(57)【要約】ＬＥＤ負荷を調光するための電流調整器を制御するための方法では、調光信号は、固定周波数においてＬＥＤオン時間およびＬＥＤオフ時間を制御する、デューティサイクルを有する。調光信号は、ＬＥＤ負荷と直列のスイッチを制御する。ＬＥＤオン時間に先立って、調整器は、オン時間の開始時のインダクタ電流が、前のオン時間の終了時に測定されたインダクタ電流の記憶された値に実質的に合致するように、インダクタを事前充電するよう制御される。調整器のフィードバックループは、そのフィードバック制御信号を変更しないようにオフ時間中にフリーズされる。次のオン時間に、調整器は、送達されたＬＥＤ電流の初期減少がないように、事前充電されたインダクタ電流を用いて電流をＬＥＤ負荷に供給し始める。したがって、現在のパルス規模は、非常に低いデューティサイクルにおいてさえも一定である。【選択図】図１
2017511579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）負荷の調光用の調整器を制御するための方法であって、前記方法は、
第１の周波数と、ＬＥＤオン時間対ＬＥＤオフ時間の比を制御するための選択可能デューティサイクルとを有する第１の調光信号を提供することであって、前記第１の調光信号は、各オン／オフサイクルのためのオンパルスを生成する、ことと、
ＬＥＤ負荷スイッチ（２９）をオンおよびオフにして、前記ＬＥＤ負荷を通る電流を選択的に伝導するように、前記第１の調光信号によって前記ＬＥＤ負荷スイッチを制御することと、
前記ＬＥＤオン時間中に電流を前記ＬＥＤ負荷に供給するように、および前記オフ時間中にいかなる電流も前記ＬＥＤ負荷に供給しないように、調整器を制御することであって、前記調整器は、インダクタを有する、ことと、
インダクタ電流（ＩＬ、ＩＬＥＤ）に対応する第１の値を生成するように、前記オン時間中に前記調整器の定常状態条件中の前記インダクタ電流を検出することと、
前記オフ時間中に前記第１の値を記憶することと、
前記ＬＥＤ負荷の次のオン時間に先立って、前記記憶された第１の値に関係付けられる標的電流レベルまで前記インダクタを事前充電することと、
前記インダクタが前記標的電流レベルまで事前充電された後、前記インダクタを事前充電することと、前記ＬＥＤオン時間中に電流を前記ＬＥＤ負荷に供給するように前記調整器を制御することとを止めることと、
前記オフ時間中に前記調整器のフィードバックループ内の制御信号を実質的に一定に維持することと
を含み、
前記オン時間の開始時に前記ＬＥＤ負荷に供給される電流が、前のオン時間の終了時に前記ＬＥＤ負荷に供給される電流にほぼ等しいように、前記ＬＥＤ負荷スイッチが、ＬＥＤオン時間の開始時にオンにされるときに、前記インダクタは、前記調整器の前記定常状態条件中に前記インダクタ電流にほぼ等しい電流で事前充電される、方法。
【請求項２】
前記インダクタ電流を検出するステップは、瞬間インダクタ電流（ＩＬ）を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記インダクタ電流を検出するステップは、前記ＬＥＤ負荷電流（ＩＬＥＤ）に実質的に等しい平均インダクタ電流を検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の調光信号の前に、第２の調光信号を提供することをさらに含み、
前記第２の調光信号は、前記第１の調光信号と実質的に同一の第１の周波数およびデューティサイクルを有し、
前記調整器を制御するステップは、前記ＬＥＤオン時間に先立って前記インダクタを事前充電するように、前記第２の調光信号によって前記調整器を制御することを含み、
前記インダクタを事前充電するステップは、前記ＬＥＤ負荷の次のオン時間に先立って、前記記憶された第１の値に関係付けられる前記標的電流レベルまで前記インダクタを事前充電することを含み、前記事前充電は、前記第２の調光信号によって開始され、
前記インダクタが前記標的電流レベルまで事前充電された後、前記インダクタを事前充電することと、前記ＬＥＤオン時間中に調整された電流を前記ＬＥＤ負荷に供給するように前記調整器を制御することとを止める、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記標的電流レベルまで前記インダクタ電流を事前充電するために要する時間にわたって、前記第２の調光信号に対して前記第１の調光信号を遅延させることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記標的電流レベルまで前記インダクタ電流を事前充電することは、前記電流が前記標的電流レベルに到達するまで、前記インダクタを通る前記電流を上昇させることを含み、前記第１の調光信号の遅延時間は、前記インダクタ電流が前記標的電流レベルまで上昇するために要する時間に対応する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の調光信号は、前記ＬＥＤオン時間およびＬＥＤオフ時間の両方を遅延させるように、前記第２の調光信号に対して遅延させられる、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の値を生成するように前記インダクタ電流を検出するステップは、瞬間インダクタ電流（ＩＬ）を検出することを含み、
前記ＬＥＤ負荷の次のオン時間に先立って、前記記憶された第１の値に関係付けられる電流レベルまで前記インダクタを事前充電するステップは、前記事前充電電流レベルを前記記憶された第１の値に対応する電流レベルと比較しながら、前記電流レベルまで前記インダクタを事前充電することと、前記ＬＥＤオン時間における前記事前充電電流レベルが前記記憶された第１の値に対応する前記電流レベルにほぼ等しくなるまで、前記事前充電タイミングを調節することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記インダクタを事前充電するステップを開始するためのタイミング信号を生成することをさらに含み、前記タイミング信号は、前記ＬＥＤオン時間に先立って前記インダクタが事前充電されることを可能にするように、前記第１の調光信号と位相がずれている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＬＥＤオン時間を予測するように、前記第１の調光信号の周期を判定することと、
前記予測されたＬＥＤオン時間の前の時間から前記ＬＥＤオン時間まで、前記インダクタの前記事前充電を行うことと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記インダクタ電流を検出するステップは、瞬間インダクタ電流および平均インダクタ電流の両方を検出することを含み、前記定常状態条件中の前記瞬間電流および前記平均電流の両方の記憶された値は、前記次のオン時間の開始および終了時に前記ＬＥＤ負荷に供給される電流が標的ＬＥＤ負荷電流にほぼ等しいことを確実にするように、前記次のオン時間中に前記調整器において生成される電流と比較される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記インダクタを事前充電するステップは、前記前のオン時間中のその定常状態平均、ピーク、またはバレーインダクタ電流の所定の割合まで前記インダクタを事前充電することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
検出された負荷電流を識別するように、前記ＬＥＤオン時間の終了時に前記ＬＥＤ負荷への電流を検出することと、
前記検出された負荷電流を標的負荷電流と比較することと、
前記ＬＥＤオン時間の終了時における前記検出された負荷電流が前記標的負荷電流に実質的に合致するように、前記インダクタの事前充電時間を調節することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記調整器は、出力コンデンサ（Ｃｏｕｔ）を含み、前記方法はさらに、前記オフ時間中に任意の電流発生器または電流ドレインから前記出力コンデンサを電気的に絶縁することによって、前記オフ時間中に前記出力コンデンサにおける電圧を実質的に一定に維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
