JP2009502029A - 簡略化した発光ダイオード（ｌｅｄ）ヒステリシス電流制御装置 - Google Patents

Abstract

直列に接続した１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを通過する電流のヒステリシス制御を行うデバイス及び方法を提供する。ＬＥＤ電流制御デバイス（１００）は、電流検知エレメント（２０）に電気的に接続されている１つ以上のＬＥＤ（１０）のアレイを含む。電流検知エレメントが生成する検知信号を、シングル・エンド増幅器（３０）によって増幅し、切り換えコントローラ（４０及び５０）に送ることができる。切り換えコントローラは、スイッチング・エレメント（６０）を制御してオン及びオフにすることにより、増幅検知信号に対してヒステリシス制御を実行することができる。スイッチング・エレメントのオン及びオフ状態では、それぞれ、ＬＥＤアレイの外部電源（ＶＥＸＴ）が動作可能及び動作不能となる。このようにして、ＬＥＤを通過する電流に対してヒステリシス制御を実行することができる。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）における電流の規制に関し、更に特定すれば、簡略化した電流検知増幅器を用いてＬＥＤにおける電流を検知し、ヒステリシス制御を行うことに関する。
なお、本出願は、２００５年３月１日に出願した"LIGHT EMITTING DIODE (LED) HYESTERETIC CURRENT CONTROLLER"（発光ダイオード（ＬＥＤ）ヒステリシス電流制御装置）と題する同時係属中の米国特許出願第１１／０６９，２９８号に関連がある。その内容全体は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。

現在、外部電圧源によるＬＥＤの給電をオン及びオフに切り換えるためにトランジスタを利用して、大電力発光ダイオード（ＬＥＤ）における電流を規制するシステムが存在する。このようなシステムは、検知抵抗器を利用しており、検知抵抗器がオンに切り替わっている間電流を検知するために用いることができる。検知電流がある閾値に達すると、外部電源からのＬＥＤへの給電を所定時間期間だけオフに切り換え、その間電流は検知されない。この所定期間の後、トランジスタをサ再度オンにする。このオン及びオフ切り換えプロセスを、ＬＥＤの動作中繰り返す。

しかしながら、このようなＬＥＤ電流規制システムでは、検知抵抗器は平均電流の非常に高精度な尺度を提供することができない。また、これらのシステムでは、ＬＥＤの電力をオフに切り換えてから再度オンに戻すまでの時間期間は、ユーザが決定する切り換え頻度に基づいて決定されるのであり、検知電流に基づくのではない。このため、これらのシステムは、ＬＥＤを通過する平均又は二乗平均（ＲＭＳ）電流を正確に制御することができない。
本発明の実施形態例は、直列に接続した１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを通過する電流のヒステリシス制御を行うデバイス及び方法を提供する。

実施形態の一例によれば、本発明のデバイスは、アレイを通過する電流のヒステリシス制御を行うために、ＬＥＤアレイの電源のオン及びオフ切り換えを実行する。切り換えコントローラを電流制御デバイス内に実装し、電源とＬＥＤアレイとの間に配したトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴスイッチ）のオン及びオフ切り換えを制御することができる。
ヒステリシスを用いてＬＥＤを通過する電流を制御するために、ＬＥＤを電流検知エレメントに接続することができる。電流検知エレメントは、「オン」及び「オフ」切り換え状態双方の間におけるＬＥＤ内の電流を示す信号を生成する。

実施形態の一例では、電流検知エレメントは、ＬＥＤアレイを通過する電流の効率的でしかも高精度の測定値を確保するために、少量の電力のみを消費するように設計されている。したがって、電流検知エレメントが生成する信号（「検知信号」）を適したレベルまで増幅してから、切り換えコントローラに送ることができる。

電流検知エレメントは、抵抗器（「検知抵抗器」）とするとよく、そのオーム値は、当該抵抗器間の電圧が小さく、殆ど電力を消費しないように設計する。検知抵抗器の一端は、ＬＥＤアレイに接続することができ、一方他端は電気的に接地する。ＬＥＤアレイに接続されている検知抵抗器の端部における電圧は、アレイ内における電流量を示す検知信号として用いることができる。この「検知電圧」をシングル・エンド増幅器に入力して、増幅検知電圧を発生し、これを切り換えコントローラに送ることができる。つまり、ＬＥＤアレイの電源をオン及びオフに切り換えるために、増幅した検知電流に対してヒステリシス制御を行うことができる。

実施形態の一例によれば、切り換えコントローラは、増幅検知電圧を、上限及び下限電圧閾値（「トリップ・レベル」）から成る「ウィンドウ」と比較するように設計したウィンドウ比較器を含むことができる。ヒステリシス制御は、増幅検知信号が上限トリップ・レベルに達したときにＬＥＤへの外部電力をオフに切り換え、増幅検知信号が下限トリップ・レベルに減少したときに外部電力をオンに切り換えることによって実行することができる。

ＬＥＤアレイは、エネルギ蓄積エレメントに接続することもできる。エネルギ蓄積エレメントは、切り換えが「オン」状態にある間過剰なエネルギを蓄積する。つまり、「オン」状態にある間、アレイを通過する電流は徐々に増大する、即ち「ランプ・アップ」(ramp up)する。「オフ」切り換え状態の間、この過剰エネルギはＬＥＤにおいて消散され、電流が徐々に減少する、即ち、「ランプ・ダウン」(ramp down)するようにすることができる。実施形態の一例では、この蓄積エレメントはインダクタである。

本発明の適用可能性範囲内における更に別の態様は、以下に提示する詳細異な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明及びその中にある具体的な実施形態は、本発明の実施形態例を開示するものの、例示の目的で提示するに過ぎないことは言うまでもない。
また、添付図面と関連付けた以下の説明から、本発明の理解が一層完全に近づくことは明らかであろう。

