JP5579804B2 - 負荷駆動装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷をオン／オフ駆動する負荷駆動装置に関する。

近年、情報の大容量化・処理速度の高速化に伴い、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やレーザダイオードを負荷とする負荷駆動装置は、これらの負荷を高速に駆動することが要求されている。特に、光通信の分野では、ＬＥＤやレーザダイオードなどの発光素子を負荷として、パルス駆動するデジタル光通信が普及している。光通信の通信量の増大に伴い、発光のオンとオフとを高速に行うことができる負荷駆動装置が求められている。
従来、発光素子を高速に点灯する方法、すなわち、短時間で発光素子をオフ状態からオン状態にする方法として、オフ期間中にも所定のバイアス電圧を印加しておく技術が開示されている。

特許文献１の課題には「大きな内部容量のＬＥＤでも、消費電流増大を最小限に抑え、過渡応答時間を短く、高速に変調でき、パルス波形歪みの小さい出力光を得る。」と記載され、解決手段には「ＬＥＤは、電気等価モデルの真性ダイオードに印加される電圧パルスＶｄが尖頭値に極近傍に達した時点で電流が急激に流れ、その順方向電流に比例した光出力が得られる素子である性質を利用し、低出力インピーダンスで大電流駆動能力を持つ矩形電圧パルス、または、立ち上り直後が高い電圧をとり一定時間後は所期の電圧に戻すハイ・レベルが２値の電圧パルスを直結したＬＥＤ負荷に供給する。またパルスのロー・レベルは、システム要求上必要なＬＥＤ出力信号の消光比を保てる電圧の範囲でＤＣバイアスを懸ける。」と記載されている。

特開２００１−３２６５６９号公報

特許文献１に記載の発明は、ＬＥＤの負荷にＤＣバイアス電圧を印加することで、高速駆動を可能としている。しかし、特許文献１に記載の発明は、負荷をオフ状態からオン状態に切り替える場合には、負荷に印加するパルス信号であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を、常にＤＣバイアス電圧制御時のオンデューティとして、その後、徐々にオンデューティを拡大している。そのため、立ち上がり時間が長くなり、負荷をオフからオンに切り替える時間が長くなるという問題を有していた。

そこで、本発明は、負荷の駆動オンと駆動オフとの切り替えを高速に行える負荷駆動装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、電源から供給された電力を変換して直流電力を負荷に供給する電力変換回路と、前記負荷に流れる出力電流を検出する出力電流検出回路と、外部から入力された動作指示情報によって前記負荷の動作と動作停止の切り替えを行い、前記負荷の動作期間は、前記出力電流に基づき定電流制御を行い、前記定電流制御の開始時に、直前の前記負荷の動作期間と同じオンデューティの第１のパルス信号を前記電力変換回路に出力し、前記負荷の動作停止期間には、前記負荷に印加する出力電圧に基づき定電圧制御を行い、前記負荷に所定のバイアス電圧を印加する第２のパルス信号を前記電力変換回路に出力する制御回路部と、を備えることを特徴とする負荷駆動装置とした。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、負荷の駆動オンと駆動オフとの切り替えを高速に行える負荷駆動装置を提供することができる。

第１の実施形態に於ける負荷駆動装置を示す概略の構成図である。 第１の実施形態に於ける制御回路部の処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態に於ける負荷駆動装置の要部の信号波形を示す模式図である。 第１の実施形態に於ける定電流制御開始時の立ち上がり電圧波形と電流波形を示す模式図である。 第１の実施形態に於けるＰＷＭ信号オフ期間の有無と定電流制御開始の立ち下がり波形を示す模式図である。 第１の実施形態に於けるＰＷＭ信号のリセットの有無と定電流制御開始の立ち上がり波形を示す模式図である。 第２の実施形態に於ける制御回路部の処理を示すフローチャートである。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態の構成）
図１は、第１の実施形態に於ける負荷駆動装置を示す概略の構成図である。

