JP5757182B2 - 電源装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源を備えた電源装置およびこれを備えた照明装置に関する。

スイッチング電源のスイッチング素子を動作制御するために専用の制御ＩＣを用い、この制御ＩＣをマイコンで制御することにより、多様な制御を行えるように電源装置を構成することができる。上記のようなスイッチング電源においては、制御ＩＣに直流制御電圧を供給するために、シリーズレギュレータを主体とする第２の制御ＩＣを付加する。また、スイッチング電源の動作中にその出力の一部を帰還して直流制御電圧を発生することにより、第２の制御ＩＣに代わって直流制御電源を供給する補助電源回路を配設することができる。

一方、スイッチング電源を備えた電源装置を用いて負荷、例えば照明負荷などを作動させる場合、負荷の異常に対応してスイッチング電源の動作を停止したり低減したりする保護動作を行い、また外部からの操作によって電源装置の出力を低減（調光）ないし停止することが行われる。以下、これらの動作を保安動作と称する。

特開２００９−２２８３９７号公報

しかしながら、保安動作を行うように電源装置を構成すると、保安動作中はスイッチング電源装置の出力が停止ないし低減するため、上述の補助電源装置を機能させることができない。そのため、直流制御電圧供給能力を連続定格として有する第２の制御ＩＣを採用する必要がある。その結果、直流制御電圧を生成する際の電力損失が増加するばかりでなく、部品点数が多くなって電源装置のサイズが大きくなるとともに、コストアップを来たすという課題がある。

本発明の実施形態は、保安動作を行うとともに、部品点数を低減して直流制御電圧を生成する際の電力損失が少なくて、しかも小形で安価な電源装置およびこれを備えた照明装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態において、電源装置は、スイッチング電源回路、制御ＩＣ、マイコンおよび補助電源回路を具備している。スイッチング電源回路は、駆動信号により動作するスイッチング素子を備えている。また、スイッチング電源回路は、スイッチング素子のオン時に増加電流が流れるインダクタを備えている。また、スイッチング電源回路は、スイッチング素子のオフ時に減少電流が流れるダイオードを備えている。また、スイッチング電源回路は、インダクタおよびダイオードに接続されるとともに負荷に接続する出力端を備えている。制御ＩＣは、直流制御電圧生成手段、駆動信号発生手段および保安動作モード切替手段を備えている。直流制御電圧生成手段は、外部電源投入時に直流制御電圧を生成する。駆動信号発生手段は、直流制御電圧の供給を受けて動作し、スイッチング素子に駆動信号を供給する。保安動作モード切替手段は、直流制御電圧の供給を受けて動作し、保安動作モード切替信号を受信してスイッチング電源回路の出力を停止または低減させるように駆動信号発生手段を制御する。マイコンは、制御ＩＣの直流制御電圧生成手段から直流制御電圧の供給を受けて動作を開始するとともに、制御ＩＣの駆動信号発生手段を制御して駆動信号をスイッチング素子に供給させる。補助電源回路は、インダクタに磁気結合する帰還巻線を有し、スイッチング電源回路の出力により直流制御電圧を生成して制御ＩＣに供給する。

本発明の実施形態によれば、制御ＩＣの直流制御電圧生成手段が生成する直流制御電圧をマイコンに供給してこれを動作させるとともに、制御ＩＣの保安動作モード切替手段が保安動作モード切替信号を受信すると駆動信号発生手段を制御してスイッチング電源回路の出力を停止または低減させる保安動作を行い、この保安動作により補助電源回路から制御ＩＣに供給される直流制御電圧が低下すると、代わって直流制御電圧生成手段が直流制御電圧を生成するので、保安動作中に補助電源回路からの直流電圧の供給がなくても差し支えないとともに、部品点数が低減し、直流制御電圧を生成する際の電力損失が少なくて、しかも小形で安価な電源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる電源装置の回路図である。 同じく各部の動作波形図である。 本発明の第２の実施形態に係わる電源装置の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係わる電源装置の回路図である。 本発明の第４の実施形態に係わる電源装置の回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態を、図１を参照して説明する。本実施形態において、電源装置は、スイッチング電源SR、制御ＩＣSIC、マイコンMC、および補助電源回路AESおよび出力コンデンサC1を具備している。なお、出力コンデンサC1に並列接続しているのは、負荷Lである。負荷Lは、特段限定されない。例えば、図示のようにＬＥＤが負荷として出力端に接続される。

