JP4901104B2 - Ｌｅｄ照明モジュール用の給電アッセンブリ - Google Patents

Description

これは、２００１年１月３１日に出願された米国特許出願第０９／７７３，１５９号、したがって、２００１年９月２７日に発行された米国特許出願公開第２００１／００２４１１２号の部分継続出願である。

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明モジュールに給電する給電アッセンブリに関する。

ＬＥＤ照明モジュールは、低効率の白熱電球に代わって多数のアプリケーション、例えば、交通信号の光及び自動車の照明において更に一般的になっている。ＬＥＤ照明モジュールを、アプリケーションに要求される光量に依存して並列、直列又は両方の組合せで配置された複数のＬＥＤから構成することができる。いずれの場合でも、ＬＥＤ照明モジュールは、直流電圧を高周波数でオン及びオフに切り替える給電アッセンブリから操作電力(operating power)を受け取る。そのような給電アッセンブリは、スイッチモード電源として知られており、複数の形態、例えば、フライバックコンバータ、バックコンバータ、ハーフブリッジコンバータ等で利用できる。これらのコンバータの各々は、パルス幅変調信号の形態で定電流をＬＥＤ照明モジュールに供給することができる。

ＬＥＤ発光モジュールを使用するに際し、ＬＥＤ発光モジュールから出力される光の強度を制御できるようにするのが望ましい。これを複数の方法で達成することができる。例えば、ＬＥＤ照明モジュールに供給される電流の量を、パルス幅変調を制御することによって調整することができる。しかしながら、電流強度が一度公称電流強度の２０％より下に降下すると、電流強度と光出力との間の関係が、大きな非線形になり、ＬＥＤ照明モジュールの効率は決して最適でなくなる。

米国特許第５，６６１，６４５号は、電源からＬＥＤアレイへの給電を遮断する回路を有する発光ダイオードアレイ用の電源を記載している。ここで図１に示すように、電源１は、スイッチモードコンバータ１２に接続した電池又は整流された交流（ＡＣ）電圧ラインとすることができる直流電源１０を有し、スイッチモードコンバータ１２は、典型的には、制御スイッチ１４と、ダイオード１６と、インダクタ１８と、任意のキャパシタ２０と、任意の変成器２２とを有する。制御スイッチ１４の制御入力部は、高周波パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング信号を受信する。電源１からの出力は、ＬＥＤ照明モジュール２に接続され、ＬＥＤ照明モジュール２は、（ここでは単一のＬＥＤとして示す）ＬＥＤアレイ２４と、ＬＥＤアレイ２４への給電を遮断する制御可能なスイッチ２６とを有する。制御可能なスイッチ２６は、ＬＥＤアレイ２４に対する平均電流を制御する低周波ＰＷＭスイッチング信号を受信する。図２は、ＬＥＤアレイ２４に流れる電流のプロットを示し、この場合、低周波ＰＷＭスイッチング信号によって期間ＦＤ中に電流パルスＤが生じ、高周波ＰＷＭスイッチング信号によって電流変動ΔＩＤが生じる。この配置によってＬＥＤアレイが常に有効に作動するようにする間、電源１は、制御可能なスイッチ２６がＰＷＭスイッチング信号によってオフに切り替わったときでも常にオンである。図３は、図１の配置の等価回路を示す。明らかなように、制御スイッチ１４が開いているときに直流電源からの電力が遮断される間、制御可能なスイッチ２６が開かない。したがって、この配置は、不必要なエネルギー損失を被る。

発行された米国特許出願公開第２００１／００２３１１２Ａ１号は、米国特許５，６６１，６４５号に示す配置の変形配置を開示する。この変形配置において、電源それ自体は、低周波ＰＷＭスイッチング信号を用いてオン及びオフに切り替えられる。図４は、この変形配置の一例を示す。図１と同様に、電源１’は、スイッチモードコンバータ１２’に接続した電池又は整流された交流（ＡＣ）電圧ラインとすることができる直流電源１０を有し、スイッチモードコンバータ１２’は、典型的には、制御スイッチ１４と、ダイオード１６と、インダクタ１８と、任意のキャパシタ２０と、任意の変成器２２とを有する。制御スイッチ１４の制御入力部は、高周波パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング信号を受信する。電源１’からの出力は、（ここでは単一のＬＥＤとして示す）ＬＥＤアレイ２４を有するＬＥＤ照明モジュール２’に接続される。ＬＥＤ照明モジュール２’は、図１に示す制御可能なスイッチ２６を有しない。スイッチモードコンバータ１２’は、スイッチモードコンバータ１２’をオン及びオフに切り替える手段を有効に制御する低周波ＰＷＭスイッチング信号を受信する入力部を有する。