図１に示すように、負荷駆動装置１は、負荷３０に直流電力を供給する電力変換回路２と、電力変換回路２が備えた図示しないスイッチ素子に駆動信号を出力するスイッチ素子駆動回路３と、スイッチ素子駆動回路３にパルス信号Ｐａを出力して動作を制御する制御回路部（マイクロコンピュータ）４と、負荷３０に流れる出力電流Ｉｏを検出する出力電流検出回路５と、負荷３０に印加される出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出回路６と、を備えている。
負荷駆動装置１は、電力を供給する直流電源Ｖｄ（電源の一例）と、直流電力によって駆動される負荷３０と、図示しない上位装置とに接続されている。負荷駆動装置１は、図示しない上位装置から入力された外部パルス信号Ｐｏ（動作指示情報の一例）によって、直流電源Ｖｄから供給された電力を直流電力に変換し、負荷３０に供給するか否かを切り替えるものである。

電力変換回路２は、例えば昇圧回路や降圧回路などであり、図示しないスイッチ素子を備えている。電力変換回路２は、入力側の正極と負極とが直流電源Ｖｄの正極と負極とに接続され、出力側の正極と負極とが負荷３０の正極と負極とに接続され、更に制御入力側がスイッチ素子駆動回路３に接続されている。電力変換回路２は、スイッチ素子駆動回路３から入力された制御信号に基づいて、直流電源Ｖｄから供給された電力を、所定の直流電力に変換し、負荷３０に供給するものである。

スイッチ素子駆動回路３は、例えば、電圧レベル変換回路である。スイッチ素子駆動回路３は、入力側が制御回路部４に接続され、出力側が電力変換回路２に接続されている。スイッチ素子駆動回路３は、制御回路部４が出力した駆動信号の電圧レベルを変換し、電力変換回路２が有するＦＥＴ（Field Effect Transistor）などのスイッチ素子のゲートに印加したときに、当該スイッチ素子を駆動可能な電圧レベルの駆動信号を出力するものである。スイッチ素子駆動回路３および電力変換回路２は、入力されたパルス信号Ｐａのオンデューティの値に応じた出力電圧Ｖｏを負荷３０に印加する。

負荷３０は、光を出力するレーザダイオード素子である。負荷３０は、供給された電力を光信号に変換するものである。負荷３０のレーザダイオード素子は、当該素子が導通する向きに電圧を印加したとき、所定の電圧降下が発生する。

制御回路部４は、例えば、ワンチップのマイクロコンピュータである。制御回路部４は、第１のＡ／Ｄ（Analog to Digital）入力端子が出力電流検出回路５に接続され、第２のＡ／Ｄ入力端子が出力電圧検出回路６に接続され、デジタル入力端子が図示しない上位装置に接続され、更に出力端子にはスイッチ素子駆動回路３が接続されている。制御回路部４は、図示しない上位装置から入力された外部パルス信号Ｐｏによって、スイッチ素子駆動回路３にＰＷＭ信号であるパルス信号Ｐａを出力して負荷３０を駆動するか否かを切り替え、負荷３０を駆動する場合には、負荷３０に流れる出力電流Ｉｏが所定目標値になるようにフィードバック制御するものであり、負荷３０を駆動しない場合には、出力電圧Ｖｏが所定目標値になるようにフィードバック制御するものである。制御回路部４は、負荷３０に流れる出力電流Ｉｏを、パルス信号Ｐａのオンデューティによって制御する。制御回路部４は、外部パルス信号Ｐｏを、負荷３０に供給する電力に変換するものである。
制御回路部４を構成する各部の詳細は、後記する。

出力電流検出回路５は、例えばシャント抵抗、ホールセンサ、抵抗とオペアンプの組合せなどである。出力電流検出回路５は、負荷３０の負極と電力変換回路２の出力側の負極との間に接続され、出力側が制御回路部４の第１のＡ／Ｄ入力端子に接続されている。出力電流検出回路５は、負荷３０に流す出力電流Ｉｏを電圧値に変換するものである。
出力電圧検出回路６は、例えば分圧抵抗などである。出力電圧検出回路６は、負荷３０の正極側に接続され、出力側が制御回路部４の第２のＡ／Ｄ入力端子に接続されている。出力電圧検出回路６は、負荷３０に印加される出力電圧Ｖｏを検出するものである。

《制御回路部４の構成》
制御回路部４（動作指示情報判定部の一例）は、外部パルス信号Ｐｏ（動作指示情報の一例）を判定する外部パルス判定部７と、出力電流Ｉｏのフィードバック制御を行う出力電流制御部８と、出力電圧Ｖｏのフィードバック制御を行う出力電圧制御部９と、出力電流制御部８による制御ループと出力電圧制御部９による制御ループのいずれを選択するかを切り替える制御ループ判定部１０と、パルス信号Ｐａのデューティを記憶するデューティ記憶部１１（記憶部の一例）とを備えている。

