JP2011522435A - Ｌｅｄランプ・ドライバ、及びドライブする方法 - Google Patents

Abstract

低電圧直流電力を受け入れるLEDランプ・ドライバと、ドライブする方法とであって、当該LEDランプ・ドライバは、当該低電圧直流電力23を受け入れるため、及び変圧された交流電力27を作るために動作的に接続されていて、且つ制御信号35に応答するスイッチ25をもつ、プッシュプル変圧器回路24と、制御信号35を生成するためにプッシュプル変圧器回路24に動作的に接続された自己共振制御回路26と、前記変圧された交流電力27を受け入れるため、及び制御された交流電力29を作るために動作的に接続された電流コントローラ28と、前記制御された交流電力29を受け入れるため、及び高電圧直流電力31を作るために動作的に接続された交流/直流コンバータ30と、を有する。

Description

本発明は、概してLEDベースの照明システムと電力供給部とに関し、これ故、より詳しくは、本発明は、概してLEDランプ用の駆動（ドライブ）回路に関する。

デジタル照明技術、即ち、発光ダイオード（LED）などの半導体光源に基づく照明は、今日、従来の蛍光灯、HID、及び白熱電球に対して現実的な代替案を提供している。高いエネルギ変換率、高い光学効率、高い耐久性、及び低い運転コストなどの多くの機能的長所と結合されたLED技術の最近の進歩は、様々な照明効果を可能にする効率的で強力な全スペクトルの照明源の開発に至った。新たな、高出力でエネルギ効率が良く超コンパクトなLED光源は、従来のLEDの寿命及び信頼性の長所を、汎用照明に特に適する、より高い輝度と結びつけている。

半導体光源（LED）は、電源の停止によって生じる一般の人工照明の機能不全によってアクティブにされる非常用照明設備において、ますます使われている。非常照明用の光源は、バッテリ、発電装置、特別に保護された主電力供給部、又は他の補充エネルギ源からのエネルギを使用する非常用照明電源により駆動されることができる。National Fire Protection Association Life Safety Code（NFPA 101、第5節-第9節）は、「出口手段のための非常用の照明設備...通常の照明の故障の場合には、出口経路に沿って照明を提供すること」を必要とする。

本願明細書で「LEDランプ・ドライバ」と呼ぶ、LEDを作動させる電源は、蛍光燈などのガス放電ランプを作動させるために用いる安定器（バラスト）と呼ばれる電源とは異なる。バラストは、ガス放電ランプを高電圧イグニッションで始動すること、これらのランプが負の電流-電圧特性をもっているのでランプ電流を制限すること、適切な電流及び電圧でランプを作動させること、を含む多くの機能をつとめる。LEDは異なる動作をし、高電圧イグニッションの必要がなく、LEDのストリング間の合計電圧は、相当する光量をもつ蛍光燈の電圧よりも非常に低い。しかしながら、LEDランプ・ドライバは、電流の制限及び何らかの電流制御をやはり提供せねばならない。LEDの電流制御は2つの課題を提示している。即ち、（1）熱暴走を回避するための電流制限、及び（2）LED電流を特定の範囲内に保つための電流調整、である。熱暴走は、増大したLED温度に起因して発生することがある。LEDを通過する電流がLEDの温度を上昇させ、これによって、より多くの電流がLEDを通過でき、温度を更に上昇させる。電流制限が、過剰な熱による熱暴走及びLEDの破損を防止するために必要とされる。電流調整は、LED特性の変動、及び/又はLEDランプ・ドライバに対する入力電圧の変動に対抗するために必要とされる。

電流制限及び電流調節に対する多くの従来のアプローチは、非効率的で、複雑で、信頼性がなく、及び/又は高価である。1つのアプローチは、LEDのアレイと直列に受動的な直列インピーダンス、例えば抵抗を配置することである。このアプローチは単純であるが、抵抗がエネルギを熱として消費するので非効率である。別のアプローチは、アクティブな直列線形受動エレメント、例えばトランジスタをフィードバックと組み合わせて使用することである。このアプローチは線形の電流調節器を使用し、非効率で高価であるのと同時に、複雑である。更に別のアプローチは、フィードバックを使うことが出来、比較的効率がよいスイッチング・モードのレギュレータを使用することであるが、これは複雑で高価で信頼性がない。

非常照明に対するLEDランプ・ドライバの使用は、更なる課題を提示している。非常時のLEDランプ・ドライバへの入力電圧は、独立した電源又は低電圧の電源、例えばバッテリ又は低電圧の非常用電源によりしばしば印加される。しかしながら、LEDランプ・ドライバへの入力電圧が低電圧に制限される場合であっても、LEDランプ・ドライバはLEDの直列ストリングを駆動するのに十分な直流電流を発生しなければならない。入力電圧が、LEDを駆動するのに十分な電圧へと上げられなければならない。

LEDランプ・ドライバの設計に対する1つのアプローチは、フライバック・トポロジを使用することであった。残念なことに、フライバック・トポロジには複数の欠点がある。第1に、フライバック・トポロジは1個の能動スイッチング素子のみを含み、これ故フライバック変圧器の磁気コアの4分の1を利用するだけである。第2に、一次巻線及び二次巻線が交番する位相で電流を導通するようフライバック・トポロジは作動する。第1の位相の間、一次巻線が電流を導通し二次巻線は導通しない。この事がエネルギをフライバック変圧器の磁場に格納する。第2の位相の間、この格納されたエネルギは変圧器のコアを介して二次巻線に解放され、二次電流の流れが生じ、この間一次巻線に電流が流れることはない。一次巻線及び二次巻線が同時に電流を導通することはない。これ故、フライバック・トポロジは、自己共振タイプの回路であることができず、スイッチング周波数を制御するための別の手段を含まねばならない。第3に、フライバック・トポロジの二次巻線は不連続な電流をもち、電流制限及び電流調節のためのオプションを制限する。

