲート電位をサイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられている。さらに、本発明は、カラーフィルタを備えた透過型のカラー液晶表示パネルと、このカラー液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト光源装置とからなるカラー液晶表示装置であって、この装置に用いるバックライト光源装置は、直列接続された複数の発光ダイオードと、直列接続された複数の発光ダイオードの各々に並列に接続されたサイリスタカゝらなるバイパス回路を備え、バイパス回路には、直列に接続された発光ダイオードの正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、直列に接続された発光ダイオードがオープン状態になった場合にはサイリスタをターンオンさせるゲート電位をサイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられている。

本発明を適用した定電流駆動装置、この定電流駆動装置により駆動されるバックライト光源装置及びカラー液晶表示装置では、直列接続された複数の素子の各々に並列に接続されたサイリスタカもなるバイパス回路に備えられるゲート電位設定回路によって、直列に接続された素子の正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、直列に接続された素子がオープン状態になった場合にはサイリスタをターンオンさせるゲート電位をオープン状態になった素子に接続されているサイリスタに与えるので、直列接続された複数の素子列、例えば発光ダイオードを定電流駆動するにあたり、素子の OPENモードの不良時にその箇所の素子電流を迂回し、当該箇所の断線状態を自動的に回避することができる。

本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる利点は、以下において図面を参照して説明される実施に形態から一層明らかにされるであろう。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の一実施形態であるバックライト方式のカラー液晶表示装置を示す斜視図である。 [図 2]図 2は、カラー液晶表示装置を構成する駆動回路を示すブロック図である。

[図 3]図 3A—図 3Cは、カラー液晶表示装置おけるカラー液晶パネルに設けられる力ラーフィルタの構成を示す平面図である。

[図 4]図 4は、カラー液晶表示装置を構成するバックライト光源装置における発光ダイオードの配置例を模式的に示す図である。

[図 5]図 5は、発光ダイオードの配置例における各発光ダイオードが接続された形を電気回路図記号のダイオードマークによって模式的に示した図である。

[図 6]図 6は、赤の発光ダイオード、緑の発光ダイオード及び青の発光ダイオードをそれぞれ 2個使用し、合計 6個の発光ダイオードを一列に配列した単位セルを各色の発光ダイオードの個数でパターン表記して示す図である。

[図 7]図 7は、基本単位の単位セル 4を 3つ連続に繋げた場合を発光ダイオードの個数でパターン表記して模式的に示した図である。

[図 8]図 8は、ノックライト光源装置の光源における実際の発光ダイオードの配置例を LEDの個数でパターン表記して示す図である。

[図 9]図 9は、ノックライト光源装置における発光ダイオードの駆動構成を示す図である。

[図 10]図 10は、ノックライト光源装置における直列接続された複数の発光ダイオードに定電流を流すための構成を示すブロック回路図である。

[図 11]図 11は、ノックライト光源装置において、直列接続された複数の発光ダイォードを定電流駆動するにあたり、素子の OPENモードの不良時にその箇所の素子電流を迂回し、その箇所の断線状態を自動的に回避するための構成を示すブロック回路図である。

圆 12]図 12Aはサイリスタの構造を示す図であり、図 12Bはその動作を示す回路図である。

[図 13]図 13は、ノックライト光源装置において、直列接続された複数の発光ダイォードの OPENモードの不良時に、その箇所の素子電流を迂回し、その箇所の断線状態を自動的に回避するための構成を示すブロック回路図である。

発明を実施するための最良の形態以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、図 1に示すような構成のバックライト方式のカラー液晶表示装置 100に適用される。

このカラー液晶表示装置 100は、透過型のカラー液晶表示パネル 10と、このカラー液晶表示パネル 10の背面側に設けられたバックライト光源装置 20からなる。

透過型のカラー液晶表示パネル 10は、ガラス等の透明な材料を用いて構成された 2枚の透明な基板である TFT基板 11と対向電極基板 12を互いに対向配置させ、その間隙に例えばッイステツドネマチック (TN)液晶を封入した液晶層 13を設けて、る。 TFT基板 11にはマトリクス状に配置された信号線 14と走査線 15及びこれらの交点に配置されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ 16と画素電極 17が形成されている。薄膜トランジスタ 16は走査線 15により順次選択されるとともに、信号線 14から供給される映像信号を対応する画素電極 17に書き込む。一方、対向電極基板 12 の TFT基板 11に対向する側の表面には対向電極 18及びカラーフィルタ 19が形成されている。

