JP5097628B2 - 半導体光源駆動装置および半導体光源駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイに好適な半導体光源駆動装置および半導体光源駆動方法に関する。

最近、ディスプレイのバックライトその他照明アプリケーション用に半導体光源が利用されている。半導体光源には、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light-Emitting Diode）などがある。半導体光源の発光輝度は、駆動電流の大きさに依存する。このため、半導体光源は、これを安定して点灯させるために、定電流で駆動するのが一般的である（定電流制御）。この定電流制御によって、制御中の各種変動（電源電圧の変動や負荷の変動など）に対して、半導体光源に流れる電流を一定に制御することができる。

図８は、半導体光源を定電流制御するために従来一般に使用されている半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図である。

図８に示す半導体光源駆動装置１０は、電流制御ループを用いた定電流駆動回路である。単体または直列に接続された複数の半導体光源１２の一端には、この半導体光源１２に流れる電流を検出する出力電流検出回路１４が設けられている。半導体光源１２に定電流を流すために、出力電流検出回路１４の出力は電流比較回路１６へ送られ、電流指令部１８からの電流指令値と比較される。出力電圧制御回路２０は、電流比較回路１６の比較結果に応じて、電圧源２６をパルス幅制御する。具体的には、電圧源２６は、バッテリなどの供給電源２８と、供給電源２８からの直流電力をＤＣ−ＤＣ変換するための降圧式または昇圧式のスイッチング方式などのＤＣ―ＤＣコンバータ３０と、ＬＣ（インダクタとキャパシタ）などの平滑回路３２とで構成されている。出力電圧制御回路２０は、電流比較回路１６の比較結果に応じて、ＤＣ―ＤＣコンバータ３０を制御する。ＤＣ―ＤＣコンバータ３０の出力電圧は、平滑回路３２で所望のＤＣ電圧値にされて半導体光源１２へ供給される。こうして負帰還の閉ループ電流制御ＣＬ１が行われる。なお、出力電圧制御回路２０は、比例ゲイン回路２２と補償回路２４とで構成されている。

このように構成された負帰還閉ループＣＬ１では、半導体光源１２に流れる電流値が所望の電流値よりも大きい場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０内のスイッチング素子のゲートにオン期間の幅の狭いパルス状の方形波電圧が供給されることで、半導体光源１２に供給される平滑化された電圧が低くなり、半導体光源１２の電流を小さくする方向へ働く。逆に、半導体光源１２に流れる電流値が所望の電流値よりも小さくなった場合は、スイッチング素子のゲートにオン期間の幅の広いパルス状の方形波電圧が供給されることで、半導体光源１２に供給される平滑化された電圧が高くなり、半導体光源１２の電流を大きくする方向へ働く。このような負帰還閉ループ電流制御により、出力電流検出回路１４の出力値が電流指令値と同じになるような所望の定電流が半導体光源１２に流れることで、安定状態が作られることになる。

しかしながら、図８に示す従来一般の半導体光源駆動装置１０では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０への供給電源２８の電圧変動や、外部からのノイズ、出力電流検出回路１４へ飛び込む外乱ノイズなどにより、制御ループＣＬ１内の変動が発生すると、定電流制御が不安定となる。そのため、制御ループＣＬ１の応答速度（周波数特性）およびゲインをあまり高くすることができないという技術的な限界がある。したがって、従来一般の半導体光源駆動装置１０は、携帯電話などのように常時決まった定電流を半導体光源１２に流すことで十分バックライトとしての目的を達成できる商品に採用するには最適であるものの、頻繁に所望の定電流値が変わるような商品、例えば、光源の輝度を変える調光機能が必要な分野の商品に採用するには不十分である。

そこで、特許文献１には、図９に示す半導体光源駆動装置４０が提案されている。この半導体光源駆動装置４０は、新たに制御ループＣＬ２を加えることにより、半導体光源１２を定電流で駆動するとともに、半導体光源１２に供給する電圧を最適化して半導体光源１２を含む回路素子群の発熱を低減し、調光時でもバックライトを安定して点灯させることができるようにしている。

