JP5485868B2 - 発光ダイオードの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続発光ダイオードのストリングに関する駆動装置、駆動装置及び前記直列接続発光ダイオードのストリングのシステム、表示パネルを照らすバックライトユニット、前記バックライトユニット及び前記表示パネルを含むシステム、並びに、前記バックライトユニット及び前記表示パネルを含む表示装置、に関する。

国際特許出願公開第02/076150A1号は、所定の色の光を得るために光が混合される多重光源を制御する装置を開示する。処理器は、光源のそれぞれの検出された光の量を所望の量と比較し、光源の駆動装置を、光源が所望の光のレベルを生成するように、制御する。光源は、赤色、青色、及び緑色発光ダイオード（更には、ＬＥＤとも呼ばれる）のそれぞれの３つのストリングである。ＬＥＤの各ストリングは、個別スイッチモード電源（更にはＳＭＰＳとも呼ばれる）によって駆動される。混合光の色は、３つのスイッチモード電源によって供給される電源を制御することによって制御される。ある実施例において、スイッチモード電源は、異なる色のＬＥＤストリングを駆動させる３つのスイッチモード電源の前に配置される。色点が制御され得るように異なる色のＬＥＤストリングを駆動させることを可能にするために３つのスイッチモード電源が必要であることは、従来技術の装置の不利な点である。

本発明の目的は、異なる色のＬＥＤを駆動させるのに必要とされる主電源の数を最小化させる一方で、それでもなお、生じる混合光のスペクトル組成を調整することが可能であるようにすることである。

本発明の第１の態様は、請求項１に記載の直列接続の発光ダイオードのストリングに関する駆動装置を提供する。本発明の第２の態様は、請求項６に記載の発光ダイオードのストリング及び駆動装置のシステムを提供する。本発明の第３の態様は、請求項９に記載の、表示パネルを照らすバックライトユニットを提供する。本発明の第４の態様は、請求項１０に記載の、表示パネル及びバックライトユニットを含むシステムを提供する。本発明の第５の態様は、請求項１１に記載の表示装置を提供する。有利な実施例は、従属項に規定される。

本発明の第１の態様に従う駆動装置は、直列接続の発光ダイオードのストリングを駆動させる。ストリングの少なくとも２つのＬＥＤは、異なるスペクトルを有する光を放射する。例えば、ストリングは、１つのＬＥＤが赤色の光を放射する一方で、他方のＬＥＤが青色の光を放射する２つのＬＥＤを有し得る。ＬＥＤは、その色により参照もされ得、すなわち、赤色ＬＥＤは赤色の光を放射するＬＥＤを意味される。ストリングは、ＬＥＤの少なくとも２つのサブストリングも有し得、このサブストリングのそれぞれのうちのＬＥＤは、同一の色又はスペクトルを有する。例えば、ストリングは、２つの赤色ＬＥＤ及び４つの青色ＬＥＤの直列接続を有し得る。代替的に、ストリングは、青色、赤色及び緑色の光を放射する３つの種類のＬＥＤを有し得る。このようなストリングを用いると、白色光を作成する事が可能である。代替的に、ストリングは、広色域ディスプレイにおいて一般的であるように、３つ以上の種類のＬＥＤを含み得る。

当該駆動装置は、主電流を前記ストリングへ供給するための、ＬＥＤのストリングの両端に結合される出力部を有する主電源を有する。二次電源は、前記ストリングにおける連続する発光ダイオード間における接合部のうちの少なくとも１つに結合され、前記接合部から差分電流を供給する又は引き出すようにされる。制御器は、前記ストリングによって放射される前記混合光の所望なスペクトル組成を得るように前記差分電流の値を生成するために、前記二次電源を制御する。差分電流は、主電流より小さいように選択される。結果として、直列接続のＬＥＤを通ずる電流の大部分は、主電源によって供給される。二次電源は、より小さい差分電流を供給し、そして、異なる色のＬＥＤを通ずる電流間の差を生成することが可能である。したがって、各異なった色のＬＥＤのストリングに対して主電源が必要とされるような従来技術とは対照的に、本発明においては、異なる色を有する（又はより一般的にいうと、異なるスペクトルを有する光を発する）ＬＥＤに対して、単一の主電源のみが必要とされる。そうであるにもかかわらず、光のスペクトルは、なお、時間とともに変化される又は一定を維持され得、これにより、混合光の所望なスペクトル組成が、相対的に小さいに小さい二次電源によって供給される又は引かれる電流を制御することによって、得られるようにされる。

