(57)【要約】  本発明は、目的の回路の複数の並列な枝における電流を平衡化する電流平衡回路及び方法を提供する。電流平衡回路は、それぞれがコレクタ、エミッタ及びベースを有する複数の平衡トランジスタと、複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、複数の平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続する選択回路とを備え、複数の平衡トランジスタそれぞれのコレクタ及びエミッタは、回路の対応する枝と直列に接続されている。【選択図】図１１
2014507711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的の回路の複数の並列な枝における電流を平衡化する電流平衡回路であって、
それぞれがコレクタ、エミッタ及びベースを有する複数の平衡トランジスタと、
複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに選択的に接続する選択回路とを備え、
前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記コレクタ及び前記エミッタは、前記回路の対応する枝と直列に接続されている電流平衡回路。
【請求項２】
前記電流平衡回路は、受動回路である請求項１に記載の電流平衡回路。
【請求項３】
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝のうち前記最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに自動的に及び動的に接続する請求項１又は２に記載の電流平衡回路。
【請求項４】
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝のそれぞれについて選択スイッチを有し、
前記選択スイッチは、対応する枝と当該対応する枝に接続されている平衡トランジスタの前記ベースとの間に接続されており、
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝のうちの前記最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに選択的に接続するべく、複数の前記選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる請求項１から３の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項５】
前記選択回路が、前記回路の前記複数の枝のうちの前記最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタのうちの１つの前記ベースに選択的に接続する場合、前記最も小さな電流を有する枝が、前記複数の平衡トランジスタのうちの別の平衡トランジスタの前記ベースとも接続されるような態様で、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースが相互に接続されている請求項１から４の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項６】
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝それぞれに選択ダイオードを有し、
前記選択ダイオードは、それぞれ対応する枝と接続されて、第１の点に向かって順方向にバイアスされ、
前記選択スイッチは、第２の点に接続され、
前記第１の点及び前記第２の点は、互いに接続される請求項４に記載の電流平衡回路。
【請求項７】
前記第１の点及び前記第２の点は、制限抵抗器を介して互いに接続されている請求項６に記載の電流平衡回路。
【請求項８】
前記選択回路はそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、
前記スイッチングトランジスタの前記コレクタは、対応する枝に接続され、
前記スイッチングトランジスタの前記エミッタは、前記対応する枝に接続されている前記平衡トランジスタの前記ベースに接続され、
前記スイッチングトランジスタの前記ベースは前記第２の点に接続される請求項６又は７に記載の電流平衡回路。
【請求項９】
前記回路の前記複数の枝間の電流不平衡が大きくなく、前記スイッチングトランジスタの何れも飽和状態にならない場合には、前記回路の前記複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、線形モードで動作する前記スイッチングトランジスタそれぞれに流れる請求項８に記載の電流平衡回路。
【請求項１０】
前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースが相互接続されており、
前記複数の枝のうち前記最も小さな電流を有する枝に接続されているスイッチングトランジスタを飽和状態にするのに十分な程度に前記複数の枝間の電流不平衡が大きい場合には、前記複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、前記最も小さな電流を有する枝と接続された前記スイッチングトランジスタに流れ、前記最も小さな電流を有する枝が前記複数の平衡トランジスタの前記相互接続されたベースと接続される請求項８に記載の電流平衡回路。
【請求項１１】
前記電流平衡回路は更に、前記スイッチングトランジスタそれぞれに対して逆流防止ダイオードを備え、
前記逆流防止ダイオードはそれぞれ、対応する枝と対応する前記スイッチングトランジスタの前記コレクタとの間に接続され、前記対応するスイッチングトランジスタの前記コレクタに向かって順方向にバイアスされる請求項８から１０の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項１２】
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝と複数の前記選択スイッチとの間に接続された選択抵抗回路網を有し、
前記選択抵抗回路網は、前記回路の前記複数の枝のうちの前記最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに選択的に接続するべく、前記複数の選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる請求項４に記載の電流平衡回路。
【請求項１３】
前記複数の選択スイッチはそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、
前記スイッチングトランジスタそれぞれの前記コレクタは、前記回路の対応する枝に接続され、
前記スイッチングトランジスタそれぞれの前記エミッタは、前記対応する枝に接続されている前記平衡トランジスタの前記ベースに接続され、
前記スイッチングトランジスタそれぞれの前記ベースは、前記選択抵抗回路網に接続される請求項１２に記載の電流平衡回路。
【請求項１４】
前記回路の前記複数の枝間の電流不平衡が大きくなく、前記スイッチングトランジスタの何れも飽和状態にならない場合には、前記回路の前記複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、線形モードで動作する前記スイッチングトランジスタそれぞれに流れる請求項１３に記載の電流平衡回路。
【請求項１５】
前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースが相互接続されており、
前記複数の枝のうち前記最も小さな電流を有する枝に接続されている前記スイッチングトランジスタを飽和状態にするのに十分な程度に前記複数の枝間の電流不平衡が大きい場合には、前記複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、前記最も小さな電流を有する枝に接続された前記スイッチングトランジスタに流れ、前記最も小さな電流を有する枝が前記複数の平衡トランジスタの前記相互接続されたベースと接続される請求項１３に記載の電流平衡回路。
【請求項１６】
前記電流平衡回路は更に、前記スイッチングトランジスタそれぞれに対して逆流防止ダイオードを備え、