発光ダイオード（ＬＥＤ）負荷を調光するための調整器システムであって、前記調整器システムは、
第１の周波数と、ＬＥＤオン時間対ＬＥＤオフ時間の比を制御するための選択可能デューティサイクルとを有する第１の調光信号を受信するための第１の端子であって、前記第１の調光信号は、各オン／オフサイクルのためのオンパルスを生成する、第１の端子と、
定常状態条件下で前記ＬＥＤオン時間中に調整された電流を前記ＬＥＤ負荷に供給するように、および前記オフ時間中にいかなる電流も前記ＬＥＤ負荷に供給しないように制御されている電流調整器であって、前記電流調整器は、インダクタを有する、電流調整器と、
インダクタ電流に対応する第１の値を生成するように、前記調整器の定常状態条件中に前記インダクタ電流を検出するための電流検出回路（Ｒ１、Ｒ２、１６、２１）と、
前記オフ時間中に前記第１の値を記憶するための、前記電流検出回路に連結された記憶回路（３８、４０）と、
前記オフ時間中に前記記憶された第１の値に関係付けられる電流レベルまで前記インダクタを事前充電するように接続されている事前充電器回路（１２、１２０）であって、前記第１の調光信号のオン時間パルスの前縁において、前記ＬＥＤオン時間の開始時に前記ＬＥＤ負荷に供給される電流が、前のＬＥＤオン時間の終了時に前記ＬＥＤ負荷に供給される電流にほぼ等しいように、前記インダクタは、前記調整器の前記定常状態条件中に前記インダクタ電流にほぼ等しい電流で事前充電されている、事前充電器回路と、
前記オフ時間中に前記調整器のフィードバックループ内の制御信号を実質的に一定に維持するように接続されている第１の隔離回路（３１）と
を備える、調整器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、変調された電流パルスをＬＥＤ負荷に供給するように切替調整器を制御することによる、発光ダイオード（ＬＥＤ）のパルス幅変調（ＰＷＭ）調光に関し、具体的には、極端に小さい調光デューティサイクルを達成するように、ＬＥＤオン時間が起こる前に、調整器のインダクタを事前充電するための事前充電技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
ＬＥＤの知覚される輝度は、ＬＥＤへの一定規模の電流パルスのデューティサイクルを制御するためにＰＷＭ調光器を使用することによって、調光されることができる。ＰＷＭ周波数は、６０Ｈｚを上回り、一般的には、１００〜１ＫＨｚ等の明滅が知覚されることができる周波数を上回る。パルスあたりの理想電流は、ＬＥＤの最適な動作を提供する電流である。
【０００３】
ＬＥＤのピーク波長および効率は、駆動電流とともに変化する。例えば、ＧａＮ  ＬＥＤでは、電流が増加すると青方偏移がある。したがって、パルスあたりの電流は、パルス全体を通して一定の標的電流であることが望ましい。電流は、典型的には、ＰＷＭ調光周波数よりはるかに高い周波数（例えば、＞１００ｋＨｚ）において切り替わる切替調整器によって供給されるため、多くの調整器切替パルスが単一のＰＷＭ調光オン時間中に生じる。そのような高周波数パルスは、出力コンデンサによって平滑化されるため、ＬＥＤを通る電流は、本質的に、パルスの持続時間にわたって直流である。
【０００４】
切替調整器は、ＰＷＭ調光パルスのオン時間中に標的電流を生成するように、感知されたＬＥＤ電流からフィードバックを受信する。基本的に、ＰＷＭ調光コントローラがオンパルスを生成するとき、調整器は、標的電流を生成するように起動し、同時に、ＬＥＤ負荷は、調整器から電流を引き込むように接続される。ＰＷＭ調光コントローラがオンパルスを終了させるとき、調整器は、動作することを止め、ＬＥＤ負荷は、調整器の出力コンデンサから電流を引き込むことを止めるように、接地から断絶されるか、または調整器から断絶されるかのいずれかである。オフ時間中に、調整器のインダクタ電流は、典型的には、ゼロまで降下する。
【０００５】
そのような典型的なＰＷＭ調光システムに関する１つの問題としては、ＰＷＭ調光オンパルスの立ち上がりエッジにおいて、調整器が起動し、ＬＥＤ負荷が電流を引き込み始めるときに、出力コンデンサからＬＥＤ負荷の中への電流の即時サージがある。この出力コンデンサ内の電荷の低減は、調整器が電荷を補充する時間を有することなく、調整器の出力電流を急速に低下させ、順に、調整器へのフィードバック（感知されたＬＥＤ電流）に影響を及ぼす。したがって、過渡電流があり、調整器が電流パルス中にＬＥＤに出力される定常状態電流を達成するために、いくらかの時間を要する。ＬＥＤの中への本初期電流上昇遅延は、ＰＷＭ調光器オン時間の開始時にゼロ電流から始まって、調整器のインダクタを通して上昇する電流によるものである。調整器は、インダクタから送達される電流がＬＥＤを通る標的直流に等しくなるまで（すなわち、定常状態に達するまで）、２０を上回るサイクル等、多くの切替サイクルを要し得る。ＬＥＤの知覚される輝度（および、それほどの重要性はないが、ピーク波長）は、ＰＷＭオン時間中に調整器によって供給される直流の規模およびオンパルスのデューティサイクルの両方によって判定される。したがって、ＰＷＭオンパルスがアサートされた後に可能な限り早く、調整器が定常状態を達成することが重要である。
【０００６】
標的直流を達成するために調整器によって必要とされる切替サイクルの数は、インダクタを横断する電圧（例えば、バック調整器内の入力電圧と出力電圧との間の差）、インダクタ値、インダクタを通る開始電流、標的直流、スイッチング周波数、および他の要因に依存する。調整器が定常状態直流に到達する前にいくつかの切替サイクル（例えば、２０を上回るサイクル）を必要とするため、ＰＷＭオンパルスの最小オン時間が制限される。人間は、異なるＰＷＭ調光デューティサイクルを伴ういかなる色偏移も感知しないはずであるため、最小オン時間は、ＰＷＭ調光器オン時間の大半の間にＬＥＤに同一のピーク波長を生成させるために十分に長いはずである。これは、最小オン時間を１０％デューティサイクルまたはそれを上回るものに限定し得る。実施例として、１００ＫＨｚ切替調整器が、インダクタ電流を標的インダクタ電流まで上昇させるために２０サイクル（２×１０Ｅ−４秒）を要する場合、この時間は、１００ＨｚＰＷＭ調光器における２％デューティサイクルのオン時間に等しい。したがって、２％デューティサイクルでは、ＬＥＤへの平滑化電流パルスは、標的ＬＥＤ電流より小さい。人間の輝度の知覚が対数で表されるため、２％最小デューティサイクルは、ユーザが非常に暗い光を所望する場合に有意である。加えて、（順方向バイアスダイオードである）ＬＥＤの輝度およびインピーダンスも電流の線形関数ではないため、標的直流より小さい任意の電流は、ＬＥＤを全く照射させなくし、２％未満のデューティサイクルにおいてＬＥＤを完全にオフにさせ得る。
【０００７】
本問題の１つの解決策は、ＰＷＭ調光器オンパルスが生成されるときに、ＬＥＤ負荷が最初にコンデンサから電流を引き込むと調整器の出力コンデンサからの可聴雑音を低減させることを意図している、米国特許第８，２９４，３８８号で説明されている。その特許で説明される回路は、ＰＷＭオンパルスを感知し、それを調整器に印加することを遅延させる。ＰＷＭオンパルスを感知すると、システムは、入力電圧、出力電圧、およびインダクタ値に基づいて計算されたある電流レベルまでインダクタを事前充電する。所望の事前充電電流レベルに達した後、調整器は、動作し始めるように制御され、ＬＥＤ負荷は、残りのＰＷＭ調光器オン時間にわたって電流を引き込む。しかしながら、インダクタが低電流レベルから事前充電している遅延時間中に、出力コンデンサがインダクタの中へ放電しているため、その電圧は、標的電流をＬＥＤ負荷に供給するために必要とされる電圧より低い。インダクタ電流がその標的事前充電レベルに到達するとき、調整器は動作し始め、ＬＥＤ負荷は電流を引き込み始める。しかしながら、この時に、コンデンサ電圧は、前のＰＷＭ調光器オン時間が終了したときにあった定常状態レベルを依然として下回り、ＬＥＤ負荷への電流を最初に低くさせる。したがって、調整器のフィードバックループは、出力電圧の初期降下を補正しなければならず、次いで、調整器は、定常状態を達成するために複数の切替サイクルを要しなければならない。従来技術の調整器が定常状態に到達するために要する付加時間により、達成可能な最小ＰＷＭデューティサイクルが依然として制限され、ユーザは、低いレベルまでのＬＥＤ輝度の調光を完全に制御することはできない。