外部パルス判定部７は、外部パルス信号Ｐｏが入力されたとき、外部パルス信号Ｐｏに含まれた負荷３０のオン／オフ動作の指示情報であるパルス制御信号Ｓｐを、制御ループ判定部１０に出力するものである。外部パルス信号Ｐｏは、例えばＨ（Ｈｉｇｈ）レベルとＬ（Ｌｏｗ）レベルとで示された１ビットの信号である。しかし、これに限られず、外部パルス信号Ｐｏは、シリアル信号に含まれたオン／オフ動作の指示情報などであってもよい。

出力電流制御部８は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部８１と、例えばＰＩＤ（Proportional Integral Differential）演算などを行う出力電流演算部８２とを備えている。出力電流制御部８の入力側は、第１のＡ／Ｄ入力端子に接続されている。出力電流制御部８の出力側は、制御ループ判定部１０に接続されている。出力電流制御部８は、出力電流検出回路５にて検出された出力電流Ｉｏが、たとえば、当該制御回路部４の図示しない記憶部に記憶されている基準電流値になるようにフィードバック制御し、制御ループ判定部１０に出力電流制御信号Ｓｉを出力する。

出力電圧制御部９は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部９１と、例えばＰＩＤ演算などを行う出力電圧演算部９２とを備えている。出力電圧制御部９の入力側は、第２のＡ／Ｄ入力端子に接続されている。出力電圧制御部９の出力側は、制御ループ判定部１０に接続されている。出力電圧制御部９は、出力電圧検出回路６にて検出された出力電圧Ｖｏが、たとえば、当該制御回路部４の図示しない記憶部に記憶されている基準電圧になるようにフィードバック制御し、制御ループ判定部１０に出力電圧制御信号Ｓｖを出力する。

制御ループ判定部１０の入力側は、外部パルス判定部７と、出力電流制御部８と、出力電圧制御部９とに接続されている。制御ループ判定部１０の出力側は、スイッチ素子駆動回路３に接続されている。制御ループ判定部１０は更に、デューティ記憶部１１と読み書き可能に接続されている。制御ループ判定部１０は、パルス制御信号Ｓｐによって、出力電流制御信号Ｓｉと出力電圧制御信号Ｓｖのいずれかを選択して、パルス信号Ｐａをスイッチ素子駆動回路３に出力するものである。
デューティ記憶部１１は、情報を記憶するものであり、制御ループ判定部１０に接続されている。デューティ記憶部１１は、負荷３０の直前のオン動作期間に於けるＰＷＭ信号（第１のパルス信号Ｐａ１）のオンデューティの値を記憶するものである。

（第１の実施形態の動作）

図２は、第１の実施形態に於ける制御回路部の処理を示すフローチャートである。
図２に示すように、処理を開始したのち、ステップＳ１０に於いて、制御回路部４の制御ループ判定部１０（図１参照）は、外部パルス判定部７から入力されるパルス制御信号Ｓｐに基づき、外部パルス信号Ｐｏを判定する。制御回路部４は、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフに遷移したときには、ステップＳ１１の処理を行い、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに遷移したときには、ステップＳ１７の処理を行う。

ステップＳ１１に於いて、制御ループ判定部１０は、定電流制御期間（＝負荷３０のオン動作期間）のパルス信号（第１のパルス信号Ｐａ１）のオンデューティ値（具体例としては、オン期間中のすべてのパルスのオンデューティの平均値）を、デューティ記憶部１１に記憶する。
ステップＳ１２に於いて、制御ループ判定部１０は、第１のパルス信号Ｐａ１の出力を停止する。

ステップＳ１３に於いて、制御ループ判定部１０は、所定の期間に亘って、ＰＷＭ信号（第１のパルス信号Ｐａ１、第２のパルス信号Ｐａ２）の出力停止を保持する。当該所定の期間とは、ＰＷＭ信号のオフ期間である。

