JP6287429B2 - Ｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、 ＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯装置に関する。

従来、 発光ダイオード(ＬＥＤ：Light Emitting Diode) を点灯するＬＥＤ点灯装置とし
て、直流電流により点灯するＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ点灯装置が知られている (特許
文献1)。
このＬＥＤ点灯装置は、 直流電流により点灯するＬＥＤに対して直列にインダクタとス
イッチング素子が接統され、 ＬＥＤとインダクタとの直列回路と並列に接続され、スイッ
チング素子のオフ時にインダクタの蓄積エネルギーを半導体発光素子に放出する方向に接
続された回生ダイオードを備えた降圧チョッバ回路と、スイッチング素子をオン/オフさ
せる制御回路とを備える。
制御回略は、スイッチング素子のオン時にインダクタに流れる漸増電流の瞬時値が所定
値に達するとスイッチング素子をオフする手段と、スイッチング素子のオフ時にインダク
タに流れる漸減電流が略ゼロになるとスイッチング素子をオンする手段とを備える。

特開２０１１−２１０６５９号公報

従来のＬＥＤ点灯裝置においては、スイッチング素子のオフ時にインダクタに流れる漸減電流が略ゼロになると、スイッチング素子をオンすることにより平均電流制御を行うことができるが、臨界モード制御のためインダクタに流れる電流のピーク値が大きく、スイッチングオフ時の損失が大きくなる。
また、入力電圧変動によりスイッチング素子のオフからオンになるタイミングが変化し、発振周波数が変動するので、スイッチング損失も変動してしまう。
しかしながら、スイッチング素子に流れる電流のピーク値を画定したＰＷＭ (pulse width Modulation) 制御では、入力電圧変動があるときには平均電流制御を行うことができないという問題がある。

また、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ願動回路は、一般に定電流で制御を行う。 従来のＰＷＭ制御を行う降圧型のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤがフローティングされており、ＬＥＤを流れる電流を検出するための電流検出部ではローサイド (ＧＮＤライン) 検出が不可能である。 このため、平均電流検出を行う時はＬＥＤに流れる電流を直接に検出するフローティングされた電流検出回路が必要である。
しかしながら、フローティングされた電流検出回路を使用すると、電流検出回路と制御回路との間の耐圧を高くする必要があるので、フォトカプラ等により信号を絶緑する回路や高耐圧部品を採用しなければならず、高コストとなる問題がある。
本発明の課題は、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ点灯装置は、直流電源と、前記直流電源の
両端にＬＥＤとインダクタとスイッチング素子と電流検出抵抗とが直列に接続された直列
回路と、前記ＬＥＤと前記インダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードと
、
前記スイッチング素子がオンの時の電流を検出する手段と、前記電流検出手段で得られ
た信号と所定の基準値とを比較して得た誤差信号を電流変換して制御電流とする電流増幅
器と、コンデンサと、前記スイッチング素子がオンの時に前記制御電流をコンデンサに充
放電させるスイッチとを有し、
前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッ
チング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御して前記ＬＥＤに流れ
る電流を一定に制御するＰＷＭ制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係わるＬＥＤ点灯装置によれば、スイッチング素子がオンの時の電流と、所定
の基準値とを比較して誤差信号を電流変換し、前記スイッチング素子がオンの時に前記電
流変換された誤差信号でコンデンサを充放電し、ＰＷＭ制御回路がコンデンサの電圧に基
づきスイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤ
に流れる電流を一定に制御するので、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことが
でき、しかも簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供できる。

本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ点灯装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の回路図である。図２は、本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。ＬＥＤ点灯装置は、負極が接地され電圧Ｖｉｎを発生する直流電源ＶＩＮ、直流電源ＶＩＮの正極にアノードが接続され、電流ＩＬＥＤが流れることにより発光する複数のＬＥＤ（ＬＥＤｓ）、一端がＬＥＤのカソードに接続されたインダクタＬ１、ドレインがインダクタＬ１の他端に接続されたスイッチング素子Ｑ１、一端がスイッチング素子Ｑ１のソースに接続され、他端が接地された電流検出抵抗Ｒ１を備える。
ＬＥＤとインダクタＬ１との直列回路に並列に回生ダイオードＤ１が接続され、回生ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１のオフ時にインダクタＬ１の蓄積エネルギーをＬＥＤに放出する方向に接続される。

