JP2012114410A

JP2012114410A - Ｌｅｄ駆動装置

Info

Publication number: JP2012114410A
Application number: JP2011202300A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Horino; 守堀野
Original assignee: Samsung LED Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-06-14
Also published as: EP2458722A1; US20120126713A1; US8581508B2; CN102480828B; CN102480828A; EP2458722B1; KR20120056162A

Abstract

【課題】本発明はＬＥＤ駆動装置に関する。
【解決手段】少なくとも１つのＬＥＤを備える発光部と、外部電源から印加された交流電圧を整流する整流部と、上記発光部に駆動電源を供給し、上記発光部の出力端と接続されるインダクターを含む電源供給部と、上記整流部から出力された電圧が印加されて上記整流部から出力された電圧に比例する基準電圧を生成し、上記基準電圧と上記インダクターに流れる電流を検出して生成された入力電圧を比較して、電圧が互いに一致した時点でスイッチをオフにし上記インダクターに流れる電流のピークを連結する波形が、上記入力電圧が示す波形と比例するようにスイッチをオン／オフ制御するスイッチ制御部と、上記スイッチ制御部と接続されて上記発光部に入力される電源を制御するスイッチとを含むＬＥＤ駆動装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、力率の改善が可能で、トライアック調光器に対応可能な非絶縁型のステップダウンＡＣ−ＤＣコンバータＬＥＤ駆動装置に関する発明である。

発光素子（ＬＥＤ，ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）とは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＩｎＰなどの化合物半導体（ｃｏｍｐｏｕｎｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）材料の変更により発光源を構成することによって、多様な色の光を具現できる半導体素子のことをいう。このような発光素子は、優れた単色性ピーク波長を有し、光効率性に優れ、小型化が可能であるという長所と、環境にやさしく低消費という観点からＴＶ、パソコン、照明、自動車などの様々な分野で広く使用されており、その活用分野も拡大されつつある。

このようなＬＥＤモジュールを駆動するためには、入力交流電圧を直流電圧に変換するためのＡＣ−ＤＣ変換器と、変換された直流電圧をＬＥＤモジュールの駆動に適する電流に変換して供給するＤＣ−ＤＣ変換器がＬＥＤモジュールと接続される。例えば、入力電圧がＬＥＤ電圧より高い場合に使用される降圧型（バック；Ｂｕｃｋ）変換器、入力電圧がＬＥＤ電圧より低い場合に使用される昇圧型（ブースト；Ｂｏｏｓｔ）変換器、入力電圧がＬＥＤ電圧より高いかまたは低い場合に使用される昇降圧型のバックブースト（Ｂｕｃｋ−Ｂｏｏｓｔ）変換器などを使用することができる。

比較的低コストで、力率を改善できるＬＥＤ駆動回路には、従来のＰＦＣフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）方式がある。しかしながら、この方式は２次側から１次側にＬＥＤの電流情報を伝達するためのフォトカプラー（ＰｈｏｔｏＣｏｕｐｌｅｒ）と、１次側から２次側に電力を供給するためのトランスフォーマー（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を必要とするため、回路の小型化が困難であるという問題がある。

また、従来の力率改善回路は、一定の電流を供給するために１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの周波数変化に応答しないように、フィードバックの帯域を１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ以下に設定しているため、応答が非常に遅く、トライアック調光器対応を難しくしている要因となる。従来の力率改善回路は、回路起動時にブリッジダイオードを使って商用電源を整流した後の電圧からブリーダー（Ｂｌｅｅｄｅｒ）抵抗を通して電源を供給しているものが一般的である。しかし、この際、トライアック調光器で、輝度を低くした場合には電圧も下がるため、フリッカー（Ｆｌｉｃｋｅｒｉｎｇ）現象が発生し、あるいは、点灯に長い時間がかかったり、点灯しない等の問題が発生する原因となる。また、トランスフォーマーは、基本的に標準部品がないため、開発コストと開発時間が多く必要になるという問題がある。

本発明の一目的は、非絶縁型の簡単な回路構造により力率の改善が可能で、トライアック調光器に対応でき、経済的で小型化が可能なＬＥＤ駆動装置を提供することにある。

本発明の一側面は、少なくとも１つのＬＥＤを備える発光部と、外部電源から印加された交流電圧を整流する整流部と、上記発光部に駆動電源を供給し、上記発光部の出力端と接続されるインダクターを含む電源供給部と、上記整流部から出力された電圧が印加されて上記整流部から出力された電圧に比例する基準電圧を生成し、上記基準電圧と上記インダクターに流れる電流を検出して生成された入力電圧を比較して、電圧が互いに一致した時点でスイッチをオフにし上記インダクターに流れる電流のピークを連結する波形が、上記入力電圧が示す波形と比例するようにスイッチをオン／オフ制御するスイッチ制御部と、上記スイッチ制御部と接続されて上記発光部に入力される電源を制御するスイッチとを含むＬＥＤ駆動装置を提供する。