前記逆流防止ダイオードはそれぞれ、対応する枝と対応する前記スイッチングトランジスタの前記コレクタとの間に接続され、前記対応するスイッチングトランジスタの前記コレクタに向かって順方向にバイアスされる請求項１３から１５の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項１７】
前記複数の平衡トランジスタそれぞれに対して安定化抵抗器を更に備え、
前記安定化抵抗器はそれぞれ、対応する平衡トランジスタの前記エミッタと対応する枝との間に直列に接続される請求項１から１６の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項１８】
前記電流平衡回路は、前記回路の前記複数の枝における電流の更なる平衡化を行う前記回路の前記複数の枝に接続されたフィードバック補助回路を更に備える請求項１から１７の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項１９】
前記フィードバック補助回路は、前記回路の前記複数の枝のうちの２つの枝の間に接続される少なくとも１つのオペアンプを有し、
前記オペアンプは、前記２つの枝のうちの一方に接続される反転入力、前記２つの枝のうちの他方に接続される非反転入力、及び、前記２つの枝のうちの前記一方に接続された平衡トランジスタの前記ベースに接続される出力を有する請求項１８に記載の電流平衡回路。
【請求項２０】
前記オペアンプは、前記回路の前記複数の枝のうちの１つの電圧から電力の供給を受ける請求項１９に記載の電流平衡回路。
【請求項２１】
前記オペアンプは、ＲＣフィルタを有する電源回路から電力の供給を受ける請求項１９又は２０に記載の電流平衡回路。
【請求項２２】
前記選択回路は、前記回路の前記複数の枝のうちの所定の一つの電流を、前記回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する請求項１又は２に記載の電流平衡回路。
【請求項２３】
前記回路の前記所定の枝は、前記所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを有する請求項２２に記載の電流平衡回路。
【請求項２４】
前記電流シンクは、抵抗要素である請求項２３に記載の電流平衡回路。
【請求項２５】
前記抵抗要素は、抵抗器である請求項２４に記載の電流平衡回路。
【請求項２６】
前記選択回路は、前記回路の前記所定の枝と前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースとの間の接続を有する請求項２２から２５の何れか一項に記載の電流平衡回路。
【請求項２７】
目的の回路における並列な複数の枝における電流を平衡化する方法であって、
それぞれがエミッタ、ベース及びコレクタを有し、前記コレクタ及びエミッタが前記回路の対応する枝と直列に接続されている、複数の平衡トランジスタを設ける段階と、
前記回路の前記複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに選択的に接続する段階とを備える方法。
【請求項２８】
前記回路の前記複数の枝のうちの前記最も小さな電流を有する枝は、受動回路を使用して前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに選択的に接続される請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記回路の前記複数の枝のうちの前記最も小さな電流を有する枝を、前記複数の平衡トランジスタそれぞれの前記ベースに自動的に及び動的に接続する段階を更に備える請求項２７又は２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記回路の前記複数の枝からフィードバックを得て、前記フィードバックに基いて電流を調整するフィードバック補助を使用して、前記複数の枝における電流を平衡化する段階を更に備える請求項２７から２９の何れか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記回路の前記複数の枝のうちの所定の一つの電流を、前記回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する段階を更に備える請求項２７又は２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを前記所定の枝に設ける段階を更に備える請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流平衡回路及び目的の回路からの複数の並列な分岐間で電流を平衡化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基準電流を追従する電流源又は複数の電流源を生成する方法として、カレントミラーが知られている。電流源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）ストリングである。バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を使用することを前提とした、基本的な概念が図１に示されている。基本的に、２つのＢＪＴは整合がとれている又は同一である。通常、コレクタ端子及びベース端子が共に結合される枝（branch）を流れる電流が、基準電流となる。図１では、ＢＪＴのコレクタ電流ＩＲＥＦを基準電流として使用している。
【０００３】
このような回路は、次のような式で表される。
【数１】
2014507711.tif 000003
ここで、ＩＣ１は、ＢＪＴのＱ１のコレクタ電流であり、ＩＢはＱ１及びＱ２両方のベース電流である。ＩＣ１＝βＩＢであることから、上記の式（１）は次のように表すことができる。
【数２】
2014507711.tif 000004
ここで、βはＢＪＴの電流増幅率である。ＢＪＴのＱ２の場合、コレクタ電流は次のようになる。
【数３】
2014507711.tif 000005
上記の式（２）及び（３）から、次のようになる。
【数４】
2014507711.tif 000006
【０００４】
ＢＪＴのβは、典型的には、４０〜２５０の範囲であるから、上記の式（４）における制御された電流源ＩＯＵＴは、ほぼＩＲＥＦと等しくなる。したがって、制御された電流源ＩＯＵＴは、基準電流源ＩＲＥＦを追従すると言える。
【０００５】
図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴを使用して、カレントミラー回路を実装することができる。その他にも、図３に示すようにウィルソンカレントミラーや、図４に示すような改良型ウィルソンカレントミラーのような様々なカレントミラー回路が存在する。このような既存の方法では、基準電流源を１つの枝に固定しなければならない。従来のカレントミラー回路の使用では、基準電流の選択は変更されることはない。
【０００６】
既存のカレントミラー技術では、基準電流源として固定された電流源が必要である。このような周知の基準電流源は、例えば、ＬＥＤストリングの動的な電流平衡化のような場合には、大きな制約となる場合がある。
【０００７】
図５には、複数のＬＥＤデバイスが３つのストリングに配置された場合の一例が示されている。ＬＥＤのストリングはそれぞれ、同じ数だけ直列に接続されたＬＥＤデバイスを有するが、ＬＥＤデバイスの特性がそれぞれ僅かに異なることから、３つのＬＥＤストリング間の電圧降下は同じではない。そして、ＬＥＤデバイスは温度に敏感であることから、電流の不平衡が温度で変わる可能性もある。
【０００８】
したがって、ＬＥＤを使用したアプリケーションでは、複数のＬＥＤストリング間の不平衡が、一般的な問題となっている。このような電流の不平衡が、複数のＬＥＤストリング間で不均一な光が生成されることにつながる場合がある。ＬＥＤデバイスの寿命は電流の影響を受けることから、ＬＥＤ電流が、電流の不平衡によりＬＥＤデバイスの最大定格電流を超えてしまうような場合、ＬＥＤ製品の寿命が短くなる。Chris Richardson著、ＥＤＮマガジン、２００８年１１月、４５−４９ページ"Driving high-power LEDs in series-parallel arrays（直列並列アレイにおける高出力ＬＥＤの駆動）"では、２つのＬＥＤストリング間での僅か０．４２Ｖという電圧の違いでも、大きな電流の不平衡が生じ得ると指摘されている。
