JP2005033853A - 負荷駆動装置及び携帯機器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流−直流変換型の電源回路を用いて、負荷を駆動する負荷電流を所定範囲に変化させるとともに、負荷電流の増加に伴う損失の増大を避けて効率よく負荷を駆動すること。
【解決手段】直流ー直流変換型電源回路１００の出力電圧Ｖｏ１点とグランドとの間に、ＬＥＤなどの負荷１０と定電流源Ｉ１とを直列に接続する。この定電流源の電流Ｉｏを調整することができる可変電流型とし、また、直流ー直流変換型電源回路は、基準電圧Ｖｒｅｆと、定電流源の降下電圧である検出電圧Ｖｄｅｔとが等しくなるように、出力電圧を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流−直流変換型の電源回路を用いて、電源電圧から変換された出力電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置及びそれを用いた携帯機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電源電圧と異なる電圧を発生する直流−直流変換型の電源回路を用いてＬＥＤなどの負荷を駆動する負荷駆動装置が多く用いられている。この負荷駆動装置は、それを駆動するための電源回路から所定の出力電圧、出力電流を発生させるために、入力電圧または負荷に印加される負荷電圧や負荷に流れる負荷電流を検出して、電源回路の制御回路に帰還させる（特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の駆動装置では、制御電圧は入力電圧や負荷電圧を高抵抗で分圧して検出される。また、負荷電流は負荷に直列に接続された抵抗器の電圧降下によって検出される。この制御電圧や負荷電流を基準値と比較して電源回路からの出力電圧や出力電流を所定値に制御している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１３４２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
携帯電話などの携帯型電子機器（携帯機器）においては、負荷を駆動するための負荷電流を、その負荷が設けられる電子機器側の使用上の要請によって、ある範囲内で増加させたり或いは減少させたりする場合がある。例えば、負荷が、発光素子（発光ダイオード等）である場合に、その発光量を任意の値に調整する場合などが考えられる。
【０００６】
このような場合に、負荷と直列に負荷電流検出用抵抗が挿入されていると、負荷電流の増加に応じて、電流検出用抵抗による損失が増加する。したがって、電源回路や負荷を含む電子機器の全体としての効率が、大電流時（即ち、重負荷時）に低下してしまう問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、電源電圧を変換して負荷に供給する、直流−直流変換型電源回路等の出力回路を用いて、負荷を駆動する負荷電流を所定範囲に変化させるとともに、負荷電流の増加に伴う損失の増大を避けて効率よく負荷を駆動することができる負荷駆動装置、及びそれを用いた携帯機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の負荷駆動装置は、電源電圧を変換して所定の出力電圧として負荷に供給する出力回路と、前記負荷に直列に接続されて調整可能な定電流を流す定電流源とを備え、前記出力回路は、前記負荷と前記定電流源との接続点の電圧が一定電圧になるように前記所定の出力電圧を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の負荷駆動装置は、請求項１記載の負荷駆動装置において、前記定電流源は、電流可変型の定電流回路と、この定電流回路と直列に接続されたカレントミラー用入力側トランジスタと、このカレントミラー用入力側トランジスタと同じ制御入力が与えられるカレントミラー用出力側トランジスタとを含んでカレントミラー回路が構成されており、前記カレントミラー用出力側トランジスタに前記調整可能な定電流が流されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の負荷駆動装置は、請求項２記載の負荷駆動装置において、前記外部負荷は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む発光ダイオード群であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の負荷駆動装置は、請求項２記載の負荷駆動装置において、前記一定電圧は、前記カレントミラー用出力側トランジスタの飽和電圧より高い電圧であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の負荷駆動装置は、請求項１乃至４記載の負荷駆動装置において、前記出力回路は、コイルと、このコイルへの通電をスイッチングするスイッチと、前記コイルと前記スイッチとの接続点と出力端子との間に設けられた整流素子とを有するスイッチング電源回路であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の負荷駆動装置は、請求項５記載の負荷駆動装置において、前記スイッチング電源回路は、さらに、前記整流素子の出力電圧点側に接続された平滑回路と、前記負荷と前記定電流源との接続点の電圧が基準電圧に等しくなるように前記スイッチのオンオフスイッチングを行う制御回路と、を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項７の負荷駆動装置は、請求項１記載の負荷駆動装置において、前記負荷及び前記定電流源が複数であり、前記複数の負荷に前記複数の定電流源がそれぞれ直列に接続されてそれぞれ調整可能な定電流を流すとともに、前記複数の負荷と前記複数の定電流源との各接続点の電圧のうちの最も低い電圧が一定電圧になるように前記所定の出力電圧を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項８の負荷駆動装置は、請求項１乃至７記載の負荷駆動装置を用いていることを特徴とする携帯機器。