JP2012054462A - Ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ調光用のスイッチを高周波でオンオフさせる場合でもＬＥＤに一定レベルのパルス電流を出力できるＬＥＤ駆動回路。
【解決手段】入力電圧を別の電圧に変換する電圧変換部1、複数のＬＥＤを直列接続してなる第１ＬＥＤ群LED1〜LEDn、ＬＥＤ調光用信号に応じてスイッチングすることにより電圧変換部から第１ＬＥＤ群に印加される別の電圧を断続させるスイッチング素子Q1、第１ＬＥＤ群に流れる電流を検出する電流検出抵抗Rs、スイッチング素子Q1に同期してオンオフ動作するスイッチング素子Q2と整流素子D1とが並列接続され、各々の一端が電流検出抵抗に接続される並列回路、スイッチング素子Q2と整流素子D1の各々の他端が接続され、電流検出抵抗に発生した電圧を保持する電圧保持部C1、電圧保持部で保持された電圧に基づき第１ＬＥＤ群に印加される別の電圧を制御する制御部6を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ駆動回路に関し、特に、ＬＥＤ調光の技術に関する。

従来、直列に接続された複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させるＬＥＤ駆動回路として、例えば特許文献１が知られている。

図５に示す特許文献１には、温度や電源電圧の変動、素子ばらつきの影響を抑えて一定レベルのパルス電流を出力できるＬＥＤ等の発光素子の駆動回路が開示されている。この駆動回路において、ＭＯＳトランジスタ１００（ＬＥＤ調光用のスイッチ）がオンしたとき、スイッチング電源６００からＬＥＤ７１〜７ｎへ電力が供給され、ＬＥＤ７１〜７ｎの電流が抵抗２００により検出される。この検出信号Ｓｆｂと目標信号Ｓｒｅｆとの誤差信号Ｓｅｒｒが誤差信号生成部３００において生成され、信号保持部４００において平均化される。

平均化された誤差信号ＳｅｒｒＡに応じて、ＬＥＤ７１〜７ｎへの供給電力が制御される。ＭＯＳトランジスタ１００がオンからオフへ変化するとき、ＬＥＤ７１〜７ｎへの電力供給が停止され、誤差信号ＳｅｒｒＡが信号保持部４００において保持される。ＭＯＳトランジスタ１００がオフからオンへ変化するとき、保持された誤差信号ＳｅｒｒＡの信号レベルを初期レベルとして、誤差信号ＳｅｒｒＡの平均化が開始される。

特許文献１では、ＭＯＳトランジスタ６０１のスイッチング周波数は、ＭＯＳトランジスタ１００のスイッチング周波数よりも十分に高くなるように制御される。

特開２００４−１４７４３５号公報

しかしながら、前述したＬＥＤ駆動回路を液晶テレビジョンのバックライトなどに使用する場合には、ノイズ対策などにより、ＭＯＳトランジスタ１００を高周波（例えば数十ｋＨｚ）で制御する場合がある。

このような場合には、ＭＯＳトランジスタ６０１はＭＯＳトランジスタ１００を制御している高周波以上の高周波によってオンオフ動作させる必要がある。このため、半導体素子の特性上、ＭＯＳトランジスタ６０１を高周波でオンオフ動作させることが不可能となる場合がある。

本発明の課題は、ＬＥＤ調光用のスイッチを高周波でオンオフさせる場合でもＬＥＤに一定レベルのパルス電流を出力できるＬＥＤ駆動回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ駆動回路は、入力電圧を別の電圧に変換する電圧変換部と、複数のＬＥＤを直列接続してなる第１ＬＥＤ群と、ＬＥＤ調光用信号に応じてスイッチングすることにより、前記電圧変換部から前記第１ＬＥＤ群に印加される前記別の電圧を断続させる第１スイッチング素子と、前記第１ＬＥＤ群に流れる電流を検出する電流検出抵抗と、前記第１スイッチング素子に同期してオンオフ動作する第２スイッチング素子と整流素子とが並列接続され、各々の一端が前記電流検出抵抗に接続される並列回路と、前記第２スイッチング素子と前記整流素子の各々の他端が接続され、前記電流検出抵抗に発生した電圧を保持する電圧保持部と、前記電圧保持部で保持された電圧に基づき前記第１ＬＥＤ群に印加される前記別の電圧を制御する制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２スイッチング素子が共にオンしたときには、第１及び第２スイッチング素子に電流が流れ、電圧保持部には電流検出抵抗に印加される電圧が充電される。第１及び第２スイッチング素子が共にオフしたときには、整流素子は逆バイアス状態となるため、電圧保持部に充電された電圧は保持される。即ち、第１及び第２スイッチング素子のオン／オフに関わらず、電圧保持部には電流検出抵抗に印加される電圧のピーク値が保持される。

