JP2015041571A - Ｌｅｄ電源装置及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ電源装置において、定電流出力制御の故障時に電源出力を低減してＬＥＤの過電流状態の継続を防止する。【解決手段】ＬＥＤ電源装置１は、ＬＥＤ２０に出力電流を供給するスイッチング電源回路２００と、スイッチング電源回路２００の駆動に応じて制御電圧を生成する補助電源回路３００と、制御電圧が供給されてスイッチング電源回路２００の出力電圧を定電圧制御するための定電圧制御部４２０を有する制御回路４００と、ＬＥＤ２０が過電流状態であることをＬＥＤ２０の出力状態に基づいて検出する過電流検出部５１０及び過電流状態が検出された場合にスイッチング電源回路２００の出力電圧を低出力電圧まで低下させるように定電圧制御部４２０を動作させる切換部５２０を有する電圧切換回路５００を備える。【選択図】 図１

Description

本発明はＬＥＤ電源装置及びそれを用いたＬＥＤ照明装置に関する。

特許文献１は、定電流制御及び定電圧制御を行うことができる降圧回路を備えたＬＥＤ点灯装置を開示する。このＬＥＤ点灯装置は、出力電流値が定電流値を超えないようにするための電流設定用フィードバック信号を発生する定電流制御回路と、出力電圧値が定電圧地を超えないようにするために電圧設定用フィードバック信号を発生する定電圧制御回路とを備える。降圧回路のスイッチング素子は電流設定用フィードバック信号と電圧設定用フィードバック信号とによって駆動される。そして、最大接続可能数以下のＬＥＤが接続されている場合には定電流制御が行われ、最大接続可能数よりも多いＬＥＤが接続されている場合又はＬＥＤ断線により無負荷状態となっている場合には定電圧制御が行われる。

特許文献２は、出力電流の検出結果からＬＥＤ光源の接続状態を判断してＬＥＤへの出力を調整するＬＥＤ駆動装置を開示する。このＬＥＤ駆動装置は、ＬＥＤ光源に直流電圧を出力するコンバータと、ＬＥＤ光源に流れる電流を検出する電流検出手段とを有する。検出電流が閾値を超えていればＬＥＤ光源が接続されているものとしてＬＥＤ電流が設定値となるようにコンバータの出力電圧が調整され、検出電流が閾値以下であればＬＥＤ光源が接続されていないものとして出力電圧が低減又は停止される。

このように、特許文献１及び２に開示されるＬＥＤ電源装置においては、ＬＥＤ電流が検出され、その検出結果に基づいてＬＥＤの接続状態が判断されるとともにＬＥＤへの出力が所定値となるように電源装置の動作状態がフィードバック制御される。

特許第４９７１２５４号公報 特許第４１６９００８号公報

ところで、特許文献１及び２に開示されるＬＥＤ電源装置の定電流制御は、電源装置における出力電流のフィードバック制御が正常に動作することが前提となっている。すなわち、出力電流を適宜フィードバック制御することによってＬＥＤ側の異常に対処する構成が開示されるが、電源装置側の定電流制御に異常がある場合の対処が考慮されていない。例えば、フィードバック制御に用いられる誤差増幅器が故障し、その誤差増幅器の出力端子がハイインピーダンス状態となると、電源装置の出力電流は定まらなくなる。このように、出力電流のフィードバック制御が適切に行われないと、電源装置の出力電流が最大値まで増大される可能性があり、この場合、ＬＥＤは過電流状態となる。また、ＬＥＤ電流検出用の抵抗が短絡故障した場合には、フィードバック系への検出入力がゼロとなるので、フィードバック制御の帰還作用により電源装置の出力は最大化され、この場合もＬＥＤは過電流状態となってしまう。そして、入力回路に通常挿入される電流ヒューズはこの程度の負荷過電流状態によっては溶断されないため、ＬＥＤの過電流状態は継続する。これにより、ＬＥＤモジュールの温度が過度に上昇してＬＥＤ照明装置の無用な発熱がもたらされてしまう。また、過電流状態の継続により無駄な電力が消費されてしまう。

そこで、本発明は、ＬＥＤ電源装置において、定電流出力制御の故障時に電源出力を低減してＬＥＤの過電流状態の継続を防止することを課題とする。

本発明のＬＥＤ電源装置は、ＬＥＤに出力電流を供給するスイッチング電源回路と、スイッチング電源回路の駆動に応じて制御電圧を生成する補助電源回路と、制御電圧が供給されて前記スイッチング電源回路の出力電圧を定電圧制御するための定電圧制御部を有する制御回路と、ＬＥＤが過電流状態であることをＬＥＤの出力状態に基づいて検出する過電流検出部、及び過電流状態が検出された場合にスイッチング電源回路の出力電圧を低出力電圧まで低下させるように定電圧制御部を動作させる切換部を有する電圧切換回路とを備える。

このように、電圧切換回路は、ＬＥＤの過電流状態をＬＥＤ電流ではなくＬＥＤの発熱、発光等といった出力状態に基づいて検出するので、定電流出力制御に故障が発生した場合であってもＬＥＤの過電流状態を検出し、電源出力電圧を低下させて過電流状態の継続を防止することができる。

ここで、スイッチング電源回路が低出力電圧を出力するように駆動される場合に制御電圧が確保されるように低出力電圧が設定される。これにより、電源出力電圧を低下させた状態においても過電流保護の制御が実行される。

一実施形態では、過電流検出部は、ＬＥＤに近接配置された感温抵抗素子を備える。これにより、簡素な構成でＬＥＤの過電流状態を検出することができ、ＬＥＤ電源装置の小型化及び低コスト化に貢献する。

ここで、定電圧制御部は、出力電圧を検出して電圧検出値を生成する第１の抵抗回路と、出力電圧の目標値に対応する電圧基準値を生成する第２の抵抗回路と、電圧検出値が電圧基準値に一致するようにスイッチング電源回路を動作させるための誤差増幅器とを備え、切換部は、過電流状態が検出された場合に電圧基準値を低下させるように構成される。これにより、簡素な構成により電圧切換回路を構成することができ、ＬＥＤ電源装置の小型化及び低コスト化が実現される。