本発明の一実施例において、上記スイッチ制御部は、上記整流部の出力端に直列に接続された複数の抵抗を備え、上記複数の抵抗を通して電圧分配された基準電圧を生成することができる。

この場合、上記整流部の出力端と接続され、上記複数の抵抗と並列に接続された積層セラミックキャパシター（ＭＬＣＣ）またはフィルムキャパシター（ｆｉｌｍｃａｐａｃｉｔｏｒ）をさらに含むことができる。

本発明の一実施例において、上記電源供給部は、ダイオード、インダクター及びキャパシターで構成されることができる。

この場合、上記スイッチと直列に接続された電流検出部をさらに含み、上記電流検出部は、上記インダクターに流れる電流を検出して上記スイッチ制御部の入力信号を生成することができる。

また、上記電流検出部は、一端が上記スイッチと接続され、他端が整流部のマイナス側と接続される抵抗を含むことができる。

本発明の一実施例において、上記スイッチ制御部は、上記基準電圧入力端に接続されたツェナーダイオードをさらに含むことができる。

本発明の一実施例において、上記発光部は複数のＬＥＤを含み、上記複数のＬＥＤは直列接続、並列接続及び直列と並列の接続が混用された形態のうち少なくとも何れか１つの電気的接続構造を有することができる。

本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置によると、非絶縁型の簡単な回路により力率を改善できるＬＥＤ駆動装置を提供することができる。

また、回路の構成が簡単なため装置の小型化が可能であり、使用部品数を減らして、より経済的で効率の良いＬＥＤ駆動装置を提供することができ、かつ、応答時間が非常に速くて瞬間的であることから、トライアック調光器（ＴｒｉａｃＤｉｍｍｅｒ）に対応できるＬＥＤ駆動装置を提供することができる。

本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置の構成図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置の回路図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置のスイッチがオン（ｏｎ）状態のときの電流の流れを示す図面である。本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置のスイッチがオフ（ｏｆｆ）状態のときの電流の流れを示す図面である。本発明の一実施形態によるスイッチ制御部内の制御回路を示す図面である。本発明の一実施形態によるスイッチ制御部の制御回路に入力される電圧波形とＩ１（＝Ｉ_ｄ）とゲート波形を示す。本発明の他の実施形態によるＬＥＤ駆動装置の回路図である。クランプがない場合の基準電圧波形の概略図である。クランプ設定時の基準電圧波形の概略図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤの電流波形を示す。本発明の一実施形態によるＬＥＤの電流波形を示す。本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置をトライアック調光器に適用する場合のＬＥＤの電流波形を示す。本発明のさらに他の実施形態によるＬＥＤ駆動装置の回路図である。

以下、添付の図面を参考して、本発明のより好ましい実施形態を説明する。

しかし、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態のみに限定されるわけではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における構成要素の形状及びサイズなどは、より明確な説明のために誇張することもあり、図面上において同一の符号で示される構成要素は同一の構成要素である。

図１は本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置の構成図である。また、図２は本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置の回路図である。図１及び図２を参照すると、一端が外部から供給される交流電源と接続され、他端がスイッチ制御部２０と接続される整流部１０、上記整流部１０から整流された電圧が供給されるスイッチ制御部２０、上記スイッチ制御部２０と接続されて動作が制御されるスイッチＱ１、上記スイッチＱ１と接続された電源供給部３０及び上記電源供給部３０から複数のＬＥＤ４１を駆動するための電源の伝達を受けて光を放出する発光部４０からなることができる。この際、上記スイッチ制御部２０は第３抵抗Ｒ３から入力された電圧と基準電圧を比較してスイッチＱ１の制御信号を出力する制御回路Ｕを含むことができる。また、図２に示すように、上記整流部１０の後段で上記スイッチ制御部２０と並列に接続される小容量のキャパシターＣ１、例えば、ＭＬＣＣまたはフィルムキャパシターをさらに含むことができる。

