WO2011065047A1 - Led駆動電源装置及びled照明装置 - Google Patents

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    • Y02B20/30Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the input power supply is a commercial AC power supply
  • the power conversion circuit inputs the commercial AC voltage
  • the supply current to the LED changes in a sine wave shape in phase with the commercial AC power supply voltage. It is a power factor improvement converter.
  • the constant current control circuit 51 outputs a voltage signal to be supplied to the power conversion control circuit 56 in accordance with an error between the voltage input to the current detection terminal ID and the voltage varied by the external dimming signal input to the control terminal CNT. appear. That is, the constant current control circuit 51 performs control so that the current supplied to the LED 60 is kept below the target current value determined by the external dimming signal.
  • the means for switching the reference voltage Vrv with the external dimming signal corresponds to the “constant voltage control circuit target value switching means” according to the present invention.
  • the constant voltage control circuit 52 becomes effective, and the output voltage to the power output terminals P21 and P22 is 40V that is the target voltage value.

Abstract

 消灯状態を含む範囲で調光を行う場合でも安定的に調光できるようにしたLED駆動電源装置及びLED照明装置を構成する。 第1の制御回路に相当する電力変換制御回路(56)は、絶縁手段(58)を介して入力されるフィードバック制御信号に応じてスイッチング素子(Q1)のオン時間又はスイッチング周期を制御して、PFCコンバータとして作用するとともに、LED(60)への供給電力を制御する。第2の制御回路に相当する調光制御回路(50)は、定電流制御回路(51)、定電圧制御回路(52)、及びORゲート回路(53)を備えている。外部調光信号が通常点灯に設定する信号であれば、定電流制御回路(51)はLED(60)への供給電流を目標電流値に保つ。外部調光信号が最低輝度に設定する信号であれば、定電圧制御回路(52)はLED(60)への供給電圧を目標電圧値に保つ。

Description

LED駆動電源装置及びLED照明装置
 この発明は、LEDを駆動する電源装置及びLED照明装置に関するものである。
 照明装置やディスプレイ装置のバックライト等、LEDは種々の形態で利用されている。LEDに対して電力を供給するLED駆動回路は、一般に定電流制御によって駆動される。LEDは、pn接合の順方向電流による電子-正孔発光再結合を利用していて、発光輝度は印加電圧より寧ろ通電電流にほぼ比例するからである。
 調光機能を備えたLED照明装置として特許文献1が開示されている。図1は特許文献1に示されているLED駆動電源装置の回路図である。
 図1において、電力コンバータ10は、EMIフィルタ14、整流器16、及び電力ブロック18を備えている。電力コンバータ10は、その入力端子に交流(AC)電圧Vacを受け取り、そのAC電圧を直流(DC)電圧Vdcへ変換し、そしてLED12を駆動するための電流をその出力端子A及びBに与える。電力コンバータ10は、ACの高入力電圧を、整流されたAC入力レベルより高くても低くてもよい希望の電圧レベルへ変換する。これは、LED電流を希望の輝度レベルに対して適切に制御できるようにする。更に、AC入力電流は、AC入力電圧に同期される。
