以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、信号には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面において説明上重要ではない部材の一部は省略して表示する。また、電圧、電流あるいは抵抗などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値を表すものとして用いることがある。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
実施の形態に係る半導体光源制御装置は、直列に接続された複数の半導体光源すなわちLEDに流れる駆動電流を生成する。各LEDには並列にバイパススイッチが設けられる。バイパススイッチがオン(オフ)されると、対応するLEDは消灯(点灯)状態となる。隣接する2つのLED間の接続ノードと、対応する2つのバイパススイッチ間の接続ノードと、の間にはバイパス用接続配線が設けられている。半導体光源制御装置は、バイパス用接続配線に断線や接触不良が発生したときには、当該バイパス用接続配線に接続される2つのバイパススイッチが強制的にオンされるよう構成される。これにより、そのような導通不良が発生した場合に、関連するLEDを消灯状態とすることができる。
図1は、実施の形態に係る半導体光源制御装置100およびそれに接続される部材の構成を示す回路図である。半導体光源制御装置100は、直列に接続された複数(N個)の車載用のLED2−1〜2−Nに駆動電流Ioutを供給し、それらを点灯させる。Nは2以上の自然数である。半導体光源制御装置100およびN個のLED2−1〜2−Nは、ヘッドライトなどの車両用灯具に搭載される。半導体光源制御装置100は、車載バッテリ6、電源スイッチ8と接続される。
車載バッテリ6は、12V(もしくは24V)の直流のバッテリ電圧(電源電圧)Vbatを発生する。電源スイッチ8はN個のLED2−1〜2−N全体のオン、オフを制御するために設けられたリレースイッチであり、車載バッテリ6と直列に設けられる。電源スイッチ8がオンとなると、車載バッテリ6の正極端子からバッテリ電圧Vbatが入力電圧として半導体光源制御装置100に供給される。車載バッテリ6の負極端子は固定電圧端子と接続される、すなわち接地される。
各LED2−1〜2−Nには並列かつ逆向きに静電保護ツェナーダイオード252−1〜252−Nが接続される。すなわち、第1静電保護ツェナーダイオード252−1のカソードは第1LED2−1のアノードと接続され、第1静電保護ツェナーダイオード252−1のアノードは第1LED2−1のカソードと接続される。第2静電保護ツェナーダイオード252−2〜第N静電保護ツェナーダイオード252−Nについても同様である。静電保護ツェナーダイオードは、静電気による故障から対応するLEDを保護する。
半導体光源制御装置100は、スイッチングレギュレータすなわちフライバックレギュレータ102と、ダウンコンバータ104と、制御回路106と、電流検出抵抗108と、N個のバイパス回路270−1〜270−Nと、バイパス駆動回路112と、を備える。制御回路106はフライバックレギュレータ102およびダウンコンバータ104を制御し、フライバック駆動回路134と、ダウンコンバータ駆動回路136と、ヒステリシス幅設定回路138と、を含む。バイパス駆動回路112はマイクロコンピュータにより実現される。
フライバックレギュレータ102は電圧レギュレータであり、入力されるバッテリ電圧Vbatを目標電圧Vtに変換して出力する。フライバックレギュレータ102の高電位側の出力端子は接地側となるので、目標電圧Vtはフライバックレギュレータ102の低電位側の出力端子に印加される電圧であり、負極性を有する。フライバックレギュレータ102は、入力キャパシタ114と、第1スイッチング素子116と、入力トランス124と、出力ダイオード126と、出力キャパシタ128と、電圧検出ダイオード130と、電圧検出キャパシタ132と、を含む。
入力キャパシタ114は、車載バッテリ6と並列に設けられ、バッテリ電圧Vbatを平滑化する。より具体的には、入力キャパシタ114は入力トランス124の近傍に設けられており、フライバックレギュレータ102のスイッチング動作に対する電圧平滑化の機能を果たす。
入力トランス124の一次巻き線118および第1スイッチング素子116は直列に接続され、その直列回路は車載バッテリ6に対して入力キャパシタ114と並列に接続される。例えば第1スイッチング素子116はNチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成される。入力トランス124の二次巻き線120の一端は出力キャパシタ128の一端と接続され、二次巻き線120の他端は出力ダイオード126のアノードと接続される。出力キャパシタ128の他端は出力ダイオード126のカソードと接続される。出力キャパシタ128の一端はフライバックレギュレータ102の低電位側の出力端子と接続され、目標電圧Vtが印加される。出力キャパシタ128の他端はフライバックレギュレータ102の高電位側の出力端子と接続される。
第1スイッチング素子116の制御端子(ゲート)には、フライバック駆動回路134によって生成される矩形波状の前段制御信号S1が印加される。第1スイッチング素子116は、前段制御信号S1がアサートされるときすなわちハイレベルのときオンし、ネゲートされるときすなわちローレベルのときオフする。
入力トランス124の電圧検出用巻き線122、電圧検出ダイオード130および電圧検出キャパシタ132は、目標電圧Vtの大きさを正極性の電圧として検出するための正極電圧検出回路を構成する。電圧検出用巻き線122の一端は接地され、他端は電圧検出ダイオード130のアノードと接続される。電圧検出ダイオード130のカソードは電圧検出キャパシタ132の一端と接続される。電圧検出キャパシタ132の他端は接地される。電圧検出キャパシタ132の一端には目標電圧Vtの絶対値に応じた正の電圧が印加される。この電圧は検出電圧Vdとしてフライバック駆動回路134に供給される。
フライバック駆動回路134は検出電圧Vdに基づき、目標電圧Vtを略一定に保つための電圧フィードバック制御を行う。フライバック駆動回路134は、目標電圧Vtが例えば−100V程度の設定電圧に近づくよう前段制御信号S1の周波数やデューティ比を調整する。
ダウンコンバータ104はフライバックレギュレータ102の後段に設けられ、第2スイッチング素子140と、フライホイールダイオード142と、インダクタ144と、を含むが、出力電圧平滑用のキャパシタは含まない。
第2スイッチング素子140は例えばNチャンネルMOSFETで構成される。第2スイッチング素子140の制御端子には、ダウンコンバータ駆動回路136によって生成される矩形波状の後段制御信号S2が印加される。第2スイッチング素子140は、後段制御信号S2がハイレベルのときオン、ローレベルのときオフする。第2スイッチング素子140のドレインは、出力キャパシタ128の高電位側すなわちフライバックレギュレータ102の高電位側の出力端子と接続される。第2スイッチング素子140のソースはフライホイールダイオード142のカソードと接続される。
フライホイールダイオード142のアノードはインダクタ144の一端と接続される。フライホイールダイオード142のアノードとインダクタ144の一端との接続ノードは、出力キャパシタ128の低電位側すなわちフライバックレギュレータ102の低電位側の出力端子と接続される。インダクタ144の他端は、N個のLED2−1〜2−Nのカソード側と接続される。
電流検出抵抗108は、駆動電流Ioutの経路上に設けられる。電流検出抵抗108の一端は、第2スイッチング素子140のソースとフライホイールダイオード142のカソードとの接続ノードと接続される。電流検出抵抗108の他端は接地されると共にN個のLED2−1〜2−Nのアノード側と接続される。電流検出抵抗108には駆動電流Ioutに比例する電圧降下Vmが発生する。
N個のLED2−1〜2−Nのアノード側は接地されるので、N個のLED2−1〜2−Nのカソード側すなわちインダクタ144の他端には負極性の駆動電圧Voutが印加される。通常点灯時、駆動電圧Voutは、発光状態となっている(=対応するバイパススイッチがオフとなっている)LEDの数×LED1つの順方向降下電圧Vfに相当する大きさの負の電圧となる。
ダウンコンバータ駆動回路136は電圧降下Vmに基づき、駆動電流Ioutを所定の電流範囲内に保つための電流フィードバック制御を行う。ダウンコンバータ駆動回路136は、駆動電流Ioutの大きさが所定の電流上限値Ith1を上回ると第2スイッチング素子140をオフし、駆動電流Ioutの大きさが電流上限値Ith1よりも小さい電流下限値Ith2を下回ると第2スイッチング素子140をオンする。ダウンコンバータ駆動回路136は、駆動電流Ioutの大きさが電流上限値Ith1を上回ると後段制御信号S2をローレベルとし、駆動電流Ioutの大きさが電流下限値Ith2を下回ると後段制御信号S2をハイレベルとする。
ヒステリシス幅設定回路138は駆動電圧Voutに基づいて、電流上限値Ith1と電流下限値Ith2との差であるヒステリシス幅ΔIを設定する。ヒステリシス幅設定回路138は、駆動電圧Voutの絶対値が目標電圧Vtの絶対値よりも小さい電圧しきい値Vthを下回る場合は、駆動電圧Voutの絶対値が大きくなるほどヒステリシス幅ΔIを大きくし、駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthを上回る場合は、駆動電圧Voutの絶対値が大きくなるほどヒステリシス幅ΔIを小さくする。
図2は、ヒステリシス幅設定回路138の構成を示す回路図である。ヒステリシス幅設定回路138は、第1演算増幅器146と、第1ダイオード148と、第1抵抗150と、第2抵抗152と、第3抵抗154と、第4抵抗156と、第5抵抗158と、基準電圧源160と、を有する。第3抵抗154の一端には正の制御電源電圧Vccが印加される。第3抵抗154の他端は、第2抵抗152の一端、第5抵抗158の一端および第4抵抗156の一端と接続される。第4抵抗156の他端は接地される。第5抵抗158の他端には駆動電圧Voutが印加される。第2抵抗152の他端は第1演算増幅器146の反転入力端子と接続される。第1演算増幅器146の反転入力端子は第1抵抗150を介して第1ダイオード148のアノードと接続される。第1ダイオード148のカソードは第1演算増幅器146の出力端子と接続される。第1演算増幅器146の非反転入力端子には、基準電圧源160によって生成される基準電圧Vrefが印加される。第1ダイオード148のアノードに印加される電圧をオフセット電圧Voffsetと称す。後述する通り、オフセット電圧Voffsetはヒステリシス幅ΔIに対応し、オフセット電圧Voffsetが高いほどヒステリシス幅ΔIも大きくなる。
