JP2010507177A - ハイサイド電流感知ヒステリシスｌｅｄ制御器 - Google Patents

Abstract

入力電圧が１８ボルト以上である場合に発光ダイオード（ＬＥＤ）をヒステリティックに制御するためのシステム及び方法。一例のシステムは１つ以上のＬＥＤ及び１つ以上のＬＥＤに電気的に結合された１つの回路を含む。回路は、ＬＥＤを通過する感知された電流に基づいて１つ以上のＬＥＤに供給される入力電圧をヒステリティックに制御する。回路は、１つ以上のＬＥＤに供給される入力電圧をオン／オフするＭＯＳＦＥＴスイッチと、１つ以上のＬＥＤを通って流れる電流を感知する第１の集積回路（ＩＣ）を含む電流感知サブ回路と、感知された電流に基づいてヒステリシス制御信号を生成する第２のＩＣを含むヒステリシスコンパレータ回路と、生成されたヒステリシス制御信号に基づいてスイッチの動作を制御する第３のＩＣを含むスイッチドライバとを含む。

Description

本発明は、ハイサイド電流感知ヒステリシスＬＥＤ制御器に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）用の電流ヒステリシス制御器は１８ボルト未満の入力電圧に制限されているか、あるいはハイサイドスイッチを制御するために離散的な電子部品で実現されたレベルシフティングと電荷ポンプを含む複雑な実装を使用する。他の高電圧ＬＥＤ制御器は、大きなインダクタ値を必要とするか、あるいはスイッチがオンの場合に限り電流を感知する。これは制御されている電流の平均値の誤りにつながる。

したがって、１８ボルト以上の入力電圧を可能にする、簡易でそれほど高価でない実装を備えたヒステリシス制御器に対する要求がある。

入力電圧が１８ボルト以上である場合、本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）をヒステリティックに制御するシステム及び方法を提供する。一例のシステムは、１つ以上のＬＥＤ及び当該１つ以上のＬＥＤに電気的に結合された回路を含んでいる。当該回路は、ＬＥＤを通過する感知された電流に基づいて、１つ以上のＬＥＤに供給される入力電圧をヒステリティックに制御する。

本発明の１つの態様では、回路は、１つ以上のＬＥＤに供給される入力電圧をオン／オフするためのＭＯＳＦＥＴスイッチ、１つ以上のＬＥＤを通る電流を感知するための電流感知サブ回路、感知された電流に基づいてヒステリシス制御信号を生成するヒステリシスコンパレータ回路、及び生成されたヒステリシス制御信号に基づいてスイッチの動作を制御するスイッチドライバを含んでいる。

本発明のさらなる態様では、電流感知サブ回路は、第１の集積回路（ＩＣ）を含み、ヒステリシスコンパレータ回路は第２のＩＣを含み、スイッチドライバは第３のＩＣを含み、約５ボルトから始まって１８ボルトを超える入力電圧まで、例えば少なくとも約７６ボルトまでの範囲内の入力電圧を許容する簡易なヒステリシス制御器の実現につながる。

本発明の好ましい他の実施例は、次の図面に関して詳細に以下に記述される。

本発明の実施例に従って形成されたＬＥＤ制御器回路を説明する図である。 図１に示されるＬＥＤ制御器回路の一例の実施例のためのさらなる詳細を説明する図である。 図２に示されるＬＥＤ制御器回路の一例の実施例の概略図である。 本発明の実施例による１つ以上のＬＥＤを制御する方法のフローチャートである。 本発明の実施例による１つ以上のＬＥＤを制御する方法のフローチャートである。 図２及び３に示される回路の機能について記述する方法のフローチャートである。 図２−３に示される回路及び図４−６に示されるプロセスの例示的なタイミング図である。

図１は発光ダイオード（ＬＥＤ）システム２０を説明する。システム２０は、高電圧ヒステリシス制御器回路２４によって制御される１つ以上のＬＥＤ２２を含んでいる。高電圧ヒステリシス制御器回路２４は、ＬＥＤに提供される電圧より大きい入力電圧（Ｖ_ＩＮ）を受け取る。入力電圧の電圧源の例は、バッテリー、自動車交流電源、航空機発電機あるいは実験室の電源を含んでいる。高電圧ヒステリシス制御器回路２４は、約８０ボルトまでのサージ及び外部接地又は戻り配線を備えた５ボルト以上から約７６ボルトまでのＶ_ＩＮを入力として受け取ることができ、ＬＥＤ２２を駆動する電流を供給することができる。一般に、高電圧ヒステリシス制御器回路２４は、ＬＥＤ２２に供給される電流をモニタして、電流が特定の範囲にとどまるようにＶ_ＩＮに接続されたスイッチをヒステリティックに制御することにより、ＬＥＤ２２へ比較的一定の平均電流を提供する。

