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JP5211699B2 - 直流電源装置、led駆動用電源装置および電源駆動用半導体集積回路 - Google Patents

直流電源装置、led駆動用電源装置および電源駆動用半導体集積回路 Download PDF

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JP5211699B2 JP2008001356A JP2008001356A JP5211699B2 JP 5211699 B2 JP5211699 B2 JP 5211699B2 JP 2008001356 A JP2008001356 A JP 2008001356A JP 2008001356 A JP2008001356 A JP 2008001356A JP 5211699 B2 JP5211699 B2 JP 5211699B2
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Description

本発明は、LED駆動用電源電圧を発生する直流電源装置に関し、例えば携帯電話機の液晶モニタのバックライトに使用されるWLED(白色発光ダイオード)の駆動電源電圧を発生するスイッチング電源装置およびこれを構成する電源駆動用半導体集積回路に利用して有効な技術に関する。
携帯電話機等のモバイル機器においては、表示用の液晶パネルのバックライトにWLEDが使用されており、WLEDの駆動電源電圧を発生する電源装置には、一般に、昇圧型のスイッチングレギュレータからなるDC−DCコンバータが用いられている。かかるLED駆動用電源装置においては、LEDの駆動電流を電圧に変換して制御回路にフィードバックして誤差アンプで基準電圧と比較して電位差に応じたパルス幅を有する駆動パルスを生成して、インダクタ(コイル)に間歇的に電流を流すスイッチング素子を駆動して駆動電流を一定に保つフィードバック制御が行われている。このようなLED駆動用電源装置に関する発明として、例えば特許文献1に記載されている発明がある。
特開2007−220855号公報
モバイル機器においては、液晶パネルのバックライトの明るさを段階的に変えられる機能が要求されることがある。本出願人は、明るさすなわち駆動電流を切替え可能なLED駆動用電源装置として、図11に示すような構成を有するLED駆動用電源装置を開発し、検討を行なった。
図11のLED駆動用電源装置は、出力電流がフィードバックされる端子FBBLの電圧と参照電圧Vref1とを比較して電位差に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFM(パルス周波数変調)コンパレータ11と、所定の周波数の発振信号のパルス幅を制御可能なデューティ制御回路13を設け、前記PFMコンパレータ11の出力が所定のレベルの期間だけデューティ制御回路13から出力されるパルス信号を駆動回路15に供給してスイッチング素子の駆動信号を生成させるように構成したものである。
図11のLED駆動用電源装置は、LEDの駆動電流を外部からの電流制御信号(制御コード)CCにより徐々に下げて行った場合に、図12に示すように、スイッチング素子の駆動信号S1のパルス周期が次第に長くなって、周波数が人間の可聴域の上限である20kHz以下に下がったり、図13に示すように、出力電圧Voutの変動(いわゆるリップル)が大きくなるなど、機器の特性上好ましくない状況が発生することがあるという課題があることが明らかになった。
この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、スイッチング素子の駆動信号の周波数が可聴域の上限以下に下がることがないとともに、出力電圧のリップルを小さくすることができるLED駆動用電源装置および電源駆動用半導体集積回路を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、前記インダクタと出力端子との間に接続された整流素子と、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路と、出力電流に比例した電圧がフィードバックされその電圧に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFMコンパレータとを備えたスイッチングレギュレータ(LED駆動用電源装置)において、所定の周波数の発振信号のパルス幅を電流制御信号に応じて制御可能なデューティ制御回路を設け、前記PFMコンパレータの出力が所定のレベルの期間だけ前記デューティ制御回路から出力されるパルス信号を前記駆動回路に供給して前記スイッチング素子の駆動信号を生成させるように構成したものである。
