JP2019057427A - Dimming circuit for led power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はＬＥＤ電源、特にＬＥＤランプの調光制御における安定性向上技術に関する。 The present invention relates to a technology for improving stability in LED power supply, in particular, dimming control of an LED lamp.
近年、従来のＨＩＤランプに代わってＬＥＤランプが利用させるようになってきている。一昔前まではＬＥＤランプへの安定した電源供給が問題となっていたが、昨今の半導体技術の発達に伴いＬＥＤ電源装置（スイッチング電源装置）を利用することで電源の安定供給が実現出来るようになった。さらに、ＬＥＤランプを利用することでＨＩＤランプでは困難であった調光制御が比較的容易に実現できるという利点もあり、各種分野において急速な普及が進んでいる。 In recent years, LED lamps have been used in place of conventional HID lamps. A long time ago, stable power supply to LED lamps was a problem, but with the recent development of semiconductor technology, LED power supply devices (switching power supply devices) can be used to achieve stable power supply. became. Furthermore, there is an advantage that dimming control, which was difficult with an HID lamp, can be realized relatively easily by using an LED lamp, and is rapidly spreading in various fields.
一般的に調光制御はスイッチング素子を利用してＬＥＤランプへの供給電力を調整することで実現できるが、スイッチング素子の能力や発熱等の影響により、どうしても調光下限付近では安定した制御が困難となる。そこで特許文献１には、商用交流電源を昇圧して直流電力とする昇圧チョッパ回路と、該昇圧チョッパ回路からの直流電力を降圧してＬＥＤランプに電力供給する降圧チョッパ回路と、制御部と、を備え、制御部により所定の調光下限となる基準電圧ＶＦ１を補正値ＶＦｏで補正して基準電圧ＶＦを生成し、この基準電圧ＶＦを用いてＬＥＤ照明灯を調光制御することで、調光下限まで安定して制御することが出来る電源装置の技術が開示されている。 In general, dimming control can be realized by adjusting the power supplied to the LED lamp using a switching element. However, stable control is almost impossible near the dimming lower limit due to the effect of the switching element and heat generation. It becomes. Therefore, Patent Document 1 includes a step-up chopper circuit that boosts a commercial AC power source to obtain DC power, a step-down chopper circuit that steps down DC power from the step-up chopper circuit and supplies power to the LED lamp, a control unit, The control unit generates a reference voltage VF by correcting the reference voltage VF1 that is a predetermined lower limit of dimming with the correction value VFo, and performs dimming control of the LED illumination lamp using the reference voltage VF. A technology of a power supply device that can be stably controlled to the lower limit of light is disclosed.
ところで、降圧チョッパ回路からの出力電圧の調整は、ＰＷＭ制御（パルスオン幅変調制御）で行うのが一般的である。そして、ＰＷＭ制御には汎用の制御ＩＣが用いられることが多い。つまり、この制御ＩＣから出力される駆動信号のパルスオン幅の最小値によってＬＥＤランプの調光下限は決定してしまう。例えば、使用する制御ＩＣによって規定されるパルスオン幅の最小値が５００ｎｓである場合、制御ＩＣのバラつき等によって調光下限での動作が不安定となる。 Incidentally, adjustment of the output voltage from the step-down chopper circuit is generally performed by PWM control (pulse-on width modulation control). A general-purpose control IC is often used for PWM control. That is, the light control lower limit of the LED lamp is determined by the minimum value of the pulse-on width of the drive signal output from the control IC. For example, when the minimum value of the pulse-on width defined by the control IC to be used is 500 ns, the operation at the light control lower limit becomes unstable due to variations in the control IC.
このような調光下限での動作不安定を回避するために、スイッチング素子を駆動するパルスオン幅を一定にして、駆動信号のパルス周期を長くする方式（ＰＦＭ制御と呼ぶ）を採用することも出来る。すなわち、全光と深調光（調光率を下限付近まで絞った状態）との間に調光制御方式をＰＷＭ制御からＰＦＭ制御に切り替えるポイントを設けることで、深調光時の動作不安定を回避でき、ＬＥＤランプの調光下限を引き下げることが可能となる。 In order to avoid such unstable operation at the dimming lower limit, it is possible to adopt a method (referred to as PFM control) in which the pulse-on width for driving the switching element is made constant and the pulse period of the drive signal is lengthened. . In other words, by providing a point for switching the dimming control method from PWM control to PFM control between all light and deep dimming (state in which the dimming rate is reduced to near the lower limit), unstable operation during deep dimming Can be avoided, and the dimming lower limit of the LED lamp can be lowered.
しかしながら、ＰＦＭ制御でスイッチング素子（例えばＦＥＴ等）に与えられる駆動信号の周期を長くしていくと、駆動信号のパルスオン時にスイッチング素子にチャージされた磁場エネルギーがなくなり、浮遊容量等による自由振動が発生し、実際にはドレイン電圧ＶＤＳ（ＦＥＴのドレイン、ソース間の電圧）が大きく変動してしまう。つまり、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とを切り替える制御を行うことで、ＰＷＭ制御のみでＬＥＤランプの調光制御を行うよりも調光下限において安定した制御が可能となるが、実際には上述した自由振動の影響により調光制御のリニアリティー（直線性）が確保出来ない可能性があり、まだまだ改良の余地がある。 However, if the period of the drive signal given to the switching element (for example, FET) is increased by PFM control, the magnetic field energy charged in the switching element disappears when the drive signal pulse is turned on, and free vibration due to stray capacitance occurs. In practice, however, the drain voltage V DS (the voltage between the drain and source of the FET) varies greatly. In other words, by performing control to switch between PWM control and PFM control, stable control can be performed at the lower dimming limit than when dimming control of the LED lamp is performed only by PWM control. There is a possibility that the linearity (linearity) of dimming control cannot be secured due to the influence of the above, and there is still room for improvement.