具体的な構成として、この半導体光源駆動装置４０は、図９に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、出力駆動素子４２、電圧比較回路４４、および出力電圧制御回路２０により供給電圧制御用の第１の負帰還閉ループＣＬ１を形成し、また、出力駆動素子４２および定電流制御回路４６により定電流制御用の第２の負帰還閉ループＣＬ２を形成している。出力駆動素子４２は、トランジスタやＦＥＴなどである。そして、この構成では、半導体光源１２と直列に接続された抵抗器（Ｒ）４８の両端に発生する電圧を検出して負帰還閉ループＣＬ１、ＣＬ２の両方の制御ループに使用している。この電圧は半導体光源１２の駆動電流に比例する値となるため、負帰還閉ループＣＬ１、ＣＬ２は二重の電流制御ループになっている。通常は、フィードバックループが二重になると、ループ間の干渉を招き、ループの動作が不安定となる。そこで、この構成では、一方（閉ループＣＬ１）の周波数応答特性を他方（閉ループＣＬ２）の周波数応答特性の１／２０以下に設定することで、ループ間の干渉を防止するようにしている。
特開２００７−４２７５８号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術においては、安定動作の応答は遅い方の制御ループの応答に左右されるため、調光の応答は遅い方の制御ループの応答で決まってしまうことになる。

また、そもそも、図８に示す半導体光源駆動装置１０および図９に示す半導体光源駆動装置４０のいずれにおいても、半導体光源の電気的特性に起因して調光時の駆動安定化が困難であるという課題がある。

まず、半導体光源（ＬＤ、ＬＥＤ）の電気的特性について説明する。

半導体光源は、駆動側から見た電気的特性として、ダイオードの特性を持つ。ダイオードの電圧―電流特性の一例は、よく知られているように、図１０（Ａ）に示す通りである。すなわち、加えた電圧に対して、一般にしきい値と呼ばれる電圧まではほとんど電流が流れず、しきい値を超えると緩やかに電流が流れ始め、その後、電圧の増加に対する電流の増加の割合が増えていき、わずかの電圧変化で急激に電流が増加するようになる。これは、見方を変えると、図１０（Ｂ）に示すように、加えた電圧の増加につれてダイオードのインピーダンスが小さくなっていると考えることができる。また、ダイオードを、電圧を入力して電流を出力する機能素子と考えると、そのゲインは、図１０（Ｃ）に示すように、入力電圧に対して一定でなく、入力電圧が大きくなるにつれて大きくなる。半導体光源は本質的にこのような特性を持っている。

したがって、従来の制御ループによる定電流制御では、素子に加わる電圧値によって制御ループ一巡ゲイン（「制御ループゲイン」または単に「ループゲイン」とも呼ばれる）が変化することになるため、制御特性を一定にすることは困難である。すなわち、従来の定電流制御では、半導体光源を安定に調光することは困難である。

次に、半導体光源（ＬＤ、ＬＥＤ）の制御特性について説明する。

ここでは、図８に示す電流制御系をモデリングし、そのモデルを用いて従来の定電流制御における半導体光源の制御特性を説明する。

図１１は、図８に示す半導体光源駆動装置１０をモデリングして得られたブロック図である。

電圧源２６から半導体光源１２に電圧が供給されると、半導体光源１２の特性に応じた駆動電流が流れるため、この駆動電流を半導体光源１２からの出力とする。この駆動電流は、出力電流検出回路１４によって検出される。この検出結果は、電流比較回路１６へ送られ、ここで電流指令値から差し引かれて差分が求められる。出力電圧制御回路２０は、この差分に適当なゲインをかけて電圧源２６を制御する。このような制御ループにより、半導体光源１２の出力電流は、電流指令値と一致するように制御される。

この制御ループを一巡したゲインが、制御ループ一巡ゲイン（ここでは以下「制御ループゲイン」という）である。ここで、電圧源２６のゲインと出力電流検出回路１４のゲインはそれぞれ定数とする。出力電圧制御回路２０は比例制御を行うとすると、出力電圧制御回路２０のゲインも定数となる。半導体光源１２は、上記のように、図１０（Ｃ）に示すようなゲイン特性を持つ。したがって、制御ループゲインは、図１０（Ｃ）のゲイン特性に比例したものになり、半導体光源１２の駆動電流値によって制御ループゲインが変化することになる。

