JP6263769B2 - Ｌｅｄ電源装置及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ電源装置及びそれを用いたＬＥＤ照明装置に関する。

特許文献１はいわゆるコンデンサインプット型の照明用電源回路を開示する。同文献の電源回路（１）は、交流電源が入力される全波整流器（ＤＢ１）と、全波整流器の出力端に並列接続された平滑コンデンサ（Ｃ２）と、平滑コンデンサを電源としてＬＥＤ電流を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ（３３）を備える。このようなコンデンサインプット型の回路においては、交流電源電圧のピーク付近でしか入力電流が発生しないため、入力力率が低い。

特許文献２はいわゆる力率改善型のＬＥＤ点灯回路を開示する。同文献のＬＥＤ点灯回路は、交流電源が入力される全波整流器（ＤＢ）と、全波整流器の出力端に並列接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）と、第１のコンデンサを電源としてＬＥＤ電流を生成するスイッチング電源部（１）と、ＬＥＤ電流を平滑化する第２のコンデンサ（Ｃ２）を備える。第１のコンデンサが１μ未満に設定されることにより、交流電源電圧のほぼ全範囲で入力電流が発生し、特許文献１のようなコンデンサインプット型の回路に比べて入力力率が改善される。

特開２００７−２２７１５５号 特許第５１４０２０３号

しかし、特許文献２に開示されるような構成によると、全波整流器の出力端に並列接続されるコンデンサ（以下、「入力コンデンサ」という）の小容量化によって、入力コンデンサの寿命設計が難しくなる。具体的には、入力コンデンサには、通常動作時にはＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作による高周波電流が流れ、交流電源投入時には突入電流が流れる。一般的に、コンデンサの容量値の減少に対して許容電流も減少するため、入力コンデンサの低容量化によって許容電流に対するディレーティングが困難となる。ここで、一般に同じ種類のコンデンサに関して、容量を半分とすると許容電流は半分以上となる。従って、入力コンデンサを２つのコンデンサの並列回路として、各コンデンサの容量を１つのコンデンサの場合の半分にすれば入力力率を維持しつつコンデンサのディレーティングの問題を解決できるかのようにみえる。しかし、実際には、コンデンサ容量のばらつき、電流源からコンデンサまでの経路のインピーダンスの差等に起因して、並列接続された２つのコンデンサに電流は均等には流れない。従って、より多くの電流が流れる方のコンデンサが先に寿命に達することになる。その結果として、所期の回路寿命設計が実現されない場合がある。

そこで、本発明は、高い入力力率を実現しつつも入力コンデンサのディレーティングを確保し、かつ入力コンデンサに流れる電流を均等に分流して回路の正確な寿命設計を可能とするＬＥＤ電源装置及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供することを課題とする。

本発明のＬＥＤ電源装置は、第１の入力端、第２の入力端、第１の出力端及び第２の出力端を有し、第１及び第２の入力端に交流電圧が入力される全波整流器と、第１の入力端と第１の出力端との間に接続された第１の入力コンデンサ及び第２の入力端と第１の出力端との間に接続された第２の入力コンデンサを有し、第１の入力コンデンサ及び第２の入力コンデンサの容量が等しく、その容量は入力力率が９９．０％以上となるように設定された入力コンデンサ回路と、第１の入力コンデンサ及び第２の入力コンデンサの電圧をスイッチング、変圧、整流及び平滑化して直流電流をＬＥＤに供給するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。

上記のＬＥＤ電源装置によると、全波整流器の１つの出力端から一方の入力端に第１の入力コンデンサが接続され、同出力端から他方の入力端に第２の入力コンデンサが接続され、入力力率が９９．０％となるように双方の入力コンデンサの容量が設定される。従って、高い入力力率が実現されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングによる高周波電流及び交流電源投入時の突入電流が第１及び第２のコンデンサに均等に流れる構成が実現され、入力コンデンサのディレーティングの確保及び回路の正確な寿命設計が可能となる。

ここで、第１の出力端は高電位側であり、第２の出力端は低電位側とすることが好ましい。これにより、全波整流器とＤＣ／ＤＣコンバータの間の低電位側の電流経路にコンデンサが接続されないので、低電位側の直流ラインに接続されるシグナルグランドの設計自由度が増し、回路の配線設計が容易となる。また、コモンモードの雷サージが印加されて高電位側出力端から交流電源に向かうサージ電流が発生した場合でも、サージ電流は全波整流器を経由せずに第１及び第２の入力コンデンサを経由して流れるので、全波整流器が故障することはない。これにより、ＬＥＤ電源装置の信頼性が向上する。

また、第１の入力コンデンサ及び第２の入力コンデンサの容量はそれぞれ０．０１μＦ以上１μＦ以下であることが好ましい。これにより、第１及び第２のコンデンサがＤＣ／ＤＣコンバータの電源として機能し、かつ高い入力力率が実現される。