スイッチング電源SRは、入力電力から希望の出力電力を得る電力変換装置の中で、電力を変換・調整するためにスイッチング素子を用いた電源装置であり、DC-DCコンバータなどがこれに含まれる。図示の実施形態においては、降圧チョッパと称されるDC-DCコンバータが主体となってスイッチング電源SRが構成されている。なお、DC-DCコンバータは、昇圧チョッパ、昇降圧チョッパ、フライバックコンバータなどであってもよい。

図示の実施形態におけるスイッチング電源SRは、スイッチング素子Q1を備えた降圧チョッパに加えて直流電源DCSが付設されている。

すなわち、降圧チョッパは、上記スイッチング素子Q1、インダクタL1、出力コンデンサC1およびダイオードD1を備えている。スイッチング素子Q1は、例えばＦＥＴが用いられていて、後述する制御ＩＣSICから駆動信号が供給されてスイッチングを行う。なお、スイッチング素子Q1の制御端子であるゲートに直列接続した抵抗器R1は、減流抵抗である。

そうして、降圧チョッパの概略の動作は、次のとおりである。スイッチング素子Q1がオンすると、後述する直流電源DCSの正極から出力コンデンサC1、インダクタL1、スイッチング素子Q1および直流電源DCSの負極の回路を増加電流が流れ、インダクタL1に電磁エネルギーが蓄積される。増加電流が所定値に達すると、スイッチング素子Q1がオフする。これにより、インダクタL1に蓄積されていた電磁エネルギーが放出されて、インダクタL1、ダイオードD1、出力コンデンサC1およびインダクタL1の閉回路中に減少電流が流れる。減少電流が所定値、例えば０になると、再びスイッチング素子Q1がオンし、以上の回路動作が繰り返される。その結果、出力コンデンサC1の両端間の出力端間から交流電圧より降圧された直流出力が得られる。

直流電源DCSは、降圧チョッパの電源および制御ＩＣSICおよびマイコンMCの制御直流電圧用の直流電源として機能する。図示の実施形態において、直流電源DCSは、交流電源ACから供給される交流電圧を全波整流回路FWRで整流し、かつ全波整流回路FWRの直流出力端間に接続した平滑コンデンサC2によって平滑化した直流電圧を出力するように構成されている。

制御ＩＣSICは、少なくとも直流制御電圧生成手段VcG、駆動信号発生手段（図示しない。）、保安動作モード切替手段SMCおよび保安動作信号出力端子SSTを備えている。

直流制御電圧生成手段VcGは、スイッチング電源SRの電源投入時に直流電源DCSから入力の供給を受けて動作を開始し、直流制御電圧Vccを生成する。生成された直流制御電圧Vccは、駆動信号発生手段に供給されるとともに、制御ＩＣSICの外部に配置されるマイコンMCに対しても供給される。

図示の実施形態において、直流制御電圧生成手段VcGは、シリーズレギュレータを構成しており、トランジスタQ2、ツェナーダイオードZD1、ベース抵抗R2および直流基準電圧出力端Vrefを備えている。なお、図中、トランジスタQ2のエミッタおよび直流制御電圧出力端Vref間に挿入されたダイオードD2は、後述する補助電源回路AESからの直流電流が直流制御電圧生成手段VcG側へ回り込むのを防止する。

駆動信号発生手段は、発振器動作、駆動信号発生動作および負荷動作制御動作の機能を備えていて、マイコンによるシーケンス制御を受けて電源投入の所定時間後に例えば矩形波の駆動信号を発生してスイッチング電源SRのスイッチング素子Q1に供給する。これにより、スイッチング電源SRが起動する。このため、スイッチング電源SRは、交流電源ACの投入から所定時間経過後に起動することになる。

保安動作モード切替手段SMCは、保安動作モード切替信号を受信して駆動信号発生手段を保安動作モードに切り替える手段である。図示の実施形態においては、ラッチング回路LCを備えている。

