JP2015035348A - 点灯装置および集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】使用者が選択できる明るさの自由度が高められた点灯装置および集積回路を提供する。
【解決手段】点灯装置は、直流電源回路１と、検出抵抗Ｒ１０と、比較器ＯＰ１と、点灯制御回路ＩＣ１とを備える。直流電源回路１は、トランスＴＲおよびＭＯＳＦＥＴＱ１を備え、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時にトランスＴＲが蓄えたエネルギーをＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ時に放出する。検出抵抗Ｒ１０は、直流電源回路１の出力側に接続される発光ダイオードＬＡに流れる電流を検出する。比較器ＯＰ１は、検出抵抗Ｒ１０の検出値と目標値Ｖ１との比較結果に応じて出力を切り替える。点灯制御回路ＩＣ１は、トランスＴＲが蓄えたエネルギーの放出を検出したら目標値に応じて決まる遅延時間ｔｄの経過後にＭＯＳＦＥＴＱ１をオンとし、比較器ＯＰ１の出力に応じたオン時間ｔｏｎの経過後にＭＯＳＦＥＴＱ１をオフとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、点灯装置および集積回路に関する。

従来、例えば、特許文献１に開示されているように、フライバック方式のスイッチング点灯装置において、ＬＥＤを点灯制御する技術が見出されている。具体的には、特許文献１において、１つのコンバータ回路でＬＥＤ点灯制御を行う場合に、一般的にＬＥＤ照明器具に要求される高調波電流を抑制し、ＬＥＤの定電流制御を行う技術が見出されている。また、例えば特許文献２および特許文献３に開示されているように、ＬＥＤを調光点灯制御する技術が公知である。

特開２００９−１３４９４５号公報 特開２０１２−１０４３６７号公報

近年、省エネ、省電力の要請が強まる中で、照明器具において無駄な点灯を削減することは重要な課題である。省エネ性に優れた発光ダイオード(以下、ＬＥＤとも称す)の普及が進められるとともに、このＬＥＤを点灯制御する点灯装置にもさまざまな技術開発が進められている。

フライバック電源のような１つのコンバータ回路を用いるスイッチング電源では、一般的に高効率化のためリンギングチョークコンバータ方式のように２次側のゼロ電流を検出し、効率を高めるものが一般的である。しかしながら、スイッチング電源の動作周波数に限界があり、広範囲（例えば、ＡＣ１００Ｖ〜ＡＣ２５４Ｖ等の範囲）にわたる入力電源に対して十分な調光制御を行うことが難しいという問題があった。このため、使用者が選択できる明るさに限界があり、より明るさの自由度が高い照明器具の実現が求められていた。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、使用者が選択できる明るさの自由度が高められた点灯装置および集積回路を提供することを目的とする。

本発明にかかる点灯装置は、
インダクタ要素およびスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のオン時に前記インダクタ要素が蓄えたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に放出するコンバータと、
前記コンバータの出力側に接続される発光ダイオードに流れる電流を検出する検出抵抗と、
前記検出抵抗の検出値と目標値との比較結果に応じて出力を切り替える比較器と、
前記インダクタ要素が蓄えた前記エネルギーの放出を検出したら前記目標値に応じて決まる遅延時間の経過後に前記スイッチング素子をオンとし、前記比較器の出力に応じたオン時間の経過後に前記スイッチング素子をオフとする制御回路と、
を備えることを特徴とする。

本発明にかかる集積回路は、
第１の電圧を受ける検出端子と、
第２の電圧を受ける遅延時間検出端子と、
スイッチング素子に駆動信号を与えるための駆動端子と、
を備え、
前記第１の電圧が閾値を下回ってから、前記第２の電圧に応じた遅延時間の経過後に、前記駆動信号をオンとすることを特徴とする。

本発明によれば、使用者が選択できる明るさの自由度が高まる。

本発明の実施の形態にかかる点灯装置およびこれに用いる集積回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態にかかる点灯装置およびこれに用いる集積回路において実現される動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態にかかる点灯装置およびこれに用いる集積回路において実現される動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態にかかる点灯装置に用いられる調光信号変換回路の回路図である。 本発明の実施の形態にかかる点灯装置およびこれに用いる集積回路において記憶される目標値と遅延時間との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施の形態にかかる点灯装置およびこれに用いる集積回路を示す回路図である。実施の形態にかかる点灯装置は、交流電源ＡＣと接続する整流回路ＤＢ１と、この整流回路ＤＢ１に接続する直流電源回路１とを備えている。整流回路ＤＢ１は、ダイオードブリッジであり、交流電源ＡＣが入力されて交流電圧を脈流の直流電圧（以下、整流電圧ともいう。）に変換する。直流電源回路１は、接続される発光ダイオードＬＡに定電流を供給する。本実施の形態にかかる点灯装置は、さらに、直流電源回路１を起動、動作させる起動抵抗Ｒ１を備えており、この起動抵抗Ｒ１が制御電源を生成する。

