JP2020014281A - Power supply device and led lighting apparatus provided with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電源装置及びこれを備えたLED照明器具に関し、特にスイッチング電源を用いた技術に関する。 The present invention relates to a power supply device and an LED lighting device including the same, and more particularly to a technique using a switching power supply.
直流電源装置として、従来より降圧チョッパ回路を用いた電源装置が知られている。これは、受電した交流電力の実効電圧よりも低い電圧を供給する目的に向いており、例えば、LED(Light Emitting Diode)照明器具の電源装置として用いられる。降圧チョッパ回路においては、特許文献1に開示されているように、転流素子をダイオードでなく電界効果トランジスタ(FET)等のスイッチング素子を用いた同期整流方式とすることが知られている。
As a DC power supply, a power supply using a step-down chopper circuit has been conventionally known. This is suitable for supplying a voltage lower than the effective voltage of the received AC power, and is used, for example, as a power supply device of an LED (Light Emitting Diode) lighting device. In a step-down chopper circuit, as disclosed in
上述のような従来技術の電源装置には次のような問題があった。このような直流電源装置は、降圧チョッパ回路の前段として、ダイオードブリッジを用いた整流回路を備えている。整流回路から降圧チョッパ回路に供給される電圧は時間に対して一定ではなく、商用電源の周波数に従って脈動したものとなる。すると、降圧チョッパ回路の入力電圧が出力電圧を下回る期間では入力側から出力側に電流を流せないにも関わらずスイッチング素子のオン/オフにより、降圧チョッパ回路の出力側と入力側とで電流のやり取りが生じ、無駄なエネルギー損失が生じていた。 The conventional power supply device as described above has the following problems. Such a DC power supply device includes a rectifier circuit using a diode bridge as a preceding stage of the step-down chopper circuit. The voltage supplied from the rectifier circuit to the step-down chopper circuit is not constant with time, but pulsates according to the frequency of the commercial power supply. Then, although the current cannot flow from the input side to the output side during the period when the input voltage of the step-down chopper circuit is lower than the output voltage, the switching element is turned on / off and the current between the output side and the input side of the step-down chopper circuit is reduced. Interaction occurred, causing unnecessary energy loss.
本発明の一態様は、降圧チョッパ回路を用いた電源装置においてエネルギー損失を抑制することを目的とする。 An object of one embodiment of the present invention is to suppress energy loss in a power supply device using a step-down chopper circuit.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電源装置は、交流を整流する整流回路と、前記整流回路からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、前記入力電圧が前記降圧チョッパ回路の出力電圧より小さい期間に、前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作を停止させる制御部とを備えている。 In order to solve the above problems, a power supply device according to one embodiment of the present invention includes a rectifier circuit for rectifying an alternating current, a step-down chopper circuit for stepping down an input voltage from the rectifier circuit, and A control unit for stopping the switching operation of the step-down chopper circuit during a period shorter than the output voltage of the circuit.
上記の課題を解決するために、本発明の他の態様に係る電源装置は、交流を整流する整流回路と、前記整流回路からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作を制御する制御部とを備え、前記降圧チョッパ回路は、入力端子対の高電位側端子と低電位側端子との間に直列接続された、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続部と、前記低電位側端子との間に直列接続された、チョークコイル及び出力コンデンサとを有し、前記制御部は、前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作において、前記チョークコイルを流れる電流が反転した逆電流の大きさが所定値以上となったときに、前記第2スイッチング素子をオフにする構成を備えている。 In order to solve the above problems, a power supply device according to another aspect of the present invention includes a rectifier circuit for rectifying an alternating current, a step-down chopper circuit for stepping down an input voltage from the rectifier circuit, and switching of the step-down chopper circuit. A control unit for controlling an operation, wherein the step-down chopper circuit is connected in series between a high-potential terminal and a low-potential terminal of the input terminal pair, and a first switching element and a second switching element; A choke coil and an output capacitor connected in series between a connection between the first switching element and the second switching element and the low-potential side terminal, wherein the control unit controls the switching of the step-down chopper circuit; In operation, the second switching element is turned off when the magnitude of the reverse current obtained by reversing the current flowing through the choke coil becomes equal to or greater than a predetermined value. It has a formation.
本発明の一態様によれば、降圧チョッパ回路を用いた電源装置において無駄なエネルギー損失を抑制することができる。 According to one embodiment of the present invention, useless energy loss can be suppressed in a power supply device using a step-down chopper circuit.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成の材質、形状、相対配置、加工法などはあくまで一例に過ぎず、これらによってこの発明の範囲が限定解釈されるべきではない。さらに、図面は模式的なものであり、寸法の比率、形状は現実のものとは異なる。また、各図、各実施形態において、同一若しくは相応する構成要素には同一の符号を付していることがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the materials, shapes, relative arrangements, processing methods, and the like of the configurations described in this embodiment are merely examples, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited to these. Further, the drawings are schematic, and dimensional ratios and shapes are different from actual ones. In each drawing and each embodiment, the same or corresponding components may be denoted by the same reference numerals.
