(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドレイン端子が第１電源端子に、ソース端子がＬＥＤの第１電極に、基板電位が第２電源端子に接続された第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴと、該第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソース端子に一方の電極が接続されたコンデンサと、該コンデンサの他方の電極と上記第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に発振信号を供給する発振回路と、該発振回路の出力を反転するＣＭＯＳインバータとを備え、上記発振回路の出力およびＣＭＯＳインバータの出力に基づき上記コンデンサの他方の電極と上記第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に互いに逆相関係の発振信号が供給されるように構成されていることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
【請求項２】
ドレイン端子がＬＥＤの他方の電極に接続され、ソース端子と基板電位が第２電源端子に接続された第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを備え、該第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に上記コンデンサの他方の電極に供給される信号と同相の発振信号が供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項３】
上記第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴと、上記コンデンサと、上記発振回路と、上記ＣＭＯＳインバータと、上記第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴとが１個の半導体チップに形成されていることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項４】
上記コンデンサが外付け素子として接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項５】
請求項３記載のＬＥＤ駆動回路と、該ＬＥＤ駆動回路により駆動されるＬＥＤ素子とが一体に構成されていることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＬＥＤ（light emitting diode）の駆動回路さらにはＬＥＤを低電圧で駆動する技術に関し、例えばＰＤＡ（personal digital assistant）など電池駆動の装置にＬＥＤを搭載する場合に利用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤの順方向電圧は１．７〜２．２Ｖ程度であるので、例えば通常の１．５Ｖ乾電池で動作する装置にＬＥＤを搭載した場合、電池の起電力だけではＬＥＤの安定した駆動は期待できない。
【０００３】
従来、例えば１．５Ｖ程度の電源電圧でＬＥＤを駆動する場合、電源電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧して３Ｖ程度の安定した電圧を生成し、この電圧を用いてＬＥＤの駆動を行っていた。また、ＬＥＤを駆動する場合には、抵抗をＬＥＤと直列に接続し、ＬＥＤの順方向電流が安定するように構成されるのが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、供給電圧の安定化のため、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間にチャージポンプ用のコンデンサとは別に比較的大きなコンデンサを接続したり、或いは、昇圧用のスイッチングレギュレータ回路等を付加しなくてはならないため、部品点数や回路面積が増大し、単価が高くなるという欠点があった。
【０００５】
また、従来のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤと直列に接続された抵抗によって、大きな電力の損失が生じるという欠点があった。
また、上記従来のＬＥＤ駆動回路を装置に搭載する場合には、ＬＥＤ駆動回路が配設されＬＥＤと駆動回路とを配線接続するためのプリント基板のような構成が必要となるため、ＬＥＤを実装する際の自由度が小さくなるという課題もあった。
【０００６】
この発明の目的は、電池１本の起電力でＬＥＤを駆動することが可能であり、且つ、安価で抵抗損失の低減も図れるＬＥＤ駆動回路を提供することにある。
