JP6320924B2 - 低電力待機シャットダウン回路 - Google Patents

Description

本発明は、主電圧を切断することなくオフにされうる電子装置のための待機電力シャットダウン回路に、より詳細にはLEDまたは他の型のランプ（lamp）・ドライバを制御するための低電力待機電力シャットダウン回路に関する。

多くの産業、商業または住居照明システムにおいて、低電流インターフェースをもってドライバをオフにするすべをもつことが望ましい。これは三つの理由で望ましい。第一に、低電流を使うスイッチングによりリレーの機構の摩耗を回避することになる、第二に半導体スイッチの使用を許容することになる、第三に、通常の待機電力回路より使用電力が少なくなる。本稿で使われるドライバは、LEDドライバ、蛍光照明のためのバラスト（ballast）、電子式バラスト、HIDまたは他の型のランプ・ドライバを含むがそれに限られないことは理解しておくべきである。

通常のLEDドライバは、LEDまたはLEDのアレイの電気的特性にマッチした出力をもつ自己完結式の電源である。

通常の電子式ランプ・バラストは、一つまたは複数の蛍光灯、HIDランプまたは他の型のランプに電力を与えるよう、適正な開始時および動作時の電気的条件を提供するために、半導体電子回路を使う。

通常の照明制御アプリケーションでは、たとえばLEDドライバや他のランプ・ドライバ／バラストは典型的には、該ドライバ／バラストをオフにするためのデジタル・アドレッシング可能照明インターフェース（DALI: Digital Addressable Lighting Interface）のようなデジタル・インターフェースまたはライン電圧をオフにするための外部電力リレーのいずれかを必要とする。デジタル・インターフェースは高価であることがあり、外部電力リレーは高価であり、接点の経年摩損のため信頼できないことがある。

通常のDALIネットワークは、コントローラおよび一つまたは複数の照明装置（たとえば、電気バラストおよび調光器）からなり、これらはDALIインターフェースをもつ。コントローラは双方向のデータ交換によって各ライトをモニタリングし、制御する。DALIプロトコルは装置が個々にアドレッシングされること、あるいは複数の装置を同時にアドレッシングすることを許容する。前記コントローラおよび前記装置の間で、データは、非同期的な半二重のシリアル・プロトコルによって、二線差動バス（two-wire differential bus）を通じて転送される。そのような通常のDALI装置は、単一のDALIネットワーク上ですべての装置に通信するための前記バスを形成するために、一対の線を必要とする。

通常のDALIや他のアドレッシング可能ドライバ・システムでは、オフ・コマンドは前記通信回路／手段および前記低電圧電源がアクティブ（電源オン）のままであることを要求する。これはドライバのオフ状態の間、1Wまでのエネルギーを消費することがある。

よって、任意の電子式ドライバに追加されて、主電源入力を切断することなく該ドライバをオフにスイッチングする手段を提供することのできる単純な回路が、当技術分野において必要とされている。そのような必要とされる単純な回路の一つの特徴は、シャットダウン機能を動作させるために非常に小さな外部電流（すなわち、外部リレーのために通常必要とされるより少ない）が使用されるべきであるということである。そのような必要とされる単純な回路のもう一つの特徴は、ドライバ内の制御回路の一部または全部をシャットダウンするべきであるということである。これは、少ない待機電力消費を達成することを許容する。

本発明は、任意のドライバが小さな信号電流をもってオフにされることができるようにする、単純なシャットダウン回路を提供する。

本発明のある側面は、ドライバの全部とはいわないまでも大半のコンポーネント／機能がオフにされることができるため、低待機電力状態が達成されることを許容しつつ、若干数のコンポーネントしか必要としない（たとえば、ある実施形態では、一つのコンポーネントしか必要とされない）インターフェースに関する。たとえば、すべての内部ICはオフにされることができ、ドライバをオフ状態に保つために内部的な低電圧供給は必要とされない。この点で、200mW未満の待機電力消費が達成できる。

追加的なコンポーネントを使うもう一つの実施形態では、待機電力消費は、ほとんど0電力、すなわち20mW以下まで削減できる。

もう一つの実施形態では、本発明は、入力主電圧に接続されたコンポーネントと、入力主電圧を当該電子装置から切断することなく前記コンポーネントをシャットダウンするための回路とを含む電子装置に関する。前記回路は、ダイオード側およびトランジスタ側をもつ光式アイソレーター（opto-isolator）を含む。ダイオード側は外部電源に結合され、トランジスタ側は電子装置内の制御点に結合され、それにより前記一つまたは複数の内部コンポーネントのオン状態またはオフ状態が制御されることができる。

