JP2013239711A - Ｌｅｄ照明駆動デバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】整流済み電圧に基づきＬＥＤストリング中のＬＥＤの数を動的に調節し、ＬＥＤストリングの総導通電圧を整流済み電圧の値に緊密につり合わせることで、電力エネルギーの使用効率を高めるＬＥＤ照明駆動デバイスおよび方法を提供する。
【解決手段】本発明は、交流電圧の整流後の値に基づきＬＥＤストリング中のＬＥＤの数を調節するものであり、電源モジュール、ＬＥＤストリング、電流源および制御器を備える。ＬＥＤストリングは複数のＬＥＤが直列接続して構成され、１つの主セグメントと複数の副セグメントを形成する。制御器は電流源とＬＥＤストリングに接続し、副セグメント中のＬＥＤを選択的に短絡させる。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）の駆動に用いるデバイスおよび方法に関するものであり、特に電流調節デバイス（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ，ＣＲＤ）を用いて、整流した交流（ＡＣ）電力によりＬＥＤを駆動するデバイスおよび方法に関するものである。

交流電力により直接ＬＥＤ照明を駆動する方法はおそらく、従来のＬＥＤ照明構造において、使用する素子が最も少なく、最も容易な構成方式であり、かつ電磁干渉が起こらない最も廉価な方法であろう。
しかし、普通の交流電力によりＬＥＤ照明を直接駆動する方法は、低効率、低周波フリッカーおよび低力率等の欠点を有する。

図１を参照されたい。図１は交流電源から直接整流した後、一定電流源によりＬＥＤ照明を駆動するものである。図１の回路図において、電流源２は電流調節デバイス（ＣＲＤ）と称されるものであり、上述の回路の両端では、大幅な電圧降下が起こった時効率が極めて低くなる。
このような状況は、整流後の電圧がＬＥＤストリング３の総電圧より遥かに高くなった時に発生する。また、整流後の電圧がＬＥＤストリング３の総電圧より低いと、上述の回路に低周波フリッカーが発生する。
この時、ＬＥＤストリング３は電源周期の半周期に１回フリッカーが起こり、交流電圧Ｖ_acが５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源を入力する場合、そのフリッカーの周波数は１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚである。

ＬＥＤ照明の設計の多くは、整流器１の後に大きいキャパシタＣ_fを用いて脈動の波形を直流に類似した形状に変換し、かつ、整流器１の後に見られる残りのリップルは、加えられたキャパシタＣ_fの数値と負荷（即ちＬＥＤストリング３）の大きさの関数であり、リップルが減少する時、ＬＥＤを駆動する電流源２の効率はより高くなる。
しかし、整流器１の後に極めて大きいキャパシタＣ_fを設置して理想の直流電圧を生成するようにしても、効率の問題はまだ存在する。つまり、ＬＥＤストリング中のＬＥＤの個数は、各ＬＥＤ全てが点灯するのに十分な電圧を常に有するように設計されるべきであるが、ＬＥＤの電圧と入力交流電圧Ｖ_acの変化のためにこの理想値より少ないＬＥＤの数しか用いることができない。これは、整流した電圧は常にＬＥＤストリングの総電圧より高い必要があり、電流源２がいかに余分な電圧を有してもエネルギーが無駄になるということである。

そこで、ＬＥＤ照明を駆動するデバイスまたは方法があると、いつでもＬＥＤストリングの総電圧と整流した電圧を緊密につり合わせることができる。

上述のニーズに基づき、本発明は、ＬＥＤストリング中の発光ダイオードの数を適宜調節し、ＬＥＤの駆動に必要な電圧と整流後の電圧をほぼつり合った状態にできるデバイスおよび方法を提供する。

本発明の実施例に基づけば、ＬＥＤ照明駆動デバイスは、電源モジュール、ＬＥＤストリング、電流源および制御器を備える。電源モジュールは交流入力電圧を受けて整流した電圧を提供するのに用いられる。ＬＥＤストリングは複数の発光ダイオードが直列接続して構成されたものであり、主セグメントと副セグメントを有する。
電流源はＬＥＤストリングの一端に接続し、電源モジュールで整流された電圧により駆動されるＬＥＤストリングに一定電流を提供する。制御器は電流源とＬＥＤストリングに接続し、副セグメント中のＬＥＤを選択的に短絡させ、ＬＥＤストリングの導通電圧を整流済み電圧にできるだけ近づけてつり合うようにする。

本発明によれば、整流済み電圧に基づきＬＥＤストリング中のＬＥＤの数を動的に調節することで、ＬＥＤストリングの総導通電圧を整流済み電圧に緊密につり合わせ、電力エネルギーの使用効率を高めることができる。

一般的な電流源を用いたＬＥＤ照明の直接駆動を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動方法のフローチャート。 本発明図３ａ中のステップＳ３２のフローチャート。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中の制御器の回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動方法のフローチャート。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中の限流器を用いたＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。 本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２を参照されたい。図２は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図である。図が示すように、本発明のＬＥＤ照明駆動デバイスは、電源モジュール１０、ＬＥＤストリング２０、電流源３０および制御器４０を備える。

