JP2005512334A - Ｐｗｍ出力を具えたｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Abstract

本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）用駆動回路はパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いてＬＥＤに電力を供給する。本発明の駆動回路（１００）は電流帰還を用いてＬＥＤアレイ５４への電流を調整し、全光モードと減光モードを提供する。

Description

本発明は、電源回路、特にパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる発光ダイオード（ＬＥＤ）用駆動回路に関するものである。

伝統的に、白熱照明装置やけい光照明装置が自動車や他の乗り物の光源として使用されている。しかし、発光ダイオード（ＬＥＤ）の技術の著しい進歩によって、ＬＥＤを乗り物用に使用することがその長寿命、高効率及び小外形のために魅力的になってきている。

ＬＥＤの電気的特性は、ＬＥＤランプへの印加電圧の小さな変化がかなり大きな電流変化を生ずることにある。ＬＥＤ光出力はＬＥＤ電流に比例するため、ＬＥＤを駆動する好適な方法は電流源である。現在では、車両用のＬＥＤ駆動回路は電圧源出力と電流制限抵抗またはリニア電流レギュレータを備えた駆動回路を使用している。電流制限抵抗は電力損を生じ、駆動回路を低効率にする。更に、電流調整は精密ではない。公称電流以外の電流でのＬＥＤ駆動はＬＥＤ寿命を減少し得るとともに予測不可能な光出力を発生し得る。車両におけるＬＥＤの応用がリアコンビネーションライト（停止(STOP)／方向指示（TURN）／テール(TAIL)）のような高電力用に広がると、これらの駆動回路の性能はもはや効率及び調整機能の点で許容し得ない。
上記の欠点を解消するＬＥＤ用駆動回路が望まれている。

本発明の特徴は良好な調整機能及び効率を有するＬＥＤ用駆動回路提供することにある。
本発明の他の特徴は公称電流でのＬＥＤ動作を維持するＬＥＤ用駆動回路提供することにある。
本発明の上記の特徴及び他の特徴は以下の好適実施例の詳細な説明を図面と関連して読めば明らかになる。以下の詳細の説明及び図面は本発明の単なる一例であって、特許請求の範囲の記載及びその均等記載により限定される本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の発光ダイオード（ＬＥＤ）用駆動回路はパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いてＬＥＤに電力を供給する。この電源は電流帰還を用いてＬＥＤへの電力を調整し、全光モードと減光モードを提供する。

図１は本発明に従って構成されたＬＥＤ用駆動回路のブロック図を示す。テールランプ入力信号はブロック５０で与えられ、電源５２に供給される。電源５２はＤＣ／ＤＣコンバータ、例えばバック・ブースト電源やブーストコンバータ、バックコンバータまたはフライバックコンバータのような他の電源とすることができる。電源５２はＬＥＤアレイ５４に電力を供給し、ＰＷＭ制御ＩＣ５６により制御される。ＰＷＭ制御ＩＣ５６は、帰還信号に応答して、変化するパルス幅の高周波数周期駆動信号を電源５２に供給してＬＥＤアレイ５４により必要とされる電力を供給するよう指示する。一実施例では、駆動信号は０ボルトと１２ボルトの間で振動する２０ｋＨｚの周波数の方形波とすることができる。比較器５８は電流検知器６０からの検知電流信号と基準電流源６２からの基準信号とを比較することにより帰還信号を供給する。

