(57)【要約】【課題】電源電圧が変動した場合においても一定の電力をLEDに供給することが可能な降圧型電源回路を提供する。【解決手段】入力の電源端子とGND端子との間に接続された、負荷となるLEDと、エネルギー蓄積用のコイルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１との直列回路、及びアノード端子が前記コイルＬ１と前記スイッチング素子Ｑ１の接続点に接続され、カソード端子が入力の電源端子に接続されて、前記コイルＬ１と前記負荷となるLEDと並列に接続された回生ダイオードとを有し、商用交流電源の電源電圧を降圧して前記負荷となるLEDに給電する降圧型電源回路と、前記コイルＬ１に流れる電流が零となることを検出するオン検出回路と、前記コイルＬ１に流れる電流が基準値を超えることを検出するオフ検出回路と、前記オン検出回路またはオフ検出回路の検出結果に基づいて前記スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御をする駆動制御回路とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力の電源端子とGND端子との間に接続された、負荷となるLEDと、エネルギー蓄積用のコイルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１との直列回路、及びアノード端子が前記コイルＬ１と前記スイッチング素子Ｑ１の接続点に接続され、カソード端子が入力の電源端子に接続されて、前記コイルＬ１と前記負荷となるLEDと並列に接続された回生ダイオードとを有し、商用交流電源の電源電圧を降圧して前記負荷となるLEDに給電する降圧型電源回路と、
前記コイルＬ１に流れる電流が零となることを検出するオン検出回路と、
前記コイルＬ１に流れる電流が基準値を超えることを検出するオフ検出回路と、
前記オン検出回路またはオフ検出回路の検出結果に基づいて前記スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御をする駆動制御回路とを備えたことを特徴とする電源回路。
【請求項２】
前記オン検出回路は、
前記回生ダイオードに掛かる逆方向電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の検出電圧を電圧電流変換する電圧電流変換回路と、
前記電圧電流変換回路により変換された電流を電圧変換する電流電圧変換回路と、
電流電圧変換回路によって変換された電圧と基準電圧を比較する第１の比較器と、
前記第１の比較器の出力をワンショットパルスに変換する波形整形回路とを備え、
前記コイルＬ１に流れる電流が零になる点を検出して、前記コイルＬ１に蓄積されたエネルギー放電が完了するのに合わせて前記スイッチング素子Ｑ１をオンさせることにより、前記電源電圧の変動が生じた場合は、臨界動作モードによりスイッチング周波数を自動的に調整することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
【請求項３】
前記オフ検出回路は、
前記スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を検出して電圧に変換するための電流検出抵抗器と、第２の基準電圧源と第２の比較器とから構成され、
前記電流検出抵抗器により検出された電圧と、前記第２の基準電圧源から出力される基準電圧とを前記第２の比較器で比較することにより、前記スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を検出する請求項１に記載の電源回路。
【請求項４】
前記駆動制御回路は、フリップフロップとバッファ回路と初期化回路とから構成され、
電源投入時には、前記初期化回路により前記フリップフロップへの入力を初期化し、電源投入以降は前記オン検出回路の出力と、前記オフ検出回路の出力をフリップフロップの入力とし、電源投入以降はこれに従うよう前者をセット入力、後者をリセット入力とし、その出力により前記スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
【請求項５】
前記スイッチング素子Ｑ１はNchのMOSFETにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電源回路。
【請求項６】
前記回生ダイオードは高速リカバリダイオード、またはショットキーバリアダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電源回路。
【請求項７】
電圧電流変換する回路は高速のPNPのBipolarを使用していることを特徴とする請求項２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、商用交流電源を直流に変換した後、降圧型電源回路によってLEDへの消費電力を供給する電源回路に用いて好適な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、負荷への電力が供給された後、自由振動が完了する前にスイッチング周波数を最適化する電源回路が提案されている。この電源回路は、スイッチング素子の両端電圧を監視し、その電圧レベルや電圧の時間変化を検出、固定周波数に同期させたスイッチング周波数の最適化によりスイッチング素子を制御することで、負荷に電力を供給している（特許文献１）。
