JP2017021954A - Ｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを定電力制御するとともに、過電流及び過電圧から保護することができるＬＥＤ点灯装置を得る。
【解決手段】電源回路１はＬＥＤのアノードに負荷電流を供給してＬＥＤを点灯させる。抵抗Ｒ１がＬＥＤのカソードとグランド端子の間に接続されている。抵抗Ｒ２の一端がＬＥＤのカソードと抵抗Ｒ１の間に接続されている。抵抗Ｒ３の一端がＬＥＤのアノードに接続され、抵抗Ｒ３の他端が抵抗Ｒ２の他端に接続されている。エラーアンプ２は抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電圧を電源回路１にフィードバックする。電流リミッタ回路１０が抵抗Ｒ２に並列に接続され、ツェナーダイオードＤＺ２が抵抗Ｒ３に並列に接続されている。電源回路１は、接続点の電圧が一定になるように出力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ点灯装置に関する。

ＬＥＤはダイオードの特性を持ち、負荷電圧に対する負荷電流の変化率が急峻である。従って、定電圧では明るさが制御しにくいため、一般的にＬＥＤは定電流で駆動される。図１２はＬＥＤを定電流制御した場合の温度変化時の特性を示す図である。低温でＬＥＤの負荷電圧が上昇すると、負荷電流は一定でも上昇した負荷電圧により電力が増加する。また、光出力は負荷電流に比例するが、温度による変化の方が大きいため、定電流でも低温で明るく、高温で暗くなる。

非常灯の光源としてＬＥＤを定電流で駆動した場合、低温ではバッテリの容量が低下するが、ＬＥＤの消費電力が増加するため、バッテリの持続時間が悪化する。光出力は低温で明るくなっているため、無駄に消費電力を増やしている。一方、高温では光出力が減少するが、定電流制御では対応できない。

これに対して、ＬＥＤを定電力で駆動することが考えられる（例えば、特許文献１〜３参照）。図１３はＬＥＤを定電力制御した場合の温度変化時の特性を示す図である。定電力制御の場合、低温時は負荷電圧が上昇した分、負荷電流を減らして電力を一定とするため、バッテリの持続時間を増やせる。光出力は減少するが、元々ＬＥＤの温度特性で明るさが増加しているため、必要な明るさは確保でき、無駄な光出力の増加を抑えることができる。一方、高温時は負荷電圧が減少するため負荷電流が増加する。これによって光出力が増加するが、ＬＥＤの温度特性で明るさが減少しているため、これを補う動作となる。ただし、一般的にＬＥＤの温度特性の方が大きいため、定電力制御では完全には補いきれない。

特開２０１０−１５８８７号公報 特開２００９−２３１１４７号公報 特開２０１５−５４１０号公報

定電力制御ではＬＥＤのばらつき、温度特性、故障、あるいは断線などで負荷電流が変化した場合にそれに応じて負荷電圧が変化する。同様に負荷電圧が変化した場合にそれに応じて負荷電流が変化する。特に電流がゼロになる開放時、電圧がゼロになる短絡時にそれぞれ電圧、電流が最大になる。この時の最大値が部品の定格を超えない様に過電流及び過電圧から保護する必要がある。

特開２００９−２３１１４７号公報に記載の点灯装置は、電圧リミット及び電流リミットを行うための回路として、比較器およびダイオードオア回路を備えている。しかしながら、この公報に記載の回路では、正常なＬＥＤ電圧検出信号に対して、電圧リミッタ検出信号または電流リミッタ検出信号がダイオードオア回路により割り込むという回路動作となる。ダイオードオア回路により３つの検出信号のうち最大値のみが制御回路へと入力されるので、電圧リミッタと電流リミッタのいずれか一方のみが動作し、これらが両方同時に動作することはできない。このような択一的なリミッタ動作は、定電力制御を行う観点からはいまだ改善の余地を残すものであった。

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、その目的は定電力制御を行うとともに過電流及び過電圧から保護することができるＬＥＤ点灯装置を得るものである。

第１の発明にかかるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、前記ＬＥＤのカソードとグランド端子の間に直列接続された第１抵抗と、一端および他端を有し、前記一端が前記ＬＥＤのカソードと前記第１抵抗の接続点に接続された第２抵抗と、一端および他端を有し、前記一端に前記ＬＥＤのアノード電圧に応じた電圧が印加される第３抵抗と、前記第２抵抗の前記他端と前記第３抵抗の前記他端とを接続した接続点の電圧、又は前記第２抵抗の前記他端の電圧と前記第３抵抗の前記他端の電圧とを乗算した電圧と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするエラーアンプと、前記第２抵抗と並列に接続し、前記第２抵抗の前記一端に印加される電圧が予め定めた電圧を上回ると、前記電源回路の出力に上限を設けるように前記第２抵抗の前記他端の電圧を調整する第１リミッタ回路と、前記ＬＥＤの負荷電圧に上限を設ける第２リミッタ回路と、を備え、前記電源回路は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように出力を制御する。

第２の発明にかかるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、前記ＬＥＤのカソードとグランド端子の間に直列接続された第１抵抗と、一端および他端を有し、前記一端が前記ＬＥＤのカソードと前記第１抵抗の接続点に接続された第２抵抗と、一端および他端を有し、前記一端に前記ＬＥＤのアノード電圧に応じた電圧が印加される第３抵抗と、前記第２抵抗の前記他端と前記第３抵抗の前記他端とを接続した接続点の電圧又は前記第２抵抗の前記他端の電圧と前記第３抵抗の前記他端の電圧とを乗算した電圧と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするエラーアンプと、前記第３抵抗の前記一端の電圧が基準電圧を下回らないように、前記第３抵抗の前記一端の電圧に下限を設ける第３リミッタ回路と、前記ＬＥＤの負荷電圧に上限を設ける第４リミッタ回路と、を備え、前記電源回路は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように出力を制御する。

