特許第6252231号(P6252231)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6252231
(24)【登録日】2017年12月8日
(45)【発行日】2017年12月27日
(54)【発明の名称】LED点灯装置
(51)【国際特許分類】
   H05B 37/02 20060101AFI20171218BHJP
   H01L 33/00 20100101ALI20171218BHJP
【FI】
   H05B37/02 J
   H01L33/00 J
【請求項の数】3
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2014-31356(P2014-31356)
(22)【出願日】2014年2月21日
(65)【公開番号】特開2015-156335(P2015-156335A)
(43)【公開日】2015年8月27日
【審査請求日】2016年12月9日
(73)【特許権者】
【識別番号】000106276
【氏名又は名称】サンケン電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100100712
【弁理士】
【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】大竹 修
【審査官】 杉浦 貴之
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−170845(JP,A)
【文献】 特開2013−132186(JP,A)
【文献】 特開2010−110190(JP,A)
【文献】 特開2004−147435(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2012/0235570(US,A1)
【文献】 米国特許第08288953(US,B1)
【文献】 米国特許出願公開第2011/0291575(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H05B 37/02
H01L 33/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源と、
前記直流電源の両端にLEDとインダクタとスイッチング素子と電流検出抵抗とか直列に接続された直列回路と、
前記LEDと前記インダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードと、
前記スイッチング素子がオン時に前記LEDに流れる電流と所定の定電流との差電流で充放電されるコンデンサと、
前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにPWM制御して前記LEDに流れる電流を一定に制御するPWM制御回路と、
を備えることを特徴とするLED点灯装置。
【請求項2】
前記PWM制御回路は、
前記電流検出抵抗に接続された電流検出用のオペアンプと、
前記オペアンプの出力と前記コンデンサとを結ぶ共通ラインに接続され、前記スイッチング素子に同期してオン/オフする定電流を発生する定電流発生回路と、
三角波信号を発生する三角波発振器と、
前記共通ラインの電圧と前記三角波発振器からの三角波信号とを比較することによりPWM信号を生成するコンパレータと、
を備えることを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
【請求項3】
光出力を調整するための調光信号を生成する可変直流電源を備え、
前記定電流発生回路は、前記可変直流電源からの調光信号に応じて前記共通ラインに流す電流を調整することを特徴とする請求項2記載のLED点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、LEDを点灯させるLED点灯装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を点灯するLED点灯装置として、直流電流により点灯するLEDを点灯制御するLED点灯装置が知られている(特許文献1)。
【0003】
このLED点灯装置は、直流電流により点灯するLEDに対して直列にインダクタとスイッチング素子が接続され、LEDとインダクタとの直列回路と並列に接続され、スイッチング素子のオフ時にインダクタの蓄積エネルギーを半導体発光素子に放出する方向に接続された回生ダイオードを備えた降圧チョッパ回路と、スイッチング素子をオン/オフさせる制御回路とを備える。
【0004】
制御回路は、スイッチング素子のオン時にインダクタに流れる漸増電流の瞬時値が所定値に達するとスイッチング素子をオフする手段と、スイッチング素子のオフ時にインダクタに流れる漸減電流が略ゼロになるとスイッチング素子をオンする手段とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−210659号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来のLED点灯装置においては、スイッチング素子のオフ時にインダクタに流れる漸減電流が略ゼロになると、スイッチング素子をオンすることにより平均電流制御を行うことができるが、臨界モード制御のためインダクタに流れる電流のピーク値が大きく、スイッチングオフ時の損失が大きくなる。
【0007】
また、入力電圧変動によりスイッチング素子のオフからオンになるタイミングが変化し、発振周波数が変動するので、スイッチング損失も変動してしまう。
