(57)【要約】  交流入力を受け取り、分割された交流出力を供給する容量性ディバイダ回路、１０ワット未満の直流出力を供給する整流器、１つまたは複数の光源に結合可能な出力端子、および直列回路内を流れる駆動電流を安定化するように前記光源と直列に結合された線形レギュレータを備える、光源に電力を供給するための高効率で低電力の直流ドライバ装置を提示する。【選択図】図１
2013508914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源に電力を供給するための高効率で低電力の直流ドライバ装置であって、
交流電源に結合可能な第１および第２の入力端子を備える入力と、
前記入力端子間に直列に結合され、中間ノードのところで互いに結合された第１および第２のキャパシタンスを備え、入力端子のところで交流入力を受け取り、前記中間ノードに分割された交流出力を供給する、容量性ディバイダ回路と、
前記分割された交流出力を受け取って整流し、１０ワット未満の電力レベルの直流出力を一対の直流出力ノードに供給するように前記中間ノードと動作可能に結合される整流器と、
少なくとも１つの光源に結合可能な一対のドライバ出力端子を備え、前記ドライバ出力端子のうちの第１の端子は前記直流出力ノードのうちの第１のノードと結合される、出力と、
前記ドライバ出力端子のうちの第２の端子と前記直流出力ノードのうちの第２のノードとの間に結合され、前記光源および前記線形レギュレータを前記直流出力ノード間に直列回路で結合する、前記直列回路内を流れる駆動電流を安定化するように動作可能である線形レギュレータとを備える直流ドライバ装置。
【請求項２】
前記線形レギュレータは、
ドレイン端子およびソース端子が前記直列回路で結合され、ゲート端子が前記ドレイン端子と前記ソース端子との間を流れる前記電流を制御するように動作可能である電界効果トランジスタと、
前記直列回路で結合されているセンス抵抗と、
入力が前記センス抵抗と結合され、前記センス抵抗にかかる電圧を感知し、出力が前記電界効果トランジスタの前記ゲート端子に印加される電圧を制御し、前記直列回路内を流れる前記駆動電流を安定化する、オペアンプ回路とを備える請求項１記載のドライバ装置。
【請求項３】
前記線形レギュレータは前記オペアンプ回路内にキャパシタンスをさらに備え、これにより前記ドライバ装置をソフト始動するために前記直列回路内を流れる前記駆動電流の立ち上がり時間を制御する請求項２記載のドライバ装置。
【請求項４】
前記容量性ディバイダの前記第１のキャパシタンスと前記第２のキャパシタンスとの比は、前記線形レギュレータが始動時のみ安定化を行うように設定される請求項２記載のドライバ装置。
【請求項５】
前記線形レギュレータは、
前記直流出力ノードのうちの１つのノードと結合された入力端子、前記ドライバ出力端子のうちの１つの端子と結合された出力端子、および調整端子を持つ３端子レギュレータと、
前記出力端子と前記調整端子との間に結合された第１の抵抗と、
前記調整端子と前記ドライバ出力端子のうちの他方の端子との間に結合された第２の抵抗とを備え、
前記３端子レギュレータは、前記ドライバ出力端子の間の電圧を安定化して、前記直列回路内を流れる前記駆動電流を安定化する請求項１記載のドライバ装置。
【請求項６】
前記線形レギュレータの前記第２の抵抗は、前記照明デバイスを調光するように調整可能である請求項５記載のドライバ装置。
【請求項７】
前記容量性ディバイダの前記第１のキャパシタンスと前記第２のキャパシタンスとの比は、前記線形レギュレータが始動時のみ安定化を行うように設定される請求項５記載のドライバ装置。
【請求項８】
前記線形レギュレータは、前記ドライバ装置をソフト始動するために前記直列回路内を流れる前記駆動電流の立ち上がり時間を制御するように動作可能である請求項１記載のドライバ装置。
【請求項９】
前記線形レギュレータは、前記照明デバイスを調光するように調整可能である請求項１記載のドライバ装置。
【請求項１０】
前記容量性ディバイダの前記第１のキャパシタンスと前記第２のキャパシタンスとの比は、前記線形レギュレータが始動時および前記照明デバイスの調光動作に対してのみ安定化を行うように設定される請求項９記載のドライバ装置。
【請求項１１】