〔実施形態1〕
本発明の実施形態1について図1〜図2に基づいて説明する。
[Embodiment 1]
(LED照明器具の構成)
図1は、本実施形態のLED照明器具10及び電源装置100の回路構成を示す概略図である。図示するように、LED照明器具10は、電源装置100と、光源160とを含んでいる。電源装置100の入力端子は、交流電源90に接続されている。交流電源90は、通常、一般の商用交流電源である。光源160は、LED素子が複数直列接続されて構成され、電源装置100の出力端子に接続されている。
(Configuration of LED lighting equipment)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of an
(電源装置の構成)
図1に示すように、電源装置100は、入力側から、整流回路110、降圧チョッパ回路120と定電流回路130が縦続接続されている。整流回路110の出力端子対は、降圧チョッパ回路120の入力端子対に接続され、降圧チョッパ回路120の出力端子対は、定電流回路130の入力端子対に接続されている。
(Configuration of power supply unit)
As shown in FIG. 1, in the
整流回路110は、ダイオードブリッジを用いた、交流を整流する回路である。
The
降圧チョッパ回路120において、入力端子対の高電位側の端子A1と、低電位側の端子A0との間には、主スイッチング素子である第1スイッチング素子Q1と、転流素子である第2スイッチング素子Q2とが、直列接続されている。各スイッチング素子は、電界効果トランジスタ(FET)で構成される。第1スイッチング素子Q1のドレイン端子は、端子A1側に設けられており、第1スイッチング素子Q1のソース端子は、第2スイッチング素子Q2との接続部Hの側に設けられている。第2スイッチング素子Q2のドレイン端子は、接続部Hの側に設けられており、第2スイッチング素子Q2のソース端子は、端子A0側に設けられている。また、入力端子A1、A0間には並列して入力コンデンサCiが接続されている。
In the step-
さらに、接続部Hと入力端子A0との間には、チョークコイルLと出力コンデンサCoとが直列接続されている。出力コンデンサCoの両端子B1、B0は、降圧チョッパ回路120の出力端子対を構成しており、そのうち出力端子B0は、入力端子A0と電気的に共通である。
Further, a choke coil L and an output capacitor Co are connected in series between the connection portion H and the input terminal A0. Both terminals B1, B0 of the output capacitor Co constitute an output terminal pair of the step-
接続部Hと入力端子A0(出力端子B0)との間の容量はスイッチングノード容量Chと称される。スイッチングノード容量Chは、第1スイッチング素子Q1の寄生容量と第2スイッチング素子Q2の寄生容量の合計であり得る。あるいは、スイッチングノード容量Chは、現実にコンデンサを配置し、さらにその容量を加えたものとすることもあり得る。 The capacitance between the connection portion H and the input terminal A0 (output terminal B0) is called a switching node capacitance Ch. The switching node capacitance Ch may be the sum of the parasitic capacitance of the first switching element Q1 and the parasitic capacitance of the second switching element Q2. Alternatively, the switching node capacitance Ch may be obtained by actually arranging a capacitor and adding the capacitance.
図示するように、第2スイッチング素子Q2と、入力端子A0(出力端子B0)との間には、逆電流検知部143を設けることができるが、本実施形態においては無くても良い。逆電流検知部143を用いて動作を制御する例については後述する。
As shown in the figure, a
次に定電流回路130について説明する。降圧チョッパ回路120の出力端子B1に接続されている入力端子は、高電位側の出力端子に直結している。もう一方の入力端子は、既知の回路構成を用いたリニア方式の定電流源131を経て、低電位側の出力端子に接続されている。定電流源131は、LED素子からなる光源160を一定の明るさを保って動作させるのに適しており、また、降圧チョッパ回路120と接続して用いる場合において、回路規模が大きくなったり、制御が複雑になったりせず安価である。よって、LED照明器具の電源に応用するのに適している。ただし定電流回路130はリニア方式に限るものではなくスイッチング方式でも良い。例えば光源160のLED素子の直列数が多い場合に昇圧チョッパ方式の定電流回路を使用することで降圧チョッパ回路120の出力電圧が低くても定電流制御が可能となる。
Next, the constant
さらに、降圧チョッパ回路120の入力端子対間、出力端子対間には、入力電圧Vi及び出力電圧Voを検出する目的の、入力電圧検知部141及び出力電圧検知部142がそれぞれ設けられている。必ずしも各端子対間の電圧を直接検出する必要はないため、抵抗を用いた分圧回路で構成されている。
Further, an input
また、電源装置100には、制御部150が設けられており、降圧チョッパ回路120のスイッチング動作を統括している。制御部150は、各スイッチング素子Q1、Q2のオンオフ動作を制御する。本実施形態においては、制御部150は、入力電圧検知部141からの入力電圧信号、出力電圧検知部142からの出力電圧信号を受け取り、その制御に反映させる。また、制御部150は、逆電流検知部143からの信号を受け取り、各スイッチング素子Q1、Q2のオンオフ動作の制御に適宜に反映させることも可能である。制御部150は、さらに定電流回路130と信号をやり取りし、電源装置100全体の動作を管理することも適宜にできる。
