JP2014532991A - 高性能電界効果トランジスタ回路 - Google Patents

Abstract

照明モジュールは、固体照明エレメントの少なくとも一つのアレイと、前記固体照明エレメントの前記アレイのための強度制御電圧の入力と、前記固体照明エレメントの前記アレイの入力に電気的に接続された出力とを有する可変抵抗器と、前記可変抵抗器の前記出力に電気的に接続され、前記固体照明エレメントの前記アレイの入力に接続された出力を有する電圧レギュレーターと、を含むことを特徴とする照明モジュール。【選択図】図１

Description

固体照明装置（solid-state lighting devices）は、産業用途において多く用いられている。紫外線（UV）照明装置は、インク、接着剤および防腐剤などを含むコーティングの硬化のためにかなり一般的なものになっている。典型的に、固体照明装置は、低電力および低コストで使用され、現在の水銀アーク灯装置よりも簡単に廃棄できる。

固体照明装置は、例えば、レーザーダイオードや発光ダイオード（LEDs）からなっている。その装置は、典型的に、細長い光領域、または、より広い光領域およびより大規模な光領域（deeper light region）のような特別な形状を光に提供するように配置された１つのアレイやいくつかのアレイを有する。個別のエレメントは複数のアレイの中にあり、照明装置はモジュールを有する照明装置ともに、いくつかのアレイまたはモジュールに配置されたいくつかのアレイからなっている。

一般に、固体照明装置は、定電圧電源から電力（power）を受信する。電流の連続的な調整を可能にする回路は、装置における固体照明エレメントを駆動する。いくつかの例において、この回路は、可変抵抗器のように作動する１または２以上の電界効果トランジスタまたは他のデバイスを含む。可変電圧降下は、これらのデバイスを通じて存在し、固体照明エレメントのアレイに電圧の変化をもたらす。これらのデバイスの光出力の強度（intensity）は、デバイスを駆動する電流に依存する。そして、電流の変動は、光出力の変動、望ましくない特性を引き起こす。

現在のアプローチは、可変抵抗器によって電力損失（power dissipation）を説明しない。可変抵抗器は、電流を連続的に調整するための回路において動作する。順電圧が増加するように、電力損失として、可変抵抗器を通じた電圧降下が大きくなる。これは、回路の効率を悪くする。

加えて、可変抵抗器の電力損失は、熱を発生させる。可変抵抗器の熱の取扱いは、ヒートシンクを必要とし、または、可変抵抗器それ自体が大きくかつかさ高くなければならない。

図１は、固体照明装置用の駆動回路の従来技術の実施形態を示す。

図２は、固体照明装置用の駆動回路の実施形態を示す。

図３は、レギュレーター段を有する固体照明装置用の駆動回路の実施形態を示す。

図４Ａは、固体照明装置用の駆動回路のより詳細な実施形態示す。 図４Ｂは、固体照明装置用の駆動回路のより詳細な実施形態示す。

図１は、固体照明装置用駆動回路１０の現在の実施形態を示す。この実施形態において、電界効果トランジスタ（FET）のタイプの可変抵抗器は、強度信号電圧（intensity signal voltage）を受信する。ここでの実施形態はＦＥＴのような可変抵抗器について説明するが、回路が他のタイプの可変抵抗器を用いてもよいことに注意しなければならない。

この実施形態において、発光ダイオード（LEDs）やレーザーダイオードのような固体発光エレメントの少なくとも一つのアレイは、光を産出する。そのエレメントは、基板上のシングルアレイ、基板上のマルチプルアレイ、ともに接続された基板上のいくつかのシングルまたはマルチプルのアレイなどのように構成されている。ある実施形態において、発光エレメントのアレイは、フォセオンテクノロジー，インコーポレイテッドによって製造された商品名シリコンライトマトリックス（SLM）からなっていてもよい。

可変抵抗駆動回路１４は、アレイ１２に対して所望の電流を送る強度電圧信号（intensity voltage signal）１６を受信する。一般に、電源２６は定電圧電源であり、駆動回路１４と可変抵抗器１８とは、電流２２の連続的な調整（continuous adjustment）を提供する。電流は、フィードバックパス（feedback path）２０に沿って可変抵抗器に戻ってくる。アレイ１２はまた、可変抵抗器２４の電圧を受信する。この回路は、可変抵抗器電圧の視点から、開ループ系である（open loop system）。

