JP4160458B2 - Led駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の照明や信号灯に用いられるLED(light-emitting diode)を駆動するLED駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、車両の照明や信号灯にLEDを用いる手法が普及している。LEDを用いて、車内照明等を徐々に点灯させたり(フェードイン)、徐々に消灯させたり(フェードアウト)する手法が特許文献1に開示されている。特許文献1では、電解コンデンサが直接負荷(LED)への電流を制限したり、負荷に電流供給したりすることによりフェードイン、アウトを行っている。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−305091号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばLEDにInGaAlP型を用い3直列×3並列とした場合、0.5secのフェードイン時間とフェードアウト時間を得ようとすると4700[uF]の大容量電解コンデンサが必要になる。当該電解コンデンサは、寸法も大きく重量もあるため、装置が大型化する。また、点灯時にはLEDの順方向電圧までコンデンサが充電されないと点灯が始まらないので、動作遅れが発生してしまう。
【0005】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、車両の照明や信号灯に用いられるLEDのフェードイン、フェードアウト動作を小型で高品位に行うことが可能なLED駆動回路を提供することを目的とする。
【0006】
また本発明は、車両の照明や信号灯に用いられるLEDのフェードイン、フェードアウト動作を応答性よく行うことが可能なLED駆動回路を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項1記載の発明は、一端が第1の直流電源V1に、他端がLEDランプ103に接続され、該LEDランプ103への電流供給を制御するスイッチ手段(MOSFET1)と、前記スイッチ手段(MOSFET1)のトリガ用端子を制御するための電荷を蓄えるコンデンサC1と、前記LEDランプ103の点灯/消灯を指示する外部からの点滅信号により前記コンデンサC1の充放電を制御する充放電回路101と、アノードを接地側にして、前記コンデンサC1と直列に接続される二つのツェナーダイオードZD1、ZD2と、前記二つのツェナーダイオードZD1、ZD2の内、接地側の前記ツェナーダイオードZD2と並列に接続される抵抗R1と、前記コンデンサC1、および前記二つのツェナーダイオードZD1、ZD2からなる直列回路の電圧をバッファリングして、前記スイッチ手段(MOSFET1)のトリガ用端子に印加するバッファ回路102と、前記充放電回路101および前記バッファ回路102に電圧を供給する第2の直流電源V2と、を有することを特徴としている。
【0010】
したがって、請求項1記載の発明によれば、第1の直流電源(バッテリ)V1からLEDランプ103への電流供給をスイッチ手段(MOSFET1)により制御し、スイッチ手段(MOSFET1)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧を、コンデンサC1、および二つのツェナーダイオードZD1、ZD2からなる直列回路、並びにバッファ回路102により所定の傾きで上昇または降下させることにより、大容量のコンデンサを用いることなく、LEDランプ103のフェードイン、フェードアウト動作のための電圧を小型のコンデンサで生成でき、回路を小型化することができる。
【0011】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記二つのツェナーダイオードZD1、ZD2の各ツェナー電圧VZ1、VZ2の和と、前記LEDランプ103の順方向電圧および前記スイッチ手段(MOSFET1)の動作しきい値電圧Vthの和と、を略等しく設定することを特徴としている。
【0012】
したがって、請求項2記載の発明によれば、点灯信号によりLEDランプ103点灯の指示が入力されると、スイッチ手段(MOSFET1)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧が各ツェナー電圧VZ1、VZ2の和になり、スイッチ手段(MOSFET1)の動作しきい値電圧Vthを超えて、LEDランプ103に直ちに電流を流し始めることができる。よって、フェードインの動作遅れを可及的に小さくすることができる。
