CN103491670B - 半导体光源控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体光源控制装置，其能够实现半导体光源的亮度可设定范围较宽的PWM减光，其使得半导体光源的亮度变化更加平滑。本发明的半导体光源控制装置（100）具有：生成流经LED（40）的驱动电流（I_LED）的开关调节器（104），和控制开关调节器（104）以使得驱动电流（I_LED）的大小趋近目标值的驱动控制部（102）。通过在对驱动电流（I_LED）的大小进行控制以使其接近目标值的第一状态，和驱动电流（I_LED）小于第一状态的第二状态之间反复切换，来调节LED（40）的亮度。在第一状态和第二状态之间反复切换时的占空比以及驱动控制部（102）的目标值这两者均根据LED（40）的亮度的设定值而变化。目标值或占空比中的任一方被设定为使得另一方与LED（40）的亮度的设定值呈一对一的关系。

Description

半导体光源控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于对LED（LightEmittingDiode：发光二极管）等半导体光源进行控制的半导体光源控制装置。

背景技术

近年来，在前照灯等车辆用灯具上，采用寿命更长、耗电更低的LED以取代传统的具有灯丝的卤素灯。由于LED的发光强度，即亮度极大依赖于流经LED的电流的大小，因此，在将LED用作光源时，需要一个用于对流经LED的电流进行调节的点灯电路。这样的点灯电路通常具有误差放大器，对流经LED的电流进行反馈控制，使电流恒定。

例如，前照灯存在远光状态和近光状态两种状态，且为了易于符合规格，也希望LED的亮度可调。作为改变LED的亮度的一个方法，已知有使电流导通/断开，以改变其占空比的PWM（PulseWidthModulation：脉宽调制）减光法。

本申请人在专利文献1中提出了采用PWM减光的点灯控制装置。

通常的PWM减光法中，是基于导通/断开电流的开关元件的响应速度来限制可实现的调光率的下限。作为其措施，提出了基于不同于对开关元件进行PWM驱动的控制信号的其它控制信号，改变流向LED的电流的目标值来进行调光的方法（例如，参照专利文献2）。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-170704号公报

专利文献2：日本特开2005-332586号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献2所记载的方法中，作为提供给光源的电流，使用两个不同的值：在相对亮度较高时，使用较大的电流值；在相对亮度较低时，使用较小的电流值。此时，由于电流的设定值为两个值，因此，电流切换时的电流变化值将变得较大。一旦相对亮度逐渐变化从而通过电流的切换点，此时，电流峰值将发生较大变动，LED的发光性能也将产生较大波动。

本发明即是鉴于上述情况而做出，其目的在于提供一种能够实现半导体光源的亮度可设定范围较宽的PWM减光，且使得半导体光源的亮度随之更平滑地变化的半导体光源控制装置。

解决课题的手段

本发明的一个实施方式涉及一种半导体光源控制装置。该半导体光源控制装置具有：生成流经半导体光源的驱动电流的调节器（regulator）和控制调节器以使得驱动电流的大小趋近目标值的驱动控制部。通过反复切换如下的第一状态和第二状态来调节半导体光源的亮度，其中，第一状态是对流经半导体光源的驱动电流的大小进行控制以使其接近目标值的状态，第二状态是驱动电流小于第一状态的状态。在第一状态和第二状态之间反复切换时的占空比以及驱动控制部的目标值这两者均根据半导体光源的亮度的设定值而变化。目标值或占空比中的任一方被设定为使得另一方与半导体光源的亮度的设定值呈一对一的关系。

根据该实施方式，目标值与半导体光源的亮度的设定值或占空比与半导体光源的亮度的设定值呈一对一的关系。

需要说明的是，上述构成要件的任意组合，或者将本发明的构成要件和/或表现在装置、方法、系统等之间相互置换而得的形态作为本发明的实施方式也是有效的。

发明的效果

根据本发明，能够实现半导体光源的亮度可设定范围较宽的PWM减光，且使得半导体光源的亮度变化更加平滑。

附图说明

图1为具备本发明实施方式的半导体光源控制装置的车载电路的结构的电路示意图。

图2为渐变控制中的图1的半导体光源控制装置的动作状态的时序示意图。

图3为表示微机的中断控制的说明图。

符号说明

10车载电路

20电子控制单元

30车载电池

40LED

100半导体光源控制装置

102驱动控制部

104开关调节器

106低通滤波器

108开/关灯调光控制部

110调光开关元件

112电流检测部

具体实施方式

以下，对于各图所示的相同或等同的构成要件、部件、信号标注相同的符号，适当省略重复的说明。此外，对于各图中在说明上不重要的部分部件省略其图示。此外，赋予电压、电流或电阻等的符号，根据需要，有时示出了各自的电压值、电流值或电阻值。

