JP4909727B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流の入力電源を用いて、発光ダイオードに対し、所定の周期にて点灯・点滅制御を行う半導体装置に関する。

従来から電源供給状態を示すため、ＬＥＤ（発光ダイオード）を一定周期により、点灯・点滅させる回路が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、従来、直流の入力電源を用いて、発光ダイオードを点灯させる回路において、発光ダイオードに流れる順方向電流をモニタするため、検出用抵抗を付加し、その抵抗の端子間の電圧を、スイッチングレギュレータ等の出力電圧制御手段にて帰還させ、一定の電流をＬＥＤに流すことにより、点灯時における発光の輝度を一定に保つ方法が用いられている。

上記回路としては、例えば、図３に示すように、電源２０１から入力される直流電圧より、インダクタ２０３,スイッチング手段２０６および制御回路２０７からなる昇圧方式（または降圧方式）のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を用いて、ダイオード２０４にて整流した結果のパルスにより、Ｈレベルの期間にてＬＥＤに駆動電流を流し、点灯制御を行う。
すなわち、ＬＥＤに順方向電流を流すために必要な電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより生成して出力し、その出力信号をＬＥＤに与え、ＬＥＤに順方向電流を流すことにより、ＬＥＤを発光させる。

その際、図３に示すように、ＬＥＤの順方向電流を一定に保つために、ＬＥＤに対して直列に接続された電流検出用の抵抗２０８を用い、電流制御を行う定電流回路を用いられている。
特開平０５−６４４２０号公報

しかしながら、図１に示される回路にあっては、電流検出用の抵抗２０８に流れる電流により、余分な電力の損失が発生する。
また、この電力の損失は、ＬＥＤを高輝度に点灯させる場合、より大きな順方向電流を流すため、輝度を上げるに従い増加する。
また、上記順方向電圧（ＶＦ）は、ＬＥＤの種類や個体差などにより異なる。そのため、この順方向電圧のばらつきを吸収するため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を大きめに設定する必要がある。
これにより、順方向電圧が小さいほうにばらついたものは、順方向電流が増加し、損失が大きくなるという欠点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、順方向電圧のばらつきに対して、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を増加させることなく対応させるＬＥＤ点灯駆動を行う半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、直流電圧により、ＬＥＤを点滅させるパルス形状の電圧信号を生成して供給する半導体装置であり、直流電圧を発生する直流電源と、一端が直流電源に接続され、他端がＬＥＤに対して駆動電圧を出力する出力端子に接続されたインダクタと、前記インダクタの他端と接地点との間に介挿されたコンデンサと、前記インダクタの他端に接続されたスイッチング素子とを有し、前記インダクタとコンデンサとの共振により、ＬＥＤに対してパルス形状の駆動電圧を供給することを特徴とする。

本発明の半導体装置は、ＬＥＤを接続する際、前記出力端子にカソードを、接地点にアノードを接続し、前記パルス状の駆動電圧が前記ＬＥＤの順方向電圧となったときに点灯することを特徴とする。

本発明の半導体装置は、前記出力端子にアノードが接続されたダイオードと、該ダイオードのカソード及び接地点の間に介挿され、直列接続された第１の抵抗および第２の抵抗と、前記第１及び第２の抵抗の接続点の電位によりスイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御部とをさらに有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、直流電源から入力される直流電圧に対し、スイッチング素子によりコイルから接地点に流れる電流をオン/オフ制御し、コイルに蓄積された電気エネルギーにより、コイルとコンデンサとの共振回路による共振動作により、ＬＥＤのカソードに供給する電圧を、パルス状に上昇および下降させ、ＬＥＤに順方向電流を流して点灯制御することにより、ＬＥＤに直列に接続する抵抗が不要となり、輝度を高くした場合に、不要の電力の損失を従来例に比較して減少させることができる。

また、本発明によれば、ＬＥＤが順方向電圧が個体差などによりばらついているが、上述したようにＬＥＤと直列に抵抗が介挿されていないため、順方向電圧が小さいＬＥＤに使用する際に、順方向電流が多く流れたとしても、電力の損失が大きくなることを抑制することができる、という効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態による半導体装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態による半導体装置の構成例を示すブロック図である。
この図において、直流電源１０１は、正極（＋側）がインダクタンス（コイル）１１０の一端に接続され負極（−側）が接地点（ＧＮＤ：グランド）に接続されている。
インダクタ１１０は、他端がコンデンサ１１３の一端と接続点Ａにおいて接続されている。
コンデンサ１１３は、他端が接地点に接続されており、すなわち直流電源１０１の正極と接地点との間にてインダクタ１１０と直列に接続されている。

