特開 2022-64842 クローン定電流ＬＥＤ駆動回路および使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022064842

(43)【公開日】2022-04-26

(54)【発明の名称】クローン定電流ＬＥＤ駆動回路および使用方法

(51)【国際特許分類】

   H05B 45/397 20200101AFI20220419BHJP

   H01L 33/00 20100101ALI20220419BHJP

   H05B 45/345 20200101ALI20220419BHJP

   H05B 45/46 20200101ALI20220419BHJP

   H05B 45/325 20200101ALI20220419BHJP

   H05B 47/105 20200101ALI20220419BHJP

   H05B 45/10 20200101ALI20220419BHJP

   H05B 45/20 20200101ALI20220419BHJP

【ＦＩ】

H05B45/397

H01L33/00 J

H05B45/345

H05B45/46

H05B45/325

H05B47/105

H05B45/10

H05B45/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021131659

(22)【出願日】2021-08-12

(31)【優先権主張番号】63/091,511

(32)【優先日】2020-10-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/387,283

(32)【優先日】2021-07-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500446638

【氏名又は名称】メソード・エレクトロニクス・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】エリック・ディー・シェリフ

【テーマコード（参考）】

3K273

5F241

【Ｆターム（参考）】

3K273AA02

3K273BA19

3K273CA02

3K273CA09

3K273FA03

3K273FA04

3K273FA07

3K273FA14

3K273FA26

3K273FA27

3K273FA41

3K273GA24

3K273GA25

3K273HA15

5F241AA21

5F241BB02

5F241BB33

5F241BC26

5F241BC32

5F241BC42

5F241BC47

(57)【要約】

【課題】それぞれの電流経路を各々が有する複数のLEDを有する発光ダイオード(LED)回路を提供すること。
【解決手段】LEDを制御するためにコントローラが含まれてよい。複数のLEDのうち第1の組のLEDが、第1の組のLEDの各々を通して定電流を駆動するためにそれぞれの第1組トランジスタおよび第1の電流シンクに接続され、第1の組のLEDは1つまたは複数のLEDを含み、LED回路は、複数のLEDのうち少なくとも1つの第2の組のLEDであって、第1の組のLEDにおける定電流が少なくとも1つの第2の組のLEDに複製されるように接続される、第2の組のLEDを含んでよく、第2の組のLEDは1つまたは複数のLEDを含む。
【選択図】図1

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光ダイオード(LED)照明モジュールであって、
それぞれの電流経路を各々が有する複数のLEDであり、前記複数のLEDの各々が、ユーザ選択可能な白色または非白色光を出力するために適合される、複数のLEDと、
前記モジュールを外部電気システムに接続するための電気接続と、
任意選択で、前記複数のLEDへの電気信号を制御するための記憶媒体デバイスに記憶されるソフトウェアとを備え、
前記複数のLEDのうち第1の組のLEDが、前記第1の組のLEDの各々を通して定電流を駆動するためにそれぞれのトランジスタおよび電流シンクに接続され、前記第1の組のLEDが1つまたは複数のLEDを含み、
前記複数のLEDのうち少なくとも1つの第2の組のLEDが、前記第1の組のLEDにおける前記定電流が前記少なくとも1つの第2の組のLEDに複製されるように接続され、前記第2の組のLEDが1つまたは複数のLEDを含む、発光ダイオード(LED)照明モジュール。

【請求項2】

発光ダイオード(LED)回路であって、
それぞれの電流経路を各々が有する複数のLEDであり、前記複数のLEDの各々が、白色または非白色光の少なくとも1つを出力するために適合される、複数のLEDと、
前記複数のLEDを制御するためのコントローラとを備え、
前記複数のLEDのうち第1の組のLEDが、前記第1の組のLEDの各々を通して定電流を駆動するために第1組トランジスタの各々および第1の電流シンクに接続され、前記第1の組のLEDが1つまたは複数のLEDを含み、
前記複数のLEDのうち少なくとも1つの第2の組のLEDが、前記第1の組のLEDにおける前記定電流が前記少なくとも1つの第2の組のLEDに複製されるように接続され、前記第2の組のLEDが1つまたは複数のLEDを含む、LED回路。