さらに、切換部は電圧基準値を切り換えるサイリスタを有し、サイリスタは、過電流状態の検出に応じて非導通状態から導通状態とされた後に制御電圧からの通電により導通状態が保持されるように構成される。これにより、ＬＥＤ過電流状態の解消によりＬＥＤ過電流状態が解消した後もスイッチング電源回路の低出力状態が保持され、保護動作の継続が確実に実現される。

またさらに、制御回路は、定電圧制御部の出力に従ってスイッチング電源回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部をさらに含み、補助電源回路は、定電圧制御部に供給される第１の制御電圧を生成する第１の補助電源部と、駆動信号生成部に供給される第２の制御電圧を生成する第２の補助電源部を含む。これにより、それぞれの回路に供給される制御電源を必要最低限のものとして低出力電圧を最小化することができ、保護動作時のＬＥＤ電源装置及びＬＥＤモジュールにおける消費電力を最小化することが可能となる。

本発明のＬＥＤ照明装置は、上記のＬＥＤ電源装置と、ＬＥＤ電源装置から給電されるＬＥＤを有するＬＥＤモジュールとを備える。これにより、ＬＥＤ過電流状態の継続によるＬＥＤモジュール等の過度の温度上昇が防止されるとともに無駄な消費電力の発生を抑制できるＬＥＤ照明装置が実現される。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ電源装置及びそれを用いたＬＥＤ照明装置の回路構成図である。 図１に示す電圧切換回路の変形例を示す回路図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に用いるＬＥＤのＶ−Ｉ特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ電源装置の電圧切換回路を示す図である。 本発明の第２の実施形態の動作を説明する図である。 図１に示す補助電源回路の変形例を示す図である。

実施形態１．
図１に、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ電源装置１及びそれを用いたＬＥＤ照明装置３の回路構成図を示す。ＬＥＤ照明装置３はＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤモジュール２を含む。交流電源ＡＣからの入力電圧がＬＥＤ電源装置１の入力端子Ｔ１及びＴ２に入力され、ＬＥＤ電源装置１の出力端子Ｔ３及びＴ４からの直流出力がＬＥＤモジュール２の端子Ｔ５及びＴ６に供給される。

ＬＥＤモジュール２は、端子Ｔ５と端子Ｔ６間に直列接続された複数のＬＥＤ２０を含む。本実施形態では、一例として、８個のＬＥＤ２０が直列接続される構成を示すが、本発明は７個以下又は９個以上のＬＥＤが接続されるＬＥＤ電源装置にも適用可能である。また、ＬＥＤ電源装置１とＬＥＤモジュール２とは、１つの筐体において一体化されていてもよいし、２つの筐体において別体として構成されていてもよい。

ＬＥＤ電源装置１は入力回路１００、スイッチング電源回路２００、補助電源回路３００、制御回路４００及び電圧切換回路５００を含む。なお、本明細書における説明において、各回路又は構成要素が上記のどのブロックに属するかは便宜的なものであり、本発明を拘束するものではない。

入力回路１００は電流ヒューズ１０１、バリスタ１０２、ラインフィルタ１０３、全波整流器１０４及びコンデンサ１０５を含む。入力回路１００において、全波整流器１０４はダイオードブリッジからなり、交流電源ＡＣからの入力電圧が全波整流器１０４によって全波整流され、その全波整流出力がスイッチング電源回路２００に入力される。なお、入力電源が直流電源である場合には入力回路１００は不要である。

スイッチング電源回路２００はスイッチング素子２０１、トランス２０２、ダイオード２０３及び平滑コンデンサ２０４を含み、必要に応じて、抵抗２０５、コンデンサ２０６及びダイオード２０７からなる磁束リセット用回路を備える。スイッチング電源回路２００は絶縁型フライバックコンバータからなり、力率改善機能を持つ所謂ワンコンバータ方式のフライバック降圧回路を構成する。

スイッチング電源回路２００において、スイッチング素子２０１のオン期間にトランス２０２の一次巻線Ｎ１によってエネルギーが蓄積され、スイッチング素子２０１のオフ期間にそのエネルギーがトランス２０２の二次巻線Ｎ２側からダイオード２０３を介して平滑コンデンサ２０４に充電される。降圧比は一次巻線Ｎ１に対する二次巻線Ｎ２の巻数比によって決まり、出力電流はスイッチング素子２０１のＰＷＭ制御におけるオンデューティ（オン期間幅）によって決まる。なお、以降の説明において、スイッチング電源回路２００の出力電流（ＬＥＤモジュール２が接続されている場合のＬＥＤ電流）を電源出力電流といい、スイッチング電源回路２００の出力電圧（ＬＥＤモジュール２が接続されている場合のＬＥＤ電圧（Ｖｆ））を電源出力電圧というものとする。

補助電源回路３００は、スイッチング電源回路２００のトランス２０２の補助巻線Ｎ３及びＮ４に発生する電圧から制御回路４００及び電圧切換回路５００への制御電源（制御電圧ともいう）を生成する。補助電源回路３００は補助巻線Ｎ３側の第１の補助電源部３１０及び補助巻線Ｎ４側の第２の補助電源部３２０を有する。

補助電源部３１０は、補助巻線Ｎ３に発生する電圧を整流及び平滑するダイオード３１１及びコンデンサ３１２と、コンデンサ３１２の電圧から定電圧を生成するための抵抗３１３及び定電圧ダイオード３１４とを含む。この定電圧ダイオード３１４によって決まる電圧は制御回路４００の定電流制御部４１０及び定電圧制御部４２０並びに電圧切換回路５００の制御電源Ｖｃｃとなる。なお、定電圧ダイオード３１４の代わりに電圧レギュレータを用いてもよい。

補助電源部３２０は、補助巻線Ｎ４に発生する電圧を整流及び平滑するダイオード３２１及びコンデンサ３２２と、スイッチング電源回路２００の一次電圧を引き込む起動抵抗３２３とを含み、制御回路４００のＰＷＭ制御回路４３４の制御電源を生成する。ＰＷＭ制御回路４３４（ドライバＩＣ）は、起動時には起動抵抗３２３を介して給電され、起動後は補助巻線Ｎ４からの給電により動作する。