低周波数発振器６４は低周波数発振信号を電源５２とＰＷＭ制御ＩＣ５６に供給する。低周波数は、テールランプ入力信号５０が存在し停止入力信号６６が存在しない限り、駆動回路を減光モードにする。これらの入力信号は例としてテールランプ入力信号及び停止入力信号として説明しているが、減光モードが第１の入力信号に対応し、全光モードが第２の入力信号に対応する場合にはこれらの入力信号は所望の任意の信号にすることができる。低周波数発信器６４の低周波数はＰＷＭ制御ＩＣ５６からの駆動信号より低い。低周波数発振信号は第１状態と第２状態の間で振動する。一例では、発振信号は０ボルトと１６ボルトの間で振動する２００〜３００ヘルツの周波数の方形波とすることができる。低周波数発振信号が低状態のとき、低周波数発振信号は電源５２からＬＥＤアレイ５４への電力を阻止するとともに、ＰＷＭ制御ＩＣ５６の出力を低に維持する。低周波数発振信号が低状態から高状態へ変化するとき、ＰＷＭ制御ＩＣ５６の出力がこの遷移と同期する。これにより減光モードと関連して低い動作周波数の使用が可能になり、ＬＥＤ電流を安定に維持することができる。ストップ入力信号６６が電源５２に存在する場合には、電源５２及びＰＷＭ制御ＩＣ５６は低周波数発信器６４からの低周波数発振信号により影響されず、駆動回路は全光モードになる。他の実施例では、全光モードのみが必要とされる場合には、低周波数発振器６４とテールランプ入力信号５０を省略することができるとともに、ストップ入力信号６６の代わりに方向指示入力信号のような他の入力信号を供給することができる。

低周波数発振器６４の低周波数はＬＥＤアレイ５４からのフリッカが視認し得ないように十分高く選択する。例えば、一例ではこの低周波数は約２００〜３００Ｈｚに選択することができる。また、この低周波数は電源５２からの電磁妨害（ＥＭＩ）を制限するのに十分な低さで、しかも電源５２の磁気素子に適度の誘導成分を与えるのに十分な高さに選択する。自動車工業では極端に低いＥＭＩ仕様限界が課されている。ブロック６８のバルブ出力信号は、ＬＥＤアレイ５４が焼損または切断したことを示す信号を供給する。

図２Ａ−２Ｄは本発明に従って構成された駆動回路の各部の回路図を示す。TURN（方向指示）入力１０２、STOP（停止）入力１０４及びTAIL（テール）入力１０６は車両から駆動回路１００へ制御入力信号を供給する。これらの制御入力信号は６ボルト〜１６ボルトとすることができるが、代表的には例えば１４．５ボルトとする。これらの制御入力信号は常時は低状態であり、所定の動作が望まれるとき高状態に変化する。GND（接地）入力１０８は駆動回路１００に対して接地基準を供給する。ジャンパ１１０は外国車及び国産車に対するオプショナル動作モードの提供を可能とし、例えば外国車に対しては１つのＬＥＤアレイを方向指示信号として、他のＬＥＤアレイをテールライトに使用するが、国産車に対しては１つのＬＥＤアレイを停止信号と方向指示信号のコンビネーションライトとして、他のＬＥＤアレイを停止信号と方向指示信号とテールライトのコンビネーションライトとして使用する。これらの制御入力に接続されたダイオードやキャパシタはＥＭＩフィルタリングや逆電圧電池保護を提供する。

第1の電源１１２は第1のＬＥＤアレイ１１４に電流を供給する。第１のＬＥＤアレイ１１４は、国産車では、方向指示入力１０２または停止入力１０４の制御信号に応答して全光モードで動作する。電源１１２はＰＷＭ制御モードで動作して、第１のＬＥＤアレイ１１４の電流を所要値に調整する。第１のＦＥＴ１１６は、第１のＰＷＭ制御ＩＣ１１８からの駆動信号に応答して第１の電源１１２を急速にスイッチングする。第１のＰＷＭ制御ＩＣ１１８はＵｎｉｔｒｏｄｅ社製のＵＣＣ２８１３−３(商品名)、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製のＵＣ２８２４シリーズ(商品名)等のような集積回路とすることができる。一実施例では、駆動信号は０ボルトと１２ボルトの間で振動する２０ｋＨｚの周波数の方形波とすることができる。第１のＰＷＭ制御ＩＣ１１８は駆動信号のパルス幅を第１の演算増幅器１２０からの帰還信号に応答して変化させる。演算増幅器１２０の出力は第１のＬＥＤアレイ電流の比例電流を表し、ＰＷＭ制御ＩＣ１１８の内部基準と比較される。第１の演算増幅器１２０と第１のＰＷＭ制御ＩＣ１１８は帰還機構を提供するため、ＬＥＤ電流は一定に維持され、ＬＥＤアレイの要求を満たす。これはＬＥＤの寿命を維持するとともに予測可能な光出力を発生する。図示の実施例では、ＬＥＤ電流検知のために第１の電源１１２と第１のＬＥＤアレイ１１４との間の抵抗を使用している。ここでは使用する表面搭載抵抗の低い電力消費容量のために複数の抵抗を使用している。

