(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から電力信号を受信する入力部と、
前記入力部に電気的に結合されている能動力率改善器と、
前記能動力率改善器に電気的に結合されている変換器と、
少なくとも１つの発光ダイオードを駆動するために前記変換器から送られる電力を受け取るように前記変換器に電気的に結合されている出力部と、
前記変換器と前記出力部との間のノードに電気的に結合されているフィードバック部であって、前記能動力率改善器が前記フィードバック部からの電力信号に基づいて、前記入力部から送られる電力信号を修正して前記出力部によって出力される電力を安定させるために、前記変換器から前記出力部へ送られる電力信号を前記能動力率改善器へ戻すように配信し、ＬＥＤとフォトトランジスタとを有する光カプラである前記フィードバック部と、
を有する、前記発光ダイオードを駆動する電源回路。
【請求項２】
前記入力部は、前記電源からの電力信号を整流しフィルタリングする整流器／フィルタである、請求項１に記載の電源回路。 
【請求項３】
前記変換器は、絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器であって、前記絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器の動作周波数とデューティーサイクルは電力損失を最低値に維持するように固定されている、請求項１に記載の電源回路。 
【請求項４】
前記変換器は、前記能動力率改善器に電気的に結合されている主巻き線と、前記出力部に電気的に結合されている２次巻き線と、を有する、請求項１に記載の電源回路。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源回路に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動する電源回路に関し、電源回路は、高効率で安定した出力電圧を少なくとも１つのＬＥＤに印加することができる。
【背景技術】
【０００２】
電力に対する要求が増すと共に、各国における電源分野の多くの科学者、技術者、および製造者の多くは、低効率な電源に関する問題を解決しようとしている。
【０００３】
従来、力率改善器（ＰＦＣ）は、フェライトコアとコイルからなる。ＰＦＣの主な機能には、位相の角度を修正すること、仮想仕事を減少させること、有効電力を改善すること、高調波の干渉を減少させること、印加する電圧の品質を改善することがある。さらに、ＰＦＣの主な効果は、電圧の位相と電流の位相とを同じにできるようにすることと、負荷を抵抗と同様にできることである。したがって、ＰＦＣは、様々な回路構成に実装されており、それらの回路構成は、採用する要素に基づいて、受動ＰＦＣと能動ＰＦＣとの２種類に分類することができる。
【０００４】
能動ＰＦＣはさらに不連続伝導モード（ＤＣＭ）と連続伝導モード（ＣＣＭ）との２種類に分けてもよい。そのため、実際には、能動ＰＦＣの種類の選択で主に考慮すべき要因は、システムの性能（効率と電力密度など）とコストである。一般に、高電力システムが能動ＰＦＣのＣＣＭにおいて導入され、低電力システムが能動ＰＦＣのＤＣＭにおいて導入されてもよい。
【発明の概要】
【０００５】
業界での用途において、力率を調整する動作には、低電力の昇圧型変換器がＤＣＭにおいて常に使用されており、高電力の昇圧型変換器がＣＣＭにおいて通常使用される。しかし、従来の昇圧型変換器は、機能が単純で、ＰＦＣでの動作が容易であるが、インダクタンスの入力電流が３角波パルスであるため、電流の深刻な高調波が発生する。したがって、従来の昇圧型変換器については、フィルタ係数の設定値が比較的大きいと、入力電流の位相が遅れるせいで力率が小さくなる。それに対して、フィルタ係数の設定値が比較的小さいと、入力電流の雑音が増加し、非常に深刻な電磁波妨害の要因となる。
【０００６】
さらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）の電源回路に対して交流電源が通常使用され、交流電源は電力半導体のスイッチング導通時間または直流電圧を安定させるために交流電源を変換する周波数の変調に基づいて動作する。しかし、出力負荷のあらゆる変化が、回路が最適化された仕事において動作できない原因となる。したがって、平均効率を改善することができない。
【０００７】
本発明の１つの目的は、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）の電源回路が動作中に最適な動作状態に固定できない問題を解決することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、ＬＥＤの電源回路の効率を効果的に改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述の目的を達成するために、本発明はＬＥＤを駆動する電源回路を提供し、電源回路は入力部、能動力率改善器、変換器、出力部、およびフィードバック部を有している。入力部は、電源からの電力信号を受信するように利用され、出力部は、少なくとも１つのＬＥＤを駆動するように、変換器から送られる電力を受けるように利用される。フィードバック部は変換器と出力部との間のノードに結合されており、電力信号を電力信号変換器から出力部へ、そして能動力率改善器へ戻すように配信する。能動力率改善器は、出力部からの出力電力を安定させ、それによってＬＥＤを駆動するようにフィードバック部からの電力信号を元に電力信号を変調してもよい。