電源モジュール１０は交流電圧源１２に電気的に接続し、交流電源１２は交流電圧（ＡＣ）を受け、前記交流電圧を整流済み電圧にする。電源モジュール１０はダイオード整流器（ｄｉｏｄｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）１２０およびフィルタキャパシタ１２２をさらに備える。
ダイオード整流器１２０は前記交流電圧を脈動直流電圧（ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ）に変換し、フィルタキャパシタ１２２は前記脈動直流電圧を平滑化して前記整流済み電圧に近づける。

ＬＥＤストリング２０は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を直列接続して構成され、１つの主セグメント２００および複数の副セグメント２２０を備える。
本実施例ではＬＥＤストリング２０は１つの主セグメント２００および３つの副セグメント２２０を備える。主セグメント２００は４つのＬＥＤを有し（多くの商用電源の使用において、主セグメント２００が有するＬＥＤの数は４つより遥かに多いが、ここでは説明の便宜上ＬＥＤの数を４つとする）、各副セグメント２２０は１つの前記ＬＥＤを備えるとともに入力端と出力端を有する。

電流源３０は一端が電源モジュール１０に電気的に接続し、もう一端がＬＥＤストリング２０に電気的に接続する。電源モジュール１０は前記整流済み電圧を受けＬＥＤストリング２０に一定電流を出力する。

制御器４０は電源モジュール１０、電流源３０およびＬＥＤストリング２０に電気的に接続し、各副セグメント２２０を選択的に短絡させ、ＬＥＤストリング２０を通過する総順方向電圧降下が前記整流済み電圧の電圧値に非常に近づきつり合うようにする。
また、本実施例では、制御器４０は電圧検出モジュール（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ）４２０、少なくとも１つのスイッチ制御器４４０および少なくとも１つのスイッチ４６０をさらに備える。電圧検出モジュール４２０は電源モジュール１０と電流源３０に電気的に接続し、電源モジュール１０が出力する前記整流済み電圧の電圧値を検出する。
スイッチ制御器４４０は電圧検出モジュール４２０に電気的に接続する。スイッチ４６０はゲート、ソースおよびドレインを有するトランジスタであってもよく、前記ゲートはスイッチ制御器４４０に電気的に接続し、前記ソースは前記副セグメント２２０の出力端に電気的に接続し、前記ドレインは前記副セグメント２２０の入力端、スイッチ制御器４４０およびもう１つのスイッチ４６０のソースに電気的に接続する。また、スイッチ４６０は副セグメント２２０に対応して設置される。したがって、本実施例では、制御器４０は３つのスイッチ４６０を備える。

スイッチ制御器４４０はロジックとレベルシフタを備え、前記整流済み電圧に基づきスイッチ４６０のオンとオフを制御し、ＬＥＤストリング２０中の導通する副セグメント２２０の数を増減させ、導通する副セグメント２２０の数の増減によりＬＥＤストリング２０の総導通電圧と前記整流済み電圧を近づけてつり合うようにする。
たとえば、前記整流済み電圧が上昇した時、スイッチ制御器４４０は前記整流済み電圧の上昇量に応じてスイッチ４６０をオンにし、ＬＥＤストリング２０中の導通する副セグメント２２０の数を増やし、前記整流済み電圧が下降した時、スイッチ制御器４４０は前記整流済み電圧の下降量に応じてスイッチ４６０をオフにし、ＬＥＤストリング２０中の導通する副セグメント２２０の数を減らす。
つまり、フリッカーを回避するため、スイッチ制御器４４０は短絡させる副セグメント２２０の数を予め設定し、ＬＥＤストリング２０の総導通電圧が前記整流済み電圧より常に低くなるようにする（さもなければＬＥＤストリング２０に電流が流れないようにする）。また、電圧検出モジュール４２０は前記整流済み電圧の電圧値を検出できるため、スイッチ制御器４４０は電圧検出モジュール４２０が出力した電圧を受けるとともに、デフォルト設定によりＬＥＤストリング２０中の短絡させる副セグメント２２０の正確な数を決定する。

本発明分野の通常技術を有する者ならわかるように、電流源３０と制御器４０の位置を入れ替えても、本実施例の機能には影響しない。

図２、図３ａおよび図３ｂを参照されたい。図３ａは本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動方法のフローチャートであり、図３ｂは本発明図３ａ中のステップＳ３２のフローチャートである。本発明の実施例に基づくものであれば、図２実施例の方法の応用に限定されることはなく、ここでの方法は、ＬＥＤ照明中のＬＥＤストリングを１つの主セグメントと少なくとも１つの副セグメントに分けるステップＳ３０と、前記ＬＥＤストリング中の前記副セグメントを交互に導通させるまたはオフにするステップＳ３２と、を含む。

図３ｂが示すように、前記ステップＳ３２は整流済み電圧を検出するステップＳ３２０と、前記整流済み電圧が必要電圧より高い時に前記副セグメントを順次導通させる（つまりさらに多くの発光ダイオードを前記ＬＥＤストリングに加える）ステップＳ３２２と、前記整流済み電圧が前記必要電圧より高くない時に前記副セグメントを順次オフにするステップＳ３２４と、を含む。