このようにトランス２０２の補助巻線から制御電源を生成する構成は、例えばトランス一次側の高電位側の配線から抵抗又は抵抗及び電圧レギュレータによる電圧降下を利用して制御電源を生成する構成よりも、少ない損失で充分なエネルギーを得ることができるので好適である。また一般に、誤差増幅器４１５及び４２５等のオペアンプＩＣ及びその周辺の動作に必要な制御電源とＰＷＭ制御回路４３４を構成するドライバＩＣの動作に必要な制御電源とは、その電圧及び電流容量等において異なる。本実施形態においては、基準電位の異なる回路に制御電源を供給するために第１及び第２の補助電源部が設けられるが、これに付随する利点として、それぞれの回路に対して異なる電圧又は電流の補助電源部を構成することができる。例えば、補助巻線Ｎ３及びＮ４の巻き数によって補助電源部３１０及び３２０への電力供給量をそれぞれ設定することができる。

制御回路４００は定電流制御部４１０、定電圧制御部４２０及び駆動制御部４３０を含む。概略として、定電流制御部４１０がスイッチング電源回路２００の出力を定電流制御するために動作し、定電圧制御部４２０がスイッチング電源回路２００の出力を定電圧制御するために動作し、駆動信号生成部４３０がいずれか一方の動作を選択してスイッチング素子２０１をＰＷＭ制御する。すなわち、スイッチング素子２０１は、制御回路４００によって、定電流制御又は定電圧制御のいずれか一方を行うようにＰＷＭ制御される。

定電流制御部４１０は、電流検出抵抗４１１、電源出力電流（すなわち、ＬＥＤ電流）の目標値に対応する電圧（以下、「電流基準値」という）を決定する抵抗４１２及び４１３並びに誤差増幅器４１５を含む。電流検出抵抗４１１はスイッチング電源回路２００の平滑コンデンサ２０４の基準電位側ノードと出力端子Ｔ４の間に挿入された低抵抗素子からなる。電源出力電流に比例した電圧（以下、「電流検出値」という）が電流検出抵抗４１１に発生し、誤差増幅器４１５の負入力端子に入力される。抵抗４１２及び４１３は制御電源Ｖｃｃとグランド間に接続され、その分圧値が電流基準値として誤差増幅器４１５の正入力端子に入力される。なお、誤差増幅器４１５の負入力端子と出力端子間には不図示の帰還素子（抵抗、コンデンサ、又はこれらの直列回路若しくは並列回路）が接続されるものとする。誤差増幅器４１５は制御電源Ｖｃｃの給電を受けて動作し、負入力端子に入力される電流検出値と、正入力端子に入力される電流基準値との誤差を増幅して出力する。言い換えると、駆動信号生成部４３０において定電流制御が選択されている場合には、定電流制御部４１０は電流検出値が電流基準値に一致するようにスイッチング電源回路２００を動作させることになる。

定電圧制御部４２０は、電圧検出用の抵抗４２１及び４２２（第１の抵抗回路）、電源出力電圧の目標値に対応する電圧（以下、「電圧基準値」という）を決定する抵抗４２３及び４２４（第２の抵抗回路）並びに誤差増幅器４２５を含む。抵抗４２１及び４２２はスイッチング電源回路２００の平滑コンデンサ２０４に並列接続された分圧抵抗回路からなる。電源出力電圧に比例した電圧（以下、「電圧検出値」という）が抵抗４２２に発生し、誤差増幅器４２５の負入力端子に入力される。抵抗４２３及び４２４は制御電源Ｖｃｃとグランド間に接続され、その分圧値が電圧基準値として誤差増幅器４２５の正入力端子に入力される。なお、誤差増幅器４１５と同様に、誤差増幅器４２５の負入力端子と出力端子間にも不図示の帰還素子（抵抗、コンデンサ、又はこれらの直列回路若しくは並列回路）が接続されるものとする。誤差増幅器４２５は制御電源Ｖｃｃの給電を受けて動作し、負入力端子に入力される電圧検出値と、正入力端子に入力される電圧基準値との誤差を増幅して出力する。言い換えると、駆動信号生成部４３０において定電圧制御が選択されている場合には、定電圧制御部４２０は電圧検出値が電圧基準値に一致するようにスイッチング電源回路２００を動作させることになる。なお、誤差増幅器４１５及び４２５は同一のＩＣに内蔵されたオペアンプで構成することができる。

駆動信号生成部４３０は、選択回路４３１、フォトカプラ４３２、抵抗４３３及びＰＷＭ制御回路４３４を含む。選択回路４３１はダイオードＯＲ回路からなり、定電流制御部４１０の誤差増幅器４１５の出力端子電圧又は定電圧制御部４２０の誤差増幅器４２５の出力端子電圧のいずれか低い方に対してオンする。ダイオードＯＲ回路の共通アノードはフォトカプラ４３２のフォトダイオードのカソード側に接続される。フォトカプラ４３２のフォトダイオードのアノードは制御電源Ｖｃｃに抵抗４３３を介して接続される。なお、抵抗４３３はフォトダイオードのカソード側に挿入されていてもよい。フォトカプラ４３２のフォトトランジスタには、フォトダイオードに流れる電流（発光）に応じた出力電流が流れる。ＰＷＭ制御回路４３４はフォトカプラ４３２のフォトトランジスタの出力状態に応じたパルス幅のＰＷＭ駆動信号を生成し、それをスイッチング素子２０１のゲート電圧として出力する。