ストリングの全てのＬＥＤを通ずるベース電流を提供する主電源は、全体光レベルを制御することが可能である一方で、二次電源は、ストリングによって放射される光のスペクトル組成を制御することが可能である。

一つの実施例において、主電源は、ＳＭＰＳを含む又はＳＭＰＳである。結果的に、ＬＥＤを通ずる電流の大部分は、高効率で生成される。かさばり、高価であり、遅く、そして出力電圧においてリップルを有するこのようなＳＭＰＳの不利な点は、二次電源によって緩和される。リニア電源であり得る二次電源は、相対的に小さい電力を供給する必要があり、安価及び高速であり得、そして、ＳＭＰＳのリップルを補償し得る。

一つの実施例において、駆動装置は、前記ストリングに直列に接続される検出抵抗器と、前記検出抵抗器の両端における検出電圧を参照電圧と比較する比較器と、を更に有する。前記比較器の出力信号は、前記主電流が所定のレベルで安定化されるように、前記スイッチモード電源の主スイッチを制御する制御信号を得るために使用される。所定のレベルは、異なる色のＬＥＤを通ずる電流の差に依存するが、その理由は共通の電流がスイッチモード電源によって供給され得るからである。

一つの実施例において、前記二次電源が、制御可能なリニア電源を含む。二次電源によって供給される又は引かれる電流が第１電源によって供給される電流より大幅に少ないので、リニア電源の低効率は問題ではない。リニア電源の使用は、供給される電流の素早い且つ十分に規定された変動が可能であるという有利な点を有する。更に、リニア電源のリップルはスイッチモード電源のリップルより大幅に低い。したがって、リニア電源の使用は、異なる色のＬＥＤを通ずる電流の差によって支配的に決定されるスペクトル組成の制御が、非常に正確に制御され得るという有利な点を有する。

一つの実施例において、前記リニア電源が、制御可能な電流供給源を含む。このような電流は、電流ミラーによって集積回路において実施化され得る。

一つの実施例において、前記ストリングは、白色光を含む色域を覆うための少なくとも３つの異なる色の発光ダイオードを含む。前記制御器は、所定の白色色点を得るように前記差分電流を変更するために、前記二次電源を制御する。白色点を制御することにおける完全な自由度を有するために、全ての３つの異なる色のＬＥＤを通ずる全ての３つの電流の比率は、制御可能であるべきである。したがって、上述の接合部以外の接合部へ接続される更なる二次電源が加えられている。白色点は変動される又は一定に維持される必要があるので、二次電源によって生成される電流は、主電源を通ずる電流より大幅に小さくあり得る。

一つの実施例において、前記システムは、更に、異なるスペクトルを有する少なくとも２つの発光ダイオードの直列接続を含む更なるストリングを有する。更なる主電源は、前記更なるストリングへ更なる主電流を供給するための、前記更なるストリングの両端に結合される出力部を有する。更なる二次電源は、前記ストリングにおける連続する発光ダイオード間における接合部のうちの少なくとも１つに結合され、前記接合部から更なる差分電流を供給する又は引き出すようにされる。前記更なる差分電流は、前記更なる主電流より少なくとも因数10ほど小さい。前記制御器は、前記更なるストリングによって放射される前記混合光の所定のスペクトル組成を得るように、前記更なる差分電流を変更するために前記更なる二次電源をも制御する。したがって、各ストリングに関して、３つの主電源の代わりに、１つの主電源が必要とされる。特に、多数のストリングが存在する場合に、本発明のこの実施例に従う電源供給システムは大幅に簡素である。例えば、直列接続のＬＥＤの３００個の（各色に関して１００個の）ストリングがＬＣＤに関する従来技術のバックライトに存在する場合、３００個の相対的に大きい制御可能なスイッチモード電源が必要とされる。本発明に従う実施例において、１００個の相対的に大きいスイッチモード電源のみ及び２００個の相対的に小さい二次電源が必要とされる。

