JP6343865B2

JP6343865B2 - 発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明装置

Info

Publication number: JP6343865B2
Application number: JP2012225952A
Authority: JP
Inventors: 春男永瀬
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: JP2014078421A

Description

本発明は、発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明装置に関するものである。

従来から、定電流制御されるブーストコンバータの出力端間に互いに並列に接続された発光ダイオードアレイを有する発光ダイオード点灯装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

各発光ダイオードアレイは、それぞれスイッチを介してブーストコンバータに接続されており、上記スイッチの接点状態に応じていずれか１個の発光ダイオードアレイのみが点灯される。すなわち、スイッチの切替により、点灯される発光ダイオードアレイが切り替えられる。

このように点灯される発光ダイオードアレイを切り替えることで、光の照射範囲や照射方向や光色などを瞬間的に変更することができる。

特開２００７−２２０８５５号公報

ここで、ブーストコンバータの出力の変化には一定の時間を要するので、上記のスイッチが、第１の発光ダイオードアレイから、第１の発光ダイオードアレイよりも順方向電圧が低い第２の発光ダイオードアレイに切り替えられる場合、切替直後に第２の発光ダイオードアレイに一時的に高い電気的ストレスがかかる可能性がある。

従来は、各発光ダイオードアレイにそれぞれ直列に定電流回路を接続することで、各発光ダイオードアレイにかかる電気的ストレスを抑えていた。

しかしながら、上記のように各発光ダイオードアレイにそれぞれ直列に定電流回路を接続すると、回路構成が比較的に複雑になってしまう。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、電気的ストレスを抑えながらも回路構成の簡略化が可能な発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明装置を提供することにある。

本発明の発光ダイオード点灯装置は、発光ダイオードアレイを点灯させる発光ダイオード点灯装置であって、それぞれ異なる前記発光ダイオードアレイに直列に接続される複数個のスイッチと、前記発光ダイオードアレイと前記スイッチとの直列回路が出力端間に互いに並列に接続され出力電流の電流値を所定の目標電流値とするようにフィードバック動作する電源回路と、各前記スイッチをオンオフ制御するスイッチ制御回路とを備え、前記スイッチ制御回路は、前記スイッチのうちのいずれか１個である第１スイッチのみがオンされた状態から、前記第１スイッチが直列に接続された前記発光ダイオードアレイよりも順方向電圧が低い別の前記発光ダイオードアレイに直列に接続された前記スイッチである第２スイッチのみがオンされた状態に移行させる際にのみ、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの両方がオンされた状態を経由させ、前記第２スイッチのみがオンされた状態から、前記第１スイッチのみがオンされた状態に移行させる際に、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの両方がオフされた状態を経由させることを特徴とする。

上記の発光ダイオード点灯装置において、前記電源回路は、前記第１スイッチのみがオンされた状態と、前記第２スイッチのみがオンされた状態とで、前記目標電流値を互いに異ならせることが望ましい。

また、上記の発光ダイオード点灯装置において、前記第１スイッチと前記発光ダイオードアレイとの直列回路と前記電源回路の高電圧側の出力端との間に介装された第１補助光源と、前記第２スイッチと前記発光ダイオードアレイとの直列回路と前記電源回路の高電圧側の出力端との間に介装された第２補助光源と、前記第１補助光源の一端であって前記直列回路側の一端と前記第２補助光源の一端であって前記直列回路側の一端との間に介装されたダイオードとを備えることが望ましい。

本発明の照明装置は、発光ダイオード点灯装置と、それぞれ前記スイッチのうちの１個ずつに直列に接続された複数個の前記発光ダイオードアレイとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、切替時には第１スイッチと第２スイッチとの両方がオンされ２個の発光ダイオードアレイに電流が分散することで電気的ストレスが抑えられる。また、各発光ダイオードアレイにそれぞれ直列に定電流回路や限流抵抗が接続される場合に比べ、回路構成の簡略化が可能である。

本発明の実施形態を示す回路ブロック図である。同上の要部を示す回路ブロック図である。同上の駆動回路を示す回路ブロック図である。同上のスイッチ制御回路を示す回路ブロック図である。同上の動作を示す説明図である。同上の効果を示す説明図である。同上の変更例における遅延回路を示す回路図である。同上の別の変更例における駆動回路を示す回路ブロック図である。同上の更に別の変更例を示す回路ブロック図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態は、図１に示すように、出力電流の電流値を所定の目標電流値とするようにフィードバック動作する電源回路１と、電源回路１の出力端間に互いに並列に接続された２個の光源回路２１，２２とを備える。