【００１０】
本発明の一実施態様において、入力部は、電源からの電気信号を整流しフィルタリングする整流器／フィルタである、
【００１１】
さらに、本発明の一実施態様において、変換器は絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器である。この場合、絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器の動作周波数とデューティーサイクルとは電力損失を最低値に維持するように固定されている。
【００１２】
さらに、本発明の一実施態様において、変換器は主巻き線と２次巻き線とを有していてもよい。この場合、主巻き線は能動力率改善器に電気的に結合されており、２次巻き線は出力部に電気的に結合されている。
【００１３】
さらに、本発明の一実施態様において、フィードバック部が光カプラである。この場合、光カプラはＬＥＤとフォトトランジスタとからなる。
【００１４】
前述のように、変換器（絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータなど）の動作周波数とデューティーサイクルは動作中に電力損失を最低値に維持するように固定されている。したがって、変換器は、少なくとも１つのＬＥＤに安定化された電力信号を印加するために、能動力率改善器によって変調されている安定化された電力信号（電圧など）を出力部に供給することができる。
【００１５】
この説明は、添付の図面に照らして読まれる以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の電源回路の実施形態を示している模式図である。
【図２】本発明の電源回路の実施形態の等価回路を示している模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の説明には、本発明の実施形態の実装の例としての図が示されている図面の説明が含まれている。図面は、例として理解すべきであって、限定として理解すべきではない。本発明で使用する場合、１つまたは２つ以上の「実施形態」の参照は、本発明の少なくとも１つの実装に含まれている特定の機能、構造、特徴の説明として理解すべきである。したがって、本明細書に出現する「一実施形態」や「代替の実施形態」という句は、本発明の様々な実施形態と実装とを記述しており、必ずしも全てが同じ実施形態を参照しているわけではない。しかし、それらの句は、必ずしも相互に排他的ではない。
【００１８】
以下で説明する実施形態のいくつかまたは全てを示していることもある図面の説明を含めた特定な詳細と実装の説明だけでなく、本明細書で示す新規の概念の他の潜在的な実施形態や実装を以下で説明する。本発明の実施形態の概要を以下で説明し、それから図面を参照してより詳細に説明する。
【００１９】
図１を参照すると、本発明の電源回路の実施形態の模式図を示している。本実施形態において、電源回路１００は、電源１１０から電力信号（電圧など）を受信するように電源１１０に電気的に接続されている。さらに、電源回路１００は電力をＬＥＤ  １２０に印加し、ＬＥＤ  １２０を駆動するように、発光ダイオード（ＬＥＤ）１２０に電気的に結合されている。図面は、簡潔さと明確さのために、１つの電源１１０と１つのＬＥＤ  １２０だけを示していると考えられる。しかし、実際には電源１１０とＬＥＤ  １２０の数はさまざまな要件のために追加されることがあるが、限定されるべきではない。
【００２０】
本発明の一実施形態において、電源１１０は、様々な要件に基づいて、電力系統接続部分から供給される交流（ＡＣ）、または、燃料電池、リチウム電池、または再生可能なエネルギー源から供給される直流（ＤＣ）を有しているが、限定すべきではない。
【００２１】
さらに、電源回路１００は、入力部１０７、能動力率改善器（ＰＦＣ）１０１、変換器１０３、フィードバック部１０５、および出力部１０９を有している。この場合、入力部１０７は電力信号（電圧など）を電源１１０から受信するように電気的に電源１１０に結合されている。能動ＰＦＣ  １０１は入力部１０７から電力信号を受信するように入力部１０７に電気的に結合されている。変換器１０３は能動ＰＦＣ  １０１と出力部１０９とに電気的に結合されている。さらに、フィードバック部１０５の一方の端部は能動ＰＦＣ  １０１に電気的に結合されており、フィードバック部１０５の他方の端部は変換器１０３と出力部１０９との間のノードに電気的に結合されている。したがって、変換器１０３から出力部１０９への電気信号は、電力値を変調つまり修正するために能動ＰＦＣ  １０１に配信して戻されてもよい。そのため、出力部１０９は、安定化電力値つまり信号をＬＥＤ  １２０に印加し、それによってＬＥＤ  １２０を安定している電力値で駆動することができる。
【００２２】