LEDランプ・ドライバの設計に対する別のアプローチは、LEDアレイの電流を検出するため、及び能動的にLEDアレイの電流を制御するために、フィードバックを伴うパルス幅変調（PWM）を使用することであった。効果的であるにもかかわらず、このアプローチは多くのアプリケーションにとって高価である。したがって、少なくとも上記の欠点の幾つかを対象にしたLEDランプ・ドライバと、ドライブする方法とを提供することが望ましい。

したがって、本発明の一態様は、概して、低電圧の直流電力を受け入れるLEDランプ・ドライバに焦点を合わせており、当該ドライバは、
-低電圧の直流電力を受け入れるため、及び変圧された交流電力を作るために動作的に接続されていて、且つ制御信号に応答するスイッチをもつ、プッシュプル変圧器回路と、
-制御信号を生成するために、プッシュプル変圧器回路に動作的に接続された自己共振制御回路と、
-変圧された交流電力を受け入れるため、及び制御された交流電力を作るために動作的に接続された電流コントローラと、
-当該制御された交流電力を受け入れるため、及び高電圧の直流電力を作るために動作的に接続された交流/直流コンバータと、を含む。

本発明の別の態様は、概して、プッシュプル変圧器を含む自己共振型のLEDランプ・ドライバに焦点を合わせている。当該ドライバは、
-第1の一次巻線、第2の一次巻線、第1の一次巻線並びに第2の一次巻線に結合されたフィードバック巻線、及び、第1の一次巻線並びに第2の一次巻線に結合された二次巻線、を有するプッシュプル変圧器と、
-フィードバック巻線の第1の端部からの第1の制御信号に応答する第1のスイッチと、
-フィードバック巻線の第2の端部からの第2の制御信号に応答する第2のスイッチと、
-二次巻線に動作的に接続された電流コントローラと、
-当該電流コントローラに動作的に接続された交流/直流コンバータと、を含み、第1の制御信号及び第2の制御信号は、第1のスイッチを第2のスイッチと交互に閉じるよう動作的に接続されており、第1のスイッチが閉じられたときは、電流が第一の方向に第1の一次巻線中を流れ、第2のスイッチが閉じられたときは、第1の方向とは反対側の方向に電流が第2の一次巻線中を流れる。

本発明の更に別の態様は、低電圧の直流電力からLEDランプを駆動する方法を考察しており、当該方法は、
-第1の一次巻線、第2の一次巻線、及び、第1の一次巻線並びに第2の一次巻線に接続された二次巻線を有する変圧器を提供するステップと、
-低電圧の直流電力を当該変圧器で受け入れるステップと、
-第1の一次巻線及び第2の一次巻線間で電流を交互に切り替え、且つ変圧された交流電力を二次巻線で作るための自己共振制御を行うステップと、
-制御された交流電力を作るために、当該変圧された交流電力を制御するステップと、
-制御された交流電力を高電圧の直流電力へと変換するステップと、を含む。

本発明の前述の、及び他の特徴並びに長所は、添付の図面に関連して読み取られる、好ましい本実施例についての以下の詳細な説明から更に明らかになることであろう。当該詳細な説明及び図面は、添付の請求項及び当該請求項の等価物により規定されている本発明の範囲を限定するよりもむしろ、単に本発明を例示しているに過ぎない。

本願明細書において、本発明の開示目的で使用されているように、用語「LED」は、電気信号に応答して照射光を発生させることができる、何らかの電界発光ダイオード、又は他のタイプのキャリア注入／接合ベースのシステムを含んでいると理解されねばならない。このように用語LEDは、電流に応答して光を発するさまざまな半導体ベースの構造、発光ポリマ、有機発光ダイオード（OLED）、電界発光ストリップ、及び同等のものを含むが、これらに限定されるものではない。特に、用語LEDは、（一般に、約400nmから約700nmまでの照射光波長を含む）複数の赤外線スペクトル、紫外線スペクトル、及びさまざまな部分の可視スペクトルの照射光を発生させるよう構成された（半導体発光ダイオード及び有機発光ダイオードを含む）全てのタイプの発光ダイオードを指す。LEDの幾つかの例としては、様々なタイプの赤外線LED、紫外線LED、赤色LED、青色LED、緑色LED、及び（更に下で考察される）白色LEDが挙げられるが、これらに限定されることはない。またLEDは、所与のスペクトル（例えば、狭い帯域幅、広い帯域幅）に対して様々な帯域幅（例えば最大値の半値で全帯域、又はFWHM）と、所与の一般の色分類の範囲内で、様々な主波長とをもつ照射光を生成するよう構成及び/又は制御されていると認識されねばならない。

