JP6693001B2 - Led照明ドライバ及び駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、LED照明に関し、とりわけ、LED照明ドライバに関する。
固体照明ユニット、とりわけ、LEDベースの(レトロフィット)ランプは、住宅及びオフィスにおいてますます使用されるようになっている。それらはまた、それらの高い効率に加えて、新しい設計特性、様々な色温度、調光機能などにより、消費者を引き付ける。
LED照明を既存の主電源(mains)照明器具に適合させるため、各LED照明ユニットは、AC主電源をDC駆動信号に変換し、電圧レベルを下げるために変換回路を使用する。
変換回路は、一般に、整流器及びスイッチモード電力変換器を有する。
スイッチモード電力変換器の様々な可能な設計がある。低コストのスイッチモード電力変換器は、バックコンバータ又はバックブーストコンバータなどの一段変換器(single stage converter)である。どちらの場合も、負荷へのエネルギの供給を制御する主インダクタがある。主電力スイッチが、入力から主インダクタへのエネルギの供給を制御する。
主電力スイッチの動作のタイミング、とりわけ、デューティサイクルが、エネルギ伝達を制御する。リンギングチョークコンバータ(RCC)は、スイッチングの周期的な動作が自己制御される典型的な自励発振変換器であり、低コストのLEDドライバとして広く使用されている。他の例においては、ICベースの変換器は、ICを使用して主電力スイッチを制御ししている。その場合、このICは、調光制御などの追加機能を実施し得る。
コストを削減したいという要望だけでなく、LED照明ユニット内には限られたPCBスペースしかないことから、駆動回路内の構成要素のサイズ又は数を減らしたいという要望もある。調光可能なLEDのためには、ローカル制御回路も必要とされる。
調光可能なソリューションのコストを削減するために、補助電源の、もとから必要とされているスイッチモード電力変換器との統合が提案されている。補助電源は、フライバック補助電源を使用して生成され得る。
回路のマイクロコントローラユニット(MCU)などの補助構成要素の動的消費電流は事前に分からないことから、補助電源によって引き出される電流の変動から照明のちらつきが生じることがあり、これは、低い照明レベルにおいてとりわけ目に見える。これは、補助電源がドライバに統合されている場合、特に、LED電流源及びドライバの一段の単一ストリングの実施の問題である。
本発明は、請求項によって規定される。
本発明の或る態様による例によれば、
LED照明負荷にエネルギを供給するための主エネルギ蓄積インダクタを備えるスイッチモード電源と、
前記主エネルギ蓄積インダクタに磁気的に結合される電源インダクタ、及び補助負荷に整流電圧を供給するための整流ダイオードを含む補助電源回路とを有するLED照明ドライバであって、
前記補助電源回路が、
ダミー負荷と、
前記補助負荷と並列の前記ダミー負荷の接続を制御するための制御回路と、
前記補助負荷によって引き出される電流を検知し、引き出される前記電流に応じて前記制御回路を制御するための電流検知回路とを有するLED照明ドライバが提供される。
このドライバは、照明負荷を制御し、補助電源を生成する。補助電源の需要が前記照明負荷に供給される電力に与える影響を減らすために、ダミー負荷が使用される。それは、とりわけ、前記補助負荷及びダミー負荷によって組み合わせて引き出される電流をほぼ一定に保つことを可能にし得る。このやり方においては、前記補助電源の需要の変動によって引き起こされ得る照明負荷出力のちらつきは防止される。
前記制御回路は、例えば、トランジスタと、前記トランジスタをオフにするような前記トランジスタのゲートの基準電位への引き寄せを制御するための、ゲート制御ダイオード(gated diode)などの制御可能な電圧基準とを有する。前記トランジスタがオンにされる場合、電流は前記ダミー負荷を通過させられ、前記補助電源全体によって引き出される電流を増加させる。前記トランジスタがオフにされる場合、電流は前記ダミー負荷を通過させられない。前記ダミー負荷は、前記トランジスタのコレクタ・エミッタチャネル(又はソース・ドレインチャネル)と直列である。単一のトランジスタの代わりにトランジスタ回路が使用されてもよいことに留意されたい。