前段で述べた実施形態のある側面では、当該電子装置はランプ・ドライバであってもよい。外部電源は、光式アイソレーターのトランジスタ側がアクティブ状態にあるよう光式アイソレーターのダイオード側を駆動するよう構成されており、前記アクティブ状態は、前記一つまたは複数の内部コンポーネントのオン状態およびオフ状態を制御するために使われる。光式アイソレーターのトランジスタ側がアクティブ状態にあるとき、ランプ・ドライバ内の制御点における電圧は、必要とされる動作電圧レベル未満まで引き下げられるか、あるいは動作のために該必要とされる動作電圧レベルにあることを許容される。それにより、電子式バラストのオン状態またはオフ状態が制御される。

さらにもう一つの実施形態では、本発明は、通常動作オン状態または当該照明ドライバを主電源から結合分離することのない低電力消費オフ状態において動作させられることのできる照明ドライバに関する。本照明ドライバは、一つまたは複数の型のランプに電力を与えるために必要とされる動作電気条件を提供するよう構成された少なくとも一つのコンポーネントと、外部源から制御信号を受領するよう構成された接続点とを含む。光式アイソレーターが、該制御信号に基づいて前記少なくとも一つのコンポーネントのシャットダウンを制御するよう構成される。

この実施形態のある側面では、照明ドライバの低電力消費オフ状態は200mW未満の電力を消費する。

上記の照明ドライバ実施形態のもう一つの側面では、低電力消費オフ状態は、20mW以下の電力を消費する。

さらにもう一つの実施形態では、本発明は、主電源に結合された電気装置に関する。当該電気装置は、当該電気装置の出力機能のために必要とされる機能性を提供するよう構成された少なくとも一つのコンポーネントと、外部入力から信号を受領するよう構成されたコネクタとを含む。当該電気装置は、当該電気装置の前記少なくとも一つのコンポーネントを、当該電気装置を主電源から結合分離することなく前記信号に従って低電力消費オフ状態にするための、光式アイソレーターを含む手段をも含む。低電力消費オフ状態は200mW未満の電力を消費する。

一般に、本発明のさまざまな側面および実施形態は、本発明の範囲内で可能ないかなる仕方で組み合わされ、結合されてもよい。本発明と見なされる主題は、本明細書の末尾の請求項において具体的に指摘され、明確に特許請求される。

本発明の上記およびその他の特徴および利点は、付属の図面との関連で参酌される以下の詳細な説明から明白となるであろう。

本発明のある実施形態に基づくシャットダウン回路１００を示している。 通常の電子式バラスト・ドライバ１０のあるセクションを示す図である。 本発明のもう一つの実施形態に基づくシャットダウン回路２００を示している。

本発明の原理によれば、光式アイソレーター１０１（図１に示す）が、ドライバをシャットダウンし、上記のような通常のシャットダウン手段と比べて前記ドライバの低電力消費をもつオフ状態を可能にする手段を提供するために使われる。外部源から駆動される光式アイソレーター１０１の使用は、制御ICまたは他のドライバ機能性を簡単にシャットダウンすることを許容する。

本発明の一側面に基づいてどのようにしてシャットダウンが実行されるかを例解するために、図２を参照する。図２は、通常の電子式バラスト・ドライバ回路１０のある「セクション」を示している。ドライバ回路１０は、電磁干渉（EMI: electromagnetic interference）フィルタ３、ブリッジ・ダイオード（２１〜２４）、バック（buck）MOSFET ３０、電力因子補正（PFC: Power Factor Correction）インダクタ４０、ブースト（boost）MOSFET ３１、抵抗器８３、キャパシタ５０および５１、ダイオード２５および２８ならびにPFCコントローラ６０を含む。MOSFET ３０および３１はPFCコントローラ６０によって制御され、同時にオン／オフするよう制御される。MOSFET ３０は駆動回路７０を通じて駆動される。回路１０はチャージ・ポンプ（charge pump）回路（キャパシタ５２および５３ならびにダイオード２６、２７）ならびに線形電圧調整器（抵抗器８１、ツェナー・ダイオード９０、トランジスタ３３およびキャパシタ５５）をも含む。入力端子１および２に電圧が加えられると、抵抗器８２を介して電流がキャパシタ５４を充電する。Vddでの電圧（すなわちキャパシタ５４の電圧）が開始閾値に達すると、PFCコントローラ６０は発振し、MOSFET ３０および３１を駆動することを開始する。次いで回路１０は、出力ランプを駆動するために十分高い電圧を提供することを開始する。

