JP5328646B2 - 発光ダイオードを制御する制御回路及び制御方法 - Google Patents

Description

発光ダイオード（Light emitting diode；ＬＥＤ）は、小型で高い効率を有し、比較的強い発光をする。ＬＥＤは、可視光領域、赤外領域、または他の非可視波長領域に対応する光スペクトルを有する光を発光することができる。

ＬＥＤは、テレビのバックライトシステムやモニターシステムに使用される。ＬＥＤを用いることにより、例えば従来のネオン光と比較してより均一な輝度分布を有する発光装置を達成することが可能になる。

ＬＥＤの明るさは、ＬＥＤを通過する電流値を変化させることにより制御される。これにより、ＬＥＤのスペクトル色も変化させることができる。ＬＥＤを制御する他の方法としては、パルス幅変調（pulse width modulated；ＰＷＭ）信号が使用される。この場合、ＬＥＤを流れる平均電流は主として同じ値を有する。

図６は、数個のＬＥＤ列ＳＴＲ１、ＳＴＲ２、ＳＴＲ５を制御する従来の制御回路を示す図である。各列は、例えば、ＬＥＤ駆動回路ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳ５、電源、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ５から構成される。ＬＥＤの明るさは、ＬＥＤ列切替制御部ＣＣＰＷＭにより生成されるパルス幅変調切替信号に応じて、列ＳＴＲ１、ＳＴＲ２、ＳＴＲ５をスイッチオン又はオフすることによる制御される。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ５の開閉により、ＬＥＤ列ＳＴＲ１、ＳＴＲ２、ＳＴＲ５へ流れる電流が完全にオンまたはオフされる。これにより、電磁干渉（electromagnetic interference；ＥＭＩ）の原因となる高いピーク電流やスプールが生じてしまう。

パルス幅変調を用いた場合、バックライトシステムにおける切替信号は、例えばＨＳＹＮＣ又はＶＳＹＮＣとしての水平又は垂直方向同期信号といった映像信号から派生する信号と通常は同期される。これにより、切替信号と同期信号との間に光学的干渉が生じる。映像信号から映像イメージを生成する時、バックライトで照らされた画面の同じ位置が暗くなったり、同時に暗くなったりといったことがそれぞれ生じ得る。例えば、同期により画面の下半分が上半分に比べて常に暗くなるというこうことが生じ得る。

本発明の目的は、より均一な輝度分布を有し、電磁干渉を低減することが可能な発光ダイオードを制御するための制御回路及び制御方法を提供することにある。

この目的は、独立請求項の構成により解決される。各従属項にはさらなる実施態様が述べられている。

発光ダイオードを制御するための制御回路は、発光ダイオード列をオンまたはオフするためのスイッチを備える。シグマデルタ変調器は、制御信号を受信するための信号入力と、スイッチの制御入力に接続された信号出力と、クロック周期を持つクロック信号を受信するクロック入力と、を備える。合成器は、データ信号とノイズ信号とに基づいて制御信号を生成する。そのデータ信号はＬＥＤの所望の輝度に対応することが出来る。シグマデルタ変調器を使用して、データ信号とノイズ信号とを合成してそのデータ信号をわずかに変化させることにより、ＬＥＤを切り替えるタイミングが好適に多様化される。これにより、例えば映像画面のバックライトシステムにおいて、より均一な輝度分布を得ることが出来る。

この発明は、より多くの数の制御される列がある場合であっても容易に適用可能である。

本発明は、以下の図面を参照し各実施の形態により詳細に説明される。

第１の実施の形態の制御回路を示す図である。 第２の実施の形態の制御回路を示す図である。 第３の実施の形態の制御回路を示す図である。 第４の実施の形態の制御回路を示す図である。 時間電流図の一例を示す図である。 従来の制御回路を示す図である。

図１は、第１の実施形態のＬＥＤを制御する制御回路を示す図である。第１のＬＥＤ列ＳＴＲ１は、複数のＬＥＤであるＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３及びＤ１４から構成される。ＬＥＤの数は図に示されたような４個のＬＥＤに限定されるものではない。複数のＬＥＤであるＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３及びＤ１４は、ＬＥＤ駆動回路ＶＳ１と第１のＬＥＤ列ＳＴＲ１をスイッチオンまたはオフするためのスイッチＳ１との間に直列に接続される。