【0008】
しかしながら、スイッチング素子に流れる電流のピーク値を固定したPWM(Pulse Width Modulation)制御では、入力電圧変動があるときには平均電流制御を行うことができないという問題がある。
【0009】
また、LEDを点灯させるためのLED駆動回路は、一般に、定電流で制御を行う。従来のPWM制御を行う降圧型のLED駆動回路では、LEDがフローティングされており、LEDを流れる電流を検出するための電流検出部ではローサイド(GNDライン)検出が不可能である。このため、平均電流検出を行う時はLEDに流れる電流を直接に検出するフローティングされた電流検出回路が必要である。
【0010】
しかしながら、フローティングされた電流検出回路を使用すると、電流検出回路と制御回路との間の耐圧を高くする必要があるので、フォトカプラ等により信号を絶縁する回路や高耐圧部品を採用しなければならず、高コストとなる問題がある。
【0011】
本発明の課題は、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なLED点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前記課題を解決するために、本発明のLED点灯装置は、直流電源と、前記直流電源の両端にLEDとインダクタとスイッチング素子と電流検出抵抗とか直列に接続された直列回路と、前記LEDと前記インダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードと、前記スイッチング素子がオン時に前記LEDに流れる電流と所定の定電流との差電流で充放電されるコンデンサと、前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにPWM制御して前記LEDに流れる電流を一定に制御するPWM制御回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係るLED点灯装置によれば、スイッチング素子がオン時にLEDに流れる電流と所定の定電流との差電流でコンデンサを充放電し、PWM制御回路がコンデンサの電圧に基づきスイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにPWM制御してLEDに流れる電流を一定に制御するので、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なLED点灯装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明の実施例1のLED点灯装置の構成を示す回路図である。
図2】本発明の実施例1のLED点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図3】本発明の実施例1のLED点灯装置において入力電圧が高くなった時の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図4】本発明の実施例2のLED点灯装置の構成を示す回路図である。。
図5】本発明の実施例3のLED点灯装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態のLED点灯装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例1】
【0016】
図1は、本発明の実施例1のLED点灯装置の回路図である。LED点灯装置は、負極が接地され電圧Vinを発生する直流電源VIN、直流電源VINの正極にアノードが接続され電流ILEDが流れることにより発光する複数のLED、一端がLEDのカソードに接続されたインダクタL1、ドレインがインダクタLの他端に接続されたスイッチング素子Q1、一端がスイッチング素子Q1のソースに接続され、他端が接地された電流検出抵抗R1を備える。
【0017】
LEDとインダクタL1との直列回路に並列に回生ダイオードD1が接続され、回生ダイオードD1は、スイッチング素子Q1のオフ時にインダクタL1の蓄積エネルギーをLEDに放出する方向に接続される。
【0018】
スイッチング素子Q1のゲートには、スイッチング素子Q1のオン/オフを制御するPWM制御回路11のdriv端子が接続される。PWM制御回路11のsens端子には、スイッチング素子Q1のソースと電流検出抵抗R1とが接続され、PWM制御回路11のcomp端子には、位相補正用のコンデンサC2の一端が接続され、コンデンサC2の他端は接地されている。
【0019】
PWM制御回路11は、電流検出用のオペアンプOP1、抵抗R2、スイッチング素子Q2、三角波発振器12、コンパレータCP、ドライバDRV、インバータINV、スイッチング素子Q3、基準電流IREFを出力する定電流源IS、ダイオードD2を備える。
【0020】
PWM制御回路11は、スイッチング素子Q1をオンオフ制御し且つコンデンサC2の電圧に基づきスイッチング素子Q1のオン期間の電流平均値が一定になるようにPWM制御してLEDに流れる電流を一定に制御する。
【0021】
本発明の定電流発生回路は、定電流源IS、スイッチング素子Q3、インバータINV及びダイオードD2を有して構成されている。
【0022】
オペアンプOP1の非反転入力端子には、sens端子を介してスイッチング素子Q1のソースと電流検出抵抗R1とが接続される。オペアンプOP1の反転入力端子には、抵抗R2の一端とスイッチング素子Q2のエミッタとが接続され、抵抗R2の他端は接地されている。オペアンプOP1の出力端子は、スイッチング素子Q2のベースに接続される。スイッチング素子Q2のコレクタは、ダイオードD2のカソード、コンパレータCPの非反転入力端子とcomp端子を結ぶ共通ラインCLに接続される。
