(57)【要約】【課題】電源電圧が低下したり上昇したりする状態に対しても、ＬＥＤの駆動状態の変動に対しても、ＬＥＤの駆動電圧を最適に設定することにより、より高効率の電力供給と、ＬＥＤの安定駆動を可能にした電源装置技術を提供すること。【解決手段】電源装置１は、電源電圧１０に接続されＬＥＤ３の駆動電圧を供給するチャージポンプ回路２、ＬＥＤ３に流れる負荷電流を引き込む負荷電流駆動回路４、ＬＥＤ３に流す基準電流値を電源電圧１０の変化に対して不変で、外部信号１２により設定できる機能を有し、生成した基準電流と同じ電流量をカレントミラーにより基準経路９に流す機能を有する電流ミラー回路６を持つ基準電流源５、ＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と基準電圧Vref１３との比較を行う比較回路７、比較回路７の比較結果に基づいてチャージポンプ回路２の昇圧率を制御する機能をもつ制御回路８で構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電圧を供給して駆動するための昇圧回路と、
負荷の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と
前記比較回路の比較結果に基づいて前記昇圧回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記昇圧回路は、電源電圧または電源電圧より高い電圧を出力する複数の動作モードを有し、
前記複数の動作モードは、前記制御回路により、前記昇圧回路の出力電圧を任意の電圧で出力する動作モードで駆動させるように制御され、
前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回るまで、前記動作モードを維持させ、
前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記出力電圧より高い電圧を出力する動作モードへ切替わることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記昇圧回路は、電源電圧を印加してから、まず、前記複数の動作モードのうち電源電圧と同じ電圧を出力する第１動作モードで起動させ、
前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回るまで、前記第１動作モードを維持させ、
前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記複数の動作モードのうち、前記第１動作モードよりも高い任意の出力電圧Ｖαを出力する第α動作モード（α＞１、αは１以上の任意の数）へ切替え、
前記制御回路は、前記昇圧回路が前記第α動作モードで駆動している時、定期的に前記第１動作モードに戻すことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記昇圧回路は、前記第α動作モードで駆動している時、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記第α動作モードから、前記複数の動作モードのうち前記出力電圧Ｖαよりも更に高い出力電圧Ｖβを出力する第β動作モード（β＞α＞１、βはα以上の任意の数）へ切替え、
前記制御回路は、前記昇圧回路が前記第β動作モードで駆動している時、定期的に、前記複数の動作モードのうち前記第α動作モードと第１動作モードを含む、前記出力電圧Ｖβよりも低い電圧を出力する低動作モードに戻し、
前記負荷の出力電圧が前記基準電圧より大きい時は、前記低動作モード選択し、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧より小さい時は、前記低動作モードよりも高い電圧を出力する、前記第α動作モードと第β動作モードとを含む、高動作モードに切替わることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記昇圧回路の動作モードを低い昇圧率へ戻して駆動させる時、前記比較回路による前記負荷の出力電圧と前記基準電圧との比較において、比較基準である前記基準電圧にある電圧をプラスしてヒステリシスを持たせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
【請求項５】
前記昇圧回路はチャージポンプ回路であって、前記第α動作モード出力電圧は電源電圧を所定値α倍（α＞１）、前記第β動作モード出力電圧は前記電源電圧を該α倍よりも大きい所定値β倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】
前記昇圧回路はスイッチングレギュレータ回路であって、前記制御回路による前記比較回路の比較結果に基づいて、前記負荷の出力電圧が、前記基準電圧を下回らないように前記スイッチングレギュレータ回路の出力電圧を制御できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項７】
