JP7190451B2 - Ledを駆動するための方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、LED用の照明ドライバの分野に関する。
固体照明ユニット、特にLEDベースの照明器具は、家庭、オフィス、及び他の建物においてますます普及している。それらの高い効率に加えて、それらはまた、新たな設計特徴、種々の色温度、調光能力などによっても、消費者を引き付けている。
LEDの調光を可能にするために、様々な方法が採用されている。例えば、LEDのオン又はオフ状態は、パルス幅変調(pulse-width modulation;PWM)方式に従って動作する、パルス幅変調信号によって制御されてもよい。あるいは、LEDの照明ドライバは、LEDに供給される平均電圧/電流を変更するように適合されている、スイッチング電源を備えてもよい。特に有利な実施形態は、LED出力に対する制御のレベルの向上をもたらすために、及び、極めて深い調光を可能にするために、これらの方法の双方を採用する。
しかしながら、スイッチング電源によってLEDに供給される電力のヒステリシスにより、低調光レベルにおいて問題が生じる恐れがある。特に、PWM信号のパルス幅が低い場合(例えば、低調光時に)、PWM信号の各パルスが、LEDを通る異なる平均電流に関連付けられることになり、LEDのフリッカをもたらす。
スイッチング電源の、より高いスイッチング周波数及び/又はより低いヒステリシスは、このLEDのフリッカを減少させることができるが、著しいエネルギー損失をもたらし得る。(例えば、スイッチング電源のイネーブルピンを使用する)スイッチング電源のスイッチングに対するPWM信号の同期は、代替的ソリューションであるが、これは、著しい起動遅延を引き起こし得る。更には、PWM信号の最大デューティサイクルが制限されることになり、LEDのエネルギー損失の増大を引き起こす。
本発明は、請求項によって定義される。
本発明の一態様による実施例によれば、LEDを有する照明構成用のLED照明ドライバが提供され、LEDのオン又はオフ状態は、照明制御信号によって制御される。LED照明ドライバは、スイッチング電源を備え、当該スイッチング電源は、照明構成に接続可能なインダクタであって、インダクタを通る電流が、照明構成を通る電流を規定する、インダクタと、スイッチングレギュレータを使用して、インダクタ及び照明構成を通る電流を所定の範囲内に維持するように適合されている、一次制御システムとを含む。LED照明ドライバはまた、LEDの所望のオフ-オン遷移を示す補助制御信号を受信するように、及び、LEDをオン状態に切り替える要求を示す補助制御信号に応答して、一次制御システムをオーバーライドし、インダクタを通る電流を変更するように適合されている、補助制御システムも備える。LED照明ドライバはまた、照明制御信号を出力するように、及び、インダクタを通る電流が、補助制御システムによって変更され、所定のレベルに到達していることに応答して、LEDをオン状態に切り替えるべく照明制御信号を制御するように適合されている、照明制御システムも備える。
当該方法は、スイッチング電源とLED制御信号とを同期させることを必要とせずに、LEDの種々のオフ-オン遷移に関して、LEDを通る同じ平均電流が供給される結果をもたらす。このことは、LEDのフリッカの低減をもたらす。
具体的には、(例えば、パルス幅変調方式に従って、又はLEDの起動時に)LEDをオンに切り替えることが所望されると、スイッチング電源が、二次制御システム及び照明制御システムによって遮断される。二次制御システムは、インダクタを通る電流を、所定のレベルに到達するまで変更する。その後続いて、照明制御システムが、LEDをオンに切り替える。
それゆえ、LEDがオフ状態からオン状態に切り替えられる前に、LEDを通る電流が予め決定され得ることにより、LEDのフリッカが存在しないことが確実となる。提案される方法は、低調光レベルにおけるLEDの電流フリッカを低減する、低電力実装を提供する。更には、本方法は、以前に検討された方法よりも、著しく低減された起動時間を有する。
補助制御システムは、インダクタの第1の端部を、基準電圧に選択的に結合するように適合されてもよい。このことは、インダクタを通る電流を制御するための、単純かつ低電力の装置をもたらす。
オプションとして、補助制御システムは、インダクタの第1の端部と基準電圧との間で直列に接続されている、トランジスタ及び抵抗器を含む。それゆえ、補助制御システムは、インダクタを通る電流を制御するための電流源を含んでもよい。
一部の実施形態では、照明ドライバは、スイッチング電源が、インダクタの第1の端部と照明構成との間に結合されているダイオードを含むように適合されており、インダクタの第2の端部は、照明構成に結合され、スイッチング電源の一次制御システムは、インダクタの第1の端部を、基準電圧に選択的に結合するように適合されている。
それゆえ、照明ドライバは、LEDを通る電流を制御するように適合されている、バックコンバータを備えてもよい。そのような実施形態は、LEDを通る電流及びLEDの両端間の電圧を調整するための、単純かつ低電力のメカニズムを提供する。
補助制御信号及び/又は照明制御信号は、オプションとして、LEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号である。照明制御信号はまた、補助制御信号と同じ周波数を有する、パルス化信号であってもよい。
それにより、LEDは、パルス幅変調方式に従って制御されてもよい。このことは、LEDの調光能力に対する著しいレベルの制御を可能にすると共に、LEDのフリッカを最小限に抑える。本発明の利点は、LEDがパルス幅変調方式に従って制御される場合に、特に顕著であるが、これは、オン状態のパルスの平均電流が、連続するオン状態のパルスに関して実質的に同じに維持されるためである。
補助制御システムは、照明制御信号がLEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号であり、照明制御信号の所望のパルス幅が所定のパルス幅値を下回る場合にのみ、一次制御システムをオーバーライドするように更に適合されてもよい。
それゆえ、補助制御システムは、LEDの深い調光が所望される場合にのみ、作動してもよい。特に、補助制御方式は、LEDの深い調光が、パルス幅変調方式によって実行される場合にのみ作動する。このことは、調光の影響(LEDのフリッカ)が現れ始める場合にのみ、補助システムが作動されるため、照明ドライバの電力効率を改善する。