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の負荷駆動装置の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図である。
【００１７】
図１において、出力回路であるスイッチング電源回路１００は、入力される電源電圧Ｖｃｃを昇圧して、昇圧された出力電圧Ｖｏ１を出力する昇圧型の電源回路である。
【００１８】
電源電圧Ｖｃｃとグランド間にコイルＬ１とＮ型ＭＯＳトランジスタであるスイッチＱ１が直列に接続される。その直列接続点Ａから、整流用ダイオードＤ１と平滑用コンデンサＣ１とにより、直列接続点Ａの電圧が整流し平滑されて、出力電圧Ｖｏ１として出力される。なお、電圧は、特に断らない場合には、グランドに対する電位である。
【００１９】
出力電圧Ｖｏ１点（Ｐ１）とグランドとの間に、外部負荷１０と定電流源Ｉ１とが直列に接続される。外部負荷１０は、動作させるべき点が流れる電流で決まる負荷であり、外部負荷１０には定電流源Ｉ１で設定された所定の駆動電流Ｉｏが流れる。そして、定電流源Ｉ１の一端Ｐ２に生じる電圧が検出電圧Ｖｄｅｔとなる。
【００２０】
制御回路Ｃｏｎｔは、検出電圧Ｖｄｅｔと基準電圧源Ｂ１からの基準電圧Ｖｒｅｆとが入力され、検出電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなるように、スイッチＱ１をスイッチング制御するためのスイッチング信号を発生する。ここでは、基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧Ｖｄｅｔとの差を増幅して出力するエラーアンプＥａｍｐと、このエラーアンプＥａｍｐの出力に基づいてＰＷＭ信号を形成してスイッチング信号として出力するパルス幅変調制御回路Ｐｗｍを含んで構成されている。
【００２１】
外部負荷１０は、端子Ｐ１と端子Ｐ２との間に接続される。本発明は、負荷駆動装置の外部負荷をも含めて、携帯機器などの電子機器として構成することができる。この場合には、端子Ｐ１、Ｐ２は省略されることもある。
【００２２】
外部負荷１０としては、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が用いられる。この発光ダイオードＬＥＤは、例えば白色発光ダイオードであり、ＬＣＤ（液晶表示パネル）やキーのバックライト用等に用いられる。したがって、図１では３個の直列の例を示しているが、異なった数の直列接続、並列接続、或いは直並列接続など、その必要とされる発光エリアや発光量などに応じて、その組み合わせは種々の形態がある。
【００２３】
この発光ダイオードＬＥＤの電流ー電圧特性が図２に示されている。この特性は、白色発光ダイオードＬＥＤの電流Ｉｆ−電圧Ｖｆ特性の例である。この図２は、横軸が対数表示の電流Ｉｆであり、縦軸が電圧Ｖｆである。この発光ダイオードＬＥＤは、電流Ｉｆが２０ｍＡ（図中Ａ点）〜１．５ｍＡ（図中Ｂ点）の範囲で発光する。この電流Ｉｆを変化させることにより、その電流Ｉｆの大きさに応じて発光ダイオードＬＥＤからの発光量が変化する。
【００２４】
電流Ｉｆを２０ｍＡで使用すると、同図中のＡ点で示されるように、順方向電圧Ｖｆが電圧３．４Ｖで動作する。しかし、各々の発光ダイオードＬＥＤの特性は一律でなく、同じ電流２０ｍＡでもその順方向電圧Ｖｆは、例えば３．４Ｖ〜４．０Ｖ程度の範囲でばらつく。このように、一般に白色発光ダイオードＬＥＤは順方向電圧Ｖｆが他色の発光ダイオードＬＥＤよりも高く、これを３個直列に接続して使用するには、出力電圧Ｖｏ１は１２．０Ｖ以上必要になる。
【００２５】
図３は、定電流源Ｉ１の回路構成の例を示す図である。この図３において、電源電圧Ｖｃｃとグランド間に定電流回路Ｉ１１とＮ型ＭＯＳトランジスタ（以下、Ｎ型トランジスタ）Ｑ２とが直列に接続されている。このＮ型トランジスタＱ２のドレインとゲートが直接接続されている。また、駆動電流Ｉｏを流すためにＮ型トランジスタＱ２よりも駆動能力の高いＮ型トランジスタＱ３が設けられている。入力側トランジスタであるＮ型トランジスタＱ２のゲートが、出力側トランジスタであるＮ型トランジスタＱ３のゲートに接続されて、カレントミラー回路を構成している。
【００２６】
この図３で、定電流回路Ｉ１１の電流を調整することにより、Ｎ型トランジスタＱ３を流れる駆動電流Ｉｏの大きさを所望の値に設定する。
【００２７】
