JP5188690B2

JP5188690B2 - Ｌｅｄを駆動するための装置及び方法

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Publication number: JP5188690B2
Application number: JP2006232786A
Authority: JP
Inventors: 健司山本; リチャード・ルム・コク・キョン
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-08-29
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Description

本発明は、発光ダイオード（LED）点灯装置に関し、特に、照明装置に好適なLED点灯装置及びその点灯方法に関する。

照明装置に適用可能な、商用交流電源からLEDを駆動する従来のLED駆動装置の構成例を図面を参照して説明する。

図８は、従来技術によるLED点灯装置の１例を示す概略図である。図中、４００は、商用交流電源、４０１は、商用交流電源を整流するための整流ダイオード４０１_１〜４０１_４からなる全波整流回路、４０２は、全波整流回路４０１のプラス出力端子Ａに接続されて、LEDアレイ４０３に流れる電流を制限するための限流抵抗器（電流制限抵抗器）、４０３は、Ｎ個（Ｎ≧１）のLED４０３_１〜４０３_Ｎを直列に接続したLEDアレイ、４０４は、全波整流回路の出力を平滑化するためのコンデンサである（例えば、特許文献１の図７を参照）。

図９は、電源トランス５０６を設けた従来技術による別のLED点灯装置を示す。５０２、５０４は、それぞれ、限流抵抗器、平滑用コンデンサであり、図８と同じ参照番号を付した構成要素は図８と同様のものとすることができる。電源トランス５０６は、商用交流電源電圧を必要な電圧に降圧するためのものであり、これによって、４０３のＬＥＤの直列個数を設計目的によって変えたりすることができる。

図１０は、従来技術によるさらに別のLED点灯装置を示し、電力変換効率を高めるために、トランス（不図示）内蔵型のＤＣ／ＤＣコンバータ６０４を設けたものである。６０２は限流抵抗器であり、図８と同じ参照番号を付した構成要素は図８と同様のものとすることができる。
特開平１１−６７４７１号公報

図８に示すような従来構成では、LEDの順方向電圧の総和より高い電圧を供給するために、コンデンサ４０４に高電圧・大容量のものを使用する必要があることから装置のサイズ／コストが大きくなるという問題があった。さらに、LEDへの電流経路に挿入された限流抵抗器４０２には全てのLEDを点灯させるための電流が常時流れるために、限流抵抗器における電力消費が大きくなるという問題があった。

図９に示すような従来構成では、電源トランスを設けたために装置のサイズ、コスト、及び重量が大きく、また、限流抵抗器における電力消費も依然として大きいという問題があった。

図１０に示すような従来構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けたことにより、図８や図９に示す構成と比較して電力効率の改善が期待されるが、トランス内蔵のＤＣ／ＤＣコンバータに加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータが発生するノイズ対策のためにＥＭＩフィルタが必要となるなど、装置のサイズ／コストが大きくなるという問題があった。

以上のように、従来技術によるLED点灯装置はいずれも、サイズ／コストの問題と電力効率の問題の両方を同時に解消しうるものではなかった。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた装置ではさらにノイズ対策が別途必要となる。電力効率の問題は、白色ＬＥＤを使った電球や蛍光灯の代替を目的とする照明器具を設計する場合には特に問題になる。

したがって、本発明の目的は、電力効率が高く、かつ、格別なノイズ対策を要しないLED点灯装置及び点灯方法を提供することである。本発明の他の目的は、高電圧・大容量コンデンサ、電源トランス、及びＤＣ／ＤＣコンバータを使用することなく、より小さなサイズ／単純な構成（したがって低コスト）のLED点灯装置を提供することである。

本発明は、直列接続された複数のLEDからなるLEDアレイを交流電源によって点灯するLED点灯装置において、交流電源電圧の大きさに応じて、LEDアレイ中の各LEDの点灯または消灯を選択的に制御し、これによって、交流電源を効率よく利用するものである。

本発明の一態様では、交流電源を整流した信号電圧（以下、整流電圧）を所定の基準電圧と比較し、交流電源電圧が基準電圧より大きいときにはより多くの数のLEDを点灯させ、小さいときにはより少ない数のLEDを点灯させる。この場合、電源電力をより効率的に利用できるようにするために、任意の時点において、その時点の電源電圧によって点灯可能な最大数のLEDを点灯させるように制御するのが好ましい。

本発明によれば、電力効率の高いLED点灯装置を提供することができる。また、本発明によれば、そのようなLED点灯装置を、格別なノイズ対策を要することなく、よりコンパクト／より低コストで提供することが可能となる。

本発明の実施形態の具体的構成に基づいて説明する前に、その動作の概念を図３、図４を参照して説明する。

図３は、本発明の一実施形態の動作を説明するための概念的な構成図であり、図４は交流電源波形を全波整流した整流電圧波形をその一周期の時間Ｔ（たとえば、Ｔ＝１／５０秒）にわたって示したものである。

