JP6729759B2 - 電源回路、照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤモジュールなどの電源として用いられる電源回路、及び照明装置に関する。

特許文献１には、力率改善機能の動作を行う昇圧チョッパ回路と、その昇圧チョッパ回路の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、昇圧チョッパ回路の力率改善機能とＤＣ−ＤＣコンバータ回路をオン／オフ制御する制御マイコンとが開示されている。

特開２００７−２０２２８５号公報

簡素な構成を実現するために、部品点数を減らした電源回路を提供することが好ましい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従来の構成に比べて部品点数を減らすことができる電源回路と照明装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る電源回路は、整流回路と、該整流回路に電気的に接続されたスイッチング素子と、該整流回路に電気的に接続された端子を有する制御ＩＣと、該制御ＩＣの中に設けられ、該端子に接続され、該整流回路の出力から該制御ＩＣの中の回路に制御電源を供給する制御電源回路部と、を備え、該制御電源は、該スイッチング素子をオンさせるために用いられる起動用スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、該整流回路が予め定められた電圧を出力しているか判定するＡＣ電源判定回路と、に供給されることを特徴とする。

本発明によれば、制御ＩＣの中に電圧検知部を設けたので、従来の構成に比べて部品点数を減らすことができる。

実施の形態１に係る電源回路の回路図である。 実施の形態２に係る電源回路の回路図である。 実施の形態３に係る電源回路の回路図である。

本発明の実施の形態に係る電源回路と照明装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電源回路の回路図である。電源回路の左側には交流電源が接続されている。二重丸は電源回路と外部構成との接続部を表す。電源回路の右側にはＬＥＤモジュール２０が接続されている。電源回路は、整流回路１０、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路２２、バックコンバータ回路２４及び制御ＩＣ３０を備えている。電源回路とＬＥＤモジュール２０が照明装置を構成している。ＰＦＣ回路２２は、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１を備えている。

ＰＦＣ回路２２にはバックコンバータ回路２４が接続されている。バックコンバータ回路２４はスイッチング素子Ｑ２を備えている。スイッチング素子Ｑ２は、整流回路１０に電気的に接続された第１電極ａ、第２電極ｂ、及び第１電極ａと第２電極ｂの間の導通を制御する制御電極ｃを有している。スイッチング素子Ｑ２は例えばＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ２がＭＯＳＦＥＴの場合、第１電極ａはドレイン電極であり、第２電極ｂはソース電極であり、制御電極ｃはゲート電極である。バックコンバータ回路２４は、スイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２を備えている。

バックコンバータ回路２４には、ブートストラップコンデンサＣ３とツェナーダイオードＤ３が設けられている。ブートストラップコンデンサＣ３はスイッチング素子Ｑ２の制御電極ｃを第２電極ｂよりも、例えば１５Ｖ高くするために設けられている。ツェナーダイオードＤ３をブートストラップコンデンサＣ３に並列接続することで、ブートストラップコンデンサＣ３が１５Ｖまで充電されるようにした。

制御ＩＣ３０の主要な機能は、ＰＦＣ回路２２とバックコンバータ回路２４を制御することである。制御ＩＣ３０の側辺には複数の端子が形成されている。制御ＩＣ３０の側辺に沿って記載された文字は、端子を通る信号の名称を表す。例えば、端子Ｔ１に記載された「ＰＦＣ＿Ｖ」は、ＰＦＣ回路２２の電圧検出のための信号等を表す。「ＶＢ」とはスイッチング素子Ｑ２駆動用電源を表す。ＶＢと書かれた部分の端子をＶＢ端子と称する。「ＬＥＤ＿ＤＲ」とはスイッチング素子Ｑ２を駆動するためのゲート信号を表す。「ＬＥＤ＿ＤＲ」と書かれた部分の端子をＬＥＤ＿ＤＲ端子と称する。「ＶＳ」とはＨＶＩＣ（スイッチング素子Ｑ２）用基準電位を表す。ＶＳと書かれた部分の端子をＶＳ端子と称する。

ＶＢ端子はブートストラップコンデンサＣ３の一端に接続され、ＶＳ端子はブートストラップコンデンサＣ３の他端に接続されている。ブートストラップコンデンサＣ３の他端とＶＳ端子の接続点は、スイッチング素子Ｑ２の第２電極ｂに接続されている。したがって、ブートストラップコンデンサＣ３は、端子Ｔ１と、第２電極ｂを電気的に接続する。ＬＥＤ＿ＤＲ端子はスイッチング素子Ｑ２の制御電極ｃに接続されている。