【０００９】
並列な複数のＬＥＤが接続されたストリング間の電流不平衡の問題に対処するべく、研究者は様々な方法を提案している。Huang-Jen Chiu及びShih-Jen Cheng著、IEEE Transactions on Industrial Electronics、Vol.54、No. 5、２００７年１０月、２７５１−２７６０ページ"LED Backlight Driving System for Large-Scale LCD Panels（大型ＬＣＤパネルのＬＥＤバックライト駆動システム）"には、図６に示すような別個に設けられた基準電流源を使用する基本的なカレントミラー技術が提案されている。この方法では、基準電流源を形成するのに、別個に設けられる電源Ｖｄ、抵抗Ｒｄ及びＢＪＴ  Ｑｒが必要となる。この場合、制御される基準電流源は、複数の並列ＬＥＤストリングの一部ではないため、このような回路を形成するにはコストがかかり、回路の複雑性も増す。また、この実装形態から、既存のカレントミラー技術では、複数の並列ＬＥＤストリング間の電流不平衡は予め求めることができないことから、基準電流源を精度高く制御することが必要となることが分かる。
【００１０】
カレントミラーの原理を利用する、及び、（図６と同様な）別個に電源を設けるというアイディアは、他にも以下に示すような文献に記載されている。
（１）Wey他著、２００９年１０月２０日、米国特許第7605809号公報、電源とコンパレータの更なるアレイとを使用して、閉ループ制御の態様で電流の平衡化を行っている。
（２）Cusinato他著、２０１０年１月５日、米国特許第7642725号公報、電源と閉ループ制御回路を使用して、ＬＥＤストリング電流の平衡化を行っている。
（３）Chang著、２００３年９月１６日、米国特許第6621235号公報、電源と閉ループ制御回路を使用して、ＬＥＤストリング電流の平衡化を行っている。
【００１１】
電流の不平衡を低減させる別の提案が、Yuequan Hu、Milan M. Jovanovic著、ＩＥＥＥトランザクション、パワーエレクトロニクス、Ｖｏｌ．２３、６号、２００８年、ページ３１１６−３１２５、"LED Driver With Self-Adaptive Drive Voltage（自己適応駆動電圧を用いたＬＥＤドライバ）"に記載されており、図７ａに示すように、外部電源Ｖｃｃから電力の供給を受ける線形電流調整器を使用している。図７ａの正確な回路の実装形態が、図７ｂに示されている。この方法では、各枝の電流は、図７ａに示す別個の電源Ｖｃｃから電力の供給を受ける中央制御回路によって、閉ループ制御される。
【００１２】
図７ａ及び図７ｂに示すアイディアと同様な報告が、以下のような文献でもなされている。
（１）Chang-Hua Lin, Tsung-You Hung, Chien-Ming Wang, Kai-Jun Pai著、パワーエレクトロニクスとドライブシステムに関する国際会議  ＰＥＤＳ２００７、ページ１６１３−１６１７"A Balancing Strategy and Implementation of Current Equalizer for High Power LED Backlighting（高出力ＬＥＤバックライトのための平衡化方法及び電流イコライザの実装）"
（２）米国特許第7675240号公報、２０１０年３月では、図７ａに示すのと同様な原理が使用されている。
【００１３】
図８には、電流平衡化又はアプリケーション共有のための既存のカレントミラーの原理が示されており、（ｉ）外部電源、及び、（ｉｉ）関連する制御回路の必要性が明らかとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記したような問題点のうちの少なくとも１つを解決する又は有用な代替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】
【００１５】
第１の側面では、本発明は、目的の回路の複数の並列な枝における電流を平衡化する電流平衡回路であって、それぞれがコレクタ、エミッタ及びベースを有する複数の平衡トランジスタと、複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、複数の平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続する選択回路とを備え、複数の平衡トランジスタそれぞれのコレクタ及びエミッタは、回路の対応する枝と直列に接続されている電流平衡回路を提供する。
【００１６】
望ましくは、電流平衡回路は、受動回路である。望ましくは、選択回路は、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、複数の平衡トランジスタそれぞれのベースに自動的に及び動的に接続する。
【００１７】
望ましくは、選択回路は、回路の枝に対してそれぞれ選択スイッチを有し、これらスイッチはそれぞれ、対応する枝と当該対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースとの間に接続されている。選択回路は、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続するべく、複数の選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる。
【００１８】
望ましくは、選択回路が回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を複数の平衡トランジスタのうちの１つのベースに選択的に接続する場合に、最も小さな電流を有する枝が、べつの平衡トランジスタのベースとも接続されるような態様で、平衡トランジスタそれぞれのベースが相互に接続される。
【００１９】
選択回路は、回路の枝それぞれに選択ダイオードを有し、選択ダイオードはそれぞれ対応する枝と接続されて、第１の点、点Ａに向かって順方向にバイアスされる。また、選択スイッチは、第２の点及び点Ｂに接続され、第１の点及び第２の点は、互いに接続されている。望ましくは、第１の点及び第２の点は、制限抵抗器を介して互いに接続されている。
【００２０】
望ましくは、選択回路はそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、各スイッチングトランジスタのコレクタは対応する枝に接続され、各スイッチングトランジスタのエミッタは対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースに接続され、各スイッチングトランジスタのベースは第２の点に接続される。
【００２１】
別の実施形態では、選択回路は、回路の枝と選択スイッチとの間に接続された選択抵抗回路網を有し、選択抵抗回路網は、回路の複数の枝のうちの最も小さな電流を有する枝を平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続するべく、選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる。
【００２２】
望ましくは、選択スイッチはそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、各スイッチングトランジスタのコレクタは回路の対応する枝に接続され、各スイッチングトランジスタのエミッタは対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースに接続され、各スイッチングトランジスタのベースは選択抵抗回路網に接続される。
【００２３】
望ましくは、スイッチングトランジスタが何れも飽和状態にならない程度に、回路の複数の枝間の電流不平衡が大きくない場合、回路の複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、線形モードで動作するスイッチングトランジスタそれぞれに流れる。
【００２４】