図３に示すように、LED_０〜LED_Ｎ−１のＮ個（Ｎは実施要件に応じて適宜に決定することができる）のLEDが直列接続されたLEDアレイに整流電圧V_ｉを印加してLEDを駆動するものとする。SW_０〜SW_Ｎ−１は、対応するLEDへの駆動電流をオン・オフするためのスイッチであり、スイッチがオンのときには、対応するLEDのアノードとカソードが短絡されてそのLEDには電流が流れず、スイッチがオフのときには対応するLEDに電流が流れてそのLEDが点灯する。これらのスイッチのオン・オフはスイッチ制御回路１０によって制御される。

スイッチ制御回路１０は、電源電力を効率良く利用するために、任意の時点において、その時点で生成されている整流電圧によって点灯可能な最大数のLEDが点灯されるようにスイッチを制御するのが好ましいので、以下ではこの場合について説明する。すなわち、ある時刻において印加されている整流電圧によって駆動可能な最大数のLEDがｋ（０＜ｋ≦Ｎ）個である場合には、スイッチ制御回路１０は、ｋ個のLEDに電流が流れるようにスイッチSW_０〜SW_Ｎ−１を制御する。ここで、簡単のために、各LEDの順方向電圧は全て等しいと仮定すると、ｋ個の任意のスイッチをオフにすればよい。たとえば、SW_０〜SW_ｋ−１のｋ個だけをオフにし、他のスイッチをオンにする（尚、この場合、ｋ個より多くのスイッチをオフにすると、全てのLEDが点灯されないことになる）。

整流電圧によって駆動可能なLEDの最大数を決定するためには、任意の時刻における整流電圧の大きさを画定する必要があるが、一実施形態では、整流電圧と所定の基準電圧とを比較することによってこれを行う。

図４において、VREF_０、VREF_１、VREF_２、・・・VREF_Ｎ−２、VREF_Ｎ−１はＮ個のそれぞれ異なる基準電圧を表し、VREF_０＜VREF_１＜VREF_２＜・・・＜VREF_Ｎ−２＜VREF_Ｎ−１である。

ここで、整流電圧V_ｉが、VREF_０≦V_ｉ＜VREF_１、VREF_１≦V_ｉ＜VREF_２、・・・、VREF_Ｎ−２≦V_ｉ＜VREF_Ｎ−１、VREF_Ｎ−１≦V_ｉのときに駆動可能な最大のLEDの数が、たとえば、それぞれ、１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎ個となるように、これらの基準電圧は設定される。実際には、これらの基準電圧は各LEDの順方向電圧に基づいて決定することができる。

基準電圧が上記のように設定されている場合の動作を、図４の整流電圧波形の１／４の周期までの時間（＝Ｔ／４）について、時間軸に沿って説明すると次のようになる。時間０〜ｔ_０までは、整流電圧が基準電圧VREF_０より小さいので点灯するLEDの数は０個である。以下同様にして、時間ｔ_０〜ｔ_１、ｔ_１〜ｔ_２、・・・、ｔ_Ｎ−２〜ｔ_Ｎ−１、ｔ_Ｎ−１〜Ｔ／４までは、それぞれ、１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎ個のLEDが点灯することなる。残りの１／４の周期の時間Ｔ／４〜Ｔ／２までについても、同様にしてLEDの点灯する数が決まるが、この場合は、整流電圧が減少していくので、各基準電圧と整流電圧との交差位置に応じて、点灯するLEDの数もＮ個から段階的に減少していくことになる。

次に、図５を用いて、５つのLEDを直列接続したLEDアレイについて、整流電圧の変化に伴ってLEDの点灯／消灯状態がどのように制御されて変化するかを説明する。

図３のスイッチ（SW_０〜SW_Ｎ−１）に相当する構成要素として、ここではオン抵抗の低いDMOS（Double Diffused MOS： 2重拡散型MOS）トランジスタを採用している。フローティング電流源はLEDアレイへの電流を制限するためのものであり、フローティング電流源には全波整流されたＡＣ入力の電圧範囲、すなわち、整流電圧の電圧範囲である０（最小）〜Ｖ_PEAK（最大）の電圧が入力されるものとする。

図中、「ON」のラインが接続されているDMOSのゲートは駆動されてそのDMOSはオン状態であり、「OFF」のラインが接続されているDMOSのゲートは０ボルトであってそのDMOSはオフ状態である。DMOSのオン／オフ状態に応じてそれぞれのDMOSに接続されたLEDが消灯／点灯する（白抜きのLEDが点灯しているLEDであり、黒で塗りつぶされたLEDが点灯していないLEDである）。

整流電圧波形が最小値となる近辺（図中の波形上ａ、ｅの位置）では、Ａ、Ｅにそれぞれ示すように、一番上のDMOSがオフになってそれに接続された１個のLEDだけが点灯し、それより下のDMOSはオンになり、下側４個の全てのLEDが消灯する。整流電圧波形が最大値となる近辺（図中の波形上ｃの位置）では、Ｃに示すように全てのDMOSがオフになり、５個全てのLEDが点灯する。これら２つの間の部分（たとえば、図中の波形上ｂ、ｄの位置）では、整流電圧の電圧値に応じて、Ｂ、Ｄにそれぞれ示すように、２つ以上のいくつかのDMOSがオンになり、その他のDMOSがオフになる。このように、整流電圧の大きさの変化に応じて、温度計の液柱が上下するようにLEDが順に点灯または消灯していく。