図２が示すように、本実施例では、電流源３０または制御器４０中のいずれかがすべての前記整流済み電圧に耐えられる必要はなく、実際制御器４０は本実施例の電流源３０に対する降伏電圧の必要性を低下させる。
これは、前記整流済み電圧が高くなるほど、制御器４０中のスイッチ制御器４４０はより多くの副セグメント２２０をＬＥＤストリング２０に加えるので、電流源３０が耐えるべき電圧が制限されるためである。
このように、この類の設計の大きな利点は、電流源３０と制御器４０の降伏電圧の必要性が高すぎないということにあるが、本実施例の前記スイッチ制御器４４０は前記整流済み電圧にのみ対応し、前記ＬＥＤの電圧が製造過程と温度ドリフトが原因で変化する可能性は考慮されていない。

図４ａを参照されたい。図４ａは本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図である。図が示すように、本実施例では図２に図示されたのと類似するもう１つのＬＥＤ照明駆動デバイスを提供する。
しかし、本実施例では電圧検出モジュール４２０は電源モジュール１０が出力する前記整流済み電圧を測定するのではなく、電流源の両端の電圧を測定し、ＬＥＤストリング中の導通する副セグメントの数を増減させることにより電流源両端の電圧を一定範囲内に保持し、すべての時間において電流源両端の低電圧状態を保持して電流源の電力損失を最低限に抑えて効率が最も高くなるようにする。

また、本実施例では、前記ＬＥＤの正方向電圧と入力電圧の変化は問題にならない。スイッチ制御器は持続的にＬＥＤストリング中の導通する副セグメントの数の増減を行い、電流源の電圧を理想の範囲内に保持する。
本発明の実際の実施状況によれば、前記理想範囲は数ボルトに及ばず、電流源が無駄にするエネルギーは極少量に過ぎず、本発明の効率は容易に９７％を超える。

図４ａ、図４ｂおよび図５を参照されたい。図４ｂは本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図であり、図５は本発明の実施例中の制御器の回路を示す図である。
図が示すように、ＬＥＤ駆動デバイスは集積回路（ｃｏｍｐａｃｔ ＩＣ）モジュール中に示され（図４に図示）、電流源、制御器およびスイッチは一まとまりになっている。本実施例では、ＬＥＤ駆動モジュールは電源モジュール１０、ＬＥＤストリング２０および小型制御器（ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５０を備える。
ＬＥＤストリング２０は１つの主セグメント２００および４つの副セグメント２２０を含む。小型制御器５０は電流源５１０、電圧センサモジュール５２０、スイッチ制御器５４０および少なくとも１つのスイッチ５５０を備える。

本実施例では、電流源５１０はＬＥＤストリング２０の副セグメント２２０の出力端に電気的に接続する。電圧センサモジュール５２０は抵抗分圧器５２００、電圧センサ５２２０、コードジェネレータ５２７０および発振器５２８０を備える。
抵抗分圧器５２００は電流源５１０に電気的に接続し、電流源５１０の両端の電圧を検出するのに用いられる。電圧センサ５２２０は抵抗分圧器５２００に電気的に接続するとともに、抵抗分圧器５２００が検出した電圧に基づき電圧状態（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｔｅ）を決定する。
電圧センサ５２２０は少なくとも１つのウィンドウコンパレーター回路（ｗｉｎｄｏｗ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ）により実現し、デュアルＯＰアンプ（ｄｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いて検出された電圧と基準電圧を比較し、信号を出力して電流源５１０の電圧状態を表示する。

しかし、この回路配列（即ち電流源５１０と電圧センサ５２２０のウィンドウコンパレート回路）は、本分野に属する技術者であれば熟知しており、これらの具体的詳細や本発明で示した回路がなくても本発明を実施できるので、重複するまたは余分な説明は省略する。

コードジェネレータ５２７０は電圧センサ５２２０に電気的に接続するとともに、レベル信号を生成して電圧センサ５２２０から受信した前記電圧状態を表示する。発振器５２８０はコードジェネレータ５２７０に電気的に接続するとともにクロック信号を生成する。
コードジェネレータ５２７０を電圧センサ５２２０からの有効信号のみに応答させ、システムの有限過度応答により生じるノイズ信号に応答してコードジェネレータ５２７０が異なるコード間で変化することのないよう、コードジェネレータ５２７０は前記クロック信号の遷移時にその状態を変更する。
このクロック信号の周波数はそれほど重要ではないが、システムが遭遇する可能性のある最も高い商用電力の周波数は必要とされる。速すぎる周波数でも、電圧センサ５２２０は有効な状態を設定できず、コードジェネレータ５２７０は電圧センサ５２２０が提供する誤った情報に基づきその状態を選択してしまう可能性がある。

本実施例では、コードジェネレータ５２７０は、４ビットのアップダウン（Ｕ／Ｄ）カウンタであってもよく、４ビットのバイナリコードを出力し、各異なるバイナリコードは、どの副セグメント２２０が短絡されどの副セグメント２２０が短絡されないかをそれぞれ対応表示する。
たとえば、前記４ビットのバイナリコードの出力が「１１００」であった場合、前の２つの副セグメント２２０はＬＥＤストリング２０に加えられ、後の２つの副セグメント２２０は短絡されることを示す。

