JP2006238657A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入力電圧が変動しても常に一定の出力電圧を維持すること。
【解決手段】 入力電圧（Ｖ_ＩＮ）が出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）より低いとき、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ（１２）は入力電圧（Ｖ_ＩＮ）を昇圧して、出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を生成する。一方、入力電圧（Ｖ_ＩＮ）が出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）より高いとき、シリーズレギュレータ（１４）は、入力電圧（Ｖ_ＩＮ）をレギュレートして（換言すれば、降圧して）、安定化された出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を生成する。これにより、出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）は、入力電圧（Ｖ_ＩＮ）によらずに、常に一定とすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、白色ＬＥＤなどのＬＥＤを駆動するためのＬＥＤドライバとして使用される電源装置に関する。

従来、この種のＬＥＤドライバとしては、チャージポンプ式ＬＥＤドライバが使用されている。

以下、図１を参照して、チャージポンプ式ＬＥＤドライバについて説明する。この例では、ＬＥＤが白色ＬＥＤであるとして説明する。

チャージポンプ式ＬＥＤドライバは、チャージポンプ１０を備え、このチャージポンプ１０にはリチウムイオン電池などの電池２０から電池電圧が入力電圧Ｖ_ＩＮとして印加される。電池２０には入力コンデンサＣ_ＩＮが並列に接続されており、この入力コンデンサＣ_ＩＮの両端間で入力電圧Ｖ_ＩＮが保持される。

図示のチャージポンプ１０は、入力電圧Ｖ_ＩＮを１倍、１．５倍、又は２倍にして、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力する機能を有する。チャージポンプ１０には、第１及び第２のコンデンサＣ１、Ｃ２が接続されている。

この出力電圧Ｖ_ＯＵＴは出力コンデンサＣ_ＯＵＴに印加される。この出力コンデンサＣ_ＯＵＴと並列に、白色ＬＥＤ３０と定電流源４０とから成る直列回路が複数個、接続されている。

すなわち、チャージポンプ式ＬＥＤドライバでは、出力コンデンサＣ_ＯＵＴに白色ＬＥＤ３０を並列に接続し、それぞれのＬＥＤ電流Ｉを定電流源４０でドライブしている。チャージポンプ１０は、入力電圧（電池電圧）Ｖ_ＩＮと出力電圧Ｖ_ＯＵＴとを比較して、その昇圧倍率（１倍、１.５倍、２倍）を変化させる。

図２に、図１に示したチャージポンプ式ＬＥＤドライバの、入力電圧Ｖ_ＩＮに対する効率を示す。図２において、横軸に入力電圧を示し、縦軸にチャージポンプ式ＬＥＤドライバの効率を示す。

図２に示されるように、入力電圧Ｖ_ＩＮが約２Ｖ以下では、チャージポンプ１０はその昇圧倍率を２倍にする。入力電圧Ｖ_ＩＮが約２Ｖから約３．８Ｖの範囲で、チャージポンプ１０はその昇圧倍率を１．５倍にする。そして、入力電圧Ｖ_ＩＮが約３．８Ｖ以上において、チャージポンプ１０はその昇圧倍率を１倍にする。

このため、チャージポンプ式ＬＥＤドライバの効率は、図２に示されるように、入力電圧Ｖ_ＩＮとチャージポンプ１０の昇圧倍率により変化し、全体の効率を落としている。特に、白色ＬＥＤ３０の順方向電圧Ｖ_Ｆは約３．６Ｖであり、リチウムイオン電池２０の公称電圧である３．７Ｖ付近で、チャージポンプ１０はその昇圧倍率を変化（１．５倍から１倍へ、或いは１倍から１．５倍へ）させる必要がある。図２から明らかなように、入力電圧Ｖ_ＩＮが３．７Ｖ付近で、チャージポンプ式ＬＥＤドライバの効率が小さいことが分かる。