第３の発明にかかるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、前記負荷電流を検知する第１検知部と、前記ＬＥＤに印加される負荷電圧を検知する第２検知部と、前記第１検知部で検知した値と前記第２検知部で検知した値とを加算または乗算した値と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするフィードバック部と、前記負荷電流に対する上限を設けるように前記フィードバック部に入力される前記第１検知部の値を制限する第１リミッタと、前記負荷電圧に上限を設けるように前記フィードバック部に入力される前記第２検知部の値を調節する第２リミッタと、を備え、前記フィードバック部は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように前記電源回路の出力を制御する。

第１〜３の発明によれば、定電力制御を行うＬＥＤ点灯装置において、第１、２リミッタの動作が反映された後の値が加算または乗算された算出値を、電源回路にフィードバックすることができる。これにより、電流リミッタと電圧リミッタの両方を同時に作動させることができ、リミッタされた許容範囲内で最大電力を設定可能な定電力制御を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 ＬＥＤに流れる負荷電流と負荷電圧の加算と乗算の関係を示す図である。 図２における負荷電圧の使用範囲を拡大した図である。 本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る低電圧リミッタ回路の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る低電圧リミッタ回路の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態５に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 本発明の実施の形態６に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。 本発明の実施の形態において乗算器を用いる場合の一例として実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置を変形した図である。 ＬＥＤを定電流制御した場合の温度変化時の特性を示す図である。 ＬＥＤを定電力制御した場合の温度変化時の特性を示す図である。 本発明の実施の形態６に係るＬＥＤ点灯装置が有するマイコンの機能ブロック図である。

本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。電源回路１はＬＥＤのアノードに負荷電流を供給してＬＥＤを点灯させる。抵抗Ｒ１がＬＥＤのカソードとグランド端子（ＧＮＤ）の間に接続されている。

抵抗Ｒ２の一端がＬＥＤのカソードと抵抗Ｒ１との接続点に接続されている。抵抗Ｒ３の一端がＬＥＤのアノードに接続され、抵抗Ｒ３の他端が抵抗Ｒ２の他端に接続されている。

エラーアンプ２は抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電圧Ｖｉｎを電源回路１にフィードバックする。エラーアンプ２は差動増幅回路であり、負極入力から電圧Ｖｉｎを入力し、正極入力から基準電圧Ｖｒｅｆを入力する。エラーアンプ２の負極入力と出力との間にコンデンサＣ１が接続されている。

電源回路１は、インダクタＬ１、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、及び平滑コンデンサＣ２を有するチョッパ回路である。インダクタＬ１の一端がバッテリ３に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、インダクタＬ１の他端とグランド端子（ＧＮＤ）の間に接続されている。ダイオードＤ１のアノードがインダクタＬ１の他端に接続され、ダイオードＤ１のアノードとインダクタＬ１の他端との接続点とスイッチング素子Ｑ１のドレインが接続されている。平滑コンデンサＣ２の正極がダイオードＤ１のカソードに接続され、負極がグランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１は制御回路４により制御される。スイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせると、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にダイオードＤ１を介して放出される。そして、バッテリ３の出力電圧にインダクタＬ１から放出されるエネルギーが重畳される形で平滑コンデンサＣ２が充電されるため、平滑コンデンサＣ２の両端電圧をバッテリ３の出力電圧よりも昇圧することができる。

制御回路４は、エラーアンプ２の出力に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン／オフの周波数又はデューティ比を制御する。これにより、電源回路１は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電圧Ｖｉｎが一定になるように出力を制御する。なお、制御回路４は、制御ＩＣ、又はＣＰＵ、システムＬＳＩ等の処理回路により実現される。また、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。

実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置は、電流リミッタ回路１０を備えている。電流リミッタ回路１０は、抵抗Ｒ２に並列に接続している。具体的には、コンパレータ１１の正極入力が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１との接続点に接続されている。コンパレータ１１の負極入力には予め定めた電圧が印加されている。コンパレータ１１の出力は抵抗Ｒ４の一端に接続し、抵抗Ｒ４の他端は、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の他端とが接続する接続点に接続している。

ツェナーダイオードＤＺ２および抵抗Ｒ５の直列回路が、Ｒ３に並列に接続されている。このツェナーダイオードＤＺ２および抵抗Ｒ５の直列回路は、本発明にかかる「電圧リミッタ回路」に相当している。

ＬＥＤの負荷電流は抵抗Ｒ１に印加される電圧に対応し、ＬＥＤの負荷電圧は抵抗Ｒ３に印加される電圧に対応する。このため、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点の電圧ＶｉｎはＬＥＤの負荷電流と負荷電圧の加算に対応する。従って、エラーアンプ２はＬＥＤの負荷電流と負荷電圧の加算を電源回路１にフィードバックする。一方、電力は負荷電流と負荷電圧の乗算である。図２はＬＥＤの負荷電流と負荷電圧の加算と乗算の関係を示す図である。図２に示すように、加算を一定にする制御（加算一定制御）と乗算を一定にする制御（乗算一定制御）は異なる。