本発明は、直列に接続した１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを通過する電流を制御するデバイス及び方法に関する。
図１は、実施形態の一例にしたがって、ヒステリシスを用いてＬＥＤ電流を制御するデバイス１００のブロック図を示している。このデバイス１００は、ここでは、「ＬＥＤ電流制御デバイス」とも呼ぶことにする。図１は、電源Ｖ_ＥＸＴと、直接に接続した１つ以上のＬＥＤを備えているＬＥＤアレイ１０とを示す。また、図１は、スイッチング・エレメント６０と、電源Ｖ_ＥＸＴ及びＬＥＤアレイ１０間に配置されたエネルギ蓄積エレメント７０（「蓄積エレメント」）も示す。

図２に示すように、ＬＥＤアレイ１０は、ＬＥＤアレイ１０の最初のＬＥＤのアノード（「アノード端」）を蓄積エレメント７０に接続するように構成される。ＬＥＤアレイ１０の最後のＬＥＤのカソード（「カソード端」）は、電流検知エレメント２０の一端に接続されており、電流検知エレメント２０の他端は電気的に接地される。
実施形態の一例では、ＬＥＤアレイ１０は３つのアレイを含む（図２に示す通りである）。しかしながら、ＬＥＤの数は、２つ又は１つに減らすこともできる。あるいは、ＬＥＤアレイは、３つよりも多いＬＥＤを内蔵することもできる。実施形態例によれば、ＬＥＤは、白、赤、又はその他の色とすることができる。
図１及び図２に示す実施形態によれば、ＬＥＤアレイ１０は、直接に接続した４つまでの白色ＬＥＤ、又は８つまでの赤色ＬＥＤを内蔵することができる。

図１を参照すると、電流検知エレメント２０は、ＬＥＤアレイ１０における各ＬＥＤを通過する電流を示す信号を生成するように構成されている。図１に示すように、この信号（「検知信号」）は、シングル・エンド増幅器３０に出力される。
実施形態の一例によれば、図２に示すように、電流検知エレメントは、抵抗器Ｒｓ（［検知抵抗器］）で構成される。抵抗器Ｒｓは、一端が電気的に接地されており、他端がＬＥＤアレイ１０のアノード端及びシングル・エンド増幅器３０の入力の双方に電気的に接続されている。接地を基準として、シングル・エンド増幅器３０に接続されている検知抵抗器Ｒ２の時点における電圧を、検知信号として用いることができる。したがって、シングル・エンド増幅器３０は、この接続点と接地との間の電圧を増幅して、「増幅検知信号」を生成する。

図１及び図２に示すように、スイッチング・エレメント６０の一端子とＬＥＤアレイ１０のカソード端との間に蓄積エレメント７０が配置されている。実施形態の一例では、蓄積エレメント７０は、図２に示すように、インダクタＬで構成することができる。
更に、図１はダイオードＤを示す。そのアノードはスイッチング・エレメント６０の一端子及び蓄積エレメント７０に共通接続されており、一方カソードは電気的に接地されている。

前述のように、電流検知エレメント２０が生成する検知信号はシングル・エンド増幅器３０（「検知信号増幅器」）に送られる。検知信号増幅器３０の出力、即ち、増幅検知信号は、ウィンドウ比較器４０に送られる。実施形態の一例によれば、検知信号増幅器３０は、図２に示すように、演算増幅器で構成することができる。

更に図１は、ウィンドウ比較器４０と、論理「ＮＡＮＤ」デバイス５０とを示す。これらを纏めて「切り換えコントローラ」と呼ぶことにする。ウィンドウ比較器は、検知信号増幅器３０から増幅検知信号を受け取り、この受け取った信号を上限及び下限電圧閾値（「上限及び下限トリップ・レベル」）Ｕ_ＴＨ及びＬ_ＴＨとそれぞれ比較する。図１では、論理ＮＡＮＤデバイス５０の１つの入力がウィンドウ比較器４０に接続されており、増幅検知信号に対して行われる比較動作の結果を受けるようにしている。論理ＮＡＮＤデバイス５０の別の入力は、外部から印加されるＥＮＡＢＬＥ信（イネーブル）号を受け取るように接続されている。ウィンドウ比較器４０の出力及びＥＮＡＢＬＥ信号双方は、論理「高」又は「低」レベルのいずれかを有するディジタル信号とすることができる。論理ＮＡＮＤデバイス５０は、ウィンドウ比較器４０の出力信号及びＥＮＡＢＬＥ信号の論理「ＮＡＮＤ」演算を実行するように構成されている。論理ＮＡＮＤデバイス５０の出力は、スイッチング・エレメント６０の「オン」及び「オフ」切り換えを制御するように、スイッチング・エレメント６０に接続されている。

図１を参照すると、前述のように、スイッチング・エレメント６０は論理「ＮＡＮＤ」デバイス５０の出力に接続されている。また、スイッチング・エレメント６０は、電源Ｖ_ＥＸＴに接続されている端子と、蓄積エレメント７０（及びダイオードＤのカソード）に接続されている別の端子とを含む。

実施形態の一例によれば、スイッチング・エレメント６０は、その「オン」状態において、電源Ｖ_ＥＸＴをＬＥＤアレイ１０に電気的に接続する（蓄積エレメント７０を経由して）ように構成されたトランジスタである。したがって、スイッチング・エレメント６０が「オン」状態になると、電源Ｖ_ＥＸＴから蓄積エレメント７０、ＬＥＤアレイ１０、及び電流検知エレメント２０を通って接地まで電流が流れる電気経路が設けられる。「オン」状態の間、ダイオードＤは、アノードに印加される電圧によって、逆バイアスされている。

この実施形態では、トランジスタ６０が「オフ」状態になると、蓄積エレメント７０からの電流によりダイオードＤに順バイアスがかかる。つまり、蓄積エレメント７０からＬＥＤアレイ１０及び電流検知エレメント２０を通って接地まで、更に接地からダイオードＤを通って蓄積エレメント７０に戻る、電流の電気経路が形成される。

