JP2014154493A - Lighting device for semiconductor light-emitting element, and illuminating fixture using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子の点灯装置およびそれを用いた照明器具に関する。 The present invention relates to a lighting device for a semiconductor light-emitting element and a lighting fixture using the same.
従来、例えば、特開2012−64431号公報に開示されているように、臨界モードで動作する電力変換回路によりLED等の半導体発光素子に流れる電流を制御する半導体発光素子の点灯装置およびそれを用いた照明器具が知られている。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-64431, a semiconductor light-emitting element lighting device that controls a current flowing in a semiconductor light-emitting element such as an LED by a power conversion circuit that operates in a critical mode, and the same There were known lighting fixtures.
上記臨界モードを実現するための基本構成としては、直流電源に直列接続されて高周波でオンオフ制御されるスイッチング素子と、このスイッチング素子と電気的に接続するインダクタンス要素および回生ダイオードと、スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、が含まれる。インダクタンス要素には、スイッチング素子のオン時に直流電源から電流が流れる。回生ダイオードは、スイッチング素子のオン時にインダクタンス要素に蓄積されたエネルギーをスイッチング素子のオフ時に半導体発光素子に放出する。さらに、電流検出手段により検出された電流値が閾値に達すると、スイッチング素子をオフさせると共にインダクタンス要素のエネルギー放出が完了したときにスイッチング素子をオンさせる制御手段が備えられる。 As a basic configuration for realizing the critical mode, a switching element connected in series to a DC power source and controlled to be turned on / off at a high frequency, an inductance element and a regenerative diode electrically connected to the switching element, and a flow through the switching element Current detection means for detecting current. A current flows from the DC power source to the inductance element when the switching element is turned on. The regenerative diode discharges energy stored in the inductance element when the switching element is turned on to the semiconductor light emitting element when the switching element is turned off. Furthermore, when the current value detected by the current detection means reaches a threshold value, there is provided control means for turning off the switching element and turning on the switching element when the energy emission of the inductance element is completed.
このように、臨界モードとは、スイッチング素子のオン期間にインダクタンス要素に蓄積されたエネルギーがスイッチング素子のオフ期間に放出され、そのエネルギー放出が完了したタイミングでスイッチング素子を再度オンさせる制御モードのことである。 Thus, the critical mode is a control mode in which the energy stored in the inductance element during the ON period of the switching element is released during the OFF period of the switching element, and the switching element is turned ON again at the timing when the energy release is completed. It is.
上記従来の点灯装置では、電流検出手段により検出される電流値に対して、さらに、出力調整のための補正値を重畳し若しくは差し引くための可変抵抗素子が付け加えられている。この可変抵抗素子を操作することで、電流検出手段で検出される検出値に対して補正を行うことができる。つまり、可変抵抗素子の抵抗値を変化させることで電流検出感度を変更することができ、スイッチング素子に流れる電流のピーク値を上げたり下げたりすることができる。その結果、出力調整が可能となる。 In the above conventional lighting device, a variable resistance element for superimposing or subtracting a correction value for output adjustment is added to the current value detected by the current detecting means. By operating this variable resistance element, the detection value detected by the current detection means can be corrected. That is, the current detection sensitivity can be changed by changing the resistance value of the variable resistance element, and the peak value of the current flowing through the switching element can be increased or decreased. As a result, output adjustment is possible.
上記従来の技術においては、出力調整のための補正値を重畳させる可変抵抗素子と、補正値を差し引くための可変抵抗素子という、複数の可変抵抗素子を用いることが前提となっている。各可変抵抗素子に補正の重畳又は補正の差引きを分担させているので、可変抵抗素子の数が不可避的に増加し、回路及び調整方法が複雑でコスト増となってしまったり、調整時間が長くなったりする弊害が予想される。 In the above conventional technique, it is assumed that a plurality of variable resistance elements, that is, a variable resistance element for superimposing a correction value for output adjustment and a variable resistance element for subtracting the correction value are used. Since each variable resistance element is assigned a correction superposition or a correction subtraction, the number of variable resistance elements inevitably increases, the circuit and the adjustment method are complicated, and the cost increases. It is expected that the harmful effect will be longer.
そこで、1つの可変抵抗素子を、出力調整のための補正値を重畳させることに加え、出力調整のための補正値を差し引くことにも兼用することが考えられる。しかしながら、この場合において、出力調整に用いる補正値の重畳幅と差し引き幅とを、それぞれ、なるべく広く且つ均等な幅にしようとすると、電流検出手段となる検出抵抗(カレントセンス抵抗)の抵抗値を予め大きくする必要がある。検出抵抗の値を大きくすると回路損失が増加してしまい、回路効率が低下してしまう。 Therefore, it is conceivable that one variable resistance element is also used for subtracting a correction value for output adjustment in addition to superimposing a correction value for output adjustment. However, in this case, if the superimposition width and the subtraction width of the correction value used for output adjustment are made as wide and uniform as possible, the resistance value of the detection resistor (current sense resistor) serving as the current detection means is It is necessary to enlarge it in advance. When the value of the detection resistor is increased, the circuit loss increases and the circuit efficiency decreases.