第1演算増幅器146の周辺の抵抗値について、基準電圧Vrefとの差動となる第3抵抗154、第4抵抗156および第5抵抗158の値と比較して、増幅率を決める第1抵抗150、第2抵抗152の値を充分大きくし、帰還電流が基準電圧Vrefとの差動に影響しないようにする。
図3は、駆動電圧Voutの絶対値とオフセット電圧Voffsetとの関係を示すグラフである。負極性である駆動電圧Voutの絶対値が小さいとき、第3抵抗154、第4抵抗156および第5抵抗158の共通接続ノードの電圧は基準電圧Vrefに対して大きいため、第1演算増幅器146は電流シンクしてオフセット電圧Voffsetは小さくなる。オフセット電圧Voffsetが最大になるのは共通接続ノードの電圧が基準電圧Vrefと等しくなったときである。
駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthとなったときにヒステリシス幅ΔIすなわちオフセット電圧Voffsetが最大となる、という制御を実現するために、基準電圧Vrefを駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthに等しいときの共通接続ノードの電圧に設定する。特にフライバックレギュレータ102の設定電圧が−100Vのときは、基準電圧Vrefを駆動電圧Vout=−Vth=−50Vのときの共通接続ノードの電圧に設定する。
駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthを超えて大きくなると、第1演算増幅器146の作用は無くなり、共通接続ノードの電圧がそのままオフセット電圧Voffsetとなる。ヒステリシス幅設定回路138は、このように駆動電圧Voutの絶対値に対して山型に変化するオフセット電圧Voffsetをダウンコンバータ駆動回路136へ送ることでヒステリシス幅ΔIを制御し、ダウンコンバータ104のスイッチング周波数を所定の範囲に収める。
図4は、ダウンコンバータ駆動回路136の構成を示す回路図である。ダウンコンバータ駆動回路136は、第2演算増幅器162と、比較器164と、ゲートドライバ166と、第1カレントミラー回路170と、第7抵抗172と、第8抵抗174と、第10抵抗178と、第12抵抗182と、第13抵抗184と、第1npn型バイポーラトランジスタ190と、第3スイッチング素子202と、第4スイッチング素子204と、第2カレントミラー回路206と、を有する。
第2演算増幅器162の非反転入力端子にはオフセット電圧Voffsetが印加される。第2演算増幅器162の出力端子は第1npn型バイポーラトランジスタ190のベースと接続され、反転入力端子は第1npn型バイポーラトランジスタ190のエミッタと接続される。第8抵抗174の一端は第1npn型バイポーラトランジスタ190のエミッタと接続され、他端は接地される。第1npn型バイポーラトランジスタ190のコレクタは第7抵抗172を介して第1カレントミラー回路170と接続される。
第1カレントミラー回路170は、第6抵抗168と、第9抵抗176と、第11抵抗180と、第1pnp型バイポーラトランジスタ192と、第2pnp型バイポーラトランジスタ194と、第3pnp型バイポーラトランジスタ196と、を有する。それらの回路素子は公知のカレントミラー回路を構成するよう互いに接続される。第1カレントミラー回路170は、第7抵抗172に流れる電流を入力、第10抵抗178に流れる電流および第3スイッチング素子202に流れる電流を出力とし、入力電流の大きさと出力電流の大きさとを略等しくする。
第2カレントミラー回路206は、第14抵抗186と、第15抵抗188と、第2npn型バイポーラトランジスタ198と、第3npn型バイポーラトランジスタ200と、を有する。それらの回路素子は公知のカレントミラー回路を構成するよう互いに接続される。第2カレントミラー回路206は、第10抵抗178に流れる電流を入力、第4スイッチング素子204に流れる電流を出力とし、入力電流の大きさと出力電流の大きさとを略等しくする。
第3スイッチング素子202は例えばPチャンネルMOSFETで構成される。第4スイッチング素子204は例えばNチャンネルMOSFETで構成される。第3スイッチング素子202のソースは第1カレントミラー回路170と接続される。第3スイッチング素子202のゲートは比較器164の反転出力端子と接続される。第3スイッチング素子202のドレインは第4スイッチング素子204のドレインと接続される。第4スイッチング素子204のゲートは比較器164の反転出力端子と接続される。第4スイッチング素子204のソースは第2カレントミラー回路206と接続される。
第12抵抗182および第13抵抗184は制御電源電圧Vccと接地電位との間でこの順に直列に接続される。第12抵抗182と第13抵抗184との接続ノードは、第3スイッチング素子202のドレインと第4スイッチング素子204のドレインとの接続ノードと接続される。第3スイッチング素子202のドレインと第4スイッチング素子204のドレインとの接続ノードは、比較器164の非反転入力端子と接続される。比較器164の反転入力端子には電圧降下Vmが印加される。
比較器164の非反転出力端子はゲートドライバ166と接続される。ゲートドライバ166は、後段制御信号S2の位相を比較器164の非反転出力端子に現れる信号の位相と揃える。すなわち、ゲートドライバ166は、比較器164の非反転出力端子に現れる信号がハイレベル(ローレベル)となると後段制御信号S2をハイレベル(ローレベル)とする。
オフセット電圧Voffsetを入力とする第2演算増幅器162および第1npn型バイポーラトランジスタ190は、Voffset/(第8抵抗174の抵抗値)の電流を出力する。この電流を、電圧降下Vmを入力とする比較器164の出力の位相により、第12抵抗182と第13抵抗184との分圧ノードへシンクまたはソースする。ブリッジ形態の第3スイッチング素子202および第4スイッチング素子204について、第2スイッチング素子140のゲートがハイレベル(第2スイッチング素子140がオン)のタイミングでは第3スイッチング素子202がオンし、第12抵抗182と第13抵抗184との分圧ノードの電圧は上昇し、電流上限値Ith1が設定される。駆動電流Ioutが上昇し電流上限値Ith1に達すると、第2スイッチング素子140のゲートがローレベル(第2スイッチング素子140がオフ)になるのと実質的に同時に、第4スイッチング素子204がオンする。これにより第12抵抗182と第13抵抗184との分圧ノードの電圧は低下し、電流下限値Ith2が設定される。
駆動電流Ioutの平均値は第12抵抗182と第13抵抗184との分圧電圧で設定される。また、ヒステリシス幅設定回路138の作用により、駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthに近くなるとシンク/ソース電流は大きくなるため、電流上限値Ith1−電流下限値Ith2=ヒステリシス幅ΔIは大きくなる。駆動電圧Voutの絶対値が電圧しきい値Vthから離れるほど、ヒステリシス幅ΔIは小さくなる。これは、後述の通り、ダウンコンバータ104のスイッチング周波数を所定の範囲に収めるよう作用する。
図1に戻り、半導体光源制御装置100はN個のLED2−1〜2−Nの点灯・消灯を個別に制御できるよう構成されている。バイパス駆動回路112は、各LED2−1〜2−Nの点灯・消灯を制御するためのN個の点消灯制御信号Sc1〜ScNを生成する。バイパス駆動回路112は、所望の輝度や配光パターンが得られるよう、各点消灯制御信号Sc1〜ScNのレベルを個別に制御する。具体的には、バイパス駆動回路112は、第1LED2−1を点灯させる場合は第1点消灯制御信号Sc1をローレベルとし、第1LED2−1を消灯させる場合は第1点消灯制御信号Sc1をハイレベルとする。第2点消灯制御信号Sc2〜第N点消灯制御信号ScNについても同様である。バイパス駆動回路112は、各点消灯制御信号Sc1〜ScNを対応するバイパス回路270−1〜270−Nに出力する。
第1バイパス回路270−1〜第Nバイパス回路270−Nはそれぞれ第1LED2−1〜第NLED2−Nと並列に接続される。第1バイパス回路270−1〜第Nバイパス回路270−Nはこの順に、ダウンコンバータ104の高電位側出力端子と低電位側出力端子との間で直列に接続される。
第1バイパス回路270−1は、第1点消灯制御信号Sc1がハイレベルのとき、第1LED2−1の両端間を導通させる、すなわち第1LED2−1よりも低いインピーダンスで接続する。これにより第1LED2−1は消灯する。以下、このようにLEDを消灯させるバイパス回路の状態をバイパスオン状態と称す。第1バイパス回路270−1は、第1点消灯制御信号Sc1がローレベルのとき、第1LED2−1の両端間を第1LED2−1よりも高いインピーダンスで接続する。これにより第1LED2−1は点灯する。以下、このようにLEDを点灯させるバイパス回路の状態をバイパスオフ状態と称す。
第1バイパス回路270−1は、第1LED2−1やその周辺の配線の異常を検出するための第1異常検出信号Sdet1を生成し、バイパス駆動回路112に供給する。第1異常検出信号Sdet1がハイレベルである場合、第1バイパス回路270−1がバイパスオフ状態のときに第1バイパス回路270−1に印加される電圧はショート検出電圧よりも低いか、またはショート検出電圧よりも高い断線検出電圧よりも高い。ショート検出電圧はLED1つの順方向降下電圧Vfよりも低くなるよう設定される。断線検出電圧はLEDの順方向降下電圧Vfよりも高く、かつ、2つのLEDの順方向降下電圧の和2Vfよりも低くなるよう設定される。
第2バイパス回路270−2〜第Nバイパス回路270−Nも同様にそれぞれ第2点消灯制御信号Sc2〜第N点消灯制御信号ScNに基づいて第2LED2−2〜第NLED2−Nの点消灯状態を制御する。また、第2バイパス回路270−2〜第Nバイパス回路270−Nはそれぞれ第2異常検出信号Sdet2〜第N異常検出信号SdetNを生成し、バイパス駆動回路112に供給する。
バイパス駆動回路112は、通常点灯時に第1LED2−1の輝度を落とす場合、第1点消灯制御信号Sc1を数百Hzから数kHzの減光周波数f1で周期的にすなわち矩形波状に変化させる。このような第1点消灯制御信号Sc1のパルス変調により、第1LED2−1は減光周波数f1で点滅し、人間の目が感じる明るさが低減される。第1点消灯制御信号Sc1のデューティ比は、所望の発光の度合いが得られるように設定される。この場合、第1LED2−1の点灯時に第1LED2−1に流れる駆動電流の大きさの変動が抑えられるのでカラーシフトが抑えられる。バイパス駆動回路112は、第2LED2−2〜第NLED2−Nのそれぞれについても同様にPWM(Pulse Width Modulation)減光機能を有する。