この設計はいくつかの問題を有する。例えば、アレイは、上述したように、電流の連続的な調整を可能にする回路によって駆動される、定電圧電源から電力（power）を受信する。可変抵抗器によって消散された電力は、アレイの順電圧、アレイそれ自体および与えられた任意の時間での電流に依存する。可変抵抗器を通じた電圧降下は、Ｖ_{ｐｏｗｅｒ}−Ｖ_{ｆｏｒｗａｒｄ}に等しい。Ｖ_{ｆｏｒｗａｒｄ}は、駆動するアレイの順電圧である。この差が大きくなるにつれ、可変抵抗器における電力損失は大きくなる。それによって、照明装置用の高い非効率性につながっている。

例として、可変抵抗電圧は、発光エレメントの異なるアレイの必要性によって、１〜８ボルトの範囲で変化してもよい。アレイを通って２アンペアを駆動することは、２ワットから１６ワットの電力損失変動を引き起こす。これは、照明装置における非効率性につながっている。

加えて、可変抵抗器は熱を発する。可変抵抗器がＦＥＴからなる実施形態において、熱の取扱いの問題は、大きくかつかさ高いＦＥＴｓを要求する。デバイスは、熱の取扱いのためにヒートシンクを使用してもよい。ＦＥＴによって発生した余分な熱は、小さいＦＥＴよりも大きくかつかさ高いヒートシンクを要求する。

図１の開ループ回路に反して、図２は、閉ループ回路３０を示す。図１の回路１０に似ている回路３０において、可変抵抗器１８は、強度電圧制御信号（intensity voltage control signal）１６を受信する。それから、可変抵抗器は、その駆動信号を受信し、パス２０に沿って返ってくる電流２２を産生する。可変抵抗器２４からの電圧は、この実施形態におけるアレイ１２に行かない。その代り、電圧フィードバック２４が電圧レギュレーター３２に行く。電圧レギュレーター３２は、アレイ１２と、誤差増幅器４２とに信号を出力する。この実施形態において、可変抵抗器は、ＦＥＴの形態を採る。しかし、他のオプションが使用されてもよい。例えば、バイポーラトランジスタ、デジタル電位差計（digital potentiometer）または電気制御可能な限流器などが挙げられる。駆動回路は、使用される可変抵抗器に依存して、異なるタイプであってもよい。

閉ループ系を使用すると、レギュレーター３２の電圧出力は、約０．５Ｖのままである。それよりも上をアレイは要求する。この電圧は、可変抵抗器が所望のレベルでアレイ電流を制御するようになっている。低い電力損失は、現在のアプローチと比較したとき、発生した熱を低減させるだけでなく、電流の効率を上げる。

図３は、降圧レギュレーター回路（buck regulator circuit）からなる電圧レギュレーター３２を有する回路３０のより詳細な実施形態を示す。簡単な説明のために、図は、レギュレーター３２からアレイ段４０を分離する。アレイ段４０は、強度制御信号１６と電流フィードバックパス２０とを有する可変抵抗ドライバ１４と、可変抵抗器１８と、アレイ１２とを含む。

この実施形態において、電圧レギュレーター３２は、降圧レギュレーター段からなる。降圧レギュレーターは、誤差増幅器４２と、パルス幅変調発生器４４と、電力段または回路４６とを有する。誤差増幅器４２は、可変抵抗器の出力２４を第１の入力として受信する。この入力は、スイッチおよび／またはディレイ（delay）４８を介して受信される。

スイッチ４８は、回路がアレイの状態を示す信号を受信するようにする。発光エレメントのアレイが有効にされると、スイッチは、誤差増幅器４２に可変抵抗器の出力２４を提供する。アレイが有効にされないと、スイッチ４８は、誤差増幅器の入力を参照電圧５０に接続する。これは、降圧電力段（buck power stage）の出力のみを受信する誤差増幅器につながる。

スイッチ４８は、可変抵抗器の出力を受信する誤差増幅器を遅延させるディレイを含む。これは、アレイ１２における電流が可変抵抗器の電圧をモニタリングする前に上昇することを可能にする。これは、可変抵抗器で読まれる上昇した電圧（アレイがオフのとき、その上昇した電圧は、典型的には、約１６Ｖである。）が、切替え中に、降圧電力段の出力に劇的に落ちることを防止する。

パルス幅変調発生器４４は、誤差増幅器の出力を受信し、降圧電力レギュレーター４６によって使用される電流パルスを発生する。降圧電力レギュレーターは、アレイ用の出力電圧（降圧レギュレーターＶ＿Ｏｕｔ）を出力する。この信号は、その入力電圧（アレイ電圧）としてアレイに進む。

図１の従来技術の実施形態において、一般的に、電圧調整は、一度生じ、製造時に技術者によって実行される。ここで開示された実施形態において、電力段からアレイへの電圧の調整は、リアルタイムに、かつ、生産物の一生の間、生じる。これは、電圧調整が発明の名称に示したように「高性能（smart）」であることを意味する。

