CN110876216A

CN110876216A - 半导体发光元件驱动装置

Info

Publication number: CN110876216A
Application number: CN201910799106.5A
Authority: CN
Inventors: 行天敬明
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: JP7142327B2; US10756730B2; US20200076423A1; CN110876216B; JP2020035875A

Abstract

本公开提供一种半导体发光元件驱动装置，是根据PWM调制信号对半导体发光元件的输出光进行控制的半导体发光元件驱动装置，即使在PWM调制信号的占空因数小的情况下，也能够进行抑制了温度或元件特性的偏差等的影响的正确的反馈，供给稳定的驱动电流。本公开的半导体发光元件驱动装置具备：半导体发光元件；开关电源，产生流过半导体发光元件的驱动电流；开关元件，对驱动电流进行通断控制；PWM调制器，基于PWM设定值，产生对开关元件进行通断控制的信号；以及反馈电路，基于驱动电流以及目标电流值对开关电源进行驱动控制，反馈电路对开关电源进行驱动控制，使得实际流过的驱动电流的平均值与目标电流值相等。

Description

半导体发光元件驱动装置

技术领域

本公开涉及根据PWM调制信号控制半导体发光元件的输出光的半导体发光元件驱动装置。

背景技术

专利文献1公开了抑制元件的温度或电源电压的变动、元件特性的偏差等的影响而输出恒定电平的脉冲电流的发光元件驱动装置。发光元件驱动装置将电源、半导体发光元件、FET、检测电阻串联连接而具备。通过按照来自外部的开关信号对FET进行通断控制，对半导体发光元件中流动的电流进行PWM调制，从而进行亮度的调整。同时，将开关信号接通时的检测电阻的电压与基准电压的差分充电到电容器中。而且，通过根据该电容器的输出电压来控制电源电压，从而将流过的电流的峰值保持为恒定。由此，抑制元件的温度或电源电压的变动、元件特性的偏差等的影响而输出恒定电平的脉冲电流。

在此，该半导体发光元件驱动装置对半导体发光元件中流动的电流值进行时间平均，并将该值与目标电流值进行比较，由此对电源进行驱动控制来进行反馈。然而，在PWM调制的占空因数例如小于5％的情况下，在PWM调制的周期中的大部分中流过半导体发光元件的电流值为0，平均电流值也为非常小的值。因此，存在如下问题点，即，大幅受到半导体发光元件的温度或元件特性的偏差等的影响而无法进行正确的反馈，供给的驱动电流变得不稳定。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-147435号公报

发明内容

发明要解决的课题

本公开提供一种即使在PWM调制的占空因数例如小于5％的情况下也能够供给稳定的驱动电流的半导体发光元件驱动装置。

用于解决课题的手段

根据本公开，半导体发光元件驱动装置具备：半导体发光元件；PWM调制器，基于从外部输入的PWM设定值，产生用于对半导体发光元件中流动的电流进行通断控制的PWM调制信号；以及开关电源，产生用于驱动半导体发光元件的驱动电流，进行反馈而使得流过半导体发光元件的电流的平均值与目标电流值相等，并且仅将电流流过半导体发光元件的期间的电流用于反馈。

发明效果

根据本公开所涉及的半导体发光元件驱动装置，即使在PWM调制的占空因数例如小于5％的情况下，也能够向半导体发光元件供给稳定的驱动电流。

附图说明

图1是表示实施方式1中的半导体发光元件驱动装置1的结构例的框图。

图2是表示图1的半导体发光元件驱动装置1中的信号等的变化例的时序图。

图3是表示实施方式2中的半导体发光元件驱动装置2的结构例的框图。

图4是表示图3的半导体发光元件驱动装置2中的信号等的变化例的时序图。

图5是表示图3的可变放大器200中的PWM设定值与放大率的关系例的曲线图。

图6是表示实施方式3中的半导体发光元件驱动装置3的结构例的框图。

图7是表示图6的半导体发光元件驱动装置3中的信号等的变化例的时序图。

图8是表示实施方式4中的半导体发光元件驱动装置4的结构例的框图。

符号说明

1 半导体发光元件驱动装置

10 反馈电路

100 开关电源

110 半导体发光元件

120 比较器

130 电容器

140 采样开关

150 FET

160 检测电阻

170 PWM调制器

180 采样信号产生电路

具体实施方式

以下，一边适当参照附图，一边对实施方式进行详细说明。但是，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略已经众所周知的事项的详细说明、对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得过分冗长，使本领域技术人员容易理解。

另外，发明人为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明，并不意图通过这些来限定权利要求书所记载的主题。

(实施方式1)

以下，使用图1以及图2，对实施方式1进行说明。

[1-1.结构]

