JP2013503426A - Ｌｅｄの調光レベルを制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

調光制御入力に基づいてＬＥＤの効率的な電流制御を実現するのに役立つ回路が説明される。本回路は、約０％〜１０％の光出力で調光する広範囲に渡る高効率ＬＥＤドライバを実現するために、ＰＷＭ調光及びアナログ調光の組み合わせを用いる。

Description

本発明は、概して、発光ダイオード（ＬＥＤ）の調光レベルを制御することを対象にしている。より詳細には、ここに開示された種々の本発明の方法及び装置は、閾値レベルよりも高い及び低い駆動電流を制御することに関する。

デジタル照明技術、即ち、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体光源に基づく照明は、従来の蛍光灯、ＨＩＤ及び白熱灯に対する実行可能な代替手段を提供する。ＬＥＤの機能的な利点及び恩恵は、高いエネルギ変換及び光学的効率、耐久性、低い動作コスト並びに多くのものを含む。ＬＥＤ技術における近年の進歩は、多くのアプリケーションにおいて様々な照明効果を可能にする効率的であり強固なフルスペクトル光源を提供している。これらの光源を組み込む器具の幾つかは、例えば参照によりここに組み込まれる米国特許第６，０１６，０３８号明細書及び米国特許第６，２１１，６２６号明細書において詳細に述べられたような、異なる色（例えば赤色、緑色及び青色）を生成可能な１又はそれ以上のＬＥＤ、並びに、様々な色及びカラーチェンジング照明効果を生成するためにＬＥＤの出力を独立して制御するためのプロセッサを含む、照明モジュールを特徴付ける。

大幅な進歩は、白色光を放射するＬＥＤの製造において行われている。現在、白色光ＬＥＤは、商業的に利用可能であり、これは、１００よりも大きいワットあたりのルーメンを生成する。これは、蛍光ランプ及びＨＩＤランプの性能に相当する。加えて、これらのＬＥＤは、より長い動作寿命、耐衝撃／振動、及び、これらの小さなサイズのため自由度の高い設計のような他の利点を提供する。結果として、白色光ＬＥＤは、看板、アクセント、経路照明、ダウンライト、駐車場及び道路照明のような照明アプリケーションのための従来の白熱光源、コンパクトな蛍光ランプ及びＨＩＤの代替物として受け入れられている。白色ＬＥＤは、単独で用いられてもよく、又は、特定の効果のために着色ＬＥＤとともに用いられてもよい。

ＬＥＤの電気的特性は、ＬＥＤランプに印加された電圧の小さな変化が感知され得る電流変化をもたらすようになっている。加えて、周囲温度は、ＬＥＤ間の順方向降下を変えることによりＬＥＤ電流変化をもたらすだろう。更に、ＬＥＤのルーメン出力は、ＬＥＤ電流に依存する。ＬＥＤ光源に対する既存の電力供給は、入力ＡＣ電圧変化及び周囲温度に起因してルーメン強度変化を阻止するためにＬＥＤ電流を正確に調整するように設計されている。長期間の過度の順方向電流でのＬＥＤランプの動作は、受け入れられないルーメン強度変化及び突発故障をもたらし得る。加えて、現在の電力供給は、エネルギ節約を最大にするように電力消費を最小にするものではない。

ＬＥＤ及びＬＥＤを用いた照明器具に対して調光機能を与えることが多くの場合望ましい。調光ＬＥＤの既知の手法は、パルス幅変調（ＰＷＭ）、電流波形の"チョッピング"及び電流波形の振幅のアナログ削減を含む。あいにく、既知のアナログ振幅削減及びＰＷＭ調光を用いた場合、０％の光出力（光出力がない）から１００％の光出力（完全な光出力）の調光範囲全体に渡って良好な効率及び良好な性能を得ることは困難である。多くの既知の高効率ＬＥＤドライバは、ＬＥＤに対する電流を調節するためにスイッチモードコンバータを用いる。"深い調光"（例えば５％未満及び最大３０％への調光）を実現するために、ＬＥＤ電流のＰＷＭパルスは、典型的には、ＬＥＤの適切な動作を保証するために用いられる。電源出力によれば、ＰＷＭ調光は、ＰＷＭサイクルの"オフ"パルスの間、ＬＥＤ電流を短絡する短絡スイッチを必要とする。そのため、ＬＥＤに対する電流は、その電流の一部だけが供給されたとしても、比較的高いレベルにあるので、比較的高い損失がメインコンバータ及び短絡スイッチにおいて実現される。従って、既知の短絡スイッチ及びこれらの方法の使用は、調光を伴うＬＥＤアプリケーションにおいて比較的非効率である。加えて、ＬＥＤの効率（lm/W）は、より低い駆動電流で比較的高くなり、結果として、既知のＰＷＭ調光手法は、既知のアナログ調光手法よりも効率的ではない。しかしながら、アナログ調光も、低い調光レベルでの幾つかの欠点をもつ。例えば、ＬＥＤ電流が約５％よりも小さく、完全な定格出力の３０％と同じ大きさの場合には、光レベルは、異なるＬＥＤ間で均一にならない場合があり、カラーシフトが発生し、非常に低い電流レベルでＬＥＤの効率が比較的乏しくなる。加えて、１％よりも低い電流レベル降下、オフセット電圧及び電流感知回路における電気ノイズが主要な関心事になるので、駆動電子装置はより難しくなる。０．１％よりも低い調光レベルでは、これらの問題はアナログ調光を不所望なものにする。

前述した既知の調光手法の少なくとも欠点を克服するＬＥＤの調光を提供することがこの分野において必要である。

本開示は、調光レベルを制御するための本発明の方法及び装置を対象にしている。出願人らは、アナログ及びパルス幅変調（ＰＷＭ）調光における特定の欠点を克服する態様で０％〜１００％の調光範囲全体に渡ってＬＥＤのより効率的な調光を提供することが有益であることを認識及び理解している。更に、出願人らは、或る調光レベルまでのアナログ調光を提供するとともに、或る調光レベル未満まで調光するためのＰＷＭ調光を提供することが有益であることを認識及び理解している。

