CN102685977B - 固体发光元件点亮装置及使用其的照明器具 - Google Patents

Abstract

提供在调光用PWM信号的扫频时能够使光输出平滑地变化的固体发光元件点亮装置及使用其的照明器具。LED点亮装置具备：电感器(L1)及开关元件(Q1)的串联电路，经由LED模组(4)连接于直流电源(1)的输出端间；二极管(D1)，将蓄积在电感器(L1)中的能量再生到LED模组(4)中；控制电路部(3)，控制开关元件的接通/断开。控制电路部具备产生脉冲宽度根据负载电流的振幅进行变化的驱动脉冲的驱动脉冲产生部(34)，在PWM信号的接通期间通过驱动脉冲来控制开关元件的接通/断开，该PWM信号是频率比驱动脉冲低且接通占空比根据调光电平进行变化的信号，直流电源的输出电压被设定为比向LED模组的负载电压的1倍大且2.5倍以下。

Description

固体发光元件点亮装置及使用其的照明器具

技术领域

本发明涉及固体发光元件点亮装置及使用其的照明器具。

背景技术

以往，提出了向LED照明模组供给点亮电力的LED点亮装置(例如，参见专利文献1)。如图7所示，该LED点亮装置具备：控制开关Q3，与LED照明模组104串联连接，根据由高频脉冲的低频脉冲串(low-frequencyBurst)构成的双信号进行接通/断开；电感器L2，同样与LED照明模组104串联连接，在控制开关Q3接通时，蓄积能量；以及二极管D2，在控制开关Q3断开时，将蓄积在电感器L2中的能量再生到LED照明模组104中。上述双信号是向控制开关Q3的高频驱动脉冲与低频PWM信号的AND输出，通过改变PWM信号的占空比，使流过LED照明模组104的平均电流变化，从而改变从LED照明模组104输出的光强度(所谓脉冲串调光)。

专利文献1：日本特表2006-511078号公报(该专利文献1的段落[0015]-段落[0017]、及第7图-第9图)

在上述专利文献1公开的LED点亮装置中，输出到控制开关Q3的高频驱动脉冲是与低频PWM信号的AND输出，若在控制开关Q3接通时被输入上述PWM信号的沿儿，则输出到控制开关Q3的驱动脉冲变为低电平(Low)。也就是说，通过低频PWM信号的变化，控制开关Q3的接通期间发生变化，对应于此，LED电流、即LED照明模组104的光输出变化。另一方面，在控制开关Q3断开的期间，电感器L2的再生电流经由二极管D2流入到LED照明模组104，然而，在此期间，即使上述PWM信号变化，LED电流也不变化。也就是说，尽管改变PWM信号，但LED模组104的光输出不变化。

图8是使控制开关Q3在临界模式(在流过电感器L2的电流变为零的时刻，将控制开关Q3从断开切换为接通的模式)下动作时的时序图。如图8所示，在PWM信号从实线改变为虚线的情况下，也就是说，在PWM信号的接通期间增长的情况下，LED照明模组104的负载电流I1增加驱动信号的1周期的量(图8中的虚线部)。另外，输入电压与输出电压之差越大，控制开关Q3接通时的电流的斜率越陡，所以在得到相同的输出的情况下，接通期间变短，相应地，控制开关Q3的断开期间增长，再生期间延长(参见图8中的驱动信号)。

因此，例如即使在对上述的PWM信号的占空比进行扫频(sweep)，使调光电平平滑地变化的情况下，在控制开关Q3的断开期间光输出也是不变化的，所以相对于占空比变化的光输出如图9所示那样呈阶梯状变化。而且，1阶梯量的光输出差相当于控制开关Q3的高频驱动脉冲的1周期的量的光输出，所以会导致能够目视确认到光输出阶段性地变化。尤其，由于在低光束状态下，扫频时的光输出的变化比例大，所以呈现得更显著。

如上所述，在输入电压与输出电压之差大的情况下，在PWM信号的扫频时，光输出不变化的期间的比例变大，其结果，看起来为光输出阶段性地变化。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种固体发光元件点亮装置及使用其的照明器具，能够在调光用PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化。