以下に、図１及び図２と関連付けて、ＬＥＤ電流制御デバイス１００の実施形態例の動作原理について説明する。ない、図２は、図１に示したＬＥＤ電流制御デバイス１００の具体的な実施形態の一例を示すために提示されている。尚、図２は例示の目的のためだけに提示するのであって、ここに示す特定の実施形態例や以下で説明する特定の実施形態例のいずれにも本発明を限定することを意図するのではない。

実施形態の一例によれば、１５ボルト（Ｖ）の電圧を供給するように電源Ｖ_ＥＸＴを設定するとよい。このような実施形態では、ＬＥＤアレイ１０は、図２に示すように、直列に接続した３つまでのＬＥＤを備えることができる。ＬＥＤ集合１０の中に設けるＬＥＤが３つ未満である状況では、オン及びオフ切り換えの頻度、つまりＬＥＤ集合１０を通過する電流の周波数が上昇する。

したがって、３つのＬＥＤを利用する実施形態と比較して、ＬＥＤアレイ１０内に設けるＬＥＤが１つ又は２つであるという状況では、ＬＥＤ電流制御デバイス１００におけるある種の成分値を調整する必要がある場合もある。例えば、蓄積エレメント７０をインダクタで構成する場合、用いるＬＥＤが３つ未満のときに生ずる周波数上昇に対処するために、インダクタンス値を大きくする必要がある場合もある。また、例えば、図２の実施形態における抵抗値Ｒ_Ｃ１〜Ｒ_Ｃ４の内１つ以上を調節することによって、ウィンドウ比較器４０のトリップ・レベルを調節することが必要となる場合もある。

別の実施形態の一例によれば、３つよりも多いＬＥＤをＬＥＤ集合１０に含ませてもよい。具体的には、ＬＥＤアレイ１０に４つまでの白色ＬＥＤを利用してもよいことを想定している。また、ＬＥＤアレイ１０が８つまでの赤色ＬＥＤを内蔵してもよいことも想定している。しかしながら、図２に示す実施形態は、ＬＥＤアレイ１０を駆動するためにＭＯＳＦＥＴスイッチ６０を使用することを例示している。このような実施形態では、電源の上限値を１８Ｖに実質的に制限する。このような実施形態によれば、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、ＬＥＤアレイ１０内部に４つよりも多い白色ＬＥＤ、又は８つよりも多い赤色ＬＥＤがある場合には、サポートできる可能性が低くなる。

以上では白色及び赤色ＬＥＤについて論じたが、ＬＥＤアレイ１０は、他の色のＬＥＤ、又は不可視ＬＥＤ（例えば、赤外線又は紫外線ＬＥＤ）を含むこともできる。異なる色のＬＥＤ又は不可視ＬＥＤを用いる別の実施形態では、異なる色のＬＥＤの異なる特性に基づいて成分設定値（例えば、インダクタの値）及び構成（例えば、ＬＥＤの数）を調整する必要がある場合もある。
尚、先に論じた要因に基づいて（例えば、ＬＥＤアレイ１０内にあるＬＥＤの数及び色に基づいて）、どのようにしてＬＥＤ電流制御デバイス１００における成分値を調整し、その構造的制限(limitations)を判断するかは、当業者には既に明らかなはずである。

電流検知エレメント２０は、ＬＥＤアレイ１０を通過する電流を「検知」するために用いられる。具体的には、電流検知エレメント２０は、ＬＥＤアレイ１０を通って電流検知エレメント２０に流れる電流量を示す検知信号を生成する。
実施形態の一例によれば、電流検知エレメント２０は、インピーダンス系素子（例えば、抵抗器）であり、検知信号は、電流検知エレメント２０のインピーダンスを通過する電流によって発生する電圧である。このような実施形態では、発生した電圧はＬＥＤアレイ１０における電流に実質的に比例する。

例えば、図２に示す実施形態例では、電流検知エレメント２０は、小型の抵抗器Ｒｓ（「検知抵抗器」）であり、検知抵抗器Ｒｓが発生する電圧（「検知電圧」）は、検知信号である。検知抵抗器Ｒｓは、小さい抵抗を有宇することによって、電力消費が少なくなる（そして検知電圧も低くなる）ように設計するとよい。例えば、検知抵抗器Ｒｓは、実質的に０．１０〜１．０オームの範囲の抵抗を有するとよい。したがって、検知抵抗器Ｒｓが生成する検知電圧は、ＬＥＤアレイ１０のＬＥＤの各々における電流を反映する。
ＬＥＤ電流制御デバイス１００について説明する場合、一般的に電流検知エレメントを言及するときには参照番号「２０」を用い、具体的に検知抵抗器を言及するときには参照記号「Ｒｓ」を用いる。

電流検知エレメント２０が生成する検知信号は、検知信号増幅器３０によって増幅する。例えば、図２に示す実施形態例では、演算増幅回路を用いて、シングル・エンド検知信号増幅器３０を用いることができる。演算増幅回路は、検知電圧を受け取って増幅するように接続されている。図２に示す演算増幅回路３０のような、シングル・エンド型増幅器の使用は、差動型増幅器（例えば、計装増幅器）を用いる回路よりも安価で簡単であるので有利である。

演算増幅器（例えば、図２における）を利用する実施形態例によれば、抵抗器Ｒ_Ａ１及びＲ_Ａ２を、検知信号増幅器３０の利得を設定するために用いる。図２に示すように、演算増幅器は、以下の式にしたがって利得を設定することができる、単純な非反転増幅器として構成することができる。
［数１］
利得＝（Ｒ_Ａ１＋Ｒ_Ａ２）／Ｒ_Ａ２ （１）
実施形態の一例によれば、検知信号増幅器３０の利得は、Ｒ_Ａ１＝２０．０ｋオーム及びＲ_Ａ２＝１．０ｋオームの抵抗値を用いることによって、実質的に２１に設定することができる。しかしながら、代替実施形態例では、検知信号増幅器３０の利得は、必要に応じて、増大又は減少させることができる。