ここで、ＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤモジュール２が正常な場合の動作（以下、「通常点灯動作」という）を説明する。通常点灯動作においては、基本的には、選択回路４３１によって誤差増幅器４１５の動作が選択されて定電流制御が行われる。本実施形態においては、電流検出値が電流基準値よりも小さいと、誤差増幅器４１５の出力端子電圧はハイ側に振れ、フォトカプラ４３２のフォトダイオードに流れる電流が減少するとともにフォトトランジスタからの出力電流も減少する。一方、電流検出値が電流基準値よりも大きいと、誤差増幅器４１５の出力端子電圧はロー側に振れ、フォトカプラ４３２のフォトダイオードに流れる電流が増加するとともにフォトトランジスタからの出力電流も増加する。ＰＷＭ制御回路４３４はフォトトランジスタの出力電流の増加に対してＰＷＭ制御のパルス幅を減少させるように構成されているものとする。従って、電流検出値が電流基準値よりも小さいと、定電流制御部４１０はスイッチング素子２０１のＰＷＭ制御のパルス幅を増加させる方向、すなわち電源出力電流を増大させる方向に作用する。逆に、電流検出値が電流基準値よりも大きいと、定電流制御部４１０はスイッチング素子２０１のＰＷＭ制御のパルス幅を減少させる方向、すなわち電源出力電流を低下させる方向に作用する。これにより、通常点灯動作時には電源出力電流のフィードバックによる定電流制御が行われる。

また、ＬＥＤモジュール２が取り外され、又はＬＥＤモジュール２のＬＥＤ２０のいずれかが断線してＬＥＤ電源装置１が無負荷状態となった場合の動作（以下、「無負荷用動作」という）を説明する。無負荷時には電流検出抵抗４１１に電流は流れない。従って、仮に上記の定電流制御がそのまま行われたとすると、定電流制御部４１０の作用により、スイッチング素子２０１のＰＷＭ幅は最大となり、電源出力電圧も大幅に増大することになる。従って、無負荷時には、選択回路４３１によって誤差増幅器４２５の動作が選択されて電源出力電圧がリミッタ電圧で一定となるように定電圧制御が行われる。

本実施形態においては、電圧検出値が電圧基準値よりも小さいと、誤差増幅器４２５の出力端子電圧はハイ側に振れ、フォトカプラ４３２のフォトダイオードに流れる電流が減少するとともにフォトトランジスタからの出力電流も減少する。一方、電圧検出値が電圧基準値よりも大きいと、誤差増幅器４２５の出力端子電圧はロー側に振れ、フォトカプラ４３２のフォトダイオードに流れる電流が増加するとともにフォトトランジスタからの出力電流も増加する。従って、定電流制御の場合と同様に、電圧検出値が電圧基準値よりも小さいと、定電圧制御部４２０はスイッチング素子２０１のＰＷＭ制御のパルス幅を増加させる方向、すなわち電源出力電圧を増大させる方向に作用する。逆に、電圧検出値が電圧基準値よりも大きいと、定電圧制御部４２０はスイッチング素子２０１のＰＷＭ制御のパルス幅を減少させる方向、すなわち電源出力電圧を低下させる方向に作用する。これにより、無負荷用動作時には電源出力電圧のフィードバックによる定電圧制御が行われる。従って、定電圧制御部４２０は無負荷状態（場合によっては通常動作状態）における出力電圧リミッタとして機能する。

なお、通常点灯動作時には誤差増幅器４１５の出力端子電圧が誤差増幅器４２５の出力端子電圧よりも低くなるように（すなわち定電流制御が選択回路４３１によって選択されるように）、抵抗４２１、４２２、４２３及び４２４の各抵抗値が設定されているものとする。具体的には、本実施形態では、電源出力電流の目標値は３５０ｍＡであり、ＬＥＤ２０に３５０ｍＡの電流を流した場合の１個のＬＥＤ２０あたりの電圧降下（Ｖｆ）が３．２Ｖであるものとする。従って、電源出力電圧は２５．６Ｖ（３．２Ｖ×８）となるので、無負荷動作用の電源出力電圧の目標値（すなわち、リミッタ電圧）は２５．６Ｖより大きく設定される必要がある。本実施例では、１個のＬＥＤ２０あたりのＶｆのばらつきの上限範囲が３．６Ｖであることを考慮して、リミッタ電圧は３０Ｖ程度（＞２８．８Ｖ＝３．６Ｖ×８）に設定される。従って、通常点灯動作時には定電流制御部４１０（誤差増幅器４１５）の作用により電源出力電流が３５０ｍＡに、電源出力電圧が２５．６Ｖ程度に維持され、無負荷用動作時には定電圧制御部４２０（誤差増幅器４２５）の作用により電源出力電圧が３０Ｖ程度に維持される。

電圧切換回路５００は過電流検出部５１０及び切換部５２０を含む。過電流検出部５１０はサーミスタ５１１（感温抵抗素子）及び抵抗５１２を含み、切換部５２０はトランジスタ５２１、抵抗５２２、抵抗５２３、サイリスタ５２４及び抵抗５２５を含む。概略として、電圧切換回路５００は、過電流検出部５１０がＬＥＤ２０の過電流状態をＬＥＤ２０の出力状態から検出し、切換部５２０が過電流状態の検出に応じて定電圧制御部４２０における電圧基準値を低下させる。本実施形態では、ＬＥＤ２０の出力状態としてＬＥＤ２０乃至はＬＥＤモジュール２の温度が検出され、ＬＥＤ２０乃至はＬＥＤモジュール２が高温状態となった場合に過電流状態が検出される。なお、本明細書において、ＬＥＤ２０の出力状態とは、ＬＥＤ２０に電流が供給される結果としてＬＥＤ２０から発生する物理量に基づく出力状態を意味し、ＬＥＤ２０に供給される電流自体を含まないものとする。

サーミスタ５１１は、温度上昇に対して抵抗値が上昇するＰＴＣサーミスタからなり、ＬＥＤ２０（すなわち、ＬＥＤモジュール２）に近接配置される。なお、サーミスタ５１１はＬＥＤモジュール２の筐体の外部にあってもよいし内部にあってもよく、個々のＬＥＤ２０又は複数のＬＥＤ２０全体の温度上昇を直接的又は間接的に検知できるように配置されていればよい。制御電源Ｖｃｃとグランドとの間には、抵抗５１２及びサーミスタ５１１の直列回路が、抵抗５１２を制御電源Ｖｃｃ側に、サーミスタ５１１をグランド側にして接続され、その接続点がトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）５２１のゲート端子に接続される。トランジスタ５２１のドレイン端子は抵抗５２２を介して制御電源Ｖｃｃに接続され、ソース端子は抵抗５２３を介してグランドに接続される。トランジスタ５２１のソース端子、すなわちトランジスタ５２１と抵抗５２３の接続点がサイリスタ５２４のゲート端子に接続される。サイリスタ５２４のアノード端子は抵抗５２５を介して定電圧制御部４２０の抵抗４２３と抵抗４２４の接続点に接続され、カソード端子はグランドに接続される。

