降圧モードLEDドライバの動作

■問題
使用するコマンド ― .DC,.TRAN

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，降圧モードLEDドライバICで，LEDを点灯させるための回路図です．図1では，R₁の値を変えることで，LED電流(I_LED)を調整することが可能で「I_LED=0.2/R₁」となります．
　LEDドライバICのスイッチング周波数は1MHzです．SW1がOFFのとき，B点の電圧波形は図1下のようになり，0V(LOW)の時間が0.23μsecでした．
　SW1をONした場合，B点が0V(LOW)になっている時間は(a)～(d)のどれでしょうか．
　ただし，コイル(L₁)の電流は連続して流れており，コイルやIC内部の損失は無視できるものとします．

図1　降圧モードLEDドライバICでLEDを点灯させるための回路図とB点の波形
SW1をONしたとき，B点が0Vになっている時間は？

(a)0.12μsec　(b)0.23μsec　(c)0.35μsec　(d)0.47μsec

■ヒント

　降圧モードLEDドライバICは，降圧スイッチング電源と類似した動作をします．まず，電源電圧とB点の波形のデューティ比から，A点の電圧を計算します．そしてA点の電圧から，LEDの電圧を求めます．次に，SW1がONしているときのA点の電圧を求め，その電圧からB点の波形のデューティ比を求めれば，答えが分かります．

■解答

(a)0.12μsec

　図1の降圧モードLEDドライバICは，電源を基準した電圧を作り出す，降圧スイッチング電源と同様な動作をします．B点が0Vになっているデューティ比をDとすると，電源端子とA点の電圧差(V_OUT)は「V_OUT=V_CC*D」で計算することができます．
　スイッチング周波数が1MHzなので，周期は1μsecとなり，B点が0Vになっている時間が0.23μsecであることから，デューティ比は0.23になります．そのため，図1でSW1がOFFのとき「V_OUT=0.23*30=6.9V」となります．また，LED電流が「I_LED=0.2/R₁」で求められることから，R₁の電圧降下は0.2Vになります．そのため，LED2個の直列電圧は6.9-0.2=6.7Vとなり，LED1個の電圧は3.35Vであることが分かります．
　SW1をONすると，電源端子とA点の電圧差(V_OUT)は「V_OUT=0.2+3.35=3.55V」に変化します．このとき，B点のデューティ比Dは「D=V_OUT/V_CC=3.55/30=0.118」となります．そのため，B点が0Vになっている時間は0.118μsecとなり，(a)～(d)で最も近いのは，(a)の0.12μsecとなります．

■解説

●LEDを点灯させる簡単な方法
　LEDを点灯させるための回路で最も簡単なものは，図2左のように直列に抵抗を入れる方法です．ただし，この回路は，図2右のように，電源電圧によってLED電流が変化してしまいます．そして，LEDで消費する電力と，電源から供給される電力の比である，効率もよくありません．

図2　抵抗を使用した，LEDを点灯させるための最も簡単な回路
電源電圧によってLED電流が変化してしまう．

　電源電圧によってLED電流が変化してしまうのを防ぐ方法の1つに，抵抗の替わりに定電流素子を使用する方法があります．図3は定電流素子として，JFETを使用したものです．電源電圧変化によるLED電流の変動は小さくなっていますが，電源電圧が高いときの効率がよくありません．

図3　定電流素子としてJFETを使用した，LEDを点灯させるための回路
LED電流の変化は少ないが，電源電圧が高いときに効率が低下する．

●降圧モードLEDドライバICの動作
　図2や図3の回路の問題点を解消できるのが，降圧モードLEDドライバICになります．降圧モード・ドライバICの基本的な原理は，降圧スイッチング電源と同じです．
　図4は，一般的な降圧スイッチング電源と図1の降圧モードLEDドライバのブロック図です．最も大きな違いは，降圧スイッチング電源がOut端子の電圧が一定になるように，スイッチをPWM制御するのに対し，降圧モードLEDドライバは，R₁に発生する，LED電流に比例した電圧が一定になるように，スイッチをPWM制御します．
　また，図4の降圧スイッチング電源は，PWM制御されるスイッチが電源側に接続され，降圧モードLEDドライバは，PWM制御されるスイッチがGND側に接続されています．ただし，降圧モードLEDドライバは，PWM制御されるスイッチを電源側にした構成とすることもできます．
　PWM制御されるスイッチの周期をTとし，スイッチがONしている時間をT_ONとすると，コイルの電流が0にならず，電流連続モードで動作している場合，どちらの回路もV_OUTは式1で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