本发明的固体发光元件点亮装置，具备：电感器和开关元件的串联电路，经由负载连接于直流电源的输出端间；二极管，将在开关元件接通时蓄积到电感器中的能量，在开关元件断开时再生到负载中；以及控制电路部，控制开关元件的接通/断开，控制电路部具备产生脉冲宽度根据负载电流的振幅进行变化的驱动脉冲的驱动脉冲产生部，在PWM信号的接通期间或断开期间，通过驱动脉冲控制开关元件的接通/断开，该PWM信号是频率比驱动脉冲低且接通占空比根据调光电平进行变化的信号，直流电源的输出电压被设定为比施加在负载上的负载电压的1倍大且2.5倍以下。

优选的是，在该固体发光元件点亮装置中，控制电路部具备对流过电感器的电流变为零的情况进行检测的零电流检测电路，与零电流检测电路的检测定时相对应地将开关元件从断开切换到接通。

此外，优选的是，在该固体发光元件点亮装置中，在开关元件断开时，在流过电感器的电流成为零之前，控制电路部将开关元件切换到接通。

进而，优选的是，该固体发光元件点亮装置还具备：电压检测部，检测负载电压并反馈给直流电源，所述直流电源由AC-DC转换器或DC-DC转换器构成，该AC-DC转换器或DC-DC转换器被反馈负载电压的检测结果，将输出电压控制成与检测结果成正比的电压。

此外，优选的是，在该固体发光元件点亮装置中，直流电源由AC-DC转换器构成，PWM信号的频率被设定为600Hz或600Hz的倍数。

本发明的照明器具的特征在于，具备：上述的固体发光元件点亮装置；以及固体发光元件，被从固体发光元件点亮装置供给点亮电力。

发明效果

本发明具有能够提供在调光用PWM信号的扫频时能够使光输出平滑地变化的固体发光元件点亮装置及照明器具的效果。

附图说明

图1是示出实施方式1的LED点亮装置的概要电路图。

图2是用于说明实施方式1的LED点亮装置的动作的时序图。

图3是用于说明实施方式1的LED点亮装置的动作的曲线图。

图4是示出LED点亮装置的其他例子的概要电路图。

图5是示出实施方式2的LED点亮装置的概要电路图。

图6是示出实施方式2的LED点亮装置的其他例子的概要电路图。

图7是示出现有的LED点亮装置的概要电路图。

图8是用于说明现有的LED点亮装置的动作的时序图。

图9是用于说明现有的LED点亮装置的动作的曲线图。

附图标记说明

1直流电源；3控制电路部；4LED模组(固体发光元件、负载)；34驱动脉冲产生部；D1二极管；L1电感器；Q1开关元件

具体实施方式

下面，根据附图说明使用了LED点亮装置的照明器具的实施方式。

(实施方式1)

图1是示出实施方式1的LED点亮装置(固体发光元件点亮装置)的概要电路图。该LED点亮装置具备：降压斩波电路部2，将直流电源1的输出电压降压到所需的电压值的直流电压；以及控制电路部3，对构成降压斩波电路部2的后述的开关元件Q1的接通/断开进行控制。此外，本实施方式的照明器具具备：LED点亮装置；以及LED模组(固体发光元件、负载)4，被从LED点亮装置供给点亮电力。另外，在本实施方式中，LED模组4由3个LED(发光二极管)构成，然而LED的个数不限于本实施方式所示的3个，可以是1个或2个，也可以是4个以上。

降压斩波电路部2具有：电感器L1和开关元件Q1的串联电路，经由LED模组4连接于直流电源1的输出端间；以及二极管D1，在开关元件Q1断开时将在开关元件Q1接通时蓄积在电感器L1中的能量再生到LED模组4中。

