JP2017038513A - 半導体光源駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力の効率が高く、パルス幅変調時に、正確な矩形波の電流波形で半導体光源素子を駆動可能な、半導体光源駆動装置を提供する。
【解決手段】本開示の半導体光源駆動装置１００は、直流電圧を供給するスイッチング電源１１０と、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０と、コイル１４０と、反転ＦＥＴドライバ２３０と、半導体光源素子１８０と、フリーホイルダイオード１９０を備える。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０は、スイッチング電源１１０の陽極側出力を、入力された信号に従ってスイッチングする。コイル１４０は、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０の出力側に一端が接続される。反転ＦＥＴドライバ２３０は、コイル１４０の他端とスイッチング電源１１０の陰極側との間に接続され、入力された信号に従ってスイッチングされる。フリーホイルダイオード１９０は、コイル１４０の一端とスイッチング電源１１０の陰極側とが接続される。
【選択図】図１

Description

本開示は、半導体光源に高速パルス幅変調された駆動電流を供給する半導体光源駆動装置に関する。

特許文献１は、温度や電源電圧の変動、素子のばらつきの影響を抑えて一定レベルのパルス電流を出力する、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子の駆動回路を開示する。

このＬＥＤ等を駆動する発光素子駆動回路は、スイッチング電源から駆動対象へ供給される電力を断続させるスイッチと、誤差信号生成手段と、信号保持手段と、スイッチング電源制御手段を備える。誤差信号生成手段は、駆動対象に流れた電流を検出し、当該検出結果に応じた検出信号を出力する検出手段から出力される検出信号と目標信号との誤差に応じた誤差信号を生成する。信号保持手段は、上記スイッチがオンのとき、誤差信号生成手段で生成された誤差信号を平均化し、スイッチがオンからオフへ変化するとき、平均化した誤差信号を保持する。上記スイッチがオフからオンへ変化するとき、信号保持手段は、保持した誤差信号の信号レベルを初期レベルとして誤差信号の平均化を開始する。スイッチング電源制御手段は、上記スイッチがオフの時、スイッチング電源による駆動対象への電力の供給を停止させる。スイッチング電源制御手段は、上記スイッチがオンの時、スイッチング電源が駆動対象へ供給する電力を信号保持手段で平均化された誤差信号に応じて制御する。

これにより、温度や電源電圧の変動、素子のばらつきの影響を抑えて、一定レベルのパルス電流を出力する駆動回路を提供する。

特開２００４−１４７４３５号公報

本開示は、電力の効率が高く、パルス幅変調時に、正確な矩形波の電流波形で半導体光源を駆動可能な、半導体光源駆動装置を提供する。

本開示の半導体光源駆動装置は、直流電圧を供給するスイッチング電源と、第１スイッチング素子と、インダクタと、第２スイッチング素子と、半導体光源素子と、フリーホイルダイオードを備える。第１スイッチング素子は、スイッチング電源の陽極側出力を、入力された信号に従ってスイッチングする。インダクタは、第１スイッチング素子の出力側に一端が接続される。第２スイッチング素子は、インダクタの他端とスイッチング電源の陰極側との間に接続され、入力された信号に従ってスイッチングされる。半導体光源素子は、インダクタの他端側とスイッチング電源の陰極側との間に接続される。フリーホイルダイオードには、インダクタの一端とスイッチング電源の陰極側とが接続される。

本開示は、電力の効率が高く、パルス幅変調時に、正確な矩形波の電流波形で駆動が可能な、半導体光源駆動装置を得るのに有効である。

実施の形態における半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図 サージ防止ダイオードおよびスナバ回路を有しない半導体光源駆動装置の各部の波形を示す図 実施の形態における半導体光源駆動装置の各部の波形を示す図 実施の形態における半導体光源駆動装置に駆動される半導体光源に流れる電流の波形を示す図 矩形の電圧波形で駆動される半導体光源に流れる電流の波形を示す図 実施の形態に係る半導体光源駆動装置の模式図 実施の形態に係る半導体光源駆動装置の模式図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態）
以下、図１〜図３Ｂを用いて、実施の形態を説明する。

［１．構成］
図１は、本実施の形態にかかる半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図である。

半導体光源駆動装置１００は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を入力とし、ＰＷＭ信号に従ってパルス幅変調した駆動電流を半導体光源１８０に供給する装置である。