このカラー液晶表示装置 100は、上述のような構成を備えた透過型のカラー液晶表示パネル 10を 2枚の偏光板 31, 32で挟み、バックライト光源装置 20により背面側から白色光を照射した状態で、アクティブマトリクス方式で駆動することによって、所望のフルカラー映像表示が得られる。

ノックライト光源装置 20は、光源 21と波長選択フィルタ 22からなり、光源 21が出射する光で波長選択フィルタ 22を介してカラー液晶表示パネル 10を背面側力も照明する。

このカラー液晶表示装置 100は、図 2に示すような構成を備えた駆動回路 200により駆動される。

この駆動回路 200は、カラー液晶表示パネル 10やバックライト光源装置 20の駆動電源を供給する電源部 110、カラー液晶表示パネル 10を駆動する Xドライバ回路 12 0及び Yドライバ回路 130、外部力も映像信号が入力端子 140を介して供給される R GBプロセス処理部 150、この RGBプロセス処理部 150に接続された画像メモリ 160 及び制御部 170、バックライト光源装置 20の駆動制御するバックライト駆動制御部 18 0等を備える。

この駆動回路 200において、入力端子 140を介して入力された映像信号は、 RGB プロセス処理部 150によりクロマ処理等の信号処理がなされ、さらに、コンポジット信号力もカラー液晶表示パネル 10の駆動に適した RGBセパレート信号に変換されて、制御部 170に供給されるとともに、画像メモリ 160を介して Xドライバ 120に供給される。また、制御部 170は、 RGBセパレート信号に応じた所定のタイミングで Xドライバ 1 20及び Yドライバ回路 130を制御して、画像メモリ 160を介して Xドライバ 120に供給される RGBセパレート信号でカラー液晶表示パネル 10を駆動することにより、 RGB セパレート信号に応じた映像を表示する。

ここで、カラーフィルタ 19は各画素電極 17に対応した複数のセグメントに分割されている。例えば、図 3Aに示すように 3原色である赤色フィルタ CFR、緑色フィルタ CF G、青色フィルタ CFBの 3つのセグメント、図 3Bに示すように 3原色（RGB)にシアン（ C)を加えた赤色フィルタ CFR、シアン色フィルタ CFC、緑色フィルタ CFG、青色フィルタ CFBの 4つのセグメント、あるいは、図 3Cに示すように 3原色（RGB)にシアン（C )とイェロー（Y)を加えた赤色フィルタ CFR、シアン色フィルタ CFC、青色フィルタ CF G、イェロー色フィルタ CFY、青色フィルタ CFBの 5つのセグメントに分割されているここで、ノックライト光源装置 20には、透過型のカラー液晶表示パネル 10を背面に配設された複数の発光ダイオード (LED : light emitting diode)により照射するエリアライト方式の光源 21が採用されて！、る。

次に、このバックライト光源装置 20の光源 21を構成する発光ダイオードの配置について説明する。

図 4は、発光ダイオードの配置例として、単位セル 4—1, 4 2毎に、赤の発光ダイォード 1、緑の発光ダイオード 2及び青の発光ダイオード 3をそれぞれ 2個使用し、合計 6個の発光ダイオードを一列に配列した様子を示している。

この配置例では 6個である力使用する発光ダイオードの定格、発光効率などにより、混合色をバランスの良い白色光とするために、光出力バランスを整える必要から、各色の個数配分は本例以外のバリエーションがあり得る。

図 4に示す配置例において、単位セル 4—1と単位セル 4—2は、全く同一のものであり、中央の両端矢印部分で接続されている。また、図 5は、単位セル 4 1及び単位セル 4—2が接続された形を電気回路図記号のダイオードマークによって図示したものである。この例の場合、各発光ダイオード、すなわち、赤の発光ダイオード 1、緑の発光ダイオード 2、青の発光ダイオード 3は左から右に電流が流れる方向に極性を合わせて直列接続されている。

ここで、赤の発光ダイオード 1、緑の発光ダイオード 2及び青の発光ダイオード 3をそれぞれ 2個使用し、合計 6個の発光ダイオードを一列に配列した単位セル 4を各色の発光ダイオードの個数でパターン表記すると、図 6に示すように（2G 2R 2B)となる。すなわち、（2G 2R 2B)は、緑と赤と青 2個ずつ合計 6個のパターンを基本単位としていることを示す。そして、図 7に示すように、基本単位の単位セル 4を 3つ連続に繋げた場合、記号が 3 * (2G 2R 2B)で、発光ダイオードの個数でパターン表記すると（6G 6R 6B)で示される。