再び、図１に戻って説明する。定電流源Ｉ１は、それに使用しているトランジスタ（図３のＮ型トランジスタＱ３）の飽和電圧（約０．３Ｖ）以上の電圧があれば定電流動作できる。その飽和電圧（約０．３Ｖ）を越える部分の電圧は、定電流源Ｉ１の内部での不要な損失分（即ち、損失は、電圧×電流）になる。定電流源Ｉ１の降下電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆになるように、電源回路１００の出力電圧Ｖｏ１が制御される。したがって、基準電圧Ｖｒｅｆは、定電流源Ｉ１に使用しているトランジスタの飽和電圧（約０．３Ｖ）に若干の余裕分の電圧を見込んだ値に設定される。
【００２８】
このように構成された負荷駆動装置の動作を、駆動電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏ１との特性を示す図４をも参照して説明する。まず、負荷１０である発光ダイオードに流す駆動電流Ｉｏが定電流回路Ｉ１１に設定される。スイッチング電源回路１００は、検出電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなるように、スイッチＱ１のオンオフスイッチング制御が開始される。これにより、出力電圧Ｖｏ１が徐々に上昇する。
【００２９】
その結果、検出電圧Ｖｄｅｔと基準電圧Ｖｒｅｆとが等しくなり、駆動電流Ｉｏが負荷１０である発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３に流れる。これにより、発光ダイオードは、所定の発光量で発光する。
【００３０】
このとき、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の順方向高電圧Ｖｆの特性がばらついていたとしても、出力電圧Ｖｏ１がそのばらつきに応じて所定値からばらつくだけであり、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光の制御には格別の影響はない。定電流源Ｉ１１の降下電圧、即ち検出電圧Ｖｄｅｔは一定である。したがって、出力電圧Ｖｏ１は、一定の検出電圧Ｖｄｅｔに、その時点での駆動電流Ｉｏに応じた発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄ（＝３×Ｖｆ）を加えた大きさになる。
【００３１】
次に、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量を変更する場合には、駆動電流Ｉｏの大きさを変更する。例えば、駆動電流Ｉｏを大きくすると、それに応じて発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの発光量が多くなる。これとともに、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄも、図２の特性に依って大きくなる。なお、図４の出力電圧Ｖｏ１の傾きは、図２のＩｆ−Ｖｆ特性に従う。
【００３２】
したがって、駆動電流Ｉｏの増加に応じて発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の降下電圧Ｖｌｅｄが大きくなるから、出力電圧Ｖｏ１は図４のような特性で大きくなる。しかし、検出電圧Ｖｄｅｔは一定の値を維持するから、発光量を大きくするために駆動電流を大きくしても、定電流源Ｉ１での損失は増加しない。したがって、負荷駆動装置の効率は高く維持される。
【００３３】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図である。図５においては、負荷１０に加えて、他の負荷２０を付加しており、また、負荷が増えたことに伴って、負荷２０に対応して定電流源Ｉ２０を設けている。なお、付加する他の負荷は２以上でも良い。
【００３４】
図５では、負荷１０に直列に定電流源Ｉ１０が設けられ、その直列回路に駆動電流Ｉｏ１が流れる。定電流源Ｉ１０の降下電圧が第１検出電圧Ｖｄｅｔ１になる。同様に、負荷２０に直列に定電流源Ｉ２０が設けられ、その直列回路に駆動電流Ｉｏ２が流れる。定電流源Ｉ２０の降下電圧が第２検出電圧Ｖｄｅｔ２になる。Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２は、負荷接続用の端子である。
【００３５】
また、制御回路ＣｏｎｔのエラーアンプＥａｍｐは、２つの非反転入力端子（＋）と１つの反転入力端子（−）を持っている。２つの非反転入力端子（＋）には、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１及び第２検出電圧Ｖｄｅｔ２がそれぞれ入力され、反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。このエラーアンプＥａｍｐでは、２つの非反転入力端子（＋）に入力される第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と第２検出電圧Ｖｄｅｔ２のうちの低い方の電圧が選択されて、基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。その他の構成は、図１の第１の実施の形態におけるものと同様である。
【００３６】
この図５の負荷駆動回路では、複数の負荷１０、２０の駆動電流Ｉｏ１、Ｉｏ２を個別に調整することができる。そして、定電流源Ｉ１０、Ｉ２０の降下電圧Ｖｄｅｔ１、Ｖｄｅｔ２のうちの低い方の電圧が自動的に選択されて、電源回路１００のスイッチング制御が行われる。
【００３７】
