JP7454123B2 - Ｌｅｄ駆動装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ駆動装置及びこれを用いた照明器具に関する。

従来技術として、例えば特許文献１に記載されているように、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子を点灯させる各種の駆動装置が知られている。一般に、この種の従来技術による駆動装置は、スイッチング素子を用いたスイッチング電源を備えている。スイッチング電源には、光源に所望の電流が流れるようにスイッチング素子を駆動制御する制御回路が組込まれている。制御回路は、当該制御回路を駆動するための制御電源（駆動用電源）を必要とする。

このため、特許文献１に記載された従来技術では、リアクトルに２次巻線を設け、当該２次巻線に発生する電圧を整流及び平滑することで制御電源を得るようにしている。また、特許文献１に記載された従来技術では、ＬＥＤの消灯中には電源スイッチ手段またはドロッパを用いて、ＬＥＤの駆動電圧を制御電源として用いるようにしている。ここで図４に、従来技術の電源スイッチ手段を介して制御電源電圧を得るＬＥＤ駆動装置とその負荷（ＬＥＤ）を含めた回路図を示す。
また、人感センサによる待機時には、間欠発振により出力電圧を所定電圧まで下げ、電源スイッチ手段またはドロッパを介して制御電源電圧を確保する。図５に、図４に示す従来技術の回路の各動作を示すタイミングチャートを示す。

特許第６２９６０９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、図５に示すように、電源スイッチ手段の場合には出力電圧であるＬＥＤの駆動電圧と制御電源電圧がほぼ同じ電圧値か、あるいはＬＥＤの駆動電圧が制御電源電圧近傍まで低下してから電源スイッチ手段をオンしなければならない。すなわち、ＬＥＤ消灯開始の時刻ｔ１から、制御電源電圧近傍まで低下する時刻ｔ２まで電源スイッチ手段を介して電源供給が行えないことになる。ＬＥＤ消灯時のＬＥＤの駆動電圧の放電時定数（時刻ｔ１～ｔ２）と制御電源電圧の保持時間との競争になる問題があった。このため、ＬＥＤ消灯時のＬＥＤの駆動電圧を速やかに制御電源電圧近傍まで放電させるため、抵抗とスイッチを組み合わせた放電回路を追加する提案もされているが、放電部品が増えてコストアップになる。
また、特許文献１に記載されたもう一つの従来技術であるドロッパの場合にはＬＥＤの駆動電圧に関わらず即時に制御電源へ供給することが可能である。しかし、ＬＥＤの駆動電圧が制御電源電圧近傍まで低下するまでドロッパ自身の損失となり、ＬＥＤの駆動電圧と制御電源電圧とが乖離するほどその損失が増加し、結果、ドロッパの放熱対策が必要となる。特に、数％調光の深調光時がある場合にはＬＥＤ駆動電圧を低くすることができないため、ドロッパ損失による効率低下も懸念される。

本発明の課題は、該放電期間及び人感センサなどによる待機時（消灯時）や、深調光時などでも制御電源電圧を効率よく安定供給することと、入力電圧切断時による消灯時のＬＥＤの駆動電圧を安全な電圧まで放電させることである。

前記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ駆動装置は、第一のスイッチング素子とリアクトルと整流素子および第二のスイッチング素子と平滑コンデンサを有し、前記直流入力電力を前記第一のスイッチング素子と前記リアクトルとでエネルギーの充放電を行い、前記リアクトルの充電エネルギーを、少なくとも前記整流素子を介して前記平滑コンデンサへ充電し、前記ＬＥＤ負荷に直流出力電力として供給する直流電源回路と、前記整流素子と並列に前記第二のスイッチング素子の主電極が接続され、前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とをそれぞれオンオフ制御を行う制御回路と、を備え、前記リアクトルは補助巻線を有し、前記リアクトルの補助巻線に生じる巻線電圧を整流して前記制御回路の制御電源電圧として供給し、前記制御回路は、前記ＬＥＤ負荷の消灯時に、前記第二のスイッチング素子のオンオフ制御を行い、前記平滑コンデンサから前記リアクトルを介して前記制御回路の制御電源電圧を供給することを特徴とする。