スイッチ制御器５４０は電圧センサモジュール５２０に電気的に接続し、コードジェネレータ５２７０の出力に基づき、スイッチ５５０により副セグメント２２０中のＬＥＤを短絡させることができる。スイッチ５５０はトランジスタであってもよく、スイッチ５５０の数は副セグメント２２０の数に対応して設置され、そのソースとドレインはそれぞれ副セグメント２２０の対応する接点に電気的に接続する。

しかし、図４ｂによると、図４ｂは図４ａとは別の実施方式であり、副セグメント２２０中のＬＥＤの数を変更し、主セグメント２００は電流源５１０と同一サイドに設置される。
図４ｂが示すように、副セグメント２２０中のＬＥＤの数はバイナリ形式にしたがって配列されたものである。

ＵＤは各副セグメント２２０中のＬＥＤの数であり、Ｎはスイッチ５５０の数である。

つまり、１個目のスイッチ５５０が２⁰のＬＥＤを短絡させると、２個目のスイッチは２¹個のＬＥＤを短絡させることになり、これから類推すると、１０個目のスイッチは２¹⁰個のＬＥＤを短絡させることになる。
たとえば、前述の４ビットのＵ／Ｄカウンタを用いると、「１１００」のコードが生成された場合は、後の２つの副セグメント２２０中の１２（即ち２²＋２³）個のＬＥＤが短絡されることを示す。

また、コードジェネレータ５２７０にオーバーフローが発生するのを防ぐため、制御器５０はコードジェネレータ５２７０に電気的に接続するコードオーバーフロー防止器５２６０（ｃｏｄｅ ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｐｒｅｖｅｎｔｅｒ）をさらに備える。
コードオーバーフロー防止器５２６０は、何らかの復号論理（ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｌｏｇｉｃ）回路であってもよく、コードジェネレータ５２７０の出力が「１１１１」までカウントされた後、すぐ「００００」に変換されてしまう、または「００００」からそのまますぐ「１１１１」に変わってしまうのを防止することができる。仮に上述のようなオーバーフローが発生すると、電流源が感知した電圧とスイッチ５５０の適切なスイッチのオン・オフの順序との間にある正確なフィードバック関係が崩れてしまう。

本実施例では、スイッチ制御器５４０は、ローサイド入力５４００とハイサイド出力５４２０を有するヒステリシスレベルシフタを有することにより実現できる。ローサイド入力５４００はコードジェネレータ５２７０に電気的に接続してコードジェネレータ５２７０の出力を受信し、ハイサイド出力５２４０はスイッチ５５０のゲートに電気的に接続するとともに、制御信号を生成してスイッチ５５０のオン・オフを選択的に切り替える。
言い換えると、スイッチ制御器５４０はコードジェネレータ５２７０の出力を前記制御信号に変換するとともに、コードジェネレータ５２７０の出力に基づき、前記制御信号によりスイッチ５５０を選択的に導通させ対応する副セグメント２２０を短絡させる。

しかし、さらなるアクションが無い場合は、各副セグメント２２０が導通しＬＥＤストリング２０に加えられた時、前記ＬＥＤ照明の明るさはわずかに増す。このため、上述のＬＥＤ照明の明るさを相殺するために、制御器５０はオフセットユニット５６０をさらに備える。
オフセットユニット５６０は一端が副セグメント２２０の一端に電気的に接続し、もう一端が電流源５１０の制御端に接続し、各副セグメント２２０が導通して相次いでＬＥＤストリング２０に加えられた時、主セグメント２００の底部電圧（図４に図示）は増加し、オフセットユニット５６０を流れる電流と後から電流源３０に流れる電流も増加する。
即ち、オフセットユニット５６０が設置されることにより、電流源３０の電流は調節されＬＥＤストリング２０の照度が一定になるよう出力が保持される。

実施例では、オフセットユニット５６０は、アナログフィードバックユニットであってもよい。たとえば、ＬＥＤストリング中２０に加えられた導通する副セグメント２２０の数を感知するための抵抗器がある。
しかし、フィードバック信号がアナログ信号ではなくデジタル文字列である場合は、オフセットユニット５６０としてデジタルユニットを設置することもできる。

図６を参照されたい。図６は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図である。本実施例では、ＬＥＤ照明は前記電流源の電圧または前記整流済み電圧を感知しないので、余分な副セグメント２２０が導通してＬＥＤストリング２０に加えられた時、代わりにＬＥＤストリング２０の電流の減少量を感知し、ＬＥＤストリング２０の電流が減少した時、主セグメント２００とまだ短絡していない副セグメント２２０を含む一連なりのＬＥＤストリング２０が電流を安定させるのに必要な電圧を十分に有していないことを表示する。

図４の回路と異なるのは、図６の実施例では、ＬＥＤストリング２０を流れた電流をモニタリングすることにより副セグメント２２０のオンまたはオフの最適な数を選択し、ＬＥＤストリング２０の電圧を常にＬＥＤストリング２０に必要な電流が維持できるちょうど良い値にする点である。
本実施例のＬＥＤ照明デバイスは、電源モジュール１０、ＬＥＤストリング２０および制御器６０を備え、ＬＥＤストリング２０を通過する電流が減少するたびに、制御器６０はＬＥＤストリング２０の副セグメント２２０を順次短絡させる。

