(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた帰還信号を発生する電流検出回路および、該帰還信号に応じて該電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、
該電流検出回路と該制御回路との間に設けられ、その内部には信号保持手段を有し、該電流検出回路から出力される第１の帰還信号と該信号保持手段から出力される第２の帰還信号のいずれか一方を該制御回路に供給する帰還回路を備え、
該信号保持手段は、負荷電流が流れている時に生じた第１の帰還信号の最大値にほぼ等しい大きさの該第２の帰還信号を生成するピークホールド回路と、負荷電流が流れていない状態から流れている状態に転換した時、該ピークホールド回路を初期状態に戻すリセット回路を備えたことを特徴とするスイッチング定電流電源装置。
【請求項２】
ＬＥＤを備え、高速で断続される前記負荷に所定の電流を供給することを特徴とする、請求項１記載のスイッチング定電流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断続される負荷に安定した電流を供給するためのスイッチング式定電流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平９−６５６６３号公報
【０００３】
発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）を光源として利用する場合、その発光量や輝度等を一定にするため、ＬＥＤへの供給電流を安定化することが要求される。このように安定化した電流を負荷に供給するための従来の電源としては、一例として、図４にブロック図で示すような構成のスイッチング定電流電源装置が存在した。
【０００４】
図４において、１は、外部のバッテリー等から電力の供給を受けるための入力端子であり、２ａ、２ｂは、その間に接続された複数のＬＥＤを有する負荷６に所定の電流を安定供給するための出力端子である。入力端子１と一方の出力端子２ａとの間には、チョークコイルＬ１、スイッチングトランジスタＱ１、整流ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１が昇圧チョッパコンバータを形成するように接続構成された電力変換回路３が接続されている。
【０００５】
他方の出力端子２ｂと回路の基準電位点としてのグランドとの間には、負荷６に流れる電流（以下、負荷電流という）を検出し、当該負荷電流に応じた帰還信号を発生するための検出回路５が接続されている。そして、電力変換回路３と検出回路５の間には、検出回路５から帰還信号の供給を受け、帰還信号の大きさに応じて電力変換回路３を駆動するための制御回路４が接続されている。
これら電力変換回路３、制御回路４および検出回路５により、スイッチング定電流電源装置が構成されている。
【０００６】
この図４のスイッチング定電流電源装置の動作を簡単に解説すると、制御回路４は、検出回路５からの帰還信号に応じたオンデューティにてスイッチングトランジスタＱ１にオンオフ動作を行わせる。ここで帰還信号は、通常のスイッチング電源装置のような出力電圧に応じた大きさ（信号量）ではなく、出力電流（＝負荷電流）に応じた大きさ（信号量）を持つ。このためスイッチングトランジスタＱ１は、負荷電流に応じたオンデューティにてオンオフ動作を行い、例えば、負荷電流が安定化目標値よりも低い場合、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を上昇させて負荷電流が増加するように誘導する。その結果、図４の装置では負荷電流が安定化される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年のＬＥＤを光源として使用する表示装置・照明装置の中には、高速でＬＥＤの点灯と消灯を繰り返し、省電力化などの効果を狙った装置が存在する。このような装置では、負荷に電流が流れている期間（以下、電流流通期間と言う）と流れていない期間（以下、電流遮断期間と言う）が当然に生じる。すると、ＬＥＤへの電流供給用の電源が図４に示すような構成となっているスイッチング定電流電源装置では、電流遮断期間には検出回路５から制御回路４に供給される帰還信号がほぼゼロレベルとなる。換言すると、帰還信号は直流ではなくてパスル状になってしまう。