ここで、全波整流器がリード挿入型のブリッジダイオードからなり、第１及び第２の入力コンデンサがそれぞれ第１及び第２のフィルムコンデンサからなり、ブリッジダイオード、第１及び第２のフィルムコンデンサ並びにＤＣ／ＤＣコンバータの各素子が実装された基板において、第１及び第２の入力端にそれぞれ接続される第１及び第２の交流パターンがブリッジダイオードの主面に対して第１の方向に延在するように配線され、第１及び第２の出力端にそれぞれ接続される第１及び第２の直流パターンが上記主面に対して第１の方向とは逆の第２の方向に延在するように配線され、基板の上面視において、ブリッジダイオードと第１及び第２の直流パターンで画定される領域において、第１のフィルムコンデンサの長手方向及び第２のフィルムコンデンサの長手方向がブリッジダイオードの主面に対して垂直になるように第１及び第２のフィルムコンデンサが配置されるようにした。これにより、比較的短いパターンによる第１及び第２の入力コンデンサの接続が可能となるとともに、第１及び第２の入力コンデンサが全波整流器及びＤＣ／ＤＣコンバータから受ける輻射熱の影響が均一化される。

また、全波整流器がリード挿入型のブリッジダイオードからなり、第１及び第２の入力コンデンサがそれぞれ第１及び第２のフィルムコンデンサからなり、ブリッジダイオード、第１及び第２のフィルムコンデンサ並びにＤＣ／ＤＣコンバータの各素子が実装された基板の上面視において、ブリッジダイオードの長手方向を挟んで対向する位置において、第１のフィルムコンデンサの長手方向及び第２のフィルムコンデンサの長手方向がブリッジダイオードの長手方向に垂直となるように第１及び第２のフィルムコンデンサが配置されるようにしてもよい。これにより、第１及び第２の入力コンデンサが全波整流器及びＤＣ／ＤＣコンバータから受ける輻射熱の影響が均一化及び軽減される。

上記において、ＤＣ／ＤＣコンバータが、第１及び第２の出力端のうちの一方が接続される１次巻線及び該一次巻線から絶縁された２次巻線を有するトランスと、１次巻線をスイッチングするスイッチング素子と、２次巻線の出力を整流するダイオードと、ＬＥＤに並列接続されてダイオードの出力を平滑化する平滑コンデンサと、スイッチング素子を駆動する制御回路を含む。これにより、少ない部品点数で小型かつ低コストなＬＥＤ電源装置が構成される。

本発明のＬＥＤ照明装置は、上記のＬＥＤ電源装置とＬＥＤとを備える。これにより高い入力力率でかつ寿命が確保されたＬＥＤ照明装置を得ることができる。

本発明の第１の実施形態によるＬＥＤ電源装置を含むＬＥＤ照明装置を示す図である。 図１のＬＥＤ電源装置の動作を説明する図である。 図１のＬＥＤ電源装置の動作を説明する図である。 使用するコンデンサの電気特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＬＥＤ電源装置の基板実装例を示す図である。 実装されるブリッジダイオード及びフィルムコンデンサの概略図である。 本発明の第３の実施形態によるＬＥＤ電源装置の基板実装例を示す図である。 本発明の第４の実施形態によるＬＥＤ電源装置を含むＬＥＤ照明装置を示す図である。 本発明のＬＥＤ電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータ部分の変形例を示す図である。 比較例のＬＥＤ電源装置を示す図である。 図１０のＬＥＤ電源装置の動作を説明する図である。

実施形態１．
図１に、本発明の実施形態１に係るＬＥＤ電源装置１を含むＬＥＤ照明装置３の回路構成図を示す。ＬＥＤ照明装置３はＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤ２を含む。ＬＥＤ電源装置１には交流電源ＡＣが入力され、ＬＥＤ電源装置１から直流出力がＬＥＤ２に供給される。ＬＥＤ２は直列接続された複数のＬＥＤ素子２ａからなるＬＥＤモジュール等であればよい。図１においては、３個のＬＥＤ素子２ａを示しているが、ＬＥＤ素子２ａの接続数は任意である。

ＬＥＤ電源装置１は、入力回路１０、全波整流器２０、入力コンデンサ回路３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０を含む。なお、本明細書における説明において、各回路又は構成要素が上記のどのブロックに属するかは便宜的なものであり、本発明を拘束するものではない。また、同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

入力回路１０は、フィルタコンデンサ１１及び１２、コモンモードチョークコイル１３並びにノーマルモードチョークコイル１４を含み、全体としてノイズフィルタを構成する。なお、入力回路１０は、必要に応じて電流ヒューズ、バリスタ等をさらに含んでいてもよい。

全波整流器２０はダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を含むダイオードブリッジからなる。以降の説明において、ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードの接続点を入力端Ｔａといい、ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ４のカソードの接続点を入力端Ｔｂというものとする。入力端Ｔａはノーマルモードチョークコイル１４側の交流ラインＬａに接続され、入力端Ｔｂは他方の交流ラインＬｂに接続される。また、ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ３のカソードの接続点を高電位側出力端Ｔ＋といい、ダイオードＤ２のアノードとダイオードＤ４のアノードの接続点を低電位側出力端Ｔ−というものとする。高電位側出力端Ｔ＋は直流ラインＬ＋に接続され、低電位側出力端Ｔ−は直流ラインＬ−に接続される。交流電源ＡＣからの入力電圧が全波整流器２０によって全波整流され、全波整流出力が直流ラインＬ＋及びＬ−を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０に入力される。