しかし、ＬＥＤを負荷とした場合、負荷電圧の変化範囲は数Ｖ程度と小さい。図３は、図２における負荷電圧の使用範囲を拡大した図である。図３に示すように、負荷電圧の使用範囲内では乗算一定制御を加算一定制御によって近似することができる。また、負荷電圧の使用範囲外では乗算一定制御のカーブから加算一定制御が外れるが、加算一定制御の方が電力が低くなる方向に外れるため、安全である。

電流リミッタ回路１０は、抵抗Ｒ２の一端に印加される電圧が予め定めた電圧を上回ると抵抗Ｒ２の他端に電圧を加算することで、過電流保護を実現する。具体的には、コンパレータ１１は、抵抗Ｒ２の一端に印加される電圧（すなわち抵抗Ｒ１とＬＥＤのカソードの接続点の電圧）が予め定めた電圧を上回ったときにハイとなる。コンパレータ１１がハイとなることで、コンパレータ１１の出力電圧が抵抗Ｒ２の他端に加算される。その結果、電圧Ｖｉｎを増大させて電源回路１の出力を低下させようとする回路動作が得られる。すなわち、エラーアンプ２により加算値（または後述するように乗算値）としての電圧Ｖｉｎが電源回路１にフィードバックされることで、定電力制御が実現される。この電圧Ｖｉｎを一定に保つために、電圧Ｖｉｎが増加したときにはその増加分を減らすように電源回路１が出力を低下させる。過電流発生時には、電流リミッタ回路１０が電圧Ｖｉｎを上げるように働くので、電流リミッタ回路１０による電圧加算分だけ電圧Ｖｉｎがより大きな値として算出される。よって、過電流発生時には、増加補正した電圧Ｖｉｎによって、電源回路１の出力を下げる方向にフィードバックをかけることができる。その結果、電流リミッタ回路１０の電圧加算により負荷電流に上限を設けることができる。好ましくは、電流リミッタ回路１０は、負荷電圧がある値以下となっている場合には、負荷電圧にかかわらず負荷電流がある上限値で固定されるように、負荷電流の上限を設けることが好ましい。具体的には、電流リミッタ回路１０の電圧加算によって電圧Ｖｉｎが増加補正され、図３に示すごとく、負荷電圧にかかわらず負荷電流をある上限で止めるように電源回路１の出力を制限することが好ましい。

過電圧からの保護を行うために、ＬＥＤの負荷電圧が一定値を超えた場合にツェナーダイオードＤＺ２がオンする。ツェナーダイオードＤＺ２の動作点は使用範囲の外に設け、電力を低下させる方向に変化させることで故障を避け安全な動作となるように設定する。特開２００９−２３１１４７号公報の図に記載されるようにコンパレータを用いて電圧リミッタ回路を組む必要が無いので、簡素な構成で電圧のリミッタ回路を構成することができる。

以上説明したように、本実施の形態ではＬＥＤの負荷電流と負荷電圧を加算した値を電源回路１にフィードバックすることで、簡単な回路構成によりＬＥＤを定電力制御できる。

また、エラーアンプ２に入力される電圧Ｖｉｎは以下の数式１で求められる。

ここで、ＬＥＤの負荷電流と負荷電圧をそれぞれＩＦ，ＶＦ、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値をそれぞれｒ１，ｒ２，ｒ３とする。

これらのパラメータにおいて下記の数式２で抵抗Ｒ２，Ｒ３の抵抗値ｒ２，ｒ３を決定すれば、この負荷電圧ＶＦ付近ではＰ´＝０となり、電力Ｐが一定となる。従って、電力Ｐおよび抵抗Ｒ１の抵抗値ｒ１に関わらず定電力制御を行うことができる。また、定数設計が簡単にできる。

また、負荷電圧を求めるための抵抗Ｒ３に並列にツェナーダイオードＤＺ２を接続し、負荷電圧が一定値を超えた場合にツェナーダイオードＤＺ２をオンさせる。これにより、ＬＥＤ、抵抗Ｒ１、電源回路１内の素子を過電圧から保護することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。実施の形態２にかかるＬＥＤ点灯装置は、電流リミッタ回路１０をツェナーダイオードＤＺ１に置換している点、および図１ではツェナーダイオードＤＺ２に抵抗Ｒ５を直列接続しているが図４ではこれを省略する変形を行っておりツェナーダイオードＤＺ２単体で電圧リミッタ回路を構成している点を除き、図１に示す実施の形態１にかかるＬＥＤ点灯装置と同様の回路構成を備えている。したがって、以下の説明では実施の形態１と同一または相当する構成については同一の符号を付して説明を行うとともに、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通事項は説明を簡略化ないしは省略する。

実施の形態２では、ツェナーダイオードＤＺ１が抵抗Ｒ２に並列に接続されている。過電流から保護するために、負荷電流が一定値を超えた場合にツェナーダイオードＤＺ１をオンさせる。ツェナーダイオードＤＺ１の動作点は使用範囲の外に設け、電力を低下させる方向に変化させることで故障を避け安全な動作となるように設定する。ツェナーダイオードＤＺ１がオンとなれば抵抗Ｒ２の両端の電圧が一定に保持されるので、抵抗Ｒ２の他端の電圧を一定値に制限でき、電圧Ｖｉｎを制限することができる。電圧Ｖｉｎを制限することで、電源回路１の出力が制限されるので、過電流発生時に電源回路１が出力を増加させないように上限を設けることができる。