所定のパルス幅値は、オプションとして、スイッチング電源のスイッチング周波数に基づいて決定される。例えば、所定のパルス幅値は、スイッチング周波数の逆数(すなわち、スイッチング周期)にほぼ等しいか、又はスイッチング周期の半分、又は場合により、スイッチング周期の4分の1であってもよい。
補助制御システムは、少なくとも照明制御信号がLEDをオン状態に制御する間、インダクタを通る電流を所定のレベルに維持するように更に適合されてもよい。
このことは、LEDがオンである間、LEDを通る電流が一定レベルに保たれ、それにより、LEDのフリッカを更に最小限に抑え、また、より一貫した光の出力を供給することも確実にする。
補助制御システムは、インダクタを通る電流が所定のレベルに到達していることに応答して、一次制御システムをもはやオーバーライドしないように、及び、インダクタを通る電流をもはや変更しないように適合されてもよい。
そのような実施形態は同様に、LEDのフリッカが低減されると共に、例えば補助制御システムによる電流ドレインに起因する、電力損失を最小限にすることを確実にする。
実施形態は、前述のような照明ドライバと、LEDを含む照明構成であって、LEDのオン又はオフ状態が照明制御信号によって制御される、照明構成とを備える、照明器具を提供してもよい。
一部の実施形態では、照明構成は、LEDと並列に接続されているバイパストランジスタを更に含み、バイパストランジスタは、照明制御信号に基づいて、LED内の電流フローを制御するように適合されている。
それゆえ、LEDがオン状態にある(すなわち、電流を伝導しており、光を発している)か、又はオフ状態にある(すなわち、電流を伝導しておらず、光を発していない)かを、最小限の電力ドレイン及び比較的速い起動時間で制御する、単純な方法が提案される。
本発明の一態様による実施例によれば、照明構成のLEDを制御する方法が提供され、LEDのオン又はオフ状態は、照明制御信号によって制御され、当該方法は、一次制御システムを使用して、スイッチング電源のインダクタを通る電流を所定の範囲内に維持するステップであって、インダクタを通る電流が、照明構成を通る電流を規定する、ステップと、LEDの所望のオン又はオフ状態を示す、補助制御信号を受信するステップと、補助制御システムを使用して、LEDをオン状態に切り替える要求を示す補助制御信号に応答して、一次制御システムをオーバーライドし、スイッチング電源のインダクタを通る電流を変更するステップと、照明制御信号を出力するように適合されている、照明制御システムを使用して、補助制御システムがスイッチング電源のインダクタを通る電流を変更していること、及びインダクタを通る電流が所定のレベルに到達していることに応答して、LEDをオン状態に切り替えるように照明制御信号を制御するステップとを含む。
一部の実施形態では、補助制御信号は、LEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号である。
当該方法は、補助制御システムを使用して、少なくとも照明制御信号がLEDをオン状態に制御する間、インダクタを通る電流を所定のレベルに維持するステップを更に含んでもよい。
当該方法は、さもなければ、インダクタを通る電流が所定のレベルに到達していることに応答して、補助制御システムを使用して、一次制御システムをもはやオーバーライドしないステップ、及び、インダクタを通る電流をもはや変更しないステップを含んでもよい。
ここで、本発明の実施例が、添付図面を参照して詳細に説明される。
照明器具の回路図を示す。 パルス幅変調を受けている、照明器具の信号を示す。 パルス幅変調を受けている、照明器具の信号を示す。 パルス幅変調を受けている、照明器具の信号を示す。 一実施形態による照明ドライバを備える、照明器具の回路図を示す。 異なる制御方式による、実施形態による照明ドライバを備える照明器具の信号を示す。 異なる制御方式による、実施形態による照明ドライバを備える照明器具の信号を示す。 別の実施形態による照明ドライバを備える、照明器具の回路図を示す。 一実施形態による方法を示す、フローチャートである。
本発明は、LEDのオン又はオフ状態とLED用のスイッチング電源との非同期制御によって引き起こされる、LEDのフリッカを克服するための、方法及び装置を提供する。スイッチング電源に関する一次制御システムをオーバーライドして、スイッチング電源のエネルギー蓄積インダクタを制御するように適合されている、補助制御システムが設けられる。具体的には、LEDをオンに切り替える指示要求に応答して、補助制御システムが、エネルギー蓄積インダクタ内の電流を所定のレベルに設定する。このようにして、LEDがオンに切り替えられる際に、インダクタを通る電流が既知であり、それによりLEDのフリッカが低減される。
本発明の構想によれば、スイッチング電源を有するLED照明ドライバに関する、補助制御システムが提案される。補助制御システムは、LEDがオン状態に切り替えられる前に、インダクタを通る電流が所定の値にあることを確実にする。このことは、特にLEDがPWM方式に従って制御される場合に、LEDのフリッカが最小限に抑えられることを確実にする。
実施形態は、LEDがパルス化される際に、LEDに供給される電流が設定値又は既知の値にあることが確実にされる場合には、パルス幅変調を受けるLEDのLEDフリッカが、最小限に抑えられ得るという認識に、少なくとも部分的に基づく。それゆえ、LEDに供給される電流のプロファイルは、連続するLEDオン状態パルスに関して、実質的に同じである。
例示的実施形態は、例えば、照明一体型電力アーキテクチャにおいて採用されてもよい。深い調光能力(すなわち、低強度の光出力)を必要とする照明アーキテクチャにおいて、特段の利点が実現される。
本明細書で使用されるとき、LEDの「オン状態」とは、一般に、LEDが電流を伝導して、光を発する状態を指し、LEDの「オフ状態」とは、一般に、LEDが電流を伝導せず、光を発しない状態を指す。
図1は、照明器具1の回路図を示す。照明器具1は、照明構成2と、スイッチング電源4のみで形成されている照明ドライバとを備える。バス電圧源などのDC電源5が、スイッチング電源4に電力を供給する。あるいは、スイッチング電源4は、整流器を含み、AC電源に接続されてもよい。