なお、感温抵抗素子として、温度上昇に対して抵抗値が減少するＮＴＣサーミスタを用いてもよい。この場合、図２に示すように、制御電源Ｖｃｃ側にサーミスタ５１３が、グランド側に抵抗５１４が接続され、サーミスタ５１３と抵抗５１４の接続点がトランジスタ５２１のゲート端子に接続される。

図１に戻り、通常点灯動作時及び無負荷用動作時においては、ＬＥＤモジュール２の発熱が小さい、又は発熱がないのでサーミスタ５１１の抵抗値は低い。この場合、トランジスタ５２１のゲート−ソース間電圧は小さく、トランジスタ５２１はオフ状態に維持される。従って、サイリスタ５２４のゲート端子はグランド電位となり、サイリスタ５２４もオフ状態に維持される。その結果として、定電圧制御部４２０における電圧基準値は抵抗４２３及び４２４によって決まる電圧に維持される。

ＬＥＤ２０が過電流状態となった場合、ＬＥＤモジュール２の温度が上昇し、サーミスタ５１１の抵抗値が高くなる。この場合、トランジスタ５２１のゲート−ソース間電圧が閾値を超えるとトランジスタ５２１がオン状態となる。トランジスタ５２１がオン状態となると、抵抗５２２と抵抗５２３による制御電源Ｖｃｃの分圧値がサイリスタ５２４のゲート端子に印加され、サイリスタ５２４がオン状態となる。サイリスタ５２４がオン状態となると、抵抗５２５が抵抗４２４に並列接続され、電圧基準値が下がる。

ここで、電圧切換回路５００がなかったとすると、定電流制御部４１０の誤差増幅器４１５が正常に動作しない場合にＬＥＤ２０における過電流状態が継続し得る。例えば、誤差増幅器４１５が故障し、その出力端子がハイインピーダンス状態となると、電源出力電流は定まらなくなる。そして、選択回路４３１の誤差増幅器４２５側のダイオードがオン状態となると、電源出力電圧が無負荷動作用のリミッタ電圧（例えば通常点灯動作時のＶｆが２５．６Ｖであるのに対してリミッタ電圧は３０Ｖ）に達した状態となる。これにより、ＬＥＤ２０には設定値（例えば、定格値）を超える電流が流れ、この過電流状態が継続するとＬＥＤモジュール２が高温状態となる。また、例えば、電流検出抵抗４１１が短絡故障した場合、誤差増幅器４１５に入力される電流検出値はゼロとなり、誤差増幅器４１５の出力端子電圧はハイ側に固定されることになる。これにより、選択回路４３１の誤差増幅器４２５側のダイオードがオン状態となり、リミッタ電圧による定電圧制御が行われ、上記と同様にＬＥＤモジュール２が高温状態となる。また、抵抗４１２が短絡故障した場合及び抵抗４１３が開放故障した場合も同様の結果となる。なお、上記のようなＬＥＤ過電流に対応する入力電流程度では入力回路１００の電流ヒューズ１０１が溶断することはない。

一方、電圧切換回路５００の動作によると、定電流制御部４１０の誤差増幅器４１５が正常に動作しない場合であっても電源出力電圧は低い状態（低出力電圧）に維持され、ＬＥＤ２０の過電流状態の継続が回避される。具体的には、誤差増幅器４１５が故障し、その出力端子がハイインピーダンス状態となると、選択回路４３１の誤差増幅器４２５側のダイオードがオン状態となり、電源出力電圧が無負荷動作用のリミッタ電圧（本実施形態では３０Ｖ）に達した状態となる。そして、ＬＥＤモジュール２の温度が上昇してサーミスタ５１１の抵抗値が増加し、前述のようにトランジスタ５２１がオン状態となり、サイリスタ５２４がオン状態となる。これにより、抵抗５２５が抵抗４２４に並列接続され、電圧基準値が下がる。ここで、低出力電圧は通常点灯動作時のＬＥＤ２０全体のＶｆ（本実施形態では２５．６Ｖ）よりも低い必要がある。そこで、本実施形態では、低出力電圧が２０Ｖ以下、好ましくは１５Ｖ〜２０Ｖとなるように電圧基準値が低減され、維持される。なお、低出力電圧は制御電源（５Ｖ〜１５Ｖ）よりも高い値に設定される。

図３に本実施形態で使用するＬＥＤ２０（直列接続された８個のＬＥＤ２０）のＶ−Ｉ特性を示す。上述したように、通常点灯動作時にはＬＥＤ電流が３５０ｍＡであり、電圧降下Ｖｆが２５．６Ｖとなる。そして、電圧切換回路５００が動作して、サイリスタ５２４がオン状態となり、電源出力電圧が１５Ｖ〜２０Ｖとなると、ＬＥＤ２０には５ｍＡ〜１０ｍＡの微小な電流が流れる。このように、ＬＥＤ２０が接続されているにもかかわらず電流制御部４１０の定電流制御が正常に動作しない状態で電圧制御部４２０の定電圧制御が動作する状態となっても、電源出力電圧が無負荷動作用の３０Ｖから低出力用の１５Ｖ〜２０Ｖに低減される。そして、スイッチング電源回路２００からＬＥＤ２０には５ｍＡ〜１０ｍＡの微小な低出力電流が通電される。