【0023】
comp端子には、コンデンサC2の一端が接続され、コンデンサC2の他端は接地されている。comp端子には、コンデンサC2を充放電するための制御電流Icompが流れる。即ち、コンデンサC2は、スイッチング素子Q1がオンの時に抵抗R2に流れる電流IR2と所定の定電流である基準電流IREFとの差電流である制御電流Icompにより充放電される。
【0024】
三角波発振器12は、三角波信号を発生してコンパレータCPの反転入力端子に出力する。コンパレータCPは、三角波発振器12からの三角波信号とcomp端子の制御電圧Vcompとを比較し、比較出力信号をドライバDRVに出力する。ドライバDRVは、電圧Vdrivをdriv端子を介してPWM信号としてスイッチング素子Q1のゲートに出力する。
【0025】
インバータINVは、コンパレータCPの出力を反転してスイッチング素子Q3のゲートに出力する。スイッチング素子Q3のドレインは定電流源ISとダイオードD2のアノードに接続され、ソースは接地されている。ダイオードD2のカソードは、共通ラインCLに接続される。
【0026】
PWM制御回路11では、コンパレータCPの出力がHレベルになると、スイッチング素子Q3がオフとなり、定電流源ISとダイオードD2とを介して共通ラインCLに基準電流IREFが流れる。コンパレータCPの出力がLレベルになると、スイッチング素子Q3がオンになり、基準電流IREFはグランドに流れるので、ダイオードD2から共通ラインCLへの電流は流れない。
【0027】
次に、このように構成されるLED点灯装置の動作を図2に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
【0028】
まず、PWM制御回路11のdriv端子から出力されている電圧VdrivがHレベルの期間、即ち、スイッチング素子Q1のオン期間中、直流電源VINからLED、インダクタL1、スイッチング素子Q1、電流検出抵抗R1を介してグランドに電流が流れる。
【0029】
このとき、抵抗R1に発生した電圧がsens端子に入力され、オペアンプOP1の非反転端子に入力される。オペアンプOP1の反転端子には抵抗R2が接続され、抵抗R2の電圧降下Vth1が抵抗R1に発生した電圧と同じ電圧になるように、オペアンプOP1はスイッチング素子Q2を介して抵抗R2に電流IR2を流そうと制御する。そして、スイッチング素子Q2のコレクタに流れる電流IR2と定電流源ISの電流IREFとの差分の電流を制御電流Icompとしてcomp端子に出力する。
【0030】
comp端子に接続されたコンデンサC2においては、制御電流Icompによる充放電が行われる。より詳しくは、電圧VdrivのHレベル期間の前半では、制御電流IcompによるコンデンサC2の充電が行われ、後半ではコンデンサC2の放電が行われる。定電流制御は、comp端子の制御電圧VcompをPWM制御回路11に入力し、driv端子から出力されるPWM信号のデューティを制御することにより行われる。
【0031】
定電流源ISとダイオードD2のアノードとの接続点に接続されたスイッチング素子Q3は、ドライバDRVの出力がHレベルのときにオフとなり、定電流源ISとからダイオードD2を介してcomp端子及びスイッチング素子Q2のコレクタに電流IREFが流れる。このとき、電流検出用のオペアンプOP1の出力端子に接続されたスイッチング素子Q2には電流IR2が流れるので、comp端子に流れる制御電流Icompは、前述の電流IREFと電流IR2との差分となり、コンデンサC2の充放電が行われる。
【0032】
インダクタL1に流れる電流が連続モードの時、インダクタL1にエネルギーを蓄えている期間中の電流を検出することにより、スイッチング素子Q1がオフしている期間にインダクタL1のエネルギーが放出される期間中の電流も合わせて平均化することが可能となる。
【0033】
図3は、直流電源VINの電圧変動によって入力電圧Vinが高くなった時のLED点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。電圧変動によって入力電圧Vinが小さくなると、図2に示すように、PWM制御回路11のdriv端子から電圧Vdrivとして出力されるPWM信号のオン幅が長くなるように制御される。
【0034】
一方、電圧変動によって入力電圧Vinが高くなると、図3に示すように、PWM制御回路11のdriv端子から電圧Vdrivとして出力されるPWM信号のオン幅が短くなるように制御される。いずれの場合も、PWM信号の周期は一定である。これにより、電圧変動により入力電圧Vinが変化しても、LEDに流れる電流ILEDが一定になるように制御される。
【0035】
このように本発明の実施例1のLED点灯装置によれば、従来のスイッチングオフ時に生じる損失と入力電圧変動に起因する発振周波数の変動によるスイッチング損失を回避しつつ、スイッチング素子Q1がオンの時の電流と所定の定電流との差電流でコンデンサC2を充放電し、PWM制御回路11がコンデンサC2の電圧に基づきスイッチング素子Q2のオン期間の電流平均値が一定になるようにPWM制御してLEDに流れる電流を一定に制御するので、入力電圧変動があってもPWM制御による平均電流制御を行うことができる。
【0036】