制御ＩＣ３０の中の構成について説明する。制御ＩＣ３０の中には多くの素子が設けられるが、図１では主としてスイッチング素子Ｑ２のオンオフに関連する素子が示されている。制御ＩＣ３０の中には、端子Ｔ１に接続された定電流源３２、アノードが定電流源３２に接続されたダイオードＤ４、ドレインがダイオードＤ４のカソードに接続された起動用スイッチング素子Ｑ３がある。起動用スイッチング素子Ｑ３のソースはＶＢ端子に接続されている。

整流回路１０と第１電極ａをつなぐ経路上の点を第１接続点Ｐ１と定義する。第１接続点Ｐ１は端子Ｔ１に電気的に接続されている。定電流源３２は、第１接続点Ｐ１と起動用スイッチング素子Ｑ３をつなぐ経路に設けられ、出力電流を一定に保つものである。定電流源３２の出力電流は例えば１ｍＡである。起動用スイッチング素子Ｑ３は例えばＭＯＳＦＥＴで形成される。起動用スイッチング素子Ｑ３としてＭＯＳＦＥＴ以外のインピーダンス可変素子を用いてもよい。

制御ＩＣ３０の中にはドライバ３４が設けられている。ドライバ３４はＶＢ端子、ＬＥＤ＿ＤＲ端子及びＶＳ端子につながっている。ドライバ３４は、ブートストラップコンデンサＣ３が充電されることでＶＢ端子とＶＳ端子の電位差が１５Ｖになったときに、制御電極ｃに電圧（１５Ｖ）を印加する。

制御ＩＣ３０の中には制御電源回路部を構成するＩＰＤ（Intelligent Power Device）３６がある。ＩＰＤ３６は端子Ｔ１と定電流源３２をつなぐ経路に接続されている。つまり、ＩＰＤ３６は端子Ｔ１に接続されている。起動用スイッチング素子Ｑ３とブートストラップコンデンサＣ３をつなぐ経路上の点を第２接続点Ｐ２と定義する。ＩＰＤ３６は、第２接続点Ｐ２に、第１接続点Ｐ１の電圧よりも低い電圧を印加する。具体的には、ＩＰＤ３６の出力は、ＤＣＤＣ＿Ｓと書かれた端子、制御ＩＣ３０の外部のインダクタ、Ｖｃｃ１と書かれた端子、及びダイオードＤ５を経由して第２接続点Ｐ２に印加される。ＩＰＤ３６は、第１接続点Ｐ１の電圧から制御ＩＣ３０の中の回路に電源電圧を供給するものである。

制御ＩＣ３０の中には、端子Ｔ１に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２がある。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、直列に接続され、端子Ｔ１の電圧を分圧する。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点には、ＡＣ電源判定回路５０が接続されている。ＡＣ電源判定回路５０は、整流回路１０が予め定められた電圧を出力しているか判定する回路である。抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＡＣ電源判定回路５０で、電圧検知部５２を構成している。

制御ＩＣ３０の中には制御部４０がある。制御部４０は、起動用スイッチング素子Ｑ３に対して、起動用スイッチング素子Ｑ３をオンオフする信号を出す。制御部４０、前述のＩＰＤ３６、及び前述のＡＣ電源判定回路５０は専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵであってもよい。なお、制御部４０、ドライバ３４、及びＡＣ電源判定回路５０の電源はＩＰＤ３６から供給される。

制御ＩＣ３０は、起動用スイッチング素子Ｑ３、ＩＰＤ３６、制御部４０、ドライバ３４及び電圧検知部５２等を１つにまとめたものである。

前述の各構成を保護するために、ブートストラップコンデンサＣ３、起動用スイッチング素子Ｑ３、ＩＰＤ３６、並びに、制御部４０及びＡＣ電源判定回路５０等を含む制御ＩＣ３０を覆う外囲体を設けることが好ましい。外囲体は例えば樹脂である。

