(57)【要約】  【課題】  ＬＥＤ用として好適な電源装置を提供する。  【解決手段】  スイッチング回路、ＬＥＤ及び比較回路を有するループ回路と、比較回路へ基準電圧を提供する基準電圧発生回路と、を備えてなり、何ら独立した発振回を内蔵することなくループ回路自体が発振してＬＥＤへ定電流が印加される。基準電圧発生回路において低い基準電圧を生成することにより、ＬＥＤからのフィードバック電圧を小さくし、もって電力損失を削減する。  【選択図】  図２
2005080353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング回路、ＬＥＤ及び比較回路を有するループ回路と、
前記比較回路へ基準電圧を提供する基準電圧発生回路と、を備えてなり、
前記ループ回路が発振して前記ＬＥＤへ実質的に定電流が印加される、ことを特徴とするＬＥＤ用電源装置。
【請求項２】
前記基準電圧発生回路はダイオード及び抵抗器による電圧降下により前記基準電圧を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用電源装置。
【請求項３】
前記基準電圧発生回路は、前記スイッチング回路が閉のとき作動する第１の基準電圧発生回路と前記スイッチング回路が開のとき作動する第２の基準電圧発生回路とからなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ用電源装置。
【請求項４】
前記基準電圧は０．１Ｖ〜０．５Ｖである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤ用電源装置に関する。この発明の電源装置は車載用として好適である。
【背景技術】
【０００２】
通電電流が数十ミリアンペアであるＬＥＤ用の電源装置においては、抵抗器をＬＥＤに直列接続して印加される電流の制限を行えばよかった。しかしながら、ＬＥＤに要求される高輝度化に伴い、通電電流が数百ミリアンペアになると、抵抗器の発熱と消費電力が無視できなくなる。また、抵抗器の外形も大きくなり、基板側の放熱設計も必要となるなど、ＬＥＤの電源回路以外の部分における設計上の制約が発生していた。
このような抵抗器の制約は、スイッチング電源回路を用いることにより解消できる。汎用的なスイッチング電源回路をＬＥＤに適用した例を図１に示す。
【０００３】
この回路において、ＬＥＤからのフィードバック電圧が誤差増幅器２において基準電圧回路３からの基準電圧と比較される。この基準電圧回路３には通常バンドギャップリファレンスタイプの高精度の回路が採用される。比較結果は比較器４で増幅され、三角波発振器５の発振電圧との比較結果により、スイッチング回路６を開閉する。かかる汎用的なスイッチング電源回路７は通常はＩＣ化されている。
本発明に関連する文献として、特許文献１を参照されたい。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９８３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１に示した電源回路は汎用的なものであって、ＬＥＤ用に特化しているわけではない。したがって、ＬＥＤの点灯制御に不要な機能も有している。例えば、負荷の有無・種類に拘わらず電圧制御動作を継続できるように独立した発振器５が備えられているが、負荷がＬＥＤに限定される場合には、不要な機能となる。また、高精度の電圧制御を担保するため温度依存性が極めて高い高精度のバンドギャップリファレンス式の基準電圧回路３が採用されているが、これもＬＥＤが制御対象となる限り不要な機能である。高輝度領域においてＬＥＤに印加される電流が±２０％程度変化しても、人の目ではその変化を認識できないためである。
【０００６】
また、多くの場合に用いられるバンドギャップリファレンスの基準電圧が１．２５Ｖ以上に設定されているため、ＬＥＤ１からのフィードバック電圧が１．２５Ｖ以上となる。その結果、フィードバックロスによる消費電力が無視できなくなる。
なお、ＬＥＤ専用のスイッチング電源ＩＣも上市されている。しかし、かかるＩＣは小型化のために高速スイッチング素子を使用したり、高効率化のために回路構成が特殊なため、更に高価である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
即ち、スイッチング回路、ＬＥＤ及び比較回路を有するループ回路と、
前記比較回路へ基準電圧を提供する基準電圧発生回路と、を備えてなり、
前記ループ回路が発振して前記ＬＥＤへ定電流が印加される、ことを特徴とするＬＥＤ用電源装置。
【発明の効果】
【０００８】
