JP2011508961A5

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Publication number: JP2011508961A5
Application number: JP2010536566A
Authority: JP
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2028-12-02

Description

ＬＥＤランプ電源管理システム及び方法

本発明は、米国エネルギ省契約番号DE-FC26-05NT42342によって与えられた米国政府支援により行われた。米国政府は、本発明において特定の権利を有する。

本開示の技術分野は、電源供給、特にＬＥＤランプ電源管理システム及び方法である。

従来、白熱照明装置及び蛍光照明装置が、自動車及び他の乗り物において光源として使用されてきた。しかし、発光ダイオード（ＬＥＤ）の技術における著しい進歩は、その長動作寿命、高効率性及び小型性により、自動車における使用に関してＬＥＤを魅力的なものにしてきた。ＬＥＤは、現在、小型蛍光灯と同じくらい効率的に白色光を発生し得、効率は増加すると期待されている。ＬＥＤのエネルギ節約を完全に実現するために、これらを駆動させる電子回路も効率的でなければならない。

１つ又は限られた数の集積回路を有する複数の異なる色のＬＥＤを使用する、一般照明応用例に関する、ＬＥＤシステム・イン・モジュール（ＬＥＤ・ＳＩＭｓ）などの内蔵型ＬＥＤランプが開発されている。集積回路は、ＬＥＤランプに関する感知、駆動及び制御回路を含む。ユーザは、ランプの色及び強度を制御することが可能である。

可視スペクトルにわたる光を生成するために、異なる色のＬＥＤからの光出力は、ＬＥＤランプからの所望な色を生成させるために、特定の比率で組み合わせられ得る。例えば、１つのＬＥＤは、赤色光を生成し得、１つは緑色光を生成し得、そして、１つは青色光を生成し得る。赤−緑−青（ＲＧＢ）の組み合わせは、いかなる所望な色をも生成し得、ランプの演色性（ＣＲＩ）を調整するために、アンバ（Ａ）又は白色（Ｗ）光を生成するＬＥＤを用いて補われ得る。ＣＲＩは、いかにランプが、昼白色又は白熱ランプなどの標準照明光源と比較される場合に、オブジェクトの色を再現するかを示す。ＲＧＢＡ及びＲＧＢＷは、赤−緑−青−アンバランプ及び赤−緑−青−白色ランプをそれぞれを示し、数字の４は、ＬＥＤランプにおいて使用されるＬＥＤの色の数を示す。

４つのＬＥＤランプにおける各ＬＥＤ光源への電流は、ランプが色及びＣＲＩの全領域を含めるように個別に制御される。４つのＬＥＤランプに関する１つの電源回路は、ＬＥＤチャネルのそれぞれにおいて直接に２つのＬＥＤ光源を有する２つの並列ＬＥＤチャネルである。基本的な電子トポロジは、各チャネルを通ずる電流を制御するチャネルスイッチを有するヒステリシスバックコンバータであり得る。各チャネルを通ずる電流のパルス幅及び振幅の両方は、可変であり得る。ヒステリシス動作上限及び下限は、パルス振幅を設定する。各ＬＥＤ光源に並列なシャントスイッチは、特定のＬＥＤ光源をショートさせることにより、各ＬＥＤ光源を通ずる電流を制御する。

ヒステリシス限界は、各チャネルにおけるＬＥＤ光源のうちの１つに関するデューティサイクルを最大化するように設定され得る。チャネル電流は、所要な量の光を生成するように低減され得、この場合に、各チャネルにおける１つのＬＥＤ光源のデューティサイクルが最大化される。このことは、電子回路におけるエネルギを節約させ、そして概して高い電流でよりも低い電流でより効率的に光を発するＬＥＤによる光の効率的な生成を生じさせる。

ランプに関するＬＥＤ光源は、最適な色及びＣＲＩにおける光を生成する場合に効率であるように通常選択される、すなわち、全ての４つの光源のデューティサイクルは、最適な色及びＣＲＩにおいて大きくなる。しかし、異なる色が選択される場合に、問題が生じ、ランプは効率的でなくあり得る。例えば、白色光生成に関して設計されるＲＧＢＡランプが、青色での動作を選択される場合において、青色及び赤色ＬＥＤにおけるチャネルにおいて高い電力損失を有し得る。青色ＬＥＤ光源は、主にオンであり得、すなわち、青色ＬＥＤ光源は、高デューティサイクルを有し、赤色ＬＥＤ光源は、主にオフであり得、すなわち、低いデューティサイクルを有する。このことは、赤色ＬＥＤ光源に並列なシャントスイッチが時間のほとんどにおいて閉じられ、赤色ＬＥＤ光源の両端をショートさせチャネル電流からの電力を消失させるので、高い電力損失を生じさせ得る。１つのチャネルにおいて緑色及びアンバ色ＬＥＤ光源を有する別の例において、ユーザが低いＣＲＩを有する高い光強度を要求する場合に、緑色ＬＥＤ光源は、完全にオンであり得、アンバ色ＬＥＤ光源は、主にオフであり得る。チャネルにおけるＬＥＤ光源に対する需要の不一致は、アンバ色ＬＥＤ光源に並列なシャントスイッチからの高い電力損失を生じさせ得る。220mΩのシャントスイッチ抵抗を通ずる1Ampチャネル電流に関して、電力損失は0.22ワットである。チャネルのそれぞれにおけるＬＥＤ光源のうちの１つが主にオフである場合、２つのチャネルからの合計電力損失は、0.44ワットである。