電源回路１は、直流電源Ｅ（例えばバッテリー）から入力された直流電圧を昇圧して出力する、周知のいわゆるブーストコンバータである。上記の直流電源Ｅの陰極はグランドに接続されている。具体的には、図２に示すように、電源回路１は、一端が直流電源Ｅの陽極に接続されたインダクタＬ０と、このインダクタＬ０の他端にアノードが接続されたダイオードＤ０と、このダイオードＤ０のカソードとグランドとの間に接続されたコンデンサＣ０とを備える。また、インダクタＬ０とダイオードＤ０のアノードとの接続点はスイッチング素子Ｑ０を介してグランドに接続されている。電源回路１の低電圧側の出力端は電流検出用の抵抗（以下、「検出抵抗」と呼ぶ。）Ｒ０を介してグランドに接続され、電源回路１の高電圧側の出力端はコンデンサＣ０とダイオードＤ０のカソードとの接続点に接続されている。すなわち、コンデンサＣ０の両端電圧がほぼ電源回路１の出力電圧Ｖ０となる。また、コンデンサＣ０の両端間には、電源回路１の出力電圧Ｖ０を分圧した検出電圧Ｖｄを生成する分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２が接続されている。

さらに、電源回路１は、スイッチング素子Ｑ０をオンオフ制御する駆動回路１０を備える。駆動回路１０は、検出抵抗Ｒ０の両端電圧を所定の目標値とするように（つまり、電源回路１の出力電流を所定の目標値とするように）フィードバック動作する。

具体的に説明すると、図３に示すように、駆動回路１０は、非反転入力端子に所定の第１基準電圧Ｖｒ１が分圧された電圧が入力されて反転入力端子に検出抵抗Ｒ０の両端電圧（以下、「電流検出電圧」と呼ぶ。）Ｖｉが入力されたオペアンプＯＰを備える。このオペアンプＯＰは、反転入力端子が抵抗を介して出力端子に接続されるいわゆる負帰還により、差動増幅回路を構成している。

また、駆動回路１０は、反転入力端子に所定の第２基準電圧Ｖｒ２が入力されて非反転入力端子に検出電圧Ｖｄが入力された第１コンパレータＣＰ１を備える。

オペアンプＯＰの出力端子と、第１コンパレータＣＰ１の出力端子とは、それぞれダイオードを介して第２コンパレータＣＰ２の非反転入力端子に接続されている。第２コンパレータＣＰ２の反転入力端子には、鋸波発生部１０１で生成された鋸波が入力されている。すなわち、第２コンパレータＣＰ２の非反転入力端子への入力電圧が、上記の鋸波のピーク値以下の電圧であれば、第２コンパレータＣＰ２の出力は、上記の入力電圧に比例したオンデューティの矩形波となる。

さらに、駆動回路１０は、第２コンパレータＣＰ２の出力がＨレベルであるときにスイッチング素子Ｑ０をオンさせ、第２コンパレータＣＰ２の出力がＬレベルであるときにスイッチング素子Ｑ０をオフさせる駆動部１０２を備える。

すなわち、第１コンパレータＣＰ１の出力がＬレベルである期間には、第２コンパレータＣＰ２への入力電圧は、オペアンプＯＰの出力電圧となる。従って、電流検出電圧Ｖｉが第１基準電圧Ｖｒ１に対して低いほど、スイッチング素子Ｑ０のオンデューティが高くなることで、電源回路１の出力電圧Ｖ０が高くなる。これにより、電源回路１の出力電流の電流値を、第１基準電圧Ｖｒ１に対応した所定の目標電流値とするようなフィードバック動作が達成される。

また、検出電圧Ｖｄが第２基準電圧Ｖｒ２を上回って第１コンパレータＣＰ１の出力がＨレベルとなった場合、スイッチング素子Ｑ０がオン状態に固定される。すなわち、電源回路１の出力電圧Ｖ０が、第２基準電圧Ｖｒ２を分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の分圧比で除した所定電圧を上回ると、電源回路１による昇圧動作が停止され、これにより電源回路１の出力電圧Ｖ０が過剰に高くなることが避けられる。