バイパス駆動回路112は、第1異常検出信号Sdet1に基づいて第1LED2−1やその周辺の配線に異常が発生したか否かを判定する。バイパス駆動回路112は、第1異常検出信号Sdet1がハイレベルとなると異常が発生したと判定し、第1点消灯制御信号Sc1を強制的にハイレベルとする。例えば、バイパス駆動回路112は、PWM減光機能にしたがうと第1点消灯制御信号Sc1をローレベルとすべき期間も、第1点消灯制御信号Sc1をハイレベルのままとする。あるいはまた、バイパス駆動回路112は、異常が発生したと判定されなければ第1点消灯制御信号Sc1をローレベルとすべき期間中も第1点消灯制御信号Sc1をハイレベルとする。バイパス駆動回路112は、第2LED2−2〜第NLED2−Nのそれぞれについても同様な異常検出機能を有する。
第1バイパス用接続配線280−1は、第1バイパス回路270−1と第2バイパス回路270−2との第1バイパス側接続ノードNB1と、第1LED2−1と第2LED2−2との第1負荷側接続ノードNL1と、を接続する。第1バイパス回路270−1がバイパスオフ状態かつ第2バイパス回路270−2がバイパスオン状態の場合に第1バイパス用接続配線280−1に流れる駆動電流Ioutの極性は、負荷側からバイパス側へ向かう向きである。第1バイパス回路270−1がバイパスオン状態かつ第2バイパス回路270−2がバイパスオフ状態の場合に第1バイパス用接続配線280−1に流れる駆動電流Ioutの極性は、バイパス側から負荷側へ向かう向きである。したがって、前者の場合に第1バイパス用接続配線280−1に流れる駆動電流Ioutの極性は、後者の場合に第1バイパス用接続配線280−1に流れる駆動電流Ioutの極性と逆である。
第2バイパス用接続配線280−2〜第(N−1)バイパス用接続配線280−(N−1)についても同様である。
バイパス駆動回路112および第1バイパス回路270−1〜第Nバイパス回路270−Nは、バイパス用接続配線に導通不良が発生した場合、そのバイパス用接続配線と接続される2つのバイパス回路の両方が強制的にバイパスオン状態とされるよう構成される。
図5は、第2バイパス回路270−2および第3バイパス回路270−3の構成を示す回路図である。第2バイパス回路270−2は、第2スイッチ用レベルシフト回路254−2と、第2バイパス/リミッタ回路250−2と、第2断線検出回路272−2と、第2ショート検出回路274−2と、第2検出信号用レベルシフト回路276−2と、第2積分回路278−2と、を含む。
第2スイッチ用レベルシフト回路254−2はバイパス駆動回路112から第2点消灯制御信号Sc2を受け、それを第2LED2−2のカソードの電圧を基準すなわちローレベルとする第2バイパススイッチ駆動信号Sd2に変換する。第2バイパススイッチ駆動信号Sd2の位相は第2点消灯制御信号Sc2の位相と揃っているが、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2のローレベルは第2LED2−2のカソードの電圧となる。このように第2スイッチ用レベルシフト回路254−2は第2点消灯制御信号Sc2をレベルシフトして、対応する第2バイパス/リミッタ回路250−2に供給する。
第2バイパス/リミッタ回路250−2は、第2LED2−2と並列に接続された第2バイパススイッチ110−2を含む。第2バイパス/リミッタ回路250−2は、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がハイレベル(ローレベル)の場合、第2バイパススイッチ110−2をオン(オフ)することで第2LED2−2を消灯(点灯)させる。さらに第2バイパス/リミッタ回路250−2は、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がローレベルとなっているとき、第2バイパススイッチ110−2を使用して、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧の上限を制限するよう構成される。
第2バイパス/リミッタ回路250−2は、リミッタツェナーダイオード256と、逆流防止ダイオード258と、第16抵抗260と、第2バイパススイッチ110−2と、を含む。第2バイパススイッチ110−2は例えばNチャンネルMOSFETで構成される。
リミッタツェナーダイオード256のカソードは第2バイパススイッチ110−2のドレインと接続される。それらの接続ノードは第1バイパス用接続配線280−1と接続される。リミッタツェナーダイオード256のアノードは逆流防止ダイオード258のアノードと接続される。第2バイパススイッチ110−2のゲートには第16抵抗260を介して第2バイパススイッチ駆動信号Sd2が入力される。第2バイパススイッチ110−2のソースは第2バイパス用接続配線280−2と接続される。
第2バイパススイッチ110−2をオン/オフさせる第2バイパススイッチ駆動信号Sd2よりも、第2バイパススイッチ110−2のゲート側に、リミッタツェナーダイオード256および逆流防止ダイオード258の直列回路が接続される。すなわち、逆流防止ダイオード258のカソードは、第16抵抗260と第2バイパススイッチ110−2のゲートとの間に接続される。
リミッタツェナーダイオード256のツェナー電圧=6V、逆流防止ダイオード258のVf=0.5V、第2バイパススイッチ110−2のゲート閾値電圧=2.5Vとしたとき、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧すなわちドレイン−ソース間電圧が9Vに達すると第2バイパススイッチ110−2はオンし始めるため、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧の上限値すなわち断線検出電圧は9Vとなる。
リミッタツェナーダイオード256のツェナー電圧は、断線検出電圧が第2LED2−2のVfの最大値よりも高くなるよう、かつ、第2静電保護ツェナーダイオード252−2により規定されるツェナー電圧よりも低くなるよう、かつ、第2LED2−2のVfと第3LED2−3のVfとの和よりも低くなるよう、設定される。例えば、各LEDが実質的に同じ特性を有する場合、LEDのVfの最大値=6V、第2静電保護ツェナーダイオード252−2のツェナー電圧=20Vとしたとき、リミッタツェナーダイオード256のツェナー電圧は3Vから9Vの範囲に設定される。
逆流防止ダイオード258は、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2による第2バイパススイッチ110−2のオン/オフを阻害しないためのものである。例えば、並列接続されている第2LED2−2を消灯、もしくは後述の断線や接触不良の措置として当該第2バイパススイッチ110−2を強制的にオンするとき、逆流防止ダイオード258が無いと、第2バイパススイッチ110−2のゲート電圧がリミッタツェナーダイオード256の順方向からオン状態の第2バイパススイッチ110−2を介して低下してしまう。逆流防止ダイオード258はこのような状況が発生することを防ぐ。
第2断線検出回路272−2は、第2バイパススイッチ110−2がオフ(すなわち、非導通状態)のとき、第2LED2−2を通る駆動電流Ioutの経路上に導通不良が発生したか否かを判定する。第2ショート検出回路274−2は、第2バイパススイッチ110−2がオフのとき、第2LED2−2や配線間にショート異常が発生したか否かを判定する。第2断線検出回路272−2や第2ショート検出回路274−2において異常が検出された場合、第2検出信号用レベルシフト回路276−2を介して第2積分回路278−2の積分キャパシタ282は第1時定数で充電される。この充電は、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がローレベルとなっており、かつ、第2断線検出回路272−2または第2ショート検出回路274−2において異常が検出されている期間、継続する。そうでない期間において、積分キャパシタ282は第1時定数よりも長い第2時定数で放電される。
第2検出信号用レベルシフト回路276−2は、第17抵抗284と、第18抵抗286と、第4pnp型バイポーラトランジスタ288と、を有する。第17抵抗284の一端は第4pnp型バイポーラトランジスタ288のエミッタと接続される。それらの接続ノードには制御電源電圧Vccが印加される。第17抵抗284の他端は第18抵抗286の一端と接続される。それらの接続ノードは第4pnp型バイポーラトランジスタ288のベースと接続される。
第2断線検出回路272−2は、第23抵抗210と、第6npn型バイポーラトランジスタ212と、を有する。第6npn型バイポーラトランジスタ212のコレクタは第18抵抗286の他端と接続される。第6npn型バイポーラトランジスタ212のベースは第23抵抗210を介して、リミッタツェナーダイオード256のアノードと逆流防止ダイオード258のアノードとの接続ノードと接続される。第6npn型バイポーラトランジスタ212のエミッタは第2バイパス用接続配線280−2と接続される。
第2ショート検出回路274−2は、第19抵抗290と、第20抵抗292と、第21抵抗294と、第22抵抗296と、第4npn型バイポーラトランジスタ298と、第5npn型バイポーラトランジスタ208と、を有する。第20抵抗292および第22抵抗296はこの順に、第1バイパス用接続配線280−1と第2バイパス用接続配線280−2との間に直列に接続される。第20抵抗292と第22抵抗296との接続ノードは、第21抵抗294の一端および第4npn型バイポーラトランジスタ298のベースと接続される。第21抵抗294の他端は逆流防止ダイオード258のカソードと接続される。第4npn型バイポーラトランジスタ298のエミッタは第2バイパス用接続配線280−2と接続される。第4npn型バイポーラトランジスタ298のコレクタは第19抵抗290の一端と接続される。第19抵抗290の他端には制御電源電圧Vccが印加される。第4npn型バイポーラトランジスタ298のコレクタと第19抵抗290との接続ノードは第5npn型バイポーラトランジスタ208のベースと接続される。第5npn型バイポーラトランジスタ208のエミッタは第2バイパス用接続配線280−2と接続され、コレクタは第18抵抗286の他端と接続される。
第2積分回路278−2は、積分キャパシタ282と、第24抵抗214と、第25抵抗216と、を有する。第24抵抗214の一端はマイクロコンピュータの接地電位と実質的に等しい接地電位に接地され、他端は第25抵抗216の一端と接続される。第24抵抗214と第25抵抗216との接続ノードは第4pnp型バイポーラトランジスタ288のコレクタと接続される。第25抵抗216の他端は積分キャパシタ282の一端と接続される。積分キャパシタ282の他端はマイクロコンピュータの接地電位と実質的に等しい接地電位に接地される。積分キャパシタ282の一端の電圧は第2異常検出信号Sdet2としてバイパス駆動回路112に供給される。