前記ダミー負荷制御回路を無効化するために、ダミー負荷無効化回路が設けられてもよい。これは、ちらつきが問題にならないときに、前記ダミー負荷に関連する電力消費を防止するために使用され得る。前記ダミー負荷無効化回路は、例えば、スタンバイモードにおいては、又は前記LED照明負荷の駆動レベルがしきい値を超えるときは、前記制御回路を無効化するよう適合され得る。スタンバイモードにあるときは、ちらつきは問題にならない。同様に、前記照明負荷が十分に明るいレベルになるよう駆動されるときは、ちらつきは知覚できなくなる。
前記ダミー負荷無効化回路は、好ましくは、前記LED照明負荷の駆動レベルが前記しきい値未満であるときは、前記制御回路を有効にするよう適合される。これは、前記補助電源に対する電流需要の変動に起因するちらつきの問題があるときである。
前記ダミー負荷無効化回路は、前記LED照明負荷の前記駆動レベルが前記しきい値を超える量に依存する量だけ前記制御回路を無効化するよう適合され得る。従って、前記ダミー負荷の使用の無効化は、或る照明レベルにおいて急にではなく、照明レベルの関数として徐々に実施されてもよい。
前記スイッチモード電源は、例えば、一段バックコンバータ又は一段バックブーストコンバータを含む。前記スイッチモード電源は、例えば、非絶縁変換器を含む。これらは、低コストであり、従って、補助電源と主回路負荷との間の非完全なデカップリングの結果としてちらつきが問題になり得る低性能ドライバである。
本発明は、
上で規定されているようなドライバと、
前記ドライバによって駆動されるLED照明負荷と、
前記補助電源回路によって駆動される補助負荷とを有するLED照明回路も提供する。
前記補助負荷は、調光機能を実施するマイクロコントローラユニット(MCU)であってもよい。それは、前記スイッチモード電源の主スイッチも制御するICであってもよい。
本発明は、
主エネルギ蓄積インダクタを備えるスイッチモード電源を使用してLED照明負荷にエネルギを供給するステップと、
前記主エネルギ蓄積インダクタに磁気的に結合される電源インダクタ、及び整流ダイオードを使用して補助電源を生成し、前記補助電源を補助負荷に供給するステップと、
前記補助負荷によって引き出される電流に応じて、前記補助負荷と並列のダミー負荷の接続を制御するステップとを有するLED照明方法も提供する。
前記ダミー負荷の制御は、前記LED照明負荷の駆動レベルがしきい値未満であるときは、有効にされてもよく、前記ダミー負荷の制御は、スタンバイモードにあるときは、又はLED照明負荷の駆動レベルがしきい値を超えるときは、無効化されてもよい。前記ダミー負荷の制御の無効化は、前記LED照明負荷の前記駆動レベルが前記しきい値を超える量に依存する量だけであってもよい。
前記LED照明負荷にエネルギを供給するステップは、一段非絶縁バックコンバータ又は一段非絶縁バックブーストコンバータを使用するステップを含み得る。
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。
標準的な一段非絶縁バックコンバータのレイアウトを示す。 補助電源を伴う本発明による回路を示す。 本発明によるLED照明駆動方法を示す。
本発明は、補助電源を生成するスイッチモード電源を有するLED照明ドライバを提供する。補助電源は、ダミー負荷と、補助負荷によって引き出される電流に応じて補助負荷と並列のダミー負荷の接続を制御するための制御回路とを有する。このやり方においては、補助電源の需要変動が光出力に与える影響が低減されるように、補助負荷によって引き出される電流がより安定的なものにされる。
本発明は、バックコンバータ及びバックブーストコンバータが最も一般的な例である低コストのスイッチモード電源にとって特に興味深いものである。
図1は、一次エネルギ蓄積要素としてインダクタL2を有するバックコンバータ(ステップダウンコンバータ)を示している。
