説明

高効率で低電力のコンデンサ充電直流ドライバ

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。

【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

【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。

【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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【公表番号】特表2013−508914(P2013−508914A)
【公表日】平成25年3月7日(2013.3.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−535202(P2012−535202)
【出願日】平成22年8月10日(2010.8.10)
【国際出願番号】PCT/US2010/045017
【国際公開番号】WO2011/049662
【国際公開日】平成23年4月28日(2011.4.28)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Fターム(参考)】