特表2008-537459号公報
 LED照明装置の輝度を調光により抑えようとするとき、駆動電流を絞る必要がある。しかし、LED照明装置の駆動電流を低下していくと、調光可能範囲の下限(ミニマム)付近で、LEDに流れる電流(LED電流)が非常に小さくなり、LED電流が不安定となる。そのため、消灯状態を含む範囲で調光を行う場合にはチラツキが発生する、という課題があった。
 LED電流の不安定性は定電流制御によって生じる。すなわち、定電流制御のためには、LED照明装置からの電流フィードバックが必要であるが、LED電流が非常に小さくなると、電流フィードバック量が充分な値ではなくなる。そのため動作上最低限必要な電流フィードバック量が得られるまで、LED電流が一旦余分に増加し、これによりフィードバック制御が掛かる。しかし、そのフィードバック制御によってLED電流が余分に絞られることになり、再びLED電流が余分に増加する。このような制御が繰り返されるため、上述のチラツキが発生する。
 そこで、この発明の目的は、消灯状態を含む範囲で調光を行う場合でも安定的に調光できるようにしたLED駆動電源装置及びLED照明装置を提供することにある。
 この発明のLED照明装置は、LED駆動電源装置とそれによって駆動されるLEDとで構成される。そして、この発明のLED駆動電源装置は、次のように構成される。
(1)入力電源から電力を入力し、LEDへ電力を出力する電力変換回路と、フィードバック制御信号に応じて前記電力変換回路を制御して前記LEDへの供給電力を制御する第1の制御回路と、前記LEDの輝度または前記LEDへの供給電力を設定するための外部調光信号が入力され、前記第1の制御回路へ前記フィードバック制御信号を出力する第2の制御回路と、を備え、
 前記第2の制御回路は、
 前記外部調光信号が通常点灯に設定する信号であるときに前記電力変換回路からの出力電流(前記LEDへの供給電流)を目標電流値に保つ定電流制御回路と、前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに前記電力変換回路からの出力電圧(前記LEDへの供給電圧)を目標電圧値に保つ定電圧制御回路と、を有し、前記定電圧制御回路は、前記第1の制御回路が前記LEDのオフセット電圧(点灯/非点灯のしきい値電圧)以下で且つ前記第2の制御回路の動作可能下限電圧以上の電圧を出力するように、前記フィードバック制御信号を出力するように構成する。
 この構成により、外部調光信号が通常点灯に設定する信号であるとき、LEDは定電流駆動で調光が行われ、外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるとき定電圧制御で安定した電圧が印加される。
(2)例えば、前記入力電源は、商用交流電源であり、前記電力変換回路は、前記商用交流電圧を入力し、前記LEDへの供給電流が前記商用交流電源電圧と同位相で正弦波状に変化する力率改善コンバータである。
(3)また例えば、前記入力電源は商用交流電源であり、前記電力変換回路は、前記商用交流電圧を入力し、絶縁状態で電力変換を行うトランスを備える。
(4)前記定電流制御回路及び前記定電圧制御回路は共に動作し、
 前記定電圧制御回路と前記定電流制御回路の出力のうち、負荷へ供給される電力を下げる方が優先して前記フィードバック制御信号として前記第1の制御回路へ出力され、前記外部調光信号が通常点灯に設定する信号であるときに、前記定電流制御回路の出力が有効になるように、前記定電圧制御回路の目標電圧値を第1の目標値に設定し、前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに、前記定電圧制御回路の出力が有効になるように、前記定電圧制御回路の目標電圧値を前記第1の目標値より低い第2の目標値に設定する、定電圧制御回路目標値切替手段を備える。
 この構成により、定電流制御回路と定電圧制御回路の一方を停止させる必要がないので、選択回路が不要となる。
(5)例えば、前記電力変換回路からの出力電流(前記LEDへの供給電流)が前記目標電流値に達しないとき、前記定電圧制御回路の出力が有効になるように、前記第1の目標値を定める。
 この構成により、負荷の開放時の出力電圧が第1の目標電圧値に制限されて、過電圧保護ができる。
(6)また、例えば、前記目標電圧値を前記第2の制御回路の動作可能下限電圧より低い値にし、前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに、前記電力変換回路は、前記第2の制御回路の動作停止による前記出力電圧の上昇と、前記第2の制御回路の動作による前記出力電圧の低下とを交互に繰り返すようにする。
 この構成により、出力電圧をより低い電圧範囲に維持することができるので、消灯時の電力消費が削減できる。
 この発明によれば、消灯状態を含む範囲で調光を行う場合でも安定的に調光可能なLED駆動電源装置及びLED照明装置が構成できる。
特許文献1に示されているLED駆動電源装置の回路図である。 LED駆動電源装置101及び、LED駆動電源装置101とLED60とで構成されるLED照明装置の回路図である。 図2中の調光制御回路50の具体的な回路構成を示す図である。 図2・図3中の各部の波形図である。 図2・図3中の各部の波形図である。 第2の実施形態に係るLED駆動電源装置の各部の波形図である。