整流部１０の一端は外部電源Ｖｉｎと接続され、他端はスイッチ制御部２０と接続されている。上記外部電源Ｖｉｎは、例えば１００ＶＡＣまたは、２２０ＶＡＣの商用交流電源であることができ、図２に示すように、整流器１０としてブリッジダイオードが適用された場合、入力交流電圧は全波整流された電圧Ｖ_１を出力するようになる。上記整流部１０から整流された電圧Ｖ_１はスイッチ制御部２０に入力され、スイッチ制御部２０によりスイッチＱ１を制御し、発光部４０に電流を適切に供給することができる。

上記電源供給部３０はその一端がスイッチＱ１と接続され、他端が発光部４０と接続されており、上記スイッチＱ１により制御されることで出力される電流を発光部４０に供給する。上記電源供給部３０はダイオードＤ１、インダクターＬ及びキャパシターＣ２で構成されることができ、降圧型（Ｂｕｃｋ）コンバータと同じ構造を有する。

上記電源供給部３０を構成するキャパシターＣ２と並列に接続された発光部４０は、少なくとも１つのＬＥＤを含む光源であり、多様な個数と電気的接続関係を有するＬＥＤを含むことができる。図２では上記発光部４０を構成する複数のＬＥＤが直列に接続された形態で示されたが、上記発光部４０はＬＥＤを適用するアプリケーションによって、直列接続または並列接続、または直列と並列の接続が混用された形態の電気的接続構造で接続された複数のＬＥＤを含むことができる。

上記スイッチ制御部２０は、一端が整流部１０の出力端と接続され、他端がスイッチＱ１と接続されており、上記スイッチＱ１により発光部４０に入力される電流を制御する。上記スイッチ制御部２０内の制御回路Ｕは整流部１０で変換された電圧を分配して基準電圧Ｖ_ｒｅｆを受ける。図１を参照すると、上記基準電圧Ｖ_ｒｅｆは全波整流された電圧Ｖ_１を第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２を用いて電圧分配することで生成されることができる。上記スイッチ制御部２０内の制御回路Ｕは、生成された基準電圧Ｖ_ｒｅｆとインダクターＬに流れる電流により測定された電圧（Ｉ_Ｌ×Ｒ３）を比較してゲートに出力することで、上記スイッチＱ１をオン／オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）制御することができる。インダクターＬに流れる電流は、スイッチＱ１と直列に接続された電流検出部（図示省略）に検出される。電流検出部は、インダクターＬに流れた電流を検出して、スイッチ制御部２０へ入力される入力信号を生成する。また、電流検出部は、一端がスイッチＱ１と接続され、他端が整流部１０のマイナス側と接続される第３抵抗Ｒ３を含んでいる。

図３は本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置のスイッチがオン（ｏｎ）状態のときの電流の流れを示す図面であり、図４は本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置のスイッチがオフ（ｏｆｆ）状態のときの電流の流れを示す図面である。先ず、図３を参照すると、スイッチがオンのときに、上記整流部１０から整流された電圧Ｖ_１により発光部４０側に流れる電流Ｉ１が発光部４０を経て上記電源供給部３０を構成するインダクターＬとスイッチＱ１を順に通過するようになる。この際、上記発光部４０を通過する電流をＩ_ｆとし、上記インダクターＬ及びスイッチＱ１を通過する電流をＩ_ｄとするとき、上記整流された電圧Ｖ_１による電流Ｉ１はＩ_ｄと同じ値を有するようになる。即ち、スイッチがオンのとき、Ｉ１＝Ｉ_ｄを満たす。

Ｉ_ｆはＣ２によりインダクターＬに流れる電流が平滑化された波形を示す。平均値で見ると、インダクターＬに流れる電流Ｉ_ｄとＩ_ｆは等しい。スイッチング周波数は、例えば、１００ｋＨｚのように高周波数であるため、第２キャパシターＣ２は小容量であってもＩ_ｆを平滑化することができる。このように小容量のＭＬＣＣが適用され得るが、１２０Ｈｚ（または１００Ｈｚ）成分は平滑化されず、Ｉ_ｆのリップル（ｒｉｐｐｌｅ）成分として残る。本実施形態によるＬＥＤ駆動装置は、アルミ（Ａｌｕｍｉ）電解キャパシターを必要としないためＬＥＤ駆動装置の寿命を延長する効果が得られる。

