JP2008130907A - 光源点灯駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】LEDなどの光源の点灯駆動において、小型化と高輝度化を可能とする光源点灯駆動装置を提供する。
【解決手段】光源点灯駆動装置1において、スイッチ部15は、複数のLED30−R、30−G、30−Bのいずれか1つを切り替えて選択する。チョッパ回路10は、FET13のオン状態にてインダクタ11に蓄積された電力をFET13のオフ状態にてインダクタ11からダイオード12を通じてLEDに供給させる。発振器22は、インダクタ11のインダクタンス及び選択されるLEDの負荷容量に応じた定常的に変化する電力がチョッパ回路10を通じてLEDに供給されるようにFET13を動作させる周波数の信号を出力する。チョッパ回路駆動部21は、LEDの負荷容量に応じた電力量が当該LEDに供給されるようなデューティ比を有し、発振器22から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号によりFET13を動作させる。
【選択図】図1
【解決手段】光源点灯駆動装置1において、スイッチ部15は、複数のLED30−R、30−G、30−Bのいずれか1つを切り替えて選択する。チョッパ回路10は、FET13のオン状態にてインダクタ11に蓄積された電力をFET13のオフ状態にてインダクタ11からダイオード12を通じてLEDに供給させる。発振器22は、インダクタ11のインダクタンス及び選択されるLEDの負荷容量に応じた定常的に変化する電力がチョッパ回路10を通じてLEDに供給されるようにFET13を動作させる周波数の信号を出力する。チョッパ回路駆動部21は、LEDの負荷容量に応じた電力量が当該LEDに供給されるようなデューティ比を有し、発振器22から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号によりFET13を動作させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、プロジェクタに用いられるLEDなどの光源の点灯制御を行なう光源点灯駆動装置に関する。
従来、プロジェクタに用いられるLED(Light Emitting Diode)の点灯制御を行なう構成としては、図7に示すように赤色のLED101、緑色のLED111、青色のLED121ごとに光源点灯駆動装置100、110、120を備える構成が適用されていた。当該構成では、点灯指示信号発生回路130から、図8(a)に示すように赤色、緑色、青色ごとに時分割された点灯指示信号(R_on)、(G_on)、(B_on)を出力させ、光源点灯駆動装置100、110、120のスイッチ102、112、122を切り替えることで、図8(b)に示すようなタイミングで点灯と消灯が繰り返し行われることになる。また、図8(c)に示すLED電流の変化からわかるように各光源点灯駆動装置100、110、120は、スイッチ102、112、122がオンにされたときのみ動作状態となり、他のLED点灯時には非動作状態(スタンバイ状態)となる。
ところで、プロジェクタにおいては、市場要求として小型化や高輝度化が求められており、小型化の観点から図9に示すような光源点灯駆動装置200や特許文献1に示すようなLED駆動装置などが提案されている。
図9に示す光源点灯駆動装置200では、図7に示す光源点灯駆動装置100、110、120を共通化した構成を有している。当該光源点灯駆動装置200では、LED30−R、LED30−G、LED30−Bの点灯に必要となるLED電流値(以下、目標電流値という)を設定するための可変抵抗17を備えている。そして、点灯指示信号発生回路16から、図10(a)に示すような、赤色、緑色、青色のLED30−R、30−G、30−Bごとに時分割された点灯指示信号(R_on)、(G_on)、(B_on)を出力させ、当該点灯指示信号によりスイッチ15−R、15−G、15−Bを切り替えるとともに、可変抵抗17の抵抗値を切り替えて目標電流値を変更させる。これにより、図10(b)に示すような点灯状態を実現している。このとき、図10(c)に示すようにLED電流は常に存在するため光源点灯駆動装置200は常時動作状態となる。
米国特許出願公開第2006/0181485号明細書
