JP2009272569A - Ｌｅｄ駆動装置、車両用照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の振動等による一時的な断線などの負荷異常時においても電源供給側の出力電圧の異常上昇を緩和しつつ、定常時の損失低減やコスト抑制を可能とする。
【解決手段】直流電源Ｅの電源電圧からＬＥＤ負荷部３を駆動するために必要な直流電圧に昇圧または降圧させる機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータ部２と、その出力端に接続されるＬＥＤ負荷部３とで構成されるＬＥＤ駆動装置において、ＬＥＤ負荷部３とＤＣ／ＤＣコンバータ部２の電気的接続が一時的に失われた場合に異常電圧を抑制するための電圧クランプ部５がＤＣ／ＤＣコンバータ部２の出力部に並列接続されている。電圧クランプ部５は、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサＣ４を備え、このコンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ部２の１次側または制御用電源回路に回生させても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は光源としての発光ダイオードを駆動するＬＥＤ駆動装置、並びにこれを用いた車両用照明装置に関するものである。

近年、ハロゲンランプや放電ランプなどに代えて、発光ダイオードが自動車の車内灯（ルームランプ）や前照灯（ヘッドライト）、あるいは欧州などで採用が進んでいるデイタイム・ランニング・ライト（昼間に対向車などからの視認性を高めるための前照灯）などの光源に利用されつつある。

自動車用のバッテリから供給される直流電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換回路により電力変換されて、ＬＥＤ負荷へ供給される。例えば、特許文献１（特開２００６−２１０８３５号公報）では、ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電圧と出力電流を検出し、その検出結果から消費電力を求めると共に、消費電力が所定の許容範囲内に収まるようにＤＣ／ＤＣ変換回路の出力を調整することにより、バッテリから供給される直流電圧が複数個のＬＥＤの順方向電圧の合計より高くても低くても、所定の負荷電力が得られるようにした車両用のＬＥＤ駆動装置が提案されている。

ところが、車両の走行中の振動等により電源配線が一時的に接触不良となることがある。ＤＣ／ＤＣ変換回路からＬＥＤ負荷への配線の一時的な断線などでＤＣ／ＤＣ変換回路の出力が無負荷状態になった場合には、図６に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇し過ぎるため、一時的な断線状態が解消されて、再びＬＥＤ負荷へ電源出力が接続された場合には、ＬＥＤ負荷への出力電流Ｉｏｕｔが多く流れ過ぎて、ＬＥＤ負荷の寿命を短くするという課題があった。

そこで、特許文献２（特開２００７−１２６０４１号公報）では、ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力とＬＥＤ負荷の間に、過渡電流抑制用の抵抗と定常時電流通電用のスイッチング素子の並列回路を挿入し、過渡時にはスイッチング素子をＯＦＦさせることでＬＥＤ負荷の電流を抑制し、定常時にはスイッチング素子をＯＮさせることで過渡電流抑制用の抵抗に流れる電流をバイパスさせることにより電力損失を抑制する手段を採っていた。

その他の公知例として、特許文献３（特開２００４−１３４１４７号公報）では、ＬＥＤ負荷に電流を供給するＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電圧、供給電流、電源電圧を検出して異常を検出すると、ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電圧を低下させることが提案されている。
特開２００６−２１０８３５号公報 特開２００７−１２６０４１号公報 特開２００４−１３４１４７号公報

特許文献１の従来例では、図６に示すように、断線状態が解除された瞬間にＬＥＤ負荷に過大な突入電流が流れるという問題がある。

特許文献２の従来例では、過渡電流抑制用の抵抗を用いるため、適切な電流抑制抵抗にするためには、比較的大型の抵抗が必要となるという問題がある。また、定常時にＬＥＤの負荷電流が流れるスイッチング素子の電流容量を大きくする必要があり、コストが高くなるという問題がある。