より具体的には、インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、前記インダクタと出力端子との間に接続された整流素子と、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路と、出力電流に比例した電圧がフィードバックされその電圧に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFMコンパレータとを備え、前記出力端子に接続されたLEDユニットに駆動電流を流すLED駆動用電源装置において、前記LEDユニットを流れた電流を引き込む可変電流源と、所定の周波数の発振信号のパルス幅を電流制御信号に応じて制御可能なデューティ制御回路と、を備え、前記可変電流源は前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成され、前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて出力のパルス幅を狭くするように構成され、前記PFMコンパレータの出力が所定のレベルの期間だけ前記デューティ制御回路から出力されるパルス信号を前記駆動回路に供給して前記スイッチング素子の駆動信号を生成するように構成したものである。
上記のような構成によれば、出力電流が少なくなるとスイッチング素子のオン時間が短くなるため、出力電流が少なくなってもPFMコンパレータの出力パルスの周期が極端に長くなることがなく、これにより駆動信号の周波数が人間の可聴域の上限以下に下がるのを回避するとともに、出力電圧のリップルを小さくすることができる。
ここで、望ましくは、前記デューティ制御回路は、電流制御信号に応じた電流を流すように構成された第2可変電流源と、該第2可変電流源と直列に接続された容量素子と、前記第2可変電流源と前記容量素子との結合ノードに接続されたディスチャージ用のスイッチと、前記結合ノードの電位と所定の参照電圧とを比較するコンパレータと、を備え、前記ディスチャージ用のスイッチは前記発振信号によってオン、オフ制御され、前記可第2変電流源は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて流す電流が多くなるように構成する。
あるいは、前記第2可変電流源の代わりに定電流源を用いるとともに、電流制御信号に応じた参照電圧を出力する可変電圧手段を設け、可変電圧手段は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて出力する電圧が低くなるように構成する。さらに、前記第2可変電流源の代わりに定電流源を、また容量素子の代わりに可変容量手段を用い、可変容量手段は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて容量値が小さくなるように構成しても良い。
本発明に従うと、スイッチング素子の駆動信号の周波数が可聴域の上限以下に下がることがないとともに、出力電圧のリップルを小さくすることができるLED駆動用電源装置および電源駆動用半導体集積回路を実現できるという効果がある。
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明を適用したLED駆動用電源装置の一実施形態を示す。
本実施形態のLED駆動用電源装置は、直流電圧端子VDDと接地点との間に直列形態に接続されたコイル(インダクタ)L1およびNチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなるスイッチングトランジスタSW1、前記コイルL1と出力端子OUTとの間に接続されたダイオードD1、出力端子OUTと接地点との間に接続された平滑容量C1、スイッチングトランジスタSW1をオン、オフ制御するスイッチング制御回路10によって、昇圧型のスイッチングレギュレータとして構成されている。そして、出力端子OUTに、直列形態の複数の白色発光ダイオードWLEDからなるLEDユニット30が接続されている。
なお、特に限定されるものではないが、この実施形態では、上記スイッチング制御回路10とスイッチングトランジスタSW1とは一つの半導体チップ上に半導体集積回路(以下、駆動用ICと称する)として形成され、コイルL1とダイオードD1および平滑容量C1は、ディスクリート部品で構成され上記駆動用ICに外付け素子として接続されている。
スイッチング制御回路10は、フィードバック信号参照電圧Vref1とを比較して電位差に応じたパルス幅(周波数可変)を有するパルス信号を生成するPFMコンパレータ11、所定の周波数の信号φoscを生成する発振回路12、発振信号φoscに基いて所望のパルス幅の信号を生成するデューティ制御回路13、PFMコンパレータ11の出力の反転信号とデューティ制御回路13の出力を入力とするORゲート回路14、ORゲート回路14の出力を受けてスイッチングトランジスタSW1のオン、オフ駆動信号を生成する駆動回路15などから構成されている。
また、駆動用ICには、上記発光ダイオードWLEDのカソード側端子が接続されるフィードバック端子FBBLが設けられているとともに、IC内部にはこのフィードバック端子FBBLに接続された可変電流源21が設けられ、発光ダイオードWLEDを流れた電流がIC内の可変電流源21に流されるように構成されている。そして、フィードバック端子FBBLにはスイッチング制御回路10を構成するPFMコンパレータ11の反転入力端子が接続されており、WLEDの駆動電流を電圧に変換してPFMコンパレータ11に入力されるようになっている。