このように、電流の検出値に補正を加えるという上記従来技術では、出力調整を行ううえで、構成の簡素化、出力調整能力の確保および回路効率低下の抑制といった要求を満たすことが難しかった。 As described above, in the above-described conventional technique of correcting the detected current value, it is difficult to satisfy the demands for simplifying the configuration, ensuring the output adjustment capability, and suppressing the reduction in circuit efficiency when performing output adjustment.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、臨界モードで動作する電力変換回路により半導体素子に流れる電流を制御する半導体発光素子の点灯装置において、簡単な構成で、回路損失を抑制しつつ、出力調整を行うことができる半導体発光素子の点灯装置およびそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In a lighting device for a semiconductor light-emitting element that controls a current flowing in a semiconductor element by a power conversion circuit that operates in a critical mode, the circuit has a simple configuration, An object of the present invention is to provide a lighting device for a semiconductor light emitting element capable of adjusting output while suppressing loss, and a lighting fixture using the same.
第1の発明は、半導体発光素子の点灯装置であって、
直流電源に直列接続されてオンオフ制御されるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直列に接続されて前記スイッチング素子のオン時に前記直流電源から電流が流れるインダクタンス要素と、
前記スイッチング素子のオン時に前記インダクタンス要素に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に半導体発光素子に放出する回生ダイオードと、
前記スイッチング素子と直列に接続した検出抵抗を備え、前記検出抵抗の端子間電圧を検出することで前記スイッチング素子に流れる電流を検出する検出手段と、
第1端子に前記検出手段により検出された検出値を受け第2端子に閾値を受け前記検出値が前記閾値に達すると出力を切り替えるコンパレータを含み、前記コンパレータの出力に応じて前記スイッチング素子をオフさせると共に、前記インダクタンス要素のエネルギー放出が完了したときに前記スイッチング素子をオンさせる制御手段と、
前記閾値を決定する電圧を変更可能な可変抵抗素子と、
を備えることを特徴とする。
1st invention is a lighting device of a semiconductor light emitting element,
A switching element connected in series to a DC power source and controlled to be turned on and off;
An inductance element connected in series with the switching element and through which a current flows from the DC power source when the switching element is on;
A regenerative diode that releases energy stored in the inductance element when the switching element is on to the semiconductor light emitting element when the switching element is off;
A detection unit including a detection resistor connected in series with the switching element, and detecting a current flowing through the switching element by detecting a voltage between terminals of the detection resistor;
A comparator having a first terminal receiving a detection value detected by the detection means and a second terminal receiving a threshold value and switching an output when the detection value reaches the threshold value; and turning off the switching element according to the output of the comparator Control means for turning on the switching element when the energy release of the inductance element is completed,
A variable resistance element capable of changing a voltage for determining the threshold;
It is characterized by providing.
第2の発明は、照明装置であって、
上記第1の発明にかかる半導体発光素子の点灯装置と、
前記点灯装置から電流を供給される半導体発光素子と、
を備えることを特徴とする。
The second invention is a lighting device,
A lighting device for a semiconductor light emitting element according to the first invention;
A semiconductor light emitting element supplied with a current from the lighting device;
It is characterized by providing.
本発明によれば、臨界モードで動作する電力変換回路により半導体素子に流れる電流を制御する半導体発光素子の点灯装置において、簡単な構成で、回路損失を抑制しつつ、出力調整を行うことができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, in a lighting device for a semiconductor light-emitting element that controls a current flowing through a semiconductor element by a power conversion circuit that operates in a critical mode, output adjustment can be performed with a simple configuration while suppressing circuit loss. .
実施の形態.
[実施の形態の装置の構成および動作]
(点灯装置およびこれを用いた照明装置)
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子の点灯装置100を示す図であるとともに、本発明の実施の形態にかかる照明装置を示す図でもある。実施の形態にかかる点灯装置は、点灯装置100およびこれにより電流の供給を受けて点灯する半導体発光素子16を備えている。この半導体発光素子16は、発光ダイオード(LED)である。
Embodiment.
[Configuration and Operation of Apparatus of Embodiment]
(Lighting device and lighting device using the same)
FIG. 1 is a diagram showing a
点灯装置100には交流電源Vacが入力される。点灯装置100は、半導体発光素子16に定電流を流すことにより半導体発光素子16を点灯させる。点灯装置100は、入力端子10と、ノイズ制御回路11と、整流回路12と、昇圧チョッパ回路13と、降圧チョッパ回路14と、出力端子15とを備えている。ノイズ制御回路11は、L型やΠ型のノイズフィルタなどからなる。整流回路12は、交流電源Vacを全波整流するダイオードブリッジより構成される。
An AC power supply Vac is input to the
昇圧チョッパ回路13は、整流回路12の直流出力端間に接続され、整流回路12の出力電圧を所定の直流電圧に変換する。降圧チョッパ回路14は、昇圧チョッパ回路13から出力される直流電圧を、より低い直流電圧に変換する。また、電流ピーク制御を用い、いわゆる「臨界モード」の動作にて、インダクタンス要素(後述するインダクタL1)に流れる電流を制御し、さらに、平滑コンデンサ(後述するコンデンサC1)にて高周波リップルを抑制することで、半導体発光素子16に定電流を流している。
The step-up chopper circuit 13 is connected between the DC output terminals of the
「臨界モード」とは、スイッチング素子のオン期間にインダクタンス要素に蓄積されたエネルギーがスイッチング素子のオフ期間に放出され、そのエネルギー放出が完了したタイミングでスイッチング素子を再度オンさせる制御モードのことである。他の制御モードに比べて電力変換効率が高くなり、また、スイッチング電流のピーク値の半分が負荷電流の実効値となるので、定電流制御が容易に実現できるという利点がある。 The “critical mode” is a control mode in which energy stored in the inductance element during the ON period of the switching element is released during the OFF period of the switching element, and the switching element is turned ON again at the timing when the energy release is completed. . Compared to the other control modes, the power conversion efficiency is higher, and since half of the peak value of the switching current is the effective value of the load current, constant current control can be easily realized.