スイッチング電源１１０は直流電圧を供給する。スイッチング電源１１０の陽極（＋）側出力は、電源スイッチング用ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１２０のソース（またはドレイン）に接続される。半導体光源駆動装置１００に入力されたＰＷＭ信号は、ＦＥＴドライバ１３０の入力と、後述の反転ＦＥＴドライバ２２０の入力とに供給される。ＦＥＴドライバ１３０の出力は、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のゲートに接続される。これにより、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０は、ＰＷＭ信号に基づいてオン／オフ制御される。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のドレイン（またはソース）には、スイッチング電源から供給される直流電圧が間欠的に出力される。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０は、第１スイッチング素子の一例である。

反転ＦＥＴドライバ２２０は、入力されたＰＷＭ信号を反転し、駆動出力として出力する。反転ＦＥＴドライバ２２０は、バイパス用ＦＥＴ２３０のゲートを駆動し、バイパス用ＦＥＴ２３０をオフ／オン制御する。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のドレイン側（出力側）にはコイル１４０の一端が接続される。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のドレインと、スイッチング電源１１０の陰極（−）の間には、フリーホイルダイオード１９０が設けられている。フリーホイルダイオード１９０のカソードＫは、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のドレインに接続されている。フリーホイルダイオード１９０のアノードＡがスイッチング電源１１０の陰極に接続されている。このフリーホイルダイオード１９０は、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフの時、スイッチング電源１１０の陰極から、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０の出力に向かう方向の電流を、バイパスする経路を生成する。

半導体光源１８０は、複数の半導体光源素子（半導体レーザダイオード）１８１の直列接続により構成されている。半導体光源素子１８１のアノード側は、コイル１４０の他端に接続されている。半導体光源素子１８１のカソード側は、電流検出抵抗２００を介してスイッチング電源１１０の陰極に接続されている。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンの時、バイパス用ＦＥＴ２３０はオフであり、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０の出力電流は、コイル１４０を通過した後、半導体光源１８０から電流検出抵抗２００を通って、スイッチング電源１１０の陰極で形成される経路で流れる。

コイル１４０の他端とバイパス用ＦＥＴ２３０のドレインとの間には、サージ防止ダイオード１５０が設けられている。サージ防止ダイオード１５０のアノードは、コイル１４０の他端と接続されている。サージ防止ダイオード１５０のカソードは、バイパス用ＦＥＴ２３０のドレインに接続されている。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフの時、バイパス用ＦＥＴ２３０はオンである。この状態においては、コイル１４０に蓄積されたエネルギーによる電流が、コイル１４０の他端から、サージ防止ダイオード１５０、バイパス用ＦＥＴ２３０、電流検出抵抗２００、フリーホイルダイオード１９０を経由してコイル１４０の一端へ流れる経路が形成されている。

バイパス用ＦＥＴ２３０のドレインとソースとの間には、スナバ回路がバイパス用ＦＥＴ２３０と並列に接続されている。スナバ回路は、スナバ抵抗１６０とコンデンサ１７０が直列に接続されたものである。

このように、バイパス用ＦＥＴ２３０と半導体光源１８０とを流れる電流経路に対して直列にサージ防止ダイオード１５０を挿入するとともに、バイパス用ＦＥＴ２３０に対して並列にスナバ抵抗１６０とコンデンサ１７０とを直列に接続したスナバ回路を挿入する。これにより、バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチングにより生じるノイズが、半導体光源１８０に与える影響を抑制できる。特に、バイパス用ＦＥＴ２３０がオフになった直後に発生するサージ電圧が吸収されることにより、サージ電圧が半導体光源１８０に流れる電流に影響を与えることを抑制できる。さらに、バイパス用ＦＥＴ２３０がオフになった直後に発生するサージ電圧は、バイパス用ＦＥＴ２３０の内部配線を含む配線により形成されるインダクタンス成分と、バイパス用ＦＥＴ２３０のドレイン・ソース間容量との共振によるリンギングを生じうる。サージ防止ダイオード１５０およびスナバ回路により、上記のリンギングが抑制される。