第２の演算増幅器１２２はシステム入力電圧信号を第１のＬＥＤアレイ１１４及び第２のＬＥＤアレイ１２６からの下流電圧信号と比較し、ＬＥＤアレイの焼損または切断をドライバに警告するバルブ出力信号１２４を供給する。電圧源１２８は第１のＬＥＤアレイ１１４及び第２のＬＥＤアレイ１２６の高電圧を用いて演算増幅器ＩＣを給電し、或はこの給電はダイオードＤ５Ａ及びＤ５Ｂにより機能的に実現される。入力信号（方向指示、停止、テール入力）にトランジェントが生ずる場合には保護ツェナーを用いて演算増幅器電源両端間の電圧を演算増幅器定格より低い値にクランプする。

第２のＬＥＤアレイ１２６を給電する駆動回路１００の部分は第１のＬＥＤアレイ１１４を給電する駆動回路１００の部分に類似するが、第２のＬＥＤアレイ１２６を給電する駆動回路１００の部分はテール入力１０６の制御信号に応答して第２のＬＥＤアレイ１２６を低周波数減光モードで駆動することができる点で相違する。第１のＬＥＤアレイ１１４を給電する駆動回路１００の部分は第１のＬＥＤアレイ１１４を全光モードで駆動し得るのみである。

第２の電源１３０は第２のＬＥＤアレイ１２６に電流を供給する。国産車では、第２のＬＥＤアレイ１２６は停止入力１０４の制御信号に応答して全光モードで動作し、テール入力１０６の制御信号に応答して減光モードで動作する。ＬＥＤアレイ電流信号はパルス幅変調され、即ち第２のＬＥＤアレイ１２６への電流は所定の周波数及びＬＥＤアレイ公称値に近いピーク電流値を有するとともに第２のＬＥＤアレイ１２６に必要とされる電力に依存する固定のデューティサイクルに設定されたパルス幅を有する矩形波である。一例では、この電流信号は０と６００ｍＡの間で振動する２００〜３００ヘルツの周波数を有する矩形波とすることができる。

全光モードでは、停止入力１０４の制御信号に応答して、第１トランジスタ１３９が接地パスを提供するため、ＰＷＭ ＦＥＴ１４０が低周波数発振器１４４の低周波数発振に追従しないで連続的に導通し、第２のＬＥＤＡ１２６に連続電流を流し得る。これにより第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４は全光モードに維持され、これは、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４は第２トランジスタ１４２を経て発振同期信号を受信しないためである。第２のＦＥＴ１３２は上述した第１のＦＥＴ１１６と同一の態様でスイッチングする。

減光モードでは、停止入力１０４の制御信号が存在しないで、テール入力１０６の制御信号が存在するとき、第１のトランジスタ１３９がオフになるため、ＰＷＭ ＦＥＴ１４０が低周波数発振器１４４からの発振信号に応答してオン、オフを反復する。一例では、発振信号は０と１６ボルトの間で振動する２００〜３００ヘルツの周波数を有する矩形波とすることができる。これにより第２のＬＥＤＡ１２６が、ＰＷＭ ＦＥＴ１４０のオン、オフの反復につれてオン、オフを反復する。低周波数発振器１４４の周波数は第２のＬＥＤアレイ１２６からのフリッカが視認し得ないように十分に高く高く選択する。例えば、一例では、低周波数のデューティサイクルは約２００〜３００Ｈｚの発振周波数の場合には約１０％選択することができる。また、周波数は第２の電源１３０からの電磁妨害（ＥＭＩ）を制限するのに十分な低さで、しかも第２の電源１３０の磁気素子に適度の誘導成分を与えるのに十分な高さに選択する。自動車工業では極端に低いＥＭＩ仕様限界が課されている。

