JP6089273B2 - 点灯装置および、これを用いた照明器具,車載用照明器具 - Google Patents

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Description

本発明は、点灯装置および、これを用いた照明器具,車載用照明器具に関するものである。

近年、LEDの高効率化,高輝度化に伴い、ダウンライト照明,直管型照明,および車両用前照灯などの光源としてLEDの需要が高まってきた。そして、このLEDの急速な普及に伴い、LEDを点灯させる点灯装置の開発が急務とされている。

また、車載業界においてもLED光源を用いた前照灯の点灯装置の開発が盛んに行われており、中でも低コスト化が重要な課題にあげられている。点灯装置の低コスト化のためには、高価な大型トランスを用いたDC−DCコンバータ方式や、高ビットマイコンを用いた制御を避け、安価なコイル・小型トランスや低ビットマイコンを採用することが手段の一つといえる。

そこで、トランスを使用せずチョークコイルで構成し、入出力電流のリプルが安定するCukコンバータ回路が注目されている(例えば、特許文献1参照)。図18に、Cukコンバータ回路を用いた点灯装置の回路構成図を示す。

この点灯装置は、電力変換回路101,制御部102,電流検出部103を主構成とし、直流電源E101を入力電源として、複数のLED素子Ld101からなる光源104を点灯させるものである。

電力変換回路101は、コンデンサC101〜コンデンサC103,インダクタL101,インダクタL102,スイッチング素子Q101,ダイオードD101からなるCukコンバータ回路で構成されている。

コンデンサC101は、直流電源E101の出力端間に接続されており、直流電源E101から印加される入力電圧Viの雑音などを低減する。このコンデンサC101と並列に、インダクタL101,スイッチング素子Q101を順に接続した直列回路が接続されている。スイッチング素子Q101は、nチャネルMOSFETで構成されており、後述する制御部102によってスイッチング制御される。また、スイッチング素子Q101と並列に、コンデンサC102,ダイオードD101を順に接続した直列回路が接続されている。さらに、ダイオードD101と並列に、コンデンサC103,インダクタL102を順に接続した直列回路が接続されている。具体的には、ダイオードD101のアノードにインダクタL102が接続され、ダイオードD101のカソードにコンデンサC103が接続されている。

そして、上記構成の電力変換回路101は、スイッチング素子Q101がオン・オフ駆動されることで、コンデンサC103の両端間に、直流電源E101から印加される入力電圧Viを変換した所望の出力電圧Voを生成する。なお、電力変換回路101は、入力電圧Viの極性を反転させた出力電圧Voを生成する。したがって、コンデンサC103における、ダイオードD101側が正極となり、インダクタL102側が負極となる。

コンデンサC103と並列に、抵抗R101を介して複数のLED素子Ld101からなる光源104が接続されている。したがって、電力変換回路101の出力電圧Voが光源104に印加されることで、各LED素子Ld101に出力電流Ioが供給されて点灯する。

抵抗R101は、光源104に供給される出力電流Ioの検出用抵抗である。電流検出部103は、抵抗R101の両端電圧を検出することで出力電流Ioを検出し、出力電流検出値Y(以降、検出値Yと略称する)を制御部102に出力する。

制御部102は、入力電圧検知部121,駆動信号設定部122,駆動信号発信部123,コンパレータ124を有するマイコンで構成されている。そして、制御部102は、検出値Yに基づいてスイッチング素子Q101のオンデューティを設定することで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御する。

入力電圧検知部121は、電力変換回路101の入力端に接続されており、直流電源E101から印加される入力電圧Viを検出する。

コンパレータ124は、反転入力端子に検出値Yが入力され、非反転入力端子に出力電流Ioの指令値X(目標値に相当)が入力される。そして、コンパレータ124は、指令値Xから検出値Yを減算した値を、駆動信号設定部122に出力する。

駆動信号設定部122は、コンパレータ124の出力に基づいて、スイッチング素子Q1のオンデューティを設定する。

駆動信号発信部123は、駆動信号をスイッチング素子Q101に出力することで、スイッチング素子Q101をオン・オフ駆動している。スイッチング素子Q101(駆動信号)の駆動周波数fは、予め所定値に設定されている。また、スイッチング素子Q101(駆動信号)のオンデューティは、駆動信号設定部122によって設定される。

このように、制御部102は、検出値Yに基づいてスイッチング素子Q101のオンデューティを設定することで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御する。

次に、電力変換回路101の動作について説明する。

まず、スイッチング素子Q101がオンされると、直流電源E101‐インダクタL101‐スイッチング素子Q101‐直流電源E101の閉回路に電流が流れることで、インダクタL101にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q101がオフされると、インダクタL101に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、インダクタL101‐コンデンサC102‐ダイオードD101‐直流電源E101‐インダクタL101の閉回路に電流が流れることで、コンデンサC102に電荷が蓄積される。このように、スイッチング素子Q101がオン・オフ駆動されることによって、コンデンサC102の両端電圧が、直流電源E101の入力電圧Viよりも高い電圧に昇圧される。

そして、次にスイッチング素子Q101がオンされると、上記動作で電荷が蓄積されたコンデンサC102が電源となり、コンデンサC102の蓄積電荷が放出される。このとき、コンデンサC102‐スイッチング素子Q101‐コンデンサC103‐インダクタL102‐コンデンサC102の閉回路に電流が流れることで、コンデンサC103に電荷が蓄積されると共に、インダクタL102にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q101がオフされると、インダクタL102に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、インダクタL102に逆起電力が発生し、スイッチング素子Q101のオン時の電流方向を維持するように、インダクタL102‐ダイオードD101‐コンデンサC103‐インダクタL102の閉回路に電流が流れる。このように、スイッチング素子Q101がオン・オフ駆動されることによって、コンデンサC103の両端電圧(出力電圧Vo)は、コンデンサC102の両端電圧よりも低い電圧に降圧される。なお、コンデンサC103の両端間に生成される出力電圧Voが、直流電源E101の入力電圧Viより高いか低いかは、スイッチング素子Q1のスイッチング制御(オンデューティ,駆動周波数f)や回路定数によって設定される。

このように、電力変換回路101は、スイッチング素子Q101がオン・オフ駆動されることによって、入力電圧Viを昇圧または降圧した出力電圧Voを生成し、光源104に印加することで光源104を点灯させる。

また、スイッチング素子のオフ時にも電源のエネルギーを有効に活用でき、フライバックコンバータ回路と比べてトランスを小型化することができる変形Cukコンバータ回路も注目されている。図19に、変形Cukコンバータ回路を用いた点灯装置の回路構成図を示す。なお、図18の点灯装置と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する。

この点灯装置は、電力変換回路201,制御部102,電流検出部103を主構成とし、直流電源E101を入力電源として、複数のLED素子Ld101からなる光源104を点灯させるものである。

電力変換回路201は、コンデンサC201〜コンデンサC203,トランスT201,インダクタL203,スイッチング素子Q201,ダイオードD201からなる変形Cukコンバータ回路で構成されている。

