JP5800351B2 - 電源回路、および照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源回路、および照明装置に関する。
家庭用電源からLED等の直流駆動負荷に給電するためには、交流電圧を直流電圧に変換する必要がある。特許文献1には、商用交流電源を直流電圧に変換して放電灯に供給する放電灯点灯装置が開示されている。
国際公開第2001/060129号
交流電圧を直流電圧に変換する場合、その特性上、リップルとよばれる電圧の変動が残る。リップルを抑制し、より平滑な直流電圧を得ようと思えば、より大容量のコンデンサ、すなわち、より体積の大きいコンデンサを使用する必要があるが、体積の大きいコンデンサは回路小型化の弊害となる。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、大容量のコンデンサを使用しなくてもリップルを抑制できる電源回路、および照明装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかる電源回路は、
交流入力を直流電圧に変換して出力する電源回路であって、
交流入力を整流して脈流電圧を生成する整流回路と、
制御手段を有し、該制御手段のスイッチング制御によって前記交流入力の力率を改善する力率改善回路と、
前記脈流電圧を基に、所定電圧以上がカットされた台形状電圧を生成する台形状電圧生成回路と、を備え、
前記力率改善回路は、前記脈流電圧が印加される一次側の第1の巻線と、二次回路に接続された二次側の第2の巻線と、二次側に設けられ、前記第1の巻線と第2の巻線に電流が流れているか否かを検出する第3の巻線と、を備える変圧器と、前記第1の巻線に流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、を備え、
前記制御手段は、前記台形状電圧の大きさと前記第3の巻線の検出結果とに基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
ことを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点にかかる照明装置は、
第1の観点にかかる電源回路と、
前記電源回路により電力が供給される照明用光源と、を備える、
ことを特徴とする。
大容量のコンデンサを使用しなくてもリップルを抑制できる電源回路、および照明装置を提供できる。
本発明の実施形態にかかる電源回路を説明するためのブロック図である。 図1に示す制御回路の内部構成を説明するための図である。 本実施形態の電源回路の動作を説明するための波形図であり、(a)は交流電源から出力される電源電圧の波形、(b)は整流回路で生成される整流電圧と分圧回路で生成される台形状電圧の波形、(c)は制御回路内で生成される乗算電圧と鋸波電圧の波形、(d)は整流平滑回路で生成されるLED電圧の波形をそれぞれ示す図である。 本実施形態の電源回路によって力率が改善された様子を示す図であり、(a)は交流電源から出力される電源電圧の波形、(b)は巻線L1に流れる電流と交流電源から出力される電源電流の平均をそれぞれ示す図である。 図1に示す制御回路の分圧回路からツェナーダイオードを取り除いて構成した分圧回路を示す図である。 図5に示した分圧回路を使用して構成した電源回路の動作を説明するための波形図であり、(a)は交流電源から出力される電源電圧の波形、(b)は整流回路で生成される整流電圧と分圧回路で生成される台形状電圧の波形、(c)は制御回路内で生成される乗算電圧と鋸波電圧の波形、(d)は整流平滑回路で生成されるLED電圧の波形をそれぞれ示す図である。
以下、本実施形態の電源回路について図面を参照しながら説明する。電源回路100は、力率改善機能と電流制御機能とを備えた1石式のフライバック・コンバータであり、図1に示すように、整流回路110と、分圧回路120と、スイッチング素子Q1と、制御回路130と、トランスT1と、整流平滑回路140と、LED150と、フィードバック回路160とから構成される。
整流回路110は、4つのダイオード(ダイオードD1〜D4)を交流電源200の正極側電極端子と負極側電極端子の間にブリッジ状に配置したダイオードブリッジ回路である。整流回路110は、交流電源200から供給された交流電圧VACを全波整流して、図3(b)に示すような脈流電圧V1を生成する。
分圧回路120は、制御回路130のFB1端子に入力するための台形状電圧V2を生成する回路であり、分圧抵抗R1、R2と、ツェナーダイオードD5とから構成される。