バックコンバータは、2つのスイッチ、トランジスタの形態の主電力スイッチMmain、及びフリーホイーリングダイオードDfreeによって制御される電流をインダクタL2において有する。回路の負荷は、コンデンサCloadによって表されている。主電力スイッチ、インダクタ及び負荷は、直列であり、フリーホイーリングダイオードDfreeは、インダクタ及び負荷の直列の組み合わせに並列に接続される。
トランジスタが開いた状態においては、回路内の電流は最初はゼロである。トランジスタが最初にオンにされるとき、電流は増加し始め、インダクタは、電流の変化に応じてその端子間に反対の電圧を生成する。この電圧降下は、入力における電圧を抑制し、それ故、負荷の両端の正味電圧(net voltage)を減らす。時間と共に、電流の変化率は低下し、次いで、インダクタの両端の電圧も低下し、負荷における電圧を増加させる。この期間中、インダクタは磁場の形態でエネルギを蓄積する。トランジスタは、電流がまだ変化している間に開けられ、故に、常に、インダクタの両端の電圧降下があり、負荷における正味電圧は、常に、入力電圧源より少ない。
インダクタは、交互に、負荷への電流源及び入力からの電流シンクとして機能する。
図1は、主インダクタL2が補助電源を生成するためにも使用されることができることを示している。示されているように、補助電源は、主インダクタL2に磁気的に結合されるインダクタL1と、整流ダイオードDrectとを有する。これは、整流された補助電源を、コンデンサCauxによって表されている補助負荷に供給する。
照明回路の場合には、主負荷Cloadは、LED照明であり、補助負荷Cauxは、例えば、主スイッチMmainの動作のタイミングを制御するためのコントローラであり得る。このコントローラは、例えば、調光機能を実施する。
補助電源から引き出される電流は、例えば、補助負荷によって実施されているタスクに応じて、時間と共に変化し得る。これは、主インダクタL2から負荷Cloadへのエネルギ伝達を変化させ、照明負荷の場合には、これは、光出力の望ましくない変調をもたらし得る。
本発明の第1の態様は、補助電源がより一定の電力需要を有することを確実にする機構を提供するものである。第2の態様は、システムの効率に与える影響が低減されるやり方においてこの機能を実行するものである。
図2は、本発明による照明システムを示している。
補助電源は、ブロック20によって、電圧源V1及び出力コンデンサC2として表されている。この電圧源は、一般にバックコンバータ又はバックブーストコンバータであり得るスイッチモード電源の主インダクタからの誘導結合によって得られる。しかしながら、他のインダクタベースのスイッチモード電源も、補助電源を生成するために使用され得る。本発明は、特に、低コストで構成要素数の少ない回路にとってとりわけ興味深いものである。なぜなら、これらは、とりわけ、補助電源と、主負荷に供給される電力との間に結合があるという問題に悩まされるからである。従って、本発明は、(出力変圧器がないことを意味する)非絶縁スイッチモード電源、とりわけ、(例えば、別個の力率補正回路又は別個の補助電源回路がないことを意味する)一段電源にとってとりわけ有用である。一段電源は、調光機能などの他の機能を統合し得る。
補助負荷は、ブロック24によって、電流源I1として表わされており、電流源I1は、マイクロコントローラユニット(MCU)及び低ドロップアウト電圧レギュレータなどの補助負荷によって引き出される電流を表している。
初期補助電源20は、初期補助電源20と補助負荷24との間にある補助電源回路22に供給される。回路22は、制御されたやり方においてエネルギを放散するために使用されるダミー負荷R7を有し、故に、回路の総エネルギ需要、とりわけ、電流需要は、より一定にされる。
ダミー負荷は、補助負荷I1と並列に接続される抵抗器R7を有する。ダミー負荷R7を通過させられる電流は、直列接続されるトランジスタQ3によって制御される。従って、トランジスタQ3は、補助負荷と並列のダミー負荷の接続を制御するための制御回路として機能する。
トランジスタQ3のベースは、ベース抵抗器R8を介して補助供給電圧に接続され、それはそれ自体でトランジスタQ3を常にオンにする。