図4　一般的な降圧スイッチング電源と降圧モードLEDドライバのブロック図
降圧モードLEDドライバは，LED電流が一定になるようにスイッチをPWM制御する．

●降圧モードLEDドライバを確認する
　図5は，図1の降圧モードLEDドライバをシミュレーションするための回路です．スイッチS₁は，パルス電源のV₁でON/OFFを制御しています．V₁は，周期1μsec(周波数1MHz)で，ON時間(T_ON)をLED電流が20mAになるように微調整し，0V(LOW)の時間を0.234μsecに設定しています．ここでは，T_ONを0.23μsecとして，V_CCとA点の電圧差(V_OUT)を計算すると，式2のように6.9Vとなり，A点の電圧は「30V-7V=23.1V」となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

図5　LED2個を駆動する降圧モードLEDドライバをシミュレーションするための回路
スイッチS₁は，パルス電源のV₁でON/OFFを制御している．

　図6は，図5のシュミレーション結果です．LED電流は約20mAでA点の電圧は23.2Vとなっています．

図6　LED2個を駆動する降圧モードLEDドライバのシミュレーション結果
LED電流は約20mAでA点の電圧は23.2Vになっている．

●1つのLEDに並列接続したスイッチをONしたときの降圧モードLEDドライバを確認する
　図7は，1つのLEDに並列接続したスイッチをONした場合をシミュレーションするための回路です．まず，式2の結果を元に，1つのLEDに並列接続したスイッチをONした場合，LED電流が20mAになるT_ONがいくつになるか求めてみます．

図7　1個のLEDを駆動する降圧モードLEDドライバをシミュレーションするための回路
スイッチS₁はパルス電源のV₁でON/OFFを制御している．

　V_CCとA点の電圧差(V_OUT)は式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　LED電流が20mAであることから，R₁の電圧降下(V_R1)は「20mA*10=0.2V」になります．式3を変形してLEDの電圧(VLED)を求めると，式4のように，3.35Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　1つのLEDに並列接続したスイッチをONした場合のV_OUTは式5で求められます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　このとき，A点の電圧は30V-3.55V=26.45Vになります．式2を変形して1つのLEDに並列接続したスイッチをONした場合のT_ONを求めると，式6のように約0.12μsecになります．図7では，LED電流が20mAになるようにT_ONを微調整し，0.127μsecとしています．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　図8は，図7の1個のLEDを駆動したシミュレーション結果です．LED電流は20mAでA点の電圧は26.5Vになっています．

図8　1個のLEDを駆動した場合のシミュレーション結果
LED電流は20mAでA点の電圧は26.5Vになっている．

　図9は，図7の回路で，LEDで発生する電力とV_CCが供給する電力の比を計算して効率を表示したものです．これは，[Plot settings]から[Add Traces]を選択し「100*V(c,A)*I(D2)/(-I(V_CC)*V(V_CC))」と入力することで表示することができます．

図9　1個のLEDを駆動する降圧モードLEDドライバの効率シミュレーション結果
電源電圧30Vのときの効率は80%となっている

　また，波形表示画面のメニューバーから，[Plot Settings][Open Plot Setting File]を実行し，"LED_Dr_1p_Ef.plt"を選択して開くことでも表示できます．電源電圧が30Vのとき，図2や図3の回路では効率が10%程度でしたが，降圧モードLEDドライバでは80%程度の効率が得られています．なお，図7のR₂とC₂は電源(V_CC)に流れる電流のリプルを低減し，効率のグラフを見やすくするためのフィルターです．

●実際の降圧モードLEDドライバICを確認する
　図10は，アナログ・デバイセズ社の降圧モードLEDドライバICである，LT3590をシミュレーションするための回路です．このICは，電源電圧48Vで10個のLEDを直列接続して駆動することができます．

図10　降圧モードLEDドライバICのLT3590をシミュレーションするための回路
このICは，電源電圧48Vで10個のLEDを直列接続して駆動できる．

　図11は，降圧モードLEDドライバICのLT3590のシミュレーション結果です．LED電流が20mAにコントロールされていることが分かります．

図11　降圧モードLEDドライバICのLT3590のシミュレーション結果
LED電流が20mAにコントロールされている．

　以上，降圧モードLEDドライバICについて解説しました．降圧モードLEDドライバICと同じ動作原理の降圧スイッチング電源についての詳しい解説は，「LTspice電源＆アナログ回路入門：降圧スイッチング電源の基礎」を参照してください．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice7_017.zip

●データ・ファイル内容
simple_LED_Dr_A.asc：図2の回路
simple_LED_Dr_A.plt：図2のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
simple_LED_Dr_B.asc：図3の回路
simple_LED_Dr_B.plt：図3のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LED_Dr_2p.asc：図5の回路
LED_Dr_2p.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LED_Dr_2p.asc：図7の回路
LED_Dr_2p.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LED_Dr_1p_Ef.plt：図9のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
3590.asc：図10の回路