シャントスイッチにおける電力損失は、ランプ効率を低減させるだけでなく、熱問題も生じさせる。シャントスイッチにおける電力損失は、熱に変換され、過熱による動作問題を避けるために、ランプ及びそれに関連するチップ並びに回路から、転送されなければならない。シャントスイッチの他に、２つのチャネルにおける電流レベルを制御するチャネルスイッチなどの、他の熱の供給源も存在する。生憎なことに、ランプ応用例は、多くの場合、ランプからの改善された熱伝導に関するヒートシンクの導入を可能にするために、ランプ上及び周囲において限られた空間のみを有する。ヒートシンクの欠如は、ＬＥＤランプが使用され得る応用例を制限し、ランプが動作し得る色の範囲を制限する。更に、ランプは、過熱を防ぐために、設計動作点からレベルを下げられ得る。

上述の不利な点を克服し得るＬＥＤランプ電源管理システム及び方法を有することが望ましい。

本発明の一つの態様は、ＬＥＤ制御器と、前記ＬＥＤ制御器へ動作可能に接続される複数のＬＥＤチャネルであって、当該複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、複数のＬＥＤチャネルと、を含むＬＥＤランプを提供する。前記ＬＥＤ制御器は、ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値(P_lim)を超える場合に、前記チャネルスイッチ及び前記シャントスイッチのうちの１つにおける電力損失を低減させ、チャネルスイッチのそれぞれはＬＥＤ制御器からチャネルスイッチ制御信号を受け取り、シャントスイッチのそれぞれはＬＥＤ制御器からシャントスイッチ制御信号を受け取る。

本発明の別の態様は、ＬＥＤランプ電力管理の方法であって、複数のＬＥＤチャネルを有するＬＥＤランプを設けるステップであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、ステップと、前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化するステップと、前記ＬＥＤランプ設定から前記ＬＥＤ光源のそれぞれに関する光束率を計算するステップと、前記光束率から前記チャネルスイッチ及び前記シャントスイッチに関するデューティサイクルを計算するステップと、前記デューティサイクルから前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)を計算するステップと、前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さいかを決定するステップと、前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)が前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さくない場合に、前記チャネルスイッチに関するチャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチに関するシャントスイッチ電力(P_bypass)より小さいかを決定するステップと、前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さくない場合に、前記チャネルスイッチ電力(P_main)を低減させるステップと、前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さい場合に、前記シャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させるステップと、を含む、方法を提供する。

本発明の別の態様は、ＬＥＤランプ電力管理のシステムであって、複数のＬＥＤチャネルを有するＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、ＬＥＤランプと、前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化する手段と、前記ＬＥＤランプ設定から前記ＬＥＤ光源のそれぞれに関する光束率を計算する手段と、前記光束率から前記チャネルスイッチ及び前記シャントスイッチに関するデューティサイクルを計算する手段と、前記デューティサイクルから前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)を計算する手段と、前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さいかを決定する手段と、前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)が前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さくない場合に、前記チャネルスイッチに関するチャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチに関するシャントスイッチ電力(P_bypass)より小さいかを決定する手段と、前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さくない場合に、前記チャネルスイッチ電力(P_main)を低減させる手段と、前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さい場合に、前記シャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させる手段と、を備えるシステムを提供する。

本発明の上記及び他の特徴及び有利な点は、添付の図面を参照にして、本発明の現在好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかになる。詳細な説明及び図面は、添付の請求項及びその等価物によって規定される本発明の範囲を制限するよりむしろ、本発明を単に例示するものである。

図１は、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムの概略図である。図２は、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムのフロー図である。図３−Iは、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムの別の実施例の概略図である。図３−IIは、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムの別の実施例の概略図である。

図１は、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムの概略図である。この例において、ＬＥＤランプは、二重チャネル回路の二重ＬＥＤ回路ランプであり、すなわち、ＬＥＤランプは、ＬＥＤチャネル毎に２つのシャントＬＥＤ回路を有する２つのＬＥＤチャネルを有する。

