JP2009542188A - 負荷を一定電流で駆動する駆動回路 - Google Patents

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Abstract

負荷(3)を駆動する駆動回路(1)は、出力(2a、2b)で切り替えられる出力電流(IL)を供給するスイッチング電源(10);前記電源を制御する制御部(20);出力電流(IL)を表す電流検知信号(V15)を生成する電流センサー(15);前記回路の出力電圧(V、V+V15)を表す電圧検知信号を生成する電圧センサー(30)を有する。制御部は電流検知信号を受信し、電流検知信号に基づきスイッチング電源(10)のために切り替え時間制御信号(S)を生成する。制御部は、電流検知信号を更に受信する。電圧検知信号の変化に応じて、制御部は切り替え時間制御信号を変化させ、出力電圧の変化が出力電流の平均値に及ぼす影響を効率的に補償する。

Description

本発明は、一般に、負荷、特にLEDの駆動回路に関する。より詳細には、本発明は、スイッチング電源を有する駆動回路に関する。
LEDは、信号装置として従来知られている。高出力LEDの開発に伴い、LEDは今日では照明用途にも用いられる。このような用途では、光出力(光強度)は電流に比例するので、LED電流が特定の目標値に正確に保たれることが重要である。これは特に、所謂、多色用途に適用される。多色用途では、異なる色の複数のLEDが用いられ個々のLEDの個々の強度に依存する可変混合色を生成する。つまり、1つのLEDの光強度の変化が結果として生じる混合色に不要な変動を生じうる。
LED装置を実質的に一定電流で駆動する駆動回路は、既に知られている。標準的に、このような一定電流駆動回路は、LED電流を検知する電流センサーを有する。センサー信号は制御部へ帰還される。制御部は電源を制御し、検知される電流が所定レベルに実質的に一定に保たれるようにする。
このような制御システムは通常十分に機能するが、LEDに印加された電圧が変化する、及び結果として電源が不適当な電流を与えうるという問題を生じる。この問題は、特に、電源がスイッチング電源である場合に生じる。
本発明の目的は、上述の問題を克服又は少なくとも低減する駆動回路を提供することである。より詳細には、本発明の目的は、LEDの順方向電圧の変動に影響を受けにくい駆動回路を提供することである。
本発明の重要な態様によると、駆動回路は、LED電圧を検知する電圧センサーを更に有する。電圧検知信号も、制御部へ帰還される。検知された電圧変動に応じて、制御部は電源の制御を適切に調整し、実際のLED電流が一定に維持されるようにする。特定の実施例では、電流制御は、検知された電流信号を基準信号と比較することにより行われる。基準信号は、検知される電圧変動に応じて適切に修正される。
留意すべき点は、特許文献1がLEDのための駆動回路を開示していることである。特許文献1では、LED電流とLED電圧の両方が測定され、両方の測定信号がLED駆動装置を制御するために用いられる。しかしながら、特許文献1に記載されたシステムでは、制御は、電流検知信号及び電圧検知信号を一定に保つことを目的としている。これに対し本発明では、電圧検知信号の変動が許容され、それに応じて電流検知信号の変動が生じ、従って実際のLED電流が一定に維持される。
本発明の上述の及び他の態様、特徴及び利点は、図を参照する以下の記載を通じ更に説明される。図中の同一の参照符号は同一又は類似の部分を示す。
図1は、LED装置3と接続するための出力端子2a、2bを有する駆動回路1を示すブロック図である。留意すべき点は、LED装置3が1つのLEDのみを有してもよいが、直列及び/又は並列に配置された複数のLEDを有するLED装置も可能なことである。駆動回路1は、制御可能なスイッチング電源10、及び電源10を制御する制御部20を更に有する。
スイッチング電源自体は知られており、従って図1に示された例であるスイッチング電源の説明は簡単なものに止める。主要電源から供給される場合、電源10は、交流電圧を直流電圧に変換する変換器11を有する。制御可能なスイッチ12、例えばトランジスターは、変換器11の第1の出力端子と結合される。インダクター13、標準的にコイルは、制御可能なスイッチ12と直列に結合される。スイッチ12とインダクター13との結合部で、ダイオード14は変換器11の第2の出力端子と結合され、インダクター13の他端は駆動回路1の第1の出力端子2aと結合される。駆動回路1の第2の出力端子2bは、変換器11の第2の出力端子と結合される。
