JP2016111749A - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザーダイオードをOFFしている間の電力損失を削減し、エネルギー変換効率を改善することができる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、電流が環流するように接続されるリアクトル4及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子5を有する電流ループ12と、電流ループ12に電流値が一定になるように電力を供給する電源1と、1次巻線がレーザーダイオード制御用スイッチング素子5によって電流の疎通を制御され、1次巻線の巻き数が2次巻線の巻き数より少なくなるように巻かれ、2次巻線は電流をレーザーダイオード7に供給するトランス6と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電源装置に関する。
レーザー光線を生成するレーザーダイオードに電力を供給する電源装置は、昨今の省エネ志向から更なる省エネルギー、すなわちエネルギー変換効率の改善が求められている。
従来の電源装置として、リアクトルと、ダイオードと、スイッチング素子と、によって形成されるループを備える電源装置が提案されている(例えば、特許文献1)。
図8は、従来技術の例である特許文献1の図1である。図8に示すように、受来技術の電源制御装置は、リアクトル4と、ダイオード3と、スイッチング素子25と、をによって形成されるループを備える。この電源制御装置は、特にレーザー駆動パルス電流の立ち上がり速度を速くすることを課題としてなされたものである。
この電源制御装置は、電流OFF時にリアクトル4にエネルギーをチャージし、電流を流す場合にはスイッチング素子25をOFF、スイッチング素子23をONにして、リアクトル4にチャージしたエネルギーをレーザーダイオードLDに印加するものである。
リアクトル4に通電される電流は電流制御用スイッチング素子2のスイッチング動作によって常に一定に保たれており、電流OFF時はリアクトル4、スイッチング素子25、ダイオード3によって電流ループが形成され、各素子でのエネルギー損失分は電流制御用スイッチング素子2から補われる。電流ON時はリアクトル4、スイッチング素子23、レーザーダイオードLD、ダイオード3によって電流ループが形成され、各素子のエネルギー損失分は電流制御用スイッチング素子2から補われる。
この従来技術においては、レーザーダイオードLDをOFFしている間は、リアクトル4のチャージが完了した後も電流ループに電流が流れ、リアクトル4、ダイオード3、及びスイッチング素子25においてエネルギーが消費され、エネルギー変換効率を悪化させている。
本発明は上記の問題に鑑み、レーザーダイオードをOFFしている間の電力損失を削減し、エネルギー変換効率を改善することができる電源装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、電流が環流するように接続されるリアクトル及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子を有する電流ループと、電流ループに電流値が一定になるように電力を供給する電源と、1次巻線がレーザーダイオード制御用スイッチング素子によって電流の疎通を制御され、1次巻線の巻き数が2次巻線の巻き数より少なくなるように巻かれ、2次巻線は電流をレーザーダイオードに供給するトランスと、を備える電源装置を提供する。
本発明によれば、レーザーダイオードをOFFしている間の電力損失を削減し、エネルギー変換効率を改善することができる電源装置を提供することができる。
第1の実施形態の電源装置の構成図である。 レーザーダイオードがOFFの場合の電源装置の状態を示す図である。 レーザーダイオードがONの場合の電源装置の状態を示す図である。 第1の実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。 第2の実施形態の電源装置の構成図である。 第2の実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。 第3の実施形態の電源装置の構成図である。 従来技術の例である特許文献1の図1である。
以下、本発明の一実施形態に係る電源装置について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の電源装置の構成図である。図1に示すように、電源装置は、電流ループ12と、電源部11と、トランス6と、を備える。
電流ループ12は、電流が環流するように接続されるダイオード3、リアクトル4、及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子5を備える。
ダイオード3のカソードには、リアクトル4の一方の端子が接続され、リアクトル4の他方の端子はPchのMOS FET(metal‐oxide semiconductor電界効果トランジスター)であるレーザーダイオード制御用スイッチング素子5のソース端子が接続され、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のドレイン端子がダイオード3のアノードに接続されることにより電流ループ12が形成される。
レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のゲート端子は外部のコントローラに接続され、ON/OFFが制御される。
電源部11は、電流ループ12に一定の電流が流れるように電流ループ12に電力を供給する。
電流ループ12の内部、例えば、ダイオード3とレーザーダイオード制御用スイッチング素子5を接続する線路に電流の大きさを検知する電流検知素子8が設けられる。この電流検知素子8の出力はスイッチング制御回路9に入力される。
スイッチング制御回路9は、電源1と直列に接続されるリアクトル4の間に設けられる電流制御用スイッチング素子2であるPchのMOS FETを制御する。すなわち、電流制御用スイッチング素子2のソース端子は電源1に接続され、ドレイン端子はリアクトル4に接続され、ゲート端子はスイッチング制御回路9に接続される。
スイッチング制御回路9は、電流検知素子8の出力に基づいて、電流ループ12に流れる電流が一定になるようにPFM(pulse frequency modulation:パルス周波数変調)制御された制御信号によって電流制御用スイッチング素子2をON/OFFする。
トランス6のnターン巻かれた1次巻線は、電流ループ12のレーザーダイオード制御用スイッチング素子5と並列に接続される。また、トランス6のmターン巻かれた2次巻線はレーザーダイオード7に接続される。トランス6の2次巻線はレーザーダイオード7を介してループを形成する。
ここで、本実施形態においては、トランス6の1次巻線の巻き数nを2次巻線の巻き数mよりも十分大きくする。例えば、n:m=1:100などとすることができる。このように巻き数を設定することにより電流ループ12に流れる電流を小さくすることが可能となり、ダイオード3、リアクトル4、及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子5における抵抗損失を削減でき、エネルギー変換効率を改善することが可能となる。
電源1は、昇圧型DC/DCコンバータを用いることが望ましい。電源1は、昇圧型DC/DCコンバータを用いることによって、リアクトル4の出力電圧よりリアクトル4への供給電圧を高くすることにより、トランス6の1次巻線に通電する場合においても電源からの電流供給が可能となる。
次に、本実施形態の電源装置の動作について説明する。
図2は、レーザーダイオード7がOFFの場合の電源装置の状態を示す図である。図2に示すように、レーザーダイオード7がOFFの場合は、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のゲート端子にLOWの信号が印加される。この場合、トランス6の1次巻線よりレーザーダイオード制御用スイッチング素子5のインピーダンスが低いため、矢印A1に示すように、リアクトル4、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5、ダイオード3を介して電流ループ12を環流する電流が流れる。すなわち、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5はトランス6の1次巻線への電流の疎通を制御している。
各素子でのエネルギー損失分は、矢印B1に示すように電源部11から電流が供給される。
このとき、リアクトル4にエネルギーがチャージされる。
図3は、レーザーダイオード7がONの場合の電源装置の状態を示す図である。図3に示すように、レーザーダイオード7がONの場合は、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のゲート端子にHIGHの信号が印加される。この場合、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5はOFFとなり、矢印A2に示すように、リアクトル4、トランス6の1次巻線、ダイオード3を介する電流が流れる。
各素子でのエネルギー損失分は、矢印B2に示すように電源部11から電流が供給される。
トランス6の1次巻線に電流が流れると、矢印C2に示すように、2次巻線に巻線比に対応する電流が流れ、レーザーダイオード7に電力が供給される。
図4は、電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。図4においては、レーザーダイオード7の発光が2回分記載され、また、PFM制御はON幅が一定であり、最大周波数のときデューティー比50%の例を示す。
図4に示すように、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5がOFFされると(LD制御用スイッチング素子)、リアクトル4から電流がトランス6の1次巻線に通電される(レーザーダイオードOR n.1次巻線通電電流)。このとき、トランス6の2次巻線にも同時に巻線比に応じた電流が通電される。2次巻線に接続されたレーザーダイオード7には、順方向の電圧VFが生じ、1次巻線の両端には巻線比に応じた電圧が生じる。
このとき、リアクトル4から出力される電流の傾きはdi=V/Ldtとなり、リアクトル4の電流が低下する(リアクトル通電電流)。ここで、Vはリアクトル4のインダクタンス値、Vはリアクトル4の両端電圧である。di/dtは時間に対する電流の変化量である。
リアクトル4から出力される電流が低下すると、スイッチング制御回路9は電流検知素子8の出力に基づいて、PFMの周波数を大きくする。図4においては、スイッチング制御回路9は、リアクトル通電電流がPFM制御基準電流値を下回ったときに、最大周波数にて電流制御用スイッチング素子2を制御する(電流制御用スイッチング素子通電電流(PFM制御))。
