JP5916390B2 - 電源ユニット及びそれを用いたｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は電源ユニット及びそれを用いたＬＥＤ照明装置に関する。

特許文献１は、交流電源から入力を受ける電源ユニットとその電源ユニットから配線を介して接続されたＬＥＤユニットからなるＬＥＤ照明器具を開示する。同引例の電源ユニットはフライバックＤＣ／ＤＣコンバータからなり、コンバータ二次側の出力電流を検出する検出抵抗を有し、検出電圧が一定となるようにコンバータ一次側のスイッチング素子がＰＷＭ制御される。

特許文献２は、交流電源から入力を受ける電源ユニットとＬＥＤユニットが一体化された照明器具を開示する。同引例の電源ユニットもフライバック型のＤＣ／ＤＣ変換回路を含み、ＤＣ／ＤＣ変換回路の低電位側出力端はバイパスコンデンサを介して電源ユニットの筐体に接続され、電源ユニットの筐体は接地される。

特開２０１０−１９８７６１号公報 特開２０１０−８０３８１号公報

ところで、特許文献１及び２のような電源ユニットを用いたＬＥＤ照明装置においては、種々のノイズ問題に対処する必要がある。例えば、交流電源からのコモンモードノイズ（対地ノイズ）への対策を施す必要がある。これは、ＬＥＤ素子にコモンモードノイズ（パルス電圧）が伝搬され、そのパルス電圧がＬＥＤ素子の耐圧を超えるとＬＥＤ素子が破壊されてしまうからである。また、電源ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータから発生するスイッチングノイズ、特にノーマルモードノイズ（線間ノイズ）が電源ラインへ伝搬されてしまうのを防止する必要がある。即ち、雑音端子電圧及び雑音電力を基準値以下として、同じ交流電源に接続される他の電子機器への影響を抑制する必要がある。

ここで、特許文献１の装置においては、入力部のフィルタ回路によってノイズ対策がなされているが、上記の種々のノイズ問題に対して入力フィルタ回路だけでは充分に対処できない。一方、特許文献２の装置においては、交流電源からＬＥＤユニット側へ伝搬され得るコモンモードノイズ及び電源ユニットからの交流電源側へ伝搬され得るスイッチングノイズの対策は施されている。具体的には、交流電源からのコモンモードノイズはバイパスコンデンサによって電源ユニットの筐体を介して接地点にバイパスされ、しかもＬＥＤユニットが電源ユニットに一体化されているので、コモンモードノイズがＬＥＤ素子に到達することはない。また、ＤＣ／ＤＣコンバータからのスイッチングノイズもバイパスコンデンサによって電源ユニットの筐体を介して接地点にバイパスされるので、スイッチングノイズが交流電源側に伝搬されることもない。特に、バイパスコンデンサの容量が大きいほどコモンモードノイズ及びスイッチングノイズ対策の効果が期待できる。

しかし、電源ユニットを構成する筐体は金属製であるので一種のアンテナとなり、ＬＥＤユニットからの輻射ノイズを拾う可能性がある。また、特許文献１の装置のような電源別置型のＬＥＤ照明装置の場合には電源ユニットとＬＥＤユニットを接続するケーブルからの輻射ノイズも考慮する必要がある。特に、コモンモードノイズのバイパス効果の増大を期待してバイパスコンデンサを大容量化した場合、輻射ノイズから電源ユニット内の配線に重畳されるパルスノイズが大きくなり、この重畳パルスノイズがＤＣ／ＤＣコンバータの制御回路を誤動作させる可能性がある。より具体的には、ＬＥＤ素子からの輻射ノイズが電源ユニットのＤＣ／ＤＣコンバータの制御回路に入り込み、小信号配線に載ると、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力動作（例えば、定電流化のためのＰＷＭ制御）が適正に行われなくなったり、保護動作（例えば、消灯動作）が不要に誘発されたり、逆に必要な保護動作が行われなかったりする等の問題が引き起こされる。