Further, the
(電源装置の動作)
本実施形態の電源装置の動作を説明するために、まず、降圧チョッパ回路120における基本的なスイッチング動作を簡単に説明する。
(Operation of power supply unit)
In order to explain the operation of the power supply device of the present embodiment, first, a basic switching operation in the step-down
降圧チョッパ回路120における主スイッチング素子である第1スイッチング素子Q1は、入力電圧Viよりも小さい、所定の出力電圧Voを目標としたデューティで、オンオフ制御される。第1スイッチング素子Q1がオンの間(オン期間T1)、第2スイッチング素子Q2はオフであり、入力電圧ViによりチョークコイルLに磁気エネルギーが蓄積されて、チョークコイル電流Icが増加し、また出力コンデンサCoに電荷が蓄積される。
The first switching element Q1, which is the main switching element in the step-down
次に、第1スイッチング素子Q1がオフとなった後に第2スイッチング素子Q2がオンとなる。第2スイッチング素子Q2がオンの間(オン期間T2)、チョークコイル電流Icは、第2スイッチング素子Q2を通じて流れるようになる。接続点Hの入力端子A0(出力端子B0)に対する電圧は0となるので、チョークコイルLの磁気エネルギーが放出されて、チョークコイル電流Icが減少する。この状態をさらに続けた場合にはチョークコイル電流Icは逆転する。 Next, after the first switching element Q1 is turned off, the second switching element Q2 is turned on. While the second switching element Q2 is ON (ON period T2), the choke coil current Ic flows through the second switching element Q2. Since the voltage with respect to the input terminal A0 (output terminal B0) of the connection point H becomes 0, the magnetic energy of the choke coil L is released, and the choke coil current Ic decreases. When this state is continued, the choke coil current Ic reverses.
次いで、第2スイッチング素子Q2をオフとし、第1スイッチング素子Q1をオンとして、最初の動作に戻る。両方のスイッチング素子が同時にオン状態となると入力側が短絡するため、第2スイッチング素子Q2をオフとして以降の第1スイッチング素子Q1をオンとするまでの期間として、第1デッドタイムD1が設けられる。また、第1スイッチング素子Q1をオフとして以降の第2スイッチング素子Q2をオンとするまでの期間として、第2デッドタイムD2が設けられる。 Next, the second switching element Q2 is turned off and the first switching element Q1 is turned on, and the operation returns to the initial operation. When both switching elements are simultaneously turned on, the input side is short-circuited. Therefore, a first dead time D1 is provided as a period from turning off the second switching element Q2 to turning on the first switching element Q1. In addition, a second dead time D2 is provided as a period from when the first switching element Q1 is turned off to when the second switching element Q2 is turned on.
LED照明器具の電源装置である本実施形態において、上記スイッチング動作の一周期の逆数であるスイッチング周波数は、20〜100kHz程度であり、典型的には50kHz程度である。 In the present embodiment which is a power supply device of the LED lighting apparatus, a switching frequency which is a reciprocal of one cycle of the switching operation is about 20 to 100 kHz, and is typically about 50 kHz.
次に、本実施形態の電源装置100の動作について、図2のスイッチング動作を示すタイムチャートを用いて説明する。
Next, an operation of the
図2の(a)は、交流電源90から供給される電源電圧Vsを示しており、サイン波形の交流である。その周波数は、典型的には50〜60Hzである。
FIG. 2A shows the power supply voltage Vs supplied from the
図2の(b)は、降圧チョッパ回路120への入力電圧Viを示しており、電源電圧Vsが整流回路110により全波整流された波形がベースとなっている。入力電圧Viは、電源周波数の2倍の周波数の周期波形となる。図2の(b)はまた、降圧チョッパ回路120の出力電圧Voも示している。これは直流電圧であり時間に対して一定である。また、その値は、交流電源90から供給される電圧Vsの実効値よりも小さい値に設定される。電源電圧Vsが全波整流された波形がVoより小さい期間は、出力コンデンサCoから電流が流入し、入力電圧Viは。出力電圧Voよりも少し低い電圧となる。なお、整流回路110において、全波整流波形の平滑化は行われない。平滑コンデンサを設けると、電源装置100の力率が低下し、高調波電流が増加し、さらに効率が悪くなるためである。
