(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
LED(light emitting diode)は、電流の大きさに応じて色調が変化する特性を有している。従って、LEDを定電流で駆動するが一般的であり、調光制御を行う場合には、調光信号であるPWM信号でLEDをオン/オフ駆動させ、PWM信号の平均値によって光量を調整している。
【0003】
一方、負荷を定電流で駆動する定電流電源装置としてスイッチング電源を用いる場合には、出力電流を検出してフィードバック制御を行う必要がある。上述のようにPWM信号によってLEDを駆動する場合、LEDが点灯期間と消灯期間とを繰り返すことになり、当然ながら消灯期間ではLEDに電流が流れず、出力電流がゼロとしてフィードバックされてしまう。このように、出力電流がゼロとしてフィードバックされると、過剰な電力が供給されすぎてしまうため、フィードバック制御をLEDの点灯期間中に制限させることで、過剰な電力の供給を防止させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特許文献1には、非絶縁方式の昇圧型チョッパー型のスイッチング電源が開示されており、LEDを点灯するON期間はLED動作電流指示値に基づいて動作電流を供給し、LEDを消灯させるOFF期間はLEDと供給電圧をn型MOSトランジスタにて切り離し、且つLED供給電圧源であるスイッチング電源のスイッチング動作も同期してオフさせている。このように特許文献1では、PWM信号に同期させてスイッチング電源をオン/オフ動作させることで、待機時の消費電力を低下させることを行っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
図5は、従来技術の定電流電源装置の回路構成を説明するための図である。また、
図6は、従来技術の定電流電源装置の動作を説明するための波形図であり、(a)は外部からのPWM信号、(b)は電流検出回路の検出AMP駆動信号、(c)は負荷のLEDアレイ2に流れる電流をオンオフ制御するMOSFET Q2のゲート電圧、(d)はフィードバック信号、(e)は誤差増幅器OTA1の出力信号Icompをそれぞれ示している。
図6を参照すると、時刻t0にPWM信号が入力されると、PWM信号に同期したLED駆動信号も出力され、1次側から2次側に電力が供給されて出力電圧が立ち上がる。また、ほぼ同時刻にLED電流が定電流で流れ初める。そして時刻t2でPWM信号がオフされるとLEDアレイ2に流れる電流もオフすることになる。
【0007】
従来技術では、PWM信号に同期させてスイッチング電源をオン/オフ動作させ、かつ、MOSFET Q2のゲート電圧をオン/オフして負荷のLEDアレイ2に流れる電流をオンオフ制御している。しかしながら、PWM信号が比較的長いt0〜t1期間に対し、PWM信号のパルス幅が短いt8〜t9期間においてはMOSFET Q2のゲート・ソース間容量により、時刻t8のPWM信号に対し立ち上がり時間が時刻t8aまで遅延してしまう。負荷のLED電流を検出する誤差増幅器OTA1は、
図6(b)に示す期間から信号入力されるので、LED電流が流れないt8〜t8aの期間はマイナス電流信号を出力する。時刻t8a以降の誤差増幅器OTA1は、(d)に示すようにフィードバック信号が基準値Vth1を超えるのでプラス電流へ反転出力する。すなわち、時刻t8〜t8aにかけてフィードバック信号を本来の制御値より低下させてしまい、その条件で出力電圧を上昇させ、時刻t8a以降においてフィードバック信号を本来の制御値を戻そうとする。このため、負荷のLED電流は瞬時ではあるが規定電流値を超えてしまう問題があり、負荷のLEDの寿命及び信頼性を損なうものであった。