入力コンデンサ回路３０は入力コンデンサ３１及び３２を含む。入力コンデンサ３１は全波整流器２０の高電位側出力端Ｔ＋と入力端Ｔｂの間に接続され、入力コンデンサ３２は高電位側出力端Ｔ＋と入力端Ｔａの間に接続される。入力コンデンサ３１は、交流ラインＬａが交流ラインＬｂに対して正側となる場合に、後述するＤＣ／ＤＣコンバータ４０にスイッチング電流を供給する役割を担う（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源となる）。具体的には、入力コンデンサ３１は、交流ラインＬａ→ダイオードＤ１→入力コンデンサ３１→交流ラインＬｂに電流が流れることにより充電され、入力コンデンサ３１→直流ラインＬ＋→ＤＣ／ＤＣコンバータ４０→直流ラインＬ−→ダイオードＤ４に電流が流れることにより放電される。一方、入力コンデンサ３２は、入力端Ｔｂが入力端Ｔａに対して正側となる場合にＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源となる。具体的には、入力コンデンサ３２は、交流ラインＬｂ→ダイオードＤ３→入力コンデンサ３２→交流ラインＬａに電流が流れることにより充電され、入力コンデンサ３２→直流ラインＬ＋→ＤＣ／ＤＣコンバータ４０→直流ラインＬ−→ダイオードＤ２に電流が流れることにより放電される。

入力コンデンサ３１と入力コンデンサ３２の容量は等しく、その容量は、適用される交流電源電圧範囲において入力力率が９９．０％以上となるように設定される。特に、適用される交流電源電圧が１００Ｖａｃ〜２４２Ｖａｃである場合に、入力力率が９９．０％以上となるように入力コンデンサ３１及び３２の容量が設定されることが好ましい。なお、ＬＥＤ電源装置１の入力電力が１Ｗ以上１５０Ｗ以下の範囲において、入力コンデンサ３１及び３２の容量はそれぞれ１μＦ以下であることが好ましい。これは、入力コンデンサ３１及び３２の容量がそれぞれ１μＦを超える場合、電源電圧の谷部での入力電流が減少する一方で電源電圧のピーク付近での入力電流が増加し、特に高い交流電源電圧でかつ入力電力が小さい場合に入力力率が低くなるからである。また、ＬＥＤ電源装置１の入力電力が１Ｗ以上１５０Ｗ以下の範囲において、入力コンデンサ３１及び３２の容量は許容実効電流値を満たす範囲でそれぞれ０．０１μＦ以上であることが好ましい。これは、入力コンデンサ３１及び３２の容量が０．０１μＦ未満の場合、特に低い交流電源電圧でかつ入力電力が大きい場合にＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源として機能しなくなるからである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、トランス４１、スイッチング素子４２、ダイオード４３、平滑コンデンサ４４、制御回路４５、フォトカプラ４６、誤差増幅器４７及び電流検出抵抗４８を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は絶縁型フライバックコンバータからなり、力率改善機能を持つ、いわゆるワンコンバータ方式のフライバック降圧回路を構成する。これにより、少ない部品点数で小型かつ低コストなＬＥＤ電源装置が実現される。概略として、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は入力コンデンサ３１及び３２の電圧をスイッチング、変圧、整流及び平滑化して直流電流をＬＥＤ２に供給し、その直流出力は以下に説明するように定電流制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０において、スイッチング素子４２のオン期間にトランス４１の一次巻線Ｎ１によってエネルギーが蓄積され、スイッチング素子４２のオフ期間にそのエネルギーがトランス４１の二次巻線Ｎ２側からダイオード４３を介して平滑コンデンサ４４に充電される。降圧比は一次巻線Ｎ１に対する二次巻線Ｎ２の巻数比によって決まり、出力電流はスイッチング素子４２のＰＷＭ制御におけるオンデューティ（オン幅）によって決まる。平滑コンデンサ４４はＬＥＤ２に並列接続され、ダイオード４３からの整流出力を平滑化する。平滑コンデンサ４４は、許容される光リップルに応じて１００μＦ〜１０００μＦ程度であればよい。

制御回路４５はドライバＩＣ及びその周辺回路を含み、スイッチング素子４２を１００ｋＨｚ程度の高周波でＰＷＭ駆動する。制御回路４５はフォトカプラ４６のフォトトランジスタ４６ｂの出力状態に応じたパルス幅（すなわち、オンデューティ）のＰＷＭ駆動信号を生成し、それをスイッチング素子４２のゲート電圧として出力する。フォトカプラ４６のフォトダイオード４６ａのアノードには所定の電流又は電圧が供給され、フォトトランジスタ４６ｂには、フォトダイオード４６ａに流れる電流（発光）に応じた出力電流が流れる。誤差増幅器４７において、電流検出抵抗４８に発生する電圧（電流検出値）が負入力端子に入力され、基準電圧Ｖｒｅｆが正入力端子に入力される。なお、誤差増幅器４７の負入力端子と出力端子間には不図示の帰還素子（抵抗、コンデンサ、又はこれらの直列回路若しくは並列回路）が接続されるものとする。誤差増幅器４７は、負入力端子の入力値と正入力端子の入力値との誤差を増幅して出力し、その誤差がなくなる方向にＰＷＭ制御のパルス幅が決定される。すなわち、制御回路４５、フォトカプラ４６、誤差増幅器４７等の協働によってＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流がフィードバック制御され、ＬＥＤ電流が設定値で一定となるように制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、スイッチング電流に休止期間がある不連続モード、又はスイッチング電流に休止期間がなくかつスイッチング電流がゼロまで低下する臨界モードのいずれかで動作され得るが、本実施形態では不連続モードが採用される。図２に、スイッチング素子４２に流れるスイッチング電流と交流電源ＡＣからの入力電流の関係を、電源電圧の半波分について示す。交流電源ＡＣの電圧位相の全域にわたってスイッチング素子４２が高周波（例えば１００ｋＨｚ程度）で駆動される。なお、図２は各波形を模式的に示すものであり、電源電圧の半波波形中に１０波のスイッチング電流のみを示しているが、実際には、交流電源ＡＣが５０Ｈｚでスイッチング周波数が１００ｋＨｚである場合に、電源電圧の半波波形中に１０００波のスイッチング電流が含まれることになる。これにより、交流電源電圧に応じて交流入力電流が平均化されて入力電流波形がほぼ正弦波となり、高い入力力率が得られるとともに電源高調波が抑制される。

