JP5324938B2 - 発光ダイオード駆動装置並びにそれを用いた照明器具、車室内用照明装置、車両用照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード駆動装置、並びにそれを用いた照明器具、車室内用照明装置、車両用照明装置に関するものである。

近年、低消費電力、長寿命などの長所から、車両用灯具に発光ダイオードの利用が広まりつつある。これらの車両用灯具には、直列に接続された複数の発光ダイオードを有する発光部と、車載バッテリから供給された直流電圧を発光部の必要電圧に変換し、安定して出力する駆動装置が備えられている。この駆動装置に、例えばフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータを用い、ＤＣ−ＤＣコンバータをＰＷＭ制御することで、発光部に流れる電流をほぼ一定に保ちながら発光部を駆動している。

しかし上記のような駆動装置では、電圧の供給開始直後等に発光部に過電流が流れ、発光ダイオードのボンディングワイヤの断線やチップの劣化等が生じるおそれがある。これを回避するためには、例えば発光部とＤＣ−ＤＣコンバータの間の経路に、発光部と直列に限流抵抗を接続し、発光部に流れる電流を制限する、という方法が考えられる。しかしこの方法では、常時限流抵抗で電力を消費するため、定常駆動中常に電力損失が発生することとなる。

そこで従来、電力損失を抑えながら過電流の発生を抑制する駆動装置として、例えば特許文献１に記載されている発光ダイオード駆動装置が提供されている。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータをＰＷＭ制御する制御部と、発光部に流れる電流を検出するためのシャント抵抗と、ＤＣ−ＤＣコンバータと発光部の間の経路に接続された保護回路と、シャント抵抗に流れる電流を参照して保護回路の制御を行う制御回路を備えている。ここでこの保護回路は、限流抵抗を備えた経路と、限流抵抗を介さずに電流を流すバイパス経路からなる並列回路であって、このバイパス経路は、経路内に有するスイッチ要素によって適宜開閉される。

上記の制御回路は、電流が流れ始める前、あるいはシャント抵抗に流れる電流が所定の値よりも大きい時には、バイパス経路を開放して限流抵抗を通る経路のみが形成されるように、またシャント抵抗に流れる電流が所定の値よりも小さい時には、バイパス経路を形成するように、スイッチ要素を制御する。よって本従来例では、電圧の供給開始直後等は限流抵抗により電流が制限されるため、発光部に過大な電流が流れることを防ぐことができ、また、定常駆動時には電流がバイパス経路を流れることによって、限流抵抗による不要な電力損失を抑えることができる。