当該電力管理システムを用いるＬＥＤランプ３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）ヒステリシス制御部５０へ動作可能に接続されるマイクロコントローラ４０を有するＬＥＤ制御器５８を含み、２つのＬＥＤチャネル６０への電力を制御する。各ＬＥＤチャネル６０は、電圧部及び共通部間において直列に接続されるチャネルスイッチ６２及びＬＥＤ回路６４を有する。各チャネルスイッチ６２は、ＬＥＤチャネル６０を通ずる電流を制御するために、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０からチャネルスイッチ制御信号６３を受け取る。この例において、各ＬＥＤ回路６４は、２つのシャントＬＥＤ回路８３及び抵抗器８１と直列にあるインダクタ６６と並列にあるダイオード６７を含む。各シャントＬＥＤ回路８３は、ＬＥＤ光源８０と並列にあるシャントスイッチ６８を含む。ＬＥＤ光源８０は、所望な色すなわち波長の光を生成するために、互いに直列及び／又は並列に接続される１つ以上のＬＥＤを含む。

シャントスイッチ６８のそれぞれは、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０からシャントスイッチ制御信号６９を受け取る。シャントスイッチ６８は、関連付けられるＬＥＤ光源の光出力を制御するために、関連付けられるＬＥＤ光源の両端のチャネル電流をショートさせる。この例において、基本的な電子的トポロジは、ヒステリシスバックコンバータである。ＬＥＤ制御器５８は、ＬＥＤ光源８０に関する測定光束、初期ランプ設定、色低動作パラメータ、及び動作パラメータ限界値、などの動作データを記憶するデータ記憶部を含む。当業者は、ＬＥＤ制御器５８が、所望な機能を提供する単一の集積回路又は複数の動作可能に接続された集積回路であり得ることを理解し得る。例えば、ＬＥＤ制御器５８は、内蔵メモリを有するマイクロプロセッサを含む単一の集積回路であり得る、又は１つはマイクロプロセッサを含み、他のものがメモリを含む２つの集積回路であり得る。

各ＬＥＤ光源８０の色出力は、特定の目的に関して望まれるＬＥＤランプ３０からの光出力を生成するために選択され得る。一つの実施例において、ＬＥＤ光源は、赤−緑−青−アンバ（ＲＧＢＡ）であり得る。別の実施例において、ＬＥＤ光源は、赤−緑−青−白（ＲＧＢＷ）である。一つの実施例において、緑色及び青色光を生成するＬＥＤ光源８０は、１つのＬＥＤチャネル６０にあり、アンバ色及び赤色高を生成するＬＥＤ光源８０は、別のＬＥＤチャネル６０にあり得る。

マイクロコントローラ４０は、色コマンド信号及び調光コマンド信号などのユーザ入力信号４２を受信する。マイクロコントローラ４０は、温度センサ信号及び光学センサ信号などの、マイクロコントローラフィードバック信号４４をも受信し得る。一つの実施例において、フィードバック信号４４は、特定の応用例に関して望まれるような、温度センサ信号及び光学センサ信号などの制御フィードバック信号５２からＡＳＩＣヒステリシス制御部５０により生成される。マイクロコントローラ４０は、ハイサイド（ＨＳ）イネーブル信号４６及びローサイドパルス幅変調（ＬＳＰＷＭ）信号４８を生成し、これらの信号は、ユーザ入力信号４２及び、任意選択的にマイクロコントローラフィードバック信号４４に応答して、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０へ供給される。

ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、ＬＥＤチャネル６０のそれぞれを通ずる電流を示す電流フィードバック信号５４をも受信し、チャネルスイッチ制御信号６３を調整するために電流フィードバック信号５４に応答的である。ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、ＨＳイネーブル信号４６、ＬＳ・ＰＷＭ信号４８、電流フィードバック信号５４及び、任意選択的に制御フィードバック信号５２に応答してチャネルスイッチ制御信号６３及びシャントスイッチ制御信号６９を生成する。