コンデンサC201は、直流電源E101の出力端間に接続されており、直流電源E101から印加される入力電圧Viの雑音などを低減する。このコンデンサC201と並列に、トランスT201の一次巻線L201,スイッチング素子Q201を順に接続した直列回路が接続されている。スイッチング素子Q201は、nチャネルMOSFETで構成されており、制御部102によってスイッチング制御される。また、スイッチング素子Q201と並列に、コンデンサC202,トランスT201の二次巻線L202,ダイオードD201を順に接続した直列回路が接続されている。さらに、二次巻線L202,ダイオードD201の直列回路と並列に、コンデンサC203,インダクタL203を順に接続した直列回路が接続されている。具体的には、ダイオードD201のカソードがコンデンサC203に接続され、二次巻線L202がインダクタL203に接続されている。

そして、上記構成の電力変換回路201は、スイッチング素子Q201がオン・オフ駆動されることで、コンデンサC203の両端間に、直流電源E101から印加される入力電圧Viを変換した所望の出力電圧Voを生成する。なお、電力変換回路201は、入力電圧Viの極性を反転させた出力電圧Voを生成する。したがって、コンデンサC203におけるダイオードD201側が正極となり、インダクタL203側が負極となる。

コンデンサC203と並列に、抵抗R101を介して、複数のLED素子Ld101からなる光源104が接続されている。したがって、電力変換回路201の出力電圧Voが光源104に印加されることで、各LED素子Ld101に出力電流Ioが供給されて点灯する。

制御部102,電流検出部103は、図18を用いて説明した点灯装置と同様の構成であるので、説明を省略する。

次に、電力変換回路201の動作について説明する。

まず、スイッチング素子Q201がオンされると、直流電源E101‐一次巻線L201‐スイッチング素子Q201‐直流電源E101の閉回路に電流が流れることで、トランスT201にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q201がオフされると、トランスT201に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、二次巻線L202‐ダイオードD201‐直流電源E101‐一次巻線L201‐コンデンサC202‐二次巻線L202の閉回路に電流が流れることで、コンデンサC202に電荷が蓄積される。このように、スイッチング素子Q201がオン・オフ駆動されることによって、コンデンサC202の両端電圧が、直流電源E101の入力電圧Viよりも高い電圧に昇圧される。

そして、次にスイッチング素子Q201がオンされると、上記動作で電荷が蓄積されたコンデンサC202が電源となり、コンデンサC202の蓄積電荷が放出される。このとき、コンデンサC202‐スイッチング素子Q201‐コンデンサC203‐インダクタL203‐コンデンサC202の閉回路に電流が流れることで、コンデンサC203に電荷が蓄積されると共に、インダクタL203にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q201がオフされると、インダクタL203に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、インダクタL203に逆起電力が発生し、スイッチング素子Q201のオン時の電流方向を維持するように、インダクタL203‐二次巻線L202‐ダイオードD201‐コンデンサC203‐インダクタL203の閉回路に電流が流れる。このように、スイッチング素子Q201がオン・オフ駆動されることによって、コンデンサC203の両端電圧(出力電圧Vo)は、コンデンサC202の両端電圧よりも低い電圧に降圧される。なお、コンデンサC203の両端間に生成される出力電圧Voが、直流電源E101の入力電圧Viより高いか低いかは、スイッチング素子Q201のスイッチング制御(オンデューティ,駆動周波数f)や回路定数によって設定される。

このように、電力変換回路201は、スイッチング素子Q201がオン・オフ駆動されることによって、入力電圧Viを昇圧または降圧した出力電圧Voを生成し、光源104に印加することで光源104を点灯させる。

そして、上述したCukコンバータ回路からなる電力変換回路101または、変形Cukコンバータ回路からなる電力変換回路201を用い、さらに、演算速度が遅いが安価な低ビットマイコンからなる制御部102を採用することで、点灯装置のコストを削減することができる。

特開2005−224094号公報

しかしながら、上述したCukコンバータ回路(電力変換回路101)または変形Cukコンバータ回路(電力変換回路201)と、演算速度の遅い低ビットマイコン(制御部102)とを組み合わせ、さらに駆動周波数fを固定した場合、以下の問題が発生する。図18に示した点灯装置(電力変換回路1をCukコンバータ回路で構成)を用いて説明する。

上述したように、制御部102は、出力電流Ioの検出値Yに基づいてスイッチング素子Q101のオンデューティを設定することで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御している。したがって、光源104を消灯状態(出力電流Ioがゼロ)から定格点灯(出力電流Ioが目標値)させる場合、制御部102は、スイッチング素子Q101のオンデューティを増加させることで、出力電流Ioを目標値まで増加させる。

しかし、演算速度が遅い低ビットマイコンで制御部102を構成しているため、出力電流Ioのフィードバック制御(オンデューティの更新)が遅い。そのため、出力電流Ioをゼロの状態から目標値に向かって増加させる出力電流Ioの立ち上げ時において、出力電流Ioのオーバーシュートを抑制するために、オンデューティの増加度合いを緩やかにする必要がある。

また、上述したように、スイッチング素子Q101がオン・オフ駆動されることで、Cukコンバータ回路を構成するコンデンサC102が充放電を繰り返す。しかし、出力電流Ioの立ち上げ時は、スイッチング素子Q101のオンデューティが低いため、コンデンサC102から入力側チョークコイル(インダクタL101)に向かって電流が流れる、すなわち逆流が発生する。この逆流によって出力電流Ioが増加しなくなる期間(以降、停滞期間TAと称す)が発生する。図20(a)に、出力電流Ioの立ち上げ時における出力電流Ioの波形図を示す。図20(a)に示すように、出力電流Ioの停滞期間TAによって、出力電流Ioの立ち上がり波形が段階的になり、結果的に出力電流Ioが定格値(目標値)に達するまでの時間(出力電流Ioの立ち上げ時間)が遅くなる。なお、出力電流Ioが増加する期間を増加期間TBとする
図20(b)に、出力電流Ioの立ち上げ時におけるインダクタL101に流れるチョーク電流Ilの波形図を示す。なお、図20(b)の実線は、増減を繰り返すチョーク電流Ilのピーク値およびボトム値の包絡線を示す。また、図21(a)に、出力電流Ioの停滞期間TAにおける、チョーク電流Ilの拡大波形図を示す。また、図21(b)に、出力電流Ioが増加期間TBにおけるチョーク電流Ilの拡大波形図を示す。

インダクタL101に流れるチョーク電流Ilは、スイッチング素子Q101がオンしているオン期間Tonにおいて増加し、スイッチング素子Q101がオフしているオフ期間Toffにおいて低減する。

ここで、出力電流Ioの立ち上げ時は、オンデューティが小さいため、チョーク電流Ilが不連続モードとなる。したがって、オフ期間Toffにおいて、チョーク電流Ilが低減してゼロになった以降もスイッチング素子Q101のオフ状態が継続する。このとき、寄生容量とインダクタL101のインダクタンスとによって、チョーク電流Ilがゼロを境にして自由振動(発振)する。このチョーク電流Ilの発振によって、チョーク電流Ilが負、すなわちコンデンサC102からインダクタL101に向かって電流が流れる(逆流する)タイミングが発生する。