この制御回路は、加算器Ａ１と遅延素子Ｚ１１とから構成される第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１を備える。第１の合成器ＣＭＢ１は、データ信号ＤＡＴＡと第１のノイズ生成器ＤＮＧ１により生成された第１のノイズ信号とを受信する。第１の合成器ＣＭＢ１の出力は、第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１の信号入力ＳＩ１となっている第１の加算器Ａ１の入力と接続されている。第１の加算器Ａ１の桁上げ出力は、シグマデルタ変調器ＳＤ１の信号出力ＳＯ１を構成し、スイッチＳ１の制御入力に接続されている。

データ信号ＤＡＴＡは、ＬＥＤの所望される輝度に対応するバイナリーデータのワードであっても良い。ノイズ生成器ＤＮＧ１は、例えばフィードバック型のシフトレジスタとＸＯＲ出力とを備えたデジタルノイズ生成器であっても良い。デジタルノイズ生成器は、任意のワード長を有するデジタルノイズ信号を生成することが出来る。ノイズ信号のワード長により、切替信号のランダム性が決定する。データ信号のワード長は、通常ノイズ信号のワード長より大きくなる。

スイッチＳ１は、シグマデルタ方式に従って変調された切替信号によって制御される。このようにして所望の輝度に基づいてビット流が生成される。ビット流の時間平均値は制御信号の値と対応する。クロック信号ＣＬＫのクロック周波数は、データ信号ＤＡＴＡが変化する周波数と比較して、通常は大きくなっている。

デジタルノイズ生成器ＤＮＧ１は、正及び負の数から成り平均値がゼロである擬似ランダム系列を生成するので、データ信号ＤＡＴＡの平均値は時間経過によって変化しない。従って、シグマデルタ変調器ＳＤ１の信号入力ＳＩ１に供給される制御信号は、データ信号ＤＡＴＡに対応する。これは、時間経過においても所望された輝度になることを意味している。つまり、切替時間や切り替えの事例がわずかに変化され、これによりＥＭＩの影響が減少する。

図２は、第２の実施の形態の制御回路を示す図である。この実施の形態では、第２のＬＥＤ列ＳＴＲ２も制御回路によって制御される。ＬＥＤ列ＳＴＲ２はＬＥＤ駆動回路ＶＳ２と、第２のＬＥＤ列ＳＴＲ２をスイッチオンまたはオフするための第２のスイッチＳ２と、を備える。

この制御回路は、図１に示した制御回路に加えて遅延素子Ｚ１２を備え、遅延素子Ｚ１２の入力側は第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１の信号出力ＳＯ１と接続されている。遅延素子Ｚ１２の出力は第２のスイッチＳ２の制御入力と接続される。遅延素子Ｚ１２は、クロック信号ＣＬＫが提供されるクロック入力を備えている。

このように、遅延素子Ｚ１２から出力される第２の切替信号は、クロック信号ＣＬＫのクロック周期に対応しているか等しい遅延時間を持ち、第１の切替信号に対して遅延したものとなっている。

第２のＬＥＤ列ＳＴＲ２を通過する電流の時間平均値は遅延によって影響されないが、第１のＬＥＤ列ＳＴＲ１及び第２のＬＥＤ列ＳＴＲ２が異なる時間にスイッチオンまたはオフされ、全体の電流は一度に減少する。この構成例の全体電流は第１のＬＥＤ列ＳＴＲ１を流れる電流と第２のＬＥＤ列ＳＴＲ２を流れる電流との合計となる。従って、全体電流の電流ステップの高さはさらに減少する。これによりＥＭＩの減少も可能になる。

