JP5082280B2

JP5082280B2 - 発光素子駆動回路及びそれを備えた携帯装置

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Publication number: JP5082280B2
Application number: JP2006106998A
Authority: JP
Inventors: 紀昭古賀; 努安藤; 誉博内藤; 勉福田
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Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2012-11-28
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Description

本発明は、発光素子駆動回路及びそれを備えた携帯装置に関する。

従来より、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子は、表示素子や照明用として様々な用途に用いられている。たとえば、携帯電話などの携帯装置においては、着信表示、充電中表示などの各種状態の報知手段として、またＬＣＤなどの表示器の照明用の光源として用いられており、これらの発光素子は発光素子駆動回路によって駆動される。

特許文献１には、携帯電話などにおいて、発光素子としてのダイオードを駆動する従来の発光素子駆動回路が開示（特許文献１の図４参照）されている。この従来の発光素子駆動回路100は、図１０に示すように、制御回路101と、昇圧回路102と、定電流回路として動作するトランジスタＴ100とを有している。そして、この発光素子駆動回路100によって、発光素子Ｄ100が駆動される。

すなわち、発光素子駆動回路100は、リチウム電池などの電池電圧Ｖddを昇圧回路102によって高電圧の駆動電圧Ｖoutに昇圧するように制御回路101によって制御され、このように昇圧された駆動電圧Ｖoutが発光素子Ｄ100の一端（アノード）に印加される。一方、発光素子Ｄ100の他端（カソード）は、トランジスタＴ100に接続されており、このトランジスタＴ100がオン状態となることによって、発光素子Ｄ100に定電流が流れ、発光素子Ｄ100が駆動される。

また、制御回路101は、駆動電圧Ｖoutの電圧値Ｖdetを検出してフィードバックし、制御回路101において、この駆動電圧Ｖoutが一定値となるように、昇圧回路102を制御する。

ところで、携帯電話などのように電池を駆動源として動作する携帯装置においては、携帯装置内部で消費する電力を低減して動作時間をできるだけ長くすることが望ましい。そこで、従来の発光素子駆動回路においては、駆動する発光素子にあわせた必要最小限度の駆動電圧Ｖoutを昇圧回路から出力するように制御するものがあり、このような構成にすることにより、定電流回路にかかる電圧を低減し、定電流回路で生じる消費電力を低減している。

たとえば、図１１に示すように、発光素子Ｄ200を接続する駆動端子ＶLEDの電圧が一定になるように昇圧回路201の出力電圧Ｖoutを出力するものがある。

すなわち、発光素子Ｄ200の一端（アノード）を昇圧回路201の出力電圧Ｖoutに接続すると共に、その他端（カソード）を定電流回路202に接続し、定電流回路202を動作させて発光素子Ｄ200を駆動したときに駆動端子ＶLEDに生じる電圧を検出して、発光素子Ｄ200の他端（アノード）の電圧ＶLEDが定電流回路202におけるＮチャンネル型トランジスタＮ200を定電流動作させるために必要な電圧値となるように昇圧回路201の出力電圧Ｖoutを調整している。

このように、定電流回路202におけるＮチャンネル型トランジスタＮ200が定電流動作するために必要な電圧値となるように昇圧回路201の出力電圧Ｖoutを調整することによって、定電流回路202において消費する電力を低減している。
特開２００３−３３２６２４号公報

ところで、近年、携帯装置においては、上述のように各種状態の報知手段として、またＬＣＤ表示器等の照明用の光源として用いられており、発光素子の発光量を変えて種々の報知を行ったり、ＬＣＤ表示器等の照明強度を調整するものが開発されてきており、このような携帯装置における発光素子駆動回路は、発光素子へ供給する定電流の電流値を可変に設定できるように構成されている。

ところが、従来の携帯装置における発光素子駆動回路は、発光素子に供給する電流が最大値のときにでもＮチャンネル型トランジスタＮ200を定電流動作させることができる電圧値となるように駆動端子の電圧ＶLEDが設定されていた。すなわち、発光素子に供給する定電流の電流値にかかわらず、駆動端子の電圧ＶLEDを常に一定の電圧となるように制御されていた。そのため、定電流回路で消費する電力を十分に低減することができなかった。

たとえば、Ｎチャンネル型トランジスタＮ200のＶ−Ｉ特性（ドレイン−ソース間電圧ＶLEDとドレイン電流ＩＤとの関係）がたとえば図１２に示すように特性であるとし、発光素子Ｄ200に供給する電流をＩ１（電流小）、Ｉ２（電流大）であるとすると、発光素子を電流値Ｉ２の定電流で駆動させるために図１２におけるＡ２ポイントを選択、すなわち端子電圧ＶLEDをＶ１に設定しているため、発光素子に電流値Ｉ１の定電流を供給するときに最小限必要な端子電圧ＶLEDであるＶ０よりもΔＶ大きいＶ１の電圧がＮチャンネル型トランジスタＮ200に印加されることになり、Ｎチャンネル型トランジスタＮ200はΔＶ×Ｉ１（Ｗ）の電力を余計に消費してしまうことになる。

さらに、従来の携帯装置における発光素子駆動回路においては、トランジスタや発光素子の電圧（たとえば、発光ダイオードの順方向電圧ＶＦ）の製造上のばらつきを考慮して、この端子電圧ＶLEDの設定を行っていた。

