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LEDドライバ編


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LEDドライバ編

ナショナル セミコンダクターに聞く!LEDドライバ編

使う前に、選ぶ前に、これだけは知っておきたい部品のジョーシキ。
今さら聞けない あんな質問、こんな疑問を、RSが代わりに伺ってきました。

取材協力:ナショナル セミコンダクター 様

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たかがダイオード、されどダイオード
必要性と基本機能

何故専用のドライバが必要なのですか

LED(発光ダイオード)は近年、発光効率・パワー・演色性等が向上し、省エネルギー光源として応用が拡がっています。光源用途ではパワーが大きいので、安全で電力効率の良い駆動が求められます。このために開発された専用ICがLEDドライバです。

<図1>に高輝度LEDの典型的な順方向電圧-電流特性と発光特性を示します。LEDの光量は電流にほぼ比例しますが、電気的にはダイオードであり、電流が流れ始まる電圧は赤色LEDで2.1V、青(白色)では3.3V程度と一般のシリコンダイオードと比べ高い特性を持っています。ダイオードですので、オンの領域では僅かな電圧上昇で電流が急激に増加しますが、LEDを光らせるにはこの(低インピーダンス)部分で動作させなければなりません。ちなみに、特性は温度による変化を伴います。こうした負荷に対しては通常の定電圧源(電圧が一定になる低出力インピーダンス電源)は適合せず、電流を一定に保つように電圧が制御される高出力インピーダンスの定電流源による駆動を必要とします。<図2>

図1:高輝度LEDの順方向電圧-電流特性と発光特性例

図1:高輝度LEDの順方向電圧-電流特性と発光特性例

図2:定電流源による駆動

図2:定電流源による駆動

スイッチングの威力
定電流駆動と効率

専用ICを使わずに済ませることはできませんか

簡単には直列に抵抗を入れることで代替えできますが、電力の大半を抵抗が消費することになるうえ、電池を電力源とした場合などは時間と共に光量が低下してしまうなど安定性も確保されないため小さなインジケータランプなどにしか適用できません<図3a>。シリーズレギュレータを使って定電流回路を構成することもできますが、LED以外の部分で電力消費を生じる点は同じです。スイッチング電源を使えばこれら問題を解決できます。スイッチング電源の原理的な効率は100%で電力ロスが発生しないうえ優れた定電流性を実現できるからです。実際のスイッチング電源にはある程度のロスが存在しますが、LEDを高い効率で安定して駆動できます<図3b>。

図3(a):直列抵抗による簡易駆動

図3(a):直列抵抗による簡易駆動

図3(b):定電流出力スイッチングレギュレータ

図3(b):定電流出力スイッチングレギュレータ

また、スイッチング電源には降圧・昇圧・絶縁(AC/DC)など様々な回路方式があり、各々に対応したLEDドライバを構成できます。定電流出力を得るためにはLEDに直列に電流検出抵抗(Rfb)を入れて負帰還を施しまが、電力損失が小さくなるよう低抵抗にするため検出電圧は0.2V程度と一般の(定電圧)電源用コントローラの検出電圧より小さく設計されます。<図4>に実際のLEDドライバ製品と電力効率特性の例を示しました。

図4:LEDドライバ製品例 (右は電力効率特性)

図4:LEDドライバ製品例 (右は電力効率特性)

シリーズかパラレルか
LEDの同時の駆動

多数のLEDを駆動する方法を教えてください

照明用途などでは多数のLEDを同時点灯させるため、一般にはLEDを何段か直列にしたものを並列接続します<図5>。直列接続は手軽で各LEDの電流を等しくできます。しかしながら、LEDがオープンモードで故障すると列の全てが消灯してしまいます。また、LEDには1個当たり3~5V程度の順方向電圧があり直列数を多くするに従い高い駆動電圧を要することになるので数には限度があります。一方、並列接続では各列に流れる電流は制御できないので明るさにバラツキを生じます。さらに、LEDがショートモードで故障すると故障した列に電流が集中し連鎖的に他のLEDに波及する危険も考慮しなければなりません。列間のバラツキを緩和するためには各列にバラスト抵抗を入れます。ただし、その場合は各抵抗が電力を消費しますので効率は下がります<図6>。バラツキを抑えしかも安全に駆動するには列毎に独立したドライバを使うのが好ましいのですが、コストアップになることは承知しなければなりません。実際にはこれらを考慮してバランスの良い段数と列数を決めます。

図5:LEDの直並列接続

図5:LEDの直並列接続

図6:各列にバラスト抵抗を入れる方法

図6:各列にバラスト抵抗を入れる方法

「まばゆい」から「ほのか」まで
調光の手段

明るさの調節はどうすれば良いでしょうか

LEDの明るさを可変する手段には電流調光とPWM調光があります。電流調光はLEDに流れる電流を直流的に変える方法です。明かりとしてチラツキが無く一般照明(特に直接照明)などに適していますが、広い電流範囲に対応できるドライバを必要とします。また、<図7>に示したように電流値によってLEDの色味が変化してしまう問題があります。

図7:白色LEDの電流対光度特性例

図7:白色LEDの電流対光度特性例

これに対してPWM調光はLEDを人が感応できない速度でオンオフさせ、その時間割合によって見かけ上の明るさを変えます。オン時の電流は一定ですから明るさに対する色味変化がなく、電流調光よりも大きな調光比(明暗の比率)を実現できます。多くのLEDドライバは電流調光とPWM調光の両者に対応できますが電流調光非対応のものもあります。実際のPWM制御はドライバの出力オン/オフ制御(EN/DIM)端子を通じて行います。LEDドライバではオン/オフ制御端子に対する出力の応答が一般のスイッチング電源コントローラより高速化されており、広い範囲でPWM制御できるようになっています。<図8>

図8:PWM制御の応答特性例 上段:制御信号(EN/DIM)/下段:LED電流/横軸:4ms/div

図8:PWM制御の応答特性例 上段:制御信号(EN/DIM)/下段:LED電流/横軸:4ms/div

光と熱と電気
使用上の考慮事項

実装など設計面で考慮事項はありますか

ドライバとして考慮しなければならない点としては、熱の問題があります。LEDとドライバ双方に発熱があるため、安全性や信頼性(寿命)などの面からそれぞれに放熱対策を講じる必要があります。LEDとドライバが隣接すると互いの周囲温度は思いのほか高くなるので注意してください。発熱を検出して高温時に出力を制限する機能を内蔵したドライバもあります。なお、LEDドライバは原理的にスイッチング電源ですのでスイッチングノイズを伴います。PWM調光する場合はさらにオン/オフに伴うノイズも加わります。これらが他の機器への妨害と成らないためのEMC対策も盛り込んでください。また、スイッチング電源として外付けパワーデバイスの適切な選択など一般的な注意ポイントは押さえてください。

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