この発明の他の目的は、低電圧駆動が可能であるとともに、実装上の自由度を低減させることのない発光装置を提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、ドレイン端子が第１電源端子に、ソース端子がＬＥＤの第１電極に、基板電位が第２電源端子に接続される第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴと、該第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソース端子に一方の電極が接続されたコンデンサと、ドレイン端子がＬＥＤの他方の電極に、ソース端子と基板電位とが第２電源端子に接続される第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴと、上記第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子、上記コンデンサの他方の電極および上記第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に発振信号を供給する発振回路と、該発振回路の出力を反転するＣＭＯＳインバータとを備え、上記発振回路の出力およびＣＭＯＳインバータの出力により上記第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子と、上記コンデンサの他方の電極および上記第２のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に互いに逆相関係の発振信号が供給されるように構成されたＬＥＤ駆動回路である。
また、このＬＥＤ駆動回路とＬＥＤ素子とが一体に構成された発光装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用して好適なＬＥＤ駆動回路の実施例を示す回路図である。
このＬＥＤ駆動回路１は、順方向電圧が１．７〜２．２Ｖ程度のＬＥＤを１．５〜３Ｖ程度の電源電圧で駆動するための駆動回路であり、例えば単結晶シリコンのような１個の半導体チップ上に形成されている。この駆動回路１は、例えば１０ＭＨｚ程度で発振動作するリングオシレータなどの発振回路１１と、チャージポンプ用のコンデンサＣ１と、発振回路１１の発振信号に基づきスイッチング動作してコンデンサＣ１の充電を行う第１のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳと云う）ＭＮ１と、発振信号によりオン・オフ動作してＬＥＤ２を通して流れる貫通電流を防止する第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２と、コンデンサＣ１の他方の電極をグランド電位ＧＮＤから電源電圧ＶＤＤに叩き上げるＰＭＯＳ  ＱＰ１およびＮＭＯＳ  ＱＮ１からなるＣＭＯＳインバータＩＮＶ１と、発振回路１１の出力を反転させて第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２のゲート端子に供給するＣＭＯＳインバータＩＮＶ２とから構成される。
【０００９】
そして、上記コンデンサＣ１の一方の電極の接続ノードｎ１と、第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２のドレイン端子とが、それぞれ外部端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。この外部端子Ｔ１，Ｔ２間にＬＥＤ２が接続される。
【００１０】
また、このＬＥＤ駆動回路１には、電源電圧ＶＤＤが供給される電源端子とグランド電位ＧＮＤが供給される電源端子と、発振回路１１をアクティブにする制御信号ＣＯＮＴの入力端子とが設けられている。ここで、制御信号ＣＯＮＴの入力端子と電源電圧ＶＤＤの電源端子とを導通させ、電源電圧ＶＤＤの供給・遮断により、発振回路１１もアクティブ・非アクティブに制御させるように構成することができるる。すなわち、電源電圧ＶＤＤの供給・遮断により、ＬＥＤ駆動回路１のオン・オフの切り換えが自動的に行われる。
【００１１】
第１のＮＭＯＳ  ＭＮ１は、ドレイン端子が電源電圧ＶＤＤに、基板電位がグランド電位ＧＮＤに、ソース端子がコンデンサＣ１の出力側の電極にそれぞれ接続されるソースホロワ接続になっている。このようにＮチャネルＭＯＳＦＥＴをソースホロワ接続で用いることで、コンデンサＣ１の出力側の電極が昇圧されて電源電圧ＶＤＤより高くなった場合でも、第１のＮＭＯＳ  ＭＮ１は十分にオフされて電源電圧ＶＤＤ側へ電流が逆流しないようになっている。
コンデンサＣ１は、例えば数ｐＦ程度の容量のものであり、比較的小さな面積で半導体チップ上に形成することが出来る。
【００１２】
第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２は、電源電圧ＶＤＤとしてＬＥＤ２の順方向電圧ＶＦよりも大きな電圧が印加された場合に、ＬＥＤ２を介して電源電圧ＶＤＤからグランド電位ＧＮＤに貫通電流が流れるのを防止するものである。すなわち、第１のＮＭＯＳ  ＭＮ１がオン状態のときには、第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２がオフ状態になるので、電源電圧ＶＤＤが大きくなってもＬＥＤ２を通して電流は流れない。一方、第１のＮＭＯＳ  ＭＮ１がオフ状態のときには、第２ＮＭＯＳ  ＭＮ２はオン状態になってコンデンサＣ１に充電された電流をＬＥＤ２を通してグランドＧＮＤ側に流す。
なお、電源電圧ＶＤＤがＬＥＤの順方向電圧ＶＦ以下になるという保証があれば、この第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２とインバータＩＮＶ２とを省略することが可能である。
【００１３】