バイパス用ＦＥＴ２３０がオフのときに半導体光源１８０に流れる電流は、概ね電流検出抵抗２００に流れる電流と等しい。電流検出抵抗２００に流れる電流は、電流検出抵抗２００の両端の間の電圧を電流検出回路２１０にて増幅することにより検出する。この検出結果に基づいてスイッチング電源１１０を制御することで、半導体光源１８０に流れる電流を安定化することができる。

［２．動作］
以上のように構成された半導体光源駆動装置１００の動作を以下説明する。

図２Ａは、サージ防止ダイオードおよびスナバ回路を有しない半導体光源駆動装置における各部の時間波形を示す図である。図２Ａに係る半導体光源駆動装置は、図１に示す回路から、サージ防止ダイオード１５０と、スナバ抵抗１６０と、コンデンサ１７０を取り除いたものである。図２Ｂは本実施の形態の半導体光源駆動装置１００における、各部の時間波形を示す図である。図２Ａおよび図２Ｂの横軸は時間、縦軸は電流量を示している。なお、図２Ａおよび図２Ｂにおいて、半導体光源駆動装置に入力されるＰＷＭ信号のデューティ（オン時間比）は５０％である。

スイッチング電源１１０は、半導体光源駆動装置１００の電源電圧として直流電圧を供給する。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のゲートには、ＰＷＭ信号が供給されるＦＥＴドライバ１３０の出力が供給され、ＰＷＭ信号によって電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオン・オフ制御される。これによって、スイッチング電源１１０の陽極出力が、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のオン／オフ駆動によって出力される。

半導体光源駆動装置１００に入力されたＰＷＭ信号は、反転ＦＥＴドライバ２２０にも供給される。反転ＦＥＴドライバ２２０はＰＷＭ信号に基づき、バイパス用ＦＥＴ２３０をオフ／オン駆動する。具体的には、反転ＦＥＴドライバ２２０は入力されたＰＷＭ信号を反転増幅して出力する。すなわち、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンのとき、バイパス用ＦＥＴ２３０はオフとなり、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフのとき、バイパス用ＦＥＴ２３０はオンとなる。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンで、バイパス用ＦＥＴ２３０がオフの時、スイッチング電源１１０の電圧は、コイル１４０と、半導体光源１８０と、電流検出抵抗２００の直列回路に印加される。電流検出抵抗２００に小さい抵抗を用いると、スイッチング電源１１０の電圧は、殆どコイル１４０と、半導体光源１８０の直列回路に印加される。

スイッチング電源１１０の電圧は、電流検出抵抗２００と電流検出回路２１０とによって検出される電流値によって制御される。スイッチング電源１１０の電圧変化の速度は、ＰＷＭ信号の周期に比べ非常に遅いため、電流検出抵抗２００と電流検出回路２１０とによって検出される電流の平均値と、目標の電流値との差の平均値が０となる状態に、スイッチング電源１１０の電圧が収束する。

電流検出抵抗２００と電流検出回路２１０とによって検出される電流の平均値と、目標の電流値との差が零となる状態を定常状態と呼ぶ。定常状態において、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンの時、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０の出力端の電圧が、半導体光源１８０の順方向電圧より高い電圧となる。このとき、コイル１４０には、スイッチング電源１１０の出力電圧と半導体光源１８０の順方向電圧の差だけ、コイル１４０に流れる電流が増える方向に電圧が加わる。図２Ａおよび図２Ｂの電源スイッチング用ＦＥＴの電流に示すように、コイル１４０に加わる電圧をコイル１４０のインダクタンスで割り算した勾配でコイル１４０に流れる電流（コイル電流）は増加する。電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンの時、バイパス用ＦＥＴ２３０はオフであるため、コイル１４０に流れる電流と半導体光源に流れる電流はほぼ等しい。このように、定常状態において、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンの時、半導体光源に流れる電流は増大する。コイル１４０のインダクタンスを大きくすると、インダクタンス値に逆比例してこの勾配は小さくなる。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオンからオフ、バイパス用ＦＥＴ２３０がオフからオンに変化する時、コイル１４０に流れる電流は急激には変化しない。このため、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０に流れる電流が減少した分だけ、フリーホイルダイオード１９０に流れる電流が増大する。