インダクタL101は、チョーク電流Ilが正であるときに正のエネルギーが蓄積される。したがって、図21(b)に示すように、チョーク電流Ilが正のタイミングでスイッチング素子Q101がターンオンした場合、スイッチング素子Q101のターンオフ時におけるチョーク電流Ilの値が高く、インダクタL101に蓄積されるエネルギーも大きくなる。

しかし、図21(a)に示すように、チョーク電流Ilが負(逆流している)のタイミングでスイッチング素子Q101がターンオンした場合、オン期間Tonにおけるチョーク電流Ilが正となる期間が短くなる。したがって、スイッチング素子Q101のターンオフ時におけるチョーク電流Ilの値が低くなる。これにより、インダクタL101に蓄積されるエネルギーが小さくなる。すなわち、チョーク電流Ilが負のタイミングでスイッチング素子Q101がターンオンした場合、インダクタL101に蓄積されるエネルギーが小さいので、出力電流Ioの増加が停滞する。

また、図20(b)に示すように、出力電流Ioが定格値付近では、スイッチング素子Q101のオンデューティが増加することによってチョーク電流Ilが連続モードとなるので、チョーク電流Ilが負となるタイミングは発生しない。

以上より、出力電流Ioの立ち上げ時間が遅くなる原因は、チョーク電流Ilの不連続モード時において、チョーク電流Ilが負のタイミングでスイッチング素子Q101がターンオンすることにある。

上記問題を解決する方法として、コンパレータを用いてチョーク電流Ilがゼロとなるタイミングを検出し、スイッチング素子Q101の駆動周波数fを制御して、チョーク電流Ilが臨界モードとなるように制御する方法が考えられる。この方法によって、チョーク電流Ilの逆流が発生しなくなり、出力電流Ioの立ち上げ時間を大幅に改善することが可能となる。しかし、制御が複雑化するので、演算処理性能の低い安価なマイコンを用いる場合、他の機能を削る必要がある。また、外付けで回路を構成するとコストが上がるという問題がある。

また、駆動周波数fを高く設定し、連続モードに遷移するまでの時間を短くする方法が考えられる。図22(a)に、駆動周波数fが低く、オン期間Tonが短い場合におけるチョーク電流Ilの波形図を示す。また、図22(b)に、駆動周波数fが低く、オン期間Tonが長い場合におけるチョーク電流Ilの波形図を示す。また、図22(c)に、駆動周波数fが高く、オン期間Tonが短い場合におけるチョーク電流Ilの波形図を示す。図22(d)に、駆動周波数fが高く、オン期間Tonが長い場合におけるチョーク電流Ilの波形図を示す。なお、図22(a)(b)におけるスイッチング周期(=1/駆動周波数f)をT101、図22(c)(d)におけるスイッチング周期をT102(<T101)とする。また、図22(a)(c)におけるオン期間をTon101、図22(b)(d)におけるオン期間をTon102(>Ton101)とする。

例えば、出力電流Ioの立ち上げ時において、オン期間をTon101(例えば1.0μs)からTon102(例えば1.5μs)まで増加させる(オンデューティを増加させる)とする。このとき、駆動周波数fを低く設定している場合(スイッチング周期T101)、オン期間をTon102まで増加させてもチョーク電流Ilは不連続モードとなっている(図22(a)(b)参照)。一方、駆動周波数fを高く設定している場合(スイッチング周期T202)、オン期間をTon102まで増加させることでチョーク電流Ilが連続モードとなる(図22(c)(d)参照)。

したがって、駆動周波数fを高く設定することで、出力電流Ioの立ち上げ時において、オン期間Tonの増加量が少なくても、チョーク電流Ilを不連続モードから連続モードに遷移させることができる。すなわち、駆動周波数fを高く設定することで、連続モードに遷移するまでの時間を短くすることができ、結果的に出力電流Ioの立ち上げ時間を短くすることができる。しかし、駆動周波数fを高く設定した場合、スイッチング素子Q101のスイッチングロスが増加し、回路効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価な構成で、回路効率の低下を抑制し、出力電流の立ち上げ時間を短縮することができる点灯装置および、これを用いた照明器具,車載用照明器具を提供することにある。

本発明の点灯装置は、第1のインダクタを有し、スイッチング素子がオンされると、直流電源から前記スイッチング素子を介して前記第1のインダクタに電流が流れることで、前記第1のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第1のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、コンデンサに電荷を蓄積する第1のコンバータ回路および、第2のインダクタを有し、前記スイッチング素子がオンされると、前記コンデンサから前記スイッチング素子を介して前記第2のインダクタに電流が流れることで、前記第2のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第2のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、光源に電流を供給する第2のコンバータ回路からなる電力変換回路と、前記電力変換回路から前記光源に供給される出力電流を検出する電流検出部と、前記スイッチング素子をスイッチング制御しており、前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオンデューティを設定することで、前記出力電流が目標値となるようにフィードバック制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記出力電流をゼロの状態から前記目標値に向かって増加させる前記出力電流の立ち上げ時における前記スイッチング素子の駆動周波数を、前記出力電流を前記目標値まで増加させた後である前記出力電流の定常時における前記駆動周波数よりも高く設定することを特徴する。

この点灯装置において、前記制御部は、前記目標値から前記出力電流を引いた差分値が、第1の閾値以上である場合、前記駆動周波数を第1の周波数に設定し、前記差分値が、前記第1の閾値以下となる第2の閾値未満である場合、前記駆動周波数を前記第1の周波数より低い第2の周波数に設定することが好ましい。

この点灯装置において、前記第2の閾値は、前記定常時における前記出力電流のバラツキ幅と前記出力電流のリプル幅との和よりも大きいことが好ましい。

この点灯装置において、前記第2の閾値は、前記第1の閾値と同じ値であることが好ましい。

この点灯装置において、前記第2の閾値は、前記第1の閾値より小さく、前記制御部は、前記差分値が第1の閾値未満かつ前記第2の閾値以上である場合、前記差分値が小さくなるにつれて、前記駆動周波数を前記第1の周波数から前記第2の周波数に向かって一次関数的に減少させることが好ましい。

この点灯装置において、前記第2の閾値は、前記第1の閾値より小さく、前記制御部は、前記差分値が第1の閾値未満かつ前記第2の閾値以上である場合、前記差分値が小さくなるにつれて、前記駆動周波数を減少させる傾きが小さくなるように、前記駆動周波数を前記第1の周波数から前記第2の周波数に向かって減少させることが好ましい。

この点灯装置において、前記制御部が起動してからの経過時間をカウントするタイマーを備え、前記制御部は、前記経過時間が第3の閾値未満である場合、前記駆動周波数を第1の周波数に設定し、前記経過時間が前記第3の閾値以上である場合、前記駆動周波数を前記第1の周波数より低い第2の周波数に設定することが好ましい。