図６の実施例では、制御器６０は少なくとも１つのスイッチ６００、電流減少検出器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６２０およびステートマシン６４０を用いて実施できる。
電流減少検出器６２０はＬＥＤストリング２０の第二端（即ち底端）に電気的に接続し、現在の電流値がもとの電流値またより低い時または設定値より低い時、電流減少検出器６２０はトリガ信号を生成してステートマシン６０に出力し、ステートマシン６０は電流減少検出器６２０により出力されるトリガ信号が発生した時、各スイッチ６００により最も上から最も下まで各副セグメント２２０を順次短絡させていく。

図６と図７を参照されたい。図７は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動方法のフローチャートである。図が示すように、本実施例は制御器６０によりＬＥＤストリング２０中の副セグメント２２０を交互にオンまたはオフにしてＬＥＤ照明を駆動させる方法である。
本実施例のＬＥＤ照明を駆動する方法は、既にオンになっている（即ち短絡した）各スイッチ６００中から第一スイッチ６００ＡをオフにするステップＳ６０と、ＬＥＤストリングに流れた電流が減少しなかった場合、第一ルートにおいてスイッチ６００を順次オフ（即ち開路状態）にするステップＳ６２と、ＬＥＤストリングの電流が減少した場合、第二ルートにおいてスイッチ６００を順次オンにするステップＳ６４と、を含む。
さらに、図６が示すように、副セグメント２２０は直列接続によりＬＥＤストリング２０の主セグメント２００の底部に電気的に接続するので、実施例における前記第一ルートの定義は副セグメント２２０の頂端から副セグメント２２０の底端であり、前記第二ルートの定義は前記第一ルートの逆である。

したがって、スイッチ６００がすべてオンの時、すべての副セグメント２２０は既にＬＥＤストリング２０から電気的に除去されたことを意味し、これはＬＥＤストリング２０を経由して主セグメント２００に流れたすべての電流が副セグメント２２０の隣のスイッチ６００により分流されたことを示す。
そして、第一スイッチ６００Ａがオフの時、ＬＥＤストリング２０を流れた電流は即ち主セグメント２００と副セグメント２２０を流れた電流であり、ＬＥＤストリング２０に加えられる副セグメント２２０が増えるにつれて、前記電流源は安定した電流を維持するための電圧が不足してゆき、ＬＥＤストリング２０を流れる電流は減少してゆく。
このような状況では、制御器６０は、すでに加えられた副セグメント２２０を、ＬＥＤストリング２０を通過する電流がそれ以上低下しないようになるまで、逆方向で順次除去してゆく。
制御器６０がオンとオフの最適な組合せを一旦確定すると、ＬＥＤストリング２０は常に最良の効率での動作が確保され、制御器６０が一定時間待機状態になり、その後検出を再開する。たとえば、再検出までの時間周期は１０秒から数分間とすることができ、アプリケーションによってはさらに長い時間周期も可能である。

図６と図８を参照されたい。図８は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスの回路を示す図であり、図が示すように、図８の回路は図６の回路に類似し、かつ、整流済みの交流電圧はリップルを有するので、仮にリップル電圧がそのピーク値に近い時にちょうどＬＥＤの電流が測定されると、図６中の制御器６０は、交流電圧全体の入力周期内で必要な電流を維持するための電圧が足りていると誤った判断を下す。
そこで、図８の実施例ではこの問題を解決するため、リップル電圧検出器（ｒｉｐｐｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６６０をさらに備える。リップル電圧検出器６６０は電源モジュール１０とステートマシン６４０の間を電気的に接続する。リップル電圧検出器６６０はリップル電圧の最小値を検出でき、ＬＥＤ照明がこの瞬間にＬＥＤの電流を測定できるようにし、仮にリップル電圧が最小値の時にＬＥＤストリング２０が必要な電流を維持するのに十分な電圧をまだ有していれば、ＬＥＤストリング２０はその他のリップル領域も必要な電流を維持するのに十分な電圧を有していることになる。つまり、リップル電圧の最小値が一旦確定すれば、ＬＥＤ電流の誤ったサンプリングは回避できる。

図９ａと図９ｂを参照されたい。両者は２種類の異なる実施方式を示しており、専用の検出器でリップル電圧の最小値を検出する必要がない。この実施例では、制御器６０は、スイッチ６００の電圧変化を緩慢にするために、サーバー回路中のスイッチ６００を調節するのに用いる少なくとも１つの誤差増幅器６８０をさらに備える。
これにより、ＬＥＤストリング２０中では副セグメント２２０を加えることで起こる電流の変化が、多くの電圧周期を跨ぐほど緩慢になる。したがって、これらの実施例では、各入力電圧周期ごとに副セグメント２２０をＬＥＤストリング２０に加えた後のＬＥＤ電流を測定する必要はなく、スイッチ６００がオンになった任意時間中にＬＥＤ電流の低下が検出されれば、ステートマシン６４０はオンになったスイッチ６００をすぐにオフにできる。