また、本発明の照明器具は、前記ＬＥＤ駆動装置とＬＥＤ負荷とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、該放電期間及び待機による消灯時、あるいは数％調光の深調光時の制御電源電圧を効率よく安定供給でき、また、入力電圧切断による消灯時の出力電圧を安全な電圧まで放電できる。

図１は実施形態のＬＥＤ駆動装置とその負荷（ＬＥＤ）を含めた回路図である。 図２は図１に示す実施形態における各素子の動作を示すタイミングチャートである。 図３は実施形態のＬＥＤ駆動装置の応用回路図である。 図４は従来技術の電源スイッチ手段を介して制御電源電圧を得るＬＥＤ駆動装置とその負荷（ＬＥＤ）を含めた回路図である。 図５は図４に示す従来技術の回路の各動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明のＬＥＤ駆動装置及び照明器具の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は本発明の実施形態のＬＥＤ駆動装置とその負荷（ＬＥＤ）を含めた回路図である。図１に示す実施形態のＬＥＤ駆動装置１は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、ダイオードＤ１～Ｄ３、リアクトルＬ１、コンデンサＣ０～Ｃ３、制御回路ＩＣ１からなる。特に、リアクトルＬ１は主巻線Ｌｐと、補助巻線Ｌｓで構成されている。
実施形態のＬＥＤ駆動装置１は、スイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ１、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１によりバックブースト回路を構成し、出力電圧となるコンデンサＣ１の両端にＬＥＤ負荷が接続される。
制御回路ＩＣ１は、ハイサイドにあるスイッチング素子Ｑ１のゲートを駆動するためのレベルシフト回路、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフ制御するＰＷＭ制御回路、ＬＥＤ駆動装置外にある人感センサまたは調光コントローラからの外部信号をＰＷＭ制御回路へ受け渡すためのインターフェース回路を含み、前述のＰＷＭ制御回路、インターフェース回路などをマイコンで構成してもよい。

ＬＥＤ駆動装置１は、交流電源ＡＣをヒューズを介して接続されたラインフィルタＬＦ１とブリッジダイオード直列回路、およびブリッジダイオードＲＣ１の整流出力に接続されたコンデンサＣ０に接続される。従って、図１に示すＬＥＤ駆動装置１は、交流電源ＡＣを全波整流した脈流電圧を入力電圧としている。なお、ブリッジダイオードＲＣ１の整流出力に接続されたコンデンサＣ０は、整流出力電圧の平滑より、ＬＥＤ駆動装置１から発生するＥＭＩノイズの抑制を主目的としている。

ここで、ＬＥＤ駆動装置１のスイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの直列接続回路がブリッジダイオードＲＣ１の正極、負極出力間に接続され、コンデンサＣ１の正極がブリッジダイオードＲＣ１の負極に接続され、コンデンサＣ１の負極とダイオードＤ１のアノードおよびスイッチング素子Ｑ２のソースが接続され、ダイオードＤ１のカソードとスイッチング素子Ｑ２のドレインがスイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの接続点に接続されている。また、コンデンサＣ１の両端にはＬＥＤ負荷が接続される。
リアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓは主巻線Ｌｐと極性が反転となっていて、補助巻線Ｌｓの一方の端子にはダイオードＤ２のアノードが接続され、カソードがコンデンサＣ２の正極に接続される。コンデンサＣ２の負極は補助巻線Ｌｓの他方の端子（・極性）側に接続され、かつ、制御回路ＩＣ１のＧＮＤとコンデンサＣ１の負極に接続される。
また、コンデンサＣ２の正極は制御回路ＩＣ１の制御電源となるＶｃｃ端子に接続されている。詳細な動作は後述するが、補助巻線ＬｓとダイオードＤ２とコンデンサＣ２の直列接続回路が制御回路ＩＣ１への制御電源回路を構成し、制御電源端子Ｖｃｃに電圧を供給する。また、コンデンサＣ２の正極はダイオードＤ３のアノードに接続され、カソードは制御回路ＩＣ１のＶＢ端子およびコンデンサＣ３の一方の端子に接続されている。コンデンサＣ３の他方の端子は制御回路ＩＣ１のＶＳ端子およびスイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの接続点に接続されている。ダイオードＤ３とコンデンサＣ３は、スイッチング素子Ｑ１のゲート駆動用電源となるブートストラップ回路を構成している。
スイッチング素子Ｑ１のゲートは制御回路ＩＣ１のＶＧＨ端子に接続され、スイッチング素子Ｑ２のゲートは制御回路ＩＣ１のＶＧＬ端子に接続される。