この点灯装置において、前記電力変換回路は、Cukコンバータ回路または変形Cukコンバータ回路で構成されることが好ましい。

本発明の照明器具は、第1のインダクタを有し、スイッチング素子がオンされると、直流電源から前記スイッチング素子を介して前記第1のインダクタに電流が流れることで、前記第1のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第1のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、コンデンサに電荷を蓄積する第1のコンバータ回路および、第2のインダクタを有し、前記スイッチング素子がオンされると、前記コンデンサから前記スイッチング素子を介して前記第2のインダクタに電流が流れることで、前記第2のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第2のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、前記光源に電流を供給する第2のコンバータ回路からなる電力変換回路と、前記電力変換回路から前記光源に供給される出力電流を検出する電流検出部と、前記スイッチング素子をスイッチング制御しており、前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオンデューティを設定することで、前記出力電流が目標値となるようにフィードバック制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記出力電流をゼロの状態から前記目標値に向かって増加させる前記出力電流の立ち上げ時における前記スイッチング素子の駆動周波数を、前記出力電流を前記目標値まで増加させた後である前記出力電流の定常時における前記駆動周波数よりも高く設定する点灯装置と、発光素子で構成され、前記点灯装置から電力が供給される光源と、前記点灯装置および前記光源が取り付けられる器具本体とを備えることを特徴とする。

本発明の車載用照明器具は、第1のインダクタを有し、スイッチング素子がオンされると、直流電源から前記スイッチング素子を介して前記第1のインダクタに電流が流れることで、前記第1のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第1のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、コンデンサに電荷を蓄積する第1のコンバータ回路および、第2のインダクタを有し、前記スイッチング素子がオンされると、前記コンデンサから前記スイッチング素子を介して前記第2のインダクタに電流が流れることで、前記第2のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第2のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、前記光源に電流を供給する第2のコンバータ回路からなる電力変換回路と、前記電力変換回路から前記光源に供給される出力電流を検出する電流検出部と、前記スイッチング素子をスイッチング制御しており、前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオンデューティを設定することで、前記出力電流が目標値となるようにフィードバック制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記出力電流をゼロの状態から前記目標値に向かって増加させる前記出力電流の立ち上げ時における前記スイッチング素子の駆動周波数を、前記出力電流を前記目標値まで増加させた後である前記出力電流の定常時における前記駆動周波数よりも高く設定する点灯装置と、発光素子で構成され、前記点灯装置から電力が供給される光源と、前記点灯装置および前記光源が取り付けられ、車両に設けられる灯具とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明では、出力電流の立ち上げ時におけるスイッチング素子の駆動周波数を、出力電流の定常時における駆動周波数よりも高く設定することで、安価な構成で、回路効率の低下を抑制し、出力電流の立ち上げ時間を短縮することができるという効果がある。

本発明の実施形態1の点灯装置10の回路構成図である。 同上の制御部2の動作フローチャートである。 (a)同上の検出値Yの波形図である。(b)同上の差分値Zの波形図である。 同上の出力電流Ioの波形図である。 同上の出力電流Ioの波形図である。 (a)(b)スイッチング素子Q1のゲート電圧の波形図である。 実施形態2の制御部2の動作フローチャートである。 同上の差分値Zに対する駆動周波数fのグラフである。 同上の出力電流Ioの波形図である。 実施形態3の制御部2の動作フローチャートである。 同上の差分値Zに対する駆動周波数fのグラフである。 同上の検出値Yの波形図である。 実施形態4の制御部2の動作フローチャートである。 同上の差分値Zに対する駆動周波数fのグラフである。 実施形態5の点灯装置10の回路構成図である。 同上の制御部2の動作フローチャートである。 同上の出力電流Ioの波形図である。 Cukコンバータ回路を有する従来の点灯装置の回路構成図である。 変形Cukコンバータ回路を有する従来の点灯装置の回路構成図である。 (a)従来の点灯装置の出力電流Ioの波形図である。(b)従来の点灯装置のチョーク電流Ilの波形図である。 (a)(b)同上のチョーク電流Ilの拡大波形図である。 (a)〜(d)チョーク電流Ilの拡大波形図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

(実施形態1)
図1に本実施形態の点灯装置10の回路構成図を示す。

本実施形態の点灯装置10は、電力変換回路1,制御部2,電流検出部3を主構成とし、直流電源E1を入力電源として、複数のLED素子Ld1(発光素子)からなる光源4を点灯させるものである。

電力変換回路1は、第1のコンバータ回路1Aと第2のコンバータ回路1Bとを形成するCukコンバータ回路で構成されている。

第1のコンバータ回路1Aは、コンデンサC1,コンデンサC2,インダクタL1(第1のインダクタ),スイッチング素子Q1,ダイオードD1からなる昇圧チョッパ回路で構成される。コンデンサC1は、直流電源E1の出力端間に接続されており、直流電源E1から印加される入力電圧Viの雑音などを低減する。このコンデンサC1と並列に、インダクタL1,スイッチング素子Q1を順に接続した直列回路が接続されている。スイッチング素子Q1は、nチャネルMOSFETで構成されており、後述する制御部2によってスイッチング制御される。また、スイッチング素子Q1と並列に、コンデンサC2,ダイオードD1を順に接続した直列回路が接続されている。

また、第2のコンバータ回路1Bは、コンデンサC2,コンデンサC3,インダクタL2(第2のインダクタ),スイッチング素子Q1,ダイオードD1からなる降圧チョッパ回路で構成される。なお、コンデンサC2,スイッチング素子Q1,ダイオードD1は、第1のコンバータ回路1Aと第2のコンバータ回路1Bとの構成を兼用している。上述したダイオードD1と並列に、コンデンサC3,インダクタL2を順に接続した直列回路が接続されている。具体的には、ダイオードD1のアノードにインダクタL2が接続され、ダイオードD1のカソードにコンデンサC3が接続されている。

そして、上記構成の電力変換回路1は、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動されることで、コンデンサC3の両端間に、直流電源E1から印加される入力電圧Viを変換した所望の出力電圧Voを生成する。なお、電力変換回路1は、入力電圧Viの極性を反転させた出力電圧Voを生成する。したがって、コンデンサC3における、ダイオードD1側が正極となり、インダクタL2側が負極となる。

コンデンサC3と並列に、抵抗R1を介して複数のLED素子Ld1からなる光源4が接続されている。したがって、電力変換回路1の出力電圧Voが光源4に印加されることで、LED素子Ld1に出力電流Ioが供給されて点灯する。なお、光源4を構成する発光素子は、LED素子Ld1に限定するものではなく、有機EL素子等で構成されていてもよい。

抵抗R1は、光源4に供給される出力電流Ioの検出用抵抗である。電流検出部3は、抵抗R1の両端電圧を検出することで出力電流Ioを検出し、出力電流検出値Y(以降、検出値Yと略称する)を制御部2に出力する。

制御部2は、入力電圧検知部21,駆動信号設定部22,駆動信号発信部23,コンパレータ24,コンパレータ25を有するマイコンで構成されている。そして、制御部2は、検出値Yに基づいてスイッチング素子Q1のオンデューティDonを設定することで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御する。

