JP5224044B2 - ペルチェ駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェ駆動回路に係り、特にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式のペルチェ駆動回路に関する。

高速通信が可能な光通信システムにおいては、例えばレーザーダイオードなどの光デバイスを一定温度で動作させるために温度調整素子が使用されている。この温度調整素子としては、小型で、電流を流す方向により加熱、吸熱動作可能なペルチェ素子が利用されている。これらのペルチェ素子を駆動制御する方法としては、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）を使ったＰＷＭ制御方式がある。

図３には、非特許文献１（TEXAS INSTRUMENTS社DRV591（商品名）データシート、P.11 図17）に開示されたＰＷＭ制御方式のペルチェ駆動回路２０を示す。ペルチェ駆動回路２０は、ＰＷＭコントローラ２１、ドライブ回路２２、フィルタ回路２３、およびペルチェ素子２４から構成されている。ＰＷＭコントローラ２１に入力された入力信号２６に応じて、ドライブ回路２２からＰＷＭ＋信号２７とＰＷＭ―信号２８とが出力される。２つのＰＷＭ信号は、フィルタ回路２３のそれぞれの回路によりＤＣ成分が取り出され、ペルチェ素子２４の両端子に供給される。図３では、ペルチェ素子２４の両端子ともＰＷＭ制御されており、それぞれの端子に対しインダクタとコンデンサからなるフィルタが設けられている。同様の両極ＰＷＭ制御方式の回路として、特開２００４−２４７６９４の図３などがあげられる。

さらに図３の改良方式として、図４のようにインダクタとコンデンサをそれぞれ１つしか使用しない回路方式も考案されている(非特許文献２：TEXAS INSTRUMENTS社DRV593/DRV594（商品名）データシート、P.14 図22)。図４に示すペルチェ駆動回路３０は片極ＰＷＭ制御方式であり、ＰＷＭコントローラ３１、ドライブ回路３２、フィルタ回路３３、およびペルチェ素子３４から構成されている。ＰＷＭコントローラ３１に入力された入力信号３６に応じて、ドライブ回路３２からＰＷＭ信号３７とヒート・クール信号３８（Heat and Cool signal：以下、Ｈ／Ｃ信号と略記する）とが出力される。ＰＷＭ信号３７とＨ／Ｃ信号３８はペルチェ素子２４の両端子に供給される。

図３のペルチェ駆動回路２０では、２個のインダクタと２個のコンデンサからなるフィルタが必要であった。しかし、図４のペルチェ駆動回路３０は、１個のインダクタと１個のコンデンサを用いてフィルタを構成することができる。このように、図４の改良方式を用いれば、部品数が少なくなり、部品の実装面積を減らすことが可能なペルチェ駆動回路が得られる。

TEXAS INSTRUMENTS社DRV591（商品名）データシート、P.11 図17 TEXAS INSTRUMENTS社DRV593/DRV594（商品名）データシート、P.14 図22 特開２００４−２４７６９４号公報

上記したように図４の改良方式における片極ＰＷＭ制御のペルチェ駆動回路を用いた場合、インダクタとコンデンサの使用個数が少なく、部品実装面積で有利である。しかしながら、ペルチェ電圧の極性が切り替わる点において、ＰＷＭ信号３７とヒート・クール信号３８が同時に変化する。このように、ペルチェ素子３４の両端子が同時に同量変化することで、コモンモードノイズが発生するという新たな問題がおきる。しかも、図４の改良方式でのインダクタ、コンデンサでは、フィルタ通過後にもコモンモードの電圧変動が生じるためコモンモードのノイズを減少させることは困難である。そのため、周辺回路にはノイズの影響を低減させる回路を設けなければならず、部品実装面積が大きくなるという新たな問題が発生する。

本発明の目的は、上述したコモンモードノイズを低減するためになされたものであり、回路素子数が少なく、部品実装面積が小さなペルチェ駆動回路を提供することにある。

本発明のペルチェ駆動回路は、ＰＷＭ信号平滑用フィルタとペルチェ素子との間にコモンモードフィルタを挿入したことを特徴とする。

このペルチェ駆動回路の制御方法は、ＰＷＭコントローラが入力された入力信号に従って制御信号を出力し、ドライブ回路が前記ＰＷＭコントローラからの制御信号に従って異なるパルス幅を有するＰＷＭ信号、及びヒート・クール信号を出力し、直列接続された平滑用フィルタとコモンモードフィルタが前記ドライブ回路からのＰＷＭ信号及びヒート・クール信号の交流成分とコモンモードノイズを除去し、前記ＰＷＭ信号と前記ヒート・クール信号との差電圧をペルチェ素子の駆動電圧として供給することを特徴とする。