制御部20は、スイッチ12の制御端子と結合された制御出力21を有し、スイッチ12の動作状態を決定し、より詳細にはスイッチ12の切り替えの瞬間を決定する切り替え時間制御信号Sを供給する。制御出力信号Sは、標準的にハイ又はローの何れかのブロック信号である。制御出力信号Sの一方の値、例えばハイはスイッチ12を閉じ(つまり、導通させ)、電流が変換器11からインダクター13及びLED装置3を通って流れ、変換器へ帰還される。電流の大きさは時間と共に増大する。インダクター13は充電される。制御出力信号Sの他方の値、例えばローは、スイッチ12を開放する(つまり非導通にする)。インダクター13はインダクター13、LED装置3、及びダイオード14により定められるループ内を流れる電流を維持しようとし、一方で電流の大きさは時間と共に減少する。インダクター13は放電される。
図2はこの動作を説明するグラフである。時間t及びtで、制御出力信号Sはハイになり、LEDを通る出力電流Iが上昇し始める。時間t及びtで、制御出力信号Sはローになり、LEDを通る出力電流Iが減少し始める。t乃至tの時間間隔は、オン期間tONとして示される。t乃至tの時間間隔は、オフ期間tOFFとして示される。tONとtOFFの合計は電流周期Tである。
時間t及びtで出力電流Iは最小振幅Iを有し、時間t及びtで出力電流Iは最大振幅Iを有する。平均出力電流IAVはIとIの間の値であり、tONとtOFFの比、又はtON/Tで定められるデューティー・サイクルΔに依存する。電流振幅が時間と共に線形に上昇及び下降すると仮定すると、平均出力電流IAVは次式により与えられる。
AV=(I+I)/2 (1)
一般に、t及びtのような制御出力信号Sがハイになる時間は、スイッチ・オン時間tSONとして示され、t及びtのような制御出力信号Sがローになる時間は、スイッチ・オフ時間tSOFFとして示される。制御部20は、LED電流Iの瞬間値に基づきスイッチ・オン時間tSON及びスイッチ・オフ時間tSOFFを決定する。このため、駆動回路1は、図1の実施例では第2の出力端子2bと接地との間にLED装置3と直列に接続された抵抗器として実施された電流センサー15を有する。LED電流のIは、電流検知抵抗器15に渡り、LED電流Iと比例する電圧降下V15を生じる。電圧V15は電流測定信号を較正する。電流測定信号は、電流検知入力22で制御部20へ供給される。制御部20は、比較器23及び閾電圧源24を更に有する。比較器23は、閾電圧源24から閾電圧VTHを受信する第1の入力、及び電流検知入力22から電流測定信号V15を受信する第2の入力を有する。比較器23からの出力信号SCOMPは、単パルス生成器25と結合される。単パルス生成器25の出力は、場合によっては更に増幅した後に、スイッチ制御信号Sを較正する。
制御部23には幾つかの種類の可能な動作がある。制御部23は、電流測定信号V15が閾電圧VTHより高くなった場合に切り替え信号Sをローにすることが可能であり、オフ期間tOFFが固定値を有することが可能である。この場合、単パルス生成器25の出力信号は通常ハイであり、単パルス生成器25は起動時に期間tOFFのロー・パルスを生成する。制御部23は、電流測定信号V15が閾電圧VTHより低くなった場合に切り替え信号Sをハイにすることが可能であり、オン期間tONが固定値を有することが可能である。この場合、単パルス生成器25の出力信号は通常ローであり、単パルス生成器25は起動時に期間tONのハイ・パルスを生成する。更に、制御部23は2つの比較器及び互いに異なる閾電圧の2つの閾電圧源を設けられることが可能である。一方の比較器は電流測定信号を一方の閾電圧と比較し、他方の比較器は電流測定信号を他方の閾電圧と比較する。制御部23は、電流測定信号V15が最も低い閾電圧より低くなった場合に制御部23の切り替え制御信号Sをハイにする。また、制御部23は、電流測定信号V15が最も高い閾電圧より高くなった場合に制御部23の切り替え制御信号Sをローにする(ヒステリシス制御)。これらの動作の全てが図2に示されたような電流波形を生じる。
LEDがLED電流Iで駆動される場合、LEDに電圧降下が生じ、当該電圧降下は順方向電圧Vとして示される。順方向電圧Vの大きさは、LEDの素子特性であり、実質的にLED電流Iの大きさと独立である。しかしながら、この素子特性は時間と共に、例えば経年劣化を通じて又は温度の関数として変化しうる。また、素子特性は、異なるLEDでは異なって良い。更に、望ましくはLED装置内のLEDの数を変え、順方向電圧Vを変化させてよい。問題は、平均LED電流IAVが順方向電圧Vに依存し、従って順方向電圧Vの変化が、電流センサー15を監視することからは制御部20により通知されない平均LED電流の変化を引き起こしうることである。これは、一定のtOFF期間で動作する制御部の場合に以下のように理解されるだろう。