このため、ＬＥＤ調光用のスイッチを高周波でオンオフさせる場合でもＬＥＤに一定レベルのパルス電流を出力できる。

本発明の実施例１のＬＥＤ駆動回路の構成図である。 本発明の実施例１の動作を示す波形図である。 本発明の実施例２のＬＥＤ駆動回路の構成図である。 本発明の実施例３のＬＥＤ駆動回路の構成図である。 従来のＬＥＤ駆動回路の具体例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動回路を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、ＰＷＭ調光用のスイッチング素子に同期したスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列接続されたダイオードとを用いて、電圧ピークを保持するようにしたことを特徴とする。

図１は本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動回路の構成図である。図１において、電圧変換部１は、入力電圧を昇圧して別の電圧に変換するもので、昇圧リアクトルＬ０とＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ０とダイオードＤ０と平滑コンデンサＣ０とから構成されている。

昇圧リアクトルＬ０の一端には直流電源Ｖｉｎの電圧が印加され、昇圧リアクトルＬ０の他端にはダイオードＤ０のアノードとスイッチング素子Ｑ０のドレインとが接続されている。スイッチング素子Ｑ０のソースは接地され、ゲートはコンパレータＣＭＰの出力端子に接続されている。ダイオードＤ０のカソードはコンデンサＣ０の一端とＬＥＤ１のアノードに接続され、コンデンサＣ０の他端は接地されている。スイッチング素子Ｑ０は、ＰＷＭ制御部６によりオンオフされて、直流電源Ｖｉｎの電圧は昇圧されて、直列接続されたＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加される。

ＬＥＤｎのカソードは、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１を介して電流検出抵抗Ｒｓに接続される。オフ遅延回路２は、パルス信号からなるＬＥＤ調光用信号Ｖpulseのオフ時間を第１所定時間遅延させてスイッチング素子Ｑ１（第１スイッチング素子）のゲートに出力する。

スイッチング素子Ｑ１は、ＬＥＤのＰＷＭ調光用のスイッチであり、オフ遅延回路２でオフ時間が遅延されたＬＥＤ調光用信号Ｖpulseに応じてスイッチングすることにより、電圧変換部１からＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加される別の電圧を断続させる。

スイッチング素子Ｑ１のソースと電流検出抵抗Ｒｓとの間にはＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ２（第２スイッチング素子）のソースとダイオードＤ１（整流素子）のアノードとが接続され、スイッチング素子Ｑ２のドレインとダイオードＤ１のカソードとはコンデンサＣ１（電圧保持部）の一端と増幅器ＡＭＰの一方の入力端子に接続される。

スイッチング素子Ｑ２のゲートにはオン遅延回路３が接続される。オン遅延回路３は、パルス信号からなるＬＥＤ調光用信号Ｖpulseのオン時間を所定時間遅延させてスイッチング素子Ｑ２のゲートに出力する。スイッチング素子Ｑ２は、オン遅延回路３でオン時間が遅延されたＬＥＤ調光用信号Ｖpulseに応じてスイッチングすることにより、コンデンサＣ１の電圧ピークを保持させる。

電圧比較部５は、増幅器ＡＭＰと基準電源Ｖrefとで構成され、増幅器ＡＭＰは、基準電源Ｖrefの基準電圧とコンデンサＣ１の電圧との誤差電圧を増幅してＰＷＭ制御部６に出力する。