本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであって、その目的はＬＥＤランプの調光制御において深調光時の動作不安定を回避するとともにリニアリティーを確保して安定した調光制御が実現できるスイッチング電源、およびスイッチング電源に利用できる調光回路を提供することである。 The present invention has been made in view of the above prior art, and its purpose is to avoid unstable operation at the time of deep dimming in dimming control of LED lamps, and to ensure linearity and realize stable dimming control. A switching power supply that can be used, and a dimming circuit that can be used for the switching power supply.
上記課題を解決するために、本発明にかかる調光回路は、
照明負荷へ電力供給するスイッチング電源装置を安定制御させる調光回路であって、
当該調光回路は、外部からの調光信号を矩形波として出力するＭＣＵと、該ＭＣＵから出力された矩形波を直流のリファレンス電圧に整流するＬＣ整流回路と、前記スイッチング電源装置が備えるスイッチング素子のオンオフ動作を制御する降圧制御回路と、を含み、
前記ＬＣ整流回路は、該ＬＣ整流回路の入力インピーダンスを高くするインピーダンス変換回路を備え、
前記降圧制御回路は、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御に切り替えて前記スイッチング素子を制御し、
前記リファレンス電圧は、正弦波リップルを含有する直流電圧であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a dimming circuit according to the present invention includes:
A dimming circuit that stably controls a switching power supply that supplies power to a lighting load,
The dimming circuit includes an MCU that outputs a dimming signal from the outside as a rectangular wave, an LC rectifier circuit that rectifies the rectangular wave output from the MCU into a DC reference voltage, and a switching element included in the switching power supply device A step-down control circuit that controls the on / off operation of the
The LC rectifier circuit includes an impedance conversion circuit that increases the input impedance of the LC rectifier circuit,
The step-down control circuit switches to PWM control or PFM control to control the switching element,
The reference voltage is a DC voltage containing a sine wave ripple.
また、本発明にかかる調光回路は、
前記スイッチング電源装置は、照明負荷への電力を検出してフィードバック制御を行うことで電力供給することを特徴とする。
In addition, the light control circuit according to the present invention includes:
The switching power supply device supplies power by detecting power to a lighting load and performing feedback control.
また、本発明にかかる調光回路は、
前記正弦波リップルの基本周波数は、８ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
In addition, the light control circuit according to the present invention includes:
The fundamental frequency of the sine wave ripple is 8 kHz or more.
また、本発明にかかる調光回路は、
前記ＬＣ整流回路は、遮断周波数が正弦波リップルの基本周波数以下であり、
前記リファレンス電圧は、前記ＬＣ整流回路を利用して８ｋＨｚ以上の矩形波から生成されることを特徴とする。
In addition, the light control circuit according to the present invention includes:
The LC rectifier circuit has a cutoff frequency equal to or lower than a fundamental frequency of a sine wave ripple,
The reference voltage is generated from a rectangular wave of 8 kHz or more using the LC rectifier circuit.
また、本発明にかかる調光回路は、
前記降圧制御回路は、スイッチング電源装置が備えるスイッチング素子を制御するためのスイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間にＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えることを特徴とする。
In addition, the light control circuit according to the present invention includes:
The step-down control circuit switches from PWM control to PFM control when a switching frequency for controlling a switching element included in the switching power supply device is between 70 kHz and 200 kHz.
そして、本発明にかかるＬＥＤ電源装置は、
外部電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、該整流回路からの直流電力をオンオフ動作によって調整する降圧回路と、該降圧回路にスイッチング動作指令を送る調光回路と、を備え、前記降圧回路が有する出力コンデンサを介してＬＥＤランプへ直流電力を供給するＬＥＤ電源装置であって、
前記調光回路は、外部からの調光信号を矩形波として出力するＭＣＵと、該ＭＣＵから出力された矩形波を直流のリファレンス電圧に整流するＬＣ整流回路と、前記ＬＥＤ電源装置が備えるスイッチング素子のオンオフ動作を制御する降圧制御回路と、を含み、
前記ＬＣ整流回路は、該ＬＣ整流回路の入力インピーダンスを高くするインピーダンス変換回路を備え、
前記降圧回路は、前記ＬＥＤランプへの電力を検出する検出抵抗器を備え、該検出抵抗器によって検出された電力に基づく検出電圧は前記降圧制御回路へフィードバック信号として送られ、
前記降圧制御回路は、前記リファレンス電圧と前記フィードバック信号とを比較してＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御によって降圧回路を制御し、
前記リファレンス電圧は正弦波リップルを含有する直流電圧であることを特徴とする。
And the LED power supply device concerning this invention is
A rectifier circuit that converts AC power from an external power source into DC power; a step-down circuit that adjusts DC power from the rectifier circuit by an on / off operation; and a dimming circuit that sends a switching operation command to the step-down circuit. An LED power supply device that supplies DC power to an LED lamp through an output capacitor of the step-down circuit,
The dimming circuit includes an MCU that outputs a dimming signal from the outside as a rectangular wave, an LC rectifier circuit that rectifies the rectangular wave output from the MCU into a DC reference voltage, and a switching element included in the LED power supply device A step-down control circuit that controls the on / off operation of the
The LC rectifier circuit includes an impedance conversion circuit that increases the input impedance of the LC rectifier circuit,
The step-down circuit includes a detection resistor that detects power to the LED lamp, and a detection voltage based on the power detected by the detection resistor is sent to the step-down control circuit as a feedback signal,
The step-down control circuit compares the reference voltage and the feedback signal to control the step-down circuit by PWM control or PFM control,
The reference voltage is a DC voltage containing a sine wave ripple.
また、本発明にかかるＬＥＤ電源装置は、
前記正弦波リップルの基本周波数は、８ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
The LED power supply device according to the present invention is
The fundamental frequency of the sine wave ripple is 8 kHz or more.
