JP5331696B2 - バックライト・デバイスおよびバックライト・ディスプレイ用の複数の発光ダイオード要素からなるセット - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイ、または広告パネルなどのあらゆるタイプのバックライト・パネルなど、すべてのタイプのバックライト・ディスプレイまたはプロジェクタ用のバックライト・デバイスの分野に位置するものである。

放電ランプを装備したディスプレイまたはプロジェクタは、輝度および測色（ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）に関し制御するのが比較的困難であることで知られている。発光ダイオードが著しく進歩したことにより、新しいタイプのバックライト・デバイスを実現することが可能になっている。すなわち、バックライト・デバイスは、アレイの形に構成された複数の発光ダイオードすなわちＬＥＤを備える。これらのダイオードは、多分複数の基本ブロックにグループ化され、したがって個別に制御されるのではなくブロックごとに制御される。これらのダイオードは、コントラスト、および表示動作の見え方を改善するために動的に制御されることが好ましい。

各ダイオードは、２から５ボルト程度の低い電圧で動作する。この低い制御電圧では、例えば、ダイオードで消費される電力が１００ワットでなければならず、この電源が２ボルトで動作するときに、必要な電流が５０アンペアになるので不利である。

本発明の一目的は、このような高電流を供給する必要がない新しいタイプのバックライト・デバイスを提案することである。

本発明によれば、各発光ダイオードと、動作周期の一部分でエネルギーを蓄積し、その周期の他の部分で、その後このエネルギーを発光ダイオード中へ放出することができる電圧変換器と、を組み合わせることが提案される。

本発明は、バックライティング用の複数の発光ダイオード要素からなるセットに関し、各要素は発光ダイオードを備え、少なくとも１つの要素には発光ダイオードに給電するための降圧型電圧変換器回路（step-down voltage converter circuit）が装備される。

１つの特定の実施形態によれば、この電圧変換器回路（voltage converter circuit）は誘導性要素およびスイッチを備え、このスイッチは、誘導性要素が第１の動作位相（operating phase）中にエネルギーを蓄積し、第１の動作位相に連続する第２の動作位相中に、このエネルギーを発光ダイオード中へ放出するように制御される。

本発明はまた、
・行（rows）と列（columns）の形に構成された、複数の発光ダイオード要素からなるセットであって、各要素は発光ダイオードと、前記発光ダイオードに給電するための降圧型電圧変換器が装備された少なくとも１つの要素とを含む、複数の発光ダイオード要素からなるセットと、
・前記１つの発光ダイオードの電圧変換器回路を制御するための制御回路と
を備える、例えば液晶ディスプレイなどのディスプレイ用のバックライト・デバイスにも関連する。

特定の一実施形態によれば、この電圧変換器回路は誘導性要素およびスイッチを備え、このスイッチは、誘導性要素が第１の動作位相中にエネルギーを蓄積し、第１の動作位相に連続する第２の動作位相中に、このエネルギーを発光ダイオード中へ放出するように制御される。

実際には、このセットの複数の発光ダイオード要素は、行と列の形に構成され、その制御回路は、このセットの複数の要素からなる行を順次選択するための選択回路と、前記選択回路によって選択された行の複数の要素の第１の動作位相の時間をトリガし制御するための制御回路とを備える。

複数の発光ダイオードは、複数の基本ブロック内に配列され、各基本ブロックは少なくとも１つの発光ダイオード要素を備え、同じブロックの複数の要素が同じように制御されることが好ましい。この場合、このデバイスの選択回路は、複数の基本ブロックからなる複数の行を順次選択し、この制御回路は、選択回路によって選択された複数のブロックの第１の動作位相の時間をトリガし制御する。

機能的な観点から、現在のブロックの１つの行、および次のブロックの１つの行にそれぞれ属する２つの基本ブロックの要素についての、前述の第１の動作位相は、重ならない。各要素ごとに、前述の第１の動作位相の時間は可変である。この時間は、ある最小時間と最大時間の間に含まれる。

