CN102970786A - Led点亮装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED点亮装置，即使在通过使用非电解电容器而强化高温耐受性的情况下，也能够减少LED电流的脉动而实现无闪烁。LED点亮装置包括：对交流电源电压进行AC-DC变换而生成整流电压的整流电路，连接在该整流电路的直流输出侧的电容器，对上述整流电压进行DC-DC变换而对LED负载供电的升降压电路，和对该升降压电路所具备的开关元件进行驱动的控制电路，上述电容器是非电解型的电容器，上述控制电路驱动上述开关元件以使上述升降压电路以电流断续模式动作，并且上述开关元件的开关频率与上述升降压电路的电流设定值的积大致一定。

Description

LED点亮装置

技术领域

本发明涉及LED点亮装置。

背景技术

LED作为环境友好的光源受到关注，用于聚光照明、汽车的车内照明和头灯、信号灯、液晶显示器的背光源等大范围的产品中。此外，面向住宅和办公室的一般照明中，也开始了从白炽灯或荧光灯等现有光源向LED的更换。

LED的光输出由流经LED负载的电流（以下记作LED电流）决定。从而，LED点亮装置优选具备通过将LED电流控制为大致一定（大致恒定），而将LED的光输出控制为大致一定的功能。

作为具备这样的功能的LED点亮装置，例如有专利文献1中记载的装置。该装置为从直流电源通过降压斩波器对LED供电的结构，具有使降压斩波器的开关元件导通/关断的自激式驱动电路，使得流经降压斩波器的开关元件的电流的峰值一定、并且降压斩波器以电流临界模式（critical current mode）动作。由此，LED电流被控制为一定，并且几乎不会发生开关元件的导通损失，所以电力变换时能够实现较高的效率。

使用商用电源等交流电源的LED点亮装置中，大多情况下，具备用于从交流电压生成直流电压的整流电路。此外，大多在整流电路的直流输出侧连接电容器，使直流电压平滑。以下，将作为这样用途的电容器记作输入平滑电容器（input smoothing capacitor）。此外，在整流电路的直流输出侧产生的直流电压记作整流电压。作为输入平滑电容器，出于单位体积的静电电容（以下记作电容）较大这一优点，一般使用电解型的电容器（以下记作电解电容器）。与之对应的例如有铝电解电容器或钽电解电容器。但是，电解电容器存在高温下寿命短的缺点。而LED在发光时会伴随发热。并且大多情况下LED点亮装置配置在LED附近且位于框体内部等密闭空间中，所以其周围温度为高温。特别是小型、大电力的LED点亮装置中，温度上升严重，所以最好不使用电解电容器作为输入平滑电容器，而是置换为非电解型的电容器（以下记作非电解电容器）。与之对应的例如有陶瓷电容器和薄膜电容器。

专利文献1：日本特开2005-294063号公报

发明内容

但是，非电解电容器与电解电容器相比单位体积的电容较小。从而，在装置的大小存在限制的情况下，难以确保同等的电容。其结果，不能够充分地使整流电压平滑，整流电压的脉动振幅可能增大。换言之，整流电压的最低值可能减小。

专利文献1记载的装置中，当整流电压低于LED负载的电压（以下记作LED电压）时，降压斩波器不能动作，LED电流将急剧减少。因为该现象在交流电源的每半个周期都发生，所以当设交流电源的频率为fac时，LED电流可能以（2fac）的频率脉动。该脉动可能成为闪烁的原因。作为该问题的对策，可以考虑不使用降压斩波器而是使用升降压斩波器或反激式变换器（Flyback Converter）这样的升降压电路。如果是升降压电路，则在整流电压低于LED电压的状况下也能够对LED稳定地供电。

但是，当将升降压电路应用于使流经开关元件的电流的峰值一定、并且以电流临界模式动作的控制时，LED电流会随整流电压的脉动而相应地脉动。在使用非电解电容器作为输入平滑电容器的情况下，因为整流电压的脉动较大，所以LED电流的脉动也较大，也可能成为闪烁（flicker）的原因。