図１に示される実施形態では、外部電流源１０２（これは、抵抗器と直列の単純な3.3Vまたは5Vの電圧源であることができる）が光式アイソレーター１０１のダイオード側に電流（たとえば1mAのオーダー）を供給するために使用される。光式アイソレーター１０１を動作させるために必要とされるドライバ電流の量は、使用される特定の型のコンポーネントの仕様に依存するが、ダイオード側ドライバ電流は一般に5mA未満である（1mA未満さえ可能）。光式アイソレーター１０１のトランジスタ側は、ドライバ機能性のシャットダウンを引き起こすよう結合される。この実施形態では、ダイオード側ドライバ電流が光式アイソレーター１０１のダイオード側に供給されない場合、Vdd参照点は、必要な動作電圧レベルより下まで引き下げられ、それによりドライバ回路１０はシャットダウンされる。

ただし、シャットダウンを引き起こすために他の実装（結合）も可能であることは理解しておくべきである。これに関し、光式アイソレーター１０１は、内部回路ノード（すなわち制御点）の電圧または信号をショートさせるまたは低下させ、それによりドライバ回路１０をオフにする機能が停止されたり同様に影響されたりするようにするために使用されてもよい。たとえば、典型的なLEDドライバ回路は、若干数の追加的なコンポーネント（抵抗器、キャパシタおよびMOSFET）をもつ一つのICから構成されていてもよい。図１の光式アイソレーター１０１は、Vcc電圧（すなわち、ドライバの内部回路に電力を供給する電圧調整器出力）を引き下げるために使用されてもよいし、あるいは設備によっては制御IC上のシャットダウン機能をアクティブ化するために使用されてもよい。

たとえば、ある実装では、制御ICはTEA1713であってもよい。TEA1713は電力因子補正器（PFC: Power Factor Corrector）コントローラおよび半ブリッジ共鳴変換器（HBC: Half-Bridge resonant Converter）をマルチチップIC内に統合している。TEA1713は、上方変換器〔アップコンバーター〕における離散的なMOSFETのためおよび共鳴半ブリッジ配位における上記二つの離散的な電力MOSFETのための駆動機能を提供する。TEA1713を使って、効率的かつ信頼できる電力供給が、最小限の外部コンポーネントで、簡単に設計できる。この実施形態では、光式アイソレーター１０１はACライン電圧に結合され、出力制御信号は制御IC TEA1713上の無効化ピンに結合される。本発明のこの実装では、待機電力は277V入力ラインでは200mW未満、120V入力ラインでは20mW未満である。

当業者は理解するであろうが、外部電流源１０２からのドライバ電流は本質的には光式アイソレーター１０１のトランジスタ側をオン／オフする。ドライバ電流を開始すること（たとえば提供すること）は、リモート・コントロール信号／インターフェース、手動スイッチ、自動化制御インターフェースなどといった、さまざまな既存の照明制御設備を介してできる。外部源１０２が光式アイソレーター１０１をアクティブ化するようエネルギーを提供するので、ドライバ回路１０には内部供給源は必要とされない。よって、オフ状態電力消費は0に近づくことができる（ドライバ回路１０の全部またはほとんど全部の機能性がオフにできる）。

また、光式アイソレーター１０１が絶縁されていることを考えると、ドライバ回路１０の一つまたは複数のエネルギー消費コンポーネントをシャットダウンするために、光式アイソレーター１０１はドライバ回路１０内のほとんどどこにでも配置できる。かかる絶縁のため、図１に示した実施形態をほとんどいかなる型のドライバ構成についても使用することが可能となる。たとえば、浮動（floating）電源ICまたは他の低電圧源も図１に示した実施形態の諸側面を使ってオフにされることができる。特定の用途において必要とされうる絶縁の任意のレベルを許容し、双方向配位でさえ利用可能であり、あるいはAC信号または正もしくは負のDC信号によるシャットダウンを許容する、幅広い範囲の光式アイソレーターも利用可能である。

当業者はまた、0-10Vインターフェースの線またはDALIもしくは他のインターフェース線が使用でき、よって追加的な線（すなわち接続点、コネクタまたは端子）が必要とされないことを理解するはずである。DALIインターフェースは上記で論じてあり、0-10Vインターフェースは下記で述べる。

0-10Vインターフェースはアナログ照明制御プロトコルである。0-10V制御プロトコルは、変動する強度レベルを生成するためにDC 0から10ボルトの間の電圧を加える。0-10V制御プロトコルは、蛍光調光バラストを制御する手段としてならびにLED照明およびいくつかのeHIDバラストのために使われるいくつかのドライバのために、使われる。