特開２００７−１２６０４１号公報

しかし、上記特許文献１に記載された従来例では、過電流の発生を抑制するために、限流抵抗の抵抗値はある程度大きな値が必要である。このため、限流抵抗に電流が流れている時に、ある程度大きな電力損失が発生する。また保護回路中のバイパス経路を閉じる際に、発光部に流れる電流が大きく変化し、発光部の光束が急激に変化するおそれがある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な回路構成で、電圧供給開始時点での過電流の発生を抑制しつつ、光束の急激な変化並びに不要な電力損失を抑制し、かつ定常駆動時の電力損失を抑制することができる発光ダイオード駆動装置、及び上記の特徴を有する発光ダイオード駆動装置を備えた照明器具、車室内用照明装置、車両用照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有する発光部に、電気的に接続される出力端と、直流電源から供給された直流電圧を、該発光部を駆動するために必要な直流電圧に変換して前記出力端に印加する電圧変換部と、前記出力端と前記電圧変換部の間の経路に接続された限流抵抗部と、該限流抵抗部を制御する電流制御部と、前記電圧変換部の動作を制御する制御部と、前記発光部への出力電流を検出して前記制御部に前記出力電流の検出値を出力する電流検出部とを備え、前記限流抵抗部は、互いに並列に接続された複数の限流抵抗と、これら複数の限流抵抗に電流が流れる経路を各別に開閉する複数のスイッチ要素とを有し、前記電流制御部は、直流電源による直流電圧の供給開始時点からの経過時間に応じて前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を徐々に増加させ、前記限流抵抗部の合成抵抗は、前記電流検出部の役割を兼ねることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電圧の供給開始時点では、限流抵抗部の抵抗値を相対的に大きくすることによって、過電流の発生を抑制し、時間が経過するにつれて限流抵抗部の複数の並列経路を順次閉成することで合成抵抗の値を順次減少させ、発光部に流れる電流を徐々に増加させることによって、光束の急激な変化を抑えることができる。また、限流抵抗部の抵抗値を順次減少させることで、限流抵抗部での不要な電力損失を抑制することも可能である。さらに定常駆動時には、限流抵抗部中の全ての経路を閉成することによって、限流抵抗部での電力損失を抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記限流抵抗部は、限流抵抗を介さずに電流を流すバイパス経路及び該経路を開閉するスイッチ要素を有し、前記電流制御部は、該スイッチ要素を制御し、所定の経過時間の後に該バイパス経路を閉成することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、定常駆動時には限流抵抗部のバイパス経路を電流が流れることで、限流抵抗部での電力損失をさらに抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記出力端間の電圧を検出する検出手段を備え、前記電流制御部は、検出された電圧値を参照して、前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を増加させるタイミングを調整することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、発光部の状態に応じて電流の変化を制御することができ、発光部を保護することができる。

請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、前記発光部の温度を検出する検出手段を備え、前記電流制御部は、検出温度の値を参照して、前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を増加させるタイミングを調整することを特徴とする。

請求項４の発明によれば、発光部の状態に応じて電流の変化を制御することができ、発光部を保護することができる。

請求項５の発明は、上記目的を達成するために、請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有する発光部と、該発光ダイオード駆動装置及び該発光部を保持する器具本体とを備えたことを特徴とする。

請求項５の発明によれば、請求項１〜４の発明と同様の作用を奏する照明器具を提供することができる。

請求項６の発明は、上記目的を達成するために、請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有し車室内に配設された発光部とを備えたことを特徴とする。

請求項６の発明によれば、請求項１〜４の発明と同様の作用を奏する車室内用照明装置を提供することができる。

請求項７の発明は、上記目的を達成するために、請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有し車両の周囲に光を放射する発光部とを備えたことを特徴とする。

請求項７の発明によれば、請求項１〜４の発明と同様の作用を奏する車両用照明装置を提供することができる。

本発明は、簡単な回路構成で、電圧供給開始時点での過電流の発生を抑制しつつ、光束の急激な変化並びに不要な電力損失を抑制し、かつ定常駆動時の電力損失を抑制することができる発光ダイオード駆動装置、及び上記の特徴を有する発光ダイオード駆動装置を備えた照明器具、車室内用照明装置、車両用照明装置を提供することができる。

本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態１の概略回路構成図である。 本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態２の概略回路構成図である。 本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態３の概略回路構成図である。 本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態４の概略回路構成図である。 本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態５の概略回路構成図である。

（実施形態１）
図１に、本発明に係る発光ダイオード駆動装置の実施形態１の概略回路構成図を示す。

本実施形態の発光ダイオード駆動装置は、発光部３に接続される出力端Ａ、Ｂと、電源スイッチＳＷを介して直流電源（例えば自動車に搭載されるバッテリなど）１に接続される電圧変換部２と、電圧変換部２の出力電圧Ｖ２を検出する電圧検出部４と、出力電流を検出する電流検出部５と、電圧変換部２の動作を制御する制御部６と、電流検出部５と出力端Ｂの間の経路に接続される限流抵抗部７と、限流抵抗部７の動作を制御する電流制御部７０とを備えている。

