有機発光ダイオードパワーコンバータ

专利摘要:
有機発光ダイオードパワーコンバータを提供する。パワーコンバータ回路は、有機発光ダイオードを駆動するためにＡＣ線間信号をＤＣ信号に変換する。回路は、容量性素子のみを用いてＬＥＤへの電流を制限する。電流を制限するための回路に誘導性及び抵抗性素子は含まれない。誘導性構成要素が存在しないことにより、回路が発生する電磁干渉が排除され、回路構成要素が互いに磁気結合するのが回避される。回路は、相補的ＭＯＳＦＥＴスイッチを含み、交互に導通してＡＣ線間電圧をＤＣ電流に変換し、ＬＥＤを駆動する。
公开号:JP2011505653A
申请号:JP2010534989
申请日:2008-09-30
公开日:2011-02-24
发明作者:ネローン，ルイス・アール
申请人:ゼネラル・エレクトリック・カンパニイＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ；
IPC主号:H05B33-08

专利说明:

[0001] 本出願は、人工照明システムに関する。本出願は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と共に使用する用途があり、特にこれに関連して説明する。しかしながら、本出願はまた、シリコンベースのダイオード又は他の無機半導体を用いる用途にも適用可能であり、必ずしも上述の用途に限定されない点は理解されたい。]
背景技術

[0002] 白熱ランプは、照明産業において広範囲にわたって成功を収めており、広い範囲の商業的需要を満たしてきた。しかしながら、白熱ランプには幾つかの欠点があり、特定の用途では好適ではない。例えば、フィラメントはかなりの量の熱を発生し、フィラメントを密封する真空チャンバはかなりの空きスペースを占有する。加えて、白熱フィラメントは、衝撃及び振動に対して弱いので損傷を受けやすい可能性がある。従って、特定の用途において白熱ランプを用いることは実用的ではなく又は実施可能ではない。]
[0003] 発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来の役割において白熱ランプに代わる実行可能な代替案であることが立証され、更に、白熱ランプができなかった付加的な照明の役割を叶えることができる。ＬＥＤは、堅牢でコンパクトな構造であり、スペース上の制約のある用途、並びに機械的衝撃及び振動を生じる傾向のある用途にとって理想的である。]
先行技術

[0004] 米国特許出願公開第２００４／１８９５５５号公報]
発明が解決しようとする課題

[0005] このようなスペース節減に重点を置く業界（例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ラップトップ、フラットパネルディスプレイ、及び同様のもの）では、小さいことが良いことである。ＬＥＤ自体は小さく、耐久性があり、消費電力が比較的少ないが、ＬＥＤをサポートする回路が追加のスペースを必要とする。通常、ソース電流は、ＬＥＤの動作電流よりも遙かに大きい。ＬＥＤへの電流を制限するために、通常は抵抗を用いてエネルギーを消費することによって電流が制限され、更に熱も発生する。結果として、回路構成部品を十分に冷却するために、付加的なスペースが必要となる。]
[0006] また典型的には、従来のＬＥＤサポート回路において平面磁気が使用される。平面磁気の実施は、電磁干渉を引き起こす高周波パワーコンバータを使用する。その結果、パワーコンバータにより発生した干渉を抑制するために、大きなフィルタが用いられる。平面磁気及びフィルタで使用される両方のインダクタによりＬＥＤサポート回路が大きくなる。]
課題を解決するための手段

[0007] １つの態様によれば、発光ダイオードに電力を供給するためのパワーコンバータ回路が提供される。電源が回路に電力を供給する。第１のスイッチが電源に接続される。第２のスイッチも電源に接続される。第２のスイッチは、電源に対し第１のスイッチと並列である。第１のコンデンサは、第１のスイッチの導通状態の間に電荷を蓄積する。第２のコンデンサは、第２のスイッチの導通状態の間に電荷を蓄積する。第１及び第２のスイッチのうちの少なくとも１つから順方向電流を受けると、少なくとも１つの発光ダイオードが点灯する。]
[0008] 別の態様によれば、非誘導性構成要素のみからなる発光ダイオードへの電流を制限するためのＡＣ−ＤＣコンバータが提供される。電源がコンバータに電力を供給する。第１のスイッチが電源に接続される。第２のスイッチも電源に接続される。第２のスイッチは、電源に対し第１のスイッチと並列である。第１のコンデンサは、第１のスイッチの導通状態の間に電荷を蓄積する。第２のコンデンサは、第２のスイッチの導通状態の間に電荷を蓄積する。第１及び第２のスイッチのうちの少なくとも１つから順方向電流を受けると、少なくとも１つの発光ダイオードが点灯する。]
[0009] 別の態様によれば、非誘導性構成要素のみを用いて発光ダイオードへの電流を制限する方法が提供される。第１及び第２のスイッチが、発光ダイオードに電流を提供するために電源に対して並列の関係で配置される。第１のスイッチと電源との間に第１の電流制限コンデンサが接続される。第２のスイッチと電源との間に第２の電流制限コンデンサが接続される。発光ダイオードにかかる電流は、電流検知抵抗を用いて検知される。]
図面の簡単な説明