直流電源回路１は、いわゆるフライバックコンバータ方式の定電流回路である。直流電源回路１は、電解コンデンサＣ１０（以下、平滑コンデンサＣ１０ともいう）と、トランスＴＲと、ＭＯＳＦＥＴＱ１と、このＭＯＳＦＥＴＱ１をオン／オフ制御する点灯制御回路ＩＣ１と、ＬＥＤ電流を検出する検出抵抗Ｒ１０と、を備える。点灯制御回路ＩＣ１は、制御電源端子Ｓ１、ゼロクロス検出端子Ｓ２、駆動端子Ｓ３，オン時間検出端子Ｓ４、および遅延時間検出端子Ｓ５を備える。

トランスＴＲは、一次巻線Ｔ１と、二次巻線Ｔ２と、補助巻線Ｔ３とを備える。二次巻線Ｔ２は、一次巻線Ｔ１との巻線比に応じた電圧が発生する主たる二次巻線である。補助巻線Ｔ３は、二次巻線Ｔ２に比例した電圧が発生する二次巻線である。二次巻線Ｔ２はダイオードＤ１０に接続しており、二次巻線Ｔ２に発生する高周波電圧がＣ１０で平滑されて発光ダイオードＬＡに供給される。

起動抵抗Ｒ１は、一端が整流回路ＤＢ１の出力側とトランスＴＲの一次巻線Ｔ１との間に接続し、他端が点灯制御回路ＩＣ１の制御電源端子Ｓ１に接続している。交流電源ＡＣが入力されると、起動抵抗Ｒ１を介して、点灯制御回路ＩＣ１に制御電源が供給される。

点灯制御回路ＩＣ１のゼロクロス検出端子Ｓ２は、ダイオードＤ１および抵抗Ｒ２を介して、補助巻線Ｔ３に接続している。具体的には、トランスＴＲの補助巻線Ｔ３には、抵抗Ｒ２の一端が接続し、抵抗Ｒ２の他端にはダイオードＤ１のアノードが接続し、ダイオードＤ１のカソードがゼロクロス検出端子Ｓ２に接続している。抵抗Ｒ２は、補助巻線Ｔ３からの電流を抑制する。ゼロクロス検出端子Ｓ２によって補助巻線Ｔ３に発生する電圧を検出して、ＭＯＳＦＥＴＱ１がターンオンするべきタイミングを検出することができる。

ＬＥＤ電流を検出する検出抵抗Ｒ１０には、ＬＥＤ電流と検出抵抗Ｒ１０の抵抗値に比例した電圧が発生する。検出抵抗Ｒ１０に発生した電圧は、制御抵抗Ｒ２０を介してＬＥＤ電流が定電流制御される比較器ＯＰ１に入力される。比較器ＯＰ１の入力側他端には、発光ダイオードＬＡに流れるＬＥＤ電流を設定するための目標値Ｖ１が入力される。

比較器ＯＰ１の出力は、制御抵抗Ｒ２３を介して点灯制御回路ＩＣ１に接続される。点灯制御回路ＩＣ１は、比較器ＯＰ１の出力電圧に基づいてＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間を決定し、そのオン時間だけＭＯＳＦＥＴＱ１をオン動作させる。

目標値Ｖ１と検出抵抗Ｒ１０に発生した電圧が一致するように、点灯制御回路ＩＣ１が直流電源回路１を制御する。比較器ＯＰ１のＬＥＤ電流検出端子と出力端子との間には、比較器ＯＰ１の応答性の遅れを作る抵抗Ｒ２１およびコンデンサＣ２１が接続されている。

ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ時間は、補助巻線Ｔ３に発生する電圧を検出することで決定され、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間は、比較器ＯＰ１の出力電圧で決定される。比較器ＯＰ１に入力する目標値Ｖ１を変化させることで、ＬＥＤ電流を変化させ、調光制御を行うことができる。

コンデンサＣ１の容量を小さくすることで、次の効果が得られる。コンデンサＣ１の両端間には全波整流された脈流電圧が印加される。この脈流電圧をトランスＴＲの一次巻線Ｔ１及びＭＯＳＦＥＴＱ１でスイッチング動作することで、ＡＣ電源の力率を高めることができる。