【０００８】
通常、制御回路４はパルス状の帰還信号を扱うような構成となっていない。このようなパスル状の帰還信号が供給された制御回路４は、電流遮断期間においてはスイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作のオンデューティを最大にしようとし、その次に現れる電流流通期間においてはスイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作のオンデューティを小さくしようとする。ここで、電流遮断期間にオンデューティが最大になると平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が急激に上昇し、次の電流流通期間には、比較的長い間、安定化目標値以上の負荷電流が流れてしまう可能性がある。
【０００９】
帰還信号がパルス状である時には、例えば、その帰還信号をコンデンサ等で平滑し、直流にした上で制御回路４に供給することが考えられる。しかし、パルス状の帰還信号をコンデンサ等で平滑すると、制御回路４に供給される時点での帰還信号は所定期間の平均値にほぼ等しい大きさとなってしまう。このため、非周期的な負荷の断続や断続とは別の負荷変動が生じた時には、安定化目標値から外れた負荷電流を目標値に復帰させるまでに長い時間を要してしまう。
【００１０】
このように、負荷が断続される条件下では、制御回路４からスイッチングトランジスタＱ１、チョークコイルＬ１、平滑コンデンサＣ１、負荷６、検出回路５を経て再び制御回路４に戻るフィードバックループの制御動作の応答速度が負荷の変化に追従できず、負荷電流を安定化できなくなる可能性があった。
そこで本発明は、負荷が断続を繰返す条件下においても負荷電流を安定化することのできるスイッチング定電流電源装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた帰還信号を発生する電流検出回路および帰還信号に応じて該電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、電流検出回路と制御回路との間に設けられ、その内部には信号保持手段を有し、電流検出回路から出力される第１の帰還信号と信号保持手段から出力される第２の帰還信号のいずれか一方を制御回路に供給する帰還回路を備え、信号保持手段は、負荷電流が流れている時に生じた第１の帰還信号の最大値にほぼ等しい大きさの第２の帰還信号を生成するピークホールド回路と、負荷電流が流れていない状態から流れている状態に転換した時、ピークホールド回路を初期状態に戻すリセット回路を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
負荷電流に応じた帰還信号を発生する検出回路と、負荷に電流を供給するための電力変換回路を駆動する制御回路との間に、その内部に信号保持手段を備え、負荷電流が流れている場合には電流検出回路が出力する第１の帰還信号を制御回路に供給し、負荷電流が流れていない場合には信号保持手段が出力する第２の帰還信号を制御回路に供給する帰還回路を設ける。
このような機能を実現するための帰還回路は、大きく分けて選択手段と信号保持手段から成り、具体的に信号保持手段はピークホールド回路とリセット回路から構成される。
【００１３】
ここでピークホールド回路は、検出回路が出力する第１の帰還信号を参照し、負荷電流が流れている期間内に現れた第１の帰還信号の最大値とほぼ等しい第２の帰還信号を生成する。そしてリセット回路は、検出回路が出力する第１の帰還信号から負荷電流が流れていない状態から流れている状態に転換したことを検知した時、ピークホールド回路を初期状態に戻す。
このような帰還回路を組み込んだスイッチング定電流電源装置は、負荷電流が流れている時、帰還回路が第１の帰還信号を制御回路に供給することにより、従来回路と同様に負荷電流を安定化するように動作する。
【００１４】
