JP7449722B2

JP7449722B2 - オフライン用照明器具

Info

Publication number: JP7449722B2
Application number: JP2020035888A
Authority: JP
Inventors: 洋山下
Original assignee: 大光電機株式会社
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: JP2021141665A

Description

この発明は、商用電源から直流出力を得るためのスイッチング電源を備え、スイッチング電源により得られた直流で光源を点灯させるオフライン用照明器具に関する。

上記のようなオフライン用照明器具として、鋼板等の金属製支持板に照明を点灯させるためのスイッチング電源等回路が搭載された片面プリント配線基板が取り付けられている構成のものが提供されている。尚、片面プリント配線基板（以下、基板と称することもある）は、紙フェノール等の材質で低価格である為使用されることが多いものの、片側にしか印刷パターンを配線できない為、形状が大きくなる若しくはノイズ対策が限定的になる等の課題がある。

その片面プリント配線基板に搭載されたスッチング電源回路には、半導体製のスイッチング素子からスイッチング周波数（数１０ｋＨｚ～数１００ｋＨｚ）に同期したＲ／Ｎ成分ノイズが発生する。このノイズが照明器具外部へ流出するのを抑える為、入力にフィルタが接続されるものとなされ、このフィルタが片面プリント配線基板にスイッチング電源回路とともに搭載されるのが一般的である。

フィルタは、コンデンサとインダクタで構成されており、特にインダクタは高価であるためノイズ対策は高価になっていた。又、オフライン用スッチング電源は、商用電源を投入した時に発生する突入電流を制限する為、サーミスタ・抵抗等の突入防止用素子をフィルタとは別に基板に搭載されていることが多い。コスト低減の為、突入防止をインダクタの抵抗分で補い突入防止をまかなうことは行われている。しかし、逆の突入防止用素子でインダクタ分を補うことは行われていない。これは、上記突入防止用素子のインダクタンスが寄生の為、約数μＨと非常に小さく、フィルタとしての能力が小さい為、電気用品安全法等のＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）規格を満足させることができなかったからである。実現させるにはノイズ発生そのものを低減させる必要があった。

ノイズ発生そのものを低減させるため、従来、スイッチングモードの選択でハイサイドスイッチングや不連続モードの採用が提案されている(例えば特許文献１～４)。ハイサイドスイッチングとは、交流電源の脈流を平滑する平滑回路若しくは力率改善回路（ＰＦＣ回路）の出力の正電位側にスイッチング素子が接続されたものである。不連続モードとはスイッチング素子の電流が零から立ち上がるものである。

特開２０１２－６４４３０号公報特開２０１４－３５９４３号公報特開２０１５－１１９５０９号公報特開２０１８－５７０９３号公報

ノイズ低減のためには、上述したハイサイドスイッチング、不連続モードの採用が望ましいことは確かである。

しかし、ハイサイドスイッチング、不連続モードの採用のみでは、ノイズの低減効果は十分ではなく、このため、フィルタにおけるインダクタを小型化あるいは省略化を図り、ひいてはフィルタのコスト低減を図ることはできなかった。

この発明は、このような背景に鑑みてなされたものであって、片面プリント配線基板に搭載されたスッチング電源回路のスイッチング素子からのノイズの発生抑止効果を高めたオフライン用照明器具の提供を目的とする。