【0008】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決し、光量が絞られてPWM信号のパルス幅が小さい場合にも、安定にLED電流を流す制御を行うことができる定電流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の定電流電源装置は、負荷をオン/オフ駆動する外部パルス信号に同期させて電力を供給すると共に、供給された電力を用いて前記負荷を設定された定電流で駆動する定電流電源装置であって、前記定電流電源装置を定電流駆動するための制御回路と、前記負荷を流れる負荷電流を検出し、定電流基準値と比較してフィードバック信号を前記制御回路へ出力する負荷電流検出手段と、前記外部パルス信号に同期させて前記フィードバック信号をオン/オフするスイッチ手段と、前記外部パルス信号に同期させた遅延信号を前記スイッチ手段へ出力して、前記スイッチ手段のオンを遅延させる遅延手段と、前記負荷を流れる負荷電流を検出し、前記定電流の値よりも小さい予め設定された第2の基準値とを比較する負荷電流比較手段とを具備し、前記負荷電流が第2の基準値に到達するか前記遅延手段からの出力があるまで、前記外部パルス信号に拘わらず、前記スイッチ手段をオフさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、PWM信号のオン幅が短い場合でもLED電流を基準値に抑えることが可能になり、LEDの寿命及び信頼性を向上できる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【0013】
(実施例1)
本発明の第1の実施形態の定電流電源装置は、LEDアレイ2を定電流で駆動する非絶縁方式のDC−DCコンバータであり、
図1に示すように、リアクトルL1と、整流ダイオードD1と、平滑コンデンサC1と、制御回路1と、N型のMOSFET(以下、NMOSと称す)Q1及びQ2と、コンデンサC2と、抵抗R1とを備えている。
また、制御回路1は、AND回路AND1及びAND2と、バッファBF1と、三角波発振器OSC1と、コンパレータPWM_CP1及びCP1と、スイッチSW1と、遅延回路DelayとOR回路OR1と、誤差増幅器OTA1と、基準電圧Vth1,Vth2とを備える。
【0014】
リアクトルL1の一方の端子には直流電源Eの正極が接続され、直流電源Eの負極はGNDに接続され、リアクトルL1の他方の端子は、ダイオードD1のアノード及びNMOSQ1のドレインが接続されている。ダイオードD1のカソードは平滑コンデンサC1の正極とLEDアレイ2のアノードに接続され、平滑コンデンサC1の負極とNMOSQ1のソースはGNDに接続されている。LEDアレイ2のカソードは、NMOSQ2のドレインに接続され、NMOSQ2のソースは抵抗R1を介してGNDに接続されている。
直流電源Eから入力された直流電圧がリアクトルL1を介してNMOSQ1でオンオフされ、直流電圧に重畳したリアクトルL1の蓄積エネルギーがダイオードD1を介して平滑コンデンサC1へ供給される。ここで、PWM信号に基づきNMOSQ2がONすると、平滑コンデンサC1の電力は負荷LEDアレイ2に流れる。ここで、制御回路1はLEDアレイ2の電流が抵抗R1に流れるので、抵抗R1の電圧降下を検出し、基準電圧Vth1の値になるようにNMOSQ1のオン/オフデューティーを制御することで定電流制御がおこなわれる。
【0015】
制御回路1は、NMOSQ2のゲート駆動のバッファBF1と、PWM制御部と、誤差増幅部と、電流検出タイミング部からなる。PWM制御部は、三角波発振器OSC1と、コンパレータPWM_CP1と、AND回路AND1からなる。誤差増幅部は、誤差増幅器OTA1と、基準電圧Vth1と、コンデンサC2からなる。電流検出タイミング部は、遅延回路DelayとOR回路OR1と、コンパレータCP1と、基準電圧Vth2と、スイッチSW1からなる。
【0016】
PWM制御部は、誤差増幅部の出力信号であるコンデンサC2の電圧をコンパレータPWM_CP1の非反転端子に入力し、反転端子には三角波発振器OSC1の信号を入力してPWMパルス信号をAND回路AND1の一方の端子に入力する。AND回路AND1の他方の端子にはPWM信号が入力され、PWMパルス信号とPWM信号とのANDされた信号がNMOSQ2のゲート信号として出力される。従って、PWM信号に同期して、誤差増幅部の出力信号に応じたPWMパルス信号がNMOSQ1のゲート信号として出力される。