【0013】
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、前記二つのツェナーダイオードZD1、ZD2の内、電源側の前記ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZ1と、前記第2の直流電源V2の電源電圧から前記二つのツェナーダイオードZD1、ZD2の順方向電圧および前記スイッチ手段(MOSFET1)の動作しきい値電圧Vthを引いた電圧と、を略等しく設定することを特徴としている。
【0014】
したがって、請求項3記載の発明によれば、点灯信号によりLEDランプ103消灯の指示が入力されると、スイッチ手段(MOSFET1)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧が第1の直流電源V1の電源電圧と第2の直流電源V2の電源電圧との和から、電源側のツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZ1、および二つのツェナーダイオードZD1、ZD2の順方向電圧を引いた電圧になり、スイッチ手段(MOSFET1)およびLEDランプ103を流れる電流を直ちに低下させ始めることができる。よって、フェードアウトの動作遅れを可及的に小さくすることができる。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の発明において、前記充放電回路101は、二組のカレントミラー回路を含み、前記二組のカレントミラー回路により生成される前記直列回路を流れる定電流、および前記コンデンサC1の静電容量の設定により、前記LEDランプ103のフェードイン、フェードアウト時間を設定することを特徴としている。
【0016】
したがって、請求項4記載の発明によれば、直列回路を流れる定電流およびコンデンサC1の静電容量の設定によりフェードイン、フェードアウトの時間および電流変化パターンを調整することができ、点滅の品位を向上させることができる。
【0017】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の発明において、前記直列回路と前記バッファ回路102との間に、外部から入力される調光パルス信号によりオンオフする第2のスイッチ手段104をさらに有することを特徴としている。
【0018】
したがって、請求項5記載の発明によれば、第2のスイッチ手段104に調光パルス信号を印加してPWM制御することにより、LEDランプ103を高効率に駆動することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【0020】
図1は、本発明の実施形態におけるLED駆動回路の基本構成図である。当該LED駆動回路は、バッテリV1、直流電源V2、充放電回路101、ツェナーダイオードZD1、コンデンサC1、ツェナーダイオードZD2、抵抗R1、バッファ回路102、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)1、およびLEDランプ103を備える。
【0021】
充放電回路101は、LEDランプ103の点灯/消灯を指示する外部からの点滅信号によりコンデンサC1を充放電する。コンデンサC1、ツェナーダイオードZD1、およびツェナーダイオードZD2は、直列に接続され直列回路を形成する。ツェナーダイオードZD2には、抵抗R1が並列に接続される。バッファ回路102は、上記直列回路の電圧をバッファリングしてMOSFET1のゲートに伝える。MOSFET1は、Nchのエンハンスメント型MOSFETを用いるとよい。ドレイン端子はバッテリV1のプラス端子と接続され、ソース端子はLEDランプ103と接続される。直流電源V2は、充放電回路101およびバッファ回路102に電圧を供給する。以上の構成により、コンデンサC1の充放電をもとにMOSFET1の動作をソースフォロワー動作と線形領域動作に切り替え、LEDランプ103をフォードイン、フェードアウトさせる。
【0022】