なお、ノイズ制御回路11、整流回路12、昇圧チョッパ回路13は、公知の各種構成を適宜に用いればよいため、詳細な説明は省略する。
The
(降圧チョッパ回路の構成および臨界モード動作)
図2は、本発明の実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14の回路図である。図3は、本発明の実施の形態にかかる制御集積回路IC1の内部構成を示す図である。
(Step-down chopper circuit configuration and critical mode operation)
FIG. 2 is a circuit diagram of the step-down
図2および図3において、1番ピン(INV)は内蔵の誤差増幅器(エラーアンプ)EAの反転入力端子、2番ピン(COMP)は誤差増幅器EAの出力端子、3番ピン(MULT)は乗算回路52の入力端子、4番ピン(CS)はチョッパ電流検出端子、5番ピン(ZCD)はゼロクロス検出端子、6番ピン(GND)はグランド端子、7番ピン(GD)はゲートドライブ端子、8番ピン(VCC)は電源端子である。
2 and 3, the first pin (INV) is the inverting input terminal of the built-in error amplifier (error amplifier) EA, the second pin (COMP) is the output terminal of the error amplifier EA, and the third pin (MULTI) is the multiplication. The input terminal of the
スイッチング素子Q1は制御集積回路IC1により高周波でオンオフ駆動される。制御集積回路IC1は、PFC回路(力率改善制御用の昇圧チョッパ回路)の制御用集積回路であり、内部に乗算回路52を含んでいる。本実施の形態では、後述するようにこの乗算回路52を活用する。PFC回路の制御用ICの典型的な構成は既に周知であり、新規な事項ではないため、これ以上の説明は省略する。
The switching element Q1 is driven on and off at a high frequency by the control integrated circuit IC1. The control integrated circuit IC1 is a control integrated circuit of a PFC circuit (a step-up chopper circuit for power factor correction control), and includes a
乗算回路52のMULT端子3に与えられる電圧は、図2に示すように、抵抗R8と可変抵抗素子R9とで制御電源電圧を分圧した電圧である。以下、この電圧を電圧VMULTとも称す。つまり、実施の形態では、可変抵抗素子R9が、抵抗R8とともに分圧回路を構成し、直流電源(制御電源電圧VCC)から電圧VMULTを生成している。可変抵抗素子R9は、いわゆるボリューム抵抗である。
As shown in FIG. 2, the voltage applied to the
電源端子(VCC)とグランド端子GNDの間に所定電圧以上の制御電源電圧が供給されると、制御電源51により基準電圧Vref1、Vref2が生成されると共に、制御集積回路IC1内部の各回路が動作可能となる。スタータ53により電源投入時にはフリップフロップFF1のセット入力端子Stにスタートパルスが供給されて、フリップフロップFF1のQ出力はHighレベルとなる。これにより駆動回路54を介して7番ピン(ゲートドライブ端子GD)がHighレベルとなる。
When a control power supply voltage higher than a predetermined voltage is supplied between the power supply terminal (VCC) and the ground terminal GND, the
制御集積回路IC1の4番ピン(CS)はチョッパ電流検出端子であり、その電圧が、IC内部のRNFとCNFで構成されるノイズフィルタを介して、コンパレータCP1の+入力端子に印加される。コンパレータCP1の−入力端子には閾値電圧Vthcsが印加されている。 Fourth pin of the control integrated circuit IC1 (CS) is a chopper current detection terminal, its voltage, via the formed noise filter IC internal R NF and C NF, is applied to the + input terminal of the comparator CP1 The A threshold voltage V thcs is applied to the negative input terminal of the comparator CP1.
次に、降圧チョッパ回路14の回路構成とともに、スイッチング素子Q1のオンオフ動作およびこれに伴う臨界モード動作について説明する。
Next, the circuit configuration of the step-down
昇圧チョッパ回路13から出力される直流電圧を、抵抗R4を介して、コンデンサC3にて充電、平滑し、ツェナーダイオードD3により定電圧とする。この定電圧を、制御集積回路IC1のVCC端子8に、制御電源電圧として入力する。制御集積回路IC1に制御電源電圧が入力されると、ゲートドライブ端子7がHighレベルとなる。
The DC voltage output from the step-up chopper circuit 13 is charged and smoothed by the capacitor C3 via the resistor R4, and is made constant by the Zener diode D3. This constant voltage is input as a control power supply voltage to the
制御集積回路IC1のゲートドライブ端子7がHighレベルになると、抵抗RGを介し、ゲート駆動電圧が、MOSFETからなるスイッチング素子Q1のゲート−ソース間に印加される。これにより、スイッチング素子Q1がオンとなる。
When the
スイッチング素子Q1がオンになると、昇圧チョッパ回路13の正側aの出力から、半導体発光素子16及び、平滑コンデンサC1、インダクタL1、スイッチング素子Q1、抵抗RCSを介して、昇圧チョッパ回路13の負側bの出力へ電流が流れる。この電流は、抵抗RCSにより検出されて、抵抗R1、コンデンサC2からなるノイズ除去用のローパスフィルタを介して、制御集積回路IC1のCS端子4に入力される。
When the switching element Q1 is turned on, the negative side of the boost chopper circuit 13 is output from the output on the positive side a of the boost chopper circuit 13 via the semiconductor
制御集積回路IC1のCS端子4は、インダクタ電流検出端子であり、CS端子4の電圧Vcsが閾値電圧Vthcsを超えると、ゲートドライブ端子7からのゲート駆動電圧がLowレベルとなり、スイッチング素子Q1がオフする。
The
図3の回路図で説明すると、チョッパ電流検出端子CSの電圧Vcsが閾値電圧Vthcsを超えると、コンパレータCP1の出力がHighレベルとなり、フリップフロップFF1のリセット入力端子Rstにリセット信号が入力される。これによりフリップフロップFF1のQ出力はLowレベルとなる。その結果、スイッチング素子Q1がオフとなる。 Referring to the circuit diagram of FIG. 3, when the voltage Vcs of the chopper current detection terminal CS exceeds the threshold voltage Vthcs , the output of the comparator CP1 becomes high level, and a reset signal is input to the reset input terminal Rst of the flip-flop FF1. . As a result, the Q output of the flip-flop FF1 becomes low level. As a result, the switching element Q1 is turned off.