平衡トランジスタそれぞれのベースが相互接続されており、複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝に接続されているスイッチングトランジスタを飽和状態にするのに十分な程度に複数の枝間の電流不平衡が大きい場合、複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流は、最も小さな電流を有する枝と接続されたスイッチングトランジスタに流れ、それにより、最も小さな電流を有する枝が各平衡トランジスタの相互接続されたベースと接続される。
【００２５】
電流平衡回路は更に、スイッチングトランジスタそれぞれに対して逆流防止ダイオードを備え、逆流防止ダイオードはそれぞれ、対応する枝と対応するスイッチングトランジスタのコレクタとの間に接続され、対応するスイッチングトランジスタのコレクタに向かって順方向にバイアスされる。
【００２６】
望ましくは、平衡トランジスタそれぞれに対して安定化抵抗器が設けられ、安定化抵抗器はそれぞれ、対応する平衡トランジスタのエミッタと対応する枝との間に直列に接続される。
【００２７】
望ましくは、電流平衡回路は、フィードバック補助回路を含み、回路の複数の枝における電流の更なる平衡化を行う。望ましくは、フィードバック補助回路は、回路の２つの枝の間に接続される少なくとも１つのオペアンプを含み、オペアンプは、２つの枝のうちの一方に接続される反転入力及び２つの枝のうちの他方に接続される非反転入力、及び、２つの枝のうちの一方に接続された平衡トランジスタのベースに接続される出力を有する。変形例として、オペアンプは、回路の複数の枝のうちの１つの電圧から電力の供給を受ける。別の変形例では、オペアンプは、ＲＣフィルタを有する電源回路から電力の供給を受ける。
【００２８】
別の実施形態では、選択回路は、回路の複数の枝のうちの所定の一つの電流を、回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する。
【００２９】
望ましくは、回路の所定の枝は、所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを有する。電流シンクは、望ましくは、抵抗器のような抵抗要素である。
【００３０】
望ましくは、選択回路は、所定の回路の枝と平衡トランジスタのベースとの間の接続を有する。
【００３１】
第２の側面では、本発明は、目的の回路における複数の並列な枝における電流を平衡化する方法を提供する。方法は、それぞれがエミッタ、ベース及びコレクタを有する複数の平衡トランジスタを設ける段階を備え、平衡トランジスタのコレクタ及びエミッタはそれぞれ、回路の枝と直列に接続されている。方法はまた、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続する段階を備える。
【００３２】
望ましくは、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝は、受動回路を使用して平衡トランジスタ各々のベースに選択的に接続される。
【００３３】
望ましくは、方法は、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタそれぞれのベースに自動的に及び動的に接続する段階を備える。
【００３４】
望ましくは、方法は更に、回路の複数の枝からフィードバックを得て、フィードバックに基いて電流を調整するフィードバック補助を使用して、複数の枝における電流を平衡化する段階を備える。
【００３５】
一実施形態では、方法は、回路の複数の枝のうちの所定の一つの電流を、回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する段階を備える。
【００３６】
望ましくは、方法は、所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを所定の枝に設ける段階を備える。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の基本的なカレントミラー回路を概略的に示した図であり、別個の電源ＶＣＣから電力の供給を受ける所定の基準電流源が必要となることが示されている。
【図２】ＭＯＳＦＥＴベースの従来の基本的なカレントミラー回路を概略的に示した図であり、別個の電源ＶＤＤから電力の供給を受ける所定の基準電流源が必要となることが示されている。
【図３】所定の基準電流源を有する従来のウィルソンカレントミラー回路を概略的に示した図である。
【図４】所定の基準電流源を有する従来の改良型ウィルソンカレントミラー回路を概略的に示した図である。
【図５】不平衡な電流を有する複数のＬＥＤが接続された複数の並列なストリングを示した概略図である。
【図６】並列に接続された複数のＬＥＤのストリング間の電流を平衡化するための従来のカレントミラー回路を概略的に示した図であり、外部電源及び制御回路が必要となることを示した図である。
【図７ａ】別個に設けられた外部電源ＶＣＣから電力の供給を受ける線形電流調整器を使用し、制御回路を必要とする、ＬＥＤストリングを平衡化する従来のカレントミラー回路を概略的に示した図である。
【図７ｂ】図７ａに示した回路の実装形態の概略図である。
【図８】回路の並列な枝における電流を平衡化するための従来のカレントミラー回路を一般化して概略的に示した図であり、外部電源及び制御回路が必要となることを示した図である。
【図９】従来のカレントミラー回路の実験的な配置を示した示した概略図である。
【図１０ａ】一のストリング（ストリング１）が電流Ｉ１を有し、別のストリング（ストリング２）が電流Ｉ１より大きい電流Ｉ２(Ｉ１＜Ｉ２)を有する２つの並列なＬＥＤストリングを備える目的の回路の実験的な配置を示した概略図である。
【図１０ｂ】図１０ａの実験的な配置に、ストリング１における小さな電流Ｉ１を基準電流として使用した従来のカレントミラー回路を更に設けた場合の概略図である。
【図１０ｃ】図１０ａの実験的な配置に、ストリング２における大きな電流Ｉ２を基準電流として使用した従来のカレントミラー回路を更に設けた場合の概略図である。
【図１０ｄ】図１０ｂの実験的な配置に、トランジスタの飽和を回避するためのトランジスタを更に設けた場合の概略図である。
【図１０ｅ】図１０ｂの実験的な配置に、トランジスタの飽和を回避するための抵抗器を更に設けた場合の概略図である。
【図１０ｆ】図１０ｄの実験的な配置に、トランジスタの飽和を回避するための抵抗器を更に設けた場合の概略図である。
【図１０ｇ】図１０ｅの実験的な配置に、トランジスタの飽和を回避するための抵抗器を更に設けた場合の概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図１２】目的の回路が、並列な複数のＬＥＤストリングを有し、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３及びＶＣＥ１＞ＶＣＥ２＞ＶＣＥ３である本発明の別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図１３】目的の回路が並列な複数のＬＥＤストリングを有する本発明の更なる別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図１４ａ】目的の回路が、並列な複数のＬＥＤストリングを有し、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３及びＶＣＥ１＞ＶＣＥ２＞ＶＣＥ３である本発明の更なる別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図であり、太い線で示した導電経路を介してスイッチＳ３に接続されるＩ１が流れる回路の枝を示した図である。
【図１４ｂ】図１４ａに示した電流平衡回路に対応する実効回路を示した概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る一般化された電流平衡回路の概略図である。
【図１６】安定化抵抗器ＲＥを備える本発明の別の実施形態に係る一般化された電流平衡回路の概略図である。
【図１７】本発明の更なる別の実施形態に係る一般化された電流平衡回路の概略図である。
【図１８】異常電流に注目した本発明の一実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図１９ａ】本発明の一実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図１９ｂ】異常電流をブロックするブロックダイオードを図１９ａの電流平衡回路に更に設けた概略図である。