図2は、本発明の実施形態におけるLED駆動回路の具体的構成図である。バッテリの電圧V1は、通常12V、24Vまたは36Vである。充放電回路101は、トランジスタQ1〜Q5、定電流源CC1、CC2、抵抗R2で構成される。トランジスタQ1とトランジスタQ4、およびトランジスタQ3とトランジスタQ5は、カレントミラー回路を構成している。即ち、トランジスタQ1とトランジスタQ4には、等しい定電流が流れる。定電流源CC2>CC1となるように設定される。ツェナーダイオードZD1、ツェナーダイオードZD2、コンデンサC1による直列回路は、必ずしも図2に示す順番でなくてもよい。
【0023】
バッファ回路102は、抵抗R3〜R5、トランジスタQ6、トランジスタQ7、およびツェナーダイオードZD3で構成される。直流電源V2の値は、MOSFET1のオン抵抗が十分低くなるように設定される。ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧VZ1およびツェナーダイオードZD2のツェナー電圧VZ2は、下記式1および式2を満たすように設定される。下記式1および式2において、電圧Vthは、MOSFET1の動作しきい値電圧である。
【0024】
(VZ1+VZ2)≒(LEDの順方向電圧)+Vth …式1
V1+V2−VZ1−(ZD1の順方向電圧)−(ZD2の順方向電圧)≒V1+Vth …式2
【0025】
図3は、図2に示すLED駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。説明の簡単化のため、バッファ回路102による電圧降下は無視しており、VD1=VGとしている。
【0026】
まず、点滅信号がLoの時、トランジスタQ2はオフしており、定電流CC2がトランジスタQ3に流れる。トランジスタQ1には定電流CC1が流れ、トランジスタQ4にも定電流CC1が流れる。トランジスタQ5にも定電流CC2が流れようとするが定電流CC1しか流れることができないので、トランジスタQ5は飽和し電圧VD1は略0[V]になる。MOSFET1のゲート−ソース間電圧も略0[V]とされるのでMOSFET1は非導通であり、負荷のLEDランプ103は通電されず消灯している。
【0027】
次に、点滅信号がHiになるとトランジスタQ2がオンし飽和する。定電流CC2はすべてトランジスタQ2に流れるので、トランジスタQ3を流れる電流は0[A]になり、トランジスタQ5に流れる電流も0[A]になる。定電流CC1はツェナーダイオードZD1、ZD2、およびコンデンサC1による直列回路を流れ、コンデンサC1を充電する。ツェナーダイオードZD1およびZD2にはそれぞれツェナー電圧VZ1およびVZ2が発生する。そのため、ツェナーダイオードZD1、ZD2およびコンデンサC1による直列回路に発生する電圧VD1は、まず(VZ1+VZ2)となり、そこから(CC1/C1)の傾きで上昇していく。MOSFET1のゲートには電圧VD1がかかる。MOSFET1はゲート電圧VGがしきい値電圧Vthを超えるとソースフォロワ動作し、ソース電圧VS=(VG−Vth)となる。
【0028】
ここで、VD1=VZ1+VZ2、VD1=VG、およびVS=VG−Vthを上記式1に代入すると、ソース電圧VS=(LEDの順方向電圧)となり、ただちにLEDランプ103に負荷電流ILが流れ始める。電圧VD1の上昇に伴いソース電圧VSも上昇していく。負荷電流ILは、下記式3で定められるので、ソース電圧VSの上昇に伴い増加していく。
【0029】
IL={VS−(LEDの順方向電圧)}/RL …式3
【0030】
電圧VD1は、トランジスタQ4が飽和に達するまで上昇する。電圧VD1が{V1+V2−(Q4の飽和電圧)}近くまで上昇すると、MOSFET1は線形領域動作となり、ソース電圧VS=(V1−Rdson*IL)で一定になり、負荷電流ILも一定となる。MOSFET1のオン抵抗Rdsonが十分小さいとき、VS=V1とみなせる。トランジスタQ4の飽和電圧は無視できるものとし、電圧VD1は(V1+V2)の値で一定となるが、電圧VD1が(V1+V2)に達した後も、コンデンサC1は抵抗R1を通じて充電される。即ち、コンデンサC1の下流側電圧VD2は、抵抗R1が設けられない場合はツェナー電圧VZ2で止まってしまうが、抵抗R1が設けられた場合はツェナー電圧VZ2を下回っても抵抗R1を通じて電流が流れるため、時間をかけて0[V]まで低下する。したがって、コンデンサC1の両端子間にかかる電圧は(V1+V2−VZ1)となる。
【0031】
