JP2011023440A - Led駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 可能な限り電子部品や電子回路がモジュール化されたLED駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のLEDを駆動するためのLED駆動装置100は、交流電圧を直流電圧に変換するAC/DCコンバータ120と、AC/DCコンバータ120によって変換された直流電圧を降圧し所望の直流電圧に変換するDC/DCコンバータ130とを含み、AC/DCコンバータ120およびDC/DCコンバータ130は、1つのパッケージ内にモジュール化されている。
【選択図】 図2
【解決手段】 本発明のLEDを駆動するためのLED駆動装置100は、交流電圧を直流電圧に変換するAC/DCコンバータ120と、AC/DCコンバータ120によって変換された直流電圧を降圧し所望の直流電圧に変換するDC/DCコンバータ130とを含み、AC/DCコンバータ120およびDC/DCコンバータ130は、1つのパッケージ内にモジュール化されている。
【選択図】 図2
Description
本発明は、LED(light emit diode)を駆動するためのLED駆動装置に関し、特に、AC/DCコンバータやDC−DCコンバータなどの電子回路や電子部品をモジュール化したLED駆動装置に関する。
LEDは、既存の発熱電球などの照明装置と比較して、消費電力が小さく、節電効果が大きいため、実用化が急速に進んでいる。例えば、LEDを用いた照明装置は、オフィスや居住空間に用いられる室内灯に利用されつつある。
特許文献1は、図1に示すように、交流電源1を直流電圧に変換して出力する直流電源装置2と、直流電圧の駆動により点灯されるLED素子を実装したLEDモジュール部3とから構成されるLED照明装置を開示している。LEDをモジュール化することで、発光部分の薄型化、小型化、高出力化を図り、LED点灯に適した電源装置を提供している。また、特許文献2は、回路要素の数を効果的に減らしたLEDドライバを開示している。
従来のLED駆動装置は、特許文献1に示すように(図1を参照)、直流電源装置2を含み、直流電源装置2は、交流を直流に整流する整流ブリッジDB、コンデンサCD、直流電圧変換回路21を含んできる。これらの電子回路や電子部品は、モジュール化されていないため、部品点数が多くなり、LED駆動装置の低コストの障害になり得る。さらに、モジュール化されていないLED駆動装置は、電子部品や集積回路チップの実装のために大きな占有空間を必要とし、LED駆動装置やこれを用いた照明装置の小型化、軽量化、薄型化の妨げになる。
また、白熱灯はフィラメント抵抗を有し、入力電圧によって調光をすることができるが、LEDの調光は、出力電流に依存する。このため、既存の調光システムに、LED駆動回路を適用しても、LEDの調光を簡易に行うことができないという課題もある。
本発明は、このような従来の課題を解決し、LEDの駆動に適した電子部品や電子回路を含むLED駆動装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、LEDの駆動に適した電子部品や電子回路をモジュール化したLED駆動装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、LEDの駆動に適した電子部品や電子回路をモジュール化したLED駆動装置を提供することを目的とする。
本発明に係るLEDを駆動するためのLED駆動装置は、交流電圧を直流電圧に変換する第1のコンバータと、第1のコンバータによって変換された直流電圧を所望の直流電圧に変換する第2のコンバータとを含み、第2のコンバータは、降圧型のDC/DCコンバータを含み、DC/DCコンバータは、制御回路と、制御回路からの信号に応答してオン・オフのスイッチングをするトランジスタと、トランジスタに直列に接続されるインダクタと、インダクタの出力側に接続されたコンデンサとを含み、前記制御回路は、LEDの駆動電流を可変する駆動電流調整部を含む。
好ましくは前記駆動電流調整部は、前記制御回路の外部から供給された信号に応じてLEDの駆動電流を可変する。好ましくは前記駆動電流調整部は、DC/DCコンバータに入力される直流電圧に応じてLEDの駆動電流を可変する。好ましくは前記駆動電流調整部は、LEDの駆動電流を選択するための参照テーブルを記憶したメモリを含む。好ましくは第1および第2のコンバータは、1つのパッケージ内にモジュール化されている。好ましくはモジュール化されたパッケージは、第1のコンバータに電力を供給するための入力端子と、LEDに電力を供給するための出力端子とを含む。好ましくは第1のコンバータは、交流電圧を直流電圧に変換するダイオードブリッジと、ダイオードブリップに接続されたコンデンサとを含む。好ましくはモジュール化されたパッケージは、外付けコンデンサを含まない。