前記昇圧回路の出力側に接続された前記負荷に電流を流すための負荷電流駆動回路と、電源電圧の変化に対して不変で、外部設定信号により基準電流値を設定できる基準電流源と、
を備え、
前記基準電流源は、前記基準電流値と同じ電流を流す基準経路上で、前記負荷の出力電圧と比較基準となる前記基準電圧を生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項８】
前記基準電流源は、前記基準経路を持つ電流ミラー回路と、を含み、
前記負荷電流駆動回路は、前記負荷の出力側に接続される電流出力端子と、前記負荷電流駆動回路の一端が接続され、他端が固定電圧に接続され、制御端子が前記電流ミラー回路により制御される端子に接続されたトランジスタと、を含み、
前記電流ミラー回路は、前記基準電流源とカレントミラー構成を持ち、前記基準経路上において、一端が前記基準電圧を生成する点に接続され、他端が固定電圧に接続され、制御端子が前記負荷電流駆動回路内のトランジスタの前記制御端子と接続されたトランジスタを含み、
該トランジスタは前記負荷電流駆動回路内のトランジスタとカレントミラー構成を持つことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電源装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の電源装置をＬＥＤ回路の電源装置として組み込んだことを特徴とするＬＥＤ装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の電源装置または請求項９に記載のＬＥＤ装置を組み込んだことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷を安定的に駆動するための電源装置に関し、特に、高効率の電力供給とＬＥＤの安定駆動を可能にする電源装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの駆動経路上に接続する定電流回路と、ＬＥＤを駆動する為の昇圧回路を装備した電源供給回路において、ＬＥＤへ高効率に電力供給する為に、ＬＥＤ駆動状態の変動を監視して、その監視結果により昇圧回路の昇圧率をコントロールする方法がある。電源電圧の低下に電力供給を追随させて高効率化を図ったり、省電力消費を図る技術としては、例えば、特開２００５−１９６５５６号公報（特許文献１）、特開２００５−１５７６３１号公報（特許文献２）に開示された技術がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９６５５６号公報
【特許文献２】特開２００５−１５７６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術によれば、電源電圧の低下に追随した電力供給の高効率化が実現できるが（特に特許文献１参照）、昇圧された出力電圧で駆動しているＬＥＤにおいて、充電などの電力供給により電源電圧が上昇したり、ＬＥＤ電流値が減少してＬＥＤの順方向電圧が小さくなったりした時、昇圧された出力電圧で駆動しつづけていると、ＬＥＤに対して過剰な駆動電圧を与えることとなり、効率の悪化を引き起こす問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記のような課題を解決する為になされたものであり、電源電圧が低下したり上昇したりする状態に対しても、またＬＥＤの駆動状態の変動に対しても、昇圧回路の昇圧率を制御してＬＥＤの駆動電圧を最適に設定することにより、より高効率の電力供給と、ＬＥＤの安定駆動を可能にした電源装置、該電源装置を用いたＬＥＤ装置および電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電源装置は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。すなわち、
ａ）負荷に電圧を供給して駆動するための昇圧回路と、負荷の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果に基づいて前記昇圧回路を制御する制御回路とを備え、前記昇圧回路は、電源電圧または電源電圧より高い電圧を出力する複数の動作モードを有し、前記複数の動作モードは、前記制御回路により、前記昇圧回路の出力電圧を任意の電圧で出力する動作モードで駆動させるように制御され、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回るまで、前記動作モードを維持させ、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記出力電圧より高い電圧を出力する動作モードへ切替わるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