したがって、駆動電流値が小さいところで制御ループゲインを最適化すると、駆動電流値が大きいところでは半導体光源１２のゲインが大きくなるため、制御ループゲインが最適値よりも大きくなり、立ち上がり時のオーバシュート、リンギング（ringing）、発振などが発生することになる。逆に、駆動電流値が大きいところで制御ループゲインを最適化すると、駆動電流値が小さいところで半導体光源１２のゲインが小さくなるため、制御ループゲインが最適値よりも不足して応答が悪くなってしまう。

要するに、一般に、半導体光源は、駆動電流値に応じて電源側から見たときのインピーダンスが変化する。駆動電流値が小さいときは、駆動電流値の増加に応じて端子電圧も増加していくため、ほぼ一定のインピーダンスを持つが、駆動電流値がある程度大きくなると、駆動電流値が増加しても端子電圧の変化は小さくなっていくため、インピーダンスが小さくなっていく。したがって、駆動電流値がある程度大きい領域では、駆動電圧のわずかな変化で駆動電流値が大きく変化する。このような電気的特性を持つ半導体光源を、電流制御ループを持つ電流制御装置によって定電流制御しようとすると、駆動電流値の大小で制御ループゲインが変化してしまい、電流制御性能が変わってしまう。

このように、従来の半導体光源駆動装置では、半導体光源の電気的特性により、駆動電流値の大小で制御ループゲインが変化してしまい、電流制御性能が変わってしまうという問題がある。このため、半導体光源の輝度を変える調光時に駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができる、つまり、電流制御ループの特性を最適値に自動調整することができる半導体光源駆動装置が求められている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、調光時に駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができる半導体光源駆動装置および半導体光源駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体光源駆動装置は、電流駆動される半導体光源と、前記半導体光源を駆動する電圧源と、前記電圧源の出力電圧を制御することにより、前記半導体光源を駆動する駆動電流値を制御する出力電圧制御部と、前記半導体光源の出力電流を検出する出力電流検出部と、前記半導体光源に流す駆動電流の基準値を指令する電流指令部と、前記出力電流検出部によって検出された出力電流と前記電流指令部によって指令された基準値とを比較する電流比較部と、前記半導体光源のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、有し、前記出力電圧制御部は、前記電流比較部の出力と前記インピーダンス検出部の出力とに基づいて、前記電圧源の出力電圧を制御する、構成を採る。

本発明の半導体光源駆動方法は、電流駆動される半導体光源と、前記半導体光源を駆動する電圧源と、前記電圧源の出力電圧を制御することにより、前記半導体光源を駆動する駆動電流値を制御する出力電圧制御回路と、を有する半導体光源駆動装置における半導体光源駆動方法であって、前記半導体光源の出力電流を検出する工程と、検出した前記半導体光源の出力電流を、指令された基準値と比較する工程と、前記半導体光源のインピーダンスを検出する工程と、前記比較の結果と検出した前記半導体光源のインピーダンスとに基づいて、前記電圧源の出力電圧を制御する工程と、を有するようにした。

本発明によれば、調光時に駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す半導体光源駆動装置１００は、大別して、半導体光源１１０、出力電流検出回路１２０、電流指令部１３０、電流比較回路１４０、インピーダンス検出回路１５０、出力電圧制御回路１６０、および電圧源１７０を有する。インピーダンス検出回路１５０は、除算器１５２で構成されている。出力電圧制御回路１６０は、ゲイン回路１６２と補償回路１６４で構成され、さらにゲイン回路１６２は乗算器１６３で構成されている。電圧源１７０は、供給電源１７２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７４と、平滑回路１７６とで構成されている。図８に示す従来一般の半導体光源駆動装置１０との対比において、本実施の形態に係る半導体光源駆動装置１００の特徴的な構成要素は、インピーダンス検出回路１５０と、出力電圧制御回路１６０のゲイン回路１６２である。

