专利名称：直流电源装置、led驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生LED驱动用电源电压的直流电源装置，例如涉及有效利
用于产生在便携式电话机的液晶显示器的背光灯中使用的WLED (白色发光
二极管)的驱动电源电压的开关电源装置以及构成该开关电源装置的电源驱动 用半导体集成电路的技术。
背景技术：
在便携式电话机等移动设备中，在显示用的液晶面板的背光灯中使用了 WLED，在产生WLED的驱动电源电压的电源装置中一般使用由升压型的开 关调节器(switching regulator)构成的DC-DC转换器。在该LED驱动用电源 装置中进行以下反馈控制将LED的驱动电流转换为电压来反馈给控制电路， 通过误差放大器与基准电压进行比较，生成具有与电位差对应的脉沖宽度的驱 动脉冲，驱动在电感器(线圏)中间歇地流过电流的开关元件，将驱动电流保 持固定。作为与这种LED驱动用电源装置相关的发明，有例如专利文献l中 记载的发明。
专利文献1特开2007-220855号公报
发明内容
在移动设备中，有时要求阶段性改变地液晶面板的背光灯的亮度的功能。 作为可以切换亮度即驱动电流的LED驱动用电源装置，本申请人开发并研究 出具有图11所示的结构的LED驱动用电源装置。
图11的LED驱动用电源装置设有将被反馈输出电流的端子FBBL的电压 与参考电压Vrefl进行比较，输出具有与电位差对应的脉沖宽度的信号的PFM (脉冲频率调制)比较器11、可以控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占 空比控制电路13。该LED驱动用电源装置仅在所述PFM比较器11的输出为 预定电平的期间，将从占空比控制电路13输出的脉冲信号提供给驱动电路15， 生成开关元件的驱动信号。图11的LED驱动用电源装置，当根据来自外部的电流控制信号(控制码) CC来緩慢降低LED的驱动电流时，显然存在以下问题如图12所示，开关 元件的驱动信号Sl的脉冲周期逐渐延长，频率下降到人类的可听范围的Ji限、 即20kHz以下，或者如图13所示，有时发生输出电压Vout的变化(所谓的波 动(ripple ))增大等在设备的特性方面不理想的状况。
该发明着眼于上述问题，其目的在于提供可以使开关元件的驱动信号的频 率不降低到可听范围的上限以下、并且可以减小输出电压的波动的LED驱动 用电源装置以及电源驱动用半导体集成电路。
为了达成上述目的，本发明提供一种开关调节器(LED驱动用电源装置)， 具备在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间 连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反^t与输 出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉沖宽度的信号的PFM比 较器。该开关调节器的特征在于，设置有可以才艮据电流控制信号来控制预定频 率的振荡信号的脉沖宽度的占空比控制电路，仅在所述PFM比较器的输出为 预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电 路,生成所述开关元件的驱动信号。
更具体而言，作为一种LED驱动用电源装置，具备在电感器中间歇地 流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所 述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并 输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器。所述LED驱动用电 源装置的特征在于，具有引入流过所述LED单元的电流的可变电流源；以 及可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控 制电路，所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，所述占空比控 制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过 输出电流时相比，使输出的脉冲宽度变窄，仅在所述PFM比较器的输出为预 定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电 路，生成所述开关元件的驱动信号。
根据上述结构，当输出电流减小时开关元件的导通时间缩短，因此，即使 输出电流减小，PFM比较器的输出脉冲的周期也不会极端地延长，由此避免
6驱动信号的频率下降到人类的可听范围的上限以下，并且可以减小输出电压的 波动。
在此，优选所述占空比控制电路具备构成为流过与所述电流控制信号对 应的电流的第二可变电流源、与该第二可变电流源串联连接的电容元件、在所 述第二可变电流源和所述电容元件的结合节点上连接的放电用的开关、以及比 较所述结合节点的电位与预定的参考电压的比较器。通过所述振荡信号对所述 放电用的开关进行导通、截止控制，所述可变电流源，当所述电流控制信号请 求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，流过的电流增 多。