ここで、本発明の実施形態のＬＥＤ駆動装置１のバックブースト回路の動作について説明する。
ＬＥＤ負荷の点灯時には、まず、交流電源ＡＣの交流電圧をブリッジダイオードＲＣ１で全波整流した脈流電圧をスイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの直列回路で、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐにエネルギーを励磁する。次に、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの励磁されたエネルギーは、主巻線Ｌｐ（・無し側）→Ｃ１→ダイオードＤ１もしくはスイッチング素子Ｑ２→主巻線Ｌｐ（・極性側）の経路でコンデンサＣ１を充電するとともに、ＬＥＤ負荷に電力を供給する。
また、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にリアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓ（・無し側）にパルス電圧のプラス電圧が生じ、補助巻線Ｌｓ（・無し側）→ダイオードＤ２→コンデンサＣ２→補助巻線Ｌｓ（・極性側）の経路でリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの励磁されたエネルギーの一部が充電される。
このパルス電圧は、コンデンサＣ１の電圧をリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐと補助巻線Ｌｓとの巻き数比分を掛けた電圧が発生する。
また、この時、ブートストラップ回路のコンデンサＣ３の制御回路ＩＣ1のＶＳ端子側の電位は、ダイオードＤ１が導通ないしスイッチング素子Ｑ２がオン状態になっている。このため、コンデンサＣ２の負極とほぼ同電位となり、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２からコンデンサＣ３へ充電される。
以上、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフ動作の繰り返しにより、リアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの励磁されたエネルギーがコンデンサＣ１～Ｃ３に充電される。なお、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフ動作は、図示しないＬＥＤ負荷に流れる電流を検出する電流検出回路などから制御回路ＩＣ１へフィードバック制御されている。また、スイッチング素子Ｑ１のオフに同期してスイッチング素子Ｑ２をオン駆動して、ダイオードＤ１の順方向電圧の損失を低減させている。

図２は図１に示す実施形態における各素子の動作を示すタイミングチャートである。
ＬＥＤ負荷が点灯している状態から、時刻ｔ０で図示しない外部からの消灯信号を受信してスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作が停止する。時刻ｔ０～ｔ１にかけて出力電圧であるコンデンサＣ１の電圧は徐々に低下する。制御回路ＩＣ１は、図１で図示しない誤差増幅器で出力電圧を検出し、時刻ｔ１直前に低下した出力電圧を所定の出力電圧まで回復するようにスイッチング素子Ｑ１のオンオフ動作を開始させ、所定の出力電圧まで回復するとスイッチング素子Ｑ１の動作を停止させる、周期が長い間欠動作を繰り返す（時刻ｔ０～ｔ３期間）。ここで、所定の出力電圧は、消灯しているＬＥＤ負荷に電流が流れない電圧設定とされている。
時刻ｔ０～ｔ１期間において、制御回路ＩＣ１のＶｃｃ端子電圧であるコンデンサＣ２の電圧も時間経過とともに低下する。このため、制御回路ＩＣ１は時刻ｔ０～ｔ１期間にスイッチング素子Ｑ２をオンオフ制御し、コンデンサＣ１の正極→リアクトルＬ１の主巻線Ｌｐ（・無し側）→リアクトルＬ１の主巻線Ｌｐ（・極性側）→スイッチング素子Ｑ２→コンデンサＣ１の負極の経路で、コンデンサＣ１の電圧をリアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓに電圧を誘起させる。
このスイッチング素子Ｑ２をオン期間に、リアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓ（・無し側）にプラスのパルス電圧が生じ、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２を充電する。このパルス電圧は、コンデンサＣ１電圧にリアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓと主巻線Ｌｐとの巻き数比分を掛けた値の電圧となる。このコンデンサＣ２の充電により、制御回路ＩＣ１の制御電源電圧（Ｖｃｃ端子電圧）が保持される。
また、スイッチング素子Ｑ２がオン時にブートストラップ回路が動作するので、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２からコンデンサＣ３に充電がされ、スイッチング素子Ｑ１の駆動電圧も保持される。
なお、スイッチング素子Ｑ２単独時のオンオフ制御は、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態にあるため、オン期間は固有に調整されてよい。但し、スイッチング素子Ｑ１が間欠のオンオフ動作に入った場合はＬＥＤ負荷点灯時の同期した動作を行う。
以上の動作により、本発明の実施形態のＬＥＤ駆動装置１は、時刻ｔ０～ｔ３期間のＬＥＤ負荷消灯時の制御回路ＩＣ１の制御電源電圧を低下させることなく、動作電圧を保持することが可能になる。また、スイッチング素子Ｑ１の駆動電圧も保持することが可能になる。
なお、前述では時刻ｔ０～ｔ３期間を待機時の消灯として説明したが、数％調光の深調光時であっても、出力電圧がＬＥＤ負荷に微小電流が流れる電圧設定となる点が異なるだけであって、各素子の動作に大きな違いは生じない。従って、同様に制御回路ＩＣ１の制御電源電圧を低下させることなく、動作電圧を保持することが可能である。

