特許 6416900 ＬＥＤドライバにおいて補助電力を提供するための方法および装置

(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】6416900

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】ＬＥＤドライバにおいて補助電力を提供するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20181022BHJP

   H01L 33/00 20100101ALI20181022BHJP

   H05B 37/02 20060101ALI20181022BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 X

   H01L33/00 J

   H05B37/02 J

【請求項の数】20

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-528001(P2016-528001)

(86)(22)【出願日】2014年6月20日

(65)【公表番号】特表2016-532422(P2016-532422A)

(43)【公表日】2016年10月13日

(86)【国際出願番号】US2014043359

(87)【国際公開番号】WO2015009403

(87)【国際公開日】20150122

【審査請求日】2017年6月9日

(31)【優先権主張番号】13/943,235

(32)【優先日】2013年7月16日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507114761

【氏名又は名称】ジーイー・ライティング・ソルーションズ，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(72)【発明者】

【氏名】ブルナダ，ヨシップ

【審査官】 遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５３２０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４０４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５０９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５０８９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

Ｈ０１Ｌ ３３／００

Ｈ０５Ｂ ３７／００−３９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＤＣ電流ドライバであって、
入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、ＤＣ供給電流を供給し、ＤＣリターン電流を受け取るように構成されたＤＣ電流駆動回路（１００）と、
前記入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、制御電圧（Ｖｃｃ）を生成するチャージポンプ回路（１２０）と、
前記制御電圧（Ｖｃｃ）を受け取り、切替制御信号（２１８）を生成する補助電力制御回路（２２０）と、
前記ＤＣリターン電流が流れる経路に直列に設けられ、前記切替制御信号（２１８）に基づいて開閉するスイッチ（２１４）と、
前記スイッチ（２１４）と並列に結合され、補助電圧を供給するように構成された補助電源（２２２）と、を含み、
前記スイッチ（２１４）を開くことにより、前記補助電源（２２２）を通るように前記ＤＣリターン電流を迂回させ、前記スイッチ（２１４）を閉じることにより、前記ＤＣリターン電流が前記補助電源（２２２）をバイパスするようにするドライバ。

【請求項2】

前記補助電源（２２２）は、前記補助電圧に結合された制御回路（２２０）を含み、前記制御回路は、前記スイッチ（２１４）を開閉して、前記補助電圧を所望のレベルに維持するように構成され、
前記制御回路は、前記補助電圧をほぼ一定のレベルに維持するように構成される、請求項１に記載のドライバ。

【請求項3】

前記ドライバの起動後、前記チャージポンプ回路（１２０）が前記制御電圧（Ｖｃｃ）の供給を開始するまでのこの起動段階の間に、前記入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて前記制御電圧（Ｖｃｃ）を供給する起動回路（１２２）を含む、請求項１または２に記載のドライバ。

【請求項4】

前記補助電源（２２２）は、前記迂回したＤＣリターン電流を受け取るように構成されたキャパシタンスを含み、前記キャパシタンスの電圧は、前記補助電圧に比例するように維持され、
前記補助電源（２２２）は、前記キャパシタンスと直列に接続されたダイオードを含み、
前記ダイオードは、前記スイッチ（２１４）が開いている時には、前記ＤＣリターン電流が前記キャパシタンスを充電することを可能にし、前記スイッチ（２１４）が閉じている時には、前記キャパシタンスが前記スイッチ（２１４）を通して放電することを防止するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のドライバ。

【請求項5】

前記補助電源（２２２）は、前記迂回したＤＣリターン電流を受け取るように構成されたキャパシタンスを含み、
前記キャパシタンスは、
比較的大容量の電解キャパシタ（Ｃ１０１）と、
前記電解キャパシタ（Ｃ１０１）と並列に接続された比較的低容量のフィルタキャパシタ（Ｃ１０３）と、
を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のドライバ。

【請求項6】

前記ＤＣ電流駆動回路（１００）は、前記ＤＣ供給電流をほぼ一定のレベルに維持するように構成された昇圧型スイッチングレギュレータを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のドライバ。

【請求項7】

前記ＤＣ供給電流は、ＬＥＤ供給電流を含み、前記ＤＣリターン電流は、ＬＥＤリターン電流を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のドライバ。

【請求項8】

前記スイッチ（２１４）と直列に結合され、前記ＤＣリターン電流の量に関係する電流検出電圧を提供するように構成された電流検出回路（１０８）をさらに含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のドライバ。

【請求項9】

ＬＥＤ照明装置であって、
１つまたは複数の発光ダイオードを含むＬＥＤランプ（２０４）と、
前記ＬＥＤランプ（２０４）に結合され、入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、前記ＬＥＤランプ（２０４）にＬＥＤ供給電流を提供し、前記ＬＥＤランプ（２０４）からＬＥＤリターン電流を受け取るように構成された駆動回路（１００）と、
前記入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、制御電圧（Ｖｃｃ）を生成するチャージポンプ回路（１２０）と、
前記制御電圧（Ｖｃｃ）を受け取り、切替制御信号（２１８）を生成する補助電力制御回路（２２０）と、
前記ＬＥＤリターン電流が流れる経路に直列に設けられ、前記切替制御信号（２１８）に基づいて開閉するスイッチ（２１４）と、
前記ＬＥＤリターン電流を受け取り、補助電圧を生成するように構成された補助電源（２２２）と、を含み、
前記スイッチ（２１４）を開くことにより、前記ＬＥＤリターン電流が前記補助電源（２２２）を流れるようにし、前記スイッチ（２１４）を閉じることにより、前記ＬＥＤリターン電流が前記補助電源（２２２）をバイパスするようにする装置。