また、直流電源VINとドライバとなるスイッチング素子Q1との間に負荷であるLEDを接続し、直流電源VINから負荷を通ってドライバに流れ込む電流を制御するローサイド方式を採用し、ローサイド側でLEDの電流を検出するので、回路の簡単化が可能であるとともに、安価な部品を使用でき、簡単な構成で安価なLED点灯装置を提供できる。
【実施例2】
【0037】
図4は、実施例2のLED点灯装置の構成を示す回路図である。実施例2のLED点灯装置は、PWM制御回路11aの構成が実施例1のPWM制御回路11とは異なる。このPWM制御回路11aは、実施例1のインバータINV、定電流源IS、ダイオードD2を削除し、抵抗R3、カレントミラー回路MCを設けて構成されている。
【0038】
カレントミラー回路MCは、2つのトランジスタQ4及びトランジスタQ5を備え、トランジスタQ4に流れる電流と同じ大きさの電流をトランジスタQ5に流す。
【0039】
コンパレータCPの出力端子は、スイッチング素子Q3のゲートに接続される。スイッチング素子Q3のソースは接地され、ドレインは抵抗R3を介してカレントミラー回路MCのトランジスタQ4のコレクタ及びベースとトランジスタQ5のベースとに接続される。カレントミラー回路MCのトランジスタQ5のコレクタは、共通ラインCLに接続される。トランジスタQ4,Q5のエミッタは、電源+Vccに接続される。
【0040】
このように構成されるPWM制御回路11では、コンパレータCPの出力がHレベルになると、スイッチング素子Q3がオンになり、カレントミラー回路MCのトランジスタQ4、抵抗R3及びスイッチング素子Q3を介して基準電流IREFが流れる。これにより、カレントミラー回路MCのトランジスタQ5にも基準電流IREFに等しい電流が流れる。
【0041】
一方、コンパレータCPの出力がLレベルになると、スイッチング素子Q3がオフになり、基準電流IREFは流れないので、カレントミラー回路MCから共通ラインCLへの電流は流れない。このため、PWM制御回路11は、実施例1の動作と同様の動作を行う。
【0042】
このように構成される実施例2のLED点灯装置によれば、PWM制御回路11aは、実施例1の動作と同様の動作を行うので、実施例1のLED点灯装置と同様の効果が得られる。
【実施例3】
【0043】
図5は、実施例3のLED点灯装置の構成を示す回路図である。実施例3のLED点灯装置は、可変直流電源VCを追加するとともに、PWM制御回路11bが実施例1のPWM制御回路11とは異なる。
【0044】
即ち、PWM制御回路11bは、実施例1のインバータINV、定電流源ISおよびダイオードD2を削除し、抵抗R3、スイッチング素子Q6、カレントミラー回路MC、オペアンプOP2及びdimming端子を設けている。
【0045】
本発明の定電流発生回路は、P型のMOSFETQ3、抵抗R3、スイッチング素子Q6、カレントミラー回路MC及びオペアンプOP2を有して構成されている。
【0046】
コンパレータCPの出力端子は、MOSFETQ3のゲートに接続される。MOSFETQ3のソースは電源+Vccに接続され、ドレインはカレントミラー回路MCのトランジスタQ4のコレクタとベースとトランジスタQ5のベースとに接続される。
【0047】
カレントミラー回路MCのトランジスタQ5は、共通ラインCLに接続され、スイッチング素子Q6のベースは、オペアンプOP2の出力に接続される。オペアンプOP2の反転入力端子は、スイッチング素子Q6のエミッタと抵抗R3との接続点に接続され、非反転入力端子は、dimming端子を介して可変直流電源VCに接続される。可変直流電源VCは、可変直流電圧をLEDの光出力を調整する調光信号としてdimming端子に出力する。
【0048】
このように構成されるLED点灯装置によれば、dimming端子に調光信号が入力されると、スイッチング素子Q1のゲートの電圧VdrivがHレベルの時、MOSFETQ3がオフになり、オペアンプOP2、スイッチング素子Q6及び抵抗R3からなる電圧−電流変換回路を介してカレントミラー回路MCのトランジスタQ4に、調光信号の電圧に応じた基準電流IREFが流れる。これにより、カレントミラー回路MCのトランジスタQ5から共通ラインCLに基準電流IREFに等しい電流が流れる。
【0049】
同時に、スイッチング素子Q1にもドレイン電流が流れ、電流検出抵抗R1を介してスイッチング素子Q1に流れた電流がsens端子に入力される。これにより、オペアンプOP1、スイッチング素子Q2及び抵抗R2からなる電圧−電流変換回路を流れる電流とカレントミラー回路MCからの電流との差電流が制御電流Icompとしてcomp端子に出力される。
【0050】
comp端子には位相補正用のコンデンサC2が接続され、制御電流Icompによる充放電が行われる。定電流制御は、調光制御と同時に、comp端子の電流をPWM制御回路11に入力し、driv端子から出力されるPWM信号のデューティを制御することにより行われる。
【0051】
このように実施例3のLED点灯装置によれば、実施例1のLED点灯装置と同様の動作及び効果が得られるとともに、調光が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明は、LEDを利用した照明器具、照明システムなどに利用可能である。
【符号の説明】
【0053】
11 PWM制御回路
12 三角波発振器
VIN 直流電源
Q1,Q2,Q6 スイッチング素子
Q3 MOSFET
R1 電流検出抵抗
D1 回生ダイオード
LED 発光ダイオード
L1 インダクタ
OP1,OP2 オペアンプ
R2,R3 抵抗
CP コンパレータ
DRV ドライバ
INV インバータ
IS 定電流源
D2 ダイオード
MC カレントミラー回路
Q4,Q5 トランジスタ
図1
図2
図3
図4
図5