CN102316629B

CN102316629B - 直流电源装置及led照明装置

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Publication number: CN102316629B
Application number: CN201110122452.3A
Authority: CN
Inventors: 加藤刚; 久保田洋; 镰田征彦; 寺坂博志; 宇佐美朋和; 岩井直子
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: CN102316629A; EP2387291A2; EP2387291A3; JP2011258534A; JP5633789B2; US8638050B2; US20110279062A1

Abstract

一种直流电源装置，在负载电路的开路模式故障时不会引发电弧放电而实现安全。直流电源装置包括：直流电源DCS；负载电路LH，连接于直流电源的输出端；负载状态检测机构LD，检测负载电压或与负载电压对应的电气的量；以及控制机构CC，对负载状态检测机构的检测输出进行控制输入，并且控制直流电源的输出电压的最大值，以将直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压控制在不会引发电弧放电的规定范围内。

Description

直流电源装置及LED照明装置

技术领域

本发明涉及一种直流电源装置及具备此直流电源装置的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)照明装置。

背景技术

已知的是，在将多个LED串联连接于恒电流电源以进行点灯的LED点灯装置中设置控制部，该控制部在因电路中的各连接部的装卸、接触不良、断线或者LED的引线接合(wire bonding)的开放等开路模式(open mode)故障等而导致电路中引发电弧(arc)放电的情况下，当根据恒电流电路的输出电压的上升而检测出电弧放电时，停止直流电流(参照专利文献1)。

在电触点对(pair)的分离时电弧特性中已知的是，如果是铜电触点对，则可获得Holm的最小电弧电压Vm等于13V、最小电弧电流Im等于0.43A的结果(参照非专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本专利特开2009-010100号公报

非专利文献

非专利文献1社团法人电子信息通信学会发行，“信学技报”R2000-36，EMD 2000-89(2001-2)第7页～第12页

专利文献1中记载的LED电源装置是意图在负载电路引发电弧放电时使其变得安全，但并未防患电弧放电的引发于未然。

本发明者进行调查及研究的结果发现，当直流电源的最大输出电压与额定负载电压的差电压为20V以下时，在负载电路的开路模式故障时不会引发电弧放电。

发明内容

本发明是基于上述发现而完成，其目的在于提供一种在负载电路的开路模式故障时不会引发电弧放电而实现安全的直流电源装置及具备此直流电源装置的LED照明装置。

本发明的直流电源装置包括：直流电源；负载电路，连接于直流电源的输出端；负载状态检测机构，检测负载电压或与负载电压对应的电气的量；以及控制机构，对负载状态检测机构的检测输出进行控制输入，并且控制直流电源的输出电压的最大值，以将直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压控制在不会引发电弧放电的规定范围内。

本发明允许以下形态。

对(直流电源)的形态进行说明。直流电源具有能够输出较正常时的负载电压高的最大值的电压的输出电压特性。例如，恒电流电源也符合上述条件，但本发明并不限定于此。此处，正常时的负载电压是指在负载电路正常工作而不会引发电弧放电时的动作状态下，负载电路上产生的电压降的值。输出电压的最大值是指直流电源能够输出的最大电压。另外，输出电压的最大值是指比正常时的负载电压高的电压。例如，在恒电流控制方式的直流电源的情况下，当负载电路在开路模式故障时引发电弧放电时，从直流电源的输出端所见的表观上的负载电压会如增大等般的发生变化而使输出电压上升，但在本发明中由控制机构控制成输出电压的最大值处于上述规定范围内，因此即使负载电路要求，也不会输出超过最大值的电压。