本発明の目的は、ＬＥＤアレイに対する低周波パルス幅変調を行いながらＬＥＤアレイに対する給電のオン及びオフを切り替える手段を省略することである。

この目的は、ＬＥＤ照明モジュール用の給電アッセンブリであって、第１及び第２供給端子を有する直流（ＤＣ）電源と、ＤＣ電源の第１及び第２供給端子間に接続したダイオード及び制御可能なスイッチの直列配置と、ＤＣ電源の第１供給端子を第１出力端子に接続し、ダイオードと制御可能なスイッチとの間のノードが第２出力端子を形成し、ＬＥＤ照明モジュールが第１及び第２出力端子間で接続可能であるインダクタと、制御可能なスイッチの切替を制御し、デュアルパルス幅変調スイッチング信号を二つの周波数で制御可能なスイッチに供給する手段を有し、これら二つの周波数が、ＬＥＤ電流の大きさを制御する高周波パルス幅変調スイッチング信号成分と、ＬＥＤ電流の持続時間を制御する低周波パルス幅変調信号成分とを有するコントローラとを具えることを特徴とする給電アッセンブリによって達成される。

出願人が見出したところでは、スイッチモード電源の制御スイッチを高周波ＰＷＭスイッチングと低周波ＰＷＭスイッチングの両方に用いることができ、これによって、給電のオン及びオフを切り替える個別の手段を省略する。このために、制御スイッチへの供給信号は、高周波ＰＷＭスイッチング信号と低周波ＰＷＭスイッチング信号の両方を有し、すなわち、高周波スイッチング信号は、低周波数のパルスバースト中に制御スイッチに供給される。

さらに出願人が見出したところでは、給電が個別の手段によってオン及びオフに切り替えられるとき、デューティサイクルが徐々に増減し、デュアルＰＷＭスイッチング信号が制御スイッチに供給されると、デューティサイクルが瞬時的に変化する。

本発明の他の例において、コントローラは、ＬＥＤ電流を表す電流信号を受信する入力部と、低周波パルス幅変調スイッチング信号成分を、電流信号に依存して変更する手段とを更に具える。

出願人が見出したところでは、ＬＥＤ電流を検出することによって、高周波ＰＷＭスイッチング信号成分のデューティサイクルが、ＬＥＤ電流に迅速に応答することができ、これによって、ＬＥＤ電流の上昇／下降時間が最速になる。

上記及び他の目的及び利点を後に明らかにするとともに、本発明を、添付図面を参照して説明する。

図５は、本発明による電源及びＬＥＤ照明モジュールの一般的なブロック回路図を示す。特に、図１及び４と同様に、電源１”は、スイッチモードコンバータ１２”に接続した電池又は整流された交流（ＡＣ）電圧ラインとすることができる直流電源１０を有し、スイッチモードコンバータ１２は、典型的には、制御スイッチ１４と、ダイオード１６と、インダクタ１８と、任意のキャパシタ２０と、任意の変成器２２とを有する。電源１”からの出力は、ＬＥＤアレイ２４を有するＬＥＤ照明モジュール２’に接続される。制御スイッチ１４の制御入力部は、デュアルＰＷＭスイッチング信号を受信する。図６で更に明瞭に示すように、このデュアルＰＷＭスイッチング信号は、実質的には、低周波数のパルスバーストすなわち低周波ＰＷＭスイッチング成分に供給される高周波ＰＷＭスイッチング信号成分の組合せである。