【請求項10】

前記ＬＥＤランプ（２０４）は、１つまたは複数のＬＥＤ素子を含む、請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記補助電源（２２２）に電気的に結合された冷却装置を含む、請求項９または１０に記載の装置。

【請求項12】

前記冷却装置は、シンセティックジェット冷却装置である、請求項１１に記載の装置。

【請求項13】

前記補助電源（２２２）は、前記補助電圧に結合された制御回路（２２０、３０６）を含み、前記制御回路は、前記スイッチ（２１４）を開閉して、前記補助電圧を所望のレベルに維持するように構成される、請求項９乃至１２のいずれかに記載の装置。

【請求項14】

前記駆動回路（１００）は、昇圧型スイッチングレギュレータを含む、請求項９乃至１３のいずれかに記載の装置。

【請求項15】

ＤＣ電流ドライバにおいて補助電圧を提供するための方法（５００）であって、前記方法（５００）は、
前記ＤＣ電流ドライバにより入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、ＤＣ供給電流を生成するステップ（５０２）と、
前記入力電力（Ｖｉｎ）に基づいて、チャージポンプ回路（１２０）が制御電圧（Ｖｃｃ）を生成するステップと、
前記制御電圧（Ｖｃｃ）を受け取り、補助電力制御回路（２２０）が切替制御信号（２１８）を生成するステップと、
前記ＤＣ電流ドライバによりＤＣリターン電流を受け取るステップと、
前記ＤＣリターン電流が補助電源回路（２２２、３０４）を通って迂回するように、前記ＤＣリターン電流が流れる経路に直列に設けらるスイッチ（２１４）を前記切替制御信号（２１８）に基づいて開くステップ（５０８）と、
前記ＤＣリターン電流が前記補助電源回路（２２２、３０４）をバイパスするように、前記スイッチ（２１４）を前記切替制御信号（２１８）に基づいて閉じるステップ（５１０）と、
前記補助電源回路を用いて前記ＤＣリターン電流から補助電圧を生成するステップ（５１２）と、を含む方法（５００）。

【請求項16】

前記補助電圧が前記スイッチ（２１４）を通って放電することを防止するためにダイオードが使用される、請求項１５に記載の方法（５００）。

【請求項17】

前記補助電圧をモニターし、前記補助電圧をほぼ一定のレベルに維持するように前記スイッチ（２１４）を開閉するステップをさらに含む、請求項１５または１６に記載の方法（５００）。

【請求項18】

ＬＥＤランプ（２０４）に前記ＤＣ供給電流を提供し、前記ＬＥＤランプ（２０４）から前記ＤＣリターン電流を受け取るステップを含む、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の方法（５００）。

【請求項19】

前記ＤＣ供給電流を生成するステップは、前記ＤＣ供給電流を生成するために昇圧型スイッチングレギュレータを用いるステップを含み、前記ＤＣリターン電流を受け取るステップは、前記ＤＣリターン電流を受け取るために昇圧型スイッチングレギュレータを用いるステップを含む、請求項１５乃至１８のいずれかに記載の方法（５００）。

【請求項20】

前記ＤＣリターン電流を受け取るステップは、電流検出回路（１０８）を用いて前記ＤＣリターン電流の量をモニターし、前記ＤＣ供給電流がほぼ一定のレベルに維持されるように、前記ＤＣリターン電流のモニターされた量に少なくとも部分的に基づいて、前記昇圧型スイッチングレギュレータを動作させるステップを含む、請求項１９に記載の方法（５００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の態様は、一般的にはＬＥＤ光源に関し、特にＬＥＤランプに用いられるＤＣ駆動回路に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、半導体材料、多くの場合、砒化ガリウムおよび／または窒化ガリウムから構成された電気的光源である。他のダイオードと同様に、発光ダイオードは、ｐ−ｎ接合を生成するために様々な不純物を半導体材料にドーピングすることによって作製される。ＬＥＤに電流を印加すると、電荷キャリアがｐ−ｎ接合内に流入し、正に帯電した正孔が負に帯電した電子と結合して、電子がより低いエネルギーレベルに落ちることにより、光としてエネルギーを放出させる。すべてのダイオードのように、電流は、デバイスの正にドープされたｐ側から負にドープされたｎ側へ容易に流れるが、反対方向へは流れない。したがって、ＬＥＤは、通常、直流（ＤＣ）電源で駆動される。