例えば、基本的に白色光を生成するよう構成されたLED（例えば白色LED）の1つの製作は、基本的に白色光を、組み合わせて、形成するために混合される、種々異なるスペクトルの電界発光をそれぞれが発する複数のダイを含む。別の製作においては、白色光LEDは、第1のスペクトルを有する電界発光を、異なる第2のスペクトルへと変換する蛍光体材料を伴っている。この一製作例では、比較的短い波長及び狭帯域幅スペクトルをもつ電界発光が、蛍光体材料を「ポンプ圧送」する。この事は次に、若干幅の広いスペクトルを有するより長い波長の照射光を照射する。

用語LEDが、当該LEDの物理的及び/又は電気的なパッケージのタイプを限定しない事も理解されねばならない。例えば、上記のように、LEDは、それぞれ異なるスペクトルの照射光を発するように構成された複数のダイをもつ（例えば、個々に制御可能でもよいし、又は制御可能でなくともよい）単一の発光デバイスを指す。また、LEDは、（例えば、ある種の白色LEDの場合）当該LEDの一体部分と考えられる蛍光体を伴っていてもよい。一般に、用語LEDは、パッケージされたLED、パッケージされてはいないLED、表面実装LED、チップ・オン・ボードLED、T-パッケージ・マウントLED、放射パッケージLED、パワー・パッケージLED、幾つかのタイプのケース及び/又は光学素子（例えば拡散レンズ）を含むLED、などを指す。

図では、同様の引用符号は、種々異なる図全体にわたって概して同じパーツを指す。また、図面が必ずしも一定の縮尺であるというわけではなく、代わりに、本発明の原理を例示する際は、概して、強調が成されている。

本発明の多くの実施例に従うLEDランプ・ドライバのブロック線図である。 本発明の多くの実施例に従うLEDランプ・ドライバの回路図である。 図1及び図2に示されるLEDランプ・ドライバ用の過電圧保護回路の回路図である。 本発明の様々な実施例による、低電圧直流電力からLEDランプを駆動する方法のフローチャートである。

図1を参照すると、LEDランプ・ドライバ20は、直流源22から低電圧直流電力23を受け入れ、LEDアレイ34用の直流出力部32に、高電圧の直流電力31を作り出す。本願明細書で規定されているように、低電圧及び高電圧は、LEDランプ・ドライバ20の直流電力の電圧に対する相対語であり、電圧の絶対値ではない。即ち、直流源22での低電圧直流電力の電圧23は、直流出力部32でLEDアレイ34を駆動するために必要な高電圧直流電力の電圧31よりも低い。LEDアレイ34は、動作のための直流電力を必要とする。LEDランプ・ドライバ20は、
-直流源22から低電圧直流電力23を受け入れるため、及び変圧された交流電力27を作るために動作的に接続されているプッシュプル変圧器回路24と、
-制御信号35を生成するために、プッシュプル変圧器回路24に動作的に接続されている自己共振制御回路26と、
-変圧された交流電力27を受け入れるため、及び制御された交流電力29を作るために動作的に接続されている電流コントローラ28と、
-制御された交流電力29を受け入れるため、及び直流出力部32で高圧直流電力31を発生するために動作的に接続されている交流/直流コンバータ30と、を含んでいる。プッシュプル変圧器回路24は、自己共振制御回路26からの制御信号35に応答するスイッチ25を含む。LEDランプ・ドライバ20は、直流出力部32間に動作的に接続されたオプションの過電圧保護回路36も含むことが出来る。

LEDランプ・ドライバ20は、低電圧直流源22からの低い電圧を、LEDアレイ34のLEDの直列ストリングを駆動するのに十分なレベルまで上げるために、プッシュプル変圧器回路24を使用する。プッシュプル変圧器回路24は、低電圧直流源から電圧を高める又は上げる、低コストで単純且つ効率的な手段である。このプッシュプル変圧器回路24は、コンバータ又はインバータと呼ばれることもできる。何故ならば、同回路はプッシュプル変圧器回路24の一次側にある直流源22の低電圧直流電力23を、プッシュプル変圧器回路24の二次側にある変圧された交流電力27に変換するからである。プッシュプル変圧器回路24の二次側の電圧は、電流コントローラ28、交流/直流コンバータ30、及びLEDアレイ34間の電圧の総和にほぼ等しい。

電流コントローラ28は変圧された交流電力27を受け入れ、制御された交流電力29を供給する。一実施例では、当該電流コントローラ28は、LEDアレイ34と動作的に直列に接続された電流制限コンデンサである。コンデンサを流れる電流は交流で、したがってコンデンサのアンペア-秒のバランス、即ちコンデンサの荷電バランスを維持しなければならない。これ故、コンデンサを出てゆく電流も交流である。交流/直流コンバータ30は、制御された交流電力29を、LEDアレイ34を駆動するために用いることができる高電圧直流電力31に変換する。

直流源22は、バッテリ又は他の低電圧直流源である。直流源22の電圧は、直流出力部32でLEDの直列ストリングを含むLEDアレイ34を駆動するために必要とされる電圧よりも低い。直流源22が、低電圧直流電力23を作るために動作的に接続されたバッテリであり、LEDアレイ34が高電圧直流電力31を受け入れるために動作的に接続された場合、LEDランプ・ドライバ20は、非常照明用のスタンド・アローンの光源として用いられることが可能である。

