JP4167835B2 - 電界発光ランプパネルのスイッチ方式エネルギー回収 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は全体としては電界発光ランプパネルに関し、より特定すれば、駆動回路の放電サイクル時に散逸する恐れがある、これらパネルに蓄積されたエネルギーを回収することに関する。
【0002】
【従来の技術】
電界発光ランプは、電気的にはコンデンサーとして作用する。すべてのコンデンサーがそうであるように、これらランプは電圧電荷としてエネルギーを蓄積する。通常の電界発光ランプの駆動回路を使用した場合、この電荷は、放電サイクル時に散逸し、従って電荷損失が生じる。
【0003】
電界発光ランプ駆動回路は、従来よりよく知られている回路で、具体名を出すと、Supertex HV803やToko TK659XXである。これら回路の代表的なものを図1に示す。この回路において、各コンポーネントL1、S0,D1およびC1が、低電圧(6ボルト未満)を受け取り、これをコンデンサーC1で20〜100ボルトまで昇圧する高電圧昇圧コンバータを構成する。また、コンポーネントS1、S2、S3およびS4がH−ブリッジ回路を構成する。そしてこの回路を使用して、コンデンサーC1の高いDC電圧を整流し、コンデンサーC1のDC電圧よりほぼ2倍高いAC電圧を電界発光ランプコンデンサー(Cランプ)の両端に印加する。このAC電圧がコンデンサーC_lamp(ランプ)を充放電する。放電サイクル時に、コンデンサーCに蓄積されたエネルギーがコンポーネントS3およびS4に散逸する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、電界発光ランプコンデンサーC_lampから、高電圧電荷として存在するこのエネルギーを回収し、これを再使用して、電界発光ランプ駆動システム全体の効率を改善することが有利である。すなわち、本発明は、この失われるエネルギーを回収する回路に関する。この回路は、高電圧に駆動される大型の電界発光ランプに使用するのが好ましい。
【0005】
【実施態様の説明】
以下、電界発光ランプパネルから散逸したエネルギーを回収する高電圧方法〜低電圧方法の実施態様について説明する。高電圧方法では、一般に、エネルギーを電界発光ランプ駆動回路または電界発光コンデンサーの高電圧ノードに戻す。一方、低電圧方法では、エネルギーを低電圧源に戻す。
【0006】
電荷を回収するさいに高電圧スイッチ方式を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す図2について説明する。この実施態様では、第2の昇圧コンバータを使用して、電界発光ランプに電荷を放電し、エネルギーをコンデンサーC1に戻す。この方法では、電界発光ランプに対するピーク・ピーク電圧が高くなる。図5の波形図に示すように、正常な場合には、H−ブリッジが作動し、コンデンサーC_lampを充電する。コンデンサーC_lampを放電する場合には、スイッチS5が閉じた状態でスイッチS1のみが開き、これによってコンポーネントL2、S7およびD2を使用する昇圧コンバータの入力にコンデンサーC_lampの電圧を印加する。コンデンサーC_lampからのコンデンサーC1へのエネルギーの伝達効率が最大化するようにスイッチS7のスイッチング回数および負荷サイクルを選定する。コンデンサーC_lampの電圧のほとんどを伝達した後、スイッチS3を閉じた状態でスイッチS5を開き、コンデンサーC_lampを完全放電する。スイッチS7を上記と同様に作動させた状態で、スイッチS4開きかつスイッチS6を閉じることによって、H−ブリッジの反対側で充電サイクルを繰り返す。コンデンサーC_lampがほぼ充電した後、スイッチS6を開きかつスイッチS4を閉じ、続いてスイッチS3を開きかつスイッチS1を閉じると、コンデンサーC_lampの別なAC電圧サイクルが開始する。コンデンサーC_lampが放電している状態で、スイッチS5またはS6を閉じた場合、図5の波形図に示すように、電荷回収の利点は、コンデンサーC1の電圧の昇圧速度が高くなる形で現れる。
【0007】
電荷回収の第2の高電圧スイッチ方式を利用する電界発光ランプ駆動回路を図3に示す。この実施態様では、エネルギー伝達コンデンサーC_ETを第2昇圧コンバータに設け、電界発光ランプパネル電圧の放電率を制御する。図9〜11について以下に説明するように、スイッチS8〜S11を制御する。
【0008】
電荷回収のさらに別な高電圧スイッチ方式としてメイン昇圧コンバータと一体化した電界発光ランプ駆動回路を図4に示す。この回路の場合、外部コンポーネントの数を減らすことができるが、電荷回収回路とメイン昇圧コンバータとの間で同期が必要である。誘導子L1およびL3には、同じ磁心を使用することができる。スイッチS0〜S6に関しては、図4の回路の動作は、図2の電界発光ランプ駆動回路の動作と同じである。ただし、スイッチS8の動作については異なる。すなわち、このスイッチS8はスイッチS0と同期する必要がある。誘導子L3に流れ始める電流が、誘導子L1に逆流するのではなく、スイッチS0を介して低電圧源Vddに流れるように、スイッチS0を閉じた後に、スイッチS8を閉じる必要がある。さらに、ダイオードD1の陽極電圧が確実に低電圧源Vdd未満のレベルまで下がるように、スイッチS0が開いた後の短い時間スイッチS8の閉じた状態を維持する必要がある。