また、本発明にかかるＬＥＤ電源装置は、
前記調光回路は、遮断周波数が正弦波リップルの基本周波数以下のＬＣ整流回路を含み、
前記リファレンス電圧は、前記ＬＣ整流回路を利用して８ｋＨｚ以上の矩形波から生成されることを特徴とする。
The LED power supply device according to the present invention is
The dimming circuit includes an LC rectifier circuit having a cutoff frequency equal to or lower than a fundamental frequency of a sine wave ripple,
The reference voltage is generated from a rectangular wave of 8 kHz or more using the LC rectifier circuit.
また、本発明にかかるＬＥＤ電源装置は、
前記調光回路は、前記スイッチング素子を制御するためのスイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間にＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えることを特徴とする。
The LED power supply device according to the present invention is
The dimming circuit switches from PWM control to PFM control when a switching frequency for controlling the switching element is between 70 kHz and 200 kHz.
本発明によれば、スイッチング電源を安定制御させる調光回路にインピーダンス変換回路を有するＬＣ整流回路を備え、該ＬＣ整流回路によって正弦波リップルが含有された直流電圧を生成する。そして、その正弦波リップルが含有された直流電圧をリファレンス電圧として利用することで、深調光時においてもリニアリティーが改善された良好な調光制御が実現できる効果を奏する。 According to the present invention, an LC rectifier circuit having an impedance conversion circuit is provided in a dimming circuit that stably controls a switching power supply, and a DC voltage containing a sine wave ripple is generated by the LC rectifier circuit. Then, by using the DC voltage containing the sine wave ripple as a reference voltage, there is an effect that good dimming control with improved linearity can be realized even during deep dimming.
以下、本発明のＬＥＤ電源装置および調光回路について図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を超えない限り何ら以下の例に限定されるものではない。 Hereinafter, although the LED power supply device and light control circuit of this invention are demonstrated using drawing, it is not limited to the following examples at all unless the meaning of this invention is exceeded.
図１に本発明の実施形態に係るＬＥＤ電源装置の概略図を示す。ここで、本明細書におけるＬＥＤ電源装置とは、ＬＥＤランプへ安定した電力供給を行うためのスイッチング電源装置のことである。同図に示すＬＥＤ電源装置１０は、商用の交流電圧を供給する商用電源１２と、該商用電源１２からの交流電圧を直流電圧に整流する整流回路１４と、該整流回路１４からの直流電圧をオンオフ動作によって調整してＬＥＤランプ２０へ電力を供給する降圧回路１６と、該降圧回路１６からの出力電圧（出力電力）を制御する調光回路１８と、前記降圧回路１６で調整された電力によって点灯するＬＥＤランプ２０と、を備えている。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an LED power supply apparatus according to an embodiment of the present invention. Here, the LED power supply device in the present specification is a switching power supply device for supplying stable power to the LED lamp. The LED power supply device 10 shown in the figure includes a commercial power supply 12 that supplies a commercial AC voltage, a rectifier circuit 14 that rectifies the AC voltage from the commercial power supply 12 into a DC voltage, and a DC voltage from the rectifier circuit 14. The step-down circuit 16 that supplies power to the LED lamp 20 by adjusting the on / off operation, the dimming circuit 18 that controls the output voltage (output power) from the step-down circuit 16, and the power adjusted by the step-down circuit 16 LED lamp 20 to be lit.
はじめに整流回路１４について説明する。整流回路１４は、ダイオード・ブリッジ２２と、第１平滑コンデンサＣ１と、力率改善回路２４と、第２平滑コンデンサＣ２と、を備えている。商用電源１２から交流の商用電圧（ＡＣ１００Ｖ、ＡＣ２００Ｖ、ＡＣ４００Ｖなど）が印加されると、商用電圧はダイオード・ブリッジ２２に到達する。ダイオード・ブリッジ２２は、ダイオード素子などを含んで構成されているが、同じ機能を果たせれば他の半導体素子で構成されていても良い。ダイオード・ブリッジ２２によって全波整流（交流電流の正・負両波とも整流し、流れの向きを同じにすること）された電圧は、第１平滑コンデンサＣ１によって大まかな直流電圧（脈流電圧とも呼ぶ）に平滑される。 First, the rectifier circuit 14 will be described. The rectifier circuit 14 includes a diode bridge 22, a first smoothing capacitor C1, a power factor correction circuit 24, and a second smoothing capacitor C2. When an AC commercial voltage (AC 100 V, AC 200 V, AC 400 V, etc.) is applied from the commercial power supply 12, the commercial voltage reaches the diode bridge 22. The diode bridge 22 includes a diode element or the like, but may be formed of other semiconductor elements as long as the same function can be achieved. The voltage that has been full-wave rectified by the diode bridge 22 (rectifying both positive and negative AC currents to have the same flow direction) is roughly DC voltage (both pulsating voltage) by the first smoothing capacitor C1. Called).
そして、平滑された電圧は力率改善回路２４へと到達する。力率改善回路２４は、例えばインダクタやスイッチング素子などを含んで構成されている。力率改善回路２４は、スイッチング素子をオンオフ動作させることによりインダクタに電流を流した後、第２平滑コンデンサＣ２を充電することで昇圧された電圧を生成する。このように力率改善回路２４によって昇圧されるとともに力率が改善された電圧は、降圧回路１６へ到達する。 Then, the smoothed voltage reaches the power factor correction circuit 24. The power factor correction circuit 24 includes, for example, an inductor and a switching element. The power factor correction circuit 24 generates a boosted voltage by charging the second smoothing capacitor C2 after flowing a current through the inductor by turning on and off the switching element. Thus, the voltage boosted by the power factor correction circuit 24 and improved in power factor reaches the step-down circuit 16.