半導体光源１１０は、単体または直列に接続された複数の半導体光源（ＬＤやＬＥＤなど）で構成されている。具体的には、例えば、半導体光源１１０は、単体のＬＤもしくはＬＥＤ、または、直列に接続された複数のＬＤもしくはＬＥＤで構成されている。半導体光源１１０は、電流駆動される。

半導体光源１１０に電圧源１７０から駆動電圧が供給されると、半導体光源１１０に適当な駆動電流が流れる。このときの駆動電圧に対する駆動電流の特性の一例は、例えば、上記の図１０（Ａ）に示す通りである。上記のように、半導体光源１１０は、一般にしきい値と呼ばれる電圧値以下ではほとんど電流が流れないが、電圧値がしきい値以上になると急激に電流値が大きくなる特性を持つ。この特性の見方を変えて、電圧値に対するインピーダンスの変化として表したのが、上記の図１０（Ｂ）である。図１０（Ｂ）に示すように、駆動電圧の増加につれてインピーダンスは急激に小さくなっている。また、駆動電圧（入力）に対する駆動電流（出力）の比をゲインとした場合、駆動電圧に対するゲインの変化を表したのが、上記の図１０（Ｃ）である。図１０（Ｃ）に示すように、駆動電圧の増加につれてゲインは急激に大きくなっている。

出力電流検出回路１２０は、半導体光源１１０に流れる駆動電流（出力電流）を検出する。出力電流検出回路は、例えば、抵抗器の両端に発生する電圧を検出する方法（図９参照）でもよいし、ホール素子などを用いた非接触方式でもよい。

電流指令部１３０は、半導体光源１１０に流す駆動電流の基準値（電流指令値）を設定（指令）する。電流指令値は、ユーザの操作によって設定され、または、コンピュータによって自動的に設定される。この電流指令値によって半導体光源１１０が調光される。電流制御ループは、出力電流検出回路１２０によって検出された出力電流値が、この電流指令値と一致するように動作する。

電流比較回路１４０は、出力電流検出回路１２０によって検出された出力電流値と電流指令部１３０によって設定された基準値（電流指令値）とを比較して差分を求める。この比較結果（差分）は、出力電圧制御回路１６０のゲイン回路１６２内の乗算器１６３へ出力される。電流制御ループは、この電流比較回路１４０の出力がゼロになるように動作する。

インピーダンス検出回路１５０は、本発明の特徴的な構成要素の一つであり、半導体光源１１０のインピーダンスを検出する。本実施の形態では、インピーダンス検出回路１５０は、除算器１５２で構成されている。除算器１５２は、半導体光源１１０に供給される電圧源１７０の出力電圧を、出力電流検出回路１２０によって検出された半導体光源１１０の出力電流で除算することにより、半導体光源１１０のインピーダンス（厳密には、半導体光源１１０のインピーダンスに相当する値、以下「インピーダンス相当値」という）を求める。これにより、半導体光源１１０のインピーダンス特性を示す図１０（Ｂ）の特性に相当する、実際の駆動状態でのインピーダンス相当値を求めることができる。

出力電圧制御回路１６０は、電圧源１７０の出力電圧を制御することにより、半導体光源１１０を駆動する駆動電流値を制御する。本実施の形態では、出力電圧制御回路１６０は、ゲイン回路１６２と補償回路１６４とで構成されている。さらに、ゲイン回路１６２は、乗算器１６３で構成されている。

ゲイン回路１６２は、乗算器１６３で、電流比較回路１４０の出力（電流指令値と半導体光源１１０の駆動電流検出値との差分）に、インピーダンス検出回路１５０によって検出された半導体光源１１０のインピーダンス相当値を乗算する。これにより、出力電圧制御回路１６０のゲイン回路１６２は、半導体光源１１０のインピーダンス特性に比例したゲイン特性を持つことになる。すなわち、ゲイン回路１６２は、電流比較回路１４０の出力とインピーダンス検出回路１５０によって検出された半導体光源１１０のインピーダンス相当値とを乗算して、半導体光源１１０のインピーダンスが変化しても制御ループのゲインが変化しないように動作する、つまり、検出されたインピーダンス相当値に応じて電流制御ループの特性を最適値に自動調整する。ゲイン回路１６２も、本発明の特徴的な構成要素の一つである。