したがって、発光素子に供給する電流を切り替えないような発光素子駆動回路であっても、最小限必要な端子電圧ＶLEDであるＶ０よりも大きい端子電圧ＶLEDが設定されることになり、Ｎチャンネル型トランジスタＮ200は電力を余計に消費してしまうことになる。

そこで、本発明は、発光素子を定電流で駆動する発光素子駆動回路及び携帯装置において、消費電力を低減することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、発光素子を定電流駆動する発光素子駆動回路において、電池電圧を入力し、この電池電圧を昇圧すると共に、前記電池電圧及び前記電池電圧を昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を出力電圧として前記発光素子へ出力する電源回路と、前記発光素子を駆動するトランジスタを有し、前記トランジスタのゲート電圧を調整することによって前記発光素子を定電流で駆動する定電流回路と、前記トランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値とを比較する第１比較回路と、前記電池電圧より所定電圧だけ高い第１電圧と前記出力電圧とを比較する第２比較回路と、前記第２比較回路による比較の結果、前記第１電圧よりも前記出力電圧が高い場合には、前記所定の閾値と同等の電圧を基準電圧として前記電源回路へ入力し、前記第１電圧よりも前記出力電圧が低い場合には、前記所定の閾値よりも所定量だけ低い電圧を前記基準電圧として前記電源回路へ入力する基準電圧調整部と、を備え、前記電源回路は、前記ゲート電圧と前記基準電圧とを比較する第３比較回路と、前記第３比較回路の出力と発振器の出力とを比較する第４比較回路と、ソース端子をグランドに接続したＮチャンネル型トランジスタと、ドレイン端子にコイルを介して電池電圧を入力され且つ当該ドレイン端子を前記Ｎチャンネル型トランジスタのドレイン端子に接続したＰチャンネル型トランジスタと、前記Ｐチャンネル型トランジスタのソース端子電圧を平滑して前記出力電圧とする平滑コンデンサと、前記第４比較回路の出力に基づいて前記Ｎチャンネル型トランジスタ及び前記Ｐチャンネル型トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、からなり、前記第１比較回路の比較の結果、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値以下のときは、前記第３比較回路、前記第４比較回路及び前記発振器を動作停止状態にして前記電池電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させ、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値を越えるときは、前記電池電圧を昇圧した電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させる、発光素子駆動回路としてある。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電源回路は、前記電池電圧を昇圧して前記発光素子へ出力する場合、前記トランジスタのゲート電圧が前記所定の閾値と同等の電圧となるように前記電池電圧を昇圧することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記所定の閾値は、前記発光素子が定電流で駆動できる限界の前記トランジスタのゲート電圧近傍に設定されることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか1項に記載の発明において、前記定電流回路を複数設け、前記比較回路は、前記複数の定電流回路のトランジスタのうち、最もゲート電圧が高いトランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と前記所定の閾値とを比較することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、電源電圧源として電池を有する携帯装置において、発光素子と、前記発光素子を駆動する発光素子駆動回路とを有し、前記発光素子駆動回路は、電池電圧を入力し、この電池電圧を昇圧すると共に、前記電池電圧及び前記電池電圧を昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を出力電圧として前記発光素子へ出力する電源回路と、前記発光素子を駆動するトランジスタを有し、前記トランジスタのゲート電圧を調整することによって前記発光素子を定電流で駆動する定電流回路と、前記トランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値とを比較する第１比較回路と、前記電池電圧より所定電圧だけ高い第１電圧と前記出力電圧とを比較する第２比較回路と、前記第２比較回路による比較の結果、前記第１電圧よりも前記出力電圧が高い場合には、前記所定の閾値と同等の電圧を基準電圧として前記電源回路へ入力し、前記第１電圧よりも前記出力電圧が低い場合には、前記所定の閾値よりも所定量だけ低い電圧を前記基準電圧として前記電源回路へ入力する基準電圧調整部と、を備え、前記電源回路は、前記ゲート電圧と前記基準電圧とを比較する第３比較回路と、前記第３比較回路の出力と発振器の出力とを比較する第４比較回路と、ソース端子をグランドに接続したＮチャンネル型トランジスタと、ドレイン端子にコイルを介して電池電圧を入力され且つ当該ドレイン端子を前記Ｎチャンネル型トランジスタのドレイン端子に接続したＰチャンネル型トランジスタと、前記Ｐチャンネル型トランジスタのソース端子電圧を平滑して前記出力電圧とする平滑コンデンサと、前記第４比較回路の出力に基づいて前記Ｎチャンネル型トランジスタ及び前記Ｐチャンネル型トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、からなり、前記第１比較回路の比較の結果、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値以下のときは、前記第３比較回路、前記第４比較回路及び前記発振器を動作停止状態にして前記電池電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させ、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値を越えるときは、前記電池電圧を昇圧した電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させる、携帯装置としてある。

請求項１に記載の発明によれば、発光素子の特性ばらつきを考慮することなく、消費電力の低減することができる。しかも、発光素子に供給する電流を切り替えるような場合においても、消費電力を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、昇圧回路によって発光素子に供給する電圧を適切に設定することができるため、消費電力の低減が可能となる。