図２における実施形態例は非反転演算増幅回路の実施態様を示すが、このような実施態様は本発明を限定とするものではない。本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、他の形式のシングル・エンド増幅回路を用いてもよいことは、当業者には認められるであろう。このような他の形式の増幅回路は、前述の増幅回路と同様に、調節可能な利得を用いて構成することもできる。

実施形態の一例によれば、検知信号増幅器３０は、１Ｖ＝１００ミリアンペア（mAmp）の近似スケールにしたがって、検知抵抗器Ｒｓの検知電圧を増幅するように設計されている。このようなスケールを実現するには、検知信号増幅既３０の利得を約２０に設定する場合（即ち、Ｒ_Ａ１＝２０．０ｋオーム及びＲ_Ａ２＝１．０ｋオームを用いることによって２１に設定する）、検知抵抗器Ｒｓの抵抗をＲｓ＝０．４９９オームに設定すればよい。

図１及び図２に示すように、増幅検知信号は切り換えコントローラに送られる。図１に示すように、切り換えコントローラは、ウィンドウ比較器４０と、論理ＮＡＮＤデバイス５０とを含む。実施形態例では、切り換えコントローラは、スイッチング・エレメント６０のオン及びオフ切り換えを制御するために（以下で更に詳しく説明するように）、増幅検知信号に対してヒステリシス制御を行う（したがって、ＬＥＤアレイ１０を通過する電流に対してヒステリシス制御を行う）。

図２に示す実施形態例によれば、増幅検知信号（即ち、増幅検知電圧）は、ウィンドウ比較器４０によって受け取られる。ウィンドウ比較器４０は、受け取った増幅検知電圧を上限及び下限電圧閾値（上限及び下限トリップ・レベル）Ｕ_ＴＨ及びＬ_ＴＨと比較するように設計されている。実施形態の一例によれば、ウィンドウ比較器４０は、ヒステリシスを有する反転比較器として構成されている。言い換えると、受け取った増幅検知電圧が上限トリップ・レベルＵ_ＴＨよりも高い場合、ウィンドウ比較器４０の出力は低論理・レベルに移行する。増幅検知電圧が下限トリップ・レベルＬ_ＴＨよりも低い場合、ウィンドウ比較器４０の出力は高論理レベルに移行する。

実施形態の一例によれば、図２に示すように、ウィンドウ比較器４０は、７２３５型比較器ＩＣを用いて実施することができる。このような実施形態では、上限及び下限トリップＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨを設定するために、抵抗器を用いることができる。図２に示す特定的な実施形態では、抵抗器Ｒ_Ｃ１、Ｒ_ｃ２、Ｒ_ｃ３、及びＲ_Ｃ４を用いて、上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨを設定する。
例えば、ＬＥＤアレイ１０における電流を４００mAmp〜１００mAmpの間に維持するように、切り換えコントローラによってヒステリシス制御を実行する場合を考える。１Ｖ＝１００mAmpを用いて増幅検知電圧を生成すると（前述のように）、上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨはそれぞれ、４Ｖ及び１Ｖに設定することができる。

前述の例によれば、ウィンドウ比較器４０を以下のように構成することができる。７３２５比較器（例えば、図２における）の電源電圧Ｖ_ＣＣを５Ｖに設定することができる。上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨを設定するために、以下の抵抗値を用いることができる。すなわち、Ｒ_Ｃ１＝２．０ｋオーム、Ｒ_ｃ２＝１．０ｋオーム、Ｒ_ｃ３＝３．４８ｋオーム、及びＲ_Ｃ４＝６．４９ｋオームである。他の回路構成は、図２に示すものと同様である。

増幅検知電圧に対して別の電流対電圧スケールを実現するため、又はＬＥＤ集合１０における電流に対して代わりのヒステリシス範囲を実施するためには、Ｒ_Ｃ１、Ｒ_ｃ２、Ｒ_ｃ３、及びＲ_Ｃ４のしかるべき値をどのように決定すればよいかは、当業者には明白であろう。例えば、上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨは、特定の二乗平均（ＲＭＳ）電流又は平均電流がＬＥＤアレイ１０を通過するように、設定すればよい。

図２における実施形態は７２３５型比較器の実施態様を示すが、このような実施態様は本発明を限定するものではない。本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、他の種類の比較回路又はＩＣもウィンドウ比較器４０として用いてもよいことは、当業者には明らかであろう。また、ウィンドウ比較器４０は異なる一般的な回路構成（例えば、以下で図５に示すような）を利用可能であることも当業者には明らかであろう。

図１及び図２における切り換えコントローラを参照すると、外部から印加するＥＮＡＢＬＥ信号の使用によって、ＬＥＤアレイ１０の外部制御を設けるために、論理ＮＡＮＤデバイス５０を実装する。例えば、ＥＮＡＢＬＥ信号が低論理状態にあるとき、ウィンドウ比較器５０からの信号出力には関係なく、スイッチング・エレメント７０をオフにする。
図２に示す実施形態例によれば、論理ＮＡＮＤデバイス５０は、反転ドライバに出力が接続されている論理ＡＮＤゲートを用いて実装することができる。しかしながら、この構成は単に例示のために提示するに過ぎず、他の構成（例えば、二重入力反転ドライバを用いる）を用いてもよい。

論理ＮＡＮＤデバイス５０の使用により、パルス幅変調（ＰＷＭ）調光を実施するためにＥＮＡＢＬＥ信号を用いることが可能になる。例えば、ＰＷＭ調光は、例えば、当業者には容易に明白なようなやり方で高及び低論理レベル間でＥＮＡＢＬＥを切り換えることによって、外部で行うことができる。また、外部ＥＮＡＢＬＥ信号は、単に、ＬＥＤアレイ１０の「オン／オフ」スイッチとして用いることもできる。