或者，代替所述第二可变电流源而使用恒定电流源，并JU殳置输出与电流 控制信号对应的参考电压的可变电压单元，可变电压单元，当所述电流控制信 号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，输出的电 压降低。另外，代替所述第二可变电流源而使用恒定电流源，代替电容元件而 使用可变电容单元，可变电容单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出 电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，电容值变小。
根据本发明，具有如下效果可以实现能够使开关元件的驱动信号的频率 不下降到可听范围的上限以下，并且能够减小输出电压的波动的LED驱动用 电源装置以及电源驱动用半导体集成电路。
图1是表示应用了本发明的LED驱动用电源装置的一个实施方式的结构 框图。
图2是表示占空比控制电路的具体例的电路图。
图3是表示图2的占空比控制电路的动作的时序图。
图4是表示图1的LED驱动用电源装置的动作的时序图。
图5是在时间方向上放大图4的一部分区间来表示的时序图。
图6是表示占空比控制电路的另一结构例的电路图。
图7是表示图6的占空比控制电路的动作的时序图。
图8是表示占空比控制电路的又一结构例的电路图。
图9是表示图8的占空比控制电路的动作的时序图。图io是表示可变电流源的具体例的电路图。
图11是表示在本发明之前研究的LED驱动用电源装置的一例的结构框图。
图12是表示图11的LED驱动用电源装置的动作的时序图。 图13是在时间方向上放大图12的一部分区间来表示的时序图。 符号说明
10:开关控制电路；11: PFM比较器；12:振荡电路；13:占空比控制 电路；15:驱动电路；21、 22:可变电流源；23:恒定电流源；24:可变电压 电路；25:可变电容；30: LED单元;Ll:线圈(电感器)；Cl:滤波电容； SW1:线圈驱动用开关晶体管
具体实施例方式
以下，才艮据
本发明的优选实施方式。
图1表示应用了本发明的LED驱动用电源装置的一个实施方式。
本实施方式的LED驱动用电源装置，通过以下部件构成了升压型的开关 调节器在直流电压端子VDD和接地点之间以串联形态连接的线圈(电感器) Ll以及由N沟道MOSFET (绝缘4册型电场效应晶体管)构成的开关晶体管 SW1 、在所述线圈Ll和输出端子OUT之间连接的二极管Dl 、在输出端子OUT 和接地点之间连接的滤波电容Cl、对开关晶体管SW1进行导通/截止控制的 开关控制电路IO。并且，在输出端子OUT上连接了由串联形态的多个白色发 光二极管WLED构成的LED单元30。
此外，虽然未特别限定，但在本实施方式中，上述开关控制电路10和开 关晶体管SW1在一个半导体芯片上作为半导体集成电路(以下称为驱动用IC) 而形成，线圈Ll和二极管Dl以及滤波电容C1由分立(discrete)部件构成， 作为外加元件而连接在上迷驱动用IC上。
开关控制电路10由以下各部构成与反馈信号参考电压Vrefl进行比较， 生成具有与电位差对应的脉冲宽度(频率可变)的脉冲信号的pfm比较器11;
生成预定频率的信号0osc的振荡电路12;根据振荡信号0osc生成希望的脉 沖宽度的信号的占空比控制电路13;以PFM比较器11的输出的反相信号和 占空比控制电路13的输出作为输入的OR门电路14;接受OR门电路14的输出，生成开关晶体管SW1的导通、截止驱动信号的驱动电路15等。
另外，在驱动用IC中设置了连接上述发光二极管WLED的阴极侧端子的 反馈端子FBBL，并且在IC内部设置了与该反馈端子FBBL连接的可变电流 源21，使流过发光二极管WLED的电流流过IC内的可变电流源21。并且， 在反馈端子FBBL上连接了构成开关控制电路10的PFM比较器11的反相输 入端子，将WLED的驱动电流转换为电压，输入到PFM比较器ll。
而且，在驱动用IC中设置了输入从外部的CPU等供给的电流控制码CC (电流指令值)的端子，上述可变电流源21流过与向该端子提供的控制码CC 对应的电流。在该实施方式中，上述控制码CC也被提供给占空比控制电路13 ， 占空比控制电路13根据可变电流源21的电流值使输出的脉沖的脉沖宽度变 化。具体而言，占空比控制电路13进行如下动作可变电流源21的电流值越 大，使输出脉冲的脉沖宽度越宽，可变电流源21的电流值越小，使输出脉沖 的脉冲宽度越窄。
由此，当电流指令值变小，减小WLED的驱动电流时，脉冲宽度变窄， 开关晶体管SW1的导通时间缩短，流过线圏Ll的一次的电流量减少，因此， 与不进行与电流指令值对应的脉沖宽度控制的情况相比，PFM比较器11的输 出的周期不延长，开关晶体管SW1的导通脉冲的频率也不减小。
在图2中表示了占空比控制电路13的具体的电路例。该实施例的占空比 控制电路13由以下各部构成在电源电压端子VDD和接地点之间串联连接 的可变电流源22以及电容器C2;与电容器C2并联连接的放电用的开关 MOSFET SW2;比较可变电流源22与电容器C2的连接节点N2的电位V2和 参考电压Vref2的比较器CMP2。
在上述开关MOSFET SW2的栅极端子上施加了来自振荡电路12的振荡信 号0osc，在0osc为低电平的区间将SW2截止，通过可变电流源22的电流 将电容器C2充电，节点N2的电位V2逐渐上升，在0osc为高电平的期间将 SW2导通，电容器C2的电荷^皮;汶电，节点N2的电位V2锯齿状地变化。通 过用比较器CMP2来比较该波形和参考电压Vref2，如图3所示，生成具有与 锯齿波的斜率和参考电压Vref2的电平相对应的希望的脉冲宽度的矩形波。在 振荡信号0osc中使用例如lMHz这样频率的信号。在该实施例的占空比控制电路13中，可变电流源22的电流值根据控制码 CC而阶段性变化，由此如图3中虛线所示，锯齿波的斜率变化，与^目对应， 输出矩形波的脉沖宽度变化。具体而言，可变电流源22的电流值越大，锯齿 波的斜率越大，矩形波的脉冲宽度越窄。此外，与控制码CC对应的可变电流 源21的电流值和可变电流源22的电流值的关系是相反的，将控制码CC构成 为，当增大可变电流源21的电流值时，可变电流源22的电流值减小。