降圧回路１６は、ダイオードＤ１と、インダクタＬ１と、ＬＥＤランプ２０へ電力を供給する出力コンデンサＣ３と、調光回路１８からの動作指令によりオンオフ動作するスイッチング素子Ｑ１と、ＬＥＤランプ２０への電力を検出する検出抵抗器Ｒ１と、を備えている。本実施形態におけるスイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳＦＥＴであるが、オンオフ動作出来れば他の半導体素子でも構わない。整流回路１４が有する第２平滑コンデンサＣ２からの電力は、降圧回路１６が備えるスイッチング素子Ｑ１のオンオフ動作により、ダイオードＤ１およびインダクタＬ１を利用して出力コンデンサＣ３を充電する。 The step-down circuit 16 includes a diode D 1, an inductor L 1, an output capacitor C 3 that supplies power to the LED lamp 20, a switching element Q 1 that is turned on and off by an operation command from the dimming circuit 18, and power to the LED lamp 20. A detection resistor R1 for detection. Although the switching element Q1 in this embodiment is a MOSFET, other semiconductor elements may be used as long as the on / off operation can be performed. The electric power from the second smoothing capacitor C2 included in the rectifier circuit 14 charges the output capacitor C3 using the diode D1 and the inductor L1 by the on / off operation of the switching element Q1 included in the step-down circuit 16.
具体的にはスイッチング素子Ｑ１がオンの時には、第２平滑コンデンサＣ２からの電力によってインダクタＬ１に電力エネルギーが蓄積されるとともに該第２平滑コンデンサＣ２からの電力によって出力コンデンサＣ３が充電される。また、スイッチング素子Ｑ１がオフの時にはインダクタＬ１に蓄えられた電力エネルギーによって出力コンデンサＣ３が充電される。 Specifically, when the switching element Q1 is on, power energy is accumulated in the inductor L1 by the power from the second smoothing capacitor C2, and the output capacitor C3 is charged by the power from the second smoothing capacitor C2. Further, when the switching element Q1 is off, the output capacitor C3 is charged by the power energy stored in the inductor L1.
このようにスイッチング素子Ｑ１がオンオフ動作を繰り返すことで出力コンデンサＣ３は充電され、この充電電力がＬＥＤランプ２０へと供給される。そして、ＬＥＤランプ２０へ供給された電力（または電圧）がＬＥＤランプ２０の点灯電力（または点灯電圧）に達すると、ＬＥＤランプ２０は点灯を開始し、その後は出力コンデンサＣ３からの安定した電力供給によりＬＥＤランプ２０の安定した点灯が維持される。 As described above, the switching element Q1 repeats the on / off operation, whereby the output capacitor C3 is charged, and this charging power is supplied to the LED lamp 20. When the power (or voltage) supplied to the LED lamp 20 reaches the lighting power (or lighting voltage) of the LED lamp 20, the LED lamp 20 starts lighting, and thereafter, stable power supply from the output capacitor C3. Thus, stable lighting of the LED lamp 20 is maintained.
調光回路について
ここで、本実施形態にかかるＬＥＤ電源装置１０の調光回路１８について説明する。図１に示される調光回路１８は、外部からの調光信号を受信するＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）３０と、該ＭＣＵ３０からの出力電圧を整流して調光指令のリファレンス電圧として出力するＬＣ整流回路３２と、リファレンス電圧により降圧回路１６が有するスイッチング素子Ｑ１をオンオフ動作させる降圧制御回路３４と、を備えている。
Dimming Circuit Here, the dimming circuit 18 of the LED power supply device 10 according to the present embodiment will be described. A dimming circuit 18 shown in FIG. 1 includes an MCU (micro control unit) 30 that receives an external dimming signal, and LC rectification that rectifies the output voltage from the MCU 30 and outputs the rectified voltage as a reference voltage for the dimming command. A circuit 32 and a step-down control circuit 34 for turning on and off the switching element Q1 included in the step-down circuit 16 by a reference voltage are provided.
外部からの調光信号は、信号正規化回路２６および積分回路２８によって調光制御に利用しやすい電圧信号として変換される。そして、変換された調光指令としての電圧信号はＭＣＵ３０に入力される。入力された電圧信号はＭＣＵ３０によってＡ／Ｄ変換されてＰＷＭ信号（矩形波）としてＬＣ整流回路３２へと入力される。このＰＷＭ信号は、ＬＣ整流回路３２で直流電圧に整流され、リファレンス電圧として降圧制御回路３４へと到達する。 The dimming signal from the outside is converted by the signal normalization circuit 26 and the integration circuit 28 as a voltage signal that can be easily used for dimming control. The converted voltage signal as a dimming command is input to the MCU 30. The input voltage signal is A / D converted by the MCU 30 and input to the LC rectifier circuit 32 as a PWM signal (rectangular wave). This PWM signal is rectified to a DC voltage by the LC rectifier circuit 32 and reaches the step-down control circuit 34 as a reference voltage.
この時、降圧制御回路３４は降圧回路１６が有する検出抵抗器Ｒ１で検出された電力に基づいた検出電圧ＶＣＳをフィードバック信号（フィードバック電圧）として受信しており、この検出抵抗器Ｒ１による検出電圧ＶＣＳとリファレンス電圧ＶＲＥＦとを比較してスイッチング素子Ｑ１への出力信号を決定している。検出抵抗器Ｒ１は、スイッチング素子のドレインとソースの間の電圧を検出して実質的にＬＥＤランプ２０への供給電力（第２平滑コンデンサＣ２からＬＥＤランプ２０へ供給される電力）を検出している。 In this case, the step-down control circuit 34 has received the detection voltage V CS based on the detected power detector resistor R1 included in the step-down circuit 16 as a feedback signal (feedback voltage), voltage detected by the detection resistor R1 The output signal to the switching element Q1 is determined by comparing V CS and the reference voltage V REF . The detection resistor R1 detects the voltage between the drain and source of the switching element to substantially detect the power supplied to the LED lamp 20 (the power supplied from the second smoothing capacitor C2 to the LED lamp 20). Yes.
