JP2008522211A - Ｌｅｄ動作の方法及び駆動回路 - Google Patents

Abstract

１つ以上の発光ダイオードＬＥＤを動作する方法及び駆動回路では、交流供給電流が生成され、交流２次巻線電圧へ変換される。ダイオード又は同期スイッチのような整流器手段を用い、交流２次巻線電圧は、出力チョーク、つまり適切なインダクターのようなバッファー要素を用いることにより、実質的に一定の負荷電流へ変換される。電源からＬＥＤへ転送された電力は、交流供給電流の周波数制御により制御されて良い。

Description

本発明は、多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を動作する駆動回路に関する。

発光ダイオードＬＥＤ及び特に高輝度ＬＥＤの使用は、例えば信号伝達用途で地位を確立している。ＬＥＤは、自動車用途で及び一部の一般的な照明用途で従来のランプに取って代わっている。

ＬＥＤは小さな電圧変動に応答して大きな電流変動を示すので、電圧又は望ましくは電流制御を必要とする。電子電流源を用いＬＥＤを通じる電流を制御することが知られている。しかしながら、知られている電子電流源及び／又は電流制御回路は、機能、効率、コスト、大きさ及び／又は信頼性に関し最適化されていない。

知られている電流制御システムは、電流制御モードにおけるスイッチモード電源である。例えば、バックコンバーターが利用されて良い。改善されたバックコンバーターでは、順方向に生成される接続形態に基づき、電圧源及びスイッチは、変圧器の１次巻線に流れる電流を制御する。変圧器の２次巻線に生成された電流は、例えばインダクターと直列に接続されたＬＥＤ又は一連のＬＥＤを通じて流れる。スイッチが変圧器の１次巻線を通じて電流が流れるのを妨げていた場合、それによりＬＥＤ電流が２次巻線を通じて流れるのを妨げており、ＬＥＤはダイオードにより分路されＬＥＤ電流を流す。変圧器は、変圧器の１次側及び２次側の間で電圧調整を実行する。更に、変圧器により提供されるガルバニック絶縁により、ＬＥＤは入力電圧源から分離され、例えば低電圧側スイッチ及び低電圧側電流検知を可能にする。

上述のコンバーターでは、スイッチはハードでスイッチされ、結果として低効率のコンバーターを生じ、及び比較的大きいＥＭＩフィルターが必要とされる。更に、変圧器の１次巻線へ供給される電圧のデューティーサイクル制御により、比較的大きいインダクターが、変圧器の２次側において必要とされる。

ＬＥＤを高効率で動作する方法及び駆動回路を有することが望ましい。

本発明による方法では、交流供給電流が生成され、交流２次巻線電圧へ変換される。交流２次巻線電圧は整流され、そして実質的に一定の負荷電流を生成するためバッファーされる。実質的に一定の負荷電流は、ＬＥＤへ供給される。交流供給電流の変換は、改善されたバックコンバーターに関連して上述した利点と同一の利点を有する。つまり、負荷電圧は、変圧器の巻数比を適切に選択することにより所望の負荷電圧へ容易に適応され得る；ガルバニック絶縁は、低電圧側スイッチ及び低電圧側電流検知を可能にする；及び変圧器の漏れインダクタンスは、交流供給電流が、交流供給電流を生成するために用いられる装置のゼロ電圧切り替えで生成され得るよう選択され、結果として高効率であり得る。

ＬＥＤは１つのＬＥＤであって良く、又は多数のＬＥＤであって良い。多数のＬＥＤは、直列に接続され、並列に接続されて良く、又は直列に接続されたＬＥＤのセットに配置され、当該セットが並列に接続されて良い。

ある実施例では、方法は、ＤＣ電圧を提供する段階、及びＤＣ電圧を交流供給電流へ変換する段階、を有する。ＤＣ電圧から、交流供給電流は、変化するＤＣ電圧、及び共振キャパシターと変圧器の１次巻線のインダクタンスとを有する共振回路、を用い簡単に生成され得る。

更に、ある実施例では、交流供給電流を生成する段階は、デューティーサイクルと交流供給電流の周波数の少なくとも１つを制御する段階を有して良い。周波数及び／又はデューティーサイクルの制御は、ＬＥＤ又は多数のＬＥＤへの電力転送を制御するために用いられて良い。

