(57)【要約】本発明の実施形態は、低いコストにおいて一貫した良好な照明及び優れた効率でＬＥＤを駆動するための回路であって、安価なＬＥＤや、広い動作電圧及び温度変動にわたり広い部品パラメータ公差をもつＬＥＤに使用するのにも適した回路を提供する。ここに開示する回路は、単一の半導体チップ上で実施されるが、そうでなくてもよい。
2005537669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤへ電流を供給するための回路において、
前記ＬＥＤの各１つにおける電流を制御するように各々動作できる複数の電流レギュレータと、
前記複数のＬＥＤへ電流を供給するように動作できる電荷ポンプ端子と、
前記電荷ポンプへエネルギーを供給するように動作できる電圧レギュレータと、
前記電流レギュレータのいずれかにおける電流欠乏及び初期電流欠乏より成るリストから選択された状態の発生を検出するように動作できる検出器と、
を備え、前記電圧レギュレータは、前記電圧欠乏の状態の検出に応答する出力を有するように構成された回路。
【請求項２】
前記電荷ポンプは、各電圧利得を各々有する少なくとも２つの動作モードを有し、そしてこれら少なくとも２つの動作モードの１つは、前記状態の検出に応答して選択される請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記検出器は、ワイアード・オア回路構成体より成る請求項１に記載の回路。
【請求項４】
前記検出器は、バイポーラダイオードより成り、前記複数の電流レギュレータは、電界効果トランジスタより成る請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記検出器は、バンドギャップ基準電圧を受信し、更に、温度補償ダイオード及び比較器より成る請求項４に記載の回路。
【請求項６】
前記少なくとも２つの動作モードからの能動的動作モードの選択を制御するように動作できるモードラッチを更に備えた請求項２に記載の回路。
【請求項７】
前記電荷ポンプは、少なくとも３つの動作モードを有する請求項６に記載の回路。
【請求項８】
前記電流レギュレータは、独立した異なる電流を搬送する請求項１に記載の回路。
【請求項９】
複数のＬＥＤへ電流を供給する回路において、
前記ＬＥＤの各々における電流を調整するための手段と、
前記複数のＬＥＤへ電流を供給するための手段と、
前記電流供給手段を調整するための手段と、
前記電流調整手段における電流欠乏及び初期電流欠乏より成るリストから選択された状態の発生を検出するための手段と、
を備え、前記調整は、前記検出に応答して行うように構成された回路。
【請求項１０】
前記調整手段は、電荷ポンプより成り、該電荷ポンプは、各電圧利得を各々有する多数のモードを有している請求項９に記載の回路。
【請求項１１】
前記調整手段は、直線的電圧レギュレータより成る請求項９に記載の回路。
【請求項１２】
前記検出手段は、バイポーラダイオードのワイアード・オアより成り、前記電流制限手段は、電界効果トランジスタより成る請求項９に記載の回路。
【請求項１３】
複数のＬＥＤへ電流を供給するための方法において、
希望量を越えないように前記ＬＥＤの各々における電流を調整し、
前記ＬＥＤのいずれかにおける電流欠乏及び初期電流欠乏より成るリストから選択された状態を検出し、そして、
前記電流欠乏を減ずるように前記検出に応答して前記複数のＬＥＤへ供給される電圧を調整する、
という段階を備えた方法。
【請求項１４】
前記電圧の調整は、マルチモード電荷ポンプを使用して行われる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電圧の調整は、更に、直線的電圧レギュレータを使用して行われる請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ドライバ回路に係る。より詳細には、本発明は、高効率のＬＥＤ（発光ダイオード）ドライバに係る。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ及びそれらを作動するためのドライバ回路は、良く知られている。ＬＥＤの輝度は、流れる電流に直接関係する。ＬＥＤ間に発生する電圧は、主として、使用する半導体設計及び技術に依存すると共に、製造公差にも依存する。多数のＬＥＤが非常に接近して使用される場合に、それらは、非常に一致した光出力レベルで動作することがしばしば望まれる。ＬＥＤの均一な照明を達成するために、種々の回路及び解決策が開発されている。しかしながら、これらの従来開発された技術は、１つ以上の欠点で悩まされている。例えば、これらの技術は、ドライバ回路を著しく非効率的に動作させることがある。又、これらの技術は、ＬＥＤを厳密な公差で製造するか、又は、テストによって確立される一致したパラメータで製造することを必要とする。これは、コストを高めることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エネルギー効率は、馴染みのあるアルカリ「バッテリー」のような一次セルにより作動されるポータブル装置では、特に重要である。