論理ＮＡＮＤデバイス５０の出力は、スイッチング・エレメント６０をオン及びオフにするために用いられる。実施形態の一例によれば、図２に示すように、スイッチング・エレメント６０としてＭＯＳＦＥＴスイッチを用いることができる。このような実施形態では、ＭＯＳＦＥＴスイッチ７０のゲートを切り換えコントローラの出力を受け取るように接続することができる。ＭＯＳＦＥＴスイッチ６０のドレインは、電源Ｖ_ＥＸＴを受け取るように接続されることができ、一方ＭＯＳＦＥＴスイッチ６０のソースはダイオードＤのカソード及び蓄積エレメント７０（例えば、インダクタＬ）に共通接続される。

以下に、実施形態の一例にしたがってスイッチング・エレメント６０をオフ状態からオン状態に切り換える際のＬＥＤ電流制御デバイス１００の動作について説明する。
スイッチング・エレメント６０は、２つの状態を満足するとき、即ち、（１）増幅検知信号がウィンドウ比較器４０において下限トリップ・レベルＬ_ＴＨよりも低く、（２）ＥＮＡＢＬＥが高レベルに設定されているときに、オン状態に切り換えられる。これにより、スイッチング・エレメント６０は、ダイオードＤに逆バイアスをかけてダイオードＤを遮断する。電源Ｖ_ＥＸＴは、ＬＥＤアレイ１０におけるＬＥＤの各々に電力を印加する。したがって、Ｖ_ＥＸＴから蓄積エレメント７０、ＬＥＤアレイ１０、及び電流検知エレメント２０（例えば検知抵抗器Ｒｓ）を通って接地まで（更に、電源Ｖ_ＥＸＴに戻る）の電気経路を、電流が流れる。

電流がこのように流れると、蓄積エレメント７０は過剰エネルギを蓄積するために、流れる電流が線形に増大する、即ち、「ランプ・アップ」する。これに応じて、スイッチング・エレメント６０がオンになっている間は、ＬＥＤアレイ１０を通過する電流がランプ・アップする。実施形態の一例によれば、蓄積エレメント６０は、図２に示すように、インダクタＬである。

次に、実施形態の一例にしたがって、スイッチング・エレメント６０をオンからオフに切り換える際のＬＥＤ電流制御デバイス１００の動作について説明する。
スイッチング・エレメント６０は、ウィンドウ比較器４０において増幅検知信号が上限トリップ・レベルＵ_ＴＨを超えて上昇したとき、又はＥＮＡＢＬＥ信号が低レベルに移行したときにオフに切り替わる。

増幅検知信号が上限トリップ・レベルＵ_ＴＨを超えて上昇したことに応答して、スイッチング・エレメント６０をオンからオフに切り換える状況を考える。電源Ｖ_ＥＸＴはスイッチング・エレメント６０によって遮断されているので、ＬＥＤアレイ１０に給電することができない。一方、ダイオードＤは順方向にバイアスがかけられる。

これが生ずると、電流はＬＥＤアレイ１０を通過し続ける。スイッチング・エレメント６０がオンであった間に蓄積エレメント７０に蓄積された過剰エネルギが、ここでＬＥＤアレイ１０及び電流検知エレメント２０を通って接地に消散される。接地から、電流は、順方向バイアスされたダイオードＤを通って流れ、蓄積エレメント７０に戻ってくる。ＬＥＤアレイ１０及び電流検知エレメント２０を通過する電流は、増幅検知信号が下限トリップ・レベルＬ_ＴＨに達するまで、線形に減少する、即ち、「ランプ・ダウン」する。増幅検知信号がトリップ・レベルＬ_ＴＨに到達した後（ＥＮＡＢＬＥ信号が低レベルになければ）、スイッチング・エレメント６０を再度オンにする。

即ち、図２の実施形態例では、ＭＯＳＦＥＴ６０をオフに切り換えると、インダクタＬが極性を切り換え、演算増幅器から出力される増幅検知電圧が下限トリップ・レベルＬ_ＴＨに達し、ＭＯＳＦＥＴスイッチ６０がオンになるまで（ＥＮＡＢＬＥは高であると仮定する）ＬＥＤ１０及び検知抵抗器Ｒｓを通過する電流をランプ・ダウンさせる。

切り換えコントローラは、その出力を高及び低論理レベル間で切り換え続けることによって、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、ＬＥＤアレイ１０内の電流がランプ・アップする（オン状態）動作モードと、ランプ・ダウンする（オフ状態）動作モードとの間で切り替わる。このように、ＬＥＤアレイ１０における１つ以上のＬＥＤを通過する電流に対して、切り換えコントローラによってヒステリシス制御が行われる。

図２に示す具体的な実施形態例によれば、シングル・エンド増幅器３０がＬＥＤアレイ１０を通過する電流の高精度な表現を維持できない程に切り換え頻度が高くならないことを確保するインダクタンス値のインダクタＬを実装するとよい。頻度をしかるべきレベルに維持することを確保するためには、ＬＥＤアレイ１０におけるＬＥＤの数及び種類、又は電源Ｖ_ＥＸＴの電圧レベルの変動に基づいて、インダクタＬのインダクタンスを調整するとよい。尚、このような要因に基づいてインダクタＬのインダクタンス値をどのように設定するかは、当業者には容易に理解できるであろう。

図２に示すように、ＬＥＤ電流デバイス１００は、ＬＥＤ電流制御デバイス１００の安定した動作を確保するために、その他の様々な素子（例えば、キャパシタ及び抵抗器）を含むことができる。しかしながら、図２は、例示の目的のためだけに提示したのであり、本発明に対する限定を意図するのではない。図１及び図２に示すエレメント及び回路構成についての具体的な実施態様及び変形は、本発明の範囲に含まれるものとする。これは、当業者には容易に想起されるはずである。