そこで、本発明は、上記のコモンモードノイズ、スイッチングノイズ及び輻射ノイズの問題を解決する電源ユニット及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供することを課題とし、
特に、輻射ノイズによる電源ユニットの誤動作を防止することを課題とする。なお、本明細書の以降の記載においては、上述したような設計趣旨に反する出力動作及び保護動作をまとめて誤動作というものとする。

本発明の第１の側面はＬＥＤを点灯するための電源ユニットである。電源ユニットは、交流入力部、ＬＥＤ素子が接続される直流出力部、及び接地用端子を有する金属製筐体からなり、金属製筐体はその内部に、交流入力部からの交流入力を直流化する直流変換回路、直流変換回路の出力ノードと直流出力部を接続する一対の出力ライン、直流変換回路を制御する制御回路、第１のコンデンサであって一方のノードが一対の出力ラインのうちの少なくとも一方の出力ラインに接続され、他方のノードが金属製筐体に接続された第１のコンデンサ、及び少なくとも一方の出力ライン上において直流変換回路の出力ノードと第１のコンデンサの一方のノードの間に挿入されたインダクタを備える。

ここで、上記インダクタを、一対の出力ライン間を磁気結合するラインフィルタとしてもよい。

また、直流変換回路が、交流入力を整流平滑する一次側整流平滑回路、トランス、トランスの一次巻線をスイッチングするスイッチング素子、トランスの二次巻線の電圧を整流平滑する二次側整流平滑回路、及び一次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ２）と二次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ４）を接続する第２のコンデンサを含み、制御回路が一次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ２）を基準電位としてスイッチング素子をＰＷＭ制御するように構成してもよい。

さらに、二次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ４）と第１のコンデンサの一方のノードの間に、上記インダクタと電流検出抵抗の直列回路が挿入され、電流検出抵抗に発生する検出電圧が設定値に等しくなるようにスイッチング素子をＰＷＭ制御するように制御回路を構成してもよい。

また、第１のコンデンサの容量を１００ｐＦ以上１００００ｐＦ以下とし、インダクタのインダクタンスを１００μＨ以上２ｍＨ以下とすることが好ましい。

本発明の第２の側面は、上記の電源ユニット、接地用端子を有する金属製筐体からなりＬＥＤ素子を保持するＬＥＤ灯具、及び電源ユニットの直流出力部とＬＥＤ素子を接続するケーブルを備えた電源別置型のＬＥＤ照明装置である。

本発明の第３の側面は、上記の電源ユニット、及び電源ユニットの直流出力部に接続されたＬＥＤ素子を保持するＬＥＤ灯具を備えた電源一体型のＬＥＤ照明装置である。

本発明によると、ＬＥＤを点灯するための電源ユニット及びそれを用いたＬＥＤ照明装置において、入力電源からのコモンモードノイズ等の問題を解決しつつ、ＬＥＤ素子やケーブル等からの輻射ノイズによる誤動作を効果的に防止できる。

本発明の第１の実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図である。 本発明の第１の実施例の一変形例を説明する回路図である。 本発明の第１の実施例の他の変形例を説明する回路図である。 本発明の第２の実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図である。 本発明の第３の実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図である。

実施例１．
図１に本発明の第１の実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図を示す。ＬＥＤ照明装置は電源ユニット１及びＬＥＤ灯具５からなる。電源ユニット１は、交流入力部Ｔ１及びＴ２、直流出力部Ｔ３及びＴ４、並びに接地用端子Ｅ１を有する金属製筐体２からなる。金属製筐体２はその内部に、直流変換回路３、直流変換回路３を制御する制御回路４、直流変換回路３からの出力ラインＬ１及びＬ２、出力ラインＬ１と金属製筐体２の間に接続されるコンデンサ１９、並びに出力ラインＬ１に挿入されたインダクタ２０を含む。金属製筐体２は接地用端子Ｅ１からアース線を介して接地されるものとする。