【0003】

家庭用照明および街路信号などの多くの用途では、ＤＣ電力は容易に入手可能ではなく、ＬＥＤランプを駆動するために、局所的に利用可能なＡＣ送電網電力を調整されたＤＣ電力に変換する駆動回路が用いられる。これらの駆動回路は、エネルギー効率が良く、小型で、低コストであることが重要である。建物の照明および街路信号の用途で使用される駆動回路も、政府の規制を受け、厳格な要件を満足しなければならないが、これは、他の要因の中でも、許容されるＥＭＩ放射を制限している。

【0004】

エネルギーコストの上昇は、いたる所にあるエジソンねじ込み口金に構築されているような旧式の白熱電球と同じフォームファクタおよび電気的要件に適合するエネルギー効率の良い交換照明装置の需要を作り出している。ＬＥＤ交換ランプのワット数がより高くなるにつれて、駆動回路およびＬＥＤランプと共にパッケージ内に冷却を組み込むことが必要となる。多くの場合、冷却システムまたは低レベルの電力を必要とする他の機能のための２次電力を供給するために、サブドライバまたは補助電源が駆動回路に追加される。たとえば、ＬＥＤ駆動電流を供給するために昇圧型スイッチングレギュレータを用いる駆動回路では、補助電源用の電力を引き出すために、追加の巻線がエネルギー蓄積インダクタに追加される。しかし、駆動回路は、通常、必要とされるＬＥＤ駆動電流に最適化されており、補助電源の追加は、しばしば、規制限界を超えるＥＭＩ放射などの許容できない性能をもたらす。このように、費用効果が高く、高い電気的効率、小さなフォームファクタ、および許容可能なＥＭＩ性能を有する駆動回路を供給することは、難しいものとなっている。この問題は、冷却システムなどの２次負荷、あるいは追加の機能を提供する他の低レベル回路のための補助電源を組み込む必要性によりさらに複雑になる。

【0005】

したがって、上述の問題の少なくともいくつかを解決するＬＥＤ駆動回路を提供することが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１３／１５０３９９号

【発明の概要】

【0007】

本明細書で説明するように、例示的な実施形態は、上記のまたは当技術分野で既知の他の欠点のうちの１つまたは複数を克服する。

【0008】

例示的な実施形態の一態様は、ＤＣ電流ドライバに関する。一実施形態では、ＤＣ電流ドライバは、ＤＣ供給電流を供給し、ＤＣリターン電流を受け取るように構成されたＤＣ電流駆動回路と、ＤＣリターン電流と直列に結合されたスイッチと、スイッチと並列に結合され、補助電圧を供給するように構成された補助電源と、を含む。スイッチを開くことにより、ＤＣリターン電流が補助電源を通るように迂回させ、スイッチを閉じることにより、ＤＣリターン電流が補助電源をバイパスするようにする。

【0009】

例示的な実施形態の別の態様は、ＬＥＤ照明装置に関する。一実施形態では、ＬＥＤ照明装置は、１つまたは複数の発光ダイオードを含むＬＥＤランプと、ＬＥＤランプに結合され、ＬＥＤランプにＬＥＤ供給電流を提供し、ＬＥＤランプからＬＥＤリターン電流を受け取るように構成された駆動回路と、ＬＥＤリターン電流と直列に結合されたスイッチと、ＬＥＤリターン電流を受け取り、補助電圧を生成するように構成された補助電源と、を含む。スイッチを開くことにより、ＬＥＤリターン電流が補助電源回路を流れるようにし、スイッチを閉じることにより、ＬＥＤリターン電流が補助電源回路をバイパスするようにする。

【0010】

例示的な実施形態の別の態様は、ＤＣ電流ドライバに補助電圧を提供するための方法に関する。一実施形態では、本方法は、ＤＣ電流ドライバによりＤＣ供給電流を生成するステップと、ＤＣ電流ドライバによりＤＣリターン電流を受け取るステップと、ＤＣリターン電流が補助電源回路を通って迂回するように、ＤＣリターン電流と直列であるスイッチを開くステップと、ＤＣリターン電流が補助電源回路をバイパスするように、スイッチを閉じるステップと、電源回路を用いてＤＣリターン電流から補助電圧を生成するステップと、を含む。

【0011】

例示的な実施形態のこれらのおよび他の態様および利点は、添付の図面に関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかになろう。しかし、理解されるように、図面は例示する目的だけであって、本発明の限定を定義するように意図されたものではなく、本発明の限定のためには、添付の特許請求の範囲を参照すべきである。本発明のさらなる態様および利点は、以下の説明の中で述べられており、一部はその説明から明らかとなり、あるいは本発明の実施によって知ることができる。さらに、本発明の態様および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘された手段および組み合わせによって実現し、得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】エネルギー蓄積インダクタの２次巻線を用いて補助電力を供給するように構成されたＬＥＤ駆動回路の一実施形態の回路図である。