一態様によれば、本開示は、調光入力を受信し、パルス幅変調信号（ＰＷＭ）及び基準電圧を供給するように構成された電流コントローラを有する、ＬＥＤのための調光回路にフォーカスする。また、調光回路は、出力電流を供給するように構成された電流コンバータと、前記コントローラに接続され、前記電流コンバータに接続され、電流コントローラと前記ＬＥＤとの間に接続された短絡スイッチとを有し、前記短絡スイッチは、前記調光入力が閾値レベルよりも大きいときに非導通状態になる。

他の態様によれば、本開示は、調光入力を受信し、パルス幅変調信号（ＰＷＭ）及び基準電圧を供給するように構成された電流コントローラを有する、ＬＥＤのための調光回路にフォーカスする。また、調光回路は、出力電流を供給するように構成された電流コンバータと、前記ＬＥＤと電流コンバータとの間に接続されたバックコンバータ（buck converter）とを有し、前記バックコンバータは、前記調光入力が閾値レベルよりも小さいときに非導通状態になる短絡スイッチを有する。

本開示の目的のためにここで用いられるように、"ＬＥＤ"という用語は、任意のエレクトロルミネッセンスダイオード又は電気信号に応答して放射線を生成可能な他のタイプのキャリアインジェクション／ジャンクションベースのシステムを含むことが理解されるべきである。それ故、ＬＥＤという用語は、それらに限定されるものではないが、電流に応答して光を放射する種々の半導体ベースの構造体、発光ポリマ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、エレクトロルミネッセンスストリップ及び同種のものを含む。詳細には、ＬＥＤという用語は、赤外線スペクトル、紫外線スペクトル、及び、（一般に約４００ナノメートル〜約７００ナノメートルの放射線波長を含む）可視スペクトルの種々の部分のうち１又はそれ以上のスペクトルの放射線を生成するように構成され得る（半導体及び有機発光ダイオードを含む）全てのタイプの発光ダイオードに言及する。ＬＥＤの幾つかの例は、それらに限定されるものではないが、種々のタイプの赤外線ＬＥＤ、紫外線ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、琥珀色ＬＥＤ、オレンジ色ＬＥＤ及び白色ＬＥＤ（以下に詳細に述べられる）を含む。また、ＬＥＤは、所与のスペクトル（例えば狭帯域幅、広帯域幅）のための種々の帯域幅（例えば、半値全幅又はＦＷＨＭ）及び所与の一般的な色分類の範囲内の様々な支配的な波長をもつ放射線を生成するように構成及び／又は制御され得ることが理解されるべきである。

例えば、本質的に白色光を生成するように構成されたＬＥＤ（例えば白色ＬＥＤ）の一の実装は、本質的に白色光を形成するために組み合わせて混合するエレクトロルミネッセンスの異なるスペクトルをそれぞれ放射する多数のダイを含み得る。他の実装において、白色光ＬＥＤは、第１のスペクトルをもつエレクトロルミネッセンスを異なる第２のスペクトルに変換する蛍光材料に関連付けられ得る。この実装の一例において、比較的短い波長及び狭い帯域幅スペクトルをもつエレクトロルミネッセンスは、蛍光材料に"光を送り込み（pump）"、そして、この蛍光材料は、多少広いスペクトルをもつより長い波長の放射線を放射する。

ＬＥＤという用語は、ＬＥＤの物理的及び／又は電気的なパッケージタイプを限定するものではないことが理解されるべきである。例えば、前述されたように、ＬＥＤは、放射線の異なるスペクトルをそれぞれ放射するように構成された（例えば、個別に制御可能であってもなくてもよい）複数のダイをもつ単一の発光デバイスに言及してもよい。また、ＬＥＤは、ＬＥＤの一体部分と見なされる蛍光体に関連付けられてもよい（例えば幾つかのタイプの白色ＬＥＤ）。一般に、ＬＥＤという用語は、パッケージ化されたＬＥＤ、パッケージ化されていないＬＥＤ、表面マウントＬＥＤ、チップオンボードＬＥＤ、ＴパッケージマウントＬＥＤ、放射状パッケージＬＥＤ、パワーパッケージＬＥＤ、幾つかのタイプの包装及び／又は光学要素（例えば拡散レンズ）を含むＬＥＤ等に言及し得る。

"光源"という用語は、それらに限定されるものではないが、（前述したような１又はそれ以上のＬＥＤを含む）ＬＥＤベースの光源、白熱光源（例えば白熱ランプ、ハロゲンランプ）、蛍光光源、リン光光源、高輝度放電光源（例えばナトリウム蒸気、水銀蒸気及びメタルハライドランプ）、レーザ、他のタイプのエレクトロルミネッセンス光源、パイロルミネッセンス光源（例えば炎）、キャンドルルミネッセンス光源（例えばガスマントル、カーボンアーク放射光源）、フォトルミネッセンス光源（例えばガス放電光源）、電子飽和を用いたカソードルミネッセンス光源、ガルバノルミネッセンス光源、結晶ルミネッセンス光源、キネルミネッセンス光源、サーモルミネッセンス光源、摩擦ルミネッセンス光源、ソノルミネッセンス光源、ラジオルミネッセンス光源、及び、ルミネッセンスポリマを含む、任意の１又はそれ以上の種々の放射線供給源に言及することが理解されるべきである。

所与の光源は、可視スペクトル、可視スペクトルの外側、又は、これら双方の組み合わせの範囲内の電磁放射線を生成するように構成され得る。それ故、"光"及び"放射線"という用語は、ここでは同じ意味で用いられる。加えて、光源は、一体部品として、１若しくはそれ以上のフィルタ（例えばカラーフィルタ）、レンズ、又は、他の光学部品を含み得る。また、光源は、それらに限定されるものではないが、指示、表示及び／又は照射を含む、様々なアプリケーションのために構成され得ることが理解されるべきである。"照射光源"は、特に内部又は外部空間を効果的に照射するのに十分な強度をもつ放射線を生成するように構成された光源である。この文書において、"十分な強度"は、環境照明（即ち、間接的に知覚され、例えば、全体的又は部分的に知覚される前に１又はそれ以上の種様々な介在面で反射され得る光）を与えるために、空間又は環境において生成された可視スペクトルにおける十分な放射パワーに言及する（単位"ルーメン"が、放射強度又は"光束"の観点から、光源から全ての方向に出力された光全体を表すために用いられる）。