照明構成2は、LED Dを含み、当該LEDを通る電流は、照明制御信号Sによって制御される。それゆえ、LED Dのオン又はオフ状態が、照明制御信号Sによって制御される。
照明制御信号Sは、LED Dを選択的にバイパスするように適合されている、バイパストランジスタTの動作を制御する。この実施形態の目的上、バイパストランジスタは、pチャネルMOSFETであるが、他のトランジスタが適宜に使用されてもよい。バイパストランジスタTが閉じている(すなわち、照明制御信号Sがlowである)場合、LEDはオフ状態にあり、バイパストランジスタTが開いている(すなわち、照明制御信号Sがhighである)場合、LEDはオン状態にある。
調光を実行するために、LED Dは、照明制御信号Sによってパルス幅変調されてもよい。すなわち、照明制御信号Sは、パルス化信号であってもよく、平均パルス幅が、LEDによる出力光の平均強度に影響を及ぼす。照明制御信号Sの周波数は、パルス幅変調を実行する場合、PWM周波数と呼ばれる。
照明制御信号Sは、照明制御システム(図示せず)によって供給されてもよい。照明制御システムは、例えば、調光器(図示せず)によって供給される調光信号において示されるような、所望の調光レベルに基づいて、照明制御信号を制御してもよい。
スイッチング電源4は、DC電源5と照明構成2との間に接続可能な、DC-DC電力コンバータである。スイッチング電源4は、照明構成2に供給される電圧及び電流を調整する。電流の調整は、照明構成2におけるフリッカを最小限に抑えるために、特に重要である。
スイッチング電源4は、照明構成2に結合可能なインダクタ6を含む。当該インダクタを通る電流(インダクタ電流I)が、照明構成2を通る電流(ライト構成電流I)を規定する。
スイッチング電源4はまた、インダクタ電流Iを制御するように適合されている、一次制御システム7も含む。特に、一次制御システム7は、インダクタ電流Iを既定の範囲内に維持して、それにより、照明構成2を通る電流、及び照明構成2の両端間の電圧を調整する。
スイッチング電源4の動作は、当業者には周知であり、バックコンバータ、ブーストコンバータ、及び/又はバックブーストコンバータを含んでもよい。典型的には、スイッチング電源は、インダクタ6と、インダクタを通る電流を制御するためのスイッチングレギュレータT、Dとを含む。一部の実施形態では、ダイオードDは、同期整流(すなわち、バック)コンバータを作り出すために、能動素子(例えば、BJT又はMOSFET)によって置き換えられてもよい。
とは言え、ここではバックコンバータを含む、スイッチング電源4の簡単な説明が提供される。他のスイッチング電源(例えば、インダクタが、代わりにDC電源5に選択的に結合される場合)が、当業者には周知であろう。
スイッチTが、インダクタ6の第1の端部6Aを、基準電圧(ここでは、接地又はアース)に選択的に結合する。当該スイッチは、バックスイッチング信号Sによって制御される。
インダクタの第1の端部6Aが、基準電圧に保持されている場合(すなわち、スイッチT閉状態)、DC電圧源5が、照明構成2及びインダクタ6を駆動する。インダクタの第1の端部6Aと第2の端部6Bとの間の電圧は負であるが、これは、インダクタが、当該端子の両端間に反対向きの電圧を生じさせるためである。インダクタ6を通る電流、及びインダクタ6によって蓄積される磁場が増大する。バックダイオードD(すなわち、フリーホイールダイオード)は、電流を伝導することはないが、これは、(アノードに接続している)インダクタの第1の端部6Aが、基準電圧に保持されているので、(ダイオードの)アノードにおける電圧が、カソードにおける電圧よりも低いためである。それゆえ、電流経路は、電圧源5から、照明構成2を通り、インダクタ6を通り、スイッチTを通って、基準電圧に至るように存在している。
インダクタの第1の端部6Aが、基準電圧に保持されていない場合(すなわち、スイッチT開状態)、インダクタによって保持されていた磁場が崩壊する。インダクタの極性が反転して、インダクタは、照明構成1に対する電流源として機能する。具体的には、電流フローが、第1の端部6Aから、バックダイオードDを通り、照明構成2を通って、インダクタ6の第2の端部6Bへと供給される。インダクタ6を横断する電流は、磁場が崩壊するにつれて徐々に減少する。インダクタ6の第1の端部6Aと第2の端部6Bとの間の電圧は、正である。
このようにして、インダクタを横断し、それにより照明構成を通る電流は、インダクタの端部を基準電圧に選択的に結合することによって制御されてもよい。特に、バックスイッチング信号Sは、インダクタ電流Iの上昇及び下降を制御し、それにより、照明構成Iを通る電流を制御する。照明構成を通る電流は、実質的に一定となるように、所定の範囲内に維持される。
スイッチTの動作(すなわち、バックスイッチング信号S)は、照明構成を通って流れる電流Iを監視する、電流モニタ8によって制御される。この監視は、照明構成2に直列に接続されている感知抵抗器Rの両端間の電圧(インダクタ電流Iに比例するもの)を測定することによって、実行されてもよい。感知抵抗器の両端間の電圧が、第1の所定の値を超えて上昇する場合、スイッチTは、インダクタの第1の端部6Aを、基準電圧から切り離してもよい。感知抵抗器Rの両端間の電圧が、第2の所定の値を下回る場合、スイッチは、インダクタの第1の端部6Aを、基準電圧に結合してもよい。このようにして、電流は、(上位レベル及びより下位レベルを有する)所定の範囲に維持されてもよい。
スイッチング電源4は、それにより、バックスイッチング信号Sの周波数である、バックスイッチング周波数に関連付けられてもよい。バックスイッチング周波数を変更することは、インダクタ電流Iのヒステリシスを変更し、逆もまた同様である。例えば、ユーザ/コントローラは、所望のインダクタ電流I、又はインダクタ電流の所望のヒステリシス(すなわち、所定の範囲)を入力することが可能であってもよく、スイッチング周波数は、それに応じて変更されてもよい。スイッチング周波数はまた、(照明構成に供給される)可変出力電圧、並びに、電圧源5の入力電圧及びインダクタ6の値によっても決定される。
