JP6679589B2 - リニアポストレギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアポストレギュレータ、ＬＥＤ照明装置、及びＬＥＤ照明装置のＬＥＤ照明負荷の電流をポストレギュレートする方法を説明する。

様々な取付け具タイプのＬＥＤランプを手頃な価格で提供するために製造コストが削減されているので、ＬＥＤ照明はますます一般的になりつつある。屋内又は屋外照明用の普及した１タイプのＬＥＤ照明デバイスでは、電源入力を整流するために整流器が使用され、ＬＥＤドライバが、ＬＥＤの１つ又は複数のストリングを備えるＬＥＤ装置に所望の電圧及び電流レベルを送達する。コストのために、多くのＬＥＤドライバは、ドライバが高い力率を必要とする場合であっても、単段電力変換アーキテクチャを使用する。しかしながら、これにより、高いＬＥＤリップル電流が生じることがある。リップル電流は、ＬＥＤに並列に接続された蓄積コンデンサによってある程度補償することができるが、ＬＥＤの動作抵抗が限定されるために完全に補正することはできない。ますます効率的となるＬＥＤ技術のために、その動作抵抗も時間の点でさらに低下する傾向がある。顕著なリップル電流はまた、ＬＥＤの発光効率に悪影響を与えることがある。

この問題を補正するための知られた手法では、リニアポストレギュレータがＬＥＤ装置の出力部に接続され、ＬＥＤ電流を制御する働きをし、一方、ＬＥＤ装置に対する電圧供給が電力変換器によって制御される。既存のリニアポストレギュレータは比較的安価にすることができるが、一般には損失の増大に関連付けられる。リニアポストレギュレータは一般に、ＬＥＤを流れる電流を制御する制御可能な抵抗として働くトランジスタを備える。したがって、ある程度の電力がこの制御可能な抵抗によって放散される。結果として生じる熱に対処するために、追加の、又はより大型のヒートシンクが必要となり、これが照明アプリケーションの全体的コストに加えわる。知られたタイプのリニアポストレギュレータの別の欠点は、そのような照明装置の耐用期間中に蓄積コンデンサがその初期値の５０％に劣化することがあるので、光出力のフリッカのレベルが増大することがあることである。そのようなシステム内のフリッカは、ＬＥＤの動作抵抗に大きく依存する。具体的には、スタンドアロンＬＥＤドライバは、ＬＥＤタイプの範囲、したがって動作抵抗の範囲に対処しなければならなくなる。

ポストレギュレータ損失を低減することは困難であり、かつ／又はコストがかかる。問題に対処するいくつかの方式は、既に述べたように、より大型のヒートシンクを使用することによって熱管理を改善することであるが、しかしながら、このことは製品の全体的サイズを増大させ、全体的コストが増大するので好ましくないことがある。或いは、スイッチモード変換器が第２の電力ステージとして使用されることがあり、このことは、ほぼ無視できるフリッカを達成することができるが、著しく費用がかかるし、嵩張り、損失も増大する。別の手法では、ポストレギュレータの必要を回避するために、より大型の蓄積コンデンサが使用される。しかしながら、コンデンサの物理的サイズはその値と共に増大し、コストも増大する。補正処置が行われないとき、ランプは、最終的には顕著なフリッカを示すことがある。

したがって、本発明の目的は、上記で略述した問題を回避する改良型のリニアポストレギュレーションを提供することである。

本発明の目的は、請求項１のリニアポストレギュレータ、請求項１０のＬＥＤ照明装置、及びＬＥＤ照明負荷の電流をポストレギュレートする請求項１３の方法によって達成される。

本発明によれば、ＬＥＤ照明装置内での使用のためのリニアポストレギュレータが実現され、ＬＥＤ照明負荷の端子と電力変換器との間の接続のために実現された制御ループカスケードと、ＬＥＤ照明負荷を流れるＬＥＤ電流を調節するために実現されたトランジスタと、基準電流への接続のための第１の入力部と、性能パラメータへの接続のための第２の入力部と、リニアポストレギュレータの電力制御出力を電力変換器に接続するための出力部とを備え、制御ループカスケードは、基準電流入力に基づいてＬＥＤ電流を調節し、性能パラメータ入力に基づいてＬＥＤ照明装置の別の性能パラメータを調節するように共に動作する少なくとも２つの相互接続された制御ループを備える。