具体例を挙げて説明する。チャージポンプ１０が１．５倍のモードで動作しているとする。各白色ＬＥＤ３０の順方向電圧Ｖ_Ｆが３，６Ｖであるとする。

この場合において、入力電圧Ｖ_ＩＮが３．０Ｖのとき、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは４．５Ｖとなる。そのため、各定電流源４０の両端には（４．５−３．６）Ｖ＝０．９Ｖの電圧が印加され、各定電流源４０にはＩのＬＥＤ電流が流れるので、各定電流源４０のロスは０．９Ｉとなる。

一方、入力電圧Ｖ_ＩＮが３．６Ｖのとき、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは５．４Ｖとなる。そのため、各定電流源４０の両端には（５．４−３．６）Ｖ＝１．８Ｖの電圧が印加され、各定電流源４０にはＩのＬＥＤ電流が流れるので、各定電流源４０のロスは１．８Ｉとなる。

上述したように、従来のチャージポンプの電源装置を用いたＬＥＤドライバでは、その効率が入力電圧Ｖ_ＩＮとチャージポンプ１０の倍率により変化するので、全体としての効率を落としてしまうという問題がある。それは、変動する入力電圧Ｖ_ＩＮに対して出力電圧Ｖ_ＯＵＴも変化するからである。

したがって、本発明の課題は、入力電圧が変動しても常に一定の出力電圧を維持できる電源装置を提供することにある。

本発明の他の課題は、入力電圧に依存せずに高効率を維持できる電源装置を提供することにある。

本発明によれば、変動する入力電圧（Ｖ_ＩＮ）に対して一定の出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を発生する電源装置（１０Ａ、１０Ｂ）であって、前記入力電圧が前記出力電圧より低いときは前記入力電圧を昇圧して前記出力電圧を生成する昇圧手段（１２）と、前記入力電圧が前記出力電圧より高いときは前記入力電圧を降圧して前記出力電圧を生成する降圧手段（１４、１４Ａ）と、を備えた電源装置が得られる。

上記電源装置において、前記昇圧手段は昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ（１２）から構成されて良い。また、前記降圧手段は、シリーズレギュレータ（１４）や降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ（１４Ａ）から構成されて良い。また、上記電源装置は、前記出力電圧と前記入力電圧とを比較して、前記入力電圧が前記出力電圧より低いときは前記昇圧手段を駆動し、前記入力電圧が前記出力電圧より高いときは前記降圧手段を駆動する駆動制御手段（１６，１８）を更に有することが好ましい。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、昇圧手段と降圧手段とを備えているので、入力電圧が変動しても常に出力電圧を一定に維持することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る電源装置１０Ａについて説明する。図示の電源装置１０Ａは、白色ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤドライバとして使用されるものである。図示の電源装置１０Ａは、従来のチャージポンプ１０（図１）とは異なり、変動する入力電圧Ｖ_ＩＮに対して一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを発生するものである。

電源装置１０Ａには、リチウムイオン電池などの電池２０から電池電圧が入力電圧Ｖ_ＩＮとして印加される。電池２０には入力コンデンサＣ_ＩＮが並列に接続されている。入力コンデンサＣ_ＩＮの両端子間に入力電圧Ｖ_ＩＮが保持される。

電源装置１０Ａから発生された出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、出力コンデンサＣ_ＯＵＴに印加される。この出力コンデンサＣ_ＯＵＴには、白色ダイオード３０と定電流源４０とから成る直列回路が複数個、並列に接続されている。

図示の電源装置１０Ａは、入力電圧Ｖ_ＩＮを昇圧して出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力する昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、入力電圧Ｖ_ＩＮをレギュレートして一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力するシリーズレギュレータ１４とを有する。