【図１９ｃ】異常電流に注目した図１９ｂに示した電流平衡回路の概略図である。
【図２０】本発明の別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図２１】３つの並列なＬＥＤストリングの電流源を生成するパッシブ型ＬＥＤドライバの概略図である。
【図２２】本発明の別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図２３】本発明の更なる実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図２４】本発明の別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図２５】従来のフィードバック補助カレントミラー回路の概略図である。
【図２６】フィードバック補助回路を備える本発明の一実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【図２７】フィードバック補助回路を除いた後の図２６に示した電流平衡回路の２つのＬＥＤストリングにおける測定された電流を示したグラフであり、一方のストリングに流れる電流は６７７ｍＡであり、他方のストリングに流れる電流が５６４ｍＡであることが示されている。
【図２８】フィードバック補助回路を含む図２６に示した電流平衡回路の２つのＬＥＤストリングにおける測定された電流を示したグラフであり、一方のストリングに流れる電流は６０４ｍＡであり、他方のストリングに流れる電流が６０３ｍＡであることが示されている。
【図２９】フィードバック補助回路を含む本発明の別の実施形態に係る電流平衡回路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明のベストモードに係る望ましい実施形態が、添付の図面を参照して、以下に例示される。
【００３９】
本発明は、上記した従来技術の問題を克服する又は改善する電流平衡回路及び方法を提供する。上記で指摘しなかった、目的の回路における並列な枝におけ既存のカレントミラー回路及び方法の別の問題は、別個に設けられる良好に制御された基準電流源を使用せずに、並列な枝における最も良好な電流源を基準として使用することは容易ではないことである。
【００４０】
図５の例では、並列な複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ストリング間の電流不平衡の程度は、通常、未知である。この未知の状態で、カレントミラーの基準電流を適切に選択することは、非常に重要な実用上の問題である。この問題について、以下に説明する。
【００４１】
図９において、電流源として表された２つの並列なＬＥＤストリングを考える。Ｉ１がＩ２よりも小さい場合、基本的なカレントミラー回路において、電流を平衡化するべく、Ｉ１を基準電流として使用することができる。これは、ＢＪＴ  Ｑ２が、"線形モード"で動作するため、ＬＥＤストリング２におけるカレントミラー動作によってコレクタ−エミッタ端子間の電圧（ＶＣＥ２）が制御されるからであり、ＬＥＤストリング間の電圧不平衡が低減されて、Ｉ２が減少する。
【００４２】
しかしながら、Ｉ１がＩ２よりも大きい場合、最小の電圧ＶＣＥ２でＱ２が飽和したとしても（すなわち、飽和モードで完全にＯＮ状態となる）、Ｉ１と同じ程度まで十分にＩ２が増加しない場合がある（Ｉ１がＩ２よりも非常に大きい場合）。これは、並列なＬＥＤストリング間の電流不平衡を低減させるためには、基準電流源として最良の選択肢は、最も小さな電流が流れるＬＥＤストリングであることを意味している。
【００４３】
この重要な点を確かめるべく、図１のＢＪＴカレントミラー回路に基いた複数回の実験を行った。その結果を、以下の表１に示す。図１０ａには、表１に示した不平衡な電流を有する２つのＬＥＤストリングが示されている。
【００４４】
【表１】
2014507711.tif 000007
表１には、図１０ａから図１０ｇに示したカレントミラー回路の実験結果が示されている。
【００４５】
表１に示した実験結果を参照すると、次のような３つの条件の下で、並列なＬＥＤストリング間の電流不均衡を低減できることが分かった。
（１）最も小さな電流源を基準電流として選択する。
（２）線形領域（飽和領域ではない）でトランジスタを動作させる。
（３）トランジスタの熱暴走を発生させない。
【００４６】
条件（２）及び（３）は、回路設計を慎重に行うことにより通常は満たされる。しかしながら、条件（１）は、並列ＬＥＤストリングのような並列回路の枝間の電流を平衡化する際に一般的に存在する問題であり、これは、大量生産の前に全てのＬＥＤストリングを試験しない限り、複数の並列ＬＥＤストリングのうちどのＬＥＤストリングが最も小さな電流を有するかを知ることができないからである。
【００４７】
図１１から図２９には、本発明の望ましい実施形態が示されており、目的の回路における複数の並列な回路枝における電流をそれぞれ平衡化するための電流平衡回路を提供する。電流平衡回路は、複数の平衡トランジスタＱ１〜ＱＮを備え、それぞれがコレクタ、エミッタ及びベースを有し、各平衡トランジスタのコレクタ及びエミッタが、対応する回路の枝と直列に接続されている。電流平衡回路はまた、回路の複数の枝のうち最も小さな電流が流れる枝を、複数の平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続するための選択回路を備える。電流平衡回路は、望ましくは、受動回路構成要素のみを備える受動回路であり、別個に又は外部の電源を必要としない。
【００４８】
選択回路は、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、複数の平衡トランジスタそれぞれのベースに自動的に及び動的に接続する。
【００４９】
選択回路は、回路の枝に対してそれぞれ選択スイッチＳ１〜ＳＮを有し、これらスイッチはそれぞれ、対応する枝と当該対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースとの間に接続されている。選択回路は、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続するべく、複数の選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる。
【００５０】
ある実施形態では、選択回路が回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を複数の平衡とトランジスタのうちの１つのベースに選択的に接続する場合に、最も小さな電流を有する枝が、別の平衡トランジスタのベースとも接続されるような態様で、平衡トランジスタそれぞれのベースが相互に接続される。望ましくは、各平衡回路のベースは、単純に配線によって相互に接続される。
【００５１】
一実施形態において、選択回路は、回路の枝それぞれに選択ダイオードＤ１〜ＤＮを有し、選択ダイオードはそれぞれ対応する枝と接続されて、第１の点、点Ａに向かって順方向にバイアスされる。また、選択スイッチは、第２の点、点Ｂに接続され、第１の点及び第２の点は、互いに接続されている。点Ａ及び点Ｂは、制限抵抗器を介して互いに接続されている。
【００５２】
選択回路Ｓ１からＳＮはそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、各スイッチングトランジスタのコレクタは対応する枝に接続され、各スイッチングトランジスタのエミッタは対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースに接続され、各スイッチングトランジスタのベースは第２の点に接続される。各スイッチングトランジスタは、Ｓ１〜ＳＮと称することができる。
【００５３】
スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮが何れも飽和状態にならない程度に、回路の複数の枝間の電流不平衡が大きくない場合、回路の複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、線形モードで動作するスイッチングトランジスタそれぞれに流れる。
【００５４】
