JP6516311B2 - 固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するためのドライバ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するためのドライバ及び駆動方法に関する。

可変色出力を可能にするために異なる色付き光源を組み合わせることはよく知られている。３原色光源を独立に制御することにより、或る範囲の出力色が生成され得る。典型的には、各光源には別々のドライバが設けられる。このような種類の個別駆動は、例えば、WO2014/103666において開示されている。

２つの異なる色付き光源が組み合わされている照明システムもある。これは、出力色のフルカラー制御を可能にしないが、様々な照明効果を得ることを可能にする。例えば、白色LEDストリングと赤色LEDストリングとを組み合わせることにより、色温度調光が可能であり、それによって、色温度が調光レベルの関数として変えられる。

コストを低減するため、発光ダイオード（LED）ベースの照明器具などのこのような色温度調光を備えるシステムにおいては、単一の電力変換段を用いることが望ましいだろう。

スイッチトキャパシタコンバータ（SCC）とスイッチトインダクティブコンバータとを組み合わせるハイブリッドコンバータを用いる、コスト効率のよい電力変換器の提案がなされている。これらのタイプのコンバータは、効率的な高スイッチング周波数動作、サイズの低減、及び複雑さの低減を供給する。電流モード制御は、それらをLEDベースの照明アプリケーションに特に適したものとする。

例えば、WO2015/040575は、色点（color point）が調光レベルの関数として変化する黒体調光を達成するための２つの異なるLEDを駆動するこのタイプのハイブリッドスイッチトキャパシタコンバータ設計の使用を開示している。WO2015/040575では、２つのLEDが別々の並列構成内にあり、コンバータは２つの独立した出力電圧を出力し、各々が独立した出力フィルタに関連付けられる。それ故、幾つかの構成要素の重複が依然として存在する。更に、スイッチトキャパシタコンバータへの電圧を調節するために追加の制御可能な電圧レギュレータも用いられる。

ディスクリート・ソリューションが必要とされる場合、所望の組み合わされた機能を実施することを可能にするための付加的なインテリジェンスを供給するための修正も必要とし得る、２つの別々のドライバを有することによる複雑さ及びコストの増加を避けることがとりわけ重要である。その代わりに、所望の付加的な機能を付加するための回路オーバーヘッドコストの点での影響が軽微であるように、単一の集積回路の一部としてデュアルドライバソリューションを組み込むことが望ましい。構成要素数を単一のアクティブパッケージ（active package）に減らすことは、プリント基板の複雑さ、フットプリント、及びコストを減らす。

本発明の基本的なアイデアは、スイッチトキャパシタ電力変換器の同じ出力に２つの（LEDセグメントなどの）固体照明要素を直列接続して、前記スイッチトキャパシタ電力変換器が両方の照明要素に給電することができるようにするというものである。更に、付加的な制御のために２つの照明要素のうちの１つに追加のスイッチが結合され得る。この方法においては、前記２つの照明要素が、各々、制御され得る。

本発明は、請求項によって規定されている。

本発明の或る態様による例によれば、固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するためのドライバであって、
コンデンサのバンク及びスイッチアレイを含み、出力が前記スイッチアレイから規定されるスイッチトキャパシタ電力変換器と、
スイッチ装置であって、選択的に、
直列接続された固体照明要素の第１セット及び第２セットを、前記出力に接続する、又は
前記固体照明要素の第２セットなしに、前記固体照明要素の第１セットを、前記出力に接続するためのスイッチ装置と、
前記スイッチトキャパシタ電力変換器の第１デューティサイクル制御及び前記スイッチ装置の第２デューティサイクル制御を供給するためのコントローラとを有するドライバが提供される。

このドライバ設計においては、スイッチトキャパシタ電力変換器及びスイッチ装置は、デューティサイクル方式を用いて独立して制御される。前記スイッチトキャパシタ電力変換器は、全体的な電流制御を供給するために用いられ、前記スイッチ装置は、前記照明要素の第２セットが前記出力に接続されるか否かを制御することによって、前記第２セットの平均電流を制御するために用いられる。従って、本発明は、単一の出力を持つドライバを提供し、例えば、単一の出力インダクタを用いて２つ以上の固体照明要素に給電する。このドライバは、モノリシック集積化に適している。

前記出力は、各々が前記スイッチアレイの各々のノードにある第１、第２及び第３出力端子を含むことができ、前記スイッチ装置は、選択的に、
前記第３出力端子を前記固体照明要素の第２セットに結合し、それによって、直列の前記固体照明要素の第１セット及び前記固体照明要素の第２セットを、前記出力に結合する、又は
前記第２出力端子を前記固体照明要素の第１セット及び前記固体照明要素の第２セットの直列接続の間の接続点に結合し、それによって、前記固体照明要素の第２セットなしに前記固体照明要素の第１セットを前記出力に結合するためのものである。