控制电路部3具备：启动器32，在振荡停止时，以恒定间隔输出用于产生驱动脉冲的起动信号；零电流检测电路31，检测在电感器L1的二次绕组N2中流过的电流变为零的情况；以及驱动脉冲产生部34，产生使开关元件Q1接通/断开的驱动脉冲。此外，控制电路部3具备：驱动电路33，接受来自驱动脉冲产生部34的驱动脉冲，驱动开关元件Q1；以及比较器35，若流过开关元件Q1的电流达到基准值，则向驱动脉冲产生部34输出复位信号。

在本实施方式中，驱动脉冲产生部34由RS触发器构成，该RS触发器的置位端子若经由OR电路36被输入了零电流检测电路31的检测信号和启动器32的起动信号的OR输出而被输入置位信号，则驱动脉冲产生部34的输出变为高电平(High)。此外，若比较器35输入了复位信号，则驱动脉冲产生部34的输出变为低电平(Low)，从驱动脉冲产生部34输出高电平和低电平交替反复的高频驱动脉冲。

此外，驱动电路33经由AND电路37被输入了从驱动脉冲产生部34输出的高频驱动脉冲与频率比该驱动脉冲低的PWM信号的AND输出，驱动电路33根据该AND输出来对开关元件Q1的接通/断开进行控制。在此，上述驱动脉冲的脉冲宽度根据LED模组4中流过的负载电流的振幅进行变化，并且，上述PWM信号的接通占空比(on duty)根据调光电平进行变化。另外，图1中的电阻R1是用于检测在开关元件Q1中流过的电流的电流检测用电阻。

接着，说明LED点亮装置的动作。在上述PWM信号为高电平时，若通过来自启动器32或零电流检测电路31的输出信号向驱动脉冲产生部34输入置位信号，则驱动脉冲产生部34的输出成为高电平，经由驱动电路33使开关元件Q1成为接通，所以LED模组4中流过电流而点亮。此时，流过开关元件Q1的负载电流I1的时间变化如下表示。

[数学式1]

$I1=\frac{\mathrm{Vout}-V1}{L1}\·\·\·\·\·\left(1\right)$

在此，式(1)中的Vout表示直流电源1的输出电压，V1表示LED模组4的负载电压，t表示经过时间，L1表示电感器的阻抗，在开关元件Q1的接通开始时，t＝0。

若电阻R1的两端电压(也就是说I1×R1)达到基准电压Vref，则比较器35的输出反转，驱动脉冲产生部34被输入复位信号，驱动脉冲产生部34的输出成为低电平，开关元件Q1成为断开。若开关元件Q1成为断开，则蓄积在电感器L1中的能量经由二极管D1再生到LED模组4中，所以LED模组4被再生电流点亮。此时，流过电感器L1的电流I2的时间变化如下表示。

[数学式2]

$I2=-\frac{V1}{L1}(t-\mathrm{Ton})+\mathrm{Idp}\·\·\·\·\·\left(2\right)$

在此，式(2)中的Ton表示开关元件Q1的接通期间，Idp表示流过电感器L1的峰值电流。

而且，在开关元件Q1断开时，流过电感器L1的电流I2成为0，若在电感器L1的作用下使电流反转，则充电到开关元件Q1中的电荷放电。其结果，开关元件Q1的漏极-源极间的电压下降，电感器L1的电压反转。零电流检测电路31检测到该电压反转，向驱动脉冲产生部34输出置位信号，从而在流过电感器L1的电流I2达到零之后不久，开关元件Q1再次成为接通。而且，通过反复进行这一系列动作来进行斩波动作。在此，在本实施方式中，在流过电感器L1的电流I2成为零的定时使开关元件Q1从断开切换为接通，将该模式称为临界模式。

另一方面，若上述的PWM信号成为低电平，则驱动电路33不再被输入驱动脉冲，所以在此期间震荡停止，也就是说，LED模组4处于熄灭状态。而且，通过改变上述PWM信号的接通占空比来改变LED模组4的点亮状态与熄灭状态的比例，其结果，能够控制LED模组4的输出。