駆動電流Ioutの経路上に導通不良が発生した場合、第2バイパススイッチ110−2のオフ期間中に第2バイパススイッチ110−2の両端電圧は順方向降下電圧Vfを超えて上昇する。その両端電圧が断線検出電圧を上回るとリミッタツェナーダイオード256に電流が流れる。すると第2断線検出回路272−2の第6npn型バイポーラトランジスタ212がオンする。
また、第2LED2−2にショートが発生した場合、第2バイパススイッチ110−2のオフ期間中に第2バイパススイッチ110−2の両端電圧が順方向降下電圧Vfよりも低下する。その両端電圧がショート検出電圧を下回ると第2ショート検出回路274−2の第4npn型バイポーラトランジスタ298がオフし、第5npn型バイポーラトランジスタ208がオンする。
第20抵抗292、第21抵抗294および第22抵抗296のそれぞれの抵抗値は以下の3つの条件を満たすよう設定される。
(1)第21抵抗294の他端にハイレベルが印加されているとき、第4npn型バイポーラトランジスタ298がオンする。
(2)第21抵抗294の他端にローレベルが印加されているとき、かつ、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧がショート検出電圧以上となっているとき、第4npn型バイポーラトランジスタ298がオンする。
(3)第21抵抗294の他端にローレベルが印加されているとき、かつ、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧がショート検出電圧を下回るとき、第4npn型バイポーラトランジスタ298がオフする。
第6npn型バイポーラトランジスタ212または第5npn型バイポーラトランジスタ208のいずれかがオンすると、第2検出信号用レベルシフト回路276−2の第4pnp型バイポーラトランジスタ288がオンする。制御電源電圧Vccはマイクロコンピュータの接地電位を基準とした正の電圧である。第2断線検出回路272−2や第2ショート検出回路274−2において異常が検出された場合、第2積分回路278−2に制御電源電圧Vccが供給される。積分キャパシタ282への充電は第25抵抗216を介して、放電は第24抵抗214および第25抵抗216を介して行われる。第24抵抗214の抵抗値を第25抵抗216の抵抗値に対して大きく設定することで、平均電流10%点灯(第2バイパススイッチ110−2のオン=90%、オフ=10%)といった、異常検出のための期間(すなわち、第2バイパススイッチ110−2のオフ期間)が短い減光時でも、異常を検出することが可能となる。
第3バイパス回路270−3は第2バイパス回路270−2と同様に構成され、第2スイッチ用レベルシフト回路254−2に対応する第3スイッチ用レベルシフト回路254−3と、第2バイパス/リミッタ回路250−2に対応する第3バイパス/リミッタ回路250−3と、第2断線検出回路272−2に対応する第3断線検出回路272−3と、第2ショート検出回路274−2に対応する第3ショート検出回路274−3と、第2検出信号用レベルシフト回路276−2に対応する第3検出信号用レベルシフト回路276−3と、第2積分回路278−2に対応する第3積分回路278−3と、を含む。
第1バイパス回路270−1、第4バイパス回路270−4〜第Nバイパス回路270−Nのそれぞれも第2バイパス回路270−2と同様に構成される。
以上の構成による半導体光源制御装置100の動作を説明する。
図6(a)〜(c)は、駆動電流Ioutの時間変化を示すグラフである。まずLEDを1つだけ点灯させ、次に約半数を点灯させ、次に全てのLEDを点灯させる状況を考える。ここではPWM減光は考慮しない。図6(a)はLEDを1つだけ点灯させ、残りのN−1個のLEDは対応するバイパススイッチをオンすることにより消灯させたときの駆動電流Ioutの時間変化を示す。図6(b)は約半数すなわちN/2個のLEDを点灯させ、残りを消灯させたときの駆動電流Ioutの時間変化を示す。図6(c)は全てのLEDを点灯させたときの駆動電流Ioutの時間変化を示す。
図6(a)〜(c)ではLEDの点灯数、消灯数によらずに第2スイッチング素子140のスイッチング周波数すなわちスイッチング周期Tsが略一定となるよう、ヒステリシス幅ΔIが調整される場合が示される。しかしながら、本実施の形態では、LEDの点灯数、消灯数の変化によるスイッチング周期Tsの変化が抑えられるようにヒステリシス幅ΔIが制御されればよいことは、本明細書に触れた当業者には理解される。
図6(a)を参照すると、点灯させるLEDの個数が少ない場合、第2スイッチング素子140のオン時間Tonにおいて駆動電流Ioutは比較的速く上昇し、第2スイッチング素子140のオフ時間Toffにおいて駆動電流Ioutは比較的遅く下降する。このときのヒステリシス幅をΔI1と表記する。駆動電圧Voutの絶対値は比較的低く、ヒステリシス幅設定回路138により生成されるオフセット電圧Voffsetも比較的低い。
図6(b)を参照すると、点灯させるLEDの個数と消灯させるLEDの個数とが同数程度となる場合、駆動電圧Voutはフライバックレギュレータ102の設定電圧の半分程度となり、第2スイッチング素子140のオン時間Tonとオフ時間Toffとは拮抗する。駆動電流Ioutの全体的な変化の速さは、点灯させるLEDの個数が少ない場合よりも大きくなる。
ヒステリシス幅設定回路138は図3に示されるようにより高いオフセット電圧Voffsetを発生させる。ダウンコンバータ駆動回路136は高いオフセット電圧Voffsetを受け、ヒステリシス幅ΔI2をLEDの点灯数が1のときのヒステリシス幅ΔI1よりも大きくする。これにより、駆動電流Ioutの全体的な変化の速さの増大分が相殺され、スイッチング周期Tsは略一定に保たれる。
図6(c)を参照すると、消灯させるLEDの個数が少ないまたはない場合、第2スイッチング素子140のオン時間Tonにおいて駆動電流Ioutは比較的遅く上昇し、第2スイッチング素子140のオフ時間Toffにおいて駆動電流Ioutは比較的速く下降する。駆動電流Ioutの全体的な変化の速さは、LEDの点灯数と消灯数とが拮抗する場合よりも小さくなる。駆動電圧Voutの絶対値は比較的高く、ヒステリシス幅設定回路138により生成されるオフセット電圧Voffsetは比較的低い。
ダウンコンバータ駆動回路136は低いオフセット電圧Voffsetを受け、ヒステリシス幅ΔI3をLEDの点灯数と消灯数とが拮抗する場合のヒステリシス幅ΔI2よりも小さくする。これにより、駆動電流Ioutの全体的な変化の速さの減少分が相殺され、スイッチング周期Tsは略一定に保たれる。
図7は、PWM減光時の第2バイパススイッチ駆動信号Sd2および第2異常検出信号Sdet2の変化を示すタイミングチャートである。ここでの第2バイパススイッチ駆動信号Sd2は平均電流20%点灯に対応する。すなわち、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がローレベルとなる期間の長さToffは、ハイレベルとなる期間の長さTonの約四分の一である。
何ら異常が発生していない場合、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2の変化によらずに第2異常検出信号Sdet2はマイクロコンピュータの接地電位すなわち0V付近で一定に保たれる。ここで、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がハイレベルとなっている期間中の時刻t1において導通不良または断線が発生したとする。時刻t1においては第2バイパススイッチ駆動信号Sd2はハイレベルすなわち第2バイパススイッチ110−2はオン(すなわち、導通状態)であるから、第6npn型バイポーラトランジスタ212および第5npn型バイポーラトランジスタ208は両方ともオフのまま保たれる。したがって、第2異常検出信号Sdet2の電位は実質的に変化しない。
第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がハイレベルからローレベルに遷移する時刻t2において、発生した異常に起因して第6npn型バイポーラトランジスタ212または第5npn型バイポーラトランジスタ208のいずれかがオンされ、積分キャパシタ282への充電が開始される。
第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がローレベルとなっている期間中の時刻t3において、積分キャパシタ282は満充電となる。積分キャパシタ282が満充電となったときの第2異常検出信号Sdet2の電圧は、バイパス駆動回路112において第2異常検出信号Sdet2のレベルを決定するためのレベルしきい値Vgよりも高い。
第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がローレベルからハイレベルに遷移する時刻t4において、第6npn型バイポーラトランジスタ212および第5npn型バイポーラトランジスタ208は両方ともオフとなり、積分キャパシタ282の放電が開始される。
時刻t3以降、第2異常検出信号Sdet2はレベルしきい値Vgよりも高くなるが、マイクロコンピュータであるバイパス駆動回路112の動作速度は比較的遅いので、しばらくは第2バイパススイッチ駆動信号Sd2のレベル遷移が継続する。
第2バイパススイッチ駆動信号Sd2が次にハイレベルからローレベルに遷移する時刻t5において、発生した異常が継続している場合、積分キャパシタ282への再充電が開始される。その後、積分キャパシタ282は再度満充電となる。
なお、積分キャパシタ282の放電に係る第2時定数は充電に係る第1時定数よりも長く設定されるので、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2がハイレベルとなっている時刻t4から時刻t5の間の期間においても第2異常検出信号Sdet2の電圧はレベルしきい値Vgよりも高いままとなる。このように、第2バイパススイッチ駆動信号Sd2が何回かレベル遷移を繰り返した後、バイパス駆動回路112は第2異常検出信号Sdet2がローレベルからハイレベルに遷移したと判定する。
また、図7では第2バイパススイッチ110−2の一回のオフ期間で積分キャパシタ282が満充電に達する場合について説明したが、これに限られず、オフ期間が繰り返されるたびに積分キャパシタ282が満充電に近づいていってもよい。