ここで、オンとなっているDMOSのソースとドレインの電圧は０ボルトに近いが、このことは、DMOSのゲート電圧に高い交流電源電圧を印加する必要がないことを意味し、DMOSの安全動作のために非常に重要である。すなわち、DMOSのゲート電圧は低い電圧でオン／オフになり、オフ状態のDMOSのソース−ドレイン間にのみ高い電圧が生じる。かかる構成では、整流電圧が高いときにオフ状態のDMOSが多くなり、そのため、DMOSに印加される電圧は直列に接続された多くのオフ状態のDMOSで分割されるので、オフ状態の各DMOSのソース−ドレイン間電圧は小さくなる。図示の構成では、それぞれのDMOSのソース−ドレイン電圧は、対応するLEDの順方向電圧にクランプされる。

尚、説明の便宜上、５個のLEDだけを直列接続しているが、実際の回路では、フローティング電流源における電力損失を最小にして、整流電圧の使用効率をより最適化するために、LEDアレイをより多くのLEDの直列接続から構成するのが望ましいであろう。

１．第一の実施形態
以下、図１を参照して本発明の第一の実施形態を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態によるLED点灯装置の略ブロック図である。

図１の交流電源１００及び整流回路１０１は、図８乃至１０に示された従来構成と同様のものとすることができる。LED点灯装置の交流電源には、汎用性を考慮して商用電源（たとえば、１００Ｖ〜２２０Ｖ、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ）を採用するのが一般的であるが、商用電源以外の交流電源を採用することもできる。本実施形態では、１００Ｖ、５０Ｈｚの単相交流電源を採用することを想定しているが、三相交流等の電源としてもよい。

１０１は、４つの整流ダイオード１０１_１、１０１_２、１０１_３、１０１_４からなる全波整流回路であり、商用交流電源を整流して、図４に例示されているような整流電圧波形をプラス出力端子Ａとマイナス出力端子Ｂ間に出力する。

１０２は、全波整流回路１０１のプラス出力端子Ａに接続され、LEDアレイ１０３に流れる電流量を制御するためのフローティング電流源（floating current source）であり、その構成及び動作については後述する。

１０３は、Ｎ＋１個の高輝度LED１０３_０〜１０３_Ｎを直列に接続したLEDアレイであり、このうち、後述するチップ２００内のLED点灯制御回路による点灯／短絡の制御対象となるLEDは、１０３_０〜１０３_Ｎ―１のＮ個である。ここでは固体照明装置への適用を意図して高輝度LEDを採用したが、通常程度の輝度を持つＬＥＤでもよい。また、説明を簡単にするために、LEDの順方向電圧は全て等しいと仮定する。

１０４は、一方の端子が全波整流回路１０１のプラス出力端子Ａに、他方の端子がＩＣチップの電源端子（VCC）に接続され、チップ２００への電流を制限するための電流制限抵抗器である。この他方の端子は、後述のホールドコンデンサ１０６及びツェナーダイオード２０１のカソードにも接続されている。

１０５は、整流回路１０１の出力端子Ａ、Ｂ間に接続されて、整流回路１０１の出力電圧（整流電圧）を抵抗器１０５_１と１０５_２で分圧して、分圧した電圧をチップ２００の端子V_SENSEに供給するための分圧器である。このように分圧するのは、後述するLED点灯制御回路２００のＩＣチップの耐電圧特性に適合させるためであり、抵抗器１０５_１、１０５_２の抵抗値は、チップ２００内のLED点灯制御回路が、V_SENSE端子における入力電圧として対応可能な電圧範囲内の値となるように決定することができる（プラス出力端子Ａにおけるピーク電圧が１４０ＶのときにV_SENSE端子における電圧が５Ｖになるように設定する場合には、抵抗器１０５_１と１０５_２の抵抗値をたとえば１３５キロオーム、５キロオームとすることができる）。

１０６は、全波整流回路１０１のマイナス出力端子Ｂに接続されて、ツェナーダイオード２０１と協働して、チップ電源端子VCCに安定な直流電圧を供給するためのホールドコンデンサである。ツェナーダイオード２０１とホールドコンデンサ１０６とは並列接続されている。尚、チップ電源端子VCCにおける電圧、ホールドコンデンサの容量の例示的な値は、それぞれ、５Ｖ、０．１μＦである。

太字の破線で囲んだ部分２００は、以下で説明するLED点灯制御回路（以下、単に制御回路という）が実装された１つのチップであり、端子V_SENSEにおける電圧の大きさ、したがって、交流電源電圧の大きさに応じて、LEDアレイ１０３中の各LEDの点灯／短絡を選択的に制御するよう動作する。以下では、チップ２００を制御回路２００ともいう。