ｂ）また、前記昇圧回路は、電源電圧を印加してから、まず、前記複数の動作モードのうち電源電圧と同じ電圧を出力する第１動作モードで起動させ、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回るまで、前記第１動作モードを維持させ、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記複数の動作モードのうち、前記第１動作モードよりも高い任意の出力電圧Ｖαを出力する第α動作モード（α＞１、αは１以上の任意の数）へ切替え、また前記制御回路は、前記昇圧回路が前記第α動作モードで駆動している時、定期的に前記第１動作モードに戻してもよい。
【０００８】
ｃ）また、前記昇圧回路は、前記第α動作モードで駆動している時、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧を下回ると、前記第α動作モードから、前記複数の動作モードのうち前記出力電圧Ｖαよりも更に高い出力電圧Ｖβを出力する第β動作モード（β＞α＞１、βはα以上の任意の数）へ切替え、また前記制御回路は、前記昇圧回路が前記第β動作モードで駆動している時、定期的に、前記複数の動作モードのうち前記第α動作モードと第１動作モードを含む、前記出力電圧Ｖβよりも低い電圧を出力する低動作モードに戻し、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧より大きい時は、前記低動作モード選択し、前記負荷の出力電圧が前記基準電圧より小さい時は、前記低動作モードよりも高い電圧を出力する、前記第α動作モードと第β動作モードとを含む、高動作モードに切替えるようにしてもよい。
【０００９】
ｄ）また、前記制御回路は、前記昇圧回路の動作モードを低い昇圧率へ戻して駆動させる時、前記比較回路による前記負荷の出力電圧と前記基準電圧との比較において、比較基準である前記基準電圧にある電圧をプラスしてヒステリシスを持たせるようにしてもよい。
【００１０】
ｅ）また、前記昇圧回路はチャージポンプ回路であって、前記第α動作モード出力電圧は電源電圧を所定値α倍（α＞１）、前記第β動作モード出力電圧は前記電源電圧を該α倍よりも大きい所定値β倍とするようにしてもよい。
【００１１】
ｆ）また、前記昇圧回路はスイッチングレギュレータ回路であって、前記制御回路による前記比較回路の比較結果に基づいて、前記負荷の出力電圧が、前記基準電圧を下回らないように前記スイッチングレギュレータ回路の出力電圧を制御するようにしてもよい。
【００１２】
ｇ）また、電源電圧の変化に対して不変で、外部設定信号により基準電流値を設定できる基準電流源と、前記基準電流源で生成された前記基準電流値と同じ電流を流し、前記負荷を制御できる電流ミラー回路とを備え、前記電流ミラー回路は、前記基準電流源で生成された前記基準電流値と同じ電流を流す基準経路上で前記基準電圧を生成するようにしてもよい。
【００１３】
ｈ）また、前記昇圧回路の出力側に接続された前記負荷に電流を流すための負荷電流駆動回路とを備え、前記負荷電流駆動回路は前記負荷の出力側に接続される電流出力端子と、前記負荷電流駆動回路の一端が接続され、他端が固定電圧に接続され、制御端子が前記電流ミラー回路により制御される端子に接続されたトランジスタとを含み、前記電流ミラー回路は前記基準電流源とカレントミラー構成を持ち、前記基準経路上において、一端が前記基準電圧を生成する点に接続され、他端が固定電圧に接続され、制御端子が前記負荷電流駆動回路内のトランジスタの前記制御端子と接続されたトランジスタを含み、該トランジスタは前記負荷電流駆動回路内のトランジスタとカレントミラー構成を持たせるようにしてもよい。
ｉ）また、上記電源装置をＬＥＤ回路の電源装置として組み込んだり、それらをさらに電子機器に組み込んでもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電流ミラー回路の基準経路上で流れる電源電圧の変化に対して不変な前記基準電流を、カレントミラーによってコピーすることで定電流性を実現している負荷電流経路に対して、前記基準経路と比較することにより、前記負荷の駆動電圧を最適に調整することができ、負荷の安定駆動と負荷への高効率な電力供給を実現することができる。
【００１５】
また、前記比較回路による前記負荷の出力電圧と前記基準電圧との比較において、前記基準電圧にある電圧をプラスしてヒステリシスを持たせることで、前記第１モードで動作している時に流れる負荷電流値と、前記第１動作モード以外の動作モードに移行して動作している時に流れる負荷電流値とで、微量の誤差が生じるような特性を持つ電源装置に対して、前記第１動作モードと前記第α動作モードとの境界、或いは前記第α動作モードと前期第β動作モードとの境界になるような電源電圧が印加された時に、前記第１動作モードと前記第α動作モードを、或いは前記第２動作モードと前期第β動作モードを行ったり来たりすることによる負荷電流値のバラツキを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電源装置を説明するための図である。
【００１７】