さらに、駆動用ICには、外部のCPUなどから供給される電流制御コードCC(電流指令値)が入力される端子が設けられており、上記可変電流源21はこの端子に供給される制御コードCCに応じた電流を流すように構成されている。この実施形態においては、上記制御コードCCがデューティ制御回路13にも供給され、デューティ制御回路13は可変電流源21の電流値に応じて出力するパルスのパルス幅を変化させるように構成されている。具体的には、デューティ制御回路13は、可変電流源21の電流値が多いほど出力パルスのパルス幅を広くし、可変電流源21の電流値が少ないほど出力パルスのパルス幅を狭くするように動作する。
これにより、電流指令値が小さくなってWLEDの駆動電流が減らされると、パルス幅が狭くなってスイッチングトランジスタSW1のオン時間が短くなり、コイルL1に流れる一回の電流量が少なくなるため、電流指令値に応じたパルス幅制御をしない場合に比べてPFMコンパレータ11の出力の周期が長くならず、スイッチングトランジスタSW1のオンパルスの周波数も下がらなくなる。
図2には、デューティ制御回路13の具体的な回路例が示されている。この実施例のデューティ制御回路13は、電源電圧端子VDDと接地点との間に直列に接続された可変電流源22およびコンデンサC2と、コンデンサC2と並列に接続されたディスチャージ用のスイッチMOSFET SW2と、可変電流源22とコンデンサC2との接続ノードN2の電位V2と参照電圧Vref2とを比較するコンパレータCMP2とから構成されている。
上記スイッチMOSFET SW2のゲート端子には、発振回路12からの発振信号φoscが印加されており、φoscがロウレベルの期間はSW2がオフされて、可変電流源22の電流によりコンデンサC2が充電され、ノードN2の電位V2が次第に上昇し、φoscがハイレベルの期間はSW2がオンされて、コンデンサC2の電荷が放電され、ノードN2の電位V2は鋸歯状に変化する。この波形と参照電圧Vref2とをコンパレータCMP2で比較することにより、図3に示すように、鋸歯波の傾きと参照電圧Vref2のレベルに応じた所望のパルス幅を有する矩形波が生成される。発振信号φoscには、例えば1MHzのような周波数の信号が使用される。
この実施例のデューティ制御回路13においては、可変電流源22の電流値が制御コードCCに応じて段階的に変化されることにより、図3に破線で示すように、鋸歯波の傾きが変化され、それに応じて出力矩形波のパルス幅が変化される。具体的には、可変電流源22の電流値が大きくなるほど鋸歯波の傾きが大きくなり、矩形波のパルス幅は狭くされる。なお、制御コードCCに対する可変電流源21の電流値と可変電流源22の電流値の関係は逆であり、制御コードCCが可変電流源21の電流値を多くすると可変電流源22の電流値は少なくなるように構成されている。
次に、図1のLED駆動用電源装置の動作を、図4および図5を用いて図12及び図13と比較しながら説明する。なお、図5は図4の一部区間を、または図13は図12の一部区間をそれぞれ時間方向に拡大して示したものである。
図12(A)に示すように、制御コードCCがLEDの電流を下げる方向に切り替わると、図11のような構成の電源装置にあっては、図12(C)に示すように、PFMコンパレータ11の出力は周期が次第に長くなってパルスの幅(ハイレベル期間)が広くなり、ロウレベルの期間だけORゲート14がデューティ制御回路13のパルスを通過させるため、スイッチングトランジスタSW1の駆動パルスは、図12(D)に示すように、次第に間隔が広くなる。その結果、駆動パルスの周波数が人間の可聴域の上限である20kHz以下になるおそれがあるとともに、図13(E)に示すように、出力電圧Voutのリップルも大きくなる。
これに対し、図1の電源装置にあっては、制御コードCCがLEDの電流を下げる方向に切り替わっても、図4(C)に示すように、PFMコンパレータ11の出力の周期が長くなってパルスの幅(ハイレベル期間)が広くなるようなことがない。これは、電流指令値が小さくなると図4(B)のように、デューティ制御回路13の出力パルスの幅が狭くなってスイッチングトランジスタSW1のオン時間が短くなり、一回のオン駆動でコイルL1に流れる電流量が少なくなるためである。
そして、このように電流指令値が小さくなってもPFMコンパレータ11の出力の周期が長くならないと、図4(D)のように、スイッチングトランジスタSW1の駆動パルスの間隔もそれほど広くなることがない。その結果、駆動パルスの周波数が人間の可聴域の上限である20kHz以下になることがないとともに、図5(E)に示すように、出力電圧Voutのリップルも小さくなる。
図6および図8には、上記デューティ制御回路13の他の構成例が示されている。
このうち図6のデューティ制御回路は、図2の回路における可変電流源22の代わりに定電流源23を用いるとともに、参照電圧Vref2の代わりに可変電圧回路24を設けたものである。可変電圧回路24は、例えば複数の抵抗が直列に接続されたラダー抵抗と、各抵抗と並列に設けられた複数のスイッチを有し、これらのスイッチを前記制御コードCCで選択的にオンまたはオフ状態にすることで参照電圧Vref2を適当な対向比で分圧した電圧を発生するように構成したものが考えられる。
この回路は、制御コードCCがLEDの電流を下げる方向に切り替わると、コンパレータCMPに供給される参照電圧Vref2が下がるように制御される。これにより、図7に破線で示すように、デューティ制御回路の出力パルスの幅が狭くなり、図1の実施形態の電源装置と同様な機能を有するようにされる。