スイッチング素子Q1がオフすると、スイッチング素子Q1がオンしている時に、インダクタL1に蓄積されていた電磁エネルギーが、回生ダイオードD1を介して、半導体発光素子16及び、平滑コンデンサC1に放出される。
When the switching element Q1 is turned off, the electromagnetic energy accumulated in the inductor L1 when the switching element Q1 is turned on is released to the semiconductor
インダクタL1は、1次巻線Pと2次巻線Sを備えている。インダクタL1の2次巻線Sの電圧を、抵抗R2、R3にて分圧したのち、制御集積回路IC1のZCD端子5に入力する。なお、抵抗R3と並列にダイオードD2が接続されている。
The inductor L1 includes a primary winding P and a secondary winding S. The voltage of the secondary winding S of the inductor L1 is divided by resistors R2 and R3 and then input to the
インダクタL1の電流が消失すると、インダクタL1の2次巻線Sには電圧が発生しなくなる。制御集積回路IC1のZCD端子5は、このインダクタL1の2次巻線Sの電圧が立ち下がったことを検出したら、制御集積回路IC1のゲートドライブ端子7をHighレベルとし、再びスイッチング素子Q1をオンさせる。
When the current of the inductor L1 disappears, no voltage is generated in the secondary winding S of the inductor L1. When the
図3の回路図で説明すると、制御集積回路IC1の5番ピン(ゼロクロス検出端子ZCD)には、ゼロクロス検出用のコンパレータCP2の−入力端子が接続されている。コンパレータCP2の+入力端子にはゼロクロス検出用の基準電圧Vref2が印加されている。5番ピン(ゼロクロス検出端子ZCD)に印加されていた2次巻線Sの電圧が消失すると、コンパレータCP2の出力がHighレベルとなり、ORゲートを介してフリップフロップFF1のセット入力端子Stにセットパルスが供給され、フリップフロップFF1のQ出力はHighレベルとなる。これにより駆動回路54を介して7番ピン(ゲートドライブ端子GD)がHighレベルとなる。その結果、再びスイッチング素子Q1がオンとなる。
Referring to the circuit diagram of FIG. 3, the fifth input pin (zero cross detection terminal ZCD) of the control integrated circuit IC1 is connected to the negative input terminal of the comparator CP2 for zero cross detection. A reference voltage Vref2 for zero cross detection is applied to the + input terminal of the comparator CP2. When the voltage of the secondary winding S applied to the 5th pin (zero cross detection terminal ZCD) disappears, the output of the comparator CP2 becomes High level, and the set pulse is applied to the set input terminal St of the flip-flop FF1 via the OR gate. Is supplied, and the Q output of the flip-flop FF1 becomes High level. As a result, the 7th pin (gate drive terminal GD) becomes High level via the
以下、同じ動作を繰り返す。 Thereafter, the same operation is repeated.