しかしながら、図9に示す光源点灯駆動装置200のように共通化を行なった構成では、ある範囲の電流値では、LED30−R、30−G、30−Bを正常に動作させることができるが、高輝度化のためにLED30−R、30−G、30−Bに供給する電流値を増加させた場合、以下のような問題が生じることになる。
例えば、共通化されているチョッパ回路10のインダクタ11の容量が緑色のLED30−Bに流れるLED電流の値に対応させて備えられているとする。LED30−Bを点灯させる際には、インダクタ11に流れる電流ILは、図11(a)のようにΔILの範囲で定常的に変動し、LED30−Bは安定して点灯することになる。
しかし、LED30−Rを点灯させる際には、LED30−Bを点灯させた場合よりも多くのLED電流が必要となることから、インダクタ11が飽和してしまう場合がある。このとき、図11(b)のpoint_aに示されるように、インダクタ電流ILにおいて飽和現象が発生することになる。このようなインダクタ電流ILが流れるとドライバ201が停止してしまい、正常に点灯の動作をさせることができないという問題がある。
また、逆に、インダクタ11の容量が赤色のLED30−Rに流れるLED電流値に対応させて設けられていた場合に、図12に示すように青色のLED30−Bを点灯させたとき、インダクタ11に十分なエネルギが蓄積されない場合がある。このとき、図12(b)のpoint_aに示されるように、インダクタ電流ILに不連続現象が発生してしまい、LED30−Bの点灯においてフラッシングなどの現象が発生し、正常に点灯の動作をさせることができないという問題がある。
従って、LEDの高輝度化を図るためには、上述した図7に示す共通化されていない構成を用いなければならず、小型化して低コスト化を図ることができず、小型化とともに高輝度化を図ることは困難であるという問題があった。
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、LEDなどの光源の点灯駆動において、小型化と高輝度化を可能とする光源点灯駆動装置を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明は、負荷容量が異なる複数の光源の点灯の駆動を行う光源点灯駆動装置であって、前記複数の光源のいずれか1つを切り替えて選択するスイッチ部と、電源に接続されるインダクタと、前記スイッチ部にて選択される光源に接続されるダイオードと、前記インダクタへの電力の蓄積及び放出をオン状態及びオフ状態で制御し、前記インダクタに蓄積された電力を前記ダイオードを通じて光源に供給させるスイッチング素子とを有するチョッパ回路と、前記インダクタのインダクタンスに応じて定められる上限値及び下限値の範囲内の電力であって、かつ前記スイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力が前記インダクタから前記ダイオードを通じて前記光源に供給されるように前記スイッチ素子を動作させる周波数の信号を出力する発振器と、前記スイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力量を当該光源に供給するデューティ比を有し、前記発振器から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号を形成し、形成した信号に基づいて前記スイッチング素子を動作させるチョッパ回路駆動部と、を備えたことを特徴とする光源点灯駆動装置である。
この構成により、発振器がスイッチ部により選択される光源の負荷容量に応じた周波数の信号を出力し、チョッパ回路駆動部においてスイッチ部により選択される光源の負荷容量に応じた電力量が当該光源に供給されるようなデューティ比を有し、発振器から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号を形成することができるため、チョッパ回路から光源の負荷容量に応じた一定の範囲内で定常的に変化する電力を出力することが可能となる。
この構成により、発振器がスイッチ部により選択される光源の負荷容量に応じた周波数の信号を出力し、チョッパ回路駆動部においてスイッチ部により選択される光源の負荷容量に応じた電力量が当該光源に供給されるようなデューティ比を有し、発振器から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号を形成することができるため、チョッパ回路から光源の負荷容量に応じた一定の範囲内で定常的に変化する電力を出力することが可能となる。