本说明书中，所谓“部件A与部件B连接的状态”除了部件A与部件B直接连接的物理性连接的情况之外，还包括借助对电连接状态没有影响的其它部件实现间接连接的情况。同样，所谓“部件C设置在部件A和部件B之间的状态”除了部件A与部件C或者部件B与部件C直接连接的情况之外，还包括借助对电连接状态没有影响的其它部件实现间接连接的情况。

本发明实施方式的半导体光源控制装置具有：开关调节器，其使用开关元件，生成流经LED的驱动电流；和驱动控制部，其对开关元件的导通/断开进行反馈控制，以使得开关元件的驱动电流的大小接近目标值。而且还在半导体光源控制装置中进行PWM减光。即，通过反复切换为将驱动电流的大小控制为接近目标值的电流控制状态和驱动电流小于电流控制状态的电流抑制状态，来调节LED的发光强度，即亮度。更具体而言，半导体光源控制装置通过使设置在LED和开关调节器之间的驱动电流路径上的调光开关元件在预定的减光频率f1下导通/断开，对LED的亮度进行调节。在此情况下，电流控制状态对应于调光开关元件的导通状态，电流抑制状态对应于调光开关元件的断开状态，流经LED的驱动电流实质上为零。

半导体光源控制装置使得在电流控制状态与电流抑制状态之间反复切换时的占空比，即调光开关元件的导通/断开的占空比根据LED的亮度的设定值（下文中将其表达为调光率，即LED的亮度相对于最大亮度的百分率）变化。半导体光源控制装置使得驱动电流的目标值根据调光率的设定值进行变化。特别是当占空比以及目标值分别在调光率可取值范围内，即1%～100%的范围内时，两者相对于调光率的设定值单调变化。由此，能够实现相对较宽范围的调光控制，同时能够抑制调光时的驱动电流及占空比的急剧变化。结果就能够抑制LED的发光性能的急剧变动。

图1为车载电路10的结构的电路示意图。车载电路10具有：本实施方式的半导体光源控制装置100；电子控制单元（ElectronicControlUnit）20；车载电池30；由三个车载用LED串联连接而成的LED40；和开关SW。

电子控制单元20是用于对汽车等车辆进行综合电气控制的微机。电子控制单元20通过开关SW与车载电池30连接，通过使开关SW导通，从车载电池30接受电池电压Vbat。电子控制单元20向半导体光源控制装置100供给直流的电池电压Vbat作为输入电压Vin。电子控制单元20向半导体光源控制装置100供给固定电压，即接地电位V_GND（=0V）。电子控制单元20生成PWM减光信号S1并供给到半导体光源控制装置100。

PWM减光信号S1是高速点灭LED40，例如以数百Hz至数kHz的减光频率f1点灭LED40的信号。更具体而言，PWM减光信号S1是减光频率为f1、电压呈矩形波状变化的信号。电子控制单元20基于LED40应能实现的调光率的设定值对PWM减光信号S1的占空比进行设定。在其中一例中，PWM减光信号S1的占空比与调光率的设定值相对应。

半导体光源控制装置100包括驱动控制部102、开关调节器104、低通滤波器106、开/关灯调光控制部108、调光开关元件110和电流检测部112。

开关调节器104使用开关元件122，也可以使用MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）等晶体管，将从电子控制单元20输入的输入电压Vin转换为与LED40的正向下降电压Vf相对应的输出电压Vout。开关调节器104通过调光开关元件110将输出电压Vout施加到LED40的阳极。从电流的角度看，开关调节器104生成驱动电流I_LED，通过调光开关元件110供给到LED40。开关调节器104的接地电位由电子控制单元20供给。