このようにして、第１の２端子出力が、前記固体照明要素の第１セットのために、前記第１及び第２出力端子の間に規定され、第２の２端子出力が、前記固体照明要素の第２セットのために、前記第２及び第３出力端子の間に規定される。前記スイッチ装置の前記デューティサイクル制御が、前記照明要素の第２セットをオフにするときには、前記照明要素の第２セットは短絡されず、その代わりに、より低いドライバ電圧が前記照明要素の第１セットだけに印加される。これは、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の電圧範囲が増加される必要がなく／前記スイッチトキャパシタ電力変換器の変換比が維持され、前記スイッチトキャパシタ電力変換器のスイッチにかかる電圧ストレスも低減されることを意味する。

好ましくは、前記第１出力端子と前記ドライバの第１負荷端子との間にインダクタが設けられる。これは、インダクティブ変換とスイッチトキャパシタ変換との両方を用いるハイブリッドコンバータ設計を提供する。このインダクタは、前記スイッチトキャパシタ電力変換器のスイッチング中に前記出力電流を平滑化するために用いられ得る。前記インダクタは、好ましくは、前記２端子出力の両方の間で共用される。これは、前記照明要素の２つセットが、両方が駆動されているときに直列になっていることから、可能になる。

前記コントローラは、
所望の光強度を受け取るよう適応される光強度入力と、
所望の光の色を受け取るよう適応される光色入力とを含むことができ、
前記コントローラは、受け取った前記所望の光強度及び所望の光の色に従って、前記固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流と、前記固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流とを決定するよう適応される。

このようにして、２つの前記平均電流は、前記所望の出力を発するよう所望の前記平均電流が前記固体照明要素の２つのセットを流れるようになるように、決定される。

前記コントローラは、前記第１平均電流に応じて前記第１デューティサイクルを制御するよう構成され得る。

このようにして、前記第１デューティサイクルは、前記固体照明要素の第１セットには全てが流れ、前記固体照明要素の第２セットには一部が流れる全体的な電流レベルを設定するために用いられ得る。

前記コントローラは、更に、前記第２平均電流及び前記第１平均電流に応じて前記第２デューティサイクルを制御するよう適応される。

このようにして、前記第２デューティサイクルは、前記照明要素の第２セットが用いられる時間の割合を設定することによって前記色を設定するために用いられる。

前記ドライバは、
前記固体照明要素の第１セットへ流れる電流を検出し、前記コントローラに報告するための第１電流センサと、
前記固体照明要素の第２セットへ流れる電流を検出し、前記コントローラに報告するための第２電流センサとを含み得る。

このようにして、一緒に所望の全体的な強度及び色を規定する前記２つの電流を調整するためにフィードバック制御が用いられる。

前記固体照明要素の第１セットへ流れる電流を制御するために前記第１デューティサイクルを調節するために第１電流制御回路が設けられてもよく、前記固体照明要素の第２セットへ流れる平均電流を制御するために前記第２デューティサイクルを調節するために第２電流制御回路が設けられてもよい。

従って、前記制御回路は、独立した電流フィードバック制御を実施し、２つの前記回路に供給される設定は、必要とされる輝度及び色設定を供給する。

前記コンデンサのバンク及び前記スイッチアレイは、各々のコンデンサがスイッチの各隣接対の両端に接続されている、スイッチの直列接続を含むことができ、交互のスイッチは、相補的に切り替えられる。

従って、前記スイッチアレイは、相補的に切り替えられるスイッチの第１セットとスイッチの第２セットとを有し、前記スイッチ間にノードを持ち、これは、スイッチトキャパシタ電力変換器（SCC）の典型的な設計である。

前記出力端子のうちの１つは、例えば、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の入力電圧レベルの一部であり、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の変換比に依存するレベルを持つ出力電圧を供給するよう適応され、前記第１出力端子における電圧は、前記第２出力端子における電圧より高く、前記第２出力端子における電圧は、前記第３出力端子における電圧より高い。これは、スイッチトキャパシタ電力変換器の典型的な出力構成である。

前記固体照明要素の第１セットの順方向電圧は、好ましくは、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の出力電圧範囲に対応し、前記固体照明要素の第１セットの順方向電圧及び前記固体照明要素の第２セットの順方向電圧の合計は、好ましくは、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の前記第１出力端子と前記第３出力端子との間の出力電圧範囲に対応する。前記第３出力端子は、例えば、基準電位又は接地電位である。