この実施例では、第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２をＬＥＤ２のカソード側に設けずに、ＬＥＤ２のアノード側に設けて貫通電流を防止することも考えられるが、そのように構成すると、電源電圧ＶＤＤがＬＥＤ２の順方向電圧ＶＦよりも低い場合に、第２ＭＯＳ  ＭＮ２のソース電位が上昇して当該第２ＭＯＳ  ＭＮ２をオンすることが出来ないので、第２のＮＭＯＳ  ＭＮ２はＬＥＤ２のカソード側に設けている。
【００１４】
上述のような構成によれば、発振回路１１から出力された発振信号は、第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１のゲート端子と、それぞれインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２を介してコンデンサＣ１と、第２ＮＭＯＳ  ＭＮ２のゲート端子とにそれぞれ入力される。また、第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１と、コンデンサＣ１および第２ＮＭＯＳ  ＭＮ２との入力はそれぞれ逆相とされる。
【００１５】
従って、発振信号がハイレベルのときには、第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１がオンされるとともにインバータＩＮＶ１の出力がロウレベルにされるので、コンデンサＣ１の両電極間に電位差が生じてコンデンサＣ１が充電される。ここで、コンデンサＣ１の出力側の電極は、電源電圧ＶＤＤより第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１のしきい値電圧Ｖｔｈだけ低い電位になり、他方の電極はグランド電位ＧＮＤになる。
なお、このとき第２ＮＭＯＳ  ＭＮ２はオフされているので、電源電圧ＶＤＤが非常に高い場合でもＬＥＤ２に貫通電流は流れない。
【００１６】
次いで、発振信号がロウレベルになると、第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１がオフされると共にインバータＩＮＶ１の出力がハイレベルにされてコンデンサＣ１の一方の電極の電位が押し上げられる。この電位変化が急峻であるため、コンデンサＣ１の反対側の電位も、電源電圧ＶＤＤの分だけ上昇されてＬＥＤ２の順方向電圧ＶＦを超える。さらに、このとき第２ＮＭＯＳ  ＭＮ２がオンされるので、コンデンサＣ１からＬＥＤ２を通って電流が流れてＬＥＤ２が発光される。
【００１７】
ＬＥＤ素子は、貫通電流などにより過大な電流が流れると破壊の危険が生じるが、この実施例では、ＬＥＤ２に流れる電流はコンデンサＣ１に充電されていた電荷によるもので、コンデンサＣ１の出力側の電極に比較的高い電圧が生じた場合でも、ＬＥＤ２に過大な電流は流れない。すなわち、この実施例の駆動回路１によれば、ＬＥＤ２に印加される電圧は安定しないが、ＬＥＤ２に流れる電流は安定し、比較的安定した発光が得られる。
【００１８】
図２は、実施例のＬＥＤ駆動回路を備えたＬＥＤ発光装置を示す平面図である。
この実施例のＬＥＤ発光装置は、ｐ形半導体とｎ形半導体とを接合し電極を設けて形成されたＬＥＤ発光体２１０を、電極２２１〜２２４が設けられたチップ２３０上に固定してなるＬＥＤ発光素子としてのＬＥＤチップ２００と、上記ＬＥＤ駆動回路１が形成された半導体チップ１００と、を樹脂モールドで一体化したものである。さらに、各電極間が金線ＷＲなどにより結線されその上も樹脂で封止されている。
【００１９】
図３には、上記のＬＥＤ発光装置の印加電圧−光量の特性を、従来のＬＥＤと比較したグラフを示す。この図において、実線は実施例のＬＥＤ発光装置の特性を、点線は従来のＬＥＤの特性をそれぞれ示している。
図３に示すように、実施例のＬＥＤ発光装置によれば、電源電圧ＶＤＤが約０．９Ｖ以上で発光し、３Ｖ程度までなだらかに発光量が増加していくという特性が得られる。これより従来のＬＥＤでは、発光に１．７Ｖ以上の電圧が必要であり電池一本では駆動できないのに対して、本実施例の発光装置は電池一本でも駆動可能になることが分る。
【００２０】
さらに、従来のＬＥＤでは、発光を開始する電圧を超えると急激に電流が増加するという特性を有しているため、実際の回路では、抵抗等をＬＥＤに直列に接続して電流を安定させる必要があったが、本実施例のＬＥＤ発光装置では、電源電圧ＶＤＤからＬＥＤを通してグランドＧＮＤへ貫通電流が流れない構成になっており、電源電圧ＶＤＤが大きくなっても急激な電流が流れないので、安定した発光を大きな抵抗損失なく得ることが出来る。
【００２１】
また、図２のような構造のＬＥＤ発光装置によれば、大きさや形を従来のＬＥＤ発光素子とほぼ同様にできるため、従来のＬＥＤ発光素子と同様の取り扱いで実装することが出来る。また、発光させるのに従来のような高い電圧を必要とせず、低電圧駆動が可能になっているが、駆動回路を配設するプリント配線等が不要なので、あたかも、順方向電圧の低いＬＥＤのように扱うことができ、発光装置を実装する上での設計自由度も増える。
【００２２】
図４には、本発明に係るＬＥＤ駆動回路の変形例を示す。
このＬＥＤ駆動回路の変形例は、外部端子Ｔ１，Ｔ２に図１の駆動回路１とは極性を反転させた電圧が発生されるようにしたものであり、チャージポンプ用のコンデンサＣ１には負の電圧が生じるようになっている。従って、コンデンサＣ１の一方の電極が接続される外部端子Ｔ４にはＬＥＤ２のカソード側の電極が接続される。