电流检测部112对驱动电流I_LED的大小进行检测。电流检测部112例如为驱动电流I_LED流经的电流检测电阻，生成对应于驱动电流I_LED的大小的检测电压Vd并供给到驱动控制部102。

驱动控制部102控制开关元件122的导通/断开，以使驱动电流I_LED的大小接近目标值。驱动控制部102基于检测电压Vd以及目标值设定信号S3生成元件控制信号S4，输出到开关元件122的控制端子，即栅极（gate）。驱动控制部10调节元件控制信号S4的占空比，以使对应于检测电压Vd的驱动电流I_LED的大小接近对应于目标值设定信号S3的电平的目标值。

调光开关元件110设置在驱动电流I_LED的路径上。特别是，调光开关元件110设置在开关调节器104的输出端子和LED40的阳极之间。调光开关元件110的导通/断开由PWM控制信号S2控制。PWM控制信号S2有效（assert）时，即处于高电平时，调光开关元件110呈导通状态。此时，由驱动控制部102控制流经LED40的驱动电流I_LED的大小，使其接近目标值。因此，调光开关元件110的导通状态与电流控制状态相对应。PWM控制信号S2无效（negate）时，即处于低电平时，调光开关元件110呈断开状态。此时，由于LED40中实质上没有驱动电流I_LED流动，因此，调光开关元件110的断开状态与电流抑制状态相对应。

开/关灯调光控制部108基于PWM减光信号S1生成经过脉冲宽度调制的PWM控制信号S2。开/关灯调光控制部108为微机。PWM控制信号S2从其微机的同一端子分别输出到调光开关元件110和低通滤波器106。

开/关灯调光控制部108具有将PWM减光信号S1所表示的调光率的设定值与调光开关元件110的占空比建立对应关系的第一查找表（look-uptable）。开/关灯调光控制部108从PWM减光信号S1中提取调光率的设定值。开/关灯调光控制部108参照第一查找表将提取出的调光率的设定值转换为占空比。开/关灯调光控制部108生成用于实现转换结果所得的调光开关元件110的占空比的PWM控制信号S2。特别是开/关灯调光控制部108将PWM控制信号S2的占空比作为转换结果所得的调光开关元件110的占空比。

PWM控制信号S2的占空比为PWM控制信号S2为高电平的高电平期间在PWM控制信号S2的一个周期中所占的比例。在高电平期间内，调光开关元件110为导通状态，所以，高电平期间的长度实质上等同于电流控制状态的持续期间的长度。因此，如果PWM控制信号S2的占空比增加，则电流抑制状态的持续期间相对于电流控制状态的持续期间的比例减少，如果PWM控制信号S2的占空比减少，则该比例增大。

PWM控制信号S2被输入低通滤波器106。低通滤波器106对PWM控制信号S2进行低通滤波，以减光频率f1的时标（timescale）观察，实质上生成了具有直流电压的目标值设定信号S3，并被输出到驱动控制部102。目标值设定信号S3的电平与PWM控制信号S2的占空比相对应。PWM控制信号S2的占空比越大，则目标值设定信号S3的电平越高；占空比越小，则目标值设定信号S3的电平越低。

低通滤波器106构成为低通滤波器106的截止频率低于减光频率f1。

驱动控制部102具有将目标值设定信号S3的电平与目标值建立对应关系的第二查找表。驱动控制部102参照第二查找表，将目标值设定信号S3的电平转换为目标值。或者，驱动控制部102也可以对目标值设定信号S3的电压适当定标（scaling）后，施加到误差放大器的基准输入侧。

PWM控制信号S2的占空比、驱动电流I_LED的目标值以及调光率的设定值之间的关系示于下表1。

表1

在表1中，PWM控制信号S2的占空比与调光率的设定值之间的对应关系存储在开/关灯调光控制部108的第一查找表中。PWM控制信号S2的占空比与驱动电流I_LED的目标值之间的对应关系，以对应于PWM控制信号S2的占空比的目标值设定信号S3的电平与目标值之间的对应关系的形式存储在驱动控制部102的第二查找表中。