また、電源装置１０Ａは、入力電圧Ｖ_ＩＮと出力電圧Ｖ_ＯＵＴとを比較して、比較結果信号を出力するコンパレータ１６と、比較結果信号を反転して反転した信号を出力するインバータ１８とを更に有する。詳述すると、コンパレータ１６の反転入力端子−には入力電圧Ｖ_ＩＮが入力され、非反転入力端子＋には出力電圧Ｖ_ＯＵＴが入力されている。したがって、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより低いときは、コンパレータ１６は論理ハイレベルの比較結果信号を出力する。この論理ハイレベルの比較結果信号に応答して、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が駆動される。一方、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより高いときは、コンパレータ１６は論理ローレベルの比較結果信号を出力する。この論理ローレベルの比較結果信号はインバータ１８で反転されて、インバータ１８から論理ハイレベルの反転した信号が出力される。この論理ハイレベルの反転した信号に応答して、シリーズレギュレータ１４は駆動される。

したがって、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより低いときは、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は入力電圧Ｖ_ＩＮを昇圧して、一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する。一方、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより高いときは、シリーズレギュレータ１４は、入力電圧Ｖ_ＩＮをレギュレートして（換言すれば、降圧して）、安定化された出力電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、入力電圧Ｖ_ＩＮによらずに、常に一定とすることができる。

とにかく、コンパレータ１６とインバータ１８との組合わせは、出力電圧Ｖ_ＯＵＴと入力電圧Ｖ_ＩＮとを比較して、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより低いときは昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を駆動し、入力電圧Ｖ_ＩＮが出力電圧Ｖ_ＯＵＴより高いときはシリーズレギュレータ１４を駆動する駆動制御手段として働く。

図３に図示した電源装置１０Ａは、たとえ入力電圧Ｖ_ＩＮが変動しても常に一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを発生するので、各定電流源４０のロスは常に一定である。

尚、図３に示されるように、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２には、第１のインダクタＬ１と第１のショットキーバリアダイオードＳＢＤ１とが接続されている。

図４に、電源装置１０Ａの入力電圧Ｖ_ＩＮと出力電圧Ｖ_ＯＵＴの特性を示す。この例では、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが３．８Ｖに常に維持されているとする。入力電圧Ｖ_ＩＮが３．８Ｖより低いときは、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が駆動されて、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは３．８Ｖに維持される。一方、入力電圧Ｖ_ＩＮが３．８Ｖより高いときは、シリーズレギュレータ１４が駆動されて、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは３．８Ｖに安定化される。

図５に、電源装置１０Ａを用いたＬＥＤドライバ（図３）の、入力電圧Ｖ_ＩＮに対する効率を示す。図５において、横軸に入力電圧Ｖ_ＩＮを示し、縦軸に図３に図示したＬＥＤドライバの効率を示す。

図５と図２とを比較して明らかなように、電源装置１０Ａを用いたＬＥＤドライバ（図３）の方が、チャージポンプ式ＬＥＤドライバ（図１）に比較して、高効率を実現していることが分かる。特に、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２で入力電圧Ｖ_ＩＮを昇圧している入力電圧範囲では、高効率を確保することができる。その理由は、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の昇圧率は小さいため、より高効率化が可能だからである。すなわち、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の昇圧率は１〜２倍程度となるため、スイッチング電流が小さくなる。このため、第１のショットキーバリアダイオードＳＢＤ１や昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２のスイッチング抵抗でのロスが小さくなり、より高効率となるからである。したがって、特に、リチウムイオン電池の公称電圧である３．７Ｖ付近での効率改善効果が大きいことが分かる。

このように、図３に示した電源装置１０Ａを用いたＬＥＤドライバは、入力電圧Ｖ_ＩＮを昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２で昇圧するときに、効率の入力電圧依存を小さくできる。

図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る電源装置１０Ｂについて説明する。図示の電源装置１０Ｂも、図３に示した電源装置１０Ａと同様に、白色ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤドライバとして使用されるものである。図示の電源装置１０Ｂも、図３に示した電源装置１０Ａと同様に、従来のチャージポンプ１０（図１）とは異なり、変動する入力電圧Ｖ_ＩＮに対して一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを発生するものである。

図示の電源装置１０Ｂには、シリーズレギュレータ１４の代わりに降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａを使用している点を除いて、図３に示した電源装置１０Ａと同様の構成を有し動作をする。従って、図３に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明を諸略する。