本発明によれば、第2のコンバータの制御回路がLEDの駆動電流を可変する駆動電流調整部を有することで、簡易な構成にてLEDを調光することができる。さらに、LED駆動装置をモジュール化することで、LED駆動装置の製造コストを低減することができ、かつ、LED駆動装置およびこれを用いた照明装置の小型化、薄型化を図ることができる。
本発明の最良の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、典型的にLEDを点灯させるためのLED駆動装置の例を説明する。
図2は、本発明の第1の実施例に係るLED駆動装置の構成を示すブロック図である。本実施例のLED駆動装置100は、入力インターフェース110、AC/DC(交流/直流)コンバータ120、DC/DC(直流/直流)コンバータ130、出力インターフェース140をモジュール化して構成される。入力インターフェース110は、入力電源とAC/DCコンバータ120との間の電気的な接続を提供し、例えば、100ボルトの交流電源が入力インターフェース110に接続されたとき、AC/DCコンバータ120に100ボルトの交流電源が供給される。
AC/DCコンバータ120は、入力された交流電圧を直流電圧に変換するものであり、例えば、ダイオードフルブリッジあるいはダイオードハーフブリッジから構成される。
DC/DCコンバータ130は、AC/DCコンバータ120で整流された直流電圧を入力し、入力された直流電圧をLEDの駆動に適した直流電圧に降圧する。出力インターフェース140は、DC/DCコンバータ130とLEDランプ200との間の電気的な接続を提供し、例えば、DC/DCコンバータ130で降圧された12Vの直流電圧がLEDランプ200に供給される。
DC/DCコンバータ130は、AC/DCコンバータ120で整流された直流電圧を入力し、入力された直流電圧をLEDの駆動に適した直流電圧に降圧する。出力インターフェース140は、DC/DCコンバータ130とLEDランプ200との間の電気的な接続を提供し、例えば、DC/DCコンバータ130で降圧された12Vの直流電圧がLEDランプ200に供給される。
次に、LED駆動回路の典型的な回路構成を図3(a)、(b)に示す。図3(a)に示すように、入力インターフェース110は、外部からの交流電源を入力する入力端子を含む。AC/DCコンバータ120は、入力インターフェース110を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換するためのダイオードブリッジ122と、変換された直流電圧を平滑化するためのコンデンサC1とを含む。
降圧型のDC/DCコンバータ130は、AC/DCコンバータ120の出力端に直列に接続されたスイッチング素子としてのMOSFET型のトランジスタQ1と、トランジスタQ1と基準電位G(GND)間に接続されたスイッチング素子としてのMOSFET型のトランジスタQ2と、トランジスタQ1に一端が直列に接続されたインダクタLと、インダクタLの出力側の他端と基準電位間に接続されたコンデンサC2と、トランジスタQ1、Q2のスイッチングを制御する制御回路132とを含んでいる。
出力インターフェース140は、DC/DCコンバータ130の出力に接続された出力端子Voutを含み、出力端子Voutには、負荷すなわちLEDランプ200が接続される。
トランジスタQ1、Q2は、例えば、シリコン基板表面に形成されたMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ、あるいはGaN系化合物で形成されたトランジスタである。トランジスタQ1、Q2のゲートには、制御回路132からの制御信号としてパルス幅変調信号(PWM信号)が入力され、このPWM信号によりトランジスタQ1、Q2のオン・オフが制御される。すなわち、トランジスタQ1、Q2は、相補的に駆動される。トランジスタQ1、Q2がGaN系化合物トランジスタであるとき、そのスイッチング周波数を例えば数十MHz程度まで高く設定することができる。DC/DCコンバータ130の出力電圧をEout、入力電圧をEin、PWM信号のデューティをDとしたとき、Eout=Ein×Dで表される。図3(b)は、トランジスタQ2をダイオードを置換した等価回路を示している。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図4に、第2の実施例に係るLED駆動装置のDC/DCコンバータ130Aの機能的な構成を示す。同図に示すように、DC/DCコンバータ130Aは、制御回路132Aを備え、制御回路132Aは、トランジスタ駆動部150、電流供給部152、入力電圧監視部154、不揮発性メモリ156、プログラムメモリ158および入力部160を含んでいる。制御回路132Aは、例えば、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、中央処理装置などの半導体集積回路を用いて構成することができる。
