LED駆動電源原理の紹介

2018-11-20 18:24:04

下のグラフは、順方向電圧降下（VF）と順方向電流（IF）の関係を示しています。曲線から、順方向電圧が一定のしきい値（約2V）、つまりオン電圧を超えると、IFがVFに比例すると近似できることがわかります。表は、現在の超高輝度LEDの電気特性を示しています。表によると、超高輝度LEDの最高IFは現在1Aに達し、VFは通常2〜4Vです。

 

LED の光特性は通常、電圧ではなく電流の関数として記述され、光束 (V) と IF の関係曲線により、定電流源ドライバは明るさをより適切に制御できます。また、LED の順方向電圧降下の範囲は比較的大きく (最大 1V)、上図の VF-IF 曲線は、VF の小さな変化が IF の大きな変化を引き起こし、明るさの変化がより大きくなることを示しています。したがって、定電圧源ドライバを使用すると、LED の明るさの一貫性が保証されず、LED の信頼性、寿命、および光学的減衰に影響を与えます。したがって、超高輝度 LED は通常、定電流源によって駆動されます。

 

以下は、LED の温度と光束 (V) の関係です。下図から、光束は温度に反比例していることがわかります。85 ℃ での光束は 25 ℃ の半分で、140 ℃ での出力は 1.8 ℃ の 25 倍です。温度変化は LED の波長にも一定の影響を与えます。したがって、良好な放熱は LED の明るさを一定に保つことを保証します。

 

以下はLEDの温度と光束の関係を示した図です。

 

一般的なLED駆動回路の紹介

LED の電力レベルには制限があるため、通常は複数の LED を同時に駆動して明るさの要件を満たす必要があります。そのため、LED を点灯するには特別な駆動回路が必要です。以下は、LED コンセプトの駆動回路の簡単な紹介です。

 

抵抗電流制限回路を下図に示します。抵抗電流制限駆動回路は最も単純な駆動回路です。電流制限抵抗は以下の式で計算されます。

 

Vin は回路の入力電圧です。VF は IED の順方向電流です。VF は順方向電流が IF のときの LED の電圧降下です。VD は逆流防止ダイオード (オプション) の電圧降下です。y は各直列の LED の数です。x は並列 LED のシリアル番号です。

 

上図から LED の線形化された数学モデルが得られます。

式: Voは単一LEDの開放電圧降下、Rsは単一LEDの線形等価直列抵抗です。上限電流抵抗の計算は次のように表すことができます。

 

抵抗器を選択すると、抵抗電流制限回路のIFとVFの関係は

 

上式から、抵抗電流制限回路はシンプルですが、入力電圧が変動すると、LEDを流れる電流も変化するため、調整性能が悪くなります。また、抵抗Rの電力損失はxRIFであるため、効率が低くなります。

リニアレギュレータの導入

リニア レギュレータの核心は、負荷を制御するための動的調整可能な抵抗として、線形領域で動作するパワー トライオードまたは MOSFET を使用することです。リニア レギュレータには、並列と直列の 2 つのタイプがあります。

 

下の図 a に示す並列リニア レギュレータは、シャントレギュレータとも呼ばれます (図には 1 つの LED のみが表示されていますが、実際には負荷は直列に接続された複数の LED になる可能性があり、下図も同様です)。これは LED と並列です。入力電圧が上昇するか、LED が減少すると、シャントレギュレータを流れる電流が増加し、電流制限抵抗の電圧降下が増加します。LED を流れる電流は一定のままです。

 

シャントレギュレータは抵抗器と直列に接続する必要があるため、効率が高くなく、入力電圧が広範囲に変化した場合に一定のレギュレーションを実現することが困難です。

 

次の図 B は直列レギュレータを示しています。入力電圧が増加すると、レギュレータの動的抵抗が増加し、LED の電圧 (電流) が一定に保たれます。

 

パワートランジスタまたは MOSFET には飽和オン電圧があるため、回路が正しく動作するためには、最小入力電圧が飽和電圧と負荷電圧の合計よりも大きくなければなりません。

 

スイッチレギュレータの導入

駆動技術は入力電圧範囲によって制限されるだけでなく、効率も低い。低電力の通常のLEDドライバで使用する場合、電流は数mAに過ぎないため、損失は明らかではない。数百mA以上の電流で高輝度LEDを駆動する場合、電源回路の損失は深刻な問題となる。スイッチング電源は現在最も効率的なエネルギー変換装置であり、