続いて、図２を参照すると、本発明の電源回路の実施形態の等価回路の模式図を示している。図２に示している本実施形態において、明確で簡潔な図示のために、電源回路２００は、図１に示している電源回路１００の模式図を示している。
【００２３】
本実施形態において、図１に示している入力部１０７として、整流器／フィルタ２０７が使用されている。この場合、入力信号の記号「Ｌ」は、活線を意味し、記号「Ｎ」は中立線を意味している。整流器／フィルタ２０７は電源１１０からの電力信号を受信するために利用され、電力信号の不必要な雑音は整流器／フィルタ２０７によってフィルタリングされてもよい。
【００２４】
本発明の特定の実施形態において、電源１１０はＡＣ電圧を供給し、整流器／フィルタ２０７はＡＣからＤＣへ変換する能力を有するようにさらに構成されていてもよい。本発明の他の特定の実施形態において、電源１１０はＤＣ電圧を供給し、ＤＣ電圧が電源回路の要件を達成していない場合、整流器／フィルタ２０７も要求される値に適合するようにＤＣ電圧を整流する能力を備えているように構成されていてもよい。
【００２５】
電源１１０からの電力信号が整流とフィルタリングのために整流器／フィルタ２０７を通過した後、電力信号は能動ＰＦＣ  ２０１に配信されることになる。本実施形態において、能動ＰＦＣ  ２０１は集積回路チップによって実装されている。
【００２６】
さらに、図１に示している変換器１０３に対応している本実施形態の変換器２０３は絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器である。この場合、絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器２０３は、能動ＰＦＣ  ２０１に電気的に結合されている主巻き線２０３１と出力部に電気的に結合されている２次巻き線２０３３をさらに有している。本実施形態において、図１では出力部１０３と呼ばれている出力部は、出力電圧が「Ｖｏ」で示され、共通電圧が「ＣＯＭ」で示されている。
【００２７】
本発明の特定の実施形態において、変換器１０３、２０３は昇圧型変換器であってもよく、本発明の他の特定の実施形態において、変換器１０３、２０３は降圧型変換器であってもよく、本発明の他の実施形態において、変換器１０３、２０３は降圧型−昇圧型変換器であってもよい。前述のように、変換器１０３、２０３の型は実際の動作に基づいて置き換えてもよいが、限定すべきではない。
【００２８】
絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３からの出力電圧Ｖｏは、ノードに電気的に結合されている光カプラ２０５まで伝送される。本実施形態において、光カプラ２０５は、図１に示しているようにフィードバック部１０５と呼ばれる。本実施形態において、指定された要素は説明に使用されるが、限定されないと考えられる。本技術の当業者は、現実的な動作の要件に基づいて本実施形態の前述の要素を置き換えるために等価な機能を備えている他の要素を使用してもよい。したがって、本発明の範囲は、それらの具体的な実施形態において限定されてはならない。
【００２９】
本発明において、出力電圧Ｖｏの電力信号を能動ＰＦＣ  ２０１に配信して戻すように、光カプラ２０５も能動ＰＦＣ  ２０１に電気的に結合されている。そうでなければ、本実施形態において、さらに光カプラ２０５はＬＥＤ  ２０５１と光トランジスタ２０５３とからなる。したがって、出力電圧Ｖｏは光カプラ２０５のＬＥＤ  ２０５１に送られ、ＬＥＤ  ２０５１は波長を備えている光を放射するようにトリガされることになる。その後、光はフォトトランジスタ２０５３で受光され、光電流を発生する。それから光電流は能動ＰＦＣ  ２０１に配信して戻される。ＬＥＤ  ２０５１から放射される光の様々な波長を実際の動作の様々な要件に基づいて選択する必要があると考えられる。さらに、本実施形態において、光トランジスタ２０５３は、光カプラ２０５の光検出器として作動するように使用されるが、実際には、他の実施形態において、フォトダイオードなどの同様のそして同等の機能を備えている任意の素子がフォトトランジスタ２０５３を置き換えるべきである。これらは限定されるべきではない。
【００３０】
さらに、本実施形態において、能動ＰＦＣ  ２０１と絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３への入力電圧または電流をこれらの要素の要求された要件に一致させるために、抵抗Ｒ１とＲ２が能動ＰＦＣ  ２０１、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３、および光カプラ２０５の間に配置されている。抵抗が必要かどうかは、実際の動作の要件に基づいていると考えられ、これらの抵抗の抵抗値は、現実的な動作によって監視されてもよい。したがって、これらの特徴は本発明の範囲を限定するのに使用すべきではない。
【００３１】