为了解决上述课题，本发明提供一种LED点亮装置，其包括：对交流电源电压进行AC-DC变换而生成直流电压（以下记作整流电压）的整流电路，连接在该整流电路的直流输出侧的电容器，对所述整流电压进行DC-DC变换而对发光二极管（以下记作LED）负载供电的升降压电路，和对该升降压电路所具备的开关元件进行驱动的控制电路，所述电容器是非电解型的电容器（以下记作非电解电容器），所述控制电路驱动所述开关元件以使所述升降压电路以电流断续模式动作，并且所述开关元件的开关频率与所述升降压电路的电流设定值的积大致一定。

根据本发明的LED点亮装置，即使在通过使用非电解电容器而强化高温耐受性的情况下，也能够减少LED电流的脉动而实现无闪烁。

附图说明

图1是本发明的LED点亮装置的框图。

图2是本发明的第一和第二实施方式中的LED点亮装置的结构。

图3是本发明的第一实施方式中的LED点亮装置的动作波形。

图4是本发明的第一和第二实施方式中的LED点亮装置的结构。

图5是本发明的第二实施方式中的LED点亮装置的动作波形。

图6是本发明的第三和第四实施方式中的LED点亮装置的结构。

图7是本发明的第三实施方式中的LED点亮装置的动作波形。

图8是本发明的第三实施方式中的设定信号生成电路的结构例。

图9是本发明的第三实施方式中的设定信号生成电路的结构例。

图10是本发明的第四实施方式中的LED点亮装置的动作波形。

图11是本发明的第五实施方式中的LED点亮装置的动作波形。

图12是本发明的第五实施方式中的LED点亮装置的结构。

图13是本发明的第一和第二实施方式中的LED点亮装置的其他结构。

附图标记说明

100    交流电源

101    整流电路

102    非电解型电容器

103    升降压电路

104    LED负载

105    控制电路

106    驱动电路

107    频率可变电路

108    导通时间可变电路

109    设定信号生成电路

110    二极管电桥

112    扼流线圈

113    功率MOSFET

114    二极管

115    电容器

116    电流检测单元

117    IC（SuperTex公司，HV9910B）

118    电阻（119、120、121、122、129、130也同样）

123    比例电路

124    反比例电路

125    增益电路

126    加法电路

131    扼流线圈的辅助线圈

135    变压器的1次线圈

136    变压器的2次线圈

具体实施方式

用附图说明本发明的实施方式。

图1是本发明中的LED点亮装置的框图。LED点亮装置包括用于从交流电源100的交流电压获得直流的整流电压的整流电路101，连接在整流电路101的直流输出侧、使整流电压平滑的非电解电容器102，对整流电压进行DC-DC变换而对LED负载104供电的升降压电路103、驱动升降压电路103所具备的开关元件的控制电路105。关于LED负载104，对于LED的个数和连接方式没有限制，此外也包括内置有保护用元件等的LED模块。

控制电路105中，频率可变电路107基于设定信号生成电路109输出的频率设定信号，对驱动电路106输出导通信号以改变升降压电路103中的开关元件的开关频率（fs）。此处，并不限于由频率设定信号的大小来决定开关频率。例如，可以考虑使频率设定信号是周期性的信号，以其周期为开关周期，进而相当于开关频率。频率可变电路107结果上也会改变开关元件的关断时间，所以也能够称为关断时间可变电路。但这只是表达上的问题，所得到的LED点亮装置的动作是相同的，所以以下说明中统一称为频率可变电路。

导通时间可变电路108，基于检测到的升降压电路103的电流和设定信号生成电路109输出的电流设定信号，对驱动电路106输出关断信号以改变开关元件的导通时间。具体而言，在检测到的升降压电路103的电流达到根据电流设定信号决定的值（以下将该值记作电流设定值Ip）的时刻，对驱动电路106输出关断信号。此处，并不限于由电流设定信号的大小来决定电流设定值。例如，也可以考虑频率设定信号是振幅一定的脉冲信号，其脉冲密度相当于电流设定值。