【０００３】
しかし、入力電圧が変化した場合、入力電圧の変化に応じて負荷への電流は変化するが、スイッチング素子がオフする区間が固定周波数で制御されているために、負荷への電力は一定とならない問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６２５６２１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
LED照明器具の特徴の一つとして、消費電力が安定であることが挙げられる。また、ワールドワイド電圧を想定した場合入力電圧の範囲が広く、LEDへの電力供給を安定して行うことが求められている。
本発明は前述の問題点に鑑み、電源電圧が変動した場合においても一定の電力をLEDに供給することが可能な電源回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電源回路は、入力の電源端子とGND端子との間に接続された、負荷となるLED１と、エネルギー蓄積用のコイルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１との直列回路、及びアノード端子が前記コイルＬ１と前記スイッチング素子Ｑ１の接続点に接続され、カソード端子が入力の電源端子に接続されて、前記コイルＬ１と前記負荷となるLED１と並列に接続された回生ダイオードとを有し、商用交流電源の電源電圧を降圧して前記負荷となるLED１に給電する降圧型電源回路と、前記コイルＬ１に流れる電流が零となることを検出するオン検出回路と、前記コイルＬ１に流れる電流が基準値を超えることを検出するオフ検出回路と、前記オン検出回路またはオフ検出回路の検出結果に基づいて前記スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御をする駆動制御回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電源電圧が変動した場合においても一定の電力をLEDに供給することが可能な電源回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態を示し、LED電源回路の構成を説明する回路図である。
【図２】本発明の実施形態を示し、LED電源回路の各部の動作を説明する波形図である。
【図３】本発明の実施形態を示し、LED電源回路における電源電圧依存性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
図１に、本発明の実施形態を示す、LED電源回路の実施形態の概略構成図を示す。本実施形態のLED電源回路は、商用電源ACを整流器により直流変換した電圧を入力電圧とし、LED１を負荷とする降圧型電源回路１０と、オン検出回路２０と、オフ検出回路３０と、駆動制御回路４０から構成される。
【００１０】
降圧型電源回路１０は、LED１を負荷とし、エネルギー蓄積用のコイルＬ１、回生ダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ１、および電流検出抵抗器Ｒ２で構成され、図示しない整流回路で整流された電圧を入力とする。そして、駆動制御回路４０からの制御に基づいてスイッチング素子Ｑ１がオン・オフすることで、LED１に電力を供給する。電流検出抵抗器Ｒ２は、オフ検出回路３０の一部を構成している。本実施形態において、スイッチング素子Ｑ１はNchのMOSFETにより構成されている。
【００１１】
回生ダイオードＤ１は、アノード端子がコイルＬ１とスイッチング素子Ｑ１の接続点に接続され、カソード端子が入力の電源端子に接続されて、コイルＬ１と負荷となるLED１と並列に接続されている。本実施形態において、回生ダイオードＤ１は高速リカバリダイオードやショットキーバリアダイオードを使用している。
【００１２】
スイッチング素子Ｑ１は、オン時においては図１の「スイッチングオン時の充電電流」として、点線の矢印５１で示したように、電源電圧→基準電位の方向でコイルＬ１およびLED１に電流を流す。これにより、コイルＬ１にはエネルギーを蓄積しながら、LED１には給電する。またオフ時は、オン時にコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが、「スイッチングオフ時の放電電流」として、点線の矢印５２で示したように、回生ダイオードＤ１を経由して放電され、放電電流によりLED１に給電する。本実施形態ではスイッチング素子Ｑ１にNCHのMOSFETを使用している。
【００１３】
オン検出回路２０は、電圧検出回路２１、電圧電流変換回路２２、電流電圧変換回路２３、第１の基準電圧源２４、および第１の比較器２５から構成されている。そして、回生ダイオードＤ１の印加電圧が逆方向となることを検出し、コイルＬ１からのエネルギーの放電が終了した時点で、再びスイッチング素子Ｑ１をオンさせる働きをする。電圧検出回路２１は２つの抵抗器Ｒ３とＲ４で構成されている。
【００１４】
電圧電流変換回路２２は、抵抗器Ｒ５と電圧電流変換素子Ｑ２で構成され、電圧検出回路２１の出力を入力とし、電圧電流変換を行う。本実施形態では、電圧電流変換素子Ｑ２として高速のPNP型バイポーラ（Bipolar）トランジスタを使用している。
【００１５】