回路は、補助負荷によって引き出される電流を検知し、引き出される電流に応じてトランジスタQ3のスイッチングを制御するための電流検知回路23を更に有する。
電流検知回路23は、制御可能な電圧基準U1、とりわけ、示されている例においてはゲート制御ダイオードに制御電圧を供給する。制御可能な電圧基準U1は、トランジスタQ3のベースを引き下げることができ、それによって、トランジスタQ3をオフにし、電流がダミー負荷R7を通して引き出されるのを防止する。従って、それは、トランジスタQ3におけるゲート電圧を接地に対して制御する。それは、接地への制御可能な伝導経路を供給する。このやり方においては、電流がダミー負荷R7を通して引き出される代わりに、電流がベース抵抗器R8及び制御可能な電圧基準U1を通して引き出される。ベース抵抗器R8は、ダミー負荷(例えば、100オーム)よりもはるかに高い抵抗(例えば、15キロオーム)を持ち、従って、消費電力はごくわずかである。
電流検知回路23は、(第1分岐は、抵抗器R2、R4及びトランジスタQ1であり、第2分岐は、抵抗器R5及びトランジスタQ2である)2つの分岐を備える不平衡カレントミラー構成を有する。分岐の上部間の抵抗器R1は、電流検知抵抗器として機能する。補助負荷によって引き出される電流は、低い抵抗(例えば、18オーム)を持ち、従って、消費電力はごくわずかである抵抗器R1を通過する。
抵抗器R1の値は、補助電源の、最大期待出力電流に対応し得る公称電流レベルを規定するよう選択される。電流がこの最大値未満である場合、電流検知回路からの出力電圧は低下する。この出力が制御可能な電圧基準U1に供給され、トランジスタQ3のベースのプルダウンが減らされ、従って、トランジスタがそのベース抵抗器R8を介してオンにされることを可能にする。
この回路はアナログ制御を供給する。電流検知信号のフィードバック接続は、制御された量の追加電流をダミー負荷R7を通して引き出すことによって、合計電流を公称レベルに調整するのに役立つ。このやり方においては、合計電流は一定に保たれる。
このやり方においては、補助電源が照明負荷に供給される電力に与える影響は、ダミー負荷によって低減される。従って、補助電源の需要の変動によって引き起こされ得る照明負荷出力のちらつきは防止される。
このアプローチに関する1つの問題は、ダミー負荷を使用することにより増加した電力消費があることである。アプリケーションによっては、この更なる電力消費は最小限に抑えなければならない。目に見えて分かるちらつきの発生が防止されているときには、電力消費の増加は許容できるかもしれない。しかしながら、ちらつきが問題にならず、電力消費の増加が正当化されないときもあり得る。
図2は、ダミー負荷無効化回路26を示している。これは、電流検知回路23によって実施される制御とは無関係にトランジスタQ3のベースをプルダウンすることにより、ダミー負荷制御回路22を無効にすることができる。
これは、ちらつきが問題にならないときに、ダミー負荷に関連する電力消費を防止するために使用され得る。ダミー負荷無効化回路は、プルダウントランジスタM1と、ゲート抵抗器R3及びゲートコンデンサC1を介してトランジスタM1のゲートを制御するための電圧源V3とを有する。
トランジスタM1がオンにされるとき、トランジスタQ3のベースは接地へ引き下げられ、トランジスタQ3をオフにする。無効化回路26及び制御可能な電圧基準U1は、どちらか一方がトランジスタQ3をオフにすることによってダミー負荷R7を切り離すことができるように、本質的にOR構成で接続される。
ダミー負荷無効化回路26は、スタンバイモードにおいては、又はLED照明負荷の駆動レベルがしきい値を超えるときは、制御回路を無効化するよう適合され得る。スタンバイモードにあるときは、ちらつきは問題にならない。同様に、照明負荷が十分に明るいレベルになるよう駆動されるときは、ちらつきは知覚できなくなる。従って、電圧源V3は、これらの状況においては高い電圧を供給する。
ダミー負荷無効化回路は、LED照明負荷の駆動レベルがしきい値未満であるときは、制御回路22のダミー負荷機能を有効にするよう適合される。この期間中、電圧源V3は、低い電圧を供給する。これは、補助電源に対する電流需要の変動に起因するちらつきの問題があるときである。