なお、図８に示す従来技術との対比において、本実施の形態のゲイン回路１６２は、比例ゲイン回路２２に対応する。しかし、比例ゲイン回路２２では、固定のゲインが乗算され、出力電圧制御回路２０は、半導体光源１２のインピーダンスの変化にかかわらず、一定のゲイン特性を持っている。

補償回路１６４は、制御特性を補償する回路であり、具体的には、ゲイン回路１６２の出力に位相補償を行う回路である。位相補償は、波形の位相を安定させる、つまり、位相のずれを一定限度内に抑える処理である。この位相補償は、フィードバック制御の安定化のために一般的に行われている処理である。この補償回路１６４の出力が出力電圧制御回路１６０の出力として電圧源１７０に加えられ、これによって電圧源１７０の出力電圧が制御される。

電圧源１７０は、半導体光源１１０を駆動する。電圧源１７０は、バッテリなどの供給電源１７２と、供給電源１７２からの直流電力をＤＣ−ＤＣ変換するための降圧式または昇圧式のスイッチング方式などのＤＣ−ＤＣコンバータ１７４と、ＬＣ（インダクタとキャパシタ）などの平滑回路１７６とで構成されている。

具体的には、電圧源１７０は、出力電圧制御回路１６０からの出力を受けて、その出力に応じた電圧を半導体光源１１０に出力する。電圧源１７０は、電圧降下をジュール熱として放出するシリーズレギュレータ方式でも、スイッチング素子を用いたＤＣ−ＤＣコンバータ方式でもよい。シリーズレギュレータ方式の場合は、電圧制御素子により出力電圧を制御して出力電圧制御回路１６０からの出力に比例した出力電圧を発生する。ＤＣ−ＤＣコンバータ方式の場合は、出力電圧制御回路１６０からの出力に比例したデューティ比のパルスを発生し、このパルスを平滑回路１７６を通して平滑することによって、シリーズレギュレータ方式と同じような、出力電圧制御回路１６０からの出力に比例した出力電圧を発生する。両方式のうち、ＤＣ−ＤＣコンバータ方式のほうが、電力の損失を少なくすることができるため、高効率を得ることができる。したがって、本実施の形態では、電圧源１７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ方式で構成している。

なお、本実施の形態では、制御ループは、半導体光源１１０、出力電流検出回路１２０、電流比較回路１４０、出力電圧制御回路１６０、および電圧源１７０によって構成されている。

次いで、上記構成を有する半導体光源駆動装置１００の動作原理について説明する。

図２は、図１の半導体光源駆動装置１００の制御系の構成を示すブロック線図である。図２の構成要素である、半導体光源１１０、出力電流検出回路１２０、電流比較回路１４０、出力電圧制御回路１６０、および電圧源１７０は、上記のように、制御ループを構成している。

半導体光源１１０のゲイン特性は、上記のように、図１０（Ｃ）に示す特性を持つ。また、図１のインピーダンス検出回路１５０によって検出された半導体光源１１０のインピーダンス相当値を、電流比較回路１４０の出力に乗算する、出力電圧制御回路１６０のゲイン回路１６２の特性は、上記のように、図１０（Ｂ）に示す半導体光源１１０のインピーダンス特性に比例したゲイン特性を持つ。したがって、図２のブロック線図で見ると、出力電圧制御回路１６０は、半導体光源１１０のインピーダンス特性（図１０（Ｂ））を持ち、出力電圧制御回路１６０では、このインピーダンス特性と、半導体光源１１０が持つゲイン特性（図１０（Ｃ））とが乗算されることになる。半導体光源１１０のゲイン特性とインピーダンス特性は、互いに逆数の関係にあるため、両者を乗算すると一定値となる。すなわち、半導体光源１１０の非線形なゲイン特性は、出力電圧制御回路１６０の特性によって相殺されることになる。この結果、この制御ループは、半導体光源１１０を流れる駆動電流値によって特性が変化することのない普通の線形な制御ループとなるため、駆動電流値にかかわらず一定の制御特性を持たせることができる。すなわち、図２の制御系の制御ループ一巡ゲインは、半導体光源１１０の駆動電流によらず一定になる。そして、制御ループ一巡ゲインを一定にすることができれば、駆動電流値によらず安定調光が可能になる。