バイパス用ＦＥＴ２３０がオフのとき、コイル１４０に流れる電流は、半導体光源１８０を通って、電流検出抵抗２００に流れる。バイパス用ＦＥＴ２３０がオンのとき、コイル１４０に流れる電流は、サージ防止ダイオード１５０とバイパス用ＦＥＴ２３０を通して、電流検出抵抗２００に流れる。コイル１４０に流れる電流の経路の切り替わりに要する時間は、バイパス用ＦＥＴ２３０がオンに切り替わる時間に制約される。バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチング速度は高速であるため、半導体光源１８０を通る電流経路から、半導体光源１８０を通らない電流経路に、高速に切り替えることができる。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフで、バイパス用ＦＥＴ２３０がオンの時、コイル１４０に蓄えられたエネルギーは、コイル１４０の抵抗、バイパス用ＦＥＴ２３０のオン抵抗、電流検出抵抗２００、フリーホイルダイオード１９０の順方向電圧、サージ防止ダイオード１５０の順方向電圧、配線抵抗により徐々に失われる。このため、図２Ａおよび図２Ｂにおいて示されるように、コイル１４０に流れる電流（コイル電流）は、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフの期間に徐々に減少する。

電源スイッチング用ＦＥＴ１２０がオフからオン、バイパス用ＦＥＴ２３０がオンからオフに変化する時、バイパス用ＦＥＴ２３０のソースに流入する電流は、勾配を持って減少するが、その電流は零を通り越して負の値となることがある。バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチング動作に伴い、配線のインダクタンス成分や、バイパス用ＦＥＴ２３０内のインダクタンス成分と、バイパス用ＦＥＴ２３０のドレイン・ソース間の容量との共振が起こりうる。さらに、バイパス用ＦＥＴ２３０のゲートの電位が急速に変化することにより、バイパス用ＦＥＴ２３０のゲートからソースへチャージインジェクションが生じることがある。このように、サージ防止ダイオード１５０とスナバ抵抗１６０とコンデンサ１７０が無い場合、バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチングに伴うノイズ電流が半導体光源１８０に流れこみ、半導体光源１８０に流れる電流量の制御が困難になる。図２Ａの半導体光源電流に示すように、バイパス用ＦＥＴ２３０の切り替わりのタイミングで、半導体光源１８０には、過渡的に約２倍の電流が流れうる。

図２Ｂに示すように、サージ防止ダイオード１５０と、スナバ抵抗１６０と、コンデンサ１７０とを備えることにより、バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチングに伴うノイズ電流が半導体光源１８０に流れることを抑制することができる。サージ防止ダイオード１５０は、バイパス用ＦＥＴ２３０のソースから半導体光源１８０へ流れる電流を阻止する。コンデンサ１７０とスナバ抵抗１６０とからなるスナバ回路は、バイパス用ＦＥＴ２３０のスイッチングに伴うノイズ電流を吸収し、ノイズ電流のリンギングを減衰させる。

図３Ａに、実施の形態における半導体光源駆動装置により半導体光源を駆動したとき、半導体光源に流れる電流の波形を示す。図３Ｂに、矩形の電圧を出力する駆動回路により図３Ａと同じ半導体光源を駆動したとき、半導体光源に流れる電流の波形を示す。図３Ａ、図３Ｂにおいて、横軸は時間、縦軸は電流量を示す。なお、図３Ａにおいて、半導体光源駆動装置に入力されるＰＷＭのデューティ（オン時間比）は５０％である。図３Ｂにおいて、駆動回路の出力電圧の波形は、デューティが５０％の矩形波である。

半導体光源１８０の順方向電圧は、一般的に半導体光源素子１８１のジャンクション温度に依存する。半導体光源素子１８１としてレーザダイオードを用いた場合、半導体光源素子１８１のジャンクション温度が低いほど、半導体光源素子１８１それぞれの順方向電圧は高くなり、半導体光源１８０の順方向電圧も高くなる。半導体光源素子１８１に電流が流れているとき、半導体光源素子１８１のジャンクション温度は上昇する。半導体光源素子１８１に電流が流れていないとき、半導体光源素子１８１の熱は放熱され、ジャンクション温度は低下する。半導体光源１８０に流れる電流をＰＷＭ信号に基づいて駆動するとき、半導体光源１８０に電流を流し始めるときが最もジャンクション温度が低く、半導体光源１８０の順方向電圧が最も高い。半導体光源１８０に電流を流した状態で時間が経過すると半導体光源素子１８１のジャンクション温度が上昇し、半導体光源１８０の順方向電圧が低下していく。