分圧抵抗R1、R2は、脈流電圧V1を分圧するための抵抗であり、直列に接続された分圧抵抗R1とR2の一端はダイオードD1、D3のカソードに、他端はダイオードD2、D4のアノードに、それぞれ接続されている。
ツェナーダイオードD5は、ツェナー電圧Vzの定電圧ダイオードであり、ツェナーダイオードD5のアノードはダイオードD2とD4のアノードに、カソードは分圧抵抗R1とR2の一端に接続されている。分圧抵抗R1、R2によって分圧された分圧電圧は、ツェナーダイオードD5によって上限がカットされ、図3(b)に示すような台形状電圧V2として制御回路130に出力される。
スイッチング素子Q1は、トランスT1の巻線L1に流れる電流を制御するためのNチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、ドレイン端子は巻線L1の一端に、ソース端子は抵抗R3の一端に、ゲート端子は制御回路130のDRV端子に、それぞれ接続されている。DRV端からゲート端子に電圧が印加されると、スイッチング素子Q1は、ドレイン−ソース間を接続して巻線L1に電流を流す。また、ゲート端子への電圧の印加が停止されると、スイッチング素子Q1は、ドレイン−ソース間を切断して巻線L1に流れる電流を遮断する。
制御回路130は、脈流電圧V1を鋸歯状にチョッパすることによって、電源回路100の力率を改善する力率制御機能と、LED150に流れる電流を一定に保つ電流制御機能とを備えたスイッチング制御回路である。制御回路130は、例えば、信号を処理する機能を備えたアナログプロセッサであり、入出力端子として、FB1端子と、FB2端子と、FB3端子と、DRV端子と、REF端子とを備えている。FB1端子は分圧回路120の分圧抵抗R1とR2の一端に、FB2端子はスイッチング素子Q1と抵抗R3の一端に、FB3端子はフィードバック回路160の抵抗R5の一端に、FB4端子はトランスT1の巻線L3の一端に、DRV端子はスイッチング素子Q1のゲート端子に、REF端子はフィードバック回路160のフォトカプラ162に、それぞれ接続されている。
また、制御回路130は、図2に示すように、乗算器131と、比較器132と、フリップフロップ133と、ドライバ134と、基準電源135と、分圧器136と、誤差増幅器137と、ゼロ電流検出器138とを内部に備えている。
乗算器131は、2つの入力端子から入力される電圧を掛け合わせて出力するアナログ乗算器であり、乗算器131の一方の入力端子は制御回路130のFB1端子に、他方の入力端子は誤差増幅器137の出力に、出力端子は比較器132の一方の入力端子に、それぞれ接続されている。
比較器132は、2つの入力端子から入力される電圧の大きさを比較し、その比較結果によって論理レベル“0”または“1”に相当する電圧を出力する素子であり、一方の入力端子は乗算器131の出力端子に、他方の入力端子はFB2端子に、出力端子はフリップフロップ133のリセット端子に、それぞれ接続される。比較器132は、FB2端子電圧V5が乗算器131の出力電圧V4を越えると論理レベル“1”の電圧を出力する。
フリップフロップ133は、RS型のフリップフロップであり、リセット端子は比較器132の出力端子に、セット端子はゼロ電流検出器138の出力に、出力端子は、ドライバ134の入力端子に、それぞれ接続されている。
ドライバ134はスイッチング素子Q1を駆動するための素子であり、入力端子はフリップフロップ133の出力端子に、出力端子はDRV端子に、それぞれ接続されている。ドライバ134はフリップフロップ133から所定の電圧を受け取ると、DRV端子に電圧を印加する。
基準電源135は、LED150に流れる電流が一定であるか否かを検知するための基準となる電圧を生成するための電源である。基準電源135の2つの出力端子は、分圧器136とREF端子に、それぞれ接続されている。REF端子より出力された電圧は、フォトカプラ162によって、LED150に流れる電流の大きさに比例する電圧レベルに変換され、FB3端子にフィードバックされる。
分圧器136は、基準電源135より出力された基準電圧を誤差増幅器137で誤差を検出できるように所定のレベルまで降圧するための回路である。分圧器136は、抵抗R5(図1)の抵抗値に基づき、適宜基準電圧を降圧する。
誤差増幅器137は、2つの入力端子から入力される電圧の誤差を増幅して出力するための素子であり、誤差増幅器137の一方の入力端子は分圧器136からの分圧器136の出力端子が、他方の入力端子はFB3端子に、出力端子は乗算器131の一方の入力端子に接続されている。