この発明によれば、光源点灯駆動装置は、複数の光源のいずれか1つを切り替えて選択するスイッチ部と、電源に接続されるインダクタと、スイッチ部にて選択される光源に接続されるダイオードと、インダクタへの電力の蓄積及び放出をオン状態及びオフ状態で制御し、インダクタに蓄積された電力をダイオードを通じて光源に供給させるスイッチング素子とを有するチョッパ回路と、インダクタのインダクタンスに応じて定められる上限値及び下限値の範囲内の電力であって、かつスイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力がインダクタからダイオードを通じて光源に供給されるようにスイッチ素子を動作させる周波数の信号を出力する発振器と、スイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力量を当該光源に供給するデューティ比を有し、発振器から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号を形成し、形成した信号に基づいてスイッチング素子を動作させるチョッパ回路駆動部とを備える構成とした。
これにより、複数の光源においてチョッパ回路、チョッパ回路駆動部、発振器の共通化を図ることができることから光源点灯駆動装置の小型化を図ることができるとともに、光源の負荷容量に応じた電力を供給することができるため高輝度化を図ることが可能となる。
これにより、複数の光源においてチョッパ回路、チョッパ回路駆動部、発振器の共通化を図ることができることから光源点灯駆動装置の小型化を図ることができるとともに、光源の負荷容量に応じた電力を供給することができるため高輝度化を図ることが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態による光源点灯駆動装置1と当該光源点灯駆動装置1に接続端子25−1から25−4を通じて接続される赤色のLED30−R、緑色のLED30−G、青色のLED30−Bの構成を示す概略ブロック図である。
図1は、本実施形態による光源点灯駆動装置1と当該光源点灯駆動装置1に接続端子25−1から25−4を通じて接続される赤色のLED30−R、緑色のLED30−G、青色のLED30−Bの構成を示す概略ブロック図である。
図1において、赤色のLED30−R、緑色のLED30−G、青色のLED30−Bはそれぞれ異なる負荷容量を有している。
光源点灯駆動装置1において、点灯指示信号発生回路16は、LED30−R、LED30−G、LED30−Bのそれぞれを時分割で切り替えて点灯させる際の点灯指示信号、(R_on)、(G_on)、(B_on)を出力する。ドライバIC20は、点灯指示信号に従ってチョッパ回路10の動作を制御するための信号を形成する。チョッパ回路10は、ドライバIC20から入力される信号に基づいてスイッチング動作を行なうことでLED30−R、30−G、30−Bの負荷容量に応じた電流を供給する。スイッチ部15は、それぞれLED30−R、30−G、30−Bの一端に接続されるスイッチ15−R、15−G、15−Bを有しており、点灯指示信号発生回路16から出力される点灯指示信号に基づいていずれか1つのスイッチ15−R、15−G、15−Bへ切り替えられる。可変抵抗17は、一端にて直流電源(Vref)に接続され、点灯指示信号により抵抗値が切り替えられ、LED30−R、LED30−G、LED30−Bの点灯に必要となる目標となるLED電流値(以下、目標電流値という)をドライバIC20に供給する。
チョッパ回路10において、インダクタ11は、一端で直流電源(Vin)に接続され、FET13のオン状態でエネルギを蓄積し、オフ状態で蓄積したエネルギを出力することで、FET13のスイッチングされる周波数に応じたインダクタ電流ILを供給する。ダイオード12は、接続端子25−1を通じてLED30−R、30−G、30−Bと接続され、インダクタ電流ILを整流してLED電流として供給する。スイッチング素子であるFET(Field effect transistor)13は、ゲート端子にてドライバIC20に接続され、ドレイン端子にてインダクタ11とダイオード12に接続され、ドライバIC20から出力される信号に基づいてオン、オフの動作を繰り返してインダクタ11をスイッチングさせる。また、チョッパ回路10のインダクタ11の入力端に接続されるコンデンサ19は入力コンデンサであり、直流電源(Vin)の高周波成分を除去する。また、ダイオード12の出力端に接続されるコンデンサ14は、出力コンデンサであり、ダイオード12から出力される電流の高周波成分を除去する。