図９Ａと図９Ｂで異なるのは、図９Ａの電流源３０はＬＥＤストリング２０の主セグメント２００のステートマシン６４０とは反対側の一端に設置されるが、図９ｂの電流源３０はＬＥＤストリングの主セグメント２００のステートマシン６４０と同じ側の一端に移され、制御器６０と電流源３０の電圧はほぼ同じになるので、接続が容易なる点である。これに対して、図９ａの回路では、電流源３０と制御器６０の間には大きな電圧を有し、電流源３０と制御器６０の間では接続が難しくなる。

そこで、前記整流済み電圧がリップル電圧の最小値に近づいて減少する時、ＬＥＤストリング２０の電流低下はすぐに検出ならびに校正される。つまりＬＥＤの電流はリップル電圧が最小値である時自動的にテストされる。

一般的に、電流調節デバイス（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ，ＣＲＤ）を用いてＬＥＤ照明を駆動するためには、整流ブリッジの後に大きなフィルタキャパシタを入れて十分な電気エネルギーを貯える必要があり、これにより前記整流済み電圧がＬＥＤストリング２０に流す最低必要電流値よりも低い時でもＬＥＤの明るさを安定的に保持できる。
しかし、前記フィルタキャパシタは通常、デバイスの力率（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ，ＰＦ）値を約０．５に制限するので、このＰＦ値を増加させるためには、図１０の実施例で示すように、限流器（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ，ＣＬＤ）７０を加える。

図１０の実施例では、限流器７０は高電圧トランジスタ（ｈｉｇｈ−ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）Ｍ１、電流検出抵抗（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）７００、増幅器７２０および基準電圧源７４０を備える。
高電圧トランジスタＭ１のドレインはフィルタキャパシタ１２２の負端に電気的に接続する。電流検出抵抗７００は高電圧トランジスタＭ１のソースと接地端（ＧＮＤ）の間に電気的に接続し、その出力値は電流制限値を理想値に設定するのに用いられる。増幅器７２０は第一入力端、第二入力端および出力端を有する。
前記第一入力端は基準電圧源７４０に電気的に接続し、前記第二入力端は高電圧トランジスタＭ１のソースと電流検出抵抗７００に電気的に接続し、前記出力端は高電圧トランジスタのゲートに電気的に接続する。また、電流検出抵抗７００の値は電流制限値を期待値として設定するのに用いられる。

このように、限流器７０は電源モジュール１０中のフィルタキャパシタ１２２の充電電流値を制限し、フィルタキャパシタ１２２の充電時間がより長い時間区間に分散するようにし、フィルタキャパシタ１２２の充電電流のピーク値は低下し、デバイスの力率（ＰＦ）は増加する。

図１１を参照されたい。図１１は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスのもう１つの実施例である。図が示すように、本発明はより高いリップル電圧およびより広い線間電圧を校正するために、前述の制御器はより高い降伏電圧を有する必要がある。しかし、高電圧のプロセスを用いて前記制御器を構築するとしても、製造コストが高くなるのは受け入れ難いので、ここでは数個の低電圧プロセスの制御器８０を用いることで、より低コストで同様の効果を実現する（図１１に図示）。
図１１の実施例は積み重ね可能な制御器構造であり、より高い耐電圧能力のニーズに応用できる。各制御器８０は直列方式で相互接続し、各制御器８０は対応する副セグメント２２０に電気的に接続する。これらの直列の制御器８０の底部の電流源３０は、電流源３０の電圧（または電流）の状態を積み重ねられた制御器８０まで伝送し、適当な数の副セグメント２２０をＬＥＤストリング２０中に加えたりＬＥＤストリング２０から減らしたりする必要がある。

前述の実施例では、フィルタキャパシタ１２２は十分に大きい電気容量（数十マイクロファラッド（μＦ））を有して、十分なエネルギーを貯えて特定のアップリケーションを使用できるようにするとともに、高い整流済み電圧に耐えられる必要がある。しかし、通常このようなキャパシタは電解キャパシタ（電解コンデンサ）であり、前記電解キャパシタの体積はとても大きく、かつ、高温環境下では稼動寿命が短いため、照明器具ユーザーの中には照明設計中に電解キャパシタを使用せずにＰＦ値および稼動寿命を改善することを求める者もいる。
しかし前記電解キャパシタを取り除くと通常は照明器具にフリッカーが生じることがあり、これは非電解類キャパシタの電気エネルギー貯蔵能力には非常に限りがあるためである。
さらに、前記フリッカーの周波数は通常の入力線間電圧の周波数の２倍であり、つまり入力線間電圧が５０ヘルツ（Ｈｚ）である時、そのフリッカーの周波数は１００Ｈｚであり、多くの研究では、健康被害の発生を回避したければ、フリッカーの周波数は２００Ｈｚ以上である必要が示されている。