入力電圧検知部21は、電力変換回路1の入力端に接続されており、直流電源E1から印加される入力電圧Viを検出する。

コンパレータ24は、反転入力端子に検出値Yが入力され、非反転入力端子に出力電流Ioの指令値X(目標値に相当)が入力される。そして、コンパレータ24は、指令値Xから検出値Yを引いた値(以降、差分値Zと称す)を、駆動信号設定部22に出力する。

また、コンパレータ25は、反転入力端子に検出値Yが入力され、非反転入力端子に指令値Xが入力される。そして、コンパレータ25は、指令値Xから検出値Yを引いた差分値Zを、駆動信号設定部22に出力する。

そして、駆動信号設定部22は、コンパレータ24の出力(差分値Z)に基づいて、駆動信号(スイッチング素子Q1)のオンデューティDonを設定し、コンパレータ25の出力(差分値Z)に基づいて、駆動信号(スイッチング素子Q1)の駆動周波数fを設定する。

駆動信号発信部23は、駆動信号をスイッチング素子Q1に出力することで、スイッチング素子Q1をオン・オフ駆動している。

このように、制御部2は、検出値Yに基づいてスイッチング素子Q1のオンデューティDon,駆動周波数fを設定することで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御する。

次に、電力変換回路1の動作について説明する。

まず、第1のコンバータ回路1Aの動作について説明する。スイッチング素子Q1がオンされると、直流電源E1‐インダクタL1‐スイッチング素子Q1‐直流電源E1の閉回路に電流が流れることで、インダクタL1にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q1がオフされると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、インダクタL1‐コンデンサC2‐ダイオードD1‐直流電源E1‐インダクタL1の閉回路に電流が流れることで、コンデンサC2に電荷が蓄積される。このように、第1のコンバータ回路1Aは、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動されることで、直流電源E1の入力電圧Viよりも高く昇圧された電圧を、コンデンサC2の両端間に生成する。

次に、第2のコンバータ回路1Bの動作について説明する。第2のコンバータ回路1Bは、第1のコンバータ回路1Aによって電荷が蓄積されたコンデンサC2を電源として動作する。スイッチング素子Q1がオンされると、コンデンサC2の蓄積電荷が放出される。このとき、コンデンサC2‐スイッチング素子Q1‐コンデンサC3‐インダクタL2‐コンデンサC2の閉回路に電流が流れることで、インダクタL2にエネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Q1がオフされると、インダクタL2に蓄積されたエネルギーが放出される。このとき、インダクタL2に逆起電力が発生し、スイッチング素子Q1のオン時における電流方向を維持するように、インダクタL2‐ダイオードD1‐コンデンサC3‐インダクタL2の閉回路に電流が流れる。このように、第2のコンバータ回路1Bは、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動されることで、コンデンサC2の両端電圧よりも低く降圧された電圧(出力電圧Vo)を、コンデンサC3の両端間に生成する。なお、コンデンサC3の両端間に生成される出力電圧Voが、直流電源E1の入力電圧Viより高いか低いかは、スイッチング素子Q1のスイッチング制御(オンデューティDon,駆動周波数f)や回路定数によって設定される。

このように、電力変換回路1は、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動されることによって、入力電圧Viを昇圧または降圧した出力電圧Voを生成し、光源4に印加することで光源4を点灯させる。

ここで、本実施形態の点灯装置10の始動時、すなわち出力電流Ioをゼロの状態から目標値(定格値)に向かって増加させる出力電流Ioの立ち上げ時における、制御部2の動作について、図2に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、直流電源E1が投入されると、制御部2がリセットされ、入力電圧検知部21が入力電圧Viの電圧値を検出する(ステップS1)。そして、入力電圧検知部21が、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)の電圧値であることを検知すると、制御部2が起動する(ステップS2)。

次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS3)。制御部2は、コンパレータ24,25を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する(ステップS4)。

そして、駆動信号設定部22は、差分値Zと予め設定された閾値A(第1の閾値=第2の閾値)とを比較し、比較結果に基づいて駆動信号(スイッチング素子Q1の駆動周波数f,オンデューティDon)を設定する。図3(a)に、点灯装置10の始動時における検出値Yの波形図を示す。また、図3(b)に、点灯装置10の始動時における差分値Zの波形図を示す。

差分値Zが閾値A以上である場合(Z≧A)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する(ステップS5)。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS6)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS3に戻る。なお、駆動周波数fに第1の周波数f1が設定される期間を、高周波期間TfHとする。

一方、差分値Zが閾値A未満である場合(Z<A)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1より低い第2の周波数f2に設定する(ステップS7)。また、差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS8)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS3に戻る。なお、駆動周波数fに第2の周波数f2が設定される期間を、低周波期間TfLとする。

上記制御によって駆動周波数f,オンデューティDonの設定が繰り返されることで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御される。

ここで、本実施形態は、差分値Zと閾値Aとを比較し、比較結果に基づいて駆動周波数fを切り替えることに特徴を有している。

制御部2は、差分値Zが閾値A以上である場合、出力電流Ioをゼロの状態から目標値に向かって増加させる出力電流Ioの立ち上げ中であると判断し、駆動周波数fに高い第1の周波数f1を設定する(高周波期間TfH)。これにより、オンデューティDonを増加させる出力電流Ioの立ち上げ時において、オン期間Tonの少ない増加量でインダクタL1に流れるチョーク電流Ilを不連続モードから連続モードに遷移させることができる(図22(a)〜(d)参照)。

図4に、本実施形態の出力電流Ioの立ち上げ時における出力電流Ioの波形図を示す。なお、図4における、実線は本実施形態の点灯装置10における出力電流Ioの波形図であり、破線は従来の点灯装置における出力電流Ioの波形図である(図20(a)参照)。本実施形態では、出力電流Ioの立ち上げ時において、駆動周波数fに高い第1の周波数f1が設定されることで、図4に示すように、出力電流Ioの立ち上げ時間を従来よりも短縮することができる。

さらに、制御部2は、差分値Zが閾値A未満である場合、出力電流Ioが比較的大きく目標値付近であると判断し、駆動周波数fに低い第2の周波数f2を設定する(低周波期間TfL)。これにより、出力電流Ioの定常時は、スイッチング素子Q1のスイッチングロスによる回路効率の低下を抑制することができる。また、出力電流Ioの定常時において駆動周波数fに設定される第2の周波数f2は、光源4を定格点灯させるのに適した値に設定されている。したがって、出力電流Ioの定常時において、光源4を安定に定格点灯させることができる。

また、出力電流Iの定常時において、出力電流Ioのバラツキやリプルによって、出力電流Ioが目標値に対して増減するおそれがある。そこで、閾値Aは、目標値に対して減少方向の出力電流Ioのバラツキ幅Bと、減少方向の出力電流Ioのリプル幅Cとの和よりも大きい値に設定する。バラツキ幅Bとリプル幅Cとの和は、出力電流Iの定常時における検出値Yが変動(減少)し得る幅である。したがって、閾値Aをバラツキ幅Bとリプル幅Cとの和よりも大きい値(A>B+C)に設定することで、出力電流Ioの定常時において差分値Zが閾値A以上になり駆動周波数fが変動することを防止している。これにより、光源4の定格点灯時において、安定した点灯制御を行うことができ、光源4の点灯状態を安定させることができる。