以上説明したように、実施の形態２では、負荷電流と負荷電圧を求めるための抵抗Ｒ２，Ｒ３にそれぞれ並列にツェナーダイオードＤＺ１，ＤＺ２を接続し、負荷電流及び負荷電圧がそれぞれ一定値を超えた場合にツェナーダイオードＤＺ１，ＤＺ２をオンさせる。これにより、簡単な回路構成で、ＬＥＤ、抵抗Ｒ１、電源回路１内の素子を過電流及び過電圧から保護することができる。また、特開２００９−２３１１４７号公報の図に記載されるようにコンパレータを３つ並列に接続するような複雑な回路を組む必要が無いので、簡素な構成で電流および電圧のリミッタ回路を構成することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。本実施の形態では、図４に示す実施の形態２のツェナーダイオードＤＺ１，ＤＺ２の代わりに高電圧リミッタ回路５と低電圧リミッタ回路６が設けられている。また、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点とエラーアンプ２の間に抵抗Ｒ４が接続されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。

高電圧リミッタ回路５は抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点とＬＥＤのアノードの間に接続されている。高電圧リミッタ回路５は直列に接続されたツェナーダイオードＤＺ３と抵抗Ｒ５を有する。低電圧リミッタ回路６は抵抗Ｒ３の一端に接続され、低電圧リミッタ回路６はコンパレータ７と切替回路８を有する。コンパレータ７はＬＥＤのアノード電圧と基準電圧Ｖｔｈを比較する。切替回路８は、アノード電圧が基準電圧Ｖｔｈ以上の場合には抵抗Ｒ３の一端にアノード電圧を印加し、アノード電圧が基準電圧Ｖｔｈを下回る場合には抵抗Ｒ３の一端に基準電圧Ｖｔｈを印加するように接続を切り替える。これにより、低電圧リミッタ回路６は抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧Ｖｔｈを下回らないように制限する。

また、過電圧から保護するために、負荷電圧が一定値を超えた場合に高電圧リミッタ回路５のツェナーダイオードＤＺ３をオンさせ、ＬＥＤの負荷電圧の上限を設定する。ツェナーダイオードＤＺ３の動作点は使用範囲の外に設け、電力を低下させる方向に変化させることで故障を避け安全な動作となるように設定する。

また、低電圧リミッタ回路６は抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧Ｖｔｈを下回らないように制限する。図６は、本発明の実施の形態３に係る低電圧リミッタ回路の動作を説明するための図である。ここで、抵抗Ｒ１の抵抗値を１Ω、抵抗Ｒ２の抵抗値を４．０３６７ＫΩ、抵抗Ｒ３の抵抗値を４４０ＫΩ、基準電圧Ｖｔｈを３４Ｖ、基準電圧Ｖｒｅｆを０．８Ｖ、定電力値を１７．７Ｗとした。

ＬＥＤの負荷電圧が４８Ｖから３０Ｖまで低下する場合において、基準電圧Ｖｔｈ＝３４Ｖまではコンパレータ７は”Ｈ”を出力する。これに応じて切替回路８は抵抗Ｒ３の一端にＬＥＤのアノード電圧を印加する。

その後、ＬＥＤの負荷電圧が基準電圧Ｖｔｈ＝３４Ｖを下回ると、コンパレータ７は”Ｌ”を出力し、切替回路８は抵抗Ｒ３の一端に基準電圧Ｖｔｈを印加する。この結果、ＬＥＤの負荷電圧が３４Ｖを下回っても、抵抗Ｒ３の一端に３４Ｖが入力される。

ＬＥＤの負荷電流が増加していくと負荷電圧が低下していくため、定電力制御だけでは過電流を防げない。そこで、抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧よりも低下しないように低電圧リミッタ回路６が制限することで、ＬＥＤの負荷電流は一定値（０．４９５Ａ）より大きくならない。この結果、過電流から保護することができる。

以上説明したように、本実施の形態ではＬＥＤの負荷電流と負荷電圧を加算した値を電源回路１にフィードバックすることで簡単な回路構成によりＬＥＤを定電力制御できる。

また、高電圧リミッタ回路５がＬＥＤの負荷電圧の上限を設定することで過電圧から保護することができる。さらに、低電圧リミッタ回路６により抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧Ｖｔｈを下回らないように制限する。これにより過電流から保護することができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。図５に示す実施の形態３の低電圧リミッタ回路６の代わりに低電圧リミッタ回路９を設けている。その他の構成は実施の形態３と同様である。

低電圧リミッタ回路９は抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタＱ２、シャントレギュレータ２１、およびバイアス抵抗Ｒ２１を有する。抵抗Ｒ６はＬＥＤのアノードと抵抗Ｒ３の一端の間に接続されている。トランジスタＱ２のエミッタが抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点に接続され、コレクタがＬＥＤのアノードに接続されている。バイアス抵抗Ｒ２１の一端はトランジスタＱ２のコレクタと接続し、バイアス抵抗Ｒ２１の他端はトランジスタＱ２のベースとシャントレギュレータ２１のカソードとの接続点に接続している。シャントレギュレータ２１は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点の電圧を抵抗Ｒ７、Ｒ８で分圧したものをリファレンス電圧として入力し、バイアス抵抗Ｒ２１から供給される電流により、トランジスタＱ２のベースに出力電圧を印加する。

図８は、本発明の実施の形態４に係る低電圧リミッタ回路の動作を説明するための図である。ここで、抵抗Ｒ１の抵抗値を１Ω、抵抗Ｒ２の抵抗値を４．０３６７ＫΩ、抵抗Ｒ３の抵抗値を２２ＫΩ、抵抗Ｒ６の抵抗値を４１８ＫΩ、シャントレギュレータ２１の基準電圧を３．０６Ｖ、リファレンス電圧Ｖｒｅｆを０．８Ｖ、定電力値を１７．８Ｗとした。