本発明は、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）などのディスプレイパネルを照らすバックライトユニットにおいて有利に実施化され得る。このようなバックライトユニット及びディスプレイパネルの組み合わせは、ディスプレイ装置において実施化され得る。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載の実施例から明らかであり、これらの実施例を参照して説明される。

異なる図面において同一の参照符号を有する項目は、同一の構造特徴部及び同一の機能を有する、又は同一の信号であることを特記されるべきである。このような項目の機能及び／又は構造が説明される場合、詳細な説明において繰り返して説明される必要性はない。

図１は、ＬＥＤの複数のストリング及び前記ストリングを駆動させる複数の電源を含むバックライトユニットのブロック図を概略的に示す。 図２は、３つのＬＥＤのストリングが、スイッチモード電源及び２つの電流によって駆動されるバックライトユニットを概略的に示す。 図３は、バックライトユニットを有するディスプレイ装置を概略的に示す。

図１は、ＬＥＤの複数のストリング及び前記ストリングを駆動させる複数の電源を含むバックライトユニットのブロック図を概略的に示す。n個のストリングSTiのそれぞれは、例えば、３つの異なる色のＬＥＤ（D1i、D2i、D3i）を含む。第１のストリングST1は、３つのＬＥＤ(D11、D21、D31)の直列接続を含み、ここで、第i番目のストリングSTiは３つのＬＥＤ(D1i、D2i、D3i)の直列接続を含み、第n番目のストリングSTnは３つのＬＥＤ(D1n、D2n、D3n)の直列接続を含む。以下において、指数１ないしn個の項目のうちの一つを示すために使用される。しかし、指数iは、一般的な項目を示すようにも使用される。したがって、「ＬＥＤのD1i」は、ＬＥＤのD11からD1nを一般的に意味し、又は異なって言及される場合、「ＬＥＤのD1i」は、ＬＥＤのD11からD1nのうちの任意の１つを意味し、更に、「ＬＥＤのD11」は、特定のＬＥＤのD11を意味する。

３つの電源PAi、PBi、PCiは、ストリングSTiのそれぞれと関連付けられている。主電源PAiは、ストリングSTiと直列に接続され、ＬＥＤのD3iを通ずる主電流IAiを生成する。二次電源PBiは、ＬＥＤのD1i及びD2i間における接合部J1iへ接続されており、二次電源PCiは、ＬＥＤのD2i及びD3i間における接合部J2iへ接続されている。制御器COは、制御情報CIを受け取り、二次電源PBi及びPCiの対応する制御入力部へ接続されている。制御情報CIは、ストリングSTi全体によって放射される光の所望な色（又はスペクトル）を示し得る。制御器COは、所望なスペクトルが得られるように、接合部J1i及びJ2iのそれぞれへ供給される又はそれらから引かれる電流IBi及びICiを制御する。ＬＥＤのD2iを通ずる電流は、主電流IAi及び電流ICiの合計であり、ＬＥＤのD1iを通ずる電流は、主電流IAi及び電流ICi及びIBiの合計である。制御器COは、主電源PAiの主電流IAiも制御し得る。