保安動作モード切り替えが行われると、保安動作信号出力端子SSTから保安動作信号を出力する。なお、本実施形態において、保安動作とは、前述のように、負荷Lの異常に対応してスイッチング電源SRの動作を停止したり低減したりする保護動作と、外部からの操作によって電源装置の出力を停止または低減（調光）する動作とを包含している。また、外部からの操作とは、負荷Lがランプなどであって、例えば赤外線などによるリモコンや外部操作器、例えば調光器の操作によって負荷の動作を電源装置から離隔した位置で停止する操作を行うことである。

また、図示の実施形態において、保安動作モード切替手段SMCは、ラッチング回路LCを備えているが、ラッチング回路LCは、保護動作の場合に負荷L側から送信される保安動作モード切替信号、換言すれば異常通知信号に対して保持動作を行う。これにより、保護動作のために駆動信号発生手段がスイッチング素子Q1に対して駆動信号を停止したり、出力が低減したりするように駆動信号を制御して異常時の保護動作を継続して行う。しかし、保安動作モード切替信号が外部からの操作である場合には、保安動作モード切替信号によって直接後述するマイコンMCのシーケンス制御によって保安動作に切り替える。なお、マイコンMCは、制御ＩＣSICの駆動信号発生手段が保安動作を行うように制御する。

マイコンMCは、予めそこに設定されたプログラムにより所定のシーケンス制御を行って負荷Lの動作状態に応じて制御ＩＣSICを制御することで、スイッチング電源SRの負荷Lに対する出力を制御する。制御ＩＣSICが駆動信号を発生するためには、パルス信号を制御ＩＣSICへ供給する。なお、マイコンとは、マイクロコンピュータの略語であり、CPUとしてマイクロ プロセッサを使用したコンピュータを意味する。

なお、電源装置がＬＥＤなどのランプを点灯する点灯装置であって、例えば図示しないセンサー制御モードを備えている場合、マイコンMCは、初期照度補正の点灯積算時間計測を行い、その結果を制御信号として制御ＩＣSICに送ってランプを制御することができる。また、上記のモードに加えるか、または単独でリモコン制御モードを備えている場合、リモコン信号を受信して制御ＩＣSICに動作モードを切り替えるための制御信号を送ってランプを制御することができる。

また、マイコンMCは、制御ＩＣSICの直流制御電圧生成手段VcGが生成した直流制御電圧Vccの供給を受けて作動を開始する。そして、スイッチング電源SRが動作を開始した後は、後述する補助電源回路AESから供給される直流電圧によって生成された直流制御電圧Vccで動作する。

さらに、マイコンMCには、制御ＩＣSICによってスイッチング電源SRが保安動作に切り替えられると、制御ＩＣSICの保安動作信号出力端子SSTから出力された保安動作信号が入力する。これにより、マイコンMCは、低消費電力モードに切り替わり、スリープ状態になる。マイコンMCが低消費電力モードに切り替わると、マイコンMCが消費する直流制御電圧Vccによる電力は、極めて微弱になる。

一方、スイッチング電源SRが保安動作に切り替わると、その結果、補助電源回路AESは、直流電圧を制御ＩＣSICに帰還しなくなる。そこで、代わって制御ＩＣSICの直流制御電圧生成手段VcGは、電源投入時のように再び直流制御電圧Vccを発生し、マイコンMCにも供給する。しかしながら、マイコンMCは、既に低消費電力モードに切り替わっているので、直流制御電圧生成手段VcGがマイコンMCに供給する直流制御電圧Vccを発生するのに要する電力は微弱でよい。

さらに、マイコンMCは、上述のように保安動作に移行したら低消費電力モードに切り替わるが、その切り替わりのタイミングをスイッチング電源SRの停止後から所定時間遅らせるのが好ましい。そうすれば、スイッチング電源SRの停止時に負荷Lに生じることがある過渡現象で負荷Lが誤作動するのを回避することができる。このような時間制御は、マイコンMCをそのように設定することにより、容易に実行させることができる。

補助電源回路AESは、スイッチング電源SRの動作中にその出力の一部を帰還することによって直流電圧を生成して制御ＩＣSICに供給し、直流制御電圧生成手段VcG側において上記直流電圧から直流制御電圧Vccを生成する手段である。第１の実施形態においては、この補助電源回路AESを具備するとともに、保安動作に切り替えたときにマイコンMCを低消費電力モードに切り替えるように構成している。これにより、別設の第２の制御ＩＣが不要になるばかりでなく、前述の直流電源DCSから直接直流制御電圧Vccを生成するのに必要な回路部品を短時間定格にすることができるので、小型化および低消費電力化が可能となる。