平衡トランジスタＱ１〜ＱＮそれぞれのベースが相互接続されており（例えば、図の点Ｃ）、複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝に接続されているスイッチングトランジスタを飽和状態にするのに十分な程度に複数の枝間の電流不平衡が大きい場合、複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流は、最も小さな電流を有する枝と接続されたスイッチングトランジスタに流れ、それにより、最も小さな電流を有する枝が各平衡トランジスタの相互接続されたベースと接続される。
【００５５】
電流平衡回路は更に、スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮそれぞれに対して逆流防止ダイオード（blocking diode）ＤＢを備え、逆流防止ダイオードはそれぞれ、対応する枝と対応するスイッチングトランジスタのコレクタとの間に接続され、対応するスイッチングトランジスタのコレクタに向かって順方向にバイアスされる。逆流防止ダイオードＤＢは、回路の複数の枝のうちの一つに開路故障が存在する場合には、主要な循環回路をブロックする。
【００５６】
別の実施形態では、図１７に示すように、選択回路は、回路の枝と選択スイッチＳ１〜ＳＮとの間に接続された選択抵抗回路網を有し、選択抵抗回路網は、回路の複数の枝のうちの最も小さな電流を有する枝を平衡トランジスタＱ１〜ＱＮそれぞれのベースに選択的に接続するべく、選択スイッチのうちの１つを選択的に閉じる。
【００５７】
選択スイッチはそれぞれ、コレクタ、エミッタ及びベースを有するスイッチングトランジスタであり、各スイッチングトランジスタのコレクタは回路の対応する枝に接続され、各スイッチングトランジスタのエミッタは対応する枝に接続されている平衡トランジスタのベースに接続され、各スイッチングトランジスタのベースは選択抵抗回路網に接続される。
【００５８】
スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮが何れも飽和状態にならない程度に、回路の複数の枝間の電流不平衡が大きくない場合、回路の複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流が、線形モードで動作するスイッチングトランジスタそれぞれに流れる。
【００５９】
平衡トランジスタＱ１〜ＱＮそれぞれのベースが相互接続されており、複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝に接続されているスイッチングトランジスタを飽和状態にするのに十分な程度に複数の枝間の電流不平衡が大きい場合、複数の枝のうち最も大きな電流を有する枝からの電流は、最も小さな電流を有する枝と接続されたスイッチングトランジスタに流れ、それにより、最も小さな電流を有する枝が各平衡トランジスタの相互接続されたベースと接続される。
【００６０】
本実施形態の電流平衡回路は更に、スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮそれぞれに対して逆流防止ダイオードＤＢを備え、逆流防止ダイオードはそれぞれ、対応する枝と対応するスイッチングトランジスタのコレクタとの間に接続され、対応するスイッチングトランジスタのコレクタに向かって順方向にバイアスされる。逆流防止ダイオードＤＢは、回路の複数の枝のうちの一つに開路故障が存在する場合には、主要な循環回路をブロックする。
【００６１】
ある実施形態では、平衡トランジスタＱ１〜ＱＮそれぞれに対して安定化抵抗器ＲＥが設けられ、安定化抵抗器はそれぞれ、対応する平衡トランジスタのエミッタと対応する枝との間に直列に接続される。
【００６２】
電流平衡回路の特定の実施形態は、図２６から図２９に示されるように、回路の複数の枝にフィードバック補助回路を含み、回路の複数の枝における更なる電流の平衡化をおこなう。
【００６３】
フィードバック補助回路は、回路の２つの枝の間に接続される少なくとも１つのオペアンプを含み、オペアンプは、２つの枝のうちの一方に接続される反転入力（ｖ−）及び２つの枝のうちの他方に接続される非反転入力（ｖ＋）、及び、２つの枝のうちの一方に接続された平衡トランジスタのベースに接続される出力（ＯＵＴ）を有する。単純な一実施形態として、オペアンプは、回路の複数の枝のうちの１つの電圧から電力の供給を受ける。別の形態では、オペアンプは、ＲＣフィルタを有する電源回路から電力の供給を受ける。
【００６４】
別の実施形態では、図２４に示すように、電流平衡化回路は、回路の複数の枝のうちの所定の一つの電流を、回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する選択回路を備える。選択回路は、回路の所定の枝と平衡トランジスタそれぞれのベースとの間の接続を有する。
【００６５】
ある実施形態では、回路の所定の枝は、所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを有する。電流シンクは、例えば、抵抗器のような抵抗要素である。
【００６６】
上記したように、本発明は、複数の並列な接続された電流源（例えば、ＬＥＤストリング）から最良の電流源を基準電流源として自動的に及び動的に選択することができる新規の自律設定可能"回路ミラー原理を提案する。本発明が提案する原理は、最良の電流源（すなわち、並列な複数のＬＥＤストリングの電流平衡化の場合、最も小さな電流源）を選択することを可能とする動的及び自律設定可能電流平衡回路構造を有する。本発明の実施形態によれば、提供される電流平衡回路は、（ｉ）外部電源、及び、（ｉｉ）関連する制御回路を必要としない。
【００６７】
以下、図面を参照して詳細に説明する。図１１は、本発明の一実施形態に係る、カレントミラー回路としても機能する電流平衡回路の概略図である。複数の電流源（例えば、ＬＥＤストリング）が並列に配置されており、これらは、自律設定可能な電流平衡回路に接続されている。以下の説明では、自律設定可能平行回路においてバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）が使用されている。しかしながら、同様な用途に、原理的にはＭＯＳＦＥＴも使用可能である。
【００６８】
トランジスタＱ１〜ＱＮ（本明細書では、Ｑトランジスタとも称される）は、平衡トランジスタを表している。図１１には、これらＱトラジスタにおける熱暴走を防ぐために設けられる抵抗器が省略されて図示されているが、後で図１６に示すように実際にはこのような抵抗器が必要となる場合がある。本発明の一実施形態によれば、更なるトランジスタＳ１〜ＳＮ（本明細書では、Ｓトランジスタとも称される）で表されているスイッチングトランジスタが設けられ、これにより、電流平衡回路を自律設定可能としている、すなわち、基準電流源の選択を変更可能又は再設定可能としている。
【００６９】
最良の基準電流源を選択するために使用されるスイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮ（バイポーラ接合トランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ）は、飽和モード又は線形モードの何れかで動作可能でる。飽和モードで使用される場合、このトランジスタはスイッチとして完全にＯＮとされ、カレントミラー又は電流平衡回路の基準電流として最良の電流源を選択するように、回路全体が再設定される。線形モードで使用される場合、このトランジスタは、カスケード接続されたトランジスタ（ＢＪＴが使用される場合には、ダーリントントランジスタとも称される）の一部を構成し、回路全体として電流平衡化機能を提供する。
【００７０】
このようにＳ１〜ＳＮが二重の機能を有する点は、本実施形態で示されるように、本発明の特徴である。したがって、本発明は、スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮが飽和モードにあるか線形モードにあるかに関わらず、並列な電流源の全てに対して電流平衡化を達成することができる。この点について、以下の回路で例示する。
【００７１】