次に、点滅信号がLoになるとトランジスタQ2はオフする。定電流CC2は再びトランジスタQ3を流れ、トランジスタQ5にも定電流CC2が流れる。そのため、コンデンサC1は(CC2−CC1)の電流で放電される。ツェナーダイオードZD1およびZD2は順方向動作となるので、電圧VD1はただちに{V1+V2−VZ1−(ZD1の順方向電圧)−(ZD2の順方向電圧)}となり、そこから(CC2−CC1)/C1の傾きで下がっていく。ここで、上記式2のようにVZ1を設定しているので、ゲート電圧VGのソース電圧VSに対するオーバードライブ分はすぐに消える。MOSFET1は再びソースフォロワ動作となり、ソース電圧VSはほとんど時間遅れなく低下を始める。負荷電流ILは上記式3に従い低下していき、ソース電圧VSがLEDランプ103の順方向電圧よりも下がると0[V]となる。
【0032】
以上により、LEDランプ103は動作遅れなくフェードインおよびフェードアウト動作する。フェードインおよびフェードアウトの時間はコンデンサC1の静電容量、定電流CC1および定電流CC2の組み合わせにより自由に設定することができる。動作遅れ時間が許容される場合は、必ずしも上記式1および式2に従ってVZ1とVZ2を設定しなくてもよい。
【0033】
なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態の一例を示したものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【0034】
まず、第1のバリエーションとして、コンデンサC1の充放電を抵抗制御式とする例を図4に示す。抵抗制御では、電圧の時間変化はR*Cの時定数で決まる指数曲線になる。図4の例では、トランジスタQ10および抵抗R10により充電を制御し、トランジスタQ11、抵抗R11により放電を制御している。また、定電流と抵抗を組み合わせることもできる。
【0035】
次に、第2のバリエーションとして、PWM(Pulse Width Modulation)による調光機能を追加した例を図5に示す。スイッチ手段104を追加して調光パルス入力によりMOSFET1をチョッピング動作させながら、フェードイン、アウト動作することができる。一般に、PWMの周波数は、ちらつきをなくすため50[Hz]以上とされる。
【0036】
次に、第3のバリエーションとして、MOSFET1を過熱遮断機能付きとした例を図6に示す。図6において、コンパレータCMPの一方の端子には、ダイオードD1、D2の順方向電圧VFが入力され、他方の端子には定電圧Vrefが入力される。通常温度時はダイオードD1、D2の順方向電圧VF<定電圧Vrefとなっているため、コンパレータCMPの出力はLoであり、遮断用MOSFET1´はオフである。ダイオードD1、D2の順方向電圧VFは、MOSFETの温度が上がると−2mV/℃の傾きで低下する。
【0037】
所定の温度以上になると定電圧VrefよりもダイオードD1、D2の順方向電圧VFの方が低くなるので、コンパレータCMPの出力がHIに反転し、遮断用MOSFET1´はオンし、MOSFET1はオフする。MOSFET1がオフすると、電流が流れなくなって発熱もなくなるので温度が下がり、再びコンパレータCMPの出力はLoに反転して、MOSFET1はオンに復帰する。
【0038】
次に、第4のバリエーションとして、直流電源V2と放充電回路101とバッファ回路102、または、直流電源V2と充放電回路101とバッファ回路102とMOFET1、または、複数の直流電源V2と充放電回路101とバッファ回路102とMOSFET1を一つの基板に集積化することができる。基板にはシリコン、GaAs、SiC等がある。
【0039】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1記載の発明によれば、第1の直流電源(バッテリ)からLEDランプへの電流供給をスイッチ手段(MOSFET)により制御し、スイッチ手段(MOSFET)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧を、コンデンサ、および二つのツェナーダイオードからなる直列回路、並びにバッファ回路により所定の傾きで上昇または降下させることにより、大容量のコンデンサを用いることなく、LEDランプのフェードイン、フェードアウト動作のための電圧を小さなコンデンサで生成でき、回路を小型化することができる。
【0041】
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の発明の効果に加えて、点灯信号によりLEDランプ点灯の指示が入力されると、スイッチ手段(MOSFET)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧が各ツェナー電圧の和になり、スイッチ手段(MOSFET)の動作しきい値電圧を超えて、LEDランプに直ちに電流を流し始めることができる。よって、フェードインの動作遅れを可及的に小さくすることができる。