在本发明中，直流电源具备后述的控制机构，以限制该输出电压的最大值，从而使得与正常时的负载电压的差电压控制在上述规定范围内。

而且，直流电源可采用DC-DC转换器(converter)等的已知的电路结构。作为DC-DC转换器，例如优选转换效率高并且控制容易的各种斩波器(chopper)。DC-DC转换器具备直流输入电源及直流电压转换部，一般将输入直流电压转换为不同电压的直流。并且，将直流电压转换部的输出电压施加至负载电路。当负载为LED时，通过控制直流电压转换部，也能够使LED以所需的电平(level)来进行调光点灯。因此，此时，直流电压转换部作为LED的点灯电路而发挥作用。

当直流电源由DC-DC转换器构成时，可将直流输入电源及直流电压转换部以一对一的关系来配设。而且，也可将直流输入电源设为共用而以一对多个的关系来配设多个直流电压转换部，将直流输入并列供给至多个直流电压转换部。另外，在后者的情况下，可根据所需来将各直流电压转换部配设于与负载电路邻接的位置上，并将共用的直流输入电源配设在分离位置。

进而，能够以下述方式构成直流电源，以使供给至负载的直流电力对应于控制信号而发生变化，从而使负载电路的负载的动作状态发生变化。即，如果负载为LED，则可对应于调光信号来对LED进行调光点灯。

而且，直流电源允许被赋予复合特性，以在LED的特性曲线中的低电力的区域，换言之在深调光区域，进行恒电压控制，而在其他区域进行恒电流控制。

对(负载电路)的形态进行说明。负载电路是连接于直流电源的输出端而使负载工作的电路，包括负载。在本发明中，正常时的负载电压的大小无限制。正常时的负载电压既可为额定负载电压，也可为从额定负载电压降低至所需的负载电压。本发明者如已述般发现，负载电路的开路模式故障时是否引发电弧放电并非取决于负载电压的大小，而是取决于直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压的大小。另外，此处，正常时的负载电压是指在未引发电弧放电的状态下，负载电路上产生的电压降，而不管负载是否为额定负载电压状态。

而且，当负载为例如LED时，一般的形态是采用通过多个LED串联连接而使负载电压相应变高的结构。另外，作为负载电压的一例，当负载为LED时，一般可设定为120V以下，优选设定为60V以下左右。但是，在本发明中，例如也可以是由单一的LED构成的负载电路。

对(负载状态检测机构)的形态进行说明。负载状态检测机构至少具备对负载电压或与负载电压对应的电气的量进行检测的负载电压检测机构。并且，针对后述的控制机构，直接或间接地对侦测输出进行控制输入。基于上述理由可理解的是，负载电路的状态不仅可利用电压来检测，还允许用来检测与该电压对应的电气的量，例如电流或电力，的机构。总之，可检测与直流电源的特性相应的有效的电气的量。例如，当直流电源为恒电流电源时，负载电流被控制为固定，因此也可直接检测负载电压或检测负载电力。

而且，负载状态检测机构除了上述负载电压检测机构以外，还可具备对负载电流、相当于负载电流的电流或与负载电流对应的电气的量进行检测的负载电流检测机构。负载电流检测机构在直流电源对负载进行恒电流控制的形态中，可用于恒电流控制电流控制的情况、或者在一部分负载特性区域中对负载电路进行恒电压控制的情况或对后述的控制机构附加安全电路功能的情况等。

对(控制机构)的形态进行说明。通过将过电压侦测电平设定为适当的值，控制机构当在发生开路模式故障时对负载状态检测机构的检测输出进行控制输入时，控制上述输出电压，以将直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压控制在所述规定范围内。该控制是无延迟地进行。其结果，即使因开路模式故障而引发电弧放电，该电弧放电也会在瞬间消失。在采用进行如上所述的控制动作的结构时，例如允许使用比较器(comparator)或电压限制电路等来对直流电源的输出电压进行反馈控制的形态。