第1バイパス用接続配線280−1〜第(N−1)バイパス用接続配線280−(N−1)のいずれかに導通不良が発生した場合の半導体光源制御装置100の動作を説明する。例として、第2バイパス用接続配線280−2に導通不良が発生した場合すなわち図5に示される回路の符号218で示される「×」印の箇所で導通不良が発生した場合を考える。
第2バイパス用接続配線280−2に導通不良が発生した場合、第2バイパススイッチ110−2のソースと第3バイパススイッチ110−3のドレインとの接続ノードの電位は浮く。第2バイパススイッチ110−2および第3バイパススイッチ110−3の両方がオフとなっているとき、第2バイパススイッチ110−2と第3バイパススイッチ110−3との特性の差等により、その接続ノードの電位は第2バイパススイッチ110−2のソースの電位または第3バイパススイッチ110−3のドレインの電位に近づいていく。そして例えばその接続ノードの電位が第3バイパススイッチ110−3のドレインの電位に十分近づくと、第3ショート検出回路274−3によってショート異常が発生したと判定される。第3異常検出信号Sdet3はハイレベルとなり、バイパス駆動回路112は第3点消灯制御信号Sc3をハイレベルに固定する。
すると第3バイパススイッチ110−3はオンとなり、第2バイパススイッチ110−2の両端電圧は実質的に2Vfとなる。断線検出電圧は2Vfより低いので、第2断線検出回路272−2は導通不良が発生したと判定する。第2異常検出信号Sdet2はハイレベルとなり、バイパス駆動回路112は第2点消灯制御信号Sc2をハイレベルに固定する。
これらの結果、第2バイパススイッチ110−2および第3バイパススイッチ110−3の両方が強制的にオンされ、第2LED2−2および第3LED2−3の両方が消灯状態に維持される。
なお、第2バイパススイッチ110−2のソースと第3バイパススイッチ110−3のドレインとの接続ノードの電位が第2バイパススイッチ110−2のソースの電位に近づく場合は、第2ショート検出回路274−2がショート異常を検出し、第3断線検出回路272−3が断線異常を検出し、やはり第2バイパススイッチ110−2および第3バイパススイッチ110−3の両方が強制的にオンされる。
仮に、2つのバイパススイッチの両方を強制的にオンとする措置をとらず、第2LED2−2を点灯させるべく第2バイパススイッチ駆動信号Sd2をローレベルとし、かつ、第3LED2−3を消灯させるべく第3バイパススイッチ駆動信号Sd3をハイレベルとした場合、第3バイパススイッチ110−3はオンとなるものの駆動電流Ioutは第3バイパススイッチ110−3には流れず第3LED2−3を流れる。すなわち、第3LED2−3を消灯することができない。第2バイパススイッチ駆動信号Sd2をハイレベル、第3バイパススイッチ駆動信号Sd3をローレベルとした場合は第2バイパススイッチ110−2はオンとなるものの駆動電流Ioutは第2バイパススイッチ110−2には流れず第2LED2−2を流れる。すなわち、第2LED2−2を消灯することができない。
このように、第2バイパス用接続配線280−2に導通不良が発生した場合、第2LED2−2、第3LED2−3それぞれの点消灯状態を個別に制御することは難しい。
本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、第1バイパス用接続配線280−1〜第(N−1)バイパス用接続配線280−(N−1)のいずれかに導通不良が発生した場合、導通不良が発生したバイパス用接続配線に接続される2つのバイパススイッチの両方が強制的にオンとされる。これにより、バイパス用接続配線に接続される2つのLEDの両方は消灯される。
バイパス用接続配線に導通不良が発生した場合、上記のように、そのバイパス用接続配線に接続される2つのLEDのそれぞれの点消灯状態を個別に制御するのは難しい。例えば半導体光源制御装置100の用途が車両用前照灯のハイビームであり、前走車や対向車にグレアを与えないように半導体光源制御装置100が該当するLEDを消灯させる機能を有する場合を考える。この場合、該当するLEDに接続されたバイパス用接続配線に導通不良が発生すると、該当するLEDを消灯できず、グレアを与えうる。そこで、本実施の形態では、バイパス用接続配線に導通不良が発生するとそれに接続される2つのバイパススイッチの両方を強制的にオンとすることで、導通不良が発生したバイパス用接続配線は駆動電流Ioutのバイパス経路とは無関係となり、該当するLEDを消灯状態で維持することができる。これにより、グレアを与えることを回避できる。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100は、バイパススイッチを比較的高速でオンオフさせることにより対応するLEDの輝度を調節するPWM減光機能を有する。このバイパススイッチがオンのときは、バイパススイッチの両端電圧は0Vに近くなるが、これは異常ではないので、ショート異常と判断してはいけない。そこで、半導体光源制御装置100は、バイパススイッチがオンのときにはショート異常検出や断線異常検出を行わず、バイパススイッチがオフのときにそれらの検出を行うよう構成されている。
したがって、PWM減光しているLEDや配線に異常が生じた場合は、バイパススイッチがオフで異常が出現する状態と、異常の有無にかかわらずバイパススイッチがオンとなる状態と、が高速で繰り返される中で異常の判断を行う必要がある。LEDの点消灯やPWM減光機能を制御するメインデバイスとしてマイクロコンピュータが使用されることが多い。通常、マイクロコンピュータは数十ミリ秒程度の比較的長い時間間隔で動作するので、多くのLED各々の異常のみを高速でピックアップして判断するのには向いていない。例えば、減光周波数f1が数kHzであり平均電流10%点灯の場合、バイパススイッチのオフ期間の長さは数百マイクロ秒オーダーとなる。このように比較的短い期間で異常/正常を判定するには、動作速度の比較的速い高価なマイクロコンピュータを採用する必要がある。
そこで、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、積分回路の作用により、PWM減光によらずに異常時はハイレベル、正常時はローレベルとなる異常検出信号を生成する。マイクロコンピュータであるバイパス駆動回路112はこの異常検出信号に基づいて正常/異常を判定する。これにより、バイパススイッチを使用したPWM減光機能を採用する場合に、高価なマイクロコンピュータを採用しなくてもLEDや配線の異常を検出することができる。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100によると、駆動電流Ioutの経路上で接触不良や断線などの導通不良が発生した場合でもバイパススイッチに印加される電圧の上昇を抑えることができる。例えば、第1LED2−1が点灯状態すなわち第1バイパススイッチ110−1がオフのときに、第1LED2−1のアノードと第1静電保護ツェナーダイオード252−1のカソードとの接続ノードよりも上流側の配線すなわち図1に示される回路の符号262で示される「×」印の配線に接触不良または断線が発生した場合を考える。
そのような接触不良または断線が発生すると、第1バイパススイッチの両端電圧が上昇し、第1異常検出信号Sdet1はローレベルからハイレベルに遷移する。バイパス駆動回路112は、第1異常検出信号Sdet1のそのような遷移を検知すると、第1LED2−1に関して異常が発生したと判定し、図1に示される回路では第1バイパススイッチ110−1をオンして、他のLEDが点灯できるような措置をする。
しかしながら、上記の通りマイクロコンピュータであるバイパス駆動回路112の動作速度は比較的遅いので、この措置には通常数十ミリ秒〜数百ミリ秒の時間がかかる。ここで半導体光源制御装置が本実施の形態に係るリミッタ機能を有さない場合、出力電圧平滑用のキャパシタが存在しないことに起因して、上記のような接触不良や断線が発生した直後に、インダクタ144に蓄えられるエネルギと第1バイパススイッチの寄生容量とで決まる数kV(絶対値)といった比較的高い電圧が出力される。第1バイパススイッチがオンされる前にこのような高い電圧が第1バイパススイッチに印加されることとなる。したがって、第1バイパススイッチとして、通常点灯時は数Vの電圧しか印加されないにもかかわらず、接触不良や断線を考慮すると数kV耐圧の素子を選定する必要がある。
これに対して本実施の形態に係るリミッタ機能を有する半導体光源制御装置100によると、上記のような断線や接触不良が発生したとき、第1バイパススイッチ110−1のドレイン−ソース間電圧は上昇するが、リミッタツェナーダイオード256および第1バイパススイッチ110−1自身の作用によりその電圧の上昇は制限される。したがって、接触不良や断線を考慮しても第1バイパススイッチ110−1としてより低耐圧の素子を選定できる。
ここで、断線や接触不良が発生したとき第1バイパススイッチ110−1には一例で10V×1A=10W程度が数十ミリ秒〜数百ミリ秒間印加されるが、元々オン抵抗が小さく、ある程度大きなデバイスを用いる必要があるため、デバイスサイズやコストへの影響は少ない。
例えば、第1LED2−1が点灯状態すなわち第1バイパススイッチ110−1がオフのときに、第1LED2−1のアノードと第1静電保護ツェナーダイオード252−1のカソードとの接続ノードよりも下流側の配線すなわち図1に示される回路の符号264で示される「×」印の配線に接触不良または断線が発生した場合を考える。半導体光源制御装置が本実施の形態に係るリミッタ機能を有さない場合、インダクタ144に蓄えられるエネルギの大半は第1静電保護ツェナーダイオードで消費されることとなる。したがって、第1静電保護ツェナーダイオードとしてそのような大きな電力消費に耐えうる素子を選定する必要が生じる。または、第1静電保護ツェナーダイオードとして、接触不良または断線が発生したときに生じうる数kVの電圧よりも高いツェナー電圧を有する素子を採用することも考えられるが、一般にツェナー電圧がそのように高いと本来の静電気保護の役割を果たすことができない。
これに対して本実施の形態に係るリミッタ機能を有する半導体光源制御装置100によると、第1バイパススイッチ110−1の両端電圧の上限値は第1静電保護ツェナーダイオード252−1により規定されるツェナー電圧よりも低くなるよう設定される。したがって、第1静電保護ツェナーダイオード252−1として比較的小さなツェナーダイオードを選定できる。
第2LED2−2から第NLED2−Nのいずれかに対して同様な接触不良や断線が発生した場合にも同様に、対応するバイパススイッチや静電保護ツェナーダイオードに印加される電圧の上限が制限される。したがって対応するバイパススイッチとしてより耐圧の低い素子を採用でき、また対応する静電保護ツェナーダイオードとして比較的小さなツェナーダイオードを採用できる。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、LEDの点消灯を制御するためのバイパススイッチは、LEDの両端電圧に対するリミッタ機能を実現するためのスイッチとしても使用される。すなわちバイパススイッチは点消灯制御機能およびリミッタ機能によって共用される。これにより、点消灯制御機能およびリミッタ機能を実現しつつ素子数の増大を抑えることができる。