これをより詳細に説明すると、次の通りである。

図３は、図１の半導体光源駆動装置１００の一部の構成を書き直したブロック図である。ここでは、図１の半導体光源駆動装置１００の各構成要素（ただし、インピーダンス検出回路１５０を除く）を、図面上、フィードバック制御系のブロック線図の描き方に従って、左から右へ信号が流れるように配置している。

図３において、出力電圧制御回路１６０ａは、例えば、比例ゲイン回路１６２ａと補償回路１６４ａによって、一般的な比例ゲインの乗算と積分補償からなる比例積分（ＰＩ）制御を行うものとする。このとき、比例ゲインをＫ_ｐ、積分補償の積分時定数をＴ_ｉで表す。また、電圧源１７０ａは、ここではＤＣ−ＤＣコンバータ１７４を用いているが、電圧を指令してその電圧を出力すると考えて、簡単に一次遅れで近似することとする。このとき、指令電圧に対する出力電圧について、一次遅れのゲインをＫ_ｖとし、時定数をＴ_ｖで表す。また、出力電流検出回路１２０ａは、電圧源１７０ａの応答に対して十分に高速であると考え、簡単化のため、周波数特性を持たないこととして、ゲインをＫ_ｓとする。また、半導体光源１１０ａは、電圧を与えて電流を出力する要素として表されるため、電圧から電流に至るゲインをｇｍとし、ここでも簡単化のため周波数特性は持たないこととする。

図４は、これらの記号を用いて図３の制御系の構成を書き直したブロック線図である。図４において、「ｓ」は、ラプラス演算子である。

ここで、図４のブロック線図を用いて、この制御系における電流指令値から出力電流までの伝達関数Ｇ（ｓ）を求めると、次の（式１）で与えられる。

そして、この（式１）を整理すると、次の（式２）が得られる。

また、半導体光源１１０ａに供給される駆動電圧をＶ_Ｆ、半導体光源１１０ａに流れる駆動電流をＩ_Ｆとすると、駆動電圧Ｖ_Ｆを変数としたときの駆動電流Ｉ_Ｆの近似式は、図５（Ａ）で与えられる。ここで、Ａは固定定数、Ｂは温度に関する係数、Ｉ_Ｓは逆方向飽和電流である。

図５（Ａ）に示す半導体光源１１０ａの近似式をグラフ化して３点のゲインｇｍを計算した一例を、図５（Ｂ）に示す。ここでは、Ｉ_Ｓ＝１０［μＡ］、Ａ＝２.７２、Ｂ＝１５.２３［１／Ｖ］とした。また、ゲインｇｍは、駆動電圧Ｖ_Ｆと駆動電流Ｉ_Ｆから、ｇｍ＝Ｉ_Ｆ／Ｖ_Ｆで与えられる。

図５（Ｂ）に示すように、３点のゲインｇｍは、
（Ｖ_Ｆ、Ｉ_Ｆ）＝（０.５５Ｖ、０.０５Ａ）のとき、ｇｍ＝０.０９１Ａ／Ｖ
（Ｖ_Ｆ、Ｉ_Ｆ）＝（０.６５Ｖ、０.２０Ａ）のとき、ｇｍ＝０.３０８Ａ／Ｖ
（Ｖ_Ｆ、Ｉ_Ｆ）＝（０.７０Ｖ、０.４３Ａ）のとき、ｇｍ＝０.６１４Ａ／Ｖ
となる。これにより、駆動電圧Ｖ_Ｆ（駆動電流Ｉ_Ｆ）によってゲインｇｍの値が変化することがわかる。