スイッチング素子Ｑ１のゲートには、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフを制御するＰＷＭ制御回路１０のｄｒｉｖ端子が接続される。ＰＷＭ制御回路１０のｓｅｎｓ端子には、スイッチング素子Ｑ１のソースと電流検出抵抗Ｒ１とが接続され、ＰＷＭ制御回路１０のｃｏｍｐ端子には、位相補正用のコンデンサＣ２の一端が接続され、コンデンサＣ２の他端は接地されている。
ＰＷＭ制御回路１０は、電流検出用の電流増幅器ＯＴＡ１、スイッチＳＷ１、三角波発振器ＯＳＣ１，コンパレータＣＰ１、ドライバＤＲＶを備える。
ＰＷＭ制御回路１０は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ制御し、且つ、コンデンサＣ２の電圧に基づきスイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤに流れる電流を一定に制御する。

本発明の定電流制御信号発生回路は、電流増幅器ＯＴＡ１、基準電圧Ｖｔｈ１，スイッチＳＷ１、コンデンサＣ２から構成されている。
電流増幅器ＯＴＡ１の非反転入力端子には、ｓｅｎｓ端子を介してスイッチング素子Ｑ１のソースと電流検出抵抗Ｒ１とが接続される。電流増幅器ＯＴＡ１の反転入力端子には、基準電圧Ｖｔｈ１の正極が接続され、基準電圧Ｖｔｈ１の負極と抵抗Ｒ１の他端は接地されている。
ｃｏｍｐ端子には、スイッチＳＷ１を介して電流増幅器ＯＴＡ１の出力が接続され、且つコンデンサＣ２の一端が接続され、コンデンサＣ２の他端は接地されている。ｃｏｍｐ端子には、コンデンサＣ２を充放電するための制御電流Ｉｃｏｍｐが流れる。即ち、スイッチング素子Ｑ１のオン期間と同期させてスイッチＳＷ１を導通させて、電流増幅器ＯＴＡ１からの誤差信号電流を制御電流Ｉｃｏｍｐとして、コンデンサＣ２を充電または放電する。
より詳しくは、図２（ａ）Ｉｃｏｍｐ波形に示すように、電圧ＶｄｒｉｖのＨレベル期間の前半では、制御電流ＩｃｏｍｐによるコンデンサＣ２の充電が行われ、後半ではコンデンサＣ２の放電が行われる。コンデンサＣ２の充放電により、コンデンサＣ２には、制御電圧Ｖｃｏｍｐが発生する。
三角波発振器ＯＳＣ１は、三角波信号を発生してコンパレータＣＰ１の反転入力端子に出力する。コンパレータＣＰ１は、三角波発振器ＯＳＣ１からの三角波とｃｏｍｐ端子の制御電圧Ｖｃｏｍｐとを比較し、比較出力信号をドライバＤＲＶに出力する。ドライバＤＲＶは、電圧Ｖｄｒｉｖをｄｒｉｖ端子を介してＰＷＭ信号としてスイッチング素子Ｑ１のゲートに出力する。
即ち、ＬＥＤ点灯装置の定電流制御は、ｃｏｍｐ端子の制御電圧Ｖｃｏｍｐと三角波発振器ＯＳＣ１からの三角波とを比較することで、ｄｒｉｖ端子から出力されるＰＷＭ信号のデューティーを制御することにより行われる。
また、制御電圧Ｖｃｏｍｐは、制御電流ＩｃｏｍｐとコンデンサＣ２の容量により応答速度が決定されるので、コンデンサＣ２の容量を調整することで、電流増幅器ＯＴＡ１の利得を調整しなくても、定電流制御の位相補償を変更することが可能である。

また、インダクタＬ１に流れる電流が連続モードの時、インダクタＬ１にエネルギーを蓄えている期間中の電流を検出することにより、スイッチング素子Ｑ１がオフしている期間にインダクタＬ１のエネルギーが放出される期間中の電流も合わせて平均化することが可能となる。
図２は、ＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートであって、図２（ａ）は直流電源ＶＩＮの電圧Ｖｉｎが低い入力時、図２（ｂ）は直流電源ＶＩＮの電圧Ｖｉｎが高い入力時を示す。直流電源ＶＩＮの電圧Ｖｉｎが低い入力の場合には、図２（ａ）に示すように、ＰＷＭ制御回路１０のｄｒｉｖ端子から電圧Ｖｄｒｉｖとして出力されるＰＷＭ信号のオン幅が長くなるように制御される。

一方、電圧変動によって直流電源ＶＩＮの電圧Ｖｉｎが高くなると、図２（ｂ）に示すように、ＰＷＭ制御回路１０のｄｒｉｖ端子から電圧Ｖｄｒｉｖとして出力されるＰＷＭ信号のオン幅が短くなるように制御される。いずれの場合も、ＰＷＭ信号の周期は一定である。これにより、電圧変動により入力電圧が変化しても、ＬＥＤに流れる電流ＩＬＥＤが一定になるように制御される。