図７は、本発明によるＬＥＤアレイ用のバックコンバータのブロック回路図を示す。特に、ＤＣ電源１０は、ダイオードＤ１及びＭＯＳＦＥＴで示す制御スイッチ３０の直列配置の両端間に接続され、同時に、インダクタ３２及びＬＥＤ照明モジュール２’は、ダイオードＤ１の両端間に接続される。コントローラ３４は、増幅器３６を通じて制御スイッチ３０の制御入力部に供給されるデュアルＰＷＭスイッチング信号を発生する。コントローラ３４は、ＬＥＤ電流に関連する、制御スイッチ３０のドレイン端子で検知された電流を表す信号を受信する入力部を有する。破線で示すように、この入力部は、検知したＬＥＤ電流を表す信号を受信することもできる。

図８は、図７の電源／ＬＥＤ照明モジュールの等価回路図を示す。この形態において、インダクタ電流は、制御スイッチがオフに切り替えられると常に零に向かって降下し、これによって、制御可能なスイッチがオフに切り替えられるときの図３の回路図の現在の問題を回避する。

図９は、コントローラ３４の第１例を有する図７のブロック回路図を示す。特に、コントローラ３４は、電流モードパルス幅変調器３８を有し、電流モードパルス幅変調器３８は、電流源４０からのＬＥＤ電流基準信号、検知電流及び高周波のこぎり波信号を受信する。電流モードパルス幅変調器３８は、ＡＮＤゲート４２の一方の入力部に供給される高周波パルス幅変調スイッチング信号成分を発生し、ＡＮＤゲート４２の他方の入力部は、低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する。ＡＮＤゲート４２からの出力は、増幅器３６を通じて制御スイッチ３０のゲートに供給される。

図１０は、コントローラ３４の第２例を有する図７のブロック回路図を示す。特に、コントローラ３４は、加算器４４を有し、加算器４４は、基準電圧ＶＲＥＦを受信する正入力部と、高周波ランプ信号を受信する負入力部とを有する。加算器４４からの出力は、コンパレータ４６の反転入力部に供給され、コンパレータ４６は、その非反転入力部で検知電流を受信する。コンパレータ４６の出力は、ＲＳフリップ−フロップ４８のリセット入力部に供給され、ＲＳフリップ−フロップ４８は、そのセット入力部で高周波クロック信号を受信する。ＲＳフリップ−フロップ４８のＱ出力は、ＡＮＤゲート５０の一方の入力部に供給され、ＡＮＤゲート５０は、その他方の入力部で低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する。ＡＮＤゲート５０からの出力は、増幅器３６を通じて制御スイッチ３０のゲートに供給される。

図９の例において、ピーク電流検出と平均電流検出のうちのいずれか一方を用いることができるが、図１０の例において、ピーク電流検出が用いられる。

図１１は、コントローラ３４の第３例を示す図７のブロック回路図を示し、この場合、ピーク電流検出と平均電流検出の両方が用いられる。特に、検知電流が、検知電流の平均を形成する積分器５２に供給される。積分器５２の出力は、低周波パルス幅変調器５４に供給され、低周波パルス幅変調器５４は、電流源５６から基準電流を受信するとともに、ユーザ制御部６０に結合された低周波のこぎり波発生器５８から低周波のこぎり波信号を受信する。低周波パルス幅変調器５４からの出力は、ＡＮＤゲート６２の第１入力部に供給される。検知電流は、サンプル−ホールド回路６４にも供給される。ピーク検知電流を表すサンプル−ホールド回路６４からの出力は、高周波パルス幅変調器６６に供給され、高周波パルス幅変調器６６は、電流源６８から基準電流を受信するとともに、高周波のこぎり波発生器７０から高周波のこぎり波信号を受信する。高周波パルス幅変調器６６からの出力は、ＡＮＤゲート６２の第２入力部に供給され、ＡＮＤゲート６２からの出力は、増幅器３６を通じて制御スイッチ３０のゲートに供給される。