直流変換回路３は、交流入力部Ｔ１及びＴ２からの交流入力を直流化する。直流変換回路３は、交流電源ＡＣからの交流入力を整流するダイオードブリッジ等の整流回路１０、整流回路１０の出力を平滑化する平滑コンデンサ１１を備える（整流回路１０と平滑コンデンサ１１を合わせて一次側整流平滑回路というものとする）。直流変換回路３はまた、トランス１２、トランス１２の一次巻線をスイッチングするスイッチング素子１３、トランス１２の二次巻線の電圧を整流平滑する整流素子１４及び平滑コンデンサ１５を備える（整流素子１４と平滑コンデンサ１５を合わせて二次側整流平滑回路というものとする）。直流変換回路３はさらに、その安定動作のために、一次側整流平滑回路の低電位側ノードＮ２と二次側整流平滑回路の低電位側ノードＮ４を接続する結合コンデンサ１６を含む。

制御回路４はＰＷＭ制御回路１７を含み、ＰＷＭ制御回路１７は、例えば一次側整流平滑回路の高電位側ノードＮ１から抵抗１８を介して給電され、低電位側ノードＮ２を基準電位（グランド）としている。ＰＷＭ制御回路１７はドライバＩＣ等を含み、直流変換回路３の出力電流が所定値となるように、スイッチング素子１３をＰＷＭ制御する。図１はオープンループの制御回路を示しているが、図２に示すように、電流フィードバックを行う構成としてもよい。

図２の回路においては、出力ラインＬ２にＬＥＤ電流検出用の電流検出抵抗２１が挿入され、電流検出抵抗２１に発生する電圧がフォトカプラ２２を介して検出電圧としてＰＷＭ制御回路１７に入力される。ＰＷＭ制御回路１７は誤差増幅回路（不図示）を含み、検出電圧と目標値が一致するようにスイッチング素子１３のスイッチング動作におけるオン幅を制御する。なお、ＬＥＤ電流の目標値は、制御回路４又はＰＷＭ制御回路１７内の定電圧源（不図示）を基準電位（Ｎ２）に対して分圧したものとすればよい。

また、図１又は図２の回路において、制御回路４が保護回路（不図示）を備えていてもよい。例えば、交流電源ＡＣの異常を検知するために、ノードＮ１とノードＮ２の間の電圧を検出して比較器によって検出入力電圧と閾値を比較する構成を用いてもよい。この場合、検出入力電圧が閾値以上又は以下となったときにＰＷＭ制御回路１７の動作を停止する。また、ＬＥＤ素子５０の故障を検出するために、ノードＮ３とノードＮ４の間の出力電圧を検出して比較器によって検出出力電圧と閾値を比較する構成を用いてもよい。この場合、検出出力電圧が上限値以上となった場合（ＬＥＤ素子が開放故障した場合）又は下限値以下となった場合（ＬＥＤ素子の一部が短絡故障した場合）にＰＷＭ制御回路１７の動作を停止又は出力低下する。いずれの保護動作においても、上記の所定範囲又は上限値若しくは下限値は、制御回路４又はＰＷＭ制御回路１７内の定電圧源を基準電位（Ｎ２）に対して分圧した値とすればよい。

図１及び図２において、出力ラインＬ１及びＬ２は、直流変換回路３の出力ノードＮ３及びＮ４と直流出力部Ｔ３及びＴ４をそれぞれ接続するパターン配線である。コンデンサ１９は、一方のノードＮ５が出力ラインＬ２に接続され、他方のノードＮ６が金属製筐体２に接続される。そして、インダクタ２０は、出力ラインＬ２上において、ノードＮ４とノードＮ５の間に挿入される。

ＬＥＤ灯具５は接地用端子Ｅ２を有する金属製筐体６からなり、コンデンサ５１で模擬的に示す誘電体によってＬＥＤ素子５０を保持する。電源ユニット１の直流出力部Ｔ３及びＴ４とＬＥＤ素子５０はケーブルＷ１及びＷ２によってそれぞれ接続される。金属製筐体６は接地用端子Ｅ２からアース線を介して接地されるものとする。