【０００８】
加えて、従来技術のシステムは、測定された入力電圧および出力電圧、ならびに他のパラメータを使用して、インダクタの最適な事前充電電流レベルを計算しなければならない。本精密測定は、複雑になり、最適な事前充電レベルは、特にブーストコンバータでは達成されないであろう。
【０００９】
加えて、従来技術の特許は、オンパルス立ち上がりエッジが遅延させられた同一の量だけ（調整器に印加される）調光器オンパルス立ち下がりエッジを遅延させることを記述していない。これは、調光が次第に非比例的になるため、オンパルスが短いときに非常に低いデューティサイクルにおいて特に問題である。
【００１０】
加えて、調光器オンパルスを遅延させることによって、元のＰＷＭ調光器信号を使用した、他の回路との調整器動作の同期化は、はるかに困難であるか、または可能ではない。
【００１１】
必要とされるものは、実質的に一定の電流がオン時間全体を通してＬＥＤ負荷に供給されている間に、調光比を最大限にするように、ＰＷＭ最小デューティサイクルがゼロに接近することを可能にする切替調整器によって駆動される、ＬＥＤの調光を制御する技法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第８，２９４，３８８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（要約）
本発明は、ＬＥＤ  ＰＷＭ調光器システム内の切替調整器のインダクタを事前充電し、事前充電は、ＬＥＤの最小オン時間が調整器の１切替サイクルまたはそれを下回るほど少なくなることを可能にする。
【００１４】
ＰＷＭ調光器オン時間の終了時に、調整器の出力コンデンサは、調整器のインダクタおよび負荷から電気的に絶縁され、ＬＥＤ負荷に電流を供給することを妨げられるため、コンデンサ電圧は、インダクタのオフ時間中にも事前充電中にも変化しない。誤差電圧Ｖｅ（フィードバックループの状態）もＰＷＭオフ時間中にフリーズされる。これは、切替調整器のフィードバックループがオフ時間（インダクタが事前充電している時間を含む）中に定常状態のままであることを可能にする。
【００１５】
あるタイプの調整器に適用可能な別の実施形態では、人間の眼がＬＥＤ負荷１４の輝度における小さい高周波数リップルを知覚しないため、インダクタ電流を平滑化するために出力コンデンサＣｏｕｔは使用されない。ＬＥＤの輝度およびピーク波長は、オン時間にわたって平均化される。
【００１６】
また、オン時間の終了時に、インダクタを通る瞬間および／または平均電流に正比例する値が、サンプルアンドホールド回路によって等、測定されて記憶される。
【００１７】
調光器ＰＷＭ周期は、反復的であり（例えば、１／１００秒）、したがって、オン時間の開始は、予測可能である。前のサイクルのオフ時間または反復ＰＷＭ周期時間を測定することによって、次のサイクルのオン時間の開始が予測されることができる。次のオン時間の予測された開始に先立って、インダクタは、正確に、または近似的に、オフ時間が起こったときの直前にあった電流レベルまで事前充電される。これは、事前充電電流を記憶された瞬間または平均インダクタ電流値と比較することによって行われることができる。事前充電時間は、事前充電電流を記憶された瞬間または平均インダクタ電流もしくは任意の他の標的事前充電電流に等しくさせるように、自動的に調節される。
【００１８】
出力コンデンサにおける電圧および誤差電圧Ｖｅは、これらの電圧がオフ時間中に隔離されるため、影響を受けない。ＰＷＭオン時間パルスの前縁が受信されるとき、調整器動作が開始され、出力コンデンサは、インダクタから電流を受容し、電流をＬＥＤ負荷に供給することができ、Ｖｅは、フィードバックループを動的に調節することを再開することができる。したがって、ＰＷＭオン時間パルスの立ち上がりエッジにおいて、調整器は、精密に、前のオフ時間の開始時にあった状態であり、オン時間の全体を通してＬＥＤ負荷への送達された電流の変化が殆どまたは全くない。換言すると、ＬＥＤ負荷への電流パルスは、ＰＷＭオン時間パルスの開始からオン時間パルスの終了まで実質的に一定である。
【００１９】
したがって、調光オン時間は、調整器の単一の切替サイクルまたはそれを下回るまで、非常に短くされることができる。したがって、本発明で典型的ＬＥＤ調光システムを増強することは、調光比が、例えば、約１００：１（１％）から２０，０００：１（０．００５％）を上回るまで拡張されることを可能にし得る。
【００２０】
ＰＷＭオン時間の終了時のＬＥＤ負荷電流が標的ＬＥＤ負荷電流に合致することを確実にするために、事前充電時間は、オン時間の終了時のＬＥＤ負荷電流を標的ＬＥＤ負荷電流に合致させるように調節される。標的ＬＥＤ負荷電流は、調整器の誤差増幅器の入力における基準電圧に合致するために必要とされる、電流レベルであってもよい。非常に短いオン時間に関して、オン時間の終了時のＬＥＤ負荷電流は、例えば、たとえ事前充電インダクタ電流がＰＷＭオン時間の終了時に記憶されたインダクタ電流に合致しても、低すぎる場合がある。非常に低いＰＷＭデューティサイクルにおいて、ループが反応し、ＩＬＥＤをそのプログラムされた値に適切に調整する時間を有していない可能性がある。これは、調整器の単一の切替サイクルより小さいＰＷＭデューティサイクルの結果であり得る。そのような場合において、事前充電インダクタ電流が前のオン時間の終了時に記憶された瞬間インダクタ電流より高いように、またはインダクタ電流レベルにかかわらず、事前充電回路は、オン時間に先立ってインダクタを過剰駆動し得る。本事前充電制御は、非常に低いデューティサイクルにおいて標的一定ＬＥＤ負荷電流を提供する目的をより良好に達成するため、事前充電電流を記憶された瞬間インダクタ電流に合致させることに優先する。ＩＬＥＤ電流がＰＷＭオン時間の終了時に高すぎる場合、ＩＬＥＤループは、適切なＩＬＥＤ電流を生成するように事前充電時間を短縮することができる。一般に、ＩＬＥＤ電流は、（変換器の帯域幅に応じて）いくつかの切替サイクルより長いオン時間を有する、殆どのＰＷＭデューティサイクルのためのＰＷＭオン時間の終了時に通常調整器フィードバックループによって適切に調整されるはずである。本余剰ＩＬＥＤ事前充電ループは、調光比の線形性を非常に高い比まで拡張する。本ＩＬＥＤループが必要とされないとき、これは、インダクタ電流比較器およびループが事前充電時間を制御することを可能にする。しかしながら、これが必要とされるときは、事前充電時間制御ループを引き継ぐ。
【００２１】
最適な事前充電レベルが計算されないが、オフ時間の直前の記憶されたレベルに基づくため、事前充電レベルは、記憶されたレベルに等しいように精密に設定されることができる。しかしながら、これはまた、随意に、計算されることもできる。
【００２２】
事前充電技法は、ブースト、バック、バック・ブースト、フライバック等のあらゆるタイプの切替調整器に適用されることができる。
【００２３】
上記の技法を使用することによって、オンパルスをＬＥＤに提供するように調整器を制御するときに、元のＰＷＭ調光信号の遅延がない。これは、複数のデバイスが同一の元のＰＷＭ調光信号によって制御されているときに、同期化問題を回避するために有利であり得る。
【００２４】
別の実施形態では、ＰＷＭ調光信号のオン時間パルスを予測するのではなく、インダクタ電流が、前の（ＰＷＭｏｕｔ）オン時間の終了時のインダクタ電流レベルである、その標的電流まで上昇するために要する時間にわたって、調整器を制御するために使用されるＰＷＭ調光信号（ＰＷＭｏｕｔ）が、元のＰＷＭ調光信号（ＰＷＭｉｎ）から遅延させられる。ＰＷＭｉｎ信号の前縁は、インダクタの事前充電を開始するために使用される。インダクタが標的電流まで事前充電された後、ＰＷＭｉｎ信号の時間偏移バージョンである遅延ＰＷＭｏｕｔ信号が、調整器に提供される。
【００２５】
遅延時間は、インダクタ電流を標的電流まで上昇させるために要する時間になるように、フィードバックループによって自動的に調節される。遅延時間は、必要とされる場合、事前充電インダクタ電流を前のＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時の記憶されたインダクタ電流値と比較することによって、調節される。