本発明によるポストレギュレータによって制御することのできる性能パラメータは、ポストレギュレータ損失、又はＬＥＤ装置の光出力のフリッカでよい。有利には、本発明によるリニアポストレギュレータは、ポストレギュレーションの損失を最小限にすると共に、コンデンササイズと、光出力のフリッカとの間の調節可能な妥協を可能する。例えば、本発明によるリニアポストレギュレータは、ＬＥＤ照明装置の耐用期間にわたって、本質的に一定のポストレギュレーション損失、又は本質的に一定のフリッカを達成することができる。本発明によるリニアポストレギュレータの利点は、最小損失動作及び／又は最小電流リップル動作が可能となると共に、より小型の蓄積コンデンサの使用を可能にすることである。本発明によるリニアポストレギュレータは、好ましいことに安価であるアナログ構成要素を使用して実現することができる。好ましくは、本発明によるリニアポストレギュレータの物理的サイズも小型でよく、したがって、本発明によるリニアポストレギュレータは、例えば既存の製品シリーズをレトロフィットするために使用される場合など、照明取付け具ハウジングが有する、追加の回路のために利用可能なスペースが限定される様々な応用例で使用することができる。ＬＥＤ照明負荷の端子は、そのカソード端子（例えば、ストリング中の最後のＬＥＤのカソード）又はそのアノード端子（例えば、ストリング中の第１のＬＥＤのアノード）でよい。好ましくは、本発明によるポストレギュレータは、ＬＥＤ照明負荷のカソードと、電力変換器のノード又は入力端子との間に接続される。例えば、ＬＥＤストリングの最後のＬＥＤは、ポストレギュレータの回路ノードに接続することができ、ポストレギュレータの電力制御出力は、電力変換器の適切なノードに接続することができる。

本発明によれば、ＬＥＤ照明装置は、商用電源（ｍａｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）などの電源への接続のための単段電力変換器と、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明負荷と、ＬＥＤ照明負荷の端子と、電力変換器の端子との間に接続された、本発明によるリニアポストレギュレータと、リニアポストレギュレータに基準電流及び性能パラメータを供給する入力手段とを備える。性能パラメータは、所望の効果に応じて、基準電圧又は基準電流リップルでよい。

本発明によるＬＥＤ照明装置では、第１及び第２の入力部は、ローカル信号源、すなわち照明装置に対してローカルな信号源を備えることができる。例えば、基準電流及び／又は性能パラメータは、１つ又は複数の基準電圧から導出することができ、基準電圧は、設計に従って固定することができ、又は例えば構成段階の間に事前設定することができる。代替又は追加として、基準電流及び／又は性能パラメータは、信号として、例えば、ワイヤレスネットワークの部分となるように実現されるＬＥＤ照明装置のケースではワイヤレス信号として、照明装置に送信することができる。

ＬＥＤ照明装置の利点は、安価でコンパクトなＬＥＤドライバを実現できることである。リニアポストレギュレータは、ドライバに接続されたＬＥＤ負荷の動作抵抗とは関わりなく、照明装置の耐用期間にわたって、一定のポストレギュレーション損失又は一定のフリッカのどちらかを保証するように構成することができる。

本発明によれば、ＬＥＤ照明負荷の電流をポストレギュレートする方法は、ＬＥＤ照明負荷の端子と電力変換器のノードとの間の接続のための、少なくとも２つの相互接続された制御ループの制御ループカスケードと、ＬＥＤ照明負荷を流れるＬＥＤ電流を制御するトランジスタとを備えるポストレギュレータを設けるステップと、基準電流への接続のための第１の入力部をポストレギュレータに設けるステップと、基準電圧又は基準電流リップルへの接続のための第２の入力部をポストレギュレータに設けるステップと、基準電流に基づいてＬＥＤ電流を調節するように制御ループカスケードを適用するステップとを含む。この目的で、ポストレギュレータはまた、電力変換器に電力制御出力信号を供給する。

本発明による方法の利点は、所望の制御モードを達成する目的で、ＬＥＤ電流を調節する特定の制御信号、並びに１つ又は複数の別の性能パラメータを生成するために、好ましいことに直接的な方式で、電流及び電圧に関する利用可能な情報を使用できることである。

従属請求項及び以下の説明は、本発明の特に有利な実施形態及び特徴を開示する。実施形態の特徴を適宜組み合わせることができる。１つの請求カテゴリのコンテキスト内に記載の特徴は、別の請求カテゴリに等しく当てはめることができる。

以下では、本発明をいかなる形でも制限することなく、ＬＥＤ照明負荷がＬＥＤの少なくとも１つのストリングを備えることを仮定する。例えば、ＬＥＤ照明負荷は、順電圧１００Ｖ及び全定格電力２５ＷのＬＥＤストリングを備え、比較的単純なスイッチモード電力変換器などの低コストドライバを実現することができる。やはり本発明をいかなる形でも制限することなく、以下では、電力変換器が高い力率を得るように構成されたスイッチモード電源であると仮定する。