図１に戻り、電圧切換回路５００が一旦作動した後の動作について説明する。電圧切換回路５００が作動した後も負荷電流（すなわち、ＬＥＤ電流）を継続して流すことが重要である。トランス２０２の１次巻線Ｎ１及び２次巻線Ｎ２によって低出力電圧及び電流が生成されると、補助巻線Ｎ３及びＮ４にも電圧及び電流が発生する。この補助巻線Ｎ３及びＮ４に発生するエネルギーにより制御電源Ｖｃｃが確保されるとともにＰＷＭ制御回路４３４の制御電源も確保され、スイッチング電源回路２００の発振動作、制御回路４００及び電圧切換回路５００の制御動作が維持される。このように、スイッチング電源回路２００がこの低出力電圧を出力するように駆動される場合に第１及び第２の制御電源が確保されるように低出力電圧が設定される。

仮に異常発生時に電源出力が停止され又は必要以上に低減されて制御電源が確保されないとすると、制御回路４００及びスイッチング電源回路２００が停止及び再起動を反復することになる。これによりＬＥＤモジュール２は点滅することになり、消費電力及び視覚上の問題として好ましくない。これに対して、本実施形態のＬＥＤ電源装置１によると、異常発生時もスイッチング素子２０１の発振動作により制御電源が確保されるので、確実に制御回路４００及びスイッチング電源回路２００の動作が維持される。また、ＬＥＤモジュール２は、全光点灯でも消灯でもない微光状態となるので、ユーザは故障を認識することができる。

また、電圧切換回路５００の作動後にＬＥＤモジュール２の高温状態が解消されても、ＬＥＤ電源装置１が故障していることにはかわりなく、上記の低出力による保護動作状態が維持されることが好ましい。ＬＥＤモジュール２の温度が低下すると、サーミスタ５１１の抵抗値が低下し、トランジスタ５２１がオフ状態となる。しかし、サイリスタ５２４には制御電源Ｖｃｃから抵抗４２３及び抵抗５２５を介して電流が流れるので、これが保持電流となりサイリスタ５２４のオン状態が維持される。従って、ＬＥＤモジュール２の温度が低下した後も低出力電圧の出力が維持される。

図４に上記の保護動作のタイミングチャートを示す。時刻ｔ１まではＬＥＤ電源装置１に異常は発生せず、通常点灯動作（電源出力電流３５０ｍＡの定電流制御）が行われていたものとする。そして、時刻ｔ１に定電流制御部４１０が故障して定電流制御が機能しなくなり、その結果として時刻ｔ２において無負荷用動作（電源出力電圧３０Ｖの定電圧制御）が開始されたものとする。

時刻ｔ１及びｔ２以降はＬＥＤ２０が過電流状態となるため、サーミスタ５１１によるＬＥＤモジュール２の検出温度は上昇し、サーミスタ５１１の抵抗値が増加していく。時刻ｔ３において、検出温度が設定温度Ｔｓを超えてサーミスタ５１１の抵抗値が所定値を超えたことにより、トランジスタ５２１がオンする。そして、トランジスタ５２１がオンすると、サイリスタ５２４がオンする。

時刻ｔ３以降はサイリスタ５２４によって切り換えられた低出力用の電圧基準値による定電圧制御が実行される。これにより、電源出力電圧は低出力電圧Ｖｓである１５Ｖ〜２０Ｖ程度まで減少し、電源出力電流、すなわちＬＥＤ電流が５ｍＡ〜１０ｍＡ程度に減少する（図３参照）。時刻ｔ３以降は、ＬＥＤ電流が減少したことによって、ＬＥＤモジュール２の温度変化が上昇から低下に転じる。

時刻ｔ４において、サーミスタ５１１による検出温度が設定温度Ｔｓよりも低くなったことに応じて、トランジスタ５２１がオフする。一方、上述したように、サイリスタ５２４のオン状態はラッチされるので、時刻ｔ４以降も低出力電圧Ｖｓによる定電圧制御が継続される。

以上のように、本実施形態の電圧切換回路５００は、ＬＥＤ２０の発熱状態に基づいてＬＥＤ過電流状態を検出するサーミスタ５１１、及び過電流状態が検出された場合に定電圧制御部４２０の電圧基準値を低下させる切換部５２０を有する。このように、電圧切換回路５００は、ＬＥＤ２０の過電流状態をＬＥＤ電流ではなくＬＥＤ２０からの発熱に基づいて検出するので、定電流出力制御に故障が発生した場合であっても電源出力電圧を低下させて過電流状態の継続を防止することができる。また、サーミスタ５１１を用いることにより簡素な構成で過電流検出部５１０を構成することができ、ＬＥＤ電源装置１の小型化に貢献する。

ここで、スイッチング電源回路２００が低出力電圧を出力するように駆動される場合に制御電圧が確保されるように低出力電圧が設定されるので、電源出力電圧を低下させた状態においても過電流保護の制御が実行される。また、切換部５２０は電圧基準値を切り換えるサイリスタ５２４を有し、サイリスタ５２４は、過電流状態の検出に応じて非導通状態から導通状態とされた後に制御電源Ｖｃｃからの通電により導通状態が保持される。これにより、ＬＥＤ過電流状態の解消によりＬＥＤ温度が低下した後もスイッチング電源回路２００の低出力状態が保持され、保護動作の継続が確実に実現される。

またさらに、補助電源回路３００は、定電圧制御部４２０に供給される制御電圧を補助巻線Ｎ３から生成する第１の補助電源部３１０と、駆動信号生成部４３０に供給される制御電圧を補助巻線Ｎ４から生成する第２の補助電源部３２０を含む。これにより、それぞれの回路に供給される制御電源を必要最低限のものとして低出力電圧を最小化することができ、保護動作時のＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤモジュール２における消費電力を最小化することが可能となる。

そして、上記のようなＬＥＤ電源装置１を用いることにより、ＬＥＤ過電流状態の継続によるＬＥＤモジュール２の過度温度上昇及び無駄な消費電力の抑制が可能なＬＥＤ照明装置３が実現される。

実施形態２．
上記第１の実施形態では感温抵抗素子（サーミスタ）を備える過電流検出部５１０によってＬＥＤ過電流状態を検出する構成を示したが、本実施形態では照度センサを備える過電流検出部５１０によってＬＥＤ過電流状態を検出する構成を示す。すなわち、過電流状態の検出において参照されるＬＥＤの出力状態は、第１の実施形態ではＬＥＤの発熱状態であったのに対し、本実施形態ではＬＥＤの発光状態となる。