参照表1可知：降低调光率时，半导体光源控制装置100使得PWM控制信号S2的占空比减少，同时降低了驱动电流I_LED的目标值；增大调光率时，半导体光源控制装置100使得PWM控制信号S2的占空比增大，同时增大了驱动电流I_LED的目标值。

此外，调光率的设定值与PWM控制信号S2的占空比的平方大致成正比。

下面对由上述结构形成的半导体光源控制装置100的动作进行说明。

图2为渐变控制中的半导体光源控制装置100的动作状态的时序示意图。在图2中，从上至下依次表示：PWM控制信号S2的电压、驱动控制部102所使用的驱动电流I_LED的目标值、依据PWM减光信号S1所表示的调光率的设定值。渐变控制是在数秒内使调光率缓慢变化的控制，图2中特别表示出了使调光率降低的情况。

在调光率设定为100%的第一期间TP1内，PWM控制信号S2的占空比设定为100%。即，PWM控制信号S2被固定在高电平，调光开关元件110维持导通状态。驱动电流I_LED的目标值被设定为最大值1500mA。

在调光率设定为64%的第二期间TP2内，PWM控制信号S2的占空比设定为80%。驱动电流I_LED的目标值设定为1200mA。

在调光率设定为25%的第三期间TP3内，PWM控制信号S2的占空比设定为50%。驱动电流I_LED的目标值设定为750mA。

在调光率设定为9%的第四期间TP4内，PWM控制信号S2的占空比设定为30%。驱动电流I_LED的目标值设定为450mA。

在调光率设定为1%的第五期间TP5内，PWM控制信号S2的占空比设定为10%。驱动电流I_LED的目标值设定为150mA。

各期间的占空比与调光率的设定值间存在以下的关系。

【公式1】：

本实施方式的半导体光源控制装置100通过改变驱动电流I_LED的目标值以及调光开关元件110的导通/断开的占空比这两者来改变LED的调光率。因此，可实现更宽范围的调光控制。特别是当调光率的设定值较低时，不必使得占空比相当小，因而能够减少调光开关元件110的导通/断开的上升/下降所导致的对调光率的影响，能够提高调光率的精度。

此外，在本实施方式的半导体光源控制装置100中，不仅能够实现更宽范围的调光控制，而且抑制了目标值相对于调光率设定值变动的变化，也抑制了占空比相对于调光率设定值变动的变化。因此，例如，即使在渐变控制中，也可以使得LED的亮度更加平滑地变化。结果就能够实现可靠性更高、商品价值更高的车辆用灯具。

关于由微机生成的PWM控制信号S2的占空比的最小值，本发明人独立进行了下述研究。

PWM控制信号S2的占空比的最小值取决于软件控制所使用的中断处理的处理时间。

【公式2】

因此，占空比的最小值=全部中断处理时间最大值的总和。

无视上述关系进行设计时，会出现以下的情况。图3为表示微机的中断控制的说明图。

在PWM调光用的时间周期中断（2ms周期）的处理中，进行占空比值（比较匹配记录Comparematchregister）的设定（写入）。在该中断发生于其它中断处理期间的情况下，在其它中断处理结束之前保留该中断处理。在该保留期间，PWM调光用计时器继续计数。保留后，在写入占空比值（比较匹配记录）时，如果比较匹配记录＜计时器计数，则计时器输出=OFF的比较匹配将跳跃一次，导致产生一个周期以上的高电平（ON）。依据其它中断处理的发生时标，也会有ON周期连续的情况发生。PWM控制信号S2的占空比越小，即比较匹配记录的值越小，越容易发生这样的比较匹配跳跃。因此，通常，为了避免这样的比较匹配跳跃，将PWM控制信号S2的占空比的最小值设定为如上所述的值。

与此相对，在本实施方式的半导体光源控制装置100中，通过使得在PWM控制信号S2的占空比变化的同时，驱动电流I_LED的目标值也并行变化，实现了更低的调光率。因此，即使是在因如上所述的软件的嵌套中断处理的影响下使得PWM控制信号S2的占空比的下限被限制的情况下，也能够实现较低的调光率。