電流モニタ8は、第1の所定の値及び/又は第2の所定の値、あるいは所定の範囲の上位レベル/下位レベルを変更することによって、インダクタ電流Iの所定の範囲を変更してもよい。それにより、電流モニタは、照明構成2を通る電流を調節することができる。このことは、LEDに利用可能な最大電圧を制御することによって、LED Dの調光を制御するために使用されてもよい。そのような調光制御は、例えば、LEDの適切なパルス幅変調によってもたらされる調光を補完し得る。
スイッチT及びバックダイオードDは、合わせてスイッチングレギュレータと見なされてもよい。
典型的には、バックスイッチング周波数(例えば、約200kHz)は、照明制御信号SのPWM周波数(例えば、約1kHz)よりも遥かに高い。しかしながら、極めて低い調光レベルでは、パルス幅変調された照明制御信号Sのパルス持続時間は、スイッチング電源のスイッチング周期(バックスイッチング周波数の逆数)に近づくか、又は下回ることになる。このバックスイッチング周波数のアンダーサンプリングは、LED Dの連続するオン状態パルスに関する(LED Dを通る)低周波電流変動、またそれゆえ、可視のフリッカを引き起こすことになる。
スイッチング電源と照明制御信号との非同期動作は、照明制御信号の極めて小さいデューティサイクルに起因する、低強度におけるLEDのフリッカをもたらす。それゆえ、スイッチング電源と照明制御信号との同期を提供することが有利である。
この問題は、低調光の間の照明器具1の電流を示す、図2、図3、及び図4を参照して、より明らかにされる。これらの図によって示されるシナリオでは、LEDの「オン時間」を規定する、照明制御信号Sのパルス幅は、バックスイッチング信号Sのスイッチング周期よりも著しく小さい。
図2は、上限I及び下限Iを有する所定の範囲内で電流調整を受けている、インダクタ電流Iを示す。すなわち、インダクタ電流Iは、一次制御システム7によって、下限Iと上限Iとの間で交番される。特に、一次制御システムは、インダクタの充電段階とインダクタの放電段階とを切り替える。このことは、平均インダクタ電流IAV、並びに、照明構成に供給される平均電圧を維持する。
図2はまた、LEDのオン又はオフ状態を規定する、照明制御信号Sも示している。すなわち、照明制御信号Sがhighである場合、LEDはオン状態にあり、光を発する。照明制御信号Sがlowである場合、LEDはオフ状態にあり、光を発しない。
図3及び図4は、インダクタ電流I、LED Dを通る電流(LED電流IDL)、及び照明制御信号Sを示している。照明制御信号Sがトリガされると、LED Dがオンに切り替えられる前に、小さい遅延が存在する。LED Dがオンに切り替えられると、LED電流IDLが、インダクタ電流Iを追跡する。
第1のシナリオ21(図3)では、バックスイッチング信号Sが、インダクタ電流Iを上昇させるように制御した直後に、照明制御信号Sがトリガされており、第2のシナリオ22(図4)では、バックスイッチング信号Sが、インダクタ電流Iを上昇させるように制御する直前に、照明制御信号Sがトリガされている。バックスイッチング信号S及び照明制御信号Sが、互いに非同期である場合には、これらの2つのシナリオは、図2に示されるように、互いに極めて近接して(例えば、照明制御信号Sの連続するパルス21、22で)発生し得る。
照明制御信号の2つのパルス21、22の間には、バックスイッチング信号Sの多くのサイクルが(例えば、周波数の差により)存在し得る。このことにより、バックスイッチング信号Sと照明制御信号Sとの位相関係を予測することが困難になる。
LED「オン状態」の間の、LED電流IDLの平均が、2つのシナリオにおいて異なることは明らかである。このことは、ヒステリシスを誘導するスイッチングレギュレータの制御によって引き起こされる、インダクタを通る電流の変動と、LEDの相対的に短いオン状態周期とによるものである。それゆえ、バックスイッチング信号と照明制御とが非同期である場合には、照明制御信号Sの各パルスに関する平均LED電流が異なり得ることにより、LEDのフリッカが生じる。
図5は、本発明の一実施形態による照明ドライバ9を備える、照明器具10を示す。照明器具10は、照明構成2を備え、照明ドライバは、前述のようなスイッチング電源4を含む。電圧源5が、スイッチング電源4にDC電力を供給する。
スイッチング電源4は、照明ドライバ1と同じ方式で動作するものであり、簡潔性のために繰り返されないものとする。シャントスイッチングが、照明構成の輝度を制御するために適用され得るため、スイッチング電源は、コンデンサを含まなくてもよい点に留意されたい。照明構成2もまた、同様の方式で動作するものであり、照明制御信号Sによって制御されるLED Dを含む。
照明構成2は、第2のLED DL2及び第3のLED DL3などの、1つ以上の更なるLEDを含んでもよい。更なるLEDのそれぞれは、対応の制御信号によって制御されてもよい。例えば、第2のLED DL2は、(第2のバイパストランジスタTL2の動作を制御する)第2の照明制御信号SL2によって制御されてもよく、第3のLED DL3は、(第3のバイパストランジスタTL3の動作を制御する)第3の照明制御信号SL3によって制御されてもよい。一部の実施形態では、各LEDは、同じ照明制御信号によって制御される。
一部の実施形態では、照明構成のLEDは、それぞれの制御信号によって制御される、青色LED、赤色LED、及び緑色LEDを含んでもよい。このことは、照明構成の特定の色が供給されることを可能にするであろう。
異なるLEDは、照明構成によって出力される光スペクトルの様々な態様の調光を可能にするために、異なる方法で制御されてもよい。例えば、橙色光を出力することが所望される場合には、赤色LEDは、オン状態に維持されてもよく、青色LEDは、オフ状態に維持されてもよく、緑色LEDは、僅かに暗くなるように照明制御信号によってパルス幅変調されてもよい。
照明制御信号は、パルス幅変調方式に従ったパルス化信号であってもよい。このようにして、照明制御信号は、照明構成によって出力される光の平均強度を制御することができる。
照明ドライバ10は、スイッチング電源4の一次制御システム7をオーバーライドするように適合されている、補助制御システム12を備える。
補助制御システムは、インダクタ6の第1の端部6Aを、基準電圧(例えば、アース又は接地)に制御可能に結合するように適合されている。それゆえ、補助制御システム7は、スイッチTがインダクタ電流Iを制御する方式と殆ど同様に、インダクタ電流Iを制御することができる。