【0017】
誤差増幅部は、抵抗R1の電圧を誤差増幅器OTA1の反転端子に入力し、非反転端子には基準電圧Vth1が接続され、入力端子間の誤差電圧信号をスイッチSW1を介してコンデンサC2へ電流信号として出力される。
【0018】
電流検出タイミング部は、抵抗R1の電圧をコンパレータCP1の非反転端子に入力し、反転端子には基準電圧Vth2が接続され、コンパレータCP1の出力がOR回路OR1の一方の入力端子に接続されている。OR回路OR1の他方の入力端子には遅延回路Delayの出力端子が接続され、遅延回路Delayの入力端子はPWM信号が入力される。また、PWM信号はAND回路AND2の一方の端子に入力される。OR回路OR1の出力がAND回路AND2の他方の端子に入力され、AND回路AND2の出力はスイッチSW1の制御端子に接続される。
これにより、スイッチSW1のオンタイミングは、PWM信号が入力されてから遅延回路Delayの所定の遅延時間直後または、LEDアレイ2の電流値が基準電圧Vth2を超えた時点のいずれかのタイミングによりオンし、スイッチSW1のオフタイミングはPWM信号に同期してオフする。
ここで、遅延回路Delayの所定の遅延時間は、NMOSQ2のゲート容量によるゲート電圧遅れ時間よりも長く設定され、定電流電源装置の起動時に平滑コンデンサC1の電圧がLEDアレイ2を駆動可能な電圧まで上昇にかかる期間の誤差電圧信号を得るための目的で、スイッチSW1オン信号を生成させる。すなわち、定電流電源装置の起動時には出力電圧が十分に立ち上がっていないため、NMOSQ2がオン状態になってもLEDアレイ2に電流が流れず、抵抗R1の電圧降下は生じない。従って、電流検出タイミング部のコンパレータCP1の非反転端子に信号が入らないため、AND回路AND2の他方の端子にHレベルを出力することができず、スイッチSW1をオンすることができない。この理由から、PWM信号を遅延回路Delayを介してOR回路OR1の他方の入力端子にスイッチSW1オン信号を入力する必要がある。
また、基準電圧Vth2は基準電圧Vth1よりも小さく設定され、LEDアレイ2の電流が流れ始めたことを検出して誤差増幅部での検出を開始させるタイミングを生成する。
【0019】
次に、
図2では、
図1に示す定電流電源装置の実施の形態の各部の信号波形、及び動作波形を示す。
図2で示す波形は、
図6に示すPWM信号のパルス幅が短い場合の波形に相当し、
図6の拡大波形と同じ時間単位で示している。
PWM信号のパルス幅が短いt10〜t11期間においてはMOSFET Q2のゲート・ソース間容量により、時刻t10のPWM信号に対し立ち上がり時間が時刻t10aまで遅延してしまう点は従来と同じである。
ただし、
図2(d)で示す抵抗R1の電圧降下であるフィードバック信号は、時刻t10aにおいて基準電圧値Vth2を超えるので、時刻t10aにて電流検出タイミング部からスイッチSW1のオン信号が出力され、誤差増幅器OTA1の出力信号IcompがコンデンサC2へ出力される。従って、LED電流が流れないt10〜t10aの期間はIcomp信号を出力しない。
時刻t10a以降の誤差増幅器OTA1は、(d)に示すようにフィードバック信号が基準値Vth1の値で安定し、(e)に示すIcomp信号の振れ幅は
図6(e)と比較して小さく、かつ安定する。
【0020】
これにより、LEDアレイ2に流れるLED電流の立ち上がりは安定した基準値となり、LEDの寿命及び信頼性を向上することが可能になる。
【0021】
以上のように、本第1の実施の形態によれば、PWM信号のオン幅が短い場合でもLEDアレイ2に流れるLED電流を基準値に抑えることが可能になり、LEDの寿命及び信頼性を向上できる。
【0022】
なお、上述の実施の形態では、LEDアレイ2を負荷として駆動する例を説明したが、直流で駆動することができる負荷であれば、LEDに限定されることはない。
【0023】
(実施例2)
本発明の第2の実施形態の定電流電源装置は、
図3に示すように、第1の実施形態からコンパレータCP1と基準電圧Vth2を削除し、バッファBF1をBF1aに、遅延回路DelayをDelayAに変更し、ダウンエッジトリガ回路TRG1を追加したものである。