【０００４】
以下の説明では、説明の明瞭さ及び簡潔さを期すために、回路図に示された多数の全ての部品について説明するのではない。多数の部品は、当業者に本発明の完全な開示を与えるために示されている。多数の部品の動作は、当業者に明らかであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の種々の実施形態では、低いコストにおいて一貫した良好な照明及び優れた効率でＬＥＤを駆動するための回路及び方法であって、安価なＬＥＤや、広い動作電圧及び温度変動にわたり広い部品パラメータ公差をもつＬＥＤに使用するのにも適した回路及び方法が提供される。ここに開示する回路は、単一の半導体チップ上で実施されるが、そうでなくてもよい。
【０００６】
本発明の１つの態様によれば、複数のＬＥＤに電流を供給する回路が使用され、これらＬＥＤは、広い光スペクトル出力のための「白色ＬＥＤ」としても知られている高動作電圧形式のものであるが、そうでなくてもよい。この回路は、単一のＬＥＤにおける電流を各々制御する複数の能動的電流レギュレータと、これら複数のＬＥＤへ電流を供給する電荷ポンプと、この電荷ポンプへエネルギーを供給する電圧レギュレータと、いずれか又は全ての電流リミッターにおける電流欠乏を検出するための検出器とを備えている。本発明の更に別の態様によれば、電圧レギュレータは、電流欠乏の検出に応じた出力を与えることができる。
【０００７】
本発明の更に別の態様によれば、電荷ポンプは、各々異なる電圧利得をもつ多数の動作モードを有することができる。これらモードは、良好な効率での動作を与えるために、電流欠乏の検出に基づいて選択することができる。
【０００８】
本発明の更に別の態様によれば、従来開発された方法に比して、比較的均一な輝度及び優れた全体的エネルギー効率でＬＥＤを照明させるための方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様も考えられ、それらの幾つかについて以下に述べる。
本発明及びその更に別の特徴及び効果をより理解するために、同じ部分を同じ参照番号で示した添付図面を参照して、以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の特定の実施形態に基づくＬＥＤドライバ回路１００の一例を示す部分ブロック回路図である。ＬＥＤドライバ回路１００は、多数のＬＥＤ１１０を駆動することができ、又、ある実施形態では、単一集積回路又はチップで実施されてもよい。ＬＥＤ１１０（破線の輪郭で示された）は、機械的又は他の理由でチップとは別に実施されてもよいが、そうする必要はない。平滑化キャパシタ１７０は、オンチップ又はオフチップで実施されてもよいが、一般にリプルを減衰するように働く。
【００１１】
図示されたように、ＬＥＤドライバ回路１００は、入力電圧端子１０１において電源入力電圧ＶＩＮを受電する。直線的レギュレータ１５０が入力電圧端子１０１に接続され、制御端子１０２を有する。制御端子１０２は、検出器３００のフィードバック信号端子３０２から制御入力を受け取る。直線的レギュレータ１５０は、例えば、単一ＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスタとして実施されてもよい。直線的レギュレータ１５０のこのような実施は、回路１００全体として優れた効率を得ることが望まれるので、比較的エネルギー効率が良い。
【００１２】
制御端子１０２における直線的レギュレータ１５０への制御入力は、検出器３００によって発生することができる。直線的レギュレータ１５０からの出力は、マルチモード電荷ポンプ１６０へ印加される。又、マルチモード電荷ポンプ１６０は、高周波方形波であるクロック信号を入力ポート１８１において受け取る。このクロック信号は、端子１０１の電圧ＶＩＮから作動される発振器１８０によって発生されてもよい。例えば、キャパシタスイッチングによってＤＣ（直流）電圧を増加するための電荷ポンプは、この技術で良く知られている。又、選択されたモードに基づく個別の電圧利得及び希望の電圧利得を有する２つ以上のモードのいずれかで動作できるマルチモード電荷ポンプも、この技術で知られている。１つの実施形態では、マルチモード電荷ポンプ１６０は、モード切り換えラッチ１４２から受け取った２進制御信号に基づいて３つの個別モードのいずれかで動作することができる。本発明の実施形態では、マルチモード電荷ポンプは、２：１又は３：２の電圧利得比、又は簡単な方法としては、１：１の公称電圧利得で動作することができる。実際の動作では、マルチモード電荷ポンプ１６０のスイッチは、公称又は理論的電圧利得に対して、ある程度の電圧降下を生じさせる。マルチモード電荷ポンプ１６０は、ＬＥＤ１１０に電圧を供給する。