このように、インダクタL1に流れる電流のピーク値を一定に検出し、MOSFETQ1をオン/オフする。いわゆる臨界モード動作で、インダクタL1の電流を制御し、さらに、平滑コンデンサC1にて高周波リップルを抑制し、半導体発光素子16に定電流を流している。
Thus, the peak value of the current flowing through the inductor L1 is detected to be constant, and the MOSFET Q1 is turned on / off. In so-called critical mode operation, the current of the inductor L1 is controlled, the high frequency ripple is suppressed by the smoothing capacitor C1, and a constant current is passed through the semiconductor
実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14では、フィードバック動作をさせないようにするため(オープンループにて動作させるため)、COMP端子2電圧は、内部のエラーアンプEAを飽和して使用する(すなわちクランプ電圧にする。後述する図4参照)。INV端子1は、抵抗R5を介してCOMP端子2と接続するとともに、制御電源電圧VCCの電圧が抵抗R6,R7で分圧された電圧が与えられている。なお、抵抗R7と並列にコンデンサC4が接続されている。INV端子1に与えられる電圧は、フィードバック閾値電圧以下となるように、抵抗R5、R6、R7を選定している。
In the step-down
(閾値電圧Vthcsおよび出力調整)
図4は、本発明の実施の形態にかかる制御集積回路IC1における、電圧VMULTに対するVthcs(コンパレータCP1の閾値電圧)の特性を示す図である。電圧VMULTとは、MULT端子3に入力される電圧である。閾値電圧Vthcsは、1番ピン(INV)の印加電圧と3番ピン(MULT)の印加電圧VMULTにより決定される。すなわち、閾値電圧Vthcsは、制御集積回路IC1の電圧VMULTによって可変することができる。
(Threshold voltage V thcs and output adjustment)
FIG. 4 is a diagram showing a characteristic of V thcs (threshold voltage of the comparator CP1) with respect to the voltage V MULT in the control integrated circuit IC1 according to the embodiment of the present invention. The voltage V MULT is a voltage input to the
図4に示すように、MULT端子電圧(VMULT_PIN3)が変化すると、閾値電圧であるVthcsが変化する。前述したように、MULT端子3電圧は、抵抗R8と可変抵抗素子R9とで制御電源電圧を分圧した電圧である。可変抵抗素子R9を可変することで、MULT端子3電圧を可変することができる。MULT端子3電圧を可変させることで、例えばVcompがクランプ電圧であれば図4に示す特性VV5に従って、閾値電圧Vthcsを上げたり下げたりすることができる。このようにして、可変抵抗素子R9は、自身の抵抗値を変化させることで閾値電圧Vthcsの変更が可能である。
As shown in FIG. 4, when the MULT terminal voltage (VMULT_PIN3) changes, the threshold voltage V thcs changes. As described above, the voltage at the
閾値電圧Vthcsを上げたり下げたりすることで、スイッチング素子Q1のオンオフを調節できるので、スイッチング素子Q1に流れる電流のピーク値を上げたり下げたりすることができる。これにより、出力調整をすることができる。 Since the on / off state of the switching element Q1 can be adjusted by increasing or decreasing the threshold voltage V thcs , the peak value of the current flowing through the switching element Q1 can be increased or decreased. Thereby, output adjustment can be performed.
実施の形態では、VMULT−Vthcs特性上における動作点を次のように設定している。図4に示すVMULT−Vthcs特性は、COMP端子2の電圧Vcompの大きさに応じて変化し、さらに図4の破線Xを境として飽和領域Astuと線形領域ALINとに区分することができる。図4に示すVMULT−Vthcs特性は、制御集積回路IC1内部におけるエラーアンプEA、乗算回路52、およびコンパレータCP1の電源電圧によって決まる。
In the embodiment, it is set to the operating point on the V MULT -V THCS characteristics as follows. V MULT -V THCS characteristics shown in FIG. 4 may be changed according to the magnitude of the voltage Vcomp of
実施の形態では、中心の動作点P2をVCS1=0.525Vと設定している。これはちょうど飽和領域における飽和値(約1.05V)の半分の値となっている。動作点P2が中心となって、Vthcsを低下する側に最小動作点P1を設定し、Vthcsを増加させる側に最大動作点P3を設定している。ここで、P2からP1までの幅と、P2からP3までの幅を、均等な幅に取っている。 In the embodiment, the central operating point P2 is set to VCS1 = 0.525V. This is exactly half of the saturation value (about 1.05 V) in the saturation region. With the operating point P2 as the center, the minimum operating point P1 is set on the side where V thcs is decreased, and the maximum operating point P3 is set on the side where V thcs is increased. Here, the width from P2 to P1 and the width from P2 to P3 are made uniform.
線形領域に動作点P1,P2,P3を配置するために、可変抵抗素子R9の抵抗値可変幅の両端(つまり最大値と最小値)は、少なくとも電圧VMULT1(約0.15V)とVMULT2(約0.67V)をVCC(例えば15V)から分圧させて作り出すことができる程度の値としている。 In order to arrange the operating points P1, P2, and P3 in the linear region, both ends (that is, the maximum value and the minimum value) of the resistance value variable width of the variable resistance element R9 are at least the voltage V MULTI1 (about 0.15 V) and V MULTI2. (About 0.67 V) is a value that can be generated by dividing the voltage from VCC (for example, 15 V).