《第1の実施形態》
 第1の実施形態に係るLED駆動電源装置及びLED照明装置について、図2~図4を参照して説明する。
 図2は、LED駆動電源装置101及び、LED駆動電源装置101とLED60とで構成されるLED照明装置の回路図である。
 この例では、LED駆動電源装置101は、電源入力端子P11,P12から商用交流電源Vacの電圧を入力し、電源出力端子P21,P22に接続されているLED60へ直流電力を供給する。このLED駆動電源装置101は基本的にPFC(力率改善コンバータ)である。
 ダイオードブリッジDBは、電源出力端子P21,P22から入力される交流電圧を全波整流する。トランスTの1次巻線Npとスイッチング素子Q1との直列回路がダイオードブリッジDBの出力に接続されている。また、ダイオードブリッジDBの出力にはノイズ除去用のコンデンサC3と入力電圧検出回路55が接続されている。
 トランスTの2次巻線NsにはダイオードD1及びコンデンサC1による整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路の出力には出力電圧検出回路57が接続されている。負荷であるLED60の電流経路には電流検出用の抵抗R1が直列に接続されている。
 トランスTの補助巻線NbにはダイオードD2及びコンデンサC2による整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路の出力電圧は電力変換制御回路56に対して電源として供給される。
 前記ダイオードブリッジDB、トランスT、スイッチング素子Q1、ダイオードD1、コンデンサC1によって電力変換回路が構成されている。
 本発明の第1の制御回路に相当する電力変換制御回路56はスイッチング素子Q1をオン/オフ駆動することによって前記電力変換回路を制御する。電力変換制御回路56は入力電圧検出回路55の検出電圧に応じてスイッチング素子Q1のオン時間またはオンデューティ比を制御して、電源入力端子P11,P12に流れる電流変化が商用交流電源Vacの電圧と同位相のほぼ正弦波となるようにする。このことによりPFCとして作用させる。
 また、電力変換制御回路56は、絶縁手段58を介して入力されるフィードバック制御信号に応じてスイッチング素子Q1のオン時間又はスイッチング周期を制御して、LED60への供給電力を制御する。
 本発明の第2の制御回路に相当する調光制御回路50は、定電流制御回路51、定電圧制御回路52、及びORゲート回路53を備えている。電流検出端子IDには電流検出用抵抗R1の降下電圧が入力され、電圧検出端子VDには出力電圧検出回路57の検出電圧が入力される。制御端子CNTには外部調光信号が入力される。出力端子OUTからは、フォトカプラ等の絶縁手段58を介して、電力変換制御回路56に対してフィードバック制御信号が出力される。
 定電流制御回路51は、電流検出端子IDに入力される電圧と制御端子CNTに入力される外部調光信号によって可変する電圧との誤差に応じて、電力変換制御回路56に与えるべき電圧信号を発生する。すなわち、定電流制御回路51は、LED60への供給電流を外部調光信号によって決まった目標電流値以下に保つように制御する。
 定電圧制御回路52は、電圧検出端子VDに入力される電圧と、制御端子CNTに入力される外部調光信号の電圧に応じて切り替えられる目標電圧値との誤差に応じて、電力変換制御回路56に与えるべき電圧信号を発生する。すなわち、定電圧制御回路52は、LED60への供給電圧を目標電圧値以下に保つように制御する。
 但し、定電流制御回路51の出力電圧と定電圧制御回路52の出力電圧のうち、LED60への供給電力を下げる方が優先されて、フィードバック制御信号が電力変換制御回路56へ与えられる。
 図3は前記調光制御回路50の具体的な回路構成を示す図である。定電流制御回路51及び定電圧制御回路52はそれぞれコンパレータCMP1,CMP2及び参照電圧発生回路Vri,Vrvで構成されている。定電流制御回路51の出力及び定電圧制御回路52の出力はORゲート回路53へ与えられる。
 コンパレータCMP1は、参照電圧発生回路Vriの電圧と電流検出端子IDの入力電圧との比較を行い、電流検出端子IDの入力電圧が参照電圧Vriより大きな負の電圧(絶対値電圧が大きな電圧)であるとき、ハイレベルの電圧を出力する。出力端子OUTの電圧がハイレベルであると、LED60への供給電力が抑制される方向に作用する。LED60への供給電力が低下すると電流検出端子IDの入力電圧が低下する(絶対値電圧が小さくなる)。そのため、電流検出端子IDの入力電圧が参照電圧Vriの電圧を保つようにフィードバックが掛かり、そのことによって定電流制御される。
 参照電圧Vriは制御端子CNTに入力される外部調光信号のデューティに応じて変化する。外部調光信号のデューティが0%のとき参照電圧Vriは最も大きな負電圧(絶対値が大きな電圧)となる。したがって、このときMAX点灯することになる。外部調光信号のデューティが100%のとき参照電圧Vriは最も小さな負電圧(絶対値が小さな電圧)となるので、このときは消灯状態である。そして、外部調光信号のデューティの変化によって参照電圧Vriが変化するので調光点灯することになる。