電流電圧変換回路２３は、抵抗器Ｒ１から構成され、電圧電流変換回路２２により電流変換された検出電圧の結果を、GND基準の電圧に変換する。第１の基準電圧源２４は、GND基準の電圧と基準電圧GNDとを比較し、駆動制御回路４０へのL-Hレベルを出力する。
【００１６】
オフ検出回路３０は、電流検出抵抗器Ｒ２、第２の基準電圧源３１、および第２の比較器３２から構成され、スイッチング素子Ｑ１がオンした後、コイルＬ１に流れる電流のピーク値が一定値となるよう、基準値を超え時点でスイッチング素子Ｑ１をオフさせる働きをする。第２の比較器３２は、電圧検出回路２１で検出された電圧と第２の基準電圧源３１の基準電圧Vref2とを比較し、オン検出回路２０と同様に駆動制御回路４０へのL-Hレベルを出力する。
【００１７】
駆動制御回路４０は、フリップフロップ４１、バッファ回路４２、および初期化回路４３から構成される。フリップフロップ４１はセット端子Ｓ、リセット端子Ｒ、およびＱ端子により構成されている。そして、オン検出回路２０の出力が、波形整形回路５０、初期化回路４３を介してセット端子Ｓに入力され、オフ検出回路３０の出力が初期化回路４３を介してリセット端子Ｒに入力される。この場合、セット端子Ｓとリセット端子Ｒが同時に「Ｈ」とならないように制御される。バッファ回路４２は、フリップフロップ４１の出力に応じてスイッチング素子Ｑ１を低出力インピーダンスで駆動する働きをする。初期化回路４３は、電源の投入毎にフリップフロップ４１への入力を初期化する回路で、電源の投入直後はセット端子Ｓに「Ｈ」レベルのワンショットパルス、リセット端子Ｒに「Ｌ」レベルを生成する。電源の投入直後以降は、具体的なスイッチング動作に応じたセット端子およびリセット端子への入力が生成され、初期化はしない。
【００１８】
先ず、本発明の臨界モード動作について、図１および図２を用いて説明する。図２の(ａ)はフリップフロップ４１のセット端子Ｓの電圧波形。(ｂ)はフリップフロップ４１のリセット端子Ｒの電圧波形。（ｃ）はスイッチング素子Ｑ１のゲート端子の電圧波形。（ｄ）はスイッチング素子Ｑ１のドレイン端子の電圧波形。（ｅ）はスイッチング素子Ｑ１に流れる電流波形。（ｆ）はコイルＬ１およびLED１に流れる電流波形。(ｇ)はLED１への供給電力波形を示す。実線は本発明の各部波形、点線は例としてオフ区間が固定の場合の各部波形を示す。オン区間Tonはスイッチング素子がオンしている区間、オフ区間Toffはスイッチング素子がオフしている区間とする。また充電時間Tchはオン区間Tonと常に等しい。
【００１９】
電源投入後、時刻t１において、初期化回路４３によりフリップフロップ４１のセット信号には「Ｈ」レベルのワンショットパルスが入力、リセット信号には「Ｌ」レベルが入力され、スイッチング動作が開始する。フリップフロップ４１に最初のセット信号が入力されると、フリップフロップ４１のＱ端子は「Ｈ」レベルを出力し、スイッチング素子Ｑ１がオンして、コイルＬ１に電流を流し始める。
【００２０】
通常、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗とコイルＬ１のインダクタンス値からなる時定数に比べてオン区間は十分小さいため、オン区間における電流変化は一次近似でき、コイルＬ１の電流は直線的に増加する。
【００２１】
コイルＬ１の電流は、その電流と電流検出抵抗器Ｒ２の積で決まる電圧を、オフ検出回路３０の第２の比較器３２で基準電圧Ｖrefと比較されているため、「Ipk=Vref/R2」で決まるピーク電流を超えると、第２の比較器３２は「Ｈ」レベルを出力する。フリップフロップ４１はリセット端子Ｒに「Ｈ」レベルを受け、Ｑ端子を「Ｌ」レベルに再設定して、スイッチング素子Ｑ１をオフさせる（時刻t２）。
【００２２】
スイッチング素子Ｑ１がオフとなると、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーの放電が開始する。この時、放電時間は「Tdis=L1*Ipk/ Vled」で決まる。VledはLED１の順方向電圧である。例えば、点線が示すように、時刻t２から次回のフリップフロップ４１のセット端子Ｓに「Ｈ」レベルを設定する時刻t６までが固定時間（オフ区間固定）で制御され、かつToffに比べt６-t２が長いとする。すると、コイルＬ１のエネルギーが放電した後、スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子は自由振動を開始する（時刻t３よりも若干早い時刻）。この自由振動は次回のセット信号が「Ｈ」レベルとなる時刻t６まで継続し、以降繰り返しこのスイッチング動作を繰り返す。
【００２３】
一方、本実施形態では時刻t３においてオン検出回路２０が作動する。オン検出回路２０はダイオードＤ１に掛かる電圧が逆方向となることを監視しているため、スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子が電源電圧Vccよりも低くなった場合に働く。
【００２４】
時刻t３よりも僅かに早い時刻において自由振動が開始してドレイン端子の電圧が下降すると、回生ダイオードＤ１の逆方向電圧は大きくなる。この電圧は抵抗器Ｒ３とＲ４で減衰され、電圧電流変換素子Ｑ２と抵抗器Ｒ５で構成される電圧電流変換回路２２で電流に変換される。
【００２５】