図３は、第３の実施の形態の制御回路を示す図である。図１に示した実施の形態に加えて、ＬＥＤ駆動回路ＶＳ３と、ＬＥＤであるＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、Ｄ３４及びスイッチＳ３と、から構成されているＬＥＤ列ＳＴＲ３、及び、ＬＥＤ駆動回路ＶＳ５と、ＬＥＤであるＤ５１、Ｄ５２、Ｄ５３、Ｄ５４及びスイッチＳ５と、から構成されているＬＥＤ列ＳＴＲ５から構成される。この制御回路は、加算器Ａ２と遅延素子Ｚ２１とを有する第２のシグマデルタ変調器ＳＤ２と、第２の合成器ＣＭＢ２と、第２のデジタルノイズ生成器ＤＮＧ２と、を備える。第２のシグマデルタ変調器ＳＤ２の機能は第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１と同様である。データ信号ＤＡＴＡは、第２のデジタルノイズ生成器ＤＮＧ２により生成される第２のノイズ信号と共に、第２の合成器ＣＭＢ２に提供される。第２のノイズ信号の擬似ランダムノイズ系列は、第１のノイズ信号のそれぞれの系列とは通常は異なるものとなる。従って、第２の合成器ＣＭＢ２により生成され第２のシグマデルタ変調器ＳＤ２に供給される第２の制御信号は、第１の制御信号とはわずかに異なるものとなる。第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１に関して上述したように、第２のシグマデルタ変調器ＳＤ２は、第２の制御信号に基づいて第２のスイッチＳ２を制御するための第２の切替信号を生成する。第１及び第２の制御信号が異なっているので、第１及び第２の切替信号は異なり、その結果、ＬＥＤ列ＳＴＲ１を切り替えるタイミングとＳＴＲ３を切り替えるタイミングとも異なる。

第２のシグマデルタ変調器ＳＤ２に関して上述したように、合成器とデジタルノイズ生成器とをそれぞれ備えたシグマデルタ変調器をさらに加えることも可能である。この構成例はシグマデルタ変調器ＳＤ３と、合成器ＣＭＢ３と、ＬＥＤ列ＳＴＲ５を制御するデジタルノイズ生成器ＤＮＧ３と、を備えた例を示している。

すべての加算器は同じデータ信号ＤＡＴＡが供給される。すべての合成器ＣＭＢ１、ＣＭＢ２、ＣＭＢ３は独立したデジタルノイズ生成器ＤＮＧ１、ＤＮＧ２、ＤＮＧ３にそれぞれ接続されているので、これらの合成器により生成された制御信号はそれぞれ異なっている。このようにして切替信号は結果的に異なることとなる。ＬＥＤ列ＳＴＲ１、ＳＴＲ３及びＳＴＲ５のそれぞれのＬＥＤ電流の平均値はデータ信号ＤＡＴＡのみにより決定される。ＬＥＤ列は同期して切り替えられないので、すべてのＬＥＤ列の全体電流は同時に減少する。従って、それぞれのＬＥＤ列における平均電流は変化しないが、ＬＥＤ列が同期して切り替えられることを回避することができる。

図４は、第４の実施の形態の制御回路を示す図である。この制御回路は複数のＬＥＤ列ＳＴＲ１、ＳＴＲ２、ＳＴＲ３、ＳＴＲ４及びＳＴＲ５を制御する。ＬＥＤ列ＳＴＲ４は、ＬＥＤ駆動回路ＶＳ４と、ＬＥＤであるＤ４１、Ｄ４２、Ｄ４３、Ｄ４４と、ＬＥＤ列ＳＴＲ４をオンまたはオフするためのスイッチＳ４と、から構成されている。それぞれのＬＥＤ列のＬＥＤの数は図に示した４個に限定されない。このことはすべてのＬＥＤ列に対して同様であり、例えば長方形の画面用のバックライトに使用される場合などがある。それぞれのＬＥＤ列におけるＬＥＤの数も異なっていても良く、それぞれの光源としての適用例に依存する。ＬＥＤ又はＬＥＤ列は画面領域にわたりそれぞれを均一に配置させても良い。

ＬＥＤ列ＳＴＲ１及びＳＴＲ２の制御は図２に示した実施の形態と同様である。この場合、スイッチＳ１を制御するための第１の制御信号は、第１のシグマデルタ変調器ＳＤ１により生成される。第２のスイッチは、第１の切替信号の遅延した信号である第２の切替信号により制御される。