ステップＳ１４に於いて、制御ループ判定部１０は、前記所定の期間が終了したタイミングから第２のパルス信号Ｐａ２が出力されるように、ＰＷＭ信号の周期をリセットする。

ステップＳ１５に於いて、制御ループ判定部１０は、予め設定された所定のオンデューティ値（固定値）で第２のパルス信号Ｐａ２を出力するように出力電圧制御部９に指示して、定電圧制御（フィードバック制御）を開始し、ステップＳ１０の処理に戻る。以降、ステップＳ１０で制御ループ判定部１０は、パルス制御信号Ｓｐに基づき外部パルス信号Ｐｏを判定する処理を行い、並行して出力電圧制御部９は、定電圧制御を行い、第１のパルス信号Ｐａ１よりもオンデューティ値の小さいパルス信号Ｐａにより、負荷３０に所定のバイアス電圧Ｖｂ（負荷３０がオンしない範囲の電圧値）を印加する。なお、定電圧制御期間の開始時に於いて、出力電圧制御部９は、第２のパルス信号Ｐａ２を常に所定の同じオンデューティ値とし、その後は出力電圧制御信号Ｓｖに応じてパルス信号Ｐａのオンデューティ値を調整する。

ステップＳ１７に於いて、制御ループ判定部１０は、デューティ記憶部１１で記憶していた定電流制御時のオンデューティ値（負荷３０の直前のオン動作期間の平均オンデューティ値）である第１のパルス信号Ｐａ１を出力して、定電流制御を開始し、ステップＳ１０の処理に戻る。以降、制御ループ判定部１０は、パルス制御信号Ｓｐに基づき外部パルス信号Ｐｏを判定する処理を行い、並行して出力電流制御部８は、定電流制御を行って負荷３０を駆動する。

定電流制御期間（＝負荷３０のオン動作期間）の開始時に於いて、出力電流制御部８は、第１のパルス信号Ｐａ１を常に記憶されたオンデューティ値とし、その後は出力電流制御信号Ｓｉに応じてパルス信号Ｐａのオンデューティ値を調整する。

（具体的な動作説明）

図３は、第１の実施形態に於ける負荷駆動装置の要部の信号波形を示す模式図である。
時刻Ｔ０〜Ｔ１は、負荷３０のオン動作期間（定電流制御期間）である。このとき、外部パルス信号Ｐｏは、Ｈレベルであり、負荷３０のオン動作指示となる。第１のパルス信号Ｐａ１は、制御回路部４から出力される。出力電流Ｉｏは、所定の定電流Ｉｃに制御されている。出力電圧Ｖｏは、レーザダイオードの電流−電圧特性に応じた値である所定の電圧Ｖｃの近傍の値となる。

時刻Ｔ１〜Ｔ２は、負荷３０のオフ動作期間であると共に、ＰＷＭ信号オフ期間である。このとき外部パルス信号Ｐｏは、Ｌレベルとなり、負荷３０のオフ動作指示となる。出力電流Ｉｏは、０［Ａ］となる。出力電圧Ｖｏは、時間と共に徐々に低下する。

時刻Ｔ２〜Ｔ３は、負荷３０のオフ動作期間であると共に、定電圧制御期間である。時刻Ｔ２に於いて、制御回路部４は、予め設定された所定のオンデューティ値で第２のパルス信号Ｐａ２を出力して、定電圧制御を開始する。出力電流Ｉｏは、約０［Ａ］となる。出力電圧Ｖｏは、所定のバイアス電圧Ｖｂとなる。時刻Ｔ２の定電圧制御の開始と同時に、制御回路部４は、第２のパルス信号Ｐａ２のパルスがオンするように制御し、ＰＷＭ信号の周期をリセットする。なお、出力電圧Ｖｏがバイアス電圧Ｖｂに近接したタイミングで、出力電圧制御部９が定電圧制御を開始するように、ＰＷＭ信号オフ期間である時刻Ｔ１〜Ｔ２の長さが設定されている。

時刻Ｔ３〜Ｔ４は、負荷３０のオン動作期間であると共に、定電流制御期間である。時刻Ｔ３に於いて、制御回路部４は、デューティ記憶部１１で記憶したオンデューティ値（負荷３０の直前のオン動作期間の平均のオンデューティ値）で第１のパルス信号Ｐａ１の出力を開始して、定電流制御を開始する。出力電流Ｉｏは、定電流Ｉｃになるように定電流制御される。出力電圧Ｖｏは、レーザダイオードの電流−電圧特性に応じた値である電圧Ｖｃの近傍の値となる。

《定電流制御開始時に、記憶していたオンデューティ値のＰＷＭ信号を出力する効果》

図４（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に於ける定電流制御開始時の立ち上がり電圧波形と電流波形を示す模式図である。

