JP6678289B2 - 半導体光源駆動装置、及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、複数の半導体光源素子の直列接続に電流を供給して駆動する半導体光源駆動装置に関する。

特許文献１は、演算増幅器と電流検出抵抗とＦＥＴからなる定電流回路のＦＥＴのドレインと電源との間にＬＥＤが接続され、そのＬＥＤの両端に電圧を検出する電圧検出回路が接続された複数の駆動回路を備える。そして、その複数の駆動回路が同一の電源に並列に接続され、複数の電圧検出回路によって検出されたＬＥＤの両端電圧の内、出力の最も高い検出電圧に合わせて電源電圧を制御する構成とし、電流制御のために必要なＦＥＴの電圧損失を小さくすることで、効率の良い半導体光源駆動装置を得ることが開示されている。

特開２００９−２９５７９１号公報

本開示は、スイッチング電源により電源供給を受ける場合において、半導体光源素子に流す電流を増大させようとした時に、その電流の増加に遅れが生じることを抑制する半導体光源駆動装置を提供する。

本開示における半導体光源駆動装置は、半導体光源素子と定電流回路とに直列に接続され、半導体光源素子および定電流回路に所定の電圧を出力するスイッチング電源と、半導体光源素子と定電流回路の接続点における電圧を検出する検出回路と、検出回路によって検出された電圧に基づいてスイッチング電源の出力電圧を制御すると共に、切替え信号に基づいて定電流回路の電流値を制御する制御部と、を備える。制御部は、定電流回路の電流値を変化させるのに先立って、スイッチング電源の出力電圧を、定電流回路の電流値を変化させる量に応じて変化させる。

本開示における半導体光源駆動装置は、スイッチング電源により電源供給を受ける場合において、半導体光源素子に流す電流を増大させようとした時に、その電流の増加に遅れが生じることを抑制することができる。

実施の形態１における半導体光源駆動装置のブロック図 実施の形態１における半導体光源駆動装置の動作を説明するための図 実施の形態１の半導体光源駆動装置に入力される信号の説明図 実施の形態１における半導体光源駆動装置の動作を示す信号波形図 実施の形態２における半導体光源駆動装置のブロック図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜４を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
図１は、半導体光源駆動装置のブロック図である。

図１に示すように、半導体光源駆動装置は、スイッチング電源１０１と、マイクロコンピュータ１０２と、ドレイン電圧検出回路１０３と、複数の半導体光源素子としてレーザダイオード（ＬＤ）の直列接続１０４と、２つの入力を切替えて出力する切替え回路１０５と、演算増幅器１０６と、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１０７と、電流検出抵抗１０８とを備える。本実施の形態では、ＦＥＴ１０７として、Ｎチャンネル電界効果トランジスタを用いるが、Ｐチャンネル電界効果トランジスタを用いることもできる。

スイッチング電源１０１のプラス（＋）側にはＬＤの直列接続１０４の一端が接続され、直列接続１０４の他端がＦＥＴ１０７のドレインと接続される。ＦＥＴ１０７のソースは、電流検出抵抗１０８を介してスイッチング電源１０１のマイナス（−）側に接続される。

本実施の形態では、半導体光源素子としてＬＤを使用しているが、発光ダイオード（ＬＥＤ）にも適用できる。

図１で示す半導体光源駆動装置は、光変調素子として１チップ（Ｃｈｉｐ）のＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）を用いたプロジェクタ（投写型映像表示装置）の照明装置に適用される。

［１−２．動作］
以上のように構成された半導体光源駆動装置の動作について、図１〜図４を用いて説明する。

ＬＤの直列接続１０４とＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間と電流検出抵抗１０８は直列に接続されているため、電流検出抵抗１０８には、ＬＤの直列接続１０４に流れる電流と同じ電流が流れる。電流は、電流検出抵抗１０８により、電流値に比例した電圧に変換される。電流検出抵抗１０８によって検出された電圧と切替え回路１０５の出力は演算増幅器１０６によって演算された後、増幅されてＦＥＴ１０７のゲートを駆動する。通常、演算増幅器１０６の増幅率は非常に大きいため、このような構成により、ＦＥＴ１０７のゲート電圧は、電流検出抵抗１０８の両端電圧と、切替え回路１０５の出力電圧がほぼ等しくなるまで上昇する。すなわち、切替え回路１０５の出力に応じた電流が、ＬＤの直列接続１０４と、ＦＥＴ１０７と電流検出抵抗１０８とスイッチング電源１０１を直列に接続した回路に流れる。演算増幅器１０６、ＦＥＴ１０７及び電流検出抵抗１０８は定電流回路として動作する。

