JP5182400B2 - 半導体光源装置及び半導体光源制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）等の半導体発光素子を用いる半導体光源装置及び半導体光源制御方法に関する。

電力消費を低減すると共に、ＬＥＤの輝度を一定に制御するためのＬＥＤ駆動回路として、下記特許文献を含む技術が考えられている。（例えば、特許文献１）

特開２００５−０１１８９５号公報

上記特許文献に記載された技術を含めて半導体発光素子の駆動は、オペアンプとパワートランジスタとを組み合わせて電流帰還をかけたリニア定電流回路や、定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータなどで行なうものが一般的な構成となっている。

高速なＰＷＭ駆動を行なう場合、ＰＷＭ波形の電流の立上りを早める必要が生じる。上記前者のリニア定電流回路では、帰還遅れによるオーバードライブで電流のオーバーシュートが発生する。そのため、動作の高速化と安定した帰還制御とを両立させることは難しい。また、高速化を実現する場合には、出力段のトランジスタでの負担が大きく、電圧マージンをより多く見込む必要があると共に、同トランジスタの熱対策が必須となる。

また、上記後者のＤＣ／ＤＣコンバータでは、回路中で使用するインダクタの電流を元の電流値に復帰させるまでの間に、少なくとも数乃至十数スイッチングサイクルの時間が必要となる。そのため、このような電流の立上り特性から高速化が困難となっていた。

近時、上記後者のＤＣ／ＤＣコンバータで上述したような不具合を改善するべく、ＰＷＭ波形がオンの時の帰還系電圧や、回路中のコンデンサの出力電圧を一時保持させ、次のオン時の電流の立上りを急峻化させることで高速化を可能としたものが実現されている。それでも、ＰＷＭサイクルの高速化は数十［ｋＨｚ］程度が限界となっており、それ以上の高速化は困難であった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子を高速且つ安定化してＰＷＭ信号で駆動することが可能な半導体光源装置及び半導体光源制御方法を提供することにある。

本発明の一態様は半導体発光素子と、動作電力を供給する電源回路と、上記電源回路からの電力を蓄積して放出する受動素子、及び上記受動素子に上記電源回路からの電力を供給して蓄積する充電経路と上記受動素子に蓄積された電力を上記半導体発光素子で発光させて放出する放電経路とを切換える複数のスイッチング素子を含み、上記複数のスイッチング素子で上記充電経路と放電経路とを切換えることにより上記半導体発光素子を間欠駆動する駆動回路と、上記充電経路及び放電経路の各選択時に経路にかかる電圧を検出し、その検出結果に応じて上記受動素子を流れる電流が一定値に保たれるよう上記複数のスイッチング素子の切換えデューティ比を算出して上記複数のスイッチング素子を切換える定電流スイッチ制御部と、上記定電流スイッチ制御部により算出される上記切換えデューティ比に応じて上記電源回路が供給する電圧値を調整するデューティ監視部とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、半導体発光素子を高速且つ安定化してＰＷＭ信号で駆動することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子のＰＷＭ駆動回路の構成を示す図。 同実施形態に係る図１の回路中の各信号波形を示すタイミングチャート。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、同実施形態に係る半導体光源装置１０の回路構成を示す図である。同図で、この装置に供給される電源入力が電源電圧変換部１１に与えられる。この電源電圧変換部１１で、後述するデューティ監視部２２からの制御に応じて変化する直流の駆動電圧Ｖｉｎが、第１のスイッチング素子（ＳＷ１）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１２のドレインに常時与えられる。

同ＦＥＴ１２のソースが、インダクタ１３の一端に接続されると共に、第２のスイッチング素子（ＳＷ２）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１４のドレインに接続される。

上記インダクタ１３の他端は、第３のスイッチング素子（ＳＷ３）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１５のドレインと、ダイオード１６のアノードとに接続される。ダイオード１６のカソードは、コンデンサ１７の一端及び半導体発光素子、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）１８のアノードと接続される。

ＬＥＤ１８のカソードは、第４のスイッチング素子（ＳＷ４）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１９のドレインと接続される。同ＦＥＴ１９のソースが、上記コンデンサ１７の他端と、上記ＦＥＴ１５のソースとに接続される。上記コンデンサ１７は、ＬＥＤ１８に流れるリップル電流を軽減する目的、及び方形波を形成する目的のために挿入される。

さらに、ＦＥＴ１５のソースが抵抗２０の一端に接続される。同抵抗２０の他端が、上記ＦＥＴ１４のソースに接続される一方で、接地される。

この装置の発光のオン／オフのタイミングを制御するべく、定電流制御部２１が設けられる。この定電流制御部２１は、上記ＦＥＴ１２，１５の各ゲートとデューティ監視部２２に対してＰＷＭ信号ａを供給する一方で、そのＰＷＭ信号ａを反転したＰＷＭ信号ｂを上記ＦＥＴ１４，１９の各ゲートと上記デューティ監視部２２に供給する。