さらに、本実施形態では、光源4に出力電流Ioを供給する電力変換回路1は、Cukコンバータ回路で構成されている。Cukコンバータ回路は、高価な大型トランスを使用せず安価なチョークコイルで構成されているので、コストを削減することができ、点灯装置10を安価に構成することができる。また、Cukコンバータ回路は、入出力電流のリプルが安定するという利点もある。

また、上記制御方式は、点灯装置10の始動に伴う出力電流Ioの立ち上げ時だけでなく、出力電流Ioが一時的に低下して目標値まで復帰させる際にも有効である。出力電流Ioが一時的に低下して、差分値Zが閾値A以上となった場合、駆動周波数fが第1の周波数f1に設定されるため、短い時間で出力電流Ioを目標値まで復帰させることができる。

また、駆動周波数fは、指令値X,検出値Yのみに基づいて設定されるので、入力電圧Viや光源4(負荷)の変動を踏まえたマージンの設計が不要となる。

なお、本実施形態では、電力変換回路1がCukコンバータ回路で構成された例を用いて説明したが、電力変換回路1が変形Cukコンバータ回路(図19の電力変換回路201)で構成されている場合でも、上記同様の効果を得ることができる。また、変形Cukコンバータ回路を用いた場合、スイッチング素子のオフ時にも電源のエネルギーを有効に活用でき、フライバックコンバータ回路と比べてトランスを小型化することができるという利点がある。

また、上記制御方式は、光源4に直流電流を供給するDC点灯方式(図4参照)だけでなく、光源4に直流電流を断続的に供給するパルス(PWM)点灯方式(図5参照)においても有効であり、上記同様の効果を得ることができる。

(実施形態2)
本実施形態の点灯装置10は、駆動周波数fを第1の周波数f1から第2の周波数f2に切り替える際に、駆動周波数fの変動を緩やかに制御することに特徴を有する。なお、他の制御および点灯装置10の構成は、実施形態1と同様であるので説明を省略する。

実施形態1では、差分値Zが閾値A以上である場合、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定し、差分値Zが閾値A未満である場合、駆動周波数fを第2の周波数f2に設定していた(図2参照)。したがって、駆動周波数fは、閾値Aを境にして大きく変化することとなる。

駆動周波数fが急変することによって、スイッチング素子Q1のオン期間Tonが一定にもかかわらず、オンデューティDonが変動することとなる。図6(a)に、駆動周波数fが第1の周波数f1である場合における、スイッチング素子Q1のゲート電圧の波形図を示す。また、図6(b)に、駆動周波数fが第2の周波数f2である場合における、スイッチング素子Q1のゲート電圧の波形図を示す。なお、図6(a)における駆動周期をT1、図6(b)における駆動周期をT2(>T1)とする。また、図6(a)(b)ともに、スイッチング素子Q1のオン期間をTonとする。

ここで、図6(a)におけるオンデューティDon1は、オン期間Ton/駆動周期T1となる。一方、図6(b)におけるオンデューティDon2は、オン期間Ton/駆動周期T2となる。駆動周期はT1<T2であるので、オンデューティDon1>オンデューティDon2となる。したがって、駆動周波数fが第1の周波数f1から第2の周波数f2に切り替わったタイミングで、オンデューティDonが小さくなり、出力電流Ioが大きく低下する。一方、駆動周波数fが第2の周波数f2から第1の周波数f1に切り替わったタイミングで、オンデューティDonが大きくなり、出力電流Ioが増加して過電流が発生する。特に、出力電流Ioの定常時において駆動周波数fの増減が繰り返された場合、光源4にチラツキが発生する。

そこで、本実施形態では、駆動周波数fの変動を緩やかに制御することで、光源4のチラツキを抑制する。本実施形態の点灯装置10の始動時における、制御部2の動作について、図7に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、直流電源E1が投入されると、制御部2がリセットされ、入力電圧検知部21が入力電圧Viの電圧値を検出する(ステップS11)。そして、入力電圧検知部21が、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)の電圧値であることを検知すると、制御部2が起動する(ステップS12)。

次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS13)。制御部2は、コンパレータ24,25を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する(ステップS14)。

そして、駆動信号設定部22は、差分値Zと予め設定された閾値A(第2の閾値)および指令値X(第1の閾値)とを比較し、比較結果に基づいて駆動信号(スイッチング素子Q1の駆動周波数f,オンデューティDon)を設定する。図8に、差分値Zに対する駆動周波数fのグラフを示す。また、図9に、本実施形態の出力電流Ioの立ち上がり時の波形図を示す。なお、図9における実線は、本実施形態の出力電流Ioの波形であり、破線は、従来の出力電流Ioの波形である。

差分値Zが指令値Xと同値である場合(Z=X)、すなわち検出値Y(出力電流Io)がゼロである場合、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する(ステップS15)。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS16)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS13に戻る。

一方、差分値Zが指令値X未満かつ閾値A以上である場合(A≦Z<X)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを下記式(1)で演算された値に設定する(ステップS17)。

すなわち、駆動信号設定部22は、差分値Zが指令値X未満かつ閾値A以上である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fを第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって一次関数的に減少するように設定する。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS18)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS13に戻る。なお、駆動周波数fを第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって減少させる期間を、周波数減少期間TfMとする。

一方、差分値Zが閾値A未満である場合(Z<A)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第2の周波数f2に設定する(ステップS19)。また、差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS20)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS13に戻る。

上記制御によって駆動周波数f,オンデューティDonの設定が繰り返されることで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御される。

ステップS14〜S20の制御が行われることによって、図8に示すように、差分値Zが閾値A以上である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fは第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって一次関数的(直線的)に減少する。したがって、本実施形態では、駆動周波数fが第1の周波数f1から第2の周波数f2に急変することなく、緩やかに変動するように制御されるので、駆動周波数fの急変による出力電流Ioの変動が抑制される。これにより、出力電流Ioの定常時おける光源4のチラツキを抑制することができる。

出力電流Ioの立ち上げ時における駆動周波数fは、出力電流Ioの定常時における駆動周波数f(第2の周波数f2)よりも高いので、図9に示すように、出力電流Ioの立ち上げ時間を短縮することができる。

(実施形態3)
本実施形態の点灯装置10は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する期間(高周波期間TfH)を拡大することに特徴を有する。なお、他の制御および点灯装置10の構成は、実施形態2と同様であるので説明を省略する。

実施形態2では、駆動周波数fの変動を緩やかにすることで、光源4のチラツキを抑制してる。しかし、実施形態1のように駆動周波数fを急変させる場合に比べて、駆動周波数fが高い期間が短くなることとなり、出力電流Ioの立ち上げ時間短縮の効果が小さくなる。