一方、負荷電流が流れていない時、帰還回路を組み込んだスイッチング定電流電源装置は、帰還回路が第２の帰還信号を制御回路に供給することにより、スイッチングトランジスタのオンオフ動作のオンデューティが高くならないようにする。具体的には、オンデューティを、負荷電流が流れなくなる直前の電流流通期間中、最大の負荷電流が流れていた時とほぼ同じ大きさに固定する。これにより負荷が断続されても、スイッチング定電流電源装置の電流制御動作がフィードバックループの応答速度の都合で負荷の変化に追従できなくなり、負荷電流を安定化できなくなるという現象の発生を防止する。
【００１５】
【実施例】
本発明によるスイッチング定電流電源装置の実施例を図１に示した。
図１のブロック図で示したスイッチング定電流電源装置は、制御回路４と検出回路５の間に帰還回路７を設けた点を除けば図４に示した従来の回路と同じである。この図１の帰還回路７は、大きく分けて、一つは第２の帰還信号を生成するための信号保持手段８と、もう一つは検出回路５が出力する第１の帰還信号とを先の第２の帰還信号のいずれかを制御回路４に供給するための選択手段から成っている。
ここで、このような機能を発揮する帰還回路７は、具体的に図２のブロック図に示すような構成としている。
【００１６】
図２において、８ａと８ｂは、それぞれ信号保持手段８を構成するピークホールド回路とリセット回路であり、９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれ選択回路９を構成するスイッチ回路、第１のバッファ回路、第２のバッファ回路である。
ピークホールド回路８ａ、リセット回路８ｂおよび第１のバッファ回路９ｂの各入力側は、第１の帰還信号が受けられるように検出回路５に接続されている。リセット回路８ｂの出力側はピークホールド回路８ａに接続され、ピークホールド回路８ａの出力側は第１の帰還信号に応じてオンオフするスイッチ回路９ａを介して第２のバッファ回路９ｃの入力側に接続されている。そして各バッファ回路９ｂ、９ｃの出力側は制御回路４に接続された構成となっている。
【００１７】
以上のような構成とした帰還回路７は、検出回路５から供給される第１の帰還信号に応じて次のように動作する。
先ず、負荷６に負荷電流が流れており、検出回路５から出力される第１の帰還信号が大きい時、スイッチ回路９ａはオフ状態になり、制御回路４には第１のバッファ回路９ｂを介して第１の帰還信号が供給される。この時、ピークホールド回路８ａは、供給される第１の帰還信号を参照して第１の帰還信号の最大値（ピーク値）にほぼ等しい第２の帰還信号を生成し、その第２の帰還信号を出力し続ける。
【００１８】
負荷６に負荷電流が流れなくなり、検出回路５からの第１の帰還信号がほぼゼロレベルまで小さくなると、スイッチ回路９ａはオン状態に転換し、制御回路４にはスイッチ回路９ａと第２のバッファ回路９ｃを介して第２の帰還信号が供給される。
そして、負荷電流が流れない状態から流れる状態に転換した時、第１の帰還信号の大きさの変化によってそれを検知したリセット回路８ｂは、ピークホールド回路８ａを初期状態に戻す。これによりピークホールド回路８ａは、新たな電流流通期間に発生した第１の帰還信号の最大値（ピーク値）にほぼ等しくなるような第２の帰還信号を生成することになる。
【００１９】
このような帰還回路７を備えた図１のスイッチング定電流電源装置は、負荷電流が流れている時、制御回路４には検出回路５からの第１の帰還信号が選択的に供給される。この状態での図１に示す構成の装置は、従来回路と全く同じ動作によって負荷電流を安定化する。
一方、負荷電流が流れていない時、制御回路４にはピークホールド回路８ａから出力された第２の帰還信号が選択的に供給される。第２の帰還信号の供給を受けた制御回路４は、スイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作のオンデューティを固定する。この時のオンデューティは、負荷電流が流れなくなる直前の電流流通期間中、最大の負荷電流が流れていた時とほぼ同じ大きさとなる。
【００２０】
ここで、スイッチングトランジスタＱ１のオンデューティが固定されると、電流遮断期間での平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇が抑制される。このため、次の電流流通期間に目標値以上の負荷電流が流れるという不都合な現象が発生し難くなる。また、電流遮断期間でのスイッチングトランジスタＱ１のオンデューティは実際に負荷６に電流を供給している時とほぼ同じである。このため、負荷電流が流れない状態から流れる状態になった時、第１の帰還信号に応じて素早くフィードバックループの制御動作が働くようになる。