減光モードでは、低周波数発振器１４４の発振出力は第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４に対する発信同期信号も第２のトランジスタ１４２により制御する。低周波数発振器１４４からの発振出力が低状態のとき、第２のトランジスタ１４２はオフになり、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４はアクティブになる。低周波数発振器１４４の発振出力が高状態のとき、第２のトランジスタ１４２はオンになり、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４はリセット状態に維持される。これは、第２のＦＥＴ１３２を駆動する第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４の出力電圧が第２のＬＥＤアレイ１２６がオフの間に上昇するのを阻止する。更に、低周波数発振器１４４の出力が高状態から低状態へスイッチするとき、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４をアクティブにし、第２のＬＥＤアレイ１２６を付勢するので、第２のトランジスタ１４２は、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４を低周波数発振器１４４と同期させる。この同期は第２のトランジスタ１４２がターンオフし、第２のＰＷＭ制御ＩＣ１３４のCOPMピン及びRT/CTピンから接地信号を除去するとき起こる。これにより安定なＬＥＤ電流を維持しながら低動作周波数を減光モードとともに使用することが可能になる。

図２Ａ−２Ｄは本発明の特定の応用例及び実施例を示すのみで、ここに開示し特許請求する本発明の範囲を制限するものでない点に注意されたい。例えば、ＦＥＴやトランジスタのようなスイッチ装置を示しているが、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴまたはバイポーラトランジスタのような他のスイッチング装置を使用することができる。他の例として、低周波数発振が電源の動作周波数にかなり近いときでも、ＰＷＭ制御ＩＣの同期を用いて一定の電流が得られるようにすることができる。場合によっては、ある程度の変動が許容可能であり、同期を省略することもできる。本発明の更に他の実施例では、先に示した電流検知技術の代わりにピーク電流検知技術を用いて、低周波数ＰＷＭ信号の可変デューティサイクルによってピークＬＥＤ電流を一定に維持することができる。本明細書を読み図面を再検討するとき、当業者であれば、本発明の無数の他の実施例が可能であることが明らかであり、これらの実施例も本発明の範囲に含まれること勿論である。

ここに開示した実施例は好適と考えられるものであるが、本発明の範囲内において種々の変更や変形が可能である。本発明の範囲は特許請求の範囲に記載されているが、均等物の意味及び範囲に含まれる全ての変更も本発明の範囲に含むものである。

本発明に従って構成されたＬＥＤ用駆動回路のブロック図を示す。 ２Ａ−２Ｄは本発明に従って構成されたＬＥＤ駆動回路の回路図を示す。

Claims (9)

1. ＬＥＤアレイを給電するＬＥＤ電源システムであって、
   ＬＥＤアレイへの電流を検知し、検知電流信号を発生する電流検知手段と、
   基準信号を発生する基準信号発生手段と、
   前記検知電流信号を前記基準と比較し、帰還信号を発生する比較手段と、
   前記帰還信号に応答してパルス幅変調を行い駆動信号を発生するパルス幅変調手段と、
   前記駆動信号に応答して前記ＬＥＤアレイに電流を供給する電源手段とを具えることを特徴とするＬＥＤ電源システム。
2. 第１状態と第２状態を有する発信信号を発生する低周波数発振手段を更に具え、
   前記電源手段は、前記発振信号に応答して、第１状態の間ＬＥＤアレイに電流を供給し、第２状態の間前記ＬＥＤアレイへの電流を阻止することを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
3. 前記発振信号の周波数は前記駆動信号の周波数より低いことを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
4. 前記発振信号のデューティサイクルは約１０％であることを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
5. 前記発振信号の周波数は約２００〜３００Ｈｚであることを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
6. 前記パルス幅変調手段は、前記低周波数発振手段からの発振信号に応答し、第１状態の間前記駆動信号を前記電源手段に供給し、第２状態の間前記駆動信号を前記電源手段へ供給するのを阻止することを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
7. 前記パルス幅変調手段は該パルス幅変調手段からの駆動信号を前記低周波数発振手段からの発振信号と同期させることを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
8. 前記ＬＥＤアレイが動作不能であることを指示する手段を更に具えることを特徴とする請求項０記載のＬＥＤ電源システム。
9. 前記電源手段はバック・ブースト電源、ブースト電源、バック電源及びフライバックコンバータからなる群から選ばれた電源からなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ電源システム。
   
   

Images