JP2007157423A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断線や短絡などの異常を正確に検出し、高出力ＬＥＤの総順方向電圧が電源電圧を超過したことによるＬＥＤの不点灯を防止することができる電源装置を提供する。
【解決手段】電圧検出回路５でＬＥＤ群６の総順方向電圧を、電流検出回路７でＬＥＤ群６の順方向電流を検出し、これらを比較回路９において基準電圧値と比較することにより、ＬＥＤ群６の異常を検出し、異常通知信号を出力することで、スイッチ２をオフし、外部通知回路１０により外部に異常を通知する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に関し、特に高出力の発光ダイオード（以下、高出力ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とする）の異常状態をＬＥＤ１個単位で検出する昇圧（降圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータの電源装置である。詳しくは各種基準電圧値を任意に定め、それらと高出力ＬＥＤの順方向電圧及び順方向電流をつきあわせ比較することで、高出力ＬＥＤの異常状態を検出する電源装置に関するものである。

近年、高出力ＬＥＤは、発光効率の向上と製造費用の低下により、表示装置をはじめ携帯機器、車載用等に用いられるようになってきた。特に、従来のフィラメント電球に比べると、高出力ＬＥＤは衝撃や震動に強く、また低質量で小型であることが限られたスペースに用いることに向いているため、車載用としての利用がますます増加している。

このような機器において、ＬＥＤは複数個用いられ、並列や直列に接続され使用される。これらの接続方法にはそれぞれ長所、短所がある。例えば、ＬＥＤを直列に接続すると各ＬＥＤの明るさは均一にできるものの、駆動電圧が高くなる。一方、ＬＥＤを並列に接続すると低い電圧で駆動できるようになるが、各ＬＥＤの明るさにばらつきが生じやすくなる。また、どちらの接続方法にせよ、複数のＬＥＤを用いるため、各ＬＥＤ間での断線や、ＬＥＤの劣化等をもたらす短絡等の異常を監視する必要がある。

複数のＬＥＤを低電圧で均一の明るさに駆動し、異常を検知するためにさまざまな提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。

ここで、従来の高出力ＬＥＤ駆動装置について図７を用いて説明する。

１ａは電源であり、２ａはスイッチ（以下、ＳＷ２ａとする）である。３ａは電源１から供給された電圧を、駆動する負荷の総順方向電圧より高い電圧まで昇圧（降圧）するための昇圧（降圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータである。６ａはこの回路の負荷である複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群であり、ここでは均一な明るさを実現するために、直列接続されているものとする。ＬＥＤ群６ａは高出力のＬＥＤからなり、各ＬＥＤにおいて順方向電流は数１００ｍＡから数Ａ程度、また順方向電圧は数Ｖから数十Ｖ程度である。

７ａは定電流回路であり、ＬＥＤ群６ａを安定して発光させるために、ＬＥＤの順方向電流を一定に維持する役割を果たす。また、昇圧（昇圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータ３ａ（以下、単に昇降圧回路３ａとする）からの出力電圧（以下、単に電源電圧とする）と、ＬＥＤ群６ａの総順方向電圧との差分の電圧は、この定電流回路７ａにかかり、ここで消費される電力は全て損失となる（以下、損失電力とする）。ＬＥＤ群６ａは高出力のＬＥＤであり、順方向電流が大きいため、定電流回路７ａでの損失電力は大きくなる。

１１ａは電圧検知回路であり、定電流回路７ａに流れる電流を電流センス抵抗で電圧に変換し、基準電圧値と比較するための回路である。ここで、ＬＥＤ群６ａでの断線が生じた場合は、定電流回路７ａを流れる電流はゼロとなり、検知される電圧がＧＮＤレベルになるため、基準電圧値より低くなる。このとき、電圧検知回路１１ａは断線検出信号を出力する。
特開２００５−１１６１９９号公報 特開２００５−５１１１４号公報 特開２００５−１１８９５号公報 実用新案登録第３１０５３０２号公報 特開平８−７５８１１号公報

しかしながら、図７に示した従来例の高出力ＬＥＤ駆動装置においては、ＬＥＤ群６ａの順方向電流のみを検出しているため、例えばＬＥＤ群６ａ中で短絡が起こった場合、この異常を検出することができない。