図２は、図１に示されるＬＥＤシステム２０の例示的な実施例についてさらなる詳細を説明するブロック図である。この例示的な実施例中で、高電圧ヒステリシス制御器回路２４は、電力調節回路２６を含むように示され、電力調節回路２６は、入力としてＶ_ＩＮを受け取り、ヒステリシス制御器回路２４の他の部分によって使用されるべき、よりクリーンな電圧（cleaner voltage）を出力において生成する。電力調節回路２６は、例示的な実施例においてヒステリシス制御器及び線間電圧ノイズによって生成された無線周波数（ＲＦ）ノイズを低減する。電力調節回路２６の出力は、電流感知回路２８、電源回路３０及びフリーホイリング（free-wheeling）ダイオードＤｌのカソード端に接続される。電源回路３０はヒステリシスコンパレータ回路３１及びスイッチドライバ３２に電力を供給するために使用される。電流感知回路２８は、ＬＥＤ２２を通過する電流を感知し、感知された電流に比例する、ヒステリシスコンパレータ回路３１によって入力として使用される電圧出力を生成する。ヒステリシスコンパレータ回路３１は、スイッチドライバ３２にスイッチ３４をオン／オフさせる出力値を生成する。スイッチ３４がオンの場合、電流は、電力調節回路２６から電流感知回路２８を介して流れてＬＥＤ２２に電力を供給する。その後、電流は、スイッチ３４がオフの場合に使用されるエネルギーを蓄積する貯蔵素子３８を通過する。その後、電流はスイッチ３４を通って回路戻り（circuit return）へ進む。電流感知回路２８によって感知される電流がヒステリシスコンパレータ回路３１によって決定される指定されたしきい値を越える場合、出力値は変化して、スイッチドライバ３２にスイッチ３４をオフにさせる。スイッチ３４がオフである場合、貯蔵素子３８に貯蔵されたエネルギーは、ＬＥＤ２２に電力を供給する前にダイオードＤｌ及び電流感知回路２８を通って電流を流れさせる。電流が電流感知回路２８によって感知される指定されたしきい値未満に低下する場合、ヒステリシスコンパレータ回路３１によって生成される出力値が変化し、したがってスイッチドライバ３２をトリガして、スイッチ３４を再度オンにさせる。

図３は、図２に示されるＬＥＤ制御器回路の例示的な実施例の詳細な回路の概略図である。１つ以上のＬＥＤ２２のうち、最初のＬＥＤ２２ａ及び最後のＬＥＤ２２ｂだけが明瞭さのために示される。電力調節回路２６は入力としてＶ_ＩＮ及び外部接地又は戻り配線をとる。これは、電力調節回路２６が例えばいくつかの実施例において電力バスに接続されることを可能にする。Ｖ_ＩＮ及び外部接地入力は電磁妨害（ＥＭＩ）を低減するために共通モードチョークＬｌに接続される。チョークＬｌ出力のハイサイドはダイオードのＤ２アノードに接続される。チョークＬｌのローサイド出力は回路戻りに接続される。双方向ブレークダウン（降伏）ダイオードＤ３、第１のキャパシタＣｌ及び第２のキャパシタＣ２は、ダイオードＤ２のカソードとチョークＬ１のローサイド出力との間で並列に接続される。ダイオードＤ３、第１のキャパシタＣｌ及び第２のキャパシタＣ２は、高電圧ヒステリシス制御器回路２４の他の構成要素によって使用される良好な電圧源を提供するためにＶ_ＩＮを安定させるのを支援する。

電流感知回路２８は、電流感知抵抗Ｒｌ、及び電流感知抵抗Ｒｌを通って流れる電流を感知するために使用される第１の集積回路ＩＣｌを含んでいる。この例示的な実施例では、第１の集積回路ＩＣｌは、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツによって製造された、電圧出力を備えたＭＡＸ４０８０ハイサイド電流感知増幅器である。しかしながら、他の実施例で同様の特性を備えたＩＣを使用することが可能である。ＭＡＸ４０８０ＩＣの定格は８０ボルトのサージ定格を備えた７６ボルトであるが、使用されるＩＣがより高い入力電圧を許容する定格である場合、より高い入力電圧が他の実施例において可能である。ＭＡＸ４０８０チップのＲＳ＋、ＲＳ−、ＶＣＣ、ＧＮＤ及びＯＵＴピンが使用される。ＲＳ＋及びＲＳ−ピンは、電力調節回路出力に接続された感知抵抗Ｒｌの端及び第１のＬＥＤ２２ａアノードにそれぞれ接続される。ＶＣＣピンは電力調節回路出力に接続され、ＧＮＤピンは回路戻りに接続され、ＯＵＴピンはヒステリシスコンパレータ回路３１に接続される。第３のキャパシタＣ３は、一端においてＲＳ＋及びＶＣＣピンの両方へ電気的に接続され、もう一端においてＧＮＤピンへ電気的に接続される。