そして、上述したように降圧制御回路３４が有する制御ＩＣの影響で調光下限付近では不安定な動作となってしまう。そこで、このような動作不安定を解消するために本実施形態における降圧制御回路３４は、深調光で調光制御を行う際にはあらかじめ設定したポイントでＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えて制御するようにしている。具体的には、スイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間でＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えることが好ましい。 As described above, an unstable operation occurs near the lower limit of dimming due to the influence of the control IC included in the step-down control circuit 34. Therefore, in order to eliminate such unstable operation, the step-down control circuit 34 in the present embodiment switches from PWM control to PFM control at a preset point when performing dimming control with deep dimming. I am doing so. Specifically, it is preferable to switch from PWM control to PFM control when the switching frequency is between 70 kHz and 200 kHz.
しかしながら、ＰＦＭ制御を行う場合、スイッチング素子Ｑ１に与えられる駆動信号の周期を長くしていくとスイッチング素子Ｑ１の浮遊容量等の影響で自由振動が発生してしまう。具体的には図２に示すようにゲート電圧ＶＧａｔｅが０Ｖの時にもドレイン電圧ＶＤＳには自由振動が生じているのが分かる。その結果、検出抵抗器Ｒ１で検出された検出電圧ＶＣＳにも自由振動の影響が生じてしまうため、調光制御のリニアリティーが損なわれてしまう（実際に検出抵抗器Ｒ１で検出される検出電圧ＶＣＳは、０Ｖ付近で自由振動が生じている波形として検出される）。 However, when performing PFM control, if the period of the drive signal applied to the switching element Q1 is lengthened, free vibration occurs due to the influence of the stray capacitance of the switching element Q1. Specifically, it can be seen that the gate voltage V Gate As shown in FIG. 2 has arisen free vibration to the drain voltage V DS even when the 0V. As a result, since the influence of the free to the detection voltage V CS which is detected by the detection resistor R1 vibration occurs, linearity of the dimming control is impaired (actually detected voltage detected by the detection resistor R1 V CS is detected as a waveform in which free vibration occurs near 0V).
また、図２に示すように実際の検出電圧ＶＣＳは検出初期段階においてノイズが生じてしまう。ゲート電圧ＶＧａｔｅのパルス幅がある程度大きい場合にはノイズの影響を受けずに検出電圧Ｖｃｓとリファレンス電圧ＶＲＥＦとを比較することが出来るが、ＰＦＭ制御のようにパルス幅を短く設定する場合にはノイズの影響を受けてしまい、正しい検出が出来なくなってしまう。 Further, the actual detection voltage V CS as shown in FIG. 2 is the noise occurs in the detection early stage. When the pulse width of the gate voltage V Gate is large to some extent, the detection voltage Vcs and the reference voltage V REF can be compared without being affected by noise. However, when the pulse width is set short as in PFM control. Will be affected by noise and will not be detected correctly.
そこで本実施形態では、降圧制御回路３４へ入力されるリファレンス電圧を工夫することでこの問題を解決している。具体的には、本実施形態におけるリファレンス電圧は、正弦波リップルを含有する直流電圧としている。以下、本実施形態のリファレンス電圧について詳しく説明する。 Therefore, in this embodiment, this problem is solved by devising the reference voltage input to the step-down control circuit 34. Specifically, the reference voltage in this embodiment is a DC voltage containing a sine wave ripple. Hereinafter, the reference voltage of this embodiment will be described in detail.
リファレンス電圧について
正弦波リップルを含有する直流電圧としてのリファレンス電圧は、ＬＣ整流回路３２で生成される。図３には本実施形態のＬＥＤ電源装置が備えるＬＣ整流回路３２の概略構成図を示す。同図に示すＬＣ整流回路３２は、低入力インピーダンスである当該ＬＣ整流回路３２を高入力インピーダンスに変換するインピーダンス変換回路３６と、インダクタＬ２と、コンデンサＣ４と抵抗器Ｒ２と、から構成されている。また、ＬＣ整流回路３２には、さらに電流増幅器等を含んで構成してもよい。ＬＣ整流回路３２は、該ＬＣフィルタ回路３２へ入力される矩形波のパルス信号（ＰＷＭ信号）を整流して直流電圧のリファレンス電圧を生成する。また、リファレンス電圧は直流電圧ではあるが、意図的に正弦波リップルを含有させて生成している。
A reference voltage as a DC voltage containing a sine wave ripple with respect to the reference voltage is generated by the LC rectifier circuit 32. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the LC rectifier circuit 32 included in the LED power supply device of the present embodiment. The LC rectifier circuit 32 shown in the figure includes an impedance conversion circuit 36 that converts the LC rectifier circuit 32 having a low input impedance into a high input impedance, an inductor L2, a capacitor C4, and a resistor R2. . Further, the LC rectifier circuit 32 may further include a current amplifier or the like. The LC rectifier circuit 32 rectifies a rectangular pulse signal (PWM signal) input to the LC filter circuit 32 to generate a DC voltage reference voltage. Further, although the reference voltage is a DC voltage, it is generated by intentionally including a sine wave ripple.
本実施形態ではＬＣ整流回路３２の遮断周波数（カットオフ周波数とも呼ぶ）が正弦波リップルの基本周波数以下であることが好ましい。このような構成とすることで、ＭＣＵ３０からの入力波形としてのＰＷＭ信号（図４（ａ）を参照）を整流する際に意識的に正弦波リップルが含有された直流電圧を生成することができる（図４（ｂ）を参照）。 In the present embodiment, the cut-off frequency (also referred to as cut-off frequency) of the LC rectifier circuit 32 is preferably equal to or lower than the fundamental frequency of the sine wave ripple. With such a configuration, it is possible to consciously generate a DC voltage containing a sine wave ripple when rectifying a PWM signal (see FIG. 4A) as an input waveform from the MCU 30. (See FIG. 4 (b)).