【００２６】
ＬＥＤ負荷電流（ＩＬＥＤ）が、非常に小さいデューティサイクルにおいてもＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時に適切であることを確実にするために、ＩＬＥＤは、ＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時に記憶され、標的ＩＬＥＤを表す基準電圧と比較される。値が合致しない場合、次のサイクルのための事前充電インダクタ電流は、ＩＬＥＤ値を基準電圧に合致させるように過剰駆動または過少駆動される。これは、ＰＷＭｉｎとＰＷＭｏｕｔとの間の遅延を調節することによって行われる。これは、事前充電インダクタ電流を前のＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時の瞬間インダクタ電流に合致させることに優先する。
【００２７】
他の実施形態も、発明を実施するための形態で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、ＰＷＭ調光器回路と、ＰＷＭ調光器オンパルスに先立ってほぼ定常状態ＬＥＤ電流までインダクタを事前充電するためのインダクタ事前充電器回路とを用いて増強されたブーストＬＥＤドライバを図示する。
【図２】図２は、図１の回路の動作のフローチャートである。
【図３】図３は、ＰＷＭ調光器オン時間が調整器のいくつかの切替サイクルより長い、種々の波形を図示する。
【図４】図４は、ＰＷＭ調光器オン時間がおよそ調整器の単一の切替サイクルである、種々の波形を図示する。
【図５】図５は、ＬＥＤ負荷が、接地から断絶されるのではなく、ＰＷＭオフ時間中に調整器から断絶される、図１のブーストＬＥＤドライバの出力部分の変形例を図示する。
【図６】図６は、４スイッチバック・ブーストＬＥＤドライバに適用されている事前充電回路を図示する。
【図７】図７は、別のタイプのバック・ブーストＬＥＤドライバに適用されている事前充電回路を図示する。
【図８】図８は、バックＬＥＤドライバに適用されている事前充電回路を図示する。
【図９】図９は、別のタイプのバックＬＥＤドライバに適用されている事前充電回路を図示する。
【図１０】図１０は、フライバックＬＥＤドライバに適用されている事前充電回路を図示する。
【図１１】図１１は、元のＰＷＭｉｎ調光信号のオン時間パルスが、事前充電を開始し、調整器を制御するために使用されるＰＷＭｏｕｔ調光信号が、インダクタ電流が標的電流まで上昇させられるまで遅延させられる、ＰＷＭ調光器回路と、前のＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時に測定されたレベルまでインダクタ電流を適応的に事前充填するためのインダクタ事前充電器回路とを用いて増強されたブーストＬＥＤドライバを図示する。
【図１２】図１２は、図１１の実施形態を使用して事前充電ルーチンを実行するときの種々の波形を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
種々の図中で類似または同一である要素は、同一の数字で標識される。
【００３０】
（詳細な説明）
図１は、本発明のブースト調整器の実施形態を図示する。調整器は、ＬＥＤ負荷を駆動するように、入力コンデンサＣｉｎによってフィルタ処理される入力電圧Ｖｉｎをより高い電圧まで引き上げる。回路の調整器部分１０は、従来的であり、詳細に説明される必要はないものとする。ブースト調整器の多くの変形例が使用されてもよく、図１は、実施例にすぎない。事前充電器回路１２は、本発明の側面を含有する。
【００３１】
ブースト調整器の一般的動作は、以下の通りである。調整器は、定常状態であるときに標的出力電流を生成する。実質的に直流の電流が、ＰＷＭ調光オン時間中にＬＥＤ負荷１４に印加される。本電流は、低値感知抵抗器Ｒ１を横断する電圧によって検出される。差動増幅器１６は、ＬＥＤ電流ＩＬＥＤに対応するフィードバック電圧を生成する。本フィードバック電圧は、フィードバック電圧を基準電圧Ｖｒｅｆと比較する、トランスコンダクタンス誤差増幅器１８に印加される。補償コンデンサＣｃｏｍｐは、どのようにフィードバック電圧がＶｒｅｆと対照するかに応じて、充電され、放電され、または変化させられない。結果として生じる誤差電圧Ｖｅは、フィードバックループがフィードバック電圧を定常状態のＶｒｅｆに合致させるように、切替ＭＯＳＦＥＴ１９のデューティサイクルを設定する。本誤差電圧Ｖｅ端子は、典型的には、外部コンデンサＣｃｏｍｐが接続される、ＩＣパッケージの電圧補償Ｖｃピンとして識別される。従来の切替調整器で行われるように、ループ安定性を提供するように、制御ループ内のＶｅに追加された傾斜補償があってもよい。
【００３２】
調整器切替サイクルの開始時に、クロック２０は、ＭＯＳＦＥＴ１９をリセットしてそれをオンにする、パルスを生成する。これは、インダクタＬを充電するように、インダクタＬおよび抵抗器Ｒ２を通して勾配電流を流れさせる。勾配電流は、ピークインダクタ電流（ピークＩＬ）比較器２３によって誤差電圧Ｖｅと比較される勾配ＩＬ信号を差動増幅器２１の出力において生成する。電圧レベルが交差するとき、ＭＯＳＦＥＴ１９は、オフにされる。ＭＯＳＦＥＴ１９がオフになるとき、ダイオード２４のアノードにおける増加した電圧は、ダイオード２４を順方向にバイアスし、インダクタＬは、インダクタ電流が減少すると出力コンデンサＣｏｕｔの中へ放電する。コンデンサＣｏｕｔの電圧は、標的電流ＩＬＥＤをＬＥＤに提供するために必要とされる電圧である。コンデンサＣｏｕｔは、インダクタＬによって供給される電流を平滑化する。ＬＥＤ負荷１４に供給される平滑化電流は、オン時間中に供給されるインダクタ電流の平均である。
【００３３】
調整器のスイッチング周波数は、典型的には、より小さい構成要素の使用を可能にするように、１ＭＨｚ等、１００ｋＨｚを上回る。
【００３４】
ＰＷＭ調光器制御回路２８は、ＰＷＭ信号を生成し、ＬＥＤの知覚される輝度を設定するように、手動で、またはプロセッサによって制御されてもよい。回路２８の一部は、外部で生成されたＰＷＭ信号または電圧を図１の回路に印加するために必要な形式およびレベルに変換するように、ＩＣの内部にあり得る。回路２８は、１００Ｈｚ等の固定周波数においてオン時間パルスを生成する。オン時間パルスのデューティサイクルは、ＬＥＤの知覚される輝度を判定する。１００％デューティサイクルは、サイクル時間の１００％でＬＥＤをオンにする。１０％デューティサイクルは、ＬＥＤを１０分の１の明るさにさせる。デューティサイクルの制御は、可変抵抗を手動で制御することによって等、任意の手段によるものであってもよい。
【００３５】
ＰＷＭが高いとき、ＭＯＳＦＥＴ２９は、ＬＥＤ負荷１４がＬＥＤを照射するために、接地への電流経路を作成するようにオンにされる。ＰＷＭ信号はまた、ＰＷＭ信号が高いときに、ＭＯＳＦＥＴ１９の切替が有効にされ、ＰＷＭ信号が低いときに、（以下で説明される事前充電時間中を除いて）ＭＯＳＦＥＴ１９がオフに保たれるように、ピークＩＬ比較器２３に印加される。ＭＯＳＦＥＴ１９のスイッチング周波数がＰＷＭ信号のものよりもはるかに高いため、典型的には、ＰＷＭ信号のオン時間中に調整器の多くの切替サイクルがあろう。
【００３６】
ＰＷＭ信号はまた、オフ時間中の検出されたゼロＬＥＤ電流が、オフ時間中に誤差電圧Ｖｅに影響を及ぼさないように、オン時間中に誤差増幅器１８を補償コンデンサＣｃｏｍｐに連結し、オフ時間中にコンデンサＣｃｏｍｐから誤差増幅器１８を分断する、スイッチ３１を制御する。したがって、フィードバックループは、オフ時間中にフリーズされる。誤差増幅器１８は、トランスコンダクタンス増幅器であり得る。
【００３７】
従来の調光システムでは、調整器のオフ時間中に、インダクタＬを通る電流は、ゼロまで降下する。したがって、そのような従来のシステムでは、インダクタ電流を必要な平均定常状態電流まで上昇させるために、オン時間の開始後に調整器の複数の切替サイクルが必要とされる。これは、調光のための最小オン時間（またはデューティサイクル）を制限する。本最小オン時間を下回ることは、輝度制御を高度に非線形にさせ、ＬＥＤの色出力を変化させる。本発明の事前充電器回路１２は、本問題を回避する。
【００３８】