ドライバIC20において、発振器22は、可変抵抗24に接続されており点灯指示信号により切り替えられる可変抵抗24の抵抗値に応じたスイッチング周波数(fsw)の信号をチョッパ回路駆動部21に入力する。ここで、発振器22は、可変抵抗24の抵抗値が小さい場合ほど低い周波数のスイッチング周波数(fsw)を出力するものとする。
エラーアンプ(Err Amp)23は、例えば、オペアンプが適用され、入力端子の負の端子には、スイッチ部15と抵抗18に接続され、入力端子の正の端子は、可変抵抗17に接続され、可変抵抗17を通じて供給される目標電流値と、スイッチ部15から入力される電流値の差の値に応じた信号を出力信号としてチョッパ回路駆動部21に入力する。
チョッパ回路駆動部21は、エラーアンプ23から入力される信号の値の大きさに応じたデューティ比であって、発振器22から入力されるスイッチング周波数の信号を形成してFET13のゲート端子に入力する。
次に、図2から図5を参照しつつ、光源点灯駆動装置1の動作原理について説明する。図2は、赤、緑、青のいずれか1つのLEDが選択されている状態を示しており、選択されるLEDをLED30として示している。また、スイッチ部15、及び発振器22に接続される可変抵抗24並びにエラーアンプ23の一端に接続される可変抵抗17においても、選択したLEDに対応するスイッチ、抵抗値が選択されているものとする。
図2において、インダクタ11のリップル電流ΔILと入力電圧(Vin)の関係は次式(1)により表される。
式(1)において、Lは、インダクタ11のインダクタンスであり、ΔtはFET13のオン状態の時間を示している。また、インダクタ11の平均電流ILavgと、入力電圧(Vin)とLED電流ILED、LED電圧VLEDの関係は次式(2)により表される。
式(2)において、Effは、チョッパ回路10の入出力効率を示している。このとき、インダクタ11のピーク電流ILpeakは、上記式(1)及び(2)に基づいて、次式(3)のように表され、インダクタ電流ILは、図3で表される波形となる。
式(3)において、fswは、発振器22により出力されるFET13のスイッチング周波数である。式(3)から分かるように、LED電流ILEDの増減に伴い、インダクタ電流ILも増減することになる。ここで、LED電流ILEDの増減は、LED30の負荷容量に応じて変化する。ここで、エラーアンプ23の正の入力端子に入力する目標電流値を増加させ、インダクタ11を飽和させる上限値を超えた場合、インダクタ電流ILに前述した図11(b)に示すような飽和現象が発生してLED30の点灯動作が不安定となり、最終的にドライバIC20が停止することになる。また、逆に、目標電流値を減少させ、インダクタ11に十分なエネルギを蓄積させることができない場合、インダクタ電流ILに前述した図12(b)に示すような不連続現象が発生し、LED30の点灯においてフラッシングなどの現象が発生することになる。
ところで、式(3)の右辺の第2項から、スイッチング周波数(fsw)とインダクタ電流ILの増減は逆の関係にあることが分かる。すなわち、スイッチング周波数(fsw)が増加すると、インダクタ電流ILは減少し、逆に、スイッチング周波数(fsw)が減少すると、インダクタ電流ILは増加することになる。
つまり、図4に示すように飽和現象が生じている場合には、スイッチング周波数(fsw)を増加させることにより、インダクタ電流ILを減少させることができ、インダクタ11を飽和させる上限値を超えないようにすることが可能となる。また、図5に示すように不連続現象が生じている場合には、スイッチング周波数(fsw)を減少させることにより、インダクタ電流ILを増加させることができ、インダクタ電流ILがインダクタ11にエネルギの蓄積及び放出のサイクルを正常に繰り返される状態にして不連続状態とならないようにすることが可能となる。
なお、スイッチング周波数(fsw)は、FET13の損失に大きく影響することから、スイッチング周波数が高くなるにつれてFET13の損失が増加し光源点灯駆動装置1の入出力効率を低下を招くことになるため、飽和現象の発生を防ぐためにスイッチング周波数(fsw)を増加させる場合には、当該入出力効率の低下を考慮した上限値の範囲内で定める必要がある。