次に、制御回路２００の構成について説明する。２０２は複数の異なる基準電圧を生成するための基準抵抗列であり、Ｎ＋１個の抵抗器２０２_０〜２０２_Ｎの直列接続からなる。基準抵抗列２０２は、チップ電源端子VCCとグランド端子GNDの間に設けられており、最も上側の抵抗器２０２_Ｎは電源端子VCCに接続され、最も下側の抵抗器２０２_０はグランド端子GNDに接続されている。各基準電圧は、基準抵抗列２０２中の隣接する２つの抵抗器間の電圧として得られる。すなわち、各抵抗器は、端子VCCにおける一定電圧をＮ個の異なる基準電圧Vref_０、Vref_１、・・・、Vref_Ｎ−１に分圧する分圧抵抗器として機能する。ここで、Vref_０＜Vref_１＜・・・＜Vref_Ｎ−１である。尚、これらの基準電圧は整流電圧を分圧器で分圧した電圧と比較されることから、通常は、図４に示した基準電圧VREF_０〜VREF_Ｎ−１とは異なることに留意されたい。

２０３は、分圧器１０５により端子V_SENSEに印加される電圧（以下、V_SENSE電圧といい、その大きさをVdとする）と上記複数の異なる基準電圧とを比較して、それらの電圧の大小関係を表す比較結果信号を生成するための比較器回路であり、Ｎ個の比較器２０３_０〜２０３_Ｎ−１から構成される。各比較器は、反転入力の電圧が非反転入力の電圧以上のときには出力を論理低レベルに駆動し、反転入力の電圧が非反転入力の電圧よりも小さいときには出力を論理高レベルに駆動するよう動作する。図示のように、各比較器の反転入力には、V_SENSE電圧が入力され、非反転入力には、それぞれの基準電圧が入力される。

具体的には、図中、一番上側の比較器２０３_Ｎ−１の反転入力にはV_SENSE電圧が入力され、非反転入力には基準抵抗列２０２の一番上側の抵抗器２０２_Ｎとそれに隣接する抵抗器２０２_Ｎ−１との接続点における基準電圧Vref_Ｎ−１が入力される。以下、同様であり、比較器２０３_１、２０３_０の非反転入力には、それぞれ、抵抗器２０２_２（不図示）と２０２_１間、２０２_１と２０２_０間の接続点における基準電圧Vref_１、Vref_０が入力される。

２０４は、前段の比較器回路２０３からの出力に応答して、後段のスイッチ回路中の各スイッチ素子をオン／オフすることにより、LEDアレイ１０３中の点灯または消灯させるLEDを指定する点灯LED選択回路であり、本実施形態では、Ｎ−１個の２入力OR素子で構成されている。

OR素子の２つの入力のそれぞれには、比較器回路中の隣接する２つの比較器の出力が接続されている。たとえば、OR素子２０４_１の一方の入力には比較器２０３_１の出力が、他方の入力には、比較器２０３_１の１つ上にある比較器２０３_２（不図示）の出力がそれぞれ接続され、OR素子２０４_０の一方の入力には比較器２０３_１の出力が、他方の入力には比較器２０３_０の出力がそれぞれ接続されている。したがって、１つの比較器の出力が高レベルになると、この比較器に接続された２つのOR素子の出力が高レベルになる。このような接続構成としたのは、該図中においてひとつのＦＥＴに着目した場合、そのＦＥＴのゲート・ソース間電圧を制御して同ＦＥＴのドレイン・ソース間を導通させようとする（オンさせる）場合、同図中該ＦＥＴより下側のＦＥＴがすべてオンしていた方がＩＣチップの最低電圧を接続する端子の電位に対するゲート電圧を低くすることができるので、回路設計上都合がよいのと、ＩＣチップの耐電圧特性は比較的低電圧であるので、同ＩＣチップに高電圧が印加される危険性を下げることができるからである。

２０５は、LEDアレイ１０３中の各LEDへの駆動電流のオン・オフ、すなわち、各LEDに駆動電流を流して点灯させるか、または、各LEDに駆動電流が流れないようにして消灯させるかを切り換えるスイッチ回路である。このスイッチ回路は複数のスイッチ素子からなり、これらのスイッチ素子はトランジスタスイッチとすることができる。本実施形態ではトランジスタとしてDMOSトランジスタ（以下DMOSスイッチという）を採用し、Ｎ個のDMOSスイッチ２０５_０〜２０５_Ｎ−１でスイッチ回路を構成している。各DMOSスイッチは対応する各LEDと並列に接続されており、より詳しくは、各DMOSスイッチ２０５_０〜２０５_Ｎ−１のドレインとソースが、チップ２００のGND、V_０、・・・、V_Ｎ−２、V_Ｎ−１端子を介して、LEDアレイ１０３中の対応する各LED１０３_０、・・・、１０３_Ｎ−１のアノードとカソードにそれぞれ接続されている。