"スペクトル"という用語は、１又はそれ以上の光源により生成された放射線の任意の１又はそれ以上の周波数（波長）に言及することが理解されるべきである。従って、"スペクトル"という用語は、可視範囲だけでなく、赤外線、紫外線及び電磁スペクトル全体の他のエリアにおける周波数（又は波長）に言及する。また、所与のスペクトルは、比較的狭い帯域幅（例えば、本質的にわずかな周波数又は波長成分をもつＦＷＨＭ）、又は、比較的広い帯域幅（種々の相対強度をもつ幾つかの周波数又は波長成分）を有し得る。所与のスペクトルは、２又はそれ以上の他のスペクトルの混合の結果（例えば、複数の光源からそれぞれ放射された混合放射線）であってもよいことが理解されるべきである。

この開示の目的のために、"色"という用語は、"スペクトル"という用語と同じ意味で用いられる。しかしながら、"色"という用語は、（この使用がこの用語の範囲を限定することを意図するものではないが）観察者により知覚可能な放射線の特性に主に言及するために一般的に用いられる。従って、"異なる色"という用語は、異なる波長成分及び／又は帯域幅をもつ複数のスペクトルに黙示的に言及する。"色"という用語は、白色光及び白色ではない光の双方を組み合わせて用いられ得ることも理解されるべきである。

"色温度"という用語は、この使用がこの用語の範囲を限定することを意図するものではないが、白色光と組み合わせてここでは一般的に用いられる。色温度は、本質的に、特定の色内容又は白色光のシェード（例えば赤褐色、青褐色）に言及する。所与の放射線サンプルの色温度は、通常、問題になっている放射線サンプルと同じスペクトルを本質的に放射する黒体放射体の絶対温度に従って特徴付けられる。黒体放射体色温度は、一般に、絶対温度約７００度から１００００度を超えるまでの範囲内にある。即ち、白色光は、一般に、絶対温度１５００〜２０００度を超える色温度で知覚される。

"照明器具"という用語は、特定の形状因子、アセンブリ又はパッケージにおける１又はそれ以上の照明ユニットの実装又は構成に言及するためにここで用いられる。"照明ユニット"という用語は、同一又は異なるタイプの１又はそれ以上の光源を含む装置に言及するためにここで用いられる。所与の照明ユニットは、光源のための様々な取付構成、筺体／ハウジング構成又は形状、並びに／又は、電気的及び機械的接続形態のうちの任意のものを有し得る。加えて、所与の照明ユニットは、オプション的に、光源の動作に関連する種々の他の部品（例えば制御回路）に関連付けられ（例えば、これらを含み、これらに結合され、及び／又は、これらと一緒にパッケージ化され）得る。"ＬＥＤベースの照明ユニット"は、単独で又は他のＬＥＤベースではない光源と組み合わせて、前述された１又はそれ以上のＬＥＤベースの光源を含む照明ユニットに言及する。"マルチチャンネル"照明ユニットは、放射線の異なるスペクトルをそれぞれ生成するように構成された少なくとも２つの光源を含む、ＬＥＤベースの又はＬＥＤベースではない照明ユニットに言及する。ここで、それぞれの異なる光源スペクトルは、マルチチャンネル照明ユニットの"チャンネル"と呼ばれ得る。

"コントローラ"という用語は、１又はそれ以上の光源の動作に関連する種々の装置を説明するために一般的にここで用いられる。コントローラは、ここで述べられた種々の機能を実行するために（例えば専用のハードウェアのような）多くの手法において実装され得る。"プロセッサ"は、ここで述べられた様々な機能を実行するためにソフトウェア（例えばマイクロコード）を用いてプログラムされ得る１又はそれ以上のマイクロプロセッサを用いるコントローラの一例である。コントローラは、プロセッサを用いて又は用いることなく実装されてもよく、幾つかの機能を実行するための専用のハードウェア及び他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１又はそれ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路）の組み合わせとして実装されてもよい。本開示の種々の実施形態において用いられ得るコントローラコンポーネントの例は、それらに限定されるものではないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及びフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含む。

ここで用いられる"ユーザインタフェース"という用語は、ヒューマンユーザ又はオペレータと、ユーザとデバイスとの間の通信を可能にする１又はそれ以上のデバイスとの間のインタフェースに言及する。本開示の種々の実装で用いられ得るユーザインタフェースの例は、それらに限定されるものではないが、スイッチ、電位差計、ボタン、ダイヤル、スライダ、マウス、キーボード、キーパッド、種々のタイプのゲームコントローラ（例えばジョイスティック）、トラックボール、ディスプレイスクリーン、種々のタイプのグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）、タッチスクリーン、マイクロフォン、及び、人が生成した刺激の一部の形式を受信してこれに応答して信号を生成し得る他のタイプのセンサを含む。

前述の概念及び以下でより詳細に述べられる追加の概念（与えられた斯様な概念は相互に矛盾するものではない）の全ての組み合わせは、ここに開示された本発明の主題の部分であると見なされることが理解されるべきである。特に、この開示の最後に挙げている請求項に記載された主題の全ての組み合わせは、ここに開示された本発明の主題の部分と見なされる。参照により組み込まれた任意の開示においても現れ得る、ここで明示的に用いられた専門用語は、ここに開示された特定の概念と最も一致する意味が優先されるべきである。

図面において、同様の参照文字は、概して、異なる図面において同一の部分に言及する。また、図面は、必ずしも実寸、強調ではなく、代わりに、本発明の原理を示すために概ねセットされる。

代表的な実施形態による照明器具の簡素化されたブロック図を示す。 代表的な実施形態による調光回路の簡素化された概略図を示す。 代表的な実施形態による調光回路の簡素化された概略図を示す。