本発明の実施の形態に係る電源回路の動作について説明する。電源回路の「起動時」の動作と、起動後の「定常時」の動作を説明する。まず、起動時について説明する。起動時とは制御ＩＣ３０が最初に動作するときである。電源回路にＡＣ電圧が入力された直後は、ＰＦＣ回路２２は動作していない。そのため、整流回路１０の出力からスイッチング素子Ｑ２の第１電極ａまでの経路は、整流回路１０の出力（全波整流ライン）と同電位となる。整流回路１０の出力からスイッチング素子Ｑ２の第１電極ａまでの経路には例えば直流電圧１００Ｖが印加される。

起動時には、スイッチング素子Ｑ２を起動するために、制御部４０が、端子Ｔ１とブートストラップコンデンサＣ３をつなぐ経路に設けられた起動用スイッチング素子Ｑ３をオンする。そうすると、例えば１ｍＡの電流が、定電流源３２からダイオードＤ４と起動用スイッチング素子Ｑ３を経由してブートストラップコンデンサＣ３に流れる。これにより、ブートストラップコンデンサＣ３が充電される。

さらに、ＩＰＤ３６に端子Ｔ１の電圧（例えば直流電圧１００Ｖ）が印加される。ＩＰＤ３６はこの電圧から生成した電圧（例えば１５Ｖ）を第２接続点Ｐ２に印加する。ＩＰＤ３６は、第１接続点Ｐ１と起動用スイッチング素子Ｑ３をつなぐ経路に接続されているため、第１接続点Ｐ１の電圧から第２接続点Ｐ２に印加する電圧を生成することができる。さらにＩＰＤ３６は、第１接続点Ｐ１の電圧から、ドライバ３４、制御部４０、及びＡＣ電源判定回路５０に対する電源電圧を生成し供給する。

したがって、起動時においては、起動用スイッチング素子Ｑ３のドレインに１００Ｖ、ソースに１５Ｖが印加されるので、起動用スイッチング素子Ｑ３のドレインソース間電圧は８５Ｖである。すなわち、第１接続点Ｐ１の電圧からＩＰＤ３６で生成した電圧を減じた電圧が起動用スイッチング素子Ｑ３のドレインソース間電圧となる。

ブートストラップコンデンサＣ３の電極間には、ツェナーダイオードＤ３によって定められた電圧（例えば１５Ｖ）が生じる。ドライバ３４は、ＶＢ端子とＶＳ端子の電位差が１５Ｖとなったときに、オンとなり、スイッチング素子Ｑ２の制御電極ｃに電圧を印加する。つまり、スイッチング素子Ｑ２のＶｇｓを１５Ｖとする。これによりスイッチング素子Ｑ２がオンとなり、電源回路が起動する。

電源回路の起動時には、端子Ｔ１の電圧が抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧される。そして、第１接続点Ｐ１（端子Ｔ１）の電圧に応じた電圧が、ＡＣ電源判定回路５０によって検知される。ＡＣ電源判定回路５０は、電源回路にＡＣ電源が接続されることにより整流回路１０が正常に動作し、整流回路１０が予め定められた電圧を出力しているかを判定する。起動時において、整流回路１０が予め定められた電圧を出力していないということは、整流回路１０にＡＣ電源が接続されていなかったり、停電又は瞬時電圧低下があったりすることが考えられる。整流回路１０が予め定められた電圧を出力していない状態で電源回路を駆動すると好ましくない動作モードが生じるおそれがある。

そこで、ＡＣ電源判定回路５０（制御ＩＣ３０）は、電圧検知部５２で検知した電圧が予め定められた値の範囲内にないときは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護動作させる。例えば、ＡＣ電源判定回路５０がドライバ３４に対して信号を出し、ドライバ３４に保護動作を実施させる。なお、保護動作とは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフしたり、スイッチング素子Ｑ２のデューティを低下させたりすることをいう。

次いで、定常時について説明する。定常時においては、制御部４０が起動用スイッチング素子Ｑ３をオフにする。つまり、起動時にスイッチング素子Ｑ２が所定時間スイッチング動作すると、制御部４０は起動用スイッチング素子Ｑ３をオフにする。例えば、制御部４０は、制御ＩＣ３０のＬＥＤ＿Ｉと記載された端子から電流を検出することで、スイッチング素子Ｑ２がオンになったことを検出し、起動用スイッチング素子Ｑ３をオフにする。