上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１）金属製支持板と、一面に印刷配線パターンが形成され、他面に光源を点灯させるためのスイッチング電源回路が搭載され、前記印刷配線パターンを金属製支持板側にして前記金属製支持板に平行状態に取り付けられた片面プリント配線基板と、を備え、前記スイッチング電源回路は半導体からなるスイッチング素子を備えるとともに、前記スイッチング素子は、交流電源の脈流を平滑化する平滑回路若しくは力率改善回路の出力の正電位側に接続され、前記スイッチング素子のスイッチング動作は不連続モードであり、かつ前記スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、ソース側ないしエミッタ側の周辺回路の印刷配線パターンの合計面積が、１００ｍｍ²以下に設定されていることを特徴とするオフライン用照明器具。
（２）前記交流電源側に雑音防止用コンデンサを備え、前記雑音防止用コンデンサの後段に、雑音防止用インダクタに代えて突入防止用素子が接続されていることを特徴とする前項１に記載のオフライン用照明器具。
（３）前記突入防止用素子が抵抗であることを特徴とする前項２に記載のオフライン用照明器具。
（４）前記金属製支持板と前記片面プリント配線基板の印刷配線パターンとの距離が４～８ｍｍであることを特徴とする前項１ないし前項３のいずれかに記載のオフライン用照明器具。
（５）前記周辺回路の印刷配線パターンは、前記スイッチング素子のソースないしはエミッタの電位に対して３０Ｖ以下の電位にある印刷配線パターンである前項１ないし前項４のいずれかに記載のオフライン用照明器具。
（６）前記周辺回路は、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部である前項５に記載のオフライン用照明器具。
（７）前記制御部には、当該制御部への電力供給部、電流検出部、電圧検出部、前記スイッチング素子の駆動部、フィードバック部が含まれる前項６に記載のオフライン用照明器具。

前項（１）に記載の発明によれば、一面に印刷配線パターンが形成され、他面に光源を点灯させるためのスイッチング電源回路が搭載され、印刷配線パターンを金属製支持板側にして金属製支持板に平行状態に取り付けられた片面プリント配線基板と、を備え、スイッチング電源回路の半導体からなるスイッチング素子は、交流電源の脈流を平滑化する平滑回路若しくは力率改善回路の出力の正電位側に接続され、またスイッチング素子のスイッチング動作は不連続モードであるから、このようなハイサイドスイッチング、不連続モードの採用により、スイッチング素子からのノイズの発生を抑制することができる。加えてこの発明では、スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、ソース側ないしエミッタ側の周辺回路の印刷配線パターンの合計面積が、１００ｍｍ²以下に設定されているから、スイッチング素子からのノイズ発生抑止効果を更に高めることができる。この結果、ノイズが照明器具外部へ流出するのを抑える為、入力に従来接続されていたフィルタの高価なインダクタを小型化ないし省略することができ、コスト低減にも資することができる。

前項（２）に記載の発明によれば、交流電源側に雑音防止用コンデンサを備え、雑音防止用コンデンサの後段に、雑音防止用インダクタに代えて突入防止用素子が接続されているから、高価なインダクタを省略しながら、商用電源を投入した時に発生する突入電流を制限することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、安価な抵抗によって商用電源を投入した時に発生する突入電流を制限することができるうえ、少ないながらもインダクタンスの成分を期待できる。

前項（４）に記載の発明によれば、金属製支持板と片面プリント配線基板の印刷配線パターンとの距離が４～８ｍｍであるから、金属製支持板と片面プリント配線基板の間に絶縁物を挟む必要がなく、しかも全体的な大きさをコンパクトにまとめることができ、照明装置の全体の大きさが大きくなって商品価値が低下するのを防止することができる。

前項（５）に記載の発明によれば、スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、スイッチング素子のソースないしはエミッタの電位に対して３０Ｖ以下の電位にある印刷配線パターンを含めた印刷配線パターンの面積が、１００ｍｍ²以下の場合に、ノイズ抑止効果を良好に発揮させることができる。

前項（６）に記載の発明によれば、スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部の印刷配線パターンを含めた印刷配線パターンの合計面積が１００ｍｍ²以下の場合に、ノイズ抑止効果を良好に発揮させることができる。

前項（７）に記載の発明によれば、スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、制御部への電力供給部、電流検出部、電圧検出部、スイッチング素子の駆動部、フィードバック部の印刷配線パターンの合計面積が１００ｍｍ²以下の場合に、ノイズ抑止効果を良好に発揮させることができる。

この発明の一実施形態に係るオフライン照明装置の概略構成を示すもので、オフライン照明装置を横から見た断面図である。オフライン照明装置を上から見た断面図である。オフライン照明装置の回路図である。スイッチング電源回路の概略構成を示す回路図である。（ａ）は、スイッチング素子２４１を不連続モードで動作させたときの電流波形図、（ｂ）は連続モードで動作させたときの電流波形図である。オフライン照明装置の従来の回路図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係るオフライン照明装置１の概略構成を示すもので、オフライン照明装置１を横から見た断面図である。この照明装置１は、一面(図１の例では上面)が開口した箱型の筐体１１を備え、この筐体１１内に片面プリント配線基板１２が収容されている。