ゼロ電流検出器138は、FB4端子に電流が流れているか否か(すなわちトランスT1に電流が流れているか否か)を検出するための回路であり、入力端子はFB4端子に、出力はフリップフロップ133のセット端子に、それぞれ接続されている。ゼロ電流検出器138は、FB4端子に電流が流れていないことを検出すると、フリップフロップ133のセット端子に所定の電圧を出力する。
トランスT1は、一次回路から二次回路に電圧を変圧して伝達するための変圧器であり、鉄心と3つの巻線(巻線L1、L2、L3)とから構成される。巻線L1およびL2は、それぞれ一次回路および二次回路に接続されていて、スイッチング素子Q1のオンオフによって巻線L1に流れる電流に変動が生じると、巻線L2は、相互インダクタンスの作用によって発生した逆起電圧を、二次回路に伝達する。また、巻線L3は、制御回路130のFB4端子に接続されており、鉄心に磁場が発生しているか否か、すなわち、巻線L1、L2に電流が流れているか否かを検出して制御回路130に伝達する。
整流平滑回路140は、巻線L2に発生した逆起電圧を整流・平滑するための回路であり、ダイオードD6および電解コンデンサC1から構成される。ダイオードD6の一端は巻線L2の一方の端子に、他端はLED150の一端に接続されており、また、電解コンデンサC1の一端は巻線L2の他方の端子に、他端はLED150の一端に接続されている。トランスT1により二次回路に伝達された電圧は、ダイオードD6および電解コンデンサC1によって整流・平滑され、直流電圧VLEDとしてLED150に供給される。
LED150は、電源回路100の光源となる部分であり、複数の発光ダイオードにより構成される。LED150のアノードは整流平滑回路140のダイオードD6および電解コンデンサC1の一端に、他端は電流検出抵抗R4の一端に接続される。
フィードバック回路160は、LED150に流れる電流ILEDを制御回路130にフィードバックするための回路であり、図1に示すように、電流検出抵抗R4と、V−I変換回路161と、フォトカプラ162と、抵抗R5とから構成される。V−I変換回路161は、電圧の大きさに比例する電流を出力する回路であり、2つの入力端子はそれぞれ電流検出抵抗R4の両端に接続されている。電流検出抵抗R4の両端に加えられた電圧は、V−I変換回路161によって計測され、フォトカプラ162および抵抗R5を介して、制御回路130のFB3端子にフィードバックされる。
以上、電源回路100の構成について説明したが、次に、電源回路100の動作について説明する。
交流電源200に電源が投入されると、交流電源200は整流回路110に対して交流電圧VAC(図3(a))を供給する。整流回路は、交流電圧VACを全波整流して図3(b)に示すような脈流電圧V1を生成する。
分圧回路120は、分圧抵抗R1とR2によって脈流電圧V1を分圧し、さらに、ツェナーダイオードD5によって電圧の上限をカットする。これにより、分圧回路120は、ツェナー電圧Vz以上がカットオフされた図3(b)に示すような台形状電圧V2が生成される。生成された台形状電圧V2は、制御回路130のFB1端子に入力される。
乗算器131は、入力された台形状電圧V2を、誤差増幅器137の出力V7と乗算し、図3(c)に示すような、乗算電圧V4に変換し、比較器132に出力する。この時点で、スイッチング素子Q1はオフされている。そのため、比較器132のもう一方の入力端子にはFB4端子よりGND電圧が印加されるので、比較器132はフリップフロップ133のリセット端子に論理レベル“0”の電圧(GND電圧)を出力する。また、この時点で、トランスT1には電流は流れていないので、フリップフロップ133のセット端子には、ゼロ電流検出器138によって論理レベル“1”に相当する電圧が印加される。そうすると、ドライバ134には、フリップフロップ133によって論理レベル“1”に相当する電圧が印加されるので、ドライバ134はDRV端子に所定電圧を印加して、スイッチング素子Q1をオンする。
スイッチング素子Q1がオンされたら、トランスT1の巻線L1には、時間とともに増加する電流が流れる。スイッチング素子Q1ソースと抵抗R3との間の電圧V5は、巻線L1に流れる電流によって、図3(c)に示すような鋸歯状の鋸歯状電圧V5に変換され、FB2端子を介して比較器132に入力される。
比較器132は、鋸歯状電圧V5が乗算電圧V4に達した時点で、フリップフロップ133のリセット端子に論理レベル“1”に相当する電圧を出力する。そうすると、フリップフロップ133はリセットされ、ドライバ134には論理レベル“0”の電圧(GND電圧)が印加される。そうすると、ドライバ134はDRV端子を介して、スイッチング素子Q1をオフする。