一方、図8のデューティ制御回路は、図3の回路における可変電流源22の代わりに定電流源23を用いるとともに、コンデンサC2の代わりに可変容量25を設けたものである。可変容量25は、例えば複数の並列形態の容量素子と、各容量素子と直列に設けられた複数のスイッチを有し、これらのスイッチを前記制御コードCCで選択的にオンまたはオフ状態にすることでノードN2に接続される容量素子の数を切り替えて容量値を変化させるように構成したものが考えられる。
この回路は、制御コードCCがLEDの電流を下げる方向に切り替わると、ノードN2に接続される容量素子の数が減り容量値が小さくなるように制御される。これにより、図9に破線で示すように、ノードN2の電位V2の傾きが急になってデューティ制御回路の出力パルスの幅が狭くなり、図1の実施形態の電源装置と同様な機能を有するようにされる。
図10には、可変電流源21の具体的な回路例を示す。この実施例の可変電流源21は、定電流源I0およびこれと直列に接続された電流−電圧変換用のMOSFET Q0と、該MOSFET Q0とカレントミラー接続されたn個のMOSFET Q1,Q2……Qnと、フィードバック端子FBBLと接地点との間にQ1〜Qnとそれぞれ直列に接続されたn個のスイッチMOSFET Q11〜Q1nとからなり、Q1〜QnにはQ0とのサイズ比に応じた電流が流れる。
そして、上記スイッチMOSFET Q11〜Q1nのゲート端子に制御コードCCの各ビット信号B1〜Bnが印加され、B1〜BnによってオンされるMOSFETの数を変えることでトータルの電流が切り替わるように構成されている。Q1〜QnおよびQ11〜Q1nはすべてNチャネルMOSFETである。図2のデューティ制御回路内の可変電流源22は、図10の回路と上下対称な構成を有し、Q1〜QnおよびQ11〜Q1nとしてPチャネルMOSFETを使用し、Q1〜Qnのソースは接地点の代わりに電源電圧VDDに接続した回路とすることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図1の電源装置においては、駆動用IC内に発振回路12が設けられているが、チップ外部で生成された発振信号が入力されるように構成されていても良い。また、図1では、スイッチング素子SW1としてMOSFETが使用されているが、バイポーラトランジスタを使用するようにしてもよい。
さらに、前記実施形態においては、スイッチングレギュレータを構成するスイッチングトランジスタSW1をICのチップ内に形成したものを示したが、このトランジスタには比較的大きな電流が流されるので、外付けの素子として接続するように構成しても良い。また、実施例の駆動用ICには、外部から駆動電流の指令値を与える制御コードCCが入力されるように構成されているが、電流指令値を制御コードの代わりにアナログ信号で与えるように構成することも可能である。
以上の説明では、本発明をLED駆動用電源装置に適用した例を説明したが、本発明にそれに限定されるものではなく、昇圧した電圧を発生し出力電流をフィードバック制御したい電源装置に広く利用することができる。
図1は、本発明を適用したLED駆動用電源装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 図2は、デューティ制御回路の具体例を示す回路図である。 図3は、図2のデューティ制御回路の動作を示すタイミングチャートである。 図4は、図1のLED駆動用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。 図5は、図4の一部区間を時間方向に拡大して示したタイミングチャートである。 図6は、デューティ制御回路の他の構成例を示す回路図である。 図7は、図6のデューティ制御回路の動作を示すタイミングチャートである。 図8は、デューティ制御回路のさらに他の構成例を示す回路図である。 図9は、図8のデューティ制御回路の動作を示すタイミングチャートである。 図10は、可変電流源の具体例を示す回路図である。 図11は、本発明に先立って検討したLED駆動用電源装置の一例を示すブロック構成図である。 図12は、図11のLED駆動用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。 図13は、図12の一部区間を時間方向に拡大して示したタイミングチャートである。
符号の説明
10 スイッチング制御回路
11 PFMコンパレータ
12 発振回路
13 デューティ制御回路
15 ドライブ回路
21,22 可変電流源
23 定電流源
24 可変電圧回路
25 可変容量
30 LEDユニット
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑容量
SW1 コイル駆動用スイッチングトランジスタ

Claims (6)

  1. インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、前記インダクタと出力端子との間に接続された整流素子と、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路と、出力電流に比例した電圧がフィードバックされその電圧に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFMコンパレータとを備えた直流電源装置であって、所定の周波数の発振信号のパルス幅を外部より供給される電流制御信号に応じて制御可能なデューティ制御回路を備え、前記PFMコンパレータの出力が所定のレベルの期間だけ前記デューティ制御回路から出力されるパルス信号を前記駆動回路に供給して前記スイッチング素子の駆動信号を生成することを特徴とする直流電源装置。