但是，即使在开关元件Q1的断开期间改变上述PWM信号，流过LED模组4的负载电流I1也不会变化。也就是说，即使改变PWM信号的接通占空比，LED模组4的光输出也不变化。在此，根据式(1)和式(2)，开关元件Q1的接通期间Ton及断开期间Toff如下表示。

[数学式3]

$\mathrm{Ton}=\frac{L1}{\mathrm{Vout}-V1}\·\·\·\·\·\left(3\right)$

[数学式4]

$\mathrm{Toff}=\frac{L1}{V1}\mathrm{Idp}\·\·\·\·\·\left(4\right)$

而且，根据式(3)及式(4)，开关元件Q1的接通占空比Don如下表示。

[数学式5]

$\mathrm{Don}=\frac{\mathrm{Ton}}{\mathrm{Ton}+\mathrm{Toff}}=\frac{V1}{\mathrm{Vout}}\·\·\·\·\·\left(5\right)$

由(5)式可知，开关元件Q1的接通占空比只由直流电源1的输出电压Vout和LED模组4的负载电压V1来决定。

在此，若定义为直流电源1的输出电压Vout＝K×V1，则根据式(5)，K＝1/Don。图2是说明本实施方式的LED点亮装置的动作的时序图，示出了K＝1.2的情况。与图8相比可知，在该情况下，开关元件Q1的断开期间Toff相比于接通期间Ton非常短，所以例如即使PWM信号从实线向虚线那样变化，LED模组4的负载电流I1的增加较小，能够抑制光输出的急剧变化。

图3示出了相对于PWM信号占空比的光输出的变化，图3中的实线b表示上述现有的LED点亮装置，这种情况相当于K＝10。此外，图3中的单点划线c相当于K＝1.1的情况，此时，光输出根据占空比的变化而大致连续地变化，即使在光强度的变化非常大的情况下，也能够抑制光输出阶段性地变化。此外，图3中的虚线d相当于K＝2.5的情况，此时，光输出恒定的期间虽然占了6成左右，但与K＝10的情况相比光输出变化缓和。在该情况下，虽然在正视LED模组4的情况下看起来为光输出阶段性地变化，然而属于在光的照射面上不会被识别为闪烁的程度。另一方面，若成为K＞2.5，则在上述照射面上会被识别为闪烁，所以优选直流电源1的输出电压Vout设定为LED模组4的负载电压V1的2.5倍以下。此外，为了使降压斩波动作成立，输出电压Vout的下限值需要设定为K＞1，优选1＜K≤2.5。此外，若考虑基于LED温度特性的负载电压V1的变化等，则优选1.2≤K≤2.5。

接着，图4是示出本实施方式的LED点亮装置的其他例子的概要电路图。在图1所示的例子中，使用AND电路37，向驱动电路33输出驱动脉冲产生部34的驱动脉冲与PWM信号的AND输出，在本例中，对在电阻R1的电压上重叠了PWM信号后的电压与基准电压Vref进行比较，在超过基准电压Vref的情况下，向驱动脉冲产生部34输出复位信号。另外，除此之外的结构与图1相同，对相同结构要素赋予相同附图标记，省略说明。

根据本结构，在PWM信号为低电平时，比较器35被输入基准电压Vref以上的信号，所以驱动脉冲产生部34被持续输入复位信号。因此，此时，驱动电路33不被输入驱动脉冲，开关元件Q1保持断开状态。另一方面，在PWM信号为高电平时，与图1所示的LED点亮装置同样被输入来自启动器32或零电流检测电路31的输出信号，驱动脉冲产生部34的输出成为高电平，经由驱动电路33使开关元件Q1接通。而且，流过开关元件Q1的负载电流I1增加，当经由电阻R2输入到比较器35的信号达到基准电压Vref以上时，比较器35输出复位信号，所以驱动脉冲产生部34的输出成为低电平，开关元件Q1断开。也就是说，在PWM信号为高电平时，与图1所示的LED点亮装置同样地，通过来自驱动脉冲产生部34的驱动脉冲，控制开关元件Q1的接通/断开。此外，通过设为本结构，作为控制电路部3，能够使用泛用的PFC用IC(ON Semiconductor公司制：MC33262、STmicroelectronic公司制：L6562等)，其结果，能够减少部件数量。