可对应于正常时的负载电压的大小，来使控制输出电压的最大值用的过电压侦测电平自动地变化。此形态的情况下，优选配设过电压侦测电平设定机构及输出电压限制机构。过电压侦测电平设定机构可对应于正常时的负载电压的大小来使过电压侦测电平发生变化，并且设定该电平。另外，过电压侦测电平的大小并无特别限定，例如可设定为正常时的负载电压的120％左右。输出电压限制机构既可在负载电压超过一过电压侦测电平时控制直流电源，以使直流电源输出而将正常时的负载电压加上所述规定范围内的电压所得的值作为输出电压的最大值，也可在负载电压超过一过电压时控制为停止直流电源的输出。

但是，在负载电压不会发生变化的形态的情况下，可在直流电源装置的制造阶段等中，预先固定地设定过电压侦测电平。由此能够简化控制机构的结构。而且，在结构上也可根据所需而通过手动来对过电压侦测电平进行可变设定。

在本发明中，所谓直流电源的输出电压的最大值与额定负载电压的差电压处于所述规定范围内，如果以数值来表示，则优选为20V以下。更优选13V～20V的范围内。另外，上述规定范围的下限值也可处于13V以下的区域，但若差电压变小，则与负载电压之差变小，最大电压的检测精度易降低，因此优选下限值为13V。

即，如果差电压的规定范围的下限值为13V，则即使在正常时的负载电压为相对较高的值，例如为40V左右以上的条件下，也难以发生检测误工作。但是，在额定负载电压低，例如为20V左右的情况下，即使低于13V，例如为10V左右或其以下，也可与上述同样无误工作地检测电弧放电的引发。因此，允许根据所需来设定最大电压，以使规定范围的下限值对应于额定负载电压的大小而发生变化。而且，在可不讨论检测精度的情况下或检测精度不成问题的情况下，该差电压的规定范围的下限值亦可为13V以下。

根据本发明，通过具备上述控制机构，在负载电路的开路模式故障时不会发生电弧放电，因此可抑制因电弧放电引起的向冒烟或失火等危害的发展。然而，当直流电源例如非绝缘型斩波器电路般为直接连接型电路结构时，在上述故障时电压将持续输出至负载。此时的直流电源的输出电压与正常时的负载电压之差被控制在20V以内，因此为无问题的程度。但是，存在着人会不慎接触到负载电路或直流电源的输出端的危险，万一接触到时还存在着触电的可能。

因此，作为对策，可根据所需来对控制机构附加安全电路功能。在此形态中，在开路模式故障时，控制机构发挥功能，负载电压检测机构检测出该开路模式故障，从而对控制机构进行控制输入。并且，该控制机构发挥作用而控制直流电源。其结果，该控制机构将最初输出至负载电路的最大电压抑制为比正常时的负载电压高20V以下的电压。

而且，紧跟着上述作用，该控制机构的安全电路功能发挥作用而停止直流电源。另外，此时的停止只要在负载电压检测机构检测出该开路模式故障之后的1秒以内进行即可。在停止直流电源时，即使在直流电源由非绝缘型斩波器电路构成的情况下，只要使非绝缘型斩波器电路的开关(switching)元件的振荡动作停止即可。由此，直流电源被停止。其结果，施加至负载电路的输出电压消失而实现安全。

而且，该控制机构也可主要使用模拟(analog)电路或硬(hard)机构以及主要使用数字(digital)电路机构或软(soft)机构的任一种而构成。

其次，说明对负载进行可变控制，例如对负载的LED进行调光时的形态。即，直流电源能够可控制地构成，从而当对应于来自外部的控制信号例如调光信号来使负载的大小发生变化时，通过对应于上述控制信号来使对负载电路的最大输出电压发生变化，从而使常时最大电压与正常时的负载电压的差电压始终处于规定范围内。

另外，本发明的直流电源装置在其负载为LED时，可使用LED来作为照明装置的光源。此时的LED照明装置具备照明装置本体、配设于照明装置本体中的LED及对LED进行点灯的所述本发明的直流电源装置。LED照明装置只要具备LED作为光源，则其余的结构可为任意，而且，其用途一般为照明目的，但并不限定于此。照明装置本体是指从照明装置除去LED及LED点灯装置后剩余的所有部分。