スイッチ12は、測定電流信号V15が閾電圧VTHと等しい場合にオフに切り替えられる。従って、
=VTH/Rsense (2)
senseは検知抵抗器15の抵抗値である。
オフ期間中、LED電流はインダクター13により供給される。インダクター13にかかる電圧はV13として示される。ダイオード14の電圧降下を無視すると、V13はVとV15の和に等しい。
13=V+V15 (3)
インダクターを通る電流は、次式に従い時間の関数として減少する。
ΔI=−V13・Δt/L (4)
Lはインダクター13のインダクタンスを示す。
一次近似では、tOFFを近似するため、V13は一定であると仮定する。従って、Iの値は次式に従い近似される。
=I+ΔI=VTH/Rsense―V13・tOFF/L (5)
式(1)及び(3)を用いると、平均電流IAVは次のように表せる。
AV=VTH/Rsense―VTH・tOFF/2L−V・tOFF/2L (6)
制御部が一定のtON期間で動作する場合、又は制御部が2つの閾電圧で動作する場合、同様の式が導出される。
全ての場合に、平均電流と順方向電圧Vとの間の関係は、一次近似で次のように表せる。
AV=I(0)+c・V (7)
I(0)はVに依存しない一定値である。cは予め値が定められる定数であり、正又は負であってよい。
式(7)から、以下の関係が導出される。
dIAV/dV=c (8)
本発明によると、駆動回路1は式(8)の従属関係を補償する。このため、駆動回路1は、順方向電圧Vを表す測定信号Sを供給する電圧センサー30を更に有する。測定信号Sは、制御部20により電圧検知入力26で受信される。図1に示された例である実施例では、電圧センサー30は、第1の出力端子2aと接地との間に接続された2個の抵抗器31、32の直列構成として実施される。測定信号SVは2つの抵抗器31、32の間の節点から取り出される。留意すべき点は、この測定信号Sは実際にはV+V15を表すが、制御部20は電流検知入力22で受信した信号から既にV15を知っており、従って制御部は図3の減算器27により示される減算V=S−V15を実行することにより簡単にVを導出できることである。或いは、出力端子2a、2bの間にセンサーを接続するような、実際に出力端子2a、2bの間の電圧を測定する電圧センサーを構成するための別の可能性が容易に分かる。しかし、示された実施例は簡易という利点を有する。
他方で、式(5)に関し、留意すべき点は、平均電流IAVが実際には次式で表されることである。
AV=VTH/Rsense−(V+V15)−tOFF/2L (9)
=I(0)+c’・S (10)
測定信号Sに応じ、制御部20は、実際の平均電流IAVが影響を受けないように制御信号Sのタイミングを調整する。この補償動作を実施するためには幾つかの可能性がある。可能な実施例では、オフ期間tOFFが一定である場合、制御部20はオフ期間tOFFを順方向電圧Vの変動に応じて変化させる。式(9)及び(10)から容易に分かるように、Vの増大はtOFFの減少により中和される。一方で、Vの減少はtOFFの増大により中和される。同様に、オン期間tONが一定である場合、制御部20はオン期間tONを順方向電圧Vの変動に応じて変化させる。これらの実施例は図3に示される。図3では、単パルス生成器25は、電圧検知信号Sから導出されるタイミング制御出力信号Stcにより制御される制御可能な生成器として示される。
また、比較器の出力信号SCOMPのタイミングを変化することも可能である。上述の式から簡単に分かるように、Vの増大はIの減少により中和され、比較器の出力信号SCOMPに追加される遅延により影響を受けうる。図4は、図3に類似するブロック図であり、制御部20が制御可能なディレイ41を有する実施例を示す。制御可能なディレイ41は、比較器23の出力と単パルス生成器25との間に配置される。制御可能なディレイ41は、電圧検知信号Sから導出される遅延制御信号Sdcにより制御される。この手法は、ヒステリシス制御のために2つの閾電圧源及び2つの比較器を有する実施例で用いられてもよい。留意すべき点は、以上は、式(7)又は(10)でc又はc’がそれぞれ負である場合にも適用される。c又はc’がそれぞれ正である場合に、Vの増大はI2の減少により中和され、比較器の出力信号SCOMPの低減された遅延により影響を受ける。