上記で示したように、本発明によるリニアポストレギュレータは、実施すべき所望のタイプの補正又は最適化に応じて、２つのモードの一方で使用することができる。本発明の好ましい一実施形態では、ポストレギュレータの調節損失が、制御ループカスケードの制御ループからのフィードバック信号に基づいて制御される。そのような一実施形態では、性能パラメータは、「所望の損失」又は「基準損失」に対応する基準電圧入力を含み、制御ループカスケードは、フィードバック信号又は電力制御信号を電力変換器に供給し、電力変換器に、それに応じて電力変換器の出力電圧を調節させるように実現される。「電力制御信号」は、以下では「電力補正信号」とも呼ばれることがある。この実施形態では、照明装置は「一定損失」制御モードで動作する。

本発明の代替の好ましい実施形態では、ＬＥＤ照明負荷の光出力のフリッカのレベルは、制御ループカスケードの制御ループからのフィードバック信号に基づいて制御される。そのような一実施形態では、性能パラメータは、「所望の電流リップル」又は「所望のフリッカ」を表す基準電流リップルを含み、制御ループカスケードは、電力変換器にフィードバック信号又は電力補正信号を供給し、電力変換器に、それに応じてＬＥＤ電流上の電流リップルを調節させるように実現される。そのような一実施形態では、照明装置は「一定フリッカ」モードで動作する。ポストレギュレートされたＬＥＤ電流上リップル又はフリッカの減少によって、光出力の好ましい増大ももたらすことができ、それによってポストレギュレータ損失のどんな増大も補償することができる。

いずれのケースでも、制御ループカスケードは、ＬＥＤ装置を流れる電流を調節する制御ループを備える。この目的で、リニアポストレギュレータは、トランジスタに制御信号を供給するように実現される第１の制御ループを備える。制御信号の極性及びサイズは、電流がＬＥＤを流れることを可能にするために使用されるトランジスタのタイプに依存する。好ましくは、トランジスタは、ｎチャネルデプレッションモードＭＯＳＦＥＴなどの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む。本発明によるリニアポストレギュレータでは、トランジスタは「オン／オフ」スイッチとして使用されず、そのリニアモードで（制御可能な抵抗として）、又はその飽和／完全導通モードで動作するように制御される。ＢＪＴを使用してトランジスタを実現する代替実施形態では、制御電流がＢＪＴのベースに印加される。好ましくは、第１の制御ループは、ＬＥＤ電流の測定値、並びに基準電流入力に関する信号と共に設けられる。適切な内部フィードバック構成を使用して、第１の制御ループは、本質的に瞬間的状況に直ちに応答して、トランジスタに対する制御信号を継続的に調節することができ、したがってＬＥＤを流れる電流を、必要に応じて継続的に調節することができる。

本発明の好ましい実施形態では、リニアポストレギュレータは、基準電流及び測定されたＬＥＤ電流に基づいて第１のループ基準電流を生成するように実現された第２の制御ループを備える。このことを図面の説明でより詳細に説明する。

本発明の別の好ましい実施形態では、リニアポストレギュレータの制御ループカスケードは、性能パラメータとポストレギュレータの両端間の電圧とに基づいてその電力を制御する電力変換器に制御信号を供給するように実現された制御ループを備え、それによって、制御信号は、ポストレギュレータが照明装置の「一定損失」動作を達成するように実現されるか、それとも「一定フリッカ」動作を達成するように実現されるかに応じて、前述のように性能パラメータの所望の補正を得るために使用される。第１及び第２の制御ループがトランジスタを制御し、それによってＬＥＤ電流レベルを調節するように働くので、ポストレギュレータの両端間の電圧は、ＬＥＤ電流に従って変化する。次いで、「一定損失」動作モードでは、この電圧は、対応する性能パラメータ入力と共に、第３の制御ループによって使用され、電力変換器に対する電力補正信号が生成される。「一定フリッカ」動作モードでは、測定された電流及び基準電流入力が使用され、電力変換器に対する電力補正信号が生成される。

本発明によるリニアポストレギュレータの制御ループは、任意の適切な方式で実現される。好ましくは、制御ループは、アナログ構成要素及び複数の演算増幅器の構成を備える。

添付の図面と共に考慮される以下の詳細な説明から、本発明の他の目的及び特徴が明らかとなるであろう。しかしながら、図面は、本発明の限定の定義としてではなく、例示のためだけに描かれたものであることを理解されたい。

本発明によるＬＥＤ照明装置の第１の実施形態の簡略化した概略表現を示す図である。 図１のＬＥＤ照明装置の第１の詳細な概略表現を示す図である。 本発明によるリニアポストレギュレータの第１の実施形態を示す図である。 図１のＬＥＤ照明装置の第２の詳細な概略表現を示す図である。 「一定損失」動作モード中の本発明によるＬＥＤ照明装置についての例示的波形を示す図である。 「一定フリッカ」動作モード中の本発明によるＬＥＤ照明装置についての例示的波形を示す図である。 本発明によるリニアポストレギュレータによって達成可能な相対的ポストレギュレータ損失のグラフである。 ＬＥＤ装置を駆動する従来技術ドライバを示す図である。 ＬＥＤ装置を駆動する別の従来技術ドライバを示す図である。