ある実施例では、デューティーサイクルは５０％であるよう制御され、及び周波数は要求電力に依存して制御され、デューティーサイクルが５０％とは異なるよう制御され得る実施例と比較して比較的小さいバッファー要素だけを必要とする。

本発明による駆動回路は、供給電圧を受信する入力端子のセット；共振キャパシター；変圧器の１次巻線及び前記共振キャパシターは前記入力端子のセットと直列に結合される、前記変圧器；前記変圧器の２次巻線と結合され、前記変圧器の２次巻線の交流２次巻線電圧を整流する整流器手段；及び前記整流器手段と結合され、整流電圧を受信する出力回路、を有し、前記出力回路はバッファー回路とＬＥＤを前記駆動回路と結合する出力端子のセットとを有する。従って、駆動回路は、本発明による方法を実行するよう構成される。

本発明の実施例では、変圧器の２次巻線は、第１及び第２のコイルを有する。例えば、変圧器は分割された２次巻線を有する。従って、動作中、交流電圧は、２次巻線の各コイルにわたり生成される。整流器手段は、ＤＣ電圧を出力回路へ提供するため、交流２次巻線電圧の位相に依存して、前記電圧の１つをブロックし、そして他方の電圧を出力回路と結合するよう切り替えて良い。

ある実施例では、整流器手段は、第１のダイオード及び第２のダイオードを有し、各ダイオードは２次巻線の対応するコイルと結合されている。各ダイオードは、対応する電圧が正の値（又は負の値、ダイオードの順方向に依存する）を有する場合、対応するコイルに掛かる電圧を出力回路と結合するだけである。従って、整流された２次巻線電圧及び電流は、出力回路へ供給される。

更なる実施例では、整流器手段は、第１及び第２のスイッチを有し、各スイッチは２次巻線の対応するコイルと結合されており、そして第１及び第２のスイッチは交流２次巻線電圧を整流するよう構成される。

ある実施例では、駆動回路は、入力端子のセットと結合されたブリッジ回路を有する。ブリッジ回路は、ＤＣ電圧を受信するブリッジ入力端子を有する。ブリッジ回路は、適切な供給電圧を生成するよう構成される。供給電圧は、交流電圧であって良く、又は適切に変化する電圧レベルを有するＤＣ電圧であって良い。多数のスイッチング要素を有するブリッジ回路、例えば半ブリッジ回路は、ＤＣ電圧をブロック形電圧へ変換する良く知られている回路である。スイッチング要素のスイッチングの瞬間に依存して、ブロック形電圧の周波数及びデューティーサイクルは制御されて良い。上述のように、望ましくは、デューティーサイクルは５０％になるよう制御され、及び周波数はＬＥＤ又は多数のＬＥＤへの電力転送を制御するために制御される。

更なる実施例では、駆動回路は、ＬＥＤ制御信号を受信制御入力端子を有し及びブリッジ回路、特にブリッジ回路のスイッチング要素をＬＥＤ制御信号に応じて制御する制御回路を有する。ＬＥＤ制御信号は、例えばＬＥＤ電流及び／又はＬＥＤ電圧であって良い。従って、制御回路は、供給電圧のデューティーサイクル及び周波数、及びそれにより交流供給電流の周波数及びデューティーサイクルを制御して良い。

以下に本発明は、非限定的な実施例を示す添付の図面を参照して説明される。

図中で、同一の参照符号は同一又は類似の要素を参照する。

図１は、１つ以上のＬＥＤ２を動作する駆動回路のある実施例の回路図を示す。駆動回路１は、入力端子４ａ及び４ｂのセット、及び変圧器８の１次巻線８ａと直列に接続された共振キャパシター６を有する。１次巻線８ａのストレイインダクタンスＬｓ及び主インダクタンスＬｍが図示される。これらのインダクタンスＬｓ及びＬｍは実際の素子ではないが、これらのインダクタンスＬｓ及びＬｍは共振キャパシター６のキャパシタンスと組み合わせて選択され、ゼロ電圧スイッチングが入力端子４ａ及び４ｂと接続された電圧源２４で得られ、図示された回路の全体の効率を向上するようにし得るので、示される。