図示の実施形態において、補助電源回路AESは、帰還巻線L2、ダイオードD3および平滑コンデンサC3を備えている。帰還巻線L2は、スイッチング電源SRのインダクタL1に磁気結合している。ダイオードD3は、帰還巻線L2に生じた交流電圧を整流する。平滑コンデンサC3は、ダイオードD3により得た直流電圧を平滑化する。そして、平滑コンデンサC3の両端に得られる直流電圧は、回り込み防止のダイオードD2を介して制御ＩＣSICの直流制御電圧生成手段VcGに接続して、その基準電圧出力端Vrefから生成された直流制御電圧Vccを出力する。

そうして、補助電源回路AESから供給される直流電圧を生成して得た直流制御電圧Vccは、直流制御電圧生成手段VcGの出力電圧より若干高くなっている。その結果、スイッチング電源SRの動作中には直流制御電圧Vccが専ら補助電源回路AESから供給されるように配慮されている。

次に、図２を参照して第１の実施形態における各部の動作波形について説明する。図２において、各部波形は次のとおりである。すなわち、上から順に「SW ON」が電源投入波形、「DS」が制御ＩＣSICの駆動信号出力波形、「Vcc」が直流制御電圧波形、「MC Vcc」はマイコンの直流制御電圧波形、「MC out」がマイコンの出力波形、「ABN out」が保安動作波形であり、以上の各波形はその横軸がいずれも時間になっている。

図２から理解できるように、電源投入時のスイッチング電源SRの起動は、最初に直流制御電圧生成手段VcGによって直流制御電圧Vccが生成されてから所定時間後に行われる。スイッチング電源SRが起動すると、補助電源回路AESが直流制御電圧生成手段VcGに代わって直流制御電圧Vccを生成する直流電圧を出力するので、このときの直流制御電圧Vccが若干高くなっている。マイコンMCに対する直流制御電圧Vccの供給は、直流制御電圧生成手段VcGが直流制御電圧Vccを生成したときから交流電源ACが開放されるまで継続している。

次に、電源投入波形において、矢印ABNで示す時点で負荷Lに異常が発生した場合、前述のように保護動作が行われて駆動信号出力波形DSの発生を中止ないし低減出力用の駆動信号を発生する。なお、図２の態様においては中止する。スイッチング電源SRは、保護動作の場合、その動作を停止ないし出力を低減する。その結果、補助電源回路AESから供給される直流電圧が消失ないし著しく低減するので、代わって直流制御電圧生成手段VcGが若干低い直流制御電圧Vccを生成する。したがって、マイコンMCに対する直流制御電圧Vccの供給が継続する。図示の態様においては、スイッチング電源SRが動作を停止してから所定時間後にマイコンMCが低消費電力モードに移行する。そのときにマイコンMCはスリープするので、出力波形MC outは停止する。これに対して、電源投入が継続している限り、ラッチング回路LCは、保持を継続しているので、図示の保安動作波形ABN outは継続している。

〔第２の実施形態〕
図３を参照して第２の実施形態について説明する。本実施形態は、負荷Lの異常が負荷電圧異常である場合に保安動作を行うように構成している。このために、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、負荷電圧検出回路VLDおよび保安動作モード切替信号発生回路ABSGを備えている。

負荷電圧検出回路VLDは、負荷Lに並列接続した抵抗器R3、R4の直列回路からなる電圧分圧器により構成されている。保安動作モード切替信号発生回路ABSGは、抵抗器R4に並列接続したツェナーダイオードZD2およびフォトカプラPC1の発光ダイオードLED1の直列回路と、補助直流電源回路AESおよびラッチング回路LCの間に接続したフォトカプラPC1のフォトトランジスタPT1とにより構成されている。

そうして、負荷電圧検出回路VLDで検出した負荷電圧がツェナーダイオードZD2によって設定した閾値を超えた場合、フォトカプラPC1の発光ダイオードLED1が発光して保安動作モード切替信号が発生する。そして、フォトトランジスタPT1が受光したときに、フォトトランジスタPT1がオンするので、保安動作モード切替手段SMCのラッチング回路LCがラッチされる。その結果、第１の実施形態において説明したのと同様に保護動作としての保安動作が行われる。