【0042】
請求項3記載の発明によれば、請求項1または2記載の発明の効果に加えて、点灯信号によりLEDランプ消灯の指示が入力されると、スイッチ手段(MOSFET)のトリガ用端子(ゲート)に印加する電圧が第1の直流電源の電源電圧と第2の直流電源の電源電圧との和から、電源側のツェナーダイオードのツェナー電圧、および二つのツェナーダイオードの順方向電圧を引いた電圧になり、スイッチ手段(MOSFET)およびLEDランプを流れる電流を直ちに低下させ始めることができる。よって、フェードアウトの動作遅れを可及的に小さくすることができる。
【0043】
請求項4記載の発明によれば、請求項1から3のいずれか1項に記載の発明の効果に加えて、直列回路を流れる定電流およびコンデンサの静電容量の設定によりフェードイン、フェードアウトの時間および電流変化パターンを調整することができ、点滅の品位を向上させることができる。
【0044】
請求項5記載の発明によれば、請求項1から4のいずれか1項に記載の発明の効果に加えて、第2のスイッチ手段に調光パルス信号を印加してPWM制御することにより、LEDランプを高効率に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態におけるLED駆動回路の基本構成図である。
【図2】本発明の実施形態におけるLED駆動回路の具体的構成図である。
【図3】図2に示すLED駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】充放電回路を抵抗式にしたバリエーションを示す回路図である。
【図5】PWMによる調光機能を持たせたバリエーションを示す回路図である。
【図6】MOSFETに過熱遮断機能を持たせたバリエーションを示す回路の部分図である。
【符号の説明】
V1 バッテリ
V2 直流電源
101 充放電回路
ZD1、ZD2 ツェナーダイオード
C1 コンデンサ
R1 抵抗
102 バッファ回路
MOSFET1 MOS型電解効果トランジスタ
103 LEDランプ
Claims (5)
- 一端が第1の直流電源に、他端がLEDランプに接続され、該LEDランプへの電流供給を制御するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段のトリガ用端子を制御するための電荷を蓄えるコンデンサと、
前記LEDランプの点灯/消灯を指示する外部からの点滅信号により前記コンデンサの充放電を制御する充放電回路と、
アノードを接地側にして、前記コンデンサと直列に接続される二つのツェナーダイオードと、
前記二つのツェナーダイオードの内、接地側の前記ツェナーダイオードと並列に接続される抵抗と、
前記コンデンサ、および前記二つのツェナーダイオードからなる直列回路の電圧をバッファリングして、前記スイッチ手段のトリガ用端子に印加するバッファ回路と、
前記充放電回路および前記バッファ回路に電圧を供給する第2の直流電源と、
を有することを特徴とするLED駆動回路。 - 前記二つのツェナーダイオードの各ツェナー電圧の和と、
前記LEDランプの順方向電圧および前記スイッチ手段の動作しきい値電圧の和と、を略等しく設定することを特徴とする請求項1記載のLED駆動回路。 - 前記二つのツェナーダイオードの内、電源側の前記ツェナーダイオードのツェナー電圧と、
前記第2の直流電源の電源電圧から前記二つのツェナーダイオードの順方向電圧および前記スイッチ手段の動作しきい値電圧を引いた電圧と、を略等しく設定することを特徴とする請求項1または2記載のLED駆動回路。 - 前記充放電回路は、二組のカレントミラー回路を含み、
前記二組のカレントミラー回路により生成される前記直列回路を流れる定電流、および前記コンデンサの静電容量の設定により、前記LEDランプのフェードイン、フェードアウトパターンを設定することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。 - 前記直列回路と前記バッファ回路との間に、外部から入力される調光パルス信号によりオンオフする第2のスイッチ手段をさらに有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
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