なお、図１及び図２は、電源ユニット１とＬＥＤ灯具５とがケーブルＷ１及びＷ２を介して接続される電源別置型のＬＥＤ照明装置を示しているが、本発明の電源ユニットは、図３に示すように、電源ユニット１の直流出力部Ｔ３及びＴ４にＬＥＤ素子５０が近接して保持される電源一体型のＬＥＤ照明装置にも適用できる。なお、図３のＬＥＤ灯具５における筐体７は接地される必要はなく、金属製でなくてもよい。

インダクタ２０が出力ラインＬ１に挿入されることにより、ＬＥＤ素子５０又はケーブルＷ１及びＷ２からの輻射ノイズが金属製筐体２及びコンデンサ１９を介して出力ラインＬ２に引き込まれることが防止される。即ち、コンデンサ１９によって引き込まれ得る輻射ノイズに起因するパルス電圧はインダクタ２０により減衰され、ノードＮ４側への伝搬が抑制される。従って、インダクタ２０を出力ラインＬ２に挿入することによって、ノイズパルス電圧がノードＮ４、結合コンデンサ１６及びノードＮ２を介して、あるいは基板上の実装パターン間の寄生容量を介して、制御回路４に入り込むのを防止することができる。

具体的には、ノードＮ２からＰＷＭ制御回路１７のドライブＩＣにパルスノイズが入り込むとＰＷＭ制御が不安定になり出力電流値が所望値で一定とならない状態がもたらされてしまうが、上記構成によってこのような状態を防止できる。また、制御回路４が前述した保護回路を有する場合に、検出値（例えば、交流入力電圧の検出値、直流出力電圧の検出値等）を比較器に入力するラインと、閾値を比較器に入力するラインとの間に線間パルスノイズがのると正確な比較動作が行われずに不要な保護動作が誘発され得る状態がもたらされるが、上記構成によってこのような状態も防止できる。これにより、電源ユニット１に対してＬＥＤ灯具５をどのように配置しても、ＬＥＤ素子５０又はケーブルＷ１及びＷ２からの輻射ノイズによる制御回路４の誤動作を防止することができる。

上記のように、インダクタ２０を出力ラインに挿入することにより、コンデンサ１９を大容量化することができ、高周波ノイズ対策のための設計自由度が高まるという有利な効果が得られる。またさらに、図２のように電流フィードバック用の検出抵抗２１をインダクタ２０に直列に挿入することにより、パルスノイズ電圧の減衰効果をさらに得ることができる。

なお、図１及び２においては、低電位側の出力ラインＬ２にコンデンサ１９が接続されるとともにインダクタ２０が挿入される構成としたが、平滑コンデンサ１５は高周波ノイズを通過させることから、高電位側の出力ラインＬ１と金属製筐体２の間にコンデンサを接続するとともに出力ラインＬ１上にインダクタを挿入する構成としてもよい。

実施例２．
上記第１の実施例では、一方の出力ラインにコンデンサを接続するとともにインダクタを挿入する構成を示したが、本実施例では、双方の出力ラインＬ１及びＬ２にコンデンサを接続するとともにインダクタを挿入する例を示す。なお、本実施例は、平滑コンデンサ１５はコモンモードノイズや輻射ノイズのような高周波ノイズを減衰させずに通過させるものであるという認識に基づいている。

図４に本実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図を示す。図１に示す第１の実施例との相違は、電源ユニット１がコンデンサ２３及びインダクタ２４を含む点である。即ち、コンデンサ２３は、一方のノードＮ７が高電位側の出力ラインＬ１に接続され、他方のノードＮ８が金属製筐体２に接続される。そして、インダクタ２４は、出力ラインＬ１上において、出力ノードＮ３とノードＮ７の間に挿入される。