本発明のノイズフィルタ回路は、ＰＷＭ信号平滑用フィルタとコモンモードフィルタとを直列接続したことを特徴とする。

本発明によれば、ＰＷＭ信号平滑用フィルタとペルチェ素子との間にコモンモードフィルタを挿入することでコモンモードノイズを低減可能なペルチェ駆動回路が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について、詳細に説明する。図１には、本発明のペルチェ駆動回路のブロック図を示す。図２には、本発明のペルチェ駆動回路の動作を説明するための波形図を示す。

図１に示すペルチェ駆動回路１０は、入力する信号１６に応じてＰＷＭ信号の発生を制御するＰＷＭコントローラ１１、ＰＷＭコントローラの出力信号に応じて負荷（ペルチェ素子１４）をドライブするドライブ回路１２、ＰＷＭ波形からＤＣ信号を生成するＰＷＭ信号平滑用フィルタ回路（以下、フィルタ回路と略記する）１３、ペルチェ素子１４、およびコモンモードフィルタ１５から成る。フィルタ回路１３とコモンモードフィルタ回路１５とを総称してノイズフィルタ回路１９と呼称する。

ＰＷＭコントローラ１１は入力された入力信号１６に応じて制御信号を出力し、ドライブ回路１２のトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の動作を制御する。ドライブ回路１２はＰＷＭコントローラ１１からの制御信号により、負荷（ペルチェ素子１４）をドライブするためのＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８とを出力する。ドライブ回路１２から出力されたＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８とは、フィルタ回路１３とコモンモードフィルタ回路１５とを経由してペルチェ素子１４の２つの電極に接続される。ペルチェ素子１４は、２つの電極に入力されたＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８との差電圧により制御され、加熱又は冷却動作する。

ここでフィルタ回路１３とコモンモードフィルタ回路１５は、それぞれ２つの入出力端子を有している。フィルタ回路１３はインダクタンスＬ１、コンデンサＣ１を備え、インダクタンスＬ１の１端子にＰＷＭ信号１７が入力される。そのＰＷＭ信号１８は交流成分がカットされ直流信号となり、インダクタンスＬ１の他端子とコンデンサＣ１の１端子との節点からコモンモードフィルタ回路１５に出力される。フィルタ回路１３の一方の入出力端子は、コンデンサＣ１の他の端子に接続され、Ｈ／Ｃ信号１８を入出力する。コモンモードフィルタ回路１５は、例えばチョークコイルであり、それぞれの端子にＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８が入力され、コモンモードノイズを除去し、ペルチェ素子１４へ出力する。図１に示すようにノイズフィルタ回路１９を構成するフィルタ回路１３とコモンモードフィルタ回路１８は、梯子形に直列接続されている。

ドライブ回路１２から出力されたＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８とは、直列接続されたフィルタ回路１３とコモンモードフィルタ回路１５を経由して、ペルチェ素子１４の両端子に供給される。ペルチェ素子１４は、両端子に供給されたＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８の差電圧を駆動電圧として動作する。このペルチェ素子１４は、例えばレーザーダイオード等のデバイスに密着するように設けられ、駆動電圧の極性によりデバイスを加熱又は冷却することで、そのデバイスの温度を一定に調整する。

図２を用いてペルチェ駆動回路１０の動作を説明する。図２には、（ａ）入力信号電圧対ペルチェ電流、（ｂ）入力信号電圧対ＰＷＭ信号、（ｃ）入力信号電圧対Ｈ／Ｃ信号、（ｄ）入力信号電圧対ＰＷＭ信号とＨ／Ｃ信号の差電圧、（ｅ）入力信号電圧（１）〜（８）に対応する、ＰＷＭ信号波形と時間との関係をそれぞれ示す。

図２（ａ）に示すペルチェ電流は、入力信号１６の電圧が大きくなるにつれ小さくなり、入力信号１６の電圧がセンター値においてペルチェ電流は反転し、逆方向のペルチェ電流が大きくなっている。入力信号１６の電圧がセンター値においては、ペルチェ素子への電圧及び電流の極性が切り替わり、ペルチェ電流が零となる。入力信号１６の電圧は、例えばデバイスの温度に対応して変化するものである。本発明の説明においては、入力信号１６の電圧が小さい場合をデバイスが高温で、ペルチェ素子が冷却動作、入力信号電圧が大きい場合をデバイスが低温で、ペルチェ素子が加熱動作するものとして説明する。しかし、ペルチェ素子は、供給される駆動電圧の極性により冷却及び加熱動作が可能であり、これらは特に限定されるものではない。