【請求項3】

前記コントローラが、記憶媒体デバイスに記憶されるソフトウェアを含む、請求項2に記載のLED回路。

【請求項4】

前記第2の組のLEDが、前記第1の電流シンクとは異なる第2の電流シンクに接続される、請求項2に記載のLED回路。

【請求項5】

前記第1組トランジスタの各々が第1組トランジスタベースおよび第1組トランジスタコレクタを備え、前記第1組トランジスタベースおよび第1組トランジスタコレクタの各々が、それぞれ互いに電気接続される、請求項2に記載のLED回路。

【請求項6】

前記第2の組のLEDの各々がそれぞれの第2組トランジスタに接続され、前記第2組トランジスタの各々が、第2組トランジスタベースおよび第2組トランジスタコレクタを備え、少なくとも1つの第1組トランジスタベースが少なくとも1つの第2組トランジスタベースに電気接続される、請求項5に記載のLED回路。

【請求項7】

前記第1の電流シンクが集積回路LEDドライバである、請求項5に記載のLED回路。

【請求項8】

前記第2の組のLEDにおける電流が第2組LED電流であり、前記第1の組のLEDの各々を通る前記定電流と前記第2組LED電流とを合わせたものが、前記第1の電流シンクの電流シンクより大きい、請求項7に記載のLED回路。

【請求項9】

前記集積回路LEDドライバが複数の電流シンクピンを有する、請求項7に記載のLED回路。

【請求項10】

前記集積回路LEDドライバが3つの電流シンクピンを有し、前記第1の組のLEDが赤色LED、緑色LEDおよび青色LEDを備え、前記第2の組のLEDが少なくとも1つの第2組赤色LED、少なくとも1つの第2組緑色LEDおよび少なくとも1つの第2組青色LEDを含む、請求項8に記載のLED回路。

【請求項11】

前記第1の組のLEDと前記第2の組のLEDとを合わせたものが電流シンクピンより多い、請求項8に記載のLED回路。

【請求項12】

前記第1組トランジスタベースの各々がそれぞれ前記第2組トランジスタベースの各々に電気接続される、請求項6に記載のLED回路。

【請求項13】

前記第2組トランジスタの各々が第2組トランジスタエミッタを備え、前記第2組トランジスタエミッタがセンストランジスタ抵抗器を通して電圧源に電気接続される、請求項6に記載のLED回路。

【請求項14】

前記第1組トランジスタの各々が第1組トランジスタエミッタを備え、前記第1組トランジスタエミッタがそれぞれのドライバトランジスタ抵抗器を通して前記電圧源に電気接続される、請求項13に記載のLED回路。

【請求項15】

前記ドライバトランジスタ抵抗器がドライバトランジスタ抵抗を有し、前記センストランジスタ抵抗器がセンストランジスタ抵抗を有し、前記ドライバトランジスタ抵抗が前記センストランジスタ抵抗とほぼ同じである、請求項14に記載のLED回路。

【請求項16】

前記ドライバトランジスタ抵抗器がドライバトランジスタ抵抗器電圧降下を有し、前記センストランジスタ抵抗器がセンストランジスタ抵抗器電圧降下を有し、前記ドライバトランジスタ抵抗器電圧降下および前記センストランジスタ抵抗器電圧降下がほぼ等しい、請求項15に記載のLED回路。

【請求項17】

前記ドライバトランジスタ抵抗器がドライバトランジスタ抵抗を有し、前記センストランジスタ抵抗器がセンストランジスタ抵抗を有し、前記センストランジスタ抵抗が前記ドライバトランジスタ抵抗より高い、請求項14に記載のLED回路。

【請求項18】

前記センストランジスタ抵抗が前記ドライバトランジスタ抵抗よりEIA E96抵抗値表におけるほぼ一段階だけ高い、請求項17に記載のLED回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2020年10月14日出願の米国仮特許出願第63/091,511号の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