この直列回路の電流をＦＥＴ１０７の抵抗値によって制御し、目標とする電流値（Ｉｔと称す）にするためには、ＦＥＴ１０７の抵抗値が、ＦＥＴ１０７が取り得る最も小さい抵抗値（最小ＯＮ抵抗値と称す）よりも大きい状態で、直列回路の電流が目標とする電流値Ｉｔとなる必要がある。すなわち、ドレイン・ソース間電圧（Ｖｄｓと称す）が目標とする電流値ＩｔとＦＥＴ１０７の最小ＯＮ抵抗値（Ｒｆｅｔｍｉｎと称す）との積より大きいこと（式（１））が必要である。

Ｖｄｓ＞Ｉｔ＊Ｒｆｅｔｍｉｎ ・・・（１）
目標とする電流値Ｉｔと、ＦＥＴ１０７の最小ＯＮ抵抗値Ｒｆｅｔｍｉｎとの積の値を、最小ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓｍｉｎと呼ぶ。

目標とする電流値Ｉｔの電流が流れている時の、電流検出抵抗１０８の両端の電圧Ｖｓｍｉｎは、電流検出抵抗１０８の抵抗値をＲｓとすると、次の式（２）で表される。

Ｖｓｍｉｎ＝Ｉｔ＊Ｒｓ ・・・（２）
目標とする電流値Ｉｔの電流が流れている時に、ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅと、ＬＤの直列接続１０４の両端電圧Ｖｆと、電流検出抵抗１０８の両端電圧Ｖｓ＝Ｖｓｍｉｎを用いて示すと、次の式（３）となる。

Ｖｄｓ＝Ｖｅ−Ｖｆ−Ｖｓｍｉｎ ・・・（３）
そして、上述の通り、式（１）の条件を満たす必要があるので、次の式（４）の条件を満たす必要がある。

Ｖｄｓ＞Ｖｄｓｍｉｎ ・・・（４）
そして、式（３）、（４）より、次の（５）の条件を満たす必要がある。

Ｖｅ−Ｖｆ−Ｖｓｍｉｎ＞Ｖｄｓｍｉｎ
Ｖｅ＞Ｖｆ＋Ｖｓｍｉｎ＋Ｖｄｓｍｉｎ ・・・（５）
一方、この条件下で、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅが大きくなると、その大きくなった分は全てＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの上昇となり、ＦＥＴ１０７における電力損失が増大する。このため、Ｖｅは次の式（６）の条件に出来るだけ近い事が望ましい。

Ｖｅ＝Ｖｆ＋Ｖｓｍｉｎ＋Ｖｄｓｍｉｎ ・・・（６）
図２は、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅに対する、ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓと電流検出抵抗１０８の両端電圧Ｖｓとの和（Ｖｄｓ＋Ｖｓ）の関係を示す。

スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅが小さいとき、電流検出抵抗１０８に目標とする電流が流れないため、演算増幅器１０６は、ＦＥＴ１０７に最大の電圧を印加して、電流を流そうとする。このためＦＥＴ１０７の抵抗値は、取り得る最小ＯＮ抵抗値Ｒｆｅｔｍｉｎになる。

図２に示す領域（Ａ）は、半導体光源への印加電圧が低く電流が殆ど流れない領域である。領域（Ａ）では、スイッチング電源１０１の出力電圧ＶｅがＬＤの直列接続１０４に電流が大きく流れ始める電圧よりも低いため、回路には電流が殆ど流れない。そのため、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅのその殆どが直列接続１０４の両端にかかり、ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓと電流検出抵抗１０８の両端電圧Ｖｓとの和（Ｖｄｓ＋Ｖｓ）は、ほぼゼロとなる。

図２に示す領域（Ｂ）は、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅにより電流が変化する領域である。領域（Ｂ）は、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅがさらに大きくなり直列接続１０４に電流が大きく流れ始める領域である。この電流により、ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間及び電流検出抵抗１０８には、流れる電流に比例した電圧が生じる。この状態では、電流検出抵抗１０８に流れる電流は、依然として、目標電流値よりも小さいため、ＦＥＴ１０７の抵抗値は最小ＯＮ抵抗値Ｒｆｅｔｍｉｎのままである。また電流検出抵抗１０８には、小さな抵抗値を通常使用するため、Ｖｄｓ＋Ｖｓは非常に小さい。スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅがさらに高くなり、電流検出抵抗１０８に流れる電流が増えその値が目標電流値に等しくなるまで、同様の動作となる。この領域（Ｂ）でのＶｄｓ＋Ｖｓの最大電圧は、電流検出抵抗１０８の両端の電圧Ｖｓｍｉｎと最小ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓｍｉｎとの和（Ｖｓｍｉｎ＋Ｖｄｓｍｉｎ）である。