この場合、所望の変換電流となるようＲ３、Ｒ４、およびＲ５は任意の組合せを選ぶことが出来る。この電流は、電流電圧変換回路２３を構成する抵抗器Ｒ１によりGNDに基準の電圧に変換され、第１の基準電圧源２４の第１の基準電圧Ｖref１と第１の比較器２５により比較される。そして、比較結果は、波形整形回路５０により波形整形され、「Ｈ」レベルのワンショットパルスが生成される。このワンショットパルスが、フリップフロップ４１へのセット端子Ｓに入力される。これにより、Ｑ端子が「Ｈ」レベルとなり、「Ｈ」レベルの電圧がバッファ回路４２を介してスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に印加されることにより、スイッチング素子Ｑ１再びオン状態となる。
【００２６】
これらの信号経路の遅延により、自由振動の開始よりも僅かに遅れてスイッチング素子Ｑ１はオン状態となる（時刻t３）。以降、時刻t４、時刻t５、および時刻t７とスイッチング動作が繰り返され、放電時間Tdisとスイッチング素子がオフする区間Toffが一致する。
【００２７】
次に、電源電圧Vccが変動した場合の動作を説明する。
一回のスイッチングにおけるLED１で消費されるエネルギーは、オン区間およびオフ区間で消費されるエネルギーの総和であり、エネルギーは電圧×電流の時間積分であるから、再度、オン区間をTon、オフ区間をToff、エネルギーの総和をEledとすると、
【００２８】
【数１】
2014108023.tif 000003
【００２９】
LED１に流れる電流はコイルＬ１に流れる電流に等しいこと、またオフ区間にLED１で消費されるエネルギーはオン区間にコイルＬ１に蓄えられたエネルギーに等しいことから、
【００３０】
【数２】
2014108023.tif 000004
【００３１】
Ton後に流れるコイル電流をIpkとすると、Ipk=Vref/R2で示される一定値である。Tonは十分小さいのでコイルＬ１の電流iL(t)は直線近似できる。スイッチング素子Ｑ１に掛かる電圧δvは十分小さく、LED１の順方向電圧は時間変化無く一定値Vledと近似できるので、Ton、iL(t)は各々、
【００３２】
【数３】
2014108023.tif 000005
【００３３】
本実施形態では、オン検出回路２０により回生ダイオードＤ１の逆バイアスを監視することで、コイルＬ１に蓄積したエネルギーの放電が完了する時点を検出し、これに合わせてスイッチング素子Ｑ１をオン制御させる。これにより、電源変動が生じた場合は自動的にスイッチング周波数を調整することができるので、従来技術や図２の点線に示すよう、オフ区間が固定値とならない。単位時間のスイッチング回数、すなわち、スイッチング周波数fswは、
【００３４】
【数４】
2014108023.tif 000006
【００３５】
前述した１０式において、エネルギー項は「1-Vled/Vcc」に反比例し、スイッチング周波数項は「1-Vled/Vcc」に比例するため、最終的に相殺されて電源電圧依存性がなくなる。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｇ）に電源電圧が大きくなる場合の様子を示す。
図３（ｄ）に示すように、例えば、電源電圧Vccが上昇してVcc'になるとする。この時、スイッチング素子Ｑ１がオンし、図３（ｅ）に示すように、コイルＬ１に流れる電流がIpkに達するまでのオン区間（充電時間Tch）TonがTon'になるとすると、Ton'はTonより小さくなる。
【００３７】
また、オン時にコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放電されるのに要する区間Toff（放電時間Tdis）は電源電圧に依存しないため、Vcc'においても変化はない。LED１への供給されるエネルギーは図３におけるコイルＬ１に流れる電流波形の面積になるため、Vcc'では一回のスイッチングでのエネルギーは少なくなる。これは、前述した１０式のエネルギー項が示している。
【００３８】
また、スイッチング周波数は、「1/(Ton'+Toff')」で示されるがTon'が小さくなるため、周波数は速くなる。これは、前述した１０式の周波数項が示している。一方、電源電圧が小さくなる場合では、供給されるエネルギーが大きくなるが、スイッチング周波数が遅くなる動作をする。
【００３９】
前述したように、本実施形態のLED電源回路では電源電圧が変動してもLED１へ供給電力が変動してしまう問題点を解消することが可能となり、図３（ｇ）に示すよう、電源変動においても一定の電力ＰledをLED１に供給することができる。
【００４０】
（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（コンピュータプログラム）を、ネットワーク又は各種のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  降圧型電源回路
２０  オン検出回路
２１  電圧検出回路２１
２２  電圧電流変換回路
２３  電流電圧変換回路
２４  第１の基準電圧源
２５  第１の比較器
３０  オフ検出回路
３１  第２の基準電圧源
３２  第２の比較器
４０  駆動制御回路
４１  フリップフロップ
４２  バッファ回路
４３  初期化回路
５０  波形整形回路
【図１】
2014108023.tif 000007
【図２】
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【図３】
2014108023.tif 000009