特許文献３の従来例では、異常検出時には出力電圧を低下させるが、走行中の車両では電気ノイズが発生しやすい環境であり、電気ノイズに起因する間違った異常検出により光出力が低下するという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ負荷への一時的な断線などの負荷異常時における電源供給側の出力電圧の異常上昇を緩和しつつ、定常時の損失低減やコスト抑制を図ることを目的とする。そして、全体として、ＬＥＤ駆動装置の小型化、低コスト化を図ることを目的とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源Ｅの電源電圧からＬＥＤ負荷部３を駆動するために必要な直流電圧に昇圧または降圧させる機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータ部２と、その出力端に接続されるＬＥＤ負荷部３とで構成されるＬＥＤ駆動装置において、ＬＥＤ負荷部３とＤＣ／ＤＣコンバータ部２の電気的接続が一時的に失われた場合に異常電圧を抑制するための電圧クランプ部５がＤＣ／ＤＣコンバータ部２の出力部に並列接続されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記電圧クランプ部５として、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサＣ４と、このコンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーを回生させる回路（図２、図３のダイオードＤ２）とを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記コンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーの回生先を制御用電源回路４７の入力コンデンサとしたことを特徴とする（図３）。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記電圧クランプ部５として、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサＣ４と、異常電圧の印加後に前記コンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーを所定値以下の低い電圧で負荷側に回生させる回路とを有することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置を有する車両用照明装置（図４）である。

請求項１の発明によれば、ＬＥＤ負荷への一時的な断線などの負荷異常時における電源供給側の出力電圧の異常上昇を緩和しつつ、定常時の損失低減やコスト抑制が可能となる。これにより、ＬＥＤ駆動装置の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。また、請求項２〜４の発明によれば、異常電圧をコンデンサに一時的に蓄積し、この蓄積されたエネルギーを回生させることにより、エネルギーの有効利用が可能となる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路構成を図１に示す。本実施形態では、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を直列に接続して成るＬＥＤ負荷部３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の間に出力端子Ａ，Ｂが介在している。車両の振動等により、この出力端子Ａ，Ｂによる電気的接続が一時的に失われた場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔの異常上昇を防止するために、過電圧を抑制する電圧クランプ部５がＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力端に並列接続されている。電圧クランプ部５は、出力端子Ａ，ＢよりもＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力端に近い側に接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、自動車のバッテリのような直流電源Ｅから電源スイッチＳＷと入力フィルタ部１を介して供給される直流電源電圧を、所望の直流電圧Ｖｏｕｔに昇圧もしくは降圧してＬＥＤ負荷部３に供給する。図１のＤＣ−ＤＣコンバータ部２は、従来から周知のフライバック型のものであって、パワーＭＯＳＦＥＴなどからなり、制御部４の高周波駆動回路４４によって高周波でオン・オフされるスイッチング素子Ｑ１と、１次巻線の一端が電源スイッチＳＷを介して直流電源Ｅの正極に接続されるとともに１次巻線の他端がスイッチング素子Ｑ１を介して直流電源Ｅの負極に接続されたトランスＴ１と、トランスＴ１の２次巻線の一端にカソードが接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１のアノードと２次巻線の他端との間に接続された平滑コンデンサＣ３とを有している。制御部４によりスイッチング素子Ｑ１がオンしているとき、１次巻線に電流が流れてトランスＴ１にエネルギが蓄えられ、スイッチング素子Ｑ１がオフしたときにトランスＴ１に蓄えられているエネルギが２次巻線よりダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ３に供給されるのであって、制御部４によりスイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御することで直流電源Ｅの電源電圧よりも高い電圧から低い電圧まで所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

入力フィルタ部１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の高周波電流が直流電源Ｅの側に漏洩することを防止するためのフィルタであり、高周波ブロック用のインダクタＬ１と、高周波バイパス用のコンデンサＣ１，Ｃ２をπ型に組み合わせたローパスフィルタ（ＬＰＦ）となっている。

制御部４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２からＬＥＤ負荷部３に印加される出力電圧Ｖｏｕｔを検出する電圧検出部４１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２からＬＥＤ負荷部３へ供給される出力電流Ｉｏｕｔを検出する電流検出部４２と、電圧検出部４１で検出される出力電圧Ｖｏｕｔと電流検出部５で検出される出力電流ＩｏｕｔからＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電力Ｗｏｕｔを求めると共に、出力電力Ｗｏｕｔが所定の許容範囲内に収まるようにＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力を調整する演算部４３と、演算部４３の出力を受けてＤＣ−ＤＣコンバータ部２のスイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御するための高周波駆動回路４４を備えている。なお、電圧検出部４１の検出値と電源電圧監視部４６の検出値は判別部４５により監視されており、点灯判別や異常判別に用いられている。例えば、電源電圧が異常に高い場合や異常に低い場合、あるいは出力電圧が異常に高い場合や異常に低い場合には、高周波駆動回路４４の出力を停止させるように構成されている。