動作において、ユーザは、マイクロコントローラ４０へユーザ入力信号４２を提供し、マイクロコントローラ４０は、ＨＳイネーブル信号４６及びＬＳ・ＰＷＭ信号４８を生成する。ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、ＨＳイネーブル信号４６及びＬＳ・ＰＷＭ信号４８を受信し、チャネルスイッチ制御信号６３及びシャントスイッチ制御信号６９を生成する。ＬＥＤ制御器５８は、チャネルスイッチ制御信号６３及びシャントスイッチ制御信号６９を生成する際に、以下の図２に関して説明されるＬＥＤ電力管理方法を実行し得る。図１を参照すると、チャネルスイッチ制御信号６３は、ＬＥＤチャネル６０を通ずる電流を制御するためにチャネルスイッチ６２のそれぞれへ供給され、シャントスイッチ制御信号６９は、関連付けられるＬＥＤ光源の光出力を制御するためにシャントスイッチ６８のそれぞれへ供給される。一つの実施例において、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、ＬＥＤチャネル６０からの電流フィードバック信号５４を受信し、これに応答する。別の実施例において、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、（図示されない）温度及び／又は１つ以上の光学センサからの制御フィードバック信号５２を受信し、これに応答する。当業者は、ＬＥＤ制御器５８は、特定の照明システム応用例に関して所望なシステム制御信号を受信し得る。システム制御信号は、ＤＡＬＩ又はＤＭＸプロトコルなどの有線制御スキームによって及び／又は従い、又は、Zigbeeプロトコルなどの無線制御スキームによって及び／又は従い生成され得る。一つの実施例において、ＬＥＤ制御器５８は、照明システムにおける他のランプへシステム制御信号を送信し、これにより、これらのランプに起因となるランプが生じさせたのと同じ変更を生じさせることに指示する。例えば、ＬＥＤ制御器５８は、起因となるランプにおける電力損失を低減させるために必要とされ得るように起因となるランプにおける色変更と一致させるために、部屋における他のランプに、光色出力を変更させるよう命令するシステム制御信号を送信し得る。

図２は、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムのフロー図である。ＬＥＤランプは、ある数のＬＥＤチャネルを有し、これらのそれぞれは、ある数のＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有する。ＬＥＤ回路のそれぞれは、ＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する。一つの実施例において、ＬＥＤランプは、図１に例示されるような二重チャネル回路の二重ＬＥＤ回路ランプである。別の実施例において、ＬＥＤランプは、図３に示されるような四重チャネル回路の単一ＬＥＤ回路ランプである。

図２を参照すると、方法２００は、２０１において開始し、そして、ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化するステップ２０２と、ＬＥＤランプ設定からＬＥＤ光源のそれぞれに関する光束率（lumen fractions）を計算するステップ２０４と、光束率からシャントスイッチに関するデューティサイクルを計算するステップ２０６と、デューティサイクルからＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)を計算するステップ２０８と、を含む。ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)は、ＬＥＤランプ電子回路における電力損失を表わし、ＬＥＤ光源における電力損失を含まない。方法２００は、前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さいかを決定するステップ２１０で継続する。前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)が前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さくない場合に、チャネルスイッチ電力(P_main)がシャントスイッチ電力(P_bypass)より小さいかが決定される。前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さくない場合に、前記チャネルスイッチ電力(P_main)は低減させられ２１４、方法２００は、更新された光束率を計算するステップ２０４を用いて継続し得る。前記チャネルスイッチ電力(P_main)が前記シャントスイッチ電力(P_bypass)より小さい場合に、前記シャントスイッチ電力(P_bypass)は低減させられ２１６、方法２００は、更新された光束率２０４を計算するステップを用いて継続し得る。

ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値 (P_lim)より小さい場合に、通常の動作が継続し得る２１８。一つの実施例において、ＬＥＤランプの温度は、測定された温度(T_meas)が温度限界値(T_lim)より低いかを決定するために監視され得る。測定された温度(T_meas)が温度限界値(T_lim)より低くない場合、調光コマンドが、ＬＥＤランプ光出力を低減させるために調整され得２２１、方法２００は、調光されたＬＥＤランプに関する更新光束率を計算するステップ２０４へと継続し得る。当業者は、測定温度(T_meas)は、ＣＲＩ及び／又は色温度を特定の応用例に関して望まれるように変更することによっても低減され得ることを理解し得る。測定された温度(T_meas)が温度限界値(T_lim)より低い場合、通常の動作が継続され得る２１８。一つの実施例において、方法２００は、ユーザ入力変更２２２を監視するステップへと継続し得る。ユーザ入力変更が存在する場合、方法２００は、新しいユーザ入力に関して更新光束率を計算するステップ２０４へ継続し得る。何のユーザ入力変更も存在しない場合、通常の動作が継続し得る２１８。当業者は、温度監視ステップ２２０及び／又はユーザ入力監視ステップ２２２が特定の応用例に関して望ましいように、省略され得ることを理解し得る。個別のＬＥＤの色の光束、ＬＥＤランプ光色、又はＬＥＤランプ光品質などの追加的な動作パラメータが、所望である場合に監視され得る。

ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化するステップ２０２は、色設定、及び調光設定などのＬＥＤランプ設定を初期化するステップを含む。初期値は、製造者若しくは設計者によって事前決定され得る、又は以前の使用からの記憶されたユーザ入力であり得る。

デューティサイクルからＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)を計算するステップは、チャネルスイッチ及びシャントスイッチなどに関する個別の電力損失を計算するステップ、及び、ＬＥＤランプに関する全ＬＥＤランプ電子回路電力損失(P_loss)を計算するステップ、を含み得る。

