LED ドライバー IC の技術 液晶バックライト及び照明用

液晶バックライト及び照明用 LED ドライバー IC の技術

群馬大学 松田順一

1

2015年6月14日

概要

•

昇圧型ＤＣ－ＤＣコンバータの動作

•

不連続・臨界・連続の各モード

•

調光の方式

•

液晶バックライト用白色ＬＥＤドライバーＩＣ

•

ＴＶ用

•

液晶バックライト用白色ＬＥＤドライバーＩＣへの要求事項（ＴＶ用）

•

照明用ＬＥＤドライバーＩＣ

•

照明用LEDドライバーＩＣ（AC入力）への要求事項

（注）群馬大学アナログ集積回路研究会 第89回講演会（2008年7月24日）資料から抜粋

2

DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀの基本回路

Vi Vo

－

＋

Vi Vo

＋

－

Vi Vo

＋

－

降圧型 昇圧型

昇降圧型

3

昇圧型DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀ回路図 ー負荷：LEDー

I

i

V

i

V

o

V

GSW

L

4

ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾚｷﾞｭﾚｰﾀの基本構成

DC-DCコンバータ

ドライブ PWM 誤差増幅

Vi Vo

Vr

5

不連続モード

－スイッチングＴｒゲート電圧と入力電流－

TON

TOFF

T TON

TF

VgSW

Ii

IP

t t

6

エネルギーの流れ

• T

_ON時

•

コイルへのエネルギー蓄積

• T

_OFF（

T

_F）時

• T

_ON時にコイルに蓄積されたエネルギーの放出

•

電源からのエネルギー供給

•

ダイオードを通して負荷へのエネルギー供給

7

不連続モード解析１

－コイルのエネルギー蓄積と放出－

• Ｔ

_ＯＮ間にコイルに蓄積されるエネルギー

• Ｔ

_Ｆ間にコイルから放出されるエネルギー

2 2

2

0

2

1 2

1

P ON

T i

i i

ON

T LI

L dt V

I V

E  

^ON

 

   

2 2



2

0

2

1 2

1

P F

o T i

i o i

CF

T LI

L V dt V

I V V

E  

^F

     

f T T

D T dt V

L dI Lf

D I V

T I L

t V T

t I L

I V _P ^{i i} _i ^ON

ON P i

ON P i

i

, 1

,  













 　　 　 　 　　

   

ⁱ _{i o}

F P i

o F

F P F

i o

i

V V

dt L dI T

I L

V t V

T T t I

L T V

I  V     　　  　   　   

8

不連続モード解析２

－電源から供給されるエネルギー－

• Ｔ

_Ｆ間に電源から供給されるエネルギー

• Ｔ

_ＯＮと

Ｔ

_Ｆ間に電源から供給されるエネルギー

   

ON P i

F P i

o F

ON i

F P i

F i

o T i

F i

o i T

i i F

T I L

V T

I L

V T V

L T T V

I V

L T V V

dt V t L T

V V V

dt I V

E

^{F F}



 





 

 



  

　　 　　

　　　 　

2 , 1 2

1

2

2

2 0

0





_{ON F}



ON i

F ON i

ON i

F ON

IN

T T

L T V

T L T

T V L E V

E E











 2

2 1 2

1

2

2 2

2

　　

　

9

不連続モード解析３

－消費電力と出力電圧－

•

消費電力

•

出力電圧

•

消費電力の別表現



_{ON F}

 

ON i

o o

o

T T T

LT I V

V

P   

2

2

i o

i i

o ON i

o

V

LfI D V V

LTI T

V  V   

2 2

2 2 2

2

o i i

o i ON

i

o

V I

Lf D I V

LT V T

P  V   

2 2

2 2 2

2

を上式に代入

i o

ON i

F

V V

T T V

 