このため、本実施の形態のような構造を採らず、単にスイッチング電源の電圧をＰＷＭ信号でスイッチングして矩形波電圧を出力するような半導体光源駆動装置の場合、図３Ｂに示すように、半導体光源に流れる電流の波形の立ち上がりが遅くなる。これは、半導体光源にかかる電圧が一定であるために、電流が流れ始めるタイミングにおける電流は小さく、ジャンクション温度の上昇とともに電流が増加することによる。

これに対して、本実施の形態における半導体光源駆動装置によれば、上記のジャンクション温度の低下に起因する電流波形の鈍りを防止することができる。すなわち、半導体光源に流れる電流の波形の立ち上がりが早くなる。

すなわち、本実施の形態では、バイパス用ＦＥＴ２３０がオフになったとき、コイル１４０に生じる逆起電力が半導体光源１８０の両端に加わる。コイル１４０に生じる逆起電力は、コイル１４０に流れる電流が微小時間内で一定となるように生じる。そのため、半導体光源１８０の順方向電圧にかかわらず、コイル１４０に流れる電流はバイパス用ＦＥＴ２３０がオフになる前と後でほぼ同じである。バイパス用ＦＥＴ２３０がオフのとき、コイル１４０に流れる電流の大部分は、半導体光源１８０に流れる。これにより、半導体光源１８０の順方向電圧にかかわらず、所望の電流を半導体光源１８０に流すことができる。このとき半導体光源１８０に流れる出力電流の値は、バイパス用ＦＥＴ２３０がオンからオフに切り替わるときにコイル１４０に流れていた電流とほぼ等しい。

さらに、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０のオン期間においては、コイル１４０の両端に、コイル１４０に流れる電流を増やす方向に電圧がかかるため、コイル１４０に流れる電流が増大するが、その傾きは小さい。

図３Ａに示すように、本実施の形態の半導体光源駆動装置に駆動される半導体光源１８０に流れる電流の波形は、立ち上りが急峻である。また、本実施の形態の半導体光源駆動装置によれば、半導体光源１８０に流れる電流はほぼ一定となるため、半導体光源１８０を駆動する電流の波形を歪みが極めて少ない矩形波とすることができる。

図４は、本実施の形態に係る半導体光源駆動装置の模式図である。図４の電源部１１００は、図１におけるスイッチング電源１１０に相当する。図４の第１スイッチング素子１２００は、図１における電源スイッチング用ＦＥＴ１２０に相当する。図４の還流部１３００は、インダクタ１３１０と、フリーホイルダイオード１３２０とを有する。インダクタ１３１０は、図１におけるコイル１４０に相当する。フリーホイルダイオード１３２０は、図１におけるフリーホイルダイオード１９０に相当する。図４のバイパス部１４００は、第２スイッチング素子１４１０と、サージ防止ダイオード１４２０と、サージ抑制回路１４３０と、第１端部１４４０と、第２端部１４５０とを有する。第２スイッチング素子１４１０は、図１におけるバイパス用ＦＥＴ２３０に相当する。サージ防止ダイオード１４２０は、図１におけるサージ防止ダイオード１５０に相当する。サージ抑制回路１４３０は、抵抗１４３１とコンデンサ１４３２とからなるスナバ回路である。抵抗１４３１は、図１におけるスナバ抵抗１６０に相当する。コンデンサ１４３２は、図１におけるコンデンサ１７０に相当する。第１端部１４４０は、図１におけるサージ防止ダイオード１５０のアノードに相当する。第２端部１４５０は、図１におけるバイパス用ＦＥＴ２３０のドレインとコンデンサ１７０とが接続される点に相当する。図４の一対の出力端１５００は、陽極側の出力端１５１０と陰極側の出力端１５２０からなる。陽極側の出力端１５１０は、電源部１１００の陽極側に対応する。陰極側の出力端１５２０は、電源部１１００の陰極側に対応する。陽極側の出力端１５１０は、図１における半導体光源１８０のアノード側の端部に相当する。陰極側の出力端１５２０は、図１における半導体光源１８０のカソード側の端部に相当する。バイパス部１４００の第１端部１４４０は、陽極側の出力端１５１０に接続されている。バイパス部１４００の第２端部１４５０は、陰極側の出力端１５２０に接続されている。図４の制御部１６００は、第１スイッチング素子１２００および第２スイッチング素子１４１０を制御する。図４の半導体光源１９００は、図１における半導体光源１８０に相当する。半導体光源１９００は、図１の半導体光源素子１８１に相当する半導体光源素子を有し、半導体光源駆動装置１０００の一対の出力端１５００に接続されている。