また、（式２）の伝達関数Ｇ（ｓ）のｓをｊωと書き替えると、次の（式３）の周波数伝達関数Ｇ（ｊω）が得られる。

図６は、図５（Ｂ）に示す３つのゲインｇｍについて、（式３）の周波数伝達関数Ｇ（ｊω）から、周波数特性を計算した結果を示す図である。ここでは、簡単化のため、Ｋ_ｖ＝１、Ｔ_ｖ＝１［ｍｓ］、Ｔ_ｉ＝０.５［ｍｓ］、Ｋ_ｐ＝１としている。図６を見ると、ゲインｇｍによってカットオフ周波数近辺の周波数特性が変化していることがわかる。ここでは、ゲインｇｍが一番小さい０.０９１のときに周波数特性は安定良好であるとすると、ゲインｇｍが大きくなるにつれてカットオフ周波数でのゲインが大きくなっている。これにより、例えば、電流指令値が方形波パルスの場合、立ち上がり／立ち下がりでオーバシュート／アンダシュート、およびリンギングが発生して不安定領域に移行していることがわかる。

そこで、本実施の形態に係る半導体光源駆動装置１００では、上記のように、半導体光源１１０の駆動電圧と駆動電流を検出してインピーダンスを求め、この値を比例ゲインに乗算するという構成を採っている。

図７は、図１の半導体光源駆動装置１００の制御系の構成を示すブロック線図であって、図４に対応している。ただし、図７の構成は、図４の構成と、比例ゲイン（比例ゲイン回路１６２ａ）と積分補償（補償回路１６４ａ）との間にＺ_ｍ＝１／ｇｍという要素を挿入した点で相違する。すなわち、図７の構成では、図１のインピーダンス検出回路１５０の出力をゲイン回路１６２ｂにフィードバックしている。

このように、図７と図４との違いは、比例ゲインと積分補償との間にＺ_ｍ＝１／ｇｍという要素を入れたことである。ｇｍは半導体光源１１０ａのコンダクタンスになっているため、１／ｇｍは半導体光源１１０ａのインピーダンスになる。半導体光源１１０ａの駆動電圧と駆動電流を検出してインピーダンスを求め、この値を比例ゲインに乗算するという構成をモデル化すると、このように図７のＺ_ｍの挿入ということで表される。

図７のブロック線図を用いて、この制御系における電流指令値から出力電流までの伝達関数Ｇ（ｓ）を求めると、次の（式４）で与えられる。

このとき、Ｚ_ｍ＝１／ｇｍであるため、Ｚ_ｍ・ｇｍ＝１となる。したがって、Ｚ_ｍ・ｇｍ＝１を用いてこの（式４）を整理すると、（式４）は次の（式５）のように表すことができる。

したがって、この（式５）から明らかなように、（式５）はｇｍには無関係になっているため、伝達関数Ｇ（ｓ）の特性を、半導体光源１１０ａの駆動電圧と駆動電流に依存せずに一定にすることができる。

このように、本実施の形態によれば、インピーダンス検出回路１５０を設けて、半導体光源１１０のインピーダンスが変化しても制御ループのゲインが変化しないように、インピーダンス検出回路１５０の出力をゲイン回路１６２にフィードバックするため、制御ループ一巡ゲインを駆動電流値の大小にかかわらず一定にすることができる、つまり、電流制御ループの特性を最適値に自動調整することができる。したがって、半導体光源の電気的特性に起因する、調光時の駆動安定化の課題を解決することができ、調光時に駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができる。すなわち、半導体光源を電流駆動する装置において、半導体光源の輝度を変える調光を行うために駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができ、安定な調光動作を行うことが可能になる。

本発明に係る半導体光源駆動装置および半導体光源駆動方法は、調光時にも安定に駆動することができるため、調光時に駆動電流値を加減したときに、駆動電流値の大小にかかわらず一定の制御性能を得ることができる半導体光源駆動装置および半導体光源駆動方法として有用である。