10

臨界モード

－スイッチングＴｒゲート電圧と入力電流－

TON

TOFF

T TON

VgSW

Ii

IP

t t

TOFF

11

臨界モードの解析

•

消費電力（不連続モード：

Ｔ

_Ｆ

⇒ Ｔ

_ＯＦＦ）

•

出力電圧

•

ピーク電流（不連続モードと同じ表現）

Lf D T V

L

I

_P

 V

ⁱ _ON



ⁱ



_{ON OFF}



ⁱ _ON ⁱ _{i P}

ON i

o

D V I

Lf T V

L T V

T LT T

P V

2 1 2

2 2

2 2

2

   

 　

i i

OFF ON

o

V

V D T

V T

 

 

 



 

 1

1 1

i o

ON i

OFF

V V

T T V

 



12

連続モード

－スイッチングＴｒゲート電圧と入力電流－

TON

TOFF

T TON

VgSW

Ii

IP

t t

TOFF

IB

13

連続モードの解析１

－コイルのエネルギー蓄積と放出－

• Ｔ

_ＯＮ間にコイルに蓄積されるエネルギー

• Ｔ

_ＯＦＦ間にコイルから放出されるエネルギー

  

^{2 2}



0

2

1 2

1

B P

B P

ON i

T

i i

ON

V I dt V T I I L I I

E  

^ON

   

i i

ON B P

i ON

B P

B i

B

i

V

dt L dI T

I I

L t V

T I I I

L t I V

I  



 







 　 　　 　　 

  

^{2 2}



0

2

1

B P

T

i o i

COFF

V V I dt L I I

E  

^OFF

   

o i

i OFF

B P

i o OFF

B P

P i

o P

i V V

dt L dI T

I I

L V t V

T I I I

L t V I V

I   

 

 



 



 　　 　 　

14

連続モードの解析２

－電源から供給されるエネルギー－

• Ｔ

_OFF間に電源から供給されるエネルギー

• Ｔ

間に電源から供給されるエネルギー

   

ON B P

i ON

OFF B P

B P

i

B P

OFF i

T

OFF B P

P i

T

i i OFF

T I I

L T V

T T

I I

L T

I I

V

I T I

V dt

T t I I I

V dt

I V

E

^{OFF OFF}

 













 

 

 



  



  

, 2

1 2

1

2

2 2

0 0

　  　　　　　　

　　 　　　

　

 ^{I I}  ^T

V E

E

E

_IN



_ON



_OFF



_{i P}



_B

2

　 1

15

連続モードの解析３

－消費電力、出力電圧、ピーク電流－

•

消費電力

•

出力電圧（臨界モードと同じ表現）

•

ピーク電流

i i

OFF ON

o

V

V D T

V T

 

 

 



 

 1

1 1



_{P B}

 

i o

o

o

V I V I I

P   

2 1

 

 ^{V V}

ⁱ_o

^{ L V }

_i

 ^{I L}

^P

^{ }  ^{I I}

^B_P

^{ T}

^ON

^I

_B

 ^{, T}

_OFF

　

　 　

ON i

i o B

ON i

i o

P

T

L V V

I P L T

V V

I P

2

2 ,  





∵

16

ＬＥＤドライブにおける調光概要

誤差アンプ コンパレータ

調光

V

FB

OSC

V

REF

R

V

DIM

17

調光方式

•

アナログ調光

•

デジタル（ＰＷＭ）調光

コンパレータ 出力電圧

0 5 . 0

2

) V

FB

( V

) V

DIM

(

R V

I V

V V

V V

REF LED

REF FB

DIM DIM





 

) (

) V ( 2

DIM ON DIM REF

LED

REF FB

DIM

T T R I V

V V

V











Ｖ）

一定（ 0.5 :