また、請求項３に記載の発明によれば、定電流回路のトランジスタで発光素子を駆動できるぎりぎりの状態まで、電池電圧で発光素子を駆動することができ、発光素子駆動回路における消費電力の低減効果をさらに向上することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、複数の発光素子があった場合でも、全ての発光素子を低電圧駆動することができる一方、消費電力の低減効果も得ることができる発光素子駆動回路及び携帯装置を提供することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば、発光素子の特性ばらつきを考慮することなく、消費電力の低減することができる。しかも、発光素子に供給する電流を切り替えるような場合においても、消費電力の低減することができる。

本実施形態における携帯装置は、電池と、発光素子と、この発光素子を定電流駆動するための発光素子駆動回路とを備えている。

発光素子駆動回路は、電池電圧を入力し、この電池電圧を昇圧すると共に、電池電圧及び電池電圧を昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を発光素子へ出力する電源回路を備えている。

さらに、発光素子駆動回路は、発光素子を駆動するトランジスタを有し、トランジスタのゲート電圧を調整することによって発光素子を定電流で駆動する定電流回路を備えている。

しかも、定電流回路のトランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値と比較する比較回路と、ゲート電圧の電圧レベルが所定の閾値を越えるとき電源回路を制御して電池電圧を昇圧した電圧を発光素子へ出力させ、ゲート電圧の電圧レベルが所定の閾値以下のとき電源回路を制御して電池電圧を発光素子へ出力させる制御部とを有する構成としている。

定電流回路におけるトランジスタのゲート電圧は、後述のようにこのトランジスタのソース−ドレイン間の電圧がある電圧レベル以下となると、大きくしなければ、定電流駆動（ドライブ）できない。言い換えれば、トランジスタのゲート電圧を検出することによって、定電流回路の駆動状態を検出することができるのである。

従来の定電流回路では、トランジスタや発光素子のばらつきを考慮して、トランジスタのソース−ドレイン間の電圧が一定値以上になるように設定していたため、余分な電力を消費してしまう場合があった。

しかしながら、本実施の形態においては、トランジスタのゲート電圧を検出することによって、定電流回路のトランジスタにおける定電流駆動状態を判定し、電池電圧と電池電圧を昇圧した電圧とのいずれを出力電圧とするかを選択するようにしており、これにより発光素子駆動回路において消費する電力を低減することができるのである。

特に、所定の閾値を、定電流駆動限界時の前記トランジスタのゲート電圧近傍に設定することによって、定電流回路のトランジスタで発光素子を駆動できるぎりぎりの状態まで、電池電圧で発光素子を駆動することができるため、発光素子駆動回路における消費電力の低減効果をさらに向上することができる。

また、電池電圧の出力を選択したときには、電源回路による昇圧動作を停止することにより電源回路においてさらに消費電力を低減することが可能となる。

さらに、電源回路において、電池電圧を昇圧した電圧を発光素子へ出力するとき、昇圧する電圧（電源回路の出力電圧）をトランジスタのゲート電圧に応じた電圧とすることによって、電源回路を発光素子駆動に用いた場合の消費電力を低減することができる。

また、定電流回路を複数設け、複数の発光素子を駆動するようにしてもよい。この場合、比較回路は、複数の定電流回路のトランジスタのうち、最もゲート電圧が高いトランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値とを比較するようにする。

したがって、複数の発光素子があった場合でも、全ての発光素子を低電圧駆動することができる一方、消費電力の低減効果も得ることができる発光素子駆動回路及び携帯装置を提供することが可能となる。

（第１実施形態）
次に、本発明の実施の形態における発光素子駆動回路及びそれを備えた携帯装置について図面を参照してさらに具体的に説明する。図１は本実施形態における携帯装置の構成図、図２は本実施形態における発光素子駆動回路の構成図である。

図１に示すように、本実施形態における携帯装置１は、電源電圧として電池BATを有しており、この電池BATの電圧Ｖbatを用いて動作する。

また、携帯装置１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどにより構成される制御回路２と、デジタル音声信号等をアナログ信号へ変換してスピーカ（図示せず）へ出力し、マイク（図示せず）で受信した音声アナログ信号をデジタル音声信号へ変換する等の音声処理を行う音声処理部３と、制御回路２から出力される画像データを表示するＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）４と、図示しない基地局等と無線通信により制御信号や音声信号のやり取りを行う無線回路５と、携帯装置１の各操作を行うための入力装置６と、発光素子LED１が配置された発光素子部７と、発光素子部７の発光素子LED１を駆動して発光させるための発光素子駆動回路10とを備えている。

なお、本実施形態においては、発光素子LED１として発光ダイオードを例に挙げて説明するが、定電流で動作する発光素子であれば、これに限られるものではない。

発光素子駆動回路10は、制御回路２からの制御信号に基づいて、発光素子部７の発光素子LED１を駆動するように構成されている。

この発光素子駆動回路10は、図２に示すように、電池BATの電圧Ｖbatを入力し、電池電圧Ｖbatを昇圧すると共に、電池電圧Ｖbat及び電池電圧Ｖbatを昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を発光素子LED１へ出力する電源回路11と、発光素子LED１を駆動するＮチャンネル型トランジスタＮ１を有し、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを調整することによって発光素子LED１を定電流で駆動する定電流回路12と、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを検出し、このゲート電圧Ｖgと所定の閾値Ｖthと比較する比較回路である第１コンパレータCOMP1と、電池電圧Ｖbatと電源回路の出力電圧Ｖout（電池BATの出力電圧Ｖbatが出力電圧Ｖoutとして出力される場合には、電池電圧Ｖbat）とを比較する比較回路である第２コンパレータCOMP2と、第１コンパレータCOMP1における比較結果に応じて、電源回路11を制御する制御部としてのスルー／昇圧判定部13とを有している。このスルー／昇圧判定部13は、ゲート電圧Ｖgの電圧レベルが所定の閾値Ｖthを越えるときに、電源回路11を制御して電池電圧Ｖbatを昇圧した電圧を発光素子LED１へ出力させ、ゲート電圧Ｖgの電圧レベルが所定の閾値Ｖth以下のとき電源回路11を制御して電池BATの出力電圧Ｖbatを発光素子LED１へ出力させるものである。