【0009】
保持コンデンサーC_ERを利用する電界発光ランプ駆動回路を図6に示す。この実施態様では、ある特定のサイクルでエネルギーをこの保持回路に伝達し、後のサイクルでこの保持回路からエネルギーをコンデンサーC_lampに戻す。ここで、スイッチS2およびS3が閉じ、その他のすべてのスイッチが開いているこの回路の初期状態では、ダイオードD2およびスイッチS2、S3を流れる電流によって、コンデンサーC_lampが高電圧レールHノードの電圧まで充電する。次に、スイッチS2およびS3を開き、スイッチS5を閉じると、コンデンサーC_lampの右側端子が実質的に高電圧レールHVノードに接続し、コンデンサーC_lampの左側端子の電圧が高電圧レールHVノードの電圧よりある量だけ高くなる。この位相では、ダイオードD4が順バイアスになり、電流がコンデンサーC_lampからエネルギー回収コンデンサーC_ERに流れる。コンデンサーC_ERの電圧は、電圧が平衡に達するまで高くなる。ここでは、スイッチS4が閉じ、そしてスイッチS5が閉じた状態を維持する。次に、ダイオードD3およびスイッチS4、S5を流れる電流によって、コンデンサーC_lampを高電圧レールHVノードの電圧まで充電する。次に、スイッチS7を閉じることによって、コンデンサーC_ERのエネルギーの一部をコンデンサーC_lampに戻す。以上説明した、図6の回路の動作を、波形をシュミュレーションした結果を示す図7に示す。
【0010】
電荷回収の低電圧スイッチ方式を利用する電界効果ランプ駆動回路を図8に示す。この実施態様では、切り換え式コンデンサー/誘導子構成を介して電界発光ランプパネルからエネルギー伝達することによって、電流を低電圧減Vに戻す。この回路は電流制限回路と呼ぶことができる。というのは、回路のトポロジーおよびクロック周波数によって戻り電流が設定されるからである。四つのスイッチングサイクルからなる群を反復使用すると、電界発光ランプパネルと低電圧源Vとの間でエネルギーを伝達することができる。
【0011】
初期状態では、電荷または電圧がコンデンサーC_lampに存在する。この電荷は、上記のようなH−ブリッジ回路か、あるいはその他の回路構成によって初期に蓄積したものであってよい。また、エネルギー伝達コンデンサーC_ETには初期電流がなく、エネルギー伝達誘導子L_ETには初期電流があってもなくてもよい。
【0012】
図9について説明すると、図8に示した回路の動作の第1サイクル時、スイッチS1およびS2が閉じ、電流がコンデンサーC_lampからスイッチS1、コンデンサーC_ET、スイッチS2、誘導子L_ETおよび低電圧減Vに流れ始める。このサイクルの間に、エネルギーが低電圧源Vにその正端子に流れる電流によって伝達される。
【0013】
ある一定の時間が過ぎると、伝達制御器がスイッチS1およびS2を開き、図10に示すように、図8に示した回路の動作の第2サイクルが開始する。この時点で、既に電荷がコンデンサーC_ETに発生し、電流が誘導子L_ETに流れる。この電流は、誘導子L_ETが供給するエネルギーが低電圧源Vに伝達されている間は、再循環ダイオードDRに流れ続ける。この動作の第2サイクルの間、コンデンサーC_ETの電荷およびエネルギー(0.5CV2)は比較的一定な状態にある。
【0014】
図8に示した回路の動作の第3サイクルでは、図11に示すように、伝達制御器がスイッチS3およびS4を閉じ、コンデンサーC_ETから電流がスイッチS3、誘導子L_ET、スイッチS4に流れ、コンデンサーC_ETに戻る。コンデンサーC_ETに蓄積されたエネルギーは、従って、誘導子L_ETを介して低電圧源Vに伝達されることになる。
【0015】
図8に示した回路の動作の第4サイクルでは、図10に示すように、伝達制御器がスイッチS3およびS4を開く。この時点では、コンデンサーC_ETの電圧はゼロである。誘導子L_ETに流れる電流が、再循環ダイオードDRに流れ続けるため、エネルギーが誘導子L_ETから低電圧源Vに伝達されることになる。
【0016】
以上の4サイクルを反復すると、コンデンサーC_lampから低電圧源Vに増分的にエネルギーが伝達される。この増分的伝達は、近似式E=0.5*C_ET*(V_el)2によって近似することができる。図8に示した回路のある駆動方法では、第1サイクルおよび第3サイクルのみを連続的に行なってもよい。
【0017】
4つのサイクルからなる各群に従ってコンデンサーC_lampの電圧は、Vint*(C_lamp/(C_lamp+C_ET))で表される量だけ降下する。4つのサイクルからなる各群の反復回数を調節することによって、伝達制御器によりコンデンサーC_lampの電圧の減衰率を調節できる。コンデンサーC_ETが、実際のスイッチング回数でこの制御を容易にする。例えば、誘導子L_ETのみを使用し、コンデンサーC_ETを使用しない場合には、コンデンサーC_lampについて同じ放電プロファイルを実現するために、通常回数のほぼ20倍の回数スイッチ網を作動する必要がある。
【0018】