ここで、以降の説明において比較例となるＬＥＤ電源装置について説明する。図１０は比較例のＬＥＤ電源装置４を含むＬＥＤ照明装置５の回路構成図である。図１に示すＬＥＤ電源装置１からの相違は、図１の入力コンデンサ３１及び３２の代わりに入力コンデンサ３３が全波整流器２０の高電位側出力端Ｔ＋（直流ラインＬ＋）と低電位側出力端Ｔ−（直流ラインＬ−）の間に接続された点である。入力コンデンサ３３には、全波整流器２０からの全波整流出力である全波の脈流電圧が印加され、その充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源となる。

図１１に、入力コンデンサ３３を流れる電流を交流電源電圧の２周期分について示す。図１１に示すように、入力コンデンサ３３には、全波脈流電圧の高周波スイッチングの結果として、全波整流器２０の全波整流出力を包絡線とする高周波電流が流れる。

一方、図３に、ＬＥＤ電源装置１の入力コンデンサ３１及び３２を流れる電流を交流電源電圧の２周期分について示す。半波脈流電圧の高周波スイッチングの結果として、入力コンデンサ３１及び３２には、全波整流器２０の半波整流出力を包絡線とする高周波電流が半波ごとに流れる。入力コンデンサ３１及び３２の各々における電流の通電時間は入力コンデンサ３３における通電時間の１／２であるので、入力コンデンサ３１及び３２の各々における実効電流値は入力コンデンサ３３における実効電流値の１／√２となる。

表１に本実施形態によるＬＥＤ電源装置１の一設計例の電気特性を示し、表２に比較例によるＬＥＤ電源装置４の電気特性を示す。ＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤ電源装置４に共通する要素としてフィルタコンデンサ１１及び１２をそれぞれ０．１μＦ、コモンモードチョークコイル１３を９ｍＨ、ノーマルモードチョークコイル１４を５６０μＨとした。ＬＥＤ電源装置１においては、入力コンデンサ３１及び３２をそれぞれ０．１５μＦとし、ＬＥＤ電源装置４においては、入力コンデンサ３３を０．１５μＦとした。表１及び表２において、Ｖ_ｉｎは電源電圧、Ｉ_ｉｎは入力電流、Ｐ_ｉｎは入力電力、ＰＦ_ｉｎは入力力率、Ｖ_ＬＥＤはＬＥＤ２のＬＥＤ電圧、Ｉ_ＬＥＤはＬＥＤ電流、Ｐ_ＬＥＤはＬＥＤ電力、ηは変換効率、Ｉ_{Ｃ３１、３２}は入力コンデンサ３１及び３２の各々に流れる実効電流値、Ｉ_Ｃ３３は入力コンデンサ３３に流れる実効電流値を表す。電源電圧Ｖ_ｉｎは１００Ｖａｃ、２００Ｖａｃ及び２４２Ｖａｃであり、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤは１２０Ｖ、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤは５００ｍＡ、すなわちＬＥＤ電力Ｐ_ＬＥＤは６０Ｗであり、負荷出力（ＬＥＤ電流及びＬＥＤ電力）は一定に制御される。スイッチング素子４２は１００ｋＨｚ近傍で駆動される。

表１．ＬＥＤ電源装置１の電気特性

表２．ＬＥＤ電源装置４の電気特性

表１及び表２からわかるように、全ての電源電圧範囲において入力力率は９９．０％以上となる。このように、ＬＥＤ電源装置１及びＬＥＤ電源装置４では、同様に高い入力力率が得られることが分かる。

ところで、表２に示すように、ＬＥＤ電源装置４の入力コンデンサ３３には１．６０Ａの実効電流が流れる。ここで、図４に、フィルムコンデンサの中でも比較的大電流を流せるメタライズドフィルムコンデンサ（日通工エレクトロニクス製、ＦＰＢシリーズ、ＤＣ６５０Ｖ）の許容実効電流値を示す。図４から分かるように、容量が０．１５μＦの場合、スイッチング周波数１００ｋＨｚにおける許容実効電流値は１．２Ａ程度であることから、１つの入力コンデンサ３３の代わりに、容量が０．７５μＦの２つのコンデンサの並列回路を使用してディレーティングを確保する等の対策が必要となる。なお、ＬＥＤ電源装置１においては、入力コンデンサ３１及び３２に流れる電流の実効値は、許容実効電流値１．２Ａ未満の１．１３Ａであり、ディレーティングが確保される。