プッシュプル変圧器回路24は、当該プッシュプル変圧器回路24を流れる電流の流れの向きを切替えるためのスイッチ25を含んでいる。一実施例では、プッシュプル変圧器回路24は、各々が交互に期間Tのほぼ50％の間導通する2つのスイッチを含む。期間Tは、スイッチング周波数の逆数である。一方のスイッチは、一方向へ磁気コアの磁束を生じさせるために、プッシュプル変圧器回路24の第1の一次巻線に電流を導通させ、次に他方のスイッチが、交互した半周期に、プッシュプル変圧器回路24の第2の一次巻線に、別の方向へ磁気コアの磁束を生じさせる電流を導通させる。プッシュプル・トポロジは、利用可能な変圧器の磁気容量を高度に利用する。プッシュプル変圧器回路24の一次巻線と二次巻線とが同時に電流を導通するので、プッシュプル・トポロジは自己共振モードでの動作も容易にする。自己共振モードの動作は、単純で、効率のよい且つ効果的な自己共振制御回路26の使用を可能にする。自己共振制御回路26は、プッシュプル変圧器回路24に内蔵のこともあるし、又は外付けのこともある。

自己共振制御回路26は、正のフィードバックを起動し、再生性の発振を確立するために、制御信号をスイッチ25に提供する。スイッチング周波数は、

によって与えられ、ここでL及びCは、二次側の回路によって占められ、変圧器の一次側のインダクタンス及びキャパシタンスの合計を若干含む、回路インダクタンス及び回路キャパシタンスのそれぞれの総和である。周波数を決定するパラメータは、効率及びコストの考慮と共に、充分な電圧及び電流をバッテリの電圧範囲に渡ってLEDアレイに供給するのに必要な、インダクタンスの値並びにサイズの選択、変圧器のサイズ並びに設計の選択、及びコンデンサの値並びにサイズの選択を容易にするように選ばれることができる。自己共振制御回路26の構成要素の値及びLEDランプ・ドライバの残りの構成要素の値が、高周波スイッチング用に選択され、高周波スイッチングは非常に小型で効率的なコイル及び変圧器の使用を容易にする。高周波スイッチングは、小型で安価なコンデンサが電流コントローラ28として用いられることも可能にする。

電流コントローラ28は、LEDアレイ34と直列に置かれた単純なコンデンサを備えた受動的な直列インピーダンス法を使用して、電流調整を提供できる。これは、適切な電流制限及び十分な電流調整を非常照明用に提供する。交流/直流コンバータ30は、全波ダイオード・ブリッジ整流器などの整流器である。

同様のエレメントが図1と引用記号を共有する図2は、本発明の様々な実施例によるLEDランプ・ドライバの回路図である。当該LEDランプ・ドライバは、プッシュプル変圧器回路、即ち、プッシュプル・トポロジにて作動される変圧器を含む回路を使用している。プッシュプル変圧器にあるフィードバック巻線が、制御信号を2つのスイッチに提供するために、プッシュプル変圧器の2つのスイッチの各々に接続されている。フィードバック巻線を含む自己共振制御回路が正のフィードバック（再生性のフィードバック）機能を実行し、この結果、LEDランプ・ドライバは自己共振モードで作動する。

プッシュプル変圧器回路24は、プッシュプル変圧器T1と、スイッチング・トランジスタQ1と、スイッチング・トランジスタQ2と、ベース駆動抵抗RBと、フィード・コイルLfeedと、を含んでいる。本実施例では、プッシュプル変圧器回路24は、オプションの一次コンデンサCP及びオプションの二次コンデンサCSを更に含む。自己共振制御回路26は、変圧器のフィードバック巻線FB及びベース駆動抵抗RBを含む。電流制御エレメント28は、バラスト・コンデンサCBである。交流/直流コンバータ30は、全波整流器を形成するダイオードD1、D2、D3、及びD4を含む。当該全波整流器は、個別のダイオードから製造されることができるか、又は集積回路（IC）パッケージである。入力端子直流＋及び直流-は、バッテリ又は他の直流源などの低電圧直流供給部のそれぞれ＋端子及び−端子に接続されている。LEDランプ・ドライバ20は、直流出力部32間のフィルタ・コンデンサCout、及び/又は直流出力部32間の過電圧保護回路36として保護ダイオードDoutを、オプションで含むことができる。

プッシュプル変圧器T1は、第1の一次巻線Pri1と、第2の一次巻線Pri2と、第1の一次巻線Pri1及び第2の一次巻線Pri2に結合されたフィードバック巻線FBと、第1の一次巻線Pri1及び第2の一次巻線Pri2に結合された二次巻線Secと、を有する。スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q1は、フィードバック巻線FBの一端からの制御信号に応答し、スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q2は、フィードバック巻線FBの他端からの別の制御信号に応答する。当該制御信号は、1つのスイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q1を、他のスイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q2と交互に閉じるよう、動作的に接続されている。一方のスイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q1が閉じられたとき、電流が第1の方向に第1の一次巻線Pri1を流れ、他方のスイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q2が閉じられたとき、電流が第1の方向とは反対の方向へと第2の一次巻線Pri2を流れる。第1の一次巻線Pri1と第2の一次巻線Pri2との間にセンタ・タップctがあると、スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q1が閉じた場合、センタ・タップctに対する直流入力端子直流＋から、第1の一次巻線Pri1を通過し、スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q1を通過し、直流入力端子直流-へと1つの回路が形成され、スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q2が閉じた場合、センタ・タップctに対する直流入力端子直流＋から、第2の一次巻線Pri2を通過し、スイッチング・トランジスタ（スイッチ）Q2を通過し、直流入力端子直流-へと別の回路が形成される。バッテリが、低電圧直流電力23を印加するために直流入力端子直流＋及び直流-間に動作的に接続され、且つLEDアレイ34が、高電圧直流電力31を受け入れるよう動作的に接続された場合、LEDランプ・ドライバ20は、非常照明用のスタンド・アローンの光源として用いられることが可能である。