【図2】本開示の態様を組み込むＬＥＤ駆動回路の一実施形態のブロック図である。

【図3】本開示の態様を組み込む補助電源の一実施形態の回路図である。

【図4】本開示の態様を組み込むＬＥＤ駆動回路の一実施形態のＥＭＩ性能のグラフである。

【図5】本開示の態様を組み込む補助電力用のＬＥＤ駆動電流を用いるための方法の一実施形態のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、一般的に符号１００で示し、ＬＥＤ型ランプにＤＣ電力を提供するために使用することができる、例示的なＬＥＤ駆動回路の回路図である。ＬＥＤ駆動回路１００は、入力端子Ｊ１とＪ２との間にＡＣ入力電力Ｖｉｎを受け取るように構成され、入力電力Ｖｉｎは任意の適切なＡＣ電力とすることができ、たとえば、その地域で利用可能な送電網電力、すなわち北米で一般的に利用可能な１２０ボルト（Ｖ）６０ヘルツ（Ｈｚ）の電力またはヨーロッパの多くの国で利用可能な２３０Ｖ、５０Ｈｚの電力、あるいは他の適切なＡＣ電力源などであってもよい。ＡＣ入力電力Ｖｉｎは、ダイオードブリッジＢＲ１によって、

【0014】

【数1】

、

【0015】

【数2】

で示すＤＣ電力に変換され、ここで、一方のブリッジ入力１３０は直列接続されたヒューズＦ１を介してＡＣ入力端子Ｊ１に接続され、他方のブリッジ入力１３２は直列接続されたインダクタＬ１を介して他方のＡＣ入力端子Ｊ２に接続されている。ヒューズＦ１は、過電流からＬＥＤ駆動回路１００を保護する。ブリッジ入力１３０と１３２との間に結合された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）ＲＶ１は、ＬＥＤ駆動回路１００を損傷するおそれがある入力電力のサージからダイオードブリッジＢＲ１などの回路を保護する。インダクタＬ１は、ＥＭＩ放射を低減するために使用される。さらなるＥＭＩの低減は、突入電流防止または制限回路１０４を介してＤＣ電力

【0016】

【数3】

と

【0017】

【数4】

との間に接続されたフィルタキャパシタＣ１によって提供することができる。突入電流防止回路１０４は、フィルタキャパシタＣ１の一端を

【0018】

【数5】

に接続し、抵抗Ｒ１と直列に結合された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｍ１Ｂを含み、突入電流を安全な量に制限する。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１Ｂのゲート電圧は、抵抗Ｒ１８、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）Ｑ４、および抵抗Ｒ１０を含む回路によって制御されており、ここで、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１ＢのゲートはＢＪＴ Ｑ４のコレクタに接続され、かつ抵抗Ｒ１０を介して制御電圧Ｖｃｃに接続されている。ＢＪＴ Ｑ４のベースはＭＯＳＦＥＴ Ｍ１Ｂのソースに接続され、かつ

【0019】

【数6】

に接続されている。

【0020】

ＬＥＤ駆動電流は、フリーホイールダイオードＤ１に直列に結合されたエネルギー蓄積インダクタＴ１Ａと、インダクタＴ１Ａを回路コモン１３４に結合する昇圧スイッチＭＯＳＦＥＴ Ｍ１Ａと、から構成される昇圧型スイッチングレギュレータにより調整される。ＬＥＤ駆動回路１００は、端子Ｊ３とＪ４との間にＤＣ電力を供給し、端子Ｊ３とＪ４との間に並列に結合されたフィルタキャパシタＣ３によって、駆動電力が安定化される。負荷が端子Ｊ３とＪ４との間に接続されると、回路が完成されて、ＤＣ電流が端子Ｊ３から負荷を介して流れ出て、端子Ｊ４に戻る。本明細書では、正の電流が電子の流れの反対方向の流れとして定義される標準的な電流極性規定を用いて、端子Ｊ３から流れ出す電流はＤＣ供給電流Ｉ_Sであり、端子Ｊ４に流れ込む電流はＤＣリターン電流Ｉ_Rである。特定の実施形態では、ＤＣ電力端子Ｊ３とＪ４との間に接続された負荷は、適切なＬＥＤランプアセンブリ（図示せず）を含む。本明細書では、負荷がＬＥＤランプを含む場合には、ＤＣ供給電流Ｉ_SをＬＥＤ供給電流と呼び、ＤＣリターン電流をＬＥＤリターン電流と呼ぶ。あるいは、調整されたＤＣ電力を必要とする他のタイプの負荷も、端子Ｊ３とＪ４との間に有利に接続することができる。端子Ｊ４に流れ込むＤＣリターン電流Ｉ_Rは、回路コモン１３４を流れ、ダイオードブリッジＢＲ１に戻る前に、電流検出回路１０８を流れる。ＤＣリターン電流Ｉ_Rは、電流検出回路１０８において、検出抵抗と呼ばれる、互いに並列に接続された１対の抵抗Ｒ２およびＲ２Ａによって、比例した電圧に変換される。ダイオードＶＲ１は、検出抵抗Ｒ２およびＲ２ａに並列に結合され、検出抵抗Ｒ２、Ｒ２Ａに対する電圧保護を提供する。より低いワット数のＬＥＤランプアセンブリを使用することが望ましい特定の実施形態では、１つの検出抵抗Ｒ２だけを使用することができ、他の検出抵抗Ｒ２Ａを取り除くことができる。