オフ時間またはＰＷＭ周期を測定することによって、本発明は、事前充電器回路１２を通して、ほぼ前のＰＷＭ調光器オン時間の終了時に存在した電流レベルまでインダクタＬを予測的に充電し始める。結果として、ＬＥＤへの電流パルスレベルは、調光オン時間の開始から終了まで実質的に一定となり、高いＰＷＭ調光デューティサイクルおよび非常に低いデューティサイクルのための電流パルスは、実質的に同一となるであろう。したがって、低いデューティサイクルにおいて色偏移がなく、ＬＥＤの輝度は、調整器の１切替サイクルまたはそれを下回るまで正確に制御されるであろう。したがって、調光は、完全輝度から実質的にオフまで円滑に制御され得る。事前充電器回路１２の動作は、あらゆるタイプの切替調整器に等しく適用され、ブースト調整器は、一実施例にすぎない。
【００３９】
事前充電器回路１２の動作は、以下の通りである。
【００４０】
ＰＷＭ調光周波数が、１００Ｈｚ等、任意のデューティサイクルのために一定であるため、オンパルスの前縁は、前のオンパルス前縁の正確に１／１００秒後である、予測可能な時間に生じる。ＰＷＭ信号は、オンパルスの前縁においてタイマをトリガする、オンパルス予測回路３２に印加される。タイマは、事前充電動作を開始するように、次のオンパルスの前縁に先立った短い時間に有効化信号を生成する。これは、デジタルで、またはアナログ回路を使用してのいずれかで、多くの方法において行われてもよい。タイマは、位相ロックループ（ＰＬＬ）、または制御可能な遅延を有する遅延ロックループ（ＤＬＬ）であってもよい。一実施例では、コンデンサは、オンパルスの前縁において初期電圧まで充電され、所定の一定速度で放電される。ある時は、次のオンパルスの前に、コンデンサ電圧が閾値を下回るとき、比較器が、インダクタＬの事前充電を開始するようにトリガされる。インダクタＬの事前充電のための時間を可能にするように、例えば、１％だけ調光器クロックと同期していないデジタルタイマもまた、使用されてもよい。
【００４１】
したがって、予測回路３２出力（事前充電）は、ＰＷＭ信号がインダクタＬの事前充電を有効にするように高くなる少し前に、高くなる。予測回路３２の出力（事前充電）は、事前充電動作を無効にするように、ＰＷＭオン時間パルスの前縁において低くなる。以下で説明されるように、予測回路３２のオンパルス出力とＰＷＭ信号のオンパルスとの間の制御可能な遅延は、インダクタ事前充電電流を判定する。
【００４２】
予測回路３２からの高い信号は、ピークＩＬ比較器２３の出力とともにＯＲゲート３３に印加される。高い信号は、インダクタＬおよび抵抗器Ｒ２を通して勾配電流を伝導するように、ＭＯＳＦＥＴ１９をオンにする。したがって、差動増幅器２１の出力は、インダクタＬを通る瞬間電流ＩＬに比例する。別の実施形態では、インダクタ巻線自体が、感知抵抗器の役割を果たす。インダクタＬの事前充電は、高い周波数におけるパルス上昇ではなく、電流の単一の上昇によって行われることが好ましい。しかしながら、これは、変換器において、高いデューティサイクルを伴うスイッチング周波数を上昇させ得る。
【００４３】
差動増幅器２１からのＩＬ信号出力は、（比較器であり得る）差動増幅器３４の反転入力に印加される。前のオン時間の終了時にサンプルアンドホールド回路３８によって記憶されるＩＬ値は、差動増幅器３４の非反転入力に印加される。ＰＷＭ信号は、ＰＷＭオンパルスの前縁のみにおいて差動増幅器３４を効果的に有効にするように、差動増幅器３４に印加される。したがって、差動増幅器３４の出力は、ＰＷＭオン時間の開始時のインダクタ事前充電電流が前のオン時間の終了時に存在したインダクタ電流に合致するかどうかを判定する。
【００４４】
差動増幅器３４の出力は、調節回路３９に印加される。調節回路は、測定された事前充電電流ＩＬが記憶されたＩＬ電流に合致するように、オンパルス予測回路３２に印加される遅延制御信号（例えば、遅延ロックループ）を生成して、事前充電時間の開始とＰＷＭオン時間との間の遅延を継続的に制御する。事前充電電流が低すぎると判定される場合、調節回路３９は、例えば、差動増幅器３４への入力が合致するまで、次のサイクルのための事前充電時間を延長するようにＤＬＬ内の遅延要素を制御する。事前充電電流が高すぎると判定される場合、調節回路３９は、例えば、差動増幅器３４への入力が合致するまで、次のサイクルのための事前充電時間を短縮するようにＤＬＬ内の遅延要素を制御する。差動増幅器３４がアナログ値を出力する場合、差の規模は、次のサイクルのための値を合致させるために必要とされる必要遅延調節に直接相関させられることができる。差動増幅器３４が比較器である場合、いくつかの反復が値を合致させるために必要とされ得る。オンパルス予測回路３２が位相ロックループを使用する場合、遅延制御信号は、電圧制御された発振器の出力を調節してもよい。
【００４５】
したがって、次のオン時間の前のインダクタＬの状態は、前のオン時間の終了時のインダクタの状態と同一またはほぼ同一である。
【００４６】
サンプルアンドホールド回路３８は、インダクタ電流ＩＬを常に監視し、ＰＷＭオンパルスの立ち下がりエッジにおいて、既存のインダクタ電流ＩＬレベルが記憶（保持）される。上記で説明されるように、次いで、本インダクタ電流ＩＬ値は、事前充電時間が、次のＰＷＭオン時間が生じる時点でサンプルアンドホールド回路３８に記憶された電流レベルまでインダクタＬを適応的に事前充電するよう調節されるように、差動増幅器３４に印加される。ＰＷＭオン事象時に、事前充電が停止する。
【００４７】
ダイオード２４は、ＭＯＳＦＥＴがオフであるときのみ順方向にバイアスされるため、出力コンデンサＣｏｕｔは、本質的に、事前充電段階中に隔離され、その全電荷を保持する。したがって、ダイオード２４は、隔離回路の役割を果たす。
【００４８】
したがって、調整器は、出力コンデンサＣｏｕｔ電圧および誤差電圧Ｖｅを含む、前のオン時間の終了時と同一の状態である。
【００４９】
事前充電時間は、オンパルス予測回路３２から出力される事前充電信号が低くなり、ＰＷＭオン時間が開始するとき、ＰＷＭオン事象時に終了する。ＰＷＭ信号が高くなるとき、ピークインダクタ電流比較器２３は、ＭＯＳＦＥＴ１９の高周波数切替を調整するように有効にされ、ＭＯＳＦＥＴ２９は、ＬＥＤ負荷１４を通して調整された電流ＩＬＥＤを引き込むようにオンになる。
【００５０】
別の実施形態では、調整器の切替ＭＯＳＦＥＴ１９を使用するのではなく、専用事前充電ＭＯＳＦＥＴが、インダクタＬを通して事前充電電流を伝導するように、事前充電信号によって制御される。ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ１９と並列に接続されてもよい。別個の事前充電ＭＯＳＦＥＴを使用することによって、調整器部分は、事前充電器回路を既存の調整器設計に単純に追加することに対して事前充電器部分から完全に独立し得る。
【００５１】
ＰＷＭオン時間の終了時のＩＬＥＤはまた、全てのＰＷＭデューティサイクルのための正しいＩＬＥＤとなるはずである。ＩＬＥＤ値は、典型的には、通常の定常状態動作中に調整器部分１０によって正しく調整される。しかしながら、短いＰＷＭオン時間に関して、調整器は、標的値になるようにＩＬＥＤ値を調整できない場合がある。したがって、事前充電回路はまた、ＰＷＭオン時間の終了時の実際のＩＬＥＤ値を標的ＩＬＥＤと比較してもよい。これが正しくない場合、オンパルス予測回路３２は、事前充電時間を増加させて、オン時間の終了時のＩＬＥＤを標的ＩＬＥＤに合致させるように制御される。本調節は、事前充電器回路の目標が正しいＩＬＥＤをＬＥＤ負荷に提供することであるため、事前充電インダクタ電流ＩＬを記憶された瞬間インダクタ電流ＩＬに合致させることに優先する。測定されたＩＬＥＤ値は、ＰＷＭ信号の後縁（オン時間の終了）においてサンプルアンドホールド回路４０によって記憶され、保持されたＩＬＥＤ値は、差動増幅器４２の反転入力に印加される。Ｖｒｅｆは、非反転入力に印加される。オン時間の終了時の検出されたＩＬＥＤと（Ｖｒｅｆによって規定される）標的ＩＬＥＤとの間の任意の差は、２つの値が合致するように、オンパルス予測回路３２を介して事前充電時間を調節するために使用される。
【００５２】