したがって、ストリングSTiを通ずる電流IAiの大部分は、主電源PAiによって供給される。二次電源PBi及びPCiは、ストリングSTiによって発される光のスペクトルの制御を可能にするために、差分電流IBi及びICiを生成する必要があるだけである。二次電源PBi及びPCiのそれぞれによって生成される電流IBi及びICiの量を制限することによって、これらの二次電源PBi及びPCiは、それぞれ小さく且つ安価であり得る。しかし、特定のストリングSTiの混合光のスペクトルは、それでも、時間の経過に対して制御され得る、又は一定に維持され得る。例えば、二次電源は、経年変化又は温度効果を補償し、且つ、混合光のスペクトルをほぼ一定に維持ための限定された範囲のみにおいて制御される必要がある。

主電源PAi並びに二次電源PBi及びPCiは、整流主電圧又はいずれかの他の直流又は交流電圧であり得る主電圧VMから供給される。

図２は、３つのＬＥＤのストリングが、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）及び２つの電流によって駆動されるバックライトユニットを概略的に示す。ストリングSTiは、直列に接続されている３つのＬＥＤのD1i、D2i、D3iを含む。３つのＬＥＤのD1i、D2i、D3iのうちの少なくとも２つは、異なるスペクトルを放射し、異なる色を有する。主電源PAiは、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）であり、この場合、主電流IAiをストリングSTiのダイオードD1iへ供給する。検出抵抗器RSiは、ダイオードD3iを通ずる電流を検出するために、ストリングSTiのダイオードD3iに直列に接続される。

スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）は、例証のみとして、主電圧ＶＭへストリングSTiを間欠的に接続するように構成される主スイッチSMSiを含むバックコンバータである。バックコンバータPAiは、主スイッチSMSiがストリングSTiへ接続される接合部及び接地の間において配置されるインダクタＬを更に含む。スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）PAiは、更に、検出抵抗器RSiの両端の検出電圧VSiを受け取るＳＭＰＳ制御器SMCiを含む。制御器SMCiは、検出電圧VSiを参照値VRiと比較し、制御信号CSiを生成する。制御信号CSiは、主スイッチSMSiのオン及び／又はオフ期間を制御するために、主スイッチSMSiの制御入力へ供給され、これにより、検出電圧VSiとこれによりＬＥＤのD3iを通ずる電流とを安定化させるようにする。代替的に、バックコンバータの代わりに、例えば、ブースト−バックコンバータ、ブースト−コンバータ、バックコンバータ、共振コンバータ、又はフライバックコンバータなどの、いずれかの他のＳＭＰＳトポロジーが使用され得る。

二次電源PBi及びPCiは、それぞれ電流ミラーTR11、TR21、R1及びTR12、TR22、R2によって形成される。電流ミラーは、接合部J1i及びJ2iのそれぞれへ接続される。接合部J1iはＬＥＤのD1i及びD2i間における接合部である。接合部J2iは、ＬＥＤのD2i及びD3i間における接合部である。

電流ミラーPBiは、制御器COからの制御電圧V1を受け取る入力部を含む。この制御電圧V1は、抵抗器R1へ供給され、抵抗器R1の他端はダイオード接続トランジスタTR21のベース／コレクタへ接続され、ダイオード接続トランジスタTR21は、トランジスタTR11とともに電流ミラーを形成する。したがって、抵抗器R1を通ずる電流は、接合部J1iから引き出される電流IBiを得るために、トランジスタTR11によってミラーされる。

電流ミラーPCiは、制御器COからの制御電圧V2を受け取るための入力部を含む。この制御電圧V2は、抵抗器R2へ供給され、抵抗器R2の他端はダイオード接続トランジスタTR22のベース／コレクタへ接続され、ダイオード接続トランジスタTR22は、トランジスタTR12とともに電流ミラーを形成する。したがって、抵抗器R2を通ずる電流は、接合部J2iから引き出される電流ICiを得るために、トランジスタTR12によってミラーされる。