図２（ｂ）に示すＰＷＭ信号１７は、入力信号１６の電圧に応じて、その電圧値は一定であり、そのパルス幅が変化している。入力信号１６の電圧が小さい場合には、ＰＷＭ信号１７のパルス幅は広く（図２（ｂ）の（１））、入力信号１６の電圧が大きくなるにつれ、ＰＷＭ信号１７のパルス幅は狭くなる（図２（ｂ）の（２）、（３））。入力信号１６の電圧がセンター値付近でＰＷＭ信号１７のパルス幅は最小になり（図２（ｂ）の（４））、センター値を越えると逆にパルス幅は最大になる（図２（ｂ）の（５））。更に入力信号１６の電圧が大きくなるとパルス幅は徐々に狭くなっていく（図２（ｂ）の（６）、（７）、（８））。これらの入力信号の電圧に対するＰＷＭ信号のパルス波形をまとめて図２（ｅ）に示す。このように入力信号の電圧に対応して、パルス波形のＰＷＭ信号（１）〜（８）をそれぞれ繰り返し発生する。

図２（ｃ）に示すＨ／Ｃ信号１８は、入力信号１６のセンター値で切り替わり、入力信号１６の電圧がセンター値より小さい場合には最小電圧に、センター値より大きい場合には最大電圧となる。ペルチェ素子１４の両端子にはそれぞれＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８が供給され、ＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８の差電圧がペルチェ素子１４に印加されることになる。図２（ｄ）に示すＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８の差電圧の平均は入力信号１６のセンター値からの差に比例して大きくなる。ペルチェ素子１４に供給される差電圧は、入力信号１６がセンター値より小さい場合は正の電圧になり、逆に入力信号１６がセンター値より大きい場合負の電圧になる。ペルチェ素子１４に供給される差電圧のパルス幅は入力信号１６のセンター値から外れる程広くなり、ペルチェ素子１４の冷却又は加熱能力が大きくなることを示している。

ＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８はフィルタ回路１３、コモンモードフィルタ１５を通って交流成分、コモンモードノイズがカットされ直流信号としてペルチェ素子１４に加えられる。入力信号１６がセンター値より小さい場合は正の電流が、逆にセンター値より小さい場合は逆方向の電流が流れる。入力信号１６のセンター値の前後でペルチェ電流の極性が切り替わる。このため、ペルチェ素子は入力信号１６に応じて冷却動作、又は加熱動作を行い、デバイスの温度を一定に調整することが可能となる。

入力信号１６の電圧がセンター値付近でペルチェ電流の極性切り替えが起こると、ペルチェ電流は殆ど流れないがＰＷＭ信号１７とＨ／Ｃ信号１８の電圧とが大きく変動することになる。つまり、コモンモードで変動し、コモンモードノイズが発生する。このとき、フィルタ回路１３とペルチェ素子１４間は＋電源およびグランドと回路図上はつながっていないため、グランドからはほぼ無負荷終端の伝送線とみなすことができ、変動が放射される可能性がある。そこでコモンモードフィルタ１５を用いることで同相成分を除去し、放射雑音発生を抑えることが可能となる。コモンモードフィルタ１５の例としては、コモンモードチョークがある。

図１に示すペルチェ駆動回路においては、ドライブ回路１２とペルチェ素子１４の間にフィルタ回路１３とともに、さらにコモンモードフィルタ１５が挿入される。コモンモードフィルタ１５は平衡性が良く、非特許文献１に示された図３のインダクタＬ２、コンデンサＣ２に比較して、ペルチェ素子１４に大きな過度電流を流すことなくコモンモードのノイズ低減を図ることができる。コモンモードフィルタ１５は、コモンモードの電圧変動に対してのみフィルタとして動作するのでコモンモードフィルタ１５の有無による通常の動作への影響はない。また、ＰＷＭ平滑後の使用条件でのディレーティングで部品を考慮すればよく、かつ、コンデンサＣ２が不要となるため図３の構成と比較して実装面積は小さくなる利点が得られる。