以下の詳細な説明において、例示及び非限定の目的のために、特定の細部を開示している代表的な実施形態は、本内容の完全な理解を与えるために示されている。既知のデバイス、材料及び製造方法の説明は、本例の実施形態の説明を曖昧にするのを開示するために省略され得る。それにもかかわらず、本技術分野の範囲内にある斯様なデバイス、材料及び方法は、これらの代表的な実施形態に従って用いられ得る。

図１は、本発明の種々の実施形態による照明装置１００の簡素化されたブロック図を示している。照明装置は、線間電圧のような入力電圧を受け取る調光回路１０１を含む。所望の調光設定に基づいて、調光回路１０１は、特定の駆動電流をＬＥＤ１０２に供給する。代表的な実施形態において、照明装置は、調光回路及びＬＥＤを共通の又は別個のパッケージにもつハウジング内に設けられ得る。

図２は、代表的な実施形態による調光回路２００の簡素化された概略図を示している。調光回路２００は、図１中の照明器具１００の調光回路１０１としての使用と見なされる。調光回路２００は、定電流コンバータ（"コンバータ"）２０１及びコントローラ２０２を有する。コントローラ２０２は、調光入力を受信し、コンバータ２０１は、入力電圧を受信する。代表的な実施形態において、コンバータ２０１は、実例としてはＡＣ電圧（線間電圧）、ＤＣ電圧又は低電圧ＡＣ供給源である、様々な既知の電源のうちの１つからの入力を受信するように構成された既知の電源である。コンバータ２０１は、入力電圧に基づいて出力電流を供給する。ここでより完全に述べられるように、ＰＷＭ信号２０３は、短絡スイッチ（例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２１０（Q1））に供給される。

代表的な実施形態において、コントローラ２０２は、メモリ及び論理回路を有する既知のマイクロプロセッサを含み、調光入力を受信するとともにＰＷＭ信号２０３及び基準電圧（V_ref）２０４を供給するように構成される。マイクロプロセッサの使用は単なる例示に過ぎず、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のようなプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又は別個の電子部品の使用もコントローラ２０２における使用と見なされる。

基準電圧（V_ref）２０４は、一の入力を誤差増幅回路２０５に供給する。ＬＥＤに対する電流は、検出抵抗（R1）２１１を介して流れ、検出抵抗（R1）２１１は、誤差増幅回路２０５に他の入力として供給される検出電圧を生成する。誤差増幅回路２０５は、検出電圧信号を基準電圧（V_ref）２０４と比較する。誤差増幅回路２０５の出力に基づくフィードバック信号２０６は、コンバータ２０１に供給される。フィードバック信号２０６の値に応答して、コンバータ２０１は、検出抵抗（R1）２１１での検出電圧が基準電圧（V_ref）２０４と実質的に等しくなるまで、ＬＥＤに対する電流を増大又は減少させる。

動作において、コンバータ２０１は、比較的一定の電流を第１のインダクタ２０７（L1）に供給する。そして、コンバータ２０１からの電流は、第２のインダクタ（L2）２０８に流れる。キャパシタ（C1）２０９と併用した第２のインダクタ（L2）２０８は、有益には、電流リップルを削減し、一定のＤＣ電流をＬＥＤ（図２においては図示省略）又は短絡スイッチ（Q1）２１０に供給する。キャパシタ（C1）２０９及び第２のインダクタ（L2）２０８は、短絡スイッチ２１０（Q1）のスイッチングがキャパシタ２０９（C1）での電圧を大幅に変えないように選択されたそれぞれの値をもつ。従って、第２のインダクタ（L2）２０８の電流は、実質的に一定の状態を維持する。そして、このほぼ一定の電流は、ＬＥＤに直接的に、又は、短絡スイッチ（Q1）２１０を介して、流れる。

ＬＥＤに直接的に、又は、短絡スイッチ（Q1）２１０に対する電流フローは、コントローラ２０２に対する調光入力で供給された調光のレベルに依存する。多くの場合、カラーレベルシフトを回避するために、及び、効率の基本的なレベルを与えるために、最小限の電流振幅が特定される。この最小限の電流振幅は、多くの場合、ＬＥＤジャンクションを通る最大電流レベル又は振幅の割合について表される。例えば、ＬＥＤ製造業者又はランプ製造業者は、ＬＥＤに供給され得る最大電流振幅の割合としてＬＥＤの必要とされる最小電流振幅を特定し得る。

例示の目的のために、この最小値が、現在、照明器具１００において用いられるＬＥＤの最大電流振幅の約１０％であると仮定する。最大電流振幅の割合は、１０％よりも小さくなり得るか又はこれよりも大きくなり、この値は、説明の容易さのためにのみ選択されることが強調される。図２と併せて述べられた代表的な実施形態によれば、コントローラ２０２に対する調光入力がこの最大電流レベルの１００％と最大電流レベルの１０％との間にあるときには、コントローラ２０２から出力されたＰＷＭ信号２０３は、短絡スイッチ２１０（Q1）が非導通状態及び"オフ"になるように逆バイアスをかけられる電圧になり、基準電圧（V_ref）２０４は、調光入力に比例するレベルにある。基準電圧（V_ref）２０４は、誤差増幅回路２０５に入力され、フィードバック２０６をコンバータ２０１に供給し、これは、所望の電流セットポイント（基準電圧（V_ref）２０４）と検出抵抗（R1）２１１で検出された実際のＬＥＤ電流との間の誤差信号に比例する。フィードバック２０６は、コンバータ２０１に入力され、コンバータ２０１からの出力は、所望の電流レベルをＬＥＤに供給するアナログ出力である。

