JP2012204316A

JP2012204316A - 照明装置

Info

Publication number: JP2012204316A
Application number: JP2011070861A
Authority: JP
Inventors: Naoko Iwai; 直子岩井
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP5720363B2

Abstract

【課題】オンデューティが制限されず、エネルギ損失の少ない降圧動作を実現するＬＥＤ照明装置が提供する。
【解決手段】一実施形態に係る照明装置は、降圧チョッパ方式の回路を用いてＬＥＤを点灯する照明装置であって、交流電圧を変換して得られる直流電源に接続される第１スイッチ素子と；カソードが前記直流電源のグランドに接続されるＬＥＤのアノードと前記第１スイッチ素子の間に接続される降圧用コイルと；前記第１スイッチ素子のオン／オフを制御するドライバＩＣとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は降圧チョッパ方式の回路を用いてＬＥＤを点灯する照明装置に関する。

近年になって、従来の白熱電球及び蛍光灯に代わり、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light-Emitting Diode）が普及し始めている。ＬＥＤは低消費電力及び長寿命という特性を有し、ＬＥＤを点灯するためのＬＥＤ点灯装置の研究開発が各社で行われている。

特開２００６−１９６６９７号公報

従来の技術では、チョッパ方式の回路を用いてＬＥＤを点灯する場合、直流電流をチョッパーするスイッチ素子のオン／オフを制御するために、ドライバＩＣを使用することがある。ドライバＩＣを使用する場合は一般に、電源のグランド側にスイッチ素子を配置するか、昇圧巻線等を使用して電源の高圧側にスイッチ素子を配置するかどちらかの構成が適用された。

病院あるいは駅等の施設での用途で、交流入力電源電圧が例えば２２０Ｖを超える場合、負荷（ＬＥＤ）が電源の高圧側（以下電源側という）に配置されていると、負荷側の対地直流電圧が３００Ｖｒｍｓを超える電圧となるため、例えば感電をした場合の危険性が高くなる。また、３００Ｖｒｍｓを超える直流電圧が負荷側に発生する装置では、安全基準を満たすために様々な対策を施す必要が生じる。

従って、電源グランド側に負荷を配置することが望ましい。この場合、スイッチ素子は電源側に配置することになるが、これまでの技術では、昇圧トランス等を用いた方式であったため、スイッチ素子のオンディユーティ（on duty）幅を大きく設定すると、スイッチ素子のゲート駆動パルスが理想的な波形とはならない。そのため、オンディユーティ幅を制限しなければならず、また昇圧トランス等、部品の大型化が避けられない。さらに、Ｈ．Ｂ（half bridge)用の汎用のドライバＩＣを使用する場合は、電源グランド側にダイオードと並列に抵抗を接続して使用する必要があるが、抵抗により数Ｗのロスを発生させるため実現性が薄かった。

本発明の実施形態は、オンデューティが制限されず、エネルギ損失の少ない降圧動作を実現するＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、実施形態に係る照明装置は、降圧チョッパ方式の回路を用いてLEDを点灯する照明装置であって、交流電圧を変換して得られる直流電源に接続される第1スイッチ素子と；カソードが前記直流電源のグランドに接続されるLEDのアノードと前記第1スイッチ素子の間に接続される降圧用コイルと；第１スイッチ素子がオフしている期間中にオンオフする第２スイッチ素子と、この第２スイッチのオン期間中に第１スイッチをオンするための電力を充電する充電部と、充電部の電力によって第１スイッチをオンする信号を出力する信号出力部とを有し、第１スイッチ素子のオン／オフを制御するドライバＩＣとを具備する。

オンデューティが制限されず、エネルギ損失の少ない降圧動作を実現するＬＥＤ照明装置が提供される。

第１実施形態に係る照明装置１０の構成を示すブロック図である。ドライバＩＣ１４の回路構成を示すブロック図である。第１実施形態の作用を説明するタイムチャートである。第２実施形態に係る照明装置１０の構成を示すブロック図である。第２実施形態の作用を説明するタイムチャートである。

第１の実施例に記載の照明装置は、降圧チョッパ方式の回路を用いてLEDを点灯する照明装置であって、交流電圧を変換して得られる直流電源に接続される第1スイッチ素子と；カソードが前記直流電源のグランドに接続されるLEDのアノードと前記第1スイッチ素子の間に接続される降圧用コイルと；第１スイッチ素子がオフしている期間中にオンオフする第２スイッチ素子と、この第２スイッチのオン期間中に第１スイッチをオンするための電力を充電する充電部と、充電部の電力によって第１スイッチをオンする信号を出力する信号出力部とを有し、第１スイッチ素子のオン／オフを制御するドライバＩＣと；を具備する。