プログラムメモリ158は、DC/DCコンバータの動作に必要なプログラムを格納し、制御回路132Aは、これらのプログラムを実行し、各部を制御する。トランジスタ駆動部150は、トランジスタQ1、Q2のスイッチング動作を制御するためのPWM信号を生成する。電流供給部152は、出力側に接続されるLEDランプ200の駆動電流を調整する。入力電圧監視部154は、DC/DCコンバータの入力直流電圧を監視する。不揮発性メモリ156は、LEDランプ200の駆動電流を選択するときに参照されるテーブルなどの情報を記憶する。入力部160は、入力インターフェース110または出力インターフェース140からアクセスすることが可能であり、例えば図12に示す入力または出力端子、あるいは入出力が割り当てられていない端子から制御回路132Aへの信号の印加を可能にする。
次に、第2の実施例に係るLEDランプの動作を図5のフローチャートを参照して説明する。制御回路132Aは、入力部160から一定条件の信号が印加されたか否かを監視する(ステップS101)。例えば、図12に示すモジュールの特定の入力または出力端子に、通常で使用されないような高電圧(通常の動作電圧が5Vのとき、10Vの電圧)または極性の異なる電圧(通常の電圧が正の電圧のとき負の電圧)が印加されたとき、あるいは複数の端子に通常使用されない論理の組合せの信号が印加されたとき、制御回路132Aは、駆動電流設定モードが入力されたと判定し、駆動電流設定モードのためのプログラムを実行する(ステップS102)。
制御回路132Aは、駆動電流設定モードになると、入力部160、例えば入力または出力インターフェース110、140から、LEDランプ200の駆動電流に関する電流値が入力されたか否かをを監視する(ステップS103)。すなわち、ユーザは、駆動電流設定モードにおいて、LEDランプ200の定格電流または所望の駆動電流を外部から設定することが可能になる。制御回路132Aは、電流値が入力されると、不揮発性メモリ156に記憶されていた電流値の書き換えを行い(ステップS104)、これにより、駆動電流の設定が終了される(ステップS105)。他方、電流値の入力が一定期間内にされなかった場合には、不揮発性メモリ156の電流値の書き換えは行われず、駆動電流の設定モードは終了される(ステップS105)。
電流供給部152は、不揮発性メモリ156に記憶された電流値に基づきLEDランプ200の駆動電流を調整する。電流供給部152は、例えば、トランジスタQ1またはQ2のドレインに供給される電流値を調整する。これにより、LEDランプは、定格電流で駆動され、あるいはユーザの所望の明るさで駆動される。
上記の例では、ユーザが電流値を外部から入力する例を示したが、これに限らず、例えば、図6に示すような参照テーブルを不揮発性メモリ156に用意しておき、ユーザは、そこからLEDの定格駆動電流を選択するためのビットデータを入力してもよい。電流供給部152は、選択された定格駆動電流をLEDランプ200に供給することができる。このように第2の実施例によれば、LEDランプの定格等に応じた駆動電流を簡単に設定することができ、従って、種々の定格をもつLEDランプに適応したLED駆動装置を提供しあり、ユーザの嗜好に適した明るさでLEDランプを駆動させるLED駆動装置を提供することができる。
また、上記の例では、外部の入出力端子を介して不揮発性メモリに記憶された電流値を書き換える例を示したが、これ以外に、ROMライターを用いてメモリの電流値や参照テーブルの書き換え等を行うことも可能である。
次に、本発明の第3の実施例について図7の動作フローを参照して説明する。第3の実施例では、入力直流電圧に応じてLEDランプの調光を行うものである。まず、制御回路132Aは、入力電圧監視部154を介してDC/DCコンバータの入力直流電圧を検出する(ステップS201)。制御回路132Aは、入力直流電圧に変化があると(ステップS202)、その変化量がしきい値以上であるか否かを判定する(ステップS203)。制御回路132Aは、変化量がしきい値以上と判定すると、入力直流電圧に応じた駆動電流を設定し(ステップS204)、電流供給部152は、設定された駆動電流をLEDランプ200へ供給する。
好ましくは、不揮発性メモリ156は、図8に示すような入力直流電圧Vinと駆動電流との対応関係を規定した参照テーブルを有し、制御回路132Aは、検出された入力直流電圧Vin(V1〜V5)に応じた駆動電流C1〜C4を選択し、選択された駆動電流を電流供給部152から出力させるようにしてもよい。このように第2の実施例によれば、入力直流電圧が低下したとき、それに応じて駆動電流を低下させ、反対に入力直流電圧が増加したとき、それに応じて駆動電流を増加させることで、入力直流電圧に応じたLEDランプの調光を行うことができる。なお、図8に示すような参照テーブルは、例えばROMライターを用いて不揮発性メモリに書き込むようにしてもよい。
白熱灯の調光は、入力電圧を調整して行われるのに対して、LEDの調光は、出力電流に依存する。従って、白熱灯の調光システムに、従来のLED駆動装置をそのまま適用しても、LEDの調光を行うことができない。本実施例のようにDC/DCコンバータの入力電圧に応答してLEDの出力電流を可変するようにすることで、本実施例のLED駆動装置を、既存の白熱灯の調光システムに適用することが可能になる。