スイッチング素子Q1がオフされると、巻線L1に流れる電流は急激に低下する。そうすると、相互インダクタンスの作用によって、巻線L2には逆起電圧が発生する。発生した逆起電圧は、整流平滑回路140によって図3(d)に示すようなLED電圧VLEDに変換され、LED150に供給される。
巻線L2に流れる電流は時間とともに減少し、電流がゼロになると、制御回路130内のゼロ電流検出器138によって検出される。ゼロ電流検出器138は、ゼロ電流を検出した時点で、フリップフロップ133のセット端子に論理レベル“1”の電圧を印加する。そうすると、ドライバ134にはフリップフロップ133により論理レベル“1”に相当する電圧を印加され、それを受けて、ドライバ134はDRV端子を介して、再び、スイッチング素子Q1をオンする。
スイッチング素子Q1のオンオフは高速に繰り返されるため、巻線L1に流れる電流IL1は、図4(b)に示すようなチョッパされた波形となる。そのため、電源電流IACの平均値は、略正弦波状の波形(図4(b)の破線部分)となり、その結果、電源電圧VACの位相と電源電流IACの位相は一致する。これにより、電源回路100の力率は改善する。
また、LED150に流れる電流は、V−I変換回路161によって平均値が検出され、フォトカプラ162を介して制御回路130のFB3端子にフィードバックされる。フィードバック電圧V3は、制御回路130内の誤差増幅器137によって、基準電圧V6と比較され、その誤差が増幅される。乗算器131は、増幅電圧V7と台形状電圧V2とを乗算して、その乗算結果を比較器132に入力する。比較器132は、乗算電圧V4と鋸歯状電圧V5とを比較しながら、上述したように、フリップフロップ133のリセット端子に論理レベル“1”または“0”に相当する電圧を出力する。そして、ドライバ134はフリップフロップ133からの出力に基づいてスイッチング素子Q1をスイッチング制御する。これにより、制御回路130のスイッチング制御にLED電流ILEDが反映され、LED電流ILEDは、一定値が維持される。
なお、制御回路130は、鋸歯状電圧V5と台形状の乗算電圧V4とを比較してスイッチング素子Q1を制御している。そのため、スイッチング素子Q1のオン期間Tonの長さは、図3(c)に示すように、台形の上辺(平坦)部分において抑制される。その結果、巻線L2で生成される逆起電圧も振幅が抑制されることになり、LED電圧VLEDは、図3(d)に示すように、リップルVrpが抑制された波形となる。
これに対して、ツェナーダイオードD5を使用せずに、図5に示すように、分圧回路120を構成した場合、分圧電圧V2は図6(b)に示すように山なりの波形になる。そのため、乗算電圧V4も図6(c)に示すように山なりの波形になり、スイッチング素子Q1のオン期間Tonの長さは、図6(c)に示すように、乗算電圧V4の頂上付近において本実施形態よりも長くなる。その結果、巻線L2で生成される逆起電圧は振幅が大きくなり、LED電圧VLEDも図6(d)に示すようにリップルVrpが大きくなる。
本実施形態によれば、分圧回路120にツェナーダイオードD5を挿入することによって二次回路に伝達される逆起電圧の振幅を抑制することができるので、大容量のコンデンサを使用しなくてもLED電圧VLEDのリップルを抑制することができる。その結果、電解コンデンサC1の容量を小さくでき、回路の小型化が容易になる。
なお、LED150は無機結晶から構成される発光ダイオードに限られない。有機分子から構成される有機EL等であってもよいし、電球や蛍光ランプ等の他の光源であってもよい。また、電源回路100に接続する負荷はLED等の光源に限られず、熱や音等を得るための装置や半導体等であってもよい。
また、本実施形態では、LED150に流れる“電流”を制御回路130にフィードバックしたが、電流ではなく負荷に印加されている“電圧”を、例えば、分圧器等で分圧して制御回路130にフィードバックしてもよい。これにより、電源回路100を定電圧駆動電源として使用することが可能になる。
また、本実施形態では、乗算電圧V4と鋸歯状電圧V5を比較するのではなく、台形状電圧V2と鋸歯状電圧V5とを直接比較してもよい。LED150に流れる電流をフィードバックさせる必要がない電源回路にも適用することが可能になる。
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)交流入力を直流電圧に変換して出力する電源回路であって、
交流入力を整流して脈流電圧を生成する整流回路と、
制御手段を有し、該制御手段のスイッチング制御によって前記交流入力の力率を改善する力率改善回路と、
前記脈流電圧を基に、所定電圧以上がカットされた台形状電圧を生成する台形状電圧生成回路と、を備え、
前記制御手段は、前記台形状電圧の大きさに基づいて前記脈流電圧をスイッチング制御する、