参照として、入力コンデンサ３３に流れる電流がその許容実効電流値以下となるように入力コンデンサ３３の容量を選定する場合、０．３３μＦの容量が必要となる。表３に、表２の測定条件から入力コンデンサ３３の容量のみを０．１５μＦから０．３３μＦに変更した場合の電気特性を示す。

表３．ＬＥＤ電源装置４の電気特性

表３に示すように、入力コンデンサ３３の容量を増加させたことにより、入力力率が低下し、特に高い電源電圧（２００Ｖａｃ、２４２Ｖａｃ）において入力力率は９９％未満となってしまうことが分かる。このように、入力コンデンサ３３として１つのコンデンサを用いる構成では、高い入力力率とコンデンサのディレーティングを両立させるのが難しいことが分かる。

以上より、本実施形態のＬＥＤ電源装置１によると、以下（１）乃至（４）の有利な効果が得られる。

（１）高周波電流の均等な分流
図１に戻り、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０のスイッチングによる高周波電流の分流について再度説明すると、入力コンデンサ３１が電源となる電源電圧半周期には、高周波電流は、入力コンデンサ３１→トランス４１の１次巻線Ｎ１→スイッチング素子４２→ダイオードＤ４に流れる。一方、入力コンデンサ３２が電源となる電源電圧半周期には、高周波電流は、入力コンデンサ３２→トランス４１の１次巻線Ｎ１→スイッチング素子４２→ダイオードＤ２に流れる。このように、高周波電流は入力コンデンサ３１及び３２に時分割的に均等に分流される。このような時分割的に均等な分流は、入力コンデンサ３１及び３２の間の容量ばらつき、スイッチング素子４２から入力コンデンサ３１及び３２までの経路のインピーダンスの差等に依存せず実現される。従って、本実施形態によるＬＥＤ電源装置１は、高い入力力率を実現しつつも入力コンデンサ３１及び３２のディレーティングを確保し、入力コンデンサ３１及び３２に流れる電流を均等に分流して回路の正確な寿命設計を実現することを可能とする。

（２）突入電流の均等な分流
交流電源ＡＣの投入時の突入電流について、交流ラインＬａが交流ラインＬｂに対して正側の場合には、突入電流は、交流ラインＬａ→ダイオードＤ１→入力コンデンサ３１→交流ラインＬｂに流れる。一方、交流ラインＬｂが交流ラインＬａに対して正側の場合には、突入電流は、交流ラインＬｂ→ダイオードＤ３→入力コンデンサ３２→交流ラインＬａに流れる。従って、長期的な視点において、突入電流が入力コンデンサ３１及び３２の各々に流れ込む機会（確率）は１／２となる。このような突入電流の均等な分流も、入力コンデンサ３１及び３２の間の容量ばらつき等によらず実現される。

（３）シグナルグランドの設計容易性
低電位側の直流ラインＬ−は、主電流回路の基準電位（以下、「パワーグランド」という）となる一方で、制御回路４５等の小信号回路の基準電位（以下、「シグナルグランド」という）が接続される。ここで、比較例のＬＥＤ電源装置４（図１０）において、全波整流器２０の低電位側出力端Ｔ−からスイッチング素子４２のソース端子（ソース端子に電流検出抵抗が接続される場合には電流検出抵抗の低電位側電極、以下同じ）までの直流ラインＬ−がパワーグランドとなる。ここで、低電位側出力端Ｔ−から入力コンデンサ３３の低電位側電極までの配線には入力電流による低周波電流が主に流れる一方で、入力コンデンサ３３の低電位側電極からスイッチング素子４２のソース端子までの配線にはＤＣ／ＤＣコンバータ４０のスイッチングによる高周波電流が主に流れる。このように、同じパワーグランドにおいても区間によって流れる電流が異なる。そのため、シグナルグランドとパワーグランドの接続点によっては、得られるシグナルグランドにおける電位の安定性、すなわち制御回路４５等の制御の安定性が異なる。従って、比較例のＬＥＤ電源装置４においては、シグナルグランドとパワーグランドの接続点を直流ラインＬ−のどのポイントとするかについての検討に時間と労力がかかる。

一方、本実施形態のＬＥＤ電源装置１においては、低電位側の直流ラインＬ−に入力コンデンサが接続されないため、直流ラインＬ−には一様に電流が流れる。従って、シグナルグランド（図１のＧｓ）が直流ラインＬ−のどのポイントに接続されても電位の安定性、すなわち制御回路４５等の制御の安定性は同じである。このように、パワーグランドである直流ラインＬ−に入力コンデンサ３１及び３２が接続されないため、シグナルグランドに関する設計が容易となり、設計の省力化が可能となる。