次に、本発明の第4の実施例について説明する。図9は、第4の実施例に係るLED駆動装置の構成を示す図である。第4の実施例に係るLED駆動装置100Aは、入力インターフェース110、降圧型のDC/DCコンバータ130、出力インターフェース140をモジュール化するものである。入力インターフェース110は、例えば、AC/DCコンバータ120からの直流電圧を入力し、これをDC/DCコンバータ130へ提供する。DC/DCコンバータ130は、入力された直流電圧を所望の直流電圧に降圧し、出力インターフェース140は、降圧された直流電圧をLEDランプ200へ出力する。第2の実施例によれば、外部電源として直流電圧を入力することが可能な環境において実用的であり、かつ第1の実施例に比べて、モジュール化される電子部品または集積回路チップが減少するため、LED駆動装置の小型化、軽量化、薄型化をより図ることができる。
次に、本発明の第5の実施例について説明する。図10は、第5の実施例に係るLED駆動装置の構成を示す図である。第5の実施例は、LED駆動装置100Bが、LEDランプ200をモジュールに包含する。1つのモジュール内に、LED駆動装置とLEDランプが1つにモジュール化されることで、一層の小型化、軽量化を図ることが可能になる。
図11は、本実施例のLED駆動装置を用いたLED照明装置の構成例を示している。LED照明装置500は、家庭またはオフィスなどに設置された既存のソケットに接続される円筒状の電極部510と、電極部510に取り付けられた中空のガラス封止体520とを有する。ガラス封止体520内の空間522には、本実施例のモジュール化されたLED駆動装置100と、複数のLEDが搭載されたLEDランプ200とが配置される。
LED駆動装置100は、空間522の底部に収容される大きさ、形状にモジュール化され、その入力インターフェース110は、電極部510に電気的に接続される。LEDランプ200は、LED駆動装置100から供給された直流電圧によって駆動され、空間522内で発光する。発光された光は、ガラス封止体520と透過して外部を照射する。LEDからの出射光は、広がり角が比較的小さいので、ガラス封止体520にレンズ機能を持たせ、LEDの出射光が拡散されるようにしてもよい。
図12は、本実施例のLED駆動装置をモジュール化したときのパッケージの概略断面図である。図12(a)は、表面実装型のBGAパッケージ300を示している。BGAパッケージ300は、基板310と、基板310上に実装された複数の電子部品または集積回路チップ320(図面では、3つの電子部品または集積回路チップが例示されている)と、基板310上の電子部品や集積回路チップを封止する樹脂330と、基板310の底面に形成された導電性ボール(はんだボール)340とを有している。
ある1つの集積回路チップ320は、例えば、AC/DCコンバータ120のための電子回路や電子部品を構成し、ある1つの集積回路チップ320は、例えば、DC/DCコンバータ130のための電子回路や電子部品を構成することができる。あるいは、1つの集積回路チップ320は、AC/DCコンバータ120とDC/DCコンバータの双方を構成することも可能である。また、DC/DCコンバータ130の制御回路132とトランジスタQ1、Q2は、1つの集積回路チップ320に形成されてもよいし、トランジスタQ1、Q2と制御回路132は個別の集積回路チップに形成されてもよい。
さらに、電子部品320は、AC/DCコンバータ120の出力側のコンデンサC1であったり、DC/DCコンバータ130の出力側のコンデンサC2やインダクタLであることができる。コンデンサは、例えば、電解コンデンサ、フィルムコンデンサを用いることが可能である
基板上に実装された集積回路チップや電子部品320は、ボンディングワイヤなどの接続手段により基板310上に形成された配線パターンに電気的に接続される。配線パターンは、基板に形成された貫通孔を介して導電性ボール340に電気的に接続される。選択された導電性ボール340は、入力インターフェースを構成し、それは、交流電源に接続される。他の選択された導電性ボール340は、出力インターフェースを構成し、それは、LEDランプ200に接続される。
図12(b)は、集積回路チップまたは電子部品320が積層された構成のパッケージ300Aを示している。基板310上に実装された集積回路チップ320上に、他の集積回路チップまたは電子部品320a、320b、320cを搭載するようにしてもよい。
図12(c)は、複数のパッケージを積層するPOP(Package on Package)の構成を示している。同図に示すパッケージ400は、2つのパッケージを積層する。下部のパッケージは、基板410上に集積回路チップ420を実装し、集積回路チップ420は樹脂430によって封止され、基板410の底面に複数の導電性ボール440が設けられている。上部パッケージは、基板412上に、複数の集積回路チップまたは電子部品422を実装し、これらの集積回路チップまたは電子部品422は樹脂432によって封止されている。また、基板412の底面に形成された導電性ボール442は、基板410上の配線パターンに電気的に接続され、集積回路チップ420または導電性ボール440と電気的に接続される。