次の行のブロックの第１の動作位相が、現在の行のブロックの第１の動作位相の開始後で、最大時間に等しい期間の終了時に始まるのが望ましい。

本発明はまた、光を生成するためのバックライト・デバイスと、バックライト・デバイスによって生成された光で照射される、ビデオ・フレーム期間中に画像を表示するための画像デバイスとを備えるディスプレイにも関する。このディスプレイのバックライト・デバイスは、上記で定義されたバックライト・デバイスによるものである。

バックライト・デバイスの動作期間が、ディスプレイのビデオ・フレーム期間と同期するのが望ましい。このビデオ・フレーム期間は、例えばバックライト・デバイスの動作期間の時間の倍数である。バックライト・デバイスの動作期間の時間は、その動作が人の耳に聞こえないように、５０μｓ未満（２０ｋＨｚ以上の周波数）であることが好ましい。

本発明は、非限定的な例として示され、添付の図面を参照する、以下の説明を読めばよりよく理解されるであろう。

本発明によるバックライト・デバイスを示す図である。 図１のデバイスの基本ブロック・アレイの発光ダイオード要素からなる基本ブロックの詳細図である。 図２のブロックの発光ダイオード要素の第１の例の回路図である。 図３の要素のＡＮＤ論理ゲートの第１の例の回路図である。 図３の要素のＡＮＤ論理ゲートの第２の例の回路図である。 図３の発光ダイオード要素の第１の動作モードを示すタイミング図である。 図１のバックライト・デバイスの基本ブロック・アレイの順次点灯を示すタイミング図である。 図４または図５の論理ゲートの入力信号および出力信号を示すタイミング図である。 図３の発光ダイオード要素の第２の動作モードを示すタイミング図である。 図２のブロックの発光ダイオード要素の第２の例の回路図である。 図１０の発光ダイオード要素の動作モードを示すタイミング図である。

本発明によれば、要素アレイの各ダイオード要素は、発光ダイオード以外に、ダイオードに給電するための降圧型電圧変換器、より具体的には第１の動作位相中にエネルギーを蓄積して、それを第２の動作位相中にダイオード中へ放出するための降圧型電圧変換器を備える。

図１は、本発明によるディスプレイ用バックライト・デバイスを示す。これは、
複数の基本ブロック２０にグループ化された、複数の発光ダイオード要素からなるセット１０であって、前記基本ブロックはｎ個の行とｍ個の列からなるアレイの形に構成され、各基本ブロックは少なくとも１つの発光ダイオード要素を含み、これら要素自体は基本ブロック内でアレイの形に構成され、この実施形態では、これは必須ではないが、複数のブロックはサイズが同じであり、これらの要素それぞれから放出される光は時間変調され、したがってこの複数の要素はＰＷＭモード（パルス幅変調）で制御される、複数の発光ダイオード要素からなるセット１０と、
セット１０の複数の基本ブロックからなる行を順次選択する行選択回路１１であって、セット１０では、ｎ個の、複数の基本ブロックからなる行を含み、選択回路１１はｎ個の出力端を含み、各出力端は、セット１０の、複数のブロックからなる１つの行を選択するように設計され、この後の説明では、Ｓｉは、アレイ１０のブロックの行ｉを選択することを目的とする出力端を示す、行選択回路１１と、
セット１０の、複数のブロックからなる各列に、その列と選択回路１１によって選択された行とが交差するポイントに位置する基本ブロックの要素を点灯させる制御信号を用いて、給電するための制御回路１２であって、制御回路１２はｍ個の出力端を含み、各出力端はセット１０の複数の基本ブロックに接続され、この後の説明では、Ｃｊは、セット１０の列ｊに接続された出力端を示す、制御回路１２とを備える。