また、以下のような誤検出をするおそれもある。

通常、ＬＥＤ群６ａの総順方向電圧と電源電圧の電圧差が大きいとき、定電流回路４ａでの損失電力がさらに大きくなるため、ＬＥＤ群６ａの総順方向電圧と電源電圧の電位差は小さくなるように設定される。しかし、高出力ＬＥＤの順方向電圧は個体差が大きく、例えば順方向電圧が高い高出力ＬＥＤばかり揃ってしまうことで、ＬＥＤ群６ａの総順方向電圧値が、昇降圧回路３ａの限界電圧値を超えてしまうことがある。この場合、高出力ＬＥＤの駆動に必要な電流供給が行われずＬＥＤ群６ａは不点灯となり、ＬＥＤ群６ａおよび回路は正常であるにも関わらず、電圧検知回路１１ａは断線検出信号を出力してしまう。

本発明は、以上の点に着目して成されたもので断線や短絡などの異常を正確に検出し、高出力ＬＥＤの総順方向電圧が電源電圧を超過したことによるＬＥＤの不点灯を防止することができる電源装置を提供することを目的とする。

この発明は下記の構成を備えることにより上記課題を解決できるものである。

（１）回路に接続された負荷を駆動する電源と、前記電源からの電力供給のオン／オフを切り替えるスイッチと、前記電源からの電圧を前記負荷の駆動に必要な電圧に昇降圧する昇降圧回路と、前記負荷に対して一定の電流を供給する定電流回路と、前記負荷と前記定電流回路とにかかる電圧を検出する電圧検出回路とを有する電源装置において、前記定電流回路は、前記負荷を流れる電流を検出することができ、前記定電流回路で検出した電流と前記電圧検出回路で検出した電圧とを基に回路の動作を切り替える切替回路と、前記定電流回路で検出した電流および前記電圧検出回路で検出した電圧を１以上の基準値と比較することにより判断し、異常通知信号を出力する比較回路と、前記比較回路の判断結果を外部に通知する外部通知回路とを有することを特徴とする電源装置。

（２）前記（１）に記載の電源装置において、前記切替回路は、回路の動作を定電流制御動作または定電圧制御動作に自動で切り替えることを特徴とする電源装置。

（３）前記（１）に記載の電源装置において、前記切替回路は、２つのダイオードを有することを特徴とする電源装置。

（４）前記（１）に記載の電源装置において、前記比較回路は、１以上のコンパレータと、１以上の論理積回路と、１以上の論理和回路とを有することを特徴とする電源装置。

（５）前記（１）に記載の電源装置において、前記基準値は、任意に設定できることを特徴とする電源装置。

（６）前記（１）に記載の電源装置において、前記スイッチは、前記異常通知信号を入力することによりオン／オフを切り替えることを特徴とする電源装置。

（７）前記（１）に記載の電源装置において、前記スイッチは、電界効果トランジスタを有することを特徴とする電源装置。

（８）前記（１）に記載の電源装置において、前記外部通知回路は、トランジスタを有することを特徴とする電源装置。

（９）前記（１）から（８）のいずれかに記載の電源装置において、前記負荷は、複数の高出力の発光ダイオードであることを特徴とする電源装置。

（１０）前記（９）に記載の電源装置において、前記複数の高出力の発光ダイオードは、直列接続であることを特徴とする電源装置。

本発明によれば、ＬＥＤの順方向電圧と順方向電流を同時に検出しているため、断線や短絡を正確に検出し、外部に異常通知信号を出力することが可能である。また、ＬＥＤ群の総順方向電圧が電源電圧を超過した場合でも、規定の電流値以下にならなければ定電圧駆動になり、高出力のＬＥＤ群を不点灯にすることがなく、誤って断線と判断してしまうことを防止できる。また、基準電圧値は任意に設定でき、異常と判断した場合には外部通知信号を出力できる。外部通知信号は、スイッチに出力することにより、自動でシャットダウンすることが可能である。

また、ＬＥＤ群の接続時は定電流制御動作となり、ＬＥＤ群の未接続時は定電圧制御動作に自動的に切り替わる。

さらに、各種ＬＥＤの総順方向電圧の設定および順方向電流の設定が外部抵抗値変更により設定可能なため、さまざまな条件設定が可能となり、どのようなＬＥＤにも適応することが可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

本実施例の電源装置を、図１から図６を用いて説明する。

図１は本実施例の電源装置の構成を示す全体ブロック図である。

１は電源であり、２はスイッチ（以下、単にＳＷ２とする）である。電源１は、本実施例の電源装置を車載用として使用する場合はバッテリーである。３は電源１から供給された電圧を、駆動する負荷の総順方向電圧より高い電圧まで昇圧（降圧）するための昇圧（降圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータである。