図３は、本発明の別の実施形態を示している。ここでは、光式アイソレーター１０１は、1-10V調光インターフェースにおいて典型的に見出されるクランピング・ツェナー・ダイオード１０３と直列に配置されている。図３に示されるように、本発明のこの実施形態は追加的な線（または接続点、コネクタまたは端子）を一切必要とせず、既存の0-10V線およびその保護回路を使う。この実施形態では、光式アイソレーター１０１はクランピング・ツェナー電圧（V1）を超える電圧を0-10V線に加えることによってアクティブ化される。たとえば、13Vツェナー・ダイオードが使われる場合、15V信号が使用されることができる。外部の電流制限抵抗器１０４が、それがドライバ設計においてすでにあるのでない場合には、使用されることが必要であることがある。

この実施形態は0-10V機能性に干渉することなく0-10Vインターフェースを使うことを許容することを理解しておくべきである。また、典型的には、抵抗器１０４およびツェナー・ダイオード１０３はすでに0-10Vインターフェースにおいて使われており、よってこのシャットダウン機能は単一のコンポーネントをもって追加できる。

本発明のさらにもう一つの実施形態では、図３の光式アイソレーター１０１は双方向光式アイソレーターであることができる。これは、ドライバ回路１０のシャットダウンを開始するために正の信号が使われることを許容するだけでなく、小さな負の電圧も使用できる（5V未満）。これらの実施形態によって提供される絶縁のため、上記負の電圧は、調光線を逆転させ、正の源に接続することによって、簡単に得られる。光式アイソレーター１０１が双方向光式アイソレーターで置き換えられた図３の回路に加えられるAC信号（V1）により、VddはAC源の周波数においてショートされる。１０１のトランジスタ側で接続されるコンポーネントが適正に選ばれれば、シャットダウン後にコントローラのスタートアップを遅らせる遅延が導入されることができる。この遅延が加えられるAC信号の周期より長いことを保証することによって、シャットダウンが維持されることができる。

上記の実施形態および側面から見て取れるように、本発明のシャットダウン回路は、ほとんど任意の電子回路を非常に少数のコンポーネント（図３に示されるところでは単一のコンポーネント）をもってシャットダウンするための有効かつ必要とされていた解決策を提案する。たとえば、照明バラストおよびドライバのほか、本発明の実施形態および諸側面は、オン／オフ制御を通じて機能するエンドユーザー機器装置とともに使用されることもできる。たとえば、そのような装置は、ヒーター、モーター、産業用電気設備または他の機器を含んでいてもよい。

以上の詳細な説明は、本発明が取ることのできる多くの形のうちの若干を述べたものである。上記の例は単に本発明のさまざまな側面のいくつかの可能な実施形態を例示するものである。本発明および付属の図面を読み、理解すれば他の当業者にも等価な変更および／または修正が思いつくであろう。特に、上記のコンポーネント（装置、システム、回路など）によって実行されるさまざまな機能に関し、そのようなコンポーネントを記述するために使われる用語（「手段」への言及を含む）は、そうでない旨が示されているのでない限り、たとえ本開示の例解される実装において当該機能を実行する開示されている構造と構造的に等価でなくとも、ハードウェアまたはその組み合わせなど、記載されるコンポーネントの指定される機能を実行する（すなわち機能的に等価な）任意のコンポーネントに対応することが意図されている。

本発明の個別的な特徴はいくつかの実装のうちの一つに関してのみ例解および／または記述されたことがありうるが、そのような特徴は、所望に応じて任意の所与のまたは具体的な応用について有利でありうるように、他の実装の一つまたは複数の他の特徴と組み合わされてもよい。さらに、単数形のコンポーネントまたは項目への参照は、そうでないことが指定されているのでない限り、二つ以上のそのようなコンポーネントまたは項目をも包含することが意図されている。また、用語「含む」「含んでいる」「有する」「もつ」またはその変形が詳細な説明および／または請求項において使われる限りにおいて、そのような用語は、用語「comprising」と類似の仕方で包含的であることが意図されている。

本発明について、好ましい実施形態を参照して述べてきた。しかしながら、以上の詳細な説明を読み、理解すれば、他の者にも修正および変更が思いつくであろう。本発明は、そのようなすべての修正および変更を含むものと解釈されることが意図されている。本発明の範囲を定義することが意図されているのは、あらゆる等価物を含め、請求項のみである。

Claims (11)