このようにして、前記ドライバの出力電圧は、常に、駆動されている負荷に合わされる。これは、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の電圧範囲が増加される必要がなく、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の変換比が維持され、前記スイッチトキャパシタ電力変換器のスイッチにかかる電圧ストレスも低減されることを意味する。

本発明は、第１及び第２LEDストリングと、上で規定したようなドライバとを有する照明システムであって、前記第１LEDストリングと前記第２LEDストリングとが直列に接続され、前記第１LEDストリングの陽極が、第１負荷端子に接続され、前記第２LEDストリングの陰極が、第３負荷端子に接続される照明システムも提供する。

前記第１LEDストリングは、白色出力を有してもよく、前記第２LEDストリングは、赤色出力を有してもよい。

これは、前記ドライバが、調光レベルの関数として色点が変化する黒体調光を供給することを可能にする。

本発明の別の態様による例は、固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するための方法であって、
スイッチトキャパシタ電力変換器を用いて、第１、第２及び第３ドライバ出力を形成するために用いられる第１、第２及び第３出力を生成するステップと、
スイッチ装置を用いて、選択的に、
直列接続された固体照明要素の第１セット及び第２セットを、前記出力に接続する、又は
前記固体照明要素の第２セットなしに、前記固体照明要素の第１セットを、前記出力に接続するステップと、
前記スイッチトキャパシタ電力変換器の第１デューティサイクル制御及び前記スイッチ装置の第２デューティサイクル制御を供給するステップとを有する方法を提供する。

前記方法は、
受け取った所望の光強度及び所望の光の色に従って、前記固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流、及び前記固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流を決定するステップと、
前記第１平均電流に応じて前記第１デューティサイクルを制御するステップと、
前記第２平均電流及び前記第１平均電流に応じて前記第２デューティサイクルを制御するステップとを含み得る。

本発明のこれら及び他の態様を、下記の実施例に関して説明し、明らかにする。

ここで、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
固体照明要素の少なくとも２つのセットの形態の負荷を駆動するためのドライバを示す。 適切な回路装置の一例をより詳細に示す。 回路動作を説明するための電流及びデューティサイクルプロットを示す。 コンバータを制御するための２つの別々のフィードバックシステムを示す。 図４のフィードバックシステムの設定点を選択するための光コントローラを示す。

本発明は、固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するためのドライバを提供する。スイッチトキャパシタ電力変換器が設けられ、選択的に、直列接続された固体照明要素の第１セット及び第２セットを電力変換器の出力に接続するか、又は固体照明要素の第２セットなしに固体照明要素の第１セットを電力変換器の出力に接続するためのスイッチ装置が用いられる。スイッチトキャパシタ電力変換器の第１デューティサイクルとスイッチ装置の第２デューティサイクル制御との両方が制御される。

このドライバ設計においては、スイッチトキャパシタ電力変換器及びスイッチ装置は、デューティサイクル方式を用いて独立して制御される。スイッチトキャパシタ電力変換器は、固体照明要素の第１セット及び固体照明要素の第２セットの両方に対する電流制御を供給するために用いられ、スイッチ装置は、第２セットの出力を調整するよう、照明要素の第２セットが出力に接続されるか否かを制御するために用いられる。

図１は、スイッチトキャパシタ電力変換器１２に供給電圧を供給する電圧源１０を有するドライバを示している。電力変換器１２は、３つの出力端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する。第１出力端子１４ａは、少なくともインダクタ１８を有する出力フィルタ１６に接続され、出力フィルタ１６の出力は、第１負荷端子２０ａを規定する。

前記ドライバは、固体照明要素の少なくとも２つのセットの形態の負荷を駆動するためのものである。固体照明要素の第１セット２２は、例えば、青色光を白色光に変換する蛍光体変換層を備える青色LEDをベースにした、白色出力を持つLEDのストリングを有する。固体照明要素の第２セット２４は、赤色出力を持つLEDのストリングを有する。これらの色は、単なる例であり、固体照明要素の第１セット及び第２セットの選択を限定するものではないことは、理解されるだろう。

スイッチ装置２６は、電力変換器の第２及び第３出力端子１４ｂ、１４ｃに設けられ、前記出力端子と、第２及び第３負荷端子２０ｂ、２０ｃとの間の接続を制御する。

LEDの第１セット２２は、第１及び第２負荷端子２０ａ、２０ｂの間に接続され、LEDの第２セット２４は、第２及び第３負荷端子２０ｂ、２０ｃの間に接続される。従って、LEDの２つセット２２、２４は、それらの間の直列接合部に第２負荷端子２０ｂがあるようにして、第１及び第３負荷端子２０ａ、２０ｃの間で直列に接続される。