なお、昇圧（降圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータ３を以下単に昇降圧回路３とする。また、昇降圧回路３により昇圧（降圧）された電圧により負荷が駆動されるので、以降昇降圧回路３からの出力電圧を電源電圧とする。

４は切替回路、５は電圧検出回路、６は負荷としての複数の高出力ＬＥＤからなるＬＥＤ群である。ここで、切替回路４は、ＬＥＤ群６が接続されている場合は、定電流制御動作が優先されるように回路を切り替え、ＬＥＤ群６が接続されていない場合は、定電圧制御動作が優先されるように回路を切り替える。切替回路４については詳しく後述する。

電圧検出回路５は、昇降圧回路３からの出力電圧を検出するための回路である。また、ＬＥＤ群６は、ここでは均一な明るさを実現するために、直列接続されているものとする。ＬＥＤ群６ａは高出力のもので、各ＬＥＤにおいて順方向電流は数１００ｍＡから数Ａ程度、また順方向電圧は数Ｖから数十Ｖ程度である。

７は定電流回路であり、ＬＥＤ群６の順方向電流を一定に維持する。また、本実施例における定電流回路７は、ＬＥＤ群６の順方向電流を検出する役割も担う。このため、以降定電流回路７を電流検出回路７とする。

８はアンプである。電流検出回路７に流れるＬＥＤ群６の順方向電流は、電流センス抵抗により電圧に変換される。この電圧を電流検出回路７の検出電圧とすると、アンプ８は電流検出回路７の検出電圧を増幅する。

９は比較回路であり、１０は外部通知回路である。比較回路９では、電圧検出回路５で検出した電圧（以下、電圧検出回路５の検出電圧とする）と電流検出回路７の検出電圧とを、それぞれ基準電圧値（請求項の基準値に相当）と比較することにより、ＬＥＤ群６が正常か異常かを判断する。すなわち、本実施例の電源装置においては、ＬＥＤ群６の総順方向電圧と順方向電流との双方を監視することになる。この判断の結果、比較回路９は、正常であれば信号を出力せず、異常であれば異常であることを通知する信号（以下、異常通知信号とする）を出力する。この異常通知信号を用いて、ＳＷ２を切り、電源１から昇降圧回路３への電力の供給をストップし、後段の回路を保護する。

また、比較回路９から出力された異常通知信号は外部通知回路１０に入力され、これにより外部に異常が発生したことを通知する。比較回路９、ＳＷ２、外部通知回路１０については詳しく後述する。

ここで、切替回路４の構成と動作を説明する。

図２は切替回路４の構成を示す詳細回路図である。

切替回路４は２つのダイオードＤ１、Ｄ２から構成される。切替回路４には、電流検出回路７の検出電圧と、電圧検出回路５の検出電圧が入力される。また、切替回路４から昇降圧回路３へはいずれかの検出電圧が入力され、その検出電圧を基にフィードバックがかかり、昇降圧回路３は電圧を昇圧あるいは降圧させる。

ここで、昇降圧回路３に用いられる制御ＩＣにおいて、フィードバック（以下、単にＦＢとする）端子の基準電圧は通常数Ｖである。しかし、電流検出回路７での損失電力を極力小さく抑えるために電流センス抵抗を小さくしているために、電流検出回路７の検出電圧は微弱電圧となる。このため、アンプ８にて電流検出回路７の検出電圧を増幅する。

次に切替回路４の動作を説明する。

本実施例の電源装置にＬＥＤ群６が接続され、ＬＥＤ群６が正常に動作している場合は、電源電圧は昇降圧回路３の限界電圧値まで上がらないため、電流検出回路７の検出電圧が優先され、昇降圧回路３のＦＢ端子には電流検出回路７の検出電圧が入力される。このとき、昇降圧回路３は定電流回路７の検出電圧を基に電源電圧を調整する。すなわち昇降圧回路３による電源電圧の調整は、ＬＥＤ群６の順方向電流に応じたもの、つまり定電流制御動作となる。

一方、ＬＥＤ群６が接続されていない場合は、電流検出回路７からの検出電圧はゼロとなる。このとき、昇降圧回路３は電圧検出回路５の検出電圧を基に、電源電圧を基準電圧値にするよう調整する。すなわち、昇降圧回路３による電源電圧の調整は、定電圧制御動作となり、電源電圧は一定になる。