次に、時刻ｔ３～ｔ４にかけて図示しない外部からの点灯信号を受信してスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作が開始し、ＬＥＤ負荷が点灯される。
ここで時刻ｔ４において交流電源ＡＣが切断された場合、ＬＥＤ負荷のＬＥＤ電流は直後にゼロになり、出力電圧は時間の経過とともに低下するが、コンデンサＣ１の放電手段がない場合、長時間にわたり残留電圧が残ってしまい、照明器具交換時などを考えると感電の危険性がある。このため、交流電源ＡＣが切断された場合、速やかにコンデンサＣ１の放電を行うことが好ましい。
本発明の実施形態のＬＥＤ駆動装置１において、図１に図示しない入力電圧検出手段を備えて、時刻ｔ４において交流電源ＡＣが切断された場合、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ制御し、コンデンサＣ１の正極→リアクトルＬ１の主巻線Ｌｐ（・無し側）→リアクトルＬ１の主巻線Ｌｐ（・極性側）→スイッチング素子Ｑ２→コンデンサＣ１の負極の経路で、コンデンサＣ１の電圧をリアクトルＬ１の補助巻線Ｌｓに電圧を誘起させて、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２を充電する。
これにより、制御回路ＩＣ１のＶｃｃ電圧を確保するとともに、コンデンサＣ１の電圧を放電させることができる。すなわち、コンデンサＣ１の電圧が低下する時刻ｔ６まで制御回路ＩＣ１の制御電源電圧（Ｖｃｃ端子電圧）を確保する。
従い、コンデンサＣ１の放電と制御回路ＩＣ１のＶｃｃ電圧確保を同時に行う効果がある。

図２の時刻ｔ４～ｔ６は、図１に図示しない入力電圧検出手段を備えたＬＥＤ駆動装置１を想定して説明したが、入力電圧検出手段を備えない場合であっても、時刻ｔ０～ｔ３の通電中の消灯時の動作と同様なスイッチング素子Ｑ１のオンオフ駆動の動作が加わるだけで、上述と同じ効果を得られる。
但し、時刻ｔ０～ｔ３の通電中の消灯時の動作と異なる点は、交流電源ＡＣが遮断され入力電圧が無い状態のため、スイッチング素子Ｑ１のオンオフによる出力電圧の上昇は起こらない。

（実施形態の応用例）
図３は実施形態のＬＥＤ駆動装置の応用回路図である。
図３に示す実施形態のＬＥＤ駆動装置１ａにおいて、実施形態と異なるのは、バックブースト回路の構成をバック回路（チョッパ）に変更したものである。