ＬＥＤの負荷電圧が４８Ｖから低下する場合、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点の電圧も低下するが、シャントレギュレータ２１の出力電圧よりも高い場合はそのままエラーアンプ２に送られる。この時、シャントレギュレータ２１は、リファレンス電圧が閾値より高いため、出力電圧を下げる方向に動作する。従って、トランジスタＱ２のベース電圧が低下し、ベース・エミッタが逆方向にバイアスされるため、シャントレギュレータ２１の出力電圧はトランジスタＱ２のエミッタには発生しない。例えばトランジスタＱ２のベース電圧は１Ｖ程度、エミッタ電圧２〜３Ｖである。

その後、ＬＥＤの負荷電圧が３０Ｖ程度まで低下し、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点の電圧がシャントレギュレータ２１の出力電圧を下回ると、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間が導通し、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点にはシャントレギュレータ２１の出力電圧が発生する。従って、ＬＥＤの負荷電圧が基準電圧を下回っても、低電圧リミッタ回路９は抵抗Ｒ３の一端にシャントレギュレータ２１の出力電圧が入力される。この結果、低電圧リミッタ回路９は抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧を下回らないように制限する。これにより実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態４では、実施の形態３の切替回路８をトランジスタＱ２のベース・エミッタ間ダイオードによるダイオードオアで代用し、実施の形態３のコンパレータ７と基準電圧源をシャントレギュレータ２１で代用している。従って、コンパレータを使用しないため、コンパレータそのものと電源回路を省略することができる。また、電源回路が無いため、電源電圧の増減による制約が無い。そして、トランジスタＱ２が電圧を受け持つため、基準電圧を低く設定することができ、低圧なシャントレギュレータを使用することができる。さらに、出力用バッファと切替回路をトランジスタＱ２で兼用するため、回路が簡略化される。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係るＬＥＤ点灯装置を示す図である。図５に示す実施の形態３の低電圧リミッタ回路６の代わりに低電圧リミッタ回路２２を設けている。その他の構成は実施の形態３と同様である。

低電圧リミッタ回路２２は抵抗Ｒ６，Ｒ９，ダイオードＤ５、およびツェナーダイオードＤＺ４を有する。抵抗Ｒ６はＬＥＤのアノードと抵抗Ｒ３の一端の間に直列に接続されている。ダイオードＤ５のカソードが抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点に接続され、ダイオードＤ５のアノードがツェナーダイオードＤＺ４のカソードに接続されている。ツェナーダイオードＤＺ４のアノードはグランド端子に接続している。

ここで実施の形態５の回路設計方法の一例を説明すると、降伏電圧が５．１ＶであるツェナーダイオードＤＺ１を選定して、抵抗Ｒ９とツェナーダイオードＤＺ１のカソードの接続点が５．１Ｖで維持されるように構成しておく。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点の電圧が例えば通常７Ｖ程度となるように抵抗Ｒ３，Ｒ６を選定しておく。ダイオードＤ５のアノードに５．１Ｖが印加され、ダイオードＤ５のカソードに７Ｖ程度の電圧が印加されているときには、ダイオードＤ５に逆バイアスがかかっている。その後、ＬＥＤの負荷電圧が低下し、例えば抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点の電圧が７Ｖから４．５Ｖを下回るまで下がったとする。この場合、ダイオードＤ５のアノードの電圧５．１Ｖから０．６Ｖの電圧降下分を差し引いた４．５Ｖが抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ６の接続点に供給され続けるので、抵抗Ｒ３の一端に印加される電圧に下限を設けることができる。これにより、低電圧リミッタ回路９は抵抗Ｒ３の一端の電圧が基準電圧を下回らないように制限する。これにより実施の形態１〜４と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態３などと比較して、トランジスタあるいはシャントレギュレータなどの回路部品を含まないので、回路構成が簡素化されているという利点もある。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６にかかるＬＥＤ点灯装置を示す図であり、マイコン３４を用いたＬＥＤ点灯装置を示す図である。この実施の形態６は、実施の形態１〜５に係る回路を集積化したＬＥＤ点灯装置を提供するものである。マイコン３４は、実施の形態１〜５における、抵抗Ｒ１〜Ｒ３による電圧検知機能、エラーアンプ２の機能、制御回路４の機能、低電圧リミッタ回路６、９、２２の機能、高電圧リミッタ回路５の機能を内部に取り込んだものであり、これらの機能をそれぞれ実行するプログラムを内部のメモリに予め記憶している。なお、実施の形態６の電源回路１０１は、実施の形態１〜５における昇圧チョッパ回路部分（電源回路１のうちインダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、およびコンデンサＣ２で構成される部分）であり、マイコン３４の外側に設けられている。電源回路１に含まれていた制御回路４はマイコン３４側に搭載されている。抵抗Ｒ１、Ｒ３は、マイコン３４の外側に設けられている。

マイコン３４は、メモリおよびメモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵを備える形態、あるいはシステムＬＳＩ等の処理回路の形態で実現される。また、メモリ、ＣＰＵ、および処理回路の少なくとも１種が複数個組み合わされてマイコン３４を構成していても良く、複数の処理回路などが連携して上記機能を実行してもよい。マイコン３４は、公知のデジタル制御電源用マイコンが備えるのと同様の構成を含んでおり、入出力インターフェース、Ａ／Ｄ変換器、デジタル演算を行うためのプロセッサ、各種の揮発性・不揮発性メモリ、オシレータ、スイッチング素子のオンオフ制御に用いるＰＷＭ信号を生成するためのパルス幅モジュレータ、および各種周辺回路を含む。