〔第３の実施形態〕
図４を参照して第３の実施形態について説明する。本実施形態は、赤外線リモコンを操作して負荷L、例えばランプを消灯させるために保安動作を行うように構成している。このために、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、リモコン受信回路RCRをマイコンMCに接続している。

リモコン受信回路RCRは、赤外線受光器（フォトダイオード）PD1および抵抗器R5の直列回路の中間接続点をマイコンMCの所定ポートに接続するとともに、上記直列回路の両端を図４に示すように補助直流電源回路AESに接続して構成されている。

そうして、赤外線受光器PD1が負荷Lの停止信号すなわち消灯信号を受信すると、マイコンMCが制御ＩＣSICを制御して駆動信号発生手段からの駆動信号の発生を停止させる。その結果、スイッチング電源SRが停止するので、負荷Lが動作を停止すなわちランプが消灯する。

〔第４の実施形態〕
図５を参照して第４の実施形態について説明する。本実施形態は、外部操作器、例えば調光器を調光オフ位置に操作して負荷L、例えばランプを消灯させるために保安動作を行うように構成している。このために、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、調光信号受信回路DIMRをマイコンMCに接続している。

調光信号受信回路DIMRは、フォトカプラPC2の発光ダイオードLED２が抵抗器R6を介して図示を省略している調光信号線に接続し、フォトカプラPC2のフォトトランジスタPT2が抵抗器R7と直列回路を形成し、直列回路の中間接続点が抵抗器R8を介してマイコンMCの所定ポートに接続するとともに、抵抗器R7の他端が補助直流電源回路ADCの正極に接続し、フォトトランジスタPT2のエミッタが補助直流電源回路ADCの負極に接続している。

そうして、図示を省略している調光器から調光オフ信号が調光信号線を経由して送信される。調光信号受信回路DIMRの発光ダイオードLED2が調光オフ信号を受信すると、発光し、フォトトランジスタPT2がこれを受光し、マイコンMCに調光オフ信号が入力する。その結果、マイコンMCが制御ＩＣSICを制御して駆動信号発生手段からの駆動信号発生を中止させるので、負荷Lのランプが消灯する。

AES…補助電源回路、C1…出力コンデンサ、DCS…直流電源、L…負荷、Q1…スイッチング素子、SIC…制御ＩＣ、SMC…保安動作切替手段、SR…スイッチング電源、SST…保安動作信号出力端子、VcG…直流制御電圧生成手段、Vref…直流基準電圧出力端

Claims (4)

1. 駆動信号により動作するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン時に増加電流が流れるインダクタと、前記スイッチング素子のオフ時に減少電流が流れるダイオードと、前記インダクタおよび前記ダイオードに接続されるとともに負荷に接続する出力端とを有するスイッチング電源回路と；
   外部電源投入時に直流制御電圧を生成する直流制御電圧生成手段と、
   直流制御電圧の供給を受けて動作し、前記スイッチング素子に駆動信号を供給する駆動信号発生手段と、
   直流制御電圧の供給を受けて動作し、保安動作モード切替信号を受信して前記スイッチング電源回路の出力を停止または低減させるように前記駆動信号発生手段を制御する保安動作モード切替手段と
   を有する制御ＩＣと；
   この制御ＩＣの直流制御電圧生成手段から直流制御電圧の供給を受けて動作を開始するとともに、前記制御ＩＣの駆動信号発生手段を制御して前記駆動信号を前記スイッチング素子に供給させるマイコンと；
   前記インダクタに磁気結合する帰還巻線を有し、前記スイッチング電源回路の出力により直流制御電圧を生成して前記制御ＩＣに供給する補助電源回路と；
   を具備していることを特徴とする電源装置。
2. 保安動作モード切替時には最初に制御ＩＣの保安動作モード切替手段が駆動信号発生手段を制御してスイッチング電源回路の出力を停止または低減させ、その所定時間後にマイコンを低消費電力モードに移行させることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 負荷電圧を検出する負荷電圧検出回路をさらに具備し、
   この負荷電圧検出回路で検出した負荷電圧が閾値を超えた場合、保安動作モード切替信号を発生させることを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 請求項１ないし３いずれか一記載の電源装置と；
   この電源装置により作動される負荷である照明負荷と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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