【0021】

自励発振切替制御回路１０６は、切替制御信号１１０をブーストスイッチＭ１Ａのゲートに供給する。切替制御信号１１０は、１対の相補型バイポーラ接合トランジスタＱ３ＡおよびＱ３Ｂを含むバッファ回路により生成される。ｎ−ｐ−ｎトランジスタＱ３Ａは、制御電圧Ｖｃｃと切替制御信号１１０との間に接続され、ｐ−ｎ−ｐトランジスタＱ３Ｂは、切替制御信号１１０と回路コモン１３４との間に接続されている。制御電流は、抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＱ３ＡおよびＱ３Ｂの両方のベースに印加される。設定値１１２は、制御電圧Ｖｃｃと負のＤＣ電圧

【0022】

【数7】

との間に直列に結合された、抵抗Ｒ６およびＲ１５ならびに相補型トランジスタＱ１８を含む抵抗分割器ネットワークにより生成される。相補型トランジスタＱ１８は、抵抗分割器Ｒ６、Ｒ１５と直列に接続され、トランジスタＱ１Ａの両端のダイオード降下を相殺する。

【0023】

入力電圧

【0024】

【数8】

は、抵抗Ｒ１６を介して設定値１１２に含まれ、ＬＥＤ駆動回路１００の全高調波歪みを改善する。ＢＪＴ Ｑ１Ａ、抵抗Ｒ１３、および抵抗Ｒ７を含む加算回路は、設定値１１２を回路ノード１１８の検出抵抗電圧１１８と結合して、回路ノード１１６の切替制御信号を生成する。検出抵抗電圧１１８は、電流検出回路１０８を流れるＬＥＤリターン電流Ｉ_Rによって生成される。抵抗Ｒ９およびＲ１０を介して制御電圧Ｖｃｃからコレクタ電圧をそれぞれ受け取る１対のトランジスタＱ２ＡおよびＱ２Ｂにより形成されたラッチ回路は、切替制御信号１１０をラッチするために使用される。回路ノード１１４のラッチされた切替信号は、次に、抵抗Ｒ１１を介してバッファ用トランジスタＱ３ＡおよびＱ３Ｂに供給される。抵抗Ｒ１７を介して設定値１１２を制御信号１１０と結合することによって、切替制御回路１０６の自励発振動作を維持する。過電圧保護は、抵抗Ｒ８と直列に接続された１対のツェナーダイオードＺ１およびＺ２を介して、切替制御信号１１０を端子Ｊ３のドライバ出力に結合することによって提供される。

【0025】

制御電圧Ｖｃｃは、２つのポンピングキャパシタＣ４およびＣ２、一対の直列接続されたダイオードＤ３およびＤ４、ならびに抵抗Ｒ５を含むチャージポンプ回路１２０によって通常動作中に生成される。チャージポンプ回路１２０は、昇圧インダクタＴ１Ａと磁気的に結合された２次巻線Ｔ１Ｂから電力を受け取る。ツェナーダイオードＺ３は、制御電圧Ｖｃｃを安定なレベルに維持する。ＬＥＤ駆動回路１００が起動すると、チャージポンプ回路１２０が制御電圧Ｖｃｃの供給を開始するまでには時間がかかる。チャージポンプ回路１２０が引き継ぐまでのこの起動段階の間に制御電圧Ｖｃｃを供給するために、起動回路１２２が含まれている。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ２は、直列接続された抵抗Ｒ４およびＲ４Ａを介してゲート電圧を受け取り、端子Ｊ３のＤＣ駆動電力が抵抗Ｒ３を介して制御電圧Ｖｃｃに流れることを可能にする。制御電圧Ｖｃｃが所望のレベルに到達すると、ＦＥＴ Ｍ２はオフして、制御電圧Ｖｃｃはチャージポンプ回路１２０によって提供される。

【0026】

多くのＬＥＤ用途または他のＤＣドライバ用途では、ドライバは、ＬＥＤランプの温度を制御するために使用することができる冷却装置などの付加的な特徴のための補助電力を供給することが望ましい。図１に示す例示的なＬＥＤ駆動回路１００では、トランス巻線Ｔ１Ａは昇圧エネルギー蓄積素子として使用され、２次巻線Ｔ１Ｂは切替制御回路１０６に電力を供給するために使用される。この構成では、トランス巻線Ｔ１Ａは、この実施例では昇圧インダクタと呼ばれ、ＥＭＩフィルタとしても作用する。補助電力は、昇圧インダクタＴ１Ａと磁気的に結合された第３の巻線Ｔ１Ｃを追加することにより、得られる。しかし、端子Ｊ５とＪ６との間に示すように、冷却システムまたは他の負荷に電力を供給するために第３の巻線Ｔ１Ｃを追加することによって、昇圧インダクタＴ１Ａの特性が変化して、ＥＭＩフィルタ帯が変化する可能性がり、それは昇圧インダクタＴ１ＡのＥＭＩフィルタリング特性に悪影響を与えるおそれがある。