同様に、ストリングSTiを通ずる主電流IAiは、ＳＭＰＳ(PAi)によって生成される一方で、３つのＬＥＤのD1i、D2i、D3iの混合光のスペクトルは、依然として、電流ミラーPBi及びPCiのそれぞれによって引かれる電流IBi及びICiを変化させることによって調整され得る。３つの代わりに１つのＳＭＰＳ(PAi)のみが必要とされ、別の電流PBi及びPCiは、例えば制御器COにおいて統合され得る。図2に示される例において、３つの全てのＬＥＤのD1i、D2i、D3iは、異なるスペクトルを有し、全てのこれらの電流IAi、IBi、ICiは制御され得る。代替的に、１つの電流のみ(例えば、IBi又はICi)が制御され得る。代替的に、ダイオードD1i、D2i、D3iのうちの２つは同一のスペクトルを有し得、同様に、電流IBi及びICiの両方、又はこれらの電流のうちの１つのみが制御され得る。

ＬＥＤのD1i、D2i、D3iのそれぞれ又はサブセットは、直列接続のＬＥＤのサブストリングを含み得る。例えば、単一の緑色ＬＥＤのD1iは、３つの緑色のＬＥＤを含むことによって置換され、単一の赤色ＬＥＤのD2iは、２つの赤色ＬＥＤを含むサブストリングによって置換され、ＬＥＤのD3iは単一の青色ＬＥＤであり得る。

代替的に、ストリングSTiは、３つ以上のＬＥＤ、又は同一のスペクトルを有するＬＥＤのサブストリングを含み得る。全ての個別のＬＥＤ又は異なるストリングのＬＥＤは、異なる色又は異なるスペクトルを放射し得る。例えば、アンバ、黄色、又は白色のＬＥＤが、赤色、緑色及び青色のＬＥＤへ加えられ得る。代替的に、ストリングSTiは、異なる色を有する２つのＬＥＤのみ、又はＬＥＤサブストリングを含み得、例えば、ＬＥＤのうちの１つは広いスペクトルのＬＥＤを有し、他のＬＥＤは単一の色を有する。１つの実施例において、広いスペクトルのＬＥＤは、白色光を発し得、他のＬＥＤは赤色光を発する。二次電源SBi及びSCiは、白色ＬＥＤの白色点を調整するために、赤色ＬＥＤを通ずる差分電流を制御している。別の例において、ストリングSTiは、赤っぽい白色光を発するウォームホワイトＬＥＤと青っぽい白色光を発するクールホワイトＬＥＤを含む。

図３は、バックライトユニットを有する表示装置を概略的に示す。表示装置は、バックライトユニットＢＬＵ、表示パネルＤＰ、処理ユニットＰＲを含む。バックライトユニットは、直列接続のストリングSTiを含む。直列接続のＬＥＤの異なるスペクトルは同一であり得、全てのストリングSTiにおいて同一の順序を有し得る。ストリングSTiによって発される光は、表示パネルＤＰを照らす。表示パネルＤＰは、ＬＣＤ又はＤＭＤであり得る。代替的に、異なるストリングSTiは、異なる色のＬＥＤを含み得るが、ＬＣＤに関して使用される場合、異なるストリングの光は、表示パネルＤＰの均一な照射を提供するために混合されるべきである。

処理ユニットは、画像信号ＩＳを受信し、制御信号ＢＬＣをバックライトユニットＢＬＵへ、及び、データ信号ＤＰＩを表示パネルＤＰへ供給する。この制御信号ＢＬＣは、二次電源PBi及びPCiによって生成される差分電流IBi及びICiを決定する制御信号（図１におけるCI、図２におけるV1及びV2）を生成するために制御器CO(図１及び２を参照)によって使用される。他の応用例において、例えば、暗い場面が表示される場合に電力消費を最小化させるために、主電源PAiによって供給される主電流IAiを制御することも所望であり得る。このような応用例において、制御器COは、更に、制御信号を主電源PAiへ供給する出力部を有する。例えば、図２に示される実施例において、制御器COは、参照電圧VRiを制御し得る。表示パネルＤＰへ供給されるデータ信号ＤＰＩは、表示されるべき画像情報を含み、且つ、同期情報を含み得る。

