CN102448223A - 半导体光源装置及半导体光源控制方法 - Google Patents

半导体光源装置及半导体光源控制方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体光源装置，其特征在于，具有：半导体发光元件；供给动作电力的电源电路；驱动电路，包含无源元件、以及切换充电路径和放电路径的多个开关元件，通过用上述多个开关元件切换上述充电路径和放电路径间歇驱动上述半导体发光元件；恒流开关控制部，检测在选择上述充电路径以及放电路径时在路径上施加的电压，并根据该检测结果计算上述多个开关元件的切换占空比，切换上述多个开关元件，以使流过上述无源元件的电流保持一定值；和占空比控制部，按照通过上述恒流开关控制部而算出的上述切换占空比，来调整上述电源电路供给的电压值。

Description

半导体光源装置及半导体光源控制方法
相关申请的交叉参照
本申请基于2010年8月24日递交的日本专利申请No.2010-187237并要求其优先权，包括说明书、权利要求书、附图和摘要在内的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及例如使用LED(发光二极管)或者LD(激光二极管)等的半导体发光元件的半导体光源装置及半导体光源控制方法。
背景技术
作为用于降低功耗并控制LED的亮度恒定的LED驱动电路，可考虑包含日本特开2005-011895号公报的技术。
包含上述文献中记载的技术而得到的一般的构成为，半导体发光元件的驱动，通过使运算放大器和功率晶体管组合而进行电流反馈的线性恒流电路、或者恒流控制型的DC/DC变换器等进行。
在进行高速的PWM驱动的情况下，要求提早PWM波形的电流的上升。在上述前者的线性恒流电路中，通过由于反馈延迟引起的过驱动而发生电流的过冲。因此，难以使动作的高速化和稳定的反馈控制两者兼得。另外，在实现高速化的情况下，输出级的晶体管的负担大，需要更多地估计电压容限，并且必须考虑该晶体管的发热对策。
另外，在上述后者的DC/DC变换器中，在直到使在电路中使用的电感器的电流恢复到原来的电流值为止的期间中，至少需要数次乃至十数次开关周期的时间。因此，由于这样的电流的上升特性，难以实现高速化。
近年来，在上述后者的DC/DC变换器中，为改善上述那样的不适当的状况，通过使PWM波形导通时的反馈类电压，或者电路中的电容器的输出电压暂时保持、使下次导通时的电流急剧上升，从而使高速化成为可能。但是，PWM周期的高速化以数十[kHz]的程度为界限，在那以上的高速化比较困难。
发明内容
本发明的半导体发光元件，具有下述部件：
半导体发光元件；
供给动作电力的电源电路；
驱动电路，该驱动电路包含积蓄并且释放来自上述电源电路的电力的无源元件、以及切换充电路径和放电路径的多个开关元件，上述充电路径向上述无源元件供给来自上述电源电路的电力并进行积蓄，上述放电路径将上述无源元件中积蓄的电力通过上述半导体发光元件发光而释放，通过用上述多个开关元件切换上述充电路径和放电路径间歇驱动上述半导体发光元件；
恒流开关控制部，检测在选择上述充电路径以及放电路径时在路径上施加的电压，并根据该检测结果计算上述多个开关元件的切换占空比，切换上述多个开关元件，以使流过上述无源元件的电流保持一定值；和
占空比控制部，根据通过上述恒流开关控制部而计算出的上述切换占空比，来调整上述电源电路供给的电压值。
另外，本发明的半导体光源控制方法是半导体光源装置中的控制方法，
所述半导体光源装置具有：半导体发光元件；供给动作电力的电源电路；和驱动电路，该驱动电路包含积蓄并且释放来自上述电源电路的电力的无源元件、以及切换充电路径和放电路径的多个开关元件，上述充电路径向上述无源元件供给来自上述电源电路的电力并进行积蓄，上述放电路径将上述无源元件中积蓄的电力通过上述半导体发光元件发光而释放，通过用上述多个开关元件切换上述充电路径和放电路径间歇驱动上述半导体发光元件，
所述半导体光源控制方法具有如下工序：