スイッチング素子Ｑ２の第２電極ｂとインダクタＬ２を結ぶ経路の電位は、スイッチング素子Ｑ２がオフのとき、制御ＩＣ３０のＧＮＤ１（ＰＷ）の電位からみてダイオードＤ２のＶｆの分だけ低くなる。例えば、スイッチング素子Ｑ２の第２電極ｂとインダクタＬ２を結ぶ経路の電位は、制御ＩＣ３０のＧＮＤ１（ＰＷ）の電位からみて−０．６Ｖとなる。

定常時においては、ＩＰＤ３６が生成した電流でブートストラップコンデンサＣ３を充電する。第２接続点Ｐ２の電圧が１５Ｖで、第２電極ｂとインダクタＬ２を結ぶ経路の電位が−０．６Ｖなので、ブートストラップコンデンサＣ３には１５．６Ｖの電圧が印加される。

定常時においては、ＰＦＣ回路２２の出力電圧が、抵抗Ｒ３、Ｒ４によって分圧される。この分圧電圧が制御ＩＣ３０により検知される。制御ＩＣ３０は、この分圧電圧をモニタすることで、ＰＦＣ回路２２の動作が正常であるか判定する。

次に、本発明の実施の形態に係る電源回路の主要な効果について説明する。起動時において、起動用スイッチング素子Ｑ３には、第１接続点Ｐ１の電圧（例えば１００Ｖ）からＩＰＤ３６によりソースに印加される電圧（例えば１５Ｖ）を減じた電圧（例えば８５Ｖ）が印加される。したがって、起動用スイッチング素子Ｑ３に１００Ｖがそのまま印加される場合よりは、耐圧の面で有利である。そのため、起動用スイッチング素子Ｑ３の耐圧レベルを下げて当該素子のコストを低下させることができる。

起動時において整流回路１０の出力が予め定められた範囲にあることを検知するためには、整流回路１０とインダクタＬ１の間に分圧回路を接続することが多い。本発明の実施の形態１では、その分圧回路の機能を制御ＩＣ３０の中の抵抗Ｒ１、Ｒ２で実現する。従って、制御ＩＣ３０の外部に電圧検知部５２を設ける場合に比べて部品点数を減らすことができる。ＡＣ電源判定回路５０は制御ＩＣ３０の外に設けても良い。

起動時においてはブートストラップコンデンサＣ３に１００Ｖ、１ｍＡが印加されるが、定常時においては起動用スイッチング素子Ｑ３をオフにすることでブートストラップコンデンサＣ３に１５．６Ｖ、１ｍＡを印加する。したがって、定常時にブートストラップコンデンサＣ３を１００Ｖで充電する場合と比較して損失を低減できる。なお、ここでは、定電流源３２が生成する電流（１ｍＡ）と、ＩＰＤ３６が第２接続点Ｐ２に印加する電流（１ｍＡ）が等しいとしたが、これらを一致させなくてもよい。

起動時における、端子Ｔ１には３つの役割がある。第１の役割は、起動用スイッチング素子Ｑ３を経由してブートストラップコンデンサＣ３に充電電流を流すことである。第２の役割は、ＩＰＤ３６に電圧供給することである。第３の役割は、電圧検知部５２に電圧を供給することである。このように３つの役割を担う端子Ｔ１を設けることで、１つの役割ごとに１つの端子を設ける場合と比べて端子の数を減らすことができる。

本発明の実施の形態１に係る電源回路はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。たとえば、ＰＦＣ回路２２は省略しても良い。上述した電圧値については適宜変更してもよい。電圧検知部５２の構成は、「制御ＩＣ３０の中に設けられ、端子Ｔ１に接続され、第１接続点Ｐ１の電圧に応じた電圧を検知する」ものであれば特に限定されない。電圧検知部５２で、検知した電圧の判定、及び保護動作の指令を行うこととしたが、これらの機能は電圧検知部５２の外（例えば制御ＩＣ３０の中）で実現してもよい。また、起動時におけるブートストラップコンデンサＣ３は、端子Ｔ１を経由しない電流で充電してもよい。その場合には、端子Ｔ１は第１の役割を失い、第２、第３の役割を担うことになる。

これらの変形は以下の実施の形態に係る電源回路にも適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る電源回路については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る電源回路の回路図である。ＰＦＣ回路２２は、整流回路１０の出力に接続され、第１電極ａに電圧を印加する。第１接続点Ｐ１はインダクタＬ１と第１電極ａの間の点である。電圧検知部６２は、ＰＦＣ回路２２が予め定められた電圧を出力しているか判定する昇圧電圧判定回路６０を備えている。