第２の実施例に記載の照明装置は、第１の実施例に記載の照明装置において、前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子のオン期間の次に設定されたデッドタイムの後に前記所定時間オンすることを特徴とする。

第３の実施例に記載の照明装置は、第１の実施例に記載の照明装置において、前記コイルは2次巻線を有し、前記2次巻線は前記コイルに流れる電流が０となったことを検出し、この検出に基づいて前記第２スイッチ素子は、前記所定時間オンすることを特徴とする。

第４の実施例に記載の照明装置は、第１乃至３のいずれか１記載の実施例において、前記ドライバICは、第３スイッチ素子と第４スイッチ素子を接続して構成され、前記第３スイッチ素子の高電位側電流端子は前記ドライバICの電源に接続され、前記第1スイッチ素子に対するゲート信号を出力するゲート駆動回路と；前記第４スイッチ素子と前記ドライバICのグランドの間に接続される第２スイッチ素子と；前記第４スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点と前記ドライバICの電源の間に接続されたレベルシフト回路（充電部）とを具備し、前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子がオフのとき、所定時間オンすることを特徴とする。

第５の実施例に記載のドライバＩＣは、第1スイッチ素子とコイルの直列回路を含む降圧チヨツパ方式の回路を用いてLEDを点灯する照明装置に適用されるドライバＩＣであって、第３スイッチ素子と第４スイッチ素子を接続して構成され、前記第３スイッチ素子の高電位側電流端子は前記ドライバICの電源に接続され、前記第1スイッチ素子に対するゲート信号を出力するゲート駆動回路と；前記第４スイッチ素子と前記ドライバICのクランドの間に接続される第２スイッチ素子と；前記第４スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点と前記ドライバICの電源の間に接続されたレベルシフト回路（充電部）とを具備し、前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子がオフのとき、所定時間オンすることを特徴とする。

以下、本発明に係る照明装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態に係る照明装置１０の構成を示すブロック図である。

直流電源電圧Ｖｉｎは、商用交流電源１１から全波整流回路１２及びフィルタコンデンサ１３を用いて生成される。本装置は交流電源１１として、例えば１００Ｖ〜２４２Ｖの入力電圧範囲を許容するものとする。全波整流回路１２から供給される電流は、スイッチ素子Ｑ１（ＮｃｈＦＥＴトランジスタ）、コイル１７を介して平滑コンデンサ１８及びＬＥＤ１９に供給される。ＬＥＤ１９はアノードがコイル１７に接続され、カソードがグランドに接続されている。尚、図中ＬＥＤは１つ示されているが、実際には複数のＬＥＤが直列あるいは並列に接続されている。

ドライバＩＣ１４は、スイッチ素子Ｑ１をオン／オフ制御するためのゲート信号をスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給する。またドライバＩＣ１４は、例えば内部回路が１チップ上に形成されたＩＣ（integrated circuit）である。オン／オフ制御された電流はコイル１７のインダクタンスにより降圧し、コンデンサ１８により平滑化されると共にＬＥＤ１９を流れ、ＬＥＤ１９を発光させる。ダイオード１６は、スイッチ素子Ｑ１がオフしたときコイル１７に対する電流経路を提供するフライホイールダイオードである。

図２はドライバＩＣ１４の回路構成を示すブロック図である。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を割愛する。

レギュレータ２２は、ドライバＩＣ１４の電源ＶｃｃからドライバＩＣ内部の基準電圧を発生し各部に供給する基準電圧発生器である。電源Ｖｃｃから供給される電圧はまた、逆流防止ダイオード１５を介してスイッチ素子Ｑ２（ＰｃｈＦＥＴ）のソース（高電位側電流端子）及びレベルシフト回路（充電部）２３に電圧ＶＢとして供給される。以下、各端子に発生する電圧の信号名と、端子名を同一の参照符号を用いて説明する。

ドライバ２４は、本照明装置の制御部（図示されず）から入力される信号Ｖ１に応答して、スイッチ素子Ｑ２及びＱ３をオン／オフ制御するためのゲート信号を発生する。この信号Ｖ１は所望のデューティー比を有するスイッチング波形（矩形波）である。ＬＥＤ１９は、このデューティー比に応じて明るさが可変される。例えば、スイッチ素子Ｑ１をオンデューティ（on duty）３０％で動作させたい場合、信号Ｖ１は３０％：high／７０％：Lowに設定された信号となる。レベルシフト回路２３は、スイッチ素子Ｑ２を介して、スイッチ素子Ｑ１のゲートにオン電圧を供給する。