電圧変換部２はフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータであって、パワーＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１と、トランスＴと、整流用ダイオードＤ１と、平滑用のコンデンサＣ０とを有する。トランスＴの一次側の一端は電源スイッチＳＷを介して直流電源１の正極に接続され、他端はスイッチング素子Ｑ１を介して直流電源１の負極に接続されるとともに接地されている。トランスＴの二次側の一端は整流用ダイオードＤ１のアノード側に接続されており、整流用ダイオードＤ１のカソード側は、コンデンサＣ０の一端に接続されるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータの一方の出力端になっている。またトランスＴの二次側の他端は、コンデンサＣ０のもう一端に接続されるとともに接地され、さらにＤＣ−ＤＣコンバータのもう一方の出力端になっている。

電圧検出部４は、電圧変換部２の出力端間に直列に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２からなり、電圧変換部２からの出力電圧Ｖ２を分圧した検出電圧Ｖｘ（＝Ｖ２×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））を制御部６に出力している。またこの電圧検出部４の一端は、出力端Ａに接続されている。

電流検出部５は、電圧検出部４と限流抵抗部７の間の経路に接続された検出抵抗Ｒ３からなり、出力電流Ｉ０の検出値として、検出抵抗Ｒ３の両端に生じる電圧降下Ｖｙ（＝Ｒ３×Ｉ０）を制御部６に出力している。

制御部６は、基準電流設定部６１と、演算部６２と、ＰＷＭ制御部６３と、ドライバー部６４とを有する。基準電流設定部６１は、電圧検出部４から入力された検出電圧Ｖｘを参照して、基準電流Ｉｂに相当する電圧Ｖｂを演算部６２に出力する。ここで基準電流Ｉｂは、発光部３で所望の光束が得られる際の、出力電流Ｉ０の大きさである。演算部６２は、電圧降下Ｖｙと基準電流相当の電圧Ｖｂとの差Ｖｄ（＝Ｖｙ−Ｖｂ）を、ＰＷＭ制御部６３に出力する。ＰＷＭ制御部６３は、内部に三角波の基準信号を発生する発信器を備え、演算部６２から入力された差分Ｖｄと基準信号を比較し、基準信号が差分Ｖｄよりも大きなときにオン、基準信号が差分Ｖｄよりも小さなときにオフとなるＰＷＭ信号を、ドライバー部６４に出力する。ドライバー部６４は、ＰＷＭ制御部６３から与えられるＰＷＭ信号に応じて、電圧変換部２中のスイッチング素子Ｑ１をオン・オフする。すなわち制御部６は、スイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御することによって、出力電流Ｉ０が基準電流Ｉｂと一致するように、電圧変換部２を定電流駆動している。

限流抵抗部７は、一つの固定抵抗Ｒ４ｘと一つのトランジスタＴｒｘ（ｘ＝ａ、ｂ、ｃ；順不同）の直列接続からなる三つの経路を、互いに並列に接続した並列回路からなる。この限流抵抗部７は、一端が電流検出部５に接続され、もう一端が出力端Ｂに接続されている。また電流制御部７０は、スイッチ要素であるトランジスタＴｒｘ（ｘ＝ａ、ｂ、ｃ）のベース電流を制御することによって、限流抵抗部７の各々の並列経路の開閉を制御する。

以下、各々の抵抗値の大きさをＲ４ａ＞Ｒ４ｂ＞Ｒ４ｃとする。電流制御部７０は、電源スイッチＳＷの投入時には、トランジスタＴｒａの経路のみを閉じ、トランジスタＴｒｂ及びＴｒｃの経路を開放するように、各トランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ、Ｔｒｃを制御する。この時、限流抵抗部７の合成抵抗の大きさＲｌはＲ４ａである。よって、抵抗値Ｒ４ａを十分大きな値にしておけば、電源投入時に、発光部３に過大な突入電流が流れることを抑制することができる。その後、電流制御部７０は、例えば電源投入時からの時間経過に従って、トランジスタＴｒｂ及びＴｒｃの経路を、順次閉成する。これによって限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌは順次減少し、発光部３に流れる電流が徐々に増加するため、発光部３の光束の急激な変化を抑制することができる。また、限流抵抗部７の合成抵抗を順次減少させることで、限流抵抗部７での不要な電力損失を抑制することができる。限流抵抗部７の最終的な合成抵抗Ｒｓは、Ｒｓ＝１／（１／Ｒ４ａ＋１／Ｒ４ｂ＋１／Ｒ４ｃ）となり、抵抗値Ｒ４ｃの大きさを小さくすることによって、十分小さな値にすることができる。よって定常駆動時には、限流抵抗部７での電力損失を抑えて発光部３を駆動させることができる。