図12に、幾つかのパラメータを想定して行なった、図8に示した回路の1msec.動作時のシュミュレーションの結果を示す。80nf.コンデンサーC_lampの初期電荷は100ボルトである。伝達制御器は、2つの出力の位相が180°ずれているデュアルクロックソースのもので、クロック周波数は1mHzで一定である。上部の波形は、電流が低圧源Vにもどることを示している。中心波形は、コンデンサーC_lampからエネルギーが取り去られるに従って、このコンデンサーの電圧減衰が指数関数的であることを示している。
【0019】
あるいは、伝達制御器の周波数を経時的に変化させ、図13に示すように、コンデンサーC_lampの放電の波形を変えることもできる。図13の波形は、伝達制御器の周波数が経時的に線形状に高くなる点を除けば、図12の波形と同じ回路から発生し、コンデンサーC_lampからエネルギーが取り去られるのに従って、このコンデンサーの電圧減衰の形が凸状になる。
【0020】
図8に示した回路のさらに別な実施態様では、図14に示すように、誘導子L_ETが昇圧コンバータ誘導子L_ET_Bとして働く。この構成では、誘導子L_ET_Bをもつ第1トポロジーが、スイッチBoost_FETと併用された形で、昇圧コンバータを構成する。あるいは、誘導子L_ET_Bをもつ第2トポロジーが、コンデンサーC_ET、スイッチS1〜S4および伝達制御器と併用された形で、低電圧エネルギー回収回路を構成する。例えば、2つの動作位相を使用して、コンデンサーC_lampの両端にAC波形を発生するシステムをここで考える。第1の位相では、上記の第1トポロジーが用いられ、図1に示すように、場合によってはスイッチングブリッジを介して、昇圧コンバータの出力によって第1トポロジーを充電する。第2の位相では、上記の第2トポロジーが用いられ、図8に示したエネルギー回収トポロジーおよび方法によってコンデンサーC_lampを放電する。これら2つの位相を所定レートで反復して、コンデンサーC_lamp両端の電圧を所望の周波数で昇圧および降圧する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、電界発光ランプコンデンサーから電荷を回収できない、代表的な従来例である電界発光ランプ駆動回路を示す回路図である。
【図2】本発明の第1実施態様に従って、高電圧スイッチ方式電荷回収を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【図3】本発明の第2実施態様に従って、エネルギー伝達コンデンサーを利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【図4】本発明の第3実施態様に従って、一体化高電圧スイッチ方式電荷回収を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【図5】図2〜4の電界発光ランプ駆動回路が発生する波形の代表例を示す波形図である。
【図6】本発明の第4実施態様に従って、電荷ポンプ方式エネルギー回収を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【図7】図6の電界発光ランプ駆動回路から得たシュミュレーション波形を示す波形図である。
【図8】本発明の第5実施態様に従って、低電圧スイッチ方式電荷回収を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【図9】第1動作サイクル時の、図8に示した回路の等価回路を示す概略図である。
【図10】第2、4動作サイクル時の、図8に示した回路の等価回路を示す概略図である。
【図11】第2動作サイクル時の、図8に示した回路の等価回路を示す概略図である。
【図12】伝達制御器クロックの周波数が経時的に一定な場合における、低電圧源に電流として戻される電界発光ランプパネルエネルギーのシュミュレーション結果を示す波形図である。
【図13】伝達制御器クロックの周波数が経時的に高くなる場合における、低電圧源に電流として戻される電界発光ランプパネルエネルギーのシュミュレーション結果を示す波形図である。
【図14】本発明の第6実施態様に従って、昇圧コンバータと一体化した低電圧スイッチ方式電荷回収を利用する電界発光ランプ駆動回路を示す概略図である。
【符号の説明】
C1:コンデンサー
S1〜S11:スイッチ
C_lamp:コンデンサー
C_ET:エネルギー伝達コンデンサー
L1:誘導子
D1〜D3:ダイオード
V:低電圧源
Claims (12)
- 放電動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する高電圧スイッチ方式を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源に結合され、電界発光ランプを駆動する装置であって、第1コンデンサーと、
この第1コンデンサーの両端に切り換え自在に電界発光ランプパネルを接続するスイッチング回路とを有する装置と、
複数のスイッチと併用された形で第2コンデンサーを有し、電界発光ランプパネルおよび第1コンデンサーに結合され、前記放電動作サイクル時に、電荷を電界発光ランプパネルから第1コンデンサーに伝達する昇圧コンバータと、
を有しており、