このように構成された電源装置によれば、スイッチング回路、ＬＥＤ及び比較回路というＬＥＤ用電源装置を動作させるのに必須の回路で発振するループ回路を形成しているので、三角波発振器などの独立した発振回路を必要としていない。従って、低コスト化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
また、この発明の他の局面の発明によれば、基準電圧発生回路がダイオード及び抵抗器による電圧降下により基準電圧を発生する。かかる回路は、バンドギャップリファレンス式の基準電圧発生回路に比べて、構成が簡素であり大幅にコストダウンが可能となる。なお、当該発明の簡素な基準電圧発生回路によれば、基準電圧に高い精度が得られない。その結果、ＬＥＤに印加される電流にバラツキが生じるが、高輝度で発光しているＬＥＤにおいて当該電流のバラツキは実用上何ら支障を生じない。
更には、この発明によれば、図１の誤差増幅器も省略できるので、この点においても低コスト化を達成できる。
【００１０】
更にこの発明によれば、図１の汎用電源回路に比べて基準電圧を低く設定することにより、ＬＥＤからのフィードバック電圧を低くすることができ、電力損失を低減できる。
例えば、ＬＥＤの順方向電圧が約３．６Ｖであるとすると、１．２５Ｖのフィードバック電圧の汎用電源回路の場合、電力損失は、
１．２５Ｖ／（３．６Ｖ＋１．２５Ｖ）＝０．２５８
となり、２５％が電力損失となる。
他方、任意に基準電圧を設定できるこの発明の電源装置において、実施例の如く基準電圧を０．５Ｖに設定すると、基準電圧は
０．５Ｖ／（３．６Ｖ＋０．５Ｖ）＝０．１２２
となり、電力損失が約１／２となる。
本発明の電源装置において基準電圧は任意に選択できるものであり、約０．０５〜０．１Ｖにすれば、電力損失はさらに小さくできる。ただ、ノイズの影響等を考慮すると、０．１〜０．５Ｖ程度が好ましい。更に好ましくは０．３〜０．５Ｖとする。
【００１１】
スイッチング回路や比較回路には汎用的なものを用いることができる。実施例では、トランジスタによりこれらを構成してコスト削減を図っている。
ＬＥＤも任意のタイプのものを採用することができるが、高輝度の発光を伴うことからこれをIII族窒化物系化合物半導体からなるＬＥＤとすることが好ましい。
ここにIII族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。Ａｌを含むものはこのうち、ＡｌＮのいわゆる２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族窒化物系化合物半導体及びＧａＮにおいて、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
ＬＥＤの構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる発光方向（電極面）を発光装置の光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。
【実施例】
【００１２】
以下、この発明の実施例について説明する。
図２にこの発明の実施例の電源装置の構成を示すブロック図を示す。図３はその具体的回路図である。
図２より明らかなように、実施例の電源装置はＬＥＤ１１からのフィードバック電圧が比較器１２へ入力され、基準電圧回路１３からの基準電圧（約０．５Ｖ）と比較される。比較の結果（制御電圧）がスイッチング回路１６へ入力され、そのオン・オフが制御される。当該スイッチング回路１６、ＬＥＤ１１及び比較器１２によりループ回路が形成され、比較器１２からの制御電圧に基づきスイッチング回路１６がオン・オフすることにより当該ループ回路が発振し、もってＬＥＤ１１へ入力される電流が実質的に一定に維持されることとなる。
【００１３】
このように構成された実施例の電源装置によれば、スイッチング回路、ＬＥＤ及び比較回路というＬＥＤ用電源装置を動作させるのに必須の回路で発振するループ回路を形成し、独立した発振回路を必要としていない。従って、低コスト化を実現できる。
また、バンドギャップリファレンスを用いずに、ツェナーダイオードの電圧を抵抗分圧した０．５Ｖの基準電圧を採用しているので、フィードバック電圧を０．５Ｖまで降圧することができ、フィードバック電流による電力損失を低減できる。
【００１４】
実施例の電源装置の具体的回路例を図３に示す。
主回路部３０は２つのコネクタ３１、３２を有し、コネクタ３１は電源に接続され、コネクタ３２はＬＥＤ２１に接続される。入力電圧Ｖｉはスイッチング回路としてのトランジスタＴｒ１を介してＬＥＤ２１へ入力されるとともに、トランジスタＴｒ３のコレクタにも印加される。トランジスタＴｒ３がオンのとき、比較器駆動電圧Ｖｃ（約６Ｖ）となってトランジスタＴｒ４，Ｔｒ５へ印加される。また、これは基準電圧Ｖｒ（約０．５Ｖ）としてトランジスタＴｒ５のベースへ印加される。即ち、トランジスタＴｒ３は第１の基準電圧発生回路として機能する。