【００１３】
１つの実施形態において、モード切り換えラッチ１４２は、２ビットの非クロックデジタル出力を有し、そしてアナログ電圧レベルの入力に応答する。モード制御ＯＰアンプ（演算増幅器）比較器１４３は、モード切り換えラッチ１４２を制御するためのアナログ信号を発生することができる。
【００１４】
１つの実施形態において、各ＬＥＤ１１０は、それに関連した電流レギュレータ２００を有する。このレギュレータ２００を通過する電流は、バンドギャップ基準回路１３０により発生される基準電圧Ｖref＿０１によってセットされる。バンドギャップ基準回路は、この技術で良く知られている。ＬＥＤ電源（例えば、電荷ポンプ１６０）がＬＥＤ１１０に十分な電流を供給しない場合には、その関連電流レギュレータ２００において電流欠乏が生じる。この状態は、検出器３００により、検出器３００の１つ以上の入力ポート１２０において過少電圧として感知することができる。この過少電圧状態が検出器３００によって検出されると、検出器３００は、電荷ポンプ１６０に供給される電圧を高めるように直線的レギュレータ１５０を制御するよう働く。これは、全てのＬＥＤ１１０に供給される電圧を高め、従って、電流欠乏及びそれに関連した過少電圧を和らげる。従って、閉ループ制御により、ＬＥＤ１１０に供給される電圧は、電流欠乏を回避するに必要な最小値に維持される。最小の電圧しか維持されないので、電流欠乏は、正常動作状態の初期となる。あるＬＥＤ１１０には、必要以上の電圧が供給されることがあるが、各ＬＥＤ１１０がそれ自身の各電流レギュレータ２００を有するので、均一な照明が維持される。
【００１５】
例えば、電源電圧が、有効寿命の終わりに近づきつつある１次セルである場合に生じることであるが、電源電圧は、直線的レギュレータ１５０の作用だけでは電流欠乏を和らげるに不十分なことがある。この場合に、制御ＯＰアンプ比較器１４３は、直線的レギュレータ１５０は順調である（railed）ことを検出し、そしてマルチモード電荷ポンプ１６０を次に高いモードで動作するように切り換えることを、モード切り換えラッチ１４２に通知する。この次に高いモードは、より高い電圧利得を有し、従ってＬＥＤ１１０の電流を非欠乏状態に回復する。検出器３００は、直線的レギュレータ１５０が、マルチモード電荷ポンプ１６０への供給電圧を、回路の平衡を回復するに必要な最小値へ戻すように絞れるようにする。従って、電荷ポンプ１６０は、必要なときだけ高い利得で動作され、ひいては、回路は、通常使用可能な供給電圧のもとで最良の効率で動作する。全体として考えると、この回路設計は、典型的なポータブル電子装置を作動するのに使用される１次セル電源から最大の有効寿命を得る上で助けとなる。ここに示す実施形態では、モード切り換えラッチ１４２は、相補的に動作して、入力電圧ＶＩＮが適当に高いレベルに回復した場合及びそのときに、マルチモード電荷ポンプ１６０を低い電圧利得でより経済的なモードで動作させることができる。
【００１６】
ここに示す実施形態では、バンドギャップ基準回路１３０は、ＯＰアンプ比較器１４３のための固定電圧基準と、検出器３００の端子３１８に印加される基準端子１１８のバンドギャップ電圧ＶＢＧとを発生する。バンドギャップ基準回路１３０は、約１．２６８ボルトのバンドギャップ電圧を発生することができる。この同じ実施形態において、バンドギャップ基準回路１３０は、電流レギュレータ２００を制御するために、端子１１３に基準電圧Ｖref＿０１を発生する。この電圧Ｖref＿０１の大きさは、ＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）１４１への２ビットの２進入力１４０により制御することができる。この２ビットの２進入力制御は、３つの異なるＬＥＤ電流、ひいては、３つの異なるＬＥＤ輝度の選択を与えると共に、無（又は無視できる）ＬＥＤ電流の暗（又はオフ）設定を与えるように機能する。輝度の選択は、製品の用途に応じて固定布線されてもよいし、又はユーザーが選択できるようにしてもよい。回路１００が「オフ」状態にあってＬＥＤが消えているときには、直線的レギュレータ１５０が絞って戻す。それでも、直線的レギュレータ１５０には、依然わずかな電流が流れることがある。