  2. インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、前記インダクタと出力端子との間に接続された整流素子と、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路と、出力電流に比例した電圧がフィードバックされその電圧に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFMコンパレータとを備え、前記出力端子に接続されたLEDユニットに駆動電流を流すLED駆動用電源装置であって、
    前記LEDユニットを流れた電流を引き込む可変電流源と、
    所定の周波数の発振信号のパルス幅を電流制御信号に応じて制御可能なデューティ制御回路と、を備え、
    前記可変電流源は前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成され、
    前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて出力のパルス幅を狭くするように構成され、
    前記PFMコンパレータの出力が所定のレベルの期間だけ前記デューティ制御回路から出力されるパルス信号を前記駆動回路に供給して前記スイッチング素子の駆動信号を生成することを特徴とするLED駆動用電源装置。
  3. 前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成された第2可変電流源と、該第2可変電流源と直列に接続された容量素子と、前記第2可変電流源と前記容量素子との結合ノードに接続されたディスチャージ用のスイッチと、前記結合ノードの電位と所定の参照電圧とを比較するコンパレータと、を備え、
    前記ディスチャージ用のスイッチは前記発振信号によってオン、オフ制御され、
    前記第2可変電流源は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて流す電流が多くなるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動用電源装置。
  4. 前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成された定電流源と、該定電流源と直列に接続された容量素子と、前記定電流源と前記容量素子との結合ノードに接続されたディスチャージ用のスイッチと、前記電流制御信号に応じた参照電圧を出力する可変電圧手段と、前記結合ノードの電位と前記可変電圧手段から出力される参照電圧とを比較するコンパレータと、を備え、
    前記ディスチャージ用のスイッチは前記発振信号によってオン、オフ制御され、
    前記可変電圧手段は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて出力する電圧が低くなるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動用電源装置。
  5. 前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成された定電流源と、該定電流源と直列に接続された可変容量手段と、前記定電流源と前記可変容量手段との結合ノードに接続されたディスチャージ用のスイッチと、前記結合ノードの電位と所定の参照電圧とを比較するコンパレータと、を備え、
    前記ディスチャージ用のスイッチは前記発振信号によってオン、オフ制御され、
    前記可変容量手段は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて容量値が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動用電源装置。
  6. インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路と、出力電流に比例した電圧がフィードバックされその電圧に応じたパルス幅を有する信号を出力するPFMコンパレータとを備えた電源駆動用半導体集積回路であって、
    出力電流がフィードバックされる外部端子と、
    該外部端子に接続され前記出力電流を引き込む可変電流源と、
    所定の周波数の発振信号のパルス幅を電流制御信号に応じて制御可能なデューティ制御回路と、を備え、
    前記可変電流源は前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成され、
    前記デューティ制御回路は、前記電流制御信号が出力電流を少なく流すことを要求する場合には出力電流を多く流すことを要求する場合に比べて出力のパルス幅を狭くするように構成され、
    前記PFMコンパレータの出力が所定のレベルの期間だけ前記デューティ制御回路から出力されるパルス信号を前記駆動回路に供給して前記スイッチング素子の駆動信号を生成することを特徴とする電源駆動用半導体集積回路。
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