ここで、バッファBF1aは、NPNトランジスタQ3とPNPトランジスタQ4からなるバッファ回路と、NPNトランジスタQ3に流れるコレクタ電流を検出して抵抗R4へレベルシフトした信号を出力する、ゲート電流検出回路3を備える。
【0024】
バッファBF1aは
図3に示すように、制御電源電圧+Vcc端子とNPNトランジスタQ3のコレクタ間に抵抗R2が接続され、かつ、PNPトランジスタQ5のエミッタ・ベースが抵抗R3を介して抵抗R2に並列接続されている。PNPトランジスタQ5のコレクタは抵抗R4を介してGNDに接地され、また、ダウンエッジトリガ回路TRG1の入力端子に接続されている。
NPNトランジスタQ3とPNPトランジスタQ4のベース及びエミッタ同士は各々接続され、ベースはPWM信号に接続されている。PNPトランジスタQ4のコレクタはGNDに接地されている。
ゲート電流検出回路3は、MOSFETQ2のゲートをオン駆動するNPNトランジスタQ3と直列接続され、抵抗R2の電圧降下に対応してPNPトランジスタQ5がオン状態になり、コレクタ電流を抵抗R4へ出力する。PNPトランジスタQ5のコレクタと抵抗R4との接続点はダウンエッジトリガ回路TRG1の入力端子に接続され、ダウンエッジトリガ回路TRG1は、MOSFETQ2のゲート電流の減少を検出する。
また、ダウンエッジトリガ回路TRG1の出力端子は遅延回路DelayAのリセット端子に接続される。遅延回路DelayAのリセット端子にHレベルの信号が入力されると、その時点で遅延回路の遅延時間は解除され、入力信号を遅延させずに出力へ送出する。
または、リセット端子にHレベルの信号が入力されない場合、遅延回路DelayAの遅延時間に到達すると、入力信号は出力へ送出される。
【0025】
第1の実施形態では抵抗R1の電圧降下をもとにLEDアレイ2の電流が流れ始めるタイミングを検出していたのに対して、本発明の第2の実施形態の定電流電源装置は、NMOSQ2のターンオン駆動時に流れるゲート電流のダウンエッジ(立下り)を検出することでLEDアレイ2の電流が流れ始めるタイミングとするものである。
【0026】
次に、
図4では、
図3に示す第2の実施形態の各部の信号波形、及び動作波形を示す。
図4(f)はMOSFETQ2のゲート電流波形を示し、時刻t10にてPWM信号が入力されるとバッファBF1aを介してゲート電流が流れ、時刻t10a近傍からt11にかけてゲート電流は下降しゼロとなります。ここで、MOSFETQ2のゲート電流の約1/2の値に下降する時刻t10aにおいて、ダウンエッジトリガ回路TRG1からトリガ信号が遅延回路DelayAのリセット端子に出力される。
これにより、遅延回路DelayAは入力信号の遅延時間を解除して出力するのでAND回路AND2の他方の端子がHレベルとなり、スイッチSW1はオンに変わり、誤差増幅器OTA1の出力信号IcompがコンデンサC2へ出力される。
すなわち、MOSFETQ2のゲート電流の約1/2の値に下降する時刻t10aにおいて、
図4(c)に示すようにMOSFETQ2のゲート電圧がオン状態になっていることから、時刻t10a以降の誤差増幅器OTA1において、
図4(d)に示すようにフィードバック信号は基準値Vth1の値で安定し、
図4(e)に示すIcomp信号の振れ幅は
図6(e)と比較して小さく、かつ安定する。
【0027】
これにより、第2の実施例は第1の実施例同様に、LEDアレイ2に流れるLED電流の立ち上がりは安定した基準値となり、LEDの寿命及び信頼性を向上することが可能になる。
【0028】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、
各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、
形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に
することができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。