好ましくは、補助制御システム12は、直列に接続されている補助トランジスタTSUP及び補助抵抗器RSUPを含む。補助制御信号SSUPが、補助トランジスタTSUPの動作を制御する。それにより、補助制御信号SSUPは、インダクタ電流Iに対する補助制御を提供する。補助制御システム12は、線形電流源として機能する。
最大可能インダクタ電流Iは、補助制御システムによって制御される場合、電圧源5及び補助抵抗器RSUPの値によって規定される。インダクタ6の充電時間は、補助抵抗器RSUP及びインダクタ6の時定数によって規定される。
照明ドライバ10はまた、照明制御システム11も備える。照明制御システム11は、照明構成2のLED Dに関する照明制御信号Sを出力するように適合されている。それゆえ、照明制御システムは、LEDのオン又はオフ状態を制御し、それにより、例えばパルス幅変調方式を使用することによって、LEDによって出力される光のレベルを制御してもよい。
補助制御システムの動作は、補助コントローラによって制御される。ここでは、補助コントローラは、照明制御システムの一態様として組み込まれている。それゆえ、照明制御システム11はまた、補助制御信号SSUPも出力する。他の実施形態では、別個の補助コントローラが、補助制御システムの動作を制御する。
補助制御信号SSUPに応答して、補助制御システムは、一次制御システム7をオーバーライドして、インダクタ電流Iを制御する。
照明制御システム11は、補助制御システムがインダクタ電流を所定の値に到達させることに応答して、LED Dをオン状態に制御するように適合されている。すなわち、照明制御システムは、補助制御システムによって制御されるようなインダクタ電流に基づいて、照明制御信号Sを制御する。それゆえ、照明制御システムは、インダクタ電流が、補助制御信号SSUPによって制御されるような所定の値に到達することに応答して、LED Dをオン状態に切り替えるように制御される。
このように、補助制御信号SSUPは、LEDをオフ状態からオン状態に切り替える要求を示すものと見なされる。それゆえ、補助制御信号SSUPは、LEDのオフ-オン遷移を示すものである。補助制御信号SSUPは、それにより、光指示信号として機能し得る。
照明制御システム11は、例えば、補助抵抗器RSUP及び/又は感知抵抗器Rの両端間の電圧を監視することによって、インダクタ電流Iを監視してもよい。一部の実施形態では、照明制御システム11は、インダクタ電流Iの指標を提供する、一次電源の電流モニタ8からの信号を受信してもよい。
あるいは、照明システム11は、補助制御システムの所定の動作時間(例えば、補助制御信号SSUPがhighである時間)の後に、インダクタ電流Iが、所定の値に成功裏に到達していると想定してもよい。この時間は、インダクタ6及び補助抵抗器RSUPの時定数(T)に基づいて算出されてもよい。
最も低いLEDフリッカのためには、補助制御信号の最小パルス幅は、時定数Tの約3倍とするべきである。さもなければ、異なる電流設定によりフリッカがもたらされる可能性が残る。
例えば、インダクタの値が100μHであり、補助抵抗器の値が47Ωである場合には、2.13μsの時定数が存在し、それゆえ、約6μsで、インダクタ電流Iの所定の値が到達されたと想定されてもよい。
照明ドライバ9の損失を更に低減するために、補助制御システム7は、LED構成の深い調光時にのみ動作するように適合されてもよい。
特に、補助制御システム12は、LED Dに関する所望のPWM方式のパルス幅が、所定の値を下回る場合にのみ、動作可能であるように適合されてもよい。それゆえ、補助制御信号は、LEDの所望のPWM周波数又はパルス幅が、所定の値を下回る場合にのみ、補助制御システムを制御してもよい。この所定の値は、スイッチング電源のスイッチング周波数によって規定されてもよいが、これは、PWM照明制御信号のパルス幅が、スイッチング電源のスイッチング周期よりも著しく小さい場合に、LEDフリッカの影響が主に観察されるためである。
他の実施形態では、補助制御システム12は、照明構成の所望の調光レベルに基づいて(例えば、調光器から受信される信号に基づいて)動作するように適合されている。例えば、所望の調光レベルが所定の値を下回る場合には、このことにより、補助制御システム12を動作可能にさせてもよい。
上記では、補助制御信号SSUPは、LEDの所望のオン又はオフ状態に従って、特に、LEDのオフ-オン遷移を示すための、LEDをオフ状態からオン状態に切り替える要求に従って制御される。それゆえ、補助制御信号SSUPは、LEDの所望のオン又はオフ状態を示すものと見なされてもよい。
前述のように、補助コントローラが、補助制御信号を出力及び変更する。ここでは、補助コントローラは、照明制御システム11の一態様である。しかしながら、他の実施形態では、補助コントローラは、照明ドライバ9の別個の構成であってもよい。
補助制御信号SSUPは、LED Dの所望の光出力を示す、光指示信号又は調光信号に基づいて生成されてもよい。
例えば、照明制御システム11は、LED Dの所望の調光レベルを示す、調光器(図示せず)からの調光信号を受信してもよい。照明制御システム11は、光変調方式(例えば、PWM方式)に従って、所望の調光レベルに基づく補助制御信号SSUP及び照明制御信号Sを生成してもよい。
更に他の実施形態では、光指示信号は、既存の光コントローラによって照明制御システムに供給されてもよい。既存の光コントローラは、例えば、変調方式に従って照明構成の動作を従前に制御していた、光コントローラであってもよい。照明制御システム11又は他の補助コントローラは、補助制御信号SSUP及び/又は照明制御信号Sを適切に制御するために、そのような光指示信号を受信してもよい。
それゆえ、既存の光コントローラ(図示せず)は、例えば、LED Dに関する適切なパルス幅変調方式を決定するように、調光信号又は他の光強度信号を処理してもよい。補助制御信号は、決定されたパルス幅変調方式と同じ周波数を有するように制御されてもよく、照明制御信号は、決定されたパルス幅変調方式と同じ周波数及びパルス幅を有してもよい(決定されたPWM方式に従ってLEDが動作することを確実にするため)。
それゆえ、実施形態は、既存の照明システムに導入されることにより、有利には、既存の照明器具システムにおける後方互換性を可能にしてもよい。
一般的に言えば、照明制御システム11及び/又は補助コントローラは、所望のパルス幅変調方式若しくはLEDのオン/オフ状態に従って、補助制御信号SSUP及び照明制御信号Sを出力してもよい。