本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、N個のLED2−1〜2−Nへの出力段に平滑用のキャパシタが設けられていないので、第2スイッチング素子140に対する駆動電流Ioutの追従性がより良くなる。特に、第2スイッチング素子140がオフされると駆動電流Ioutは小さくなり、第2スイッチング素子140がオンされると駆動電流Ioutは大きくなる。そして、駆動電流Ioutを目標値付近で安定化させるために、平滑化の代わりに駆動電流Ioutのヒステリシス制御が採用されている。これらの結果、電流フィードバックにおける応答を高速化できる。例えば、バイパス駆動回路112およびバイパススイッチの作用によりLEDの点灯数が変化したときに、駆動電流Ioutをそのような負荷の変動により速く追従させることができる。特に、LEDの点灯数を増やしたときの駆動電流Ioutのアンダーシュートや点灯数を減らしたときの駆動電流Ioutのオーバーシュートを抑制することができる。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、前段のフライバックレギュレータ102は負極出力とされ、かつ、後段のダウンコンバータ104もまた負極出力とされている。これにより、バイパススイッチとしてより特性の良いNチャンネルMOSFETを採用することができる。
負極出力であることに加え、インダクタ144はフライホイールダイオード142のカソードと出力との間ではなくアノードと出力との間に設けられるので、ダウンコンバータ104の第2スイッチング素子140としてより特性の良いNチャンネルMOSFETを採用することができる。また、駆動電圧Voutを安定して検出できる。
また、半導体光源制御装置が正極出力の場合、LEDが地絡した場合を考慮して駆動電流の検出はハイサイドで行われる場合が多い。ここで負荷が変化すると、検出箇所の電位も変化するので、正確な駆動電流の検出が困難となる。また、検出回路の構成もより複雑となりうる。そこで、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では負極出力が採用され、正極側すなわち接地側の出力に電流検出抵抗108が設けられる。これにより、負荷(駆動電圧Vout)が変化しても、その変化による駆動電流Ioutの検出箇所の電位への影響は少なく、安定して駆動電流Ioutを検出できる。また、検出回路の構成を簡素化できる。
駆動電流Ioutをヒステリシス制御する際、ダウンコンバータ104への入力電圧または駆動電圧Voutもしくはその両方が変化すると駆動電流Ioutの上昇や下降の傾きが変化するので、第2スイッチング素子140のスイッチング周波数が変化しうる。そこで、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、スイッチング周波数の変化が抑えられるように、ヒステリシス幅ΔIが調整される。特に、狙いのスイッチング周波数を既知のラジオノイズの周波数帯域を避けるよう設定することにより、ラジオノイズによる半導体光源制御装置100への悪影響を抑えることができる。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、フライバックレギュレータ102の作用により、バッテリ電圧Vbatの変動によるダウンコンバータ104への入力電圧の変動が抑えられる。したがって、ダウンコンバータ104への入力電圧の変動によるスイッチング周波数の変化は抑えられる。言い換えると、ダウンコンバータ104への入力電圧と駆動電圧Voutとの組み合わせでヒステリシス幅ΔIを選ぶ必要はなく、主に駆動電圧Voutに基づいてヒステリシス幅ΔIを選べばよくなるので、ヒステリシス幅ΔIを調整するための制御がより簡素化される。これは、制御回路の小規模化、高速化に寄与する。
また、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、フライバックレギュレータ102の出力段に出力キャパシタ128が設けられている。バイパススイッチをオンとしたときに第2スイッチング素子140がオンであれば、この出力キャパシタ128に蓄えられた電荷は一気にLEDに流れようとする。しかしながら、半導体光源制御装置100には駆動電流Ioutの経路上にインダクタ144が設けられているので、そのような電荷の流れは平滑化され、駆動電流Ioutのオーバーシュートが抑制される。バイパススイッチをオフする際も同様に駆動電流Ioutのアンダーシュートが抑制される。
バイパススイッチ切り替え時の駆動電流Ioutのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制するために独自に創作された以下の比較例に係る半導体光源点灯回路300を考える。
図8は、比較例に係る半導体光源点灯回路300の構成を示す回路図である。半導体光源点灯回路300は基本的には平滑キャパシタを用いないフォワードコンバータである。半導体光源点灯回路300は、制御回路302と、入力キャパシタ306と、リセット回路308と、トランス310と、第5スイッチング素子312と、第2ダイオード314と、第3ダイオード316と、インダクタ318と、電流検出抵抗320と、を備える。
制御回路302は、駆動電流の大きさが所定の電流上限値を上回ると第5スイッチング素子312をオフし、駆動電流の大きさが電流下限値を下回ると第5スイッチング素子312をオンする。
半導体光源点灯回路300について、トランス310の巻き線比をN
s/p、インダクタ318のインダクタンスをLs’、駆動電流のヒステリシス幅をΔI’、入力電圧をVin、出力電圧をVout(<0)、第5スイッチング素子312のオン時間をTon’、同オフ時間をToff’、スイッチング周波数をF’とし、整流ダイオードの順方向降下電圧は小さいため無視すると、F’は以下の式から求めることができる。
半導体光源点灯回路300において、トランス310の巻き線比=16.7(入力=6Vを出力=100Vに変換)、インダクタ318のインダクタンス=500μH、ヒステリシス幅=0.1Aに設定したときに、式1から求められるVinとVoutとF’との関係は以下の第1表の通りである。ここでは、入力電圧変動=6V〜20V、出力(負荷)電圧変動=−4V〜−88V(Vf=4VのLEDを22個直列)を想定した。
この場合、スイッチング周波数F’は最大/最小で約17倍変動する。インダクタンスを大きくすればこの変動幅を抑えることができるが、回路が大型化する。またこのスイッチング周波数F’の大きな変動を、入力電圧と出力電圧から演算して所定の範囲に抑える機能を実現した場合、制御回路規模が大きくなる。
本実施の形態に係る半導体光源制御装置100について同様の計算を行う。半導体光源制御装置100について、インダクタ144のインダクタンスをLs、スイッチング周波数をFとし、フライホイールダイオード142の順方向降下電圧は小さいため無視すると、Fは以下の式から求めることができる。
半導体光源制御装置100において、目標電圧Vt=−100V、インダクタ144のインダクタンス=500μH、ヒステリシス幅=0.1Aに設定したときに、式2から求められるVtとVoutとFとの関係は以下の第2表の通りである。
この場合、スイッチング周波数Fの変動は約6.5倍に抑えられる。またこの変動を引き起こす主なパラメータは駆動電圧Voutであり、目標電圧Vtは実質的に固定されているので、スイッチング周波数Fの変動を抑えるようヒステリシス幅ΔIを調整する制御回路の規模を比較的小さくできる。
第2表のスイッチング周波数Fの理論計算値を見ると、駆動電圧Voutが−4Vから−44Vへ下降するにしたがってスイッチング周波数Fは上昇し、駆動電圧Voutが−44Vから−88Vへ下降するにしたがってスイッチング周波数Fは低下する。スイッチング周波数Fの上昇/低下の境界は、第1段(前段)のフライバックレギュレータ102の出力電圧(第2段(後段)のダウンコンバータ104の入力電圧)の約半分にあたる−50Vである。したがって、Vout>−50Vでは駆動電圧Voutが低いほどヒステリシス幅ΔIを大きくするように、Vout<−50Vでは小さくするように制御することで、スイッチング周波数Fを所定の範囲に容易に収めることが可能となる。
また、本実施の形態ではスイッチング周波数Fの上昇/低下の境界がフライバックレギュレータ102の出力電圧の約半分にあることが見出されたが、他の回路配置を伴う他の実施の形態では、この境界が出力電圧の三分の一や四分の一などとなることも考えられる。共通して言えるのは、Voutの最大値と最小値との間に、ヒステリシス幅を一定としたときのスイッチング周波数Fの最大値を与えるVoutが存在しうるということである。したがって、実験やシミュレーションなどによりそのようなVoutを見出し、ヒステリシス幅ΔIがそのようなVoutにおいて最小となるように回路を構成すると、スイッチング周波数Fの変動をより好適に抑えることができる。
本実施の形態に係る半導体光源制御装置100についてのパラメータの設定例を以下の第3表に示す。
Voffsetは、図2に示されるヒステリシス幅設定回路138の回路定数を調整し、Vout=−50V付近で図3に示されるグラフのように電圧値が高くなるようにしたものである。下限電圧・上限電圧は、図4に示されるダウンコンバータ駆動回路136の第12抵抗182と第13抵抗184との分圧ノードの電圧であり、電流下限値Ith2、電流上限値Ith1にそれぞれ対応する。下限電圧・上限電圧は、第8抵抗174、第12抵抗182、第13抵抗184の各抵抗値と制御電源電圧Vccを設定し、オフセット電圧Voffsetから算出したものである。平均電流は電流上限値Ith1と電流下限値Ith2との平均値である。スイッチング周波数は、式2と同じ算出式において、ΔI=Ith1−Ith2、Vt=−100V、Ls=200μHとして求めたものである。
Lsを500μHから200μHへと小さくしても、スイッチング周波数を550kHz強〜400kHz弱の範囲に収めることができることが分かる。すなわち、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100によると、駆動電流Ioutを平滑化するためのインダクタンスを小型化できる。
また、比較例に係る半導体光源点灯回路300と本実施の形態に係る半導体光源制御装置100とを比較すると、半導体光源制御装置100ではフライバックレギュレータ102の出力キャパシタ128とダウンコンバータ104の第2スイッチング素子140が増加するが、半導体光源点灯回路300からリセット回路308を削減できるので、回路規模はほぼ同等となる。