前記放電動作サイクル時に、前記複数のスイッチと第2コンデンサーによって、電界発光ランプパネルから第1コンデンサーへの電荷の伝達率を制御することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達誘導子と、
エネルギー蓄積誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源へ電荷を制御自在に伝達する伝達制御器と
を有する駆動回路であり、
前記駆動回路の前記伝達制御器が、一定の周波数で動作して、且つ、位相が相互に180°ずれている2つの出力をもつデュアルクロックソースを有することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達誘導子と、
エネルギー蓄積誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源へ電荷を制御自在に伝達する伝達制御器と、
さらに、エネルギー伝達誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合されたエネルギー伝達コンデンサーと、
を備えており、
前記伝達制御器が、一定の周波数で動作して、且つ、位相が相互に180°ずれている2つの出力をもつデュアルクロックソースを有することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達誘導子と、
エネルギー蓄積誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源へ電荷を制御自在に伝達する伝達制御器と、
を備えており、
前記制御器は経時変化する周波数で動作することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達誘導子と、
エネルギー蓄積誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源へ電荷を制御自在に伝達する伝達制御器と、
エネルギー伝達誘導子および電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合されたエネルギー伝達コンデンサーと
を備えており、
前記伝達制御器が経時変化する周波数で動作することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達コンデンサーと、
エネルギー蓄積コンデンサーおよび電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源への電荷の伝達を制御する伝達制御器と
を備えており、
前記伝達制御器が、一定の周波数で動作して、且つ、位相が相互に180°ずれている2つの出力をもつデュアルクロックソースを有することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
この低電圧源に結合されたエネルギー伝達コンデンサーと、
エネルギー蓄積コンデンサーおよび電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、電界発光ランプパネルから低電圧源への電荷の伝達を制御する伝達制御器と
を有しており、
前記伝達制御器が経時変化する周波数で動作することを特徴とする電界発光ランプパネルの駆動回路。 - 前記周波数は経時的に線形に高くなる請求項4記載の駆動回路。
- 前記周波数は経時的に線形に高くなる請求項5記載の駆動回路。
- 前記周波数は経時的に線形に高くなる請求項7記載の駆動回路。
- ひとつかそれ以上の動作サイクル時に、電界発光ランプパネルに蓄積された電荷を回収する低電圧スイッチ方式回収を利用する電界発光ランプパネルを駆動する回路において、
低電圧源と、
前記電界発光ランプを駆動するために前記低電圧源に結合され、誘導子、スイッチ、ダイオードおよび第1コンデンサーを有する昇圧コンバータと、
前記誘導子に切り換え自在に結合された第2コンデンサーと、
前記誘導子、前記第2コンデンサーおよび前記電界発光ランプパネルに切り換え自在に結合され、前記電界発光ランプパネルから前記低電圧源への電荷の伝達を制御する伝達制御器と、
を有しており、
前記電界発光ランプパネルへの切り換え自在の結合を第1及び第2位相で変え、
前記第1位相では前記誘導子と前記第1コンデンサーとを含む回路を昇圧コンバータと して動作させて、
前記第2位相では前記誘導子と前記第2コンデンサーとを含む回路をエネルギー回収回路として動作させて、
前記第1及び第2位相を所定レートで反復させることで、前記電界発光ランプパネル両端の電圧を昇圧および降圧することを特徴とする駆動回路。 - 電界発光ランプパネルに蓄積されたエネルギーを回収する方法において、
電界発光ランプパネルの両端間に存在する第1電圧をスイッチ方式エネルギー変換回路の入力に印加し、このスイッチ方式エネルギー変換回路を作動して、第1電圧を表すエネルギーを電流に変換し、そしてこの電流を電界発光ランプパネルの動作電圧源に供給することによって、電界発光ランプパネルの作動に必要な、この動作電圧源からの平均出力電流を小さくして、
さらに、前記動作電圧源に供給される電流の振幅対時間特性を制御する工程を有するエネルギーの回収方法。
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