これに対して、及び、例となる値に従って、コントローラ２０２に対する調光入力が約１０％又はそれ未満（約０％まで）であるときには、コントローラ２０２は、最大値の１０％（又は選択された場合にはそれ未満）の基準電圧（V_ref）２０４を供給する。短絡スイッチ（Q1）２１０に対するＰＷＭ信号２０３は、設定されたデューティサイクルで短絡スイッチ（Q1）２１０に選択的にバイアスをかける。最大ＬＥＤ駆動電流の１０％の閾値レベルをもつ本代表的実施形態において、ＰＷＭ信号２０３は、（平均電流が１０％に既に削減されるので）１０に分割された所望の調光レベルに実質的に適合するオフデューティサイクルをもつ。例えば、１％のＰＷＭオフデューティサイクルは、０．１％の調光レベルに対応する。

有益には、短絡スイッチ（Q1）２１０は、第１のインダクタ（L1）２０７及び第２のインダクタ（L2）２０８を通る電流が最大電流レベルの選択された部分（例えば１０又はそれ未満）にあるか又はそれよりも低いレベルまで削減された場合にのみ、順方向バイアスがかけられるので、短絡（Q1）２１０の損失は最小限に抑えられる。加えて、回路２００は、短絡スイッチ（Q1）２１０が比較的高い抵抗及び同様に比較的低いキャパシタンスをもつことを可能にする。これは、比較的高いＰＷＭ周波数が望まれる場合において、スイッチング損失の可能性を削減する。これを達成するために、実例となる実施形態において、短絡スイッチ（Q1）２１０は、（ＬＥＤシステムが高電圧出力であると仮定した場合に）６００Ｖの定格電圧を伴う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であり、約１．２Ωの抵抗及び約１００ｐＦの出力キャパシタンスをもつ。本例（即ちＭＯＳＦＥＴ）の短絡スイッチ（Q1）２１０がコンバータ２０１からの電流全体（例えば１Ａ）を伝導する場合には、伝導損失は、短絡スイッチ（Q1）２１０のオン時間が１００％に近いポイントで、単独で既に１Ｗになるだろう。理解され得るように、斯様な損失は望ましくない。これに対して、及び、代表的な実施形態によれば、短絡スイッチ（Q1）２１０を通る電流が最大電流レベルの１０％又はこれよりも小さい値に制限された場合には、同一のＭＯＳＦＥＴの伝導損失は非常に低くなる。実例として、同一の条件及びパラメータ下で０．０１２Ｗになる。伝導損失のこの大幅な削減のため、短絡スイッチ２１０（Q1）の抵抗は、より大きくなるように選択され得る。本例に続いて、短絡スイッチ２１０（Q1）がより高い抵抗（例えば１０Ω）を伴うＭＯＳＦＥＴであった場合には、出力キャパシタンスは、大幅に低下するだろう（例えば、本例においては１０倍）。有益には、伝導損失及びスイッチング損失は、（本例においては１０倍により）大幅に削減され、スイッチング時間も、削減されたキャパシタンスに起因して削減される。とりわけ、短絡スイッチ（Q1）２１０のスイッチング時間の削減は、比較的正確な調光制御が比較的速いスイッチング遷移から恩恵を受けるので、特に有益である。比較的速いスイッチング遷移は、スイッチ（例えば、代表的な実施形態においては、比較的低いキャパシタンスをもつ短絡スイッチ２１０（Q1））を設けることによりもたらされる。加えて、１０倍の抵抗をもつＭＯＳＦＥＴは、より低い抵抗ＦＥＴと比べてそれほど高価ではない。

とりわけ、短絡スイッチ（Q1）２１０に供給されたＰＷＭ信号２０３の周波数は、回路２００の性能を最適化するように選択され得る。実際には、短絡スイッチ（Q1）２１０がＰＷＭ信号２０３に応答して固定されたデューティサイクルでオン及びオフにされている間、第１のインダクタ（L1）２０７において実質的に一定の電流をもち、キャパシタ（C1）１０９間に実質的に一定の電圧をもつことが望ましい。これは、ＬＥＤの電流が短絡スイッチのデューティサイクル又は逆デューティサイクルに比例することを保証する。代表的な実施形態によれば、これらの条件は、短絡スイッチ（Q1）２１０のために十分高いＰＷＭ周波数を選択することにより実現される。代表的な実施形態において、電力供給は、絶縁され、有益には、絶縁を与えるコンバータ２０１は、スイッチングを停止させることがなく、それ故に、最小のコンバータ出力電流がゼロではない最小レベルに固定されるので（例えば前記の例においては最大１０％又はそれ未満）、電流フィードバック増幅器及び調光インタフェースコントローラを駆動させるために必要とされる任意の補助供給巻き線に十分な電力を連続的に供給する。ＬＥＤのためのＰＷＭ信号２０３の周波数は、典型的には、２００Ｈｚから５ｋＨｚのオーダになるように選択される。しかしながら、第２のインダクタL2（２０９）及びキャパシタ（C1）２１０のサイズを削減するために、より高い周波数で短絡スイッチ（Q1）２１０を動作させることが可能である。これは、とりわけ、短絡スイッチ（Q1）２１０が比較的高い抵抗、低いキャパシタンスデバイスであるときに当てはまり、速いスイッチング遷移を可能にする。

図３は、他の代表的な実施形態による調光回路３００の簡素化された概略図を示している。調光回路３００は、図１における照明器具１００の調光回路１０１としての使用と見なされる。図２に示された調光回路２００の実施形態と組み合わせて述べられたコンポーネントの詳細の多くは、調光回路３００の実施形態と共通している。これらの共通の詳細の多くは、現在述べられている実施形態の説明を曖昧にするのを回避するために繰り返されない。更に、図２と組み合わせて述べられた実施形態と同様に、調光回路３００は、約０％から約１００％の調光範囲全体に渡るＬＥＤの効率的な調光を与える。調光回路２００と同様に、調光回路３００は、コンバータ２０１から、最小限のカラーシフトをもつ適切なＬＥＤ動作を保証する閾値レベルまでのアナログ調光を与える。

調光回路３００は、コンバータ２０１及びコントローラ２０２を有する。コントローラ２０２は、調光入力を受信し、コンバータ２０１は、ＡＣ線間電圧のような入力電圧を受信する。代表的な実施形態において、コントローラ２０２は、メモリ及び論理回路を有する既知のマイクロプロセッサを有し、調光入力を受信し、ＰＷＭ信号２０３及び基準電圧（V_ref）２０４を供給するように構成されている。マイクロプロセッサの使用は単なる例示に過ぎず、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のようなプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）もコントローラ２０２における使用と見なされる。基準電圧（V_ref）２０４は、増幅回路２０５に対する一の入力を有する。