【００１５】
他方、ＬＥＤ２１のフィードバック電圧ＶｆはトランジスタＴｒ４のベースへ印加される。その結果、トランジスタＴｒ４とＴｒ５は次のように動作する。
基準電圧Ｖｒ＞フィードバック電圧Ｖｆのとき    Ｔｒ５：オフ    Ｔｒ４：オン
基準電圧Ｖｒ＜フィードバック電圧Ｖｆのとき    Ｔｒ５：オン    Ｔｒ４：オフ
従って、基準電圧Ｖｒ＞フィードバック電圧Ｖｆのとき、即ちＬＥＤの出力が基準値に満たないとき（若しくは低下したとき）はトランジスタＴｒ４がオンとなり、トランジスタＴｒ２のベース電位がハイとなってこれがオンとなる。その結果、トランジスタＴｒ１のベース電位がロウとなって、トランジスタＴｒ１がオンとなる。これにより、電源からのパワーがＬＥＤ２１へ印加され、これの出力を上げる。
【００１６】
このとき、トランジスタＴｒ５はオフとなるのでトランジスタＴｒ３がオフとなって基準電圧発生回路として機能しなくなるが、それと入れ替わりに（即ちその過渡状態の間に）、トランジスタＴｒ１を通過した電圧がコンデンサ３４と抵抗３５を介して基準電圧ＶｒをトランジスタＴｒ５のベースに印加することとなる。このコンデンサ３４、抵抗３５及びツェナーダイオード３６により第２の基準電圧発生回路が構成される。これにより、Ｔｒ５オフ、Ｔｒ４オンの状態が決定的となる。
トランジスタＴｒ１がオンとなってＬＥＤ２１の出力が高くなると、フィードバック電圧Ｖｆも高くなる。その結果、基準電圧Ｖｒ＜フィードバック電圧Ｖｆとなると、トランジスタＴｒ４：オフ（同時にＴｒ５オン）  →  トランジスタＴｒ２：オフ  →  トランジスタＴｒ１:オフとなってＬＥＤ２１への給電がストップする。トランジスタＴｒ１がオフとなるのでコンデンサ３４及び抵抗３５を介しての基準電圧の生成が不能になり、第１の基準電圧に戻る。このように回路全体が発振して、トランジスタＴｒ５：オン  →  トランジスタＴｒ３：オン  となるのでこのルートでの基準電圧の生成が復活する。このように回路全体が発振して、ＬＥＤ２１に印加される電流を実質的に一定に保っている。
トランジスタＴｒ１がオフとなるとトランジスタ２１へ印加される電圧が低下するので、図３に記載の電源装置はいわゆる降圧タイプとなる。
【００１７】
図４に他の回路例を示す。図４において、図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図３の主回路部３０と図４の主回路部４０との構成上の違いは、スイッチング回路を構成するトランジスタＴｒ１とＴｒ６の位置及びタイプにある。
即ち図４の例では、ＬＥＤ２１の出力が上昇して基準電圧Ｖｒ＜フィードバック電圧Ｖｆとなると、トランジスタＴｒ４：オフ  →  トランジスタＴｒ２：オフ  →  トランジスタＴｒ６：オンとなり、入力電圧ＶｉはトランジスタＴｒ６側に逃がされてＬＥＤ２１に印加される電圧が低下する。その結果、基準電圧Ｖｒ＞フィードバック電圧Ｖｆとなると、トランジスタＴｒ４：オン（同時にＴｒ５オフ）  →  トランジスタＴｒ２：オン  →  トランジスタＴｒ６：オフとなり、コイルＬ２のエンルギーが放出され、ＬＥＤ２１に印加される電圧が上昇する。このように回路全体が発振してＬＥＤに印加される電流が実質的に一定に保たれる。
トランジスタＴｒ６がオフとなるとトランジスタ２１へ印加される電圧が上昇するので、図３に記載の電源装置はいわゆる昇圧タイプとなる。
【００１８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の電源装置の活用例として、室内外、車両内外の装飾及び表示装置用等の光源のＬＥＤの電源装置として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は従来例の電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２はこの発明の実施例の電源装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は実施例の電源装置の具体的回路構成例を示す。
【図４】図４は実施例の電源装置の他の具体的回路構成例を示す。
【符号の説明】
【００２１】
１、１１、２１  ＬＥＤ
２、１２  比較器
３、１３  基準電圧回路
６、１６  スイッチング回路
【図１】
2005080353.tif 000003
【図２】
2005080353.tif 000004
【図３】
2005080353.tif 000005
【図４】
2005080353.tif 000006