電源回路３０は、一端において電力調節回路２６の出力へ接続され、もう１端において一方向ツェナーブレークダウンダイオードＤ４のカソード端に接続された抵抗Ｒ２を含んでおり、ダイオードＤ４のアノードは回路戻りに接続される。ヒステリシスコンパレータ回路３１は、ブレークダウンダイオードＤ４によって確立された電圧によって電力が供給される集積回路ＩＣ２を含んでいる。この例示的な実施例では、集積回路ＩＣ２は、マキシム・インテグレーテッド・プロダクツによって製造される、ＭＡＸ９００３低電力高速シングルサプライ演算増輻器＋コンパレーター＋基準ＩＣ（reference IC）である。しかしながら、他の実施例で、同様の特性を備えたＩＣを使用することができる。ＭＡＸ９００３チップのＡＯＵＴ、ＡＩＮ−、ＡＩＮ＋、ＶＳＳ、ＶＤＤ、ＣＯＵＴ及びＣＩＮ＋ピンが使用される。ＶＤＤピンはブレークダウンダイオードＤ４のカソード端に接続され、ＶＳＳピンは回路戻りに接続され、第４のキャパシタＣ４はＶＤＤピン及び回路戻りの間に接続される。ＡＩＮ＋ピンは、ＩＣｌとして使用されるＭＡＸ４０８０チップからのＯＵＴピンに接続される。第３の抵抗Ｒ３はＣＯＵＴ及びＣＩＮ＋ピンの間に接続される。第４の抵抗Ｒ４は、ＣＩＮ＋ピンとＡＯＵＴ及びＡＩＮ−ピンの両方との間に接続される。ＣＯＵＴピンもスイッチドライバ３２に接続される。第３の抵抗Ｒ３及び第４の抵抗Ｒ４は、ヒステリシス制御のための所望のオン／オフポイントを達成するように選択される。

スイッチドライバ３２はＭＯＳＦＥＴドライバ４０及び第５のキャパシタＣ５を含むように示される。ＭＯＳＦＥＴドライバ４０は、ブレークダウンダイオードＤ４のカソードに接続されるパワー入力、回路戻りに接続される接地入力、ＩＣ２として使用されるＭＡＸ９００３チップからのＣＯＵＴピンに接続される制御入力、及びスイッチ３４に接続されるゲート出力を含む。第５のキャパシタＣ５は、ＭＯＳＦＥＴドライバ４０のパワー入力と回路戻りとの間に接続される。例として、ＭＯＳＦＥＴドライバ４０は、Micrel, Inc.によって製造されたＭＩＣ４４１７ ＩｔｔｙＢｉｔｔｔｙ（商標）ローサイドＭＯＳＦＥＴドライバでもよい。ＭＩＣ４４１７ドライバは、入力としてＴＴＬ互換ロジック信号を使用する反転ドライバである。しかしながら、他のドライバが他の実施例の中で使用されてもよい。ＭＯＳＦＥＴドライバ４０は、スイッチ３４を駆動するために使用され、これは、ＭＯＳＦＥＴドライバ４０のゲート出力によってそのゲートが駆動され、ソースが回路戻りに接続され、ドレインが貯蔵素子３８の一端に接続される、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴトランジスタＱｌとしてこの実施例中で示される。この実施例では、貯蔵素子３８は、１つ以上のＬＥＤ２２の最後のＬＥＤ２２ｂのカソードに他端が接続されるインダクタＬ２である。