チャネルスイッチ電力(P_main)を低減させるステップ２１４は、チャネルスイッチのスイッチング周波数を低減させるように、ＬＥＤランプを調光する及び／又は１つ以上のＬＥＤチャネルのヒステリシス窓を拡げるための、１つ以上のＬＥＤチャネルを通ずるＬＥＤチャネル電流を低減させる動作を含み得る。ヒステリシス窓を拡げることは、ＬＥＤ光源を通ずる同じ平均電流をより低い周波数において維持する。このことは、しかし、低減された周波数における波形がＬＥＤランプを較正するために使用される波形とは異なり得るので、小さい色シフトを生じさせ得る。当業者は、チャネルスイッチ電力(P_main)における低減の量が特定の応用例に関して望まれるように選択され得ることを理解し得る。

チャネルスイッチ電力(P_main)を低減させるのに取られる動作は、異なる順序及び程度で取られ得る。ＬＥＤチャネル電流低減及びヒステリシス窓の拡大による調光は、特定の応用例に関して望まれるように個別に又は組み合わされて使用され得る。一つの実施例において、照明設計者は、動作の好ましい順序、すなわち、１つ以上のＬＥＤチャネルを通ずるＬＥＤチャネル電流の低減又はヒステリシス窓の拡大のいずれかが最初に実行されるか、を特定し得る。別の実施例において、動作の好ましい順序は、製造者によって事前決定される。更に別の実施例において、第１の動作は、第１限界値が到達されるまで実行され得、その後、第２の動作が、第２限界値が到達されるまで実行され得、その後、第１の動作が、再び実行され得る。例えば、ＬＥＤチャネル電流は、光出力が第１限界値より下になるまで低減され、その後、ヒステリシス窓は、色が第２限界値に達するまで拡げられ得、その後、ＬＥＤチャネル電流は、更に低減され得る。当業者は、異なる対処法が特定の応用例に関して適切でなくあり得ることを理解し得る。例えば、ＬＥＤランプを調光することは、最小の光束が必要とされ、ＬＥＤランプが既に最小値での動作をしている場合に、望ましくなくあり得る。別の実施例において、ヒステリシス窓を拡げるステップは、一定光色が必要とされる場合に、望ましくあり得ない。

シャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させるステップ２１６は、ＬＥＤランプを調光するために１つ以上のＬＥＤチャネルを通ずるＬＥＤチャネル電流を低減させるステップ、１つ以上のＬＥＤチャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを均一化させるために光色を変更するステップと、及び／又は、１つ以上のＬＥＤチャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを均一化させるために、演色性指数（ＣＲＩ）を変更するステップ、を含み得る。各ＬＥＤチャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを均一化させるために光色を変更するステップは、ＬＥＤチャネルを通ずる電流の低減が、各チャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを最大化させることを可能にする。各ＬＥＤチャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを均一化させるために演色性指数（ＣＲＩ）を変更するステップは、ＬＥＤチャネルを通ずる電流の低減が、各ＬＥＤチャネルにおけるＬＥＤ光源のデューティサイクルを最大化させる一方で、ＬＥＤランプに関して同一の色点及び強度を維持することを可能にさせる。当業者は、シャントスイッチ電力(P_bypass)における低減の量が特定の応用例に関して所望であるように選択され得ることを理解し得る。

シャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させるための動作は、異なる順序及び程度で取られ得る。ＬＥＤチャネル電流低減による調光、スイッチング周波数を低減するステップ、光色を変更するステップ及び／又は演色性指数（ＣＲＩ）を変更するステップは、特定の応用例に関して個別に又は組み合わされて使用され得る。一つの実施例において、照明設計者は、動作の好ましい順序、すなわち、ＬＥＤチャネル電流を低減させるステップ、スイッチング周波数を低減させるステップ、光色を変更させるステップ、又は演色性指数（ＣＲＩ）を変更させるステップのいずれかが最初に行われるか、を特定し得る。別の実施例において、動作の好ましい順序は、製造者によって事前決定される。更に別の実施例において、第１の動作は、第１限界値が到達されるまで実行され得、その後、第２の動作が、第２限界値が到達されるまで実行され得、その後、第１の動作が、再び実行され得る。例えば、ＬＥＤチャネル電流は、光出力が第１限界値より下になるまで低減され、その後、光色は、色が第２限界値に到達するまで変更され得、その後、ＬＥＤチャネル電流は更に低減され得る。様々な動作が、所望ないずれかの順序で及びいずれかの程度で実行され得る。当業者は、異なる対処法が特定の応用例に関して適切でなくあり得ることを理解し得る。例えば、ＬＥＤランプを調光することは、最小の光束が必要とされ、ＬＥＤランプが既に最小値での動作をしている場合に、望ましくなくあり得る。別の実施例において、光色を変更させるステップは、一定光色が必要とされる場合に、望ましくあり得ない。更に別の実施例において、演色性指数（ＣＲＩ）を変更させるステップは、特定の色外観が必要とされる場合に、望ましくあり得ない。