次いで、図４を参照すると、スイッチＱ１が一時的にオフになる場合、スイッチＱ１がオンのときに上記電源供給部３０内のインダクターＬに保存された磁気電源供給部により上記電源供給部３０及び発光部４０に電流Ｉ_ｆが流れる。即ち、矢印で示すように、上記発光部４０を構成する複数のＬＥＤ４１を介して流れる電流Ｉ_ｆが上記電源供給部３０のインダクターＬ及びダイオードＤ１を通過する。この際、上記Ｉ１とＩ_ｄに流れる電流はいずれも０になる。即ち、図３及び図４に示すように、スイッチのオン／オフ状態に関わらず、上記整流部１０から出力された電圧Ｖ_１により上記発光部４０に向かって流れる電流Ｉ１は上記スイッチＱ１に流れる電流Ｉ_ｄと同じ大きさであることが分かる。（Ｉ１＝Ｉ_ｄ）

図５は本発明の一実施形態によるスイッチ制御部２０内の制御回路Ｕを示す図面である。図５を参照すると、上記制御回路Ｕは上記整流部１０から出力された電圧Ｖ_１から得られた基準電圧Ｖ_ｒｅｆと第３抵抗Ｒ３の両端に加わる電圧Ｖ_ＩＬを比較して、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが上記第３抵抗Ｒ３に加わる電圧Ｖ_ＩＬより大きい状態でゲートＧＡＴＥをハイ（Ｈ）にしてスイッチＱ１をオンにし、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが上記第３抵抗Ｒ３に加わる電圧Ｖ_ＩＬより小さいか、または同じ場合は、次のＳＥＴ信号がハイ（Ｈ）になるまでゲートにロー（Ｌ）状態を維持させ、スイッチＱ１をオフにすることができる。この際、上記基準電圧Ｖ_ｒｅｆは上記整流部１０から出力された電圧Ｖ_１から決定される。

図３を参照すると、上記整流部１０から出力された電圧Ｖ_１が第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２により分配されて上記制御回路Ｕに入力されるが、上記第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２は直列に接続されているため、上記基準電圧Ｖ_ｒｅｆ値は、
を満たすようになる。従って、上記基準電圧Ｖ_ｒｅｆの波形は上記整流部１０から整流された出力電圧Ｖ_１の波形と比較して、その大きさが小さく、類似する形態の相似形の波形を有するようになる。但し、図５は本発明の一実施形態による制御回路Ｕの論理回路図であり、制御回路Ｕの内部の論理回路は多様に変形できる。

図６は本発明の一実施形態によるスイッチ制御部２０の制御回路Ｕに入力される電圧波形を示す。図６の上部に示す図面を参照すると、上記制御回路Ｕに入力される基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、上述したように、上記整流部１０から全波整流されて出力された電圧Ｖ_１と同じ形態の波形を示し、上記スイッチＱ１により制御され、スイッチがオンのときにのみ出力を生成する制御回路Ｕのさらに他の電圧Ｖ_ＩＬのピーク（ｐｅａｋ）もこれと類似した波形を示すようになる。この際、上記整流部１０から上記電源供給部３０に向かって流れる電流Ｉ１はスイッチを通過する電流Ｉ_ｄと同じ大きさを有し（Ｉ１＝Ｉ_ｄ）、
を満たすため、Ｉ１はＶ_ＩＬに比例する。従って、Ｉ１のピークを連結する波形もＶ_ｒｅｆ、Ｖ_１と類似する形態を有するようになる。図６の下部に示す図面はＶ_ＩＬの波形の一部を拡大した図面である。この場合、Ｉ１はＶ_ＩＬに比例するため、ここでは図６の下部に示す波形をＩ１の波形と見なす。

図６の下部に示す波形を参照すると、上記制御回路Ｕにより制御されるスイッチＱ１がオンになる時間をＴ_ｏｎ、スイッチＱ１がオフになる時間をＴ_ｏｆｆとする時、Ｔ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎ（ｋ＝定数）とする。この際、Ｉ１の平均を求めると、Ｔという時間のうちＴ_ｏｎの間だけＩ１値が存在し、Ｔ_ｏｎの間にＩ１の平均値はピーク電流であるＩ_ｐの１／２になるため、Ｉ１の平均値は
を満たすようになり、よって、Ｉ１の平均はＩ_ｐに比例することが分かる。即ち、Ｔ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎになるようＴ_ｏｆｆの時間を制御することで、Ｉ１の平均値もＩ_ｐと類似する波形を示すようになる。

本実施形態の場合、Ｔ_ｏｎは定められた値ではなく、上記電源供給部３０を構成するインダクターＬに流れる電流により決定される。Ｔ_ｏｆｆは多様な方法により決定されることができ、例えば、スイッチや電流源を用いたり、発光部４０に加わる電圧Ｖｆが整流部１０から整流された電圧Ｖ_１ピークより極めて小さい場合、外部の抵抗を通して独立に調整してＴ_ｏｆｆを一定時間に制御しても、近似的にほぼ同一効果を得ることができ、力率を改善できる。