接下来，使用图4和图5， 一边与图12以及图13进行比较， 一边说明图 1的LED驱动用电源装置的动作。此外，图5是在时间方向上放大图4的一 部分区间来进行表示的图，图13是在时间方向上放大图12的一部分区间来进 行表示的图。
如图12 ( A)所示，控制码CC切换到减小LED的电流的方向时，在图 11那样的结构的电源装置中，如图12 (C)所示，PFM比较器11的输出的周 期逐渐延长，脉冲的宽度(高电平期间)变宽，仅在低电平期间OR门14使 占空比控制电路13的脉冲通过，因此，开关晶体管SW1的驱动脉冲如图12 (D)所示，间隔逐渐变宽。其结果是驱动脉沖的频率有可能达到人类的可听 范围的上限即20kHz以下，并且如图13 (E)所示，输出电压Vout的波动也 增大。
与之相对，在图l的电源装置中，即4吏控制码CC切换到减小LED的电 流的方向，如图4 (C)所示，PFM比较器11的输出的周期也不延长，脉冲 的宽度(高电平期间)也不变宽。这是由于，当电流指令值减小时，如图4(B) 所示，占空比控制电路13的输出脉沖的宽度变窄，开关晶体管SW1的导通时 间缩短，通过一次导通驱动而流过线圈Ll的电流量减小。
并且，如上所述即使电流指令值减小PFM比较器11的输出的周期也不延 长时，如图4(D)所示，开关晶体管SW1的驱动脉沖的间隔也不怎么变宽。 其结果是驱动脉冲的频率不会达到人类可听范围的上限即20kHz以下，并且 如图5 (E)所示，输出电压Vout的波动也减小。
在图6和图8中表示了上述占空比控制电路13的其它结构例。
其中，图6的占空比控制电路，使用恒定电流源23代替图2的电路中的 可变电流源22,并且设置了可变电压电路24代替参考电压Vref2。可变电压电路24考虑构成如下结构具有例如串联连接了多个电阻的梯电阻、以及与 各电阻并联地设置的多个开关，并通过用所述控制码CC选择性地使这些开关 成为导通或者截止状态，产生以适当的对向比(対向比)将参考电压Vref2分 压而得的电压。
该电路在控制码CC切换到减小LED的电流的方向时进行控制，以使提 供给比较器CMP的参考电压Vref2减小。由此，如图7中虚线所示，占空比 控制电路的输出脉冲的宽度变窄，具有与图1的实施方式的电源装置相同的功 能。
另一方面，图8的占空比控制电路，使用了恒定电流源23来代替图3的 电路中的可变电流源22，并且设置了可变电容25来代替电容器C2。可变电 容25考虑构成如下结构具有例如多个并列形态的电容元件、以及与各电容 元件串联连接的多个开关，并通过用所述控制码CC选择性地使这些开关成为 导通或截止状态，切换与节点N2连接的电容元件的数量来使电容值变化。
该电路在控制码CC切换到減小LED的电流的方向时进行控制，以使与 节点N2连接的电容元件的数量减少，从而使电容值减小。由此，如图9中虚 线所示，节点N2的电位V2的斜率变陡，占空比控制电路的输出脉冲的宽度 变窄，具有与图1的实施方式的电源装置相同的功能。
在图10中表示可变电流源21的具体的电路图。该实施例的可变电流源 21由以下部件构成恒定电流源10以及与其串联连接的电流-电压转换用的 MOSFET Q0;与该MOSFET Q0进行了电流反射镜(current mirror)连接的n 个MOSFET Ql 、 Q2...Qn;在反馈端子FBBL和接地点之间与Ql ~ Qn分别串 联连接的n个开关MOSFET Qll ~ Qln。在Ql ~ Qn中流过对应于其与Q0的 大小比的电 流。
并且，在上述开关MOSFET Qll ~ Qln的栅极端子上施加控制码CC的各 比特信号Bl ~ Bn，通过改变由Bl ~ Bn导通的MOSFET的数量来切换总电流。 Ql Qn以及Q11 -Qln全部是N沟道MOSFET。图2的占空比控制电路内的 可变电流源22可以成为以下电路具有与图10的电路上下对称的结构，作为 Ql ~ Qn以及Qll ~ Qln而使用P沟道MOSFET， Ql ~ Qn的源极代替与接地 点相连而与电源电压VDD相连。以上，根据实施方式具体说明了本发明人提出的发明，但本发明并不限于
上述实施方式。例如，在图l的电源装置中，在驱动用IC内设置了振荡电路 12,但也可以构成为输入在芯片外部生成的振荡信号。另外，在图1中作为开 关元件SW1而使用了 MOSFET，但也可以使用双极性晶体管。
而且，在所述实施方式中，表示了在IC芯片内形成了构成开关调节器的 开关晶体管SW1的例子，但由于该晶体管中流过比较大的电流，因此也可以 作为外加的元件来连接。另外，在实施例的驱动用IC中构成为从外部输入提 供驱动电流的指令值的控制码CC，但也可以代替控制码而通过模拟信号来提 供电流指令值。
产业上的可利用性
在以上的说明中说明了在LED驱动用电源装置中应用了本发明的例子， 但本发明不限于此，可以广泛应用于想要产生升压后的电压，并对输出电流进 行反馈控制的电源装置。
权利要求
1. 一种直流电源装置，具备在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器，所述直流电源装置的特征在于，具有可以根据从外部提供的电流控制信号，来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