整流回路１０とインダクタＬ１の間の点を第０接続点Ｐ０とする。この第０接続点Ｐ０には、第０接続点Ｐ０の電圧を分圧する抵抗Ｒ５、Ｒ６が接続されている。抵抗Ｒ５、Ｒ６で分圧された電圧は制御ＩＣ３０に印加される。制御ＩＣ３０は、抵抗Ｒ５、Ｒ６で分圧された電圧を検知して、電源回路の起動時において整流回路１０が予め定められた電圧を出力しているか判定する。制御ＩＣ３０は、この分圧電圧が予め定められた値の範囲内にないときは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護動作させる。

定常時においては、昇圧電圧判定回路６０が、ＰＦＣ回路２２が予め定められた電圧を出力しているか判定する。抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧された電圧が予め定められた電圧を逸脱する場合は、ＰＦＣ回路２２による昇圧動作に不具合がある。そのため、昇圧電圧判定回路６０はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護動作させる。

本発明の実施の形態２に係る電源回路では、ＰＦＣ回路２２の出力を検知する抵抗を制御ＩＣ３０の中に設けることで、これを制御ＩＣ３０の外部に設けた場合と比べて、部品点数を減らすことができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係る電源回路の回路図である。電圧検知部７０は、抵抗Ｒ１，Ｒ２、実施の形態１で説明したＡＣ電源判定回路５０、及び実施の形態２で説明した昇圧電圧判定回路６０を備えている。ＡＣ電源判定回路５０により、起動時において整流回路１０の出力が予め定められた範囲にあるかを判定する。昇圧電圧判定回路６０により、定常時にＰＦＣ回路２２が予め定められた電圧を出力しているかを判定する。ＡＣ電源判定回路５０と昇圧電圧判定回路６０のいずれかで予め定められた電圧が検知されない場合は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護動作させる。

実施の形態３に係る電源回路によれば、起動時においては抵抗Ｒ１、Ｒ２が整流回路１０の出力を分圧し、定常時においては抵抗Ｒ１、Ｒ２がＰＦＣ回路２２の出力を分圧する。言い換えれば、抵抗Ｒ１、Ｒ２は、起動時においては図２の抵抗Ｒ５、Ｒ６と同じ機能を有し、定常時においては図１の抵抗Ｒ３、Ｒ４と同じ機能を有する。

実施の形態１では抵抗Ｒ３、Ｒ４の中点に接続された端子を制御ＩＣ３０に設ける必要がある。実施の形態２では抵抗Ｒ５、Ｒ６の中点に接続された端子を制御ＩＣ３０に設ける必要がある。しかし、実施の形態３では、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６がないので、上記のどちらの端子も設ける必要がない。よって、制御ＩＣ３０の端子の数を減らすことができる。また、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６がないので、実施の形態１、２と比較して部品点数を減らすことができる。

１０ 整流回路、 ２２ ＰＦＣ回路、 ２４ バックコンバータ回路、 ３０ 制御ＩＣ、 ３４ ドライバ、 ４０ 制御部、 ５２,６２,７０ 電圧検知部、 Ｃ３ ブートストラップコンデンサ、 Ｐ１ 第１接続点、 Ｐ２ 第２接続点、 Ｑ２ スイッチング素子、 Ｑ３ 起動用スイッチング素子、 Ｔ１ 端子

Claims (4)

1. 整流回路と、
   前記整流回路に電気的に接続されたスイッチング素子と、
   前記整流回路に電気的に接続された端子を有する制御ＩＣと、
   前記制御ＩＣの中に設けられ、前記端子に接続され、前記整流回路の出力から前記制御ＩＣの中の回路に制御電源を供給する制御電源回路部と、を備え、
   前記制御電源は、前記スイッチング素子をオンさせるために用いられる起動用スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、前記整流回路が予め定められた電圧を出力しているか判定するＡＣ電源判定回路と、に供給されることを特徴とする電源回路。
2. 前記制御ＩＣは、前記制御電源により前記スイッチング素子のスイッチングを制御する請求項１に記載の電源回路。
3. 前記制御電源回路部は、前記制御電源により前記制御ＩＣを継続的に動作させる請求項１または２に記載の電源回路。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電源回路と、
   前記電源回路に接続されたＬＥＤモジュールと、を備えたことを特徴とする照明装置。

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