筐体１１は鋼板等の金属製であり、筐体１１の開口部と反対側(図１では下側)の部分を支持板１１ａとして、この支持板１１ａに、片面プリント配線基板１２が支持板１１ａと所定の隙間を隔てて平行状態となるようにスペーサ１５を介して固定されている。

片面プリント配線基板１２は支持板１１ａ側と反対側、換言すれば筐体１１の開口部側の面に電子部品１３が実装されるとともに、支持板１１ａ側の面に各電子部品１３を接続するための印刷配線パターン１４が形成されている。

筐体１１の側面の一部には、入口接続部１７が形成され、この入口接続部１７に、商用電源２からの入出力線が電源スイッチ３を介して接続されており、さらに入口接続部１７と片面プリント配線基板１２上の回路とは電線１６ａを介して接続されており、これによって商用電源２から片面プリント配線基板１２上の回路に電力を供給できるようになっている。

また、筐体１１の上面開口部にはＬＥＤ等の光源１８が配設されており、片面プリント配線基板１２上の回路と光源１８とが電線１６ｂで接続されている。

図２は、オフライン照明装置１を上から見た断面図である。図２に示すように、片面プリント配線基板１２には、フィルタ回路２１、突入防止素子２２、整流平滑部２３、スイッチング電源回路２４を構成する各電子部品１３が、前述したように、片面プリント配線基板１２の支持板１１ａとは反対側の面に搭載されている。フィルタ回路２１、突入防止素子２２、整流平滑部２３、スイッチング電源回路２４について、図３を参照して以下に説明する。

図３は、オフライン照明装置１の回路図である。オフライン照明装置１は商用電源２と並列に接続されたフィルタ回路２１として雑音防止用コンデンサ２１ａを備え、突入防止素子２２は、雑音防止用コンデンサ２１ａの一方の出力に直列に接続されている。突入防止素子２２は、商用電源２を投入した時に発生する突入電流を制限するための素子であり、限定はされないがこの実施形態では抵抗により構成されている。また、整流平滑部２３は、突入防止素子２２の出力側に接続され、スイッチング電源回路２４は整流平滑部２３の出力側に接続されている。

整流平滑部２３は、商用電源２の交流電力を直流に整流平滑する公知の回路であり、例えば、整流回路としてのダイオードブリッジと、ダイオードブリッジで直流に変換されたときの脈流を平滑化する平滑コンデンサによって構成されている。

スイッチング電源回路２４は、平滑化された直流をスイッチングして電圧の降下した定電圧電源を作成するものであり、平滑化された直流をスイッチングするための半導体からなるスイッチング素子を備えている。スイッチング素子の一例としては、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やトランジスタ等を挙げることができる。スイッチング電源回路２４により作成された定電流電源等により、負荷である光源１８が駆動される。

図４は、スイッチング電源回路２４の概略構成を示す回路図である。スイッチング電源回路２４はスイッチング素子２４１を備え、このスイッチング素子２４１のドレイン端子ないしコレクタ端子２４１ａは、整流平滑部２３の正電位側に接続され、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂは、アノードを整流平滑部２３の負電位側に接続されたダイオード２４２のカソードに接続されている。つまり、スイッチング素子２４１はハイサイドスイッチングとなっている。

また、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂにはインダクタ２４３の一端が接続され、インダクタ２４３の他端と整流平滑部２３の負電位側の間にはコンデンサ２４４が接続されている。これらのインダクタ２４３及びコンデンサ２４４は、スイッチング素子２４１のスイッチング動作により得られた電力を平滑化して、安定した出力を得るための部品である。そして、コンデンサ２４４に充電される電荷が、負荷である光源１８に供給される。

