JP5205974B2

JP5205974B2 - 直流電源装置、ｌｅｄ駆動用電源装置および電源制御用半導体集積回路

Info

Publication number: JP5205974B2
Application number: JP2008001352A
Authority: JP
Inventors: 敬三熊谷
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: US20090174340A1; CN101500360A; JP2009164395A; EP2079156A2; US7977890B2; CN101500360B

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制御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が使用されている。また、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２００３−１５２２２４号公報

ＬＥＤ駆動用電源電圧を発生する直流電源装置においては、装置をオフしたい場合に、インダクタに電流を流すスイッチング素子を制御する制御回路（制御用ＩＣ）の電源電圧を単に遮断したのでは、回路内部に電位的にフローティングになるノードが生じて回路が不所望な動作をするおそれがある。そこで、一般には、図１に示すように、制御用ＩＣに外部からシャットダウン信号ＳＨＤＮを入力する端子を設け、このシャットダウン信号ＳＨＤＮがハイレベルまたはロウレベルにされると、誤差アンプや発振器、ＰＷＭ（パルス幅変調）コンパレータなどの内部回路の定電流源をオフしたりプルダウンスイッチをオンにしたりすることで、回路内部に電位的にフローティングになるノードが生じないように構成される。

ところで、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２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。このＬＥＤ駆動用電源装置は、ＬＥＤを流れた電流がフィードバックされる端子ＦＢに引き込み用の可変電流源１１を設け、この可変電流源１１の電流を制御コードＣＣで制御することでＬＥＤの駆動電流を切り替えるようにするとともに、可変電流源１１内部の定電流源ＣＳ１をシャットダウン信号ＳＨＤＮでオフできるように構成することで、可変電流源１１の電流を遮断するようにしたものである。

しかしながら、図２のＬＥＤ駆動用電源装置にあっては、定電流源ＣＳ１をオフすると、フィードバック端子ＦＢと接地点間が開放状態となり、フィードバック端子ＦＢが出力電圧まで上昇して、制御回路の内部素子が破壊されてしまうおそれがある。これを回避するため、フィードバック端子ＦＢに接続される素子を高耐圧素子に変更することも考えられるが、そのようにすると、面積が増加するとともにプロセスも複雑になるためコストアップを招く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、フィードバックされる出力の高電圧で内部素子が破壊されるおそれのないＬＥＤ駆動用電源装置および電源制御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、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生成し、該信号に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備え、出力端子に接続されたＬＥＤユニットに駆動電流を流す直流電源装置において、出力電流を引き込むフィードバック用の外部端子と、該外部端子に接続されシャットダウン信号によってオン、オフ可能に構成された可変電流源と、前記外部端子と接地点との間に接続され前記シャットダウン信号によってオンされて前記外部端子へ入力された出力電流を接地点へ流す放電手段とを設けるようにしたものである。

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生成し前記駆動回路へ出力する制御信号生成回路とを備え、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フィードバック用の外部端子と、該外部端子に接続されシャットダウン信号によってオン、オフ可能に構成された可変電流源と、前記外部端子と接地点との間に接続され前記シャットダウン信号によってオンされて前記ＬＥＤユニットからの電流を流す放電手段とを設けるようにしたものである。

上記のような構成によれば、シャットダウン信号が入力されると放電手段が作動してフィードバック用の外部端子へ流れ込む出力電流を放電するため、フィードバック用の外部端子に接続されている制御回路を構成する内部素子に高耐圧素子を用いなくても素子が破壊されるおそれがなく、これにより面積の増大、プロセスの複雑化を回避することができる。

ここで、望ましくは、前記可変電流源は、外部からの電流制御信号に応じた電流を流すように構成する。これにより、ＬＥＤに流す駆動電流が切替え可能となる。

また、前記可変電流源は、前記シャットダウン信号によってオン、オフ可能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電流−電圧変換用トランジスタと、該電流−電圧変換用トランジスタとカレントミラー接続されたｎ個（ｎは正の整数）のトランジスタと、前記フィードバック端子と接地点との間に前記ｎ個のトランジスタと直列に接続されたｎ個のスイッチトランジスタと、を備え、前記ｎ個のスイッチトランジスタがｎビットの前記電流制御信号の各ビット信号によってそれぞれオン、オフ制御されるように構成するとよい。