本実施例によると、コンデンサ２３を出力ラインＬ１と金属製筐体２の間に接続することにより、交流電源ＡＣからのコモンモードノイズがノードＮ２、結合コンデンサ１６、ノードＮ４、平滑コンデンサ１５、ノードＮ３及び出力ラインＬ１を介してＬＥＤ素子５０に伝搬されることを防止する。そして、第１の実施例におけるインダクタ２０と同様の作用効果を得るために出力ラインＬ１上にインダクタ２４が挿入される。即ち、インダクタ２４を挿入することによって、ＬＥＤ素子５０又はケーブルＷ１及びＷ２からの輻射ノイズが金属製筐体２、ノードＮ８、コンデンサ２３、ノードＮ７、ノードＮ３、平滑コンデンサ１５、ノードＮ４、結合コンデンサ１６及びノードＮ２を介して、あるいは基板上の実装パターン間の寄生容量を介して制御回路４に入り込むことを防止できる。従って、本実施例によって、さらに強化されたノイズ対策を施すことができる。

なお、本実施例においては、コンデンサ１９及び２３のいずれか一方を省略した構成としてもよい。また、本実施例においても第１の実施例で説明したような電流フィードバック回路や保護回路を用いてもよい。

実施例３．
上記第２の実施例では、一方の出力ラインにコンデンサを接続するとともにインダクタを挿入する構成を示したが、本実施例では双方の出力ラインＬ１及びＬ２を磁気結合するラインフィルタを用いる構成を示す。

図５に本実施例によるＬＥＤ照明装置の回路図を示す。図１に示す第１の実施例との相違は、電源ユニット１が、出力ラインＬ１と出力ラインＬ２の間を磁気結合するラインフィルタ２５を含む点である。本実施例の構成によると、実施例１又は２で得られる効果に加えて、輻射ノイズやスイッチングノイズに起因するノーマルモードノイズ（線間ノイズ）が直流変換回路３の一次側乃至は交流電源ＡＣに伝搬するのを抑制する効果が得られる。

なお、本実施例においては、低電位側のラインＬ２に関する構成と同様に高電位側の出力ラインＬ１と金属製筐体２の間にもコンデンサを接続する構成としてもよい。また、低電位側の出力ラインＬ２と金属製筐体２の間だけにコンデンサを接続する構成に代えて、高電位側の出力ラインＬ１と金属製筐体２の間だけにコンデンサを接続する構成としてもよい。また、本実施例においても第１の実施例で説明したような電流フィードバック回路や保護回路を用いてもよい。

上記各実施例では、コンデンサ１９（２３）の容量を１００００ｐＦ程度まで増加させると高周波ノイズ（例えば、コモンモードノイズ）を通過させる効果が高まっていくが、それを超えて増加させるとリード線に浮遊するインダクタンス成分の影響が大きくなり、かえって高周波ノイズを通過させる効果が低下してしまう。そこで、コンデンサ１９（２３）の容量を１００ｐＦ以上１００００ｐＦ以下とすることが好ましい。

コンデンサ１９（２３）の容量が１００ｐＦ以上１００００ｐＦ以下であるという前提の下、インダクタ２０（２４、２５）のインダクタンスを２ｍＨ程度まで増加させると高周波ノイズの減衰効果は増大していくが、それを超えて増加させるとコイル巻線間の容量の影響が大きくなり、かえって高周波ノイズ減衰効果が低下してしまう。そこで、インダクタ２０のインダクタンスを１００μＨ以上２ｍＨ以下とすることが好ましい。

上記各実施例に示した構成によると、種々の高周波ノイズの問題を解決する電源ユニット及びそれを用いたＬＥＤ照明装置を提供することできる。特に、各実施例の電源ユニット及びＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ素子やケーブル等からの輻射ノイズによる誤動作を効果的に防止できる。

上記実施例及び変形例は本発明の最も好適な例を示すものであるが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記各実施例では、直流変換回路３の一次側整流平滑回路としてコンデンサインプット型のものを示したが、力率改善機能を備えた昇圧コンバータを備える構成としてもよい。また、各実施例では入力電源が交流電源のものを示したが、入力電源が直流電源の場合は整流回路や平滑コンデンサは省略してもよい。
また、上記各実施例では、直流変換回路３としてフライバック型のＤＣ／ＤＣコンバータを示したが、フォワード型、昇圧型、降圧型、昇降圧型のチョッパ回路等の他の形式のスイッチング電源回路を用いてもよい。また、平滑コンデンサを小容量化又は省略し、直流変換回路３にＡＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。