次に比較回路９の構成と動作を説明する。

図３は比較回路９の構成を示す詳細回路図である。

比較回路９は４つのコンパレータ ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＯＰ４を用いて、２つの検出電圧と複数の基準電圧値とを比較することにより、回路の状態の場合分けを行う。

以下、ＬＥＤ群６で断線が起きた場合と、短絡が起きた場合を例にとり、動作説明をする。

まず、ＬＥＤ群６で断線が起きた場合を説明する。前述のとおり正常に動作している回路は、切替回路４により定電流制御動作となっている。ここでＬＥＤ群６中１個でも断線が起きると、断線により電流検出回路７の検出電圧はゼロとなり基準電圧値（これをＶｒｅｆ＿１とする）以下となる。一方、電流検出回路７の検出電圧がゼロとなった結果、切替回路４により定電圧制御動作へ切り替わり、やがて基準電圧値（これをＶｒｅｆ＿２とする）以上となる。この条件を判断するために、次のように回路上に実装する。

まずコンパレータ ＯＰ１の基準電圧値をＶｒｅｆ＿１とする。コンパレータ ＯＰ１は、ＬＥＤ群６に流れる電流が基準電流値以下すなわち基準電圧値Ｖｒｅｆ＿１以下であれば、コンパレータ ＯＰ１からの出力を“Ｈ”とする。

同様に、コンパレータ ＯＰ２の基準電圧値をＶｒｅｆ＿２とする。コンパレータ ＯＰ２は、電圧検出回路５の検出電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ＿２以上であれば、コンパレータ ＯＰ２の出力を“Ｈ”とする。

次にＡＮＤ回路（論理積回路） ＡＮＤ１にてコンパレータ ＯＰ１とコンパレータ ＯＰ２の論理積をとる。ここで、ＡＮＤ回路 ＡＮＤ１の出力が“Ｈ”となるのは、コンパレータ ＯＰ１、コンパレータ ＯＰ２ともに“Ｈ”を出力したときである。このとき、異常通知信号を出力するようにする。すなわち、ＬＥＤ群６に流れる電流が基準電流値以下であり、かつ電圧検出回路５の出力電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ＿２以上の場合、比較回路３は異常通知信号を出力する。

なお、図４（ａ）に断線の場合の各信号の部分波形を示す。

以上のように実装することで、断線か、あるいはＬＥＤ群６の総順方向電圧が基準電圧値を超えただけなのかを正確に判断することができる。そして、後者の場合でもＬＥＤ群６を流れる電流がＬＥＤの規格の電流値以下でなければＬＥＤ群６を駆動し、ＬＥＤ群６の不点灯を防止することができる。

次に短絡が起きた場合を説明する。ＬＥＤ群６に必要以上の電流が流れるとき、電流検出回路７の検出電圧は基準電圧値（これをＶｒｅｆ＿４とする）以上になるが、昇降圧回路３は定電流制御動作となっており、電圧検出回路５の検出電圧は基準電圧値（これをＶｒｅｆ＿３とする）以下である。この条件を判断するために、次のように回路上に実装する。

まず、コンパレータ ＯＰ３の基準電圧値をＶｒｅｆ＿３とする。コンパレータ ＯＰ３は、電圧検出回路５の検出電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ＿３以下であれば、コンパレータ ＯＰ３の出力を“Ｈ”とする。

同様に、コンパレータ ＯＰ４の基準電圧値をＶｒｅｆ＿４とする。コンパレータ ＯＰ４は、ＬＥＤ群６に流れる電流が基準値以上すなわち基準電圧値Ｖｒｅｆ＿４以上であれば、コンパレータ ＯＰ４の出力を“Ｈ”とする。

ここでＡＮＤ回路 ＡＮＤ２にて、コンパレータ ＯＰ３とコンパレータ ＯＰ４の論理積をとる。このとき、ＡＮＤ回路 ＡＮＤ２の出力が“Ｈ”となるのは、電圧検出回路５の出力電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ＿３以下で、かつ高出力のＬＥＤ群６に流れる電流が基準電流値以上の場合であり、このとき比較回路３は異常通知信号を出力する。

なお、図４（ｂ）に短絡の場合の各信号の部分波形を示す。

これにより、短絡の検出が可能になり、ＬＥＤ群６に対して過電流保護が可能になる。

さらにＡＮＤ回路 ＡＮＤ１とＡＮＤ回路 ＡＮＤ２の論理和をＯＲ回路（論理和回路） ＯＲ１にてとれば、上記条件に当てはまった場合全てにおいて、異常を検出することができ、異常通知信号を出力することができる。