同図に示すように、本発明に係る電源装置１は、電源電圧１０に接続され負荷であるＬＥＤ３を駆動する為の駆動電圧を供給するチャージポンプ回路２と、ＬＥＤ３に流れる負荷電流を引き込む負荷電流駆動回路４と、ＬＥＤ３に流す基準電流値を、電源電圧１０の変化に対して不変で、外部信号１２により設定できる機能を有し、生成した基準電流と同じ電流量をカレントミラーにより基準経路９に流す機能を有する電流ミラー回路６を持つ基準電流源５と、ＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と基準電圧Vref１３との比較を行う比較回路７と、比較回路７の比較結果に基づいてチャージポンプ回路２の昇圧率を制御する機能をもつ制御回路８で構成されている。基準電圧Vref１３は、電流ミラー回路６内の基準経路９で生成される。
【００１８】
負荷電流駆動回路４にはＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ４１を用い、チャージポンプ回路２の出力に並列接続されたＬＥＤ３に対してそれぞれ用いられる。
【００１９】
基準電流源５で生成される基準電流は、ＤＡＣ５０によって外部信号１２をある電圧に変換してアンプ５１の正相入力に入力し、アンプ５１の逆相入力端子とＧＮＤとの間に抵抗５２を接続して、電圧電流変換によって生成する為、電源電圧１０の変化に対して不変にすることができる。
【００２０】
基準電流源５内アンプ５１の出力端子は、接続されたＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ５３のゲートに接続され、そのＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ５３のソースを、アンプ５１の逆相入力端子と短絡させて基準電流値の安定化を図る。
【００２１】
電流ミラー回路６は、負荷電流駆動回路４のＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ４１とカレントミラー構成を形成してＬＥＤ３が接続されている負荷経路３１に基準電流を折り返している。比較回路７は、負荷電流を引き込む為の負荷電流駆動回路４内のＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ４１と同じ個数分有する（図１の場合は２個）。
【００２２】
図１には、ＬＥＤ３をチャージポンプ回路２の出力電圧１１から並列接続されている例を示している。
【００２３】
また、チャージポンプ回路２は、動作モードを３つ備え、電源電圧をそのまま出力させる１ｓｔ ｍｏｄｅ、前記電源電圧より高い第２電圧を出力させる２ｎｄ ｍｏｄｅ、前記第２電圧より高い第３電圧を出力させる３rd ｍｏｄｅを有する。例として、公知の技術である第２動作モードを１.５倍、第３モードを２倍とする。
【００２４】
制御回路８によるチャージポンプ回路２の昇圧率制御方法は、図２に示すシーケンス図に基づいている。
【００２５】
次に、図２を用いて、チャージポンプ回路２の昇圧率制御手順について説明する。
【００２６】
まず、電源が投入（図２中のステップＳ２０）されると、図１に示すチャージポンプ回路２は、出力電圧１１に電源電圧１０と同じ電圧値を出力する１ｓｔ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２１）で動作を開始する。
【００２７】
図１に示すチャージポンプ回路２の出力電圧１１が電源電圧１０（ＶＩＮ）まで立ち上がると、負荷電流駆動回路４を駆動させてＬＥＤ３に負荷電流を流し、ＬＥＤ３を点灯させる（図２中のステップＳ２２）。
【００２８】
負荷電流駆動回路４を駆動させると、比較回路７によるＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と基準電圧Vref１３との比較を開始させ（図２中のステップＳ２４）、１ｓｔ ｍｏｄｅで動作している（図２中のステップＳ２３）チャージポンプ回路２の出力電圧１１からＬＥＤ３の順方向電圧を引いたＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４が、基準電圧Vref１３よりも大きければ、１ｓｔ ｍｏｄｅを保持（図２中のステップＳ２３）し、基準電圧Vref１３よりも小さくなれば、チャージポンプ回路２は２ｎｄ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２５）に移行して電源電圧１０より１.５倍昇圧した電圧を出力させる。
【００２９】
次に、比較回路７の比較結果に基づき２ｎｄ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２５）に移行されて動作しているチャージポンプ回路２は, 制御回路８によって定期的に１ｓｔ ｍｏｄｅに戻される（図２中のステップＳ２６）。ここの例では、１秒後毎に戻すことにする。
【００３０】
１ｓｔ ｍｏｄｅに戻されたチャージポンプ回路２（図２中のステップＳ２６）は、比較回路７の比較結果に基づいて１ｓｔ ｍｏｄｅを保持する（図２中のステップＳ２３）か、２ｎｄ ｍｏｄｅに昇圧する（図２中のステップＳ２５）か、制御回路８によって制御される。
【００３１】
この時の比較回路７によるＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と基準電圧Vref１３との比較において、比較基準である基準電圧Vref１４にヒステリシスを付加して、ＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と比較してもよい。