電源回路11は、電池電圧Ｖbatを出力する低消費電力モードと、電池電圧Ｖbatを昇圧する昇圧モードのいずれか一方のモードで動作する。電源回路11における昇圧構成は、ＰＷＭ制御型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、図３に示すように、スルー／昇圧判定部13から出力される基準電圧ＶrefとＮチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgとを比較する第１オペアンプＯＰ10と、三角波を生成する発振器ＯＳＣ10と、第１オペアンプＯＰ10の出力信号と発振器ＯＳＣ10で生成した三角波とを比較する第２オペアンプＯＰ11と、第２オペアンプＯＰ11の出力信号に基づいた信号を生成する論理(logic)回路ＩＣ10と、論理回路ＩＣ10から出力された制御信号を増幅するドライバ回路ＤＲ10,ＤＲ11と、ドライバ回路ＤＲ10,ＤＲ11によって増幅された制御信号に基づいてそれぞれオン、オフが制御されるＰチャンネル型トランジスタＰ10，Ｎチャンネル型トランジスタＮ10と、コイルＬ10と、コンデンサＣ10とから構成される。なお、本実施形態においては、電源回路11は、コイルＬ10、コンデンサＣ10を除き、半導体集積回路（ＩＣ）20として構成されている。

このように構成された電源回路11は、Ｐチャンネル型トランジスタＰ10をオフにし、Ｎチャンネル型トランジスタＮ10をオンにすることによって電池BATの電力をコイルＬ10にチャージし、その後、Ｎチャンネル型トランジスタＮ10をオフにし、Ｐチャンネル型トランジスタＰ10をオンにすることによってコイルＬ10にチャージした電力をＰチャンネル型トランジスタＰ10のソースから出力し、コンデンサＣ10で平滑して出力電圧Ｖoutを生成するように構成されている。

また、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgとスルー／昇圧判定部13から出力される基準電圧Ｖrefとの比較結果に基づいてＮチャンネル型トランジスタＮ10及びＰチャンネル型トランジスタのオン・オフ時間を制御し、一定の電圧を出力電圧Ｖoutとして出力するようにしている。

すなわち、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgが基準電圧Ｖrefよりも低い場合には、第１オペアンプＯＰ10からの出力信号の電圧を大きくし、ゲート電圧Ｖgが基準電圧Ｖrefより高い場合には、第１オペアンプＯＰ10からの出力信号の電圧を小さくする。

第２オペアンプＯＰ11は、第１オペアンプＯＰ10からの出力信号の電圧が発振器OSC10から出力される三角波の電圧よりも大きい電圧のときにＨｉｇｈレベルの電圧を、小さいときにＬｏｗレベルの信号を出力することによって生成されるパルス信号を論理回路ＩＣ10へ出力する。

そして、第２オペアンプＯＰ11は、第１オペアンプＯＰ10からの出力信号の電圧が大きいときには、パルス幅（Ｈｉｇｈレベルの電圧の期間）が大きいパルス信号を出力し、小さいときにはパルス幅が小さいパルス信号を出力する。

論理回路ＩＣ10は、第２オペアンプＯＰ11から出力されるパルス信号のパルス幅が大きいときには、Ｎチャンネル型トランジスタＮ10のオン時間及びＰチャンネル型トランジスタＰ10のオフ時間を長くして、コイルＬ10の電力チャージ量を多くするように、ドライバ回路ＤＲ10，ＤＲ11を駆動する。また、第２オペアンプＯＰ11から出力されるパルス信号のパルス幅が小さいときには、Ｎチャンネル型トランジスタＮ10のオン時間及びＰチャンネル型トランジスタＰ10のオフ時間を短くして、コイルＬ10の単位時間あたりの電力チャージ量を小さくするようにドライバ回路ＤＲ10，ＤＲ11を駆動する。

また、第１及び第２オペアンプＯＰ10，ＯＰ11、発振器OSC10、論理回路IC10、及びドライバ回路ＤＲ10，ＤＲ11は、発光素子駆動回路10内の電源制御回路21によって、動作停止状態に制御可能に構成されており、これらが動作停止状態となったとき、発光素子駆動回路10を低消費電力モードに移行する。

この低消費電力モードは、スルー／昇圧判定部13から出力されるBOOST＿ON信号によって制御される。すなわち、発光素子駆動回路10の電源制御回路21は、BOOST＿ON信号がHigh電圧であるとき、電池電圧Ｖbatを昇圧した電圧を出力電圧Ｖoutとして電源回路11から出力させる昇圧モードとなる。一方、BOOST＿ON信号がLow電圧のとき、昇圧動作を停止し、電池電圧Ｖbatを出力電圧Ｖoutとして出力する低消費電力モードとなる。