並列に接続された複数のＬＥＤストリングのような実際の状態では、複数のＬＥＤストリングの電流不平衡の程度は、測定しないかぎり知ることができない。本発明のこの実施形態では、スイッチングトランジスタＳ１〜ＳＮを採用して、最も適切な電流源が"基準電流源"として選択されることを可能にする。並列な複数のＬＥＤストリングの電流を平衡化する場合は、最も小さな電流が流れるＬＥＤストリングを選択するべきである。したがって、最良の電流源を検出する選択回路又は検出回路が必要であり、対応するスイッチをＯＮにして、ＬＥＤストリングを最も小さな電流源に選択的に接続させる。
【００７２】
図１２を参照して、本発明を２つのＬＥＤストリングを有する目的の回路に適用した実施形態について説明する。本例では３つのＬＥＤストリングの場合について説明されるが、本発明は、原理的には、任意の数の並列な電流源に適用可能である。
【００７３】
トランジスタベースの電流平衡回路を、図１２の電流不平衡ＬＥＤシステムに導入する場合を考える。ＬＥＤストリングの場合、大きな電流が流れるストリングの方が、ＬＥＤストリングにおける電圧降下が小さい傾向がある。したがって、ＬＥＤストリング全体の電圧が、ＶＬＥＤ１＜ＶＬＥＤ２＜ＶＬＥＤ３である場合、Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３及びＶＣＥ１＞ＶＣＥ２＞ＶＣＥ３である。図１３に示すように、自律設定可能電流平衡回路は、トランジスタによって構成される２つのスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３を含み、これらはスイッチングトランジスタと称される。このようなスイッチングトランジスタは、（ｉ）飽和モードにおいてカレントミラー又は平衡化動作のために、基準電流源として適切な電流源を選択するためのスイッチとして使用可能である、又は、（ｉｉ）線形モードにおいてトランジスタとして使用可能である。
【００７４】
線形モードで使用される場合、トランジスタの各対、Ｓ１−Ｑ１、Ｓ２−Ｑ２及びＳ３−Ｑ３は、ダーリントントランジスタを形成している。並列な枝それぞれにおいて、ダイオードＤ１〜Ｄ３は、第１の点、点Ａに接続され、全てのＳトランジスタＳ１〜Ｓ３のベースは、第２の点、点Ｂに接続される。さらに、全てのＱトランジスタＱ１〜Ｑ３は、第３の点、点Ｃに接続されており、これにより相互接続されている。
【００７５】
自律設定可能電流平衡回路は、２つのモードで動作する。
モード１：スイッチングトランジスタＳ１からＳＮのうちの１つが、飽和領域へと完全に駆動され、電流平衡回路が自律設定カレントミラー回路として動作する。
モード２：スイッチングトランジスタＳ１からＳＮが線形領域にあり、電流平衡回路が自律設定電流平衡回路として動作する。
【００７６】
以下、モード１について説明する。Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３及びＶＣＥ１＞ＶＣＥ２＞ＶＣＥ３という仮定を使用して、特に図１４ａを参照して、自律設定可能原理について例示する。ＶＣＥ１が最も高い場合、図１４ａに、クリティカルな導電パスが太い線で示されている。選択ダイオードＤ１がＯＮとされると、電流が電流制限抵抗器ＲＢを流れ、最も小さい電流及びＶＣＥを有するスイッチングトランジスタ（すなわち、この場合Ｓ３）のベースが駆動される。電流不均衡が大きく、ＶＣＥ１による電流が大きくなりＳ３が飽和状態になる（すなわち、Ｓ３が閉スイッチとして完全にＯＮとなる）と、等価回路は図１４ｂに示すようになる。
【００７７】
図１４ｂから分かるように、等価回路では、最も小さな電流源が基準電流として選択された（図１及び図９と比較して）カレントミラー回路のようになる。したがって、図１４ａに示された本発明が提案する回路は、自律的に最も小さな電流源を基準電流として選択したとみなすことができる。この回路のカレントミラー動作により、基準電流Ｉ３を追従するようにＩ１及びＩ２を低減させるべく、ＶＣＥ１及びＶＣＥ２が変化する。本発明が提案する回路では、最も小さい電流源が何れかによって、基準電流を動的に変更することが可能になる。
【００７８】
このように、動作モードはカレントミラーの原理に基くと同時に、カレントミラー動作おいて最良の電流源を基準電流源として動的に選択することを可能にする新規の自律設定可能機能が付加される。
【００７９】
次に、モード２について説明する。並列な電流源間の電流の不平衡が大きくない場合（すなわち、電流の不均衡が低減されている場合）、最も大きな電流源のＶＣＥにより、対応する選択ダイオードを導通状態にする。しかしながら、最も大きな電流源における最も大きなＶＣＥによって生じる電流が、最も小さな電流源におけるＳトランジスタ（スイッチングトランジスタ）のベースを飽和領域へと駆動するのに十分な大きさでない場合がある。これは、このダイオード電流が、線形領域で動作する全てのＳトランジスタのベースに流れることを意味する。Ｎ個の並列な電流源を有するシステムの等価回路が図１５に示されている。
【００８０】
これから示す分析では、次のような仮定がなされている。
（１）複数の電流源間での電流の不均衡が大きくなく、Ｓトランジスタの何れも飽和状態になることがない、したがって、全てのＳトランジスタが線形領域で動作していることを暗に意味する。
（２）全てのトランジスタが、同じ電流増幅率βと整合している。
（３）電流Ｉ１の電流源（電流源１）が最も大きいので、対応する最も高いＶＣＥがダイオードＤ１をＯＮにする。
【００８１】
【数５】
2014507711.tif 000008
ここで、
2014507711.tif 000009
2014507711.tif 000010
Ｎ＝電流源の数
ＩＢ＝Ｓ１，Ｓ２，…，ＳＮのベース電流
【数６】
2014507711.tif 000011
2014507711.tif 000012
【００８２】
したがって、
【数７】
2014507711.tif 000013
【００８３】
上記の式（５）、式（６）及び式（７）から、
【数８】
2014507711.tif 000014
【００８４】
ここで、Ｉ１より小さい電流が流れる別の枝における電流を求めることができる。枝Ｎの場合、ダイオードＤＮはＯＮとされていないことから、
【数９】
2014507711.tif 000015
【数１０】
2014507711.tif 000016
【数１１】
2014507711.tif 000017
【００８５】
式（９）、式（１０）及び式（１１）から、
【数１２】
2014507711.tif 000018
【００８６】
式（８）及び式（１２）を使用して、電流ＩＮは次のように表される。
【数１３】
2014507711.tif 000019
【００８７】
典型的な増幅率β＝４０の場合、
2014507711.tif 000020
【００８８】
したがって、式（１３）から、全てのＳトランジスタ（スイッチングトランジスタ）の全てが線形モードで動作している場合でも、理論的には良好な電流バランスが達成されることが分かる。
【００８９】
要約すると、本発明の上記で説明された実施形態において提案された回路では、モード１及びモード２の両方において、複数の並列な電流源間の電流不均衡を低減させることが可能である。
【００９０】
改善された安定化及びＱトランジスタ（平衡トランジスタ）の本方法による典型的な実装形態が図１６に示されており、抵抗器ＲＥは、小さい値を有する（導電損失を低減させるために、典型的には数オーム）抵抗であり、トランジスタの熱暴走を防ぐために使用される。コレクタ及びエミッタを流れるＱトランジスタ電流が（熱暴走により）急激に増加した場合、エミッタ抵抗器ＲＥの電圧が増加して、ベースのバイアスに対して反対に働き、トランジスタ電流が低減される。したがって、ＲＥ抵抗器をＱトランジスタにしようすると、熱暴走が発生する機会を減らすことができる。
【００９１】
３つの並列な電流源を有するシステムの場合の、別の実装形態が図１７に示されている。
【００９２】
一般的に、ＬＥＤデバイスに故障が発生すると、短絡につながる。これは、ストリングないの１つのＬＥＤデバイスに故障が生じた場合、そのＬＥＤデバイスに短絡が発生したようになるが、同じストリング内の残り複数のＬＥＤデバイスは動作する。このような短絡故障は、特定のＬＥＤストリングの全体の電圧を低減させるのみであり、本発明の実施形態に係る、新規の自律設定可能電流平衡化回路又はカレントミラー回路は適切に機能する。
【００９３】