【0027】

ここで図２を参照すると、この図は、図１に示して上述した例示的なＬＥＤ駆動回路１００などの昇圧型レギュレータを用いるＬＥＤドライバにおいて、補助電力を提供するための一実施形態を示す。本実施例では、ＬＥＤ供給電流Ｉ_Sは、フリーホイールダイオードＤ１および端子Ｊ３を通ってＬＥＤランプアセンブリ２０４に流れる。ＬＥＤリターン電流Ｉ_Rは、ＬＥＤランプアセンブリ２０４から端子Ｊ４を介して電流検出回路１０８を通り、ＬＥＤ駆動回路（図示せず）に戻る。スイッチ２１４はＬＥＤリターン電流Ｉ_Rと直列に配置され、スイッチ２１４が開くとＬＥＤリターン電流Ｉ_Rが補助電源回路２２２を通って迂回し、スイッチ２１４が閉じるとＬＥＤリターン電流Ｉ_Rが補助電源回路２２２をバイパスして直接ＬＥＤ駆動回路に戻る。図１を参照すると、ＬＥＤリターン電流Ｉ_Rは、電流検出回路１０８を通過する。

【0028】

スイッチ２１４は、補助電源回路２２２に供給される電力を調節するために必要とされる、ＬＥＤリターン電流Ｉ_Rを効率的に切り替えることができる半導体または機械的スイッチの任意の適切なタイプであってもよい。補助電力制御回路２２０は、電圧検出信号２０８により補助電源回路２２２をモニターし、スイッチ２１４を開閉する切替制御信号２１８を提供する。切替制御信号２１８は、補助電源電圧２２８がほぼ一定のレベルに維持されるように、交互に開閉される。あるいは、切替制御信号２１８は、補助電源電圧２２８を変化するレベルを含む任意の所望のレベルに維持するように適合させることができる。制御電圧Ｖｃｃは、一実施形態では、低レベルの制御電圧とすることができ、補助電力制御回路２２０によって受け取られ、電流検出回路１０８に戻される。図２は、開示された補助電力生成方法および装置が、どのように昇圧型ＬＥＤ駆動回路に適用することができるかを示す。しかし当業者であれば、開示された方法および回路が、開示された実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、ＬＥＤ駆動回路または他のＤＣ駆動回路の任意のタイプにも適用できることを容易に認識するであろう。

【0029】

図３は、図１のＬＥＤ駆動回路１００などのＬＥＤ駆動回路、または本開示の態様を組み込む他のタイプのＤＣ電流ドライバにおいて、補助電力を供給するための、一般的に符号３００で示す回路の一実施形態の回路図を示す。この実施例では、補助電力スイッチＱ１００は、回路ノード３１２で受け取られるリターン電流Ｉ_Rと直列に配置され、補助電力スイッチＱ１００がオンされると、リターン電流Ｉ_Rは補助電力スイッチＱ１００を通過して、回路ノード３０２に出て、図１に示す例示的なＬＥＤ駆動回路１００などのＤＣ駆動回路（図示せず）に戻る。図３に示す例示的な回路では、補助電力スイッチＱ１００はｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして示されているが、所望の周波数でリターン電流Ｉ_Rを切り替えることができる半導体または機械式スイッチの任意の適切なタイプを有利に用いることができる。補助電力制御回路３０６は、ＤＣリターン電流Ｉ_Rを選択的に補助電源回路３０４に迂回させ、または補助電源回路３０４をバイパスさせることができるように、補助電力スイッチＱ１００を制御する切替信号３１０を提供する。補助電力スイッチＱ１００が開かれると、ＬＥＤリターン電流Ｉ_Rは、補助スイッチＱ１００と並列に接続された補助電源回路３０４に迂回し、そこでは、一対の大容量電解キャパシタＣ１０１およびＣ１０２が補助電源電圧Ｖｓに並列に接続されており、補助電圧Ｖｓを維持し、安定化させるように作用する。低い値のフィルタキャパシタＣ１０３も、補助電圧Ｖｓと並列に接続されており、高周波電圧変動のフィルタリングを提供する。ダイオードＤ１０１は、アノードが補助電力スイッチＱ１００のドレインに接続され、カソードが補助電圧Ｖｓの正側に接続されており、スイッチＱ１００が開いている時に補助電圧がスイッチＱ１００を通して放電することを防止する。このように、スイッチＱ１００を開くことによって、リターン電流が補助電源回路３０４をバイパスし、または補助電源電圧を放電せずに供給することができる。一実施形態では、第２のダイオードＤ１０２は、アノードが補助電圧Ｖｓの負側に接続され、カソードが補助電圧Ｖｓの正側に接続されており、それによって補助電源キャパシタＣ１０１、Ｃ１０２を負電圧から保護する。ＤＣリターン電流Ｉ_RがキャパシタＣ１０１およびＣ１０２を充電するように迂回するか、あるいは補助電源回路３０４をバイパスするように、補助電源スイッチＱ１００を選択的に開閉することによって、出力電圧Ｖｓを調整することができる。