以上に述べたように、本実施形態では、電流制御部７０が時間経過に従ってトランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ、Ｔｒｃを順次オンするような簡単な回路構成で、電圧供給開始時点での過電流の発生を抑制し、光束の急激な変化並びに不要な電力損失を抑え、また定常駆動時での電力損失を抑制することができる。

（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２の概略回路構成図を示す。

本実施形態は、上記実施形態１の構成を基本とし、限流抵抗部７中の固定抵抗の一つＲ４ｃを省略したものである。これによって、定常駆動時における限流抵抗部７での電力消費がなくなるため、実施形態１よりもさらに電力損失を抑えて、発光部３を駆動させることができる。

その他の構成及び動作については実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。
（実施形態３）
図３に、本発明の実施形態３の概略回路構成図を示す。

本実施形態は、上記実施形態１の構成を基本とし、電流検出部５を限流抵抗部７と兼用し、定常駆動時における電力損失を抑えたものである。本実施形態では、電流検出部５の役割を兼ねた限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌが、トランジスタＴｒｂ、Ｔｒｃに対応する経路を閉じる際に変化する。そこで本実施形態では、検出電流設定部６５に、限流抵抗部７で検出された電圧降下Ｖｙ´と、電圧降下Ｖｙ´を測定した時の限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌとを入力し、出力電流Ｉ０＝Ｖｙ´／Ｒｌを算出している。本実施形態では、限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌの最終的な値Ｒｓを、実施形態１における電流検出部５の抵抗値Ｒ３と等しくする（Ｒｓ＝１／（１／Ｒ４ａ＋１／Ｒ４ｂ＋１／Ｒ４ｃ）＝Ｒ３）ことで、出力電流Ｉ０が流れる経路の合成抵抗を、限流抵抗部７を設けない状態と等しくすることもできる。

その他の構成及び動作については実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。
（実施形態４）
図４に、本発明の実施形態４の概略回路構成図を示す。

本実施形態は、上記実施形態１の構成を基本とし、新たに、出力端ＡＢ間の電圧Ｖｆを検出して電流制御部７０に出力する、Ｖｆ検出部７１を設けている。電流制御部７０は、Ｖｆ検出部７１から入力された検出電圧Ｖｆを参照し、限流抵抗部７中の各々の並列経路を閉じるタイミングを決定し、限流抵抗部７の各トランジスタを制御する。すなわち本実施形態では、発光部３での電圧降下を参照して、限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌを減少させるタイミングが決定される。本実施形態では、例えば、発光ダイオードの劣化によって発光部３の順電圧が降下した場合であっても、その順電圧に合わせて限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌを減少させることによって、発光部３を構成する発光ダイオードを保護しながら予め決めた光束の立ち上げ特性を得ることができる。

その他の構成及び動作については実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。

また、実施形態１の代わりに、実施形態２あるいは実施形態３の構成を基本として、本実施形態を構成することも勿論可能である。
（実施形態５）
図５に、本発明の実施形態５の概略回路構成図を示す。

本実施形態は、上記実施形態１の構成を基本とし、新たに、発光部３の温度を検出する温度検出部８及び温度演算部８０を設けている。例えば、温度検出部８はサーミスタ測温素子からなり、温度演算部８０は、サーミスタ測温素子の抵抗値の変化から発光部３の温度を算出する。本実施形態では、電流制御部７０は、温度演算部８０で算出された発光部３の温度に応じて限流抵抗部７中の各々の並列経路を閉じるタイミングを決定し、限流抵抗部７の各トランジスタを制御する。すなわち本実施形態では、発光部３の温度を参照して、限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌを減少させるタイミングが決定される。一般的に、発光ダイオードは高温時には耐量が低下する傾向がある。よって本実施形態では、発光部３が高温の時には、常温時よりもゆっくりと限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌを減少させることで、発光部３を構成する発光ダイオードを保護することができる。