ここで、低消費電力モードのとき、発光素子駆動回路10は次のように動作する。

発光素子駆動回路10の電源制御回路21は、BOOST＿ON信号がLow電圧のとき、第１及び第２オペアンプＯＰ10，ＯＰ11、発振器OSC10を動作停止状態にし、論理回路IC10を制御して、Ｐチャンネル型トランジスタＰ10がオンになるようにドライバ回路ＤＲ10を駆動すると共に、Ｎチャンネル型トランジスタＮ10がオフとなるようにドライバ回路ＤＲ11を駆動し、電池BATの電圧ＶbatをＰチャンネル型トランジスタＰ10を介して出力電圧Ｖoutとして出力する。

次に定電流回路12について説明する。定電流回路12は、図２に示すように、定電流源16と、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１，Ｐ２と、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１，Ｎ２と、オペアンプＯＰ１とから構成される。

Ｐチャンネル型トランジスタＰ２のソースは電池電圧Ｖbatに接続され、そのドレインは定電流源16に接続される。また、Ｐチャンネル型トランジスタＰ２のベースはそのドレインに接続されると共に、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１のベースに接続される。また、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１のソースは電池電圧Ｖbatに接続され、そのドレインはＮチャンネル型トランジスタＮ２のドレインに接続される。したがって、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１，Ｐ２によってミラー回路が構成され、定電流源16によってＰチャンネル型トランジスタＰ２に流れる電流と同じ電流がＰチャンネル型トランジスタＰ１に流れる。

また、Ｎチャンネル型トランジスタＮ２のゲートは、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲートに接続されており、そのソースはグランド電位に接続されている。また、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のソースも同様にグランド電位に接続されている。また、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子にはＰチャンネル型トランジスタＰ１のドレインが接続され、その反転入力端子には、発光素子LED１のカソードに接続される駆動端子に接続されており、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１のドレイン電圧と駆動端子の電圧ＶLEDとの比較結果がオペアンプＯＰ１の出力端子から出力される。

オペアンプＯＰ１の出力は、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１，Ｎ２のゲートに接続されており、オペアンプＯＰ１の出力に基づいてＮチャンネル型トランジスタＮ１，Ｎ２を駆動するように構成されている。

ここで、Ｐチャンネル型トランジスタＰ１とＰ２とは、同一のチップサイズで形成されており、また、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１とＮ２とは、同一のチップサイズで形成されている。

このように構成されているため、定電流回路12は、定電流源16の電流値Ｉdと略同一の定電流を発光素子LED１に供給することができる。

すなわち、定電流源16の電流値ＩdでＰチャンネル型トランジスタＰ２に定電流が供給され、Ｐチャンネル型トランジスタＰ２とカレントミラー回路を構成するＰチャンネル型トランジスタＰ１にＰチャンネル型トランジスタＰ２と同じ電流値Ｉdの定電流が流れる。Ｐチャンネル型トランジスタＰ１からＮチャンネル型トランジスタＮ２に電流値Ｉdの定電流が流れると、Ｎチャンネル型トランジスタＮ２のドレインにその電流に応じた電圧が発生し、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のドレインの電圧がＮチャンネル型トランジスタＮ２のソースの電圧と同一になるように、オペアンプＯＰ１が駆動する。そのため、定電流源16の電流値Ｉdと略同一の電流がＮチャンネル型トランジスタＮ１に流れることになる。

なお、定電流回路12において、消費電力を低減するためには、定電流源の電流値を小さくし、各トランジスタＰ１，Ｐ２，Ｎ２の消費電力を低減することが望ましい。そこで、Ｐチャンネル型トランジスタＰ２に供給される電流の数倍の電流をＰチャンネル型トランジスタＰ１に流すように、さらに、Ｎチャンネル型トランジスタＮ２に供給される電流の数倍の電流をＮチャンネル型トランジスタＮ１に流すように、トランジスタＰ１，Ｐ２，Ｎ１，Ｎ２を構成して、最終的にＮチャンネル型トランジスタＮ１に電流値Ｉdを流すようにすることが望ましい。

ここで、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを異なる電圧とした場合の、端子電圧ＶLEDと発光素子LED１に流れる電流Ｉdとの関係について、図面を参照して説明する。図４は、端子電圧ＶLEDと発光素子LED１に流れる電流Ｉdとの関係を示す図である。図５は、発光素子LED１を所定の定電流で駆動させるための、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgと端子電圧ＶLEDとの関係を示す図である。なお、この端子電圧ＶLEDは、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のドレイン−ソース電圧である。

図４に示すＶg１〜Ｖgｎは、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgの電圧値を示すものであり、Ｖg１から順に高い電圧となっている。

図４に示す例では、ゲート電圧Ｖgの電圧値がＶg１のときは、発光素子LED１をＩd１の定電流で駆動することができるが、端子電圧ＶLEDが低くなってくると、発光素子LED１をＩd１の定電流で駆動できなくなる。すなわち、電池電圧Ｖbatが低くなってくると、端子電圧ＶLEDが低くなり、ゲート電圧Ｖgを一定にしたままでは、発光素子LED１を定電流で駆動できなくなるのである。

しかし、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを端子電圧ＶLEDに応じて調整することによって、発光素子LED１をＩd１の定電流で駆動することができるようになる。すなわち、ゲート電圧ＶgをＶg1からＶgnまで端子電圧ＶLEDに応じて変化させて、発光素子LED１をＩd１の定電流で駆動する。