一部の実施形態では、照明制御システム11又は他の補助コントローラは、LEDに関するPWM方式の所望のパルス幅が、所定のパルス幅の長さを下回る場合にのみ、補助制御システムの動作を制御するように適合されている。好ましくは、このパルス幅の長さは、スイッチング電源のバックスイッチング信号Sのスイッチング周波数に基づいて決定される。
例えば、所望のパルス幅の長さが、バックスイッチング信号Sの周期(すなわち、スイッチング周波数の逆数)未満(例えば、半分未満又は4分の1未満)である場合には、照明制御システムは、補助制御システムの動作を制御し、そうではない場合には、照明制御システムは、補助制御システムの動作を制御しない。
一部の実施例では、それにより、照明制御システム11は、補助制御システムが作動されることなく、照明構成に照明制御信号を出力してもよい。
照明制御システム11の制御方式が、照明ドライバ10の様々な信号を示す図6を参照して説明される。
図6は、LED Dをオンに(すなわち、オフ状態からオン状態に)切り替えることが所望されるシナリオを示している。このシナリオは、LED Dに関するパルス幅変調方式に従うものか、又は場合により、照明構成の初期起動時であってもよい。(例えば、調光器又は既存の光制御構成からの)光指示信号が、LEDの所望のオン又はオフ状態の指示を提供してもよい。
図6は、インダクタ電流I、補助制御信号SSUP、照明制御信号S、及びLED電流IDLを示している。
LEDをオン状態に切り替えることが所望されると、時間tにおいて、補助制御信号SSUPがhighにトリガされる。このことは、補助制御システム12に、一次制御システム7をオーバーライドさせて、インダクタ電流6を上昇させる。
インダクタ電流Iが、時間tにおいて、所定の値IMAXに到達すると、補助制御信号SSUPがオフに切り替えられ、照明制御信号Sがhighに送られる。このことは、LED Dを通って電流を流れさせ、それにより、LED電流IDLの存在を生じさせる。
照明制御信号Sのパルス幅が、LED Dによって出力される光の平均強度を制御する。
インダクタ電流Iは、LED Dがオンに切り替えられる際に、所定の値IMAXにあることが明らかであろう。このことは、LED電流IDLの平均が、照明制御信号の連続するパルスに関して、またそれにより、連続するLED Dオン状態パルスに関して、同じ定数となることを結果としてもたらす。それにより、LEDのフリッカが最小限に抑えられる。
インダクタ電流Iが所定の値に到達した場合に、補助制御システムをオフに切り替えること(すなわち、補助制御信号SSUPをlowに送ること)は、補助制御システムによって(例えば、補助抵抗器RSUPの負荷を駆動することによって)引き起こされる電力損失を最小限に抑える。
補助制御システム12が、オフに切り替えられると、一次制御システム7は、インダクタ電流Iを所定の範囲内に維持するように、スイッチングレギュレータT、Dを使用してインダクタ電流Iを調整することを再開する。
インダクタ電流Iの所定の値IMAXは、好ましくは、一次制御システムによって制御されるインダクタ電流Iの所定の範囲の上限I以上である。このインダクタ電流Iは、スイッチング電源4の電流モニタ8によって感知されることになり、スイッチTのオン切り替えを防止することになる。
値IMAXが、上限Iを上回る場合には、所定の値IMAXに到達すると、バックコンバータのスイッチTがオフに切り替えられて、全てのインダクタ/照明構成電流が、トランジスタ-抵抗器の組み合わせを通って流れる、安定状態が存在することになる。IMAXに関する値が、上限Iよりも低い場合には、IMAXに到達するまで、スイッチTはオンに留まり得る。このことは、電流リップルを効果的に低減することになるが、電流リップルをゼロにはし得ない。それゆえ、所定の値IMAXが所定の範囲の上限Iよりも大きいことを、確実にすることが好ましい。
上記から、補助抵抗器RSUP及びインダクタ6の時定数が、照明制御信号SのPWM周波数及び/又は最大パルス幅を制約し得ることが明らかであろう。これは、LED Dのオン状態をパルス化する前に、所定の値IMAXまでインダクタ電流Iを充電する必要があるためである。
図7は、照明制御システム11に関する代替的制御方式を示す。図7は、インダクタ電流I、補助制御信号SSUP、及び照明制御信号Sを示している。
時間t以前は、インダクタ電流は、highレベルとlowレベルとの間で(すなわち、所定の範囲内で)交番するように、一次制御システム7によって調整されている。
時間tにおいて、LEDをオン状態に切り替えることが所望される。補助信号SSUPが、highにトリガされ、インダクタ電流Iが、(補助制御システム12によって制御されるように)増加し始める。
時間tにおいて、インダクタを通る電流は、所定の値IMAXに到達している。しかしながら、先行の制御方式とは対照的に、補助信号SSUPはオフに切り替えられず、インダクタ電流Iは、所定の値IMAXに保持される。次いで、照明制御信号Sが、(例えば、PWM方式に従って)オンに切り替えられることができる。
補助制御信号SSUPは、LED Dがオンであり、照明制御信号Sがhighである間、インダクタ電流を所定の値IMAXに維持する。それゆえ、LED Dのオン状態の間、LED電流IDLは一定であり、それにより、LEDのフリッカを更に最小限に抑える。
時間tにおいて、補助制御信号SSUPがlowに送られ、一次制御システム7は、highレベルとlowレベルとの間でインダクタ電流Iを交番させることを再開する。
それゆえ、補助制御信号SSUPは、LED Dの所望の照明方式に従って制御される。特に、LED Dをオン状態に切り替えることが所望されると、補助制御信号が、補助制御システムをオンに切り替え、インダクタ電流Iを所定の値に設定する。その後続いて、照明制御信号Sが、所望の照明方式に従ってトリガされ、それにより、LED Dの出力を制御する。
一部の実施形態では、LEDは、パルス幅変調方式に従って制御される。そのような実施形態では、補助制御信号の周波数と照明制御信号の周波数とは、同じである。照明制御信号のデューティサイクルは、所望の照明強度に従って変化し得る。補助制御信号のデューティサイクルは、バック制御信号Sに従って変化するその時点インダクタ電流Iに依存するため、動的に変化し得る。