また、上記抵抗２０の両端の電位が合わせて定電流制御部２１により検出される。
定電流制御部２１は、抵抗２０の両端電圧を監視しながら、上記ＦＥＴ１２，１５とＦＥＴ１４，１９に対して上記互いに反転した２つのＰＷＭ信号ａ，ｂを送出し、意図した定電流を維持するように制御を行なう。

すなわち、定電流制御部２１とインダクタ１３、ダイオード１６、コンデンサ１７、及び抵抗２０によりＬＥＤ１８のための駆動回路を構成するものであり、この駆動回路における電流経路を制御するスイッチング素子としてＦＥＴ１２，１５とＦＥＴ１４，１９が配設される。尚、複数のスイッチング素子としてバイポーラトランジスタを用いてもよいが、ＦＥＴは電圧制御であるため、ＦＥＴを用いた方が抵抗などの部品点数を削減できる。

上記デューティ監視部２２は、定電流制御部２１の出力する２つのＰＷＭ信号ａ，ｂの各オン／オフのデューティを監視する。そして、該デューティが意図した一定値を保つように、上記電源電圧変換部１１が変換して出力する駆動電圧Ｖinの値を、上記デューティ監視部２２は制御する。

次に上記実施形態の動作について説明する。
定電流制御部２１は、図２（Ａ），（Ｃ）に示すようなＰＷＭ信号ａをＦＥＴ１２，１５の各ゲートに与えると同時に、これを反転した図２（Ｂ），（Ｄ）に示すようなＰＷＭ信号ｂをＦＥＴ１４，１９の各ゲートに与える。

ＦＥＴ１２、１５がオンとなり、図１中に破線で示す充電の電流経路Ｒ１に沿って電流が流れて、インダクタ１３にエネルギが蓄積される。

次に、ＦＥＴ１２，１５がオフとなり、一方でＦＥＴ１４，１９がオンとなると、今度はインダクタ１３に蓄積されたエネルギーが、図中に一点鎖線で示す放電の電流ループＲ２に沿って流れ、この過程で該エネルギーが負荷であるＬＥＤ１８を通って発光すると共に放出される。

インダクタ１３を流れる電流は図２（Ｅ）に示すように、ＦＥＴ１２，１５がオンとなって立ち上がる際の電流Ｉａ（Ｉａ＞０）から徐々に上昇し、ＦＥＴ１２，１５がオフとなって下がり始める際の電流Ｉｂ（Ｉａ＜Ｉｂ）をピークとして、次に再びＦＥＴ１２，１５がオンとなって立ち上がる際の電流Ｉａとなるまで徐々に下降する、というパターンを繰返す。その際、ダイオード１６を流れる電流は図２（Ｆ）に示すように、ＦＥＴ１２，１５がオンとなっている際には電流が流れず、ＦＥＴ１２、１５がオフとなっている際には電流が流れる、というパターンを繰り返す。

一方、発光素子であるＬＥＤ１８を流れる電流は、図２（Ｇ）に示すようにＦＥＴ１４，１９がオンとなっている期間ではインダクタ１３に蓄積された電流がそのまま流れ、図示する如く方形波に近い、高速な立ち上り特性を有する電流のパルス波形を得ることができる。

ＬＥＤ１８に流れる電流を一定に保つための条件は、以下の関係式で表すことができる。すなわち、
デューティ＝Ｖｆ/(Ｖin＋Ｖf) …(1)
(但し、Ｖｆ：ＬＥＤに印加される電圧。Ｖin：駆動電圧。)
となる。意図したデューティを守りながら定電流駆動を行なうためには、上記（１）式を満たす駆動電圧ＶinとＬＥＤ１８に印加される電圧Ｖｆとの関係を保てば良いことになる。

したがって定電流制御部２１は、抵抗２０の両端における電圧値を帰還して検出することで、意図した定電流を維持するようにＦＥＴ１２，１５とＦＥＴ１４，１９への各ＰＷＭ信号ａ，ｂのデューティを調整し、インダクタ１３に蓄積されるエネルギーを調整する。

また、デューティ監視部２２は、上記ＦＥＴ１２，１５とＦＥＴ１４，１９への両ＰＷＭ信号ａ，ｂのデューティを監視して、そのデューティが意図した値となるように電源電圧変換部１１に指令を与える。