したがって、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧を図５に示すように、調整することにより、端子電圧ＶLEDが低くなったときでも、発光素子LED１をＩd１の定電流で駆動することができる。

本実施形態における定電流回路12は、図２に示すように構成されているため端子電圧ＶLEDが低くなると、オペアンプＯＰ１によりＮチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを高くするように構成されており、その特性は図５に示すようになる。

ここで、図５中のＶgｎは、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１による発光素子LED1の定電流駆動限界時のＮチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgの電圧値である。

したがって、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧ＶgをＶgｎまで高くしても発光素子LED１を定電流で駆動することができる。言い換えれば、ゲート電圧ＶgがＶgｎを越えると発光素子LED1を定電流で駆動できなくなるのである。

本実施形態における発光素子駆動回路10は、電池BATの電圧Ｖbatが低下した場合であっても、発光素子LED1の定電流駆動限界まで電池電圧Ｖbatで駆動させるために、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgを最大限の電圧値Ｖgnまで調整し、その後ゲート電圧ＶgがＶgnを越えると電池電圧Ｖbatを昇圧するように電源回路11を制御するようにしている。

なお、ＶgnはＮチャンネル型トランジスタＮ１の製造上のばらつきにより変動するため、このばらつきを考慮する必要がある。本実施形態においては、定電流駆動限界時のトランジスタのゲート電圧Ｖg近傍のＶgｎ-1を電池電圧Ｖbatでの駆動の最大値とし、トランジスタＮ１にばらつきがあった場合でも、定電流駆動することができるようにしている。

すなわち、第１コンパレータCOMP1において、Ｎチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgと比較するための所定の閾値ＶthをＶgn-1とし、ゲート電圧Ｖgが所定の閾値Ｖth以下のときには、第１コンパレータCOMP1からLow信号が出力され、ゲート電圧Ｖgが所定の閾値Ｖthよりも大きくなったとき、第１コンパレータCOMP1からHigh信号が出力される。

スルー／昇圧判定部13は、ゲート電圧Ｖgが所定の閾値Ｖth以下のときに、第１コンパレータCOMP1から出力されるLow信号により、Low電圧のBOOST＿ON信号を出力するように構成されている。スルー／昇圧判定部13からLow電圧のBOOST＿ON信号が出力されると、電源回路11の電源制御回路21は、上述のように電源回路11を低消費電力モードとし、電池電圧Ｖbatを出力電圧Ｖoutとして電源回路11から出力させる。

一方、第１コンパレータCOMP1からHigh信号が出力されると、スルー／昇圧判定部13は、High電圧のBOOST＿ON信号を出力するように構成されている。スルー／昇圧判定部13からHigh電圧のBOOST＿ON信号が出力されると、電源回路11の電源制御回路21は、上述のように電源回路11を昇圧モードとし、電池電圧Ｖbatを昇圧した電圧を出力電圧Ｖoutとして電源回路11から出力させる。

このように、発光素子駆動回路10は、定電流回路12の定電流駆動限界時におけるゲート電圧近傍に設定することによって、図６に示すように、定電流回路によって定電流駆動できるぎりぎりの状態まで、電池電圧で発光素子を駆動することができるため、発光素子駆動回路10における消費電力の低減効果をさらに向上することができる。なお、図６は、発光素子駆動回路10における端子電圧ＶLEDと駆動電流Ｉdとの関係を示す図である。

さらに、本実施形態における発光素子駆動回路10は、電源回路11を昇圧モードで動作させるとき、出力電圧ＶoutをＮチャンネル型トランジスタＮ１のゲート電圧Ｖgに応じた電圧とすることで、昇圧モード時において余分な電力の消費を低減するようにしている。

すなわち、電源回路11の第１オペアンプＯＰ１０の反転入力端子にＮチャンネル型トランジスタＮ１のゲートを接続し、その非反転入力端子に基準電圧Ｖrefを接続しており、ゲート電圧Ｖgが基準電圧Ｖrefと同等の電圧となるような出力電圧Ｖoutが電源回路11から出力されるのである。

また、基準電圧Ｖrefの値をＶgn-１とすることによって、定電流回路12を定電流駆動限界ぎりぎりのところで動作させることができ、その結果、昇圧モード時において余分な電力の消費を低減することができるのである。

しかも、本実施形態における発光素子駆動回路10は、電源回路11の動作を安定させるために、以下のように構成されており、これにより基準電圧Ｖrefにヒステリシスを持たせるようにしている。

すなわち、第２コンパレータCOMP2は、その第１入力端子に電池電圧Ｖbatよりも所定電圧だけ高い電圧（以下、「電池電圧Ｖbat’」とする。）を、また、その第２入力端子に電源回路11の出力電圧Ｖoutをそれぞれ入力し、これらを比較する。この比較の結果、電池電圧Ｖbat’よりも出力電圧Ｖoutの電圧が低いときにはHigh電圧の信号を出力し、電池電圧Ｖbat’よりも出力電圧Ｖoutの電圧が高いときにはLow電圧の信号を出力する。

また、スルー／昇圧判定部13は、第２コンパレータCOMP2からHigh電圧の信号が出力されると、基準電圧Ｖrefとして、Ｖgn-1からＶhysだけ低い電圧を出力する。一方、第２コンパレータCOMP2からLow電圧の信号が出力されると、基準電圧Ｖrefとして、Ｖgn-1を出力する。