一番上側のDMOSスイッチ２０５_Ｎ−１のベースには比較器２０３_Ｎ−１の出力が直接接続され、それ以外の各DMOSスイッチのベースには対応する各OR素子の出力がそれぞれ接続されている。あるOR素子の出力が高レベルのときは、そのOR素子の出力に接続されたDMOSスイッチはオンになるので、このDMOSスイッチのドレイン・ソース間に接続されたLEDには電流は流れずこのLEDは消灯することになる。この状態は、DMOSスイッチを介してLEDのアノードとカソードが電気的に短絡された状態といえることから、本明細書では、この状態を「LEDが短絡されている」という。また、本明細書では、DMOSスイッチがオフとなってLEDに電流が流れている状態を「LEDが点灯されている」という。

次に、上記構成要素からなる制御回路２００によるLEDの短絡／点灯制御を、図１においてＮ＝７とした場合の制御回路２００の主要部を示す図２を参照して説明する。この場合、制御回路２００による点灯／短絡の制御対象となるLEDは、１０３_０〜１０３_６の７個であり、これら７個のLEDを本明細書では特に「制御対象LED」という。

この実施形態では、LEDアレイ１０３中のいずれのLEDも短絡されないとした場合に、Vref_０≦Vd＜Vref_１、Vref_１≦Vd＜Vref_２、Vref_２≦Vd＜Vref_３、Vref_３≦Vd＜Vref_４、Vref_４≦Vd＜Vref_５、Vref_５≦Vd＜Vref_６、Vref_６≦VdのそれぞれのV_SENSE電圧Vdの範囲に対応する範囲の整流電圧により点灯可能なLEDの最大数が、それぞれ、１、２、３、４、５、７、８となるように、図１の分圧器１０５の分圧比に応じて各基準電圧を設定している。この場合、VdがVref_０、Vref_１、Vref_２、Vref_３、Vref_４、Vref_５、Vref_６のときの整流電圧は、LEDアレイ１０３中のいずれのLEDも短絡されないとした場合に、それぞれ、最大１、２、３、４、５、６、８個のLEDを点灯可能な電圧のうちの最低の電圧である。Vref_５≦Vd＜Vref_６に対応する整流電圧は、最大７個のLEDを点灯可能な範囲を有するが、これは、図２に示す構成の点灯LED選択回路２０４を採用したことによるものであり、図２の構成によれば、Vref_５≦Vd＜Vref_６のときに実際に点灯されるLEDは６個となる。

これに関しては、たとえば、図２において、LED点灯制御回路２０４を除去して、比較器２０３_０〜２０３_６の出力を対応するDMOS２０５_０〜２０５_６のベースにそれぞれ直結し、かつ、LED１０３_７を除去した構成とすれば、Vref_０≦Vd＜Vref_１、Vref_１≦Vd＜Vref_２、Vref_２≦Vd＜Vref_３、Vref_３≦Vd＜Vref_４、Vref_４≦Vd＜Vref_５、Vref_５≦Vd＜Vref_６、Vref_６≦VdのそれぞれのV_SENSE電圧Vdの範囲に対応する範囲の整流電圧により点灯可能なLEDの最大数が、LEDアレイ１０３中のいずれのLEDも短絡されないとした場合に、それぞれ、１、２、３、４、５、６、７個となるように設定することができ、かつ、実際に点灯されるLEDの数もこれと一致させることができる。したがって、この場合は、任意の時点において、常に、その時点の整流電圧によって点灯可能な最大数のLEDが点灯されることになる。ここでは、図２に示す構成の点灯LED選択回路２０４に基づいて説明する。

先ず、V_SENSE電圧VdがVref_０より小さい場合の動作は以下のようになる。V_SENSE電圧Vdは、全ての基準電圧値より小さいので、全ての比較器の出力が高レベルとなり、したがって、全てのDMOSスイッチがオンとなって、ＬＥＤ１０３_０〜１０３_６全てが短絡される。さらに、このときの整流電圧は１個のLEDを駆動するにも足りないものであるから、結局、一番上側のLED１０３_７を含む全てのLEDが点灯しないことになる。

次に、V_SENSE電圧VdがVref_０以上でVref_１より小さい場合は、比較器２０３_０、２０３_１の出力はそれぞれ、低レベル、高レベルとなるが、OR素子２０４_０の一方の入力には比較器２０３_１の高レベルの出力が接続されるのでDMOSスイッチ２０５_０、２０５_１はいずれもオンになる。したがって、LED１０３_０、１０３_１は短絡されて点灯されない。この場合は、V_SENSE電圧Vdは、Vref_１以上の任意の基準電圧より小さいので、比較器２０３_１及びそれより上側にある全ての比較器の出力は高レベルとなる。したがって、結局、制御対象のLED全てが短絡され、点灯するLEDは一番上側のLED１０３_７の１個のみとなる。

次に、VdがVref_１以上でVref_２より小さい場合の動作は次のようになる。比較器２０３_０、２０３_１の出力はいずれも低レベルとなり、比較２０３_２及びこれより上側の比較器の出力はいずれも高レベルとなる。したがって、OR素子２０４_０の出力は低レベル、それ以外のOR素子の出力は高レベルとなり、DMOSスイッチ２０５_０のみがオフとなるから、制御対象のLEDのうちLED１０３_０だけが短絡されない。よってこの場合は、点灯するLEDは、一番上側のLED１０３_７とLED１０３_０の２個である。