FIG. 2B shows an input voltage Vi to the step-down
このように、電源電圧Vsの一周期内で、入力電圧Viが出力電圧Voよりも小さい期間がある。本実施形態の電源装置100においては、その期間中、スイッチング動作が停止されるように動作する。図2の(c)では、スイッチング動作の実施期間Wと停止期間Hを示している。
Thus, in one cycle of the power supply voltage Vs, there is a period in which the input voltage Vi is smaller than the output voltage Vo. The
電源装置100の動作は、次のように実現される。制御部150は、入力電圧検知部141からの入力電圧信号、出力電圧検知部142からの出力電圧信号を受け取り、入力電圧Viと出力電圧Voの大小関係を判断する。一例としては、制御部150が、A/D変換器を有しており、A/D変換された入力電圧Vi、出力電圧Voを評価することができるような構成とすることができる。入力電圧Viが出力電圧Voよりも小さいとき、制御部150は両方のスイッチング素子Q1、Q2をともにオフとし、スイッチング動作を停止させる(停止期間H)。それ以外のときには、各スイッチング素子を制御して上述のスイッチング動作を行わせる(実施期間W)。
The operation of the
さらに望ましくは、制御部150は、スイッチング動作の実施期間Wにおいて、出力電圧Voが所望の一定値になるように、入力電圧Viの変動に応じて第1スイッチング素子Q1をオンにする期間の比率(オンデューティ)を制御する。
More desirably, the
(効果)
従来技術の電源装置においては、脈動に伴い降圧チョッパ回路の入力電圧Viが出力電圧Voより小さくなる期間が存在し得ることについて、なんら対策がされず、この期間中もスイッチング動作が継続されていた。しかし、本期間中に第2スイッチング素子Q2がオンになった際のチョークコイル電流Icは直ぐに逆転し、逆電流が大きなものとなる。その後Q2がオフになると、チョークコイルLにより維持される大きな逆電流は、第1スイッチング素子Q1を通じて入力側に逆流し、入力電圧Viを出力電圧Voよりも高くさせる。すると降圧チョッパ回路120は降圧チョッパ動作が可能となり、また入力側から出力側へと電流が流れる。このようなやりとりは、出力コンデンサCoの電荷が降圧チョッパ回路120の入力側と出力側を往復しているだけであり、エネルギー損失の原因となっていた。
(effect)
In the power supply device according to the related art, no measure is taken for a period in which the input voltage Vi of the step-down chopper circuit becomes smaller than the output voltage Vo due to pulsation, and no switching operation is continued during this period. . However, the choke coil current Ic when the second switching element Q2 is turned on during this period immediately reverses, and the reverse current becomes large. Thereafter, when Q2 is turned off, the large reverse current maintained by the choke coil L flows back to the input side through the first switching element Q1, and makes the input voltage Vi higher than the output voltage Vo. Then, the step-down
一方、本実施形態の電源装置100においては、入力電圧Viが出力電圧Voよりも小さい期間には、各スイッチング素子はオンせず、このようなエネルギー損失の発生はない。従って、効率の良い電源装置及びLED照明器具を実現できる。
On the other hand, in the
(好ましい構成)
電源装置100の好ましい構成として、制御部150が、定電流回路130から、定電流源131が負担している電圧Vcに関する信号を取得し、降圧チョッパ回路120の出力電圧Voの目標値を調整することが挙げられる。なぜなら、直列接続されているLED素子の個数等に応じて光源160の駆動電圧は変化するからである。降圧チョッパ回路120の出力電圧Voが固定であるとすると、光源160の駆動電圧が変更された場合に、定電流源131が負担する電圧Vcが変化することになる。電圧Vcが過大であると、定電流源131でエネルギーが無駄に消費されることになり、逆に電圧Vcが小さくなりすぎると、定電流動作が保持できなくなる。よって、制御部150は、定電流源131が負担している電圧Vcが、定電流動作できる必要最小限になるように出力電圧Voを調整してフィードバック制御することが好ましい。
(Preferred configuration)
As a preferable configuration of the
また、制御部150の指示により、定電流源131が保つ定電流値を変更できることも、好ましい構成として挙げられる。これにより光源160の明るさが調整でき、LED照明器具10として好ましい構成とすることができる。
Further, a preferable configuration is that the constant current value maintained by the constant
以上のような好ましい構成は、他の実施形態においても同様に適用できる。 The above preferred configuration can be similarly applied to other embodiments.