半導体発光素子16への定電流の調整範囲を広くするために、可変抵抗素子R9にて、閾値電圧Vthcsを増加させる幅と低減する幅とを、なるべく広くかつ同じ幅とすることが好ましい。この点、本実施の形態によれば、線形領域ALINであってかつVcomp=6.0Vの特性VV5を見ると、最小のVMULT変更幅(VMULT1〜VMULT2)で最大にVthcsを可変することができる。
In order to widen the adjustment range of the constant current to the semiconductor
これは、特性VV1〜VV4のそれぞれ(Vcomp=3.0V〜5.0Vのそれぞれ)と比較すると明らかであり、特性VV5の場合には、最小動作点P1から最大動作点P3までの間を移動させるために必要な電圧VMULTの変更幅を最も小さくできる。電圧VMULTの変更が少量であっても閾値電圧Vthcsを十分に変化させることができるので、閾値電圧Vthcsの調整を速やかに行うことができる。このような動作を実現するために、本実施の形態では、図4に示すように、COMP端子2電圧は、クランプ電圧(本実施の形態では6.0V)に設定し、図4に示す線形領域ALINを使用することにし、図4に示す飽和領域Astuを使用していない。
This is apparent when compared with each of the characteristics VV1 to VV4 (each of Vcomp = 3.0V to 5.0V). In the case of the characteristic VV5, the movement is from the minimum operating point P1 to the maximum operating point P3. Therefore, the change width of the voltage V MULTI required for the purpose can be minimized . Since the threshold voltage V thcs can be sufficiently changed even if the change of the voltage V MULT is small, the threshold voltage V thcs can be adjusted quickly. In order to realize such an operation, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the
[実施の形態に対する比較例]
図5は、実施の形態に対する比較例として示す降圧チョッパ回路114の回路図である。比較例と実施の形態との間の構成の違いは、降圧チョッパ回路14内の出力調整に関する回路のみである。
[Comparative example to the embodiment]
FIG. 5 is a circuit diagram of a step-down
(相違点1)
図5に示すように、比較例にかかる降圧チョッパ回路114において、MULT端子電圧である電圧VMULTは、制御電源電圧を抵抗R8と抵抗R19により分圧した電圧である。抵抗R19は可変抵抗素子ではない。これに対し、本実施の形態の電圧VMULTは、制御電源電圧を抵抗R8と可変抵抗素子R9により分圧した電圧であり、この点が互いに相違している。
(Difference 1)
As shown in FIG. 5, in the step-down
(相違点2)
比較例にかかる降圧チョッパ回路114は、可変抵抗素子R10を備える点で、実施の形態とは異なっている。比較例にかかる降圧チョッパ回路114の動作を説明すると、先ず、スイッチング素子Q1がオンになると、昇圧チョッパ回路13の正側aの出力から、半導体発光素子16及び、平滑コンデンサC1、インダクタL1、スイッチング素子Q1、抵抗RCSを介して、昇圧チョッパ回路13の負側bの出力へ電流が流れる。
(Difference 2)
The step-down
比較例においては、この電流が抵抗RCSにより検出されて、抵抗R1と可変抵抗素子R10による分圧した電圧が、制御集積回路IC1のCS端子4に入力される。比較例では、この可変抵抗素子R10の抵抗値を変更することで、スイッチング素子Q1に流れる電流のピーク値を上げたり下げたりすることができる。
In the comparative example, this current is detected by the resistor RCS, and a voltage divided by the resistor R1 and the variable resistance element R10 is input to the
このように、比較例では可変抵抗素子R10の抵抗値調整により出力調整が実施されるのに対し、実施の形態では可変抵抗素子R9の抵抗値調整で閾値電圧Vthcsを変更して出力調整を実施する。この点で、実施の形態と比較例とは本質的に異なっている。図2と図5を比較して分かるとおり、実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14は、可変抵抗素子R10を備えていない。
As described above, in the comparative example, output adjustment is performed by adjusting the resistance value of the variable resistance element R10, whereas in the embodiment, output adjustment is performed by changing the threshold voltage V thcs by adjusting the resistance value of the variable resistance element R9. carry out. In this respect, the embodiment and the comparative example are essentially different. As can be seen by comparing FIG. 2 and FIG. 5, the step-down
(相違点3)
制御集積回路IC1のCS端子4は、インダクタ電流検出端子であり、CS端子4の電圧Vcsが閾値を超えると、ゲートドライブ端子7からのゲート駆動電圧がLowレベルとなり、スイッチング素子Q1がオフする。比較例にかかる降圧チョッパ回路114では、MULT端子3の電圧を変更できないので閾値電圧Vthcsが固定値であるものとし、この点が実施の形態と異なっている。
(Difference 3)
The
一方、実施の形態では、スイッチング素子Q1がオンになると、昇圧チョッパ回路13の正側aの出力から、半導体発光素子16及び、平滑コンデンサC1、インダクタL1、スイッチング素子Q1、抵抗RCSを介して、昇圧チョッパ回路13の負側bの出力へ電流が流れる。この電流は、抵抗RCSにより検出されて、抵抗R1、コンデンサC2からなるノイズ除去用のローパスフィルタを介して、制御集積回路IC1のCS端子4に入力される。制御集積回路IC1のCS端子4は、インダクタ電流検出端子であり、CS端子4の電圧が閾値電圧Vthcsを超えると、ゲートドライブ端子7からのゲート駆動電圧がLowレベルとなり、スイッチング素子Q1がオフする。
On the other hand, in the embodiment, when the switching element Q1 is turned on, the output from the positive side a of the boost chopper circuit 13 is passed through the semiconductor
実施の形態では、上記閾値電圧Vthcsは、制御集積回路IC1のMULT端子3に入力される電圧VMULTによって可変することができる。実施の形態では、前述したとおり、MULT端子電圧(VMULT_PIN3)により、上記閾値電圧Vthcsが決定される。
In the embodiment, the threshold voltage V thcs can be varied by the voltage V MULT input to the
