JP2008146949A - バックライト駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流を発生するスイッチング電流源を用いるバックライト駆動装置において、超低輝度における安定な調光を実現することを目的とする。
【解決手段】 所定の低輝度以下ではスイッチング電流源３から出力される電流は一定の最小値Ｉminとなり、スイッチ手段６により輝度設定信号Ｖsに対応する定周期のパルス幅電流Ｉbが発光素子４に流れるとともに、パルス幅電流Ｉbと逆位相のダミー電流Ｉdが定電流負荷７に流れる。輝度設定電圧sを下げるにつれてパルス幅電流Ｉbのデューティ比が下がるので、超低輝度における調光を安定に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は液晶表示装置などで用いられるバックライト駆動装置に関し、特に高輝度から超低輝度までの広調光範囲を必要とするバックライト駆動装置に関する。

航空機のコックピットの液晶表示装置などでは、周囲の状況に合わせて一般にバックライト駆動装置による調光が可能である。

図３は従来の液晶表示装置（以下ＬＣＤという）用のバックライト駆動装置の例を示す構成ブロック図である。エラーアンプ１は差動演算増幅器等で構成され、非反転入力端子に入力される輝度設定電圧Ｖsと反転入力端子に入力される輝度電圧Ｖbを比較して差分を出力する。ＰＷＭ生成回路２はエラーアンプ１から差分信号を入力して対応するパルス幅のパルス幅変調信号に変換する。スイッチング電流源３はＰＷＭ生成回路２から入力したパルス幅変調信号により定電流がスイッチングされ、平滑化された後、直流電流信号として出力する、バックライト光源４は発光素子を構成する複数のＬＥＤからなり、スイッチング電流源３により駆動される。電流検出器５は抵抗等からなり、バックライト光源４に流れる電流を電流／電圧変換する。

上記のような構成のバックライト駆動装置の動作を以下に説明する。
バックライト光源４の輝度に対応した輝度電圧Ｖbが輝度設定電圧Ｖsより低い場合は、エラーアンプ１から正の差分信号が出力され、ＰＷＭ生成回路２から出力されるパルス幅変調信号のパルス幅は増加する。スイッチング電流源３はパルス幅の増加に対応してバックライト光源４のＬＥＤに流すＤＣ駆動電流Ｉbを増加させる。この駆動電流Ｉbは電流検出器５で電流／電圧変換され、増加した輝度電圧Ｖbをエラーアンプ１の反転入力端子に与える。
輝度電圧Ｖbが輝度設定電圧Ｖsより高い場合は、エラーアンプ１から負の差分信号が出力され、ＰＷＭ生成回路２から出力されるパルス幅変調信号のパルス幅が減少される。スイッチング電流源３は減少したパルス幅に対応して減少したＤＣ駆動電流Ｉbをバックライト光源４のＬＥＤに流す。この駆動電流Ｉbは電流検出器５で電流／電圧変換され、減少した輝度電圧Ｖbをエラーアンプ１の反転入力端子に入力する。
このようなフィードバック動作を続けて最終的に差分が０になったとき、すなわち輝度電圧Ｖbが輝度設定電圧Ｖsと一致したとき安定する。このときバックライト４からは輝度設定電圧Ｖsに対応した輝度の光が発生する。すなわち、図３のようなバックライト駆動装置によれば、利用者は輝度設定電圧Ｖsを変更することにより、バックライトを任意の異なる輝度に調光することができる。

上記のようなバックライト駆動装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００４−２８１３４９号公報