具体的には、整流部１０の後段に小容量のキャパシター（Ｆｉｌｍｃａｐａｃｉｔｏｒまたは、ＭＬＣＣ）を使用するため、整流部１０により整流された電圧Ｖ_１は全波整流された波形とほぼ同一である。従来の降圧型コンバータ（Ｂｕｃｋｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は整流部１０の後段に大容量のアルミ電解キャパシターを使用して全波整流された波形のリップルを小さくしているが、高容量キャパシターにより力率が悪くなる。また、高容量のアルミ電解キャパシターを使用する場合、ＬＥＤ駆動回路の寿命が低下する問題が発生するが、本発明はこのような問題を解決することができる。

本実施形態によると、整流部１０により整流された電圧Ｖ_１に比例する電圧を基準電圧Ｖ_ｒｅｆとし、スイッチＱ１がオンのときに電源供給部３０を構成するインダクターＬに流れる電流に比例する電圧（Ｉ_ｄ×Ｒ３）を比較し、一致したタイミング（ｔｉｍｉｎｇ）でスイッチＱ１をオフすることで、上記インダクターＬに流れる電流のピークを連結した波形（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を全波整流された波形に比例させる。一致したタイミングでスイッチＱ１をオフすることは集積回路ＩＣの特性であり、従来から用いられていたが、従来の降圧型コンバータにおいて基準電圧Ｖ_ｒｅｆが時間的に変化せず一定である点で本発明とは異なる。従って、従来はインダクターＬの電流ピークが示される波形も一定になり、力率を改善する効果が得られなかった。

スイッチ制御部２０ではＴ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎを満たすように制御し、上記整流部１０から整流された電圧Ｖ_１により発光部４０側に流れる電流Ｉ１も上記整流部１０から整流された電圧Ｖ_１の波形に比例するようになるため、力率が改善され得る。従来は、スイッチ制御の方式を「Ｔ＝Ｔ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆ＝一定」にすることが一般的であり、試作に使用したＩＣは「Ｔ_ｏｆｆ＝一定」であるが、本実施形態では、ＬＥＤを含む発光部４０の駆動電圧Ｖｆが整流された電圧Ｖ_１のピークに比べて非常に小さい場合は近似でＴ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎと等価に近い状態になる。このように、Ｔ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎにすれば、さらに精度良く、力率が改善できる。

即ち、本発明の一実施形態によると、上記電源供給部３０を構成するインダクターＬに流れる電流のピークを連結した波形を、整流部１０から出力された電圧Ｖ_１の波形に一致させることで発光部４０に流れる電流は入力電圧と同じ形態を有するようになり、力率を改善できる。また、トランスフォーマーを含まない非絶縁型回路により力率の改善が可能であるため、回路構成が簡単で装置の小型化が可能であり、ＬＥＤの電流情報を２次側から１次側に絶縁された状態で伝達するためのフォトカプラーを用いてフィードバックすることで力率を改善するフライバックコンバータに比べて使用部品数を減らして、より経済的で効率の良いＡＣ−ＤＣコンバータを提供することができる。

従来のＰＦＣ（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路、即ち、力率改善回路は、力率を改善するために１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚに応答しないようにフィードバックループ（Ｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐ）の帯域が約１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ以下であり、応答速度が遅い。また、電圧印加の初期にブリーダー抵抗（Ｂｌｅｅｄｅｒｒｅｓｉｓｔｏｒ）から制御回路に電源を供給する構造からなるため、トライアック調光器対応が難しいという問題がある。トライアック調光器とは、電流の供給を調節して使用者の便宜に適うように明るさを設定するデバイスのことで、従来の一般的な照明製品は、ＬＥＤ照明に換える場合、トライアックの動作特性上ＬＥＤの明るさを低くしたときにフリッカー（ｆｌｉｃｋｅｒ）現象が発生したり、回路が駆動しなかったり、駆動に長時間かかる問題があったため、既存のトライアック調光器に接続された照明器具をＬＥＤに換えることが困難であった。

しかし、本実施形態では、制御回路ＵによりインダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌにより測定された電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆを比較してスイッチのオン／オフ時間を決定し、上記インダクターＬの電流検出は第３抵抗Ｒ３だけで可能であるため、回路の構成が簡単になる。また、本実施形態によると、応答時間がマイクロ秒（ｍｉｃｒｏｓｅｃ）単位またはそれ以下であり、応答が非常に速くて瞬間的である。よって、トライアック調光器とのマッチング性も優れる。