実施の形態では、MULT端子3の電圧VMULTは、制御電源電圧が抵抗R8と可変抵抗素子R9とで分圧されることで生成されたものであり、制御集積回路IC1のMULT端子3に入力される。可変抵抗素子R9を可変することで、MULT端子3電圧を可変させて、図4に示すように、閾値電圧Vthcsを動作点P3から動作点P1の間で上げたり下げたりすることができる。結果、スイッチング素子Q1に流れる電流のピーク値を上げたり下げたりすることができ、出力調整をすることができる。
In the embodiment, the voltage V MULTI of the
(相違点4)
比較例にかかる降圧チョッパ回路114は、実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14と同様に、フィードバック動作をさせないようにするため(オープンループにて動作させるため)、COMP端子2電圧は、内部のエラーアンプを飽和して使用する(クランプ電圧にする。図6参照)。INV端子1電圧がフィードバック閾値電圧以下となるように、抵抗R5、R6、R7を選定している。
(Difference 4)
As with the step-down
図6は、実施の形態に対する比較例にかかる制御集積回路IC1における、電圧VMULTに対するVthcs(コンパレータCP1の閾値電圧)の特性を示す図である。図6に示すように、COMP端子2電圧はクランプ電圧に設定し、MULT端子3電圧は制御電源電圧を抵抗R8と抵抗R19によって分圧した固定電圧とし、図6に示す飽和領域の動作点P4を使用する。つまり比較例では図6に示す線形領域を使用しないのであり、この点で実施の形態と異なる。
6, the control integrated circuit IC1 according to a comparative example for the embodiment, a diagram showing characteristics of V THCS (threshold voltage of the comparator CP1) for the voltage V MULT. As shown in FIG. 6, the
[電流値の算出式による比較]
次に、半導体発光素子16の電流値の算出式を用い、比較例にかかる降圧チョッパ回路114と実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14の比較をする。
[Comparison with current value formula]
Next, the step-down
下記の式(1)は、本実施の形態における半導体発光素子16の電流値を算出する式である。
The following formula (1) is a formula for calculating the current value of the semiconductor
下記の式(2)は、比較例における半導体発光素子16の電流値を算出する式である。
The following formula (2) is a formula for calculating the current value of the semiconductor
臨界モードでの動作であるから、半導体発光素子16の電流(出力電流)は、インダクタ電流の1/2となる。なお、tdは、判定遅れ時間と、スイッチング素子Q1のスイッチング特性のオフディレイ時間とターンオフ時間の合算時間である。判定遅れ時間とは、制御集積回路IC1が、CS端子4の電圧Vcsと閾値電圧Vthcsを比較してCS端子4の電圧Vcsが閾値電圧Vthcsを超えたと判定するまでの遅れ時間である。
Since the operation is in the critical mode, the current (output current) of the semiconductor
ここで、図4および図6から、Vcs1とVcs2の関係は、下記の式(3)のとおりである。
Here, from FIG. 4 and FIG. 6, the relationship between Vcs1 and Vcs2 is as shown in the following formula (3).
式(3)を式(1)に代入すると、下記の式(4)となる。
Substituting equation (3) into equation (1) yields equation (4) below.
式(2)および式(4)をまとめ、整理すると、式(5)が得られる。
When formulas (2) and (4) are put together and arranged, formula (5) is obtained.
ここで、出力調整のために、比較例と実施の形態とで同等の出力調整能力を得るためには、下記の式(6)の条件が必要となる。ここでいう同等の出力調整能力とは、比較例の場合における補正値の変化幅と、本実施の形態における閾値電圧Vthcsの変化幅とを、それぞれ、同程度の幅にするという意味である。
Here, for output adjustment, in order to obtain the same output adjustment capability in the comparative example and the embodiment, the condition of the following equation (6) is required. Here, the equivalent output adjustment capability means that the change width of the correction value in the case of the comparative example and the change width of the threshold voltage V thcs in the present embodiment are set to the same extent. .
出力調整能力を同等にするためには、実施の形態にかかる降圧チョッパ回路14が有する検出抵抗RCS(区別のためRcs1と記す)の抵抗値は、比較例の降圧チョッパ回路114が有する検出抵抗RCS(区別のためRcs2と記す)の半分の抵抗値で良い。検出抵抗の抵抗値が小さくて済むので回路損失を小さくすることができ、回路効率の低下を避けつつ臨界モードにおける出力調整が可能となる。
In order to equalize the output adjustment capability, the resistance value of the detection resistor RCS (denoted as Rcs1 for distinction) included in the step-down
以上説明した実施の形態にかかる点灯装置100によれば、臨界モードで動作する電力変換回路により半導体発光素子に流れる電流を制御する点灯装置において、簡単な構成で、回路効率低下を抑制しつつ、出力調整を実現することができる。
According to the
すなわち、検出抵抗RCSで検出する検出値に対して補正値を重畳又は差引くための可変抵抗素子を設ける場合と比べて、本実施の形態によれば同等の機能を1つの可変抵抗素子で実現したとしても、検出抵抗の抵抗値が小さくて済むとともに出力調整幅を広く取ることが可能である。検出抵抗の抵抗値が小さくて済むことから回路損失も抑制でき、回路効率の低下を抑制できる。 That is, compared with the case where a variable resistance element for superimposing or subtracting a correction value is provided on the detection value detected by the detection resistor RCS, the present embodiment realizes an equivalent function with one variable resistance element. Even so, the resistance value of the detection resistor can be small and the output adjustment range can be widened. Since the resistance value of the detection resistor only needs to be small, circuit loss can be suppressed and a decrease in circuit efficiency can be suppressed.