 コンパレータCMP2は、参照電圧発生回路Vrvの電圧と電圧検出端子VDの入力電圧との比較を行い、電圧検出端子VDの入力電圧が参照電圧Vrvより高い電圧であるとき、ハイレベルの電圧を出力する。出力端子OUTの電圧がハイレベルであると、LED60への供給電力が抑制される方向に作用する。LED60への供給電力が低下すると電圧検出端子VDの入力電圧が低下する。そのため、電圧検出端子VDの入力電圧が参照電圧Vrvの電圧を保つようにフィードバックが掛かり、そのことによって定電圧制御される。
 参照電圧Vrvは制御端子CNTに入力される外部調光信号のデューティに応じて変化する。外部調光信号のデューティが0%以上90%未満のとき、参照電圧Vrvは40Vとなる。但し、このデューティの範囲では定電流制御が優先されるので、定電圧制御は働かない。外部調光信号のデューティが90%以上のとき、参照電圧Vrvは10Vに切り替えられる。このとき、定電圧制御が優先されて、LED60に対して10Vが印加されるように定電圧制御が掛かる。この電圧はLED60のオフセット電圧より低いので、LED60は消灯状態となる。
 参照電圧Vrvを外部調光信号で切り替える手段が、本発明に係る「定電圧制御回路目標値切替手段」に相当する。
 ORゲート回路53は、コンパレータCMP1,CMP2の何れかの出力がハイレベルとなれば、ハイレベルの電圧を出力する。したがって、定電流制御と定電圧制御のいずれについてもLED60への供給電力が抑制される方向でフィードバックが掛かることになる。
 図4は図2・図3中の各部の波形図である。外部調光信号のデューティが0%のときLED60が最大輝度で点灯(MAX点灯)し、90%以上では消灯する。この間の外部調光信号では、デューティが広くなる程、LED60の輝度が低下する。
 前述のとおり、定電流制御回路51の目標電流値は外部調光信号のデューティに応じて変化する。そのため、MAX点灯や調光点灯のように通常点灯時には、外部調光信号のデューティに応じた電流値で定電流制御される。
 一方、定電圧制御回路52の目標電圧値は、外部調光信号のデューティが90%未満の状態では40V、外部調光信号のデューティが90%以上では10Vに切り替えられる(低く設定される)。そのため、外部調光信号のデューティが90%以上になると、定電圧制御回路52の出力電圧が低下する。
 定電圧制御状態での出力電圧が、LED60のオフセット電圧(例えば15V)より低くなるように、目標電圧値が10Vに設定されている。そのため、定電流制御から定電圧制御に切り替わったときにLED60は消灯することになる。この定電圧制御状態ではLEDにオフセット電圧(Voffset)未満の電圧(10V)が安定して印加されるので、チラツキなく消灯状態を保つ。
 以上に示したように、外部調光信号のデューティを0%から100%まで変化させても、LEDの点灯状態では定電流制御により駆動され、消灯状態では定電圧制御により電圧が印加される。そのため、常に安定したフィードバックが掛かることになり、チラツキが生じることがない。
 図5は図2・図3中の各部の波形図である。特に、何らかの原因でLED60が開放されている(負荷が接続されていない)状態でLED駆動電源装置101が動作したときの過電圧保護機能について示している。
 LED60が接続されている状態でMAX点灯されていれば、定電圧制御回路52の目標電圧値は40Vである。定電流制御回路51の目標電流値は5Aであり、LED60に印加される電圧は30Vである。したがって、LED60が接続されている状態で通常に点灯されていれば、前述のとおり定電流制御によってLED60は一定電流で駆動される。
 LED駆動電源装置101の動作中にLED60が取り外されると、LED60への供給電流が0になるので、定電流制御回路51による制御が不可能となる。そのため、定電圧制御回路52が有効になって、電源出力端子P21,P22への出力電圧は目標電圧値である40Vが出力されることになる。
 このようにして、LED60が接続されていない状態でLED駆動電源装置101が動作しても、電源出力端子P21,P22に40Vを超える電圧が印加されることはない。すなわち過電圧保護がなされる。
《第2の実施形態》
 第2の実施形態はLEDの消灯時の電力消費を削減するようにしたLED駆動電源装置に関するものである。
 第2の実施形態に係るLED駆動電源装置の構成は図2に示したものと同様である。
 図6は第2の実施形態に係るLED駆動電源装置の各部の波形図である。定電流制御状態は第1の実施形態と同様である。また、外部調光信号のデューティが90%以上では、第1の実施形態と同様に、定電圧制御回路52の出力電圧が有効になる。第1の実施形態と異なるのは、調光制御回路50の動作開始電圧及び動作可能下限電圧を考慮して定電圧制御回路52の目標電圧値を設定していることである。