これは、キャパシタ１７０を予め充電するように働き、従って、考えられる過剰な始動過渡状態を回避することができる。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態による電流レギュレータ２００の回路図である。この電流レギュレータ２００は、ＬＥＤ１１０に接続される。電流レギュレータ２００は、入力端子２１１における電流を下げ、定電流負荷として動作する傾向がある。従って、電流レギュレータ２００は、入力端子２１１に接続されるＬＥＤ１１０に流れる電流を制御するのに適している。ＯＰアンプ２２２は、基準端子２１３に基準電圧が与えられる電圧ホロアとして動作して、抵抗器２２１間に固定電圧を維持し、ひいては、抵抗器２２１に固定電流を維持するようにＦＥＴ２２０を制御する。外部ＬＥＤ１１０にも同じ固定電流が流れる。電流レギュレータが良好な全回路効率のために約７００ｍＶしか降下させないように、ＦＥＴ２２０として低電圧デバイスを使用してもよい。ＬＥＤの電源が十分な電源を与えない場合には、電流レギュレータ２００に電流欠乏状態が生じ、これは、端子１２０において、入力端子２１１の過少電圧として外部で感知することができる。
【００１８】
図３は、本発明の実施形態に基づく過少電圧検出器３００の回路図である。この検出器３００は、端子３１８においてバンドギャップ基準電圧ＶＢＧを受け取る。バイポーラダイオード３２０は、プルアップ抵抗器３２１と共にワイアード・オアとして働いて、センス端子１２０に与えられる電圧の最小値からの固定オフセットの電圧をＯＰアンプ３２２に供給する。一実施形態では、低いスレッシュホールド電圧をもつバイポーラダイオードが、ワイアード・オアダイオード３２０として使用されてもよい。抵抗器３５２及び３５４は、ダイオード３５８と一緒に働いて、ＯＰアンプ３２２の基準電圧を与え、これは、回路の温度変化に対して補償される。ダイオード３２０及び３５８は、通常、バイポーラのような同じ技術で、及び又は良好な温度追従性のために共通の基板上に実施されてもよい。ＯＰアンプ３２２は、端子３０２にフィードバックレベル信号を発生し、これは、閉ループ制御に使用されて、端子１２０で感知される電圧の最小値を、正しく且つほぼ最適な値に保持するように保証する。
【００１９】
上述した実施形態では、回路が正常に動作するときに、４つのＬＥＤ１１０の各々に流れる電流は等しいが、それらにまたがる電圧は、個々のデバイスの特性に依存する。この状態のもとでは、４つのＬＥＤの１つが最も高い電圧を発生し、それに対応して、各電流レギュレータ２００が必要な電流を維持するのに必要な最小電圧を発生する。この最小電圧は、検出器３００によって感知される電圧である。他のＬＥＤ１１０は、より低い電圧を発生し、それらの各々の電流レギュレータ２００は、それに対応してより高い電圧を発生する。
【００２０】
ここに述べる本発明の実施形態は、従来開発された実施形態に勝る著しい効果を発揮する。例えば、上述した実施形態は、以前に開発された解決策に比して、コスト、照明強度の均一性及び制御性、エネルギー効率、幅広いＬＥＤ動作電圧の公差、大きな電源電圧変動、並びに多数のＬＥＤに対する広い部品公差及びサポートの間で優れた妥協を与える。
【００２１】
当業者に明らかなように、他の同様の回路構成も本発明の一般的な範囲内で可能である。例えば、本発明は、電界効果トランジスタやバイポーラダイオードを形成するプロセスに限定されず、ＪＦＥＴ（接合ＦＥＴ）のような種々の他の形式の能動的で且つ非直線的なデバイスも、本発明の一般的な範囲内で使用することができる。別の例として、種々のチャンネルを、同じバイアス電圧で独立した異なる電流を搬送するように意図的に構成することもでき、このような独立した異なる電流は、固定でもよいし調整可能でもよい。個別部品を伴う実施形態も、本発明の一般的な範囲内に含まれる。上述した実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではなく、本発明は特許請求の範囲にのみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に基づくＬＥＤドライバ回路の部分ブロック回路図である。
【図２】本発明の実施形態に基づく電流レギュレータの回路図である。
【図３】本発明の実施形態に基づく過少電圧検出器の回路図である。
【図１】
2005537669.tif 000003
【図２】
2005537669.tif 000004
【図３】
2005537669.tif 000005
【国際調査報告】
2005537669.tif 000006
2005537669.tif 000007
2005537669.tif 000008