ただし、トランスＴＲの二次巻線Ｔ２から出力される電圧と位相が異なる。このため、検出抵抗Ｒ１０から点灯制御回路ＩＣ１(オン時間検出)までの、いわゆる定電流フィードバックの検出ループ（Ｒ１０→Ｒ２０→Ｒ２１→Ｃ２１→Ｒ２３→点灯制御回路ＩＣ１へ至る経路）上におけるフィードバック速度が、上記の全波整流の周期よりも遅い必要がある。

例えば、全波整流の周期よりも検出ループを経由したフィードバック速度が早いときには、入力電圧が高い位相の時に、ＬＥＤ電流検出が低い位相であると、比較器ＯＰ１がＬＥＤ電流を高めるように信号を出力する恐れがある。そのような事態が起きると、発光ダイオードＬＡのちらつきが発生してしまう。このことから、検出ループ上のフィードバック速度が全波整流の周期よりも遅くなるようにして、発光ダイオードＬＡの定常点灯を行うことが好ましい。

前述した目標値Ｖ１は、調光信号変換回路４で生成される。調光信号変換回路４は、外部から入力されるＰＷＭ信号を所定の電圧に変換する回路である。また、調光信号変換回路４で生成した目標値Ｖ１は、点灯制御回路ＩＣ１の遅延時間検出端子Ｓ５にも入力される。

図４は、調光信号変換回路４の回路図である。調光信号変換回路４は、ＰＷＭ信号が入力される整流回路ＤＢ２と、整流回路ＤＢ２の出力を受けるフォトカプラＰＣのフォトダイオードを備える。制御電源Ｖｃｃには抵抗Ｒ４２の一端が接続し、抵抗Ｒ４２の他端は、フォトカプラＰＣのフォトトランジスタおよび抵抗Ｒ４１の一端が接続している。

抵抗Ｒ４１の他端はコンデンサＣ４０の一端に接続しており、コンデンサＣ４０の他端はグランドに接続する。コンデンサＣ４０の他端から目標値Ｖ１が取り出される。コンデンサＣ４０に直流電圧が充電されることで、目標値Ｖ１が生成される。

外部から入力されるＰＷＭ信号は、極性を問わないようにするために、まず、整流回路ＤＢ２に入力される。ＰＷＭ信号がハイのとき、フォトカプラＰＣのフォトダイオードが発光してフォトカプラＰＣのトランジスタがオンする。一方、ＰＷＭ信号がローのときには、フォトカプラＰＣのトランジスタはオフする。

フォトカプラＰＣは、入力されるＰＷＭ信号のＯＮｄｕｔｙに従って、このようなオンオフ動作を繰り返す。このため、フォトカプラＰＣのトランジスタのコレクタには、ＰＷＭ信号のＯＮｄｕｔｙが反転した信号が得られる。この結果、抵抗Ｒ４１、Ｒ４２、コンデンサＣ４０を適切な値に設定することで、コンデンサＣ４０に充電される直流電圧は、制御電源Ｖｃｃの電圧値に対してＰＷＭ信号が反転したＯＮｄｕｔｙを略平均した値を係数として乗じた値となる。

このように、外部から入力されるＰＷＭ信号に応じて、目標値Ｖ１を変化させることができる。これにより、ＰＷＭ信号に従って発光ダイオードＬＡを調光制御することができる。

図２および図３は、図１に示す実施の形態にかかる点灯装置における特定箇所の出力波形を示すタイムチャートである。

図２は、全光点灯時における、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン電流およびドレインソース電圧波形、ダイオードＤ１０を流れる電流波形、ダイオードＤ１の出力電圧波形を、それぞれ示している。外部から入力されたＰＷＭ信号がローであるか、または、外部からＰＷＭ信号が入力されていないときには目標値Ｖ１が最大となり、全光点灯が行われる。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までが、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンしている期間である。時刻ｔ２から時刻ｔ３までが、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオフしている期間である。二次巻線Ｔ２から流れる電流が０になるまでは、補助巻線Ｔ３を介して、ダイオードＤ１の出力電圧に、二次巻線に印加されていた電圧に対して巻き数比に比例した電圧が印加される。

時刻ｔ３では、二次巻線Ｔ２の電流が０になり、補助巻線Ｔ３に印加されていた電圧が下がり始める。時刻ｔ４では、ダイオードＤ１の出力電圧が低下したことを点灯制御回路ＩＣ１のゼロクロス検出端子Ｓ２が検出して、再びＭＯＳＦＥＴＱ１をオンさせる。