図１４は、実施の形態６に係るＬＥＤ点灯装置が有するマイコン３４の機能ブロック図である。一例として、マイコン３４は、Ａ／Ｄ変換部、高電圧リミッタ機能部、低電圧リミッタ機能部、フィードバック機能部（以下、ＦＢ機能部）、ＰＷＭ信号生成機能部を備えている。ＦＢ機能部は、演算機能部および比較機能部を備えている。これらの機能部ごとの処理がモジュール化されたプログラムを内蔵不揮発性メモリに記憶しておき、プロセッサで実行することにより、マイコン３４の機能を実現してもよい。以下、説明の便宜上、各機能ごとに機能部を分けつつマイコン３４の処理内容について一例を説明する。

（処理Ｓ１）まずマイコン３４は、抵抗Ｒ１の一端からの電圧をインターフェースを介して取得することでＬＥＤの負荷電流に応じた電圧Ｖｉｎ１を取得する。また、マイコン３４は、抵抗Ｒ３およびＲ１０２の分圧回路で分圧された電圧をインターフェースを介して取得することで、ＬＥＤの負荷電圧に応じた電圧Ｖｉｎ２を取得する。

（処理Ｓ２）次に、電圧Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２は、マイコン３４内部においてＡ／Ｄ変換部によってデジタル値Ｖｉｎ１´、Ｖｉｎ２´に変換される。

（処理Ｓ３）次に、ＬＥＤ負荷電流に応じた電圧Ｖｉｎ１をＡ／Ｄ変換したデジタル値Ｖｉｎ１´がマイコン３４の低電圧リミッタ機能部に入力される。低電圧リミッタ機能部の動作は、実施の形態３〜５で述べた低電圧リミッタ回路６、９、２２の入出力動作と同様である。つまり、低電圧リミッタ機能部は、Ｖｉｎ１´と下限値とを比較し、Ｖｉｎ１´が下限値以上であるときにはＶｉｎ１´そのものを出力し、Ｖｉｎ１´が下限値を下回るときには下限値そのものを出力する。

（処理Ｓ４）また、ＬＥＤ負荷電圧に応じた電圧Ｖｉｎ２をＡ／Ｄ変換したデジタル値Ｖｉｎ２´が高電圧リミッタ機能部に入力される。高電圧リミッタ機能部は、実施の形態１〜５で述べた高電圧リミッタ回路５、９、２２の入出力動作と同様である。高電圧リミッタ機能部は、デジタル値Ｖｉｎ２´と予め定めた降伏電圧値ＶＤＺ´と比較する。降伏電圧値ＶＤＺ´は、上記実施の形態１および２にかかるツェナーダイオードＤＺ２および実施の形態３〜５で用いた高電圧リミッタ回路５における降伏電圧と同様の観点から設定された値である。

高圧リミッタ機能部は、上記実施の形態１および２にかかるツェナーダイオードＤＺ２および実施の形態３〜５で用いた高電圧リミッタ回路５と同様の機能を果たす。この点について実施の形態１〜５の回路動作を先ず説明すると、例えば図７に示す高電圧リミッタ回路５が有するツェナーダイオードＤＺ３の降伏電圧と同じ役割を降伏電圧値ＶＤＺ´が果たしている。ＬＥＤ電圧が上がりツェナーダイオードＤＺ３が導通すると、ＬＥＤ電圧の検出に用いられる抵抗Ｒ６，Ｒ３に対して、高電圧リミッタ回路５を構成する抵抗Ｒ５およびツェナーダイオードＤＺ３が並列に接続される。並列接続の結果、この経路のインピーダンスがツェナーダイオードＤＺ３の非導通時よりも下がる。インピーダンスが下がることで、同じＬＥＤ電圧でも、抵抗Ｒ６，Ｒ３、Ｒ５およびツェナーダイオードＤＺ３で構成される並列回路の電流が増加するので、エラーアンプ２の負極入力電圧が上がる。その結果、その負極入力電圧の増加分を減らすように帰還がかかり、電源回路１は出力を低下させる。このように、実施の形態１〜５では、回路全体の動作として高電圧リミッタがかかるようになっている。

実施の形態６にかかる高電圧リミッタ機能部もこれと同様の機能を発揮するために、Ｖｉｎ２´とＶＤＺ´とを比較し、その比較結果に応じて下記のいずれかの動作をする。まず、Ｖｉｎ２´がＶＤＺ´よりも低いときには（Ｖｉｎ２´＜ＶＤＺ´）、入力されたＶｉｎ２´がそのままＶｈｉとして出力される。ＬＥＤが正常であればＬＥＤ電圧はＶＤＺ´よりも低くなるようにＶＤＺ´が設定される。従って、ＬＥＤが正常の特性を示している間は、高電圧リミッタ機能部はＶｉｎ２´をそのまま出力する。一方、Ｖｉｎ２´がＶＤＺ´以上となったときには（Ｖｉｎ´≧ＶＤＺ´）、入力されたＶｉｎ２´よりも大きな値を出力値Ｖｈｉとして出力する。この時に高電圧リミッタ機能部が出力する値は予め記憶された所定値であってもよく、今回のＶｉｎ２´に係数をかけて演算されてもよい。いずれにしろ、出力値ＶｈｉがＶｉｎ２´よりも大きく算出されることで、「例えば図７のツェナーダイオードＤＺ３が導通したことでインピーダンスが下がり、同じＬＥＤ電圧でも、抵抗Ｒ６，Ｒ３、Ｒ５およびツェナーダイオードＤＺ３で構成される並列回路の電流が増加し、エラーアンプ２の負極入力電圧が上がる」という回路動作に近似した制御を行うことができる。出力値Ｖｈｉが大きめに算出されることで、後述するフィードバック機能部で電源回路１０１の出力を下げようとする処理が行われるからである。