本発明の一実施の形態に係る半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図 図１の半導体光源駆動装置の制御系の構成を示すブロック線図 図１の半導体光源駆動装置の一部の構成を書き直したブロック図 図３の制御系の構成を書き直したブロック線図 （Ａ）は、図４の半導体光源の近似式を示す図、（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す半導体光源の近似式をグラフ化して図４の半導体光源の近似特性の一例を示す図 図５（Ｂ）に示す３つのゲインｇｍについて周波数伝達関数から周波数特性を計算した結果を示す図 図１の半導体光源駆動装置の制御系の構成を示すブロック線図 従来の半導体光源駆動装置の構成の一例を示すブロック図 従来の半導体光源駆動装置の構成の他の例を示すブロック図 （Ａ）は、半導体光源の電圧電流特性の一例を示す図、（Ｂ）は、半導体光源のインピーダンス特性の一例を示す図、（Ｃ）は、半導体光源のゲイン特性の一例を示す図 図８の半導体光源駆動装置をモデリングして得られたブロック図

符号の説明

１００ 半導体光源駆動装置
１１０、１１０ａ 半導体光源
１２０、１２０ａ 出力電流検出回路
１３０ 電流指令部
１４０ 電流比較回路
１５０ インピーダンス検出回路
１５２ 除算器
１６０、１６０ａ 出力電圧制御回路
１６２、１６２ｂ ゲイン回路
１６２ａ 比例ゲイン回路
１６３ 乗算器
１６４、１６４ａ 補償回路
１７０、１７０ａ 電圧源
１７２ 供給電源
１７４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１７６ 平滑回路

Claims (5)

1. 電流駆動される半導体光源と、
   前記半導体光源を駆動する電圧源と、
   前記電圧源の出力電圧を制御することにより、前記半導体光源を駆動する駆動電流値を制御する出力電圧制御部と、
   前記半導体光源の出力電流を検出する出力電流検出部と、
   前記半導体光源に流す駆動電流の基準値を指令する電流指令部と、
   前記出力電流検出部によって検出された出力電流と前記電流指令部によって指令された基準値とを比較する電流比較部と、
   前記半導体光源のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、有し、
   前記出力電圧制御部は、
   前記電流比較部の出力と前記インピーダンス検出部の出力とに基づいて、前記電圧源の出力電圧を制御する、
   半導体光源駆動装置。
2. 前記インピーダンス検出部は、
   前記電圧源の出力電圧を前記出力電流検出部によって検出された出力電流で除算する除算器を含み、
   前記除算器の出力から、前記半導体光源のインピーダンスに相当する値を取得する、
   請求項１記載の半導体光源駆動装置。
3. 前記出力電圧制御部は、
   ゲインを設定するゲイン回路を含み、
   前記ゲイン回路は、
   前記インピーダンス検出部によって検出された前記半導体光源のインピーダンスと前記電流比較部の出力とを乗算して、前記半導体光源のインピーダンスが変化しても制御ループのゲインが変化しないように動作する、
   請求項１記載の半導体光源駆動装置。
4. 前記出力電圧制御部は、
   前記インピーダンス検出部によって検出された前記半導体光源のインピーダンスと前記電流比較部の出力とを乗算する乗算器と、
   前記乗算器の出力に対して、制御特性を補償するための所定の処理を行う補償器と、
   を有する請求項１記載の半導体光源駆動装置。
5. 電流駆動される半導体光源と、前記半導体光源を駆動する電圧源と、前記電圧源の出力電圧を制御することにより、前記半導体光源を駆動する駆動電流値を制御する出力電圧制御回路と、を有する半導体光源駆動装置における半導体光源駆動方法であって、
   前記半導体光源の出力電流を検出する工程と、
   検出した前記半導体光源の出力電流を、指令された基準値と比較する工程と、
   前記半導体光源のインピーダンスを検出する工程と、
   前記比較の結果と検出した前記半導体光源のインピーダンスとに基づいて、前記電圧源の出力電圧を制御する工程と、
   を有する半導体光源駆動方法。
   

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