図１２は本発明の実施例中のＬＥＤ照明駆動デバイスのさらに別の実施例である。本実施例のＬＥＤ照明駆動デバイスは電流源制御器９０を備え、電流源制御器９０は電源モジュール１０と電流源３０の間で電気的に接続する。電流源制御器９０の動作周波数は、前記整流済み電圧に同期化し、前記動作周波数は２００Ｈｚより高く（即ち２４０Ｈｚであり、交流入力電圧６０Ｈｚの４倍である）、電流源３０を変調してＬＥＤストリング２０に適した電流（ａｄａｐｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）を提供する。
電流源制御器９０は、整流済み電圧の波形の「谷部（ｖａｌｌｅｙ ｐｏｒｔｉｏｎ）」区間中で前記適した電流を減少させ、フィルタキャパシタ９２の製造サイズを小さくし、必要なエネルギー貯蔵量を提供してＬＥＤストリング２０の理想的な電流を維持することができる。

また、電流源制御器９０は前記整流済み電圧と同期するものであり、つまり電流源制御器９０が与えられたいかなる時間においてもこの時間点は入力波形中のどの位置上にあるか確実に知ることができ、電流源制御器９０は前記整流済み電圧の波形の前記谷部区間で電流を抑えるともに、前記整流済み電圧の波形がピーク値に近づいたとき、電流を増大させる。
しかし、電流源制御器９０は入力電圧中の前記谷部のようなその他位置においても同様に電流を抑えられる。この機能は有効なフリッカー周波数を２００Ｈｚ以上になるように高めることができ、制御器４０により本来の目的を達成できるだけでなく、小型キャパシタにより生じる前記整流済み電圧の変化にも反応する。
したがって、この種の方式によれば前記電解キャパシタを用いることを回避でき、ＬＥＤデバイスのＰＦ値も改善できる。さらに重要なのは、低フリッカー周波数が原因で生じる健康被害の問題も解決できるということである。

上述の記載は本発明の好ましい実施例の説明に過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。したがって、本発明分野の通常技術を有する者が加えた変更や潤色はすべて、本発明の実質的な内容を脱しないと見なされる。

１０ 電源モジュール
１２ 交流電圧源
１２０ ダイオード整流器
１２２ フィルタキャパシタ
２０ ＬＥＤストリング
２００ 主セグメント
２２０ 副セグメント
３０ 電流源
４０ 制御器
４２０ 電圧検出モジュール
４４０ スイッチ制御器
４６０ スイッチ
５０ 小型制御器
５１０ 電流源
５２０ 電圧センサモジュール
５２００ 抵抗分圧器
５２２０ 電圧センサ
５２６０ コードオーバーフロー防止器
５２７０ コードジェネレータ
５２８０ 発振器
５４０ スイッチ制御器
５４００ ローサイド入力
５４２０ ハイサイド出力
５５０ スイッチ
５６０ オフセットユニット
６０ 制御器
６００ スイッチ
６２０ 電流減少検出器
６４０ ステートマシン
６６０ リップル電圧検出器
６８０ 誤差増幅器
７０ 限流器
Ｍ１ 高電圧トランジスタ
７００ 電流検出抵抗
７２０ 増幅器
７４０ 基準電圧
８０ 制御器
９０ 電流源制御器
９２ フィルタキャパシタ

Claims (20)