[0010] 本発明によるＯＬＥＤパワーコンバータの回路図。
本発明による、トランジスタスイッチの両端の信号の経時的な電圧比較。
本発明による、時間に対する発光ダイオードにかかる電流を示すグラフ。
本発明による、時間に対する発光ダイオードにかかる電圧を示すグラフ。]
実施例

[0011] 図１を参照すると、ＬＥＤに電力を供給するための例示的なＡＣ−ＤＣパワーコンバータが図示されている。電源１０は、ＬＥＤ１２を駆動するＡＣ信号を供給する。１つの実施形態において、電源１０は、６０Ｈｚの１２０Ｖｒｍｓ信号などの標準的線間電圧であり、ＬＥＤは有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）である。勿論、請求項の範囲から逸脱することなく、異なる値を有する電源を用いることもできる。電源周波数で動作することにより、ＦＣＣ標準帯域内で干渉を生じないといった利点が得られる。] 図１
[0012] 第１のスイッチ１４及び第２のスイッチ１６は、電源１０に接続され、電源１０に対して互いに並列にされている。スイッチ１４、１６は、従来のチャージポンプ回路の選択的ゲートとして働く。スイッチ１４、１６は、１つの実施形態では従来のパワーＭＯＳＦＥＴである。低背型のＤパックＭＯＳＦＥＴを用いることができ、場合によってはスペースを節減するために、回路基板の背面に実装することができる。負のドレイン−ソース電圧が検知されるとすぐに、スイッチ１４、１６がターンオンする。実際には、トランジスタスイッチ１４、１６は、正の順方向電圧に応答するという意味ではダイオードとして働く。但し、トランジスタの本来備えているボディダイオードを利用せずに、トランジスタのチャンネルが使用され、効率が向上し、導電損失が低減される。]
[0013] 制御回路１８は、第２のトランジスタスイッチ１６のドレイン−ソース電圧を検知する。図示の実施形態では、トランジスタスイッチ１４、１６は、エンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴである。ｎチャンネルエンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴは、制御信号がゲートに印加されているときは常に導通する。制御回路１８が、第２のトランジスタスイッチ１６の両端で負のドレイン−ソース電圧を検知すると、制御回路は、制御信号を第２のトランジスタスイッチ１６のゲートに印加する。これにより、第２のトランジスタスイッチ１６のチャンネルが導通する。制御回路は、誤差増幅器を通る電流を調整することができ、誤差増幅器は、ＬＥＤ１２と直列に置かれた小さなセンス抵抗１９により出力電流を検知する。１つの実施形態において、制御回路１８は、マイクロパワー論理回路のように１〜１０００μＷ／チャンネルで動作する低電力集積回路において具現化される。]
[0014] 同様に、電圧コンパレータ２０は、第１のトランジスタ１４を制御する。第１のトランジスタスイッチ１４の両端で負のドレイン−ソース電圧が検知されると、電圧コンパレータ２０は、第１のトランジスタスイッチ１４のゲートに制御信号を印加して、これを導通させる。回路レイアウトに起因して、トランジスタスイッチ１４、１６は、導通期間を交互にする。電圧コンパレータ２０は、制御回路１８とのマスタースレーブ関係でスレーブである。電圧コンパレータ２０は、単に、第２のスイッチ１６の動作に基づいて検知する電圧に応答する。制御回路１８は、同じ時間期間にスイッチ１４、１６が同時に導通することを許容しない。これは図２で理解することができる。信号２１ａは、第１のトランジスタスイッチ１４の両端の電圧であり、信号２１ｂは、第２のトランジスタスイッチ１６の両端の相補的電圧である。上述のように、１つのスイッチが導通しているときには、他方のスイッチは非導通である。１つの実施形態において、制御回路１８と同様に電圧コンパレータ２０は、マイクロパワー論理回路で具現化される。] 図２