図２に示す領域（Ｃ）は定電流が流れる領域である。領域（Ｃ）に示すように、電流検出抵抗１０８に目標の電流が流れると、演算増幅器１０６は、ＦＥＴ１０７の抵抗値を制御し、その電流値を維持するように動作する。

流れる電流が一定の時、電流検出抵抗１０８の両端電圧Ｖｓは一定で有り、またＬＤの直列接続１０４の両端電圧Ｖｆも、その温度等が変化しなければ変化しない。このため、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅが増加すると、その増加分は、全てＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの増加分となり、Ｖｄｓ＋Ｖｓは急激に増大する。

このような特性を踏まえ、図２に示すように、Ｖｄｓ＋Ｖｓの値を検出し、その値がＶｓｍｉｎ＋Ｖｄｓｍｉｎを僅かに超えた制御目標値となるようにスイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅを制御する。Ｖｄｓ＋Ｖｓの値が制御目標値となるときのスイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅは電圧Ｖｅｐである。これによって電流検出抵抗１０８に流れる電流を目標電流値に制御することが出来且つ、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの増大を抑え、ＦＥＴ１０７の損失を最小限にすることができる。

すなわち、図１に示すドレイン電圧検出回路１０３は、ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓと電流検出抵抗１０８の両端電圧Ｖｓとを加算した電圧（Ｖｄｓ＋Ｖｓ）を検出し、マイクロコンピュータ１０２に入力する。マイクロコンピュータ１０２は、上述したように、Ｖｄｓ＋Ｖｓの値がＶｓｍｉｎ＋Ｖｄｓｍｉｎを僅かに超えた電圧値である制御目標値となるようにスイッチング電源１０１を制御する。

このようにして、ＦＥＴ１０７の損失を最小限にしつつ、複数のＬＤの直列接続１０４に定電流を供給することができる。

ところで、図１に示すように、切替え回路１０５は、マイクロコンピュータ１０２からの出力である切替え入力Ｓ１、Ｓ２を、外部から入力された切替え信号ＳＷに従って切替え、演算増幅器１０６に出力する。

図３に、マイクロコンピュータ１０２に入力される（ａ）同期信号ＳＹと、切替え回路１０５に入力される（ｂ）切替え信号ＳＷと、（ｊ）照明色との関係を示す。

ここで、ＬＤが青色レーザ光を発光するＬＤであれば、赤色光Ｒと緑色光ＧはＬＤから得られる青色光を励起光として蛍光体で波長変換して得られ、青色光ＢはＬＤの光をそのまま使用して得られる。これら照明色の輝度として例えば、図３に示ように、赤色光Ｒと青色光Ｂの生成時に光源の強度を、緑色光Ｇよりも上げたい場合、緑色光Ｇの発光期間であるタイミングＴ１からタイミングＴ２までの期間よりも赤色光Ｒと青色光Ｂの発光期間であるタイミングＴ２からタイミングＴ３までの期間において、ＬＤの輝度を上げるように制御することが行われる。タイミングＴ３はタイミングＴ１に、タイミングＴ４はタイミングＴ２にそれぞれ対応している。

図４は、半導体光源駆動装置の動作を示す信号波形図であり、図中でＧｒは基準電位を示している。

図４に示す（ａ）同期信号ＳＹ及び（ｂ）切替え信号ＳＷの波形のように、ＤＭＤで変調される映像信号の同期信号ＳＹと切替え信号ＳＷは一定の時間関係をもって出力される。ここでは、同期信号ＳＹを基準信号として用い、同期信号ＳＹの立下りのタイミングＴ１で切替え回路１０５に入力される切替え信号ＳＷがハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）に切替わる。また、タイミングＴ２で切替え信号ＳＷはローからハイに切り替わる。

図４に示す（ｃ）切替え入力Ｓ１及び（ｄ）切替え入力Ｓ２の波形のように、マイクロコンピュータ１０２からは、切替え入力Ｓ１及び切替え入力Ｓ２の２つの異なったレベルの目標電流値設定用の信号が切替え回路１０５に出力される。切替え回路１０５は、切替え信号ＳＷの入力に基づき、切替え入力Ｓ１と切替え入力Ｓ２とを切り替え、演算増幅器１０６に出力する。即ち、図４に示す（ｅ）切替え回路出力の波形のように、切替え信号ＳＷの入力がローのときには切替え入力Ｓ１のレベルを出力し、切替え信号ＳＷの入力がハイのときには切替え入力Ｓ２のレベルを出力する。演算増幅器１０６は、この切替え回路１０５で選択された出力に従ってＦＥＴ１０７を駆動する。