また、リファレンス電圧に含まれる正弦波リップルは、１００Ｈｚから１ｋＨｚの基本周波数を含むことが好ましく、特に好ましくは８ｋＨｚ以上の基本周波数を含むことが好ましく、さらに好ましくは１５ｋＨｚ以上の基本周波数を含むことが好適である。 The sine wave ripple included in the reference voltage preferably includes a fundamental frequency of 100 Hz to 1 kHz, particularly preferably includes a fundamental frequency of 8 kHz or more, and more preferably includes a fundamental frequency of 15 kHz or more. Is preferred.
実際には例えば１ｋＨｚの正弦波リップルを含むリファレンス電圧を利用する場合、正弦波リップルに起因した振動（音）が発生してしまう可能性があるが、リファレンス電圧に基本周波数８ｋＨｚ以上の正弦波リップルを含ませることで、このような問題を解決できる効果が期待できる。また、リファレンス電圧に含まれる正弦波リップルを１５ｋＨｚ以上の基本周波数とすることで、人間の可聴領域等の影響によりリップル成分による音や振動を抑制する効果が期待できる。そして図５に示すように、リファレンス電圧の正弦波リップルが小さい場合に比べて正弦波リップルが大きい場合のほうが、調光制御のリニアリティーが確保出来ているのが分かる。 Actually, for example, when a reference voltage including a sine wave ripple of 1 kHz is used, vibration (sound) due to the sine wave ripple may occur. However, a sine wave ripple having a fundamental frequency of 8 kHz or more is included in the reference voltage. By including, an effect that can solve such a problem can be expected. In addition, by setting the sine wave ripple included in the reference voltage to a fundamental frequency of 15 kHz or more, an effect of suppressing sound and vibration due to ripple components due to the influence of the human audible region and the like can be expected. As shown in FIG. 5, it can be seen that the linearity of the dimming control can be secured when the sine wave ripple is larger than when the sine wave ripple of the reference voltage is small.
また、単純にリップル成分を含ませたリファレンス電圧では、実際にはいろいろな周波数成分が含まれていることから、例えば上記周波数領域においても意図していない共振等が生じる恐れがある。そこで本実施形態では正弦波リップルを含有した直流電圧をリファレンス電圧として利用することで、共振等が生じることも防止することができる。 In addition, since the reference voltage that simply includes the ripple component actually includes various frequency components, there is a possibility that unintentional resonance or the like may occur in the frequency region, for example. Therefore, in the present embodiment, resonance or the like can be prevented by using a DC voltage containing a sine wave ripple as a reference voltage.
リファレンス電圧と検出電圧との関係について
ここで、リファレンス電圧（直流電圧）に正弦波リップルを含有させることでＰＦＭ制御時の深調光が安定する原理について説明する。図６には直流電圧としてのリファレンス電圧ＶＲＥＦと検出電圧ＶＣＳの関係についての概略イメージ図を示す。リファレンス電圧ＶＲＥＦと検出電圧ＶＣＳとを比較する手段（および方法）は本実施形態に限定される必要はないが、図６においては検出抵抗器Ｒ１による検出電圧ＶＣＳが検出点からＶＲＥＦに到達するまでの時間を算出しながら（フィードバック制御）ＰＦＭ制御を行っている（図６（ａ））。また、実際に検出される検出電圧ＶＣＳは、図６に示すように０Ｖ付近で回路構成に応じた自由振動が生じている。
Regarding the relationship between the reference voltage and the detection voltage Here, the principle that deep dimming during PFM control is stabilized by adding a sine wave ripple to the reference voltage (DC voltage) will be described. FIG. 6 is a schematic image diagram showing the relationship between the reference voltage V REF as a DC voltage and the detection voltage V CS . The means (and method) for comparing the reference voltage V REF and the detection voltage V CS need not be limited to the present embodiment, but in FIG. 6, the detection voltage V CS by the detection resistor R1 is V REF from the detection point. The PFM control is performed while calculating the time required to reach (feedback control) (FIG. 6A). In addition, as shown in FIG. 6, the actually detected detection voltage VCS has a free vibration corresponding to the circuit configuration in the vicinity of 0V.
ここで問題となるのが、図６（ｂ）に示すように、例えば検出点のグランド（基準点）が自由振動の影響で０Ｖでない場合（図６（ｂ）では０Ｖよりもプラス方向）、その影響を受けてＶＲＥＦに到達するまでの時間が実際よりも短く検出されてしまう。同様に図６（ｃ）のように検出点のグランドが自由振動の影響で０Ｖ以下（０Ｖよりもマイナス方向）の場合にはＶＲＥＦに到達するまでの時間が実際よりも長く検出されてしてしまう。 The problem here is, for example, as shown in FIG. 6B, when the ground (reference point) of the detection point is not 0 V due to the influence of free vibration (in FIG. 6B, in the positive direction from 0 V). As a result, the time required to reach V REF is detected shorter than the actual time. Similarly, as shown in FIG. 6C, when the ground of the detection point is 0 V or less (in a negative direction from 0 V) due to the influence of free vibration, the time to reach V REF is detected longer than the actual time. End up.