動作中、ユーザは、ユーザ制御部５８を用いながらＬＥＤ照明モジュールに対して所望の強度レベルをセットする。低周波のこぎり波発生器５６によって発生した（例えば、各のこぎり波の検出の際に変動する）結果的に得られるのこぎり波信号は、低周波パルス幅変調器５４に供給される。低周波パルス幅変調器は、こののこぎり波信号、基準電圧及び平均ＬＥＤ信号に依存して、適切なパルス幅を有する低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を発生する。同時に、検知電流は、サンプル−ホールド回路６４に供給され及び格納される。サンプル−ホールド回路６４からの出力は、基準電流及び高周波のこぎり波信号とともに高周波パルス幅変調器６６によって処理されて、高周波ＰＷＭスイッチング信号成分のパルス幅を調整する。ＡＮＤゲート６２は、高周波ＰＷＭスイッチング信号成分及び低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を組み合わせてデュアルＰＷＭスイッチング信号を形成し、デュアルＰＷＭスイッチング信号は、増幅器３６を通じて制御スイッチ３０のゲートに供給される。

図１２Ａは、全体に亘るＬＥＤ電流を示す。図１２Ｂは、図６のデュアルスイッチング信号と比較した、例えば、図１２Ａの第１パルスの終了時のＬＥＤ電流を示す。図１２Ｂは、電源をオフに切り替えただけの場合のＬＥＤ電流（破線）も示し、この場合、リンギングを呈する。最後に、図１２Ｃは、図６のデュアルスイッチング信号と比較した、例えば、図１２Ａの第２パルスの開始時のＬＥＤ電流成分を示す。比較のために、図１２Ｃは、電源をオンに切り替えただけの場合のＬＥＤ電流（破線）も示す。

ここに開示した構造の多数の変更及び変形は、それ自体を当業者に示唆する。しかしながら、既に説明した実施の形態は、説明のためのみのものであり、本発明を制約するものとして解釈すべきでない。本発明の範囲から逸脱しないそのような変形の全ては、添付した請求の範囲内に含まれる。

従来のＬＥＤアレイ用電源の一般的なブロック回路図を示す。 図１のＬＥＤアレイを流れる電流のグラフを示す。 図１の電源の等価回路を示す。 従来の他のＬＥＤアレイ用電源の一般的なブロック回路図を示す。 本発明によるＬＥＤアレイ用電源の一般的なブロック回路図を示す。 図５の電源のデュアルＰＷＭ制御信号のグラフを示す。 本発明によるＬＥＤアレイ用バックコンバータのブロック回路図を示す。 図７の電源の等価回路を示す。 コントローラの第１例を示す図７の電源のブロック回路図を示す。 コントローラの第２例を示す図７の電源のブロック回路図を示す。 コントローラの第３例を示す図７の電源のブロック回路図を示す。 図１２Ａは、ＬＥＤ電流のグラフを示し、図１２Ｂは、オフ切替時のＬＥＤ電流の詳細を示し、図１２Ｃは、オン切替時のＬＥＤ電流の詳細を示す。

Claims (6)