フィード・コイルLfeedは、直流＋入力端子を第1の一次巻線Pri1及び第2の一次巻線Pri2のセンタ・タップctに接続しているコイルであり、一方、直流-入力端子は、スイッチング・トランジスタQ1及びQ2への電流帰還路を提供する、両方のスイッチング・トランジスタQ1及びQ2のエミッタへと接続している。フィード・コイルLfeedは、電流源の供給をプッシュプル変圧器T1の一次巻線Pri1及びPri2に提供している。変圧器の一次巻線Pri1及びPri2は実質的に同一であり、センタ・タップctで、交互する位相構成で電気的に接続されている。フィード・コイルLfeedのインダクタンス値は、一次巻線Pri1及びPri2を通過するピーク間電流のリップルが許容出来る値であるよう平均電流を一次巻線Pri1及びPri2へ供給するために選択されることができる。一旦電流の流れがコイル内に確立されると、平均電流は突然の方向の変化を妨げる。これ故、短いスイッチング期間T＝1/fに対して、フィード・コイルLfeedは一次巻線Pri1及びPri2に対する一定値の電流源として役立つ。当業者は、フィード・コイルLfeedのインダクタンス値は、特定のアプリケーションに対して要求される、ゼロを含む、どのような値でもあり得ることを理解することであろう。

一次巻線Pri1及びPri2は、スイッチング・トランジスタQ1及びQ2のコレクタに、それぞれ電気的に接続されている。スイッチング・トランジスタQ1及びQ2は、交互するサイクルで導通し、交互するサイクルで、それぞれの一次巻線Pri1及びPri2に電流導通を生じるアクティブな半導体スイッチである。スイッチング・トランジスタQ1及びQ2は、変圧器のフィードバック巻線FBの反対端からの制御信号に応答する。オプションの一次コンデンサCPは、変圧器T1の一次巻線Pri1及びPri2間の付加的なノイズのフィルタリングをトランジスタQ1及びQ2に提供することが出来る。一次巻線Pri1及びPri2の、2つの半サイクルで交互する導通位相は、変圧器の二次巻線Sec中を流れる連続した全サイクルの交流電流を生じさせる。

変圧器のフィードバック巻線FBは、トランジスタQ1及びQ2のベース端子に接続され、正のフィードバックを起動し、再生性の発振を確立するために、適切な位相の制御信号をトランジスタQ1及びQ2に提供する。スイッチング・トランジスタQ1及びQ2が交互に導通するとき、ベース駆動抵抗RBは、スイッチング・トランジスタQ1及びQ2を完全に飽和させるために必要なベース電流を、スイッチング・トランジスタQ1及びQ2に供給する。

変圧器の二次巻線Secと変圧器の一次巻線Pri1との間の巻線比の結果として、電位が変圧器の二次巻線Sec間に確立される。変圧器の二次巻線Secの交流電圧は、オプションのコンデンサCS間にも確立されることができる。コンデンサCSは、（1）過渡状態の間及び無負荷の間の不必要なノイズ信号をフィルタするためと、（2）共振周波数fを設定するのを助ける付加的な設計パラメータとして役立つためと、（3）LEDアレイ34間の直流出力部32が動作の間に開放回路（無負荷）になった場合に、変圧器の二次巻線Secの負荷として役立つことによって、高周波の暴走状態又は予想外の発振状態を防止するためと、に使用される二次コンデンサである。

バラスト・コンデンサCBは、LEDアレイ34に対して直列接続された電流制御エレメント28として機能する。当該バラスト・コンデンサCBは、このプッシュプル自己共振回路の動作と一体化された3つの主要な機能をもっている。即ち、（1）LEDアレイ34の熱暴走を防止するために交流電流制限を提供する機能と、（2）LEDアレイの特性変動が発生するので、LEDアレイ34に対する電流調整を提供する機能と、（3）自己共振回路の発振機能のために必要な有力なキャパシタンスを提供する機能と、をもっている。

バラスト・コンデンサCBは、交流/直流コンバータ30への制御された交流電力が、LEDアレイ34への高電圧直流電力を制限し、要求された計算値に限定されるよう、インピーダンスを変圧された交流電力の電流に提供する。バラスト・コンデンサCBの容量値は、LEDアレイ34への高電圧直流電力の電流が制限されるように、且つ低電圧直流電力の一定電圧に対してLED電圧の大きな変動が良く調節されるように選択されることができる。バラスト・コンデンサCBは高品質コンデンサであり得、コンデンサが実際にもっている直列抵抗に起因するエネルギを殆ど消費しない。高品質コンデンサは、高品質の誘電体、例えばフィルム誘電体又はセラミック誘電体を備えたコンデンサを含む。

バラスト・コンデンサCBは、ダイオードD1、D2、D3、及びD4を有する全波整流回路に交流結合されている。この整流器の構成は、ダイオードD1及びD3 が交流サイクルの1/2の間導通するように接続され、同時にダイオードD2及びD4がオフであり（順方向バイアスではない）したがって導通してはいない。あるいは、ダイオードD2及びD4が交流サイクルの残りの1/2の間導通し、同時にダイオードD1及びD3がオフであり（順方向バイアスではない）したがって導通してはいない。この動作が、LEDアレイ34の直流駆動要件にマッチするよう当該LEDアレイ34を駆動する直流電流をもたらす。フィルタ・コンデンサCoutは、直流出力電流を滑らかにし、LEDアレイ34を流れる交流リップル電流の量を減じるオプションのフィルタ・コンデンサである。