前記制御信号生成回路は、前記フィードバック端子の電位を第１入力端子に受け第２入力端子に印加される参照電圧との電位差に応じた信号を出力する誤差増幅回路と、該誤差増幅回路の出力と所定の周波数の三角波とを比較して出力電圧に応じたパルス幅を有する信号を生成するＰＷＭコンパレータとを備え、前記駆動回路は前記ＰＷＭコンパレータの出力信号に基いて前記スイッチング素子をオン、オフ駆動する信号を生成するように構成するとよい。

あるいは、前記制御信号生成回路は、前記フィードバック端子の電位を第１入力端子に受け第２入力端子に印加される参照電圧との電位差に応じたパルス幅を有する信号を生成するＰＦＭ（パルス周波数変調）コンパレータと、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構成としても良い。

本発明に従うと、フィードバックされる出力の高電圧で内部素子が破壊されるおそれのないＬＥＤ駆動用電源装置および電源制御用半導体集積回路を実現できる。また、外部からの制御信号に応じてＬＥＤに流す駆動電流が切替え可能なＬＥＤ駆動用電源装置および電源制御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３は本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の第１の実施形態を示す。

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ＳＷ１との接続ノードと出力端子との間に接続されたダイオードＤ１、出力端子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は一つの半導体チップ上に半導体集積回路（以下、電源制御用ＩＣと称する）として形成され、スイッチングトランジスタＳＷ１とコイル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電源制御用ＩＣに外付け素子として接続されている。

また、電源制御用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ＦＢ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ＦＢに接続された可変電流源１１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１１に流されるように構成されている。さらに、電源制御用ＩＣには、外部のＣＰＵなどから供給される例えば３ビットの電流制御コードＣＢ１〜ＣＢ３が入力される端子が設けられており、上記可変電流源１１はこの端子に供給される制御コードＣＢ１〜ＣＢ３（電流指令値）に応じた電流を流すように構成されている。制御コードは３ビットに限定されず、任意のビットとすることができる。

スイッチング制御回路１０は、上記フィードバック端子ＦＢに反転入力端子が接続されフィードバック端子ＦＢの電圧と参照電圧Ｖref1とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ１２と、該誤差アンプ１２の出力が非反転入力端子に入力されるＰＷＭコンパレータ１３と、該ＰＷＭコンパレータ１３の出力に応じて前記スイッチング素子ＳＷ１のオン、オフ駆動信号を生成し出力する駆動回路１５を有する。

上記ＰＷＭコンパレータ１３の反転入力端子には、所定の周波数の波形信号φ１を生成する発振回路１４からの三角波が入力され、フィードバック電圧に応じて電圧が高いときは出力のパルス幅を狭くしフィードバック電圧が低いときは出力のパルス幅を広くするような制御を行なう。そして、このＰＷＭコンパレータ１３により生成されたパルス信号が駆動回路１５に供給される。

可変電流源１１は、定電流源ＣＳ１およびこれと直列に接続された電流−電圧変換用のＭＯＳＦＥＴＱ０と、該ＭＯＳＦＥＴＱ０とカレントミラー接続された３個のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２，Ｑ３と、フィードバック端子ＦＢと接地点との間にＱ１〜Ｑ３とそれぞれ直列に接続されたｎ個のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１３とからなり、Ｑ１〜Ｑ３にはＱ０とのサイズ比に応じた電流が流れる。そして、スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１３のゲート端子に制御コードＣＣの各ビット信号ＣＢ１〜ＣＢ３が印加され、ＣＢ１〜ＣＢ３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。

この実施形態では、電源制御用ＩＣにシャットダウン信号ＳＨＤＮの入力端子が設けられ、誤差アンプ１２、ＰＷＭコンパレータ１３、発振回路１４はこのシャットダウン信号ＳＨＤＮによって内部の定電流源などがオフされて非動作状態にされる。さらに、フィードバック端子ＦＢと接地点との間に抵抗Ｒ０とスイッチＭＯＳＦＥＴＳＷ０が直列に設けられており、ＳＷ０のゲート端子に前記シャットダウン信号ＳＨＤＮが印加され、シャットダウン時にＳＷ０がオンされてフィードバック端子ＦＢに流れ込む電流を放電するように構成されている。そのため、フィードバック端子ＦＢに接続されている誤差アンプ１２を構成する内部素子に高耐圧素子を用いなくても素子が破壊されるおそれがなく、これにより面積の増大、プロセスの複雑化を回避することができる。