驱动电路106按照频率可变电路107输出的导通信号和导通时间可变电路108输出的关断信号，输出驱动信号以使升降压电路103的开关元件导通或关断。

设定信号生成电路109决定频率设定信号和电流设定信号，使得（Ip×fs）大致一定。此处之所以记作大致一定，是考虑到部件的误差和控制的延迟时间等，（Ip×fs）难以成为完全一定的值，可预料会有若干变动。实际上，可以考虑到（Ip×fs）在±10%的范围变动，本发明中认为该程度的变动是可容许的。一部分实施方式中，如图1所示将整流电压的检测值反馈给设定信号生成电路109，基于它来决定频率设定信号和电流设定信号。

＜第一实施方式＞

图2是本发明的第一实施方式中的LED点亮装置。图2中，二极管电桥110构成的全波整流电路相当于图1的整流电流101。此外，由扼流线圈112、作为开关元件的功率MOSFET113、二极管114、电容器115、电流检测单元116构成的升降压斩波器，相当于图1的升降压电路103。

图2中，可以使用双极型晶体管或IGBT等其他种类的开关元件代替功率MOSFET113。开关元件也可以内置在IC中。也可以使用倍压整流电路等其他方式的整流电路代替全波整流电路。也可以使用反激式变换器等其他种类的升降压电路代替升降压斩波器。也可以追加熔断器等电路保护部件、作为噪声应对部件的电容器和扼流线圈。此外，这些替代方案和追加项目，能够对本发明的所有实施方式应用。

图3是本发明的第一实施方式中的LED点亮装置的动作波形。在图3的上侧用实线表示交流电源101的1个周期（Tac）中的整流电压（Vdc）。此外，作为参考，用虚线表示完全没有使Vdc平滑的情况下的全波整流波形。使用非电解电容器作为输入平滑电容器的情况下，难以确保足以进行平滑的电容。结果，Vdc如图3上侧所示，以周期（Tac/2）、即交流电源的2倍的频率脉动。电容越小，或者LED负载的电力越大，则Vdc的脉动振幅也越大，越接近虚线的全波整流波形。换言之，Vdc的最低值减小。

在图3的下侧，对于（a）Vdc较高的情况和（b）Vdc最低的情况表示将时间轴范围放大的波形。该下侧的图中，除了Vdc之外，还一并表示了功率MOSFET113的导通/关断状态（SW）、功率MOSFET113的电流（IQ）、扼流线圈112电流（IL）、二极管114电流（ID）、LED电流（ILED）的波形。关于这些电压和电流的极性，以图2所示的箭头的方向为正。其中，电容器115用于除去开关频率的脉动，可以认为即使使用非电解电容器也能够确保足够的电容。因此，假设ILED被完全平滑，成为ID的直流成分即平均值。

利用图3说明升降压斩波器和控制电路105的动作。首先，说明升降压斩波器的动作。当功率MOSFET113导通时，升降压斩波器中，以非电解电容器102的整流电压为电压源，在扼流线圈112、功率MOSFET113、电流检测单元116的通路中流过电流。此时，对扼流线圈112施加了与Vdc大致相同的电压。此外，如图3下侧所示，功率MOSFET113的开关周期中Vdc几乎不变化。从而，如图3的IQ和IL波形所示，该电流随时间线性地增大。导通时间可变电路108在该电流到达电流设定值（Ip）的时刻使功率MOSFET113关断。换言之，改变功率MOSFET113的导通时间，使得作为开关元件的功率MOSFET113中流过的电流的峰值与Ip一致。当将功率MOSFET113的导通时间定义为Ton时，Ton由（式1）表示。

Ton=（L×Ip）/Vdc    ……（式1）

（式1）中，L是扼流线圈112的自感。根据（式1）和图3可知，Ton依赖于Vdc，Vdc越高则Ton越短。当功率MOSFET113关断时，升降压斩波器成为从电压源断路的状态，但因为扼流线圈112中蓄积的能量，在扼流线圈112、二极管114和LED负载104与电容器115的并联体的通路上会流过回流电流（环流电流）。此时，扼流线圈112在与导通期间相反的方向上被施加与LED电压（VLED）大致相同的电压。从而，如图3的IL和ID波形所示，回流电流随时间线性地减少。频率可变电路107如上所述，使功率MOSFET113导通以使得功率MOSFET113的开关频率（fs）成为符合频率设定信号的值。即，在上一次功率MOSFET113导通之后，经过由fs的倒数决定的开关周期（Ts＝1/fs）的时刻，再次使功率MOSFET113导通。此处，第一实施方式中，如图3所示，与Vdc无关地使升降压斩波器以电流断续模式（断续导通模式）动作。即，在回流电流减少至零之后，在时间进一步经过的时刻使功率MOSFET113导通。此处，将功率MOSFET113的关断时间定义为Toff，该Toff中回流电流成为零之前的时间定义为回流时间（Toff1），剩余时间定义为断续时间（Toff2）。Toff1和Toff2分别由（式2）和（式3）表示。