而且，根据本实施方式，将直流电源1的输出电压Vout设定为大于LED模组4的负载电压V1的1倍且为2.5倍以下，从而能够缩短即使改变上述的PWM信号的占空比、光输出也不变化的断开期间Toff，其结果，能够在PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化。此外，与零电流检测电路31的检测定时相对应地将开关元件Q1切换为接通，从而能够可靠地进行开关元件Q1的接通/断开控制。此外，通过使用本实施方式的LED点亮装置，能够提供一种能够在PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化的照明器具。

在此，在本实施方式中以临界模式控制开关元件Q1，但是例如也可以采用连续模式来控制开关元件Q1，连续模式是指，在开关元件Q1断开时，在流过电感器L1的电流I2成为零之前(I2＞0)，将开关元件Q1切换为接通。在该情况下也是，将直流电源1的输出电压Vout设定为比LED模组4的负载电压V1的1倍大且2.5倍以下，从而能够在PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化，并且能够可靠地进行开关元件Q1的接通/断开控制。另外，在以不连续模式(具有流过电感器L1的电流I2变为零的期间的动作模式)控制了开关元件Q1的情况下，开关元件Q1的断开期间增长，所以相对于上述的临界模式、连续模式是不利的，然而不连续方式具有能够使光输出的变化缓和的优点。

(实施方式2)

根据图5和图6，说明使用了LED点亮装置的照明器具的实施方式2。在本实施方式中，直流电源1由AC-DC转换器构成，此外，在将LED模组4的负载电压V1反馈给该AC-DC转换器这一点上，与实施方式1不同。另外，除此之外的结构与实施方式1相同，对相同结构要素赋予相同附图标记，省略说明。

本实施方式的LED点亮装置具备降压斩波电路部2、控制电路部3、以及电压检测部6，电压检测部6检测LED模组4的负载电压V1，反馈给直流电源1。

直流电源1由将商用交流电源5的交流输出转换为所需的电压值的直流电压的AC-DC转换器构成，具备：误差放大器12，比较输出电压Vout和LED模组4的负载电压V1，将其误差放大并输出；以及控制电路11，根据误差放大器12的输出值，控制开关元件Q2的接通/断开。

在此，在本实施方式中，电压检测部6检测LED模组4的负载电压V1并反馈给直流电源1，在直流电源1中以使输出电压Vout成为被反馈的负载电压V1的M倍的方式进行反馈控制。因此，与实施方式1相同，通过设定为1＜M≤2.5，从而能够缩短即使改变PWM信号的占空比、光输出也不变化的断开期间Toff，其结果，在PWM信号的扫频时，能够使光输出平滑地变化。此外，如本实施方式所示，通过将负载电压V1反馈给直流电源1，即使在负载电压V1发生了变动的情况下也能够将直流电源1的输出电压Vout与LED模组4的负载电压V1的关系保持恒定，其结果，能够实现相对于PWM信号更接近线形的光输出变化。另外，开关元件Q1的接通占空比为1/M，M越接近1，照度变化越平滑。

但是，在如本实施方式那样使用了AC-DC转换器的情况下，电解电容器C1的容量等使得在输出电压Vout中出现100Hz/120Hz的脉动(ripple)，有时会因该脉动与PWM信号的频率相干涉而在LED模组4的光输出中产生闪烁。为了避免这种情况，优选将PWM信号的频率设定为600Hz或600Hz的倍数，其结果，无论脉动为100Hz/120Hz中的哪个均能够抑制脉动的干涉，能够得到闪烁被抑制的大致恒定的光输出。

此外，图6是示出本实施方式的LED点亮装置的其他例子的概要电路图，在本例中，省略图5中的AC-DC转换器及电压检测部6的图示。在图6所示的例子中，与LED模组4并联连接有电解电容器C2，通过该电解电容器C2，能够减小流过LED模组4的电流的脉动，其结果，能够抑制光输出的闪烁。此外，通过使用本实施方式的LED点亮装置，能够提供在PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化的照明器具。