図面では、同様の番号は全体にわたって同様の物体を指す。図中の物体は必ずしも原寸に比例しない。

図１は、本発明によるＬＥＤ照明装置２の簡略化した概略表現を示す。電源２２が、単段高力率（ＨＰＦ）フロントエンドスイッチモード変換器２１に整流後信号を送達する。蓄積コンデンサ又はバッファコンデンサＣ_ＢＵＦが、変換器２１の出力部の両端間に接続され、照明負荷２０及び本発明によるポストレギュレータ１を含む直列構成と並列に配置される。本発明によるポストレギュレータ１は、ＬＥＤ照明負荷２０の端子カソードと、変換器２１の端子との間の接続のために実現される。ポストレギュレータ１の両端間の電圧Ｖ_ＰＲが示されている。照明負荷は、前述のようにＬＥＤ装置２０を備える。ＬＥＤ照明装置２は、平均ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを制御し、さらにはポストレギュレータ損失を低減するための複数のカスケード式制御ループを備える、本発明によるリニアポストレギュレータ１を備える。この目的で、基準信号Ｖ_ｒｅｆ、Ｉ_ｒｅｆがリニアポストレギュレータ１に供給され、リニアポストレギュレータ１は、ＨＰＦ変換器２１に電力補正信号Ｐ_ｃｔｒを生成する。図１は、ポストレギュレータ１が２つの設定値Ｖ_ｒｅｆ、Ｉ_ｒｅｆ、又は基準信号Ｖ_ｒｅｆ、Ｉ_ｒｅｆを受け取って制御信号Ｐ_ｃｔｒを生成し、制御信号Ｐ_ｃｔｒは変換器２１に供給され、所望の電力変換が達成されることを示す。例えば、変換器２１がバックタイプのスイッチモード電力変換器２１である場合、電力補正信号Ｐ_ｃｔｒは、入力ピーク電流しきい値を指定することができる。

基準信号Ｖ_ｒｅｆ、Ｉ_ｒｅｆを供給する入力手段１１、１２が、ローカル信号源、すなわち照明装置２に対してローカルな信号源を備えることができる。例えば、基準電流入力Ｉ_ｒｅｆ及び／又は性能パラメータ入力Ｖ_ｒｅｆは、１つ又は複数の基準電圧から導出することができ、１つ又は複数の基準電圧は、設計段階で設定しておくことができ、又は構成手順の間に事前設定しておくことができる。既に説明したように、ＬＥＤ照明装置２がワイヤレスネットワークの部分となるように実現される場合、照明装置２に基準信号Ｖ_ｒｅｆ、Ｉ_ｒｅｆをワイヤレス信号として送信することができる。

図２は、図１の照明装置２内のリニアポストレギュレータ１の可能な実施形態を示し、リニアポストレギュレータ１の制御ループを「一定損失」動作モードのためにどのように実現することができるかを示す。ここでは、ＬＥＤ照明負荷を流れる電流を調節するために半導体トランジスタＱが使用される。ポストレギュレータ１の両端間の電圧Ｖ_ＰＲが示されている。この実施形態では、トランジスタＱは、トランジスタＱがそのリニアモード（すなわち、制御可能な抵抗）として、又はその飽和／完全導通モードで動作するようにゲート端子に適切な電圧を印加することによって制御することができるｎチャネルデプレッション型ＭＯＳＦＥＴを含む。第１のループ又は「内側」ループでは、図５Ａを用いて説明するように、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが、「高間隔」位相Ｔ_ＨＩの間、基準信号Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}によって指定されるレベルに第１のコントローラＣＴＲ１によって制御される。外側制御ループが、電流フィードバックＦＢ２及びコントローラＣＴＲ２を利用して、設定値Ｉ_ｒｅｆで指定されるように平均電流要件が満たされることを保証し、内側ループに基準信号Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}を供給する。第３のループが電圧フィードバックＦＢ３及びコントローラＣＴＲ３を備え、電圧フィードバックＦＢ３及びコントローラＣＴＲ３は、電力変換器２１によって、全変換後電力を制御し、設定値又は性能パラメータＶ_ｒｅｆで指定されるように所望のポストレギュレータ損失を達成する。３つのフィードバックループは、ＭＯＳＦＥＴ Ｑのゲート電圧に基づいてＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを制御し、フロントエンド２１に印加された電力補正信号Ｐ_ＣＴＲに基づいてバス電圧Ｖ_ｂｕｓを制御するように共に実施する。