スイッチ装置２６は、２つの回路構成を供給するためのものである。

第１回路構成においては、第３出力端子１４ｃが、固体照明要素の第２セット２４の陰極に結合され、それによって、直列の固体照明要素の第１セット２２及び固体照明要素の第２セットを出力に結合する。この場合には、第２負荷端子２０ｂはフローティング状態である。

第２回路構成においては、第２出力端子１４ｂが、第２負荷端子２０ｂに接続され、それによって、固体照明要素の第２セット２４なしに固体照明要素の第１セット２２を出力に結合する。この場合には、第３負荷端子２０ｃはフローティング状態である。

このようにして、第１の２端子出力が、固体照明要素の第１セット２２のために、第１及び第２出力端子１４ｂ、１４ｃの間に規定され、第２の２端子出力が、固体照明要素の第２セット２４のために第２及び第３出力端子１４ｂ、１４ｃの間に規定される。

コントローラ２８は、スイッチトキャパシタ電力変換器１２の（デューティサイクル制御信号Ｄ１によって示されている）第１デューティサイクル制御、及びスイッチ装置２６の（デューティサイクル制御信号Ｄ２によって示されている）第２デューティサイクル制御を供給する。

スイッチトキャパシタ電力変換器１２及びスイッチ装置２６は、デューティサイクル方式を用いて独立して制御される。スイッチトキャパシタ電力変換器１２は、全体的な電流制御を供給するために用いられ、スイッチ装置２６は、第１セットと第２セットとの間の出力比を調整するよう、照明要素の第２セットが出力に接続されるか否かを制御するために用いられる。

第２回路構成においては、第２セット２４のLEDは短絡されず、その代わりに、（出力端子１４ａ及び１４ｂの間の）より低いドライバ電圧が照明要素の第１セット２２だけに印加される。これは、スイッチドキャパシタ電力変換器の電圧範囲が広げられる必要がないことを意味する。

ドライバは、デュアル出力を有するが、単一の出力インダクタ１８を使用し、スイッチトキャパシタ電力変換器１２のスイッチにかかる電圧ストレスを低減する。このドライバはモノリシック集積化に適している。

第１電流センサ２２ａは、LEDの第１セット２２へ流れる電流を検出し、コントローラ２８に報告するために設けられ、第２電流センサ２４ａは、LEDの第２セット２４へ流れる電流を検出し、コントローラ２８に報告するために設けられる。検出された電流は、各々のデューティサイクルを制御するために用いられ得る。

この方法においては、これらの２つの電流を調整するために、フィードバック経路３０によって表されているフィードバック制御が用いられ、前記２つの電流は、所望の全体的な強度及び色を一緒に規定する。フィードフォワード信号経路３２によって示されているような電圧源１０における電圧検出もある。

従って、コントローラ２８は、フィードバック及びフィードフォワード閉ループ制御を実施する。

２つの制御入力がコントローラ２８に供給される。第１制御入力３４は、光強度設定点を含み、第２制御入力３６は色温度設定点を含む。

このドライバにおいては、電力変換器１２によって供給される出力電流は、３つの方法、即ち、パルス幅変調（PWM）、周波数変調（FM）及び／又はオンチャネル抵抗変調（on-channel resistance modulation）によって制御され得るLEDの第２セット２４を通る出力電流は、スイッチ装置２６を用いてパルス幅変調によって独立して制御されることができ、従って、色温度調光を可能にする。

図２は、適切な回路装置の一例をより詳細に示している。明確にするために、コントローラブロック２８及びセンサは含まれていない。

スイッチトキャパシタ電力変換器１２は、コンデンサＣ１乃至Ｃ５のバンク及びスイッチアレイＳ１乃至Ｓ６を有し、スイッチアレイのノードにおいて規定される３つの出力端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを備える。

コンデンサのバンク及びスイッチアレイは、各々のコンデンサがスイッチの各隣接対の両端に接続されている、スイッチＳ１乃至Ｓ６の直列接続を有する。

示されている例においては、６つのスイッチ及び５つのコンデンサがある。コンデンサＣ１は、スイッチＳ１及びＳ２の直列接続と並列に接続されている。コンデンサＣ２は、スイッチＳ２及びＳ３の直列接続と並列に接続されている。コンデンサＣ３は、スイッチＳ３及びＳ４の直列接続と並列に接続されている。コンデンサＣ４は、スイッチＳ４及びＳ５の直列接続と並列に接続されている。コンデンサＣ５は、スイッチＳ５及びＳ６の直列接続と並列に接続されている。