また、比較器の入力信号を変化させることにより、比較器のタイミングを変化することも可能である。式(9)及び(10)から容易に分かるように、Vの増大はVTHの減少により中和され、Iを増大させる。同様の効果は、電流検知信号V15を減少させることにより達成される。留意すべき点は、以上は、式(7)又は(10)でc又はc’がそれぞれ負である場合にも適用される。c又はc’がそれぞれ正である場合に、Vの増大はVTHの減少により中和され、及び/又は電流検知信号V15を増大させる。図5及び図6のブロック図に可能な実施例が図示される。
図5に示される実施例では、制御部20は、加算器51、電圧検知信号Sを受信し補償信号Sを電圧検知信号Sから導出する補償ブロック52を有する。補償信号Sは正又は負であり、加算器51の一方の入力端子に印加される。加算器51の他方の入力端子は、閾電圧VTHを閾電圧生成器24から受信する。或いは、閾電圧生成器24は、制御可能な生成器であってよく、補償信号Sにより制御され、閾電圧VTHを変化させる。
図6に示される実施例では、制御部20は、減算器61、電圧検知信号Sを受信し補償信号Sを電圧検知信号Sから導出する補償ブロック62を有する。補償信号Sは正又は負であり、減算器61の一方の入力端子に印加される。減算器61の他方の入力端子は、電流検知信号V15を電流検知入力22から受信する。
上述の実施例では、制御部20は、スイッチ12をオフに切り替える瞬間を制御する。この間、オフ期間tOFFは一定である。
上述の実施例では、制御部20は、スイッチ12をオンに切り替える瞬間を制御する。オン期間tONが一定の間、増大する出力電圧も遅延された切り替えの瞬間により補償される。これは閾電圧を減少することにより、又は電流検知信号を増大することにより達成される。
上述の式に関し、留意すべき点は、補償信号S又はSは、それぞれ、電圧検知信号Sに線形に依存すると考えられる。回路が完全に線形の場合でも、通常実際には、線形補償で十分である。適切な寸法設計の場合に、電圧検知信号Sは加算器51又は減算器61に直接印加され、補償ブロックは省略されてよい。
当業者には、本発明は以上に例として説明された実施例に限定されず、複数の変形及び変更が請求の範囲に定められた本発明の範囲内で可能であることが明らかであろう。
例えば、以上には幾つかの種類の制御部が例として記載されたが、本発明は別の種類の制御部を実装されてもよい。例えば、本発明はピーク検出PWM制御部を実装されてもよい。一般的な解決法では、補償は、負荷出力電圧に比例して、電流検知信号又は基準閾レベルに信号を加算するか又は減算することにより行われてよい。
以上では、本発明は、本発明による装置の機能ブロックを図示するブロック図を参照して本願明細書に説明された。当該機能ブロックの1つ以上はハードウェアで実施されて良く、当該機能ブロックの機能は個々のハードウェア構成要素により実行され、当該機能ブロックの1つ以上は代案としてソフトウェアで実施されて良く、従って当該機能ブロックの機能はコンピュータープログラム又はマイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、デジタルシグナルプロセッサー等のようなプログラム可能な装置の1つ以上のプログラム行により実行されることが理解されるべきである。
駆動回路を示すブロック図である。 図1の駆動回路により供給される出力電流の波形を示すグラフである。 本発明による制御部の好適な詳細を説明するブロック図である。 本発明による制御部の好適な詳細を説明するブロック図である。 本発明による制御部の好適な詳細を説明するブロック図である。 本発明による制御部の好適な詳細を説明するブロック図である。

Claims (14)

  1. 負荷を駆動する駆動回路であって:
    −駆動されるべき前記負荷と接続する出力;
    −前記出力で、オン期間中に増大しオフ期間中に減少する切り替えられる出力電流を供給するスイッチング電源;
    −前記スイッチング電源を制御する制御部;
    −前記出力電流を表す電流検知信号を生成する電流センサー;
    −前記回路の前記出力電圧を表す電圧検知信号を生成する電圧センサー;を有し、
    前記制御部は、前記電流検知信号を受信する電流検知入力を有し;
    前記制御部は、前記受信した電流検知信号に基づき、前記スイッチング電源のための切り替え時間制御信号を生成し;