図12のパッケージの構成は、一例であり、BGA以外の他のタイプのパッケージ、例えば、SOP(Small Outline Package)、SOJ(Small Outline J-leaded)、QFP(Quad Flat Package)、
PLCC(Plastic leaded chip carrier)などから構成することもできる。さらにパッケージは、表面実装用に限らず、PGA、DIPなどであってもよい。
PLCC(Plastic leaded chip carrier)などから構成することもできる。さらにパッケージは、表面実装用に限らず、PGA、DIPなどであってもよい。
本実施例のLED駆動装置は、その構成要素を1つのパッケージにモジュール化することを1つの特徴とするが、ここでいうモジュール化とは、複数の集積回路チップや電子部品を物理的に1つに集合させることを意味する。LED駆動装置をモジュール化することで、好ましくは、外付けのコンデンサやインダクタを不要とし、LED照明装置の組立を容易にする。また、上記実施例において、特に第2および第3の実施例のように、LEDランプの駆動電流を制御する場合には、LED駆動装置は、必ずしもモジュール化されていなくてもよい。例えば、第2の実施例では、制御回路130Aの入出力端子からプローブピンなどを用いて直接的に不揮発性メモリのデータの書き換えなどを行うようにしてもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
100、100A:LED駆動装置
110:入力インターフェース
120:AC/DCコンバータ
122:ダイオードブリッジ
130、130A:DC/DCコンバータ
132:制御回路
140:出力インターフェース
200:LEDランプ
300:パッケージ
310;基板
320:集積回路チップまたは電子部品
330:樹脂
340:導電性ボール
400:パッケージ
410、412:基板
420、422:集積回路チップまたは電子部品
430、432:樹脂
440、442:導電性ボール
500:LED照明装置
510:電極部
520:ガラス封止体
Q1、Q2:トランジスタ
110:入力インターフェース
120:AC/DCコンバータ
122:ダイオードブリッジ
130、130A:DC/DCコンバータ
132:制御回路
140:出力インターフェース
200:LEDランプ
300:パッケージ
310;基板
320:集積回路チップまたは電子部品
330:樹脂
340:導電性ボール
400:パッケージ
410、412:基板
420、422:集積回路チップまたは電子部品
430、432:樹脂
440、442:導電性ボール
500:LED照明装置
510:電極部
520:ガラス封止体
Q1、Q2:トランジスタ
Claims (8)
- LEDを駆動するためのLED駆動装置であって、
交流電圧を直流電圧に変換する第1のコンバータと、
第1のコンバータによって変換された直流電圧を所望の直流電圧に変換する第2のコンバータとを含み、
第2のコンバータは、降圧型のDC/DCコンバータを含み、
DC/DCコンバータは、制御回路と、制御回路からの信号に応答してオン・オフのスイッチングをするトランジスタと、トランジスタに直列に接続されるインダクタと、インダクタの出力側に接続されたコンデンサとを含み、
前記制御回路は、LEDの駆動電流を可変する駆動電流調整部を含む、
LED駆動装置。 - 前記駆動電流調整部は、前記制御回路の外部から供給された信号に応じてLEDの駆動電流を可変する、請求項1に記載のLED駆動装置。
- 前記駆動電流調整部は、DC/DCコンバータに入力される直流電圧に応じてLEDの駆動電流を可変する、請求項1に記載のLED駆動装置。
- 前記駆動電流調整部は、LEDの駆動電流を選択するための参照テーブルを記憶したメモリを含む、請求項1ないし3いずれか1つに記載のLED駆動装置。
- 第1および第2のコンバータは、1つのパッケージ内にモジュール化されている、1ないし4いずれか1つに記載のLED駆動装置。
- モジュール化されたパッケージは、第1のコンバータに電力を供給するための入力端子と、LEDに電力を供給するための出力端子とを含む、請求項5に記載のLED駆動装置。
- 第1のコンバータは、交流電圧を直流電圧に変換するダイオードブリッジと、ダイオードブリップに接続されたコンデンサとを含む、請求項1に記載のLED駆動装置。
- モジュール化されたパッケージは、外付けコンデンサを含まない、請求項1ないし7いずれか1つに記載のLED駆動装置。
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2009
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