コンデンサＣ１、Ｃ３及びＣ５は、２つの直流電圧レベルvdc1及びvdc2を設定する分圧器を規定する。出力端子のうちの少なくとも１つ（とりわけ、第１出力端子１４ａ及び第２出力端子１４ｂ）は、入力電圧Vinの一部であり、スイッチトキャパシタ電力変換器１２の変換比に関連し、スイッチＳ１乃至Ｓ６のデューティサイクルに依存するレベルを持つ電圧を供給する。第１出力端子１４ａにおける電圧は、第２出力端子１４ｂにおける電圧より高く、第２出力端子１４ｂにおける電圧は、第３出力端子１４ｃにおける電圧より高い。

スイッチＳ１及びＳ２の間のノードは、第１出力端子１４ａを規定する。スイッチＳ４及びＳ５の間のノードは、第２出力端子１４ｂを規定する。スイッチアレイの底部（低電圧）端におけるノードは、第３出力端子１４ｃを規定する。これは、例えば、接地接続である。

固体照明要素の第１セット２２の順方向電圧は、スイッチトキャパシタ電力変換器の第１出力端子１４ａと第２出力端子１４ｂとの間の出力電圧範囲に対応し、固体照明要素の第１及び第２セット２２、２４の順方向電圧の合計は、スイッチトキャパシタ電力変換器の第１出力端子と第３出力端子との間の出力電圧範囲に対応する。このようにして、ドライバの出力電圧は、常に、駆動されている負荷に合わされる。

この構成は、既知のスイッチトキャパシタ構成である。交互のスイッチが、相補的に切り替えられる。従って、２つのスイッチ制御信号φ1及びφ2しかない。これらが、一緒に、第１デューティサイクル制御Ｄ１を形成する。

従って、
φd1 = (φd2)⁻
である。

スイッチトキャパシタ電力変換器においては、コンデンサＣ１、Ｃ３及びＣ５が同じ静電容量を持つ典型的な例の場合は、第１出力１４ａにおける（接地に対する）電圧範囲は、100％から0％までのφ１のデューティサイクルに応じて、全入力電圧から入力電圧の2/3までである。第２出力１４ｂにおける電圧は、入力電圧の1/3である。

第１出力コンデンサＣｏ１は、LEDの第１セット２２の両端に接続され、第２出力コンデンサＣｏ２は、LEDの第２セット２４の両端に接続される。この回路は、LEDの第１セット２２の両端で規定される電圧vo1と、LEDの第２セット２４の両端の電圧vo2とを有する3:1ラダー回路を形成する。

第１デューティサイクル制御Ｄ１を規定する２つの信号の周波数及びデューティサイクルは、後で詳細に述べる光強度設定点３４及び色温度設定点３６に従ってインダクタ１８及びLEDストリングを通る電流レベルを設定するために閉ループ制御によって調節される。

スイッチ装置２６は、コントローラからの信号φd2で切り換えられる第２出力端子１４ｂと第２負荷端子２０ｂとの間の第１スイッチＳ７、及びコントローラからの信号φd1で切り換えられる第３出力端子１４ｃと第３負荷端子２０ｃとの間の第２スイッチＳ８を有する。これらが、一緒に、第２デューティサイクル制御Ｄ２を形成する。
従って、
φd1 = (φd2)⁻
となる。

φd1がアクティブであるときは、S７が開き、S８が閉じられる。これは、電流が両方のLEDストリング２２、２４を流れ、従って、赤色及び白色光を発する第１構成を規定する。この条件下では、デューティサイクルＤ１は、

となる。

デューティサイクルがD1 = 1である場合は、変換はなく、（vo1 + vo2）= vinとなる。D1 = 0であるときは、（vo1 + vo2）= 0.666vinとなる。出力電圧はこれらの値の間で調整され得る。

φd2がアクティブであるときは、Ｓ７が閉じられ、Ｓ８が開き、電流は、（主に白色出力を持つ）第１（青色）LEDストリング２２しか流れない。この条件下では、デューティサイクルＤ１は、
D_(1,φd2) = (3v_o1)/vin-1
となる。

デューティサイクルがD1 = 1である場合は、変換はなく、入力電圧の2/3がコンデンサＣ１及びＣ２を通して降下されることから、vo1 = 0.666（vin）となる。D1 = 0であるときは、vo1 = 0.333vin、即ち、コンデンサＣ３のみの両端の電圧となる。出力電圧はこれらの値の間で調整され得る。

デューティサイクルと電圧との間の上記の式は、単に、スイッチトキャパシタ電力変換器内のそれらの間の固有の関係を示すためのものである。リアルタイム調整においては、デューティサイクルＤ１は、電圧制御ではなく、電流フィードバックに基づいて制御される。デューティサイクルを調節するために、インダクタ１８を通る平均電流が検出される。この制御を実施するための様々な方法、例えば、LED負荷と直列の抵抗器を用いる方法がある。前記検出は、その代わりに、スイッチＳ１又はＳ２を実施するために用いられるトランジスタのうちの１つのドレイン・ソース電圧を測定することによって、実施され得る。