同様にして、V_SENSE電圧Vdが、Vref_２≦Vd＜Vref_３、Vref_３≦Vd＜Vref_４、Vref_４≦Vd＜Vref_５、Vref_５≦Vd＜Vref_６のときには、それぞれ、３、４、５、６個のLEDが点灯することになる。

最後に、VdがVref_６以上の場合は、Vdは、他の全ての基準電圧よりも大きいので、全ての比較器の出力が低レベルとなり、したがって、全てのDMOSスイッチがオフとなり、一番上側のLED１０３_７を含む８個の全てのLEDが点灯することになる。

尚、以上の動作において、Vdが上昇して、Vref_ｋ（０≦ｋ≦５）以上になるような場合には、Vref_ｋに達した時点で点灯するLEDの最大数が（ｋ＋１）個になり（但し、Vref_６に達した場合には８個になる）、Vdが下降して、Vref_ｋ（０≦ｋ≦６）を下回るような場合には、Vref_ｋを下回った時点で駆動するLEDの最大数がｋ個になるように制御されることが理解されよう。

次に、図１のフローティング電流源１０２の構成及び動作を、その一構成例を示す図６を参照して説明する。図示のフローティング電流源１０２は、LEDアレイに一定値以上の電流が流れるのを阻止するものであり（したがって、フローティング電流源１０２は過電流保護機能を有する）、トランジスタQ1、Q2、抵抗器R1（抵抗値r1）、R2（抵抗値r2。r2＞＞r1）から構成される。抵抗器R2の一方の端子はトランジスタQ1のコレクタに、他方の端子は、トランジスタQ1のベース及びトランジスタQ2のコレクタに接続されている。トランジスタQ1のベース、エミッタは、トランジスタQ2のコレクタ、ベースにそれぞれ接続されている。抵抗器R1の一方の端子は、トランジスタQ1のエミッタ及びトランジスタQ2のベースに、他方の端子は、トランジスタQ2のエミッタにそれぞれ接続されている。トランジスタQ2のエミッタと抵抗器R1の接続点にはLEDアレイ１０３が接続されている。

かかる構成において、整流回路１０１のプラス出力端子Ａ（図１）における整流電圧V_ｒｅｃがトランジスタQ1のコレクタに印加されると共に、抵抗器R2を介してトランジスタQ1のベースに印加される。V_ｒｅｃの印加によりR2を介してトランジスタQ1にベース電流が供給されトランジスタQ1がオンになる。抵抗器R1を流れる電流が増加して、トランジスタQ2のベース−エミッタ間電圧V_BEに等しくなると、トランジスタQ2がオンになると共にトランジスタQ1のベース電流が減少してトランジスタQ1がオフになる。したがって、LEDアレイ１０３に流れる電流は、最大V_BE／ｒ1に制限されることになる。これによって、LEDアレイに一定値以上の電流が流れ込むことによる電力損失の増加を防止することができる。

ここで、LEDアレイ１０３中の点灯させるLEDの順方向電圧の総和とそのときのフローティング電流源の入力電圧V_ｒｅｃをできるだけ近接させて、Q1における電圧降下を最小にすることによって、より高い電力効率を得るようにするのが望ましく、また、そうすることによって、フローティング電流源を低コストかつ低電圧のデバイスで構成することが可能となる。この点、本発明によれば、任意の時点において、その時点での整流電圧によって点灯可能な最大数のLEDを点灯させることができるので、整流電圧波形の全ての期間にわたってフローティング電流源における電圧降下を最小化することが可能である。

２．第二の実施形態
次に、本発明の第二の実施形態を図７を参照して説明する。この実施形態は、図１に示す構成において、各LEDを並列配置し、かつ、点灯LED選択回路２０４、スイッチ回路２０５の構成をそれぞれ、制御論理回路２０４’、スイッチ回路２０５’に変更したものに相当する。その他の部分の構成については図１に示すものと同様のものを採用することができる。

図７のLED１０３’_０−１〜１０３’_{（Ｎ−１）−３}は、点線の枠で示されているように、それぞれが３つのLEDからなるＮ個のブロックに分けることができる。これらのブロックは、１０３’_０−１、１０３’_０−２、１０３’_０−３からなるブロック０、１０３’_１−１、１０３’_１−２、１０３’_１−３からなるブロック１、以下同様に不図示のブロック２、３、・・・（Ｎ−２）、そして最後に、１０３’_{（Ｎ−１）−１}、１０３’_{（Ｎ−１）−２}、１０３’_{（Ｎ−１）−３}からなるブロック（Ｎ−１）である。但し、Ｎは、実施要件に応じて適宜設定可能な１以上の整数である。

ここで、各ブロックのLEDは図示のように対応するFET（電界効果トランジスタ２０５’_０−１〜２０５’_{（Ｎ−１）−３}）に接続されているが、その接続構成は、図１のDMOS２０５_ｋ（ｋ＝０〜Ｎ−１）とそのDMOSのソース・ドレイン間に接続されたLED１０３_ｋからなる構成にさらに、DMOSとLEDの直列接続構成を２つ並列に接続したものに相当することが理解されよう。尚、図７ではスイッチ回路２０５’のスイッチ素子としてDMOSではなくFETを用いているが、DMOSその他のトランジスタを使用できることは言うまでもない。また、FETとLEDの直列接続構成を２つとしているが、この数は実施要件に応じて適宜設定することができる。