本発明の一実施形態において、上記制御回路Ｕの内部ではクランプレベル（ｃｌａｍｐｌｅｖｅｌ）を設定することができる。図７は本発明の他の実施形態による回路図である。図７を参照すると、制御回路Ｕの内部でクランプレベルを設定するためのツェナーダイオードＤｚをさらに含むことができる。上記ツェナーダイオードＤｚの一端は整流部のマイナス側と接続され、他端は基準電圧Ｖ_ｒｅｆ及び制御回路Ｕと接続されることができる。上記ツェナーダイオードＤｚは逆方向に一定値以上の降伏電圧が加わると、逆方向に電流が流れるようになる。即ち、上記ツェナーダイオードＤｚのツェナー電圧Ｖ_ｚ以上の電圧が加わると、逆方向に電流が流れるようになり、上記制御回路Ｕ内の比較器にクランプレベル以下の値のみが入力され得る。一方、図７では、説明の便宜上、入力部の比較器以外の回路は省略した。

具体的には、上記ツェナーダイオードＤｚのツェナー電圧をＶ_ｚとするとき、
である時
になり、
である時
になり、基準電圧Ｖ_ｒｅｆはＶ_ｚにクランプされる。この際、Ｖ_ｚは、入力電圧とは無関係に一定の値を有するため、入力電源の変動に対する発光部４０のレギュレーション（ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を改善することができる。このとき、クランプする電圧の大きさ及びクランプするか否かは第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２の大きさを調節することで制御できる。例えば、
になるように設定すると、基準電圧Ｖ_ｒｅｆは常にツェナー電圧Ｖ_ｚより小さい値を有するためクランプ作用をしなくなる。クランプレベルを設定しない場合は、入力電源の電圧変動が発光部４０に流れる電流Ｉ_ｆにそのまま反映されるが、この場合でも、実用的な目的として大きく問題にならない範囲内の変動に該当する。

しかし、Ｉ_ｆレギュレーションを改善しようとする場合、制御回路Ｕの内部でクランプレベルを設定することができる。上記クランプレベルは、入力電圧Vinの電源電圧変動とは無関係な基準電圧Ｖ_ｒｅｆから定められるため、Ｉ_ｆレギュレーションを改善し得る。また、クランプレベルを設定しない場合、発光部４０に流れる電流Ｉ_ｆのピークがＬＥＤの絶対最大定格電流を超えると、発光部４０に並列に大容量のアルミ電解キャパシターを配置して電流Ｉ_ｆのリップルを減少させなければならないが、クランプレベルを設定する場合、同一の平均電流Ｉ_ｆ（ａｖｅｒａｇｅ）に対してもピークレベル（ｐｅａｋｌｅｖｅｌ）が減少するためＩ_ｆピーク値がＬＥＤの絶対最大定格以下になるように小容量のＭＬＣＣを使うことができるため、回路の小型化及び経済的に有利である。

一方、発光部４０を構成するＬＥＤ４１に流れる電流Ｉ_ｆの大きさは第３抵抗Ｒ３により制御できる。即ち、第３抵抗Ｒ３の値を大きくすると、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_ｆは小さくなり、第３抵抗Ｒ３の値を小さくすると、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_ｆは大きくなる。この際、電源供給部３０を構成するインダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌは電源供給部３０を構成する第２キャパシターＣ２により平滑化されて発光部４０に供給されるため、上記発光部４０に流れる電流Ｉ_ｆはインダクターＬに流れる電流より滑らかな電流波形を示すようになる。

図８は、クランプがない場合の基準電圧とインダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌの波形の概略図である。Ｉ_ＬはＶ_ｒｅｆとの関係を示すために、ここではＩ_Ｌ×Ｒ３で演算して、電圧単位に変換した。ここで、インダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌは、Ｑ１のｏｆｆ期間が図６のＩ１とＩ_ｄの波形とは異なる。上述したように、
になるように第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２の値を設定すると、クランプ作用はしなくなる。従って、図８に示すように、基準電圧Ｖ_ｒｅｆは
になるため、整流部１０から整流された電圧Ｖ_１に比べて大きさのみ異なるだけで、形態は類似した波形を示すようになる。また、上記スイッチ制御部２０に入力される電圧はＩ_Ｌ×Ｒ３になり、（スイッチＱ１がオンのときにＩ_ｄ＝Ｉ_Ｌ、スイッチＱ１がオフのときにＩ_ｄ＝０）、そのピークは基準電圧Ｖ_ｒｅｆと同じ形態の波形を有する。但し、図８では説明の便宜上、基準電圧Ｖｒｅｆの１周期Ｔ０当たりの電圧Ｉ_Ｌ×Ｒ３は６パルス（ｐｕｌｓｅ）のみを示したが、実際に基準電圧Ｖ_ｒｅｆと電圧Ｉ_Ｌ×Ｒ３の周期Ｔを、例えば、
とすると、基準電圧Ｖ_ｒｅｆの１周期当たりの電圧Ｉ_Ｌ×Ｒ３のパルスは、電源周波数が５０Ｈｚであるときに１０００個になる。