オプションの保護ダイオードDoutは、（1）LEDアレイ34を、交流/直流コンバータ30によって意図せずに生成された高電圧から保護するための、及び（2）高電圧が外部電源からLEDアレイ34間に印加された場合に、ダイオードD1、D2、D3、及びD4を過大な高電圧から保護するための、過電圧保護回路36である。直流出力部32間の開回路、LEDアレイ34の断続接続、LEDランプ・ドライバ20とLEDアレイ34との間の開回路結合、又は故障したLEDアレイ34がある場合に、高電圧が存在することがある。前記オプションの保護ダイオードDoutは、ツェナー・ダイオード又は過渡電圧抑圧（TVS）ツェナー・ダイオードである。一例では、LEDの負荷が、非常モードでは15V（直流）で動作すると看做され、当該LEDの絶対最大順方向電圧は21V（直流）であると看做された場合、18Vの保護ダイオードDoutが、過大電圧状態を防止するために用いられることがある。交流/直流コンバータ30は、電流を保護ダイオードDoutに流し続けることであろう。これにより電力を消費し、したがって熱を発生する。LEDの負荷が非常モードでは300mA（直流）で作動すると看做され、18Vのツェナー・ダイオードが用いられた場合、当該ツェナー・ダイオードは少なくとも5.4Wの定格が必要であろう。ツェナー・ダイオードは、発生する熱を放散させるために、一つ以上の放熱器を使用できる。当業者は過電圧保護回路36が、所望すれば省略され得ることを理解するであろう。

直流出力部32の直流出力端子Out＋及びOut-は、それぞれLEDアレイ34の端子＋及び−に接続している。当業者は、図2の回路は典型例であり、特殊なアプリケーションに対して所望される異なる回路が用いられ得ることを理解するであろう。

同様のエレメントが図1及び図2と同様の引用符号を共有している図3は、LEDランプ・ドライバ用の過電圧保護回路の概観図である。一実施例では、過電圧保護回路は、過電圧状態での高電圧を限定及び/又は固定するために、シリコン制御整流器（SCR）を使用する。当該過電圧保護回路40は、直流出力部32間にあるLEDアレイ34と並列に接続されたシリコン制御整流器SCR1 42を含んでいる。過電圧保護回路40は、シリコン制御整流器SCR1 42のゲートに接続されたSCRトリガ回路44を更に含む。SCRトリガ回路44は、ダイオードZ1、抵抗Rz、抵抗Rg、及びコンデンサCgをもっている。ツェナー・ダイオード、DI交流、等であるダイオードZ1は、抵抗Rzとは直列で、シリコン制御整流器SCR1 42とは並列に接続される。抵抗Rgは、ダイオードZ1と抵抗Rzとの間の接合点からシリコン制御整流器SCR1 42のゲートへと接続される。コンデンサCgは、シリコン制御整流器SCR1 42のゲートからシリコン制御整流器SCR1 42のカソードへと接続される。

通常動作の間、電流はLEDアレイ34を通過する。ダイオードDout2が、LEDアレイ34を通過する電流の流れの適節な方向を保証する。リーク電流がシリコン制御整流器SCR1 42を通過するのみで、シリコン制御整流器SCR1 42はオフである。通常のダイオードのアノード及びカソードに加え、SCRは、アノードからカソードまでの電流導通の閾値を制御するためのゲートをもっている。故障状態の際にSCRが導通するよう、SCRトリガ回路44はシリコン制御整流器SCR1 42をオンにするための電圧をシリコン制御整流器SCR1 42のゲートに印加する。SCRトリガ回路44の抵抗Rg及びコンデンサCgが、トリガ電圧への到達に対する時間遅延を設けており、これが疑似作動を防止する。LEDアレイ34を過電流から保護するために、電流はLEDアレイ34よりもむしろシリコン制御整流器SCR1 42中を流れる。一旦シリコン制御整流器SCR1 42が起動すると、アノードからカソードへの電流が保持電流よりも大きく留まる限り、電流はシリコン制御整流器SCR1 42中を流れ、シリコン制御整流器SCR1 42を起動させるのに必要としたダイオードZ1を通過する電流が維持される必要はない。電流が保持電流以下に低下すると、シリコン制御整流器SCR1 42は導通を停止し、通常の動作が再開する。