ＰＷＭ信号の後縁が、代わりに、差動増幅器４２を制御して実際のＩＬＥＤ値とＰＷＭオン時間の終了時の（Ｖｒｅｆによって規定される）標的ＩＬＥＤとの間の差を検出するように、差動増幅器４２に印加されてもよいため、したがって、サンプルアンドホールド回路４０は、必要とされないであろう。
【００５３】
別の実施形態では、ＩＬＥＤ精度の付加的保証として、ＰＷＭオン時間の開始時のＩＬＥＤは、ＰＷＭオン時間ＩＬＥＤの開始が標的ＩＬＥＤ電流であることをさらに確実にするように、前のＰＷＭオン時間の終了からの保持されたＩＬＥＤまたはＶｒｅｆのいずれか一方と比較されることができる。
【００５４】
一実施例では、標的ＩＬまたはＩＬＥＤは、外部信号または構成要素を使用することによって等、ユーザによって設定され、フィードバックループは、事前充電時間中に標的ＩＬまたはＩＬＥＤを達成するように事前充電を調節する。
【００５５】
一実施例では、調節回路は、ＩＣの外部にあり、任意の非理想的特性に対処するように、加工施設における回路の試験中にＩＣの最終値を微調整するために使用されてもよい。
【００５６】
事前充電電流を前のオンパルス立ち下がりエッジにおける記憶された瞬間インダクタ電流と比較する代わりに、インダクタＬを通る事前充電電流は、インダクタを通る記憶された定常状態平均電流、バレー（ｖａｌｌｅｙ）電流、またはピーク電流、もしくはこれらのある割合に合致させられてもよい。
【００５７】
したがって、ＬＥＤ負荷１４への電流パルスは、開始から終了まで実質的に同一の規模を有し、フィードバックループの状態がオフ時間および事前充電時間中にフリーズされるため、フィードバックループにおいて実質的にいかなる過渡電流も生じておらず、ＰＷＭ調光器オン時間は、調整器の単一の切替サイクルと同じくらい少なく、または単一の切替サイクル未満でさえあり得る。
【００５８】
調整器部分１０および事前充電器回路１２は、単一の集積回路（ＩＣ）として実装されてもよい。一実施例では、コンデンサＣｉｎおよびＣｏｕｔならびにインダクタＬは、それらのサイズにより、ＩＣ上に含まれないが、これらの構成要素は、ＩＣと同一のパッケージに含まれてもよい。調光器コントローラの任意の部分もまた、チップ上に置かれてもよく、またはチップは、単純にＰＷＭ信号用の入力ピンを有してもよい。
【００５９】
ＩＣは、インダクタ電流が、以下のレベルのうちのいずれか、すなわち、１）オン時間中の平均インダクタ電流レベル、２）オン時間中のバレーレベル、３）オン時間中のピークレベル、または４）上記のうちのいずれかのある割合（例えば、９０％）まで上昇するように、事前充電時間を調整することができる。
【００６０】
代替実施形態では、事前充電電流を記憶されたインダクタ電流と比較するのではなく、所望の事前充電電流は、ＩＣ内の回路によって、またはマイクロプロセッサ等の外部回路によって計算され、もしくはＩＣのピンを使用してユーザによって設定されることができる。所望の事前充電器増幅時間は、入力電圧および出力電圧を測定し、次いで、値および回路トポロジに関係付けられる種々の定数にアルゴリズムを適用することによって、計算されることができる。そのような場合において、インダクタ電流およびＩＬＥＤ電流は、チップ内に記憶される必要はない。
【００６１】
図１のブースト調整器では、出力コンデンサＣｏｕｔは、ショットキーダイオードであり得るダイオード２４によって、事前充電中にインダクタＬから本質的に隔離される。代わりに、同期整流器スイッチが使用されてもよく、したがって、事前充電時間中にオフにされなければならない。出力コンデンサが、通常は、インダクタの一方の端部に直接接続される、バック調整器用等の他の調整器構成では、オン時間が始まるまで出力電圧がフリーズされたままであるように、コンデンサが事前充電周期中にインダクタの中へ放電することを防止するために、隔離スイッチがコンデンサと直列に追加される。誤差電圧Ｖｅもまた、オン時間が始まるまでフィードバックループがフリーズされたままであるように、次のオン時間まで充電することを妨げられる。
【００６２】
あるタイプの調整器に適用可能である別の実施形態では、人間の眼がＬＥＤ負荷１４の輝度における小さい高周波数リップルを知覚しないため、インダクタ電流を平滑化するために出力コンデンサＣｏｕｔは使用されない。ＬＥＤの輝度およびピーク波長は、オン時間にわたって平均化される。
【００６３】
図２は、事前充電ルーチンを要約するフローチャートである。
【００６４】
図２のステップ５０では、調整器は、非給電状態から起動していると仮定され、事前充電時間１２は、調整器がその定常状態を達成するまで、または開始タイミングが終了する後まで無効にされる。
【００６５】
ステップ５２では、調整器がその定常状態にあるか、または起動が終了しており、ＰＷＭ信号がＬＥＤ負荷１４の輝度を制御するようにＩＣに印加されると仮定される。各調光サイクルに関して、オンパルス予測回路３２は、そのＰＷＭ周期およびＰＷＭオンタイミングのためのＰＷＭ信号を検出し、次のオンパルスの少し前に事前充電ルーチンを有効にする。サンプルアンドホールド回路３８および４０は、瞬間インダクタ電流レベルＩＬおよび前のオン時間の終了時に存在した直流ＩＬＥＤレベルを保存する。
【００６６】
ステップ５４では、ＭＯＳＦＥＴ１９は、次のオン時間の少し前に、単一の事前充電器増幅器において、インダクタＬを事前充電するように制御される。次いで、ＰＷＭ信号は、オン時間を開始するように高くなり、これは、調整器を有効にし、ＬＥＤ負荷１４を通して電流を引き込ませる。
【００６７】
ステップ５６では、オン時間の終了時に（オン時間中の任意の他の所望の時間に）ＬＥＤ負荷１４を通る結果として生じる直流ＩＬＥＤが、変換器によって設定される標的ＩＬＥＤに合致することを確実にするように、検証ステップが行われる。ＩＬＥＤが合致しない場合、後続のパルスのための事前充電時間は、電圧オフセットを変化させること、抵抗を変化させること、ＶＣＯを制御すること、または任意の他のパラメータによって等、調節される（ステップ５８）。これは、非常に高い調光比において特に重要である。これは、標的インダクタ電流を上回るまたはそれ未満までインダクタを事前充電することを必要とし得る。
【００６８】
ステップ６０では、事前充電インダクタ電流ＩＬは、随意に、事前充電電流が正確であったかどうかを判定するように、オン時間中の実際のインダクタ電流と比較される。合致がある場合、調節が行われる必要はない。合致がない場合、後続のパルスのための事前充電時間が調節される（ステップ６２）。
【００６９】
図３は、ＰＷＭ調光器オン時間が、調整器のいくつかの切替サイクルより長い、種々の波形Ａ−Ｆを図示する。図４は、ＰＷＭ調光器オン時間が、ほぼ調整器の単一の切替サイクルである、種々の波形Ａ−Ｆを図示する。
【００７０】
図３および４の波形Ａは、図１のＩＣに印加される、外部で生成されたＰＷＭ調光信号を示す。ＰＷＭ信号は、内部構成要素およびＬＥＤ負荷１４と接地との間に接続されたＭＯＳＦＥＴ２９に印加される、ＩＣの内部の対応するＰＷＭ信号（波形Ｂ）を生成するように、適切にレベル偏移される。
【００７１】
波形Ｃは、出力コンデンサＣｏｕｔ電圧Ｖｏｕｔを図示する。電圧がオン／オフサイクル全体を通して実質的に一定である程度に留意されたい。調整器がオフであるとき、非常にわずかな上昇がＶｏｕｔに示されているが、これは、ＬＥＤ負荷が断絶された後でさえも、ＰＷＭオフ事象時にＣｏｕｔの中へ誘導エネルギーを放出し得る、調整器の固有動作によるものである。このわずかな上昇は、必ずしも全ての実施形態で起こるわけではない。
【００７２】
波形Ｄは、事前充電ＭＯＳＦＥＴ３２のためのゲート制御信号を図示する。波形Ｄ信号は、ＰＷＭオン時間パルスの少し前に印加される。ゲート電圧のタイミングは、次のオン時間の時にインダクタＬを通る標的事前充電電流を達成するように制御されることができる。
【００７３】
波形Ｅは、（オンパルスの前の）インダクタを通る事前充電電流を図示し、オン時間中のインダクタを通る調整された電流を図示する。実施例では、インダクタ電流は、事前充電時間に先立ってゼロまで低減させられ、次いで、インダクタＬの定常状態バレー電流まで上昇する。別の実施形態では、標的事前充電電流は、平均定常状態インダクタ電流、ピーク定常状態インダクタ電流、またはこれらのうちのいずれかのある割合（ピーク、バレー、平均）であった可能性がある。
【００７４】