図５は、本実施の形態に係る半導体光源駆動装置の模式図である。図５に示す半導体光源駆動装置２０００は、図４の半導体光源駆動装置１０００の構成要素に加え、さらに電流検出部１７００を備える。電流検出部１７００は、図１における電流検出抵抗２００および電流検出回路２１０に相当する。なお、電流検出部１７００は、図１の電流検出抵抗２００に相当し、電流検出回路２１０は制御部１６００の一部としてもよい。制御部１６００は、電流検出部１７００を流れる電流を検出し、電源部１１００の出力電圧を制御する。なお、電流検出部１７００の出力信号が電源部１１００を直接制御できるものである場合、制御部１６００は電流検出部１７００の出力と電源部１１００の制御端子とを接続する接続部を有してもよい。制御部１６００が接続部を有している構成が、図１の構成に相当する。

半導体光源駆動装置１０００および半導体光源駆動装置２０００においては、制御部１６００は、第１スイッチング素子１２００と第２スイッチング素子１４１０とをＰＷＭ信号に基づいて制御する。このとき、第２スイッチング素子１４１０がオフ、すなわち、半導体光源１９００に電流を流しているとき、第１スイッチング素子１２００がオンとなるように制御している。

［３．効果等］
本実施の形態における半導体光源駆動装置は、電力効率の高いスイッチング電源の出力を、ＦＥＴのスイッチングによりＰＷＭ変調する方式である。この方式では、各デバイスが仮に理想であれば電力損失を発生する要素が無い方式であり、現実のデバイスに損失が発生しても、その値は小さいため、高い電力効率を実現できる。

また、ＰＷＭ信号のオン期間が１００％、つまり、最も出力を大きくする状態では、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０は常にオンとなる。このとき、電源スイッチング用ＦＥＴ１２０はスイッチングしないため、スイッチング損失が零になり、オン抵抗による損失のみとなる。これにより、非常に高効率となる、つまり、最も効率が重視される、高出力の状態で、最も効率が高くなる優れた特徴を持っている。

本実施の形態における半導体光源駆動装置によると、コイルに流れる電流は急激に変化しないように逆起電力が発生する物理現象を用い、上記のジャンクション温度の低下に起因する電流波形の鈍りを防止できる。これにより、正確な矩形波の電流波形で半導体光源を駆動可能な半導体光源駆動装置を得る。

さらに、図４および図５を用いて、図１に示す半導体光源駆動装置の効果を説明する。

本実施の形態において、制御部１６００は、第１スイッチング素子１２００と第２スイッチング素子１４１０を、同一のＰＷＭ信号に基づいて制御している。これにより、第２スイッチング素子１４１０がオフのとき、第１スイッチング素子１２００はオンとなるように、第１スイッチング素子１２００と第２スイッチング素子１４１０とが同時に切り替わる。第２スイッチング素子１４１０がオフのとき、インダクタ１３１０から半導体光源１９００に電流が流れるため、消費電力が大きい。第２スイッチング素子１４１０がオンのとき、インダクタ１３１０からバイパス部１４００に電流が流れるが、バイパス部１４００の抵抗は小さいため、第１端部と第２端部の間にかかる電圧は小さい。すなわち、バイパス部１４００で消費される電力は小さい。このように、消費電力が多い期間には第１スイッチング素子１２００を経由して電源部１１００から電力が供給され、消費電力が少ない期間には電源部１１００からの電力の供給が遮断される。これによって、インダクタ１３１０を流れる電流を安定させることができる。

本実施の形態において、ＰＷＭ信号は、半導体光源１９００のオン時間の割合を決めるものである。本実施の形態における半導体光源駆動装置を用いた表示装置においては、例えば、ＰＷＭ信号の１周期が１画素に対応し、デューティ（オン時間の割合）がその画素の輝度に対応してもよい。このとき、画素ごとに輝度が異なることにより、ＰＷＭ信号のデューティが１周期ごとに変動しうる。本実施の形態の半導体光源駆動装置によれば、ＰＷＭ信号のデューティが変動したときの、インダクタ１３１０に流れる電流の変動を、簡単な構成により抑えられる。