過電圧保護回路40の各種コンポーネントの値は、特定のアプリケーションで所望される値に選択されることができる。一実施例では、LEDアレイ34に供給する直流出力部32間の通常の動作電圧は15V（直流）であり、絶対最大順方向電圧は21V（直流）である。LEDアレイ34を流れる通常の電流は300mA（直流）であるので、シリコン制御整流器SCR1 42が障害電流を扱うことができるよう、シリコン制御整流器SCR1 42は500mA（直流）定格のSCRである。ダイオードZ1の値は、LEDアレイ34が臨界電圧に達する前にシリコン制御整流器SCR1 42を起動させるよう選択されることができる。LEDアレイ34に供給する直流出力部32が、通常動作の間は15V（直流）で動作すると看做され、LEDアレイ34の絶対最大順方向電圧が、21V（直流）であると看做された場合、ダイオードZ1は、18Vのブレークダウン電圧を有するツェナー・ダイオードである。ダイオードZ1が過電圧状態であると分析された場合、ダイオードZ1を流れる必要な電流量を保証するよう、抵抗Rzの値が選択される。過電圧状態の際、シリコン制御整流器SCR1 42を起動させるために2Vが抵抗Rz間に印加され、20mAがダイオードZ1を通過することを必要とする場合、抵抗Rzの値は100Ωと選択されることができる。SCRトリガ回路44の抵抗Rgの値及びコンデンサCgの値は、シリコン制御整流器SCR1 42を起動させ且つ疑似作動を回避するために要求される時定数を提供するよう選択されることができる。抵抗Rgの値が1000Ωと選択され、コンデンサCgの値が0.1μFと選択された場合、SCRトリガ回路44は100μ秒の時定数をもつ。当業者は、ダイオードZ1、抵抗Rg、及びコンデンサCgの値の選択は、故障状態の際にのみ過電圧保護回路40が動作するのを保証するよう選択されることを理解するであろう。

図4は、本発明の様々な実施例による、低電圧直流電力からLEDランプを駆動する方法のフローチャートである。当該方法100は、
-第1の一次巻線、第2の一次巻線、及び、第1の一次巻線並びに第2の一次巻線に結合された二次巻線をもつ変圧器を提供するステップ、102と、
-低電圧直流電力を変圧器で受け入れるステップ、104と、
-第1の一次巻線及び第2の一次巻線の間で交互に電流を切り替え、変圧された交流電力を二次巻線に作る自己共振制御を確立するステップ、106と、
-制御された交流電力を発生するために、変圧された交流電力を制御するステップ、108と、
-制御された交流電力を高電圧直流電力に変換するステップ、110と、を含む。当該方法100は更に、
-高電圧直流電力からの過電圧を防ぐステップと、
-第1の一次巻線及び第2の一次巻線の間のノイズをフィルタリングするステップ、及び/又は
-二次巻線間のノイズをフィルタリングするステップと、を含むことができる。

複数の創意に富んだ実施例が本願明細書で説明され例示された一方、当業者は、様々な他の手段、及び/又は機能を実行する並びに/若しくは結果を得るための様々な他の構造、及び/又は本願明細書で説明された以上の複数の長所を直ちに心に描くことであろうが、斯様なバリエーション及び/又は修正の各々は、本願明細書において説明された創意に富んだ実施例の範囲内であると考えられる。更に一般的にいえば、当業者は、本願明細書で説明されている全てのパラメータ、全てのディメンション、全ての材料、及び全ての構成が典型例のはずであること、且つ、実際のパラメータ、実際のディメンション、実際の材料、及び実際の構成は、特定のアプリケーション、又は発明の（複数の）教示が使用されるアプリケーションに依存することを直ちに認めるであろう。当業者は、本願明細書で説明された特定の創意に富んだ実施例に対する多くの等価物を認識するか、又はルーチン試験だけを用いて確認することが可能であろう。これ故、前述の実施例は例の態様にて提示されているに過ぎないこと、及び、特に説明され請求された以外は、添付の請求項の範囲及び請求項に対する等価物の範囲内で、創意に富んだ実施例が実践されることが理解されねばならない。本発明の創意に富んだ実施例は、本願明細書において説明されている個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び/又は方法へと導かれる。加えて、斯様な特徴、システム、物品、材料、キット、及び/又は方法が相互に矛盾してはいない場合、2つ以上の斯様な特徴、システム、物品、材料、キット、及び/又は方法の如何なる組合せも、創意に富んだ本発明の範囲内に含まれる。

そうではないと明らかに示されない限り、本願明細書において請求された複数のステップ又は動作を含む何れの方法においても、当該方法のステップ又は動作の順序が、当該方法のステップ又は動作が羅列された順序に必ずしも限定されないことも理解されねばならない。

請求項において、同様に上記の本願明細書において、「有する」、「含む」、「担持して」、「もつ」、「含有する」、「関与する」、「保持する」、「構成する」、等の全ての移行句は制限がない、即ち、含まれるが限定されることはないと理解されねばならない。移行句「から成る」及び「から基本的に成る」のみが、それぞれ制限がある移行句又は半-制限がある移行句でなければならない。

Claims (20)