（処理Ｓ５）次に、低電圧リミッタ機能部の出力値Ｖｌｏと、高電圧リミッタ機能部の出力値Ｖｈｉとが、フィードバック機能部における演算機能部に入力される。演算機能部は、ＶｌｏとＶｈｉとの加算値としての算出値Ｖｉｎｃ´を出力する。なお、加算ではなく積算（乗算）した値を算出値Ｖｉｎｃ´としてもよい。

（処理Ｓ６）次に、この算出値Ｖｉｎｃ´と、予め定められた参照電圧デジタル値Ｖｒｅｆ´とが比較機能部で比較され、その差分ΔＶｉｎ´が算出される。この差分ΔＶｉｎ´がフィードバック機能部の出力となり、ＰＷＭ信号生成機能部に入力される。

（処理Ｓ７）差分ΔＶｉｎ´がプラスであれば、ＰＷＭ信号生成機能部は、ＬＥＤに供給する電力を下げるためにスイッチング素子Ｑ１に与えるべきオン／オフ信号の周波数又はデューティ比を減らす。逆にその差分ΔＶｉｎ´がマイナスであれば、ＰＷＭ信号生成機能部は、ＬＥＤに供給する電力を上げるためにスイッチング素子Ｑ１に与えるべきオン／オフ信号の周波数又はデューティ比を上げる。差分ΔＶｉｎ´に基づいてフィードバック的に調整されたＰＷＭ信号Ｖｏｕｔが、インターフェースを介してスイッチング素子Ｑ１の制御端子に供給される。

以上の処理により過電流および過電圧に対する保護を行いつつ定電流制御が可能なマイコン３４が提供される。

変形例．
実施の形態１では抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３を接続することで負荷電圧と負荷電流を加算した電圧Ｖｉｎを生成し、この電圧Ｖｉｎをエラーアンプ２で電源回路１にフィードバックしている。これにより、簡単な回路構成によりＬＥＤを定電力制御できる。しかしながら、本発明はこれに限られず、図１１のように負荷電圧と負荷電流の乗算器３０（具体的には専用ＩＣかマイコン）を用いても良い。図１１は、本発明の実施の形態において乗算器を用いる場合の一例として実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置を変形した図である。抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の他端と接続する乗算器３０を設けている点を除き、図１と同様の回路である。乗算器３０の出力は、エラーアンプ２に入力される。なお、実施の形態２〜５においても同様に乗算器３０を設けてもよい。

なお、上述した実施の形態１、２にかかるＬＥＤ点灯装置が、前記第１の発明にかかるＬＥＤ点灯装置の具体的な実施形態に相当しており、上述した実施の形態３〜５にかかるＬＥＤ点灯装置が、前記第２の発明にかかるＬＥＤ点灯装置の具体的な実施形態に相当している。上述した実施の形態６にかかる点灯装置が、前記第３の発明にかかるＬＥＤ点灯装置の具体的な実施形態に相当している。

実施の形態１、２にかかるＬＥＤ点灯装置によれば、過電流時に電流リミッタ回路１０が電圧を調整することにより定電力制御に用いる電圧Ｖｉｎを補正することができ過電流保護を確実に行うとともに、ツェナーダイオードＤＺ２（電圧リミッタ回路）で過電圧から回路を確実に保護することができる。定電力制御では、出力電力を一定に保つように電源回路１がその出力を変化させる。過電流発生時に第１リミッタ回路が電圧を調整することで、電源回路１の出力を制限することができる。これにより、定電力制御において、過電流の発生時に負荷電流の上限を設けるように電源回路１の出力を制限する動作を実現できる。

実施の形態３〜５にかかるＬＥＤ点灯装置によれば、過電流時に低電圧リミッタ回路６、９、２２が電圧を制限することにより定電力制御に用いる電圧値Ｖｉｎの減少を抑制することができ過電流を確実に保護するとともに、高電圧リミッタ回路５で過電圧から回路を確実に保護することができる。過電流の発生が推測されるアノード電圧低下時に、低電圧リミッタ回路６、９、２２が第３抵抗Ｒ３一端の電圧低下に制限を設ける。第３抵抗Ｒ３の一端の電圧に下限が設けられることで、過電流発生時の電圧Ｖｉｎが小さくなりすぎることが防止される。よって、過電流発生時にもかかわらず電源回路１の出力を増加させるようなフィードバック制御が行われることを抑制することができる。これにより、定電力制御において、過電流の発生時に負荷電流の上限を設けるように電源回路１の出力を制限する動作を実現できる。

１ 電源回路、２ エラーアンプ、３ バッテリ、４ 制御回路、５ 高電圧リミッタ回路、６、９、２２ 低電圧リミッタ回路、７ コンパレータ、８ 切替回路、１０ 電流リミッタ回路、２１ シャントレギュレータ、１１ コンパレータ、３０ 乗算器、３４ マイコン、Ｃ１ コンデンサ、Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ１ ダイオード、Ｄ５ ダイオード、ＤＺ１，ＤＺ２、ＤＺ３、ＤＺ４ ツェナーダイオード、Ｌ１ インダクタ、Ｑ１ スイッチング素子、Ｑ２ トランジスタ、Ｒ２１ バイアス抵抗

Claims (11)

1. ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、
   前記ＬＥＤのカソードとグランド端子の間に直列接続された第１抵抗と、
   一端および他端を有し、前記一端が前記ＬＥＤのカソードと前記第１抵抗の接続点に接続された第２抵抗と、
   一端および他端を有し、前記一端に前記ＬＥＤのアノード電圧に応じた電圧が印加される第３抵抗と、
   前記第２抵抗の前記他端と前記第３抵抗の前記他端とを接続した接続点の電圧、又は前記第２抵抗の前記他端の電圧と前記第３抵抗の前記他端の電圧とを乗算した電圧と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするエラーアンプと、
   前記第２抵抗と並列に接続し、前記第２抵抗の前記一端に印加される電圧が予め定めた電圧を上回ると、前記電源回路の出力に上限を設けるように前記第２抵抗の前記他端の電圧を調整する第１リミッタ回路と、
   前記ＬＥＤの負荷電圧に上限を設ける第２リミッタ回路と、
   を備え、
   前記電源回路は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように出力を制御するＬＥＤ点灯装置。
2. 前記第１リミッタ回路は、前記第２抵抗の前記一端に印加される電圧が予め定めた電圧を上回ったときに、前記第２抵抗の前記他端に電圧を加算する請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記第１リミッタ回路は、前記第２抵抗に並列接続された第１ツェナーダイオードを含む請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 前記第２リミッタ回路は、アノードが前記第３抵抗の前記他端と接続し、前記カソードに前記ＬＥＤのアノードに応じた電圧を受けるツェナーダイオードを含む請求項２または３に記載のＬＥＤ点灯装置。
5. ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、
   前記ＬＥＤのカソードとグランド端子の間に直列接続された第１抵抗と、
   一端および他端を有し、前記一端が前記ＬＥＤのカソードと前記第１抵抗の接続点に接続された第２抵抗と、
   一端および他端を有し、前記一端に前記ＬＥＤのアノード電圧に応じた電圧が印加される第３抵抗と、
   前記第２抵抗の前記他端と前記第３抵抗の前記他端とを接続した接続点の電圧、又は前記第２抵抗の前記他端の電圧と前記第３抵抗の前記他端の電圧とを乗算した電圧と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするエラーアンプと、
   前記第３抵抗の前記一端の電圧が基準電圧を下回らないように、前記第３抵抗の前記一端の電圧に下限を設ける第３リミッタ回路と、
   前記ＬＥＤの負荷電圧に上限を設ける第４リミッタ回路と、
   を備え、
   前記電源回路は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように出力を制御するＬＥＤ点灯装置。
6. 前記第３リミッタ回路は、
   前記ＬＥＤのアノード電圧と基準電圧を比較するコンパレータと、
   前記アノード電圧が前記基準電圧以上の場合には前記第３抵抗の前記一端に前記アノード電圧を印加し、前記アノード電圧が前記基準電圧を下回る場合には前記第３抵抗の前記一端に前記基準電圧を印加するように接続を切り替える切替回路と、
   を含む請求項５に記載のＬＥＤ点灯装置。
7. 前記第３リミッタ回路は、
   一端が前記ＬＥＤのアノードと接続し、他端が前記第３抵抗の前記一端に接続したリミッタ抵抗と、
   エミッタが前記第３抵抗と前記リミッタ抵抗の接続点に接続され、コレクタが前記ＬＥＤのアノードに接続されたトランジスタと、
   リファレンス端子が前記接続点に電気的に接続し、前記トランジスタのベースに出力電圧を印加するシャントレギュレータと、
   を含む請求項５に記載のＬＥＤ点灯装置。
8. 前記第３リミッタ回路は、
   一端が前記ＬＥＤのアノードと接続され、他端が前記第３抵抗の一端と接続された第１リミッタ抵抗と、
   前記第３抵抗と前記第１リミッタ抵抗とが接続された第１接続点にカソードが接続されたダイオードと、
   一端が前記ＬＥＤのアノードと接続され、他端が前記ダイオードのアノードに接続された第２リミッタ抵抗と、
   前記ダイオードのアノードと前記第２リミッタ抵抗の前記他端とが接続された第２接続点にカソードが接続され、前記グランド端子にアノードが接続されたツェナーダイオードと、
   を含む請求項５に記載のＬＥＤ点灯装置。
9. 前記第４リミッタ回路は、アノードが前記第３抵抗の前記他端と接続し、前記カソードに前記ＬＥＤのアノードに応じた電圧を受けるツェナーダイオードを含む請求項６〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ点灯装置。
10. ＬＥＤのアノードに負荷電流を供給して前記ＬＥＤを点灯させる電源回路と、
    前記負荷電流を検知する第１検知部と、
    前記ＬＥＤに印加される負荷電圧を検知する第２検知部と、
    前記第１検知部で検知した値と前記第２検知部で検知した値とを加算または乗算した値と、予め定めた所定値と、の差を前記電源回路にフィードバックするフィードバック部と、
    前記負荷電流に対する上限を設けるように前記フィードバック部に入力される前記第１検知部の値を制限する第１リミッタと、
    前記負荷電圧に上限を設けるように前記フィードバック部に入力される前記第２検知部の値を調節する第２リミッタと、
    を備え、
    前記フィードバック部は、前記ＬＥＤの点灯中に前記差を減少させるように前記電源回路の出力を制御するＬＥＤ点灯装置。
11. 前記フィードバック部、前記第１リミッタ、および前記第２リミッタがマイコンに内蔵された請求項１０に記載のＬＥＤ点灯装置。

Images