前記容量性ディバイダの前記第１のキャパシタンスと前記第２のキャパシタンスとの比は、前記線形レギュレータが始動時のみ安定化を行うように設定される請求項１記載のドライバ装置。
【請求項１２】
前記容量性ディバイダの前記第２のキャパシタンスで割った前記第１のキャパシタンスの比は、２より大きい請求項１１記載のドライバ装置。
【請求項１３】
前記容量性ディバイダの前記第３のキャパシタンスで割った前記第１のキャパシタンスの前記比は、３である請求項１２記載のドライバ装置。
【請求項１４】
前記容量性ディバイダの前記第２のキャパシタンスで割った前記第１のキャパシタンスの比は、２より大きい請求項１記載のドライバ装置。
【請求項１５】
前記容量性ディバイダの前記第２のキャパシタンスで割った前記第１のキャパシタンスの前記比は、３である請求項１４記載のドライバ装置。
【請求項１６】
前記線形レギュレータは、非スイッチングレギュレータである請求項１記載のドライバ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、低電力直流照明デバイスおよび直流ドライバ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低電力直流照明デバイスは、ますます人気のある照明デバイスになってきている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）および有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）は、１桁台のワット数の光出力が望まれている用途において人気を集めている。ＡＣ電源を用いてそのような光源に電力を供給するためのドライバ回路は、これまで、典型的には複数の電力変換段階を備えており、よい電力効率が得られなかった。コンデンサ充電と制御半波整流によって効率を改善することが試みられたが、制御が困難であることが判明した。その結果、低電力の直流駆動照明デバイスが増えるにつれ、交流の入力電力を直流電力に変換するためのコストが低く、消費電力が少なく、効率の高い改善されたドライバが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第２０６３５２３号公報
【発明の概要】
【０００４】
光源に電力を供給するための高効率で低電力の直流ドライバ装置を実現する。ドライバ装置は、直流電源に接続するための入力端子および入力端子間に直列に結合された第１および第２のキャパシタンスを持つ容量性ディバイダ（capacitive divider）回路を有し、これにより、低減された、または分割された交流出力を中間ノードのところに供給する。整流器は、分割された交流出力を受け取って整流し、１０ワット未満の電力レベルの直流出力を供給し、１つまたは複数の光源がドライバ出力端子を介して直流出力と結合されている。ドライバは、光源（複数可）と結合された線形レギュレータ（linear regulator）を備え、整流器のＤＣ出力ノード間に直列回路を形成し、そこで、線形レギュレータは直列回路内を流れる駆動電流を安定化する。
【０００５】
いくつかの実施形態では、線形レギュレータは、直列回路で結合されたドレイン端子およびソース端子と駆動電流を制御するためのゲート端子とを備えるＭＯＳＦＥＴなどの電界効果トランジスタを、直列回路で結合されたセンス抵抗およびセンス抵抗にかかる電圧を感知するために結合された入力とＦＥＴゲート電圧を制御して直列回路内を流れる駆動電流を安定化する出力とを備えるオペアンプ回路と併せて備える。
【０００６】
他の実施形態では、線形レギュレータは、直流出力ノードのうちの１つのノードと結合された入力端子、ドライバ出力端子のうちの１つの端子と結合された出力端子、および調整端子を持つ３端子電圧レギュレータデバイスを備える。第１の抵抗は、出力端子と調整端子との間に結合され、第２の抵抗は、調整端子とドライバ出力端子のうちの他の１つの端子との間に結合され、３端子レギュレータがドライバ出力端子間の電圧を安定化し、光源（複数可）に供給される駆動電流を安定化する。
【０００７】