前述のように、本発明の電源回路１００、２００は、電力損失を最低値に維持するために変換器１０３（または絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３変換器２０３）の動作周波数とデューティーサイクルを固定してもよく、フィードバック部１０５（または光カプラ２０５）は電力信号を配信して能動ＰＦＣ  １０１、１０２に戻す。したがって、出力電圧は変換器１０３（または絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３）の出力電圧を安定させるために、能動ＰＦＣ  １０１、２０１によって修正され、その後、安定化された出力電圧をＬＥＤ  １２０に印加し、それによってＬＥＤ  １２０を駆動するように、安定化された電流が出力部１０９に配信される。
【００３２】
その後、本発明は、以下に示すように、図１と２とに示している電源回路１００、２００の前述の特徴に基づいてさらに実施された実装をさらに有している。
【００３３】
第１の実施形態
本実施形態において、図２に示している電源回路２００の等価回路の模式図を参照すると、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３の主巻き線２０３１と２次巻き線２０３３との比は３９：１５であって、インダクタンスは３５０μＨである。この実施形態において、降圧型能動ＰＦＣ  ２０１が使用される。全負荷時の動作において、効率は９０．２４％に達するかもしれない。しかし、この場合、低負荷動作における電源回路の安定性は高負荷動作における安定性ほど良好ではない。
【００３４】
第２の実施形態
本実施形態において、図２に示している電源回路２００の等価回路の模式図を参照すると、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３の主巻き線２０３１と２次巻き線２０３３との比は１５２：６１であって、インダクタンスは２２００μＨである。この実施形態において、降圧型能動ＰＦＣ  ２０１が導入される。この場合、非常に低負荷の動作時に電源回路の出力電圧Ｖｏを安定させるために、インダクタンスと動作周波数とを増加させる。
【００３５】
本実施形態においては、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３のインダクタンスを、許容範囲内で増加させる。そのため、出力電圧Ｖｏは、非常に低負荷動作時に効果的に安定して出力される。しかし、この場合、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３は、全負荷時の動作が実施されると、飽和するかもしれない。したがって、電源回路の効率は、全負荷動作時にわずかに減少するかもしれない。
【００３６】
さらに、本実施形態において、出力負荷が０．０５７アンペア（非常に低負荷動作のため）の時に、本発明によって出力電圧は効果的に安定化する。しかし、この場合、全負荷動作時の効率は、約７８．７２％にわずかに減少する。
第３の実施形態
【００３７】
本実施形態において、図２に示している電源回路２００の等価回路の模式図を参照すると、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３の主巻き線２０３１と２次巻き線２０３３との比は８０：３１であって、インダクタンスは１０００μＨである。この実施形態において、降圧型能動ＰＦＣ  ２０１が使用される。この場合、主巻き線２０３１の巻数とインダクタンスとを、全負荷動作時の効率を改善するように半分に減少させる。しかし、この場合、出力電圧Ｖｏによって安定している電圧を出力するために、出力負荷を０．１５アンペアまで増加させる必要がある。さらに、本実施形態において、全負荷動作時の電源回路の効率は約８７．３６％に達するかもしれない。
【００３８】
前述の実施形態のように、降圧型能動ＰＦＣ  ２０１は効率を改善するように圧縮応力を効果的に減少させるかもしれない。さらに、電源回路２００は、動作周波数を高くするか、絶縁型ＤＣ−ＤＣ変換器２０３のインダクタンスを増加させることによってあらかじめＣＣＭモードにしておいてもよい。したがって、出力電圧を、非常に低い負荷動作中に安定した値で発生させることができる。
【００３９】
そのため、本発明のＬＥＤを駆動する電源回路は高効率電源回路である。特に、出力電圧の電力信号は、フィードバック部（たとえば光カプラ）を介して能動ＰＦＣに配信して戻され、能動ＰＦＣは電圧を修正し、修正された電圧を変換器（たとえば、絶縁ＤＣ−ＤＣ変換器）に配信してもよい。したがって、変換器の動作周波数とデューティーサイクルは、変換器の動作周波数とデューティーサイクルを変更せずに電力の高効率を改善するようにＬＥＤを駆動するために安定化電圧を印加してもよい。
【００４０】
実施形態の前述の説明は例としてのみ示され、当業者によるさまざまな修正が可能であることが理解されるであろう。前述の仕様、例、およびデータは、本発明の典型的な実施形態の構造と使用の完全な説明を与える。本発明の様々な実施形態を特定の具体性を備えて、つまり１つまたは２つ以上の個別の実施形態を参照して前述したが、当業者は本発明の精神または範囲を逸脱せずに開示された実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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