ここで、電源1の電圧がリアクトル4の電圧より低い場合、リアクトル4に対して電流を増加させることができない状態にてリアクトル4の電流が電源1、電流制御用スイッチング素子2を経由して流れるのみとなる。
この点、上述したように電源1に昇圧型DC/DCコンバータを用いることが望ましい。
レーザーダイオード制御用スイッチング素子5がONされると、トランス6の1次巻線に通電されていた電流は、よりインピーダンスの低いレーザーダイオード制御用スイッチング素子5に通電される。
同時に、トランス6の2次巻線の電流も停止し、リアクトル4の出力電圧はほぼ0Vとなる。レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のON電圧は十分小さい。このとき、リアクトル4の電流はレーザーダイオード7によって消費されたエネルギーの分だけ低下しているため、スイッチング制御回路9は、電流検知素子8の出力に基づいて、周波数を大きくする。具体的には、スイッチング制御回路9は、最大周波数により連続動作する(過渡状態)。そして、リアクトル4のチャージが完了すると周波数を下げて元に戻す(平衡状態)。
ここで、平衡状態におけるリアクトル4の電流傾きは、di=V/Ldtであり、リアクトル4の両端電圧V=ダイオード3の電圧VF+レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のON電圧+リアクトル4の両端電圧(抵抗成分による電圧)となり、微少な値となる。
この電圧値にリアクトル4の電流値を乗じた値がレーザーダイオード7のOFF時における電力損失となる。本実施形態においては、このリアクトル4の電流を、トランス6を用いて1次巻線の巻き数を2次巻線より少なくすることによりその巻線比によって小さくし、電力損失を抑える。
以上述べたように、本実施形態の電源装置は、リアクトル4を備える電流ループ12に並列にトランス6の1次巻線を接続し、2次巻線の巻き数を1次巻線より多くする。
従って、レーザーダイオード7がOFFのときにおける電流ループ12における電力損失を低減することができるという効果がある。
(第2の実施形態)
本実施形態の電源装置の構成は、第1の実施形態の電源装置の構成にON抵抗調整回路をさらに備えることの他は第1の実施形態の電源装置と同様である。従って、ON抵抗調整回路について説明する。
本実施形態は、精度の高い電流制御を行うものである。第1の実施形態においては、レーザーダイオード7に流れる電流に傾きがあった。この傾きをフラットにするためには、リアクトル4の放電電流の傾きを緩やかにする必要がある。
この方法として、(1)リアクトル4のインダクタンスを大きくする、(2)リアクトル4の出力電圧を小さくする、などの方法がある。
(1)リアクトル4のインダクタンスを大きくする方法においては、リアクトル4のサイズの大型化や巻線インピーダンスの増加となり、(2)リアクトル4の出力電圧を小さくする方法においては、トランス6の1次巻線の巻線比をさらに小さくすることが必要であり、リアクトル電流が属してエネルギー損失が増える。
そこで、本実施形態においては、ON抵抗調整回路を設け、トランス6の1次巻線に流れる電流が一定になるようにレーザーダイオード制御用スイッチング素子5のON抵抗を調整する。
図5は、本実施形態の電源装置の構成図である。図5に示すように、ON抵抗調整回路は、トランス6の1次巻線の電流の大きさを検知する1次巻線電流検知素子52と、1次巻線電流検知素子52の出力と、基準電流53とを比較し、比較結果をレーザーダイオード制御用スイッチング素子5のゲート端子に出力する比較器51と、を備える。基準電流53は、電流の傾きがある電流値より小さく設定される。
本実施形態においては、リアクトル4に流す電流をレーザーダイオード7に通電する電流より十分大きくしてレーザーダイオード制御用スイッチング素子5に余剰分の電流を流す。
トランス6の1次巻線に流れる電流が基準電流53より大きい場合、比較器51は基準電流53との差の大きさに対応したHIGH信号を出力する。従って、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のON抵抗はこのHIGH信号に応じて変化し、基準電流53に対応する電流より大きい電流は流れず、電流の傾きはフラットになる。
図6は、本実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。図6に示すように、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5は、基準電流53より大きい電流に対応する電流がゲート端子に印加されるため、ON抵抗が変化する(LD制御用スイッチング素子通電電流)。このため、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5がOFFしているときの1次巻線の通電電流は、傾きがフラットになる。
以上述べたように、本実施形態の電源装置は、基準電流53よりも大きい電流値の電流をレーザーダイオード制御用スイッチング素子5に印加し、レーザーダイオード制御用スイッチング素子5のON抵抗を変化させるON抵抗調整回路を備える。
従って、電流精度の高い電流を、電力損失を低減させながら供給することができるという効果がある。
(第3の実施形態)