図５に、本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ電源装置１の電圧切換回路５００の回路構成図を示す。本実施形態は、第１の実施形態とは、電圧切換回路５００の過電流検出部５１０の構成のみが異なる。従って、本実施形態について、電圧切換回路５００以外の構成要素の説明を省略する。

電圧切換回路５００は過電流検出部５１０及び切換部５２０を含み、切換部５２０の構成は第１の実施形態と同様である。過電流検出部５１０はフォトダイオード５１５（照度センサ）、誤差増幅器５１６、抵抗５１７及び積分回路５１８を含む。概略として、電圧切換回路５００は、ＬＥＤモジュール２が過電流状態、すなわち高照度状態となった場合に、定電流制御部４２０における電圧基準値を低下させるように動作する。

フォトダイオード５１５は、ＬＥＤモジュール２又はＬＥＤ２０に近接配置され、ＬＥＤモジュール２又はＬＥＤ２０の照度増加に対して検知電流を増加させる。なお、フォトダイオード５１５は、１以上のＬＥＤ２０の照度を個別に検知するものであってもよいし、ＬＥＤモジュール２全体の照度を検知するものであってもよい。フォトダイオード５１５のアノードはグランドに接続され、カソードは誤差増幅器５１６の負入力端子に接続される。誤差増幅器５１６の正入力端子はグランドに接続され、負入力端子と出力端子間には帰還抵抗５１７が接続される。誤差増幅器５１６の出力端子は積分回路５１８等を介してトランジスタ５２１のゲート端子に接続される。なお、積分回路５１８は誤差増幅器５１６の負入力端子と出力端子間に設けられてもよい。

通常点灯動作時及び無負荷用動作時においては、ＬＥＤ２０の照度が小さい、又は発光がないのでフォトダイオード５１５の検知電流は小さい、又は実質的にゼロである。従って、誤差増幅器５１６の出力端子電圧、すなわちトランジスタ５２１のゲート−ソース間電圧は小さく、トランジスタ５２１はオフ状態に維持される。従って、サイリスタ５２４のゲート端子はグランド電位となり、サイリスタ５２４もオフ状態に維持される。その結果として、定電圧制御部４２０における電圧基準値は抵抗４２３及び４２４によって決まる電圧に維持される。

ＬＥＤ２０が過電流状態となった場合、ＬＥＤモジュール２又はＬＥＤ２０の照度は大きく、フォトダイオード５１５の検知電流が大きくなる。これにより、誤差増幅器５１６の出力電圧、すなわちトランジスタ５２１のゲート−ソース間電圧が閾値を超えるとトランジスタ５２１がオン状態となる。トランジスタ５２１がオン状態となると、抵抗５２２と抵抗５２３による制御電源Ｖｃｃの分圧値がサイリスタ５２４のゲート端子に印加され、サイリスタ５２４がオン状態となる。サイリスタ５２４がオン状態となると、抵抗５２５が抵抗４２４に並列接続され、電圧基準値が下がる。第１の実施形態と同様に、サイリスタ５２４は一旦オン状態となると、制御電源Ｖｃｃからの通電によりオン状態が保持される。

図６に上記の保護動作のタイミングチャートを示す。時刻ｔ１まではＬＥＤ電源装置１に異常は発生せず、通常点灯動作（電源出力電流３５０ｍＡの定電流制御）が行われていたものとする。そして、時刻ｔ１に定電流制御部４１０が故障して定電流制御が機能しなくなり、ＬＥＤ２０が過電流状態となったものとする。時刻ｔ２においてフォトダイオード５１５によって検出されるＬＥＤ照度が設定値Ｌｓを超え、時刻ｔ３において積分回路１８の出力がトランジスタ５２１の閾値を超える。これにより、トランジスタ５２１がオンし、サイリスタ５２４がオンする。なお、ＬＥＤ照度の設定値Ｌｓに対応する電源出力電圧はリミッタ電圧３０Ｖよりも低いものとする。従って、時刻ｔ２までに電源出力電圧はリミッタ電圧３０Ｖを超えることはなく、無負荷用動作による定電圧制御は行われない。

時刻ｔ３以降はサイリスタ５２４によって切り換えられた低出力用の電圧基準値による定電圧制御が実行される。これにより、電源出力電圧は低出力電圧Ｖｓである１５Ｖ〜２０Ｖ程度まで減少し、電源出力電流、すなわちＬＥＤ電流が５ｍＡ〜１０ｍＡ程度に減少するとともに（図３参照）ＬＥＤ照度は設定値Ｌｓより低くなる。そして、時刻ｔ３から積分回路１８によって決まる時定数が経過した後の時刻ｔ４において、トランジスタ５２１がオフする。一方、上述したように、サイリスタ５２４のオン状態はラッチされるので、時刻ｔ４以降も低出力電圧Ｖｓによる定電圧制御が継続される。

なお、本実施形態においても、得られる効果は第１の実施形態と同様である。電圧切換回路５００は、ＬＥＤ２０の過電流状態をＬＥＤ電流ではなくＬＥＤ２０からの発光に基づいて検出するので、定電流出力制御に故障が発生した場合であっても電源出力電圧を低下させて過電流状態の継続を防止することができる。そして、サイリスタ５２４が一旦導通状態とされた後は制御電源Ｖｃｃからの通電により導通状態が保持されるので、ＬＥＤ過電流状態の解消によりＬＥＤ照度が低下した後もスイッチング電源回路２００の低出力状態が保持され、保護動作の継続が確実に実現される。

＜変形例＞
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の態様に変形可能である。

・スイッチング電源回路２００及び補助電源回路３００の変形
上記各実施形態においては、スイッチング電源回路２００として、いわゆるワンコンバータ方式の絶縁型フライバックコンバータを示したが、スイッチング電源回路２００は他の方式の降圧コンバータであってもよい。例えば、スイッチング電源回路２００は力率改善回路及びフライバックコンバータ回路からなる回路であってもよい。この場合、補助電源回路３００の補助巻線Ｎ３及びＮ４は、フライバックコンバータ回路を構成するトランス又は力率改善回路を構成するコイルに設けられた補助巻線であればよい。また、スイッチング電源回路２００は力率改善回路及び非絶縁型の降圧チョッパ回路からなる回路であってもよい。この場合、補助電源回路３００の補助巻線Ｎ３及びＮ４は、降圧チョッパ回路を構成するチョークコイルに設けられた補助巻線であればよい。あるいは、このような非絶縁型のコンバータの場合、制御回路４００及び電圧切換回路５００の回路は全て同じ基準電位（グランド）となるので、チョークコイルに設けられた１つの補助巻線から全ての制御電源が生成される構成としてもよい。