たとえばブロック０の３つのLEDについて説明すると、LED１０３’_０−１は、FET２０５’_０−１のソース・ドレイン間に端子GNDと端子V_２を介して接続され、LED１０３’_０−２、LED１０３’_０−３は、それぞれFET２０５’_０−２、２０５’_０−３に端子V_０、端子V_１を介して直列に接続されている。さらに、LED１０３’_０−２とFET２０５’_０−２の直列接続構成、及び、LED１０３’_０−３とFET２０５’_０−３の直列接続構成が、FET２０５’_０−１に並列に接続されている。そして、FET２０５’_０−１、２０５’_０−２、２０５’_０−３のそれぞれのベースには、制御論理回路２０４’からのそれぞれの制御信号が入力され、この制御信号の論理レベルに応じて各FETのオン／オフが制御される。

図示のように、ブロック０の各LEDと対応するFETとの接続構成は、他のブロックのLEDについても同様であって、ブロック１はブロック０に直列に接続され、以下同様にブロック（Ｎ−１）まで直列に接続された構成となっている。

このように各ブロックごとに複数のLEDを設けて、FETをLEDに直列に接続した第二の実施形態によれば、制御論理回路の論理設計を適宜行うことにより、LEDの消費電流波形を電源電圧波形に近似させることができ、電源の高調波抑制の点で有利である。

また、点灯するLEDの数を調整することによって、効率を下げることなく明るさを制御することが可能である。さらに、各ブロックごと及び／または各ブロック内で異なる電気的特性／光学的特性のLEDを使用することができ、たとえば、色の違うＬＥＤを使うことによって色調を変化させることが可能である。

次に、本発明に係るLED点灯方法の１例を示す。この方法は、以下のステップ１００〜４００を含む。
・複数のLEDの直列接続からなるLEDアレイを提供するステップ（ステップ１００）、
・交流電源電圧を整流するステップ（ステップ２００）、
・整流した電圧（以下、整流電圧という）をLEDアレイに供給するステップ（ステップ３００）、
・整流電圧の大きさを判定するステップ（ステップ４００）。

ステップ４００は、所望の電圧範囲に収まるように分圧された整流電圧と基準電圧の各々とを比較するステップを含むことができる。また、ステップ４００は、整流電圧の大きさを基準電圧との関係で画定するステップを含むことができる。すなわち、１つまたは複数の基準電圧と整流電圧との大小関係を比較することにより、整流電圧の大きさを画定するステップを含むことができる。この場合、画定された整流電圧の大きさに応じて点灯／短絡するLEDの数を決定することができる。たとえば、整流電圧が一番低いレベルの基準電圧よりも低い場合には最小数のLEDを点灯させ、以下、整流電圧より低い最大の基準電圧が高くなるにつれて順次点灯するLEDの数を多くしていく。そして、整流電圧が最も高い基準電圧よりも高い場合には最大数のLEDを点灯させる。

本発明をいくつかの実施形態を例示して説明したが、本発明は例示した実施形態に限定されるものではなく、例示の実施形態に対して、種々の置換、変形等を施したものも本発明の範囲に含まれる。それらの置換、変形等に関する事項のうちのいくつかを以下に例示する。

・例示の実施形態では、整流電圧を分圧して基準電圧と比較する構成としたが、整流電圧を分圧することなく基準電圧と直接比較する構成とすることも本発明の範囲内である。そのような構成は、基準電圧発生手段、及び、基準電圧と整流電圧との比較手段をどのように構成するかといった設計事項の問題である。

・整流電圧の大きさの範囲を画定するための手段は、１つまたは複数の基準電圧と整流電圧を比較する構成には限定されない。たとえば、基準電圧と整流電圧の差の大きさに応じて、各LEDの点灯／短絡を制御してもよい。また、既知の電圧検知回路を用いて整流電圧の大きさを測定し、この測定結果に応じて、各LEDの点灯／短絡を制御してもよい。

・例示の実施形態において、任意の時点について、その時点での整流電圧により駆動可能な最大数のLEDが点灯されるように基準電圧を設定するのが電源電力の使用効率の点から好ましいが、基準電圧をどのように設定するかは、電力効率の向上と他の実施要件を考慮して行いうる設計事項である。

・例示の実施形態の点灯LED選択回路は、制御対象LEDについては、整流電圧が上昇していくにつれて、LEDアレイの一方の側から他方の側へと順にLEDを点灯していき、整流電圧が順次下降していくにつれて、これとは逆の方向、すなわち、LEDアレイの上記他方の側から上記一方の側へとLEDを順に短絡させる構成としたが、本発明は、このような点灯シーケンスに限定されない。たとえば、整流電圧の大きさが同じ場合には、短絡または点灯させるLEDの数を同じとしつつ、整流電圧の上昇、下降に応じて、LEDアレイ中の任意の位置のLEDを短絡または点灯させる構成としてもよい。短絡または点灯させるLEDを、LEDの電気的特性及び／または光学的特性を考慮して選択するようにしてもよい。