スイッチング素子１１１は、制御回路部１２０からの制御信号（制御パルス）、たとえばＨレベルのパルスにてオンし、直流電源１０１からインダクタ１１０を介して接地点に対して電流を流し、インダクタ１１０に電気エネルギー（電荷）を蓄積させる。また、スイッチング素子１１１は、制御回路部１２０から、制御信号をＬレベルにて入力するとオフ状態となり、インダクタ１１０から接地点に対して電流を流さない。

上述した制御回路部１２０の制御により、インダクタ１１０に蓄積された電気エネルギーにより、インダクタ１１０及びコンデンサ１１３による共振動作が起こる。
ＬＥＤ１１２は、カソードがＡ点（出力端子）に接続され、他端が接地点に接続されている。
ダイオード１０２は、アノードがＡ点に接続されている。コンデンサ１０５は、ダイオード１０２のカソードと接地点との間に介挿されている。
この構成において、スイッチング素子１１１，コンデンサ１１３，インダクタ１１０，ダイオード１０２及び制御回路部１２０によりＤＣ−ＤＣコンバータが形成されている。

抵抗１０３は、一端がダイオード１０２のカソードに接続され、他端がＢ点にて抵抗１０４の一端に接続されている。
上記抵抗１０４は、他端が接地点に接続されており、すなわちダイオード１０２のカソードと接地点との間にて、抵抗１０３と直列に接続されている。
制御回路部１２０は、上述したインダクタ１１０及びコンデンサ１１３による共振動作を起こさせる制御として、接続点Ｂの電圧ＶＢにより、スイッチング素子１１１へ出力する、一定周期の制御パルスのデューティを変化させ、スイッチング素子１１１のオン／オフ制御を行う。ここで、制御回路部１２０は、電圧ＶＢが予め設定した設定電圧ＶSETに対して低下したことを検出した場合、Ｈレベルの期間を延ばし、制御パルスを出力する予め設定した周期におけるＬレベルの期間を短くし、電圧ＶＢが予め設定された設定電圧ＶSETに対して上昇したことを検出した場合、Ｈレベルの期間を短くし、Ｌレベルの期間を延ばす。

次に、図１および図２を参照して、本実施形態の半導体装置の動作の説明を行う。図２は、本実施形態の半導体装置の動作例を示す波形図である。
時刻ｔ１において、制御回路部１２０は、Ｈレベルの制御パルスをスイッチング素子１１１に対して出力する。
これにより、スイッチング素子１１１がオン状態となり、インダクタ１１０は直流電源１０１の正極から接地点に対する電流が流れることにより、この電流の流れる期間に対応する電気エネルギー（電荷）が蓄積される。

時刻ｔ２において、制御回路部１２０は、制御パルスをＬレベルに遷移させ、スイッチング素子１１１をオフ状態とする。このときにインダクタ１１０に流れる電流ＩLが、インダクタ１１０に流れる最大電流ＩLpeakとなる。
そして、インダクタ１１０に蓄積された電気エネルギーにより、上記時刻ｔ２と時刻ｔ４との間にて、インダクタ１１０及びコンデンサ１１３にて共振動作が行われる。
図２に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ３までに、蓄積された電気エネルギーにより、インダクタ１１０に電流が流れる。

そして、コンデンサ１１３に電気エネルギーが移行するに従い、徐々にインダクタ１１０に流れる電流が減少し、時刻ｔ３にて電気エネルギーが０となると電流ＩLも０とり、点Ａにおける電圧値は最大値ＶＨとなる。
次に、共振動作により、コンデンサ１１３に蓄積された電気エネルギーにより、インダクタ１１０に対して徐々に負の電流が流れ、この電流値が絶対値としてみると増加する。
このとき、スイッチング素子１１１をオフ状態となった際の最大電流ＩLpeakと同様の電流値（絶対値）の負の電流値（−ＩLpeak）となるまで下降する。

そして、上述したように、時刻ｔ３において、インダクタ１１０に流れる電流ＩLは「０」となり、Ａ点の電圧値は最大値ＶＨとなり、時刻ｔ４において電流ＩLは-ＩLpeakとなる。ここで、上記最大値ＶＨは以下の式により求められる。
ＶＨ＝２π×ｆ×Ｌ×ＩLpeak＋Ｖin
この式において、ｆはインダクタ１１０及びコンデンサ１１３における共振周波数であり、Ｌはインダクタ１１０のインダクタンスであり、Ｖinは直流電源１０１の出力電圧値である。

この時刻ｔ４において最大電流ＩLpeakとなり、Ａ点、すなわちＬＥＤ１１２のカソードに発生する電圧と接地点の電圧差がＬＥＤ１１２の順方向電圧を越えた場合、ＬＥＤ１１２に順方向電流が流れて、ＬＥＤ１１２は点灯する。
このとき、Ａ点の電圧と接地点との電圧差は、ほぼＬＥＤ１１２の順方向電圧（ＶＦ）に近い電圧となる。
そして、時刻ｔ５において、制御回路部１２０は、スイッチング素子１１１に対して、制御パルスをＨレベルとする。