图1是表示实施方式1中的半导体发光元件驱动装置1的结构例的框图。在图1中，半导体发光元件驱动装置1具备开关电源100、半导体发光元件110、反馈电路10、FET150以及PWM调制器170。反馈电路10包括比较器120、电容器130、采样开关140、检测电阻160以及采样信号产生电路180。开关电源100、半导体发光元件110、FET150以及检测电阻160按该顺序串联连接。

开关电源100产生流过半导体发光元件110的驱动电流。半导体发光元件110由来自开关电源100的驱动电流驱动而发光。PWM调制器170根据从外部电路输入的PWM设定值(占空因数的指示值)生成PWM调制信号，并向FET150以及采样信号产生电路180输出。FET150例如是由N沟道MOSFET构成的开关元件，根据PWM调制信号切换通断，对流过半导体发光元件110的驱动电流进行通断控制。

采样信号产生电路180基于输入的PWM调制信号生成采样信号，并输出到采样开关140。采样信号通过使PWM调制信号延迟规定的时间而被生成，使得仅在实际流过驱动电流的期间接通。采样开关140根据采样信号来切换通断。

检测电阻160通过驱动电流产生检测电压。电容器130仅在采样开关140接通的期间对检测电压进行平均而作为输出电压Vc，输出到比较器120。比较器120将从外部输入的表示目标电流值的基准电压与电容器130的输出电压Vc进行比较，生成表示其差分的比较结果信号，对开关电源100进行驱动控制。

[1-2.动作]

以下，对如上构成的半导体发光元件驱动装置1的动作进行详细说明。

在图1中，PWM调制器170按照从外部电路输入的PWM设定值生成PWM调制信号，使得PWM调制信号的占空因数的值与PWM设定值一致，并输出到FET150以及采样信号产生电路180。

FET150根据来自PWM调制器170的PWM调制信号切换导通的通断，对驱动电流进行通断控制。在此，实际流过半导体发光元件110的驱动电流与PWM调制信号相比，通断的定时产生延迟。这是由FET150的通断切换中的延迟以及布线的电感等引起的。以下，对延迟对策的结构以及动作进行说明。

图2是表示图1的半导体发光元件驱动装置1中的信号等的变化例的时序图。在图2中，T表示PWM调制信号的周期。Td1表示采样信号产生电路中的延迟时间。Wp1表示采样信号的脉冲宽度。

在图2中，驱动电流相对于PWM调制信号产生了时间Td1的延迟。采样信号产生电路180将从PWM调制器170输入的PWM调制信号延迟时间Td1后作为采样信号，输出到采样开关140。由此，采样信号仅在实际电流流过半导体发光元件110的期间接通。

采样开关140根据采样信号进行通断控制。由检测电阻160产生的检测电压仅在采样信号接通的期间对电容器130进行充电。在采样信号断开的期间，电容器130的电荷被保存。因此，电容器130的输出电压Vc，成为对实际流过驱动电流的期间根据驱动电流而由检测电阻160产生的检测电压进行时间平均后的电压值。

另外，在本实施方式中，采样信号产生电路中的延迟Td1根据构成半导体发光元件驱动装置1的元件等的特性而预先设定。然而，半导体发光元件驱动装置1还可以具有延迟测量部，在各瞬间使采样信号产生电路中的延迟时间Td1的值变化。

比较器120将从外部输入的表示目标电流值的基准电压与电容器130的输出电压Vc进行比较，生成表示其差分的比较结果信号并向开关电源100输出，由此对开关电源100进行驱动控制。由此，开关电源100被驱动控制为实际流过驱动电流的期间中的驱动电流的平均值与目标电流值相等。

在本实施方式中，电容器130的输出电压Vc与PWM设定值无关地被决定，其值被控制为与表示目标电流值的基准电压相等。因此，即使PWM设定值例如为小于5％的较小的值，电容器130的输出电压Vc也保持为较高的电平。由此，能够抑制构成半导体发光元件驱动装置1的元件的特性的偏差等的影响而进行正确的反馈，向半导体发光元件110供给稳定的驱动电流。

[1-3.效果等]

如上所述，本实施方式所涉及的半导体发光元件驱动装置1构成为具备开关电源100、半导体发光元件110、反馈电路10、FET150以及PWM调制器170。反馈电路10包括比较器120、电容器130、开关140、检测电阻160以及采样信号产生电路180。

通过PWM调制信号来控制FET150，仅在驱动电流实际流过半导体发光元件110的期间内使检测电阻160的检测电压平均化。之后，通过比较器120将平均化后的检测电压与基准电压进行比较，对开关电源100进行驱动控制。由此，即使PWM调制的占空因数例如为小于5％的较小的值，也能够抑制构成半导体发光元件驱动装置1的元件特性的偏差等的影响而进行正确的反馈，向半导体发光元件110供给稳定的驱动电流。