・補助電源回路３００の変形
上記各実施形態においては、スイッチング電源回路２００の駆動に応じて制御電圧を生成する構成として、トランス２０２等のインダクタ素子の補助巻線から制御電源が生成される構成を示したが、補助電源回路３００の構成はこれに限られない。例えば、図７に示すように、駆動信号生成部４３０側の制御電源が、スイッチング素子２０１に並列接続されたスナバ回路２５０から生成される構成としてもよい。スナバ回路２５０は直列接続されたコンデンサ２５１及びダイオード２５２からなり、スイッチング素子２０１のドレイン端子にコンデンサ２５１が接続され、ソース端子（基準電位）にダイオード２５２のアノードが接続される。そして、コンデンサ２５１とダイオード２５２の接続点が補助電源部３２０のダイオード３２１のアノードに接続される。これにより、スイッチング電源回路２００の動作時にコンデンサ２５１に発生し得るパルス状の電圧を電源電圧の生成に利用することができる。

・定電流制御部４１０の省略
上記各実施形態においては、定電流制御部４１０における故障発生を前提としたが、定電流制御部４１０がない回路、すなわち、オープンループにおいて電源出力電流がフィードフォワード制御される構成においても本発明は適用可能である。

・過電流検出部５１０の変形
第１の実施形態においては、過電流検出部５１０としてＰＴＣサーミスタ５１１を用いる構成を示したが、図１のサーミスタ５１１の代わりに非復帰型の温度ヒューズを用いる構成としてもよい。この場合、ＬＥＤ過電流によりＬＥＤモジュール２が設定温度に達して温度ヒューズが溶断した後は、サイリスタ５２４だけでなくトランジスタ５２１のオン状態もラッチされる。

・切換部５２０の変形
上記各実施形態においては、電圧基準値を低下させる構成として、誤差増幅器４２５の正入力端子とグランドの間の合成抵抗値を減少させる構成を示したが、誤差増幅器４２５の正入力端子と制御電源Ｖｃｃの間の合成抵抗値を増加させる構成としてもよい。また、上記各実施形態では、電圧切換回路５００が電源出力電圧を低減させる構成として、電圧基準値を低減させる構成を示したが、電圧検出値の入力値を増大させる構成としてもよい。すなわち、ＬＥＤ過電流状態の検出時に切換部５２０が誤差増幅器４２５の負入力端子とグランドの間の合成抵抗値を増加させる構成としてもよい。

１ ＬＥＤ電源装置
２ ＬＥＤモジュール
３ ＬＥＤ照明装置
２０ ＬＥＤ
２００ スイッチング電源回路
３００ 補助電源回路
３１０ 第１の補助電源部
３２０ 第２の補助電源部
４００ 制御回路
４２０ 定電圧制御部
４２１、４２２ 抵抗（第１の抵抗回路）
４２３、４２４ 抵抗（第２の抵抗回路）
４２５ 誤差増幅器
４３０ 駆動信号生成部
５００ 電圧切換回路
５１０ 過電流検出部
５１１、５１３ サーミスタ（感温抵抗素子）
５２０ 切換部
５２４ サイリスタ

Claims (7)

1. ＬＥＤ電源装置であって、
   ＬＥＤに出力電流を供給するスイッチング電源回路と、
   前記スイッチング電源回路の駆動に応じて制御電圧を生成する補助電源回路と、
   前記制御電圧が供給されて前記スイッチング電源回路の出力電圧を定電圧制御するための定電圧制御部を有する制御回路と、
   前記ＬＥＤが過電流状態であることを前記ＬＥＤの出力状態に基づいて検出する過電流検出部、及び前記過電流状態が検出された場合に前記スイッチング電源回路の出力電圧を低出力電圧まで低下させるように前記定電圧制御部を動作させる切換部を有する電圧切換回路と
   を備えたＬＥＤ電源装置。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ電源装置において、前記スイッチング電源回路が前記低出力電圧を出力するように駆動される場合に前記制御電圧が確保されるように前記低出力電圧が設定された、ＬＥＤ電源装置。
3. 請求項１又は２に記載のＬＥＤ電源装置において、前記過電流検出部が、前記ＬＥＤに近接配置された感温抵抗素子を備える、ＬＥＤ電源装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置において、
   前記定電圧制御部が、前記出力電圧を検出して電圧検出値を生成する第１の抵抗回路と、前記出力電圧の目標値に対応する電圧基準値を生成する第２の抵抗回路と、前記電圧検出値が前記電圧基準値に一致するように前記スイッチング電源回路を動作させるための誤差増幅器とを備え、
   前記切換部が、前記過電流状態が検出された場合に前記電圧基準値を低下させるように構成されたＬＥＤ電源装置。
5. 請求項４に記載のＬＥＤ電源装置において、前記切換部が、前記電圧基準値を切り換えるサイリスタを有し、該サイリスタが、前記過電流状態の検出に応じて非導通状態から導通状態とされた後に前記制御電圧からの通電により前記導通状態が保持されるように構成されたＬＥＤ電源装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置において、
   前記制御回路が、前記定電圧制御部の出力に従って前記スイッチング電源回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部をさらに含み、
   前記補助電源回路が、前記定電圧制御部に供給される第１の制御電圧を生成する第１の補助電源部と、前記駆動信号生成部に供給される第２の制御電圧を生成する第２の補助電源部を含むＬＥＤ電源装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置と、該ＬＥＤ電源装置から給電される前記ＬＥＤを有するＬＥＤモジュールとを備えたＬＥＤ照明装置。
   
   
   

Images