図３は、本発明によるリニアポストレギュレータ１の一実施形態での制御ループＬ１、Ｌ２、Ｌ３の可能な実施形態を示す。ここでは、演算増幅器及び小信号受動構成要素を使用してコントローラユニットを実現することができる。内部供給電圧に対する電気的接続が、通常の方式で「Ｖｃｃ」タグによって示されている。図の右上のノードをＬＥＤストリングの最後のカソードに接続し、電力補正信号Ｐ_ｃｔｒをフロントエンド電力変換器２１の対応する入力部に接続することによって、照明回路内でリニアポストレギュレータ１を使用することができる。図は、第１及び第２の制御ループＬ１、Ｌ２をどのように実現することができるかを示す。ここではさらに、制御信号Ｑ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}がＬＥＤ装置を流れる電流Ｉ_ＬＥＤを制御し、これが、ポストレギュレータの両端間の電圧Ｖ_ＰＲと、トランジスタＱの両端間の電圧降下Ｖ_ＤＳに影響を及ぼす。これが、第１のループ基準電流Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}などの値に影響を及ぼす。したがって、第１及び第２の制御ループＬ１、Ｌ２は、制御ループカスケード内の第３の制御ループＬ３にも接続される。ポストレギュレータ１の両端間の電圧Ｖ_ＰＲが、第３の制御ループＬ３によって出力される電力補正信号Ｐ_ｃｔｒを調節するために使用されるからであるが、この電圧も、第２の制御ループＬ２と協働して第１の制御ループＬ１によって生成された制御信号Ｑ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}出力によって影響を受ける。

図４は、２つの制御ループＬ１、Ｌ２を使用する、本発明によるリニアポストレギュレータ１の異なる実施形態を備える別のＬＥＤドライバ構成２の簡略化した概略表現を示す。セットアップは大部分は図２と同じであり、例えば、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが、第１の制御ループの第１のコントローラＣＴＲ１によって、第１のループ又は「内側」ループＬ１内の基準信号Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}によって指定されるレベルに制御される。この実施形態では、性能パラメータは、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤ上で許容すべき最大電流リップル振幅を指定する電流リップル設定値ΔＩ_ｒｅｆ又は「フリッカ設定値」を含む。フリッカは電流リップルに直接的に関係するので、電流リップル設定値ΔＩ_ｒｅｆは「所望のフリッカ」とも呼ばれることがある。基準信号Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}は、基準入力Ｉ_ｒｅｆに所望のリップルΔＩ_ｒｅｆを加えることによって得られる。この実施形態は、（基準入力Ｉ_ｒｅｆによって指定される）平均電流と、電流リップル振幅ΔＩ_ｒｅｆと（平均ＬＥＤ電流Ｉ_ｒｅｆ、基準信号Ｉ_{ｒｅｆ＿Ｌ１}、及び電流リップル振幅ΔＩ_ｒｅｆの間の関係が図５Ｂに示されている）の両方の閉ループ制御によって電流リップルの明示的な制御を達成する。基準入力Ｉ_ｒｅｆが電力変換器によって制御され（例えば、電力変換器２１がバックタイプ変換器である場合、そのデューティサイクル又は入力ピーク電流を操作値として使用することができる）、電力補正信号Ｐ_ＣＴＲが、第２の制御ループのコントローラＣＴＲ２によって出力される。この実施形態では、本質的に一定の所望のレベルにフリッカ指数を保つように照明装置２を駆動することができる。このタイプの制御の利点は、バッファコンデンサＣ_ＢＵＦの耐用年数にわたる劣化の効果を相殺できることである。

代替実施形態では、基準平均電流Ｉ_ｒｅｆに１より大きい因子を掛けることによって、電流リップル振幅ΔＩ_ｒｅｆを生成することができる。例えば、因子１．１５を掛けることは、ピーク電流を有するリップル電流が平均電流よりも１５％高いことを意味する。システムの再構成のために平均電流が変化する場合、又は調光動作モードで照明装置を使用すべきである場合、このタイプの制御は好ましいことがある。調光可能ランプのケースでは、増倍率を平均電流に応じて作成することもでき、その結果、ランプが調光されるとき、増倍率が小さくなる。