恒流开关控制工序，检测在选择上述充电路径以及放电路径时在路径上施加的电压，并根据该检测结果计算上述多个开关元件的切换占空比，切换上述多个开关元件，以使流过上述无源元件的电流保持一定值；和
占空比控制工序，按照通过上述恒流开关控制工序而计算出的上述切换占空比，来调整上述电源电路供给的电压值。
本发明的优点在下面的说明中叙述，其中部分在说明中是明显的，或者可以从发明的实践中学习。本发明的优点可以借助特别在下面指出的措施和组合实现和得到。
附图与说明书结合并组成其一部分，说明本发明的实施方式，并且与在上面给出的一般性说明和在下而给出的实施方式的详细说明一起，用于解释本发明的原理。
附图说明
图1是表示本发明的一种实施方式的半导体发光元件的PWM驱动电路的结构的图。
图2是表示该实施方式的图1的电路中的各信号波形的时序图。其中，图2(A)表示向该实施方式的图1的电路中的第一开关元件施加的信号波形，图2(B)表示向该实施方式的图1的电路中的第二开关元件施加的信号波形，图2(C)表示向该实施方式的图1的电路中的第三开关元件施加的信号波形，图2(D)表示向该实施方式的图1的电路中的第四开关元件施加的信号波形，图2(E)表示向该实施方式的图1的电路中的电感器施加的电流值，图2(F)表示向该实施方式的图1的电路中的二极管施加的电流值，图2(G)表示向该实施方式的图1的电路中的LED施加的电流值。
具体实施方式
参照附图说明本发明的实施例。
下面参照附图详细说明本发明的一种实施方式。
图1是表示该实施方式的半导体光源装置10的电路结构的图。在该图中，向本装置供给的电源输入提供给电源电压变换部11。使用该电源电压变换部11，将根据来自后述的占空比监视部22的控制而变化的直流驱动电压Vin始终向作为第一开关元件(SW1)使用的n沟道的FET12的漏极提供。
该FET12的源极连接电感器13的一端，并且连接作为第二开关元件(SW2)使用的n沟道的FET14的漏极。
上述电感器13的另一端，与作为第三开关元件(SW3)使用的n沟道的FET15的漏极、和二极管16的阳极连接。二极管16的阴极与电容器17的一端以及半导体发光元件例如LED(发光二极管)18的阳极连接。
LED18的阴极与作为第四开关元件(SW4)使用的n沟道的FET19的漏极连接。该FET19的源极与上述电容器17的另一端、和上述FET15的源极连接。上述电容器17为了减轻流过LED18的波动电流、以及为了形成方波而插入。
进而，FET15的源极与电阻20的一端连接。该电阻20的另一端，连接上述FET14的源极、并且接地。
为控制该装置的发光的导通/截止的时序，设置恒流控制部21。该恒流控制部21对上述FET12、15的各栅极和占空比监视部22供给PWM信号a，另一方面，对上述FET14、19的各栅极和上述占空比监视部22供给将该PWM信号a反转了的PWM信号b。
另外，通过恒流控制部21同时检测上述电阻20两端的电位。
恒流控制部21一边监视电阻20的两端电压，一边对上述FET12、15和FET14、19送出上述互相反转的两个PWM信号a、b地进行控制以维持希望的恒流。
亦即，通过恒流控制部21和电感器13、二极管16、电容器17、以及电阻20构成用于LED18的驱动电路，作为控制该驱动电路中的电流路径的开关元件而设置FET12、15和FET14、19。此外，作为多个开关元件可以使用双极晶体管，但是FET为电压控制，因此使用了FET的电路能够削减电阻等的部件数。
上述占空比监视部22监视恒流控制部21输出的两个PWM信号a、b的各导通/截止的占空比。另外，上述占空比监视部22控制上述电源电压变换部11进行变换而输出的驱动电压Vin的值，以使该占空比保持希望的一定值。
下面说明上述实施方式的动作。
恒流控制部21，在把图2(A)、(C)所示那样的PWM信号a提供给FET12、15的各栅极的同时，把将其反转了的图2(B)、(D)所示那样的PWM信号b提供给FET14、19的各栅极。
FET12、15变成导通，沿图1中用虚线表示的充电的电流路径R1流过电流，在电感器13中积蓄能量。