少なくとも1つの実施形態では、補助制御信号SSUPは、パルス幅変調された照明制御信号Sの各パルスの前の、少なくとも所定の時間にわたって、補助制御システムの動作を制御する。例えば、この所定の時間は、インダクタ及び補助抵抗器RSUPの時定数Tに基づいて算出されてもよい。最も低いLEDフリッカのためには、最小限の所定の時間は、この時定数Tの約3倍、例えば、時定数Tの約4倍とするべきである。
図8は、別の実施形態による照明ドライバ20の回路図を示す。照明ドライバ20は、僅かに修正された照明ドライバ10から成る。同じ構成要素又は同様の構成要素の説明は、簡潔性のために繰り返されない。
補助制御システム12には、シャントレギュレータDSUPが更に設けられている。このシャントレギュレータは、補助トランジスタTSUPが、当該線形領域内で動作することを確実にするように適合されている。そのようなシャントレギュレータを設けることにより、インダクタ電流が所定の値に到達するための整定時間が短縮する。当該整定時間は、補助制御システム7が、インダクタIを充電するために要する時間の長さである。
そのような実施形態は、電力損失を低減するために特に有益である。更には、このことは、得られるインダクタ電流が、例えば、スイッチング電源の適切なシャントスイッチングにより変化し得る、照明構成2の両端間の電圧には、依存しないことを確実にする。スイッチング電源のシャントスイッチングは、例えば、照明構成によって出力される光の強度を変更するために実行されてもよい。
一部の実施形態では、照明システム11が、補助制御信号SSUP及び照明制御信号Sの双方を供給するではなく、補助制御信号SSUPは、照明構成を制御することを目的とする既存の(すなわち、既知のデバイスからの)光制御信号から導出されてもよい。照明制御システム11は、既存の光制御信号及び/又は導出された補助制御信号を受信して、照明構成に照明制御信号をいつ出力するべきかを決定してもよい。
それゆえ、既存の照明制御信号が傍受されて、補助制御システム及び新たな照明制御信号を生成するために使用されてもよい。既存の照明制御信号は、PWM方式に従ったパルス化信号であってもよい。新たな照明制御信号は、例えば、既存の照明制御信号と同じパルス幅及び同じ周波数を有してもよいが、補助制御システムによって引き起こされるインダクタの充電を考慮に入れて、位相シフトされる。
位相シフトは、所定の時間、例えば、補助制御信号がhighである所定の時間によるものであってもよい。あるいは、位相シフトの量は、照明制御信号の連続サイクルにわたって動的であってもよく、補助制御システムの整定時間に応じて決定されてもよい。
電流モニタ8、補助制御システム12、及び照明制御システム11は、単一のコントローラ又はマイクロコントローラとして形成されてもよい。このことは、照明ドライバ10のエネルギー使用量を更に減少させる。
図9は、LEDのオン又はオフ状態が照明制御信号によって制御される、一実施形態によるLEDを制御する方法90を示す。当該方法は、一次制御システムを使用して、スイッチング電源のインダクタを通る電流を所定の範囲内に維持するステップ91であって、インダクタを通る電流が、照明構成を通る電流を規定する、ステップ91と、LEDの所望のオフ-オン遷移を示す、補助制御信号を取得するステップ92と、補助制御システムを使用して、LEDをオン状態に切り替える要求を示す補助制御信号に応答して、一次制御システムをオーバーライドし、スイッチング電源のインダクタを通る電流を変更するステップ93と、照明制御信号を出力するように適合されている、照明制御システムを使用して、補助制御システムがスイッチング電源のインダクタを通る電流を変更していること、及びインダクタを通る電流が所定のレベルに到達していることに応答して、LEDをオン状態に切り替えるように照明制御信号を制御するステップ94とを含む。
上述のように、実施形態は、コントローラを利用する。コントローラは、必要とされる様々な機能を実行するために、ソフトウェア及び/又はハードウェアを使用して、数多くの方法で実装されることができる。プロセッサは、必要とされる機能を実行するように、ソフトウェア(例えば、マイクロコード)を使用してプログラムされてもよい、1つ以上のマイクロプロセッサを採用する、コントローラの一例である。しかしながら、コントローラは、プロセッサを採用して、又はプロセッサを採用せずに実装されてもよく、また、一部の機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ(例えば、1つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ、及び関連回路)との組み合わせとして実装されてもよい。
本開示の様々な実施形態で採用されてもよいコントローラ構成要素の例としては、限定するものではないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(application specific integrated circuit;ASIC)、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(field-programmable gate array;FPGA)が挙げられる。
様々な実装形態では、プロセッサ又はコントローラは、RAM、PROM、EPROM、及びEEPROM(登録商標)などの、揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリなどの、1つ以上の記憶媒体と関連付けられてもよい。これらの記憶媒体は、1つ以上のプロセッサ及び/又はコントローラ上で実行されると、必要とされる機能を実行する、1つ以上のプログラムでエンコードされてもよい。様々な
記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよく、あるいは、それらの記憶媒体上に記憶されている1つ以上のプログラムが、プロセッサ又はコントローラ内にロードされることができるように、可搬性であってもよい。
図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する他の変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「備える(comprising)」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「1つの(a)」又は「1つの(an)」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