図９は、クランプ設定時の基準電圧とインダクターに流れる電流Ｉ_Ｌの波形の概略図である。即ち、
になるように第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２を設定した場合に該当する。図９を参照すると、
を満たす区間で
になり、
を満たす区間で
になる。図９に示す波形も、図８と同様に説明の便宜上波形の形態を簡略に示したもので、実際にＩ_Ｌの波形はＶ_１＜Ｖｆの区間（Ｖ１が０になる付近）で整流部１０のダイオードによりＩ_Ｌ＝０になるが、電流全体に比べて小さい部分を占めるため力率に及ぼす影響は少ない。また、図１及び図２に示すように、整流部１０とスイッチ制御部２０の間、第１及び第２の抵抗Ｒ１、Ｒ２と並列に接続された小容量のキャパシターＣ１が配置されることができるため、上記インダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌが０になる区間で、全波整流された電圧Ｖ_１は発光部４０に加わる電圧Ｖｆにクランプされることができる。

図１０及び図１１は本発明の一実施形態による電流波形を示す。具体的には、図２に示すＬＥＤ駆動装置１００において、複数のＬＥＤ４１を含む発光部４０の電流Ｉ_ｆの波形を示す。この際、スイッチのＴ_ｏｎは入力電圧Ｖ_ｒｅｆとインダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌを検出して測定された電圧Ｖ_ＩＬを比較して決定され、Ｔ_ｏｆｆは一定である。また、制御回路Ｕの内部にツェナーダイオードＤｚを用いてクランプレベルを設定した。先ず、図１０を参照すると、入力外部電源はＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚであり、発光部４０を構成する複数のＬＥＤ４１を通過する電流Ｉ_ｆの平均は２３９ｍＡ、上記ＬＥＤ４１に加わる電圧Ｖ_ｆは２５．８Ｖである。図１０に示すように、電流クランプ部分は、回路に理想的でない部分があり、僅かな変化を示すが、大体一定であることが分かる。本実施形態によると、回路効率は８７．５％、交流入力外部電源（ＡＣ１００Ｖ）が＋／−１０％変化する場合に、ＬＥＤを通過する電流Ｉ_ｆの平均レギュレーションは＋６．４％から−７．５％になり、力率ＰＦは０．９１以上である。

図１１は、図１０に示す実施形態において、クランプレベルのみを変更した電流波形を示す。即ち、図１０に示す実施形態と同様に、入力外部電源はＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚ、発光部４０に流れる電流Ｉ_ｆの平均は２４０ｍＡ、発光部４０に加わる電圧Ｖｆは２５．９Ｖに設定した。本実施形態によると、回路効率は８８．３％、交流入力電源（ＡＣ１００Ｖ）が＋／−１０％変動する場合、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_ｆの平均レギュレーションは＋４．２％から−４．７％になる。即ち、図１０に示す実施形態と比較すると、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_ｆのレギュレーションが改善されたことが分かる。但し、力率ＰＦが０．８１以上とやや低いが、高調波電流に対するＥＭＩ規格ＥＮ６１０００−３−２（２５Ｗ以下）で検証すると、電源電流の３次高調波は５０％（規格は８６％以下）、５次高調波は２３％（規格は６１％以下）と、実用上の規格を十分に満たす。

図１２は、本発明の一実施形態によるＬＥＤ駆動装置をトライアック調光器に適用する場合の電流波形を示す。図１２（ａ）はトライアック調光器に適用しない状態の電流波形であり、図１２（ｂ）はトライアック調光器に適用した後の電流波形を示す。図１２（ｂ）の緑色波形はトライアック調光器対応時に発光部４０に流れる電流Ｉ_ｆを示し、赤色波形はトライアック調光器の出力電圧を示す。本発明の一実施形態によると、ブリッジダイオードで構成された整流部１０の前端に抵抗とキャパシターを追加するだけで簡単にトライアック調光器に対応可能なＬＥＤ駆動回路を提供することができる。