接着，当FET12、15变成截止，并且FET14、19变成导通时，此次在电感器13中积蓄的能量沿图1中用点划线表示的放电的电流回路R2流动，在该过程中该能量通过作为负荷的LED18发光，并且释放。
流过电感器13的电流如图2(E)所示，以如下的方式重复，即、从FET12、15导通上升时的电流Ia(Ia＞0)慢慢上升，将FET12、15截止而开始下降时的电流Ib(Ia＜Ib)作为峰值，接着慢慢下降到在FET12、15再次导通上升时的电流Ia。此时，流过二极管16的电流如图2(F)所示，以如下的方式重复，即、在FET12、15导通时电流不流过，在FET12、15截止时电流流过。
另一方面，流过作为发光元件LED18的电流，如图2(G)所示，在FET14、19导通期间中，电感器13中积蓄的电流原样流过，接近如图所示的方波，能够得到具有高速上升特性的电流的脉冲波形。
用于将流过LED18的电流保持为一定的条件，可以用以下的关系式表示。即：
占空比＝Vf/(Vin+Vf)  ...(1)
(式中，Vf：在LED上施加的电压。Vin：驱动电压。)为了一边维持希望的占空比一边进行恒流驱动，只要保持满足上述(1)式的驱动电压Vin和在LED18上施加的电压Vf的关系即可。
因此，恒流控制部21通过反馈并检测电阻20两端的电压值，调整对于FET12、15和FET14、19的各PWM信号a、b的占空比，并调整在电感器13中积蓄的能量，以使维持希望的恒流。
另外，占空比监视部22监视对于上述FET12、15和FET14、19的两PWM信号a、b的占空比，向电源电压变换部11给予指令，以使该占空比成为希望的值。
电源电压变换部11根据来自占空比监视部22的指令，使驱动电压Vin向需要的电压值转移。
如上所述的电容器17是为了减轻流过作为半导体发光元件的LED18的波动电流而插入的，但是其充电电流吸收LED18的上升电流，成为阻碍LED18中的高速上升动作的原因。
因此，在PWM信号a导通期间，通过使以反转了该PWM信号a的PWM信号b动作的FET19截止，使经过LED18的电容器17的放电路径、即由电容器17的正极、LED18的阳极、LED18的阴极、FET19的漏极、FET19的源极以及电容器17的负极构成的电容器17的放电路径截止，而且通过二极管16抑制由向FET15方向的电流引起的电容器17的电荷的释放，由此在直到下次PWM信号a变为截止的期间中，能够保持电容器17中的电压。
因此，利用下次用于充电电容器17的电流，不吸收LED18用的电流，能够使LED18的上升特性充分地实现急剧高速。
这里，恒流控制部21，一般可以使用与进行了IC化的恒流反馈型的降压DC/DC变换器相同的结构来实现，在该类型中直到数[MHz]级的开关频率的电路已经实用化。因此，作为电流控制电路通过使用这些IC，能够实现数[MHz]级的PWM周期的控制。
根据以上详细说明的本实施方式，为了维持恒流，除了利用电流不急变的电感器13的性质以外，不使用作为开关元件的FET12、15、FET14、19的模拟区域，而使用饱和区域来进行开关动作，所以能够高速、高效率地实现稳定的PWM信号的驱动。
此外，在上述实施方式中，对于驱动作为半导体发光元件的LED(发光二极管)的装置进行了说明，但是本发明不限于此，此外也可以是驱动作为半导体发光元件的例如LD(激光二极管)或者有机EL(电致发光)等的装置。进而也不限定在电路中使用的半导体发光元件的数目等。
另外，上述实施方式对于作为驱动电路而使用了恒流控制的DC/DC变换器方式的PWM驱动电路的情况进行了说明，但是本发明不限定驱动电路的方式。
进而，作为使用上述半导体光源装置的装置，也可以考虑在例如通过场序(field sequential)驱动以DLP(Digital Light Processing，数字光处理)(注册商标)方式的投影仪中应用，DLP方式是指，以时分方式分别间歇驱动R、G、B各色的LED。