本発明においては、ＰＷＭ信号平滑用フィルタとペルチェ素子との間にコモンモードフィルタが挿入されたペルチェ駆動回路が得られる。このペルチェ駆動回路は、入力信号に従って制御信号を発生するＰＷＭコントローラと、ＰＷＭコントローラからの制御信号によりＰＷＭ信号とヒート・クール信号をＰＷＭ信号平滑用フィルタに出力するドライブ回路とをさらに備えることができる。ＰＷＭ信号平滑用フィルタとコモンモードフィルタとは入力されたＰＷＭ信号とヒート・クール信号の交流成分やノイズを除去した直流信号を、ペルチェ素子の駆動電圧として供給することができる。

さらにペルチェ駆動回路においては、ＰＷＭ信号は入力信号に応じたパルス幅を有し、ヒート・クール信号は入力信号のセンター値との大小に応じて、ハイレベル又はローレベルを出力する。このＰＷＭ信号とヒート・クール信号の差電圧をペルチェ素子の駆動電圧として供給する。また、コモンモードフィルタをコモンモードチョークにより構成することができる。

本発明においては、ＰＷＭコントローラが入力された入力信号に従って制御信号を出力し、ドライブ回路がＰＷＭコントローラからの制御信号に従って異なるパルス幅を有するＰＷＭ信号、及びヒート・クール信号を出力し、直列接続されたＰＷＭ信号平滑用フィルタとコモンモードフィルタがドライブ回路からのＰＷＭ信号及びヒート・クール信号の交流成分とコモンモードノイズを除去し、ＰＷＭ信号とヒート・クール信号との差電圧をペルチェ素子の駆動電圧として供給するペルチェ駆動回路の制御方法が得られる。

また本発明においては、ＰＷＭ信号平滑用フィルタとコモンモードフィルタとを直列接続したノイズフィルタ回路が得られ、そのコモンモードフィルタをコモンモードチョークにより構成することができる。

以上、実施形態例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

本発明におけるペルチェ駆動回路のブロック図である。 本発明におけるペルチェ駆動回路の動作を説明するための波形図である。 非特許文献１におけるペルチェ駆動回路のブロック図である。 非特許文献２におけるペルチェ駆動回路のブロック図である。

符号の説明

１０、２０、３０ ペルチェ駆動回路
１１、２１、３１ ＰＷＭコントローラ
１２、２２、３２ ドライブ回路
１３、２３、３３ フィルタ回路
１４、２４、３４ ペルチェ素子
１５ コモンモードフィルタ
１６、２６、３６ 入力信号
１７、３７ ＰＷＭ信号
１８、３８ Ｈ／Ｃ信号
２７ ＰＷＭ＋信号
２８ ＰＷＭ―信号

Claims (5)

1. ＰＷＭ信号を受けるとともに、ヒート・クール信号を受けて動作するＰＷＭ信号平滑用フィルタと、
   前記ＰＷＭ信号平滑用フィルタの両端出力に接続されたコモンモードフィルタと、
   前記コモンモードフィルタの二つの出力端に接続されたペルチェ素子と、を有することを特徴とするペルチェ駆動回路。
2. 入力信号に従って制御信号を発生するＰＷＭコントローラと、前記ＰＷＭコントローラからの制御信号によりＰＷＭ信号とヒート・クール信号を前記ＰＷＭ信号平滑用フィルタに出力するドライブ回路とをさらに備え、前記ＰＷＭ信号平滑用フィルタと前記コモンモードフィルタとは入力された前記ＰＷＭ信号と前記ヒート・クール信号の交流成分やノイズを除去した直流信号を、前記ペルチェ素子の駆動電圧として供給することを特徴とする請求項１に記載のペルチェ駆動回路。
3. 前記ＰＷＭ信号は前記入力信号に応じたパルス幅を有し、前記ヒート・クール信号は前記入力信号のセンター値との大小に応じて、ハイレベル又はローレベルとして出力され、前記ＰＷＭ信号と前記ヒート・クール信号の差電圧を前記ペルチェ素子の駆動電圧として供給することを特徴とする請求項２に記載のペルチェ駆動回路。
4. 前記コモンモードフィルタがコモンモードチョークであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のペルチェ駆動回路。
5. ＰＷＭコントローラが入力された入力信号に従って制御信号を出力し、ドライブ回路が前記ＰＷＭコントローラからの制御信号に従って異なるパルス幅を有するＰＷＭ信号、及びヒート・クール信号を出力し、直列接続された平滑用フィルタとコモンモードフィルタが前記ドライブ回路からのＰＷＭ信号及びヒート・クール信号の交流成分とが同量変化することにより生じるコモンモードノイズを除去し、前記ＰＷＭ信号と前記ヒート・クール信号との差電圧をペルチェ素子の駆動電圧として供給することを特徴とするペルチェ駆動回路の制御方法。

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