図示された変圧器８は、第１のコイル８ｂ１及び第２のコイル８ｂ２を有する分割された２次巻線８ｂを有する。２次巻線８ｂは、同様に、例えば共通のコアに巻かれた２つの別個の巻線として実施されて良い。２次巻線８ｂは、３個の端子１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを有する。端子１０ｂは、両方のコイル８ｂ１及び８ｂ２の共通端子である。別の端子１０ａ及び１０ｃは、２次巻線８ｂの交流電圧を整流する対応するダイオード１２及び１４と接続される。出力チョーク１８、つまり適切なインダクターは、出力回路１６に含まれる。出力回路１６は、出力端子２０ａ及び２０ｂを更に有する。ＬＥＤ２は、出力端子２０ａ及び２０ｂと接続される。しかしながら、出力端子２０ａ及び２０ｂと接続される１つ以上のＬＥＤがあって良い。１つ以上のＬＥＤが駆動回路１と接続される場合、それらＬＥＤは、並列に又は直列に接続されて良く、又は直列に接続されたＬＥＤの並列のセットに配置されて良い。

図１では、電圧源２４は、入力端子４ａ及び４ｂと接続される。図２は、実質的に一定電圧を供給するＤＣ電圧源がブリッジ回路３２の入力端子３０ａ及び３０ｂと接続され得る実施例を示す。ブリッジ回路３２は、第１のスイッチ３２ａ及び第２のスイッチ３２ｂを有する。ブリッジ回路３２は、適切な供給電圧を生成し、そして当該電圧を図１の（図２にも示される）回路の入力端子４ａ及び４ｂへ供給して良い。更に図２の実施例では、制御回路３４は、対応する制御信号３６ａ及び３６ｂを用いブリッジ回路３２のスイッチ３２ａ及び３２ｂを制御する。制御回路３４は、ＬＥＤ制御信号３８を入力として有する。ＬＥＤ制御信号３８は、例えば、図２に示されたように、所定の基準電圧４０と比較されて良いＬＥＤ電圧である。制御回路３４は、入力ＬＥＤ制御信号３８に応じて制御信号３６ａ及び３６ｂを決定する。

図１及び図２に図示された駆動回路の動作は、以下に図３ａ乃至図３ｃを参照して記載される。図３ａ乃至図３ｃでは、水平軸は時間を表す。図３ａでは、垂直軸は電圧を表す。図３ｂ及び図３ｃでは、垂直軸は電流を表す。図３ａ乃至図３ｃのそれぞれでは、ゼロレベルは、垂直軸に示される。

図３ａでは、入力端子４ａ及び４ｂへ供給される供給電圧Ｖｓが示される。図示された供給電圧Ｖｓは、例えば図２に示されたブリッジ回路３２により生成される、ブロック形の変化する電圧レベルを有するＤＣ電圧である。

図３ｂは、変圧器８の１次巻線８ａへ供給される交流供給電流Ｉｓを図示する。交流電流Ｉｓは、供給電圧Ｖｓと同一の周波数及びデューティーサイクルを有するが、共振キャパシター６と１次巻線８ａのインダクタンスＬｓ及びＬｍとの直列接続の共振特性により極性を切り替える。

変圧器８の１次巻線８ａを通じる交流電流Ｉｓにより、交流２次巻線電圧が変圧器８の２次巻線８ｂに生成される。当業者が直ちに理解するように、２次巻線８ｂの第１及び第２のコイル８ｂ１及び８ｂ２の配置と組み合わされたダイオード１２及び１４の配置により、電流は、供給電圧Ｖｓの電圧レベルに依存して第１のダイオード１２又は第２のダイオード１４を通じて交互に流れる。両方の電流は、バッファー要素として動作する出力チョーク１８へ供給される。出力チョーク１８は、出力端子２０ａ及び２０ｂと接続された負荷２２、例えば１つ以上のＬＥＤへ供給されるべき出力負荷電流が実質的に一定であるよう、選択される。