このように、発光素子駆動回路10は、電源回路11に昇圧動作させているときには、昇圧モードから低消費電力モードへ移行するための基準電圧Ｖrefを、低消費電力モードから昇圧モードからへ移行するための基準電圧Ｖrefよりも下げることによって、電源回路11の昇圧動作を安定させるようにしている。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、１つの発光素子LED１を駆動する発光素子駆動回路について説明したが、本第２実施形態における携帯装置は、複数の発光素子LED１〜LEDｎを駆動する発光素子駆動回路を備えている。なお、第２実施形態における携帯装置の構成は、第１実施形態における携帯装置の構成と、発光素子駆動回路以外は同等であるため、ここでは、発光素子駆動回路10'のみについてその構成及び動作を説明する。なお、発光素子駆動回路10'のうち第１実施形態の発光素子駆動回路10と同一の構成のものについては、第１実施形態と同一符号を付している。

図７に示すように、第２実施形態における発光素子駆動回路10'は、電源回路11と、定電流回路12-1〜12-ｎとを有している。ここで、電源回路11の構成は、第１実施形態の電源回路11と同一であり、定電流回路12-1〜12-ｎも第１実施形態の定電流回路12と同一であるため、ここでは説明を省略する。なお、定電流回路12-1〜12-ｎは発光素子LED1〜LEDnをそれぞれ駆動するために定電流を供給するものである。

第２実施形態の発光素子駆動回路10'は、さらに最高電圧検出回路17を備えている。この最高電圧検出回路17は、各発光素子LED1〜LEDnのゲート電圧Ｖg1〜Ｖgnのうち、一番高いゲート電圧を選択してスルー／昇圧判定部13に出力する回路である。そして、この最高電圧検出回路17が選択したゲート電圧Ｖgに基づいて、第１実施形態と同様に、昇圧モードと低消費電力モードとの切り替え、及び昇圧モード時の出力電圧Ｖout調整が行われる。

このように最高電圧検出回路17によって各発光素子LED1〜LEDnのゲート電圧Ｖg1〜Ｖgnのうち、一番高いゲート電圧に基づいて出力電圧Ｖoutが生成されるため、定電流回路が複数となった場合でも、定電流駆動限界に最も早く近づく定電流回路12に合わせて電源回路11の駆動電圧Ｖoutを変更するので、各発光素子LED1〜LEDnを安定して駆動させることができ、消費電力も可及的に抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、上記記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて、種々の変形、改良を施した他の実施形態で実施をすることができる。

たとえば、電源回路11として、図３に示す電源回路11を用いず、図８に示すように、三角波を使用せずにロジック回路によって各トランジスタＮ20，Ｐ20〜Ｐ22を制御し、電池BATの電池電圧Ｖbatを昇圧する電源回路11’を用いたチャージポンプ型回路を用いるのである。

また、電源回路11を、図３に示す電源回路11を用いず、図９に示すような構成としてもよい。具体的には、クロック発生器CLK30と、ＡＮＤ回路IC30と、フロップフロップIC31と、遅延回路31と、論理回路IC32と、ドライバＤＲ30，ＤＲ31と、Ｎチャンネル型トランジスタＮ30と、Ｐチャンネル型トランジスタＰ30と、コイルＬ30と、コンデンサＣ30とを有する電源回路11''とする。

そして、スルー／昇圧判定部13から出力されるBOOST＿ON信号がHigh電圧の状態のときに、クロック発生器CLK30から出力されるクロックがフロップフロップIC31から出力され、BOOST＿ON信号がLow電圧の状態のときに、フロップフロップIC31の出力はLow電位となる。

論理回路IC32は、フロップフロップIC31から出力される信号に基づいた制御信号を生成し、この制御信号によって、ドライバ回路ＤＲ10,ＤＲ11を制御して、電池電圧Ｖbatを昇圧する。すなわち、フロップフロップIC31からクロックが出力されているときに、ドライバ回路ＤＲ10,ＤＲ11を制御して、電池電圧Ｖbatを昇圧する。

したがって、この電源回路11''を発光素子駆動回路に用いることにより、クロック発生器CLK30のクロック周期毎に、BOOST＿ON信号に応じたモードで動作する。言い換えれば、BOOST＿ON信号に応じて追従性の高いモード切り替えを行うことができる。したがって、基準電圧Ｖrefを第２コンパレータCOMP2を用いずとも、昇圧モード時において余分な電力の消費を低減することができる。

また、第１及び第２実施形態においては、発光素子駆動回路は、制御回路からの制御信号に基づいて、発光素子部７の発光素子LEDを駆動するように構成しているが、これに限られず、入力装置や通信インターフェイスなどを介して外部から入力するようにすることもできる。

本実施形態における携帯装置の構成を示す図である。本実施形態における発光素子駆動回路の構成を示す図である。図２の発光素子駆動回路における電源回路の構成を示す図である。図２の発光素子駆動回路における定電流回路の特性を示す図である。図２の発光素子駆動回路における定電流回路の特性を示す図である。図２の発光素子駆動回路における定電流回路の特性を示す図である。本実施形態における別の発光素子駆動回路の構成を示す図である。図２の発光素子駆動回路における他の電源回路の構成を示す図である。図２の発光素子駆動回路における別の電源回路の構成を示す図である。従来の発光素子駆動回路の構成を示す図である。従来の他の発光素子駆動回路の構成を示す図である。図１１の発光素子駆動回路におけるトランジスタの特性を示す図である。