ダミー負荷無効化回路26は、バイナリ方式で機能してもよく、又はアナログ方式で機能してもよい。アナログの場合には、制御回路22は、LED照明負荷の駆動レベルがしきい値を超える量に依存する量だけ無効化される。
その場合、しきい値レベルと実際の駆動レベルとの間の差が制御パラメータになる。駆動レベルがしきい値以下であるとき、ダミー負荷機能は有効にされる。駆動レベルがしきい値を上回るとき、制御パラメータは、トランジスタQ3がアナログ方式でオン/オフされる量を決定し、その場合、これは、ダミー負荷R7へ流れる電流を制御する。
制御パラメータとトランジスタQ3のベースに印加される駆動レベルとの間の関数は、線形であってもよく、又は非線形であってもよい。ダミー負荷は、駆動レベルが、その最大レベル、例えば、第2しきい値に達する前に、完全に無効化されてもよい(即ち、トランジスタQ3は完全にオフにされる)。従って、ダミー負荷がアクティブである状態と非アクティブである状態との間の移行は、2つのしきい値レベルの間で行われてもよい。任意の適切な関数が、輝度レベルとダミー負荷利用との関係を決定するために使用され得る。
従って、ダミー負荷の使用の無効化は、或る照明レベルにおいて急にではなく、照明レベルの関数として徐々に実施されてもよい。
例えば、トランジスタM1が徐々にオンにされるにつれて、それは、トランジスタQ3のベースからの電流のための増大する漏れ経路を与え、それによって、トランジスタQ3を徐々にオフにし、従って、ダミー負荷R7を通る電流をアナログ方式で制御する。トランジスタM1のゲートは、パルス幅変調信号によって制御されてもよく、その場合、前記パルス幅変調信号は、ゲートコンデンサC1によって平滑化される。従って、トランジスタQ3の導通のアナログ制御を実施するために、トランジスタM1のゲートにおいて本質的にデジタルの制御信号が使用されてもよい。
ダミー負荷無効化回路は、効率とローエンドレベルのちらつき動作(flicker performance)との間のトレードオフの改善を可能にする。
例として、設定される調光レベルが、(制御しきい値として機能する)50%より高い照明レベルに対応する場合、ダミー負荷回路は、制御信号V3を介して徐々にオフに切り替えられる。(しきい値50%未満の照明レベルに)減光中、回路はオンに切り替えられる。
照明負荷Cloadは、LED照明負荷を含み、それは、LEDの単一のストリングを含んでもよく、又は直列及び/若しくは並列LEDのより複雑なネットワークを含んでもよい。
図3は、図2の回路が動作する方法を示している。
ステップ30では、主エネルギ蓄積インダクタを有するスイッチモード電源を使用してLED照明負荷にエネルギが供給される。
ステップ32では、整流ダイオード及び主エネルギ蓄積インダクタに磁気的に結合される電源インダクタを使用して補助電源が生成される。
ステップ34では、補助電源が補助負荷に供給される。
ステップ36では、補助負荷によって引き出される電流に応じて、補助負荷と並列にダミー負荷が接続される。
本発明は、統合電力構成を備える照明システムにとって興味深いものである。最も興味深いのは、特に低コストの接続ランプのための、補助電源を使用する統合マイクロコントローラを備える一段の単一ストリングのLED照明アプローチである。
上記では、ダミー負荷制御回路及びダミー負荷無効化回路の一例しか示されていない。しかしながら、様々なやり方で同じコア機能が実施され得る。例えば、検知される流れている負荷電流の関数である制御信号を生成するために、任意の適切な電流検知回路が使用されてもよい。単純な単一の駆動トランジスタQ3よりも複雑なダミー負荷駆動回路も使用されてもよく、ダミー負荷自体は、抵抗器に限定されない任意の損失の大きい構成要素であってもよい。トランジスタゲートをプルダウンするために使用される制御可能な電圧基準は、ゲート制御ダイオード、制御可能なシャントレギュレータ、又は他のトランジスタ回路として実施されてもよい。