そこで、本実施形態では、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する期間(高周波期間TfH)を拡大することで、出力電流Ioの立ち上げ時間の短縮と光源4のチラツキ抑制とを両立する。本実施形態の点灯装置10の始動時における、制御部2の動作について、図10に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、直流電源E1が投入されると、制御部2がリセットされ、入力電圧検知部21が入力電圧Viの電圧値を検出する(ステップS31)。そして、入力電圧検知部21が、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)の電圧値であることを検知すると、制御部2が起動する(ステップS32)。

次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS33)。制御部2は、コンパレータ24,25を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する(ステップS34)。

そして、駆動信号設定部22は、差分値Zと予め設定された閾値A(第2の閾値)および閾値D(第1の閾値)とを比較し、比較結果に基づいて駆動信号(スイッチング素子Q1の駆動周波数f,オンデューティDon)を設定する。なお、閾値Dは、閾値Aより大きく、指令値Xより小さい。図11に、差分値Zに対する駆動周波数fのグラフを示す。また、図12に、点灯装置10の始動時における検出値Yの波形図を示す。なお、図12における実線は、本実施形態の検出値Yの波形であり、破線は、実施形態2の検出値Yの波形である。

差分値Zが閾値D以上である場合(Z≧D)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する(ステップS35)。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS36)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS33に戻る。

一方、差分値Zが閾値D未満かつ閾値A以上である場合(A≦Z<D)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを下記式(2)で演算された値に設定する(ステップS37)。

すなわち、駆動信号設定部22は、差分値Zが閾値D未満かつ閾値A以上である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fを第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって一次関数的に減少するように設定する。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS38)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS33に戻る。

一方、差分値Zが閾値A未満である場合(Z<A)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第2の周波数f2に設定する(ステップS39)。また、差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS40)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS33に戻る。

上記制御によって駆動周波数f,オンデューティDonの設定が繰り返されることで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御される。

図11に示すように、上記制御(ステップS34〜S40)が行われることによって、差分値Zが閾値D以上である場合、駆動周波数fが上限値に設定される。そして、差分値Zが閾値Dから閾値Aに近付くにつれて、駆動周波数fは第1の周波数f1から第2の周波数f2に近付くように設定される。

このように、本実施形態では、実施形態2に比べて駆動周波数fを第1の周波数f1に設定している高周波期間TfHが長いので、図12に示すように、実施形態2に比べて出力電流Ioの立ち上げ時間短縮の効果が大きくなる。さらに、駆動周波数fは、第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって一次関数的に減少するように設定(周波数減少期間TfM)されるので、駆動周波数fの急変による光源4のチラツキも抑制することができる。

また、閾値Dを調整することで、駆動周波数fが第1の周波数f1に設定される高周波期間TfHと、駆動周波数fが第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって減少する傾きとのバランスを容易に調整することができる。すなわち、出力電流Ioの立ち上げ時間と、駆動周波数fの変動による出力電流Ioの変動とを容易に調整することができる。

(実施形態4)
本実施形態の点灯装置10は、差分値Zが閾値A以上かつ閾値D未満である場合、駆動周波数fを二次関数的(曲線的)に減少させることに特徴を有する。なお、他の制御および点灯装置10の構成は、実施形態3と同様であるので説明を省略する。

本実施形態では、実施形態3で説明した高周波期間TfHを拡大する制御に加えて、差分値Zが閾値A以上かつ閾値D未満である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fを減少させる傾きを小さくする制御を加える。本実施形態の点灯装置10の始動時における、制御部2の動作について、図13に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、直流電源E1が投入されると、制御部2がリセットされ、入力電圧検知部21が入力電圧Viの電圧値を検出する(ステップS51)。そして、入力電圧検知部21が、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)の電圧値であることを検知すると、制御部2が起動する(ステップS52)。

次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS53)。制御部2は、コンパレータ24,25を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する(ステップS54)。

そして、駆動信号設定部22は、差分値Zと予め設定された閾値A(第2の閾値)および閾値D(第1の閾値)とを比較し、比較結果に基づいて駆動信号(スイッチング素子Q1の駆動周波数f,オンデューティDon)を設定する。図14に、差分値Zに対する駆動周波数fのグラフを示す。

差分値Zが閾値D以上である場合(Z≧D)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する(ステップS55)。また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS56)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS53に戻る。

一方、差分値Zが閾値D未満かつ閾値A以上である場合(A≦Z<D)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを下記式(3)で演算された値に設定する(ステップS57)。

すなわち、駆動信号設定部22は、差分値Zが閾値D未満かつ閾値A以上である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fが第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって減少する。このとき、差分値Zが閾値Dから閾値Aに近付くにつれて、駆動周波数fを減少させる傾きが小さくなる、また、この場合、差分値Zはゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも小さいので、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる(ステップS58)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS53に戻る。

一方、差分値Zが閾値A未満である場合(Z<A)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第2の周波数f2に設定する(ステップS59)。また、差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS60)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS53に戻る。

上記制御によって駆動周波数f,オンデューティDonの設定が繰り返されることで、出力電流Ioが目標値となるようにフィードバック制御される。

図14に示すように、差分値Zが閾値D未満かつ閾値A以上である場合、差分値Zが小さくなるにつれて、駆動周波数fが第1の周波数f1から第2の周波数f2に向かって減少する。このとき、差分値Zが閾値Dから閾値Aに近付くにつれて、駆動周波数fを減少させる傾きが小さくなる、すなわち駆動周波数fの変化量が小さくなる。これにより、出力電流Ioが定格値に近付くにつれて、駆動周波数fの変化による出力電流Ioの変動が小さくなる。したがって、出力電流Ioの定格値付近において、出力電流Ioの収束が容易となり、出力電流Ioを安定させることができる。

(実施形態5)
図15に本実施形態の点灯装置10の回路構成図を示す。本実施形態の点灯装置10は、制御部2が起動してからの経過時間tsに基づいて、駆動周波数fを切り替えることに特徴を有する。本実施形態の制御部2は、実施形態1〜4の制御部2が具備していたコンパレータ25を備えておらず、代わりにタイマー26を備えている。他の構成は実施形態1〜4と同様であり、実施形態1と同一符号を付して説明を省略する。

タイマー26は、点灯装置10に入力電圧Viが印加され、制御部2が起動してからの経過時間tsをカウントする。そして、タイマー26は、カウントした経過時間tsを駆動信号設定部22に出力する。

次に、本実施形態の点灯装置10の始動時における、制御部2の動作について、図16に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、直流電源E1が投入されると、制御部2がリセットされ、入力電圧検知部21が入力電圧Viの電圧値を検出する(ステップS71)。そして、入力電圧検知部21が、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)の電圧値であることを検知すると、制御部2が起動する(ステップS72)。そして、タイマー26は、制御部2が起動した時間を始点として、経過時間tsのカウントを開始する。

そして、駆動信号設定部22は、経過時間tsと予め設定された閾値時間E(第3の閾値)とを比較し、比較結果に基づいて駆動周波数fを設定する(ステップS73)。図17に、点灯装置10の始動時における出力電流Ioの波形図を示す。