(实施方式2)

以下，使用图3～图5，对实施方式2进行说明。

图3是表示实施方式2的半导体发光元件驱动装置2的结构例的框图。半导体发光元件驱动装置2用反馈电路10A置换了图1的半导体发光元件驱动装置1的反馈电路10。反馈电路10A与反馈电路10相比，还具备可变放大器200。外部输入的PWM设定值除了被输入到PWM调制器170之外，还被输入到可变放大器200。可变放大器200基于输入的PWM设定值放大电容器130的输出电压Vc并输出到比较器120。

在图3的半导体发光元件驱动装置2中，驱动电流开始流过半导体发光元件110的瞬间的驱动电流的上升速度，会根据构成半导体发光元件驱动装置2的元件的特性或温度等而变化。在驱动电流的上升充分快、或者占空因数为充分大的值的情况下，驱动电流在PWM调制信号接通的期间饱和，其波形接近矩形。然而，在驱动电流的上升较慢且PWM调制信号的占空因数为极小的值的情况下，PWM调制信号可能在驱动电流饱和之前断开。在该情况下，驱动电流的波形接近锯齿状波。

在驱动电流具有接近锯齿状波的波形的情况下，其平均值与具有接近矩形的波形的情况相比较小。因此，电容器130的输出电压Vc降低，比较器120驱动开关电源100而使输出电压增加。其结果是，驱动电流的最大值增加。

图4是表示图3所示的半导体发光元件驱动装置2中的信号等的变化例的时序图。Td1表示采样信号产生电路中的信号的延迟时间。Ip1表示流过半导体发光元件110的驱动电流具有接近矩形波的波形时的电流的最大值。Ip2表示由于具有接近锯齿状波的波形而如前述那样增加后的驱动电流的最大值。

在图4的例子中，若使PWM设定值降低，则驱动电流的最大值增加至Ip2。在该最大值Ip2比半导体发光元件110的最大额定电流大的情况下，半导体发光元件110有可能破损。因此，在实施方式2的半导体发光元件驱动装置2中，在PWM设定值小于规定值的情况下，使用对电容器130的输出电压Vc进行放大的可变放大器200。

比较器120在PWM设定值比后述的规定的值小的情况下，将由可变放大器200放大后的电压与外部输入的基准电压进行比较。因此，开关电源100的输出电压与不具备可变放大器200的情况相比较小。因此，若调整可变放大器200的放大率，则能够使驱动电流的最大值与PWM设定值无关而恒定。由此，在PWM设定值为例如小于5％这样的较小的值的情况下，可消除流过半导体发光元件110的驱动电流超过半导体发光元件110的最大额定电流的问题。

图5是表示PWM设定值与可变放大器200的放大率的关系的例子的曲线图。流过半导体发光元件110的驱动电流随着PWM设定值变小而成为更接近锯齿状波的波形，平均值降低。因此，为了使流过发光元件110的电流的最大值与PWM设定值无关而恒定，可变放大器200的放大率被设定为随着输入的PWM设定值变小而变大。

在图5中，驱动电流的最大值Ip2正好成为与半导体发光元件110的最大额定电流相同的值时的PWM设定值由PSth表示。在PWM设定值为PSth以上的情况下，流过半导体发光元件110的电流即使不使用可变放大器200也不超过最大额定电流。因此，PWM设定值为PSth以上的区间中的可变放大器200的放大率被设定为100％(不放大)。

(实施方式3)

以下，使用图6以及图7，对实施方式3进行说明。

图6是表示实施方式3中的半导体发光元件驱动装置3的结构例的框图。图6的半导体发光元件驱动装置3与图1的半导体发光元件驱动装置1相比，用反馈电路10B置换了反馈电路10。反馈电路10B将反馈电路10的采样信号产生电路180置换为采样信号产生电路180A。

在实施方式1中，采样信号产生电路180产生的采样信号的脉冲宽度Wp1是与PWM调制信号的脉冲宽度相同的值。但是，在由于构成半导体发光元件驱动装置1的元件的特性等发生变化而流过半导体发光元件110的电流的定时或宽度发生了变化的情况下，会对没有流过驱动电流的期间的检测电压进行采样，从而缺少反馈的正确性。因此，在采样信号产生电路180A中，还对产生的采样信号的脉冲宽度进行调整。

图7是表示图6的半导体发光元件驱动装置3中的信号等的变化例的时序图。如图7所示，将采样信号产生电路180A中的延迟Td2设定得比采样信号产生电路180中的延迟Td1大。而且，将采样信号的脉冲宽度Wp2调整为比实施方式1中的采样信号的脉冲宽度Wp1窄。由此，仅对半导体发光元件110中实际流过电流的期间的一部分进行采样。