发明的效果

根据本发明，即使在与负载电路的负载自身或连接器(connector)等相关的开路模式故障时，负载状态检测机构也可检测出该开路模式故障而控制机构发挥作用，控制直流电源的输出电压的最大值，以将直流电源的输出电压与正常时的负载电压的差电压控制在不会引发电弧放电的规定范围内，因此即使发生电弧放电，也可大致在瞬间消失，因此实质上不会引发电弧放电。因此，可提供一种直流电源装置及具备此直流电源装置的LED照明装置，该直流电源装置可防患开路模式故障部因电弧放电的持续引发而异常发热，从而防患向冒烟、异常加热或连接器的熔融等危险的进展于未然而实现安全化。

附图说明

图1是表示铜电触点对的分离时电弧测试的结果的图表。

图2是表示用于实施本发明的直流电源装置的第1形态的电路方框图。

图3是表示用于实施本发明的直流电源装置的第2形态的电路方框图。

图4是表示用于实施本发明的直流电源装置的第3形态的电路方框图。

图5是表示用于实施本发明的直流电源装置的第4形态的电路方框图。

符号的说明：

AC：交流电源

CC：控制机构

CHC1、CHCn：斩波器电路

CP：比较电路

DCI：直流输入电源

DCS：直流电源

DM：控制信号产生电路

LC、LC1、LCn：负载电路

LD：负载状态检测机构

LDI1、LDIn：负载电流检测机构

LDV1、LDVn：负载电压检测机构

ST：数据表

具体实施方式

以下，参照附图来说明用于实施本发明的形态。

首先，参照图1来说明本发明者所实施的铜电触点对的分离时电弧测试及其结果。该分离时电弧测试是将直流电源的输出电压设定为各种值，调整限制电阻器，以将各输出电压值时流经闭合的铜电触点对的电流设定为各种值，然后以足够慢的速度来分离铜电触点对时，判别铜电触点对是否发生电弧放电。另外，在图1中，横轴表示电流(A)，纵轴表示电压(V)。

在本测试的结果中，“未发生电弧放电”定义如下。即，当铜电触点对分离时，仅在瞬间发生电弧放电而消失的情况。若以数值来表示，则是指如果直流电源的输出电压与额定负载电压的差电压为20V左右以下，则电弧放电的产生时间为数微秒左右而消失的情况。此种情况下，不会发生随着电弧放电产生而引起的问题。并且，图1中的符号●表示“未发生电弧放电”的测定点。

与此相对，“发生电弧放电”定义如下。即，是指，当上述电压超过20V时，电弧放电持续时间变长，有时会持续数毫秒左右的情况。若持续时间如此般变长，则与此相伴地产生针对周围的问题的可能性升高，例如周围发生燃烧等。并且，图1中的符号■表示“发生电弧放电”的测定点。另外，在图1中，与横轴平行的粗直线表示Holm的最小电弧电压13V。而且，与纵轴平行的粗直线表示Holm的最小电弧电流0.43A。另外，根据上述分离时电弧测试，可知的是，当电压为100V以上时，即使最小电弧电流为0.43A以下也会发生电弧放电。

由图1可理解的是，当电压为20V时，在电流0.5A～2A的测定范围内，当铜电触点对分离时，未发生电弧放电。但是，当电压超过20V时，发生电弧放电。由该分离时电弧测试能够导出本发明。即，当直流电源的负载电路发生开路模式故障时，只要将负载状态检测机构的检测输出与额定负载电压的差电压控制在不会发生电弧放电的规定范围(例如，直流电源的输出电压的最大值与额定负载电压的差电压为20V以下的范围)内，便可抑制电弧放电的发生。

继而，参照图2来说明本发明的第1形态。在本形态中，直流电源装置是具备直流电源DCS、负载电路LC、负载状态检测机构LD及控制机构CC而构成，并从商用交流电源AC接受供电。