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について図3〜図5に基づいて説明する。
[Embodiment 2]
図3に、本実施形態2のLED照明器具20及び電源装置200の回路構成を示す。本実施形態においては、逆電流検知部143を必ず備えている他は、回路構成は実施形態1と同じである。そうして、逆電流検知部143で逆電流Irをモニタし、それによって更に動作を制御することが実施形態1と異なっている。また、図3において、各スイッチング素子Q1、Q2の寄生ダイオードをそれぞれ説明のために示しているが、これについては回路構成上、図1と異なるものではない。
FIG. 3 shows a circuit configuration of the
(電源装置の動作)
図4は、本実施形態の電源装置200の内部動作を示すフローチャートである。この図は、制御部150が各スイッチング素子Q1、Q2を制御して行う、スイッチング動作の一周期分を示している。各スイッチング素子Q1、Q2の初期状態はいずれもオフ状態とする。
(Operation of power supply unit)
FIG. 4 is a flowchart showing the internal operation of the
制御部150は、入力電圧検知部141及び出力電圧検知部142からの信号を受け取り、その時点での降圧チョッパ回路120の入力電圧Viと出力電圧Voの大小を比較する(S1)。入力電圧Viが出力電圧Voより小さい場合(S1でYES)、各スイッチング素子Q1、Q2の操作は行われず、オフ状態のまま一連のフローが終了となる。入力電圧Viが出力電圧Voより小さくない場合(S1でNO)、第1スイッチング素子Q1をオンとする(S2)。制御部150は、入力電圧Viに従ってチョークコイル電流Icの平均値が大きくなるように、入力電圧検知部141が検知した入力電圧Viの大きさに応じて、オン期間T1を決定する。力率改善のためである。オン期間T1経過後、第1スイッチング素子Q1をオフにする(S3)。
The
第1スイッチング素子Q1がオフしてから第2デッドタイムD2経過後、第2スイッチング素子Q2をオンにする(S4)。次いで、制御部150は、第2スイッチング素子Q2に接続して設けられた逆電流検知部143から、第2スイッチング素子Q2を通じて流れる逆電流Irについての信号を受け取る。第2スイッチング素子Q2がオンのとき(オン期間T2)、第2スイッチング素子Q2を流れる電流の大きさはチョークコイル電流Icと等しいが、逆向きの電流として逆電流Irを定義する。上述の通り、第2スイッチング素子Q2がオンとなると、チョークコイル電流Icは、時間経過に伴って減少し、ある時点で逆転する(Ic<0)。その間、制御部150は、逆電流Irと所定の閾値It(>0)とを比較しつづける(S5)。逆電流Irの大きさが閾値Itを超えたとき(Ir>It)に、第2スイッチング素子Q2をオフにする(S6)。
After the second dead time D2 has elapsed since the first switching element Q1 was turned off, the second switching element Q2 is turned on (S4). Next, the
さらに、次に第1スイッチング素子Q1をオンするまでの第1デッドタイムD1だけ待機する。(S7)。 Further, it waits for a first dead time D1 until the first switching element Q1 is turned on next. (S7).
こうして図4に示すフローであるスイッチング動作の一単位が終了する。電源装置200はこの単位動作を繰り返し実行する。
Thus, one unit of the switching operation, which is the flow shown in FIG. 4, is completed. The
図5は、以上のようなスイッチング動作における、入力電圧Vi、チョークコイル電流Ic、各スイッチング素子Q1、Q2へのオン/オフ制御状態を、交流電源90の電圧波形の周期のうちのごく一部の時間範囲について示した図である。上述の基本的な動作で述べたように、スイッチング動作の一周期内でチョークコイル電流Icの増減が起こる。本実施の形態においては、逆電流Irの閾値Itは一定である。オン期間T2においてチョークコイル電流Icが反転し、その大きさIrが閾値Itを超えたとき(Ir>It)、第2スイッチング素子Q2がオフとなることで、チョークコイル電流Icは再度増加する。
FIG. 5 shows the input voltage Vi, the choke coil current Ic, and the on / off control state of each of the switching elements Q1 and Q2 in the switching operation as described above, showing only a part of the cycle of the voltage waveform of the
(効果)
本実施形態においては、実施形態1と同様に、入力電圧Viが出力電圧Voより小さいときにスイッチング動作を停止することで、効率の良い電源装置、LED照明器具を実現できる。
(effect)
In the present embodiment, as in the first embodiment, by stopping the switching operation when the input voltage Vi is lower than the output voltage Vo, an efficient power supply device and LED lighting fixture can be realized.
さらに、逆電流Irを検出して制御を行うことで、以下の効果がある。 Further, the following effects can be obtained by detecting and controlling the reverse current Ir.