次に、ノックライト光源装置 20の光源 21における実際の発光ダイオードの配置例を図 7の表記に基づいて説明する。

光源 21には、図 8に示すように、前述した発光ダイオードの基本単位（2G 2R 2 B)の 3倍を 1つの中単位（6G 6R 6B)として、垂直に 4行、水平に 5列、合計で 360 個の発光ダイオードが配置されて、る。

そして、 360個の発光ダイオード全てに対して、個々のアドレッシングを施すことは容易でないので、このバックライト光源装置 20では、図 9に示すような駆動構成としている。

すなわち、 n列のそれぞれに対応する RGBのペア gl— gnは、各列に RGBの各発光ダイオードそれぞれが独立して直列接続されており、 DC— DCコンバータ 7により定電流が流される構成とされて！/ヽる。

図 10を参照して、定電流を LED直列接続基板 ml, m2に流すための具体的な構成例を説明する。すなわち、複数の発光ダイオード LED1— LEDnが直列接続された LED列 40は、一端が検出抵抗 (Rc) 5を介して DC-DCコンバータ 7に接続され、また、他端が FE T6を介して接地されて!、る。

DC— DCコンバータ 7は、出力電圧 Vccの設定に対して、検出抵抗 5による電圧降下を検出して、直列接続された LED列に所定の定電流 ILEDが流れるようにフィードバックループを構成している。この例では、検出抵抗 5による降下電圧が DC— DCコンバータ 7内に設けられたサンプルホールド回路を介して帰還される。

また、ノックライト駆動制御部 180に備えられたドライバ IC181から FET6のゲートに加えられる main PWM (Pulse Width Modulation)信号により、 LED列 40に流れる電流が所定の期間 ON— OFFされることにより、 LED列を構成する各発光ダイォードの発光量を増減させる。

すなわち、このバックライト光源装置 20では、バックライト駆動制御部 180に備えられたドライバ IC181から供給される main PWM信号により FET6をスイッチング動作させて、複数の発光ダイオード LED 1— LEDnを直列接続してなる LED列 40に D C DCコンバータ 7により供給された駆動電流を ON— OFFすることによって、発光ダィオード 41 A— 41Eをパルス幅変調定電流駆動する。

なお、この例では、定電流を波高値で制御するため、電流検出のフィードバックループにサンプルホールドを備えている力これは一つの例であって他の方法を用いてもよい。

また、この例では、 main PWM信号に基づいてサンプルホールドスィッチ駆動回路 182により作成されるサンプルパルスがサンプルホールドスィッチ 8に供給される。なお、図 10に示す一群の LED列 40は、図 9に示す n列のそれぞれに対応する RG Bのペア gl— gnの 1列に対応している。したがって、本例では、同様の回路が、 gn列 X 3倍 (RGB分)必要となる。

次に、このバックライト光源装置において、直列接続された複数の発光ダイオードを定電流駆動するにあたり、素子の OPENモードの不良時にその箇所の素子電流を迂回し、当該箇所の断線状態を自動的に回避するための構成を、図 11一図 13を参照して説明する。すなわち、図 11に示す例では、直列接続された 5個の発光ダイオード 41A— 41E に個々に並列に接続されたサイリスタ 81八ー8 ^と分圧抵抗82八(1^1, Ra2)— 82 E (Rel, Re 2)力なるバイパス回路 80A— 80Eが設けられて!/、る。

分圧抵抗 82A— 82Eは、各中点がサイリスタ 81A— 81Eのゲート端子に接続されており、直列接続された発光ダイオード 41A— 41Eの正常動作時にはサイリスタ 81 A— 81Eがオフ状態にあり、発光ダイオード 41A— 41Eがオープン状態になった場合に、サイリスタ 81 A— 81Eをターンオンさせるゲート電位を各サイリスタ 81 A— 81E に与えるゲート電位設定回路 83A— 83Eを構成している。

直列接続された 5個の発光ダイオード 41A— 41Eは、正常に動作している場合には、上から下に向けて。各々 Vfa— Vfeまでの個別の電圧降下を有しており、製造口ットに応じてばらつきを有する。また、

直列接続された 5個の発光ダイオード 41A— 41Eは、 FET6によって PWM駆動される。この構成例では、 FET6に並列に抵抗 85 (Rf)を接続することで、ターンオンしたサイリスタがターンオン状態を維持するための最低維持電流を抵抗 85を介して流している。

抵抗 85は、 FET6がオフの状態のとき、発光ダイオード 41 A— 41Eに Rfなる電流を僅かに流すために設けられている。すなわち、完全な発光は期待できないが、サイリスタがターンオンすることのない最低維持電流を常に流しておく。