電源電圧変換部１１は、デューティ監視部２２からの指令に基づいて駆動電圧Ｖinを必要な電圧値にシフトする。

上述した如くコンデンサ１７は、半導体発光素子であるＬＥＤ１８に流れるリップル電流を軽減する目的で挿入されているが、その充電電流がＬＥＤ１８の立上り電流を吸収し、ＬＥＤ１８での高速な立上り動作を阻害する要因にもなる。

そこで、ＰＷＭ信号ａがオンである期間は、該ＰＷＭ信号ａを反転したＰＷＭ信号ｂで動作するＦＥＴ１９をオフすることによりＬＥＤ１８を通してのコンデンサ１７の放電経路、即ちコンデンサ１７の正極、ＬＥＤ１８のアノード、ＬＥＤ１８のカソード、ＦＥＴ１９のドレイン、ＦＥＴ１９のソース及びコンデンサ１７の負極で構成されるコンデンサ１７の放電経路をオフとし、かつダイオード１６によりＦＥＴ１５方向への電流によるコンデンサ１７の電荷の放出を抑えることにより、次にＰＷＭ信号ａがオフとなるまでの間、コンデンサ１７での電圧を保持することができる。

そのため、次にコンデンサ１７を充電するための電流でＬＥＤ１８用の電流が吸収されることなく、ＬＥＤ１８の立上り特性を充分に急峻で高速なものとすることが可能となる。

ここで、定電流制御部２１は、一般的にＩＣ化されている定電流帰還タイプの降圧ＤＣ／ＤＣコンバータと同様の構成で実現可能であり、このタイプではすでに数［ＭＨｚ］オーダーのスイッチング周波数のものまで実用化されている。したがって、電流制御回路としてこれらのＩＣを採用することで、数［ＭＨｚ］オーダーでのＰＷＭ周期の制御が可能となる。

以上に詳述した如く本実施形態によれば、定電流維持のために電流が急変しないインダクタ１３の性質を利用し、加えて、スイッチング素子であるＦＥＴ１２，１５、ＦＥＴ１４，１９のアナログ領域ではなく飽和領域を使用してスイッチング動作させるものとしたため、高速、且つ高効率で安定化したＰＷＭ信号による駆動を実現できる。

なお上記実施形態においては、半導体発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）を駆動する装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他にも半導体発光素子として例えばＬＤ（レーザダイオード）や有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等を駆動するものであっても良い。さらには回路中で使用する半導体発光素子の数等を限定するものでもない。

また上記実施形態は駆動回路として定電流制御のＤＣ／ＤＣコンバータ方式のＰＷＭ駆動回路を用いた場合について説明したが、本発明は駆動回路の方式を限定するものでもない。

さらに、上記半導体光源装置を使用する装置として、例えばフィールドシーケンシャル駆動によりＲ，Ｇ，Ｂの各色ＬＥＤを時分割でそれぞれ間欠駆動するようなＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（登録商標）方式のプロジェクタ装置に適用することも考えられる。

その場合、光像を形成するためのマイクロミラー素子での画像表示に同期して、例えばフレーム周波数が１２０［Ｈｚ］であり、且つ各色のデューティをその時点で設定されている投影モードに応じて％単位で切換える必要があるような場合にも、充分安定して対応することが可能となる。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

以下に、本願出願の当所の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
請求項１記載の発明は、半導体発光素子と、動作電力を供給する電源回路と、上記電源回路からの電力を蓄積して放出する受動素子、及び上記受動素子に上記電源回路からの電力を供給して蓄積する充電経路と上記受動素子に蓄積された電力を上記半導体発光素子で発光させて放出する放電経路とを切換える複数のスイッチング素子を含み、上記複数のスイッチング素子で上記充電経路と放電経路とを切換えることにより上記半導体発光素子を間欠駆動する駆動回路と、上記充電経路及び放電経路の各選択時に経路にかかる電圧を検出し、その検出結果に応じて上記受動素子を流れる電流が一定値に保たれるよう上記複数のスイッチング素子の切換えデューティ比を算出して上記複数のスイッチング素子を切換える定電流スイッチ制御部と、上記定電流スイッチ制御部により算出される上記切換えデューティ比に応じて上記電源回路が供給する電圧値を調整するデューティ制御部とを具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記半導体発光素子及び上記スイッチング素子に接続されたコンデンサをさらに有すことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、上記請求項１または２記載の発明において、上記受動素子はインダクタであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、上記請求項１乃至３いずれか記載の発明において、上記複数のスイッチング素子はＦＥＴであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４いずれか記載の発明において、上記半導体発光素子はＬＥＤ、ＬＤまたは有機ＥＬであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、半導体発光素子と、動作電力を供給する電源回路と、上記電源回路からの電力を蓄積して放出する受動素子、上記受動素子に上記電源回路からの電力を供給して蓄積する充電経路と上記受動素子に蓄積された電力を上記半導体発光素子で発光させて放出する放電経路とを切換える複数のスイッチング素子を含み、上記複数のスイッチング素子で上記充電経路と放電経路とを切換えることにより上記半導体発光素子を間欠駆動する駆動回路とを備えた半導体光源装置での制御方法であって、上記充電経路及び放電経路の各選択時に経路にかかる電圧を検出し、その検出結果に応じて上記受動素子を流れる電流が一定値に保たれるよう上記複数のスイッチング素子の切換えデューティ比を算出して上記複数のスイッチング素子を切換える定電流スイッチ制御工程と、上記定電流スイッチ制御工程により算出される上記切換えデューティ比に応じて上記電源回路が供給する電圧値を調整するデューティ制御工程とを有したことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、上記請求項６記載の発明において、上記半導体発光素子及び上記複数のスイッチング素子にコンデンサをさらに接続させることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、上記請求項６または７記載の発明において、上記受動素子はインダクタであることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、上記請求項６乃至８いずれか記載の発明において、上記複数のスイッチング素子はＦＥＴであることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、上記請求項６乃至９いずれか記載間初において、上記半導体発光素子はＬＥＤ、ＬＤまたは有機ＥＬであることを特徴とする。