このように目標電流値がローレベルの切替え入力Ｓ１からハイレベルの切替え入力Ｓ２を選択するように切り替えられると、これによって演算増幅器１０６の出力電圧が増加し、ＦＥＴ１０７のＯＮ抵抗が小さくなり、切替え入力Ｓ２による目標電流値に電流が増加するように制御される。

この入力切替えのタイミングでスイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅが上昇していない状態であると、演算増幅器１０６は電流を大きくするためにその出力電圧を上昇させＦＥＴ１０７の抵抗値を小さくする。しかし、ＦＥＴ１０７の抵抗値を最小ＯＮ抵抗値よりも小さくすることはできないため、ＦＥＴ１０７の抵抗値は最小ＯＮ抵抗値となり、結局、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅと、ＦＥＴ１０７の最小ＯＮ抵抗値と、電流検出抵抗１０８の抵抗値と、ＬＤの直列接続１０４の両端間電圧Ｖｆで決まる電流がＬＤの直列接続１０４に流れることとなる。このとき、ＬＤの直列接続１０４に流れる電流値が、目標電流値よりも低い値となり、この結果、ＬＤの直列接続１０４から所望の輝度が得られなくなる。従って、目標電流値が切替え入力Ｓ１から切替え入力Ｓ２に切替わったタイミングで、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅを所望の目標電流値が得られる電圧にする必要がある。

しかしながら、スイッチング電源１０１は、その出力に平滑コンデンサを装備しており、マイクロコンピュータ１０２からの制御により、出力電圧Ｖｅを変化させようとしても急激に変化させることは出来ない。

このため、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅを上昇させる制御を、切替え信号ＳＷに基づいてタイミングＴ２で行った場合、スイッチング電源１０１の電源電圧Ｖｅが上昇するまでの時間分、ＬＤの直列接続１０４に流れる電流の上昇が遅れる。そのため、その遅れの期間、上述したように半導体光源に流れる電流が目標電流値に達せず、半導体光源の輝度が低下してしまう。

これは、半導体光源駆動装置を投写型映像表示装置の照明装置として使用する場合、この輝度不足が投写映像に、映像輝度の直線性を劣化させる等の不所望な影響を与えてしまうこととなり好ましくない。

図１に記載した半導体光源駆動装置は、図４の（ｇ）スイッチング電源出力電圧に示す波形のように、マイクロコンピュータ１０２に入力された同期信号ＳＹを基準にして、マイクロコンピュータ１０２が、切替え信号ＳＷが変化するタイミングＴ２の前のタイミングｔ１２の時点からスイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅを上昇させて出力電流の増加に備える。

すなわち、マイクロコンピュータ１０２には、切替え信号ＳＷにより切替え入力Ｓ１から切替え入力Ｓ２に切替えられたとき、スイッチング電源１０１の出力電圧Ｖｅがｖ１からｖ２まで上昇するのに要する時間が予め記憶されている。従って、マイクロコンピュータ１０２は、タイミングｔ１２でスイッチング電源１０１の制御を開始して出力電圧Ｖｅを上昇させ、切替え入力Ｓ１から切替え入力Ｓ２に切替わるタイミングＴ２で出力電圧Ｖｅがｖ２に達するように制御する。タイミングＴ４に対するタイミングｔ３４についても、タイミングｔ１２と同様である。

このように制御することにより、図４に示す（ｆ）半導体光源電圧及び（ｉ）半導体光源電流の波形のように、切替え信号ＳＷにより切替え入力Ｓ１から切替え入力Ｓ２に切替えられるタイミングＴ２で、ＬＤの直列接続１０４に印加される電圧が上昇し、直列接続１０４に流れる電流が目標電流値にまで上昇する。

尚、このような制御を行うと、図４に示す（ｈ）ドレイン電圧の波形のように、切替え信号ＳＷが変化するタイミングＴ１、Ｔ２の前後で、短期間ＦＥＴ１０７のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが上昇するが、その期間は非常に短いため、この電圧Ｖｄｓの上昇に伴うＦＥＴ１０７の損失の増加は僅かである。また、切替え回路１０５の出力が切替え入力Ｓ２から切替え入力Ｓ１に切替わるタイミングＴ１及びタイミングＴ３では、スイッチング電源の出力電圧を早いタイミングで低下させる必要はない。