调整延迟Td2以及脉冲宽度Wp2，使得采样期间不包含电流刚刚开始流过半导体发光元件110之后的上升期间以及该电流即将断开之前的期间。由此，即使在流过半导体发光元件110的电流相对于PWM调制信号的延迟时间微小地变化的情况下，也不会对电流没有流过半导体发光元件110的期间的检测电压进行采样。此外，即使流过半导体发光元件110的电流的上升速度稍微增减，也仅在其不产生大的影响的期间对检测电压进行采样。因此，能够进一步抑制半导体发光元件110的温度或元件特性的偏差等的影响，供给更稳定的驱动电流。

(实施方式4)

图8是表示实施方式4所涉及的半导体发光元件驱动装置4的结构例的框图。半导体发光元件驱动装置4与图1的半导体发光元件驱动装置1相比，用反馈电路10C置换了反馈电路10。反馈电路10C与反馈电路10相比，还具备实施方式2中的可变放大器200，用实施方式3中的采样信号产生电路180A置换了采样信号产生电路180。这样，本公开的实施方式所示的特征的一部分或全部也能够相互组合而起到复合的效果。

(其他实施方式)

如上所述，作为本申请中公开的技术的例示，对实施方式1～4进行了说明。然而，本公开中的技术并不限定于此，也能够应用于进行了适当变更、置换、附加、省略等的实施方式。此外，也可以将在上述实施方式1～4中说明的各结构要素组合，作为新的实施方式。因此，以下例示另一实施方式。

在实施方式1～4中，作为对流过半导体发光元件110的驱动电流进行通断控制的手段的一例，说明了使用N沟道MOSFET的情况。对驱动电流进行通断控制的手段并不限定于N沟道MOSFET。例如，作为对驱动电流进行通断控制的手段，也可以使用P沟道MOSFET。但是，作为对驱动电流进行通断控制的手段的N沟道MOSFET为高速且低电阻，因此通过使用该N沟道MOSFET能够抑制能量损失。

如上所述，作为本公开中的技术的例示，对实施方式进行了说明。因此，提供了附图以及详细的说明。

因此，在附图以及详细的说明所记载的结构要素中，不仅包含为了解决课题所必须的结构要素，还可能包含不是为了解决课题所必须的结构要素。因此，不应以这些不是必须的结构要素记载在附图、详细的说明中为根据而立即认定不是必须的结构要素是必须的。

此外，上述的实施方式是用于例示本公开中的技术的实施方式，因此能够在权利要求书或其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略。

产业上的可利用性

本公开所涉及的半导体发光元件驱动装置，能够利用于使用通过PWM调制来调整半导体发光元件的亮度的半导体发光元件驱动装置的例如照明装置、投射型影像显示装置等中。

Claims

1.一种半导体发光元件驱动装置，具备：

半导体发光元件；

开关电源，输出用于驱动所述半导体发光元件的驱动电流；

开关元件，对所述驱动电流进行通断控制；

PWM调制器，基于从外部输入的PWM设定值，产生用于对所述开关元件进行通断控制的PWM调制信号；以及

反馈电路，基于所述驱动电流以及外部输入的目标电流值，对所述开关电源进行驱动控制，

所述反馈电路对所述开关电源进行驱动控制，使得流过所述驱动电流的期间内的所述驱动电流的平均值与所述目标电流值相等。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件驱动装置，其中，

所述反馈电路具备：

检测电阻，通过所述驱动电流而产生检测电压；

电容器，对所述检测电压进行时间平均化，产生输出电压；以及

比较器，根据将所述电容器的输出电压与表示所述目标电流值的基准电压进行比较而生成的比较结果信号，对所述开关电源进行驱动控制。

3.根据权利要求2所述的半导体发光元件驱动装置，其中，

所述反馈电路还具备：

采样开关，对所述检测电阻与所述电容器的连接进行通断；以及

采样信号产生电路，基于所述PWM调制信号产生采样信号，

所述采样信号产生电路使所述PWM调制信号延迟规定的时间来产生所述采样信号，使得所述采样信号在实际流过所述驱动电流的期间接通。

4.根据权利要求3所述的半导体发光元件驱动装置，其中，

所述采样信号产生电路还使产生的所述采样信号的脉冲宽度比输入的所述PWM调制信号的脉冲宽度窄。

5.根据权利要求2～4中的任一项所述的半导体发光元件驱动装置，其中，

所述反馈电路还具备：可变放大器，对输入到所述比较器的所述电容器的输出电压进行放大，

所述可变放大器在所述PWM设定值比规定的值小的情况下放大所述电容器的输出电压，并且所述PWM设定值越小则所述可变放大器的放大率越大。