在这种情况下，即使在与用于形成光像的微镜元件中的图像显示同步，例如帧频率为120[Hz]、而且需要根据在该时点设定的投影方式而以％单位切换各色的占空比的情况下，也能够充分稳定地应对。
此外，本发明不限于上述实施方式，在实施阶段在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变形。另外，在上述实施方式中执行的功能只要可能，也可以适当组合实施。在上述实施方式中包含各种阶段，通过基于已公开的多个结构部件的适当的组合，可以得到各种发明。例如，即使从实施方式中表示的全部结构部件中去除几个结构部件，只要能够得到效果，就可以把去除了该结构部件的结构作为发明得到。对于本领域的技术人员而言，容易做出另外的优点和修改。因此本发明在其广义的方面不限于在这里表示并且说明的特定的细节和代表性的实施例。因此，在不脱离由所附权利要求及其等价的要求所定义的一般发明概念的精神和范围内，可以进行各种修改。

Claims (10)

1.一种半导体光源装置，其特征在于，具有：
半导体发光元件；
供给动作电力的电源电路；
驱动电路，该驱动电路包含积蓄并且释放来自上述电源电路的电力的无源元件、以及切换充电路径和放电路径的多个开关元件，上述充电路径向上述无源元件供给来自上述电源电路的电力并进行积蓄，上述放电路径将上述无源元件中积蓄的电力通过上述半导体发光元件发光而释放，通过用上述多个开关元件切换上述充电路径和放电路径间歇驱动上述半导体发光元件；
恒流开关控制部，检测在选择上述充电路径以及放电路径时在路径上施加的电压，并根据该检测结果计算上述多个开关元件的切换占空比，切换上述多个开关元件，以使流过上述无源元件的电流保持一定值；和
占空比控制部，按照通过上述恒流开关控制部而计算出的上述切换占空比，来调整上述电源电路供给的电压值。
2.根据权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于，
还具有与上述半导体发光元件以及上述开关元件连接的电容器。
3.根据权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于，
上述无源元件是电感器。
4.根据权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于，
上述多个开关元件是FET。
5.根据权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于，
上述半导体发光元件是LED、LD或者有机EL。
6.一种半导体光源装置中的半导体光源控制方法，所述半导体光源装置具有：半导体发光元件；供给动作电力的电源电路；驱动电路，该驱动电路包含积蓄并且释放来自上述电源电路的电力的无源元件、以及切换充电路径和放电路径的多个开关元件，上述充电路径向上述无源元件供给来自上述电源电路的电力并进行积蓄，上述放电路径将上述无源元件中积蓄的电力通过上述半导体发光元件发光而释放，通过用上述多个开关元件切换上述充电路径和放电路径间歇驱动上述半导体发光元件，其特征在于，具有如下工序：
恒流开关控制工序，检测在选择上述充电路径以及放电路径时在路径上施加的电压，并根据该检测结果计算上述多个开关元件的切换占空比，切换上述多个开关元件，以使流过上述无源元件的电流保持一定值；和
占空比控制工序，按照通过上述恒流开关控制工序而计算出的上述切换占空比，来调整上述电源电路供给的电压值。
7.根据权利要求6所述的半导体光源控制方法，其特征在于，
还使上述半导体发光元件以及上述多个开关元件与电容器连接。
8.根据权利要求6所述的半导体光源控制方法，其特征在于，
上述无源元件是电感器。
9.根据权利要求6所述的半导体光源控制方法，其特征在于，
上述多个开关元件是FET。
10.根据权利要求6所述的半导体光源控制方法，其特征在于，
上述半导体发光元件是LED、LD或者有机EL。
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