本発明によるリニアポストレギュレーションの動作は、（図２及び図３で説明したように）ポストレギュレータ１の損失が最小限に抑えられるようにＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを調節すること、又は高出力電流レベルと低出力電流レベルとの間のより小さい差を達成することによって、すなわち（図４で説明したように）ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤに関する変動のレベルを低くすることによってフリッカを低減することである。図５Ａ及び図５Ｂは、前述のＬＥＤ照明装置２についての電圧波形（それぞれのケースで図の上側部分）及び電流波形（それぞれのケースで図の下側部分）を示す。図５Ａは、「一定損失」モードでのポストレギュレータ１の動作を示し、図５Ｂは「一定フリッカ」モードを示す。ドライバ２１のバス電圧Ｖ_ｂｕｓ及びバス電流Ｉ_ｂｕｓは、ＤＣ成分と、本質的に正弦波のＡＣ成分とを含む。各系統半周期を２つの区間、即ち位相Ｔ_ＬＯ、Ｔ_ＨＩに細分化することができる。

第１の間隔Ｔ_ＬＯでは、バス電圧Ｖ_ｂｕｓが「低」であり、すなわち正弦波バス電圧Ｖ_ｂｕｓの半波がトラフである。この間隔Ｔ_ＬＯの間、第１の制御ループＬ１はトランジスタＱに制御信号Ｑ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}を印加し、したがってトランジスタＱが完全に導通し、トランジスタＱの両端間の電圧降下Ｖ_ＤＳは本質的に０である。この間隔Ｔ_ＬＯの間、得られるＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤも、バス電流Ｉ_ｂｕｓの正弦波形状に追従して、谷又はトラフを示す。

第２の間隔Ｔ_ＨＩでは、バス電圧Ｖ_ｂｕｓが「高」であり、すなわち正弦波バス電圧Ｖ_ｂｕｓの半波がピークである。この間隔の間、トランジスタＱは線形又は定電流モードで、すなわち制御可能な抵抗器として制御され、したがってＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤは一定レベルのままであり、トランジスタＱの両端間に、０でない電圧降下Ｖ_ＤＳがある。この間隔Ｔ_ＨＩの間、得られるＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤは一定である。

図５Ａの左側は、「一定損失」モードで動作している照明装置の耐用年数内の初期の状況を示す。バッファコンデンサＣ_ＢＵＦはその公称値６８μＦを有する。相対的損失は３％であると求められる。この段階では、フリッカ指数は６％であると測定される。照明装置の耐用年数の間、コンデンサは劣化する。本発明によるポストレギュレータは、性能パラメータ入力Ｖ_ｒｅｆに従ってこれを補償する。このことが図５Ａの右側に示されており、照明装置の耐用年数内の後期の状況を示す。バッファコンデンサＣ_ＢＵＦは、その公称値の半分、すなわち３４μＦまで劣化している。本発明のポストレギュレーションのおかげで、相対的損失は依然として、好ましい３％である。このとき、フリッカ指数は１７％であると求められる。言い換えれば、一定損失と引き換えに、フリッカのある程度の増大が受け入れられる。これにより、照明装置の耐用年数の終わりに向かって照明装置のエネルギー消費が低下するからである。そのような一実施形態は、過熱が重大な問題であり、フリッカのわずかな増大は目立たない、熱収支が限られる応用例では好ましい。

図５Ｂの左側は、「一定フリッカ」モードで動作している照明装置の耐用年数内の初期の状況を示す。このケースもやはり、バッファコンデンサＣ_ＢＵＦはその公称値６８μＦを有する。相対的損失は２％であると求められる。この段階では、フリッカ指数は１０％であると測定される。照明装置が「一定フリッカ」モードで動作しているとき、本発明によるポストレギュレータ１は、性能パラメータ入力ΔＩ_ｒｅｆに従ってバッファコンデンサの劣化を補償する。図５Ｂの右側は、照明装置の耐用年数内の後期の状況を示す。バッファコンデンサＣ_ＢＵＦは、その公称値の半分、すなわち３４μＦまで劣化している。本発明のポストレギュレーションのおかげで、フリッカ指数は本質的に一定のままであり、このときは１１％である。相対的損失は５％まで増加している。言い換えると、照明装置の耐用年数の終わりに向かって照明装置による光出力の品質を維持するために、一定フリッカと引き換えに、損失のある程度の増加は受け入れられる。そのような実施形態は、電力消費がどんなケースでも比較的低く、フリッカの増大がユーザにとって目立つことになる、自宅又はオフィス用途の屋内照明などの応用例では好ましい。

図６は、力率１電力変換器についての、本発明によるリニアポストレギュレータによって可能にされたＬＥＤの相対的動作抵抗ｒ＿ｄｙｎ［％］に対する、異なるタイプのＬＥＤに関する相対的ポストレギュレータ損失のグラフを示す。相対的動作抵抗は、全ＬＥＤ順電圧の抵抗部分を表す。相対的動作抵抗１０％（図の左側）は、現在入手可能なミッドパワーＬＥＤを表し、相対的動作抵抗５％（図の右側）は、現在入手可能なハイパワーＬＥＤを表す。将来的には、ＬＥＤの相対的動作抵抗はさらに減少すると予想される。