Toff1=（L×Ip）/VLED    ……（式2）

Toff2=Ts-（Ton+Toff1）  ……（式3）

Toff1不依赖于Vdc。此外，VLED是由LED负载中的LED的串联连接数决定的常数，Toff1也可以视为常数。此外，Toff2大致为零的模式，即在回流电流减少至零的时刻使功率MOSFET113导通的模式，称为电流临界模式。本发明中，认为电流临界模式包括在电流断续模式中。但是，仅在特意使用电流临界模式的情况下，记作电流临界模式。

接着，说明决定升降压斩波器中的ILED的式子和第一实施方式中控制电路105的动作。如以上说明，ILED是ID的直流成分（平均值），所以可以使用Ip由（式4）表示。

ILED=（Ip/2）×（Toff1/Ts）

=（Ip×fs×Toff1）/2        ……（式4）

根据（式4），可知升降压斩波器中，ILED与（Ip×fs）成比例。本发明中，因为与Vdc无关地将（Ip×fs）控制为大致一定，所以ILED也能够与Vdc无关地控制为大致一定，能够实现无闪烁。特别是第一实施方式中，作为其中最简单的方法，使fs和Ip都大致一定而不依赖于Vdc。该方法中，具有不需要检测Vdc，装置的结构简单的优点。具体而言，市面上有销售能够设定Ip和fs的面向LED的IC（以下简记作IC），能够用IC及其周边电路构成控制电路105的各元件。具有这样功能的IC，例如有SuperTex（超科）公司的HV9910B。

图4更加具体地表示了图2的LED点亮装置中的控制电路105，使用SuperTex公司的HV9910B作为IC。图4中作为模块表示的IC117是HV9910B。图4中，生成由电阻118和119构成的电阻分压电路，对IC117的LD针输入的电压相当于电流设定值。VDD针是定压源，所以Ip是由分压比决定的大致一定的值。此外，对LD针输入的电压越高，则Ip越大。开关频率由与IC117的RT针连接的电阻120的值决定。因此，也可以说电阻120生成用于获得大致一定的fs的频率设定信号。此外，电阻120的值越大，则fs越小（Ts越大）。

作为控制电路105的结构，不一定需要使用IC。例如，导通时间可变电路108能够用比较器构成。也可以考虑使用微型计算机或数字信号处理器代替IC，利用软件来实现控制电路105所具备的全部或一部分功能。如上所述，控制电路105的具体实现方法并不限定。

以下说明用于使升降压斩波器与Vdc无关地以电流断续模式动作的条件。如图3所示，Ton最长的是Vdc降到最低时。将Vdc的最低值定义为Vdc（min），Vdc（min）时的Ton定义为Ton（max）。Ton（max）由（式5）表示。

Ton（max）=（L×Ip）/Vdc（min）    ……（式5）

决定Ip和fs以及其他常数，使得Ts=（1/fs）大于该Ton（max）与Toff1的和。从而，用于与Vdc无关地以电流断续模式动作的条件式为（式6）。

Ts=（1/fs）＞Ton（max）+Toff1

=（L×Ip）[1/Vdc（min）+1/VLED]    ……（式6）

为了根据（式6）设定常数，需要预先把握Vdc（min）。Vdc（min）随对LED负载104供给的电力和非电解电容器102的静电电容而不同，但能够通过进行电路模拟和实际实验而测定。