ＰＷＭ制御部６（制御部）は、三角波発生器ＳＴとコンパレータＣＭＰとから構成されている。コンパレータＣＭＰは、増幅器ＡＭＰからの誤差電圧と三角波発生器ＳＴで発生した三角波信号とを比較してパルス信号を生成してスイッチング素子Ｑ０のゲートに印加する。

また、コンパレータＣＭＰは、増幅器ＡＭＰからの誤差電圧の値に応じてスイッチング素子Ｑ０に印加されるパルス信号のオンオフのデューティ比を制御することにより、ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加される電圧を制御する。

なお、本発明はオフ遅延回路２、オン遅延回路３を設けず、スイッチング素子Ｑ２をスイッチング素子Ｑ１と同期させてオンオフ動作させても良い。

次に、実施例１のＬＥＤ駆動回路の動作を説明する。最初に、オフ遅延回路２、オン遅延回路３を設けず、スイッチング素子Ｑ２をスイッチング素子Ｑ１と同期させてオンオフ動作させる場合について説明する。

まず、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオンしたときには、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に電流が流れ、コンデンサＣ１には電流検出抵抗Ｒｓに印加される電圧が充電される。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオフしたときには、ダイオードＤ１は逆バイアス状態となり、コンデンサＣ１に充電された電圧は保持される。即ち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフに関わらず、コンデンサＣ１には電流検出抵抗Ｒｓに印加される電圧のピーク値が保持される。このため、ＬＥＤ調光用のスイッチング素子Ｑ１を高周波でオンオフさせる場合でもＬＥＤに一定レベルのパルス電流を出力できる。

次に、オフ遅延回路２、オン遅延回路３を設けた実施例１のＬＥＤ駆動回路の動作を説明する。

オフ遅延回路２は、ＬＥＤ調光用信号Ｖpulseのオフ時間を所定時間遅延させてスイッチング素子Ｑ１のゲートに出力し、オン遅延回路３は、ＬＥＤ調光用信号Ｖpulseのオン時間を所定時間遅延させてスイッチング素子Ｑ２のゲートに出力する。

このため、図２（ａ）に示すように、スイッチング素子Ｑ２のオン幅（スイッチング素子Ｑ２のゲート信号Ｑ２ｇ）は、スイッチング素子Ｑ１のオン幅（スイッチング素子Ｑ１のゲート信号Ｑ１ｇ）よりも少し短く制御される。

即ち、スイッチング素子Ｑ２がオンで、スイッチング素子Ｑ１がオフの状態になることを防止することで、コンデンサＣ１の電荷が放電されて電圧ピークが保持できなくなるのを防止することができる。

このようにスイッチング素子Ｑ２のオン幅は、スイッチング素子Ｑ１のオン幅よりも短く制御されるため、ＬＥＤ調光用信号Ｖpulseの周波数が高くなると、図２（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｑ２は常にオフ状態となり、コンデンサＣ１への充電が行えなくなる。

これを防止するために、スイッチング素子Ｑ２に並列にダイオードＤ１が接続されている。あるいは、ダイオードＤ１の代わりに、スイッチング素子Ｑ２がＭＯＳＦＥＴである場合には、スイッチング素子Ｑ２の寄生ダイオードを用いても良い。

これにより、スイッチング素子Ｑ２が常にオフである場合でもコンデンサＣ１への充電が行える。また、ＬＥＤ調光用信号Ｖpulseのデューティ比が小さくなった場合でもスイッチング素子Ｑ２は常にオフとなるが、この場合にもダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１へ充電が行われる。
さらに、電圧比較部５は、コンデンサＣ１に印加される電圧と、ＬＥＤ電流のパルス波高値に対応する基準電源Ｖrefの基準電圧との誤差電圧を増幅する。ＰＷＭ制御部６は、電圧比較部５からの誤差電圧に基づき、スイッチング素子Ｑ０のＰＷＭ制御を行い、ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加される電圧を制御する。即ち、ＬＥＤ調光用信号Ｖpulseの周波数に関係なく動作するため、ＬＥＤ調光用のスイッチング素子Ｑ１を高周波でオンオフさせる場合でもＬＥＤに一定レベルのパルス電流を出力できる。