この方法においては、第２LEDストリング２４を通る電流は、高周波パルス幅変調によって調光される。デューティサイクルＤ２は、後で詳細に述べる光強度設定点３４及び色温度設定点３６に従って光出力を設定するために、閉ループ制御によって調節される。

第２デューティサイクル制御Ｄ２は、LEDの第２セット２４を通る電流を制御することを可能にする。

LEDの第１セット２２の平均電流（i_LED1）とLEDの第２セット２４の平均電流（i_LED2）との間の関係は、
i_LED2 = D2*i_LED1
によって示される。

この式は、インダクタ又はLEDの第１セット２２における平均電流を、LEDの第２セット２４における平均電流と関連付ける。

固体照明要素の両方のセットが回路内にあるときには、出力にはより大きな負荷があることに注意されたい。従って、デューティサイクルＤ１を設定するための電流フィードバック制御は、出力電流を設定するために負荷に適応するだろう。従って、Ｄ１のデューティサイクル制御は、Ｄ２のデューティサイクル制御よりもはるかに速いレートのものである。デューティサイクル制御Ｄ１は、スイッチトキャパシタコンバータのスイッチング周波数まで動作するが、デューティサイクル制御Ｄ２は、例えば適応調光制御のためにより遅い。

第１サイクル制御Ｄ１のデューティサイクル制御は、例えば、数十kHz又は数百kHzで動作する一方で、Ｄ２のデューティサイクルは、フリッカを緩和するために、より低い周波数、例えばkHz又は数百Hzで動作する。

スイッチ装置２６を形成するスイッチＳ７及びＳ８の配線は、LEDの第１セット２２が電力変換器１２の減じられたダイナミックレンジから外れることを防止する。φd1が、低い（即ち、(φd1)^―である）ときには、LEDの第２セット２４に電力が供給されず、それ故、電力変換器は、電圧vo1だけを供給しなければならず、LEDの第２セット２４が接地に短絡される場合には、これは、電力変換器の第１出力１４ａと第３出力１４ｃとの間の電圧範囲から外れるだろう。その代わりに、LEDの第１セット２２の陰極が、第２の出力端子１４ｂに接続され、このことは、LEDの第１セット２２だけを供給するための適切な変換範囲を供給するよう電力変換器の構成を変える。

図３に、回路動作を説明するための（Ｄ２の）電流及びデューティサイクルプロットを示している。プロットは、第１セットとしての3Vの順方向電圧を持つ単一の青色LEDと、第２セットとしての2.75Vの順方向電圧を持つ単一の赤色LEDとから成る出力LEDストリングに基づいている。

プロット４０は、青色LEDを通る電流を示している。プロット４２は、赤色LEDを通る電流を示している。プロット４４は、電力変換器に供給される基準電流を（中央の実線として）示していると共に、図において見られ得るより高い周波数で、従って、中央の実線の上及び下の中実に見える帯域で変化するインダクタ電流を示している。プロット４６は、スイッチＳ８を制御するためのデューティサイクル信号φd1を示しており、これは、デューティサイクル信号Ｄ２を規定する。

図３では、スイッチトキャパシタ電力変換器の出力電流レベルは、最初は、0.2Aであり、次いで、0.2Aから0.3Aまでの電流レベルでの調節がある。電流は、後で、0.2Aに戻すよう調節される。両方のLEDにおけるピーク電流が同じであるように赤色LEDがオン及びオフであるときに電流が同じであることが分かる。しかしながら、全体的な強度及び色点は、独立して制御され得る。例えば、赤色LEDは、より短い期間の間動作されるよう示されている。これは、明るさの増加は、赤色含有量の相対量の低下を伴うことを意味する。

図３から、インダクタ電流と等しい青色LEDを通る電流は、プロット４４において実線で表されているように、光強度設定点及び色温度設定点に従うことが分かる。赤色LEDは、方形波電流を有し、ピーク値は、インダクタ電流と等しい。赤色LEDの導通時間は、信号φd1によって制御される。前記回路は、単一のパワートレインでの２つのLEDを通る（それ故、完全実施においては２つのLEDストリングを通る）電流の制御を供給し、これは、LEDランプの黒体調光に用いられ得る。