上述の実施例は、本発明を制限するものよりもむしろ例証するものであり、当業者が、添付の請求の範囲から逸脱することなく、多数の代わりの実施例を設計することが可能であることを注意しなければならない。

例えば、本発明は、バックライトユニットにおける使用に制限されず、少なくとも２つのスペクトルの異なる種類のＬＥＤからなるＬＥＤのストリングが使用されるような一般照明応用例に関しても適切である。

請求項における如何なる参照符号も請求項の範囲を制限するように解釈されてはならない。「有する・備える」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載される以外の要素又はステップの存在を排除しない。単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除しない。本発明は、いくつかの個別の構成要素を有するハードウェアを用いて、及び適切にプログラムされた計算機を用いて実施され得る。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは１つの同じハードウェアの項目によって、実施化することが可能である。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されていることができないと示すものではない。

Claims (11)

1. 直列接続の発光ダイオードのストリングに関する駆動装置であって、前記発光ダイオードのうちの少なくとも２つが異なるスペクトルを有し、当該駆動装置が、
   −主電流を前記ストリングへ供給するための、前記ストリングの両端に結合される出力部を有する主電源と、
   −前記ストリングにおける連続する発光ダイオード間における接合部のうちの少なくとも１つに結合され、前記接合部から差分電流を供給する又は引き出す、二次電源であって、前記差分電流が前記主電流より小さい、二次電源と、
   −前記ストリングによって放射される前記混合光の所望なスペクトル組成を得るように前記差分電流を生成するために、前記二次電源を制御する制御器と、
   を有し、
   前記主電源及び前記二次電源は、前記主電流が、前記発光ダイオードのうちの少なくとも１つを通ずる電流であり、前記主電流及び前記差分電流の合計が、前記発光ダイオードのうちの少なくとも１つを通ずる電流である、ように構成される、
   駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置であって、前記主電源が、スイッチモード電源を含む、駆動装置。
3. 請求項２に記載の駆動装置であって、前記ストリングに直列に接続される検出抵抗器と、前記主電流を安定化させるように前記主電源の主スイッチを制御する制御信号を得るために、前記検出抵抗器の両端の検出される電圧を参照電圧と比較する比較器と、を更に有する、駆動装置。
4. 請求項１又は２に記載の駆動装置であって、前記二次電源が、制御可能なリニア電源を含む、駆動装置。
5. 請求項４に記載の駆動装置であって、前記リニア電源が、制御可能な電流供給源を含む、駆動装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の駆動装置、及び、前記直列接続の発光ダイオードのストリング、のシステム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、前記ストリングが、白色光を含む色域を覆うための少なくとも３つの異なる色の発光ダイオードを含み、前記制御器は、所定の白色色点を得るように、前記差分電流を変更するために前記二次電源を制御するように構成される、システム。
8. 請求項６に記載のシステムであって、更に、
   −異なるスペクトルを有する少なくとも２つの発光ダイオードの直列接続を含む更なるストリングと、
   −前記更なるストリングへ更なる主電流を供給するための、前記更なるストリングの両端に結合される出力部を有する更なる主電源と、
   −前記更なるストリングにおける連続する発光ダイオード間における接合部のうちの少なくとも１つに結合され、前記接合部から更なる差分電流を供給する又は引き出す、更なる二次電源であって、前記更なる差分電流が前記更なる主電流より小さい、更なる二次電源と、
   を有し、
   −前記制御器は、前記更なるストリングによって放射される前記混合光の所定のスペクトル組成を得るように、前記更なる差分電流を変更するために前記更なる二次電源を制御するようにも構成される、
   システム。
9. 請求項６乃至８のいずれか一項に記載のシステムを含む表示パネルに関するバックライトユニットであって、前記ストリング、又は前記ストリング及び前記更なるストリングによって放射される光が、前記表示パネルを照らすように前記バックライトユニットによって方向付けされる、バックライトユニット。
10. 請求項９に記載の前記バックライトユニットと前記表示パネルを含むシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムを含む表示装置。

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