【0030】

補助電力制御回路３０６は、補助電源回路３０４のキャパシタＣ１０１、Ｃ１０２の両端に発生した補助電圧Ｖｓをモニターし、補助電圧Ｖｓをほぼ一定のレベルに調整するための切替制御信号３１０を生成する。制御電圧Ｖｃｃは、任意の適切な供給源から制御回路３０６によって受け取られ、たとえば、制御電圧Ｖｃｃは、図１に示し、上述した例示的なＤＣ駆動回路１００によって生成される。直列接続された抵抗Ｒ１０１およびＲ１０５は、制御電圧Ｖｃｃと回路コモン３１６との間に接続され、中央ノード３１０がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１００のゲートに接続されて、切替信号３１０の電流経路を提供する。シュミットトリガが演算増幅器（オペアンプ）Ｕ１Ａおよび帰還抵抗Ｒ１０６から形成されており、オペアンプＵ１Ａは、制御電圧Ｖｃｃから動作電力を受け取る。基準電圧は、制御電圧Ｖｃｃと回路コモン３１６との間に結合された、直列接続された抵抗Ｒ１０１およびキャパシタＣ１０４の中央ノード３１４で生成され、オペアンプＵ１Ａの反転入力に印加される。ダイオードＤ１０３は、キャパシタＣ１０４と並列に結合される。補助電圧Ｖｓは、フィードバック電圧が回路ノード３０８で生成されるように補助電圧Ｖｓと回路コモン３１６との間に結合された抵抗Ｒ１０３およびＲ１０４を含む抵抗分割器ネットワークによって検出される。回路ノード３０８のフィードバック電圧をオペアンプＵ１Ａの非反転入力に印加することにより、補助電圧Ｖｓが基準電圧３１４によって決定された所望の値より低くなるか、またはそれより高くなると、切替信号３１０がそれぞれオンおよびオフされる。

【0031】

ＤＣドライバの昇圧インダクタの、図１に示すような巻線Ｔ１Ｃなどの２次巻線は、エネルギー蓄積インダクタＴ１Ａと磁気的に結合されており、その使用は、政府規制機関によって許容されるレベルよりＥＭＩ放射を増加させる可能性がある。図１のＬＥＤ駆動回路１００などのＤＣドライバに結合された補助電源は、図２および図３に示して上述したように、ＬＥＤリターン電流Ｉ_Rが補助電源回路２２２、３０４に選択的に迂回することができるように補助電力スイッチＱ１００をＤＣリターン電流Ｉ_Rと直列に配置することによって、規制限度を超えてＥＭＩ放射を増加させることなく、補助電力を供給することができる。

【0032】

図４は、図１のＬＥＤ駆動回路１００などの例示的なＤＣドライバに結合された場合の、図３に示す補助電源３００により生成されたＥＭＩ放射のグラフを示す。グラフ４００は、デシベルマイクロボルト対ヘルツ単位の周波数でＥＭＩ放射４０４を、パート５クラスＢとして知られている１つの政府標準４０２に対してプロットしており、この政府標準４０２は米国連邦政府の独立した機関である連邦通信委員会（ＦＣＣ）によって公開されたものである。グラフ４００から分かるように、例示的な補助電源３００によって生成されたＥＭＩ放射４０４は、１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚの全スペクトルにわたってＦＣＣにより設定された限界より低く保たれている。

【0033】

規制上の限界に合致することに加えて、開示された例示的な補助電源３００は、所望の性能特性を有するＤＣ ＬＥＤドライバをもたらす。表１は、図３に示すようにＬＥＤリターン電流Ｉ_Rに結合された補助電源３００を含む例示的な昇圧型ＬＥＤドライバについてのいくつかの動作値を示す。表１の例示的なドライバの補助電源は、ＬＥＤランプを冷却するために用いられるシンセティックジェット冷却装置を駆動するために使用される。ＬＥＤドライバは、１１９．９８ボルト（Ｖｉｎ）二乗平均（ｒｍｓ）および０．２０３アンペア（Ｉｉｎ）ｒｍｓで、ＡＣ電力（電力入力）２３．９６ワットを受け取る。ＬＥＤドライバは、１５．９％の低い全高調波歪み（ＴＨＤ）で、０．９８５の高い力率（ＰＦ入力）を提供する。ＬＥＤドライバは、１９１．０４ボルト（Ｖｄｃ出力）および１１４．５２ミリアンペア（Ｉｄｃ出力）で、２１．９８ワットのＤＣ電力（電力出力）を生成し、９１．７０％の効率をもたらす。ＬＥＤランプを冷却するシンセティックジェット冷却装置を使用することの利点は、表２に示されている。第１行は、ランプを始動して５分後に標準的なＬＥＤランプについて行った測定値を示し、第２行は、ランプを始動して１０分後に同じランプについて行った測定値を示す。ランプにより使用される電流が３０ミリアンペアだけ増加し、２３．８ワットから２３．９ワットに電力使用量がわずかに増加するが、ルーメン、Ｘカラー、Ｙカラー、およびＣＣＴの測定により示されるように、光出力は一定に保たれている。