自動車および他の用途に使用される発光ダイオード(LED)は、しばしば光学および/または電気設計仕様ならびに他の要件を満たすために定電流で駆動される必要がある。特に、自動車用途では、定電流状態により、車両動作中に期待される周囲および動作温度の範囲にわたってLEDからの光出力を制御できる。その上、バッテリ設計および劣化状態に応じて、公称12ボルトから有意な量だけ逸脱し得る可変電源電圧の場合、定電流によりLEDからの光出力を制御できる。

【0003】

自動車および他の用途のための既存のLED製品は定電流を全く使用しないことがあり、その場合それらの性能は劣っている。他のものは、複数のLEDを駆動するために複数の集積回路を使用し、または複数のLEDを駆動することが可能な専用の集積回路を使用しており、製品のコストを増加させている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、必要とされるものは、1つのLED(またはいくつかのLED)を駆動するために定電流を提供し、1つの(または少数の)LEDにおける電流が他のLEDのためにコピー(クローニング)されることを可能にする集積回路コントローラ(または他のデバイス、回路もしくは部品配置)を有する、複数のLEDを定電流で駆動できる低コストの電子回路設計である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書に開示されるのは、自動車および他の用途に使用するためのモジュールの赤色、緑色および青色(RGB)発光ダイオード(LED)の例である。更に開示されるのは、RGB LEDを駆動する特定の電流経路がそれぞれの追加のRGB LEDのためにクローニングされる例示的な回路である。LED回路は、例えば、それぞれの電流経路を各々が有する複数のLEDを含み得る。複数のLEDを制御するためにコントローラおよび関連ソフトウェアが使用され得る。

【0006】

本明細書に更に開示されるのは、モジュールをそれが集積される自動車または他のシステムの電子システムとインタフェースすることによってRGBモジュールを制御する方法である。

【0007】

1つの態様では、モジュールは、それぞれの電流経路を各々が有する複数のLEDを含み、LEDの各々は、ユーザ選択可能な白色または非白色光を出力するために適合される。モジュールを電力および、任意選択で制御のために外部電気システムに接続するために電気接続が使用される。複数のLEDへの電気信号を制御するために記憶媒体デバイスに記憶されるソフトウェアが使用され得る。複数のLEDのうち第1の組のLEDが赤色、青色および緑色(RBG)LEDであり得、RGB LEDの各々を通して定電流を駆動するためにそれぞれのトランジスタおよび電流シンクに接続される。複数のLEDのうち少なくとも1つの第2の組のLEDもRGB LEDであり、第1の組のLEDにおける定電流が少なくとも1つの第2の組のRGB LEDに複製(クローニング)されるように接続される。

【0008】

別の態様では、LED回路は、各々それぞれの電流経路を有する複数のLEDを含み、各々は、ユーザ選択可能な白色または非白色光を出力するために適合される。複数のLEDを制御するためにコントローラが使用される。コントローラは、記憶媒体デバイスに記憶されるソフトウェアを含み得る。上記したように、複数のLEDを通して定電流を駆動するために電流シンクが使用され得る。

【0009】

更に別の態様では、回路設計は、低コストのトランジスタおよび抵抗器の組など、追加のLEDドライブを提供するために低コストの汎用部品だけを利用する。

【0010】

別の態様では、回路は、トポロジを反転させかつトランジスタの極性をNPNに変更することによって電流を供給する集積回路に適合できる。

【0011】

更に別の態様では、一組のLEDから複数組への回路のスケーリング粒度は、各追加のLEDのために1つの追加の抵抗器およびトランジスタが必要とされてよいので、いかなる特定数のLEDがクローニングされても不利益も利点もないという点で「完全」と考えられる。

【0012】

加えて、複数のLEDの代わりに1つの高電力LEDを通して高電流を駆動するために複数クローンLEDドライブが結合され得る。

【0013】

別の態様では、図示および記載されるモジュールおよび回路は、照明を出力するまたは必要とする輸送システム(例えば、自動車、鉄道および宇宙)、産業システム、消費者製品(例えば、娯楽装置および家庭用器具)ならびに医療装置に見受けられるものを含め、いかなる製品においても複数のLEDを定電流で駆動するために使用され得る。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】1次RGB LED定電流回路および2つのクローンRGB LED回路を示すRGB LED集積回路の略図である。