本実施形態の電源装置の構成は、第2の実施形態の電源装置の構成におけるトランス6に中間引出トランス6Aを用い、センタータップにレーザーダイオード制御用スイッチング素子5と並列に1次巻線のセンタータップを短絡/開放するセンタータップスイッチ71を設けた点の他は、第2の実施形態の電源装置と同様である。従って、この差異のある部分について説明する。
レーザーダイオード7の制御において、レーザー発光の通電以前にバイアスとして弱電流を通電することがある。本実施形態の電源装置はこのバイアス電流の通電OFF時にも損失エネルギーの低減を可能にするものである。
図7は、本実施形態の電源装置の構成図である。図7に示すように、中間引出トランス6Aは、第1の1次巻線と第2の1次巻線とは同方向に巻かれており、直列に接続される。第1の1次巻線はnターン巻かれ、第2の1次巻線はsターン巻かれ、2次巻線はmターン巻かれる。
巻き数の関係は、n+s<mである。
センタータップスイッチ71のソース端子はリアクトル4の出力端子のレーザーダイオード制御用スイッチング素子5への接続部よりも中間引出トランス6A側に接続され、ドレイン端子は、中間引出トランス6Aのセンタータップに接続され、ゲート端子は外部のコントローラに接続される。
コントローラは、レーザーダイオード7をOFFするタイミング、すなわちレーザーダイオード制御用スイッチング素子5をONするタイミングにて、センタータップスイッチ71を短絡させる。
従って、このタイミングにて第1の1次巻線に電流が通電され、巻線比n:mの割合に応じたバイアス電流が2次巻線に流れ、レーザーダイオード7に通電される。
バイアス電流が通電されている間、第1及び第2の実施形態と同様に電流ループ12内における損失エネルギーが低減される。
コントローラは、レーザーダイオード7をONするタイミング、すなわちレーザーダイオード制御用スイッチング素子5をOFFするタイミングにて、センタータップスイッチ71を解放させる。
従って、このタイミングにて巻線比(n+s):mの割合に応じた電流が2次巻線に流れる。
以上述べたように、本実施形態の電源装置は、トランス6に中間引出トランス6Aを用い、センタータップにレーザーダイオード制御用スイッチング素子5と並列に1次巻線のセンタータップを短絡/開放するセンタータップスイッチ71を設け、コントローラは、レーザーダイオード7をOFFするタイミングにて、センタータップスイッチ71を短絡させる。
従って、バイアス電流が通電されている間も、電流ループ12内における損失エネルギーが低減されるという効果がある。
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の電源装置は上記実施形態の構成に限定されるものでない。
当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の電源装置を適宜改変することができる。このような改変によってもなお本発明の電源装置の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。
3:ダイオード
4:リアクトル
5:レーザーダイオード制御用スイッチング素子
6:トランス
6A:中間引出トランス
7:レーザーダイオード
8:電流検知素子
9:スイッチング制御回路
11:電源部
12:電流ループ
51:比較器
52:1次巻線電流検知素子
53:基準電流
71:センタータップスイッチ
特開平11−87817号公報

Claims (5)

  1. 電流が環流するように接続されるリアクトル及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子を有する電流ループと、
    前記電流ループに電流値が一定になるように電力を供給する電源と、
    1次巻線が前記レーザーダイオード制御用スイッチング素子によって電流の疎通を制御され、1次巻線の巻き数が2次巻線の巻き数より少なくなるように巻かれ、前記2次巻線は電流をレーザーダイオードに供給するトランスと、
    を備える電源装置。
  2. 前記電源は、
    昇圧型DC/DCコンバータを含む請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記電源は、
    前記電流ループへの電流値が一定になるようにパルス周波数変調により制御される請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  4. 前記1次巻線の電流の大きさを検知し、前記1次巻線の電流の大きさと基準電流との差に基づいて前記レーザーダイオード制御用スイッチング素子のON抵抗を調整するON抵抗調整回路をさらに備える請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の電源装置。
  5. 前記トランスは、
    センタータップを有し、第1の1次巻線と第2の1次巻線を直列に接続した中間引出トランスであり、
    前記第1の1次巻線と前記第2の1次巻線のいずれかを短絡/開放するセンタータップスイッチをさらに備え、
    前記センタータップスイッチは、
    前記レーザーダイオードに通電するときに開放し、通電しないときに短絡する請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電源装置。


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