経過時間tsが閾値時間E未満である場合(t<E)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する(ステップS74)。ここで、閾値時間Eは、駆動周波数fが第1の周波数f1に設定されている場合に、制御部2が起動してから出力電流Ioが定格値(目標値)に到達するのに要する時間以上に設定されている。

次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS75)。制御部2は、コンパレータ24を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する。そして、駆動信号設定部22は、差分値Zに基づいて駆動信号のオンデューティDonを設定する。差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS76)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS73に戻る。

一方、経過時間tsが閾値時間E以上である場合(t≧E)、駆動信号設定部22は、駆動周波数fを第2の周波数f2に設定する(ステップS77)。次に、電流検出部3は、出力電流Ioを検出し、検出値Yを制御部2に出力する(ステップS78)。制御部2は、コンパレータ24を用いて、指令値Xから検出値Yを減算して差分値Zを算出する。そして、駆動信号設定部22は、差分値Zに基づいて駆動信号のオンデューティDonを設定する。差分値Zがゼロよりも大きい、すなわち出力電流Ioが目標値も小さい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを増加させる。一方、差分値Zがゼロよりも小さい、すなわち出力電流Ioが目標値よりも大きい場合、駆動信号設定部22は、駆動信号に設定するオンデューティDonを低減させる(ステップS79)。そして、駆動信号発信部23は、駆動周波数f,オンデューティDonが設定された駆動信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力することで、スイッチング素子Q1がオン・オフ駆動する。以降は、上記ステップS78に戻る。

このように、本実施形態では、経過時間tsと閾値時間Eとを比較することで、出力電流Ioの立ち上げ時であるか出力電流Ioの定常時であるかを判断する。そして、経過時間tsが閾値時間E未満である場合、駆動信号設定部22は、出力電流Ioの立ち上げ時であると判断して駆動周波数fを第1の周波数f1に設定する。これにより、出力電流Ioの立ち上げ時間を短縮することができる。そして、経過時間tsが閾値時間E以上である場合、駆動信号設定部22は、出力電流Ioの定常時であると判断して駆動周波数fを第2の周波数f2に設定する。これにより、スイッチング素子Q1のスイッチングロスによる回路効率の低下を抑制することができる。

なお、出力電流Ioの立ち上げ時間は、入力電圧Viや負荷(光源4)の変動や、回路素子のバラツキ等、さまざまな要因によってバラツキが発生する。そのため、出力電流Ioの立ち上げ時間のバラツキを考慮したマージンをもたせて、閾値時間Eを設定するのが望ましい。

また、本実施形態では、経過時間tsのカウントの始点である制御部2が起動した時間を、入力電圧Viが所定範囲(制御部2の動作可能電圧)となった時間としているが、この時間に限定するものではない。例えば、制御部2がスイッチング素子Q1のスイッチング制御を開始した時間または、光源4に出力電流Ioの供給を開始した時間などを、制御部2が起動した時間として、経過時間tsのカウントを開始してもよい。

また、各実施形態に示した点灯装置10と、この点灯装置10から電力供給される光源4とを器具本体(図示なし)に取り付けることで、照明器具を構成することができる。

また、各実施形態に示した点灯装置10と、この点灯装置10から電力供給され前照灯として用いる光源4とを、車両に設ける灯具(図示なし)に取り付けることで、車載用照明器具を構成することができる。

1 電力変換回路
1A 第1のコンバータ回路
1B 第2のコンバータ回路
2 制御部
3 電流検出部
4 光源
10 点灯装置
C1〜C3 コンデンサ
L1 インダクタ(第1のインダクタ)
L2 インダクタ(第2のインダクタ)
Q1 スイッチング素子
D1 ダイオード
Ld1 LED素子(発光素子)

Claims (10)

  1. 第1のインダクタを有し、スイッチング素子がオンされると、直流電源から前記スイッチング素子を介して前記第1のインダクタに電流が流れることで、前記第1のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第1のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、コンデンサに電荷を蓄積する第1のコンバータ回路および、第2のインダクタを有し、前記スイッチング素子がオンされると、前記コンデンサから前記スイッチング素子を介して前記第2のインダクタに電流が流れることで、前記第2のインダクタにエネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子がオフされると、前記第2のインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されることで、光源に電流を供給する第2のコンバータ回路からなる電力変換回路と、
    前記電力変換回路から前記光源に供給される出力電流を検出する電流検出部と、
    前記スイッチング素子をスイッチング制御しており、前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオンデューティを設定することで、前記出力電流が目標値となるようにフィードバック制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記出力電流をゼロの状態から前記目標値に向かって増加させる前記出力電流の立ち上げ時における前記スイッチング素子の駆動周波数を、前記出力電流を前記目標値まで増加させた後である前記出力電流の定常時における前記駆動周波数よりも高く設定することを特徴する点灯装置。
  2. 前記制御部は、
    前記目標値から前記出力電流を引いた差分値が、第1の閾値以上である場合、前記駆動周波数を第1の周波数に設定し、
    前記差分値が、前記第1の閾値以下となる第2の閾値未満である場合、前記駆動周波数を前記第1の周波数より低い第2の周波数に設定することを特徴とする請求項1記載の点灯装置。
  3. 前記第2の閾値は、前記定常時における前記出力電流のバラツキ幅と前記出力電流のリプル幅との和よりも大きいことを特徴とする請求項2記載の点灯装置。
  4. 前記第2の閾値は、前記第1の閾値と同じ値であることを特徴とする請求項2または3記載の点灯装置。
  5. 前記第2の閾値は、前記第1の閾値より小さく、
    前記制御部は、前記差分値が第1の閾値未満かつ前記第2の閾値以上である場合、前記差分値が小さくなるにつれて、前記駆動周波数を前記第1の周波数から前記第2の周波数に向かって一次関数的に減少させることを特徴とする請求項2または3記載の点灯装置。
  6. 前記第2の閾値は、前記第1の閾値より小さく、
    前記制御部は、前記差分値が第1の閾値未満かつ前記第2の閾値以上である場合、前記差分値が小さくなるにつれて、前記駆動周波数を減少させる傾きが小さくなるように、前記駆動周波数を前記第1の周波数から前記第2の周波数に向かって減少させることを特徴とする請求項2または3記載の点灯装置。
  7. 前記制御部が起動してからの経過時間をカウントするタイマーを備え、
    前記制御部は、
    前記経過時間が第3の閾値未満である場合、前記駆動周波数を第1の周波数に設定し、
    前記経過時間が前記第3の閾値以上である場合、前記駆動周波数を前記第1の周波数より低い第2の周波数に設定することを特徴とする請求項1記載の点灯装置。
  8. 前記電力変換回路は、Cukコンバータ回路または変形Cukコンバータ回路で構成されることを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか1項に記載の点灯装置。
  9. 請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の点灯装置と、
    発光素子で構成され、前記点灯装置から電力が供給される光源と、
    前記点灯装置および前記光源が取り付けられる器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。
  10. 請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の点灯装置と、
    発光素子で構成され、前記点灯装置から電力が供給される光源と、
    前記点灯装置および前記光源が取り付けられ、車両に設けられる灯具とを備えることを特徴とする車載用照明器具。
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