調光回路３００は、出力電流を閾値レベル（例えば、ＬＥＤに対する最大電流振幅の１０％）から０％電流まで、又は、１００％に調光するように、パルス幅変調を行うバックコンバータ３０１を有する。バックコンバータ３０１は、第２のスイッチ（Q2）３０３と並列の第１のスイッチ（Q1）３０２、インダクタ３０４及び抵抗３０５を有する。ダイオード（D1）３０６は、第２のスイッチ３０３（Q2）の出力と誤差増幅回路２０５への入力との間に設けられる。バックコンバータ３０１は、Lysらによる"HIGH POWER FACTOR LED-BASED LIGHTING APPARATUS AND METHODS"というタイトルの共同所有された米国特許出願公開第２００８０２７８０９２号明細書において述べられている。この特許出願公開公報の開示は、参照によりここに詳細に組み込まれる。代表的な実施形態によれば、バックコンバータ３０１は、ＰＷＭ信号２０３の周波数と比較して高い周波数で動作し、既知の制御手法を用いるか、又は、比較的早く及び比較的正確な電流制御を得るためのヒステリシス若しくはピーク電流制御手法を用いる。バックコンバータ３０１のスイッチング周波数は、実例として、約１００ｋＨｚから約５００ｋＨｚの範囲内にある。スイッチング損失は、第２のスイッチ（Q2）３０３及びダイオード（D1）３０６のキャパシタンスが比較的小さい（１０^１ｐＦのオーダの）場合に低くなる。これは、第２のスイッチ（Q2）３０３のオン抵抗（on-resistance）が十分高くなるように選択され、ダイオード（D1）３０６の定格電流が十分低くなるように選択された場合に達成され得る。そのため、代表的な実施形態によれば、バックコンバータ３０１を通る電流は、最初に、比較的低い振幅で維持され（例えばＬＥＤの最大電流の１０％又はそれ未満）、これは、第２のスイッチ（Q2）３０３のオン抵抗の選択が比較的高くなることを可能にし、これは、大幅な伝導損失を伴うことなくダイオード（D1）３０６を通る比較的低い電流を可能にする。例えば、１Ａの定格電流を伴うダイオードは、２０ｐＦ〜５０ｐＦのジャンクションキャパシタンスをもち、これに対し、０．１Ａの定格電流をもつダイオード（例えばダイオード（D1）３０６）は、約１ｐＦ〜約５ｐＦの範囲内のジャンクションキャパシタンスをもち、これは、比較的低い。スイッチング損失は、周波数に比例し、従って、キャパシタンスの１０倍の削減は、スイッチング損失の１０倍の削減につながり、これは、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの動作周波数において非常に大きな影響を与え得る。

代表的な実施形態によれば、バックコンバータ３０１は、インダクタ３０４（L2）の小さな値を伴う、ＬＥＤへの低出力電流リップル（即ち実質的に一定のＬＥＤ電流）を可能にするために比較的高いスイッチング周波数で動作される。とりわけ、インダクタ３０４（L2）における比較的小さな値のインダクタンスの取り込みは、インダクタ３０４（L2）が"オフ"ＰＷＭサイクルの間にどれくらい速く放電し得るかを決定するだろう。基本的に、インダクタ３０４（L2）は、ＰＷＭサイクルのスイッチング速度、それ故に、ＰＷＭ信号２０３の最大周波数並びにＰＷＭ信号２０３の上昇時間及び降下時間を決定する。そのため、バックコンバータ３０１のインダクタ３０４（L2）は、調光回路３００において実現可能な調光分解能及び最小調光レベルを決定する。

とりわけ、しかしながら、ＰＷＭ信号２０３の周波数は、恣意的に小さくなるように選択され得ない。ＰＷＭでは、約１００Ｈｚのオーダの周波数は、可視的なちらつきをもたらし得る。５００Ｈｚと低いＰＷＭ周波数は、フォトグラフィに関する問題があり得る。そのため、代表的な実施形態によれば、検出可能なちらつきを回避するため、及び、ＬＥＤの良好な出力光の質を提供するために、ＰＷＭ信号の周波数は、閾値レベルよりも高く設定される。実際には、バックコンバータ３０１は、許容可能な精度を伴う約５％のＰＷＭデューティサイクルを可能にするために、ＰＷＭ周波数よりも少なくとも１００倍高い周波数で動作する。より低い調光レベルに関して、より高いバック周波数が必要である。

前述された例示範囲に従って、アナログ調光は、約０％調光（即ち、調光されない、及び、ＬＥＤに対する最大電流振幅の１００％）から約９０％調光（即ち、ＬＥＤに対する最大電流振幅の１０％）まで下げるように調光することから実装され得る。９０％未満の調光では、高周波数バックコンバータ３０１は、１０％から０％の出力電流をＰＷＭに対して用いる。とりわけ、しかしながら、バックコンバータ２０１は、閾値レベルがＬＥＤに対する最大電流振幅の約５％で設定されることを可能にする。前記で示されたように、バックコンバータ２０１は、ＰＷＭ周波数と比較して非常に高い周波数で動作し、標準の制御手法を用いるか、又は、非常に早く正確な電流制御を得るためにヒステリシス又はピーク電流制御手法を用いる。バックコンバータ２０１は、アナログ調光部分の間、スイッチ（ＦＥＴ又は別のもの）でバイパスされ得る。主要な電流制御は、完全な出力で任意の追加の損失を最小限にするために用いられる。バイパススイッチである第１のスイッチ（Q1）３０２は、様々な制御可能なスイッチ（例えばＦＥＴ）のうち１つであってもよく、本実施形態においては、（例えば）１０％よりも高い調光の場合にオンにされこのレベルよりも低い場合にオフにされることを必要とするだけなので、比較的遅いスイッチングデバイスであってもよい。第１のスイッチ（Q1）３０２は、比較的低いオン抵抗をもってもよい。第１のスイッチ（Q1）３０２のキャパシタンスは、第１のスイッチ（Q1）３０２の低スイッチング損失が存在するので、回路設計においてあまり重要ではない。実際には、代表的な実施形態において、調光コマンドは、比較的固定され、ユーザが設定ポイントを変えたときにのみ変化する。例えば、及び、同一の例に続いて、最大電流の１１％の調光コマンドが与えられた場合には、その後、第１のスイッチ（Q1）３０２は"オン"になり、コンバータ２０１は、ＬＥＤに対して１１％の定電流を供給する。第１のスイッチ（Q1）２０１は、この条件においてはオフにならず、第２のスイッチ（Q2）３０３はオンにならず、従って、スイッチング損失が存在しないことに留意されたい。これに対して、例えば、最大電流の９％の調光コマンドが与えられた場合には、その後、第１のスイッチ（Q1）３０２が"オフ"になり、バックコンバータ３０１は、定電流制御を与える。この範囲の動作において、第１のスイッチ（Q1）は、スイッチングしないのではなく、むしろ"オフ"である。この場合も同様に、第１のスイッチ（Q1）３０２に寄与するスイッチング損失は存在しない。