【００３２】
この特徴を用いると、１ｓｔ ｍｏｄｅから２ｎｄ ｍｏｄｅに切替わる付近の電源電圧１０から生成されるＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４で駆動している時の負荷電流値と、２ｎｄ ｍｏｄｅに移行した時に生成されるＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４で駆動している時の負荷電流値とで微量の誤差が生じる特性を持つ電源装置に対して、１ｓｔ ｍｏｄｅから２ｎｄ ｍｏｄｅに切替わる付近の電源電圧１０が印加されてノイズなどの要因により電源電圧が揺らぎ、１ｓｔ ｍｏｄｅと２ｎｄ ｍｏｄｅをいったりきたりすることによって負荷電流値のバラツキを生じる時、チャージポンプ回路２が１ｓｔ ｍｏｄｅに戻されてもすぐに、２ｎｄ ｍｏｄｅへ移行することで負荷電流のバラツキやＬＥＤのちらつきを防ぐことができる効果がある。
【００３３】
制御回路８により１ｓｔ ｍｏｄｅで戻されることによりＬＥＤ３を駆動するための電圧が足りなくて消灯するタイミングが発生することは容易に想像できるが、比較回路７による動作モード判定期間は非常に短く設定してあげることで、問題なく安定したＬＥＤの点灯を実現できる。ここでは、０.１ミリ秒に設定してある。
【００３４】
また、比較回路７の比較結果に基づき２ｎｄ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２５）に移行されて動作しているチャージポンプ回路２において、制御回路８による１ｓｔ ｍｏｄｅでの制御方式と同様にＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４が、基準電圧Vref１３よりも大きければ（図２中のステップＳ２７：Ｎ）、２ｎｄ ｍｏｄｅを保持し（図２中のステップＳ２５）、ＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４が基準電圧Vref１３よりも小さくなれば（図２中のステップＳ２７：Ｙ）、チャージポンプ回路２は３ｒｄ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２８）に移行して、電源電圧１０を１.５倍昇圧した電圧よりも、さらに２倍に昇圧した電圧を出力させる。
【００３５】
３ｒｄ ｍｏｄｅ（図２中のステップＳ２８）に移行されて動作しているチャージポンプ回路２は、制御回路８による２ｎｄ ｍｏｄｅでの制御方式と同様に（図２中のステップＳ２６）、制御回路８によって定期的に２ｎｄ ｍｏｄｅに戻される（図２中のステップＳ２９）。ここの例でも、１秒後毎に戻すことにする。
【００３６】
２ｎｄ ｍｏｄｅに戻されたチャージポンプ回路２（図２中のステップＳ２９）は、比較回路７の比較結果に基づいて２ｎｄ ｍｏｄｅを保持する（図２中のステップＳ２５）か、３ｒｄ ｍｏｄｅに昇圧する（図２中のステップＳ２８）か、制御回路８によって制御される。
【００３７】
この時の比較回路７によるＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と基準電圧Vref１３との比較において、比較基準である基準電圧Vref１４にヒステリシスを付加して、ＬＥＤ３の出力電圧Vdin１４と比較してもよい。
【００３８】
これらの制御回路８によるチャージポンプ回路２の制御方法を用いることで、電源電圧の増減変化やＬＥＤの順方向電圧のバラツキ・ＬＥＤに流す負荷電流の設定変更など様々な要因に対して、常にＬＥＤの駆動電圧を最適に調整することができるため、ＬＥＤの安定駆動と負荷への高効率な電力供給を実現することができる。このように、電源装置をＬＥＤ回路の電源装置として利用したＬＥＤ装置や、このような電源装置やＬＥＤ装置を電子機器に組み込むことにより、安定駆動と高効率の装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る電源装置を説明するための図である。
【図２】制御回路８によるチャージポンプ回路２の昇圧率制御方法を示すシーケンス図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：電源装置
２：チャージポンプ回路
３：ＬＥＤ
３１：負荷経路
４：負荷電流駆動回路
４１：ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ
５：基準電流源
５０：ＤＡＣ
５１：アンプ
５２：抵抗
５３：ＮチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ
６：電流ミラー回路
７：比較回路
８：制御回路
９：基準経路
１０：電源電圧
１１：出力電圧
１２：外部信号
１３：基準電圧Vref
１４：出力電圧Vdin
【図１】
2008236869.tif 000003
【図２】
2008236869.tif 000004