) (

) V ( 2

V_DIM 入力電圧

ON

TDIM_

T

DIM

f  300 Hz

18

コンパレータ入出力電圧とコイル電流

コイル電流 コンパレータ

出力電圧

（パワーＴｒゲート電圧）

コンパレータ 入力電圧

（－）端子 OSC

（＋）端子

連続

不連続 f=1～2MHz

19

同期整流回路概要

V

IN

V

^OUT

V

GN

V

GP

I

OUT

 ^V

_IN

^{, V}

_OUT



MAX

V

IN

V

OUT

0 t

V

IN

V

_OUT

 ^V

_IN

^{, V}

_OUT



MAX V

GN

V

GP

I

OUT

連続 不連続

① ②

① ②

Well - N P

N P^ N^ N^ P^ P^ N^ Well

- N

V

IN

V

OUT

V

OUT

20

同期整流に伴うラッチアップ

P

基板

Well N 

P



N

^

21

LCD バックライトの CCFL→ 白色 LED 化 照明の電球 / 蛍光灯 →LED 化

LEDのメリット

① 水銀レス対応（環境に優しい）

② 長寿命

CCFL 10k～25k時間 LED 20k～40k時間

③ 安全性の向上(高電圧部がなくなる）

④ 調光機能の向上（照明：光の演出可能）

⑤ FPDパネルの更なる薄型化に最適

⑥ コンパクトであり、照明インテリアの設計 に有利

LEDのデメリット

① LEDの発光効率が蛍光灯と

ほぼ同等レベルにあるが、やや劣る 蛍光灯 50～110 lm/W

LED 60 lm/W

（白熱電球 40W 11～13lm/W）

② LEDの演色性が悪い

③ コストが高い

口金タイプ（白熱電球40W型）

電球 約80円 蛍光灯 約800円 LED 約8000円

TVの既存電圧（24V）を使う例

固定電圧を使う LED ドライバのアプリケーション

LEDの順方向電圧のバラツキ

各チャンネルでパワー損失発生 AC-DC Converter 24V

3 2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4 5

V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4 5

V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4 5

V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4 5

V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

Current Sink I2

3V 3.5V

2.4V 2.6V DC-DC Converterが無い場合

⇒更に大きな損失発生

3.6x6=21.6 DC-DC Converter

AC-DC Converter³

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4

5 V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4

5 V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4

5 V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2 3

2 1

GND

OVP

EAOUT 8

6 V_IN

0.5V 0.6V

Error Amp

PWM Comp 7

SW

4

5 V_FB

CEa

EN PGND

ON/OFF

V_In C_In

RLED1 L

C_Out SBD Oscillator

Output Drive Control

Over Current Detector Reference

Voltage

White LED

RLED2 CTL Low0.2V High:2.5V I1

I2

22.5V 24V

Current Sink 2.0V

3.5x6=21

1.5V 0.9V 1.1V

23

TV液晶バックライト用白色LEDドライバへの要求

１．効率の向上（90%以上）

２．チャンネル毎の電流調整とメモリ機能

３．高輝度LED （～1A）の対応

４．コイル個数の低減（効率損失と価格のせめぎ合い）

５．保護機能の充実

LED の過電圧保護（OVP） 、 LED電流熱補正、パワーMOS過電流保護、UVLO、

IC過熱保護、タイマーラッチ、保護機能状態出力

６．エリア調光やスキャン調光に対応(高速データ処理)

７．スイッチィング周波数位相シフト機能（電流ピークの分散）

24

・サージ保護

・ノイズフィルター ・整流

・力率改善（PFC）

・電流高調波改善 ・定電流トライバー LEDランプ

商用電源対応照明機器のブロック図

25

照明用LEDドライバー（AC入力）への要求

１．安全規格への対応（IEC61347-1 他）

・感電、火災から人の安全を確保

２．EMI対策（環境妨害対策 IEC61000-3-2、VCCI 他）

・電流高調波の改善、輻射ノイズとライン伝導ノイズの低減により、

外部への妨害を抑制

３．照明機器の性能向上（商品企画）

・高効率（高プライオリティー）

・E M S、入力電圧系統対応、力率、待機電力も考慮

26