１０…半導体光源装置、１１…電源電圧変換部、１２…ＦＥＴ（ＳＷ１）、１３…インダクタ、１４…ＦＥＴ（ＳＷ２）、１５…ＦＥＴ（ＳＷ３）、１６…ダイオード、１７…コンデンサ、１８…ＬＥＤ、１９…ＦＥＴ（ＳＷ４）、２０…抵抗、２１…定電流制御部、２２…デューティ監視部。

Claims (10)

1. 半導体発光素子と、
   動作電力を供給する電源回路と、
   上記電源回路からの電力を蓄積して放出する受動素子、及び上記受動素子に上記電源回路からの電力を供給して蓄積する充電経路と上記受動素子に蓄積された電力を上記半導体発光素子で発光させて放出する放電経路とを切換える複数のスイッチング素子を含み、上記複数のスイッチング素子で上記充電経路と放電経路とを切換えることにより上記半導体発光素子を間欠駆動する駆動回路と、
   上記充電経路及び放電経路の各選択時に経路にかかる電圧を検出し、その検出結果に応じて上記受動素子を流れる電流が一定値に保たれるよう上記複数のスイッチング素子の切換えデューティ比を算出して上記複数のスイッチング素子を切換える定電流スイッチ制御部と、
   上記定電流スイッチ制御部により算出される上記切換えデューティ比に応じて上記電源回路が供給する電圧値を調整するデューティ監視部と
   を具備したことを特徴とする半導体光源装置。
2. 上記半導体発光素子及び上記スイッチング素子に接続されたコンデンサをさらに有すことを特徴とする請求項１記載の半導体光源装置。
3. 上記受動素子はインダクタであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体光源装置。
4. 上記複数のスイッチング素子はＦＥＴであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の半導体光源装置。
5. 上記半導体発光素子はＬＥＤ、ＬＤまたは有機ＥＬであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の半導体光源装置。
6. 半導体発光素子と、動作電力を供給する電源回路と、上記電源回路からの電力を蓄積して放出する受動素子、上記受動素子に上記電源回路からの電力を供給して蓄積する充電経路と上記受動素子に蓄積された電力を上記半導体発光素子で発光させて放出する放電経路とを切換える複数のスイッチング素子を含み、上記複数のスイッチング素子で上記充電経路と放電経路とを切換えることにより上記半導体発光素子を間欠駆動する駆動回路とを備えた半導体光源装置での制御方法であって、
   上記充電経路及び放電経路の各選択時に経路にかかる電圧を検出し、その検出結果に応じて上記受動素子を流れる電流が一定値に保たれるよう上記複数のスイッチング素子の切換えデューティ比を算出して上記複数のスイッチング素子を切換える定電流スイッチ制御工程と、
   上記定電流スイッチ制御工程により算出される上記切換えデューティ比に応じて上記電源回路が供給する電圧値を調整するデューティ監視工程と
   を有したことを特徴とする半導体光源制御方法。
7. 上記半導体発光素子及び上記複数のスイッチング素子にコンデンサをさらに接続させることを特徴とする請求項６記載の半導体光源制御方法。
8. 上記受動素子はインダクタであることを特徴とする請求項６または７記載の半導体光源制御方法。
9. 上記複数のスイッチング素子はＦＥＴであることを特徴とする請求項６乃至８いずれか記載の半導体光源制御方法。
10. 上記半導体発光素子はＬＥＤ、ＬＤまたは有機ＥＬであることを特徴とする請求項６乃至９いずれか記載の半導体光源制御方法。

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