これにより、インダクタ１１０に、強制的に接地点に対する電流が流れ、インダクタ１１０及びコンデンサ１１３の共振動作が停止し、Ａ点の電圧は「０」となり、ＬＥＤ１１２の順方向電圧より低下し、ＬＥＤ１１２は消灯する。
以降、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの処理が繰り返され、ＬＥＤ１１２に対してパルス形状（時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間幅のパルス）の駆動電圧が印加されることとなる。このＬＥＤ１１２の点灯時間は、コンデンサ１１３に蓄積される電気エネルギー（電荷）の量に比例している。

上述した処理において、制御回路部１２０は、Ｂ点の電圧値と設定されている電圧ＶSETとを比較することにより、スイッチング素子１１１に対する制御パルスの幅（Ｈレベルの時間、すなわち、制御パルスの出力する一定周期におけるデューティ）を変化させる。
Ｂ点における電圧は、ダイオード１０２を介して入力されるＡ点の電圧波形の最大電圧値ＶＨから、ダイオード１０２の順方向電圧を差し引いた電圧値ＶＫを、抵抗１０３及び抵抗１０４により分圧した電圧値となる。
したがって、制御回路部１２０に対してフィードバックの電圧であるＶＢを出力する分圧回路を構成する抵抗１０３及び抵抗１０４の抵抗値を、これらの抵抗がダイオード１０２と直列に接続されていないため、従来例における抵抗２０７に比較して高抵抗とすることができる。すなわち、ＬＥＤ１１２に供給される電圧を検出する上記分圧回路の消費電力を従来例の構成に比較して抑制することが可能となる。

ここで、Ａ点においても、インダクタ１１０及びコンデンサ１１３による共振動作により、ＬＥＤ１１２に電流が流れなければ、時刻ｔ４の所定時間後に、時刻ｔ３における最大値ＶＨと同様の負電圧ＶＨＭが発生する。
すなわち、ダイオード１０２のカソードにおける電圧が、上記最大値ＶＨよりダイオード１０２の順方向電圧を差し引いた電圧値ＶＫとなり、この電圧ＶＫを検出することにより、負電圧ＶＨＭの値を推定することができる。

したがって、制御回路部１２０において、ＬＥＤ１１２の順方向電圧ＶＦを越え、設定された輝度に対応した電圧ＶＫが抵抗１０３及び抵抗１０４により分圧される電圧値以上となるよう、設定電圧ＶSETを設定しておく。
これにより、制御回路部１２０は、時刻ｔ４においてＡ点の電圧がＬＥＤ１１２を点灯させるように、スイッチング素子１１１に対して、必要なＨレベルのパルス幅の制御パルスを与える制御を行う。したがって、ＬＥＤ１１２の発光する輝度の調整を、上記設定電圧ＶSETを調整することによって、容易に調整することができる。

上述した構成により、本実施形態の半導体装置は、制御回路部１２０が検出する電圧値を、従来のようにＬＥＤ１１２に対して直列に接続していないため、余分の電力消費を低減し、かつ設定値ＶSETの調整により輝度調整を行うことにより、ＬＥＤ１１２の順方向電圧ＶＦのばらつきを容易に吸収することができる。

本発明の一実施形態によるＬＥＤの点灯制御を行う半導体装置の回路の構成例を示す概念図である。 図１の半導体装置の動作を説明するための波形図である。 従来のＬＥＤの点灯制御を行う半導体装置の回路の構成例を示す概念図である。

符号の説明

１０１…直流電源
１０２…ダイオード
１０３，１０４…抵抗
１０５，１１３…コンデンサ
１１０…インダクタ
１１１…スイッチング素子
１１２…ＬＥＤ
１２０…制御回路部

Claims (2)

1. 直流電圧により、出力端子にカソードを接続し接地点にアノードを接続したＬＥＤを点滅させるパルス形状の電圧信号を生成して供給する半導体装置であり、
   直流電圧を発生する直流電源と、
   一端が直流電源に接続され、他端が前記出力端子に接続されたインダクタと、
   前記インダクタの他端と接地点との間に介挿されたコンデンサと、
   前記インダクタの他端に接続されたスイッチング素子と
   を有し、
   前記インダクタとコンデンサとの共振により、ＬＥＤに対してパルス形状の駆動電圧を供給し、前記パルス形状の駆動電圧が順方向電圧となったときに前記ＬＥＤを点灯することを特徴とする半導体装置。
2. 前記出力端子にアノードが接続されたダイオードと、
   該ダイオードのカソード及び接地点の間に介挿され、直列接続された第１の抵抗および第２の抵抗と、
   前記第１及び第２の抵抗の接続点の電位によりスイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御部と
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

Images