以上、実施の形態に係る半導体光源制御装置の構成と動作について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
実施の形態では、ダウンコンバータ104の素子配置として、第2スイッチング素子140をフライホイールダイオード142のカソード側、インダクタ144をフライホイールダイオード142のアノード側にそれぞれ配置する場合について説明したが、これに限られない。フライホイールダイオードは、フライバックレギュレータ102の出力キャパシタ128と並列に接続されていればよい。第2スイッチング素子は、出力キャパシタ128の一端からLEDに至り、LEDから出力キャパシタ128の他端に戻る駆動電流Ioutの経路上に設けられると共に出力キャパシタ128とフライホイールダイオードとの間に設けられればよい。第2スイッチング素子のオンオフは駆動電流に基づいて制御されてもよい。インダクタ144は、駆動電流Ioutの経路上に設けられ、フライホイールダイオードとLEDとの間に設けられればよい。
図9(a)〜(c)は、第1、第2および第3変形例に係る半導体光源制御装置400、500、600の構成を示す回路図である。図9(a)は第1変形例に係る半導体光源制御装置400の構成を示す。第2スイッチング素子440の一端はフライバックレギュレータ102の高電位側出力と接続され、他端はフライホイールダイオード442のカソードと接続される。インダクタ444の一端は、第2スイッチング素子440の他端とフライホイールダイオード442のカソードとの接続ノードと接続される。インダクタ444の他端は接地されると共にLEDへの高電位側出力端子となる。フライホイールダイオード442のアノードはフライバックレギュレータ102の低電位側出力と接続されると共にLEDへの低電位側出力端子となる。
図9(b)は第2変形例に係る半導体光源制御装置500の構成を示す。フライホイールダイオード542のカソードはフライバックレギュレータ102の高電位側出力と接続されると共に接地され、LEDへの高電位側出力を形成する。第2スイッチング素子540の一端はフライバックレギュレータ102の低電位側出力と接続され、他端はフライホイールダイオード542のアノードと接続される。インダクタ544の一端は、第2スイッチング素子540の他端とフライホイールダイオード542のアノードとの接続ノードと接続される。インダクタ544の他端はLEDへの低電位側出力端子となる。
図9(c)は第3変形例に係る半導体光源制御装置600の構成を示す。第2スイッチング素子640の一端はフライバックレギュレータ102の低電位側出力と接続され、他端はフライホイールダイオード642のアノードと接続される。第2スイッチング素子640の他端とフライホイールダイオード642のアノードとの接続ノードは、LEDへの低電位側出力を形成する。フライホイールダイオード642のカソードはインダクタ644の一端と接続される。フライホイールダイオード642のカソードとインダクタ644の一端との接続ノードは、フライバックレギュレータ102の高電位側出力と接続される。インダクタ644の他端は接地されると共に、LEDへの高電位側出力端子となる。
第1、第2および第3変形例に係る半導体光源制御装置400、500、600のそれぞれによると、実施の形態に係る半導体光源制御装置100と同様に、駆動電流Ioutのオーバーシュートやアンダーシュートを低減できる。
実施の形態では、出力の高電位側すなわち複数のLEDのアノード側が接地されることによって負極出力が実現される場合について説明したが、これに限られず、例えば複数のLEDのアノード側を、バッテリ電圧Vbatなどの直流電圧が印加されている端子に接続してもよい。
実施の形態では、スイッチング周波数をリアルタイムで測定せず、代わりに駆動電圧Voutとスイッチング周波数との既知の関係に基づいて駆動電圧Voutとヒステリシス幅ΔIとの関係を定め、ヒステリシス幅ΔIがその関係にしたがって変化するように回路を構成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、半導体光源制御装置は第2スイッチング素子140のスイッチング周波数を測定する回路を備え、そのように測定されたスイッチング周波数が狙いの周波数範囲に入るようにヒステリシス幅を調整してもよい。
実施の形態では、半導体光源制御装置100はN個のバイパススイッチ110−1〜110−Nを含む場合について説明したが、これに限られず、バイパススイッチは半導体光源制御装置とは別体として設けられてもよい。
実施の形態では、駆動電流のヒステリシス制御が行われる場合について説明したが、これに限られず、例えば電圧降下Vmを適宜フィルタリングした電圧が目標電流に対応する基準電圧に近づくように、第2スイッチング素子140のデューティ比が制御されてもよい。
実施の形態では、フライバックレギュレータ102とダウンコンバータ104とを組み合わせることで、駆動電流Ioutを生成し、その駆動電流Ioutの大きさを目標値に近づける制御を行う駆動回路を構成する場合について説明したが、これに限られず、例えばそのような駆動回路として図8に示される回路を採用してもよいし、あるいは電流フィードバック制御されるフライバックレギュレータを採用してもよい。
図10は、第4変形例に係る半導体光源制御装置700およびそれに接続される部材の構成を示す回路図である。半導体光源制御装置700は、フライバックレギュレータ702と、電流検出抵抗708と、N個のバイパス回路270−1〜270−Nと、バイパス駆動回路112と、を備える。
本変形例に係る半導体光源制御装置700において、第2バイパス用接続配線280−2の符号718で示される「×」印の箇所で導通不良が発生した場合、本実施の形態に係る半導体光源制御装置100と同様に、第2バイパス回路270−2、第3バイパス回路270−3およびバイパス駆動回路112の作用により、第2バイパススイッチおよび第3バイパススイッチの両方が強制的にオンされる。
また、フライバックレギュレータ702が出力する最大電圧の制限値は、直列に接続されたN個全てのLEDが点灯する場合を考慮してVfの和以上に設定される。例えば、LED1個のVfの最大値を6Vとし、LEDを30個直列に接続したとき制限値は180V以上に設定される。ここで、図10の符号762で示される「×」印の配線に接触不良または断線が発生した瞬間には、LEDに駆動電流Ioutが流れなくなるため、フライバックレギュレータ702の出力電圧は、180Vに向かって上昇する。制御回路(不図示)は、駆動電流Ioutが流れなくなったことを検知すると、どの配線またはLEDに断線が生じたかを検査し、図10の回路では第1バイパススイッチ110−1をオンして、他のLEDが点灯できるような措置をする。この措置には通常数十ミリ秒〜数百ミリ秒の時間がかかる
ここで、半導体光源制御装置がリミッタツェナーダイオード256および逆流防止ダイオード258を有さない場合、第1バイパススイッチがオンされる前にフライバックレギュレータ702の出力電圧は180Vに到達する。その際、使用しているLEDのVfの(室温における)平均値を4V、電流が殆ど流れていないときは3Vとすると、第1バイパススイッチには、180V−3V×30個=90Vの電圧が印加される。したがって、30個のバイパススイッチのいずれについても、通常数Vの電圧しか印加されないにもかかわらず、断線や接触不良を考慮すると100V耐圧の素子を選定しなければならない。
次に、図10の符号764で示される「×」印の配線に断線や接触不良が発生すると、第1静電保護ツェナーダイオードには、殆ど電流が流れていないときは上記の90Vが、制御電流が流れるときでは180V−4V×30個=60Vが印加される。ここで、第1静電保護ツェナーダイオードのツェナー電圧を20Vとすると、90Vや60Vは20Vよりも高い電圧なので、制御電流を1Aとしたとき数十ミリ秒から数百ミリ秒の間20V×1A=20Wが第1静電保護ツェナーダイオードに印加され、これに耐えうる素子を選定する必要が生じる。これを回避するには、第1静電保護ツェナーダイオードのツェナー電圧を90V以上にすればよいが、本来の静電気保護の役割を果たすことが困難となる。
そこで本変形例に係る半導体光源制御装置700は第1バイパス/リミッタ回路250−1を備えることにより、接触不良や断線が発生しても第1バイパススイッチ110−1に印加される電圧の上限は抑制される。したがって、第1バイパススイッチ110−1として100V以上の高耐圧の素子を選定しなくてもよい。また、第1バイパス/リミッタ回路250−1による制限電圧を第1静電保護ツェナーダイオード252−1のツェナー電圧以下に設定すれば、小さなツェナーダイオードを選定できる。
なお、実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、リミッタ機能がない場合のバイパススイッチにはkVオーダーの耐圧が求められるので、リミッタ機能を設けることによる耐圧抑制効果は実施の形態においてより顕著である。
実施の形態では、LEDとバイパススイッチとが一対一で対応する場合について説明したが、これに限られず、ひとつのバイパススイッチで複数のLEDの点消灯を制御してもよい。例えば、LEDの2個直列に対し、ひとつのバイパススイッチを接続する場合は、LEDのVfの合計最大値=12V、静電保護ツェナーダイオードのツェナー電圧=40Vとなるため、リミッタツェナーダイオードのツェナー電圧を9Vから21Vの範囲とすればよい。リミッタツェナーダイオードのツェナー電圧を20Vにしたとき、両端電圧の制限値は23Vとなるため、バイパススイッチとして30V耐圧の素子を選択すればよい。
実施の形態において、第2バイパス用接続配線280−2だけでなく第3バイパス用接続配線280−3の符号220(図5参照)で示される「×」印の箇所でも導通不良が発生した場合、第2バイパス回路270−2、第3バイパス回路270−3、第4バイパス回路270−4およびバイパス駆動回路112の作用により、第2バイパススイッチ、第3バイパススイッチおよび第4バイパススイッチの全てが強制的にオンされる。
実施の形態では、バイパス用接続配線に導通不良が発生した場合に、そのバイパス用接続配線に接続される2つのバイパススイッチのどちらが断線異常で強制的にオンされ、どちらがショート異常で強制的にオンされるかはバイパススイッチの特性等に依存する場合について説明したが、これに限られない。例えば、奇数番目のバイパス回路(第1バイパス回路270−1、第3バイパス回路270−3、…)のそれぞれに対して並列に抵抗を設けてもよい。あるいはまた、偶数番目のバイパス回路のそれぞれに対して並列に抵抗を設けてもよい。これらの場合、バイパス用接続配線に導通不良が発生した場合、そのような抵抗が設けられている側のバイパススイッチはショート異常により強制的にオンされ、そのような抵抗が設けられていない側のバイパススイッチは断線異常により強制的にオンされる。