一般的な降圧チョッパ回路では、チョークコイル電流Icが反転しない状態で、第2スイッチング素子Q2をオフにする、電流連続モードで動作することがある。一方、本実施形態においては、逆電流Irの大きさが所定の閾値Itを超えたときに第2スイッチング素子Q2をオフにしている。このことにより、本実施形態の電源装置200においては、ノイズの低減と、高効率化が図られる。
A general step-down chopper circuit may operate in a continuous current mode in which the second switching element Q2 is turned off in a state where the choke coil current Ic does not reverse. On the other hand, in the present embodiment, the second switching element Q2 is turned off when the magnitude of the reverse current Ir exceeds the predetermined threshold value It. Thus, in the
図3の回路構成図においては、各スイッチング素子Q1、Q2の、寄生ダイオードが示されるとともに、第1デッドタイムD1の期間におけるチョークコイル電流Icの流出入先も矢印で示している。第2スイッチング素子Q2がオフし、第1デッドタイムD1に入ったとき、チョークコイル電流Icはしばらくオン期間T2の終了間際の状態で流れ続けようとする。一般的な降圧チョッパ回路の電流連続モード動作のように、チョークコイル電流Icが反転しない場合、第2スイッチング素子Q2の寄生ダイオードは順方向となり、これを通じて電流が流れる(図中点線矢印Ia)。第1スイッチング素子Q1の寄生ダイオードはチョークコイル電流Icに対しては逆方向であるので、第1スイッチング素子Q1側には電流が流れない。すると第1デッドタイムD1が終了し、第1スイッチング素子Q1をオンにするときに、順方向にバイアスされていた第2スイッチング素子Q2の寄生ダイオードがターンオフするまで(リカバリー動作)の間、電源が双方のスイッチング素子Q1、Q2を通じてほぼ短絡した状態となって大きな電流が流れ、ノイズの原因となるとともに、効率低下の原因となる。 In the circuit configuration diagram of FIG. 3, the parasitic diodes of the switching elements Q1 and Q2 are shown, and the destination of the choke coil current Ic during the first dead time D1 is also indicated by arrows. When the second switching element Q2 is turned off and the first dead time D1 is entered, the choke coil current Ic tends to continue to flow for a while immediately before the end of the on-period T2. When the choke coil current Ic does not reverse, as in the continuous current mode operation of a general step-down chopper circuit, the parasitic diode of the second switching element Q2 is in the forward direction, and the current flows therethrough (dotted arrow Ia in the figure). Since the parasitic diode of the first switching element Q1 is in the opposite direction to the choke coil current Ic, no current flows on the first switching element Q1 side. Then, when the first dead time D1 ends and the first switching element Q1 is turned on, the power supply is kept on until the parasitic diode of the second switching element Q2 that has been biased in the forward direction is turned off (recovery operation). A substantially short-circuit state occurs through both the switching elements Q1 and Q2, and a large current flows, which causes noise and lowers efficiency.
一方、本実施形態の電源装置200のように、チョークコイル電流Icが反転してから第1デッドタイムD1に入る場合は、第1スイッチング素子Q1の寄生ダイオードが順方向となり、これを通じて電流が流れる(図中実線Ib)。第2スイッチング素子Q2の寄生ダイオードはチョークコイル電流Icに対しては逆方向であるので、第2スイッチング素子Q2の側には電流が流れない。第1デッドタイムD1が終了した際に、第2スイッチング素子Q2の寄生ダイオードは既にオフしているから、電源が短絡状態となることはなく、上記ノイズの発生は無く、効率低下も防止される。
On the other hand, when the choke coil current Ic enters the first dead time D1 after being inverted, as in the
また、一般的な降圧チョッパ回路では、チョークコイル電流Icが反転した状態で、第2スイッチング素子Q2をオフにする、電流非連続モードで動作することもある。しかし、この場合においても、チョークコイル電流Icの反転を検出して第2スイッチング素子Q2をオフにする時期を決めているわけではなく、あらかじめ定まった所定の期間で第2スイッチング素子Q2をオフにする。従来技術の電源装置においては、脈動に伴い降圧チョッパ回路の入力電圧Viが変動することと、出力電圧Voが負荷により変動することについて考慮されていなかった。入出力電圧が変動する場合に一定の時間でスイッチング素子のオン/オフを制御すると、チョークコイル電流Icが反転した逆電流Irの値は過大にまたは過小になり得る。すると、逆電流Irが過大な場合は降圧チョッパ回路120の入力側と出力側との間での無駄な電流のやり取りが発生し、効率の低下を招き、ノイズの原因ともなる。逆電流Irが過小な場合はスイッチングノード容量Chを充電できず、第1スイッチング素子Q1がオンになるときに過大な電圧が第1スイッチング素子Q1にかかるため、効率の低下を招き、ノイズの原因ともなる。
Further, a general step-down chopper circuit may operate in a discontinuous current mode in which the second switching element Q2 is turned off in a state where the choke coil current Ic is inverted. However, also in this case, the timing of turning off the second switching element Q2 is not determined by detecting the inversion of the choke coil current Ic, and the second switching element Q2 is turned off in a predetermined period. I do. In the power supply device of the related art, no consideration is given to the fact that the input voltage Vi of the step-down chopper circuit fluctuates due to the pulsation and that the output voltage Vo fluctuates due to the load. If the on / off of the switching element is controlled for a fixed time when the input / output voltage fluctuates, the value of the reverse current Ir obtained by reversing the choke coil current Ic may be excessively large or small. Then, when the reverse current Ir is excessive, useless current is exchanged between the input side and the output side of the step-down
本実施形態にあっては、逆電流検知部143を設けることで、チョークコイル電流Icが反転し、逆電流Ir所定の値になったことを検知してから第2スイッチング素子Q2をオフにする状況を確実に維持できる。従って、降圧チョッパ回路120への入力電圧Viが変動するような場合であっても、ノイズが少なく、さらにエネルギー損失が抑制された電源装置、LED照明器具を実現することができる。
In the present embodiment, by providing the reverse current detecting
〔実施形態3〕
本発明の実施形態3について図6に基づいて説明する。
[Embodiment 3]
Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態のLED照明器具及び電源装置の回路構成は、図3に示した実施形態2のものと同様である。しかし、本実施形態においては、閾値Itの設定が、実施形態2とは異なっている。 The circuit configuration of the LED lighting apparatus and the power supply device of the present embodiment is the same as that of the second embodiment shown in FIG. However, in the present embodiment, the setting of the threshold value It is different from that of the second embodiment.