なお、この実施形態では、フィードバック端子ＦＢと接地点との間に抵抗Ｒ０とスイッチＭＯＳＦＥＴＳＷ０を直列に設けているが、抵抗を省いてスイッチＭＯＳＦＥＴＳＷ０のみとしてもよい。ただし、その場合には、スイッチＭＯＳＦＥＴＳＷ０のドレインが直接外部端子に接続されるので、静電気による破壊を防止できるような構造の素子を使用する必要がある。

図４は本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の第２の実施形態を示す。

この実施形態のスイッチング制御回路１０は、フィードバック端子ＦＢに接続されフィードバック端子ＦＢの電圧に応じた周波数のパルス信号を生成するＰＦＭコンパレータ１６、所定の周波数の信号を生成する発振回路１４、発振信号φ２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１７、ＰＦＭコンパレータ１６の反転信号とデューティ制御回路１７の出力を入力とするＯＲゲート回路１８、ＯＲゲート回路１８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。可変電流源１１の構成は、図３と同じであるので、詳細な構成の図示および説明は省略する。

この実施形態においても、フィードバック端子ＦＢと接地点との間にスイッチＭＯＳＦＥＴＳＷ０が設けられており、ＳＷ０のゲート端子に前記シャットダウン信号ＳＨＤＮが印加され、シャットダウン時にＳＷ０がオンされてフィードバック端子ＦＢに流れ込む電流を放電するように構成されているため、フィードバック端子ＦＢに接続されているＰＦＭコンパレータ１６を構成する内部素子に高耐圧素子を用いなくても素子が破壊されるおそれがなく、これにより面積の増大、プロセスの複雑化を回避することができる。

図５には、デューティ制御回路１７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１７は、電源電圧端子ＶＤＤと接地点との間に直列に接続された定電流源ＣＳ２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ＭＯＳＦＥＴＳＷ２と、定電流源ＣＳ２とコンデンサＣ２との接続ノードＮ２の電位と参照電圧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ＭＯＳＦＥＴＳＷ２のゲート端子には、発振回路１４からの発振信号φ２が印加されており、φ２がロウレベルの期間はＳＷ２がオフされて、定電流源ＣＳ２の電流によりコンデンサＣ２が充電され、ノードＮ２の電位が次第に上昇するとともに、φ２がハイレベルの期間はＳＷ２がオンされて、コンデンサＣ２の電荷が放電されることにより、ノードＮ２の電位Ｖ２は鋸歯状に変化するようになる。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６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信号Ｖｄｃが生成される。発振信号φ２には、例えば１ＭＨｚのような周波数の信号が使用される。

この実施形態のＬＥＤ駆動用電源装置においては、図７（Ａ）に示すように、制御コードＣＣによりＬＥＤの電流が下げる方向に切り替えられると、図７（Ｃ）に示すように、ＰＦＭコンパレータ１６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、スイッチングトランジスタＳＷ１の駆動パルスは、図７（Ｄ）に示すように、次第に間隔が広くなる。その結果、ＬＥＤに流れる駆動電流が減少する。

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３や図４の電源装置においては、電源制御用ＩＣ内に発振回路１４が設けられているが、チップ外部で生成された発振信号を受けるように構成されていても良い。

また、前記実施形態では、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、実施形態では、フィードバック端子に可変電流源を接続したものを説明したが、フィードバック端子にシャットダウン信号によってオン、オフされる定電流源が接続されているＬＥＤ駆動用電源装置にも適用することができる。

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の外付け素子として接続するようにしたものを示したが、ＩＣのオンチップ素子として構成しても良い。また、実施例の電源制御用ＩＣには、外部から駆動電流の指令値を与える制御コードが入力されるように構成されているが、指令値を制御コードの代わりにアナログ信号で指令を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、従来の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２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３は、本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。図４は、本発明を適用したＬＥＤ駆動用電源装置の第２の実施形態を示すブロック構成図である。図５は、デューティ制御回路の構成例が示す回路図である。図６は、図５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７は、図４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。