図３に示す実施形態のＬＥＤ駆動装置１ａにおいて、ＬＥＤ負荷の点灯時には、まず、交流電源ＡＣの交流電圧をブリッジダイオードＲＣ１で全波整流した脈流電圧をスイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの直列回路で、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐにエネルギーを励磁するとともにコンデンサＣ１を充電するとともに、ＬＥＤ負荷に電力を供給する。
次に、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にリアクトルＬ１の主巻線Ｌｐの励磁されたエネルギーを、主巻線Ｌｐ（・極性側）→主巻線Ｌｐ（・無し側）→Ｃ１→ダイオードＤ１もしくはスイッチング素子Ｑ２の経路でコンデンサＣ１を充電するとともに、ＬＥＤ負荷に電力を供給する。
また、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にリアクトルＬ１の補助巻線ＬｓからダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２への充電は図１の実施形態と同様である。また、ブートストラップ回路のコンデンサＣ３への充電も同様に行われる。

このように、実施形態のＬＥＤ駆動装置によれば、ＬＥＤ負荷の消灯時、または深調光時においても安定した制御回路ＩＣ１の制御電源電圧（Ｖｃｃ端子電圧）を提供できるとともに、スイッチング素子Ｑ１のゲート駆動用電源も提供する。また、入力電源切断によるＬＥＤ負荷の消灯においても、ＬＥＤ負荷電圧である出力電圧を速やかに安全電圧まで放電することができる。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
例えば、図１では入力電源を交流電源ＡＣとしたが、バッテリーなどの直流電源に置き換えて構成してもよい。

本発明は、ＬＥＤ照明器具に適用可能である。
符号の説明

１ 、１ａ ＬＥＤ駆動装置
ＡＣ 交流電源
Ｃ０～Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１～Ｄ３ ダイオード
Ｆ１ ヒューズ
ＩＣ１、ＩＣ１ａ 制御回路
Ｌ１ リアクトル
ＬＦ１ フィルター
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
ＲＣ１ ブリッジダイオード

Claims (5)

1. 直流入力電力を所望の直流出力電力に変換してＬＥＤ負荷に供給するＬＥＤ駆動装置であって、
   第一のスイッチング素子とリアクトルと整流素子および第二のスイッチング素子と平滑コンデンサを有し、
   前記直流入力電力を前記第一のスイッチング素子と前記リアクトルとでエネルギーの充放電を行い、前記リアクトルの充電エネルギーを、少なくとも前記整流素子を介して前記平滑コンデンサへ充電し、ＬＥＤ負荷に直流出力電力として供給する直流電源回路と、
   前記整流素子と並列に前記第二のスイッチング素子の主電極が接続され、
   前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とをそれぞれオンオフ制御を行う制御回路と、を備え、
   前記リアクトルは補助巻線を有し、前記リアクトルの補助巻線に生じる巻線電圧を整流して前記制御回路の制御電源電圧として供給し、
   前記制御回路は、前記ＬＥＤ負荷の消灯時に、前記第二のスイッチング素子のオンオフ制御を行い、前記平滑コンデンサから前記リアクトルを介して前記制御回路の制御電源電圧を供給することを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記ＬＥＤ負荷の消灯時に、第一のスイッチング素子を間欠的にオンオフ制御させて、前記ＬＥＤ負荷が点灯しない所定の出力電圧を保持するように制御することを特徴とする請求項1記載のＬＥＤ駆動装置。
3. 前記制御回路は、前記ＬＥＤ負荷の点灯時に、前記第二のスイッチング素子を同期整流素子としてオンオフさせることを特徴とする請求項１項または２項記載のＬＥＤ駆動装置。
4. 前記整流素子は、前記第二のスイッチング素子の寄生ダイオードからなることを特徴とする請求項１項乃至３項記載のＬＥＤ駆動装置。
5. 請求項１乃至４項記載のＬＥＤ駆動装置のうち、いずれか１項に記載のＬＥＤ駆動装置と、前記ＬＥＤ負荷とを備えたことを特徴とする照明器具。