    前記制御部は、前記電圧検知信号を更に受信し;
    前記制御部は、前記出力電圧の変化を表す前記受信した電圧検知信号に応じて、前記切り替え時間制御信号を変化させ、前記出力電圧の変化が前記出力電流の平均値に及ぼす影響を効率的に補償する、駆動回路。
  2. 前記制御部は、閾電圧を生成する少なくとも1つの閾電圧生成器を有し;
    前記制御部は、前記閾電圧と等しいか又は前記閾電圧から導出された信号を受信する第1の入力と、前記電流検知信号と等しいか又は前記電流検知信号から導出された信号を受信する第2の入力とを有する少なくとも1つの比較器を有し;
    前記制御部は、前記切り替え時間制御信号を生成し、前記比較器の出力信号に基づき、オン期間からオフ期間への遷移の瞬間を示し;
    前記制御部は、前記受信電圧検知信号の変化に比例して前記遷移の瞬間を変化させる、請求項1記載の駆動回路。
  3. 前記オフ期間の持続時間は一定である、請求項2記載の駆動回路。
  4. 前記制御部は、前記受信した電圧検知信号が増大した場合に前記遷移の瞬間を遅らせ、前記受信した電圧検知信号が減少した場合に前記遷移の瞬間を進める、請求項2記載の駆動回路。
  5. 前記制御部は、前記比較器と前記制御出力との間に制御可能なディレイを有し、前記延期制御可能なディレイは、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号により制御される、請求項4記載の駆動回路。
  6. 前記制御部は、前記閾電圧生成器と前記比較器との間に配置された加算器を有し、前記加算器は、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号を更に受信する、請求項4記載の駆動回路。
  7. 前記制御部は、前記電流検知入力と前記比較器との間に配置された減算器を有し、前記減算器は、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号を更に受信する、請求項4記載の駆動回路。
  8. 前記制御部は、閾電圧を生成する少なくとも1つの閾電圧生成器を有し;
    前記制御部は、前記閾電圧と等しいか又は前記閾電圧から導出された信号を受信する第1の入力と、前記電流検知信号と等しいか又は前記電流検知信号から導出された信号を受信する第2の入力とを有する少なくとも1つの比較器を有し;
    前記制御部は、前記切り替え時間制御信号を生成し、前記比較器の出力信号に基づき、オフ期間からオン期間への遷移の瞬間を示し;
    前記制御部は、前記受信電圧検知信号の変化に比例して前記遷移の瞬間を変化させる、請求項1記載の駆動回路。
  9. 前記オン期間の持続時間は一定である、請求項8記載の駆動回路。
  10. 前記制御部は、前記受信した電圧検知信号が増大した場合に前記遷移の瞬間を遅らせ、前記受信した電圧検知信号が減少した場合に前記遷移の瞬間を進める、請求項8記載の駆動回路。
  11. 前記制御部は、前記比較器と前記制御出力との間に制御可能なディレイを有し、前記延期制御可能なディレイは、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号により制御される、請求項10記載の駆動回路。
  12. 前記制御部は、前記閾電圧生成器と前記比較器との間に配置された減算器を有し、前記減算器は、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号を更に受信する、請求項10記載の駆動回路。
  13. 前記制御部は、前記電流検知入力と前記比較器との間に配置された加算器を有し、前記加算器は、前記受信した電圧検知信号と等しいか又は前記受信した電圧検知信号から導出される信号を更に受信する、請求項10記載の駆動回路。
  14. 負荷のために切り替えられる出力電流を生成するスイッチング電源の補償方法であって、前記出力電流は検知され、電流検知信号は基準閾レベルと比較され、前記スイッチング電源は前記比較の結果に基づき制御され;
    前記補償方法は:
    −前記負荷の出力電圧に比例した補償信号を生成する段階;
    −前記比較を行う前に、前記補償信号を前記電流検知信号又は前記基準閾レベルに加算するか、又は前記補償信号を前記電流検知信号又は前記基準閾レベルから減算する段階;を有する方法。
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