図４（ａ）は、バイアス電圧Ｖｂの有無による出力電圧Ｖｏの波形を比較した模式図を示している。図の縦軸は、出力電圧Ｖｏを示している。図の横軸は、図４（ｂ）と共通する時刻ｔを示している。図の破線Ａ０は、バイアス電圧Ｖｂを印加しない場合の出力電圧Ｖｏの波形を示している。図の実線Ａ１は、バイアス電圧Ｖｂを印加した場合の出力電圧Ｖｏの波形を示している。

図４（ｂ）は、バイアス電圧Ｖｂの有無による出力電流Ｉｏの波形を比較した模式図を示している。図の縦軸は、出力電流Ｉｏを示している。図の横軸は、図４（ａ）と共通する時刻ｔを示している。図の破線Ｂ０は、バイアス電圧Ｖｂを印加しない場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。図の実線Ｂ１は、バイアス電圧Ｖｂを印加した場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。

《負荷３０のオフ動作期間にバイアス電圧Ｖｂを印加しない場合》
図４（ａ）に示すように、出力電圧Ｖｏ（破線Ａ０）は、時刻Ｔａに於いて０［Ｖ］から立ち上がり、時刻Ｔｂに於いて順方向電圧Ｖｆに到達し、オーバシュートによる振動を繰り返したのち、時刻Ｔｅに於いてレーザダイオードの電流−電圧特性に応じた値である電圧Ｖｃの近傍に収束する。出力電流Ｉｏ（破線Ｂ０）は、時刻Ｔｂから流れ始め、オーバシュートによる振動を繰り返したのち、時刻Ｔｆに於いて定電流Ｉｃに収束する。出力電圧Ｖｏの過渡応答時間は、時刻Ｔａ〜Ｔｅである。出力電流Ｉｏの過渡応答時間は、時刻Ｔａ〜Ｔｆである。
これは、次のように説明できる。つまり、ＬＥＤやレーザダイオードなどの素子は、当該素子が導通する向きに電圧を掛けたとき、当該素子に於いて所定の電圧降下が発生する。この電圧降下を、当該素子の順方向電圧Ｖｆという。このような素子を負荷３０として、ステップ応答の電力を加えたとき、供給された電力に対する負荷３０の駆動は、原理的にタイムラグ（遅延）を生じる。例えば、順方向電圧Ｖｆが１．５Ｖであるレーザダイオード素子を５個直列にした負荷３０を考える。この負荷３０を駆動する場合、順方向電圧Ｖｆは、合計で７．５Ｖとなる。この負荷３０に電流を流すためには、順方向電圧Ｖｆ＝７．５Ｖを超える電圧が必要になる。この負荷３０に印加する出力電圧Ｖｏが立ち上がり始めても、出力電流Ｉｏは立ち上がらず、出力電圧Ｖｏが順方向電圧Ｖｆの７．５Ｖを超えたのちに出力電流Ｉｏが立ち上がる。

《負荷３０のオフ動作期間にバイアス電圧Ｖｂを印加した場合》
出力電圧Ｖｏ（破線Ａ０）は、時刻Ｔａに於いてバイアス電圧Ｖｂから立ち上がり、順方向電圧Ｖｆをすぐさま超えると共に、時刻Ｔｃに於いて、レーザダイオードの電流−電圧特性に応じた値である電圧Ｖｃの近傍に収束する。
出力電流Ｉｏ（破線Ｂ０）は、時刻Ｔａの直後から流れ始め、オーバシュートによる振動を繰り返したのち、時刻Ｔｄに於いて定電流Ｉｃに収束する。出力電圧Ｖｏの過渡応答時間は、時刻Ｔａ〜Ｔｃである。出力電流Ｉｏの過渡応答時間は、時刻Ｔａ〜Ｔｄである。
このように、負荷３０のオフ動作期間に、負荷３０にバイアス電圧Ｖｂを印加した場合は、出力電圧Ｖｏが立ち上がると、すぐに出力電流Ｉｏが流れ始める。この場合、出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏのオーバシュートも小さくなり、過渡応答時間も短くなる。