図２は、ｎ’×ｍ’個の発光ダイオード要素３０からなるアレイを備える基本ブロック２０の詳細図を示す。前記基本ブロックは、セット１０の行ｉおよび列ｊに属する。したがって、ブロック２０の要素３０のそれぞれは、選択回路１１の出力端Ｓｉ、および制御回路１２の出力端Ｃｊに接続されている。

図３は、発光ダイオード要素３０の第１の例の回路図を示す。これは発光ダイオード、すなわちＬＥＤ ３１、およびこのＬＥＤに給電する降圧型電圧変換器を備える。このコンバータは、トランジスタ型のスイッチ３３と直列に取り付けられたダイオード３２を、電源電圧Ｖａを受け取る電源端子（電源端子として知られる）と電圧Ｖｓｓを受け取る端子の間に備える。後者の端子は、例えばグランドに接続される。トランジスタ３３は、ＡＮＤ論理ゲート３５の出力端Ｓから供給される制御電圧によって制御され、前記ゲートは、選択回路１１の出力端Ｓｉから来る電圧信号を第１の入力端Ｅ１で受け取り、制御回路１２の出力端Ｃｊから来る電圧信号を第２の入力端Ｅ２で受け取る。ダイオード３２は、電源端子に向かって移動する電流を通すように配置される。ダイオード３２とトランジスタ３３の間にあるポイントは、誘導性要素３４を介してＬＥＤ ３１のカソードに接続される。ＬＥＤ ３１のアノードは電源端子に接続される。この後の説明では、Ｌは誘導性要素３４のインダクタンスを示し、Ｖ_LEDはＬＥＤ ３１の端子間の電圧を示し、Ｖ_LおよびＩ_Lは、それぞれ誘導性要素３４の端子間の電圧、および誘導性要素３４に向かって移動する電流を示す。Ｖ_Dはダイオード３２の端子間の電圧を示し、Ｖ_TおよびＩ_Tは、それぞれスイッチ３３の端子間の電圧、およびスイッチ３３中を循環する電流を示し、Ｖ_CTRLは、ゲート３５の出力端に存在するスイッチ３３の制御電圧を示す。

論理ゲート３５の第１の回路図の例が図４に示されている。このゲートは、ダイオード３６および抵抗要素３７を備える。ダイオード３６は、ゲートの入力端Ｅ２と出力端Ｓの間に接続される。ダイオード３６は、入力端Ｅ２に向かって移動する電流を通すように配置される。抵抗要素３７は、出力端Ｓと入力端Ｅ１の間に接続される。

論理ゲート３５の第２の回路図の例が図５に示されている。このゲートは、ＰＭＯＳ型のトランジスタ３９と直列にＮＭＯＳ型のトランジスタ３８を備える「プッシュプル」アセンブリである。両トランジスタの共通出力端（ソース）は、論理ゲート３５の出力端Ｓを構成する。入力端Ｅ２は、２つのトランジスタのゲートに接続され、入力端Ｅ１はトランジスタ３８のドレインに接続される。最後に、トランジスタ３９のドレインはＶｓｓ電圧を受け取る。

この発光ダイオード要素の第１の動作モードを図６のタイミング図で説明する。この動作モードでは、誘導性要素は、動作期間ごとに完全に放電される。図の６（ａ）、６（ｂ）、６（ｃ）、６（ｄ）および６（ｅ）は、それぞれ制御電圧Ｖ_CTRLの時間Ｔの期間中の電流Ｉ_L、電圧Ｖ_L、電流Ｉ_T、電圧Ｖ_Tおよび電圧Ｖ_CTRLの変化を示す。

タイミング図で制御電圧Ｖ_CTRLは、時間０とｔ_aの間では高レベルにあり、時間ｔ_aとＴの間では低レベル（ゼロ）にあるとみなしている。したがってスイッチ３３は、時間０とｔ_aの間で閉じられ（電圧Ｖ_Tはゼロ）、時間ｔ_aとＴの間で開く（電圧Ｖ_T＝Ｖ_a＋Ｖ_D）。したがって、誘導性要素３４の端子の電圧Ｖ_Lは、時間０とｔ_aの間ではＶ_a−Ｖ_LEDに等しい。電流Ｉ_Lは要素３４を流れ、前記電流は、時間ｔ_aで