つまり、自由振動の影響を受けて実際とは異なる検出時間（ＶＣＳが検出点からＶＲＥＦに到達するまでの時間）がフィードバック信号として検出されてしまうことになる。そして、リファレンス電圧が直流電圧である場合には、該リファレンス電圧の電圧値は一定であり、且つ浮遊容量等も一定であることから自由振動の周期は一定となる。したがって、あるリファレンス電圧でプラス側あるいはマイナス側へシフトした電圧を検出すると、その後はずっと一定方向へシフトした検出時間を検出してしまう（本実施形態では、１回のフィードバック検出時に何度も検出時間を検出している）。このことが、深調光時においてリニアリティーが失われる原因となっている。 In other words, a detection time that is different from the actual detection time (a time required for V CS to reach V REF from the detection point) due to the influence of free vibration is detected as a feedback signal. When the reference voltage is a DC voltage, the voltage value of the reference voltage is constant and the stray capacitance and the like are constant, so that the period of free vibration is constant. Therefore, when a voltage shifted to the plus side or the minus side is detected with a certain reference voltage, the detection time shifted in a certain direction is detected thereafter (in this embodiment, it is detected many times during one feedback detection. Time is detected). This is a cause of loss of linearity during deep light control.
そこで本実施形態では、リファレンス電圧に正弦波リップルを含有し、その変動を平均化することで安定した制御を可能としている。図６のようにリファレンス電圧が直流電圧である場合には、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のうちのどの条件で検出されても、その後は同じ条件で検出されることになる。例えば最初に図６（ｂ）の条件で検出されれば、その後も図６（ｂ）の条件でＶＣＳは検出される。これは浮遊容量等が一定であるとともにリファレンス電圧ＶＲＥＦも一定であるため、その周期が変わらないからである。 Therefore, in this embodiment, a stable control is possible by including a sine wave ripple in the reference voltage and averaging the fluctuations. When the reference voltage is a DC voltage as shown in FIG. 6, the detection is performed under the same conditions after detection under any of the conditions in FIGS. 6A, 6 </ b> B, and 6 </ b> C. Become. For example, if it is first detected under the condition of FIG. 6B, then V CS is detected under the condition of FIG. 6B. This is because the period does not change because the stray capacitance and the like are constant and the reference voltage VREF is also constant.
これに対し、図４（ｂ）に示されるようにリファレンス電圧に正弦波リップルを含有させることで、その周期が変動しているので１回のフィードバック検出時に図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれの条件による検出時間を検出することになる。したがって、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれの検出時間を検出することで結果的に平均化された検出電圧ＶＣＳとなり、該平均化された検出電圧ＶＣＳとリファレンス電圧ＶＲＥＦとを比較できるので、深調光制御時においてもリニアリティーが改善された良好な調光制御が可能となる。 On the other hand, as shown in FIG. 4 (b), by adding a sine wave ripple to the reference voltage, the period is changed, so that when the feedback is detected once, FIGS. 6 (a), 6 (b), (C) The detection time according to each condition is detected. Therefore, by detecting the detection times of FIGS. 6A, 6B, and 6C, the detection voltage V CS is averaged as a result, and the averaged detection voltage V CS and the reference voltage are obtained. Since V REF can be compared, good dimming control with improved linearity is possible even during deep dimming control.
以上のように本発明のＬＥＤ電源装置１０によれば、調光回路１８に遮断周波数が正弦波リップルの基本周波数以下のＬＣ整流回路３２を備え、降圧制御回路３４のスイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間にＰＷＭ制御（パルスオン幅変調制御）からＰＦＭ制御（パルスオフ幅変調制御）へ切り替える制御を行う。そして、ＰＦＭ制御時には正弦波リップルが含有された直流電圧をリファレンス電圧として利用することで、深調光時においてもリニアリティーが改善された良好な調光制御が実現できる。 As described above, according to the LED power supply device 10 of the present invention, the dimming circuit 18 includes the LC rectifier circuit 32 having a cutoff frequency equal to or lower than the fundamental frequency of the sine wave ripple, and the switching frequency of the step-down control circuit 34 is 70 kHz to 200 kHz. In the meantime, control to switch from PWM control (pulse-on width modulation control) to PFM control (pulse-off width modulation control) is performed. By using a DC voltage containing sine wave ripple as a reference voltage during PFM control, good dimming control with improved linearity can be realized even during deep dimming.
また、本実施形態のスイッチング電源では照明負荷に直流電力を供給しているが、例えばパルス点灯式のスイッチング電源に本実施形態の調光回路を利用しても上述と同様に良好な調光制御を実現することができる。 In the switching power supply of the present embodiment, DC power is supplied to the lighting load. For example, even if the dimming circuit of the present embodiment is used for the pulse lighting type switching power supply, the same dimming control as described above is achieved. Can be realized.
１０ ＬＥＤ電源装置
１２ 商用電源
１４ 整流回路
１６ 降圧回路
１８ 調光回路
２０ ＬＥＤランプ
２２ ダイオード・ブリッジ
２４ 力率改善回路
２６ 信号正規化回路
２８ 積分回路
３０ ＭＣＵ
３２ ＬＣ整流回路
３４ 降圧制御回路
３６ インピーダンス変換回路
Ｃ１ 第１平滑コンデンサ
Ｃ２ 第２平滑コンデンサ
Ｃ３ 出力コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１ インダクタ
Ｑ１ スイッチング素子
Ｒ１ 検出抵抗器
Ｒ２、Ｒ３ 抵抗器
Ｃ４、Ｃ５ コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 LED power supply device 12 Commercial power supply 14 Rectifier circuit 16 Buck circuit 18 Dimming circuit 20 LED lamp 22 Diode bridge 24 Power factor improvement circuit 26 Signal normalization circuit 28 Integration circuit 30 MCU
32 LC rectifier circuit 34 Step-down control circuit 36 Impedance conversion circuit C1 First smoothing capacitor C2 Second smoothing capacitor C3 Output capacitor D1 Diode L1 Inductor Q1 Switching element R1 Detection resistor R2, R3 Resistor C4, C5 Capacitor
Claims (9)
当該調光回路は、外部からの調光信号を矩形波として出力するＭＣＵと、該ＭＣＵから出力された矩形波を直流のリファレンス電圧に整流するＬＣ整流回路と、前記スイッチング電源装置が備えるスイッチング素子のオンオフ動作を制御する降圧制御回路と、を含み、
前記ＬＣ整流回路は、該ＬＣ整流回路の入力インピーダンスを高くするインピーダンス変換回路を備え、
前記降圧制御回路は、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御に切り替えて前記スイッチング素子を制御し、
前記リファレンス電圧は、正弦波リップルを含有する直流電圧であることを特徴とする調光回路。 A dimming circuit that stably controls a switching power supply that supplies power to a lighting load,
The dimming circuit includes an MCU that outputs a dimming signal from the outside as a rectangular wave, an LC rectifier circuit that rectifies the rectangular wave output from the MCU into a DC reference voltage, and a switching element included in the switching power supply device A step-down control circuit that controls the on / off operation of the
The LC rectifier circuit includes an impedance conversion circuit that increases the input impedance of the LC rectifier circuit,
The step-down control circuit switches to PWM control or PFM control to control the switching element,
The dimming circuit according to claim 1, wherein the reference voltage is a DC voltage containing a sine wave ripple.