降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａには、第２のインダクタＬ２と第２のショットキーバリアダイオードＳＢＤ２とが接続されている。

図６に図示した電源装置１０Ｂも、図３に図示した電源装置１０Ａと同様に、たとえ入力電圧Ｖ_ＩＮが変動しても常に一定の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを発生するので、各定電流源４０のロスは常に一定である。

図７に、電源装置１０Ｂを用いたＬＥＤドライバ（図６）の、入力電圧Ｖ_ＩＮに対する効率を示す。図７において、横軸に入力電圧Ｖ_ＩＮを示し、縦軸に図６に図示したＬＥＤドライバの効率を示す。

この例でも、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが３．８Ｖに常に維持されているとする。入力電圧Ｖ_ＩＮが３．８Ｖより低いときは、昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が駆動されて、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは３．８Ｖに維持される。一方、入力電圧ＶＩＮが３．８Ｖより高いときは、降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａが駆動されて、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは３．８Ｖに維持される。

図５と図７とを比較して明らかなように、電源装置１０Ｂを用いたＬＥＤドライバ（図６）の方が、電源装置１０Ａを用いたＬＥＤドライバ（図３）に比較して、高入力電圧時の効率も改善されることが分かる。とにかく、図６に示した電源装置１０Ｂを使用したＬＥＤドライバでは、入力電圧Ｖ_ＩＮに依存せずに常に高効率を確保できることが分かる。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、上記実施の形態においては、昇圧手段として昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータを使用した例についてのみ説明したが、他の昇圧手段を使用しても良いのは勿論である。また、上記実施の形態においては、降圧手段としてシリーズレギュレータ又は降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータを使用した例についてのみ説明したが、それ以外の降圧手段を使用しても良いのは勿論である。更に、昇圧手段と降圧手段とを切り換えて駆動する駆動制御手段は、上記実施の形態で説明したような、コンパレータとインバータとの組み合わせに限定されず、他の構成を採用しても良いのは勿論である。本発明に係る電源装置は、ＬＥＤドライバに使用されるものに限定されず、変動する入力電圧に対して常に一定の出力電圧を発生する装置に適用可能であるのは言うまでもない。

従来のチャージポンプ式ＬＥＤドライバの構成を示すブロック図である。 図１に示したチャージポンプ式ＬＥＤドライバの、入力電圧に対する効率の特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電源装置を使用したＬＥＤドライバの構成を示すブロック図である。 図３に示した電源装置の入力電圧と出力電圧の特性を示す図である。 図３に図示した電源装置を用いたＬＥＤドライバの、入力電圧に対する効率の特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電源装置を使用したＬＥＤドライバの構成を示すブロック図である。 図６に図示した電源装置を用いたＬＥＤドライバの、入力電圧に対する効率の特性を示す図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ 電源装置
１２ 昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ シリーズレギュレータ
１４Ａ 降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ コンパレータ
１８ インバータ
２０ 電池（リチウムイオン電池）
３０ 白色ＬＥＤ
４０ 定電流源

Claims (5)

1. 変動する入力電圧に対して一定の出力電圧を発生する電源装置であって、
   前記入力電圧が前記出力電圧より低いときは前記入力電圧を昇圧して前記出力電圧を生成する昇圧手段と、
   前記入力電圧が前記出力電圧より高いときは前記入力電圧を降圧して前記出力電圧を生成する降圧手段と、
   を備えた電源装置。
2. 前記昇圧手段が昇圧式ＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記降圧手段がシリーズレギュレータから構成されている、請求項１に記載の電源装置。
4. 前記降圧手段が降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている、請求項１に記載の電源装置。
5. 前記出力電圧と前記入力電圧とを比較して、前記入力電圧が前記出力電圧より低いときは前記昇圧手段を駆動し、前記入力電圧が前記出力電圧より高いときは前記降圧手段を駆動する駆動制御手段を更に有する、請求項１に記載の電源装置。
   

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