（４）雷サージ耐性
ＬＥＤ電源装置１及び４の筐体（不図示）は接地される。ここで、コモンモード（交流電源と接地間）の雷サージが筐体に印加されて筐体と全波整流器２０の高電位側出力端Ｔ＋の間で絶縁破壊が起こったとする。この場合、比較例によるＬＥＤ電源装置４においては、サージ電流が、高電位出力端Ｔ＋→入力コンデンサ３３→低電位出力端Ｔ−→全波整流器２０のダイオードＤ２及びＤ４→交流ラインＬａ及びＬｂに流れ、全波整流器２０が故障する可能性がある。一方、本実施形態によるＬＥＤ電源装置１においては、サージ電流は、高電位出力端Ｔ＋→入力コンデンサ３１及び３２→交流ラインＬｂ及びＬａに流れ、全波整流器２０のいずれのダイオードも通過しない。従って、ＬＥＤ電源装置１においては、雷サージに対する耐性が増し、高い信頼性が得られる。

実施形態２．
上記実施形態１においては、２つの入力コンデンサに流れる電流を均等化して双方の寿命が均一化される構成を示したが、本実施形態においてはさらに、２つの入力コンデンサの温度条件が略同一となるようにして双方の寿命が均一化される構成を示す。これは、コンデンサの寿命は通電される電流だけでなく周囲温度にも依存することに基づく。

図５にＬＥＤ電源装置１の要部の基板実装例を示す。なお、図は模式図であり、寸法通りではない。基板１０１上に、上述したフィルタ回路１０（不図示）、全波整流器２０、入力コンデンサ回路３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０が実装される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０内のトランス４１以外の素子及び配線は不図示であるが適宜実装されるものとする。ＬＥＤ電源装置１とＬＥＤ２が別置される場合には、入力コンデンサ３１及び３２は主にトランス４１及び全波整流器２０からの輻射熱によって昇温される。ＬＥＤ電源装置１とＬＥＤ２が一体化される場合には、入力コンデンサ３１及び３２は主にＬＥＤ２、トランス４１及び全波整流器２０からの輻射熱によって昇温される。

図６に、全波整流器２０に使用される例示的なリード実装型のブリッジダイオード２００（新電元製、Ｄ３ＳＢＡ６０）並びに入力コンデンサ３１及び３２に使用される例示的なフィルムコンデンサ３００（日通工エレクトロニクス製、ＦＰＢシリーズ、ＤＣ６５０Ｖ、０．１〜０．１５μＦ）の概略図を示す。図６に示すように、ブリッジダイオード２００はそのボディ２００ａから同一方向に平行に延在する４本のリード２０１、２０２、２０３及び２０４を有する。内側のリード２０２及び２０３がそれぞれ入力端Ｔａ及びＴｂに対応し、外側のリード２０１及び２０４がそれぞれ高電位側出力端Ｔ＋及び低電位側出力Ｔ−に対応する。また、フィルムコンデンサ３００は、ボディ３００ａから略同一方向に延在する２本のリード３０１及び３０２を有するディスクリート部品である。以降において、入力コンデンサ３１及び３２に対応するフィルムコンデンサをそれぞれフィルムコンデンサ３１０及び３２０というものとする。

パターン間の絶縁距離を考慮しつつ効率的な配置で回路全体の部品を実装するために、図５に示すように、ブリッジダイオード２００の交流ラインＬａ及びＬｂに対応する交流パターンＰａ及びＰｂと、直流ラインＬ＋及びＬ−に対応する直流パターンＰ＋及びＰ−とはブリッジダイオード２００を挟んで反対方向に延在するように引き出される。なお、各パターンは基板１０１の上面視において背面側（すなわち、紙面裏側）に形成されているものとする。以降において、交流パターンＰａ及びＰｂが延在する方向を第１の方向とし、その反対方向を第２の方向というものとする。

基板１０１の上面視において、フィルムコンデンサ３１０及び３２０は、ブリッジダイオード２００と直流パターンＰ＋及びＰ−で画定される領域において、フィルムコンデンサ３１０及び３２０の各長手方向がブリッジダイオード２００の主面Ｓに対して垂直になるように配置される。フィルムコンデンサ３１０及び３２０は、効率的なパターン形成のため、好ましくは長手方向に端部を揃えて配置される。

フィルムコンデンサ３１０及び３２０の各一端は接続パターンＰｃを介して直流パターンＰ＋に接続される。フィルムコンデンサ３１０の他端は、交流パターンＰｂの第２の方向に突出して形成された部分に接続され、フィルムコンデンサ３２０の他端は、交流パターンＰａの第２の方向に突出して形成された部分に接続される。これにより、フィルムコンデンサ３１０及び３２０が比較的短いパターンによって交流入力端Ｔａ、交流入力端Ｔｂ及び高電位出力端Ｔ＋に接続される。

このような配置により、入力コンデンサ３１及び３２（フィルムコンデンサ３１０及び３２０）は、発熱部品であるトランス４１及び全波整流器２０（ブリッジダイオード２００）から均等に輻射熱を受けることになる。従って、入力コンデンサ３１及び３２の寿命の均一性が高まる。

実施形態３．
実施形態２では、入力コンデンサの使用温度を均一化する構成を示したが、本実施形態ではさらに、入力コンデンサの使用温度を低い状態で均一化する構成を示す。

図７にＬＥＤ電源装置１の要部の基板実装例を示す。なお、図は模式図であり、寸法通りではない。基板１０２上に、上述したフィルタ回路１０（不図示）、全波整流器２０、入力コンデンサ回路３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０が実装される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０内のトランス４１以外の素子及び配線は不図示であるが適宜実装されているものとする。なお、全波整流器２０並びに入力コンデンサ３１及び３２に使用される部品は実施形態２のものと同様であるものとし、第１の方向及び第２の方向の定義も実施形態２のものと同様であるものとする。