各ケースでは、相対的損失０％、１％〜５％について曲線のファミリが示されている。相対的損失は、１００パーセントからポストレギュレーションの効率（パーセント）を引いたものと定義することができる。各ケースでのｙ軸は、ＩＥＳＮＡによって定義されるフリッカ指数を表し、ｘ軸［％］に沿った蓄積コンデンサＣ_ＢＵＦの相対的サイズに対してプロットされる。コンデンササイズは、０フリッカのために必要とされる理想的な値に対して正規化され、理想的な第２の段階のケースを表す。０％相対的損失についての曲線は、ポストレギュレーションがない状況を表す。曲線のファミリは、ポストレギュレーション損失をそれと共に制御することのできる基準電圧Ｖ_ｒｅｆの様々な値に関係する。

特性曲線は、フリッカ指数の同じ値を維持しながら、相対的ポストレギュレーション損失のわずか数パーセントの犠牲でコンデンサＣ_ＢＵＦを「縮小」できることを示す。１００ＶのＬＥＤストリングを有する２５Ｗランプの前述の例、及び相対的動作抵抗ｒ＿ｄｙｎ １０％を有するＬＥＤでは、値３９μＦを有するバッファコンデンサＣ_ＢＵＦが値１２０μＦを有するコンデンサＣ_ＢＵＦの代わりに使用されるとき、相対的ポストレギュレータ損失５％を導入する効果と共に、フリッカ指数０．１を維持することができる。本発明によるＬＥＤ照明装置の利点は、フリッカ指数定数を維持するようにポストレギュレータを使用できることであり、これは、予想される経時的な蓄積コンデンサＣ_ＢＵＦの劣化を考えると、著しい改善である。照明装置の耐用年数の終わりに向けたフリッカの増大（これは、構成が一定損失で動作する場合に当てはまる）の代わりに、「一定フリッカ」動作モードは、ポストレギュレーション損失のわずかな増加がバッファコンデンサの劣化するキャパシタンスの効果と相殺することを可能にする。或いは、コンデンサＣ_ＢＵＦのサイズを増大させることなく、フリッカ指数を著しく低減することができる。例えば、相対的動作抵抗ｒ＿ｄｙｎ ５％を有するＬＥＤでは、同じ相対的サイズのコンデンサについて、フリッカ指数を約０．２２から約０．１７に低減することができるが、相対的ポストレギュレーション損失が０％から３％に増加する。このケースでは、ＬＥＤドループに応じて、平均光出力もわずかに増大させることができる。フリッカの低減により、ＬＥＤのより効率的な動作ももたらすことができる。このことは、蓄積コンデンサのサイズの低減、フリッカの低減、及びより予測可能な性能と共に、余分な損失を正当化する。

図７は、ＬＥＤ装置２０を駆動するために単段ドライバ２１が使用される従来技術の実現を示す。ここでもやはり、電力変換器２１は、入力電流基準７０に基づいて平均ＬＥＤ電流Ｉ_７０を制御する。導入部分で説明したように、そのような単段電力変換アーキテクチャは、変換器２１が高い力率で動作しなければならない場合であっても、ＬＥＤ装置２０を駆動するためのコストの理由で好ましい。この結果、ＬＥＤ電流Ｉ_７０上の高いリップル成分が生じ、このリップルはまた、ＬＥＤの発光効率に対して負の効果を有する。望ましくないリップル成分は、サイズ制限、キャパシタンスの不可避な劣化、及びＬＥＤ装置の動作抵抗に関する不確定性のために、ＬＥＤ装置２０と並列な蓄積コンデンサＣ_ＢＵＦによって確実に相殺することができない。

図８は、図７の回路がリニアポストレギュレータ８１によって増強された別の従来技術の実現を示し、その目的は、電力変換器２１がＬＥＤ装置２０に対する供給電圧を制御しながら、ＬＥＤ電流Ｉ_８０を制御することである。ＬＥＤ両端間の電圧降下が値Ｖ_ｄｒｏｐによって示され、リニアポストレギュレータ８１の両端間の電圧降下が値Ｖ_ｒｅｇによって示される。リニアポストレギュレータ８１は電流基準信号８０を受け取り、リニアポストレギュレータ８１のトランジスタによって提示される抵抗を調節することによってＬＥＤ電流Ｉ_８０を調節する。一般には、トランジスタは、Ｖ_ｒｅｇ／Ｉ_８０によって与えられる値を有する制御可能な抵抗を形成する。しかし、知られたタイプのリニアポストレギュレータ８１は、トランジスタによって放散される電力、すなわちＩ_８０・Ｖ_ｒｅｇのために、比較的高い損失によって特徴付けられる。電力変換器の出力電圧が固定されるので、電力変換器の出力電圧をＶ_ｄｒｏｐよりも常に高くなるように設計しなければならないからである。したがって、温度変動、ビンニング、エージングなどによるＶ_ｄｒｏｐの任意の公差の結果、Ｖ_ｒｅｇの増加、したがって損失の増加となる。