このような動作の結果、負荷が断続を繰返す場合にも負荷電流を安定化できるようになる。
【００２１】
図３は、本発明によるスイッチング定電流電源装置の具体的な回路構成の一例を示した。
図３の回路図において、電力変換回路３と制御回路４の回路構成とその自励発振動作については、素子削減と簡略化により回路が若干相違しているものの、基本的には実開昭５３−７８４１８号、特開平１０−１４２３６号、特開平１１−６９７９１号、特開平１２−２８７４６０号などに示されているとおりである。
【００２２】
そして、本発明の要部である帰還回路７は次のようにして構成した。
２つのエラーアンプＥＡ１、ＥＡ２を設け、エラーアンプＥＡ１の出力端子をダイオードＤ３を介してエラーアンプＥＡ２の非反転側入力端子（＋）に接続する。エラーアンプＥＡ２の非反転側入力端子（＋）とグランドとの間にコンデンサＣ３を接続し、エラーアンプＥＡ２の反転側入力端子（−）はその出力端子に接続する。エラーアンプＥＡ１の反転側入力端子（−）とその出力端子の間にはダイオードＤ４を接続し、エラーアンプＥＡ１の反転側入力端子（−）とエラーアンプＥＡ２の出力端子の間には抵抗Ｒ５を接続し、エラーアンプＥＡ１の非反転側入力端子（＋）は検出回路５に接続する。
【００２３】
このエラーアンプＥＡ１、ＥＡ２、ダイオードＤ３、Ｄ４、抵抗Ｒ５およびコンデンサＣ３により、ピークホールド回路８ａが形成されている。ちなみに、このピークホールド回路８ａの構成は、例えば、特開２００２−２８８９９０号に開示されている。
【００２４】
検出回路５とグランドとの間にコンデンサＣ４と抵抗Ｒ６を直列に接続し、そのコンデンサＣ４と抵抗Ｒ６の接続点をトランジスタＱ４のベースに接続する。トランジスタＱ４のコレクタはコンデンサＣ３とエラーアンプＥＡ２の接続点に接続し、そのエミッタはグランドに接続する。このコンデンサＣ４、抵抗Ｒ６およびトランジスタＱ４によりリセット回路８ｂが形成されている。
検出回路５とグランドとの間に抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８を直列に接続し、その抵抗Ｒ７とＲ８の接続点をトランジスタＱ５のベースに接続する。トランジスタＱ５のエミッタはグランドに接続し、そのコレクタは制御回路４のトランジスタＱ２のコレクタに接続する。この抵抗Ｒ７、抵抗Ｒ８およびトランジスタＱ５により第１のバッファ回路９ｂが形成されている。
【００２５】
エラーアンプＥＡ２の出力端子とグランドとの間に抵抗Ｒ９と抵抗Ｒ１０を直列に接続し、その抵抗Ｒ９とＲ１０の接続点をトランジスタＱ６のベースに接続する。トランジスタＱ６のエミッタはグランドに接続し、そのコレクタは制御回路４のトランジスタＱ２のコレクタに接続する。この抵抗Ｒ９、抵抗Ｒ１０およびトランジスタＱ６により第２のバッファ回路９ｃが形成されている。
そして、検出回路５とグランドとの間に抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２を直列に接続し、その抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点をトランジスタＱ７のベースに接続する。トランジスタＱ７のエミッタはグランドに接続し、そのコレクタはトランジスタＱ６のベースに接続する。この抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ１２およびトランジスタＱ７によりスイッチ回路９ａが形成されている。
【００２６】
このような構成となっている図３の回路では、負荷電流が流れている場合、検出回路５が出力する第１の帰還信号は負荷電流に応じた大きさとなる。するとトランジスタＱ７はオンし、トランジスタＱ６をオフさせる。その結果、トランジスタＱ５のコレクタには制御回路４から第１の帰還信号に応じた電流が流入し、これによりスイッチングトランジスタＱ１は第１の帰還信号に応じたオンデューティでもってオンオフ動作をする。
【００２７】
この時、ピークホールド回路８ａのエラーアンプＥＡ１は、検出回路５からの第１の帰還信号に応じてコンデンサＣ３を充電する。そしてエラーアンプＥＡ２は、コンデンサＣ３の端子間に現れた電圧に応じて第２の帰還信号を生成する。