根据以上，能够通过使用非电解电容器强化高温耐受性，并且减少LED电流的脉动实现无闪烁。

＜第二实施方式＞

本发明的第二实施方式中，点亮装置的结构与第一实施方式同样，但控制电路105中的Ip和fs的设定方法与第一实施方式不同。图5是本发明的第二实施方式中LED点亮装置的动作波形。如图5所示，第二实施方式中决定Ip和fs使得在Vdc最低时以电流临界模式动作。其他方面与第一实施方式相同。如以上说明，在电流临界模式下，在功率MOSFET113关断后IL和IQ减少至大致零的时刻，使功率MOSFET113导通。如图5所示，在Vdc最低的情况下使Toff2大致为零即可，所以设定Ip和fs等的条件式成为（式7）

（1/fs）=Ton（max）+Toff1

=（L×Ip）[1/Vdc（min）+1/VLED]    ……（式7）

此处，基于（式7）的设定中，容许产生±10%左右的误差。这是因为设定中L和VLED等常数使用标称值（额定值），但实际的L和VLED与标称值并不完全一致。考虑L和VLED存在误差，则认为容许±10%的误差是妥当的。

Toff2大致为零，意即回流期间（Toff1）相对于开关周期（Ts）的比例最大。从而，根据（式4），能够同样使用于供给ILED的Ip最小。由此，能够减小升降压斩波器中流过的电流的峰值，使点亮装置小型、高效率化。

＜第三实施方式＞

图6是本发明的第三实施方式中的LED点亮装置。与第一实施方式的图2大致相同，仅在检测Vdc反馈给控制电路105的设定信号生成电路109这一点上不同。即，第三实施方式中，在（Ip×fs）大致一定的范围内，根据Vdc相应地改变Ip和fs。图7是本发明的第三实施方式中LED点亮装置的动作波形。如图7所示，第三实施方式中，Vdc越高，则越减小Ip和Ts。Vdc越高则Ts的倒数即fs越增大。

图8是第三实施方式中的设定信号生成电路109的结构例。图8中利用增益电路125和加法电路126对Vdc施加前处理。通过该前处理，能够调节与Vdc的变化相随的Ip和fs的变化量。但是，该前处理的有无是任意的，也可以省略。此外，前处理部分的详细结构并不受限定，也可以在加法电路126的后级设置另一级增益电路，或者在途中设置缓冲电路等。如图8所示，将经前处理后的Vdc定义为Vdc'。对于Vdc'，分别用比例电路123生成fs，用反比例电路124生成Ip。由此，能够使（Ip×fs）大致一定，并且Vdc越高则越减小Ip、越增大fs。其中，比例电路123、反比例电路124、增益电路125、加法电路126能够全部通过使用了运算放大器等的模拟电子电路实现，但其具体实现方法并不受限定。此外，也可以使用内置了这些模拟电路的IC。也可以考虑使用微型计算机或数字信号处理器代替IC，使设定信号生成电路109的功能软件化。

此处，只要使（Ip×fs）为大致一定的程度，就能够用结构更简单的模拟电子电路实现设定信号生成电路109。即，代替反比例电路124，设置生成Ip使得Vdc'和Ip呈单调递减的关系的电路。图9是设想使用了图4中也使用的SuperTex公司的HV9910B的情况下的设定信号生成电路109的结构例。在决定fs的RT针的周边电路和决定Ip的LD针的周边电路中分别***晶体管127和128，通过将其用作可变电阻，能够实现Vdc越高则越减少Ip、增大fs的控制。此外，也可以使用MOSFET等其他半导体元件代替晶体管。

用于使升降压斩波器与Vdc无关地以电流断续模式动作的条件，与第一实施方式同样，按照（式6）决定Vdc（min）时的Ip、fs和其他常数即可。

第三实施方式与第二实施方式相比，能够进一步减小Vdc较高时的电流峰值，所以能够使点亮装置小型、高效率化。

＜第四实施方式＞

图10是本发明的第四实施方式中的LED点亮装置的动作波形。第四实施方式中，以第三实施方式为基础，决定Ip和fs等使得在Vdc最低时以电流临界模式动作。其他点与第三实施方式相同。用于使升降压斩波器不依赖于Vdc地以电流断续模式动作、并且仅在Vdc（min）时为电流临界模式的条件，与第二实施方式同样为（式7）。此处，与第二实施方式同样，基于（式7）的Ip和fs的设定中容许产生±10%左右的误差。理由与第二实施方式的说明中记载的相同，所以省略。