1. 低電圧直流電力を受け入れるLEDランプ・ドライバであって、
   -低電圧直流電力を受け入れ、変圧された交流電力を生成し、制御信号に応答するスイッチを有するプッシュプル変圧器回路と、
   -前記プッシュプル変圧器回路に接続された、前記制御信号を生成するための自己共振制御回路と、
   -前記変圧された交流電力を受け入れる、制御された交流電力を生成する電流コントローラと、
   -前記制御された交流電力を受け入れるため、及び高電圧直流電力を生成する交流/直流コンバータと、
   を有する、LEDランプ・ドライバ。
2. 前記高電圧直流電力が直流出力部で作られ、当該直流出力部間に接続された過電圧保護回路を更に有することを特徴とする、請求項１に記載のLEDランプ・ドライバ。
3. 前記過電圧保護回路がダイオードであることを特徴とする、請求項２に記載のLEDランプ・ドライバ。
4. 前記過電圧保護回路が、シリコン制御整流器であって、前記直流出力部間の過電圧に応答して当該シリコン制御整流器をオンにするためのSCRトリガ回路が接続されたシリコン制御整流器であることを特徴とする、請求項２に記載のLEDランプ・ドライバ。
5. 前記スイッチが、第1のスイッチと第2のスイッチとを有し、
   前記制御信号が第1の制御信号と第2の制御信号とを有し、
   前記プッシュプル変圧器回路が、
   第1の一次巻線と、
   第2の一次巻線と、
   前記第1の一次巻線及び前記第2の一次巻線に結合されたフィードバック巻線と、
   第1の一次巻線及び第2の一次巻線に結合された二次巻線と、
   をもつプッシュプル変圧器を有し、
   前記第1のスイッチが前記フィードバック巻線の第1の端部からの第1の制御信に応答し、前記第2のスイッチが前記フィードバック巻線の第2の端部からの第2の制御信号に応答し、前記第1の制御信号及び前記第2の制御信号が、前記第2のスイッチと交互に前記第1のスイッチを閉じるよう接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のLEDランプ・ドライバ。
6. 前記低電圧直流電力を作るよう接続されたバッテリと、前記高電圧直流電力を受け入れるよう接続された前記LEDアレイと、を更に有し、非常照明用の光源である、請求項１に記載のLEDランプ・ドライバ。
7. 前記交流/直流コンバータが、全波ダイオード・ブリッジ整流器であることを特徴とする、請求項１に記載のLEDランプ・ドライバ。
8. 自己発振型のLEDランプ・ドライバであって、
   -第1の一次巻線、第2の一次巻線、前記第1の一次巻線と前記第2の一次巻線とに結合されたフィードバック巻線、及び第1の一次巻線と第2の一次巻線とに結合された二次巻線を有するプッシュプル変圧器と、
   -前記フィードバック巻線の第1の端部からの第1の制御信号に応答する第1のスイッチと、
   -前記フィードバック巻線の第2の端部からの第2の制御信号に応答する第2のスイッチと、
   -前記二次巻線に接続された電流コントローラと、
   -前記電流コントローラに接続された交流/直流コンバータと、
   を有し、前記第1の制御信号及び前記第2の制御信号は、前記第2のスイッチと交互に前記第1のスイッチを閉じるよう接続されており、前記第1のスイッチが閉じられると、電流が前記第1の一次巻線を通って第1の方向に流れ、前記第2のスイッチが閉じられると、電流が前記第2の一次巻線を通って第1の方向とは反対の方向に流れることを特徴とする、自己発振型のLEDランプ・ドライバ。
9. 前記交流/直流コンバータの前記直流出力部間に接続された過電圧保護回路を更に有する、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
10. 前記過電圧保護回路がダイオードを有することを特徴とする、請求項９に記載のLEDランプ・ドライバ。
11. 前記過電圧保護回路が、SCRトリガ回路に接続されたシリコン制御整流器を有し、当該シリコン制御整流器をオンにするために、当該SCRトリガ回路が前記直流出力部間の過電圧に応答することを特徴とする、請求項９に記載のLEDランプ・ドライバ。
12. 前記変圧器が、前記第1の一次巻線と前記第2の一次巻線との間にセンタ・タップを備えており、前記LEDランプ・ドライバが更に、
    −前記第1のスイッチが閉じられた場合、前記センタ・タップに対する前記第1の直流入力端子から、前記第1の一次巻線を通過し、前記第1のスイッチを通過し、前記第2の直流入力端子へと通じる第1の直流回路と、
    −前記第2のスイッチが閉じられた場合、前記センタ・タップに対する前記第1の直流入力端子から、前記第2の一次巻線を通過し、前記第2のスイッチを通過し、前記第2の直流入力端子へと通じる第2の直流回路と、
    を有することを特徴とする、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
13. 前記第1の直流入力端子と、前記第1の直流回路及び前記第2の直流回路のセンタ・タップとの間に接続されたフィード・コイルを更に有する、請求項１２に記載のLEDランプ・ドライバ。
14. 前記第1の一次巻線と前記第2の一次巻線との間に接続されたノイズ・フィルタを更に有する、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
15. 前記二次巻線の間に接続されたノイズ・フィルタを更に有する、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
16. 低電圧直流電力を提供するために、前記第1の一次巻線と前記第2の一次巻線との間に接続されたバッテリと、前記高電圧直流電力を受け入れるために前記交流/直流コンバータに接続された前記LEDアレイと、を更に有し、非常照明用の光源である、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
17. 前記交流/直流コンバータが、全波ダイオード・ブリッジ整流器であることを特徴とする、請求項８に記載のLEDランプ・ドライバ。
18. 低電圧直流電力からLEDランプを駆動する方法であって、当該方法は、
    −第1の一次巻線、第2の一次巻線、及び前記第1の一次巻線並びに前記第2の一次巻線に接続された二次巻線を有する変圧器において、
    −前記低電圧直流電力を前記変圧器において受け入れるステップと、
    −前記第1の一次巻線と前記第2の一次巻線との間で交互に電流を切り替え、前記二次巻線において変圧された交流電力を生成する自己共振制御を行うステップと、
    −前記変圧された交流電力を、制御された交流電力を作るために制御するステップと、
    −前記制御された交流電力を高電圧直流電力に変換するステップと、
    を含む、方法。
19. 前記第1の一次巻線及び前記第2の一次巻線の間のノイズをフィルタリングするステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記二次巻線間のノイズをフィルタリングするステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。

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