以上のように、比較回路９では電圧検出回路５の検出電圧および電流検出回路７の検出電圧と、複数の基準電圧値とを比較することにより、異常状態にある条件を抽出し、異常通知信号を出力することができる。また、例えば高出力ＬＥＤの過度の順方向電圧降下や、半導体特性の喪失による微小抵抗特性化に陥った場合等、適切な基準電圧値を設定することにより、これらの異常も検出可能となる。

次にＳＷ２について説明する。

図５は異常通知信号を利用したシャットダウン回路図である。

比較回路９からの異常通知信号は、ＳＷ２に出力される。ＳＷ２には、例えば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴとする）を用い、異常通知信号が入力された場合にＦＥＴをオフにしてＳＷ２を切ることができる。このように、異常通知信号の入力があったときにＳＷ２をオフにすることで、異常発生時に昇降圧回路３を切り離すことができ、後段の回路を保護することができる。

次に外部通知回路について説明する。

図６は異常通知信号を外部に通知するための外部通知回路図である。

比較回路９からの異常通知信号は、外部通知回路１０にも入力される。図６のように、例えば外部通知回路にトランジスタを用い、オープンコレクタによって外部に異常を通知する。

なお、電流検出回路７の電流センス抵抗を増幅する箇所に例えばポテンショメータ等を用い、外部からシリアルデータ等でＬＥＤ群６の順方向電流を変更できるようにしてもよい。これにより、外部から総順方向電圧や順方向電流の設定が可能となり、どのようなＬＥＤに対しても本実施例の電源装置を適用することができる。

前照灯をはじめとした車載用ＬＥＤランプ各種、ＬＥＤ照明器具や各種ＬＥＤ使用製品等の駆動制御に利用可能である。

本実施例の電源装置の構成を示す全体ブロック図 切替回路４の構成を示す詳細回路図 比較回路９の構成を示す詳細回路図 （ａ）は断線の場合の各信号の部分波形図、（ｂ）は短絡の場合の各信号の部分波形図 異常通知信号を利用したシャットダウン回路図 異常通知信号を外部に通知するための外部通知回路図 従来例の高出力ＬＥＤ駆動装置の構成を示す全体ブロック図

符号の説明

１ 電源（バッテリー）
２ スイッチ
３ 昇圧（昇圧／昇降圧）ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇降圧回路）
４ 切替回路
５ 電圧検出回路
６ ＬＥＤ群（負荷に相当）
７ 定電流回路（電流検出回路）
８ アンプ
９ 比較回路
１０ 外部通知回路

Claims (10)

1. 回路に接続された負荷を駆動する電源と、前記電源からの電力供給のオン／オフを切り替えるスイッチと、前記電源からの電圧を前記負荷の駆動に必要な電圧に昇降圧する昇降圧回路と、前記負荷に対して一定の電流を供給する定電流回路と、前記負荷と前記定電流回路とにかかる電圧を検出する電圧検出回路とを有する電源装置において、
   前記定電流回路は、前記負荷を流れる電流を検出することができ、
   前記定電流回路で検出した電流と前記電圧検出回路で検出した電圧とを基に回路の動作を切り替える切替回路と、
   前記定電流回路で検出した電流および前記電圧検出回路で検出した電圧を１以上の基準値と比較することにより判断し、異常通知信号を出力する比較回路と、
   前記比較回路の判断結果を外部に通知する外部通知回路と、
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記切替回路は、回路の動作を定電流制御動作または定電圧制御動作に自動で切り替えることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記切替回路は、２つのダイオードを有することを特徴とする電源装置。
4. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記比較回路は、１以上のコンパレータと、１以上の論理積回路と、１以上の論理和回路とを有することを特徴とする電源装置。
5. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記基準値は、任意に設定できることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記スイッチは、前記異常通知信号を入力することによりオン／オフを切り替えることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記スイッチは、電界効果トランジスタを有することを特徴とする電源装置。
8. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記外部通知回路は、トランジスタを有することを特徴とする電源装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の電源装置において、
   前記負荷は、複数の高出力の発光ダイオードであることを特徴とする電源装置。
10. 請求項９に記載の電源装置において、
    前記複数の高出力の発光ダイオードは、直列接続であることを特徴とする電源装置。

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