いくつかの実施形態における線形レギュレータは、照明デバイスの調光を行うために調整可能であり、および／または駆動電流の立ち上がり時間を制御することによってソフト始動（soft starting）を行うことができる。いくつかの実施形態における容量性ディバイダの容量の比を、高効率動作を円滑にするために線形レギュレータが照明デバイスの始動時および／または調光動作においてのみ安定化するように設定する。さらに、いくつかの実施形態では、線形レギュレータは、コンポーネント追加することなく過剰なＥＭＩまたはＲＦＩを回避するために非スイッチングレギュレータである。
【０００８】
以下の詳細な説明と図面とにおいて、１つまたは複数の例示的な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】容量性ディバイダ、整流器、および線形レギュレータが駆動される光源と直列回路を形成する例示的な低電力で高効率の直流光源ドライバを例示する略図である。
【図２】線形レギュレータはオペアンプ回路およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴを備え、オプションの調光およびソフト始動回路により光源駆動電流を安定化する、ドライバ実施形態を例示する略図である。
【図３】図２のレギュレータ内のオペアンプ回路基準の実装を例示する部分的略図である。
【図４】ソフト始動または調光機能のない図１のドライバにおける時間の関数として駆動電流の変化を例示するグラフである。
【図５】ソフト始動および調光機能を有する図１のドライバにおける時間の関数として駆動電流の変化を例示するグラフである。
【図６】ソフト始動機能を有する図１のドライバにおける時間の関数として駆動電流の変化を例示するグラフである。
【図７】オプションの調光制御機能を持つ３端子電圧レギュレータを備える線形レギュレータによる別のドライバ実施形態を例示する略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、全体を通して類似の要素を参照するために類似の参照番号が使用され、さまざまな特徴が必ずしも縮尺どおりでない、図面を参照すると、図１〜３は、ＬＥＤ、ＯＬＥＤなどの１つまたは複数の照明デバイス１０８に電力を供給するための高効率、低電力の交流線間電圧／直流ドライバ装置１００の実施形態を例示している。ドライバ１００は、図示されている例における標準単相１２０ＶＡＣ（ＲＭＳ）電源接続などの単相もしくは多相交流電源１０２に結合可能な第１の入力端子１０４ａおよび第２の入力端子１０４ｂを持つ入力１０４を備える（さらなる入力端子は、図示されていないが、多相入力接続のために用意することもできる）。入力１０４は、第１のキャパシタンスＣ１および第２のキャパシタンスＣ２（図２）が端子１０４ａと１０４ｂとの間に直列分岐で結合され中間ノード１１２ａに低減された（分割された）交流出力を供給する容量性ディバイダを形成する容量性ディバイダ回路１１０に接続される。第１のディバイダキャパシタンスＣ１は、Ｘｃが整流フルブリッジダイオード回路網（rectifying full bridge diode network）１２０を制限する電荷ポンプコンデンサとして動作する。Ｃ２は、入力電流信号を平滑化する働きをし、また追加の過渡電圧抑制回路を必要とすることなく過渡電圧発生時にサージ電圧のスパイクを低くするためのコンデンサディバイダ回路網も構成する。いくつかの実施形態では、Ｃ１／Ｃ２の比は２より大きく、例えば、図２の実施形態ではこの比は３である。
【００１１】
容量性ディバイダ１１０は、整流器１２０に低減された交流出力を供給し、整流器１２０は分割された交流出力を整流し、１０ワット未満の電力レベルで直流出力ノード１２２ａおよび１２２ｂの対のところに直流出力１２２を供給する。例示されている整流器１２０は、ダイオードＤ１〜Ｄ４を備える全波受動整流器であるが、半波受動整流器、能動整流器などの他の交流／直流回路も使用できる。Ｃ３（図２）は、整流器出力１２２間に結合されたオプションの直流平滑コンデンサである。ドライバ１００は、単一の、または複数の（直列および／または並列接続された）ＬＥＤ、ＯＬＥＤなどの１つまたは複数の光源１０８に結合可能なドライバ出力端子１０６ａおよび１０６ｂを持つ出力１０６を備える。図１および２の実施形態における第１のドライバ出力端子１０６ａは、整流器１２０の第１の直流出力ノード１２２ａと結合され、他方のドライバ出力端子１０６ｂは、線形レギュレータ１３０に結合される。