スイッチング素子２４１のスイッチング動作は、制御部２４５によって制御される。制御部２４５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の回路部品を備え、コンデンサ２４４の両端電圧が所定の電圧となるようにスイッチング素子２４１のスイッチング動作を制御する。

この実施形態では、スイッチング素子２４１は不連続モードで動作する。連続モードは、図５（ａ）に示すように、スイッチング素子２４１を流れる電流が０から開始されるのではなく、急峻に立ち上がるモードである。不連続モードは、図５（ｂ）に示すように、スイッチング素子２４１を流れる電流が０から徐々に増大していくモードである。スイッチング素子２４１を不連続モードで動作させる制御は周知であるので、詳細な説明は省略する。

このようにこの実施形態では、スイッチング素子２４１は整流平滑部２３の出力の正電位側に接続されており、また不連続モードで動作するから、従来から知られているとおり、スイッチング素子のスイッチング動作に同期したＲ／Ｎ成分ノイズの発生を抑止することができる。

この実施形態では、ノイズ発生の抑止のためのさらなる対策が採られている。具体的には、図４に示すように、片面プリント配線基板１２の支持板１１ａ側の面に形成された印刷配線パーン１４のうち、図４にハッチングで示したような、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の印刷配線パターン２５と、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側に存在する周辺回路の印刷配線パターン２６の合計面積が、１００ｍｍ²以下に設定されている。このような印刷配線パターンの面積を１００ｍｍ²以下とすることで、スイッチング素子２４１が整流平滑部２３の出力の正電位側に接続されていること、不連続モードで動作することとの相乗効果で、スイッチング素子２４１のスイッチング動作に同期したＲ／Ｎ成分ノイズの発生をさらに抑止することができる。

ここで、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の周辺回路の印刷配線パターン２６とは、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂの電位に対して３０Ｖ以下の電位にある印刷配線パターンをいう。この実施形態では、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側に存在している例えば制御部２４５の印刷配線パターンである。制御部２４５には、限定はされないが、制御部２４５への電力供給部、電流検出部、電圧検出部、スイッチング素子の駆動部、フィードバック部が含まれ、これらの一部を構成するＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭの配線も含まれる。

通常、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂ側に存在する周辺回路の印刷配線パータンはパターン幅等を太くして寄生インダクタンスを低減させることで誤動作防止したリノイズ低減させたりする。又、放熱も考慮して太くする場所である。しかし、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の印刷配線パターン２５と、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の周辺回路の印刷配線パターン２６の合計面積が１００ｍｍ²を超えると、スイッチング素子２４１のスイッチング動作に同期したＲ／Ｎ成分ノイズが増大する。

ちなみに、片面プリント配線基板１２の印刷配線パターン１４と鋼板からなる支持板１１ａとの距離を６ｍｍとし、図３に示したように、フィルタ回路２１を雑音防止用インダクタがなく雑音防止用コンデンサ２１ａのみの回路とし、突入防止素子２２として抵抗を用い、スイッチング素子２４１をハイサイドスイッチング及び不連続モードで動作させるとともに、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の印刷配線パターン２５と、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の周辺回路の印刷配線パターン２６の合計面積のみを、５０ｍｍ²、７５ｍｍ²、１００ｍｍ²、１５０ｍｍ²と変化させたときの商用電源２側に流出するノイズのレベルを調べた。その結果、ノイズレベルは印刷配線パターンの合計面積の順に、４８．７ｄＢ、４９．４ｄＢ、５１．０ｄＢ、５３．４ｄＢであり、印刷配線パターンの合計面積が小さいほど流出ノイズが低下し、印刷配線パターンの合計面積が１００ｍｍ²以下の場合に、許容ノイズレベル５１ｄＢを満たしていた。