ＬＥＤ列ＳＴＲ３及びＳＴＲ４は、ＬＥＤ列ＳＴＲ１及びＳＴＲ２と同様の方法により制御される。第３の切替信号は、データ信号ＤＡＴＡとデジタルノイズ生成器ＤＮＧ２により生成された第２のノイズ信号とに基づいて、シグマデルタ変調器ＳＤ２により生成される。第４のＬＥＤ列ＳＴＲ４を制御するための第４の切替信号は、遅延素子Ｚ２２により第３の切替信号をクロック信号ＣＬＫの１クロック周期だけ遅延させることにより生成される。

その他のＬＥＤ列も同様の方法により制御することができる。例えば、図３に対する説明で述べたように、ＬＥＤ列ＳＴＲ５は、シグマデルタ変調器ＳＤ３により生成された切替信号により制御される。

合成器ＣＭＢ１、ＣＭＢ２及びＣＭＢ３、並びに、それぞれのシグマデルタ変調器における加算器Ａ１、Ａ２及びＡ３は、データ信号ＤＡＴＡとノイズ信号とのワード長に対応するそれぞれワード長を有する積算器であってもよい。これらの積算器は、例えば単純な論理回路を用いたハードウェアで構成されてもよいし、デジタル信号演算器（digital signal processor；ＤＳＰ）により実現されてもよい。シグマデルタ変調も、ＤＳＰを使用して実現してもよい。

図５は、本発明の制御回路と従来の制御回路との全体電流を比較する電流時間図の一例である。図５の下半分においては、パルス幅変調された切替信号を用いた制御回路の全体電流ＩＰＷＭが示されている。例えば、望ましい値である０．６の輝度に対応するパルス比率は約６０％である。すべてのＬＥＤ又はＬＥＤ列は、それぞれ同時にスイッチオンまたはオフされる。これにより、ＬＥＤをそれぞれスイッチオンまたはオフする時に大電流のピークが生まれる。電流のピークにより、電磁波の周波数スペクトルにおいて大きな電磁干渉が発生する。

図５の上半分は、上述した実施の形態のうちの一つの制御回路で制御されるＬＥＤ列の全体電流ＩＳＤを示している。好ましい輝度の値は、電流ＩＰＷＭのそれぞれの輝度の値、例えば約６０％に対応する。上述した実施の形態では、ＬＥＤ列のスイッチオフがより頻繁に起こり、幅広い周波数帯域にわたって全体電流ＩＳＤの信号エネルギーが分布することになる。電流ピークΔＩＳＤは電流ピークΔＩＤＷＭより小さいので、全体電流ＩＳＤの周波数スペクトルのピーク値はより小さい。従って、電磁干渉は減少する。

ＬＥＤ列がより多数あるときは、全体電流ＩＳＤは電流ピークΔＩＳＤが相対的に小さくなり、ほぼ定数であるとみなせる。そのため、好ましくないパルス電流を避けることができる。

上述した実施の形態はテレビや画面のバックライトシステムに適用することが可能である。本発明で使用するＬＥＤ列は、人間の眼には白色に見える可視周波数領域全域の光を放出する白色ＬＥＤで構成されてもよい。それぞれのスペクトル成分をローカルフィルタリングにより、色情報を加えるようにしてもよい。

また、ＬＥＤ列は、例えばＲＧＢ−ＬＥＤとして知られる赤色、緑色、青色などの有色のＬＥＤで構成されてもよい。

従来の制御回路においては、切替信号と同期信号との間の光学的干渉により画面上で好ましくないパターンが生じていたが、上述した実施の形態のうちの一つの制御回路を使用することにより、この光学的干渉を避けることが可能になる。

Claims (12)