在此，在本实施方式中直流电源1由AC-DC转换器构成，但是也可以是DC-DC转换器。此外，在本实施方式中，在直流电源1的负载侧设置降压斩波电路部2，然而也可以在直流电源1的电源侧设置降压斩波电路部2。此外，在上述的实施方式1、2中，以将LED作为负载的LED点亮装置为例进行了说明，然而负载只要是固体发光元件即可，例如可以是有机EL。此外，在上述的实施方式1、2中，在PWM信号的接通期间，通过驱动脉冲来控制开关元件Q1的接通/断开(参见图2)，然而也可以是，在PWM信号的断开期间，通过驱动脉冲来控制开关元件Q1的接通/断开。另外，在这种情况下，需要与调光电平相对应地设定PWM信号的断开期间的长度。

Claims (10)

1.一种固体发光元件点亮装置，其特征在于，具备：

电感器和开关元件的串联电路，经由负载连接于直流电源的输出端间；

二极管，将在所述开关元件接通时蓄积到所述电感器中的能量，在所述开关元件断开时再生到所述负载中；以及

控制电路部，控制所述开关元件的接通/断开，

所述控制电路部具备：

驱动脉冲产生部，产生脉冲宽度根据负载电流的振幅进行变化的驱动脉冲；

驱动电路，接受来自所述驱动脉冲产生部的驱动脉冲，驱动所述开关元件；以及

比较器，若流过所述开关元件的电流达到基准值，则向所述驱动脉冲产生部输出复位信号，

所述控制电路部通过所述驱动电路，在PWM信号的接通期间或断开期间，通过所述驱动脉冲控制所述开关元件的接通/断开，该PWM信号是频率比所述驱动脉冲低且接通占空比根据调光电平进行变化的信号，

所述直流电源的输出电压被设定为比施加在所述负载上的负载电压的1倍大且2.5倍以下，从而在PWM信号的扫频时使光输出平滑地变化。

2.如权利要求1所述的固体发光元件点亮装置，其特征在于，

所述控制电路部具备对流过所述电感器的电流变为零的情况进行检测的零电流检测电路，与所述零电流检测电路的检测定时相对应地将所述开关元件从断开切换到接通。

3.如权利要求1所述的固体发光元件点亮装置，其特征在于，

在所述开关元件断开时，在流过所述电感器的电流成为零之前，所述控制电路部将所述开关元件切换到接通。

4.如权利要求1～3中任一项所述的固体发光元件点亮装置，其特征在于，

还具备：电压检测部，检测所述负载电压并反馈给所述直流电源，

所述直流电源由AC-DC转换器或DC-DC转换器构成，该AC-DC转换器或DC-DC转换器被反馈所述负载电压的检测结果，并将输出电压控制成与所述检测结果成正比的电压。

5.如权利要求1～3中任一项所述的固体发光元件点亮装置，其特征在于，

所述直流电源由AC-DC转换器构成，

所述PWM信号的频率被设定为600Hz或600Hz的倍数。

6.如权利要求4所述的固体发光元件点亮装置，其特征在于，

所述直流电源由AC-DC转换器构成，

所述PWM信号的频率被设定成600Hz或600Hz的倍数。

7.一种照明器具，其特征在于，具备：

权利要求1～3中任一项所述的固体发光元件点亮装置；以及

固体发光元件，被从所述固体发光元件点亮装置供给点亮电力。

8.一种照明器具，其特征在于，具备：

权利要求4所述的固体发光元件点亮装置；以及

固体发光元件，被从所述固体发光元件点亮装置供给点亮电力。

9.一种照明器具，其特征在于，具备：

权利要求5所述的固体发光元件点亮装置；以及

固体发光元件，被从所述固体发光元件点亮装置供给点亮电力。

10.一种照明器具，其特征在于，具备：

权利要求6所述的固体发光元件点亮装置；以及

固体发光元件，被从所述固体发光元件点亮装置供给点亮电力。