直流电源DCS具备整流电路等。整流电路是由其交流输入端连接于商用交流电源AC的电桥(bridge)型全波整流电路等构成，例如输出经平滑化后的直流电压。另外，直流电源DCS可根据所需而包含恒电流电路。在此形态中，对于整流电路的直流输出，通过具备恒电流控制方式的斩波器电路等，而对直流电源DCS的输出进行恒电流化。因此，从直流电源DCS的输出端，将经恒电流化后的直流电流供给至后述的负载电路LC。

负载电路LC例如是串联连接有多个LED而构成。并且，以使LED顺向连接于直流电源DCS的输出端的方式而使其两端连接。

负载状态检测机构LD在本形态中由负载电压检测电路构成。负载电压检测电路例如将未图示的电阻分压电路并联连接于负载电路LC而输出与负载电压成正比的电压以作为负载状态检测信号。

控制机构CC将控制输入的负载状态检测信号与正常时的负载电压进行比较，以直流电源DCS的输出电压的最大值与负载电路LC的正常时的负载电压的差电压处于规定范围内的方式，对直流电源DCS控制其斩波器电路等，以控制该输出电压。

参照图3来说明本发明的第2形态。另外，对于与图2相同的部分标注相同符号并省略说明。本形态的不同之处在于，通过硬结构来使负载电路LC的LED为可变控制，即，可调光地构成。

本形态中，在负载状态检测机构LD与控制机构CC之间介隔着比较电路CP。而且，在比较电路CP中，对负载状态检测机构LD的检测输出与控制信号产生电路DM即调光信号产生电路的控制信号进行比较。并且，由于比较电路CP的基准电位会对应于控制信号而发生变化，因此从比较电路CP输出的反馈信号将对应于控制信号而发生变化。其结果，由控制机构CC所控制的直流电源DCS的斩波器电路等的输出电压将变成与控制信号相应的值，因此负载电路LC所消耗的电力会对应于控制信号而发生变化。

而且，在负载电路LC的基于控制信号的可变控制时，直流电源DCS可输出的最大电压与正常时的负载电压的差电压始终被保持在规定范围内。因此，例如即使在调光点灯中发生开路模式故障，也不会引发电弧放电。

参照图4来说明本发明的第3形态。另外，对于与图3相同的部分标注相同符号并省略说明。本形态的不同之处在于，通过软性结构来使负载电路LC为可变控制，即，可调光地构成。

即，在本形态中，控制机构CC的一部分由微电脑(micro computer)或数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)等数字元件(device)构成。这些数字元件包含中央处理器(Central Processing Unit，CPU)及存储器(memory)，且通过软性结构来使负载电路LC为可变控制，即，可调光地构成。

并且，上述数字元件具有运算式或数据表(data table)ST，输出与控制信号电平相应的直流电源的输出电压的最大值数据而控制直流电源DCS。因此，即使直流电源DCS的输出电压对应于控制信号而发生变化，也能够始终固定地维持所述差电压。

参照图5来说明本发明的第4形态。另外，对于与图2相同的部分标注相同符号并省略说明。本形态中，直流电源DCS由单一的直流输入电源DCI和多个斩波器电路CHC1～CHCn构成。而且，对于多个斩波器电路CHC1～CHCn，对应于一对一的关系而配设有多个负载电路LC1～LCn。与此相对，控制机构CC为单一，并且与所谓的软性对应地进行控制。

即，本形态中，直流电源DCS中的直流输入电源DCI相对于多个斩波器电路CHC1～CHCn及多个负载电路LC1～LCn而为共用。直流输入电源DCI是以整流电路为主体而构成，其交流输入端连接于交流电源AC，直流输出端连接于多个斩波器电路CHC1～CHCn的输入端。因此，如果多个斩波器电路CHC1～CHCn及多个负载电路LC1～LCn构成多个LED照明装置，则相对于LED照明装置而作为共用的电源来发挥功能。另外，从负载的LED看来，斩波器电路CHC1～CHCn相当于点灯电路。