次に、図1と図6を参照しつつ光源点灯駆動装置1の動作について説明する。前提として、赤色のLED30−R、緑色のLED30−G、青色のLED30−Bは負荷容量が異なり、図6(c)に示すようにLED電流ILEDにおいて、赤色のLED30−Rに必要なLED電流ILED_Rの値は、青色のLED30−Bに必要なLED電流ILED_Bの値よりも大きく、青色のLED30−Bに必要なLED電流ILED_Bの値は、緑色のLED30−Gに必要なLED電流ILED_Gの値よりも大きいという関係があるものとする。
まず、点灯指示信号発生回路16から、赤色のLED30−Rを点灯させる点灯指示信号(R_on)が出力されるとする。当該点灯指示信号(R_on)が出力されることにより、ドライバIC20の可変抵抗24は、点灯指示信号(G_on)、(B_on)が出力された場合の抵抗値よりも小さい抵抗値になるように切り替えられる。また、当該点灯指示信号R_onが出力されることにより、エラーアンプ23の正の入力端子に接続される可変抵抗17についても、点灯指示信号(G_on)、(B_on)が出力された場合の抵抗値よりも小さい抵抗値になるよう、すなわちエラーアンプ23の正の入力端子に入力される目標電流値が最も大きくなるように切り替えられる。また、スイッチ部15において、スイッチ15−Rがオン状態、すなわち接続状態とされ、スイッチ15−G及びスイッチ15−Bについてはオフ状態とされる。
ドライバIC20の発振器22は可変抵抗24において切り替えられた抵抗値に従って、緑色のLED30−Gや青色のLED30−Bが選択される場合よりも低い周波数のスイッチング周波数をチョッパ回路駆動部21に入力する。また、エラーアンプ23は、可変抵抗17を通じて正の入力端子に入力される目標電流値と、スイッチ15−Rを通じて負の入力端子に入力される電流値の差の値に応じた信号をチョッパ回路駆動部21に入力する。
チョッパ回路駆動部21は、エラーアンプ23から入力される信号の値に応じたデューティ比であって、発振器22から入力されるスイッチング周波数の信号を形成してFET13のゲート端子に入力する。ここで、エラーアンプ23から入力される信号に応じたデューティ比は、エラーアンプ23に入力される信号の値の大きさに応じた値となり、赤色のLED30−Rに必要となる目標電流値がLED30−GやLED30−Bに必要とされる目標電流値に比べて大きく、スイッチングによる電流値の変化の差が大きいことからオン状態のデューティ比が高いものとなる。
チョッパ回路10のFET13は、ゲート端子から入力される信号に従ってスイッチングを行い、当該スイッチングよりインダクタ11からインダクタ電流ILが発生し、発生した電流がダイオード12を通じて整流され、図6(c)に示すLED電流ILED_RとしてLED30−Rに供給されることになる。
上記の状態の後、図6(a)に示すタイミングで緑色の点灯指示信号G_on、青色の点灯指示信号B_onに順に切り替えられ、その後、赤、緑、青の順に繰り返し切り替えられることになる。
点灯指示信号発生回路16から点灯指示信号G_onが出力された場合には、発振器22から出力されるスイッチング周波数(fsw)は、点灯指示信号R_on、点灯指示信号B_onが入力される場合よりも高い周波数が出力される。また、エラーアンプ23の正の入力端子に入力される目標電流値は、点灯指示信号R_on、点灯指示信号B_onが入力される場合よりも小さい電流値が入力され、図6(c)に示すようなLED電流ILED_GがLED30−Gに供給されることになる。
また、点灯指示信号発生回路16から点灯指示信号B_onが出力された場合には、発振器22から出力されるスイッチング周波数(fsw)は、点灯指示信号R_onが入力される場合よりも高い周波数であって、点灯指示信号B_onが入力される場合よりも低い周波数が出力される。また、エラーアンプ23の正の入力端子に入力される目標電流値は、点灯指示信号R_onが入力される場合よりも小さい電流値であって、点灯指示信号B_onが入力される場合よりも大きい電流値が入力され、図6(c)に示すようなLED電流ILED_BがLED30−Bに供給されることになる。これにより、図6(b)に示されるような点灯と消灯が各LED30−R、30−G、30−Bにおいて繰り返されることになる。