複数のＬＥＤストリングのうちの１つへの電力の供給が遮断された場合（例えば、ケーブル接続の不良、又は、複数のＬＥＤデバイスのうちの１以上で稀に発生する開路故障）についても考える。このような場合、我々の実験によれば、通常の枝からの電流の一部が、図１８に示すような経路を通って故障した枝のトランジスタに流れて、故障電流の枝のトランジスタに異常電流及び大きな電力損失が発生する。
【００９４】
このような異常電流を回避するべく、本発明の実施形態で提案される基本的な回路を、図１９ａに示されるような回路から図１９ｂに示されるような回路に改良することができ、ＬＥＤストリングに開路故障が存在する場合には主要な循環回路をブロックするべく更なる逆流防止ダイオードＤＢを使用する。その結果、図１９ｃに示す故障の発生した枝における新たな電流経路によれば、Ｑトランジスタのベース‐エミッタ間の電圧降下が小さくなることから、電力損失を大幅に削減できる。
【００９５】
ＬＥＤストリングのうちの１つに開路故障が発生した場合のトランジスタの過熱を防ぐ回路の形態では、図１６の基本的な回路構成から、図２０に示すように点Ｃにおいて全てのＱトランジスタ（平衡トランジスタ）のベース接続を取り除いて、Ｑトランジスタが相互接続されないようにする。同様な改良を図１７の回路にも適用できる。
【００９６】
本発明の実施形態の実現可能性を確認するべく、２つの並列なストリングを有するＬＥＤシステムを実験的に組み立てた。図２１に示すように、電流源は、単純なＡＣ−ＤＣ電源回路によって提供される。ダイオード整流器が、出力キャパシタを介して、ＡＣ電圧をＤＣ電圧へと変換する。インダクタが、電圧源を電流源へと変更する。
【００９７】
図２２に示す（図１６に基く）提案の電流平衡回路を使用する前の、３つのＬＥＤストリングの電流は、それぞれ次のようであった。
【表２】
2014507711.tif 000021
【００９８】
図２２の回路を使用した後、ＬＥＤストリングの電流は、次のようになった。
【表３】
2014507711.tif 000022
【００９９】
（図１７に基く）図２３の回路を使用した後は、ＬＥＤストリングの電流は、次のようになった。
【表４】
2014507711.tif 000023
【０１００】
これら２つの回路のいずれの場合においても、電流の変化が６７ｍＡから２７ｍＡへと、及び、６７ｍＡから１１ｍＡへと低減んされたことから、電流不平衡が良好に低減された。両方の場合において、６０％を超える電流不平衡が達成できた。ここで、個々のトランジスタの電流増幅率は整合している。電流増幅率の変動は、電流平衡化の性能に一定の影響を与える。図１７の原理に基いて、図２３に示すような別の回路を使用することができる。
【０１０１】
上記のように、並列な複数のＬＥＤストリングの電流平衡化のための最良の選択肢は、最も小さな電流が流れるＬＥＤストリングを選択することである。最も小さな電流が流れるＬＥＤストリングを予め定めることが難しい場合には、上記の再設定可能電流平衡回路又はカレントミラー回路及び技術を採用することができる。
【０１０２】
本発明の別の実施形態で提案する方法では、一のＬＥＤストリングが最も小さな電流を有する。図２４に示す原理では、更なる構成要素Ｙを１つの電流枝（例えば、図２４における電流Ｉ１を有する枝）に、僅かな電流不平衡を故意に生成する。更なる構成要素は、例えば、１つのＬＥＤデバイス又は小さな抵抗器のように、電流シンクの一種のような任意の好適な構成要素であり、このような構成要素を追加することにより、複数の並列な全ての枝の中でこの枝が最も小さい電流を有するようにする。最も小さな電流を有する枝を故意に生成したことから、この枝を、標準的な又は改良したカレントミラー技術における基準枝として選択することができる。
【０１０３】
本発明の実施形態によれば、精度の高い、フィードバック補助自律再設定可能電流平衡技術又はカレントミラー技術を提供することができる。
【０１０４】
上記した、適切な電流枝を電流平衡回路の基準として自動的に選択する自律設定可能メカニズムに基いて、別の実施形態では、図２５に示すように、フィードバック補助にオペアンプを使用することができ、高い精度の電流平衡技術又はカレントミラー技術を提供できる。
【０１０５】
理想的なオペアンプ又は高い増幅率を有するオペアンプの場合、オペアンプの反転入力（ｖ−）の電位は、非反転入力（ｖ＋）の電位を追従する。これは、２つのＢＪＴのエミッタにおける２つの同一の抵抗器ＲＥにおける電位差が同じになることを意味する。これは、２つのストリングの抵抗器ＲＥの電流が同じになることを意味する。
【０１０６】
このフィードバック補助の原理を、再設定可能電流平衡技術に組み込むべく、図２６に示す２つのＬＥＤストリングの回路の例では、本発明の一実施形態に係るオペアンプを使用してフィードバックを提供する。ＲＣフィルタ回路を使用して、１つのＬＥＤモジュールの電圧から、低コストＤＣ電源を構成可能である。しかしながら、ＤＣ電源を構成するその他の簡単な方法が存在することは明らかであり、例えば、ツェナーダイオードを電圧基準として使用することができる。
【０１０７】
図２６に示す２つのＲＥ抵抗器Ｒ１及びＲ２は、１Ω以下の小さな抵抗器である。図２６に示すＢＪＴ  Ｓ５及びＳ７を、より高い増幅率を有するＢＪＴ又はダーリントントランジスタと置き換えてもよい。図２７には、図２６に示すフィードバック補助回路が外された場合の２つのストリングの電流測定値、６７７ｍＡ及び５６４ｍＡ（１１３ｍＡの差分）が示されている。図２８には、図２６に示すフィードバック補助回路が外された場合の２つのストリングの電流測定値、６０４ｍＡ及び６０３ｍＡ（１ｍＡの差分）が示されている。
【０１０８】
別の実施形態では、図２９に示す３つの並列なストリングの例のように３つ以上のストリングにも同様な原理を適用可能である。抵抗器Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、上記したようなＲＥ抵抗器である。
【０１０９】
本発明は更に、目的の回路における複数の並列な枝における電流を平衡化する方法を提供する。方法の望ましい実施形態は、上記したようなそれぞれがエミッタ、ベース及びコレクタを有する複数の平衡トランジスタＱ１〜ＱＮを設ける段階を備え、平衡トランジスタのエミッタはそれぞれ、回路の枝と直列に接続されている。  方法はまた、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタそれぞれのベースに選択的に接続する段階を備える。回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝は、望ましくは、受動回路を使用して平衡トランジスタ各々のベースに選択的に接続されて、別個に又は外部に電源を設ける必要性を回避する。
【０１１０】
本実施形態では、回路の複数の枝のうち最も小さな電流を有する枝を、平衡トランジスタＱ１〜ＱＮそれぞれのベースに自動的に及び動的に接続する。
【０１１１】
ある実施形態では、上記の選択回路が利用される。
【０１１２】
本実施形態は更に、回路の複数の枝からフィードバックを得て、フィードバックに基いて電流を調整するフィードバック補助を使用して、複数の枝における電流を平衡化する段階を備える。例えば、上記のフィードバック回路を採用することができる。
【０１１３】
別の実施形態では、方法は更に、回路の複数の枝のうちの所定の一つの電流を、回路の別の枝の電流よりも低い値に固定して設定する段階を備える。方法は望ましくは、所定の枝における電流を低減させるための電流シンクを所定の枝に設ける段階を備える。
【０１１４】
本発明に係る方法の更なる実施形態におけるその他の段階については、上記の説明から容易に理解できる。
【０１１５】
以上、本発明が特定の実施形態を参照して説明されたが、当業者であれば、本発明をその他の数多くの形式で実施可能であることが理解できる。当業者であれば、上記した様々な実施形態における特徴を、その他の特徴の組み合わせと組み合わせることが可能であることが理解できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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【図１０ｇ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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