図１３は本発明のさらに他の実施形態によるＬＥＤ駆動装置の電流の流れを示す図面である。前述した実施形態では、基本的に電圧供給部３０を降圧型コンバータと想定しているため、Ｖ_１＜Ｖｆの区間でＩ_ｆ＝０になり、理想的な状態でも力率ＰＦは１．０になれない。但し、２５Ｗ以下でＥＮ６１０００−３−２を満たすには十分である。力率ＰＦをさらに改善するために、図１３に示すように、電圧供給部３１を反転形のバックブーストコンバータ（Ｂｕｃｋ−Ｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で構成することができる。この場合、降圧型コンバータに比べて高耐圧の部品を必要とするが、Ｖ_１＜Ｖｆの区間でも、即ち、全区間でインダクターＬの電流ピークは整流部で全波整流された波形に比例し、回路が理想的ならば、原理的に、力率が１．０になることができる。

本実施形態において、力率を改善する原理は、上述したように、基準電圧Ｖ_ｒｅｆにクランプレベルを設定することで電源電圧変動に対するＩ_ｆレギュレーションを改善できる。具体的には、整流部で全波整流された電圧Ｖ_１を分割して基準電圧Ｖ_ｒｅｆとする。この際、基準電圧Ｖ_ｒｅｆは全波整流された電圧波形に比例する。上記インダクターＬの電流Ｉ_Ｌを第３抵抗Ｒ３により電圧値に変換した後に基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較することでスイッチＱ１のオフタイミングを決定し、インダクターＬに流れる電流Ｉ_Ｌのピークを連結した波形を全波整流された波形と同じ波形になるようにする。この際、Ｔ_ｏｆｆ＝ｋ＊Ｔ_ｏｎ（ｋ：整数）になるようにＴ_ｏｆｆを制御すれば、さらに精度良く力率を改善することができる。ここで、Ｉ_ｏｎはスイッチＱ１がオンのときの電流を、Ｉ_ｏｆｆはスイッチＱ１がオフのときの電流を示す。

本発明は、上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。

１００：ＬＥＤ駆動装置
１０：整流部
２０：スイッチ制御部
３０：電源供給部
４０：発光部
４１：ＬＥＤ
Ｕ：制御回路
Ｑ１：スイッチ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３：第１、第２、第３抵抗
Ｄ１：ダイオード
Ｌ：インダクター
Ｃ１、Ｃ２：第１、第２キャパシター

Claims

少なくとも１つのＬＥＤを備える発光部と、
外部電源から印加された交流電圧を整流する整流部と、
前記発光部に駆動電源を供給し、前記発光部の出力端と接続されるインダクターを含む電源供給部と、
前記電源供給部と接続されて、前記発光部に入力される電流を制御するスイッチと、
前記スイッチと接続されて、前記整流部から出力された電圧が印加されて当該電圧に比例する基準電圧を生成し、前記インダクターに流れる電流を検出して生成された入力電圧と前記基準電圧とを比較して、当該入力電圧と当該基準電圧とが一致した時点で前記スイッチをオフにし、前記スイッチがオンの期間の前記インダクターに流れる電流のピークを連結した波形が、前記基準電圧の波形と比例するように前記スイッチをオン／オフ制御するスイッチ制御部と
を含むＬＥＤ駆動装置。
前記スイッチ制御部は、前記整流部の出力端に直列に接続された複数の抵抗を備え、前記複数の抵抗を通して電圧分配された基準電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記整流部の出力端と接続され、前記複数の抵抗と並列に接続された積層セラミックキャパシター（ＭＬＣＣ）またはフィルムキャパシターをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記電源供給部は、ダイオード、インダクター及びキャパシターで構成されたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記スイッチと直列に接続された電流検出部をさらに含み、前記電流検出部は、前記インダクターに流れる電流を検出して前記スイッチ制御部に入力される入力信号を生成することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記電流検出部は、一端が前記スイッチと接続され、他端が整流部のマイナス側と接続される抵抗を含むことを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記スイッチ制御部は、前記基準電圧の入力端に接続されたツェナーダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のＬＥＤ駆動装置。
前記発光部は複数のＬＥＤを含み、
前記複数のＬＥＤは直列接続、並列接続及び直列と並列の接続が混用された形態のうち少なくとも何れか１つの電気的接続構造を有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のＬＥＤ駆動装置。