降圧レギュレータにより、調光機能を備えるスマートLEDドライバを実現する

LEDは、従来の電球などと比べて、寿命が長く消費電力が少ないという特徴を持ちます。そのため、照明業界を変革するものとして期待されています。しかし、実際にはLED照明の普及を妨げている要因が存在します。それはLED自体のコストです。LED照明器具全体のレベルで見ればコストは様々です。ただ、一般的には照明器具の総コストのうち約25%～40%はLEDが占めています。図1に示すように、このような状態は今後何年にもわたって続くと予想されています。

照明器具の総コストを削減する方法の1つは、データシートで許容されている最大限のDC電流でLEDを駆動することです。その値は、LEDのビニング電流の値よりもかなり大きい可能性があります。ただ、その電流で適切に駆動することができれば、コストあたりの光量（ルーメン）を高めることができます。

しかし、そのような条件でLEDを駆動するには、大電流を供給できるドライバが必要です。500mA未満といったレベルの電流でLEDを駆動するのであれば、多くのソリューションを利用できます。それに対し、700mA～4Aといった多くの電流を供給するための選択肢は限られています。このことは、意外に感じられるかもしれません。なぜなら、半導体の市場には、最大4Aの駆動能力を備えるDC/DCソリューションが豊富に提供されているからです。ただ、それらのソリューションの多くは、電圧の制御を目的として設計されています。つまり、電流を制御するためのものではありません。そのため、LEDの駆動に使用できるとは限らないということです。そこで、本稿では、容易に入手できる降圧型のDC/DCコンバータを利用してスマートなLEDドライバを実現する方法を紹介することにします。

図3は、一般的な降圧型DC/DCコンバータの動作についてまとめたものです。この回路では、入力電圧をチョッピングし、その結果をLCフィルタに受け渡します。その出力が安定した電圧として負荷に供給されます。この機能を実現するためには、2つの能動素子と2つの受動素子が使われます。2つの能動素子とは、入力とインダクタの間に配置されたスイッチAと、グラウンドとインダクタの間に配置されたスイッチB（ダイオードが使われることもあります）のことです。一方、2つの受動素子とはインダクタLと出力コンデンサC_OUTのことです。これらによって構成されるLCフィルタは、能動素子の動作に伴って発生するリップルを低減する役割を果たします。

降圧処理に必要な制御処理を担うICは大きく2つに分けられます。1つは、スイッチを内蔵しているタイプのものです。この種の製品は、レギュレータIC（あるいはコンバータIC）と呼ばれます。一方、外付けのスイッチと共に使用するタイプの製品は、コントローラICと呼ばれます。2つのスイッチとしてトランジスタ（MOSFETまたはBJT）を使用するものは、同期型と呼ばれます。一方、下側のスイッチとしてダイオードを使用するものは、非同期型と呼ばれます。このように、降圧コンバータにはいくつかの種類があり、それぞれに長所と短所があります。とはいえ、通常は同期型の降圧レギュレータが最も有力な選択肢になるでしょう。なぜなら、効率、部品点数、ソリューションのコスト、基板面積といった面で優位性を備えているからです。残念ながら、LEDを大電流（最大4A）で駆動するための同期型の降圧レギュレータはあまり製品化されていません。製品化されているものも、比較的高価だという欠点があります。そこで、本稿では、標準的な同期型降圧レギュレータ「ADP2384」を活用する方法を紹介します。一般的な電源を構成する場合とは異なる接続方法を採用することにより、LEDの駆動電流をレギュレートできるようにします。

ADP2384は、同期型の降圧レギュレータであり、高い効率を実現します。入力電圧は最大20Vであり、出力電流は最大4Aです。図4に、出力電圧をレギュレートするための一般的な接続方法を示しました。

この回路の通常の動作は次のようなものになります。まず、出力電圧V_OUTは分圧され、得られた電圧がFBピンに入力されます。この電圧は、ADP2384の内部で生成される600mVのリファレンス電圧と比較されます。その比較結果は、スイッチを制御するための適切なデューティ・サイクルを生成するために使用されます。このような仕組みにより、定常状態において、FBピンの電圧は正確に600mVに保持されることになります。つまり、出力電圧V_OUTは600mVを分圧比で割った値でレギュレートされるということです。図5に示したのは、上側の抵抗R₂をLEDに置き換えたものです。この場合も、V_OUTはFBピンで600mVを維持するために必要な電圧（定格内）になるはずです。LEDを流れる駆動電流I_LEDは、600mV/R_SENSEになるよう制御されることになります。