符号の説明

１携帯装置
１０発光素子駆動回路
１１電源回路
１２定電流回路
１４昇圧回路
１５スルー／昇圧判定回路
１６定電流源
COMP1 第１コンパレータ
COMP2 第２コンパレータ
Ｎ１Ｎチャネル型トランジスタ
LED１発光素子

Claims

発光素子を定電流駆動する発光素子駆動回路において、
電池電圧を入力し、この電池電圧を昇圧すると共に、前記電池電圧及び前記電池電圧を昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を出力電圧として前記発光素子へ出力する電源回路と、
前記発光素子を駆動するトランジスタを有し、前記トランジスタのゲート電圧を調整することによって前記発光素子を定電流で駆動する定電流回路と、
前記トランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値とを比較する第１比較回路と、
前記電池電圧より所定電圧だけ高い第１電圧と前記出力電圧とを比較する第２比較回路と、
前記第２比較回路による比較の結果、前記第１電圧よりも前記出力電圧が高い場合には、前記所定の閾値と同等の電圧を基準電圧として前記電源回路へ入力し、前記第１電圧よりも前記出力電圧が低い場合には、前記所定の閾値よりも所定量だけ低い電圧を前記基準電圧として前記電源回路へ入力する基準電圧調整部と、
を備え、
前記電源回路は、
前記ゲート電圧と前記基準電圧とを比較する第３比較回路と、
前記第３比較回路の出力と発振器の出力とを比較する第４比較回路と、
ソース端子をグランドに接続したＮチャンネル型トランジスタと、
ドレイン端子にコイルを介して電池電圧を入力され且つ当該ドレイン端子を前記Ｎチャンネル型トランジスタのドレイン端子に接続したＰチャンネル型トランジスタと、
前記Ｐチャンネル型トランジスタのソース端子電圧を平滑して前記出力電圧とする平滑コンデンサと、
前記第４比較回路の出力に基づいて前記Ｎチャンネル型トランジスタ及び前記Ｐチャンネル型トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、
からなり、
前記第１比較回路の比較の結果、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値以下のときは、前記第３比較回路、前記第４比較回路及び前記発振器を動作停止状態にして前記電池電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させ、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値を越えるときは、前記電池電圧を昇圧した電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させる、発光素子駆動回路。
前記電源回路は、
前記電池電圧を昇圧して前記発光素子へ出力する場合、前記トランジスタのゲート電圧が前記所定の閾値と同等の電圧となるように前記電池電圧を昇圧する
ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動回路。
前記所定の閾値は、前記発光素子が定電流で駆動できる限界の前記トランジスタのゲート電圧近傍に設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子駆動回路。
前記定電流回路を複数設け、
前記比較回路は、
前記複数の定電流回路のトランジスタのうち、最もゲート電圧が高いトランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と前記所定の閾値とを比較する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子駆動回路。
電源電圧源として電池を有する携帯装置において、
発光素子と、
前記発光素子を駆動する発光素子駆動回路と、を有し、
前記発光素子駆動回路は、
電池電圧を入力し、この電池電圧を昇圧すると共に、前記電池電圧及び前記電池電圧を昇圧した電圧のいずれか一方の電圧を出力電圧として前記発光素子へ出力する電源回路と、
前記発光素子を駆動するトランジスタを有し、前記トランジスタのゲート電圧を調整することによって前記発光素子を定電流で駆動する定電流回路と、
前記トランジスタのゲート電圧を検出し、このゲート電圧と所定の閾値とを比較する第１比較回路と、
前記電池電圧より所定電圧だけ高い第１電圧と前記出力電圧とを比較する第２比較回路と、
前記第２比較回路による比較の結果、前記第１電圧よりも前記出力電圧が高い場合には、前記所定の閾値と同等の電圧を基準電圧として前記電源回路へ入力し、前記第１電圧よりも前記出力電圧が低い場合には、前記所定の閾値よりも所定量だけ低い電圧を前記基準電圧として前記電源回路へ入力する基準電圧調整部と、
を備え、
前記電源回路は、
前記ゲート電圧と前記基準電圧とを比較する第３比較回路と、
前記第３比較回路の出力と発振器の出力とを比較する第４比較回路と、
ソース端子をグランドに接続したＮチャンネル型トランジスタと、
ドレイン端子にコイルを介して電池電圧を入力され且つ当該ドレイン端子を前記Ｎチャンネル型トランジスタのドレイン端子に接続したＰチャンネル型トランジスタと、
前記Ｐチャンネル型トランジスタのソース端子電圧を平滑して前記出力電圧とする平滑コンデンサと、
前記第４比較回路の出力に基づいて前記Ｎチャンネル型トランジスタ及び前記Ｐチャンネル型トランジスタのオン／オフを制御する制御回路と、
からなり、
前記第１比較回路の比較の結果、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値以下のときは、前記第３比較回路、前記第４比較回路及び前記発振器を動作停止状態にして前記電池電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させ、前記ゲート電圧の電圧レベルが前記所定の閾値を越えるときは、前記電池電圧を昇圧した電圧を前記出力電圧として前記発光素子へ出力させる、携帯装置。