図３のようなバックライト駆動装置をＬＣＤ用のＬＥＤバックライトに適用する場合は、一般に大電流を発生するスイッチング電流源が必要である。この場合、ＬＥＤを高輝度とする際は輝度設定電圧が大きくなり、低輝度とする際は輝度設定電圧が小さくなる。したがって、大電流を発生するスイッチング電流源を用いて超低輝度を実現しようとすると、輝度設定電圧は非常に小さくなり、０Ｖに近づく。このような状態では次のような不具合が発生し、ＬＥＤを超低輝度とすることが困難になるという問題がある。
（１）エラーアンプ１の検出が正常に行われなくなる。
（２）ＰＷＭ生成回路２が間欠発振等を起こし正常に動作しなくなる。
（３）スイッチング電流源３のＭＡＸ-ＭＩＮ比（パルス幅の最大と最小の比）が過大となり、正常に動作しなくなる。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、大電流を発生するスイッチング電流源を用いるバックライト駆動装置において、超低輝度における安定な調光を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
バックライト駆動電流のフィードバック信号と輝度設定信号が等しくなるようにエラーアンプで前記バックライト駆動電流を制御するバックライト駆動装置において、
前記バックライト駆動電流が一定の最小値となるときは、前記輝度設定信号と対応するデューティ比で前記バックライト駆動電流をオンオフさせる制御回路
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のバックライト駆動装置において、
前記エラーアンプに制御された直流電流を出力する可変電流源と、
該可変電流源から流入する前記バックライト駆動電流をオンオフするスイッチ手段と、
前記可変電流源から流入するダミー電流をオンオフする電子負荷と、
前記バックライト駆動電流と前記ダミー電流の電流との和を検出し、検出信号を前記エラーアンプにフィードバックする検出手段とを備え
前記制御回路は前記バックライト駆動電流が一定の最小値となるときは、前記スイッチ手段と前記電子負荷を前記輝度設定信号と対応するデューティ比で互いに逆位相に駆動することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項２記載のバックライト駆動装置において、
前記制御回路は、前記バックライト駆動電流が一定の最小値とならないときは、前記スイッチ手段をオンとし、前記電子負荷をオフとすることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項２又は請求項３記載のバックライト駆動装置において、
前記電子負荷は外部信号による負荷制御が可能な定電流負荷で構成されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項２乃至請求項４記載のバックライト駆動装置において、
前記可変電流源は、
前記エラーアンプから入力した差分信号をパルス幅に変換するＰＷＭ生成回路と、
該ＰＷＭ生成回路から入力したパルス幅変調信号のパルス幅を直流電流に変換するスイッチング電流源と
を備えたことを特徴とする。

以上述べたように、本発明のバックライト駆動装置によれば、輝度設定信号を低くして、可変電流源の出力が一定の最小値となるときは、スイッチ手段と電子負荷を輝度設定信号と対応するデューティ比で互いに逆位相に駆動することにより、安定に超低輝度の調光が可能なバックライトを実現することができる。

図１は本発明の実施の形態に係るバックライト駆動装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図３と同一の部分は同じ記号を付してある。

エラーアンプ１は差動演算増幅器等で構成され、非反転入力端子に入力される輝度設定電圧Ｖsと反転入力端子に入力される加算器出力Ｖaを比較してその差分信号を出力する。 ＰＷＭ生成回路２はエラーアンプ１から入力する差分信号と対応するパルス幅のパルス幅変調信号を出力する。
スイッチング電流源３はＰＷＭ生成回路２から入力するパルス幅変調信号により定電流をスイッチングし、平滑化した後、直流電流信号として出力する。
ここで、ＰＷＭ生成回路２及びスイッチング電流源３はエラーアンプ１からの差分信号に対応した直流電流を発生する可変電流源１１を構成する。

バックライト光源４は発光素子を構成する複数のＬＥＤが直列に接続されて構成され、そのアノード側端子がスイッチング電流源３の電流出力端子に接続される。
スイッチ６はその一端がバックライト光源４のカソード側端子と接続されて、パックライト４に流れる電流をオンオフする。
第１の電流検出器５は電流電圧変換用抵抗からなり、スイッチ６とコモンの間に接続される。

定電流負荷７はスイッチング電流源３の電流出力端子がその入力端子に接続され、バックライト４と並列なダミー負荷を形成する。定電流負荷７の負荷電流は制御回路９から出力される定電流負荷制御信号Ｐ2により、ＬＥＤ４１の負荷電流と等しくなるように制御される。
第２の電流検出器８は電流電圧変換用抵抗からなり、定電流負荷７の出力端子とコモンの間に接続される。ここでは電流検出器５と等しい抵抗値としている。

制御回路９は輝度設定電圧Ｖs及び低輝度閾値電圧Ｖｔを入力し、調光パルス信号Ｐ1をスイッチ６に送り、定電流負荷制御信号Ｐ2定電流負荷７に送る。ここで、低輝度閾値電圧Ｖｔは低輝度範囲において可変電流源１１が安定に制御できる輝度設定電圧Ｖsの最小値である。輝度設定電圧Ｖsが低輝度閾値電圧Ｖｔより低い範囲では可変電流源１１の出力電流は一定の最小値となる。

加算器１０は電流検出器５及び電流検出器８の出力信号を加算し、加算した信号をエラーアンプ１の反転入力端子にフィードバックする。

なお、上記の構成において、輝度設定電圧Ｖsは輝度設定信号を構成し、低輝度閾値電圧Ｖｔは低輝度閾値信号を構成する。
また、スイッチ６はスイッチ手段を構成し、バックライト４に流れる駆動電流（バックライト駆動電流）Ｉｂは可変電流源１１から流入する第１の電流を構成する。
また、定電流負荷７は外部信号による負荷制御が可能な電子負荷を構成し、定電流負荷７に流入するダミー電流Ｉｄは可変電流源１１から流入する第２の電流を構成する。
また、電流検出器５、電流検出器８及び加算器１０は、前記第１の電流と前記第２の電流の和を検出し、検出信号を前記エラーアンプにフィードバックする検出手段１２を構成し、加算器１０の出力電圧Ｖaは前記検出手段１２の検出信号を構成する。