例えば、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、ウィンドウ比較器４０においてトリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨの動的な調節に対処にするように変更することもできることは、当業者には容易に分かるであろう。このような修正は、図２に示すウィンドウ比較器４０の抵抗網（Ｒ_Ｃ１、Ｒ_ｃ２、Ｒ_ｃ３、及びＲ_Ｃ４）における１つ以上のレオスタットの実装を含むことができる。
別の実施形態例によれば、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨの動的な調節を行うように変更することができる。図５Ａ及び図５Ｂは、このような動的な調節を行う代替実施形態を示す。

図５Ａは、ＬＥＤ電流制御デバイス１００におけるウィンドウ比較器４０Ａの代替実施形態の一例を示す。具体的には、ウィンドウ比較器４０Ａは、上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨにそれぞれ対応するディジタル値Ｕ_Ｄ及びＬ_Ｄを出力するディジタル・コントローラ４１０を含む。例えば、ディジタル・コントローラ４１０はマイクロプロセッサに基づくデバイスを含むことができ、ＬＥＤアレイ１０を通過する電流の平均及びＲＭＳ地をユーザが入力及び調節することを可能にする。入力された値に基づいて、ディジタル・コントローラ４１０は、必要な値をＵ_Ｄ及びＬ_Ｄに計算するように構成することができる。

図５Ａを参照すると、ディジタル・コントローラ４１０はディジタル値Ｕ_Ｄ及びＬ_Ｄをそれぞれディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）に出力する。ＤＡＣ４２０Ａ及び４２０Ｂはそれぞれの値Ｕ_Ｄ及びＬ_Ｄを上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨにそれぞれ変換する。上限及び下限トリップ・レベルはマルチプレクサ４３０に送られる。ヒステリシス制御の電流状態に基づいて（即ち、増幅検知電流がランプ・アップしているのか又はランプ・ダウンしているのかに基づいて）、比較器４４０に印加するのに適したトリップ電圧Ｕ_ＴＨ又はＬ_ＴＨを選択するように、マルチプレクサ４３０をプログラムすることができる。具体的には、比較器４４０の出力を、Ｕ_ＴＨ又はＬ_ＴＨのどちらを出力すべきか選択する制御信号として用いることができる。
図５Ａにおいて、比較器４４０は、任意の種類の比較器ＩＣ又はデバイスを用いて実現することができる。これは、当業者には自明であろう。比較器４４０は、検知信号増幅器３０からの増幅検知信号を、マルチプレクサ４３０から出力されたトリップ・レベル（Ｕ_ＴＨ又はＬ_ＴＨ）と比較する。

比較器４４０は、ヒステリシスを有する反転比較器として構成することができる。増幅検知信号がランプ・ダウンしているとき、増幅検知信号を下限トリップ・レベルＬ_ＴＨと比較する。比較器４４０の出力は、増幅検知信号が下限閾値に達するまで低レベルである。下限閾値に達した時点で、比較器４４０は高レベルを出力する。比較器の高レベル出力によって、マルチプレクサ４３０は上限トリップ・レベルＵ_ＴＨを比較器４４０に出力する。したがって、増大する増幅検知信号がＵ_ＴＨと比較され、比較器４４０の出力は、Ｕ_ＴＨに達するまで、高レベルに留まる。増幅検知信号がＵ_ＴＨに達すると、比較器４４０は低信号を出力する。これによって、マルチプレクサは、減少しつつある増幅検知信号との比較等のために、下限トリップ・レベルＬ_ＴＨを比較器４４０に出力する。
図５Ａを参照すると、比較器４４０の出力は論理ＮＡＮＤデバイス５０に送られ、回路１００の残りの部分は、図１に関して先に説明したように動作する。

図５Ｂは、トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨを動的に調節する別の実施形態の一例を示す。具体的には、図５Ｂは、ＬＥＤ電流制御デバイス１００における切り換えコントローラの構成が図１に示したもとのは異なる代替実施形態を示す。
具体的には、図５Ｂの切り換えコントローラは、増幅検知信号を受ける高速ディジタル−アナログ変換器（ＡＤＣ）８０を含む。高速ＡＤＣ８０の出力は、ディジタル・コントローラ９０に接続されている。ディジタル・コントローラ９０の出力は、スイッチング・エレメント６０に接続されている。ディジタル・コントローラ９０は、例えば、所望の平均／ＲＭＳ電流に関するユーザの入力を受け取るために、マイクロプロセッサに基づくデバイスを備えることができる。

図１及び図５Ｂにおいて、同様の要素には同様の参照番号を付し、これらは図１に関して先に説明したのと同じ原理にしたがって動作する。
図５Ｂの実施形態では、ディジタル・コントローラ９０は、図１のウィンドウ比較器４０及び論理ＮＡＮＤデバイス５０の双方の機能を実行する。ディジタル・コントローラ９０は、ユーザの入力（例えば、ＬＥＤアレイ１０の平均又はＲＭＳ電流レベル）に基づいて、上限及び下限トリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨを調節することができるとよい。実施形態の一例では、ディジタル・コントローラ９０は、Ｕ_ＴＨ及びＬ_ＴＨをそれぞれ格納するために内部レジスタを内蔵している。

図５Ｂにおいて、ディジタル・コントローラ９０は、増幅検知信号のヒステリシス制御を行うために、高速ＡＤＣ８０の出力を連続的にトリップ・レベルＵ_ＴＨ及びＬ_ＴＨと比較するように構成することができる。更に、ディジタル・コントローラ９０は、比較結果（及びＥＮＡＢＬＥ信号の状態）に応じて、エレメント６０をオン及びオフにする信号を出力するように構成することができる。