本実施の形態において、電流検出部１７００は、電流検出部１７００に流れる電流の値と、インダクタ１３１０に流れる電流の値とが、ほぼ一致するように設けられている。図５の構成においては、第２スイッチング素子１４１０がオンであってもオフであっても、インダクタ１３１０に流れる電流は、すべて電流検出部１７００にも流れる。インダクタ１３１０に流れる電流値は安定しているため、電流検出部１７００が検出する電流の値が、ＰＷＭ信号のデューティなどの外乱により左右されることを抑制できる。これにより、電流検出部１７００は比較的簡単な構成でも良好な検出精度が得られる。

本実施の形態において、第１スイッチング素子１２００および第２スイッチング素子１４１０がＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴである場合について説明した。しかしながら、第１スイッチング素子１２００および第２スイッチング素子１４１０は、オンとオフを切り替えられればよく、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴに限られない。例えば、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴであってもよいし、複数の素子からなってもよい。なお、例えば、第１スイッチング素子１２００がＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴであり、第２スイッチング素子１４１０がＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴであるとき、制御部１６００は、図１のように反転した信号で第２スイッチング素子１４１０を駆動する必要はないことは言うまでもない。

本実施の形態において、サージ防止ダイオード１４２０は、バイパス部１４００の第１端部１４４０から陽極側の出力端１５１０へ電流が逆流することを防ぐ。これにより、第２スイッチング素子１４１０のスイッチングに伴う共振やチャージインジェクションによる影響が、半導体光源１９００に流れる電流に及ぶことを抑制できる。これにより、第２スイッチング素子１４１０にチャージインジェクションの生じやすいＭＯＳＦＥＴを用いても、その影響を抑制できる。

本実施の形態における半導体光源駆動装置は、半導体光源１９００を電流モードで駆動するものである。すなわち、一対の出力端１５００に出力される電圧波形ではなく、電流波形を所望の波形に近づけるものである。本実施の形態において、半導体光源１９００には、半導体光源素子のジャンクション温度の時間変化にかかわらず、矩形波に近い波形の電流を流すことができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態では、電流検出手段の一例として電流検出抵抗を用いる方法を説明した。電流検出手段は、電流を検出できればよい。したがって、電流検出手段は、電流検出抵抗を用いる方法に限定されない。ただし、電流検出手段として電流検出抵抗を用いる方法を用いれば、低価格で実現可能である。また、ホールセンサを電流検出手段として用いてもよい。電流検出手段としてホールセンサを用いれば、低消費電力となる。

実施の形態では、還流部１３００を構成するインダクタ１３１０の一例としてコイル１４０について説明したが、コイル１４０は、適切なインダクタンスを持つ素子であればよい。例えば、積層インダクタであってもよいし、半導体上に形成されたインダクタであってもよい。

実施の形態では、制御部１６００は、電流検出部１７００が検出した電流の値に基づき電源部１１００の出力電圧を制御するとしたが、他の制御方法でもよい。例えば、制御部１６００は、第１スイッチング素子１２００と第２スイッチング素子１４１０を個別に制御してもよい。より具体的には、制御部１６００は、電流検出部１７００が検出した電流の値に基づき、第１スイッチング素子１２００を制御してもよい。これにより、電流検出部１７００で検出された電流、すなわち、インダクタ１３１０に流れる電流を安定させることができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、半導体光源に電流を供給する半導体光源駆動装置に適用可能である。具体的には、ビデオプロジェクタ、テレビなどに、本開示は適用可能である。

１００，１０００，２０００ 半導体光源駆動装置
１１０ スイッチング電源
１２０ 電源スイッチング用ＦＥＴ
１３０ ＦＥＴドライバ
１４０ コイル
１５０ サージ防止ダイオード
１６０ スナバ抵抗
１７０ コンデンサ
１８０ 半導体光源
１９０ フリーホイルダイオード
２００ 電流検出抵抗
２１０ 電流検出回路
２２０ 反転ＦＥＴドライバ
２３０ バイパス用ＦＥＴ
１１００ 電源部
１２００ 第１スイッチング素子
１３００ 還流部
１３１０ インダクタ
１３２０ フリーホイルダイオード
１４００ バイパス部
１４１０ 第２スイッチング素子
１４２０ サージ防止ダイオード
１４３０ サージ抑制回路
１４３１ 抵抗
１４３２ コンデンサ
１４４０ 第１端部
１４５０ 第２端部
１５００ 一対の出力端
１５１０，１５２０ 出力端
１６００ 制御部
１７００ 電流検出部
１９００ 半導体光源