図３は本発明の実施例２のＬＥＤ駆動回路の構成図である。図３に示す実施例２のＬＥＤ駆動回路は、図１に示す実施例１のＬＥＤ駆動回路の構成に、さらに、電力供給手段１０、バランス用トランスＴ１を設けたことを特徴とする。

電力供給手段１０は、正弦波状の交番電流を供給するために、直流電源Ｖｉｎの両端に、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子ＱＨとＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子ＱＬとの直列回路が接続されている。

スイッチング素子ＱＨとスイッチング素子ＱＬとの接続点にトランスＴの１次巻線Ｎｐと電流共振コンデンサＣｒｉとの直列共振回路が接続されている。トランスＴは、漏れインダクタンスＬｒ１，Ｌｒ２を有する。ＬｐはトランスＴの励磁インダクタンスである。スイッチング素子ＱＬとスイッチング素子ＱＨとが交互にオンオフすることでトランスＴの２次巻線Ｎｓ１から漏れインダクタンスＬｒ１と電流共振コンデンサＣｒｉ又はＬｒ１、ＬｐとＣｒｉで共振した正弦波状の交番電流を供給することができる。

トランスＴは、１次巻線Ｎｐと第１の２次巻線Ｎｓ１と第２の２次巻線Ｎｓ２とを有している。第１の２次巻線Ｎｓ１の一端にはバランス用トランスＴ１の第１巻線Ｎ１の一端が接続され、第１巻線Ｎ１の他端にはダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２の一端と直列接続されたＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ（第１ＬＥＤ群）とが接続される。ダイオードＤ２（第１整流素子）とコンデンサＣ２（第１平滑素子）とは第１整流平滑回路を構成する。

第１の２次巻線Ｎｓ１の一端にはバランス用トランスＴ１の第２巻線Ｎ２の一端が接続され、第２巻線Ｎ２の他端にはダイオードＤ３を介してコンデンサＣ３の一端と直列接続されたＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎ（第２ＬＥＤ群）とが接続される。ダイオードＤ３（第２整流素子）とコンデンサＣ３（第２平滑素子）とは第２整流平滑回路を構成する。ＬＥＤ１ｎ，２ｎのカソードは、スイッチング素子Ｑ１を介して電流検出抵抗Ｒｓに接続されている。

第２の２次巻線Ｎｓ２の両端には、ダイオードＤ３０とコンデンサＣ３０とからなる整流平滑回路が接続されている。ダイオードＤ３０とコンデンサＣ３０との接続点における直流電圧は、電圧変換部１の昇圧リアクトルＬ０の一端に供給されている。ダイオードＤ０とコンデンサＣ０との接続点は、コンデンサＣ２の他端とコンデンサＣ３の他端と第１の２次巻線Ｎｓ１の他端とに接続されている。

電圧変換部１は、ＰＷＭ制御部６からのオンオフ信号に応じてスイッチング素子Ｑ０をオンオフさせることによりコンデンサＣ０の両端電圧を昇圧し、ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ、ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎに印加される電圧を制御する。

なお、その他の構成は、実施例１のＬＥＤ駆動回路の構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付する。

このように実施例２のＬＥＤ駆動回路によれば、実施例１のＬＥＤ駆動回路の構成と同一構成を有するので、同様な効果が得られる。

また、バランス用トランスＴ１の第１巻線Ｎ１と第２巻線Ｎ２とはそれぞれに流れる電流が均衡するように磁気結合されているので、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３とには同一の電流が充電される。従って、コンデンサＣ２に接続されるＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎとコンデンサＣ３に接続されるＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎは、インピーダンスが異なる場合でも均衡化された電流が流れることになる。即ち、ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ，ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎに流れる電流のばらつきを抑制することができる。