図４Ａと４Ｂとは、実施形態に従った駆動回路のある実施形態を示す。アレイ段４０は、強度制御電圧１６と、可変抵抗ドライバ１４と、可変抵抗器（この場合において、ＦＥＴである）と、可変抵抗出力電圧２４とを有する。誤差増幅器４２はまた、可変抵抗出力電圧２４と、参照電圧５０とを有する。パルス幅変調発生器４４は、降圧レギュレーター段または回路４６に動力を供給する。降圧レギュレーター回路は、アレイ３４用の電圧をその出力として有する。実際のアレイは、この略図に示されていない。

図４Ａと図４Ｂは、ここに記載された実施形態に従った、一つの可能性のある回路を単に示しているに過ぎないことに注意しなければならない。多くの異なる具体例が、発光エレメントのアレイを駆動するために、可変抵抗器を通した電圧を適切なレベルに調整する閉ループ系を提供する。実施される回路は、低電力損失を有すべきであり、比較的低レベルの熱を発生すべきである。

以上、閉ループ可変抵抗駆動回路のための方法と装置の特別な実施形態をここで説明したが、そのような特別な説明は、以下の特許請求の範囲に述べられることを除いて、この発明の範囲を限定するものと解釈されない。

Claims (12)

1. 固体照明エレメントの少なくとも一つのアレイと、
   前記固体照明エレメントの前記アレイのための強度制御電圧の入力と、前記固体照明エレメントの前記アレイの入力に電気的に接続された出力とを有する可変抵抗器と、
   前記可変抵抗器の前記出力に電気的に接続され、前記固体照明エレメントの前記アレイの入力に接続された出力を有する電圧レギュレーターと、を含むことを特徴とする照明モジュール。
2. 前記可変抵抗器は、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、およびデジタル電位差計の一つを含む請求項１に記載の照明モジュール。
3. 前記電圧レギュレーターは、降圧レギュレーター回路を含む請求項１に記載の照明モジュール。
4. 前記電圧レギュレーターは、
   前記可変抵抗器の前記出力に電気的に接続された誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器に電気的に接続されたパルス幅変調発生器と、
   前記パルス幅変調発生器に電気的に接続され、前記固体照明エレメントの前記アレイの前記入力に接続された前記出力を有する電力回路と、を含む請求項１に記載の照明モジュール。
5. 前記誤差増幅器は、前記可変抵抗器の前記出力と、前記電力回路の前記出力とを入力として受信する可算増幅器を含む請求項４に記載の照明モジュール。
6. 前記電圧レギュレーターは、前記固体照明エレメントの前記アレイが有効にされたときを示すように配置されたスイッチをさらに含む請求項４に記載の照明モジュール。
7. 前記スイッチは、前記固体照明エレメントの前記アレイが有効にされていないとき、参照電圧に電気的に接続するように配置され、前記誤差増幅器が前記電力回路の前記出力のみを受信するように配置されている請求項６に記載の照明モジュール。
8. 前記スイッチは、ディレイを有するように配置され、
   前記ディレイは、前記可変抵抗器の前記出力を受信するに先立って、前記固体照明エレメントの前記アレイにおける電流が上昇し始めるように配置されている請求項６に記載の照明モジュール。
9. 固体発光エレメントの少なくとも一つのアレイと、
   強度制御電圧と、前記固体発光エレメントの前記アレイの入力とに電気的に接続された電界効果トランジスタと、
   前記電界効果トランジスタに電気的に接続された降圧レギュレーター回路と、を含む照明モジュールであって、
   前記降圧レギュレーター回路は、
   第１の入力で前記電界効果トランジスタから信号を受信するように配置された誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器に電気的に接続されたパルス幅変調発生器と、
   前記パルス幅変調発生器に電気的に接続された降圧電力段と、を含み、
   前記降圧電力段の出力は、前記固体発光エレメントの前記アレイと、前記誤差増幅器の第２の入力とに電気的に接続されていることを特徴とする照明モジュール。
10. 前記降圧レギュレーター回路は、前記電界効果トランジスタからの前記信号と、参照電圧との間で、前記誤差増幅器の前記第１の入力をスイッチするように配置されたスイッチをさらに含む請求項９に記載の照明モジュール。
11. 前記スイッチは、ディレイを含み、
    前記ディレイは、前記電界効果トランジスタから前記誤差増幅器に前記信号を接続するのに先立って、前記発光エレメントの前記アレイにおける電流が上昇するように十分な時間でプログラムされている請求項１０に記載の照明モジュール。
12. 前記誤差増幅器には、可算増幅器を含む請求項９に記載の照明モジュール。

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