動作において、調光入力に基づいて、コントローラ２０１は、基準電圧（V_ref）２０４及びＰＷＭ信号２０３を供給する。基準電圧（V_ref）２０４が調光閾値（例えば、ＬＥＤに対する最大電流振幅の１０％）よりも高いときには、バックコンバータ３０１の、短絡スイッチとして機能する第１のスイッチ（Q1）３０２は、コンバータ２０１により導通する（即ち"オン"になる）ようにバイアスがかけられる。それ故、最小アナログ調光設定（一例として最大電流振幅の１０％）に対する０％調光（即ち、ＬＥＤに対する最大電流振幅）のコントローラ２０２に対する調光入力に関して、バックコンバータ３０１は、第１のスイッチ（Q1）３０２を介したＬＥＤに対する調節された出力電流を生成する。バックコンバータ３０１の残りのコンポーネント、即ち、第２のスイッチ（Q2）２０３、インダクタ（L2）３０４、抵抗（R3）３０５及びダイオード（D1）３０６は、損失を最小限にするために全てバイパスされる。閾値（例えば、ＬＥＤに対する最大振幅電流の１０％未満）よりも小さいコントローラ１０１に対する調光入力に関して、第１のスイッチ（Q1）３０２は、導通しておらず、コンバータ２０１は、キャパシタ（C1）３０７間の電圧を、オンになっているＬＥＤ電圧よりも大きい電圧に調節する。従って、バックコンバータ３０１は、１０％のアナログレベルでＬＥＤ電流を調節することを可能とされる。加えて、第２のスイッチ（Q2）２０３は、ＰＷＭ１０３によりオン及びオフにされ、それ故に、バックコンバータ３０１は、その後、コントローラ１０１による極めて低いＰＷＭ周波数（例えば１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ）でオン及びオフに切り替えられる。そして、バックコンバータ３０１のデューティサイクルは、（オンタイムで低調光よりも小さくなり、オフタイムで大きくなる）調光コマンドに比例する、ＬＥＤにおけるＰＷＭ電流を与えるための回路２００と本質的に同一の態様で、ＰＷＭ信号に基づいて調節される。

代表的な実施形態において、任意の制御ループ応答の問題を回避するために、バックコンバータ３０１は、ＬＥＤにおける実質的な電流オーバーシュートを伴うことなく比較的早い応答時間を与えるために、オンタイムの間、ヒステリシス電流制御を介して制御され得る。しかしながら、ピーク電流制御、標準の電流モード制御又は臨界導通電流制御のような代替の電流制御手法は、必要とされる仕様に依存して用いられてもよい。バックコンバータ３０１回路は、深い調光（例えば１０％よりも低い）の間にのみアクティブになるので、第２のスイッチ（Q2）３０３、ダイオード（D1）３０６及びインダクタ（L2）３０４は、出力電流全体ではなく、１０％の電流レベルだけを取り扱うように設計されることを必要とする。これは、過度の損失を伴うことなくバックコンバータ３０１の速いスイッチング周波数を可能にする比較的小さなキャパシタンスをもつスイッチ（例えばＭＯＳＦＥＴ）及びダイオードを選択することを可能にする。最後に、バックコンバータ３０１は、ＦＥＴの分割を簡単（基準接地）にするために、示されたような正のＬＥＤ電流接続又は負側に置かれてもよい。本分野の範囲内における他の構成が考慮される。

幾つかの本発明の実施形態がここで述べられ示された一方で、当業者は、機能を実行し、並びに／又は、その結果及び／若しくはここで述べられた１若しくはそれ以上の利点を取得するための、様々な他の手段及び／又は構造を容易に想定するだろう。斯様なバリエーション及び／又は変更のそれぞれは、ここで述べられた本発明の実施形態の範囲内にあるものと見なされる。より一般的には、当業者は、ここで述べられた全てのパラメータ、寸法、材料及び構成が例示であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料及び／又は構成は、本発明の内容が用いられる特定のアプリケーションに依存することを容易に理解するだろう。当業者は、日常の実験と同じ程度のものを用いて、ここで述べられた特定の本発明の実施形態に対する多くの等価物を認識し、又は、これらを確かめることができるだろう。それ故、前述した実施形態は、単なる例により示されるものであり、特許請求の範囲及びその等価物の範囲内において、本発明の実施形態は、詳細に述べられ請求項に記載されたものとは別の手法で実施されてもよい。本開示の本発明の実施形態は、ここで述べられたそれぞれ個々の特徴、システム、品目、材料、キット及び／又は方法を対象とする。加えて、２又はそれ以上の斯様な特徴、システム、品目、材料、キット及び／又は方法の任意の組み合わせは、斯様なシステム、品目、材料、キット及び／又は方法が相互に矛盾しない場合に、本開示の本発明の範囲内に含まれる。