Ｖ_ＩＮが印加される場合、高電圧ヒステリシス制御器回路２４は、ヒステリシスコンパレータ回路３１の出力が低くなるような状態にパワーアップする。これはスイッチドライバ３２を使用して、ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱｌを「ＯＮ」状態に置く。インダクタＬ２内の電流は、増加し始め、電流がＬＥＤ２２を通過しているときＬＥＤ２２は発光する。ハイサイド電流感知回路２８は、感知抵抗Ｒｌの両端に現われた電圧を増幅して、感知抵抗Ｒｌの両端に現われた電圧に比例する増幅された感知信号出力電圧を提供する。増幅された感知信号出力電圧は、ヒステリシスコンパレータ回路３１に供給される。増幅された感知信号出力電圧がヒステリシスコンパレータ回路３１のしきい値と等しい場合、ヒステリシスコンパレータ回路３１の出力はローからハイへ移行して、新しいしきい値を確立する。ヒステリシスコンパレータ回路３１の出力におけるハイは、スイッチドライバ３２を使用して、ＭＯＳＦＥＴトランジスタＱｌを「オフ」にする。これは、インダクタＬ２及びＬＥＤ２２の電流をフリーホイリングダイオードＤｌを介して再循環させる。電流が減少するとき、ハイサイド電流感知回路２８は、ＬＥＤ２２の電流に比例する信号を提供し続ける。増幅された信号がヒステリシスコンパレータ回路３１の低いほうのしきい値と等しい場合、ヒステリシスコンパレータ回路３１の出力はハイからローへ移行して、スイッチドライバ３２を使用してＭＯＳＦＥＴトランジスタＱｌを「ＯＮ」に戻し、高いしきい値を再確立する。その後、サイクルは繰り返す。

図４及び５は、本発明の実施例に従う１つ以上のＬＥＤを制御する方法７０のフローチャートである。図４は、方法７０がブロック７２において開始され、ここで１つ以上のＬＥＤが約５ボルトから約７６ボルトまでの範囲内のすべての入力電圧で動作するように構成された回路によりエネルギーを与えられることを示す。次に、ブロック７４において、ＬＥＤを通過する電流が感知される。その後、ブロック７６では、入力電圧が感知された電流に基づいてヒステリティックに制御される。その後、方法７０はブロック７４にループバックし、ＬＥＤを通過する電流が再び感知される。図５に説明された例示的な実施例では、ブロック７６は、感知された電流に基づいて入力電圧をヒステリティックに制御する一例の方法についてより詳しく記述する多くの他のブロックを含むように示される。最初に、ブロック８０において、ヒステリシス制御信号が感知された電流に基づいて生成される。次に、ブロック８２で、ＭＯＳＦＥＴスイッチが、生成されたヒステリシス制御信号に基づいて制御される。その後、判定ブロック８４で、ＭＯＳＦＥＴスイッチがオンであるかどうかが決定される。ＭＯＳＦＥＴスイッチがオンの場合、エネルギーはブロック８６において貯蔵素子に格納され、入力電圧によってＬＥＤに電力が供給される。その後方法はブロック７４へループバックする。ＭＯＳＦＥＴスイッチがオフの場合、貯蔵素子中の蓄積されたエネルギーはブロック８８で１つ以上のＬＥＤを介して消散される。その後方法はブロック７４へループバックする。

図６は、図２及び３に示される回路２０の機能について記述する方法１００のフローチャートである。最初に、ブロック１０２で、１つ以上のＬＥＤが、約５ボルトから約７６ボルトまでの範囲内のすべての入力電圧で動作するように構成された回路によってエネルギーを与えられる。次に、ブロック１０４で、スイッチ３４がオンにされ、ヒステリシスコンパレータ回路３１の上側しきい値がセットされる。その後、ブロック１０６で、ＬＥＤ２２を通過する増加する電流が電流感知回路２８で感知される。その後、判定ブロック１０８では、感知された電流が上側しきい値に合うかもしくは超過するかどうかが決定される。感知された電流が上側しきい値に一致したり、超過したりしない場合、方法１００はブロック１０６にループバックする。感知された電流が上側しきい値に合うか超過する場合、方法はブロック１１０に進み、そこでスイッチ３４が切られ、下側しきい値がセットされる。その後、ブロック１１２で、ＬＥＤ２２を通過する減少する電流が、電流感知回路２８で感知される。次に、判定ブロック１１４では、感知された電流が下側しきい値にあるかあるいはそれより小さいかどうかが決定される。感知された電流がしきい値になく、しきい値より小さくない場合、方法はブロック１１２へループバックする。感知された電流がしきい値にあるか又はしきい値より小さい場合、方法はブロック１０４にループバックし、そこでスイッチ３４が再びオンにされ、上側しきい値がセットされる。その後、上述のように方法１００は進む。