波形Ｆは、ＬＥＤ負荷１４に印加された、結果として生じる平滑化電流パルスを図示する。電流パルスは、実質的に一定であり、調光デューティサイクルにかかわらず同一のレベルである。図４では、デューティサイクルは、オン時間が調整器の単一の切替サイクルとほぼ同一であるため、極めて小さい。オン時間の終了時のＩＬＥＤ値が（Ｖｒｅｆによって規定される）標的ＩＬＥＤ値に等しくなかった場合、事前充電時間は、値を合致させるように調節される。
【００７５】
図５は、ＰＷＭ調光のためにＬＥＤ負荷１４を通して電流を伝導する代替的方法を図示する。ＰＷＭ調光器制御回路２８は、調整器とＬＥＤ負荷１４との間で直列に接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６６をオンおよびオフにすることを制御する。本システムの全ての他の側面は、図１と同一である。
【００７６】
図６は、４スイッチバック・ブースト調整器７０に印加されている事前充電器回路６８を図示する。本実施例では、インダクタＬの事前充電のために専用ＭＯＳＦＥＴを使用する代わりに、ＭＯＳＦＥＴ７２および７５は、電流が所定の事前充電レベルに到達するまで、インダクタＬを通して電流を引き込むように、ＰＷＭオン信号に先立って適応的にオンにされる。本電流レベルは、前のオン時間の終了時に存在した同一の電流レベルであってもよく、またはバレー電流、ピーク電流、平均電流、平均、ピーク、もしくはバレー電流のうちのいずれかの割合であり得る。ＭＯＳＦＥＴ７３および７４は、事前充電中にオフである。ＰＷＭオン信号が調整器を有効にするように高くなるとき、通常の切替動作を開始し、ＭＯＳＦＥＴ６６は、電流パルスをＬＥＤ負荷１４に供給するようにオンにされる。この時に、インダクタ事前充電電流がその標的レベルにあるはずであり、または事前充電タイミングが調節される。事前充電時間の増加が電流を増加させ、事前充電時間の減少が電流を減少させる。
【００７７】
調整器の通常動作は、周知である。インダクタ充電周期中に、ＭＯＳＦＥＴ７２および７５は、オンであり、放電周期中に、ＭＯＳＦＥＴ７３および７４は、オンである。ＩＬＥＤを調整することによって、図１のフィードバックループに類似するフィードバックループ（図示せず）は、ＬＥＤ負荷１４を通る標的電流ＩＬＥＤを達成するために必要な出力コンデンサＣｏｕｔにおける必要電圧およびＶｅを維持する。
【００７８】
図７は、事前充電器回路８０で増強された別のタイプの周知のバック・ブースト調整器７８を図示する。ＭＯＳＦＥＴ８２は、前述で議論された事前充電レベルのうちのいずれかまでインダクタＬを事前充電するように、ＰＷＭオンパルスに先立ってオンにされる。代替として、専用事前充電トランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴまたは他のスイッチデバイス）が、ＭＯＳＦＥＴ８２と並列に接続されてもよい。ＬＥＤ負荷１４は、Ｖｉｎ端子および調整器出力端子を横断して接続される。調整器出力端子は、１つまたは複数のＬＥＤ列を通る電流を調整することの直接的結果としての入力からのブースト電圧である。事前充電動作は、図１に関して説明されるものに類似する。
【００７９】
図８は、事前充電器回路８６で増強された周知のバック調整器８４を図示する。ＭＯＳＦＥＴ８８および９０は、前述で議論された事前充電レベルのうちのいずれかまでインダクタＬを事前充電するように、ＰＷＭオンパルスに先立ってオンにされる。事前充電中に、ＭＯＳＦＥＴ９２および９３は、出力コンデンサＣｏｕｔが事前充電中に消耗されないようにオフにされる（ＶｏｕｔおよびＶｅを含むフィードバックループが、調光器オフ時間全体の間にフリーズされる）。調整器８４は、ＬＥＤ負荷１４を通して、入力電圧Ｖｉｎより小さい電圧をＬＥＤ負荷１４にわたってもたらす標的電流ＩＬＥＤを供給するように、フィードバックによって制御される。事前充電動作は、図１に関して説明されるものに類似する。
【００８０】
図９は、事前充電器回路９４で増強された別のタイプの周知のバック調整器９２を図示する。調整器９２は、ダイオードの代わりに、同期整流器ＭＯＳＦＥＴ９６を使用する。ＭＯＳＦＥＴ９８および１００は、前述で議論された事前充電レベルのうちのいずれかまでインダクタＬを事前充電するように、ＰＷＭオンパルスに先立ってオンにされる。ＭＯＳＦＥＴ１０２は、コンデンサＣｏｕｔがオフ時間中に放電されないように、調整器オフ時間中にオフにされる。また、フィードバックループ（ＶｏｕｔおよびＶｅ）は、オフ時間中にフリーズされる。
【００８１】
調整器９２の通常動作中、ＭＯＳＦＥＴ９８は、インダクタＬを充電するようにオンにされ、ＭＯＳＦＥＴ９６は、インダクタＬを放電するようにオンにされる。調整器は、ＬＥＤ負荷１４を通して、入力電圧より小さい電圧をＬＥＤ負荷１４にわたってもたらす標的電流ＩＬＥＤを供給するように、フィードバックによって制御される。事前充電動作は、図１に関して説明されるものに類似する。
【００８２】
図１０は、事前充電器回路１０６で増強された周知のフライバック調整器１０４を図示する。変圧器１０８は、隔離に使用され、事前充電器回路１０６の中へのフィードバック信号は、隔離されてもよく、または隔離されなくてもよい。ＭＯＳＦＥＴ１１０は、前述で議論された事前充電レベルのうちのいずれかまでインダクタＬを事前充電するように、ＰＷＭオンパルスに先立ってオンにされる。
【００８３】
事前充電動作は、図１に関して説明されるものに類似する。
【００８４】
全ての実施形態に関して、インダクタを通る電流を判定するために、感知抵抗器の代わりに、事前充電ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗（Ｒｄｓ）が使用されることができる。
【００８５】
ＩＬのための検出された電流信号が記憶され、オン時間の開始時にＩＬ信号と比較される代わりに、誤差増幅器（例えば、図１の増幅器１８）の誤差電圧Ｖｅ出力が、ＩＬのレベルを判定するために使用されることができる。
【００８６】
前述のように、調整器のオン時間中のピークインダクタ電流は、必要事前充電電流を判定するために使用されることができる。感知抵抗器を使用してピーク電流を直接測定する必要があるのではなく、本ピーク電流は、切替トランジスタがオンである時間から導出されることができる。
【００８７】
電流サンプリングは、長いケーブルの使用による電流のリンギングがある場合、ＰＷＭオンの開始時に非常に低いＰＷＭ調光デューティサイクルについてフィルタ処理される必要があり得る。
【００８８】
非常に低い調光デューティサイクルが、調整器がＬＥＤ負荷を通る所望の標的電流を達成することを可能にしない場合、短いオン時間中に供給される平均電流が、標的ＬＥＤ電流を提供するために十分であるように、事前充電電流は、ピークインダクタ電流レベルまたはそれを上回る等の任意のレベルであるように制御されてもよい。これは、ＬＥＤオン時間が調整器の単一の切替サイクルより短い場合に起こり得る。オン時間が非常に短いため、調整器がオン時間の全体を通して所望の一定ＬＥＤ電流を達成しない場合、たとえ事前充電インダクタ電流がＰＷＭオン時間の終了時のインダクタ電流に合致しても、インダクタは、短いオン時間中のＬＥＤへの平滑化（または平均）電流が標的ＩＬＥＤに合致するように、前のオン時間の終了時に存在したインダクタ電流より高くまたは低く、事前充電時間中に過剰もしくは過少駆動されてもよい。本過剰駆動ループは、図２のステップ５６および５８によって、ならびに図１の事前充電調節回路３９によって制御される。したがって、ＩＬＥＤが低すぎる場合、たとえインダクタが前のオン時間の終了時の同一レベルまで事前充電していても、過剰駆動ループが事前充電時間を増加させ、加えて、標的ＩＬＥＤを達成するようにインダクタ事前充電電流を上昇させる。付加的事前充電電流は、より長時間にわたってインダクタを事前充電することによって達成される。事前充電時間はまた、必要な場合に事前充電電流を減少させるように短縮されることもできる。
【００８９】
任意のタイプのトランジスタ（例えば、双極、ＭＯＳＦＥＴ等）または他の切替デバイスが、種々の回路で使用されてもよい。
【００９０】
上記の技法を使用することによって、オンパルスをＬＥＤに提供するように調整器を制御する（ＰＷＭｏｕｔ）ときに、元のＰＷＭ調光信号（ＰＷＭｉｎ）の遅延がなくなる。これは、複数のデバイスが同一の元のＰＷＭ調光信号によって制御されているときに、同期化問題を回避するために有利であり得る。しかしながら、そのような同期化が問題ではない場合、ＰＷＭｏｕｔ信号は、以下で説明されるようにＰＷＭｉｎ信号から遅延させられてもよい。