【００２３】
この変形例のＬＥＤ駆動回路１Ｂにおいては、図１の第１および第２のＮＭＯＳ  ＭＮ１，ＭＮ２の代わりには、Ｐチャネル形の第１および第２のＰＭＯＳ  ＭＰ１，ＭＰ２を用いている。また、極性を変えたのに応じて、第１のＰＭＯＳのゲートに発振回路１１の出力を直接入力させ、コンデンサＣ１と第２のＰＭＯＳのゲートにはインバータＩＮＶ２で発振出力を反転した信号を入力させている。
【００２４】
この変形例の駆動回路１Ｂによれば、図１の実施例でＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いていた部分がＰチャネルＭＯＳＦＥＴに変更されるので、ＭＯＳＦＥＴの駆動力として同様の駆動力を得ようとするとチップ面積が大きくなってしまうが、図１のＬＥＤ駆動回路１と同様の作用が得られる。
【００２５】
また、本発明に係るＬＥＤ駆動回路のその他の変形例として、例えば青色ＬＥＤなど順方向電圧ＶＦが高いＬＥＤを駆動する場合や、さらに低い電源電圧でＬＥＤを駆動する場合に、次のような回路も考えられる。すなわち、図１の第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１、チャージポンプ用のコンデンサＣ１、およびインバータＩＮＶ１からなる部分を複数段設け、それぞれをカスケード接続して駆動回路を構成する。このような構成によれば、最終段のコンデンサに電源電圧ＶＤＤの３倍や４倍の電圧を生じさせることが出来るので、この電圧により順方向電圧ＶＦが高いＬＥＤを駆動したり、或いは電源電圧が低い場合でもＬＥＤの駆動を行うことが出来る。
【００２６】
以上のように、上記実施例のＬＥＤ駆動回路によれば、電池１本でＬＥＤを発光させることが出来るとともに、ＬＥＤに過大電流を流さないために抵抗を接続する必要もないので、消費電力の低減も図れる。
【００２７】
また、図２に示したＬＥＤ発光装置によれば、電気的な特性としては上記ＬＥＤ駆動回路による効果が同様に得られる一方、実装の際には従来のＬＥＤ素子と同様に取り扱うことが出来るので、ＬＥＤを実装する上で設計自由度が低くならないという効果がある。従って、例えばＰＤＡなど電池駆動で携帯型の電子装置に搭載する場合に、電源電圧をそのまま利用してＬＥＤの発光が得られ、且つ、消費電力も低く抑えられるので特に効果的である。
【００２８】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、実施例では、発振回路１１を駆動回路に内蔵した構成を示したが、駆動回路を内部に設ける代わりに、外部で生成された発振信号を駆動回路に供給するように構成しても良い。また、チャージポンプ用のコンデンサを他の構成素子と同一チップ上に設けるのではなく、外付け端子として接続する構成としても良い。
【００２９】
また、実施例では、第１のＮＭＯＳ  ＭＮ１とコンデンサＣ１とに供給される信号を互いに逆相関係にするのに、コンデンサＣ１の前段にインバータを設けたが、このような構成に限られず、例えば、第１ＮＭＯＳ  ＭＮ１の前段にインバータを設け、コンデンサＣ１に発振回路１１からの出力が直接入力されるように構成することで、これらの信号を互いに逆相関係にすることも可能である。
【００３０】
また、ＬＥＤ素子とＬＥＤ駆動回路とを一体化する方式も、図２の例に限られるものでなく、例えば、ＬＥＤ素子が封止されたＬＥＤチップの裏面側に、ＬＥＤ駆動回路の半導体チップをモールド固着するようにしても良いし、また、駆動回路が形成された半導体チップ上にＬＥＤ素子を直接固着し、各電極をワイヤーボンディング等で接続するように構成するなど、種々の変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、電池１本でＬＥＤを発光させることが出来るとともに、駆動する際にＬＥＤと直列に抵抗を接続する必要がなくなり消費電力の低減が図れるという効果がある。
【００３２】
また、本発明の発光装置によれば、低電圧で駆動でき且つ消費電力の低減が図れるとともに、実装上１個の発光素子と変わらずに扱うことが出来るので、実装上の自由度が増すという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用して好適なＬＥＤ駆動回路の実施例を示す回路図である。
【図２】実施例のＬＥＤ駆動回路を備えたＬＥＤ発光装置を示す平面図である。
【図３】実施例のＬＥＤ発光装置の印加電圧−光量の関係を従来のＬＥＤと比較したグラフである。
【図４】ＬＥＤ駆動回路の変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
１        ＬＥＤ駆動回路
１Ｂ      ＬＥＤ駆動回路
２        ＬＥＤ
１１      発振回路
１００    半導体チップ
２００    ＬＥＤチップ
２１０    ＬＥＤ発光体
Ｃ１      コンデンサ
ＭＮ１    第１のＮＭＯＳ
ＭＮ２    第２のＮＭＯＳ
ＩＮＶ１，ＩＮＶ２  インバータ
ＭＰ１    第１のＰＭＯＳ
ＭＰ２    第２のＰＭＯＳ
【図１】
0003966452.tif 000002
【図２】
0003966452.tif 000003
【図３】
0003966452.tif 000004
【図４】
0003966452.tif 000005