負荷電流は、２つの成分を有するとして図３ｃに図示される。図３ｃでは、第１のダイオード１２を通じて流れる電流から生成される第１の負荷電流ＩＤ１、及び第２のダイオード１４を通じて流れる電流から生成される第２の負荷電流ＩＤ２が、示される。負荷電流は、これら両方の成分ＩＤ１及びＩＤ２の和であり、実質的に一定電流である。

留意すべき点は、第１のダイオード１２及び第２のダイオード１４が同期整流スイッチにより置き換えられて良いことである。これは出力ダイオード電流の円滑な整流により緩和される。

図３ａ乃至図３ｃから、理解され得る点は、駆動回路１が示されるように供給電圧のデューティーサイクル５０％で非常に良く動作することである。しかしながら、デューティーサイクルは同様に、設計及び機能に依存して変更されて良い。

本発明による１つ以上のＬＥＤを動作する駆動回路のある実施例を示す。 本発明による、駆動回路の更なる実施例を示す。 本発明による駆動回路のシミュレートされた電流及び電圧波形を示す。 本発明による駆動回路のシミュレートされた電流及び電圧波形を示す。 本発明による駆動回路のシミュレートされた電流及び電圧波形を示す。

Claims (12)

1. 発光ダイオード動作方法であって、前記方法は：
   −交流供給電流を生成する段階；
   −前記交流供給電流を交流負荷電圧へ変換する段階；
   −交流２次巻線電圧を整流する段階；
   −実質的に一定の負荷電流を生成するため、前記整流された交流２次巻線電圧をバッファリングする段階；及び
   −前記実質的に一定の負荷電流をＬＥＤへ供給する段階、を有する、方法。
2. 前記交流供給電流を生成する段階は、
   −ＤＣ電圧を提供する段階；
   −前記ＤＣ電圧を前記交流供給電流へ変換する段階、を有する、請求項１記載の方法。
3. 前記交流供給電流を生成する段階は、前記交流供給電流の周波数を制御する段階、を有する、請求項２記載の方法。
4. 前記ＤＣ電圧を変換する段階は、前記交流供給電流のデューティーサイクルを５０％になるよう制御する段階、を有する、請求項３記載の方法。
5. 発光ダイオードを動作する駆動回路であって、前記駆動回路は、ＬＥＤへ供給されるべき電流を制御するよう構成され、前記駆動回路は：
   −供給電圧を受信する入力端子のセット；
   −共振キャパシター；
   −変圧器の１次巻線及び前記共振キャパシターは前記入力端子のセットと直列に結合される、前記変圧器；
   −前記変圧器の２次巻線と結合され、前記変圧器の２次巻線の交流負荷電圧を整流する整流器手段；
   −前記整流器手段と結合され、整流電圧を受信する出力回路、を有し、前記出力回路はバッファー回路とＬＥＤを前記駆動回路と結合する出力端子のセットとを有する、駆動回路。
6. 前記変圧器の２次巻線は、第１のコイル及び第２のコイルを有する、請求項５記載の駆動回路。
7. 前記２次巻線は、分割された巻線である、請求項６記載の駆動回路。
8. 前記整流器手段は、第１のダイオード及び第２のダイオードを有し、各ダイオードは前記２次巻線の対応するコイルと結合される、請求項６記載の駆動回路。
9. 前記整流器手段は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを有し、各スイッチは前記２次巻線の対応するコイルと結合されており、そして第１及び第２のスイッチは前記交流２次巻線電圧を整流するよう構成される、請求項６記載の駆動回路。
10. 前記駆動回路は、前記入力端子のセットと結合されたブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路は、ＤＣ電圧を受信するブリッジ入力端子を有し、及び前記ブリッジ回路は、前記交流供給電流を生成するために前記供給電圧を生成するよう構成される、請求項５記載の駆動回路。
11. 前記駆動回路は、ＬＥＤ制御信号を受信する制御入力端子を有し、及び前記交流供給電流のデューティーサイクル及び周波数の少なくとも１つを制御するために前記ＬＥＤ制御信号に応じて前記ブリッジ回路を制御する、請求項１０記載の駆動回路。
12. 前記バッファー回路は、前記出力端子のセットと直列に接続されたインダクターを有する、請求項５記載の駆動回路。

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