第四实施方式中，与第三实施方式相比，能够进一步降低电流峰值，所以能够使点亮装置小型、高效率化。

＜第五实施方式＞

图11是本发明的第五实施方式中的LED点亮装置的动作波形。如图11所示，第五实施方式中，与Vdc无关地总是以电流临界模式动作，并且Vdc越高则越减小Ip。如果在Ip一定的条件下不依赖于Vdc地总是以电流临界模式动作，则Vdc越高，Ts越小。另一方面，Toff1不依赖于Vdc。从而，根据（式4），Vdc越高则ILED越增大，不能够实现无闪烁。作为其对策，Vdc越高则越减小Ip。此外，Vdc越高，则fs越是自动地增大，所以（Ip×fs）大致一定。

作为第五实施方式中的控制电路，优选应用专门用于以电流临界模式动作的专用结构。作为这样的结构的一例，有对扼流线圈设置辅助线圈（辅助绕组）的结构。图12是第五实施方式中的点亮装置的例子，利用设置于扼流线圈112的扼流线圈的辅助线圈131实现电流临界模式。设定信号生成电路109，对导通时间可变电路108输出电流设定信号，以根据Vdc输出Ip，使得Vdc越高则越减小Ip。此外，基于扼流线圈的辅助线圈131中产生的电压，检测回流期间（Toff1）的结束时刻，基于它对频率可变电路107输出频率设定信号。具体而言，利用在Toff1的结束时刻扼流线圈的辅助线圈131中产生的电压的极性倒转的现象。由此，即使Vdc变化并进而导致Ip变化，也能够自动地改变开关频率以始终维持电流临界模式的动作。此外，检测Toff1的终点的方式还存在其它的方式，例如也可以使用检测作为开关元件的功率MOSFET113的漏极电压、利用在Toff1的结束时刻该电压降低至某个值以下的现象的检测方式。

第五实施方式与第四实施方式相比，能够进一步减小电流峰值，所以能够使点亮装置小型、高效率化。

作为本发明的所有实施方式中共通的其他结构，说明将升降压斩波器置换为反激式变换器的情况。例如，对于图2所示的LED点亮装置，通过将扼流线圈112变更为变压器，而将升降压斩波器置换为反激式变换器，则成为图13。反激式变换器在使LED负载104与交流电源100之间绝缘的用途下是有效的。此外，如果利用变压器的变压比，则能够应对范围较广的LED电压的LED负载。其中，使用反激式变换器的情况下的详细的动作说明，与使用升降压斩波器时大多同样，所以省略说明。

Claims (5)

1.一种LED点亮装置，其特征在于：

包括：对交流电源电压进行AC-DC变换而生成整流电压的整流电路，连接在该整流电路的直流输出侧的电容器，对所述整流电压进行DC-DC变换而对LED负载供电的升降压电路，和对该升降压电路所具备的开关元件进行驱动的控制电路，

所述电容器是非电解型的电容器，所述控制电路驱动所述开关元件以使所述升降压电路以电流断续模式动作，并且所述开关元件的开关频率与所述升降压电路的电流设定值的积大致一定。

2.如权利要求1所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述控制电路包括：生成频率设定信号和电流设定信号的设定信号生成电路，按照所述频率设定信号改变所述开关元件的开关频率的频率可变电路，和检测所述开关元件中流过的电流并在该电流达到由所述电流设定信号决定的电流设定值的时刻关断所述开关元件的导通时间可变电路，

所述设定信号生成电路驱动所述开关元件以使所述开关频率与电流设定值的积大致一定。

3.如权利要求1或2所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述控制电路在所述整流电压最低时使所述升降压电路在电流临界模式下动作。

4.如权利要求1～3中任一项所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述控制电路使所述开关频率和所述电流设定值分别大致一定。

5.如权利要求1～3中任一项所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述控制电路检测所述整流电压，所述整流电压越高越减小所述电流设定值。

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