ＬＥＤランプ電子回路電力損失（P_loss）がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値（P_lim）より小さい場合の通常の動作２１８において、ユーザ入力及びＬＥＤランプの動作パラメータは、監視され得る。測定される温度（T_meas）が温度限界値（T_lim）より小さいことを決定するために、ＬＥＤランプの測定された温度（T_meas）を監視するステップは、例えば、ＬＥＤランプへ熱的に結合されたサーミスタ、負性温度係数（NTC）サーミスタ、又はサーモカップルなどの温度センサを用いてＬＥＤランプの測定される温度（T_meas）を監視するステップを含む。測定される温度（T_meas）は、温度センサの位置及び熱的結合に依存して、ＬＥＤランプ電子回路における電力損失及び／又はＬＥＤ光源における電力損失に対応し得る。別の実施例において、ＬＥＤランプの測定温度（T_meas）を監視するステップは、マイクロコントローラにおける動作パラメータからの測定温度（T_meas）を推定するステップを含み得る。測定温度（T_meas）が温度限界値（T_lim）より小さくない場合に調光コマンドを調整するステップ２２１は、調光コマンドを、調光器ＬＥＤランプ設定へ測定温度（T_meas）が温度限界値（T_lim）を越える量に関して比例的に調整するステップを含み得る。ユーザ入力変更に関して監視するステップ２２２は、新しいＬＥＤランプ設定に関する、例えば色コマンド信号又は調光コマンド信号における変更などの、ユーザ入力変更に関して監視するステップを含み得る。光束率は、新しいＬＥＤランプ設定に関してより低い温度及び／又は新しいユーザ入力を生成するために、調光されるＬＥＤランプ設定に関して計算され得る２０４。

当業者は、ＬＥＤランプの動作パラメータは、特定の応用例に関して望まれるように、ＬＥＤランプ電子回路電力損失（P_loss）がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値（P_lim）より大きいか又は等しい場合にも監視され得ることを理解し得る。例えば、チャネルスイッチ電力（P_main）を低減させるステップ２１４又はシャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させるステップ２１６の補正策は、ＬＥＤランプ電子回路電力損失（P_loss）がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値（P_lim）より小さいことを保証するためには不十分であり得る。測定温度（T_meas）が温度限界値（T_lim）よりも小さくない場合及び補正策がＬＥＤランプ電子回路電力損失（P_loss）をＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値（P_lim）よりも下に低減させるのに十分でない場合、ＬＥＤランプの測定温度（T_meas）は監視され、調光コマンドは調整され得る。一つの実施例において、ＬＥＤランプの動作パラメータは、マイクロコントローラが補正策が不十分であると決定する場合に監視され得る。別の実施例において、ＬＥＤランプの動作パラメータは、チャネルスイッチ電力を低減するステップ２１４及び／又はシャントスイッチ電力(P_bypass)を低減させるステップ２１６の補正策が、ＬＥＤランプ電子回路電力損失（P_loss）がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値（P_lim）より下に低減されることなく、所定の回数実行された場合に、監視され得る。

図３は、本発明に従うＬＥＤランプ電力管理システムの別の実施例の概略図であり、ここでは同様な参照符号は、図１と同様な参照符号を共有する。この例において、ＬＥＤランプは、四重チャネル回路の単一ＬＥＤ回路ランプである、すなわち、ＬＥＤランプは、ＬＥＤチャネル毎に１つのシャントＬＥＤ回路を備える４つのＬＥＤチャネルを有する。異なる色のＬＥＤ光源は、電流がＬＥＤの色のそれぞれに関して制御され得るように、ＬＥＤチャネルのそれぞれにおいて設けられ得る。シャントスイッチへの電力損失は、ＬＥＤチャネルを通ずる電流が、特定の色が必要とされない場合にＬＥＤチャネルに関するチャネルスイッチを用いてオフにされ得るので、最小化される。

当該電源管理システムを用いるＬＥＤランプ３０は、４つのＬＥＤチャネル６０への電力を制御する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）ヒステリシス制御部５０へ動作可能に接続されるマイクロコントローラ４０を有するＬＥＤ制御器５８を含む。各ＬＥＤチャネル６０は、電圧部及び共通部間において直列に接続されるチャネルスイッチ６２及びＬＥＤ回路６４を有する。各チャネルスイッチ６２は、ＬＥＤチャネル６０を通ずる電流を制御するために、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０からチャネルスイッチ制御信号６３を受け取る。この例において、各ＬＥＤ回路６４は、シャントスイッチ６８と直列にあるインダクタ６６と並列にあるダイオード６７を含む。各シャントスイッチ６８は、ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０からのシャントスイッチ制御信号６９を受信し、そして、ＬＥＤ光源８０と並列に接続される。シャントスイッチ６８は、関連付けられるＬＥＤ光源の光出力を制御するために、関連付けられるＬＥＤ光源の両端のチャネル電流をショートさせる。この例において、基本的な電子的トポロジは、ヒステリシスバックコンバータである。各ＬＥＤチャネル６０に関するインダクタ６６は、このＬＥＤチャネル６０における特定のＬＥＤ６０に関する所望なスイッチング周波数を提供するために寸法決めされ得る。一つの実施例において、ＬＥＤチャネル６０のそれぞれにおけるＬＥＤ光源８０は、異なる色の光を生成し得る。