【0034】

【表1】

【0035】

【表2】

図５は、本開示の態様を取り込むＤＣ電流ドライバにおいて補助電圧を生成する例示的な方法の一実施形態を示す。例示的な方法は、たとえば図１に示した例示的なＬＥＤ駆動回路などの様々なＤＣ電流ドライバ回路で使用することができる。本方法は、図１のＬＥＤ駆動回路１００を用いて、ＤＣ供給電流Ｉ_SおよびＤＣリターン電流Ｉ_Rを生成するステップを含む（ステップ５０２ａ）。ＤＣ供給電流Ｉ_Sは、ＬＥＤランプアセンブリまたはほぼ一定のＤＣ電流を必要とする他の負荷を駆動するために使用することができ、負荷からＤＣ駆動回路に戻る電流をＤＣリターン電流Ｉ_Rと呼ぶ。図２のスイッチ２１４などのスイッチは、ＤＣリターン電流Ｉ_Rと直列に配置され（ステップ５０４）、ＤＣリターン電流Ｉ_Rがスイッチ２１４を介して流れるように、負荷とＤＣ電流ドライバとの間に有利に配置することができる。図２の電源２２２などの補助電源がスイッチ２１４と並列に結合され（ステップ５０６）、スイッチ２１４を開くことにより、ＤＣリターン電流Ｉ_RがＤＣ電流ドライバに戻る前に補助電源２２２を通って迂回するようにする（ステップ５０８）。スイッチ２１４を閉じることにより、ＤＣリターン電流Ｉ_Rが補助電源２２２をバイパスして、ＤＣドライバに直接戻るようにする（ステップ５１０）。スイッチ２１４を開いた時に（ステップ５０８）補助電源２２２を通って迂回するＤＣリターン電流Ｉ_Rは、他の回路またはデバイスで使用される補助電源電圧を提供するために用いることができる（ステップ５１２）。たとえば、例示的な方法５００が図１に示すようなＬＥＤ駆動回路１００で使用される場合には、補助電源電圧は、ＬＥＤランプの温度を低下させるように適合されたシンセティックジェット冷却装置に電力を供給するために使用することができる。特定の実施形態では、スイッチ２１４が閉じている時に（ステップ５１０）、供給された補助電源電圧が放電することを防止するためにダイオードを使用することが望ましい。一実施形態では、これは、図２のダイオードＤ１などのダイオードを、いくつかの実施形態ではｎチャネルＭＯＳＦＥＴのドレインであるスイッチ２１４の正極側と、供給された補助電源電圧の正極側との間に配置することによって達成することができる。いくつかの用途では、ＬＥＤランプに電力を供給するために、ＤＣ供給電流Ｉ_SおよびＤＣリターン電流Ｉ_Rを用いることが望ましい。これらの実施形態では、ＤＣ供給電流Ｉ_SがＬＥＤランプアセンブリに供給され、ＬＥＤランプアセンブリから戻る電流がＬＥＤリターン電流Ｉ_Rである。

【0036】

したがって、本発明の例示的な実施形態に適用される本発明の基本的な新規な特徴について図示し、説明し、指摘してきたが、図示した装置および方法の形態および詳細について、ならびにその動作について、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の省略、置き換え、および変更が当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。さらに、それらの要素のすべての組み合わせは、同じ結果を達成するために、実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行し、本発明の範囲内にあることが明白に意図される。さらに、本発明の任意の開示された形態または実施形態に関連して図示および／または記載した構造および／または要素は、設計選択の一般的な事項として、他の任意の開示または記載または示唆された形態または実施形態に組み込まれてもよいことを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。

【符号の説明】

【0037】

１００ ＬＥＤ駆動回路、ＤＣ駆動回路
１０４ 突入電流防止回路、制限回路
１０６ 自励発振切替制御回路
１０８ 電流検出回路
１１０ 切替駆動信号
１１２ 設定値
１１４ 回路ノード
１１６ 回路ノード、切替制御信号
１１８ 回路ノード、検出抵抗電圧
１２０ チャージポンプ回路
１２２ 起動回路
１３０ ブリッジ入力
１３２ ブリッジ入力
１３４ 回路コモン
２０４ ＬＥＤランプアセンブリ
２０８ 電圧検出信号
２１４ スイッチ
２１８ 切替制御信号
２２０ 補助電力制御回路
２２２ 補助電源回路、電源、補助電源
２２８ 補助電源電圧
３００ 補助電源
３０２ 回路ノード
３０４ 補助電源回路
３０６ 補助電力制御回路
３０８ 回路ノード
３１０ 切替信号、切替制御信号、中央ノード
３１２ 回路ノード
３１４ 中央ノード、基準電圧
３１６ 回路コモン
４００ グラフ
４０４ ＥＭＩ放射
５００ 方法
５０２ ステップ
５０４ ステップ
５０６ ステップ
５０８ ステップ
５１０ ステップ
５１２ ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】