 定電圧制御回路52の目標電圧値は、調光制御回路50の動作可能下限電圧(図6の例では5V)より低い値(3V)に設定している。したがって、外部調光信号のデューティが90%以上になると、電源出力端子P21,P22への出力電圧すなわち調光制御回路50の電源端子Vccへ供給される電源電圧は、目標電圧値である3Vにまで低下しようとする。調光制御回路50の電源電圧が5Vを下回ると、調光制御回路50はその動作を一旦停止する。これにより、調光制御回路50から電力変換制御回路56へフィードバック制御信号が与えられなくなり、電力変換制御回路56はオープンループ動作によって動作する。すなわち負帰還が掛からないので、電源出力端子P21,P22への出力電圧が上昇することになる。
 電源出力端子P21,P22への出力電圧が調光制御回路50の動作可能電圧に達すると、調光制御回路50が再び動作して負帰還が掛かるようになり、出力電圧は目標電圧値である3Vをめざして再び低下する。
 図6に示すように、消灯状態は以上の動作を繰り返すことによって、出力電圧が非常に低い電圧範囲を維持することになる。そのため、消灯時の電力消費が削減できる。
 なお、以上に示した例では、トランスを用いた絶縁型コンバータでLED駆動電源装置を構成したが、トランスを用いないチョッパー回路でLED駆動電源装置を構成してもよい。
CNT…制御端子
DB…ダイオードブリッジ
ID…電流検出端子
Nb…補助巻線
Np…1次巻線
Ns…2次巻線
OUT…出力端子
P11,P12…電源入力端子
P21,P22…電源出力端子
Q1…スイッチング素子
T…トランス
Vac…商用交流電源
Vcc…電源端子
VD…電圧検出端子
Vri…定電流制御回路参照電圧
Vrv…定電圧制御回路参照電圧
50…調光制御回路
51…定電流制御回路
52…定電圧制御回路
53…ORゲート回路
55…入力電圧検出回路
56…電力変換制御回路
57…出力電圧検出回路
58…絶縁手段
60…LED
101…LED駆動電源装置

Claims (7)

  1.  入力電源から電力を入力し、LEDへ電力を出力する電力変換回路と、
     フィードバック制御信号に応じて前記電力変換回路を制御して前記LEDへの供給電力を制御する第1の制御回路と、
     前記LEDの輝度または前記LEDへの供給電力を設定するための外部調光信号が入力され、前記第1の制御回路へ前記フィードバック制御信号を出力する第2の制御回路と、を備え、
     前記第2の制御回路は、
     前記外部調光信号が通常点灯に設定する信号であるときに前記電力変換回路からの出力電流を目標電流値に保つ定電流制御回路と、
     前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに前記電力変換回路からの出力電圧を目標電圧値に保つ定電圧制御回路と、
     を有し、
     前記定電圧制御回路は、前記第1の制御回路が前記LEDのオフセット電圧以下で且つ前記第2の制御回路の動作可能下限電圧以上の電圧を出力するように、前記フィードバック制御信号を出力する、LED駆動電源装置。
  2.  前記入力電源は商用交流電源であり、
     前記電力変換回路は、前記商用交流電源の電圧を入力し、前記LEDへの供給電流が前記商用交流電源の電圧と同位相で正弦波状に変化する力率改善コンバータである、請求項1に記載のLED駆動電源装置。
  3.  前記入力電源は商用交流電源であり、
     前記電力変換回路は、前記商用交流電源の電圧を入力し、絶縁状態で電力変換を行うトランスを備えた、請求項1又は2に記載のLED駆動電源装置。
  4.  前記定電流制御回路及び前記定電圧制御回路は共に動作し、
     前記定電圧制御回路と前記定電流制御回路の出力のうち、負荷へ供給される電力を下げる方が優先して前記フィードバック制御信号として前記第1の制御回路へ出力され、前記外部調光信号が通常点灯に設定する信号であるときに、前記定電流制御回路の出力が有効になるように、前記定電圧制御回路の目標電圧値を第1の目標値に設定し、前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに、前記定電圧制御回路の出力が有効になるように、前記定電圧制御回路の目標電圧値を前記第1の目標値より低い第2の目標値に設定する、定電圧制御回路目標値切替手段を備えた、請求項1乃至3の何れかに記載のLED駆動電源装置。
  5.  前記電力変換回路からの出力電流が前記目標電流値に達しないとき、前記定電圧制御回路の出力が有効になるように、前記第1の目標値を定めた、請求項4に記載のLED駆動電源装置。
  6.  前記目標電圧値を前記第2の制御回路の動作可能下限電圧より低い値にし、
     前記外部調光信号が最低輝度に設定する信号であるときに、前記電力変換回路は、前記第2の制御回路の動作停止による前記出力電圧の上昇と、前記第2の制御回路の動作による前記出力電圧の低下とを交互に繰り返す、請求項4乃至5の何れかに記載のLED駆動電源装置。
  7.  請求項1乃至6の何れかに記載のLED駆動電源装置と、該LED駆動電源装置によって電力供給を受けるLEDとで構成されたLED照明装置。
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