【図2】1次LED定電流回路およびN個のクローンLED回路を示すLED集積回路の略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図1を参照して、図示されるのは、少なくとも3つの電流シンクピンまたは接続(すなわち、電流が接地に戻される、またはシンクするにつれて調整される)、抵抗器R1からR9、対応するトランジスタQ1からQ9、およびLED1からLED9として識別される対応するLEDを有する集積回路LEDドライバ(U1)である。U1がRGB LEDの3つのLEDチャネルと相関するために少なくとも3つの電流シンクピンを有するのを図示されるが、この描写は1つまたは複数のLEDまたはLEDチャネルからの電流のクローニングに等しく適用可能である。同様に、U1に接続されるLEDチャネルの全てがクローニング(後述)される必要があるわけではない。しかしながら、本開示例の目的として、RGBのための利用可能なLEDチャネルの全ての3つが各々クローニングされることになる。加えて、電流シンクは集積回路である必要はなく、1つまたは複数の個別設計電流シンクでもあり得るが、以下の説明では、例証目的で集積回路電流シンクの例を活用することになる。

【0016】

LEDドライバU1は、RGB配列のLEDを駆動するために適切である。それは、LED1、LED2およびLED3を通る電流を正確に設定する。電流設定機構は集積回路LEDドライバに外部の抵抗器でよく、または電流シンクは、集積回路LEDドライバに含まれるプロセッサによって制御されるソフトウェアでよい。

【0017】

LEDドライバU1は、単一のRGB LEDまたは別々の赤色、緑色および青色LEDの3つの異なるLEDチャネルを制御するための3つのシンクピンまたは接続を有してよい。しかしながら、LEDドライブU1が少なくとも、U1によって直接制御されることになるLEDまたはLEDチャネルの数に対応する数のピンを含む限り、より多くのまたは少ないピンを有する他のコントローラも使用され得ることが理解されるべきである。更に、下記することになるように、追加のLEDを制御するために、U1によって直接制御されるLEDチャネルの各々をクローニングできるので、被制御LEDの最終的な数がピンまたはLEDチャネルの数によって制限されることはない。

【0018】

LEDドライバU1のは、抵抗器R1、R2およびR3を通して、例えば、それぞれU1ピン1、U1ピン2およびU1ピン3(図示せず)へ定電流をシンクするために活用できる。低コストのU1コントローラの定電流シンク能力のためにさえ、抵抗器R1、R2およびR3にわたる精密な定電圧が生じるが、これは任意選択で、回路差異を補償するためにLEDドライバU1のPWMデューティサイクル能力を使用して変化させることができる。

【0019】

図示される直列回路配列のために、集積回路LEDドライバの電流シンクは、抵抗器R1、R2およびR3の他にもPNPセンシングトランジスタQ1、Q2およびQ3を通過する電流を設定できる。

【0020】

センシングトランジスタQ1、Q2およびQ3はそれらのコレクタおよびベース端子が図示されるように接続されているので、正味コレクタ-エミッタ電圧は、その特有の電流(すなわち、コントローラによって設定されるLED駆動電流I1、I2およびI3)に関するそれらのトランジスタに対するベース-エミッタ接合電圧に等しい。