1. 交流電圧を受けて整流済み電圧を提供する電源モジュールであり、
   前記交流電圧を脈動直流電圧に変換するのに用いるダイオード整流器と、前記脈動直流電圧を平滑化して前記整流済み電圧とするのに用いるフィルタキャパシタ（平滑コンデンサ）と、を備える電源モジュールと、
   複数の発光ダイオードを直列方式で接続して構成したＬＥＤストリングであり、主セグメントおよび複数の副セグメントを有するＬＥＤストリングと、
   前記電源モジュールおよび前記ＬＥＤストリングの一端に電気的に接続し、前記電源モジュールから前記整流済み電圧を受けて一定電流を前記ＬＥＤストリングに出力する電流源と、
   前記電流源および前記副セグメントに電気的に接続し、各副セグメントを選択的に短絡させることで、前記発光ダイオードが前記整流済み電圧の電圧値に非常に近くつり合う総順方向電圧降下を有するようにする制御器と、を備えることを特徴とする、
   ＬＥＤ照明駆動デバイス。
2. 前記制御器は、前記電源モジュールに電気的に接続して前記電流源を流れる電圧値を検出する電圧検出モジュールと、前記副セグメントに電気的に接続する少なくとも１つのスイッチと、前記スイッチに電気的に接続するとともに、前記電流源を流れる電圧値に基づき前記スイッチをオンまたはオフにすることで、前記副セグメントを前記ＬＥＤストリングに加えたり前記ＬＥＤストリングから減らしたりする、少なくとも１つのスイッチ制御器と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
3. 前記制御器は、少なくとも１つのスイッチと、前記ＬＥＤストリングの一端に電気的に接続するとともに、電流値がもとの電流値より低い時あるいは設定値より低い時にトリガ信号を生成する、電流減少検出器と、前記電流減少検出器から出力された前記トリガ信号が発生した時、各前記スイッチにより各副セグメント中の前記発光ダイオードを選択的に短絡させるのに用いられるステートマシンと、を備えることを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
4. 前記制御器は、前記電源モジュールと前記ステートマシンの間に電気的に接続するとともに、前記整流済み電圧からリップル電圧の最小値を検出する、リップル電圧検出器をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
5. 前記制御器は、サーバー回路中で前記スイッチの調節を行い、前記スイッチの電圧変化が多くの電圧サイクルから成る１つの期間中で発生するようにする、少なくとも１つの誤差増幅器をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
6. 前記電流源は、前記ステートマシンと同じ側または相対する側にある前記ＬＥＤストリングの主セグメントの一端に設置されることを特徴とする、請求項５に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
7. 基準電圧源と、ドレインによりフィルタキャパシタの負端に電気的に接続する高電圧トランジスタと、前記高電圧トランジスタと接地端に電気的に接続し、電流値を理想の電流値に制限するのに用いる電流検出抵抗と、前記基準電圧源に電気的に接続する第一入力端と、前記高電圧トランジスタのソースと前記電流検出抵抗に電気的に接続する第二入力端と、前記高電圧トランジスタのゲートに電気的に接続する出力端と、を有する増幅器と、をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
8. 前記制御器は直列接続であり、前記制御器は前記各副セグメントに順次対応して接続することを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
9. 前記電源モジュールと前記電流源の間に電気的に接続する電流源制御器をさらに備え、前記電流源制御器は入力電圧に同期化するとともに、前記電流源を変調してＬＥＤストリングにつり合った電流を提供することを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
10. ＬＥＤ照明中のＬＥＤストリングを主セグメントと少なくとも１つの副セグメントに分けるステップと、
    前記ＬＥＤストリング中の前記副セグメントを交互に導通させたりオフにしたりするステップと、を含むことを特徴とする、
    ＬＥＤ照明駆動方法。
11. 前記ＬＥＤストリング中の前記副セグメントを交互に導通させたりオフにしたりする前記ステップは、整流済み電圧を検出するステップと、前記整流済み電圧が必要電圧より高い時、前記副セグメントを順次導通させるステップと、前記整流済み電圧が前記必要電圧より高くない時、前記副セグメントを順次オフにするステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載のＬＥＤ照明駆動方法。
12. 前記ＬＥＤストリング中の前記副セグメントを交互に導通させたりオフにしたりする前記ステップは、既にオンになっている各スイッチから第一スイッチをオフにするステップと、ＬＥＤストリングを流れた電流が減少していない場合は、第一ルートにおいて順次スイッチを１つずつオフにしていくステップと、ＬＥＤストリングに流れた電流が減少している場合は、第二ルートにおいて順次スイッチを１つずつオンにしていくステップと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載のＬＥＤ照明駆動方法。
13. 交流電圧を受けて整流済み電圧を提供する電源モジュールと、
    直列方式により接続する複数の発光ダイオードにより構成され、１つの主セグメントおよび複数の副セグメントを有するＬＥＤストリングと、
    前記電源モジュールと前記ＬＥＤストリングに電気的に接続し、前記整流済み電圧により前記ＬＥＤストリングに一定の電流を提供するとともに、前記副セグメントの前記発光ダイオードを選択的に短絡させ、前記ＬＥＤストリングに流れる電圧を前記整流済み電圧につり合うようにする制御器と、を備えることを特徴とする、
    ＬＥＤ照明駆動デバイス。
14. 前記制御器は、少なくとも１つのスイッチと、電流源と、前記電流源に接続して前記電流源の両端の電圧を検出する抵抗分圧器と、前記抵抗分圧器に電気的に接続するとともに前記抵抗分圧器が検出した電圧に基づき電圧状態を決定する電圧センサと、前記電圧センサに電気的に接続するとともにレベル信号を生成して前記電圧センサが受けた前記電圧状態を表示するコードジェネレータと、前記コードジェネレータに電気的に接続するとともにクロック信号を生成して前記コードジェネレータが前記レベル信号を出力するよう指示する発振器と、を具備する電圧センサモジュールと、前記コードジェネレータに電気的に接続するとともに、前記レベル信号に基づいて前記スイッチにより前記副セグメントを短絡させるスイッチ制御器と、をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
15. 前記スイッチ制御器は、ローサイド入力とハイサイド入力を有するヒステリシスレベルシフタであり、前記ローサイド入力は前記コードジェネレータに電気的に接続して前記レベル信号を受信し、前記ハイサイド入力は前記レベル信号に基づき制御信号を生成し、前記スイッチを選択的にオンまたはオフにすることを特徴とする、請求項１４に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
16. 前記ＬＥＤストリングの前記副セグメントに電気的に接続するオフセットユニットをさらに備え、前記オフセットユニットは、前記電流源を通過する電流を調節して前記ＬＥＤストリングの出力を一定の照度になるように保持するのに用いられることを特徴とする、請求項１３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
17. 前記オフセットユニットは、アナログフィードバックユニットであり、前記ＬＥＤストリングの前記副セグメントの数が増加・減少したことを表示するアナログ信号を検出することを特徴とする、請求項１６に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
18. 前記オフセットユニットはデジタル文字列を生成して前記ＬＥＤストリングの前記副セグメントの数が増加・減少したことを表示することを特徴とする、請求項１６に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
19. 前記副セグメント中の前記発光ダイオードの数はそれぞれ異なることを特徴とする、請求項１３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。
20. 前記副セグメント中の前記発光ダイオードの数はバイナリ形式で配列されることを特徴とする、請求項１３に記載のＬＥＤ照明駆動デバイス。

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