スイッチ素子Ｑ２のドレイン（低電位側電流端子）は、スイッチ素子Ｑ３（ＮｃｈＦＥＴ）のドレイン（高電位側電流端子）に接続される。スイッチ素子Ｑ３のソース（低電位側電流端子）は、スイッチ素子Ｑ４（ＮｃｈＦＥＴ）のドレイン（高電位側電流端子）に接続される。スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３はコンプリメンタリ接続され、それらの出力端Ｈ０はスイッチ素子Ｑ１のゲートに接続される。

ドライバ２５は、入力信号Ｖ１に基づいて、スイッチ素子Ｑ１がオフ期間中に、所定幅のパルスをスイッチ素子Ｑ４に対するゲート信号として供給する。スイッチ素子Ｑ４がオン期間中、電源Ｖｃｃから電流がダイオード１５、レベルシフト回路２３を介してスイッチ素子Ｑ４を流れる。このときレベルシフト回路２３には、スイッチ素子Ｑ１のゲートにハイレベルゲート信号を供給するための電荷が蓄積される。

次に第１実施形態に係る照明装置の作用を詳細に説明する。

図３は第１実施形態の作用を説明するタイムチャートである。（ａ）はスイッチ素子Ｑ１のオン／オフ波形、（ｂ）はスイッチ素子Ｑ４のオン／オフ波形、（ｃ）は電圧ＶＳの波形、（ｄ）は電圧ＶＢの波形である。

ドライバ２４は、所定周期のスイッチング信号Ｖ１に基づいてスイッチ素子Ｑ２、Ｑ３により構成されるコンプリメンタリ回路に対するゲート信号を発生する。このときドライバ２４は、後述のデッドタイムＴｄ中を除き、Ｑ３及びＱ３に対して互いに逆の論理信号を出力する。このコンプリメンタリ回路の出力は端子ＨＯを介してスイッチ素子Ｑ１のゲートに供給される。この結果、スイッチ素子Ｑ１は図３（ａ）に示すようにオン／オフする。

ドライバ２５は、入力信号Ｖ１に基づいて、スイッチ素子Ｑ４に対するゲート信号を発生する。この結果、Ｑ４は図３（ｂ）に示すようにオン／オフする。このとき、Ｑ１の立下りからＱ４の立ち上がりまでの期間はデッドタイムＴｄが設定されている。このデッドタイムＴｄは、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ４が共にオンして、電源が短絡することを防ぐために設けられる期間であって、この期間中、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ４は共にオフする。このデッドタイムＴｄは制御部からのスイッチング信号Ｖ１に設定されていても良い。デッドタイムＴｄの後、ドライバ２５はＱ４を例えば最大で５μｓｅｃの間オンさせる論理１の信号をＱ４のゲートに出力する。スイッチ素子Ｑ４がオンするタイミングは、制御部からタイミング信号を端子Ｖ２を介してドライバ２５に入力し、このタイミング信号に基づいてドライバ２５が論理１の信号をＱ４のゲートに出力してもよい。

スイッチ素子Ｑ４がオンすると、電源Ｖｃｃからダイオード１５、端子ＶＢ、レベルシフト回路２３を介してスイッチ素子Ｑ４に電流が流れる。このとき、レベルシフト回路２３はコンデンサのように作用し、電荷がレベルシフト回路２３にチャージされる。その後、スイッチ素子Ｑ２がオン（スイッチ素子Ｑ３がオフ）すると、レベルシフト回路２３にチャージされた電荷は、スイッチ素子Ｑ１のゲートにオン信号として供給される。この結果、スイッチ素子Ｑ１は図３（ａ）のようにオンする。以上の動作が繰り返される。

電圧ＶＳは、ダイオード１６の順方向電圧を無視すると、図３（ｃ）のように０〜Ｖｉｎの振幅で変化する。電圧ＶＢは図３（ｄ）のように、ダイオード１５の順方向電圧を無視すると、レベルシフト回路２３の作用により、電圧ＶＳよりＶｃｃだけ上方にシフトした波形となる。

図３（ｃ）の電圧ＶＳは、コイル１７及びコンデンサ１８により降圧及び平滑化されＬＥＤ１９に供給される。

［効果］
以上説明したように本実施形態によれば、チョッパーを行うスイッチ素子Ｑ１のオフ期間中、スイッチ素子Ｑ４を短時間オンすることで、レベルシフト回路２３にスイッチ素子Ｑ１のゲートを高レベルに駆動する十分なエネルギ（電荷）が効率よく確保され、エネルギ損失の少ない降圧動作を実現できる。