実施の形態では、バイパス回路およびバイパス駆動回路の断線検出機能およびショート検出機能を使用して、バイパス用接続配線の導通不良に対応する場合について説明したが、これに限られない。例えば、電流計測手段などのバイパス用接続配線の導通不良を検出するための手段をバイパス用接続配線に設け、その手段を使用してバイパス用接続配線に導通不良が発生したか否かを判定してもよい。バイパス駆動回路は、導通不良が発生したと判定された場合、対応する2つのバイパススイッチを強制的にオンとしてもよい。
実施の形態では、バイパススイッチがオフのときに導通不良またはショート異常を検出した場合に積分キャパシタを充電し、それ以外の場合は積分キャパシタを放電する場合について説明したが、これに限られない。例えば、バイパススイッチがオフのときに導通不良またはショート異常を検出した場合に積分キャパシタを第1時定数で放電し、それ以外の場合は積分キャパシタを第2時定数で充電してもよい。
実施の形態に係る半導体光源制御装置100では、PWM減光機能が採用されている。PWM減光時、バイパス駆動回路112は点消灯制御信号の電圧レベルを減光周波数f1で周期的に変化させる。何ら異常が発生していない場合、点消灯制御信号がローレベルのとき、対応するバイパススイッチはオフされ、点消灯制御信号がハイレベルのとき、対応するバイパススイッチはオンされる。したがって、点消灯制御信号のローレベルは対応するバイパススイッチのオフに対応する状態であり、点消灯制御信号のハイレベルは対応するバイパススイッチのオンに対応する状態である。
また、バイパス駆動回路112はマイクロコンピュータであり、比較的長い時間間隔で動作する。特にバイパス駆動回路112は、各LEDについて、所定の異常判定期間に亘って異常検出信号を監視することにより異常が発生したか否かを判定する。そして、バイパス駆動回路112は、あるLEDについて異常が発生したと判定された場合、そのLEDに対応する点消灯制御信号をハイレベルに固定する。これを異常の確定・未確定という概念で説明すると、バイパス駆動回路112は、異常状態を異常判定期間の間継続して検出すると、異常と確定してバイパススイッチをオンラッチ制御しているといえる。
一般に異常判定期間はPWM減光の周期(=1/f1)よりも長いので、実施の形態に係る半導体光源制御装置100では積分回路を導入することにより、PWM減光を行っているときでも誤検出の少ないより正確なショート異常・断線異常検出を可能としている。
PWM減光を行わないLED常時点灯(バイパススイッチ=常時オフ)制御において断線異常が発生した場合について検討する。あるLEDに断線が発生してからそのLEDに対応するバイパススイッチがオンラッチ制御されるまでの間、そのLEDに対応するバイパス/リミッタ回路の特にリミッタツェナーダイオードの作用により、バイパススイッチはリミッタ機能を実現するためのスイッチとして動作する。これにより、他のLEDへの電流の経路を維持することができる。ただしこの場合、バイパススイッチは基本的に線形領域で動作するので、そのバイパススイッチには「断線検出電圧×駆動電流Iout」の電力が印加され続けることとなり、バイパススイッチでの電力損失が大きくなる。すると、バイパススイッチとして大型で耐量の大きいスイッチ素子が必要となり、回路の大型化やコストアップを招く虞がある。ここで、断線異常の検出の直後にバイパススイッチをオンラッチ制御すれば電力損失は軽減されるが、これではバイパス駆動回路112における判定回数が少なく(判定時間が短く)なり、特にPWM減光モードにおいて断線異常の誤検出(誤動作)の可能性が高くなる。
なお、PWM減光を行っているときに断線が発生した場合でも、点消灯制御信号がローレベルのときにバイパススイッチはリミッタ機能を実現するためのスイッチとして動作するので、同様にバイパススイッチにおける電力損失の増大が懸念される。PWM減光の1周期(=1/f1)に占めるバイパススイッチのオン期間(=LEDの消灯期間)の割合をオンデューティ比と称す。このオンデューティ比が小さくなるほど、断線による上記電力損失は増大する。
また、バイパススイッチがオンされているときのバイパススイッチにおける電力損失は主にバイパススイッチのオン抵抗分によるので僅かであり、特に線形領域で動作する場合の電力損失よりもかなり小さい。
図11は、第5変形例に係る半導体光源制御装置の第2バイパス回路870−2の構成を示す回路図である。他のバイパス回路は第2バイパス回路870−2と同様に構成される。
図5に示される第2バイパス回路270−2と図11に示される第2バイパス回路870−2との差異は主に第2スイッチ用レベルシフト回路の構成である。第2バイパス回路870−2の第2スイッチ用レベルシフト回路854−2はバイパス駆動回路812から第2点消灯制御信号Sc2’を受け、それを第2バイパススイッチ駆動信号Sd2に変換する。特に第2スイッチ用レベルシフト回路854−2は、第2点消灯制御信号Sc2’がハイレベルのとき第2バイパススイッチ駆動信号Sd2をローレベルとし、第2点消灯制御信号Sc2’がローレベルのとき第2バイパススイッチ駆動信号Sd2をハイレベルとする。
なお、第2バイパス回路870−2の第2バイパス/リミッタ回路850−2は第16抵抗260に相当する抵抗を有さなくてもよい。
第2スイッチ用レベルシフト回路854−2は、第26抵抗822と、第27抵抗814と、第28抵抗816と、第29抵抗818と、第5pnp型バイポーラトランジスタ820と、を含む。第26抵抗822の一端はバイパス駆動回路812の端子と接続される。バイパス駆動回路812のその端子からは第2点消灯制御信号Sc2’が出力される。第26抵抗822の他端は第5pnp型バイポーラトランジスタ820のベースと接続される。第27抵抗814の一端は、第26抵抗822の他端と第5pnp型バイポーラトランジスタ820のベースとの接続ノードと接続される。第27抵抗814の他端および第5pnp型バイポーラトランジスタ820のエミッタには制御電源電圧Vccが印加される。第5pnp型バイポーラトランジスタ820のコレクタは第28抵抗816の一端と接続される。第28抵抗816の他端は第29抵抗818の一端と接続される。第29抵抗818の他端は第2LED2−2のカソードと接続される。
第28抵抗816の他端と第29抵抗818の一端との接続ノードは、第2バイパススイッチ110−2のゲートと接続される。その接続ノードに生じる信号が第2バイパススイッチ駆動信号Sd2である。
第2点消灯制御信号Sc2’がハイレベルのとき第2バイパススイッチ駆動信号Sd2はローレベルとなり、第2バイパススイッチ110−2はオフとなる(第2LED2−2は点灯する)。第2点消灯制御信号Sc2’がローレベルのとき第2バイパススイッチ駆動信号Sd2はハイレベルとなり、第2バイパススイッチ110−2はオンとなる(第2LED2−2は消灯する)。PWM減光を行う場合、バイパス駆動回路812は第2点消灯制御信号Sc2’を、数ミリ秒周期のハイレベル/ローレベル繰り返し信号とする。
バイパス駆動回路812は、積分キャパシタ282の両端電圧が所定のしきい値電圧を超えると、第2点消灯制御信号Sc2’と同期して第2バイパススイッチ110−2の制御用入力端子すなわちゲートに印加される信号のオンデューティ比および周期を通常のPWM減光のものよりも増大させる。特にバイパス駆動回路812は第2異常検出信号Sdet2の電圧がレベルしきい値Vgを超えると、第2LED2−2についての異常判定期間を開始すると共に第2点消灯制御信号Sc2’の1周期に占めるローレベルの継続期間の割合を増大させる。一例では、第2点消灯制御信号Sc2’の周期は数百ミリ秒に増大し、オンデューティ比は90%以上に増大する。
図12は、第2LED2−2に断線が発生した場合の第2点消灯制御信号Sc2、Sc2’の変化を示すタイミングチャートである。図12の上段に示される波形は、第5変形例に係る半導体光源制御装置が通常点灯時に数ミリ秒程度の第1周期PT1でPWM減光を行う場合の第2点消灯制御信号Sc2’を示す。図12の中段に示される波形は、実施の形態に係る半導体光源制御装置100が通常点灯時に常時点灯を行う場合の第2点消灯制御信号Sc2を示す。図12の下段に示される波形は、実施の形態に係る半導体光源制御装置100が通常点灯時に第1周期PT1でPWM減光を行う場合の第2点消灯制御信号Sc2を示す。
第5変形例について第2LED2−2に断線が発生した場合、第2点消灯制御信号Sc2’の周期は第1周期PT1よりも大きな数百ミリ秒程度の第2周期PT2となる。特にバイパス駆動回路812は、第2点消灯制御信号Sc2’の1周期におけるハイレベルの継続期間の長さを維持しつつローレベルの継続期間を長くすることにより、そのような周期の増大を実現する。なお、第2周期PT2は第2積分回路278−2の放電に係る第2時定数よりも小さくてもよい。
数秒程度の異常判定期間PT3において、バイパス駆動回路812は、第2点消灯制御信号Sc2’をハイレベルとしたときの第2異常検出信号Sdet2の電圧がレベルしきい値Vgより高いと、第2点消灯制御信号Sc2’と同期して第2バイパススイッチ110−2のゲートに印加される信号のオンデューティ比および周期を増大したままとする。第2異常検出信号Sdet2の電圧がレベルしきい値Vgを下回った場合は、バイパス駆動回路812は第2点消灯制御信号Sc2’を第1周期PT1を有する状態に復帰させる。バイパス駆動回路812は、第2異常検出信号Sdet2の電圧がレベルしきい値Vgより高い状態が異常判定期間PT3が満了するまで継続する場合、異常が発生したと判定し(すなわち、異常確定)、第2点消灯制御信号Sc2’をローレベルに固定する。
実施の形態について第2LED2−2に断線が発生した場合、異常判定期間PT3の間、第2点消灯制御信号Sc2の状態は異常発生前の状態と同じままとされる。そして異常判定期間PT3が満了すると異常が発生したと判定され、第2点消灯制御信号Sc2はハイレベルに固定される。
このように、第5変形例に係る半導体光源制御装置によると、実施の形態に係る半導体光源制御装置100と比べて常時点灯においてもPWM減光においても、異常判定期間におけるバイパススイッチのオフ期間のトータルの長さを短くできる。このオフ期間は断線発生時においてはバイパススイッチが線形領域で動作する期間に対応するので、第5変形例によるとバイパススイッチにおける電力損失を低減できる。これにより、バイパススイッチとして低耐量のスイッチ素子を採用でき、回路の小型化、低コスト化を図ることができる。
特にPWM減光を行う都合上、異常検出信号のレベルの遷移をもってただちに異常が発生したと判定するのが適さない状況において、第5変形例によると、異常判定期間に亘る異常検出信号の監視によって異常の発生の有無をより正確に判定することができると共に、異常判定期間におけるバイパススイッチの電力損失を低減できる。