ここで、図 12A、図 12Bを参照してサイリスタについて簡単に説明する。

サイリスタは、図 12Aに示すように、トランジスタにさらにもう一つ PN接合を付けた P NPNの 4層からなる素子で、アノード Aとゲート Gと力ソード Kの 3端子素子であり、ァノード'力ソード (A— K)間は通常導通してしていないが、ゲート Gに +、力ソード Kに一の電圧を印加すると、図 12Bに示すように、ゲート電流 (I )が流れ、アノード A力も力ソード Kに電流が流れるようになる。これは、ゲート'力ソード (G— K)間への電圧印加を停止しても続く。すなわち、ゲート'力ソード (G— K)間に短時間でも電圧を印加すれば、 (I ) , (I )を経てアノード端子 Aから力ソード端子 Kに電流が流れ導通状態に

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至る。アノード '力ソード A— K間の印加電圧を取り去らないで、最低維持電流を流せば、電流が流れ続ける。サイリスタの ON抵抗は低ぐ損失が少ない。そして、ゲート電位設定回路 83A— 83Eは、発光ダイオード 41A— 41Eが正常に動作している状態における各発光ダイオード 41A— 41Eでの電圧降下、本例では約 4Vでは各サイリスタ 81 A— 81Eをオフ状態に維持する。

図 13に示すように、例えば、発光ダイオード 41Bに OPENモードの不良が発生すると、この発光ダイオード 41Bの端子電圧が上昇することにより、瞬時にゲート電流が流れてサイリスタ 81Bが瞬時にターンオンする。ターンオンしたサイリスタ 81Bの ON 状態は、サイリスタの性質によって、印加電圧を取り去る力、最低維持電流以下にならない限り、デート電位を取り去っても続くので、抵抗 85の抵抗値を適正に設定することによって、 OPEN不良にとなった発光ダイオードを効果的にバイパスすることができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく

、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなぐ様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。

Claims

請求の範囲

[1] 1.直列接続された複数の素子をパルス幅変調定電流駆動回路により定電流駆動する定電流駆動装置であって、

上記直列接続された複数の素子の各々に並列に接続されたサイリスタカもなるバイパス回路を備え、

上記バイパス回路には、直列に接続された素子の正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、上記素子がオープン状態になった場合にはサイリスタをターンオンさせるゲート電位を上記サイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられていることを特徴とする定電流駆動装置。

[2] 2.上記パルス幅変調定電流駆動回路のパルス幅変調用スイッチング素子に抵抗を並列接続し、ターンオンしたサイリスタがターンオン状態を維持するための維持電流を上記抵抗を介して流すことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の定電流駆動装置

[3] 3.上記直列接続された複数の素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の定電流駆動装置。

[4] 4.表示パネルを背面側から照明するバックライト光源装置であって、

直列接続された複数の発光ダイオードと、

上記直列接続された複数の発光ダイオードの各々に並列に接続されたサイリスタ力もなるバイパス回路を備え、

上記バイパス回路には、直列に接続された発光ダイオードの正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、上記発光ダイオードがオープン状態になった場合には上記サイリスタをターンオンさせるゲート電位を上記サイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられて、ることを特徴とするバックライト装置。

[5] 5.上記パルス幅変調定電流駆動回路のパルス幅変調用スイッチング素子に抵抗を並列接続し、ターンオンしたサイリスタがターンオン状態を維持するための維持電流を上記抵抗を介して流すことを特徴とする請求の範囲第 4項記載のバックライト装置

[6] 6.カラーフィルタを備えた透過型のカラー液晶表示パネルと、このカラー液晶表示パネルを背面側力も照明するバックライト光源装置とからなるカラー液晶表示装置であって、

上記バックライト光源装置は、直列接続された複数の発光ダイオードと、直列接続された複数の発光ダイオードの各々に並列に接続されたサイリスタカなるバイパス回路を備え、上記バイパス回路には、直列に接続された発光ダイオードの正常動作時にはサイリスタがオフ状態にあり、上記発光ダイオードがオープン状態になった場合には上記サイリスタをターンオンさせるゲート電位を上記サイリスタに与えるゲート電位設定回路が設けられていることを特徴とするカラー液晶表示装置。

7.上記パルス幅変調定電流駆動回路のパルス幅変調用スイッチング素子に抵抗を並列接続し、ターンオンしたサイリスタがターンオン状態を維持するための維持電流を上記抵抗を介して流すことを特徴とする請求の範囲第 6項記載のカラー液晶表示装置。