次に、第２実施形態に係る照明装置について、図面を参照して説明する。図４は第２実施形態に係る照明装置１０の構成を示すブロック図である。

第２実施形態では、２次巻線２０がコイル１７に対して設けられる。２次巻線２０の一端はドライバＩＣのグランドに接続され、多端は端子Ｖ２を介してドライバ２５に接続される。他の構成は図２の第１実施形態と同様である。

次に第２実施形態の作用を説明する。

図５は第２実施形態の作用を説明するタイムチャートである。（ａ）はスイッチ素子Ｑ１のオン／オフ波形、（ｂ）はコイル１７を流れる電流Ｉ_Ｌ、（ｃ）はコイル（１次巻線）１７の端子電圧波形Ｖ_ＬＰ、（ｄ）は２次巻線２０の端子電圧波形Ｖ_ＬＳ、（ｅ）はスイッチ素子Ｑ４のオン／オフ波形である。
図５（ａ）、（ｂ）のように、Ｑ１がオン状態の時、電流Ｉ_Ｌは増加し、Ｑ１がオフ状態の時、電流Ｉ_Ｌは減少する。電流Ｉ_Ｌが０になるとき、すなわちコイル１７の磁気エネルギが０となるとき、コイル１７には今までとは逆方向の電流ΔＩが僅かに流れる。これはインダクタの特性である。図５（ｃ）、（ｄ）のように、この電流ΔＩを２次巻線２０で検出し、検出信号がドライバ２５にトリガ信号として入力される。

ドライバ２５は、このトリガー信号に基づいて、図５（ｅ）のようにスイッチ素子Ｑ４に対してオン信号を、例えば最大で５μｓｅｃの幅で発生する。この結果、レベルシフト回路２３に電荷がチャージされ、この電荷によりスイッチング信号Ｖ１の次の論理１信号のタイミングでＱ１がオンする。以上の動作が繰り返される。

［効果］
本発明の第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果の他に、レベルシフト回路２３に電荷をチャージするためのスイッチ素子Ｑ４のオンタイミングを、コイル１７の２次巻線２０を用いて得ているので、第１実施形態に比べ、ドライバ２５あるいは制御部のＱ４オンタイミング信号を生成するための処理が軽減される。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。

１１…商用交流電源、１２…全波整流回路、１４…ドライバＩＣ、１７…コイル、
１９…ＬＥＤ、２０…２次巻線、２２…レギュレータ、２３…レベルシフト回路、
２４、２５…ドライバ回路、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４…ＮｃｈＦＥＴ、Ｑ２…ＰｃｈＦＥＴ。

Claims

降圧チョッパ方式の回路を用いてLEDを点灯する照明装置であって、
交流電圧を変換して得られる直流電源に接続される第1スイッチ素子と；
カソードが前記直流電源のグランドに接続されるLEDのアノードと前記第1スイッチ素子の間に接続される降圧用コイルと；
第１スイッチ素子がオフしている期間中にオンオフする第２スイッチ素子と、この第２スイッチのオン期間中に第１スイッチをオンするための電力を充電する充電部と、充電部の電力によって第１スイッチをオンする信号を出力する信号出力部とを有し、第１スイッチ素子のオン／オフを制御するドライバＩＣと；
を具備する照明装置。
前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子のオン期間の次に設定されたデッドタイムの後に前記所定時間オンすることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
前記コイルは2次巻線を有し、前記2次巻線は前記コイルに流れる電流が０となったことを検出し、この検出に基づいて前記第２スイッチ素子は、前記所定時間オンすることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
前記ドライバICは、
第３スイッチ素子と第４スイッチ素子を接続して構成され、前記第３スイッチ素子の高電位側電流端子は前記ドライバICの電源に接続され、前記第1スイッチ素子に対するゲート信号を出力するゲート駆動回路と；
前記第４スイッチ素子と前記ドライバICのグランドの間に接続される第２スイッチ素子と；
前記第４スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点と前記ドライバICの電源の間に接続された充電部とを具備し、前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子がオフのとき、所定時間オンすることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１記載の照明装置。
第1スイッチ素子とコイルの直列回路を含む降圧チヨツパ方式の回路を用いてLEDを点灯する照明装置に適用されるドライバＩＣであって、
第３スイッチ素子と第４スイッチ素子を接続して構成され、前記第３スイッチ素子の高電位側電流端子は前記ドライバICの電源に接続され、前記第1スイッチ素子に対するゲート信号を出力するゲート駆動回路と；
前記第４スイッチ素子と前記ドライバICのクランドの間に接続される第２スイッチ素子と；
前記第４スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点と前記ドライバICの電源の間に接続された充電部とを具備し、前記第２スイッチ素子は、前記第1スイッチ素子がオフのとき、所定時間オンすることを特徴とするドライバIC。