図5の回路においては、I_LEDを設定するためにFBピンとグラウンドの間に配置する抵抗として高精度のものを選択すれば、期待どおりの結果が得られます。但し、その抵抗によって、P = 600mV×I_LEDで決まる多くの電力が消費されてしまいます。このことは、I_LEDの値が小さければ大きな問題にはなりません。しかし、本稿で想定しているような大きな駆動電流が必要なケースでは、効率が大きく低下してしまいます。なぜなら、抵抗によって600mV×4A = 2.4Wもの電力が消費されるからです。加えて、照明器具からは大量の熱が生じることになります。FBリファレンス電圧（FBピンに現れるリファレンス電圧。通常は、ADP2384の内部で生成されるリファレンス電圧に等しい）を下げれば、それに比例して消費電力は削減されます。しかし、ほとんどの降圧レギュレータは、FBリファレンス電圧を調整する方法を提供していません。ただ、実はほとんどの降圧レギュレータでは、少し工夫を施すことによって、FBリファレンス電圧を下げることができます。1つは、SS/TRKピンを使用する方法です。もう1つは、R_SENSEの電圧にオフセットを加える方法です。

多くの汎用降圧レギュレータICは、SS（ソフトスタート）ピンまたはTRK（トラッキング）ピンを備えています。SSピンは、起動時にスイッチング・パルスのデューティ・サイクルをゆっくり増加させることにより、起動時のトランジェントを最小限に抑えるためのものです。一方のTRKピンは、独立した電圧に追従させて降圧レギュレータを起動するために使用されます。多くの場合、これらの機能は単一のSS/TRKピンとしてまとめられています。ほとんどの降圧レギュレータICでは、誤差アンプによって、SSピン、TRKピン、FBピンのうち最小の電圧とリファレンス電圧の比較を行います（図6）。

SS/TRKピンを照明器具のアプリケーションで利用する場合、次のようなことを行います。まず、SS/TRKピンには固定電圧を設定します。そして、それを新たなFBリファレンス電圧として使用します。分圧器を定電圧に接続すれば、適切なリファレンス源として使用できます。多くの降圧レギュレータICは、制御された低い電圧を出力するピンを備えています。ADP2384で言えば、VREGピンがそれに相当します。そうした出力を定電圧として使用すればよいということです。より高い精度を得たい場合には、「ADR5040」のような高精度の電圧リファレンスを使用するとよいでしょう。ADR5040は、単純な2端子の製品です。いずれの場合も、供給される電圧とSS/TRKピンの間に配置した抵抗分圧器によって、新たなリファレンス電圧を生成します。この電圧を100mV～200mVに設定すれば、消費電力とLEDの駆動電流の精度のトレードオフとして最適な結果が得られます。ユーザがリファレンス電圧を選択できる場合、もう1つのメリットが得られます。それは、R_SENSEとして都合の良い標準値を選択できるようになることです。同抵抗によってLEDの駆動電流を設定することから、現実の実装には適していない高精度の抵抗値を指定しなければならなかったり、標準的な抵抗を組み合わせて必要な値を実現したりする費用や不正確さを回避することが可能になります。

SSピン／TRKピンによる手法は、すべての降圧レギュレータで使用できるわけではありません。これらのピンを備えていないICも存在するからです。また、製品によっては、SSピンによって、FBリファレンス電圧ではなく、インダクタのピーク電流が変化するものもあります。したがって、データシートをきちんと確認しなければなりません。もう1つの方法は、R_SENSEの電圧にオフセットを加えるというものです。例えば、正確な電圧源とR_SENSEの間に抵抗分圧器を適用すれば、R_SENSEからFBピンに対して、ほぼ一定のオフセット電圧を加えることができます（図8）。

抵抗分圧器で使用する抵抗の値は、以下の式で表されます。ここで、V_SUPはレギュレートされた補助電圧、F_BREF(NEW)は設定したいR_SENSEの両端の電圧です。