上記の実施形態の構成により、それぞれ負荷容量が異なるLED30−R、30−G、30−Bに対して、電流値が大きくなりインダクタ11が飽和してしまう場合には、発振器22が出力するスイッチング周波数(fsw)を低い周波数としてインダクタ電流ILを減少させて飽和状態になることを防ぎ、電流値が小さくなりインダクタ11のインダクタ電流ILに不連続現象が生じる場合には、発振器22が出力するスイッチング周波数(fsw)を高い周波数として不連続状態になることを防ぐことが可能となる。これにより、高輝度化を行なっても、各LED30−R、30−G、30Bに対して定常的に電流を供給することができ、また、それぞれ負荷容量が異なるLED30−R、30−G、30−Bに対する光源点灯駆動装置1を共通化することができることから装置全体での小型化を図ることが可能となる。
なお、上記の実施形態の構成では、エラーアンプ23の正の入力端子に目標電流値を入力し、エラーアンプ23から出力される信号の大きさに従ってチョッパ回路駆動部21にて形成される信号のデューティ比を求めて、LED30−R、30−G、30−Bに供給される電流値を制御するようにしているが、本発明はこの実施形態の構成には限られない。例えば、エラーアンプ23の正の入力端子へLED30−R、30−G、30−Bへの目標電圧値を入力し、LED30−R、30−G、30−Bに印加される電圧をエラーアンプ23の負の入力端子にフィードバックして入力する構成とし、電圧値に基づいてデューティ比を算出させるようにしてもよい。
また、エラーアンプ23の正の入力端子、及び発振器22に入力される信号としてそれぞれ、可変抵抗17及び可変抵抗24を用いて電流を発生させるようにしているが、本発明は、当該実施形態の構成には限られず、可変抵抗以外に、指示信号によって電流値や電圧値を変更して出力できる素子であればどのような素子を適用するようにしてもよい。
1 光源点灯駆動装置
10 チョッパ回路
11 インダクタ
12 ダイオード
13 FET
14 コンデンサ
15 スイッチ部
15−R、15−G、15−B スイッチ
16 点灯指示信号発生回路
17 可変抵抗
18 抵抗
20 ドライバIC
21 チョッパ回路駆動部
22 発振器
23 エラーアンプ
24 可変抵抗
25−1、25−2、25−3、25−4 接続端子
30−R、30−G、30−B LED
10 チョッパ回路
11 インダクタ
12 ダイオード
13 FET
14 コンデンサ
15 スイッチ部
15−R、15−G、15−B スイッチ
16 点灯指示信号発生回路
17 可変抵抗
18 抵抗
20 ドライバIC
21 チョッパ回路駆動部
22 発振器
23 エラーアンプ
24 可変抵抗
25−1、25−2、25−3、25−4 接続端子
30−R、30−G、30−B LED
Claims (3)
- 負荷容量が異なる複数の光源の点灯の駆動を行う光源点灯駆動装置であって、
前記複数の光源のいずれか1つを切り替えて選択するスイッチ部と、
電源に接続されるインダクタと、前記スイッチ部にて選択される光源に接続されるダイオードと、前記インダクタへの電力の蓄積及び放出をオン状態及びオフ状態で制御し、前記インダクタに蓄積された電力を前記ダイオードを通じて光源に供給させるスイッチング素子とを有するチョッパ回路と、
前記インダクタのインダクタンスに応じて定められる上限値及び下限値の範囲内の電力であって、かつ前記スイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力が前記インダクタから前記ダイオードを通じて前記光源に供給されるように前記スイッチ素子を動作させる周波数の信号を出力する発振器と、
前記スイッチ部が選択する光源の負荷容量に応じた電力量を当該光源に供給するデューティ比を有し、前記発振器から出力される信号の周波数をスイッチング周波数とする信号を形成し、形成した信号に基づいて前記スイッチング素子を動作させるチョッパ回路駆動部と、
を備えたことを特徴とする光源点灯駆動装置。 - 前記インダクタのインダクタンスに応じて定められる上限値及び下限値の範囲内の電力とは、前記インダクタから供給される電力が飽和状態あるいは不連続状態とはならない値の電力であることを特徴とする請求項1に記載の光源点灯駆動装置。
- 前記発振器は、
前記スイッチ部が選択する光源の負荷容量に対して必要となる電力が小さい場合には、当該負荷容量に対して必要となる電力が大きい場合に比べて高い周波数の信号を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の光源点灯駆動装置。
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