これは、片面プリント配線基板１２の下方に金属製支持板１１ａがある構造の為、支持板１１ａへのコモンモードノイズが他の発生源ノイズに比べて影響が大きいことを物語っている。また、片面プリント配線基板１２における印刷配線パターン１４が支持板１１ａ側であり、支持板１１ａと平行しているのも影響が大きいものと考えられる。許容値が５１ｄＢ(電気用品安全法の５６ｄＢの規格値に対し一般的な５ｄＢマージンをとったもの )に対し、当該面積が１００ｍｍ²以下であれば５１ｄＢ以下となり、フィルタ回路２１のインダクタを除去し、突入防止素子２２のみで達成出来る。つまり、スイッチング素子２４１が整流平滑部２３の出力の正電位側に接続されていること、不連続モードで動作することのみでは、図６に示すように、フィルタ回路３０として雑音防止用コンデンサ３０ａと、雑音防止用コンデンサ３０ａの出力側の正負ラインに接続された各インダクタ３０ｂ、３０ｃが必要であるが、スイッチング素子２４１のソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の印刷配線パターン２５と、ソースないしエミッタ端子２４１ｂ側の周辺回路の印刷配線パターン２６の合計面積を１００ｍｍ²以下とすることで、インダクタ３０ｂ、３０ｃを除去することができる。

構造上、片面プリント配線基板１２の印刷配線パターン１４は支持板１１ａ側になるのが一般的である。それはオフライン用スイッチング電源回路２４の部品は高耐圧が要求され大きくなるので、絶縁性が要求される支持板１１ａ側に部品を配置しないのが効率的であるからである。片面プリント配線基板１２の印刷配線パターン１４から支持板１１ａまでの距離は、部品の基板下リード長及び絶縁距離を考慮すると４～８ｍｍが望ましい。４ｍｍより短くすると間に絶縁物を挟む必要があり、高価となる。８ｍｍより長くすると全体的な大きさが大きくなり商品価値が低下する。

尚、突入防止素子２２は、安価で少ないながらもインダクタンスを期待できる抵抗が望ましい。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。

例えば、スイッチング素子２４１は、商用電源の脈流を平滑化する整流平滑部（平滑回路)２３の出力の正電位側に接続されている場合を示したが、力率改善回路（ＰＦＣ回路）が用いられる場合は、力率改善回路の出力の正電位側に接続されてもよい。

１オフライン照明装置
２商用電源
３電源スイッチ
１１筐体
１２片面プリント配線基板
１３電子部品
１４印刷配線パターン
１５スペーサ
１７入口接続部
１８光源（負荷）
２１フィルタ回路
２２突入防止素子
２３整流平滑部
２４スイッチング電源回路
２５ソースないしエミッタ側の印刷配線パターン
２６周辺回路の印刷配線パターン
２４１スイッチング素子
２４１ｂソースないしエミッタ端子

Claims

金属製支持板と、
一面に印刷配線パターンが形成され、他面に光源を点灯させるためのスイッチング電源回路が搭載され、前記印刷配線パターンを金属製支持板側にして前記金属製支持板に平行状態に取り付けられた片面プリント配線基板と、
を備え、
前記スイッチング電源回路は半導体からなるスイッチング素子を備えるとともに、前記スイッチング素子は、交流電源の脈流を平滑化する平滑回路若しくは力率改善回路の出力の正電位側に接続され、
前記スイッチング素子のスイッチング動作は不連続モードであり、かつ
前記スイッチング素子のソース側ないしはエミッタ側の印刷配線パターンと、ソース側ないしエミッタ側の周辺回路の印刷配線パターンの合計面積が、１００ｍｍ²以下に設定されていることを特徴とするオフライン用照明器具。
前記交流電源側に雑音防止用コンデンサを備え、前記雑音防止用コンデンサの後段に、雑音防止用インダクタに代えて突入防止用素子が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のオフライン用照明器具。
前記突入防止用素子が抵抗であることを特徴とする請求項２に記載のオフライン用照明器具。
前記金属製支持板と前記片面プリント配線基板の印刷配線パターンとの距離が４～８ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のオフライン用照明器具。
前記周辺回路の印刷配線パターンは、前記スイッチング素子のソースないしはエミッタの電位に対して３０Ｖ以下の電位にある印刷配線パターンである請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のオフライン用照明器具。
前記周辺回路は、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部である請求項５に記載のオフライン用照明器具。
前記制御部には、当該制御部への電力供給部、電流検出部、電圧検出部、前記スイッチング素子の駆動部、フィードバック部が含まれる請求項６に記載のオフライン用照明器具。