に等しい最大値Ｉ_maxに達するまで直線的に増大する。したがって、スイッチ３３を流れる電流Ｉ_Tは、誘導性要素３４を流れる電流Ｉ_Lに等しい。スイッチ３３が開いているとき（時間ｔ_aとＴの間）、誘導性要素３４の端子間に加わる電圧Ｖ_Lは、前記誘導性要素が完全に放電されるまで−Ｖ_LED−Ｖ_Dに等しい。この放電動作は、時間ｔ_bで終了する。こうして要素３４の放電電流は、時間ｔ_bでゼロの値に達するまで減少する。誘導性要素３４が完全に放電したとき、その端子間の電圧Ｖ_Lは、誘導性要素３４と要素３２、３３および３４の干渉キャパシタとの間の共振による数回の振動の後ゼロになる。同じ動作周期が再び時間Ｔの終わりから開始する。

ここで図１のセット１０の全体動作を考察すると、図７のタイミング図に示されるように、基本ブロックの行が順次選択される。この図で、セット１０は、複数の基本ブロックからなる１０個の行を含むとみなしている。したがって選択回路１１は、１０個の出力端Ｓ１からＳ１０を備える。したがって、デバイスの動作期間Ｔは、１０個の等時間（Ｔ／１０）のサブ期間に分割され、１つのサブ期間が出力端Ｓ１からＳ１０のそれぞれに割り当てられる。

図８は、セット１０の、出力端Ｓ１およびＣ１に接続されたブロックに加えられる信号Ｖ_CTRLと、これらの出力端に加えられるこれらの信号とを示す。時間Ｔ１＝Ｔ／１０のパルスが、図７にすでに示したように、出力端Ｓ１に供給される。この時間は固定されており、このブロックに加えることができる最大時間に対応する。Ｔ１より小さいか等しい可変時間Ｔ２のパルスが出力端Ｃ１に加えられる。その結果、このブロックに加えられる電圧Ｖ_CTRLは、時間Ｔ２のパルス（出力端Ｃ１に加えられるものと同じ）になる。時間Ｔ２は、考察されているブロックに必要な光照射（lighting）のレベルを規定し、ゼロでない最小時間（non-null time）と最大時間Ｔ１の間の時間になる。動作周波数１／Ｔは、連続アドレッシングが人の耳に聞こえないように、２０ｋＨｚ（すなわちＴ＝５０μｓ）より高いことが好ましい。アレイ１０内のブロックの行の数ｎに応じて（この数は一般に既定される）、最大時間Ｔ１は、ＴからＴ１＝Ｔ／ｎまでと関連付けられる。最後に、光照射（lighting）が画像表示と同期するように、ビデオ・フレームの期間は、バックライト・デバイスの（時間Ｔの）動作期間の倍数であることが好ましい。

誘導性要素３４のインダクタンス値Ｌは、ボーダライン・ケースのｔ_a＝Ｔ１で規定され、次式に等しくなる。

誘導性要素３４の完全な放電が期間Ｔの終わり、すなわちｔ_b＝Ｔで終了する特定の一実施形態を提示することが可能である。安定状態において、誘導性要素の端子間での平均値が一次近似ではゼロに等しくなることを想起されたい。この場合、ＬＥＤに伝達される電力は次式に等しくなることに留意されたい。

図３に示された発光ダイオード要素の第２の実施形態を図９のタイミング図により説明する。この動作モードでは、誘導性要素は、動作周期の終わりで完全に放電されていない。図の９（ａ）、９（ｂ）、９（ｃ）、９（ｄ）および９（ｅ）は、それぞれ制御電圧Ｖ_CTRLの時間Ｔの期間中の電流Ｉ_L、電圧Ｖ_L、電流Ｉ_T、電圧Ｖ_Tおよび電圧Ｖ_CTRLの変化を示す。