ここに規定され用いられた全ての規定は、辞書の規定、参照により組み込まれた文書における規定、及び／又は、規定された用語の一般的意味を支配するように理解されるべきである。

明細書及び特許請求の範囲においてここで用いられた単数表記は、それとは正反対に明確に示されない限り、"少なくとも１つ"を意味することが理解されるべきである。明細書及び特許請求の範囲においてここで用いられた"及び／又は"という表現は、結合された要素の"いずれか又は双方"、即ち、幾つかの場合において接続的に示し、他の場合において分離的に示すことを意味することが理解されるべきである。"及び／又は"とともに記載された複数の要素は、同一の態様で構成されるべきである。即ち、結合された要素の"１又はそれ以上"であるべきである。他の要素は、オプション的に、詳細に識別されたこれらの要素に関連するか又は関連しないかに関わらず、"及び／又は"の節により具体的に識別された要素とは異なるように示され得る。

明細書及び特許請求の範囲においてここで用いられたように、"又は"は、前述した"及び／又は"と同じ意味をもつことが理解されるべきである。例えば、リスト中のアイテムを分離するときには、"又は"又は"及び／又は"は、包括的なもの、即ち、少なくとも１つの包含と解釈されるべきであるが、１よりも多くの要素、多数の要素、要素のリスト、及びオプション的に、追加的にリストされていないアイテムを含む。"の一つだけ"若しくは"の厳密に一つ"、又は、請求項において用いられたときに"からなる"のような、それとは正反対に明確に示された用語だけが、多数の要素又は要素のリストの厳密な１つの包含に言及するだろう。一般に、ここで用いられた"又は"という用語は、排他的代替手段を示すものとしてのみ解釈されるべきであり（即ち、１又は他のものであり双方ではない）、"いずれか"、"の一つ"、"の一つだけ"又は"の厳密に一つ"、請求項において用いられたときに"本質的にからなる"のように、排他的な用語に先行するときには、特許法の分野において用いられる一般的な意味をもつべきである。

請求項中の括弧内に現れる任意の参照符号又は他の文字は、便宜上設けられたに過ぎず、いかなる手法でも請求項を限定することを意図されるものではない。

また、それとは正反対に明確に示されない限り、１よりも多いステップ又は動作を含む、請求項に記載された任意の方法において、本方法のステップ又は動作の順序は、本方法のステップ又は動作が記載された順序に必ずしも限定されるものではないことが理解されるべきである。

請求項において、及び、前記の明細書において、"有する"、"含む"、"運ぶ"、"もつ"、"含む"、"取り込む"、"保持する""含む"及び同種のもののような全ての移行句は、無制限である、即ち、それらを含むがこれらに限定されないことを意味することが理解されるべきである。"からなる"及び"本質的にからなる"という移行句だけは、それぞれ、限定的又は半限定的移行句である。

Claims (16)

1. ＬＥＤのための調光回路であって、
   調光入力を受信し、パルス幅変調信号（ＰＷＭ）及び基準電圧を出力するように構成された電流コントローラと、
   出力電流を供給するように構成された電流コンバータと、
   前記コントローラに接続され、前記電流コンバータに接続され、電流コントローラと前記ＬＥＤとの間に接続された短絡スイッチとを有し、
   前記短絡スイッチは、前記調光入力が閾値レベルを超えたときに非導通状態になる、調光回路。
2. 前記短絡スイッチは、前記調光入力が前記閾値レベルよりも小さいときには導通状態になる、請求項１に記載の調光回路。
3. 前記電流コンバータと前記短絡スイッチとの間に接続された第１のインダクタを更に有し、
   前記第１のインダクタを通る電流は、前記短絡スイッチが非導通状態にあるときには前記閾値レベルに比例する、請求項１に記載の調光回路。
4. 前記コントローラは、調光入力を受信し、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧を出力するように構成された回路を有する、請求項１に記載の調光回路。
5. 前記コントローラは、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧に対する前記調光入力の相関を有するメモリを有する、請求項４に記載の調光回路。
6. 前記コントローラは、調光入力を受信し、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧を出力するように構成されたプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）を有する、請求項１に記載の調光回路。
7. 前記閾値レベルは、前記ＬＥＤに対する最大駆動電流の割合を示す値である、請求項１に記載の調光回路。
8. 前記値は、最大電流レベルの約０％から約１０％の範囲内にある、請求項７に記載の調光回路。
9. ＬＥＤのための調光回路であって、
   調光入力を受信し、パルス幅変調信号（ＰＷＭ）及び基準電圧を供給するように構成されたコントローラと、
   出力電流を供給するように構成された電流コンバータと、
   前記ＬＥＤと電流コンバータとの間に接続されたバックコンバータとを有し、
   前記バックコンバータは、前記調光入力が閾値レベルよりも小さいときに非導通状態になる短絡スイッチを有する、調光回路。
10. 前記短絡スイッチは、前記調光入力が前記閾値レベルよりも大きいときに導通状態になる、請求項９に記載の調光回路。
11. 前記電流コンバータと前記バックコンバータとの間に接続された第１のインダクタを更に有し、
    前記第１のインダクタを通る電流は、前記短絡スイッチが導通状態にあるときには前記閾値レベルに比例する、請求項９に記載の調光回路。
12. 前記コントローラは、調光入力を受信し、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧を出力するように構成されたマイクロプロセッサを有する、請求項９に記載の調光回路。
13. 前記コントローラは、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧に対する前記調光入力の相関を有するメモリを有する、請求項１２に記載の調光回路。
14. 前記コントローラは、調光入力を受信し、前記ＰＷＭ信号及び前記基準電圧を出力するように構成されたプログラム可能論理回路（ＰＬＤ）を有する、請求項９に記載の調光回路。
15. 前記閾値レベルは、前記ＬＥＤに対する最大駆動電流の割合を示す値を有する、請求項９に記載の調光回路。
16. 前記値は、最大電流レベルの約０％から約１０％の範囲内にある、請求項１５に記載の調光回路。

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