次に、光源回路２１，２２について説明する。各光源回路２１，２２は、それぞれ、発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２と、スイッチＱ１，Ｑ２との直列回路からなる。スイッチＱ１，Ｑ２としては例えば電界効果トランジスタのような半導体スイッチを用いることができる。各発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２はそれぞれ複数個の発光ダイオードが互いに直列に接続されたものである。発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２の順方向電圧（アレイ全体としての順方向電圧）は光源回路２１，２２間で互いに異なる。以下、発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２のうち、順方向電圧がより高いものを第１発光ダイオードアレイＬＤ１と呼び、順方向電圧がより低いものを第２発光ダイオードアレイＬＤ２と呼ぶ。また、光源回路２１，２２のうち、上記の第１発光ダイオードアレイＬＤ１を含むものを第１光源回路２１と呼び、上記の第２発光ダイオードアレイＬＤ２を含むものを第２光源回路２２と呼ぶ。さらに、第１光源回路２１のスイッチＱ１を第１スイッチＱ１と呼び、第２光源回路２２のスイッチＱ２を第２スイッチＱ２と呼ぶ。

さらに、本実施形態は、入力された矩形波状の駆動信号Ｓ１，Ｓ２に従って各光源回路２１，２２のスイッチをオンオフ制御するスイッチ制御回路３を備える。駆動信号Ｓ１，Ｓ２は光源回路２１，２２毎（つまりスイッチＱ１，Ｑ２毎）に入力される。また、各駆動信号Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ例えば互いに共通の切替スイッチ（図示せず）を通じて出力されるものであり、複数個の駆動信号Ｓ１，Ｓ２が同時にＨレベルとなることはない。

スイッチ制御回路３は、図４に示すように、第１スイッチＱ１を駆動する第１駆動部３１と、第２スイッチＱ２を駆動する第２駆動部３２とを備える。各駆動部３１，３２は、それぞれ、Ｈレベルの電圧が入力されている期間中はスイッチＱ１，Ｑ２をオン状態に維持し、Ｌレベルの電圧が入力されている期間中はスイッチＱ１，Ｑ２をオフ状態に維持するものである。

ここで、第２駆動部３２には駆動信号Ｓ２が直接入力されるのに対し、第１駆動部３１には駆動信号Ｓ１が遅延回路３０を介して入力される。上記の遅延回路３０は、駆動信号Ｓ１の論理否定を出力する第１インバータＩＶ１と、第１インバータＩＶ１の出力が抵抗Ｒ３を介して入力される第２インバータＩＶ２と、上記の抵抗Ｒ３１と第２インバータＩＶ２との接続点とグランドとの間に接続されたコンデンサＣ３とを備える。上記の各インバータＩＶ１，ＩＶ２は、ＮＯＴゲートとも呼ばれるものである。

図５に、第２スイッチＱ２に対する駆動信号Ｓ２と、第１スイッチＱ１に対する駆動信号Ｓ１と、第２スイッチＱ２のオンオフ状態と、第１スイッチＱ１のオンオフ状態との、それぞれの時間変化を示す。また、図５には、遅延回路３０における、第１インバータＩＶ１の出力電圧Ｖａと、コンデンサＣ３の両端電圧Ｖｂと、第２インバータＩＶ２の出力電圧Ｖｃとの、それぞれの時間変化も示されている。ここで、各インバータＩＶ１，ＩＶ２は、それぞれ、出力がＨレベルであるときに入力電圧が所定のオフ電圧Ｖｏｆｆを上回ると出力をＬレベルとし、出力がＬレベルであるときに入力電圧が所定のオン電圧Ｖｏｎを下回ると出力をＨレベルとするものである。上記のオン電圧Ｖｏｎとオフ電圧Ｖｏｆｆとは、それぞれ、Ｌレベルとされる電圧よりも高く、且つ、Ｈレベルとされる電圧よりも低い電圧である。また、オフ電圧Ｖｏｆｆはオン電圧Ｖｏｎよりも高い。