図４は本発明の実施例３のＬＥＤ駆動回路の構成図である。図４に示す実施例３のＬＥＤ駆動回路は、図３に示す実施例２のＬＥＤ駆動回路の構成に対して、ダイオードＤ２，Ｄ３、コンデンサＣ２，Ｃ３、ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ、ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎの極性が逆向きである点、電圧変換部１のコンデンサＣ０の出力をＬＥＤ１ｎ，ＬＥＤ２ｎのアノードに接続し、スイッチング素子Ｑ１のドレインをコンデンサＣ２の他端とコンデンサＣ３の他端と２次巻線Ｎｓ１の他端とに接続した点が異なる。

このような実施例３のＬＥＤ駆動回路によっても、実施例２のＬＥＤ駆動回路と同様な動作及び効果が得られる。また、実施例３のＬＥＤ駆動回路では、電圧変換部１により正の電圧を生成し、２次巻線Ｎｓ１で負の電圧を生成できるため、ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ，ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎには正負の電圧を印加することができる。

本発明は、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ点灯装置やＬＥＤ照明に適用可能である。

１ 電圧変換部
２ オフ遅延回路
３ オン遅延回路
５ 電圧比較部
６ ＰＷＭ制御部
Ｖｉｎ 直流電源
Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２，ＱＬ，ＱＨ スイッチング素子
Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，ＤＬ，ＤＨ ダイオード
Ｃｒｉ 電流共振コンデンサ
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｒｓ 電流検出抵抗
Ｔ トランス
Ｔ１ バランス用トランス
Ｎｐ １次巻線
Ｎｓ１，Ｎｓ２ ２次巻線
Ｎ１，Ｎ２ 巻線
Ｌｐ 励磁インダクタンス
Ｌｒ１ 漏れインダクタンス
ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ，ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ，ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎ 発光ダイオード
ＣＭＰ コンパレータ
ＳＴ 三角波発生器
ＡＭＰ 増幅器
Ｖref 基準電源
Ｖpulse ＬＥＤ調光用信号

Claims (4)

1. 入力電圧を別の電圧に変換する電圧変換部と、
   複数のＬＥＤを直列接続してなる第１ＬＥＤ群と、
   ＬＥＤ調光用信号に応じてスイッチングすることにより、前記電圧変換部から前記第１ＬＥＤ群に印加される前記別の電圧を断続させる第１スイッチング素子と、
   前記第１ＬＥＤ群に流れる電流を検出する電流検出抵抗と、
   前記第１スイッチング素子に同期してオンオフ動作する第２スイッチング素子と整流素子とが並列接続され、各々の一端が前記電流検出抵抗に接続される並列回路と、
   前記第２スイッチング素子と前記整流素子の各々の他端が接続され、前記電流検出抵抗に発生した電圧を保持する電圧保持部と、
   前記電圧保持部で保持された電圧に基づき前記第１ＬＥＤ群に印加される前記別の電圧を制御する制御部と、
   を有することを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
2. 前記ＬＥＤ調光用信号のオフ時間を第１所定時間遅延させて前記第１スイッチング素子に印加するオフ遅延回路と、
   前記ＬＥＤ調光用信号のオン時間を第２所定時間遅延させて前記第２スイッチング素子に印加するオン遅延回路と、
   を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
3. 前記整流素子は、前記第２スイッチング素子の内部に有する寄生ダイオードからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＬＥＤ駆動回路。
4. １次巻線と第１の２次巻線と第２の２次巻線とを有するトランスを有し、交番電流を出力する共振型の電力供給手段と、
   前記トランスの第１の２次巻線の一端に各々の一端が接続される第１巻線及び第２巻線を有するバランス用トランスと、
   複数のＬＥＤを直列接続してなる第２ＬＥＤ群と、
   前記バランス用トランスの前記第１巻線の他端と前記第１ＬＥＤ群との間に接続され、第１整流素子と第１平滑素子とを有する第１整流平滑回路と、
   前記バランス用トランスの前記第２巻線の他端と前記第２ＬＥＤ群との間に接続され、第２整流素子と第２平滑素子を有する第２整流平滑回路とを有し、
   前記電圧変換部は、前記トランスの第２の２次巻線に発生する電圧を整流平滑した電圧を前記入力電圧として入力し、前記別の電圧を前記第１平滑素子及び前記第２平滑素子の各々の一端に印加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のＬＥＤ駆動回路。

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