ことを特徴とする電源回路。
(付記2)前記制御手段は、前記台形状電圧と、前記脈流電圧をスイッチング制御することによって生成される鋸歯状電圧と、を比較した比較出力に基づいて前記脈流電圧をスイッチング制御する、
ことを特徴とする付記1に記載の電源回路。
(付記3)前記電源回路の出力電流の大きさを帰還電圧として前記制御手段にフィードバックするフィードバック回路、をさらに備え、
前記制御手段は、前記台形状電圧および前記帰還電圧を乗算した乗算電圧と、前記脈流電圧をスイッチング制御することによって生成される鋸歯状電圧と、を比較した比較出力に基づいて前記脈流電圧を前記スイッチング制御する、
ことを特徴とする付記1に記載の電源回路。
(付記4)前記台形状電圧生成回路は、前記脈流電圧或いは分圧された前記脈流電圧の所定電圧以上をツェナーダイオードで抑制することによって前記台形状電圧を生成する、
ことを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の電源回路。
(付記5)付記1乃至4のいずれかに記載の電源回路と、
前記電源回路により電力が供給される照明用光源と、を備える、
ことを特徴とする照明装置。
(付記6)前記照明用光源は、発光ダイオードである、
ことを特徴とする付記5に記載の照明装置。
100 電源回路
110 整流回路
120 分圧回路
130 制御回路
131 乗算器
132 比較器
133 フリップフロップ
134 ドライバ
135 基準電源
136 分圧器
137 誤差増幅器
138 ゼロ電流検出器
140 整流平滑回路
150 LED
160 フィードバック回路
161 V−I変換回路
162 フォトカプラ
200 交流電源
C1 電解コンデンサ
D1〜D4 ダイオード
D5 ツェナーダイオード
D6 ダイオード
L1〜L3 巻き線
Q1 スイッチング素子
R1、R2 分圧抵抗
R3、R5 抵抗
R4 電流検出抵抗
T1 トランス

Claims (6)

  1. 交流入力を直流電圧に変換して出力する電源回路であって、
    交流入力を整流して脈流電圧を生成する整流回路と、
    制御手段を有し、該制御手段のスイッチング制御によって前記交流入力の力率を改善する力率改善回路と、
    前記脈流電圧を基に、所定電圧以上がカットされた台形状電圧を生成する台形状電圧生成回路と、を備え、
    前記力率改善回路は、前記脈流電圧が印加される一次側の第1の巻線と、二次回路に接続された二次側の第2の巻線と、二次側に設けられ、前記第1の巻線と第2の巻線に電流が流れているか否かを検出する第3の巻線と、を備える変圧器と、前記第1の巻線に流れる電流を制御するためのスイッチング素子と、を備え、
    前記制御手段は、前記台形状電圧の大きさと前記第3の巻線の検出結果とに基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
    ことを特徴とする電源回路。
  2. 前記制御手段は、前記台形状電圧と、前記脈流電圧をスイッチング制御することによって生成される鋸歯状電圧と、を比較した比較出力に基づいて前記脈流電圧をスイッチング制御する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。
  3. 前記電源回路の出力電流の大きさを帰還電圧として前記制御手段にフィードバックするフィードバック回路、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記台形状電圧および前記帰還電圧を乗算した乗算電圧と、前記脈流電圧をスイッチング制御することによって生成される鋸歯状電圧と、を比較した比較出力に基づいて前記脈流電圧を前記スイッチング制御する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。
  4. 前記台形状電圧生成回路は、前記脈流電圧或いは分圧された前記脈流電圧の所定電圧以上をツェナーダイオードで抑制することによって前記台形状電圧を生成する、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電源回路。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電源回路と、
    前記電源回路により電力が供給される照明用光源と、を備える、
    ことを特徴とする照明装置。
  6. 前記照明用光源は、発光ダイオードである、
    ことを特徴とする請求項5に記載の照明装置。
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