・各基準電圧の増分は一定（この場合は、例示の実施形態におけるそれぞれの基準抵抗器の抵抗値が等しい）の場合もあるが異なる場合もある。たとえば、各LEDの順方向電圧が異なる場合には、それに応じて基準電圧の増分を異なる値に設定する（すなわち、例示の実施形態における一部または全ての基準抵抗器の抵抗値が異なるようにする）ことができる。

・例示の実施形態では１つのスイッチ素子で１つのLEDを短絡／点灯するようにしているが、１つのスイッチ素子で複数のLEDを短絡／点灯するようにすることもできる。これは、たとえば、第一の実施形態において、任意の１つまたは複数のDMOSスイッチの各々のドレイン・ソース間に複数のLEDを直列に接続した構成とすることによって達成される。

・整流回路は全波整流回路に限られず、半波整流回路等の他の整流回路であってもよい。

・フローティング電流源の代わりに限流抵抗器などのインピーダンス素子を用いることもできる。この場合、例示の実施形態では、インピーダンス素子は、図１の整流回路１０１のプラス出力端子ＡとLEDアレイ１０３の間に直列に接続される。

・例示の実施形態では、ツェナーダイオードを用いて定電圧を生成しているが、他の既知の構成による定電圧発生回路を用いて定電圧を生成するようにしてもよい。

・フローティング電流源が温度の影響を受けないようにするための温度補償回路を図６の構成に追加してもよい。

・例示の実施形態では、LED点灯制御回路を１つのチップ上に実装されたものとして説明したが、これに限られず、たとえば、一部または全体を個別部品で構成してもよい。

尚、上記実施形態において示した各種値（抵抗値、容量値、電圧値など）は単なる一例として提示したものであって、実施要件に応じて適宜設定可能であることはいうまでもない。

以上説明したように本発明は、LED点灯装置において交流電源電力を高い効率で使用しうることから、LEDを用いた固体照明装置に好適である。特に高輝度LEDをLEDアレイに採用した場合には、蛍光灯や白熱灯の代用として好適である。

本発明の第一の実施形態によるLED点灯装置の略ブロック図である。図１においてＮ＝７とした場合の具体的な構成例である。本発明の一実施形態の動作を説明するための構成の概念図である。交流電源波形を全波整流回路により整流した整流電圧波形を示す。整流電圧の変化に伴うLEDの点灯／消灯の様子を、５つのLEDを直列接続したLEDアレイの場合について説明するための図である。図１のLED点灯装置のフローティング電流源の回路例を示す。 LEDを並列設置した本発明の第二の実施形態によるLED点灯装置の略ブロック図である。従来技術によるLED点灯装置を示す概略図である。従来技術による別のLED点灯装置を示す概略図である。従来技術によるさらに別のLED点灯装置を示す概略図である。

符号の説明

１００交流電源
１０１全波整流回路
１０２フローティング電流源
１０３ LEDアレイ
２００ LED点灯制御回路（チップ）
２０１ツェナーダイオード
２０２基準抵抗列
２０３比較器回路
２０４点灯LED選択回路
２０５スイッチ回路

Claims

交流電源を整流するための整流回路と、
直列に接続された複数のLEDブロックからなるLEDアレイと、
前記整流回路と前記LEDアレイとの間に直列に接続されたフローティング電流源と、
前記整流回路の出力電圧の大きさを判定し、この判定結果に応じて、前記LEDアレイ中の各LEDブロックへの駆動電流のオン・オフを制御するための制御手段
を備え、
各LEDブロックは第１のLEDグループを含む複数のLEDグループからなり、前記複数のLEDグループの各々は１つのLEDまたは直列接続された複数のLEDからなり、各LEDブロックにおいて、前記第１のLEDグループ以外のLEDグループは、該第１のLEDグループに並列に接続されており、
前記制御手段はさらに、任意の１つのLEDブロックに駆動電流が供給されているときは常に、該１つのLEDブロック中の前記第１のLEDグループにも駆動電流が供給されるようにし、及び、該１つのLEDブロックに駆動電流が供給されているときのみ、該１つのLEDブロック中のLEDグループのうち、該第１のLEDグループ以外のLEDグループへの駆動電流のオン・オフを互いに独立して切り換えるように構成されることを特徴とする、LED点灯装置。
前記制御手段は、前記整流回路の出力電圧と所定の基準電圧を比較して、それらの電圧間の大小関係を表す比較結果信号を生成する比較手段を備えることを特徴とする、請求項１のLED点灯装置。
フローティング電流源に代えてインピーダンス素子を備える、請求項１または２のLED点灯装置。
整流電圧を分圧する分圧手段をさらに備え、前記制御手段は、前記整流回路の出力電圧の大きさに代えて、前記整流回路の出力電圧を前記分圧手段によって分圧した電圧の大きさを判定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかのLED点灯装置。