1. 入力主電圧を切断することなくオフにできる電子装置であって、
   前記入力主電圧に結合された一つまたは複数の内部コンポーネントと、
   前記入力主電圧を当該電子装置から切断することなく前記一つまたは複数の内部コンポーネントをシャットダウンするための回路とを有し、
   前記回路は、ダイオード側およびトランジスタ側を含む光式アイソレーターであって、前記ダイオード側は外部電源に結合されるよう構成され、前記トランジスタ側は当該電子装置内の制御点に結合され、それにより前記一つまたは複数の内部コンポーネントのオン状態またはオフ状態が制御されることができ、
   前記外部電源は、前記光式アイソレーターの前記トランジスタ側がアクティブ状態にあるよう前記光式アイソレーターの前記ダイオード側を駆動するものであって、前記アクティブ状態は、前記一つまたは複数の内部コンポーネントの前記オン状態および前記オフ状態を制御するために使われ、
   前記光式アイソレーターの前記トランジスタ側がアクティブ状態にあるとき、当該電子装置内の前記制御点における電圧は、必要とされる動作電圧レベル未満まで引き下げられるか、あるいは動作のために該必要とされる動作電圧レベルにあることを許容され、それにより、前記一つまたは複数の内部コンポーネントの前記オン状態または前記オフ状態が制御され、
   前記制御点は、前記一つまたは複数の内部コンポーネントの制御ＩＣの電源電圧であり、
   前記光式アイソレーターの前記ダイオード側は、0-10V調光インターフェースを使って前記外部電源に結合されており、
   前記光式アイソレーターは、双方向光式アイソレーターであり、前記0-10V調光インターフェースの0-10Vの範囲を超える電圧を加えることによって、又は、前記0-10V調光インターフェースを通じて負の電圧を加えることによってアクティブ化される、
   電子装置。
2. 当該電子装置がランプ・ドライバである、請求項１記載の電子装置。
3. 前記制御点における前記電圧が前記一つまたは複数の内部コンポーネントに電力を供給する電圧出力である、請求項１記載の電子装置。
4. 前記制御点における前記電圧が前記ランプ・ドライバの開始閾値電圧である、請求項１記載の電子装置。
5. 前記外部電源が、5mA以下の電流で前記光式アイソレーターの前記ダイオード側を駆動するよう構成されている電流源である、請求項１記載の電子装置。
6. 照明ドライバを主電源から結合分離することなく通常動作オン状態または低電力消費オフ状態において、当該照明ドライバを動作させる方法であって、
   前記照明ドライバの少なくとも一つの内部コンポーネントによって、一つまたは複数のランプに電力を与えるよう、必要とされる動作電気条件を提供する段階と、
   前記照明ドライバの接続点において、外部電源から制御信号を受領する段階と、
   前記制御信号に基づいて、前記照明ドライバ内の前記接続点と異なる制御点に結合された光式アイソレーターのトランジスタ側がアクティブ状態にあるよう前記光式アイソレーターのダイオード側を駆動する段階と、
   前記光式アイソレーターの前記トランジスタ側がアクティブ状態にあるとき、前記照明ドライバ内の前記制御点における電圧を、必要とされる動作電圧レベル未満まで引き下げるか、あるいは前記制御点が動作のために該必要とされる動作電圧レベルにあることを許容し、それにより、前記少なくとも一つの内部コンポーネントのシャットダウンが制御される、段階とを含み、
   前記制御点は、前記少なくとも一つの内部コンポーネントの制御ＩＣの電源電圧であり、
   前記光式アイソレーターの前記ダイオード側は、0-10V調光インターフェースを使って前記外部電源に結合されており、
   前記光式アイソレーターは、双方向光式アイソレーターであり、前記0-10V調光インターフェースの0-10Vの範囲を超える電圧を加えることによって、又は、前記0-10V調光インターフェースを通じて負の電圧を加えることによってアクティブ化される、
   方法。
7. 前記一つまたは複数のランプが少なくとも一つのLEDを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記一つまたは複数のランプが蛍光灯またはHID型ランプを含む、請求項６記載の方法。
9. 前記少なくとも一つのコンポーネントが電子式バラストである、請求項６記載の方法。
10. 前記少なくとも一つのコンポーネントによって、前記低電力消費オフ状態にある間、200mW未満の電力を消費することをさらに含む、請求項６記載の方法。
11. 前記少なくとも一つのコンポーネントによって、前記低電力消費オフ状態にある間、20mW以下の電力を消費することをさらに含む、請求項６記載の方法。
    

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