[0015] 再度図１を参照すると、エネルギーは、第１の電流制限コンデンサ２２と第２の電流制限コンデンサ２４とに蓄積される。スイッチ１４、１６の導通時間を変えることにより、蓄積エネルギーが出力ノード２６に供給される。これらの名称から推測されるように、電流制限コンデンサ２２、２４は、発光ダイオード１２にわたる電流フローを制限する。出力ノード２６で見られる電流（Ｉ０）は、電流制限コンデンサ２２、２４のリアクタンスにより決定付けられる。電流Ｉ０は、発光ダイオード１２と蓄積コンデンサ２８とで分配される。スイッチ１４が導通していないときには、蓄積コンデンサ２８に蓄えられたエネルギーを放電し、発光ダイオード１２を駆動することができる。１つの実施形態において、蓄積コンデンサ２８の値は、電流制限コンデンサ２２、２４の値よりも遙かに大きい。１つの実施形態において、コンデンサ２２、２４、２８はセラミックコンデンサである。セラミックコンデンサは、薄型で、極めて耐熱性があるので、目的の１つができる限り薄くすることである回路に包含するのに好ましい候補となる。] 図１
[0016] １つの実施形態において、望ましい出力電流は３００ｍＡである。この望ましい値及び入力電圧のｒｍｓ値であるＶｉｎが分かると、電流制限コンデンサ２２、２４の所要インピーダンスＸｃ（オーム単位）は、次の関係によって求めることができる。
Ｘｃ＝２１／２Ｖｉｎ／πＩ０
次に、キャパシタンスは信号の周波数ｆによりインピーダンスに関連付けられるので、周波数が既知である場合、電流制限コンデンサ２２、２４の必要なキャパシタンスの値は、以下の関係によって求められる。
Ｃ＝１／２πｆＸｃ
すなわち、１つの実施形態において、電源１０は標準線間電圧１２０Ｖ／６０Ｈｚ、所要出力電流は３００ｍＡ、キャパシタンスの近似値は１４．７３μＦである。電流制限コンデンサ２２、２４にこのキャパシタンス値を用いると、図３に示すような電流信号３０がＯＬＥＤ１２の両端に生じ、図４に示すような電圧３２がＯＬＥＤ１２の両端に生じる。] 図３ 図４
[0017] 出力電流Ｉ０は、どのような誘導性又は抵抗性回路素子も使用せずに調整される。インダクタが存在しないことは、電磁干渉が発生せず、従って、電磁シールド、フィルタ処理、又は補償措置の必要がないことを意味する。更に、素子間の電磁結合を懸念する必要もない。これによりコンバータが簡素化される。インダクタは、他の回路素子に比べて通常は大型であるので、インダクタが排除されることによりスペースも節減され、回路基板に実装されたときの回路の物理的外径が小さくなる。１つの実施形態において、パワーコンバータは、１０ｍｍ未満の垂直プロファイルを有するスペース内に収めることができる。]
[0018] 上述のように、電流制限抵抗性回路素子も排除される。通常、抵抗は、エネルギーを熱の形態で放出することにより電流を制限するのに用いることができる。抵抗素子は、通常、過熱により故障する主要な素子である。従って、電流制限抵抗素子を排除することにより、冷却を可能にするのに必要なスペースはそれほど大きくないので、コンバータのプロファイルを更に小さくすることができる。誘導性及び抵抗性素子を排除することで、サイズは小さくなり、パワーコンバータの信頼性が向上し、その寿命が長くなる。]
[0019] 本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明してきた。上記の詳細な説明を読み理解すると、当業者には修正及び変更が想起されることは明らかであろう。本発明はかかる修正又は変更の全てを包含するものとする。]
[0020] １０電源
１２発光ダイオード
１４ 第１のスイッチ
１６ 第２のスイッチ
２２ 第１のコンデンサ
２４ 第２のコンデンサ
２８ 蓄積コンデンサ]

权利要求:

請求項1
発光ダイオードに電力を供給するためのパワーコンバータ回路において、電源（１０）と、前記電源（１０）に接続された第１のスイッチ（１４）と、前記電源（１０）に接続され、該電源（１０）に対し前記第１のスイッチ（１４）と並列にされた第２のスイッチ（１６）と、前記第１のスイッチ（１４）の導通状態の間に電荷を蓄積する第１のコンデンサ（２２）と、前記第２のスイッチ（１６）の導通状態の間に電荷を蓄積する第２のコンデンサ（２４）と、前記第１及び第２のスイッチ（１４、１６）のうちの少なくとも１つから順方向電流を受けたときに点灯する少なくとも１つの発光ダイオード（１２）と、を備えるパワーコンバータ回路。
請求項2
少なくとも第１のコンデンサ（２２）からの電荷を蓄積する蓄積コンデンサ２８を更に備える、請求項１に記載のパワーコンバータ回路。
請求項3
前記発光ダイオード（１２）を通る電流を検知及び調整するため前記発光ダイオード（１２）と直列にされた電流検知抵抗（１９）を更に備える、請求項１に記載のパワーコンバータ回路。
請求項4
前記第２のスイッチ（１６）の導通状態を制御する制御回路（１８）を更に備える、請求項１に記載のパワーコンバータ回路。
請求項5
前記第１のスイッチ（１４）のソース−ドレイン電圧を検知し、前記第２のスイッチ（１６）の導通状態に基づいて前記第１のスイッチ（１４）の導通状態を制御する電圧コンパレータ（２０）を更に備える、請求項４に記載のパワーコンバータ回路。
請求項6
前記電圧コンパレータ（２０）及び前記制御回路（１８）がマイクロパワーロジック回路である、請求項５に記載のパワーコンバータ回路。
請求項7
前記第１及び第２のコンデンサ（２２、２４）が、前記発光ダイオード（１２）に提供される電流を制限する、請求項１に記載のパワーコンバータ回路。
請求項8
前記第１及び第２のコンデンサの値Ｃが次式に基づいている、請求項７に記載のパワーコンバータ回路。Ｃ＝１／２πｆＸｃ上式で、Ｘｃは、前記発光ダイオード（１２）への電流を十分に制限するのに必要な第１及び第２のコンデンサ（２２、２４）のインピーダンス（オーム単位）、ｆは線間信号の周波数（ヘルツ単位）。
請求項9
前記第１及び第２のコンデンサのインピーダンスＸｃが次式で求められる、請求項８に記載のパワーコンバータ回路。Ｘｃ＝２１／２Ｖｉｎ／πＩ０上式で、Ｖｉｎは前記電源（１０）のＲＭＳ電圧、Ｉ０は前記発光ダイオードを通る所望電流。
請求項10
前記第１及び第２のコンデンサ（２２、２４）の値が約１４．７３μＦである、請求項９に記載のパワーコンバータ回路。
請求項11
前記発光ダイオードが有機発光ダイオードである、請求項１に記載のパワーコンバータ回路。
請求項12
非誘導性構成要素のみからなる発光ダイオードへの電流を制限するためのＡＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記構成要素が、電源（１０）と、前記電源（１０）に接続された第１のスイッチ（１４）と、前記電源（１０）に接続され、該電源（１０）に対し前記第１のスイッチ（１４）と並列にされた第２のスイッチ（１６）と、前記第１のスイッチ（１４）の導通状態の間に電荷を蓄積する第１のコンデンサ（２２）と、前記第２のスイッチ（１６）の導通状態の間に電荷を蓄積する第２のコンデンサ（２４）と、前記第１及び第２のスイッチ（１４、１６）のうちの少なくとも１つから順方向電流を受けたときに点灯する少なくとも１つの発光ダイオード（１２）と、を含む、ＡＣ−ＤＣコンバータ。
請求項13
前記発光ダイオード（１２）が有機発光ダイオードである、請求項１２に記載のＡＣ−ＤＣコンバータ。
請求項14
非誘導性構成要素のみを用いて発光ダイオードへの電流を制限する方法であって、発光ダイオード（１２）に電流を提供するために電源（１０）に対して並列の関係で第１及び第２のスイッチ（２２、２４）を配置する段階と、前記第１のスイッチ（１４）と前記電源（１０）との間に第１の電流制限コンデンサ（２２）を接続する段階と、前記第２のスイッチ（１６）と前記電源（１０）との間に第２の電流制限コンデンサ（２４）を接続する段階と、電流検知抵抗（１９）を用いて前記発光ダイオード（１２）にかかる電流を検知する段階と、を含む方法。
請求項15
前記第２のスイッチ（１６）の導通期間をマイクロパワーロジック回路を用いて制御する段階を更に含む、請求項１４に記載の方法。
請求項16
前記第２のスイッチ（１６）の導通期間と相補的な前記第１のスイッチ（１４）の導通期間をマイクロパワーロジック回路を用いて制御する段階を更に含む、請求項１４に記載の方法。
請求項17
前記第１及び第２の電流制限コンデンサ（２２、２４）により蓄積コンデンサ（２８）を充電する段階と、前記蓄積コンデンサ（２８）を放電し、少なくとも部分的に前記発光ダイオード（１２）を駆動する段階と、を含む、請求項１４に記載の方法。
請求項18
前記発光ダイオード（１２）が有機発光ダイオードである、請求項１４に記載の方法。