このとき、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてＭＯＳＦＥＴＱ１がオンしている時間の長さは、前述したように、比較器ＯＰ１の出力電圧で決定される。ここでは、点灯制御回路ＩＣ１のオン時間検出端子Ｓ４の電圧が低いときほど、オン時間が短く設定されるものとする。図示しないが、二次巻線Ｔ２の出力電圧は、接続する発光ダイオードＬＡのＶｆにほぼ等しい電圧である。また、二次巻線の出力電流をコンデンサＣ１０で平均化された電流がＬＥＤ電流となる。

このように、二次巻線Ｔ２の電流が０になることを検出してＭＯＳＦＥＴＱ１をオン動作させることで、トランスＴＲ、ＭＯＳＦＥＴＱ１、ダイオードＤ１０における損失を低減し、高効率の電源回路とすることができる。また、スイッチング動作によるノイズを低減することができる。

目標値Ｖ１が高いとき、即ち、ＬＥＤ電流がある程度大きいときは、上述した制御で調光が可能である。これは、フライバック電源回路であるため、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間が短く、または、動作周波数が高くなることで、ＬＥＤ電流を小さくすることができるからである。

一方、ＬＥＤ電流をさらに小さくしようとすると、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間を短くして動作周波数を高くする必要がある。しかし、ＭＯＳＦＥＴＱ１のスイッチングが短時間になりすぎるため、実際の動作には限界がある。したがって、ＬＥＤ電流がある程度を超えて小さな値になってしまうと、ＭＯＳＦＥＴＱ１のスイッチングのみでは所望の調光制御を行うことができない。

そこで、本実施の形態では、目標値Ｖ１を点灯制御回路ＩＣ１の遅延時間検出端子Ｓ５に入力する。点灯制御回路ＩＣ１は、遅延時間検出端子Ｓ５に入力された電圧（目標値Ｖ１）に従って、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンするタイミングを遅延させる。

図５は、目標値Ｖ１と遅延時間ｔｄの関係を示すグラフである。目標値Ｖ１が高いときには、遅延時間ｔｄを０にして、目標値Ｖ１が低くなるほどこれに比例して遅延時間ｔｄが一次関数的に大きくなる。即ち、全光点灯時に遅延時間をゼロとし、調光率が低くＬＥＤ電流が小さくなるほど遅延時間ｔｄを大きく設定する。点灯制御回路ＩＣ１は、図５に示す関数を内部のメモリに記憶しており、現在の目標値Ｖ１の値に応じた遅延時間ｔｄだけＭＯＳＦＥＴＱ１のオンを遅らせる。

図３は、全光点灯していない調光点灯時における、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン電流およびドレインソース電圧波形、ダイオードＤ１０を流れる電流波形、ダイオードＤ１の出力電圧波形を、それぞれ示している。図３は、遅延時間ｔｄが０でないときの動作を示している。なお、時刻ｔ４までの波形は、図２と同様である。

時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間が、遅延時間ｔｄとなる。図２に示す全光点灯時に比べて、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ時間が長くなる。このことから、前述したように二次巻線Ｔ２の出力電流の平均値がさがるため、ＬＥＤ電流を低くすることができる。

このように、目標値Ｖ１を基に遅延時間ｔｄを設定し、点灯制御回路ＩＣ１がこの遅延時間ｔｄだけＭＯＳＦＥＴＱ１のオンを遅らせることで、ＬＥＤ電流をさらに低くすることができる。

また、遅延時間ｔｄと直流電源回路１、ＬＥＤ出力の関係は概略次の関係式が成り立つ。

ただし、

一次巻線Ｔ１のＬ値をＬｐ、一次巻線Ｔ１のターン数をＮｐ、二次巻線Ｔ２のターン数をＮｓ、ＬＥＤ電圧をＶｏ、ＬＥＤ電流をＩｏ、ダイオードＤ１０の順方向電圧をＶｆとした。コンデンサＣ１の印加電圧をＶｉｎ、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間をｔｏｎとした。本関係式から、遅延時間ｔｄを長くすることで、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間ｔｏｎを長くすることができることがわかる。

また、遅延時間ｔｄと目標値Ｖ１の関係は、図５に示すとおり一次関数であってもよいがこれに限られず、二次関数等の他のグラフであってもよい。それぞれ回路定数、入力条件、出力条件によって適宜変更される。