次に、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４に関連付けて、実施形態例によるＬＥＤ電流制御デバイス１００の動作について説明する。図３Ａは、ＥＮＡＢＬＥ信号が低から高論理レベルに移行するときに、実施形態例にしたがってＬＥＤ電流を制御する動作を記述するフローチャートである。図３Ｂは、ＥＮＡＢＬＥ信号が高から低論理レベルに移行するときに、実施形態例にしたがってＬＥＤ電流を制御する動作を記述するフローチャートである。図４は、ＥＮＡＢＬＥ信号と関連がある種々の要素及び信号の動作を示すタイミング図である。

図４を参照すると、図４のＡはＥＮＡＢＬＥ信号を時間の関数として示す。図４の図Ｂは増幅検知信号（「ＳＳ」）を時間の関数として示し、ＬＥＤアレイ１０を通過する電流と実質的に比例する。図４のＣは、ウィンドウ比較器４０の出力の論理レベル（「ＣＯ」）を時間の関数として示す。図４のＤは、スイッチング・エレメント６０の状態（オン又はオフ）を時間の関数として示す。

図３Ａを参照すると、ブロックＳ１０に示すように、増幅検知信号ＳＳ及びウィンドウ比較器４０の出力ＣＯの初期値、ならびにスイッチング・エレメント７０の初期状態がある。即ち、増幅検知信号は、ＥＮＡＢＬＥ信号が初期状態では低レベルにあることから、実質的に０に等しく、電源Ｖ_ＥＸＴはＬＥＤアレイ１０に給電することができない。また、Ｓ１０に示すように、ウィンドウ比較器４０の出力ＣＯは、初期状態では高レベルとなっている。これは、増幅検知信号が下限トリップ・レベルＬ_ＴＨ未満であるからである。ウィンドウ比較器４０の出力ＣＯが高であっても、ＥＮＡＢＬＥ信号が低レベルにあるので、スイッチング・エレメント６０はオフ状態となっている。この初期状態は、図４における線図Ａ〜Ｄの最も左側の部分に示されている。

図３Ａにおいて、ブロックＳ２０は、ＥＮＡＢＬＥ信号が低レベルから高レベルに移行するステップを示す。ブロックＳ３０に示すように、論理ＮＡＮＤデバイス５０の出力（「ＬＮＯ」）は、ＥＮＡＢＬＥ信号の移行により、低レベル信号となる。したがって、Ｓ３０に示すように、スイッチング・エレメント６０はオンになる。これにより、Ｓ３０に示すように、ＬＥＤアレイ１０における電流及び増幅検知信号ＳＳがランプ・アップする。図４は、ＥＮＡＢＬＥ信号が低から高に移行したことに応答した、スイッチング・エレメント６０の状態変化、及び増幅検知信号ＳＳのランプ・アップを示す。

図３Ａに示すように、ブロックＳ３０は、切り換えコントローラによってヒステリシス切り換えが行われている間にＬＥＤ電流制御デバイス１００が切り換える２つの動作モードの内の１つを表す。ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、増幅検知信号が上限トリップ・レベルＵ_ＴＨに達するまでこのモードに留まり、上限トリップ・レベルＵ_ＴＨに達した時点で、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は他方の動作モードに切り替わる。この切り換えを図３Ａの判断ブロックＳ４０及びブロックＳ５０で示す。増幅検知信号ＳＳが上限トリップ・レベルＵ_ＴＨに達すると、ウィンドウ比較器４０の出力ＣＯが低となることにより、Ｓ５０に示すように、論理ＮＡＮＤデバイス５０は高信号を出力する。つまり、スイッチング・エレメント６０がオフとなり、Ｓ５０に示すように、ＬＥＤアレイ１０における電流及び増幅検知信号ＳＳはランプ・ダウンする。

図３Ａを参照すると、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、ブロックＳ５０に示すように、増幅検知信号ＳＳが下限トリップ・レベルＬ_ＴＨに低下するまで、ブロックＳ５０で表す動作モードに留まる。一端下限トリップ・レベルに達すると、切り換えコントローラのヒステリシス制御によって、Ｓ３０に応じてスイッチング・エレメント６０をオンにすることにより、ＬＥＤアレイ１０における電流を再度ランプ・アップさせる。

図４に示すように、ＬＥＤ電流制御デバイス１００は、ＬＥＤアレイ１０における電流及び増幅検知信号ＳＳがランプ・アップする（スイッチング・エレメント６０がオンになっている）動作モードと、ＬＥＤアレイ１０における電流及び増幅検知信号がランプ・ダウンする（スイッチング・エレメントがオフになっている）動作モードとが交互に生じる。このモード間の行き来（即ち、ヒステリシス制御）は、図４に示すように、ＥＮＡＢＬＥ信号が高レベルから低レベルに移行するまで継続する。図４のＢに示すように、増幅検知信号ＳＳ（したがって、ＬＥＤアレイ１０における電流レベル）は、鋸波状ランピング関数を近似する。

図３Ｂは、ＥＮＡＢＬＥ信号が高レベルから低レベルに変化することに応答した、ＬＥＤ電流制御デバイス１００の動作を示すフローチャートである。具体的には、ブロックＳ７０は、ＥＮＡＢＬＥ信号が高レベルにある間は、ヒステリシス切り換えが継続することを示す（図３ＡにおけるＳ３０〜Ｓ６０にしたがって）。ブロックＳ８０において、ＥＮＡＢＬＥ信号は高レベルから低レベルに移行する。

ＥＮＡＢＬＥ信号の移行の結果、図３ＢにおけるブロックＳ９０に示すように、以下のことが生ずる。論理ＮＡＮＤデバイス５０の出力ＬＮＯは、低レベルに変化する（現在高レベルにある場合）か、又は低レベルに留まる（現在低レベルにある場合）。つまり、スイッチング・エレメント６０はオフになる（現在オン状態にある場合）か、又はオフに留まる（現在オフ状態にある場合）。したがって、ＬＥＤアレイ１０における電流及び増幅検知信号ＳＳはいずれもランプ・ダウンし始めるか、又はランプ・ダウンし続ける。