図１のバックライト駆動装置の動作を以下に説明する。
輝度設定電圧Ｖsと低輝度閾値信号Ｖｔとの大小関係により、バックライト駆動装置の動作モードは大きく２つに分かれる。
輝度設定電圧Ｖsが低輝度閾値信号Ｖｔより高い（大きい）場合、制御回路９から出力される調光パルス信号Ｐ1はＨレベルとなるので、スイッチ６はオンとなり、定電流負荷制御信号Ｐ2が０Ｖとなるので、定電流負荷７の定電流値は０となる。したがって、スイッチング電流源３の出力電流は全てバックライト４に流れるので、このときの動作は以下に示すように、図３の場合と同様となる。

加算器出力Ｖaが輝度設定電圧Ｖsより低いときは、エラーアンプ１から正の差分信号が出力され、ＰＷＭ生成回路２から出力されるパルス幅変調信号のパルス幅（デューティ比）が増加される。その結果、バックライト光源４のＬＥＤ４１にはパルス幅変調信号に対応して増加した直流駆動電流Ｉbがスイッチング電流源３から流入する。この駆動電流Ｉbは電流検出器５で電流／電圧変換され、加算器１０を介して増加した加算器出力Ｖaがエラーアンプ１の反転入力端子にフィードバックされる。

また、加算器出力Ｖaが輝度設定電圧Ｖsより高いときは、エラーアンプ１から負の差分信号が出力され、ＰＷＭ生成回路２から出力されるパルス幅変調信号のパルス幅が減少される。バックライト光源４のＬＥＤには減少したパルス幅に対応して減少した直流駆動電流Ｉbがスイッチング電流源３から流入する。この駆動電流Ｉbは電流検出器５で電流／電圧変換され、減少した輝度電圧Ｖbがエラーアンプ１の反転入力端子にフィードバックされる。

このようなフィードバック動作を続けて最終的に差分が０になったとき、すなわち加算器出力Ｖaが輝度設定電圧Ｖsと一致したとき、エラーアンプ１→ＰＷＭ生成回路２→スイッチング電流源３→バックライト４→スイッチ６→電流検出器５→加算器１０→エラーアンプ１のループは収束する。このときバックライト４からは輝度設定電圧Ｖsに対応した輝度の光が発生される。すなわち、利用者は輝度設定電圧Ｖs（≧低輝度閾値信号Ｖｔ）を変更することにより、バックライトを任意の異なる輝度に調光することができる。

図２は輝度設定電圧Ｖsが低輝度閾値信号Ｖｔより低い（小さい）場合のバックライト駆動装置の動作を示すタイムチャートである。
輝度設定電圧Ｖsが低輝度閾値電圧Ｖｔより低く（小さく）なると、ＰＷＭ生成回路２の出力は一定最小パルス幅の信号でロックされ、これに伴ってスイッチング電流源３の出力も最小の一定電流値Ｉ＝Ｉminにロックされる。このとき、加算器１０の出力は低輝度閾値信号Ｖｔと等しい電圧で一定となり、エラーアンプ１から出力される負の差分信号により上記ロック状態が維持される。

このとき、制御回路９からは周期Ｔのパルス幅信号からなる調光パルス信号Ｐ1及びこれと逆位相の（反転した波形の）定電流負荷制御信号Ｐ2が出力される。

調光パルス信号Ｐ1は図２（Ａ）に示すように、輝度設定電圧Ｖsに比例した時間幅ｔ1の間 Ｈレベルとなり、スイッチ６をオンにするので、ＬＥＤ４１には輝度電流Ｉｂが流れる。この間、定電流負荷制御信号Ｐ2は０Ｖとなるので、定電流負荷７の電流値は０となる。

調光パルス信号Ｐ1がＬレベルになると、定電流負荷制御信号Ｐ2は輝度設定電圧Ｖsに比例した電圧となり（図２（Ｂ））、この輝度設定電圧Ｖsに制御されて、定電流負荷７にはＬＥＤ４１の輝度電流Ｉｂと等しい定電流がダミー電流Ｉdとして流れる。

その結果、電流検出器５からは図２（Ｃ）に示す輝度電圧Ｖbが出力され、電流検出器８からは図２（Ｄ）に示すダミー電圧Ｖdが出力される。互いに逆位相の波形の輝度電圧Ｖbとダミー電圧Ｖdは加算器１０で加算されて直流の加算器出力電圧Ｖaとなり、エラーアンプ１の反転入力にフィードバックされる（図２（E））。ここで、加算器１０の出力Ｖaは駆動電流Ｉbとダミー電流Ｉdの和、すなわちスイッチング電流源３の出力電流Ｉminに対応した直流電圧となっている。