また、全光点灯時の遅延時間ｔｄを、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオフしてからトランスＴＲのエネルギーが放出し終わった後、一次巻線Ｔ１のＬ値とＭＯＳＦＥＴＱ１のドレインソース間にあるコンデンサ成分Ｃ値から決まる共振周波数の半分で、ＭＯＳＦＥＴＱ１がターンオンできるように設定してもよい。このような遅延時間ｔｄの設定は、最もＭＯＳＦＥＴＱ１のスイッチング損失を少なくする観点から好ましい。また、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレインソース間にコンデンサを備えることで寄生のコンデンサ成分に頼らなくともよくなる。

なお、本実施の形態では、フライバック回路を例に示したが、１つのコンバータを用いる方式であれば、バックコンバータ、バックブーストコンバータなどの回路方式においても同じ考え方をすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、調光度が高い、即ち明るい状態では点灯装置の効率化を行うことで最終的に搭載される照明器具の省エネ性に貢献することができる。また、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオンするタイミングに遅延時間を設けることができるようにしたので、調光度が暗い調光制御を実現できるため、使用者が選択できる明るさの自由度が高まり、使い勝手のよい照明器具を提供することができる。また、このような機能を１つのコンバータで実現するので、点灯装置の小型化、及び、省部品化を実現することができる。

１ 直流電源回路、４ 調光信号変換回路、ＡＣ 交流電源、Ｃ１ コンデンサ、Ｃ１０ コンデンサ、Ｃ２１ コンデンサ、Ｃ４０ コンデンサ、Ｄ１ ダイオード、Ｄ１０ ダイオード、ＤＢ１ 整流回路、ＤＢ２ 整流回路、ＩＣ１ 点灯制御回路、ＬＡ 発光ダイオード、ＯＰ１ 比較器、ＰＣ フォトカプラ、Ｑ１ ＭＯＳＦＥＴ、Ｒ１ 起動抵抗、Ｒ１０ 検出抵抗、Ｒ２，Ｒ２１，Ｒ４１，Ｒ４２ 抵抗、Ｒ２０、Ｒ２３ 制御抵抗、Ｓ１ 制御電源端子、Ｓ２ ゼロクロス検出端子、Ｓ３ 駆動端子、Ｓ４ オン時間検出端子、Ｓ５ 遅延時間検出端子、Ｔ１ 一次巻線、Ｔ２ 二次巻線、Ｔ３ 補助巻線、ｔｄ 遅延時間、ＴＲ トランス

Claims (8)

1. インダクタ要素およびスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のオン時に前記インダクタ要素が蓄えたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に放出するコンバータと、
   前記コンバータの出力側に接続される発光ダイオードに流れる電流を検出する検出抵抗と、
   前記検出抵抗の検出値と目標値との比較結果に応じて出力を切り替える比較器と、
   前記インダクタ要素が蓄えた前記エネルギーの放出を検出したら前記目標値に応じて決まる遅延時間の経過後に前記スイッチング素子をオンとし、前記比較器の出力に応じたオン時間の経過後に前記スイッチング素子をオフとする制御回路と、
   を備えることを特徴とする点灯装置。
2. 前記目標値が高いほど前記遅延時間を小さくし、前記目標値が小さくなるほど前記遅延時間を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 前記スイッチング素子がオフしてから前記インダクタ要素のエネルギーが放出し終わった後、前記インダクタ要素のＬ値と前記スイッチング素子のコンデンサ成分Ｃ値から決まる共振周波数の半分で、前記スイッチング素子がターンオンするように、全光点灯時の前記遅延時間を設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の点灯装置。
4. オン時間検出端子を更に備え、
   前記オン時間検出端子への入力電圧に応じて前記スイッチング素子のオン時間を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の点灯装置。
5. 前記コンバータは、フライバックコンバータ、バックコンバータ、およびバックブーストコンバータからなる群から選択した１つのコンバータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点灯装置。
6. 第１の電圧を受ける検出端子と、
   第２の電圧を受ける遅延時間検出端子と、
   スイッチング素子に駆動信号を与えるための駆動端子と、
   を備え、
   前記第１の電圧が閾値を下回ってから、前記第２の電圧に応じた遅延時間の経過後に、前記駆動信号をオンとすることを特徴とする集積回路。
7. 前記第２の電圧が高いほど前記遅延時間を小さくし、前記第２の電圧が低くなるほど前記遅延時間を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の集積回路。
8. オン時間検出端子を更に備え、
   前記オン時間検出端子への入力電圧に応じて前記スイッチング素子のオン時間を設定することを特徴とする請求項６または７に記載の集積回路。

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