此外，在本实施方式的半导体光源控制装置100中，PWM控制信号S2从作为开/关灯调光控制部108的微机的同一端子分别被输出到调光开关元件110和低通滤波器106。因此，用于进行调光开关元件110的导通/断开控制以及驱动电流I_LED的目标值控制的微机的端子有一个即可。所以，与由不同端子分别对不同信号进行控制的情况相比，能够减少微机的端子数目。其结果是无需使用端子数目多的大型且昂贵的微机，能够选用端子数目少的廉价的微机，且有助于装置的小型化。

进而，当设置多个LED40对其分别进行开/关灯和调光控制时，需要与LED40的数目相等的端子，因此减少端子数目的效果更加显著。

以上对本实施方式的半导体光源控制装置的构成和动作进行了说明。该实施方式为举例说明，作为本领域的技术人员应该理解，其各构成要件及各处理的组合可进行各种变形，而这样的变形例也属于本发明的范围。

在本实施方式中，对于电子控制单元20生成PWM减光信号S1供给到半导体光源控制装置100，同时不受PWM减光信号S1的影响地将大致一定的输入电压Vin供给到半导体光源控制装置100的情况进行了说明，但本发明不限于此。例如，也可以利用基于LIN或CAN等车载网络的串行通信代替PWM减光信号S1，设定相当于PWM减光信号S1的信号以作为通信信息的其中之一，将该信号输入到开/关灯调光控制部108。或者，也可以不用PWM减光信号S1，代之以利用减光频率f1控制施加或不施加（ON/OFF）输入电压Vin来实现PWM减光。

在本实施方式中，对于调光率降低时，半导体光源控制装置100减少PWM控制信号S2的占空比，同时降低驱动电流I_LED的目标值；调光率增大时，半导体光源控制装置100提高PWM控制信号S2的占空比，同时增大驱动电流I_LED的目标值的情况进行了说明，但本发明不限于此。只要对目标值或者占空比的任何一方进行设定，使得另一方与调光率的设定值之间形成一对一的关系即可。在该情况下，也能够使得LED的亮度平滑地变化。

在本实施方式中，对于在驱动电流I_LED的路径上设置调光开关元件110的情况进行了说明，但本发明不限于此。例如，也可以代替调光开关元件110设置或者追加设置与LED40并联的旁路开关元件。开/关灯调光控制部也可以通过控制旁路开关元件的导通/断开来实现PWM调光。

Claims (4)

1.一种半导体光源控制装置，其特征在于，具有：

调节器，所述调节器用于生成流经半导体光源的驱动电流；

驱动控制部，所述驱动控制部用于控制所述调节器，以使得驱动电流的大小趋近目标值，

开/关灯控制部，所述开/关灯控制部生成经过脉冲宽度调制的控制信号；和

开关元件，所述开关元件基于由所述开/关灯控制部生成的控制信号，交替实现第一状态和第二状态，

通过反复切换第一状态和第二状态来调节所述半导体光源的亮度，其中，所述第一状态是对流经所述半导体光源的驱动电流的大小进行控制以使该驱动电流接近目标值的状态，所述第二状态是驱动电流小于第一状态的状态，

在第一状态和第二状态间反复切换时的占空比以及驱动控制部的目标值这两者，均根据所述半导体光源的亮度的设定值而变化，

所述目标值和占空比中的任一方被设定为使得另一方与所述半导体光源的亮度的设定值呈一对一的关系，

所述半导体光源控制装置呈所述半导体光源的亮度降低时，第二状态的持续期间相对于第一状态的持续期间的比例增加，同时目标值降低；而当所述半导体光源的亮度增大时，第二状态的持续期间相对于第一状态的持续期间的比例减小，同时目标值增大的结构。

2.根据权利要求1所述的半导体光源控制装置，其特征在于，

所述半导体光源的亮度的设定值与占空比的平方成正比。

3.根据权利要求1或2所述的半导体光源控制装置，其特征在于，所述半导体光源控制装置还具有：

低通滤波器，所述低通滤波器输入由所述开/关灯控制部生成的控制信号，

所述驱动控制部控制所述调节器，以使驱动电流的大小趋近与所述低通滤波器的输出相对应的目标值。

4.根据权利要求3所述的半导体光源控制装置，其特征在于，

所述开/关灯控制部为微机，所述控制信号从所述微机的同一端子被分别输出到所述开关元件和所述低通滤波器。