【００１２】
図２の実施形態において、レギュレータ１３０ａは、光源（複数可）１０８と第２の整流器直流出力ノード１２２ｂとの間に直列回路で結合され、そこで、レギュレータ１３０は、直列回路内を流れる駆動電流ＩDRIVEを安定化するように動作可能である。この方法では、光源（複数可）１０８によって制御された光出力が供給される。他の実施形態は、例えば図７の実施形態に示されているような、第１の整流器出力端子１２２ａと光源（複数可）１０８との間に上側回路分岐で結合されたレギュレータを備えることができる。さらに、図１に示されているように、レギュレータ１３０は、照明デバイス１０８を調光するための調光回路１３２および／または直列回路内を流れる駆動電流ＩDRIVEの立ち上がり時間を制御し、例えば、ＯＬＥＤ型光源１０８を始動時の電流スパイクから保護するためのソフト始動回路１３４を備えることができる。
【００１３】
図２の実施形態では、線形レギュレータ１３０ａは、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとが直列回路で結合されるｎチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を備える。トランジスタＭ１は、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間を流れる電流の量（ＩDRIVE）を制御するように動作可能な制御ゲート端子Ｇを有する。センス抵抗Ｒ１がＭ１と第２の直流出力ノード１２２ｂ（この例では回路グランド）との間に直列回路で結合され、Ｒ１にかかる電圧は、光源（複数可）１０８に供給される駆動電流ＩDRIVEを表す。この実施形態におけるレギュレータ１３０ａは、オペアンプＵ１ならびに２つの基準電圧デバイスもしくは回路ＲＥＦ１およびＲＥＦ２を備えるオペアンプ回路も具備する。Ｕ１の反転オペアンプ入力は、センス抵抗Ｒ１と結合され、Ｒ１にかかる電圧を感知し、非反転入力は、ＲＥＦ１（例えば、この例では０．５５ＶＤＣ）に結合され、オペアンプＵ１はＲＥＦ２（例えば、５ＶＤＣ）によって給電される。
【００１４】
オペアンプＵ１は、電界効果トランジスタＭ１のゲート端子Ｇに印加される電圧を制御する出力を供給し、直列回路内を流れる駆動電流ＩDRIVEを安定化するように動作し、これにより、光源（複数可）１０８によってもたらされる照明レベルを安定化する。さらに、調整可能な基準ＲＥＦ１を装備することで、調光用途向けに安定化された駆動電流ＩDRIVEを調整する機能を実現できる。それに加えて、レギュレータ１３０ａは、キャパシタンスＣ４をオペアンプ回路内に組み入れて駆動部流ＩDRIVEの立ち上がり時間を制御することなどによって、ソフト始動機能を実装することができる。
【００１５】
基準電圧ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は、好適な回路によって整流器出力から導くことができ、この例は図３に示されている。この例では、レギュレータデバイスＵ１０は、端子１２２ａで正の整流器出力を受け取り、抵抗分圧回路Ｒ１２、Ｒ１３でＲＥＦ１の電圧レベルを設定して、抵抗器Ｒ１０およびＲ１１を介してＲＥＦ２に対して５ＶＤＣの安定化された出力を供給する。調光機能の実装のために、Ｒ１３は可変抵抗とすることができ（例えば、ポテンショメーター）、ＲＥＦ１と端子１２２ｂにおける回路グランドとの間にキャパシタンスＣ４を結合することによってソフト始動機能を実装することができる。この点で、発明者らは、ＯＬＥＤおよび他の種類の光源１０８が始動時またはそれ以降の電流サージに特に敏感である可能性があると理解しており、そこでソフト始動回路１３４を備えることで、遷移時にｄｖ／ｄｔが一般的に一定である形の動作を行わせ、デバイスの劣化を軽減し、光源（複数可）１０８の動作寿命を延ばしやすくなる。
【００１６】