したがって、バックライト４には一定電流Ｉminのt1／Ｔ倍（調光パルス信号Ｐ1のデューティ比）に比例した電流が流れる。したがって、輝度設定電圧Ｖsを低輝度閾値信号Ｖｔ以下に下げた場合でも、調光パルス幅信号Ｐ1のパルス幅ｔ1を変化させることにより、超低輝度での安定な調光を実現することができる。

以上をまとめると、パックライト４には、Ｖｓ＞Ｖｔ（通常の輝度範囲）のときは可変電流源１１の直流電流Ｉが全て流れるが、Ｖｓ≦Ｖｔ（低輝度範囲）のときは可変電流源１１の最小直流Ｉminをさらにデューティ比に応じて減少させた電流が流れる。

上記のような構成のバックライト駆動装置によれば、低輝度時にバックライト４を調光パルス信号Ｐ1によってデューティ比制御することにより、安定動作範囲内の低電流で動作させることができる。したがって、スイッチング電流源として大電流発生回路を用いながら、安定な超低輝度調光を実現することができるので、高輝度と超低輝度を同時に満たすバックライト駆動装置を実現することができる。

なお、上記の実施例では可変電流源１１としてＰＷＭ生成回路とスイッチング電流源の組合せを用いる場合を示したが、これに限らず、差分出力に対応した直流駆動電流を発生する任意の可変電流源を用いることができる。

また、上記の実施例では電流検出器５及び電流検出器５８を用いて駆動電流Ｉbとダミー電流Ｉdをそれぞれ検出し、加算器１０の加算信号をフィードバックしているが、スイッチ手段６と定電流負荷７の出力端子を共通の（抵抗等の）電流検出器に接続して検出手段としてもよい。この場合は、電流検出器の出力電圧を直接エラーアンプ１にフィードバックできるので、加算器１０を省略することができる。

また、上記の実施例では、電子負荷として定電流負荷を用いたが、バックライト４と同様な負荷特性を持つ任意のダミー負荷を用いることができる。

また、上記の実施例では、発光素子としてＬＥＤを用いたが、これに限らず、ＰＷＭ駆動することのできる任意の発光素子を用いることができる。

また、スイッチ６及び定電流負荷７については大容量の部品を必要としない。

また、上記の実施例では電流検出器として抵抗素子を用いたが、これに限らない。

また、上記実施例では回路を個別素子で構成したが、制御回路９等を含め、構成の一部をコンピュータとソフトウェアで構成してもよい。

本発明に係るバックライト駆動装置の実施例の構成ブロック図である。 本発明に係るバックライト駆動装置の動作を示すタイムチャートである。 従来のバックライト駆動装置の構成ブロック図である。

符号の説明

１ エラーアンプ
２ ＰＷＭ生成回路
３ スイッチング電流源
４ バックライト
６ スイッチ手段
７ 電子負荷
９ 制御回路
１０ 加算器
１１ 可変電流源
１２ 検出手段
４１ 発光素子
Ｖs 輝度設定信号
Ｖｔ 低輝度閾値信号

Claims (5)

1. バックライト駆動電流のフィードバック信号と輝度設定信号が等しくなるようにエラーアンプで前記バックライト駆動電流を制御するバックライト駆動装置において、
   前記バックライト駆動電流が一定の最小値となるときは、前記輝度設定信号と対応するデューティ比で前記バックライト駆動電流をオンオフさせる制御回路
   を備えたことを特徴とするバックライト駆動装置。
2. 前記エラーアンプに制御された直流電流を出力する可変電流源と、
   該可変電流源から流入する前記バックライト駆動電流をオンオフするスイッチ手段と、
   前記可変電流源から流入するダミー電流をオンオフする電子負荷と、
   前記バックライト駆動電流と前記ダミー電流との電流の和を検出し、検出信号を前記エラーアンプにフィードバックする検出手段と
   を備え
   前記制御回路は前記バックライト駆動電流が一定の最小値となるときは、前記スイッチ手段と前記電子負荷を前記輝度設定信号と対応するデューティ比で互いに逆位相に駆動する
   ことを特徴とする請求項１記載のバックライト駆動装置。
3. 前記制御回路は、前記バックライト駆動電流が一定の最小値とならないときは、前記スイッチ手段をオンとし、前記電子負荷をオフとすることを特徴とする請求項２記載のバックライト駆動装置。
4. 前記電子負荷は外部信号による負荷制御が可能な定電流負荷で構成されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のバックライト駆動装置。
5. 前記可変電流源は、
   前記エラーアンプから入力した差分信号をパルス幅に変換するＰＷＭ生成回路と、
   該ＰＷＭ生成回路から入力したパルス幅変調信号のパルス幅を直流電流に変換するスイッチング電流源と
   を備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項４記載のバックライト駆動装置。

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