図７に示すように、基板１０２の上面視において、フィルムコンデンサ３１０とフィルムコンデンサ３２０は、ブリッジダイオード２００を挟んで対向する位置において、フィルムコンデンサ３１０及び３２０の各長手方向がブリッジダイオード２００の長手方向に垂直となるように配置される。より具体的には、フィルムコンデンサ３１０がブリッジダイオード２００のリード２０４の端部側に配置され、フィルムコンデンサ３２０がブリッジダイオード２００のリード２０１の端部側に配置される。好ましくは、ダイオードブリッジ２００の長手方向の中心軸がフィルムコンデンサ３１０及び３２０に交差するように、これらの部品が配置される。

フィルムコンデンサ３１０及び３２０の各一端は接続パターンＰｃを介して直流パターンＰ＋に接続される。フィルムコンデンサ３１０の他端は交流パターンＰｂに接続され、フィルムコンデンサ３２０の他端は交流パターンＰａに接続される。なお、直流パターンＰ−はフィルムコンデンサ３１０のリード間、すなわち、交流パターンＰｂと接続パターンＰｃの間に、両パターンに平行に形成される。これにより、ジャンパー線等を用いずに各パターンが形成される。

このような配置により、実施形態２と同様に、入力コンデンサ３１及び３２（フィルムコンデンサ３１０及び３２０）は、発熱部品であるトランス４１及び全波整流器２０（ブリッジダイオード２００）から均等に輻射熱を受けることになる。これにより、入力コンデンサ３１及び３２の寿命の均一性が得られる。またさらに、入力コンデンサ３１及び３２（フィルムコンデンサ３１０及び３２０）が、上記発熱部品（特にトランス４１）から受ける輻射熱が軽減されるので、入力コンデンサ３１及び３２の長寿命化が可能となる。

実施形態４．
実施形態１では、入力コンデンサ３１及び３２の共通の一端が全波整流器２０の高電位側出力端Ｔ＋に接続される構成を示したが、本実施形態では、入力コンデンサ３１及び３２の共通の一端が全波整流器２０の低電位側出力端Ｔ−に接続される構成を示す。

図８に本実施形態に係るＬＥＤ電源装置１を含むＬＥＤ照明装置３の回路構成図を示す。入力コンデンサ回路３０において、入力コンデンサ３１は低電位側出力端Ｔ−と入力端Ｔａの間に接続され、入力コンデンサ３２は低電位側出力端Ｔ−と入力端Ｔｂの間に接続される。入力コンデンサ３１は、入力端Ｔａが入力端Ｔｂに対して正側となる場合にＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源となる。具体的には、入力コンデンサ３１は、交流ラインＬａ→入力コンデンサ３１→ダイオードＤ４→交流ラインＬｂに電流が流れることにより充電され、入力コンデンサ３１→ダイオードＤ１→直流ラインＬ＋→ＤＣ／ＤＣコンバータ４０→直流ラインＬ−に電流が流れることにより放電される。一方、入力コンデンサ３２は、入力端Ｔｂが入力端Ｔａに対して正側となる場合にＤＣ／ＤＣコンバータ４０の電源となる。具体的には、入力コンデンサ３２は、交流ラインＬｂ→入力コンデンサ３２→ダイオードＤ２→交流ラインＬａに電流が流れることにより充電され、入力コンデンサ３２→ダイオードＤ３→直流ラインＬ＋→ＤＣ／ＤＣコンバータ４０→直流ラインＬ−に電流が流れることにより放電される。

本実施形態の作用は実質的に図１の実施形態１のものと同様である。そして、本実施形態によると、実施形態１と同様に、上述した（１）高周波電流の均等な分流、及び（２）突入電流の均等な分流の効果が得られる。

変形例．
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の態様に変形可能である。

例えば、上記実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０として絶縁型フライバックコンバータを示したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、例えば図９に示すような非絶縁型の降圧チョッパ回路であってもよい。図９において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０はコイル４９、スイッチング素子４２、ダイオード４３、平滑コンデンサ４４、制御回路４５´、及び電流検出抵抗４８を含む。図９に示すＤＣ／ＤＣコンバータ４０では、スイッチング素子４２のオン期間に、電流が入力部（全波整流器２０の高電位出力端Ｔ＋）→ＬＥＤ２（不図示）→コイル４９→スイッチング素子４２→グランド（低電位側出力端Ｔ−）に流れてコイル４９にエネルギーが蓄積される。スイッチング素子４２のオフ期間に、そのエネルギーをもとに電流がコイル４９→ダイオード４３→ＬＥＤ２（不図示）に流れる。ＬＥＤ電流はスイッチング素子４２のＰＷＭ制御におけるオンデューティ（パルス幅）によって決まり、平滑コンデンサ４４によって平滑化される。本変形例では、制御回路４５´に誤差増幅器等が含まれ、電流検出抵抗４８に発生する電圧が所定値で一定となるように、制御回路４５´がスイッチング素子４２をスイッチングする。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力が定電流制御される。