スイッチＱ１，Ｑ２のうち第１スイッチＱ１のみがオンされた状態（以下、「第１オン状態」と呼ぶ。）で安定すると、電源回路１の出力電圧Ｖ０は、第１発光ダイオードアレイＬＤ１の順方向電圧よりも僅かに高い電圧となる。また、スイッチＱ１，Ｑ２のうち第２スイッチＱ２のみがオンされた状態（以下、「第２オン状態」と呼ぶ。）で安定すると、電源回路１の出力電圧Ｖ０は、第２発光ダイオードアレイＬＤ２の順方向電圧よりも僅かに高い電圧となる。

また、図５に示すように、第２スイッチＱ２は駆動信号Ｓ２の変化と略同時に切り替わるのに対し、第１スイッチＱ１は駆動信号Ｓ１の変化のタイミングに対し切り替わりのタイミングが上記の遅延回路３０の時定数の分だけ遅れる。これにより、図６に示すように、第１オン状態から第２オン状態に移行する際には、第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との両方がオンされる期間（以下、「両オン期間」と呼ぶ。）Ｔｏｎが発生する。両オン期間Ｔｏｎの長さは例えば数百μｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃである。

上記構成によれば、第１オン状態から第２オン状態の移行時に両オン期間Ｔｏｎを経由し、この両オン期間Ｔｏｎ中には２個の発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２に電流が分散することで、第２発光ダイオードアレイＬＤ２にかかる電気的ストレスが抑えられる。

例えば、電源回路１の出力電圧Ｖ０と、第２発光ダイオードアレイＬＤ２に流れる電流Ｉ２との時間変化は、上記のような両オン期間Ｔｏｎを設けない場合には図６の破線のようになるのに対し、両オン期間Ｔｏｎを設けた場合には図６の実線のようになる。すなわち、両オン期間Ｔｏｎを設けた場合、第１オン状態から第２オン状態への移行時に、第２発光ダイオードアレイＬＤ２における電流Ｉ２のピークが低くなる。

また、各発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２にそれぞれ直列に定電流回路が接続される場合に比べ、回路構成の簡略化が可能となる。さらに、各発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２にそれぞれ直列に定電流回路や限流抵抗が接続される場合に比べ、消費電力が抑えられる。

本実施形態の発光ダイオード点灯装置は、例えば自動車の前照灯のような照明装置に用いることができる。本実施形態を自動車の前照灯に用いる場合、例えば、第１発光ダイオードアレイＬＤ１をハイビーム用の光源とし、第２発光ダイオードアレイＬＤ２をロービーム用の光源とすることができる。

なお、上記とは逆に、第２オン状態から第１オン状態に移行する際には、両方のスイッチＱ１，Ｑ２がオフされる期間（以下、「両オフ期間」と呼ぶ。）Ｔｏｆｆが発生する。このような両オフ期間Ｔｏｆｆを短縮するためには、例えば図７に示すような遅延回路３０を採用すればよい。図７の遅延回路３０では、ダイオードＤ３１，Ｄ３２と抵抗Ｒ３１，Ｒ３２との直列回路を２個互いに並列に接続するとともにダイオードＤ３１，Ｄ３２を互いに逆向きとすることで、コンデンサＣ３の充電専用の経路と放電専用の経路とを分けている。このような遅延回路３０の放電専用の経路において抵抗Ｒ３２の抵抗値を小さく又は抵抗Ｒ３２自体を省略すれば、上記のような両オフ期間Ｔｏｆｆを短縮することができる。

さらに、第１オン状態と第２オン状態とで、電源回路１のフィードバック動作における目標電流値が切り替わるようにしてもよい。具体的には例えば図８に示すように、第１基準電圧Ｖｒ１を分圧する分圧抵抗Ｒ２１，Ｒ２２のうち低電圧側の分圧抵抗Ｒ２２に代えて２個の分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３の直列回路を用い、これら２個の分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３の接続点を、駆動信号Ｓ２の論理否定によりオンされるスイッチング素子Ｑａを介してグランドに接続する。すなわち、駆動信号Ｓ２がＬレベルである期間中（つまり第２光源回路２２でスイッチＳ２がオフされる期間中）には上記のスイッチング素子Ｑａがオンされることで、駆動信号Ｓ２がＨレベルである期間よりも目標電流値が低下される。この構成を採用すれば、入力すべき電流が光源回路２１，２２間（発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２間）で異なる場合にも対応可能である。