電圧検出部４１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力端間（平滑コンデンサＣ３の両端間）に接続された分圧抵抗（図示せず）からなり、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧した検出電圧を演算部４３に出力している。また、電流検出部４２はＬＥＤ負荷部３と平滑コンデンサＣ３との間に挿入された検出抵抗Ｒ３の両端に生じる電圧降下をオペアンプ等により増幅し、出力電流Ｉｏｕｔの検出値として演算部４３に出力している。

ここで、本実施形態の基本動作について説明する。電源スイッチＳＷがＯＮされて、バッテリなどの直流電源Ｅから直流電圧が供給されると、制御部４がＤＣ−ＤＣコンバータ部２を動作させて直流電圧Ｖｏｕｔを出力し、この直流電圧ＶｏｕｔがＬＥＤ負荷部３に印加されて直流電流Ｉｏｕｔが流れる。そして、制御部４は電流検出部４２の検出値が一定となるようにスイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御してＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔを調整する。例えば、ＬＥＤ負荷部３が７個の発光ダイオードＬＥＤの直列回路からなり、各発光ダイオードＬＥＤの順電圧Ｖｆの定格値が３Ｖとすると、定常時においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔを３Ｖ×７＝２１Ｖに設定すれば、ＬＥＤ負荷部３に定格の順電流Ｉｏｕｔを流すことができる。

また、本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ部２は制御部４によって昇圧動作および降圧動作のいずれも可能であるから、直流電源Ｅである自動車バッテリの電源電圧が１２Ｖの場合であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２を昇圧動作させ、自動車バッテリの電源電圧が２４Ｖや４８Ｖの場合であればＤＣ−ＤＣコンバータ部２を降圧動作させることにより、直流電源Ｅの電源電圧にかかわらずＬＥＤ負荷部３を定電流駆動することができる。

このような構成で、ＬＥＤ負荷部３への一時的な断線などで電源供給側の出力が無負荷時状態になった場合には、図５に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇するのを、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力部に並列接続された電圧クランプ部５が動作することで、異常電圧を抑止している。

この電圧クランプ部５の具体的な実施形態の構成としては、所定の電圧以上でオンするツェナーダイオードＺＤ１と、電圧抑制用の充電コンデンサＣ４と、過充電防止用の放電抵抗Ｒ４とで構成される電圧抑制回路において、例えば、ツェナーダイオードＺＤ１のオンするツェナー電圧をＶｚ＝２７Ｖ程度に設定することにより、ＬＥＤ負荷部３への一時的な断線などで電源供給側の出力が急に上昇した場合においても、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｚ＝２７Ｖ程度にクランプされる。

これを超えるような電圧エネルギーは、ツェナーダイオードＺＤ１を介して、電圧抑制用の充電コンデンサＣ４にチャージされる。断線状態が解消されて、再びＬＥＤ負荷部３へ接続された場合にもＤＣ−ＤＣコンバータ部２の出力電圧Ｖｏｕｔは、図５に示すように、十分に異常電圧が抑制されているため、図６の従来例に比べてＬＥＤ負荷部３への過電流を防止できる。

本発明による効果としては、特許文献２の技術と比べると定常時の損失低減やコスト抑制を図ることができる。また、特許文献１，３の技術と比べると、ＤＣ／ＤＣコンバータ部の出力電圧の上昇を検出してから制御回路が応答するまでの遅延時間があっても、電圧クランプ部によりＬＥＤ負荷への印加電圧の上限は規制されるから、負荷異常モードへの素早い応答が可能となり、ＤＣ−ＤＣコンバータ部のコンデンサの容量を低減可能で、小型化に寄与する。

なお、本実施形態では、電圧クランプ部の構成として、ツェナーダイオードを例に挙げたが、別の電圧検出素子とスイッチング素子との組み合わせでも良く、同様の機能があれば構成は限定しない。

（実施形態２）
図２に本発明の実施形態２を示す。図１との主たる違いは、電圧クランプ部５において、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーを１次側に回生させる回路を有することである。ＬＥＤ負荷部３との電気的接続部が、例えば１ｍｓｅｃ以上もオープンになる可能性がある、ばね押さえなどの接続構造の場合には、電圧クランプ部５において蓄積されるエネルギーも増加するため、放電用抵抗Ｒ４で処理するには損失が多すぎる。そこで、図２に示すように、ダイオードＤ２を介して１次側へエネルギーを回生する回路を設けることで、回路損失の抑制が可能となる。また、回路損失が少なくなることで、エネルギー蓄積用のコンデンサＣ４や放電用抵抗Ｒ４等の部品の小型化、低コスト化を実現できる。