1. 第１の発光ダイオード列を電気的にオンまたはオフするための第１のスイッチと、
   第２の発光ダイオード列を電気的にオンまたはオフするための第２のスイッチと、
   第１の制御信号を受信する信号入力と、前記第１のスイッチの制御入力と接続された信号出力と、クロック周期を持つクロック信号を受信するクロック入力と、を有する第１のシグマデルタ変調器と、
   データ信号と第１のノイズ信号とに基づいて前記第１の制御信号を生成する第１の合成器と、
   前記第１のシグマデルタ変調器の信号出力と前記第２のスイッチの制御入力とを接続する遅延素子と、
   発光ダイオードの少なくとも一つの列を電気的にオンまたはオフするための少なくとも一つのさらなるスイッチと、
   前記さらなるスイッチそれぞれに対応して、それぞれのさらなる制御信号を受信する信号入力と、前記さらなるスイッチの制御入力に接続された信号出力と、前記クロック信号を受信するクロック入力と、を有するさらなるシグマデルタ変調器と、
   前記さらなるスイッチそれぞれに対応して、前記データ信号とそれぞれのさらなるノイズ信号とに基づいて前記さらなる制御信号を生成するさらなる合成器と、
   前記第１のノイズ信号を生成する第１のノイズ生成器と、
   前記さらなるノイズ信号を生成するさらなるノイズ生成器と、
   を備え、
   前記データ信号のワード長が前記第１のノイズ信号のワード長より大きく、
   前記第１のノイズ信号は、正及び負の数から成り、
   前記第１の合成器と前記さらなる合成器とには、同じ前記データ信号が供給され、
   前記第１のノイズ生成器と、前記さらなるノイズ生成器とは、前記さらなるノイズ信号の擬似ランダムノイズ系列が前記第１のノイズ信号の擬似ランダム系列と異なるように、それぞれ独立している
   ことを特徴とする発光ダイオードを制御する制御回路。
2. 前記遅延素子の遅延時間は、前記クロック信号のクロック周期に対応していることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記第１の発光ダイオード列は、前記第１のスイッチと電気的に接続されている複数の発光ダイオードから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御回路。
4. 前記第１のノイズ信号を生成する第１のノイズ生成器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御回路。
5. 前記クロック信号を受信する入力を有する第１のノイズ生成器を備えることを特徴とする請求項４に記載の制御回路。
6. 前記第１のノイズ生成器が、擬似ランダムノイズ系列である第１のノイズ信号を生成することを特徴とする請求項４又は５に記載の制御回路。
7. 前記第１のノイズ信号の時間平均値がゼロであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御回路。
8. データ信号と第１のノイズ信号とから第１の制御信号を生成するステップと、
   シグマデルタ変調器を用いて、前記第１の制御信号に基づき第１の切替信号を生成するステップと、
   前記第１の切替信号を遅延させることにより第２の切替信号を生成するステップと、
   前記第１の切替信号に基づいて、第１の発光ダイオード列を電気的にオンまたはオフするステップと、
   当該第２の切替信号に基づいて、第２の発光ダイオード列を電気的にオンまたはオフするステップと、
   さらなる発光ダイオード列それぞれに対応して、前記データ信号とそれぞれのさらなるノイズ信号とに基づいて、それぞれのさらなる制御信号を生成するステップと、
   前記さらなる発光ダイオード列それぞれに対応して、シグマデルタ変調を用いて前記それぞれの制御信号からそれぞれのさらなる切替信号を生成するステップと、
   前記さらなる発光ダイオード列それぞれに対応して、前記それぞれの切替信号に基づいて、前記それぞれの発光ダイオード列を電気的にオンまたはオフするステップと、
   を備え、
   前記データ信号のワード長が前記第１のノイズ信号のワード長より大きく、
   前記第１のノイズ信号は、正及び負の数から成り、
   前記第１の制御信号を生成するステップと前記さらなる制御信号を生成するステップとでは、同じ前記データ信号が供給され、
   前記さらなるノイズ信号の擬似ランダムノイズ系列が前記第１のノイズ信号の擬似ランダム系列と異なる
   ことを特徴とする発光ダイオードを制御する制御方法。
9. 前記第２の切替信号を生成するための遅延時間が、シグマデルタ変調を行うために使用されたクロック信号のクロック周期に対応していることを特徴とする請求項８に記載の制御方法。
10. 前記第１のノイズ信号の時間平均値がゼロであることを特徴とする請求項８又は９に記載の制御方法。
11. 前記データ信号が所望の輝度に対応していることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の制御方法。
12. 前記第１のノイズ信号が擬似ランダムノイズ系列であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の制御方法。

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