【００９１】
図１１は、元のＰＷＭ調光信号（ＰＷＭｉｎ）のオン時間パルスが、事前充電を開始し、調整器１０およびＭＯＳＦＥＴ２９を制御するために使用されるＰＷＭ調光信号（ＰＷＭｏｕｔ）が、インダクタ電流が標的電流まで上昇させられるまで遅延させられる、図１または図５と同一であるが、ＰＷＭ調光器回路と、標的インダクタ電流までインダクタＬを事前充填するためのインダクタ事前充電器回路１２０とを用いて増強された、ブーストＬＥＤ調整器部分１０を図示する。
【００９２】
ＰＷＭｉｎ信号は、その遅延を遅延制御信号によって制御させる、ＰＷＭ調光制御遅延回路１２２に印加される。回路１２２は、調整器１０およびＭＯＳＦＥＴ２９の有効化を制御する、ＰＷＭｏｕｔ信号を出力する。ＰＷＭｉｎ信号は、ＩＣのピンに印加される、外部で生成された信号であってもよい。遅延回路１２２は、遅延時間を制御する１つまたはそれを上回る制御可能遅延要素とともに、遅延ロックループ（ＤＬＬ）を含んでもよい。電圧制御された発振器を使用する位相ロックループ等のアナログタイプを含む、多くの他のタイプの制御可能遅延回路が公知である。遅延回路は、終端電圧が制御される勾配電圧を生成してもよく、終端電圧は、遅延時間の量を設定し、遅延制御信号によって調節される。遅延は、遅延制御信号の規模によって制御されてもよい。
【００９３】
ＰＷＭｉｎとＰＷＭｏｕｔとの間の遅延時間に等しい持続時間を有するパルスは、ＯＲゲート３３の入力に印加される。これは、インダクタＬを通して勾配電流ＩＬを引き込むようにＭＯＳＦＥＴ１９をオンにする。瞬間インダクタ電流は、抵抗器Ｒ２および差動増幅器２１を使用して測定される。増幅器２１は、ＩＬに比例する値を出力する。インダクタ電流を測定する他の方法も、使用されることができる。
【００９４】
測定されたＩＬ値は、前のＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時にサンプルアンドホールド回路３８によって記憶されたインダクタ電流と比較される。ＰＷＭｏｕｔオン時間パルスの後縁は、各ＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時にＩＬ値を保持するようにサンプルアンドホールド回路３８をトリガする。
【００９５】
保持されたＩＬ値および事前充電ＩＬ値は、ループの一部として差動増幅器３４に印加される。ＰＷＭｏｕｔ信号もまた、ＰＷＭｏｕｔオン時間パルスが高くなる時間（ＬＥＤオン時間の開始）に差動増幅器３４に差を測定させるように、差動増幅器３４に印加される。理想的には、２つのＩＬ値は、同一である。差動増幅器３４の出力は、事前充電調節回路３９に印加される。ＩＬ値がＰＷＭｏｕｔオン時間の開始時に合致しない場合、調節回路３９は、ＩＬ値が最終的にＬＥＤオン時間の開始時に合致するように、遅延回路１２２によるＰＷＭｉｎ／ＰＷＭｏｕｔ遅延を上方または下方に調節して遅延時間を増加もしくは減少させる、遅延制御信号を生成する。これは、いくつかのＰＷＭサイクルを要し得るが、事前充電時間および電流の変動は、顕著ではないであろう。一実施例では、増幅器３４によって出力される差信号の規模は、遅延制御信号の規模を制御する。別の実施形態では、調節回路３９は、適切な遅延時間を生成するように反復プロセスを行う。
【００９６】
ＬＥＤオフ時間中に、出力コンデンサＣｏｕｔ電圧および誤差電圧Ｖｅは、図１および５に関して説明されるようにフリーズされる。
【００９７】
ＬＥＤオン時間の終了時のＬＥＤ負荷電流ＩＬＥＤが標的ＩＬＥＤであることを確実にするために、サンプルアンドホールド回路４０および差動増幅器４２は、図１に関して説明されるものと同様に使用される。これは、調整器が、短いＰＷＭｏｕｔオン時間中に標的ＩＬＥＤ電流を達成できない場合がある、極めて小さいＰＷＭデューティサイクルのために重要である。例えば、オン時間は、調整器の単一の切替サイクルより短くあり得る。ＰＷＭｏｕｔ信号は、ＰＷＭｏｕｔオン時間の終了時に検出されたＩＬＥＤを保持するように、サンプルアンドホールド回路４０をトリガする。次いで、この保持されたＩＬＥＤ値は、差動増幅器４２によって、（誤差増幅器１８に印加されるＶｒｅｆによって規定される）標的ＩＬＥＤ値と比較される。差動増幅器４２の出力は、調節回路３９に印加される。値が合致する場合、ＩＬＥＤ値を合致させるために遅延調節は必要とされない。ＩＬＥＤ値が合致しない場合、調節回路３９は、ＩＬＥＤ値が合致するまでＰＷＭｉｎおよびＰＷＭｏｕｔ信号の間の遅延を調節するように、遅延制御信号を生成する。これは、事前充電時間中にインダクタを過剰駆動または過少駆動し、前のオン時間の終了時の記憶された瞬間インダクタ電流ＩＬに合致しない事前充電電流をもたらし得る。ＩＬＥＤ値を合致させることは、ＩＬ値を合致させることに優先する。
【００９８】
サンプルアンドホールド回路４０を使用する代わりに、ＰＷＭｏｕｔ信号の後縁は、オン時間の終了時にＶｒｅｆと測定されたＩＬＥＤ値との間の差のスナップショットを撮るように、差動増幅器４２をトリガしてもよい。
【００９９】
図１に関して説明されるように、別個の事前充電ＭＯＳＦＥＴが、調整器のＭＯＳＦＥＴ１９と並列に接続され、インダクタの事前充電のためのみに使用されてもよい。
【０１００】
図１１の事前充電システム１２０／１２２は、上記で説明されるもの等の任意のタイプの調整器とともに使用されてもよい。
【０１０１】
図１２は、図１１の実施形態を使用して事前充電ルーチンを実行するときの種々の波形を図示する。
【０１０２】
図１２の波形Ａは、図１１のＩＣに印加される、外部で生成されたＰＷＭ調光信号ＰＷＭｉｎを示す。
【０１０３】
波形Ｂは、調整器およびＭＯＳＦＥＴ２９を制御するために使用される、遅延ＰＷＭｏｕｔ信号を図示する。ＰＷＭｏｕｔ信号は、ＩＣの内部の回路を制御するために適切に調整（例えば、レベル偏移）される。遅延時間Ｔｄは、可変であり、インダクタ事前充電電流を直接制御する。
【０１０４】
波形Ｃは、出力コンデンサＣｏｕｔ電圧Ｖｏｕｔを図示する。電圧がオン／オフサイクル全体を通して実質的に一定である程度に留意されたい。
【０１０５】
波形Ｄは、ＰＷＭｉｎおよびＰＷＭｏｕｔ信号の前縁の間の遅延時間Ｔｄと直接一致する、ＭＯＳＦＥＴ１９のためのゲート制御信号を図示する。
【０１０６】
波形Ｅは、（ＰＷＭｏｕｔオン時間パルスの前の）インダクタを通る事前充電電流を図示し、オン時間中のインダクタを通る調整された電流を図示する。実施例では、インダクタ電流は、事前充電時間に先立ってゼロまで減衰し、次いで、インダクタＬのピーク定常状態電流まで上昇する。別の実施形態では、標的事前充電電流レベルは、平均定常状態インダクタ電流、バレー定常状態インダクタ電流、または定常状態電流のある割合であった可能性がある。
【０１０７】
波形Ｆは、ＬＥＤ負荷１４に印加された、結果として生じる平滑化電流パルスを図示する。電流パルスは、実質的に一定であり、調光デューティサイクルにかかわらず同一のレベルである。オン時間の終了時のＩＬＥＤ値が（Ｖｒｅｆによって規定される）標的ＩＬＥＤ値に等しくなかった場合、遅延時間（すなわち、事前充電時間）は、値を合致させるように調節される。
【０１０８】
全ての実施形態では、オン時間パルスは、使用される構成要素（例えば、ＰＭＯＳトランジスタ対ＮＭＯＳトランジスタ等）に応じて、論理高または論理低信号であってもよい。そのような場合において、立ち上がりであろうと立ち下がりであろうと、オンパルスの「前縁」は、ＬＥＤをオンにするようにトリガする。
【０１０９】
本発明の特定の実施形態が示され、説明されているが、そのより広い側面において本発明から逸脱することなく、変更および修正が行われ得、したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神および範囲内に入るような全ての変更および修正をそれらの範囲内に包含するものであることが、当業者に明白となるであろう。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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