図6には、本実施形態の電源装置のスイッチング動作におけるタイムチャートを示している。図5に示される実施形態2の電源装置200との相違は、逆電流の閾値Itが、一定値でなく、入力電圧Viに応じて変化することである。本実施形態の電源装置においては、入力電圧Viが小さいと、閾値Itが小さくなる。
FIG. 6 shows a time chart in the switching operation of the power supply device of the present embodiment. The difference from the
オン期間T2においてチョークコイル電流Icが反転しているときに、出力コンデンサCoから、スイッチングノード容量Chに電荷が充電される。この電荷は、続く第1デッドタイムD1に、第1スイッチング素子Q1の寄生ダイオードを通じて、電源側に戻される。このとき、入力電圧Viが小さいと、戻される電荷の量が多くなる。しかしこれは、降圧チョッパ回路120の入力側(入力コンデンサCiなど)と出力側(出力コンデンサCoなど)との間での電荷のやり取りであって、ロスなく電荷移動が行われることは現実には無いため、スイッチング動作のたびに繰り返されてエネルギー損失となる。本実施形態では、入力電圧Viの大きさに応じて、閾値Itを増やすようにしているので、入力電圧Viが小さいときには、スイッチングノード容量Chへの電荷の蓄積が少なくなる。したがって、過大に電荷が戻されることが無くなり、閾値Itを一定とした場合と比較して、電源装置の効率がさらに良くなる。
When the choke coil current Ic is inverted in the ON period T2, the charge is charged from the output capacitor Co to the switching node capacitance Ch. This electric charge is returned to the power supply side through the parasitic diode of the first switching element Q1 at the subsequent first dead time D1. At this time, if the input voltage Vi is small, the amount of the returned electric charge increases. However, this is the exchange of charges between the input side (such as the input capacitor Ci) and the output side (such as the output capacitor Co) of the step-down
よって、本実施形態によれば、さらにエネルギー損失が抑制された電源装置、LED照明器具を実現することができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize a power supply device and an LED lighting device in which energy loss is further suppressed.
〔実施形態4〕
本発明の実施形態4について、図7に基づいて説明する。
[Embodiment 4]
Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態のLED照明器具40及び電源装置400の回路構成では、入力電圧検知部141の出力する入力電圧Viに関する信号と、出力電圧検知部142の出力する出力電圧Voに関する信号との比較をコンパレータ171で行い、入力電圧Viと出力電圧Voの大小関係を示す信号を制御部450に入力している点が、他実施形態とは異なっている。また、逆電流検知部143の出力する逆電流Irに応じた電圧と、入力電圧検知部141の出力する入力電圧Viに比例する電圧との比較をコンパレータ172で行い、逆電流Irの大きさが、入力電圧Viに比例した所定の値(閾値It)を超えたかどうかを示す信号を制御部450に入力している点も、他実施形態とは異なっている。制御部450は、これらの信号より判断して、各スイッチング素子Q1、Q2を制御し、実施形態3の場合と同様の動作を行う。このような構成により、本実施形態のLED照明器具40及び電源装置400においても実施形態3の場合と同様の効果が得られる。
In the circuit configuration of the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る電源装置100、200、400は、交流を整流する整流回路110と、前記整流回路110からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路120と、前記入力電圧が前記降圧チョッパ回路120の出力電圧より小さい期間に、前記降圧チョッパ回路120のスイッチング動作を停止させる制御部150、450とを備えている。
[Summary]
The
上記の構成によれば、降圧チョッパ回路の入力電圧が脈動するものであっても、エネルギー損失を抑制できる。 According to the above configuration, even if the input voltage of the step-down chopper circuit pulsates, energy loss can be suppressed.
本発明の態様2に係る電源装置200、400は、上記態様1において、前記降圧チョッパ回路120が、入力端子対の高電位側端子と低電位側端子との間に直列接続された、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続部と、前記低電位側端子との間に直列接続された、チョークコイル及び出力コンデンサとを有し、前記制御部150、450は、前記スイッチング動作において、前記チョークコイルを流れる電流が反転した逆電流の大きさが所定値以上となったときに、前記第2スイッチング素子をオフにする構成を備えていてもよい。
In the
上記の構成によれば、エネルギー損失を更に抑制でき、またノイズの発生を防止できる。 According to the above configuration, energy loss can be further suppressed, and generation of noise can be prevented.