1. ＬＥＤ照明モジュール用の給電アッセンブリであって、
   第１及び第２供給端子を有する直流電源と、
   前記第１及び第２供給端子に接続されたスイッチモードコンバータであって、前記スイッチモードコンバータに接続可能なＬＥＤ照明モジュールに給電すると共に、前記直流電源を切替可能に接続するために前記第１及び第２供給端子のうちの少なくとも一方に結合された制御可能なスイッチを有しているスイッチモードコンバータにおいて、前記制御可能なスイッチが通電状態である場合と前記制御可能なスイッチが非通電状態である場合との両方において前記ＬＥＤ照明モジュールが電流を伝導することができるように構成されているスイッチモードコンバータと、
   周期的なＬＥＤ電流であって、各周期のうちの第１の期間において連続的であると共に、各周期のうちの残りの期間においてゼロに等しいＬＥＤ電流が生成されるように、デュアルパルス幅変調スイッチング信号によって前記制御可能なスイッチの切替を制御するコントローラであって、前記ＬＥＤ電流の前記第１の期間における振幅と、前記ＬＥＤ電流の平均値とを制御するために、前記ＬＥＤ電流の各周期のうちの前記第１の期間において前記制御可能なスイッチに高周波パルス幅変調信号を供給する手段と、前記ＬＥＤ電流の各周期のうちの前記残りの期間において前記制御可能なスイッチを非通電状態にする手段とを有する、コントローラと、
   を有するＬＥＤ照明モジュール用の給電アッセンブリ。
2. ＬＥＤ照明モジュール用の給電アッセンブリであって、
   第１及び第２供給端子を有する直流電源と、
   前記直流電源の第１及び第２供給端子の間に接続されたダイオード及び制御可能なスイッチの直列配置と、
   前記直流電源の第１供給端子を第１出力端子に接続し、前記ダイオードと前記制御可能なスイッチとの間のノードが第２出力端子を形成し、前記ＬＥＤ照明モジュールを前記第１及び第２出力端子間で接続可能にするインダクタと、
   前記制御可能なスイッチの切替を制御するコントローラとを具え、前記コントローラが、デュアルパルス幅変調スイッチング信号を二つの周波数で前記制御可能なスイッチに供給する手段を有し、これら二つの周波数が、周期的なＬＥＤ電流であって、各周期のうちの第１の期間において連続的であると共に、各周期のうちの残りの期間においてゼロに等しいＬＥＤ電流が生成されるように、前記ＬＥＤ照明モジュールの前記ＬＥＤ電流の前記第１の期間における振幅を制御する高周波パルス幅変調スイッチング信号成分と、前記ＬＥＤ電流の平均値を制御する低周波パルス幅変調スイッチング信号成分とを有することを特徴とする給電アッセンブリ。
3. 前記コントローラが、ＬＥＤ電流を表す検知電流を受信する入力部と、前記低周波パルス幅変調スイッチング信号成分を、前記検知電流に依存して変更する手段とを更に具えることを特徴とする請求項２記載の給電アッセンブリ。
4. 前記コントローラが、
   基準電流を発生する電流源と、
   高周波のこぎり波信号を発生するソースと、
   前記検知電流、前記基準電流及び前記高周波のこぎり波信号を受信するように結合され、前記高周波ＰＷＭスイッチング信号成分を発生する電流モードパルス幅変調器と、
   前記低周波ＰＷＭスイッチング信号成分のソースと、
   前記高周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する第１入力部及び前記低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する第２入力部を有し、前記デュアルＰＷＭスイッチング信号を発生するＡＮＤゲートとを具えることを特徴とする請求項３記載の給電アッセンブリ。
5. 前記コントローラが、
   電圧基準信号及び高周波のこぎり波信号を受信する加算器と、
   前記加算器の出力部に結合された反転入力部及び前記検知電流を受信するように結合された非反転入力部を有するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力部に結合されたリセット入力部及び高周波クロック信号を受信するように結合されたセット入力部を有するＲＳフリップ−フロップと、
   前記ＲＳフリップ−フロップの出力部に結合された第１入力部及び低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信するように結合された第２入力部を有し、前記デュアルＰＷＭスイッチング信号を発生するＡＮＤゲートとを具えることを特徴とする請求項３記載の給電アッセンブリ。
6. 前記コントローラが、
   前記検知電流を受信するように結合され、前記検知電流の平均を形成する積分器と、
   発生した低周波のこぎり波信号を変更する可変ユーザ制御入力部を有する低周波のこぎり波発生器と、
   第１基準電流源と、
   前記検知電流の平均、前記低周波のこぎり波信号及び前記第１基準電流を受信するように結合され、前記検知電流の平均及び前記低周波のこぎり波信号に依存して、発生した低周波ＰＷＭスイッチング信号成分のパルス幅を変更する低周波パルス幅変調器と、
   前記検知電流を受信するように結合され、前記検知電流のピーク電流信号を発生するサンプル−ホールド回路と、
   第２基準電流源と、
   高周波のこぎり波信号を発生する高周波のこぎり波発生器と、
   前記ピーク電流信号、前記第２基準電流及び前記高周波のこぎり波信号を受信するように結合され、前記ピーク電流信号及び前記高周波のこぎり波信号に依存して、発生した高周波ＰＷＭスイッチング信号成分のパルス幅を変更する高周波パルス幅変調器と、
   前記低周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する第１入力部及び前記高周波ＰＷＭスイッチング信号成分を受信する第２入力部を有し、前記デュアルＰＷＭスイッチング信号を発生するＡＮＤゲートとを具えることを特徴とする請求項３記載の給電アッセンブリ。

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