前記変換器の制御は、図４において示されているような２つの別々のフィードバックシステムで実施され得る。

図４の上部は、LEDの第１セット２２のための電流設定点５２を受け取る電流制御回路５０を示している。図４の下部は、LEDの第２セット２４のための電流設定点５６を受け取る電流制御回路５４を示している。各LEDストリングの電流を設定することを可能にする２つの独立した閉ループ制御回路がある。それらの両方とも、従来のようにして負帰還で動作し、２つのデューティサイクル制御のためのタイミング信号の選択をもたらす。LED電流が、直接的又は間接的な手段によって検出され、基準設定点と比較される。結果として生じる誤差信号（ε_(r,x)）は、電力変換器のデューティサイクル信号Ｄ１及びＤ２を供給する閉ループコントローラ（Gc,x）によって処理される。パルス幅変調器（PWMx）が、デューティサイクル信号Ｄ１及びＤ２をスイッチ起動信号（φ_1、φ_2、φ_d1及びφ_d2）に変換する。

光強度と色点との正しい組み合わせは、両方の電流設定点５２、５６を調節することによって実施される。光強度は、インダクタにおける平均電流を調節する（が、電流がLEDの一方及び両方のセットへ流れるだろう時間量を考慮に入れる）ことによって制御され。色温度は、白色光に対する赤色光の割合を調節することによって、従って、LEDの第２セットにおける電流を調節することによって、制御される。

例えば、明るさが、LEDの一方のセットを通る200mAの平均電流と同等のものを必要とし、色点が、白色（第１セット）と赤色（第２セット）との間の4:1の割合を必要とする場合には、設定は、第１セットのための160mAの平均電流、及び第２セットの40mAの平均電流として設定され得る。160mAの電流は、第１負荷端子において、LEDの第１セットへ絶えず出力され、それが、回路５０の設定点である。Ｄ２には1/4のデューティサイクルが適用され、故に、1/4*160mA = 40mAとなる。ループ内の照明要素の第２セットは、時間の４分の１だけであるが、160mAでもある。従って、一定の160mAの白色光出力と、1/4デューティサイクルの160mAの赤色光との組み合わせは、200mAの平均電流及び4:1の色点を供給するだろう。

デューティサイクルＤ１は、LEDの第２セットがオン及びオフである期間の間、電力変換器から異なる電力が引き出されることから、異なる。

正しい２つの設定点を選択するために、図５において示されているような光コントローラ６０は、所望の視覚設定（光強度及び色温度）を、必要とされる正しい電流レベルに変換することを可能にする（代数式に基づく又はルックアップテーブルに基づく）アルゴリズムを有するこれらの電流レベルは、次いで、電流制御システムのための設定点として用いられる。光設定からLED電流レベルに変換するアルゴリズムは、既知のように、LED特性に基づく。

このようにして、コントローラは、受け取った所望の光強度及び所望の光の色に従って、（常に固体照明要素の第１セットを流れることから、平均インダクタ電流に対応する）固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流と、固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流とを決定する。

従って、ドライバは、スイッチトキャパシタコンバータの第１デューティサイクル制御が供給されると共に、スイッチ装置の第２デューティサイクル制御が供給される制御方法を実施する。固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流及び固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流は、上で説明したように、受け取った所望の光強度及び所望の光の色に従って決定される。第１デューティサイクルは、（第１平均電流は常に照明要素の第１セットを流れることから）第１平均電流に応じて制御され、第２デューティサイクルは、第２平均電流及び第１平均電流に応じて制御される。

本発明は、とりわけ、LEDドライバとしての使用のための、マルチモード電力変換器を提供する。前記ドライバは、システムオンチップ又はシステムインパッケージの一部として一体化され得る。これは、とりわけ、黒体色温度調光のために用いられ得る。

上記の例は、スイッチトキャパシタ構成を用いるハイブリッドコンバータ及び電流平滑化のためのインダクタフィルタに基づいている。インダクタは、必須ではなく、本発明は、スイッチトキャパシタコンバータだけに適用され得る。