図３Ｂにおいて、ブロックＳ９０は、ウィンドウ比較器４０の出力ＣＯに何が生ずるかも示している。ＥＮＡＢＬＥ信号が低に変化したときにウィンドウ比較器４０の出力が現在低レベルであるとすると、増幅検知信号ＳＳが下限トリップ・レベルＬ_ＴＨに達するので、出力ＣＯは高レベルに移行する。ＥＮＡＢＬＥが低になったときにウィンドウ比較器４０の出力ＣＯが既に高レベルにある場合、出力ＣＯは高に留まる。
図４におけるＡ〜Ｄの最も右側の部分は、図３ＢのブロックＳ９０に関連して先に述べた状況を示す。

本発明の実施形態例は、既存のシステムに対して、様々な面で進んでいる。例えば、実施形態の一例では、ＬＥＤの電源Ｖ_ＥＸＴがオン及びオフ双方の間に、各ＬＥＤを通過する電流を検知することができる。これによって、ヒステリシスを用いて電流を規制することが可能となる。このため、各ＬＥＤにおける電流を特定のＲＭＳ又は平均レベルに精度高く設定することが可能となる。また、外部信号（ＥＮＡＢＬＥ）を用いて、高精度ＰＷＭ制御を実施することもできる。
また、本発明の（例えば、図２に示すような）実施形態例は、ＬＥＤアレイ１０の中にあるＬＥＤの１つに短絡が発生しても、他のＬＥＤが動作し続けることを妨げないという意味で、フォールト・トレラントである。

以上実施形態例について説明したが、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、そのあらゆる変更も可能であることを注記しておく。

本発明の実施形態の一例による電流制御デバイスの回路図である。 本発明の実施形態の一例による、図１に示す電流制御デバイスの特定的な実施態様を示す図である。 本発明の実施形態の一例による電流制御デバイスのプロセスを示すフローチャートである。 本発明の実施形態の一例による電流制御デバイスのプロセスを示すフローチャートである。 本発明の実施形態の一例による電流制御デバイスのプロセスを示す１組のタイミング図である。 本発明の代替実施形態の一例を示す回路図である。 本発明の代替実施形態の一例を示す回路図である。

Claims (10)

1. １つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）（１０）のアレイにおける電流を制御する装置（１００）であって、
   電源（Ｖ_ＥＸＴ）と前記ＬＥＤアレイとの間に配されているスイッチング・エレメント（６０）と、
   前記１つ以上のＬＥＤにおける電流を示す信号を生成する電流検知エレメント（２０）と、
   前記ＬＥＤアレイを通過する電流のヒステリシス制御を行うために、前記信号に基づいて、前記ＬＥＤアレイに対して前記電源をオン及びオフに切り換える切り換えコントローラと、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記スイッチング・エレメントはＭＯＳＦＥＴスイッチであることを特徴とする装置。
3. 請求項１記載の装置において、該装置は更に、
   前記スイッチング・エレメントがオンになっているときに過剰エネルギを蓄積する蓄積エレメントであって、前記ＬＥＤアレイを通過する電流が、線形に増加及び減少するランピング関数を近似するように、前記スイッチング・エレメントがオフになっているときに、前記蓄積したエネルギが前記ＬＥＤアレイに消散されるよう構成された蓄積エレメント（７０）
   を備えていることを特徴とする装置。
4. 請求項３記載の装置において、前記蓄積エレメントは、前記スイッチング・エレメントと前記ＬＥＤアレイのアノード端との間に配置したインダクタ（Ｌ）であることを特徴とする装置。
5. 請求項１記載の装置において、
   該装置は更に、前記信号を受け取り増幅するように構成されているシングル・エンド増幅器（３０）であって、前記増幅した信号を前記切り換えコントローラに送るシングル・エンド増幅器を備えており、
   前記切り換えコントローラは、前記増幅信号に対してヒステリシス制御を実行するよう構成されている
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項５記載の装置において、
   前記電流検知エレメントは、抵抗器（Ｒｓ）であり、その第１端部が前記ＬＥＤアレイのカソード端に電気的に接続されており、その第２端部が電気的に接地されており、前記信号は、接地を基準とした、前記抵抗器の第１端部における電圧であり、
   前記シングル・エンド増幅器は、前記抵抗器の第１端部における電圧を入力として受け取る
   ことを特徴とする装置。
7. 請求項５記載の装置において、
   前記切り換えコントローラは、２つのトリップ・レベルを有するウィンドウ比較器（４０）を含み、
   前記増幅信号の前記トリップ・レベルに対する関係に基づいて、オン切換点及びオフ切換点が確定されている
   ことを特徴とする装置。
8. １つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイにおける電流を制御する方法であって、
   前記ＬＥＤアレイに対する電源をオン及びオフに切り換えるために、電源（Ｖ_ＥＸＴ）と前記ＬＥＤアレイとの間に配置したスイッチング・エレメント（６０）を利用するステップと、
   前記外部供給電圧源がオン又はオフのどちらに切り換えられているかには関係なく、前記ＬＥＤアレイを通過する電流を検知するステップと、
   前記検知した電流に対してヒステリシス制御を実行するために、前記電源のオン及びオフの切り換えを制御するステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、前記オン及びオフの切り換えを制御するステップは、
   前記検知電流を示す電圧信号を、２つのトリップ電圧と比較するステップと、
   前記比較に基づいて、ＭＯＳＦＥＴスイッチをオン及びオフにするステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項８記載の方法において、該方法は更に、
    前記電源がオンに切り換えられているときに過剰エネルギを蓄積するステップと、
    前記電源をオフに切り換えたときに、前記蓄積したエネルギを前記ＬＥＤアレイに消散させるステップと、
    を備えており、前記ＬＥＤアレイを通過する電流が、線形に増加及び減少するランピング関数を近似していることを特徴とする方法。

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