動作において、ユーザは、ユーザ入力信号４２をマイクロコントローラ４０へ提供し、マイクロコントローラ４０は、ＨＳイネーブル信号４６及びＬＳ・ＰＷＭ信号４８を生成する。ＡＳＩＣヒステリシス制御部５０は、ＨＳイネーブル信号４６及びＬＳ・ＰＷＭ信号４８を受信し、チャネルスイッチ制御信号６３及びシャントスイッチ制御信号６９を生成する。ＬＥＤ制御器５８は、チャネルスイッチ制御信号６３及びシャントスイッチ制御信号６９を生成する際に、上述の図２に関連して説明されるＬＥＤ電力管理方法を実行し得る。図３を参照すると、チャネルスイッチ制御信号６３は、ＬＥＤチャネル６０を通ずる電流を制御するためにチャネルスイッチ６２のそれぞれへ供給され、シャントスイッチ制御信号６９は、関連付けられるＬＥＤの光出力を制御するために、シャントスイッチ６８のそれぞれへ供給される。

一つの実施例において、各ＬＥＤチャネル６０に関するインダクタ６６は、２つ以上のインダクタを含み、これらのインダクタのうちの一つは高電流で飽和するように寸法決めされる。電流は、最適な色及びＣＲＩで白色光を生成する所望な動作点における通常の動作においてハイであり、したがって、各ＬＥＤチャネル６０における１つのインダクタは、通常、飽和される。設計動作点とは異なる色及び／又はＣＲＩにおける動作などの、ＬＥＤチャネル６０における電流がローである場合、各ＬＥＤチャネル６０における１つのインダクタは、不飽和になる。このことは、インダクタ６６の全インダクタンスを増加させ、ＬＥＤチャネル６０に関するスイッチング周波数を低減させる。各ＬＥＤチャネル６０に関するインダクタ６６の２つ以上のインダクタは、ヒステリシス窓がＬＥＤチャネル６０を通ずる電流レベルの一定パーセントであるように選択され得る一方で、スイッチング周波数を合理的な範囲になお維持するように、選択され得る。例えば、電流が10の因数により低められ、ヒステリシス窓をなお平均電流の10%に維持することが望ましい場合、スイッチング周波数は、何の飽和可能インダクタも使用されない場合、10の因数だけ上昇し得る。しかし、非飽和インダクタの値の9倍の値を有する飽和可能インダクタを使用することによって、全インダクタンスは、（インダクタが不飽和になる場合に）低電流レベルにおける元の値の10倍へ増加し得る。このことは、スイッチング周波数が、所望されるように、変更されないようにさせる。

本文書で開示される本発明の実施例は、現在好ましいと考えられる一方で、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正態様が行われ得る。本発明の範囲は、添付の請求項に示されており、等価物の意味及び範囲内に含まれる全ての変更は、その範囲に包含されることを意図される。