2. —种LED驱动用电源装置，具备在电感器中间歇地流过电流的开关元件；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；以及被反馈与输出电流成比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉沖宽度的信号的PFM比较器，在与所述输出端子连接的LED单元中流过驱动电流，所述LED驱动用电源装置的特征在于，具有引入流过所述LED单元的电流的可变电流源；以及可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路，所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，所述占空比控制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，使输出的脉沖宽度变窄，仅在所述PFM比4^器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
3. 根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，所述占空比控制电路具备构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的第二可变电流源；与该第二可变电流源串联连接的电容元件；在所述第二可变电流源和所述电容元件的结合节点上连接的放电用的开关；以及比较所述结合节点的电位与预定的参考电压的比较器，通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制， 所述可变电流源，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与请求较多地流过输出电流时相比，流过的电流增多。
4. 根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，所述占空比控制电路具备构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的 恒定电流源；与该恒定电流源串联连接的电容元件；在所述恒定电流源与所述 电容元件的结合节点上连接的放电用的开关；输出与所述电流控制信号对应的 参考电压的可变电压单元；以及比较所述结合节点的电位与从所述可变电压单 元输出的参考电压的比较器，通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制， 所述可变电压单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与 请求4交多地流过输出电流时相比，输出的电压降低。
5. 根据权利要求2所述的LED驱动用电源装置，其特征在于，所述占空比控制电路具备构成为流过与所述电流控制信号对应的电流的 恒定电流源；与该恒定电流源串联连接的可变电容单元；在所述恒定电流源与 所述可变电容单元的结合节点上连接的放电用的开关；以及比较所述结合节点 的电位与预定的参考电压的比较器，通过所述振荡信号，对所述放电用的开关进行导通、截止控制， 所述可变电容单元，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时，与 请求较多地流过输出电流时相比，电容值变小。
6. —种电源驱动用半导体集成电路，具备在电感器中间歇地流过电流 的开关元件；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路；被反馈与输出电流成 比例的电压、并输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器，该电源驱动用半导体集成电路的特征在于， 具有被反馈输出电流的外部端子；与该外部端子相连、并引入所述输出电流的可变电流源；以及 可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比 控制电路，所述可变电流源流过与所述电流控制信号对应的电流，所述占空比控制电路，当所述电流控制信号请求较少地流过输出电流时， 与请求较多地流过输出电流时相比，将输出的脉沖宽度变窄，仅在所述PFM比^^器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电 路输出的脉冲信号提供给所述驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
全文摘要
本发明提供直流电源装置、LED驱动用电源装置及电源驱动用半导体集成电路。该直流电源装置具备在电感器中间歇地流过电流的开关元件(SW1)；在所述电感器和输出端子之间连接的整流元件(D1)；生成所述开关元件的驱动信号的驱动电路(15)；以及被反馈与输出电流成比例的电压，输出具有与该电压对应的脉冲宽度的信号的PFM比较器(11)。在所述直流电源装置中设置可以根据电流控制信号来控制预定频率的振荡信号的脉冲宽度的占空比控制电路(13)，仅在所述PFM比较器的输出为预定电平的期间，将从所述占空比控制电路输出的脉冲信号提供给驱动电路，生成所述开关元件的驱动信号。
文档编号H01L33/00GK101500359SQ20091000234
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月7日 优先权日2008年1月8日
发明者广岛隆, 熊谷敬三 申请人:三美电机株式会社