また、図９に示すように、電源回路１の高電圧側の出力端と第１光源回路２１との間に第１補助光源４１を介装し、電源回路１の高電圧側の出力端と第２光源回路２２との間に第２補助光源４２を介装するとともに、第１補助光源４１と第１光源回路２１との接続点と、第２補助光源４２と第２光源回路２２との接続点との間を、ダイオードＤ４を介して接続してもよい。各補助光源４１，４２はそれぞれ発光ダイオードアレイからなる。また、上記のダイオードＤ４は、アノードを第２補助光源４２側に向けている。すなわち、第１オン期間中には両方の補助光源４１，４２と第１発光ダイオードアレイＬＤ１とが点灯し、第２オン期間中には第２補助光源４２と第２発光ダイオードアレイＬＤ２とが点灯する。上記のように２個の補助光源４１，４２の同時点灯が可能なように、第２補助光源４２とダイオードＤ４との直列回路と第１補助光源４１との順電圧−順電流特性は十分に揃えられている。上記の第２補助光源４２はいずれのスイッチＱ１，Ｑ２がオンであるときにも点灯するので、例えば自動車の前照灯に本発明を適用する場合には第２補助光源４２の光は路肩など常時の照明が望ましい範囲に向けられる。さらに、各発光ダイオードアレイＬＤ１，ＬＤ２と各補助光源４１，４２とで光束や光色を適宜異ならせてもよい。

さらに、光源回路２１，２２は３個以上であってもよい。この場合、例えば、駆動信号がＬレベルに切り替わってからスイッチがオフ駆動されるまでの時間が、発光ダイオードアレイの順方向電圧が高い光源回路ほど長くなるように、スイッチ制御回路３において光源回路毎に適宜の遅延回路を設ける。なお、上記の第２光源回路２２のように、複数個の光源回路の中で発光ダイオードアレイの順方向電圧が最も低い光源回路については、遅延回路を省略することができる。

また、電源回路１は上記のようなブーストコンバータに限られず、出力電流を一定に維持するフィードバック動作が可能であればよい。

１電源回路
３スイッチ制御回路
４１第１補助光源
４２第２補助光源
Ｄ４ダイオード
ＬＤ１，ＬＤ２発光ダイオードアレイ
Ｑ１第１スイッチ
Ｑ２第２スイッチ

Claims

発光ダイオードアレイを点灯させる発光ダイオード点灯装置であって、
それぞれ異なる前記発光ダイオードアレイに直列に接続される複数個のスイッチと、
前記発光ダイオードアレイと前記スイッチとの直列回路が出力端間に互いに並列に接続され出力電流の電流値を所定の目標電流値とするようにフィードバック動作する電源回路と、
各前記スイッチをオンオフ制御するスイッチ制御回路とを備え、
前記スイッチ制御回路は、
前記スイッチのうちのいずれか１個である第１スイッチのみがオンされた状態から、前記第１スイッチが直列に接続された前記発光ダイオードアレイよりも順方向電圧が低い別の前記発光ダイオードアレイに直列に接続された前記スイッチである第２スイッチのみがオンされた状態に移行させる際にのみ、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの両方がオンされた状態を経由させ、
前記第２スイッチのみがオンされた状態から、前記第１スイッチのみがオンされた状態に移行させる際に、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの両方がオフされた状態を経由させる
ことを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
前記電源回路は、前記第１スイッチのみがオンされた状態と、前記第２スイッチのみがオンされた状態とで、前記目標電流値を互いに異ならせることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
前記第１スイッチと前記発光ダイオードアレイとの直列回路と前記電源回路の高電圧側の出力端との間に介装された第１補助光源と、前記第２スイッチと前記発光ダイオードアレイとの直列回路と前記電源回路の高電圧側の出力端との間に介装された第２補助光源と、前記第１補助光源の一端であって前記直列回路側の一端と前記第２補助光源の一端であって前記直列回路側の一端との間に介装されたダイオードとを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発光ダイオード点灯装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオード点灯装置と、それぞれ前記スイッチのうちの１個ずつに直列に接続された複数個の前記発光ダイオードアレイとを備えることを特徴とする照明装置。