【0021】

抵抗器R1、R2およびR3ならびにトランジスタQ1、Q2およびQ3にわたる、それぞれ抵抗器およびベース-エミッタ電圧降下が、追加の、例えばクローンRGB LEDと関連する追加のドライバトランジスタおよび抵抗器に接続される。例えば、抵抗器R4、R5およびR6ならびにトランジスタQ4、Q5およびQ6はLED駆動電流をそれぞれI4、I5およびI6に設定できる。例えば、Q1のベース-エミッタ電圧降下はトランジスタQ4ベース-エミッタを通して抵抗器R4に「逆流される」。同じことがその他のLEDチャネルに関して当てはまる。クローンチャネルのトランジスタおよび抵抗器が元のチャネル(すなわちU1に直接接続されるもの(Q1、Q2、Q3))と同様の値を有するならば、R4、R5、R6にわたる電圧降下がそれぞれR1、R2、R3のそれと同様になり、最終的に電流I4、I5、I6はそれぞれI1、I2、I3にクローニングされることになる。同様に、抵抗器R7、R8およびR9ならびにトランジスタQ7、Q8およびQ9はLED駆動電流をI7、I8およびI9に設定できる。このように抵抗器およびトランジスタを通って流れる設定電流によって生じる特有の電圧を追加された同じ型のトランジスタおよび同じ値の抵抗器にわたって「印加する」結果として、集積回路によって設定される電流がそれらの追加のトランジスタ回路にコピー(クローニング)される。すなわち、I4はI1のクローンであり、I5はI2のクローンであり、I6はI3のクローンである。この配列は、それぞれのトランジスタのベース-エミッタ電圧への、温度を相殺する効果および他の環境効果も有する。例えば、例としてQ1のベース-エミッタ電圧の変化に関係なく、その影響はR4の電圧降下を確立する際にQ4によって低減/補償されることになる。

【0022】

実際にはセンシングトランジスタと関連する抵抗器、すなわちクローンチャネルのそれらが駆動(または直接)トランジスタ(Q1、Q2、Q3)と関連するそれらより値が僅かに高いことが留意されるべきである。これは、駆動トランジスタにおけるベース電流の損失を補償することにある。例として、27mA設計の場合、抵抗値の差は米国電子工業会(EIA)E96抵抗値表におけるちょうど一段階(センストランジスタ抵抗器に対する137オーム対ドライバトランジスタ抵抗器に対する133オーム)である。

【0023】

上記したように、図1の回路設計はPWMと適合する。

【0024】

直列トポロジのため、クローン電流は、コントローラのピン容量を越えた追加のLEDを駆動するために使用される。特有の電流のためのベース-エミッタ電圧をコピーして、それを同じ型のトランジスタへ印加することによって、それはVBEの温度誘起変化(ベースとエミッタとの間の電圧降下)を補償する。駆動トランジスタ回路におけるエミッタ抵抗器にわたって生じる電圧が、同じ型の個々のトランジスタ間に見られるVBE電圧差異をマスクする役目をする。

【0025】

図2は図1と同様であるが、RGB LEDまたは個別の赤色、緑色および青色LEDを使用する代わりに、電流I1を使用する単一の1次または直接駆動LEDだけが図示され、電流I2からINをそれぞれ有する1つ(LED2)とN個(LEDN)との間の2次LEDが図示される。6つの2次LEDがクローン電流(I2、I3、I4、I5、I6、IN)と共に図示されるが、図2は、2次LEDの数が省略符号によって象徴されるようにN個のLEDまで拡大され得ることを示す。

【0026】

使用に際して、上記の回路における、感知電流を含め、電気信号が、例えば、回路と同じプリント回路板上のまたは1つもしくは複数の別々であるが電気結合された回路板上の適切なメモリデバイスに記憶される組込みソフトウェアによって管理され得る。本回路は、業界標準ピンおよびソケットコネクタを含め、1つまたは複数の適切な電気コネクタを使用して、例えば自動車両電気システムの外部回路とインタフェースされ得る。組込みソフトウェアは、LEDの1つまたは複数の条件を変更する(例えば、明るさを増す、混色を変える等)と意図される、車両操縦者などのユーザからの入力を表す外部回路からの信号を受信し得る1つまたは複数の適切なアルゴリズムを含み得る。メモリデバイスは、回路が設置される装置が最初にオンにされる、オフにされる、または特定の動作条件(例えば、夜間条件中に動作している車両)にあるときに回路およびそのLEDの状態を確立する、ソフトウェアへの入力としての特有の設定を含み得る。

【0027】

本発明の特定の要素、実施形態および用途が図示および記載されたが、特に前述の教示を考慮して、本開示の範囲から逸脱することなく当業者によって変更を行うことができるので、本発明がそれらに限定されないことが理解されるであろう。

【符号の説明】

【0028】

I1～IN LED駆動電流
Q1～QN トランジスタ
R1～RN 抵抗器
U1 集積回路LEDドライバ/電流シンク

【図1】

【図2】

【外国語明細書】