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、互いに異なる従属請求項において挙げら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参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (15)

  1. LED照明負荷にエネルギを供給するための主エネルギ蓄積インダクタを備えるスイッチモード電源と、
    前記主エネルギ蓄積インダクタに磁気的に結合される電源インダクタ、及び補助負荷に整流電圧を供給するための整流ダイオードを含む補助電源回路とを有するLED照明ドライバであって、
    前記補助電源回路が、
    前記補助負荷と、
    前記補助負荷と並列に結合されるダミー負荷と、
    前記補助負荷と並列の前記ダミー負荷の接続を制御するための制御回路と、
    前記補助負荷によって引き出される電流を検知し、引き出される前記電流に応じて、前記補助負荷及び前記ダミー負荷によって組み合わせて引き出される電流がほぼ一定に保たれるように、前記制御回路を制御するための電流検知回路とを有するLED照明ドライバ。
  2. 前記制御回路が、トランジスタと、前記トランジスタをオフにするような前記トランジスタのゲートの基準電位への引き寄せを制御するための制御可能な電圧基準とを有する請求項1に記載のドライバ。
  3. 前記ダミー負荷制御回路を無効化するためのダミー負荷無効化回路を更に有する請求項1又は2に記載のドライバ。
  4. 前記ダミー負荷無効化回路が、スタンバイモードにおいては前記制御回路を無効化するよう適合される請求項3に記載のドライバ。
  5. 前記ダミー負荷無効化回路が、前記LED照明負荷の駆動レベルがしきい値を超えるときは、前記制御回路を無効化するよう適合される請求項4に記載のドライバ。
  6. 前記ダミー負荷無効化回路が、前記LED照明負荷の駆動レベルが前記しきい値未満であるときは、前記制御回路を有効にするよう適合される請求項5に記載のドライバ。
  7. 前記ダミー負荷無効化回路が、前記LED照明負荷の前記駆動レベルが前記しきい値を超える量に依存する量だけ前記制御回路を無効化するよう適合される請求項5又は6に記載のドライバ。
  8. 前記スイッチモード電源が、一段バックコンバータ又は一段バックブーストコンバータを含む請求項1乃至7のいずれか一項に記載のドライバ。
  9. 前記スイッチモード電源が、非絶縁変換器を含む請求項1乃至8のいずれか一項に記載のドライバ。
  10. 請求項1乃至9のいずれか一項に記載のドライバと、
    前記ドライバによって駆動されるLED照明負荷と、
    前記補助電源回路によって駆動される補助負荷とを有するLED照明回路。
  11. 主エネルギ蓄積インダクタを備えるスイッチモード電源を使用してLED照明負荷にエネルギを供給するステップと、
    前記主エネルギ蓄積インダクタに磁気的に結合される電源インダクタ、及び整流ダイオードを使用して補助電源を生成し、前記補助電源を補助負荷に供給するステップと、
    前記補助負荷によって引き出される電流に応じて、前記補助負荷及びダミー負荷によって組み合わせて引き出される電流がほぼ一定に保たれるように、前記補助負荷と並列の前記ダミー負荷の接続を制御するステップとを有するLED照明方法。
  12. 前記LED照明負荷の駆動レベルがしきい値未満であるときは、前記ダミー負荷の制御を有効にするステップを有する請求項11に記載の方法。
  13. スタンバイモードにあるときは、又は前記LED照明負荷の駆動レベルが前記しきい値を超えるときは、前記ダミー負荷の制御を無効化するステップを更に有する請求項12に記載の方法。
  14. 前記LED照明負荷の前記駆動レベルが前記しきい値を超える量に依存する量だけ前記ダミー負荷の制御を無効化するステップを有する請求項13に記載の方法。
  15. LED照明負荷にエネルギを供給するステップが、一段非絶縁バックコンバータ又は一段非絶縁バックブーストコンバータを使用するステップを含む請求項11乃至14のいずれか一項に記載の方法。
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