複数の負荷１０、２０の駆動電流Ｉｏ１、Ｉｏ２を流す定電流源Ｉ１０、Ｉ２０の定電流動作は、確保される。したがって、複数負荷に対しても、第１の実施の形態におけると同様の効果を得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、出力電圧を出力回路（直流ー直流変換型電源回路）を用いて電源電圧から変換して得るとともに、流れる電流で動作点が決まる負荷、例、発光ダイオード群に直列に電流値が調整できる定電流源を接続するから、負荷側で要求される電流を、安定して負荷に流すことができる。
【００３９】
また、定電流源の降下電圧が、その定電流源が安定して動作できる電圧値に設定された基準電圧に等しくなるように、直流ー直流変換型電源回路の出力電圧が制御される。したがって、負荷である発光ダイオード群に特性のばらつきがあっても予定の発光量のために必要な電流が流れるように、直流ー直流変換型電源回路の出力電圧は、自動調整される。
【００４０】
また、定電流源の降下電圧は、設定した電流値が維持できるように基準電圧に自動的に制御されるから、負荷である発光ダイオード群に流れる電流が大きくなった場合でも、抵抗での電圧検出におけるような、損失の増加はない。したがって、負荷電流の増加に伴う損失が実質的に増加しないから、広い負荷電流の範囲において高効率で負荷を駆動することができる。
【００４１】
また、直流ー直流変換型電源回路は、コイルへの通電をスイッチングして電源電圧を出力電圧に変換するスイッチング電源回路であるから、変換効率が良く、また、必要な高電圧を出力することができる。
【００４２】
また、負荷である発光ダイオード群毎に、対応して可変電流型定電流源が設けられ、かつ、それらの定電流源の降下電圧の低い方の電圧にしたがって直流ー直流変換型電源回路が制御されるから、負荷である発光ダイオード群のそれぞれに所定の定電流を安定して流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図
【図２】発光ダイオードＬＥＤの電流ー電圧特性を示す図
【図３】定電流源Ｉ１の回路構成の例を示す図
【図４】駆動電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏ１との特性を示す図
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動装置の構成を示す図
【符号の説明】
１００ 電源回路
１０、２０ 負荷
ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３ 発光ダイオード
Ｌ１ コイル
Ｃ１ 平滑用コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｑ１ スイッチ
Ｃｏｎｔ 制御回路
Ｂ１ 基準電圧源
Ｉ１、Ｉ１０、Ｉ２０ 定電流源
Ｉ１１ 定電流回路
Ｑ２、Ｑ３ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
Ｖｃｃ 入力電源電圧
Ｖｏ１ 出力電圧
Ｉｏ、Ｉｏ１、Ｉｏ２ 駆動電流
Ｖｌｅｄ、Ｖｌｅｄ１、Ｖｌｅｄ２ 発光ダイオード降下電圧
Ｖｄｅｔ、Ｖｄｅｔ１、Ｖｄｅｔ２ 検出電圧
Ｖｒｅｆ 基準電圧

Claims (8)

1. 電源電圧を変換して所定の出力電圧として負荷に供給する出力回路と、
   前記負荷に直列に接続されて調整可能な定電流を流す定電流源とを備え、
   前記出力回路は、前記負荷と前記定電流源との接続点の電圧が一定電圧になるように前記所定の出力電圧を制御することを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記定電流源は、電流可変型の定電流回路と、この定電流回路と直列に接続されたカレントミラー用入力側トランジスタと、このカレントミラー用入力側トランジスタと同じ制御入力が与えられるカレントミラー用出力側トランジスタとを含んでカレントミラー回路が構成されており、前記カレントミラー用出力側トランジスタに前記調整可能な定電流が流されることを特徴とする、請求項１記載の負荷駆動装置。
3. 前記外部負荷は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む発光ダイオード群であることを特徴とする、請求項２記載の負荷駆動装置。
4. 前記一定電圧は、前記カレントミラー用出力側トランジスタの飽和電圧より高い電圧であることを特徴とする、請求項２記載の負荷駆動装置。
5. 前記出力回路は、コイルと、このコイルへの通電をスイッチングするスイッチと、前記コイルと前記スイッチとの接続点と出力端子との間に設けられた整流素子とを有するスイッチング電源回路であることを特徴とする、請求項１乃至４記載の負荷駆動装置。
6. 前記スイッチング電源回路は、さらに、前記整流素子の出力電圧点側に接続された平滑回路と、前記負荷と前記定電流源との接続点の電圧が基準電圧に等しくなるように前記スイッチのオンオフスイッチングを行う制御回路と、を有することを特徴とする、請求項５記載の負荷駆動装置。
7. 前記負荷及び前記定電流源が複数であり、前記複数の負荷に前記複数の定電流源がそれぞれ直列に接続されてそれぞれ調整可能な定電流を流すとともに、
   前記複数の負荷と前記複数の定電流源との各接続点の電圧のうちの最も低い電圧が一定電圧になるように前記所定の出力電圧を制御することを特徴とする、請求項１記載の負荷駆動装置。
8. 請求項１乃至７記載の負荷駆動装置を用いていることを特徴とする携帯機器。

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