このように本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置によれば、従来のスイッチングオフ時に生じる損失と入力電圧変動に起因する発振周波数の変動によるスイッチング損失を回避しつつ、入力電圧変動があってもＰＷＭ制御による平均電流制御を行うことができる。
また、直流電源ＶＩＮとドライバとなるスイッチング素子Ｑ１との間に負荷であるＬＥＤを接続し、直流電源ＶＩＮから負荷を通ってドライバに流れこむ電流を制御するローサイド方式を採用し、ローサイド側でＬＥＤの電流を検出するので、回路の簡素化が可能であるとともに、安価な部品を使用でき、コンデンサの容量変更で位相補償が得られ、簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供できる。

図３は実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成を示す図である。実施例２のＬＥＤ点灯装置１ａは、ディミング信号電圧ＤＩＭを追加するとともに、ＰＷＭ制御回路１０ａが実施例１のＬＥＤ点灯装置１と異なる。
即ち、ＰＷＭ制御回路１０ａは、実施例１のＰＷＭ制御回路１０にＡＮＤ回路ＡＮＤ１を追加し、ｄｉｍｍ端子を設けている。
実施例２は、外部調光信号のディミング信号電圧ＤＩＭに応じてＬＥＤ点灯装置１ａのＬＥＤの光出力を調光するものである。

ＰＷＭ制御回路１０ａは、実施例１のＰＷＭ制御回路１０に対して、外部調光信号のディミング信号電圧ＤＩＭを接続するｄｉｍｍ端子が設けられている。ここで、ＰＷＭ制御回路１０ａは、実施例１のＰＷＭ制御回路１０に対して、ｄｉｍｍ端子に一方の入力が接続されたＡＮＤ回路ＡＮＤ１と、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１の入出力が、コンパレータＣＰ１の出力からドライバＤＲＶの入力とスイッチＳＷ１のオンオフ制御端子との間に接続されている点が異なる。
即ち、実施例２は、外部調光信号のディミング信号電圧ＤＩＭのパルス信号に応じて、ＡＮＤ回路１を介してコンパレータＣＰ１からのＰＷＭ信号をオン／オフすることでＬＥＤ点灯装置１ａのＬＥＤの光出力を調光するものである。

このように本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置１ａによれば、従来のスイッチングオフ時に生じる損失と入力電圧変動に起因する発振周波数の変動によるスイッチング損失を回避しつつ、入力電圧変動があってもＰＷＭ制御による平均電流制御を行い、かつ、外部調光信号のディミング信号に基づきＬＥＤの光出力を調光することができる。
また、実施例１のＰＷＭ制御回路にＡＮＤ回路ＡＮＤ１の追加のみで外部調光を可能とし、回路の簡素化が可能であるとともに、安価な部品を使用でき、簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供できる。

本発明は、ＬＥＤを利用した照明器具、照明システムなどに利用可能である。

１、１ａ ＬＥＤ点灯装置
１０、１０ａ ＰＷＭ制御回路
ＶＩＮ 直流電源
Ｑ１ スイッチング素子
Ｒ１ 電流検出抵抗
Ｄ１ 回生ダイオード
ＬＥＤｓ 発光ダイオード
Ｌ１ インダクタ
ＯＴＡ１ 電流増幅器
ＣＰ１ コンパレータ
ＯＳＣ１ 三角波発振器
ＡＮＤ１ ＡＮＤ回路
ＤＲＶ ドライバ
ＳＷ１ スイッチ
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ

Claims (2)

1. 直流電源と、前記直流電源の両端にＬＥＤとインダクタとスイッチング素子と電流検出
   抵抗とが直列に接続された直列回路と、前記ＬＥＤと前記インダクタとの直列回路に並列
   に接続された回生ダイオードと、前記スイッチング素子がオンの時の電流を検出する手段
   と、
   前記電流検出手段で得られた信号と所定の基準値とを比較して得た誤差信号を電流変換
   して制御電流とする電流増幅器と、コンデンサと、前記スイッチング素子がオンの時に前
   記制御電流を前記コンデンサに充放電させるスイッチとを有し、
   前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッ
   チング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御して前記ＬＥＤに流れ
   る電流を一定に制御するＰＷＭ制御回路とを備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
   
2. 外部調光端子を備え、前記外部調光端子にパルス波形の調光信号が入力され、前記調光
   信号に応じて前記ＰＷＭ制御回路のＰＷＭ信号をオンオフして、前記ＬＥＤの光出力を変
   更することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。