図７は、図２−３に示される回路及び図４−６に示されるプロセスの例示的なタイミング図である。
本発明の好ましい実施例が説明され記述されたが、上述のように、多くの変更を本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに行なうことができる。例えば、電力調節回路に対して、第１のキャパシタＣｌ及び第２のキャパシタＣ２を組み合わせるような変更を行なうことができ、あるいはクリーンで安定した電圧源が入力として利用可能ならば、電力調節回路を除去することができる。さらに、言及された例のＩＣと類似する機能を実行する異なるタイプのＩＣを使用することができる。さらに、ヒステリシスコンパレータ回路３１出力も変更されれば、反転スイッチドライバ３２ではなく非反転のスイッチドライバを使用することができるだろう。さらに、どれだけの数のＬＥＤが駆動されているかによって、１８Ｖより低いＶ_ＩＮを使用することができる。従って、本発明の範囲は好ましい実施例の開示によって制限されない。代わりに、本発明は次の特許請求の範囲への参照によって決定されるべきである。

Claims (15)

1. １つ以上のＬＥＤと、
   前記１つ以上のＬＥＤに供給される入力電圧をヒステリティックに制御するために前記１つ以上のＬＥＤに電気的に結合された回路とを具備し、
   前記回路は、約５ボルトから約７６ボルトまでの範囲内のすべての入力電圧で動作するように構成されている、発光ダイオード（ＬＥＤ）システム。
2. 前記回路は約８０ボルトまでの入力サージ電圧をもって動作するように構成される請求項１記載のシステム。
3. 前記回路は、
   前記１つ以上のＬＥＤに供給される前記入力電圧をオン／オフするためのスイッチと、
   前記１つ以上のＬＥＤを通って流れる電流を感知するための電流感知サブ回路と、
   前記感知された電流に基づいてヒステリシス制御信号を生成するためのヒステリシスコンパレータサブ回路と、
   前記生成されたヒステリシス制御信号に基づいて前記スイッチの動作を制御するためのスイッチドライバとを含む請求項１記載のシステム。
4. 前記スイッチはＭＯＳＦＥＴスイッチを含む請求項３記載のシステム。
5. 前記回路は、前記スイッチがオンにされる場合にエネルギーを蓄積するように構成された貯蔵素子をさらに含み、前記スイッチがオフにされると、蓄積されたエネルギーが前記１つ以上のＬＥＤへ消散される請求項３記載のシステム。
6. 前記貯蔵素子は前記１つ以上のＬＥＤと直列に接続されるインダクタを含む請求項５記載のシステム。
7. 前記電流感知サブ回路は、
   前記１つ以上のＬＥＤと直列に接続された抵抗と、
   前記抵抗の両端に接続された電流感知集積回路とを具備し、前記電流感知集積回路電流の出力は前記ヒステリシスコンパレータサブ回路の入力に接続される請求項３記載のシステム。
8. 前記電流感知サブ回路は前記１つ以上のＬＥＤのハイサイドの電流を感知する請求項３記載のシステム。
9. １つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を通る電流を制御する方法であって、
   前記ＬＥＤを通過する電流を感知するステップと、
   前記感知された電流に基づいて前記１つ以上のＬＥＤに電力を供給するために使用される入力電圧をヒステリティックに制御するステップとを具備し、
   前記入力電圧は、約５ボルトから約７６ボルトまでの範囲内である方法。
10. 前記電流を感知するステップが前記ＬＥＤのハイサイドにおいて生じる請求項９記載の方法。
11. 前記入力電圧は約１８ボルトと約７６ボルトの間にある請求項９記載の方法。
12. 前記入力電圧は約８０ボルトまでの電圧サージを含む請求項９記載の方法。
13. 前記ヒステリティックに制御するステップは、
    前記感知された電流に基づいてヒステリシス制御信号を生成するステップと、
    前記生成されたヒステリシス制御信号に基づいてＭＯＳＦＥＴスイッチの動作を制御するステップとを含む請求項９に記載の方法。
14. 前記ＭＯＳＦＥＴスイッチがオンにされる場合に貯蔵素子にエネルギーを蓄積するステップと、
    前記ＭＯＳＦＥＴスイッチがオフにされる場合に、前記１つ以上のＬＥＤを介して前記蓄積されたエネルギーを消散させるステップとをさらに具備する請求項１３に記載の方法。
15. 前記制御するステップは、
    スイッチドライバにおいて前記生成されたヒステリシス制御信号を受け取るステップと、
    前記受信されたヒステリシス制御信号に基づいて前記ＭＯＳＦＥＴスイッチを駆動するステップとを含む請求項１４に記載の方法。

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