１．電源ユニット
２．金属製筐体
３．直流変換回路
４．制御回路
５．ＬＥＤ灯具
６．金属製筐体
７．筐体
１０．整流回路
１１、１５．平滑コンデンサ
１２．トランス
１３．スイッチング素子
１４．整流素子
１６．結合コンデンサ
１７．ＰＷＭ制御回路
１９、２３．コンデンサ
２０、２４．インダクタ
２１．検出抵抗
２５．ラインフィルタ
５０．ＬＥＤ素子
Ｔ１、Ｔ２．交流入力部
Ｔ３、Ｔ４．直流出力部
Ｅ１、Ｅ２．接地用端子
Ｌ１、Ｌ２．出力ライン
Ｗ１、Ｗ２．ケーブル
Ｎ１〜Ｎ８．ノード

Claims (7)

1. ＬＥＤを点灯するための電源ユニットであって、
   交流入力部、ＬＥＤ素子が接続される直流出力部、及び接地用端子を有する金属製筐体からなり、
   前記金属製筐体が内部に、
   前記交流入力部からの交流入力を直流化する直流変換回路、
   前記直流変換回路の出力ノードと前記直流出力部を接続する一対の出力ライン、
   前記直流変換回路を制御する制御回路、
   第１のコンデンサであって、一方のノードが前記一対の出力ラインのうちの少なくとも一方の出力ラインに接続され、他方のノードが前記金属製筐体に接続された第１のコンデンサ、及び
   前記ＬＥＤの点灯に起因する輻射ノイズが前記金属製筐体及び前記第１のコンデンサを介して前記一方の出力ラインに引き込まれることにより前記輻射ノイズが前記制御回路に入り込むことを防止するように、前記少なくとも一方の出力ライン上において、前記直流変換回路の前記出力ノードと前記第１のコンデンサの前記一方のノードの間に挿入されたインダクタ
   を備えた電源ユニット。
2. 請求項１に記載の電源ユニットにおいて、前記インダクタが、前記一対の出力ライン間を磁気結合するラインフィルタである電源ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の電源ユニットにおいて、
   前記直流変換回路が、前記交流入力を整流平滑する一次側整流平滑回路、トランス、該トランスの一次巻線をスイッチングするスイッチング素子、該トランスの二次巻線の電圧を整流平滑する二次側整流平滑回路、及び該一次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ２）と二次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ４）を接続する第２のコンデンサを含み、
   前記制御回路が前記一次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ２）を基準電位として前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するように構成された電源ユニット。
4. 請求項３に記載の電源ユニットにおいて、前記二次側整流平滑回路の低電位側ノード（Ｎ４）と前記第１のコンデンサの前記一方のノードの間に、前記インダクタと電流検出抵抗の直列回路が挿入され、前記制御回路が該電流検出抵抗に発生する検出電圧が設定値に等しくなるように前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するように構成された電源ユニット。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電源ユニットにおいて、前記第１のコンデンサの容量が１００ｐＦ以上１００００ｐＦ以下であり、前記インダクタのインダクタンスが１００μＨ以上２ｍＨ以下である電源ユニット。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電源ユニット、
   接地用端子を有する金属製筐体からなり、前記ＬＥＤ素子を保持するＬＥＤ灯具、及び
   前記電源ユニットの前記直流出力部と前記ＬＥＤ素子を接続するケーブル
   を備えた電源別置型のＬＥＤ照明装置。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電源ユニット、及び
   前記電源ユニットの前記直流出力部に接続された前記ＬＥＤ素子を保持するＬＥＤ灯具
   を備えた電源一体型のＬＥＤ照明装置。

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