本発明を好ましい実施形態及びそれに対する変形形態の形で開示したが、本発明の範囲から逸脱することなく、それに対する多数の追加の修正形態及び変形形態を作成できることを理解されよう。例えば、上記で示したように、ポストレギュレータがＬＥＤ装置のアノードに接続されるように、電力変換器とＬＥＤ装置との間にポストレギュレータを配置することができる。

明確にするために、本願の全体にわたる「ａ」又は「ａｎ」の使用は複数を除外せず、「備える」、「含む」は他のステップ又は要素を除外しないことを理解されたい。「ユニット」又は「モジュール」の言及は、複数のユニット又はモジュールの使用を除外しない。

Claims (13)

1. ＬＥＤ照明装置内での使用のためのリニアポストレギュレータであって、
   ＬＥＤ照明負荷の端子と前記ＬＥＤ照明装置の電力変換器との間の接続のための制御ループカスケードと、
   前記ＬＥＤ照明負荷を流れるＬＥＤ電流を調節するためのトランジスタと、
   基準電流への接続のための第１の入力部と、
   基準電流リップルへの接続のための第２の入力部と、
   前記リニアポストレギュレータの電力制御出力を前記電力変換器に接続するための出力部と
   を備え、
   前記制御ループカスケードが、前記基準電流に基づいて前記ＬＥＤ電流を調節し、前記基準電流リップルに基づいて前記ＬＥＤ照明装置の電流リップルを調節するための、少なくとも２つの相互接続された制御ループを備える、リニアポストレギュレータ。
2. 前記基準電流リップルが基準電圧を含み、前記制御ループカスケードが、前記基準電圧に基づいて前記電力変換器の出力電圧を調節する、請求項１に記載のリニアポストレギュレータ。
3. 前記トランジスタに制御信号を供給するための第１の制御ループを備える、請求項１から２のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータ。
4. 前記基準電流及び前記トランジスタを流れる電流に基づいて第１のループ基準電流を生成するための第２の制御ループを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータ。
5. 前記制御信号が、前記第２の制御ループによって供給される前記第１のループ基準電流に基づいて生成される、請求項３に従属する請求項４に記載のリニアポストレギュレータ。
6. 前記基準電流リップルと、前記リニアポストレギュレータの両端間の電圧とに基づいて前記電力変換器に電力制御出力を供給するための第３の制御ループを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータ。
7. 前記トランジスタが、ＭＯＳＦＥＴ、好ましくはｎチャネルデプレッションモードＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータ。
8. 制御ループが複数の演算増幅器を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータ。
9. 電源に接続するための単段電力変換器と、
   複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明負荷と、
   前記ＬＥＤ照明負荷の端子と前記単段電力変換器の端子との間に接続された、請求項１から８のいずれか一項に記載のリニアポストレギュレータと、
   基準電流及び基準電流リップルを前記リニアポストレギュレータに供給するための入力手段と
   を備える、ＬＥＤ照明装置。
10. 前記単段電力変換器が、力率補正を伴うスイッチモード電力変換器を含む、請求項９に記載のＬＥＤ照明装置。
11. 入力手段が前記ＬＥＤ照明装置内のローカル信号源に接続され、及び／又は入力手段がリモート信号源に接続される、請求項９又は１０に記載のＬＥＤ照明装置。
12. ＬＥＤ照明装置のＬＥＤ照明負荷の電流をポストレギュレートする方法であって、
    前記ＬＥＤ照明負荷の端子と前記ＬＥＤ照明装置の電力変換器との間の接続のための、少なくとも２つの相互接続された制御ループの制御ループカスケードと、前記ＬＥＤ照明負荷を流れるＬＥＤ電流を調節するためのトランジスタとを備えるポストレギュレータを設けるステップと、
    基準電流への接続のための第１の入力部を前記ポストレギュレータに設けるステップと、
    基準電流リップルへの接続のための第２の入力部を前記ポストレギュレータに設けるステップと、
    前記基準電流に基づいて前記ＬＥＤ電流を調節し、前記基準電流リップルに基づいて前記ＬＥＤ照明装置の電流リップルを調節するために、前記制御ループカスケードを適用するステップと
    を含む、方法。
13. 前記基準電流リップルが基準電圧を含む場合、前記ポストレギュレータの調節損失が、前記制御ループカスケードの制御ループからの電力制御出力に基づいて制御される、請求項１２に記載の方法。

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