フィードバックに使用する実際のリファレンス電圧を150mVにするためには、R2が1kΩ、V_SUPが5Vの場合、次式のようになります。        

一方、LEDの駆動電流は、次式で求められます。           

この方法であれば、SSピンやTRKピンは必要ありません。R_SENSEの電圧はFB_REF(NEW)にレギュレートされますが、FBピンは変わらず600mVにレギュレートされます。したがって、ADP2384の他の機能（ソフトスタート、トラッキング、パワーグッドなど）は、引き続き通常どおりに利用できます。

この方法の欠点は、R_SENSEとFBピンの間のオフセットが、電源の精度から大きな影響を受けることです。ADR5040などの高精度のリファレンスを使用するのが理想ですが、リファレンス（VREG）の許容誤差はあまり小さくない（±5%）ので、LEDの駆動電流には±12%のばらつきが生じます。表1は、ここまでに説明した2つの方法を比較したものです。

表1. 2つの方法の比較

電圧の正確なレギュレーションを実現するためには、もう1つ重要なことがあります。それは、検出抵抗までの配線を適切に行わなければならないというものです。検出抵抗としては4端子のものを使用できれば理想的ですが、コストが高くなる可能性があります。図9に示すような優れたレイアウト手法を適用すれば、2端子の抵抗を使用した場合でも高い精度を得ることができます⁴。

レギュレーション以外の機能

ここまでに説明したとおり、市販の降圧レギュレータを使用してLEDの駆動電流をレギュレートするのは、それほど難しいことではありません。本稿では、ADP2384を使用する例を示しました。アナログ・デバイセズは、「ADP2441」を使用する例を紹介したより詳細なドキュメントも公開しています。ADP2441は、ADP2384と比べるとかなりピン数が少ない製品ですが、入力電圧範囲は36Vまで対応しています。上記のドキュメントでは、LED専用の降圧レギュレータで提供されている多くのスマートな機能を実装する方法も説明しています。LEDのショート／オープンに対する保護、R_SENSEのショート／オープンに対する保護、PWM調光、アナログ調光、過熱に対応するための電流フォールドバックといった機能です。以下では、ADP2384を使用し、PWM調光、アナログ調光、電流フォールドバックの各機能を実現する方法を紹介することにします。

PWM調光とアナログ調光

スマートなLEDドライバは、LEDの明るさを調整するための調光制御という重要な機能を提供します。調光制御の方法としては、PWM調光またはアナログ調光が使われます。PWM調光では、パルスのデューティ・サイクルを調整することによってLEDの駆動電流を制御します。人の目は、周波数が約120Hz以上のパルス光は、平均化された明るさとして知覚します。一方、アナログ調光では、必要な明るさに応じてLEDの駆動電流を増減させ、一定（DC）の値を供給します。

PWM調光の機能は、R_SENSEに直列にNMOSスイッチを接続し、それを開閉することで実現できます。ただ、このような電流レベルのアプリケーションにはパワー・デバイスが必要になります。パワー・デバイスを追加すると、パワー・スイッチを内蔵する降圧レギュレータを使用することで得られるサイズとコストのメリットが損なわれてしまいます。別の方法として、レギュレータを高速にオン／オフすることでPWM調光を実現することもできます。PWMの周波数が低い場合（1kHz未満）、この方法でも優れた精度が得られます（図10）。

あらゆる汎用降圧レギュレータと同様に、ADP2384にはPWM調光用の入力ピンは存在しません。しかし、FBピンを利用することにより、イネーブルの状態とディスエーブルの状態の間をスイッチングすることができます。FBピンの電圧がハイになると、誤差アンプの出力がローになり、降圧用のスイッチング動作が停止します。FBピンにR_SENSEを再接続すれば、通常のレギュレーション動作が再開されます。この切り替え用のスイッチとしては、NMOSの小電流トランジスタまたは汎用ダイオードを使用できます。図11の回路の場合、PWM信号がハイになると、NMOSトランジスタがオンになり、R_SENSEがFBピンに接続されます。それにより、LEDのレギュレーションがイネーブルになります。一方、PWM信号がローになると、NMOSトランジスタがオフになり、プルアップ抵抗によってFBピンの入力がハイに引き上げられます。