前記スイッチング電源装置は、照明負荷への電力を検出してフィードバック制御を行うことで電力供給することを特徴とする調光回路。 The dimming circuit according to claim 1,
The dimming circuit, wherein the switching power supply device supplies power by detecting power to a lighting load and performing feedback control.
前記正弦波リップルの基本周波数は、８ｋＨｚ以上であることを特徴とする調光回路。 A dimming circuit according to claim 1 and claim 2,
A dimming circuit, wherein a fundamental frequency of the sine wave ripple is 8 kHz or more.
前記ＬＣ整流回路は、遮断周波数が正弦波リップルの基本周波数以下であり、
前記リファレンス電圧は、前記ＬＣ整流回路を利用して８ｋＨｚ以上の矩形波から生成されることを特徴とする調光回路。 A dimming circuit according to any one of claims 1 to 3,
The LC rectifier circuit has a cutoff frequency equal to or lower than a fundamental frequency of a sine wave ripple,
The dimming circuit according to claim 1, wherein the reference voltage is generated from a rectangular wave of 8 kHz or more using the LC rectifier circuit.
前記降圧制御回路は、スイッチング電源装置が備えるスイッチング素子を制御するためのスイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間にＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えることを特徴とする調光回路。 A dimming circuit according to any one of claims 1 to 4,
The dimming circuit is characterized in that the step-down control circuit switches from PWM control to PFM control when a switching frequency for controlling a switching element included in the switching power supply device is between 70 kHz and 200 kHz.
前記調光回路は、外部からの調光信号を矩形波として出力するＭＣＵと、該ＭＣＵから出力された矩形波を直流のリファレンス電圧に整流するＬＣ整流回路と、前記ＬＥＤ電源装置が備えるスイッチング素子のオンオフ動作を制御する降圧制御回路と、を含み、
前記ＬＣ整流回路は、該ＬＣ整流回路の入力インピーダンスを高くするインピーダンス変換回路を備え、
前記降圧回路は、前記ＬＥＤランプへの電力を検出する検出抵抗器を備え、該検出抵抗器によって検出された電力に基づく検出電圧は前記降圧制御回路へフィードバック信号として送られ、
前記降圧制御回路は、前記リファレンス電圧と前記フィードバック信号とを比較してＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御によって降圧回路を制御し、
前記リファレンス電圧は正弦波リップルを含有する直流電圧であることを特徴とするＬＥＤ電源装置。 A rectifier circuit that converts AC power from an external power source into DC power; a step-down circuit that adjusts DC power from the rectifier circuit by an on / off operation; and a dimming circuit that sends a switching operation command to the step-down circuit. An LED power supply device that supplies DC power to an LED lamp through an output capacitor of the step-down circuit,
The dimming circuit includes an MCU that outputs a dimming signal from the outside as a rectangular wave, an LC rectifier circuit that rectifies the rectangular wave output from the MCU into a DC reference voltage, and a switching element included in the LED power supply device A step-down control circuit that controls the on / off operation of the
The LC rectifier circuit includes an impedance conversion circuit that increases the input impedance of the LC rectifier circuit,
The step-down circuit includes a detection resistor that detects power to the LED lamp, and a detection voltage based on the power detected by the detection resistor is sent to the step-down control circuit as a feedback signal,
The step-down control circuit compares the reference voltage and the feedback signal to control the step-down circuit by PWM control or PFM control,
The LED power supply device according to claim 1, wherein the reference voltage is a DC voltage containing a sine wave ripple.
前記正弦波リップルの基本周波数は、８ｋＨｚ以上であることを特徴とするＬＥＤ電源装置。 The LED power supply device according to claim 6,
The fundamental frequency of the sine wave ripple is 8 kHz or more.
前記調光回路は、遮断周波数が正弦波リップルの基本周波数以下のＬＣ整流回路を含み、
前記リファレンス電圧は、前記ＬＣ整流回路を利用して８ｋＨｚ以上の矩形波から生成されることを特徴とするＬＥＤ電源装置。 The LED power supply device according to any one of claims 6 and 7,
The dimming circuit includes an LC rectifier circuit having a cutoff frequency equal to or lower than a fundamental frequency of a sine wave ripple,
The LED power supply device, wherein the reference voltage is generated from a rectangular wave of 8 kHz or more using the LC rectifier circuit.
前記調光回路は、前記降圧回路を制御するためのスイッチング周波数が７０ｋＨｚから２００ｋＨｚの間にＰＷＭ制御からＰＦＭ制御へ切り替えることを特徴とするＬＥＤ電源装置。 The LED power supply device according to any one of claims 6 to 8,
The LED light source device, wherein the dimming circuit switches from PWM control to PFM control when a switching frequency for controlling the step-down circuit is between 70 kHz and 200 kHz.
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