当業者は、請求項に記載の発明を実施する際に、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項における如何なる符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するためのドライバであって、
   コンデンサのバンク及びスイッチアレイを含み、出力が前記スイッチアレイから規定されるスイッチトキャパシタ電力変換器と、
   スイッチ装置であって、選択的に、
   直列接続された固体照明要素の第１セット及び第２セットを、前記出力に接続する、又は
   前記固体照明要素の第２セットなしに、前記固体照明要素の第１セットを、前記出力に接続するためのスイッチ装置と、
   前記スイッチトキャパシタ電力変換器の第１デューティサイクル制御及び前記スイッチ装置の第２デューティサイクル制御を供給するためのコントローラとを有するドライバ。
2. 前記出力が、各々が前記スイッチアレイの各々のノードにある第１、第２及び第３出力端子を有し、前記スイッチ装置が、選択的に、
   前記第３出力端子を前記固体照明要素の第２セットに結合し、それによって、直列の前記固体照明要素の第１セット及び前記固体照明要素の第２セットを、前記出力に結合する、又は
   前記第２出力端子を前記固体照明要素の第１セット及び前記固体照明要素の第２セットの直列接続の間の接続点に結合し、それによって、前記固体照明要素の第２セットなしに前記固体照明要素の第１セットを前記出力に結合するためのものである請求項１に記載のドライバ。
3. 前記第１出力端子と前記ドライバの第１負荷端子との間にインダクタを有する請求項２に記載のドライバ。
4. 前記コントローラが、
   所望の光強度を受け取るよう適応される光強度入力と、
   所望の光の色を受け取るよう適応される光色入力とを有し、
   前記コントローラが、受け取った前記所望の光強度及び所望の光の色に従って、前記固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流と、前記固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流とを決定するよう適応される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のドライバ。
5. 前記コントローラが、更に、前記第１平均電流に応じて前記第１デューティサイクルを制御すると共に、前記第２平均電流及び前記第１平均電流に応じて前記第２デューティサイクルを制御するよう構成される請求項４に記載のドライバ。
6. 前記固体照明要素の第１セットへ流れる電流を検出し、前記コントローラに報告するための第１電流センサと、
   前記固体照明要素の第２セットへ流れる電流を検出し、前記コントローラに報告するための第２電流センサとを有する請求項４又は５に記載のドライバ。
7. 前記固体照明要素の第１セットへ流れる電流を制御するために前記第１デューティサイクルを調節するための第１電流制御回路と、前記固体照明要素の第２セットへ流れる平均電流を制御するために前記第２デューティサイクルを調節するための第２電流制御回路とを有する請求項６に記載のドライバ。
8. 前記コンデンサのバンク及び前記スイッチアレイが、各々のコンデンサがスイッチの各隣接対の両端に接続されている、スイッチの直列接続を有し、交互のスイッチが、相補的に切り替えられる請求項２に記載のドライバ。
9. 前記出力端子のうちの１つが、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の入力電圧レベルの一部であり、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の変換比に依存するレベルを持つ出力電圧を供給するよう適応され、前記第１出力端子における電圧が、前記第２出力端子における電圧より高く、前記第２出力端子における電圧が、前記第３出力端子における電圧より高い請求項８に記載のドライバ。
10. 前記固体照明要素の第１セットの順方向電圧が、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の前記第１出力端子と前記第２出力端子との間の出力電圧範囲に対応し、
    前記固体照明要素の第１セットの順方向電圧及び前記固体照明要素の第２セットの順方向電圧の合計が、前記スイッチトキャパシタ電力変換器の前記第１出力端子と前記第３出力端子との間の出力電圧範囲に対応し、
    前記第３出力端子が、基準電位又は接地電位である請求項９に記載のドライバ。
11. 第１及び第２LEDストリングと、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のドライバとを有する照明システムであって、前記第１LEDストリングと前記第２LEDストリングとが直列に接続され、前記第１LEDストリングの陽極が、第１負荷端子に接続され、前記第２LEDストリングの陰極が、第３負荷端子に接続される照明システム。
12. 前記第１LEDストリングが、白色出力を持ち、前記第２LEDストリングが、赤色出力を持つ請求項１１に記載の照明システム。
13. 固体照明要素の少なくとも２つのセットを駆動するための方法であって、
    スイッチトキャパシタ電力変換器を用いて、第１、第２及び第３ドライバ出力を形成するために用いられる第１、第２及び第３出力を生成するステップと、
    スイッチ装置を用いて、選択的に、
    直列接続された固体照明要素の第１セット及び第２セットを、前記出力に接続する、又は
    前記固体照明要素の第２セットなしに、前記固体照明要素の第１セットを、前記出力に接続するステップと、
    前記スイッチトキャパシタ電力変換器の第１デューティサイクル制御及び前記スイッチ装置の第２デューティサイクル制御を供給するステップとを有する方法。
14. 受け取った所望の光強度及び所望の光の色に従って、前記固体照明要素の第１セットを通る第１平均電流、及び前記固体照明要素の第２セットを通る第２平均電流を決定するステップと、
    前記第１平均電流に応じて前記第１デューティサイクルを制御するステップと、
    前記第２平均電流及び前記第１平均電流に応じて前記第２デューティサイクルを制御するステップとを有する請求項１３に記載の方法。
15. 白色出力を持つ第１LEDストリング、及び赤色出力を持つ第２LEDストリングを制御するステップを有する請求項１３又は１４に記載の方法。

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