因此，可根据所需而将多个斩波器电路CHC1～CHCn及多个负载电路LC1～LCn分别配置于单一的斩波器电路(例如CHC1)与单一的负载电路(例如LC1)成对地彼此邻接的位置上。与此相对，可将直流输入电源DCI配置于与上述各对即各LED照明装置隔离的不妨碍照明的位置上。

作为负载状态检测机构，将负载电压检测机构LDV1～LDVn和负载电流检测机构LDI1～LDIn配设于各斩波器电路CHC1～CHCn中。

控制机构CC是与图4所示的第3形态同样，其主要部分由微电脑或DSP等数字元件构成，与多个斩波器电路CHC1～CHCn及多个负载电路LC1～LCn相关。即，使控制机构CC对作为各对的负载状态检测机构的负载电压检测机构LDV1～LDVn与负载电流检测机构LDI1～LDIn进行控制输入。

而且，控制机构CC除了最大电压输出控制功能以外，还具备安全电路功能。最大电压输出控制功能与以上说明的各形态同样，对应于来自负载电压检测机构LDV1～LDVn的控制输入而在所需时控制直流电源DCS的斩波器电路CHC，从而将最大输出电压控制在规定范围内。但是，在本形态中，针对上述各对而分别判断其控制，且分别地执行该控制。

安全电路功能是至少在开路模式故障发生时，紧跟着最大电压输出控制功能的执行而执行。并且，通过使斩波器电路CHC的开关元件的开关停止而使斩波器电路CHC的振荡停止。由此，该直流电源DCS的输出电压在从检测出开路模式故障发生时计起的1秒以内消失，因此可实现安全。

进而，该控制机构CC对应于来自负载电流检测机构LDI1～LDIn的控制输入，针对各负载电路LC1～CHCn而分别对直流电源DCS进行恒电流控制。而且，在根据所需而在一部分负载特性区域中切换为恒电压控制的形态下的开路模式故障发生时，也可用于其检测。

进而，该控制机构CC在结构上包含存储机构，并在执行最大电压输出控制功能时利用存储机构。即，例如在电源接通等时，将正常时的负载电压存储于存储机构中。并且，对新输入的负载电压与从存储机构中读出的正常时的负载电压进行比较，以侦测开路模式故障发生。而且，可根据所存储的正常时的负载电压来设定过电压检测电平。

Claims

1.一种直流电源装置，其特征在于包括：

直流电源；

负载电路，连接于所述直流电源的输出端；

负载状态检测机构，检测负载电压或与负载电压对应的电气的量；以及

控制机构，对所述负载状态检测机构的检测输出进行控制输入，并且控制所述直流电源的输出电压的最大值，以将所述直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压控制在不会引发电弧放电的规定范围内，

所述控制机构还具备安全电路功能，在所述负载电路的开路模式故障发生时，所述安全电路功能紧跟着将所述直流电源的输出电压的最大值与正常时的负载电压的差电压控制在所述规定范围内，而使所述直流电源的输出电压停止。

2.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，

所述控制机构的规定范围为20V以下。

3.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，

所述控制机构包括存储正常时的负载电压的机构、过电压检测电平设定机构及输出电压限制机构，所述过电压检测电平设定机构根据所存储的正常时的负载电压来设定过电压检测电平，所述输出电压限制机构在所述负载状态检测机构检测出的负载电压超过过电压检测电平时，控制所述直流电源的输出电压的最大值，以将所述差电压控制在规定范围内。

4.一种发光二极管照明装置，其特征在于包括：

照明装置本体；

发光二极管，配设于所述照明装置本体内；以及

根据权利要求1至3中任一项所述的直流电源装置，对所述发光二极管进行点灯。