図２および３の例示的な実施形態は、出力電力を下げる調光が可能であり、公称１００％の光出力に対して約２４ＶＤＣでＯＬＥＤ光源１０８用に５０ｍＡの公称駆動電流ＩDRIVEを駆動するように設計されている。したがって、例示的な実装は、低電力ドライバ１００（例えば、約１．２ワット）であり、整流器出力バスの電圧レベルは回路１１０のＣ１／Ｃ２のディバイダキャパシタンスの比によって設定される。特定の実施形態では、この比を２より高く設定し、図２の例における比は３である。他の実施形態は、１０ワット未満など、１桁台のワット数の出力電力レベルを実現することを企図しており、他の電流および電圧レベルは、電荷ポンプキャパシタンスの選択に基づいて設計されうる。さらに、ドライバ１００を使用して、１つまたは複数の低出力電力の直流駆動照明デバイスに電力を供給することができ、本開示は、ＬＥＤもしくはＯＬＥＤの用途に限定されない。公称動作に関するドライバ１００のプロトタイプおよびシミュレーションでは８８〜９２％の効率が達成されており、効率は実際には従来の２段階商用電源より十分に高いことが予想される（約７２％以下の標準効率）。さらに、図２および３の実施形態では、スイッチングコンポーネントを使用せずに（つまり、線形レギュレータ１３０ａはＦＥＴ  Ｍ１が一般的に線形モードで動作する非スイッチングレギュレータである）、高効率を達成しながらサイズを縮小し、コストを下げ、部品点数を減らした設計を実現しており、これにより、ＥＦＩ／ＲＦＩの放射が制御される。
【００１７】
図４〜６を参照すると、容量性ディバイダ１１０の第１のキャパシタンスＣ１と第２のキャパシタンスＣ２との比は、線形レギュレータ１３０が始動時および／または調光動作時のみ安定化するように設定することができ、これにより、レギュレータ回路１３０による消費電力は実際に軽減することができる。  図４のグラフ２００は、５０ｍＡの公称駆動電流ＩDRIVEにおける例示されている実施形態１００の動作に関して始動させるときの出力駆動電流ＩDRIVEを表す曲線２０２を示しており、容量性ディバイダ回路１１０および整流器１２０は、調光に対応しておらず、ソフト始動回路１３４がない、２０〜２４ＶＤＣの公称値に近いＤＣバス値をもたらす。グラフ２００からわかるように、電流２０２は、ある大きさの１２０Ｈリップル（光源１０２から入力される６０Ｈｚの受動全波整流からの）で立ち上がり、定常状態の電流レベルに達した後もリップルは続き、これにより、レギュレータ回路１３０は、このレベルで公称動作に関わる必要はなく、したがって、レギュレータ１３０それ自体における不要な電力損失（および効率低下）が軽減される。図５は、調光制御器１３２（例えば、図３の抵抗器Ｒ１３）が光源１０８の３０ｍＡ動作に設定され、ソフト始動回路１３４（例えば、キャパシタンスＣ４）を備える、ドライバ１００における時間の関数として駆動電流２１２を示すグラフ２１０である。この場合、レギュレータ１３０は、始動時に電流の立ち上がり時間を遅くする動作をし、その後、レギュレータ１３０においてある程度の効率が喪失する可能性と引き換えに、出力電流ＩDRIVEを３０ｍＡ（減光レベル）で安定化し続ける（定常状態のリップルをなくすか、または減衰しながら）。しかし、調光動作時には従来の調光ドライバも効率の低下を被ることに留意されたい。図６では、グラフ２２０に、非調光用途向けにソフト始動回路１３４で電流の立ち上がりを遅くする（または調光回路を１００％に設定した）ドライバ１００内の駆動電流２２２が示されており、そこでは、レギュレータ１３０は始動時のみ動作し、その後、より高い効率の動作が可能になる。
【００１８】
図７は、別の非スイッチング線形レギュレータ１３０ｂによる別のドライバ実施形態１００を例示しており、これは、ドライバ出力１０６のところで調整可能な抵抗Ｒ３およびオプションのソフト始動キャパシタンスＣ４を介してオプションの調光制御を行う３端子電圧レギュレータＵ２（例えば、一実装ではＬＭ３１７）を備える。３端子レギュレータＵ２は、直流出力ノード１２２ａと結合された入力端子ＩＮ、ドライバ出力端子１０６ａと結合された出力端子ＯＵＴ、および調整電流をＲ３に通す調整端子ＡＤＪを有し、抵抗Ｒ２は、出力端子と調整端子との間に結合される。３端子レギュレータＵ２は、ドライバ出力端子１０６ａと１０６ｂとの間の電圧を安定化して、直列回路内を流れる駆動電流ＩDRIVEを安定化する。
【００１９】