本発明の態様3に係る電源装置200、400は、交流を整流する整流回路110と、前記整流回路110からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路120と、前記降圧チョッパ回路120のスイッチング動作を制御する制御部150、450とを備え、前記降圧チョッパ回路120は、入力端子対の高電位側端子と低電位側端子との間に直列接続された、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続部と、前記低電位側端子との間に直列接続された、チョークコイル及び出力コンデンサとを有し、前記制御部150、450は、前記降圧チョッパ回路120のスイッチング動作において、前記チョークコイルを流れる電流が反転した逆電流の大きさが所定値以上となったときに、前記第2スイッチング素子をオフにする構成を備えている。
上記の構成によれば、降圧チョッパ回路の入力電圧が脈動するものであっても、エネルギー損失を抑制でき、またノイズの発生を防止できる。 According to the above configuration, even if the input voltage of the step-down chopper circuit pulsates, energy loss can be suppressed, and generation of noise can be prevented.
本発明の態様4に係る電源装置400は、上記態様2または3において、前記所定値が、前記降圧チョッパ回路120の入力電圧に応じて変化する構成を備えていても良い。
The
上記の構成によれば、エネルギー損失を更に抑制できる。 According to the above configuration, energy loss can be further suppressed.
本発明の態様5に係る電源装置200、400は、上記態様2から4において、前記逆電流の大きさを検知する逆電流検知部143をさらに備えていても良い。
The
上記の構成によれば、逆電流の大きさを適切に検出できる。 According to the above configuration, the magnitude of the reverse current can be appropriately detected.
本発明の態様6に係る電源装置100、200、400は、上記態様1から5において、前記降圧チョッパ回路120の負荷に定電流を流すリニア方式定電流源131を有する定電流回路130をさらに備えていても良い。
The
上記の構成によれば、LED素子からなる光源を安定して動作させるようにすることができる。 According to the above configuration, the light source including the LED element can be stably operated.
本発明の態様7に係るLED照明器具10、20、40は、上記態様1から6のいずれかの電源装置100、200、400を備え、前記電源装置100、200、400によりLEDを駆動する構成を備えていても良い。
The
上記の構成によれば、エネルギー損失を抑制できる。 According to the above configuration, energy loss can be suppressed.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
10、20、40 LED照明器具
100、200、400 電源装置
110 整流回路
120 降圧チョッパ回路
130 定電流回路
131 リニア方式定電流源
141 入力電圧検知部
142 出力電圧検知部
143 逆電流検知部
150、450 制御部
160 光源
171、172 コンパレータ
10, 20, 40
Claims (7)
前記整流回路からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
前記入力電圧が前記降圧チョッパ回路の出力電圧より小さい期間に、前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作を停止させる制御部とを備えていることを特徴とする電源装置。 A rectifier circuit for rectifying alternating current,
A step-down chopper circuit that steps down an input voltage from the rectifier circuit,
A power supply device comprising: a control unit that stops a switching operation of the step-down chopper circuit during a period when the input voltage is smaller than an output voltage of the step-down chopper circuit.
入力端子対の高電位側端子と低電位側端子との間に直列接続された、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続部と、前記低電位側端子との間に直列接続された、チョークコイル及び出力コンデンサとを有し、
前記制御部は、
前記スイッチング動作において、
前記チョークコイルを流れる電流が反転した逆電流の大きさが所定値以上となったときに、前記第2スイッチング素子をオフすることを特徴とする、請求項1に記載の電源装置。 The step-down chopper circuit includes:
A first switching element and a second switching element connected in series between a high potential side terminal and a low potential side terminal of the input terminal pair;
A connection portion between the first switching element and the second switching element, and a choke coil and an output capacitor connected in series between the low potential side terminal;
The control unit includes:
In the switching operation,
The power supply device according to claim 1, wherein the second switching element is turned off when a magnitude of a reverse current obtained by reversing a current flowing through the choke coil becomes equal to or greater than a predetermined value.
前記整流回路からの入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作を制御する制御部とを備え、
前記降圧チョッパ回路は、
入力端子対の高電位側端子と低電位側端子との間に直列接続された、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続部と、前記低電位側端子との間に直列接続された、チョークコイル及び出力コンデンサとを有し、
前記制御部は、
前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作において、
前記チョークコイルを流れる電流が反転した逆電流の大きさが所定値以上となったときに、前記第2スイッチング素子をオフすることを特徴とする電源装置。 A rectifier circuit for rectifying alternating current,
A step-down chopper circuit that steps down an input voltage from the rectifier circuit,
A control unit for controlling a switching operation of the step-down chopper circuit,
The step-down chopper circuit includes:
A first switching element and a second switching element connected in series between a high potential side terminal and a low potential side terminal of the input terminal pair;
A connection portion between the first switching element and the second switching element, and a choke coil and an output capacitor connected in series between the low potential side terminal;
The control unit includes:
In the switching operation of the step-down chopper circuit,
The power supply device, wherein the second switching element is turned off when a magnitude of a reverse current obtained by reversing a current flowing through the choke coil becomes equal to or greater than a predetermined value.
前記電源装置によりLEDを駆動することを特徴とするLED照明器具。 A power supply device according to any one of claims 1 to 6,
An LED lighting device, wherein an LED is driven by the power supply device.
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