Claims (11)

1. 直流電圧を供給するスイッチング電源と、
   前記スイッチング電源の陽極側出力を、入力されたＰＷＭ信号に従ってスイッチングする第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子の出力側に一端が接続されたインダクタと、
   前記インダクタの他端と前記スイッチング電源の陰極側との間に接続され、前記ＰＷＭ信号を反転した信号に従ってスイッチングされる第２スイッチング素子と、
   前記インダクタの前記他端側と前記スイッチング電源の陰極側との間に接続された半導体光源素子と、
   前記インダクタの前記一端と前記スイッチング電源の陰極側とが接続されたフリーホイルダイオードと、を備えた半導体光源駆動装置。
2. 前記第１スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子は、電界効果型トランジスタからなる、請求項１に記載の半導体光源駆動装置。
3. 前記インダクタの前記他端と前記第２スイッチング素子との間にサージ防止ダイオードが接続されるとともに、前記第２スイッチング素子の両端間に抵抗とコンデンサの直列接続からなるスナバ回路が設けられた、請求項２に記載の半導体光源駆動装置。
4. 一対の出力端に接続された半導体光源素子を駆動する半導体光源駆動装置であって、
   前記半導体光源駆動装置は、直流電圧を出力する電源部と、前記電源部の出力側に接続された第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の出力側に接続された還流部と、前記還流部の出力側に接続されたバイパス部と、前記第１スイッチング素子および前記バイパス部を制御する制御部と、を備え、
   前記還流部は、前記電源部の一端と前記一対の出力端のうち対応する出力端とを結ぶ経路上に設けられたインダクタと、一端が前記インダクタの入力側の一端に接続されたフリーホイルダイオードと、を有し、
   前記バイパス部は、
   前記バイパス部の一端であり前記一対の出力端の陽極側に接続された第１端部と、前記バイパス部の他端であり前記一対の出力端の陰極側に接続された第２端部と、前記制御部に制御された第２スイッチング素子とを有し、
   前記第２スイッチング素子は、前記バイパス部において、前記第１端部と前記第２端部とを結ぶ経路上に設けられる、半導体光源駆動装置。
5. 前記バイパス部は、さらに、前記第１端部と前記第２端部との間に流れる電流を、前記第１端部から前記第２端部に流れる方向に整流するサージ防止ダイオードを有する、請求項４に記載の半導体光源駆動装置。
6. 前記バイパス部は、さらに、サージ抑制回路を有し、
   前記サージ抑制回路は、前記第２スイッチング素子と並列に設けられている、請求項４または５に記載の半導体光源駆動装置。
7. 前記サージ抑制回路は、直列に接続された抵抗とコンデンサとからなるスナバ回路である、請求項６に記載の半導体光源駆動装置。
8. 前記バイパス部は、さらに、サージ抑制回路を有し、
   前記サージ抑制回路は、前記第１端部と前記第２端部とを結ぶ経路において、前記第２スイッチング素子とは並列であり、かつ、前記サージ防止ダイオードとは直列となるように設けられる、請求項５に記載の半導体光源駆動装置。
9. 前記第２スイッチング素子は、電界効果型トランジスタである、請求項４または５に記載の半導体光源駆動装置。
10. 前記半導体光源駆動装置は、さらに、電流検出部を備え、
    前記電流検出部は、前記フリーホイルダイオードの一端と前記一対の出力端の一方との間に設けられ、前記電流検出部に流れる電流を測定し、
    前記制御部は、前記電流検出部で測定された電流の大きさに基づいて前記電源部を制御する、請求項４に記載の半導体光源駆動装置。
11. 前記制御部は、前記第２スイッチング素子がオフ状態となるように制御するとき、前記第１スイッチング素子がオン状態となるように制御する、請求項４に記載の半導体光源駆動装置。

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