PWM調光は非常によく使用される機能ですが、ノイズを避けるためにアナログ調光が求められるケースもあります。アナログ調光では、単純にLEDの駆動電流の量を増減させます。PWM調光ではLEDの駆動電流をチョッピングするので、その点に差があります。調光を行うにあたり2つの入力を使う場合には、アナログ調光を選択する必要があります。複数のPWM調光信号を使用すると、ビート周波数が発生し、フリッカ・ノイズや可聴ノイズが生じる可能性があるからです。一方ではPWM調光を実行し、他方ではアナログ調光を実行するのであれば問題はありません。汎用の降圧レギュレータを利用する場合、アナログ調光を実装する最も簡単な方法は、FBリファレンス電圧の生成回路からの供給電圧を調整し、FBリファレンス電圧の値を操作することです（図12）。

サーマル・フォールドバック

LEDの寿命は、その接合部の温度に大きく左右されます。そのため、LEDを監視し、その温度が高すぎる場合には何らかの対処が必要になる可能性があります。温度が異常なレベルまで高まっている場合、ヒート・シンクの接続が不十分であったり、動作環境の温度が高すぎたり、その他の過酷な条件が生じていたりするのかもしれません。この問題に対する一般的な解決策は、温度が閾値を超えたら、LEDの駆動電流を減少させることです（図13）。これをLEDのサーマル・フォールドバックと呼びます。

サーマル・フォールドバックでは、次のような調光を行います。まず、温度の閾値T1に到達するまでは、LEDの駆動電流は最大値に保持されます。温度がT1を超えたら、その上昇の度合いに応じて駆動電流を減らします。それにより、LEDの接合部の温度を制限します。結果として、LEDの寿命を維持することが可能になります。一般に、LED用のヒート・シンクの温度を測定する際には、低コストのNTC（Negative Temperature Coefficient）抵抗が使用されます。ここで、アナログ調光の方法を少し変更すれば、NTC抵抗の温度に応じてLEDの駆動電流を簡単に制御することができます。SS/TRKピンをFBリファレンス電圧の制御に使用する場合、電圧リファレンスと並列にNTC抵抗を配置するという簡単な方法を利用できます（図14）。

ヒート・シンクの温度が上昇すると、NTC抵抗の値は低下します。ここで、同抵抗は抵抗R₃と共に抵抗分圧器を構成しています。この分圧器の電圧がリファレンス電圧よりも高い場合、最大電流が供給されます。一方、分圧器の電圧がリファレンス電圧を下回ると、FBリファレンス電圧が低下し始め、LEDの駆動電流も減少します。

まとめ

本稿では、標準的な降圧レギュレータを使用して、LEDドライバ向けの多様な機能を実現する方法を紹介しました。それぞれの方法は、一般的なガイドラインとして捉えることができるでしょう。但し、いずれの方法も、降圧レギュレータ製品が本来対象としている用途からは少し外れています。したがって、選択肢として考えているレギュレータICが、こうした動作モードに対応可能であることを保証できるか否かを半導体メーカーに問い合わせることをお勧めします。ADP2384やADP2441をはじめとする降圧レギュレータの詳細や、LEDドライバ向けのソリューションとなるデモ用ボードについては、照明技術ソリューションのページをご覧ください。

I invite you to comment on Smart LED Drivers in the Analog Dialogue Community on EngineerZone.

参考資料

¹ DOE SSL 2011 Manufacturing Roadmap（米国エネルギー省　SSL製造ロードマップ　2011年）、http://ssl.energy.gov

² David Cox、Don Hirsh、Michael McClintic「Are you using all of the lumens that you paid for?（その光量は、費やしたお金に見合っていますか？）」LED Magazine、2012年2月

³ Ken Marasco「DC/DCステップダウン（降圧）レギュレータを活用する方法」Analog Dialogue、Vol. 45、No. 2（2011年）

⁴ Marcus O'Sullivan「低抵抗値シャント抵抗のレイアウトパッドの改善による高電流検出精度の最適化」Analog Dialogue、Vol. 46、No. 2（2012年

著者

Jon Kraft

Jon Kraft は、アナログ・デバイセズのシニア・スタッフ・フィールド・アプリケーション・エンジニアです。コロラド州を拠点とし、ソフトウェア無線と航空宇宙用フェーズド・アレイ・レーダーを担当しています。勤続年数は13年です。ローズ・ハルマン工科大学で電気工学の学士号、アリゾナ州立大学で電気工学の修士号を取得。9件の特許を保有しており（それらのうち6件はアナログ・デバイセズで取得）、現在も1件を申請中です。