［１−３．効果］
以上のように、本実施の形態では、半導体光源としての複数のＬＤの直列接続１０４に流れる電流の上昇を遅らせること無く、ＦＥＴ１０７の消費電力を低減することが可能となる。

（実施の形態２）
以下、図５を用いて、実施の形態２を説明する。

［２−１．構成］
図５は、実施の形態２における半導体光源駆動装置のブロック図である。

実施の形態１における半導体光源駆動装置と異なる点は、スイッチング電源１０１のプラス側とマイナス側の両方に半導体光源である複数のＬＤの直列接続１０４ａ、１０４ｂがそれぞれ接続され、スイッチング電源１０１の出力がフローティングとなっている点である。すなわち、スイッチング電源１０１のプラス側とＦＥＴ１０７との間に直列接続１０４ａが挿入され、電流検出抵抗１０８とスイッチング電源１０１のマイナス側との間に直列接続１０４ｂが挿入されている。そして、電流検出抵抗１０８と直列接続１０４ｂとの接続点Ｐが接地されている。

［２−２．動作］
この実施の形態２でも次の点を除けば実施の形態１における半導体光源駆動装置と同様の動作を行う。すなわち、電流検出抵抗１０８とスイッチング電源１０１のマイナス側との間に挿入された直列接続１０４ｂには、スイッチング電源１０１のプラス側とＦＥＴ１０７との間に挿入された直列接続１０４ａと同一の電流が流れる。

［２−３．効果］
実施の形態２において、実施の形態１における半導体光源駆動装置と同様の効果が得られると共に、半導体光源と接地点間の電位差を大きくすること無しに、より多くの半導体光源素子を駆動する事が可能となる。

また、直列接続１０４ａと直列接続１０４ｂとは、同じであっても良いし異なってもよい。例えば、半導体光源の輝度をより大きくするために、実施の形態１で示した半導体光源駆動装置に直列接続１０４ｂを追加してもよい。また、実施の形態１で示した半導体光源駆動装置の半導体光源と同様の輝度を得るために、実施の形態１の直列接続１０４の複数のＬＤのうち半数をそれぞれ直列接続１０４ａ、１０４ｂとしてもよい。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

例えば、実施の形態１及び２では、電流制御素子としてＦＥＴ１０７を記載しているが、これに限定されず、例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等を用いることも可能である。

また、実施の形態１及び２では、マイクロコンピュータ１０２から切替え回路１０５への入力信号である切替え入力Ｓ１、Ｓ２を用いて２つの目標電流値に設定することが可能であるが、３つ以上の切替え入力を用いて３つ以上の目標電流値を設定することもできる。

本開示は、複数の半導体光源素子を直列に接続して駆動する半導体光源駆動装置に使用でき、例えば、プロジェクタの光源、照明用光源などに適用可能である。

１０１ スイッチング電源
１０２ マイクロコンピュータ
１０３ ドレイン電圧検出回路
１０４、１０４ａ、１０４ｂ 直列接続
１０５ 切替え回路
１０６ 演算増幅器
１０７ ＦＥＴ
１０８ 電流検出抵抗

Claims (2)

1. 半導体光源素子が複数個直列に接続されてなる第１の光源素子直列接続と、
   半導体光源素子が複数個直列に接続されてなる第２の光源素子直列接続と、
   ドレインが前記第１の光源素子直列接続に接続され、ソースが電流検出抵抗に接続され、ゲートが演算増幅器の出力に接続されてなる電界効果トランジスタを備える定電流回路と、
   前記第１の光源素子直列接続にプラス側が接続されるとともに前記定電流回路の前記電流検出抵抗との接続点が接地されて接続された前記第２の光源素子直列接続にマイナス側が接続されたスイッチング電源と、
   前記電界効果トランジスタのドレイン電圧を検出するドレイン電圧検出回路と、
   切替え信号に基づいて、複数の入力信号のいずれかに切替えて前記演算増幅器に供給する切替え回路と、
   前記ドレイン電圧検出回路からの検出信号に基づき前記スイッチング電源を制御するとともに、複数の電流値設定信号を前記切替え回路の前記入力信号として出力するマイクロコンピュータと、を備え、
   前記マイクロコンピュータは、前記切替え信号と時間的に一定の関係をもつ基準信号に基づき、前記切替え回路による前記電流値設定信号の切替えに先行して、前記スイッチング電源の出力を変化させるように制御する半導体光源駆動装置。
2. 請求項１に記載の半導体光源駆動装置を備えた投写型映像表示装置。

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