符号の説明

１０スイッチング制御回路
１１可変電流源
１２誤差アンプ
１３ＰＷＭコンパレータ
１４発振回路
１５ドライブ回路
１６ＰＦＭコンパレータ
１７デューティ制御回路
３０ＬＥＤユニット
Ｌ１コイル（インダクタ）
Ｃ１平滑容量
ＷＬＥＤ白色発光ダイオード
ＳＷ１コイル駆動用スイッチングトランジスタ
ＣＳ１，ＣＳ２定電流源

Claims

インダクタに間歇的に電流を流すスイッチング素子と、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生成し、該信号に応じて前記スイッチング素子を駆動する信号を生成し出力する制御回路とを備えた直流電源装置において、
出力電流を引き込むフィードバック用の外部端子と、該外部端子に接続されシャットダウン信号によってオン、オフ可能に構成された可変電流源と、前記外部端子と接地点との間に接続され前記シャットダウン信号によってオンされて前記外部端子へ入力された前記出力電流を接地点へ流す放電手段とを備えることを特徴とする直流電源装置。
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生成し前記駆動回路へ出力する制御信号生成回路とを備え、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フィードバック用の外部端子と、該外部端子に接続されシャットダウン信号によってオン、オフ可能に構成された可変電流源と、前記外部端子と接地点との間に接続され前記シャットダウン信号によってオンされて前記ＬＥＤユニットからの電流を接地点へ流す放電手段とを備えることを特徴とするＬＥＤ駆動用電源装置。
前記可変電流源は外部からの電流制御信号に応じた電流を流す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。
前記可変電流源は、前記シャットダウン信号によってオン、オフ可能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電流−電圧変換用トランジスタと、該電流−電圧変換用トランジスタとカレントミラー接続されたｎ個（ｎは正の整数）のトランジスタと、前記外部端子と接地点との間に前記ｎ個のトランジスタと直列に接続されたｎ個のスイッチトランジスタと、を備え、
前記ｎ個のスイッチトランジスタがｎビットの前記電流制御信号の各ビット信号によってそれぞれオン、オフ制御されるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ駆動用電源装置。
前記制御信号生成回路は、前記外部端子の電位を第１入力端子に受け第２入力端子に印加される参照電圧との電位差に応じた信号を出力する誤差増幅回路と、該誤差増幅回路の出力と所定の周波数の三角波とを比較して出力電圧に応じたパルス幅を有する信号を生成するＰＷＭコンパレータとを備え、前記駆動回路は前記ＰＷＭコンパレータの出力信号に基いて前記スイッチング素子をオン、オフ駆動する信号を生成することを特徴とする請求項３または４に記載のＬＥＤ駆動用電源装置。
前記制御信号生成回路は、前記外部端子の電位を第１入力端子に受け第２入力端子に印加される参照電圧との電位差に応じたパルス幅を有する信号を生成するＰＦＭコンパレータと、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請求項３または４に記載のＬＥＤ駆動用電源装置。
インダクタに間歇的に電流を流す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生成し前記駆動回路へ出力する制御信号生成回路とを備えた電源制御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シャットダウン信号によってオン、オフ可能に構成された可変電流源と、
前記外部端子と接地点との間に接続され前記シャットダウン信号によってオンされて前記ＬＥＤユニットからの電流を接地点へ流す放電手段と、を備え、
前記可変電流源は、前記シャットダウン信号によってオン、オフ可能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電流−電圧変換用トランジスタと、該電流−電圧変換用トランジスタとカレントミラー接続されたｎ個（ｎは正の整数）のトランジスタと、前記外部端子と接地点との間に前記ｎ個のトランジスタと直列に接続されたｎ個のスイッチトランジスタとを有し、前記ｎ個のスイッチトランジスタがｎビットの前記電流制御信号の各ビット信号によってそれぞれオン、オフ制御されて前記電流制御信号に応じた電流を流すように構成されていることを特徴とする電源制御用半導体集積回路。