これらのタイミング図は、図６のものと比較されなければならない。図９（ａ）に示されたように、誘導性要素３４は、スイッチ３３が閉じているときに（Ｖ_T＝０）充電し、それが開いているときに（電圧Ｖ_T＝Ｖ_a＋Ｖ_D）ＬＥＤ ３１中に放電する。周期の終わり（時間Ｔ）で、誘導性要素３４中の電流はゼロではない。この実施形態では、スイッチ３３の導通時間を増加させずにＬＥＤ ３１に伝達される電力を増大させることができる。

図１０は、発光ダイオード素子３０の第２の例の回路図を示す。図３で示した第の１例は、セット１０のＬＥＤのアノードが（電圧Ｖ_aを受け取る行に）共通に接続された電気アセンブリである。この第２の実施形態は、セット１０のＬＥＤのカソードが共通に接続される変形形態である。このアセンブリは図３と同じ構成要素を備えるが、それらの一部の配置が異なっている。図３と比べて配置が変わらないままである構成要素は、図３と同じ数字の参照符号を保持している。

このアセンブリは、発光ダイオードすなわちＬＥＤ ３１’と、このＬＥＤに給電するための降圧型電圧変換器とを備える。このコンバータは、トランジスタ型のスイッチ３３と直列に取り付けられた誘導性要素３４’を、電源電圧Ｖａを受け取る電源端子（電源端子として知られる）と電圧Ｖｓｓを受け取る端子の間に備える。後者の端子は、例えばグランドに接続される。トランジスタ３３は、ＡＮＤ論理ゲート３５から供給される制御電圧によって制御され、前記ゲートは、１つの入力端で選択回路１１の出力端Ｓｉから来る電圧信号、および制御回路１２の出力端Ｃｊから来る電圧信号を受け取る。誘導性要素３４’とトランジスタ３３の間にあるポイントは、ダイオード３２’を介してＬＥＤ３１’に接続される。ダイオード３２’は、ＬＥＤ ３１’に向かって移動する電流を通すように配置される。ＬＥＤ ３１’のカソードは電源端子に接続される。

このアセンブリは、全体的には図３のアセンブリと同様に動作する。すなわち誘導性要素３４’は、スイッチ３３が閉じているときに充電し、それが開いているときに放電する。しかし、その構成要素の端子での電流および電圧は少し異なる。図１１に、誘導性要素３４’が完全に放電する動作モードが示されている。図の１１（ａ）、１１（ｂ）、１１（ｃ）、１１（ｄ）および１１（ｅ）は、それぞれ制御電圧Ｖ_CTRLの時間Ｔの期間中の電流Ｉ_L、電圧Ｖ_L、電流Ｉ_T、電圧Ｖ_Tおよび電圧Ｖ_CTRLの変化を示す。

タイミング図で制御電圧Ｖ_CTRLは、時間０とｔ_aの間では高レベルにあり、時間ｔ_aとＴの間では低レベル（ゼロ）にあるとみなしている。したがってスイッチ３３は、時間０とｔ_aの間で閉じられ（電圧Ｖ_Tゼロ）、時間ｔ_aとＴの間で開く（電圧Ｖ_T＝Ｖ_a＋Ｖ_D＋Ｖ_LED）。したがって、誘導性要素３４の端子の電圧Ｖ_Lは、時間０とｔ_aの間ではＶ_aに等しい。電流Ｉ_Lは要素３４’を流れ、前記電流は、時間ｔ_aで

に等しい最大値Ｉ_maxに達するまで直線的に増大する。したがって、スイッチ３３を流れる電流Ｉ_Tは、誘導性要素３４’を流れる電流Ｉ_Lに等しい。スイッチ３３が開いているとき（時間ｔ_aとＴの間）、誘導性要素３４’の端子に加えられる電圧Ｖ_Lは、この後者が完全に放電されるまで−Ｖ_LED−Ｖ_Dに等しい。放電動作は時間ｔ_bで終了する。こうして要素３４’の放電電流は、時間ｔ_bでゼロの値に達するまで減少する。同じ動作周期が再び時間Ｔの終わりから開始する。