上記の例は、本開示のさまざまな態様の可能ないくつかの実施形態を単に例示しているだけであり、同等の変更形態および／または修正形態も、当業者であれば本明細書および添付図面を読んで理解すれば思い付くことであろう。特に、上述のコンポーネント（アセンブリ、デバイス、システム、回路、および同様のもの）によって実行されるさまざまな機能に関して、そのようなコンポーネントを説明するために使用される用語（「手段」の参照を含む）は、断りのない限り、本開示の例示されている実装における機能を実行する、開示されている構造と構造的に等価ではないとしても、説明されているコンポーネントの指定された機能を実行する、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせなどの、コンポーネント（つまり、機能的に等価であるもの）に対応することが意図されている。それに加えて、本開示の特定の特徴がいくつかの実装のうちの１つのみに関して例示および／または説明されている可能性あるが、所定のまたは特定の用途にとって望ましく、都合がよい場合があるので、そのような特徴を他の実装の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせてもよい。さらに、単数形のコンポーネントもしくは項目を参照していても、別段の指定のない限り、２つまたはそれ以上のそのようなコンポーネントもしくは項目を包含することを意図している。また、「含んでいる、備えている（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「持つ、備える（ｗｉｔｈ）」という言い回し、またはこれらの変化が詳細な説明および／または請求項内で使用されている範囲において、このような言い回しは、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という言い回しと同様に包含的であることが意図されている。本発明は、好ましい実施形態に関して説明されている。これまで詳細に述べた説明を読んで理解すれば、他の人であっても修正形態および変更形態を思い付くことは明らかである。本発明は、そのようなすべての修正形態および変更形態を含むものとして解釈されることが意図されている。
【符号の説明】
【００２０】
Ｃ１  第１のキャパシタンス
Ｃ２  第２のキャパシタンス
Ｃ３、Ｃ４  キャパシタンス
Ｄ  ドレイン端子
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
Ｇ  制御ゲート端子
ＩＤＲＩＶＥ  駆動電流
Ｍ１  ｎチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１  センス抵抗
Ｒ１０およびＲ１１  抵抗器
Ｒ１２、Ｒ１３  抵抗分圧回路
Ｒ２  抵抗
ＲＥＦ１およびＲＥＦ２  基準電圧デバイスもしくは回路
Ｓ  ソース端子
Ｕ１  オペアンプ
Ｕ１０  レギュレータデバイス
Ｕ２  ３端子レギュレータ
ＩＮ  入力端子
ＯＵＴ  出力端子
ＡＤＪ  調整端子
１００  交流線間電圧／直流ドライバ装置
１０２  単相もしくは多相交流電源
１０４  入力
１０４ａ  第１の入力端子
１０４ｂ  第２の入力端子
１０６  出力
１０６ａおよび１０６ｂ  ドライバ出力端子
１０８  照明デバイス
１１０  容量性ディバイダ回路
１１２ａ  中間ノード
１２０  整流フルブリッジダイオード回路網
１２２  直流出力
１２２ａ、１２２ｂ  直流出力ノード
１３０  線形レギュレータ
１３０ａ、１３０ｂ  レギュレータ
１３２  調光制御器
１３４  ソフト始動回路
２００  グラフ
２０２  曲線
２０２  電流
２１２  駆動電流
【図１】
2013508914.tif 000003
【図２】
2013508914.tif 000004
【図３】
2013508914.tif 000005
【図４】
2013508914.tif 000006
【図５】
2013508914.tif 000007
【図６】
2013508914.tif 000008
【図７】
2013508914.tif 000009
【国際調査報告】
2013508914.tif 000010
2013508914.tif 000011