  1. 照明構成と、LED照明ドライバとを備える照明器具であって、
    前記照明構成が、
    LEDであって、前記LEDのオン又はオフ状態が照明制御信号によって制御される、LEDと、
    前記LEDと並列に接続されているバイパストランジスタであって、前記照明制御信号に基づいて、前記LED内の電流フローを制御するように適合されている、バイパストランジスタと、を備え、
    前記LED照明ドライバが、
    スイッチング電源であって、
    前記照明構成に接続されているインダクタであって、前記インダクタを通る電流が、前記照明構成を通る電流を規定する、インダクタと、
    スイッチングレギュレータを使用して、前記インダクタ及び前記照明構成を通る電流を所定の範囲内に維持するように適合されている、一次制御システムと、を含む、スイッチング電源と、
    補助制御システムであって、
    前記LEDの所望のオフ-オン遷移を示す補助制御信号を受信するように、及び、
    前記LEDをオン状態に切り替える要求を示す前記補助制御信号に応答して、前記一次制御システムをオーバーライドし、前記インダクタを通る電流を所定のレベルに変更するように適合されている、補助制御システムと、
    前記照明制御信号を出力するように、及び、前記インダクタを通る前記電流が、前記補助制御システムによって変更され、前記所定のレベルに到達していることに応答して、前記LEDをオン状態に切り替えるべく前記照明制御信号を制御するように適合されている、照明制御システムと、を備える、照明器具
  2. 前記補助制御システムが、前記インダクタの第1の端部を、基準電圧に選択的に結合するように適合されている、請求項1に記載の照明器具
  3. 前記補助制御システムが、前記インダクタの前記第1の端部と前記基準電圧との間で直列に接続されている、トランジスタ及び抵抗器を含む、請求項2に記載の照明器具
  4. 前記スイッチング電源が、前記インダクタの第1の端部と前記照明構成との間に結合されている、ダイオードを含み、
    前記インダクタの第2の端部が、前記照明構成に結合されており、
    前記スイッチング電源の前記一次制御システムが、前記インダクタの前記第1の端部を、基準電圧に選択的に結合するように適合されている、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の照明器具
  5. 前記補助制御信号が、前記LEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号であり、オプションとして、前記照明制御信号が、前記補助制御信号と同じ周波数を有するパルス化信号である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の照明器具
  6. 前記補助制御システムが、前記照明制御信号が前記LEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号であり、前記照明制御信号の所望のパルス幅が所定のパルス幅値を下回る場合にのみ、前記一次制御システムをオーバーライドするように更に適合されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の照明器具
  7. 前記所定のパルス幅値が、前記スイッチング電源のスイッチング周波数に基づいて決定される、請求項6に記載の照明器具
  8. 前記補助制御システムが、少なくとも前記照明制御信号が前記LEDを前記オン状態に制御する間、前記インダクタを通る電流を前記所定のレベルに維持するように更に適合されている、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の照明器具
  9. 前記補助制御システムが、前記インダクタを通る前記電流が前記所定のレベルに到達していることに応答して、前記一次制御システムをもはやオーバーライドせず、前記インダクタを通る前記電流をもはや変更しない、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の照明器具
  10. 照明構成のLEDを制御する方法であって、前記LEDのオン又はオフ状態が、照明制御信号によって制御され、
    一次制御システムを使用して、スイッチング電源のインダクタを通る電流を所定の範囲内に維持するステップであって、前記インダクタを通る電流が、前記照明構成を通る電流を規定する、ステップと、
    前記LEDの所望のオフ-オン遷移を示す、補助制御信号を取得するステップと、
    補助制御システムを使用して、前記LEDを前記オン状態に切り替える要求を示す前記補助制御信号に応答して、前記一次制御システムをオーバーライドし、前記スイッチング電源の前記インダクタを通る電流を変更するステップと、
    前記照明制御信号を出力するように適合されている、照明制御システムを使用して、補助制御システムが前記スイッチング電源の前記インダクタを通る前記電流を変更していること、及び前記インダクタを通る前記電流が所定のレベルに到達していることに応答して、前記LEDをオン状態に切り替えるように前記照明制御信号を制御するステップと、を含む、方法。
  11. 前記補助制御信号が、前記LEDに関するパルス幅変調方式に従ったパルス化信号である、請求項10に記載の方法。
  12. 前記補助制御システムを使用して、少なくとも前記照明制御信号が前記LEDをオン状態に制御する間、前記インダクタを通る電流を前記所定のレベルに維持するステップを更に含む、請求項10又は11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記インダクタを通る前記電流が前記所定のレベルに到達していることに応答して、前記補助制御システムを使用して、前記一次制御システムをもはやオーバーライドしないステップ、及び、前記インダクタを通る前記電流をもはや変更しないステップを更に含む、請求項10又は11のいずれか一項に記載の方法。
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