また、上記実施形態及び変形例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０において定電流制御が採用される構成を示したが、定電力制御が採用される構成としてもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０（平滑コンデンサ４４）の出力電圧を検出する電圧検出回路（不図示）による電圧検出値と電流検出抵抗４８による電流検出値とが乗算され、乗算値が設定値で一定となるように制御される構成としてもよい。これにより、ＬＥＤ電力がフィードバック制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０において、フィードバック制御ではなくフィードフォワード制御が採用されてもよい。この場合、ＰＷＭ制御におけるパルス幅は制御回路４５又は４５´において決定され、図１の実施形態においてはフォトカプラ４６、誤差増幅器４７及び電流検出抵抗４８が不要となり、図９の変形例においては電流検出抵抗４８が不要となる。

１ ＬＥＤ電源装置
２ ＬＥＤ
３ ＬＥＤ照明装置
２０ 全波整流器
３０ 入力コンデンサ回路
３１、３２ 入力コンデンサ
４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１ トランス
４２ スイッチング素子
４３ ダイオード
４４ 平滑コンデンサ
４５、４５´ 制御回路
１０１、１０２ 基板
２００ ブリッジダイオード
３００、３１０、３２０ フィルムコンデンサ
Ｔａ、Ｔｂ 入力端
Ｔ＋ 高電位側出力端
Ｔ− 低電位側出力端
Ｌａ、Ｌｂ 交流ライン
Ｌ＋、Ｌ− 直流ライン
Ｐａ、Ｐｂ 交流パターン
Ｐ＋、Ｐ− 直流パターン
Ｓ 主面

Claims (6)

1. ＬＥＤ電源装置であって、
   第１の入力端、第２の入力端、第１の出力端及び第２の出力端を有し、前記第１及び第２の入力端に交流電圧が入力される全波整流器と、
   前記第１の入力端と前記第１の出力端との間に接続された第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力端と前記第１の出力端との間に接続された第２の入力コンデンサを有し、前記第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサの容量が等しく、該容量は入力力率が９９．０％以上となるように設定された入力コンデンサ回路と、
   前記第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサの電圧をスイッチング、変圧、整流及び平滑化して直流電流をＬＥＤに供給するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備え、
   前記全波整流器がリード挿入型のブリッジダイオードからなり、前記第１及び第２の入力コンデンサがそれぞれ第１及び第２のフィルムコンデンサからなり、前記ブリッジダイオード、前記第１及び第２のフィルムコンデンサ並びに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの各素子が実装された基板において、
   前記第１及び第２の入力端にそれぞれ接続される第１及び第２の交流パターンが前記ブリッジダイオードの主面に対して第１の方向に延在するように配線され、前記第１及び第２の出力端にそれぞれ接続される第１及び第２の直流パターンが前記主面に対して前記第１の方向とは逆の第２の方向に延在するように配線され、
   前記基板の上面視において、前記ブリッジダイオードと前記第１及び第２の直流パターンで画定される領域において、前記第１のフィルムコンデンサの長手方向及び前記第２のフィルムコンデンサの長手方向が前記ブリッジダイオードの主面に対して垂直になるように前記第１及び第２のフィルムコンデンサが配置された、ＬＥＤ電源装置。
2. ＬＥＤ電源装置であって、
   第１の入力端、第２の入力端、第１の出力端及び第２の出力端を有し、前記第１及び第２の入力端に交流電圧が入力される全波整流器と、
   前記第１の入力端と前記第１の出力端との間に接続された第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力端と前記第１の出力端との間に接続された第２の入力コンデンサを有し、前記第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサの容量が等しく、該容量は入力力率が９９．０％以上となるように設定された入力コンデンサ回路と、
   前記第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサの電圧をスイッチング、変圧、整流及び平滑化して直流電流をＬＥＤに供給するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備え、
   前記全波整流器がリード挿入型のブリッジダイオードからなり、前記第１及び第２の入力コンデンサがそれぞれ第１及び第２のフィルムコンデンサからなり、前記ブリッジダイオード、前記第１及び第２のフィルムコンデンサ並びに前記ＤＣ／ＤＣコンバータの各素子が実装された基板の上面視において、
   前記ブリッジダイオードの長手方向を挟んで対向する位置において、前記第１のフィルムコンデンサの長手方向及び前記第２のフィルムコンデンサの長手方向が前記ブリッジダイオードの長手方向に垂直となるように前記第１及び第２のフィルムコンデンサが配置された、ＬＥＤ電源装置。
3. 請求項１又は２に記載のＬＥＤ電源装置において、前記第１の出力端が高電位側であり、前記第２の出力端が低電位側である、ＬＥＤ電源装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置において、前記第１の入力コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサの容量がそれぞれ０．０１μＦ以上１μＦ以下である、ＬＥＤ電源装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記第１及び第２の出力端のうちの一方が接続される１次巻線及び該一次巻線から絶縁された２次巻線を有するトランスと、前記１次巻線をスイッチングするスイッチング素子と、前記２次巻線の出力を整流するダイオードと、前記ＬＥＤに並列接続されて該ダイオードの出力を平滑化する平滑コンデンサと、前記スイッチング素子を駆動する制御回路を含むＬＥＤ電源装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＥＤ電源装置と、前記ＬＥＤとを備えたＬＥＤ照明装置。

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