ここで、エラーアンプＥＡ２の出力がエラーアンプＥＡ１の反転側入力端子（−）に接続されているため、コンデンサＣ３は第１の帰還信号が第２の帰還信号を上回った時だけエラーアンプＥＡ１によって充電される。このため第２の帰還信号は、第１の帰還信号の最大値とほぼ同じ大きさになる。
【００２８】
次に、負荷６に電流が流れていない場合、検出回路５が出力する第１の帰還信号は小さくなり、ほぼゼロレベルとなる。するとトランジスタＱ５とトランジスタＱ７は共にオフし、トランジスタＱ６はオンする。そしてトランジスタＱ６には、制御回路４から第２の帰還信号に応じた電流が流入し、これによりスイッチングトランジスタＱ１は第２の帰還信号に応じたオンデューティでもってオンオフ動作をする。
【００２９】
リセット回路８ｂのコンデンサＣ４と抵抗Ｒ６は、等価的に微分回路の構成になっている。このため、ベースがコンデンサＣ４と抵抗Ｒ６の接続点に接続されたトランジスタＱ４は、負荷電流が流れない状態から流れる状態に転換し、第１の帰還信号がステップ状に大きくなるよう変化した時、短時間ながらオンする。するとコンデンサＣ３は放電し、ピークホールド回路８ａは初期状態に戻ることになる。
このように図３に示す回路は、図１、図２にブロック図で示したスイッチング定電流電源装置を実現し、負荷が断続を繰返す場合にも負荷電流を安定化できる電源装置となる。
【００３０】
以上の実施例の説明では、帰還回路７の信号保持手段８をピークホールド回路８ａとリセット回路８ｂで構成した場合について説明した。しかし、信号保持手段８は必ずしもピークホールド回路８ａとリセット回路８ｂで構成しなくとも良く、例えばサンプルホールド回路とトリガ回路で構成してもよい。
また、リセット回路８ｂは、検出回路５が出力する第１の帰還信号の変化に従ってピークホールド回路８ａを初期状態に戻すのでなく、負荷６を断続する外部の信号に従ってピークホールド回路８ａを初期状態に戻すように構成してもよい。なお、ピークホールド回路８ａを初期状態に戻すリセット信号は、負荷の断続する周期以上の周期で供給されれば良く、極論すれば負荷の断続に同期しないタイミングで当該リセット信号が供給される形態でもよい。
【００３１】
さらに、電力変換回路３は昇圧チョッパ型に制限されず、制御回路４についても自励・ＰＷＭ制御方式に限定されない。そして、検出回路５も抵抗検出以外の検出方法を用いてもよく、第１の帰還信号の大きさを制御回路４で要求されるレベルに合わせるために新たに増幅回路やレベルシフト回路を付加してもよい。
本発明の要旨を変更しない範囲であれば、具体的な回路構成の変形が可能であることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によるスイッチング定電流電源装置は、負荷に流れる電流に応じた第１の帰還信号を発生する検出回路と、負荷に電流を供給するための電力変換回路を駆動する制御回路の間に、第２の帰還信号を発生する信号保持手段を備えた帰還回路を設置する。そして当該帰還回路から制御回路に、電流流通期間中には第１の帰還信号を供給させ、電流遮断期間中には第２の帰還信号を供給させる。ここで第２の帰還信号は、電流流通期間中に現れた第１の帰還信号の最大値にほぼ等しい大きさを持つことを特徴としている。
このような本発明によれば、フィードバックループの電流制御動作の応答速度が負荷変動に追従できなくなる事態が防止され、その結果、負荷が断続される場合にも負荷電流を安定化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチング定電流電源装置の実施例のブロック図。
【図２】本発明の要部を成す帰還回路の具体的な構成例を示すブロック図。
【図３】本発明によるスイッチング定電流電源装置の具体的な回路図。
【図４】従来のスイッチング定電流電源装置の一例のブロック図。
【符号の説明】
１  入力端子
２ａ、２ｂ  出力端子
３  電力変換回路
４  制御回路
５  検出回路
６  断続される負荷
７  帰還回路
８  信号保持手段
８ａ  ピークホールド回路
８ｂ  リセット回路
９  選択手段
【図１】
0003653078.tif 000002
【図２】
0003653078.tif 000003
【図３】
0003653078.tif 000004
【図４】
0003653078.tif 000005