Claims

ＬＥＤ制御器と、
前記ＬＥＤ制御器へ動作可能に接続される複数のＬＥＤチャネルであって、当該複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、複数のＬＥＤチャネルと、
を含み、
前記ＬＥＤ制御器は、ＬＥＤランプ電子回路電力損失がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値を超える場合に、前記チャネルスイッチ及び前記シャントスイッチのうちの１つにおける電力損失を低減させる、
ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ制御器は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）ヒステリシス制御部へ動作可能に接続されるマイクロコントローラを含む、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ光源のそれぞれは、異なる色の光を生成する、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが、更に、前記シャントＬＥＤ回路と直列にあるインダクタ及び抵抗器と、前記インダクタ、前記抵抗器及び前記シャントＬＥＤ回路と並列にあるダイオードと、を含む、ＬＥＤランプ。
請求項４に記載のＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれにおけるインダクタは、直列にある複数のインダクタであり、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つは、設計動作点での通常動作において飽和するように寸法決めされる、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ制御器は、色コマンド信号及び調光コマンド信号からなる群から選択されるユーザ入力信号に応答する、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記チャネルスイッチのそれぞれは、前記ＬＥＤ制御器からチャネルスイッチ制御信号を受け取り、前記ＬＥＤ制御器は、前記チャネルスイッチ制御信号を調整するために前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれからの電流フィードバック信号に応答する、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ制御器は、温度センサ信号及び光学センサ信号からなる群から選択される制御フィードバック信号に応答する、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルは、第１シャントＬＥＤ回路及び第２シャントＬＥＤ回路を有する第１ＬＥＤチャネルと、第３シャントＬＥＤ回路及び第４シャントＬＥＤ回路を有する第２ＬＥＤチャネルと、を含む、ＬＥＤランプ。
請求項１に記載のＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルは、第１シャントＬＥＤ回路を有する第１ＬＥＤチャネルと、第２シャントＬＥＤ回路を有する第２ＬＥＤチャネルと、第３シャントＬＥＤ回路を有する第３ＬＥＤチャネルと、第４シャントＬＥＤ回路を有する第４ＬＥＤチャネルと、を含む、ＬＥＤランプ。
ＬＥＤランプ電力管理の方法であって、
複数のＬＥＤチャネルを有するＬＥＤランプを設けるステップであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、設けるステップと、
前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化するステップと、
前記ＬＥＤランプ設定から前記ＬＥＤ光源のそれぞれに関する光束率を計算するステップと、
前記光束率から前記シャントスイッチに関するデューティサイクルを計算するステップと、
前記デューティサイクルから前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失を計算するステップと、
前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値より小さいかを決定するステップと、
前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失が前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値より小さくない場合に、前記チャネルスイッチに関するチャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチに関するシャントスイッチ電力より小さいかを決定するステップと、
前記チャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチ電力より小さくない場合に、前記チャネルスイッチ電力を低減させるステップと、
前記チャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチ電力より小さい場合に、前記シャントスイッチ電力を低減させるステップと、
を含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記チャネルスイッチ電力を低減させるステップは、ＬＥＤチャネル電流を低減させるステップ及びヒステリシスウィンドウを拡げるステップからなる群から選択される、前記複数のＬＥＤチャネルのうちの少なくとも１つに関する動作を決定するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記チャネルスイッチ電力を低減させるステップは、照明設計者によって特定される所望の順序及び製造者によって特定される所定の順序からなる群から選択される順序で動作を実行するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記チャネルスイッチ電力を低減させるステップは、第１制限値が到達されるまで第１動作を実行し、その後第２動作を実行するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記シャントスイッチ電力を低減させるステップは、ＬＥＤチャネル電流を低減するステップ、光の色を変更するステップ、及び演色性（ＣＲＩ）を変更するステップからなる群から選択される、前記複数のＬＥＤチャネルのうちの少なくとも１つに関する動作を実行するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記シャントスイッチ電力を低減させるステップは、照明設計者によって特定される所望の順序及び製造者によって特定される所定の順序からなる群から選択される順序で動作を実行するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、前記シャントスイッチ電力を低減させるステップは、第１制限値が到達されるまで第１動作を実行し、その後第２動作を実行するステップを含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、更に、
前記ＬＥＤランプの測定温度が温度限界値より小さいかを決定するステップと、
前記ＬＥＤランプの前記測定温度が前記温度限界値より小さくない場合に、前記ＬＥＤランプに関する調光コマンドを調整するステップと、
を含む、方法。
請求項１１に記載の方法であって、更に、ユーザ入力変更に関して監視するステップを含む、方法。
請求項１９に記載の方法であって、更に、前記ユーザ入力変更が検出される場合に、システム制御信号を照明システムにおける他のランプへ送信するステップを含む、方法。
ＬＥＤランプ電力管理のシステムであって、
複数のＬＥＤチャネルを有するＬＥＤランプであって、前記複数のＬＥＤチャネルのそれぞれが少なくとも１つのシャントＬＥＤ回路と直列にあるチャネルスイッチを有し、前記シャントＬＥＤ回路がＬＥＤ光源と並列にあるシャントスイッチを有する、ＬＥＤランプと、
前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ設定を初期化する手段と、
前記ＬＥＤランプ設定から前記ＬＥＤ光源のそれぞれに関する光束率を計算する手段と、
前記光束率から前記シャントスイッチに関するデューティサイクルを計算する手段と、
前記デューティサイクルから前記ＬＥＤランプに関するＬＥＤランプ電子回路電力損失を計算する手段と、
前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失がＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値より小さいかを決定する手段と、
前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失が前記ＬＥＤランプ電子回路電力損失限界値より小さくない場合に、前記チャネルスイッチに関するチャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチに関するシャントスイッチ電力より小さいかを決定する手段と、
前記チャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチ電力より小さくない場合に、前記チャネルスイッチ電力を低減させる手段と、
前記チャネルスイッチ電力が前記シャントスイッチ電力より小さい場合に、前記シャントスイッチ電力を低減させる手段と、
を備えるシステム。