なお、図２の構成では、コンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーを１次側に回生させているが、コンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーは所定値以下の低い電圧として負荷側に回生させても良い。

（実施形態３）
図３に本発明の実施形態３を示す。図１との主たる違いは、電圧クランプ部５において、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサＣ４に蓄積されたエネルギーを制御用電源回路４７に回生させる回路を有することである。ＬＥＤ負荷部３との電気的接続部が例えば１ｍｓｅｃ以上もオープンになる可能性がある、ばね押さえなどの接続構造の場合には、電圧クランプ部５において蓄積するエネルギーも増加するため、放電用抵抗Ｒ４で処理するには損失が多すぎる。そこで、図３に示すように、ダイオードＤ２を介してエネルギーを制御用電源回路４７へ回生する回路を設けることで、回路損失の抑制が可能となる。また、回路損失が少なくなることで、エネルギー蓄積用のコンデンサＣ４や放電用抵抗Ｒ４等の部品の小型化、低コスト化を実現できる。

ここで、制御用電源回路４７は、入力部にサージ電圧を受け止めるための入力コンデンサを備え、出力部に安定な制御電源電圧を出力するための出力コンデンサを備え、入力コンデンサと出力コンデンサの間に、電圧安定化のための三端子レギュレータＩＣを備えているものとする。制御用電源回路４７は、制御部４の動作電源を供給するものである。特に、自動車用電源に接続される制御用電源回路４７の入力は、各種の異常サージ電圧が印加された場合を想定した高い耐圧部品をもともと使用しているため、２次側の異常サージ電圧をクランプした電圧が回生されても問題がなく、電圧クランプ部５のコンデンサＣ４や抵抗Ｒ４等の部品形状の小型化が可能になる。

（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４の車両用照明装置の概略構成図である。図中、５０はヘッドランプ、５１は光学ユニット、５２は放熱板、５３は光源ユニット固定用治具、５４は出力線、５５は電源装置、５６は入力線である。光学ユニット５１の後方に配置されたＬＥＤモジュール３０は、図１〜図３のＬＥＤ負荷部３を含み、出力線５４を介して電源装置５５に接続されている。電源装置５５には、図１〜図３の入力フィルタ部１、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２、制御部４及び電圧クランプ部５が収納されている。バッテリのような直流電源と電源装置５５は入力線５６により接続されている。出力線５４の途中には、図１〜図３の出力端子Ａ，Ｂが介在しており、車両の振動等により一時的に接続が遮断されることがあるが、電源装置５５の出力端に並列に接続された電圧クランプ部５により出力電圧の異常上昇は抑制されるので、接続が回復した後、ＬＥＤモジュール３０のＬＥＤ負荷部３に過電流が流れることはない。

本発明のＬＥＤ駆動装置は、特に車両用照明装置に適しており、上述のようなヘッドランプのほか、ルームランプのような車室内用照明装置やテールランプ、車幅灯、ブレーキランプのような車外灯照明装置に用いられるが、車両用以外の一般用途の照明器具に用いても構わない。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態４の車両用照明装置の概略構成図である。 本発明の動作説明のための波形図である。 従来例の動作説明のための波形図である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
１ 入力フィルタ部
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
３ ＬＥＤ負荷部
４ 制御部
５ 電圧クランプ部

Claims (5)

1. 直流電源の電源電圧から負荷であるＬＥＤを駆動するために必要な直流電圧に昇圧または降圧させる機能を有するＤＣ／ＤＣ変換回路と、その出力端に接続されるＬＥＤ負荷とで構成されるＬＥＤ駆動装置において、ＬＥＤ負荷とＤＣ／ＤＣ変換回路の電気的接続が一時的に失われた場合に異常電圧を抑制するための電圧抑制回路がＤＣ／ＤＣ変換回路の出力部に並列接続されていることを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
2. 請求項１において、前記電圧抑制回路として、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサと、このコンデンサに蓄積されたエネルギーを回生させる回路とを有することを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
3. 請求項２において、前記コンデンサに蓄積されたエネルギーの回生先を制御用電源の入力コンデンサとしたことを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
4. 請求項１において、前記電圧抑制回路として、異常電圧を一時的に蓄積するコンデンサと、異常電圧の印加後に前記コンデンサに蓄積されたエネルギーを所定値以下の低い電圧で負荷側に回生させる回路とを有することを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ駆動装置を有する車両用照明装置。

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