なお、実施の形態では可変抵抗素子R9として、いわゆるボリューム抵抗を用いているが、本発明はこれに限られない。サーミスタ等の温度変化により抵抗値が変化する感温抵抗素子を可変抵抗素子R9として用いても良い。また、この感温抵抗素子は、半導体発光素子16の周辺温度等を検出して検出温度に応じて抵抗値を可変させるものであっても良い。
In the embodiment, a so-called volume resistor is used as the variable resistance element R9, but the present invention is not limited to this. A temperature-sensitive resistance element whose resistance value changes due to a temperature change such as a thermistor may be used as the variable resistance element R9. In addition, the temperature sensitive resistance element may be one that detects the ambient temperature of the semiconductor
一般に、半導体発光素子は、周辺温度が上がると電圧が下り、逆に、下ると電圧が上がるという特性を有している。すなわち、発光効率が変動する。このため、温度を検出して出力調整すれば、半導体発光素子16の周辺温度変化を相殺するように出力を一定とすることができる。
In general, a semiconductor light emitting device has a characteristic that a voltage decreases when the ambient temperature increases, and conversely, a voltage increases when the ambient temperature decreases. That is, the luminous efficiency varies. For this reason, if the temperature is detected and the output is adjusted, the output can be made constant so as to cancel the ambient temperature change of the semiconductor
なお、実施の形態では可変抵抗素子R9として、いわゆるボリューム抵抗を用いているが、本発明はこれに限られない。回路素子、例えば、不揮発性メモリを搭載するマイコンの出力端子にしても良い。マイコンは予め不揮発性メモリに格納しているデータを、半導体発光素子16が経年変化により発光効率が低下した分を補うように出力を上げるようにプログラミングしておく。これにより半導体発光素子16に経年変化が現れた場合であっても、これを補うように、出力を一定にすることができる。
In the embodiment, a so-called volume resistor is used as the variable resistance element R9, but the present invention is not limited to this. You may make it an output terminal of a microcomputer which mounts a circuit element, for example, a non-volatile memory. The microcomputer programs the data stored in advance in the nonvolatile memory so as to increase the output so that the semiconductor
11 ノイズ制御回路、12 整流回路、13 昇圧チョッパ回路、14 降圧チョッパ回路、16 半導体発光素子、51 制御電源、52 乗算回路、53 スタータ、54 駆動回路、100 点灯装置、114 降圧チョッパ回路、D1 回生ダイオード、EA エラーアンプ(誤差増幅器)、FF1 フリップフロップ、GD ゲートドライブ端子、IC1 制御集積回路、L1 インダクタ、Q1 スイッチング素子、R9 可変抵抗素子、RCS 検出抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記スイッチング素子と直列に接続されて前記スイッチング素子のオン時に前記直流電源から電流が流れるインダクタンス要素と、
前記スイッチング素子のオン時に前記インダクタンス要素に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に半導体発光素子に放出する回生ダイオードと、
前記スイッチング素子と直列に接続した検出抵抗を備え、前記検出抵抗の端子間電圧を検出することで前記スイッチング素子に流れる電流を検出する検出手段と、
第1端子に前記検出手段により検出された検出値を受け第2端子に閾値を受け前記検出値が前記閾値に達すると出力を切り替えるコンパレータを含み、前記コンパレータの出力に応じて前記スイッチング素子をオフさせると共に、前記インダクタンス要素のエネルギー放出が完了したときに前記スイッチング素子をオンさせる制御手段と、
前記閾値を決定する電圧を変更可能な可変抵抗素子と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子の点灯装置。 A switching element connected in series to a DC power source and controlled to be turned on and off;
An inductance element connected in series with the switching element and through which a current flows from the DC power source when the switching element is on;
A regenerative diode that releases energy stored in the inductance element when the switching element is on to the semiconductor light emitting element when the switching element is off;
A detection unit including a detection resistor connected in series with the switching element, and detecting a current flowing through the switching element by detecting a voltage between terminals of the detection resistor;
A comparator having a first terminal receiving a detection value detected by the detection means and a second terminal receiving a threshold value and switching an output when the detection value reaches the threshold value; and turning off the switching element according to the output of the comparator Control means for turning on the switching element when the energy release of the inductance element is completed,
A variable resistance element capable of changing a voltage for determining the threshold;
A lighting device for a semiconductor light-emitting element, comprising:
入力電圧を受ける第3端子と、
制御電源電圧を第1入力として受け、自身の出力を第2入力として帰還的に受けるエラーアンプと、
前記入力電圧および前記エラーアンプの出力を受けて出力電圧を生成し、前記出力電圧を前記コンパレータの前記第2端子に前記閾値として与える乗算回路と、
を含み、前記入力電圧と前記出力電圧の入出力特性が線形領域と飽和領域とを有し、
前記入力電圧が、前記閾値を決定する電圧であり、
前記可変抵抗素子と直列に接続する分圧抵抗をさらに備え、
前記可変抵抗素子は、前記分圧抵抗とともに前記制御電源電圧を分圧することで前記入力電圧を生成し、
前記可変抵抗素子の抵抗値を変化させると、前記出力電圧が前記線形領域上で変化するように前記入力電圧が変化することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体発光素子の点灯装置。 The control means is
A third terminal for receiving an input voltage;
An error amplifier that receives a control power supply voltage as a first input and receives its output as a second input in a feedback manner;
A multiplication circuit that receives the input voltage and the output of the error amplifier to generate an output voltage, and applies the output voltage to the second terminal of the comparator as the threshold;
An input / output characteristic of the input voltage and the output voltage has a linear region and a saturation region,
The input voltage is a voltage that determines the threshold;
A voltage dividing resistor connected in series with the variable resistance element;
The variable resistance element generates the input voltage by dividing the control power supply voltage together with the voltage dividing resistor,
4. The semiconductor according to claim 1, wherein when the resistance value of the variable resistance element is changed, the input voltage changes so that the output voltage changes in the linear region. 5. Light-emitting element lighting device.
前記半導体発光素子の点灯装置から電流を供給される半導体発光素子と、
を備えることを特徴とする照明装置。 A lighting device for a semiconductor light-emitting element according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor light emitting element supplied with a current from the lighting device of the semiconductor light emitting element;
A lighting device comprising:
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