もちろん本発明は、上述の実施形態に限定されない。

特に、当業者であれば、ブロックが（行（rows）ではなく）列（columns）で選択されるセット１０を実施することができるであろう。最大時間のパルスが、選択すべき列のブロックに伝達され、可変時間のパルスが、この時間を調整すべきブロックの行に伝達される。さらに、各ブロックはそれぞれ異なるサイズを有することができる。

Claims (11)

1. 行と列の形に構成された発光ダイオード要素の組であって、各発光ダイオード要素は発光ダイオードと、前記発光ダイオードに給電するための、誘導性要素とダイオードとスイッチとを含んだ電圧変換器回路とを含む、発光ダイオード要素の組と、
   前記少なくとも１つの発光ダイオードの電圧変換器回路を制御するための制御回路と、を備え、前記制御回路は、
   前記組の発光ダイオード要素の行を順次選択するための行選択回路と、
   前記行選択回路によって選択された前記行の前記発光ダイオード要素の前記第１の動作位相の時間をトリガし制御するための列制御回路と、を有し、
   前記誘導性要素は、入力電流を供給する電圧コンバータ回路の入力供給電圧への第１の端子に結合され、
   前記スイッチは、誘導性要素の第２の端子への電流入力および基準電圧への電流出力と結合されるトランジスタであり、
   前記ダイオードは、電圧変換器回路の出力電流を入力供給電圧へフィードバックする誘導性要素と並列に結合されており、
   前記発光ダイオードは、前記誘導性要素および前記入力供給電圧の間、または前記ダイオードおよび入力供給電圧の間に配置されている、ディスプレイ用のバックライトデバイス。
2. 前記スイッチは、前記誘導性要素が第１の動作位相中にエネルギーを蓄積してから前記エネルギーを前記第１の動作位相に連続する第２の動作位相中に前記発光ダイオード中へ放出するように制御される請求項１に記載のデバイス。
3. 前記発光ダイオード要素は基本ブロックに分割され、各基本ブロックは少なくとも１つの発光ダイオードを備え、前記選択回路は基本ブロックの行を順次選択し、前記制御回路は、前記選択回路によって選択された前記ブロックの前記要素の前記第１の動作位相の時間をトリガし制御する、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 現在のブロックの１つの行、および次のブロックの１つの行にそれぞれ属する２つの基本ブロックの前記要素の前記第１の動作位相はかぶさらない、請求項３に記載のデバイス。
5. 要素ごとに、前記第１の動作位相の時間は可変である、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記第１の動作位相の前記時間は、ある最小時間と最大時間の間に含まれる、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記次の行の前記ブロックの前記第１の動作位相は、前記現在の行の前記ブロックの前記第１の動作位相の開始後で、前記最大時間に等しい期間の終了時に始まる、請求項６に記載のデバイス。
8. 光を生成するためのバックライトデバイスと、前記バックライトデバイスによって生成された前記光で照射される、ビデオフレーム期間中に画像を表示するための画像デバイスとを備えるディスプレイであって、前記バックライトデバイスは、請求項１から７のいずれか一項に記載の前記バックライトデバイスによるものである、ディスプレイ。
9. 前記第１および第２の動作位相を含む前記バックライトデバイスの前記動作期間は、前記ビデオフレーム期間と同期する、請求項８に記載のディスプレイ。
10. 前記ビデオフレームの前記期間は、前記バックライトデバイスの前記動作期間の前記時間の倍数である、請求項９に記載のディスプレイ。
11. 前記バックライトデバイスの前記動作期間の前記時間は５０μｓ未満である、請求項１０に記載のディスプレイ。

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