その他の構成及び動作については実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。

また、実施形態１の代わりに、実施形態２あるいは実施形態３の構成を基本として、本実施形態を構成することも勿論可能である。

さらに、上記実施形態４と実施形態５を組み合わせ、発光部３での電圧降下及び温度を検出して、限流抵抗部７の合成抵抗Ｒｌを減少させるタイミングを決定することによって、発光部３を保護しながら発光ダイオードを駆動することができる。

以上に示した実施形態では、限流抵抗部７の固定抵抗をＲ４ａ、Ｒ４ｂ、Ｒ４ｃの三個とし、並列経路の数も３つとしたが、固定抵抗の個数及び並列経路の数は、２つ又は４つ以上であってもよい。また各並列経路の抵抗部は、複数の固定抵抗を直列に接続して構成してもよいし、限流抵抗部７中の互いに並列な経路の中には、トランジスタを含まない経路があってもよい。

発光部３についても、図示されているような、４個の発光ダイオードからなる２つの直列回路を並列に接続した回路に限定されるものではなく、複数の発光ダイオードを直並列に接続したものであればよい。

また、上記実施形態の発光ダイオード駆動装置と発光部３を用い、両者を保持する器具本体と合わせて照明器具を構成したり、発光部３を車室内に設けて車室内用照明装置としたり、発光部３を車両のヘッドランプやテールランプとして周囲に光を放射するように配設し、車両用照明装置とすることもできる。

１ 直流電源
２ 電圧変換部
３ 発光部
４ 電圧検出部
５ 電流検出部
６ 制御部
７ 限流抵抗部
７０ 電流制御部

Claims (7)

1. 直列に接続された複数個の発光ダイオードを有する発光部に、電気的に接続される出力端と、直流電源から供給された直流電圧を、該発光部を駆動するために必要な直流電圧に変換して前記出力端に印加する電圧変換部と、前記出力端と前記電圧変換部の間の経路に接続された限流抵抗部と、該限流抵抗部を制御する電流制御部と、前記電圧変換部の動作を制御する制御部と、前記発光部への出力電流を検出して前記制御部に前記出力電流の検出値を出力する電流検出部とを備え、
   前記限流抵抗部は、互いに並列に接続された複数の限流抵抗と、これら複数の限流抵抗に電流が流れる経路を各別に開閉する複数のスイッチ要素とを有し、
   前記電流制御部は、直流電源による直流電圧の供給開始時点からの経過時間に応じて前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を徐々に増加させ、前記限流抵抗部の合成抵抗は、前記電流検出部の役割を兼ねることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
2. 前記限流抵抗部は、限流抵抗を介さずに電流を流すバイパス経路及び該経路を開閉するスイッチ要素を有し、前記電流制御部は、該スイッチ要素を制御し、所定の経過時間の後に該バイパス経路を閉成することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード駆動装置。
3. 前記出力端間の電圧を検出する検出手段を備え、前記電流制御部は、検出された電圧値を参照して、前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を増加させるタイミングを調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード駆動装置。
4. 前記発光部の温度を検出する検出手段を備え、前記電流制御部は、検出温度の値を参照して、前記経路を閉成するスイッチ要素の個数を増加させるタイミングを調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有する発光部と、該発光ダイオード駆動装置及び該発光部を保持する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有し車室内に配設された発光部とを備えたことを特徴とする車室内用照明装置。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード駆動装置と、直列に接続された複数個の発光ダイオードを有し車両の周囲に光を放射する発光部とを備えたことを特徴とする車両用照明装置。

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