制御回路部４は、バイアス電圧Ｖｂを印加する定電圧制御期間と、負荷３０を駆動する定電流制御期間とで、制御するＰＷＭ信号のオンデューティ値が異なる。そのため、比較例の制御回路部４は、定電圧制御から定電流制御への切り替わりの際に、ステップ応答するように制御している。つまり、負荷３０のオン動作期間の開始時に於いて、制御回路部４は、オンデューティが小さい値のＰＷＭ信号を出力し、オンデューティを徐々に拡大している。そのため、出力電流Ｉｏの立ち上がりは遅くなってしまう。

図４（ｃ）は、記憶したオンデューティ値の第１のパルス信号Ｐａ１による電流制御開始の有無による出力電流Ｉｏの波形を比較した模式図である。図の縦軸は、出力電流Ｉｏを示している。図の横軸は、図４（ａ）と共通する時刻ｔを示している。図の破線Ｂ０は、バイアス電圧Ｖｂを印加しない場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。図の細い実線Ｂ１は、バイアス電圧Ｖｂを印加した場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。図の実線Ｂ２は、バイアス電圧Ｖｂを印加し、かつ、記憶したオンデューティ値の第１のパルス信号Ｐａ１で電流制御を開始した場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。
本実施形態では、記憶した所定のオンデューティ値（直前のオン動作期間のオンデューティ値）の第１のパルス信号Ｐａ１で電流制御を開始した場合、実線Ｂ２のように、すみやかに所定の大きさの出力電流Ｉｏが流れる。そのため、出力電流Ｉｏの立ち上がり時間は、実線Ｂ１で示す比較例のバイアス電圧Ｖｂの印加した場合よりも更に短縮され、時刻Ｔｇに定電流Ｉｃに収束して安定する。このとき、出力電流Ｉｏの過渡応答時間は、時刻Ｔａ〜Ｔｇである。

《ＰＷＭ信号のオフ期間の効果》

図５（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に於けるＰＷＭ信号オフ期間の有無と定電流制御開始の立ち下がり波形を示す模式図である。

図５（ａ）は、ＰＷＭ信号オフ期間の有無による出力電圧Ｖｏの波形を比較した図を示している。図の縦軸は、出力電圧Ｖｏを示している。図の横軸は、図５（ｂ）と共通する時刻ｔを示している。図の破線Ｃ１は、ＰＷＭ信号のオフ期間が無い場合の出力電圧Ｖｏの波形を示している。図の実線Ｃ２は、ＰＷＭ信号のオフ期間が有る場合の出力電圧Ｖｏの波形を示している。

図５（ｂ）は、ＰＷＭ信号オフ期間の有無による出力電流Ｉｏの波形を比較した図を示している。図の縦軸は、出力電流Ｉｏを示している。図の横軸は、図５（ａ）と共通する時刻ｔを示している。図の破線Ｄ１は、ＰＷＭ信号のオフ期間が無い場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。図の実線Ｄ２は、ＰＷＭ信号のオフ期間が有る場合の出力電流Ｉｏの波形を示している。

《ＰＷＭ信号のオフ期間が無い場合》
時刻Ｔｈに於いて、制御回路部４は、負荷３０のオフ動作を開始する。時刻Ｔｈ以降に於いて、制御回路部４は、定電流制御から定電圧制御に切り替えるが、オンデューティ値が大きい状態からバイアス電圧Ｖｂに達するまで徐々にオンデューティ値を小さくするような制御になるため、破線Ｃ１に示すように、緩やかに出力電圧Ｖｏは減少する。時刻Ｔｍに於いて、出力電圧Ｖｏは、バイアス電圧Ｖｂに到達する。その結果、出力電流Ｉｏは破線Ｄ１に示すように、緩やかに減少し、時刻Ｔｊに於いて、出力電流Ｉｏは、０［Ａ］に達する。

《ＰＷＭ信号のオフ期間が有る場合》
時刻Ｔｈに於いて、制御回路部４は、負荷３０のオフ動作を開始する。時刻Ｔｈ以降に於いて、制御回路部４は、定電流制御から定電圧制御に切り替えるが、オンデューティ値が大きい状態からバイアス電圧Ｖｂに達するまで急速にオンデューティ値を小さくするような制御になるため、実線Ｃ２に示すように、急速に出力電圧Ｖｏを減少させる。時刻Ｔｋに於いて、出力電圧Ｖｏは、バイアス電圧Ｖｂに到達する。その結果、出力電流Ｉｏは実線Ｄ２に示すように、急速に減少し、時刻Ｔｉに於いて、出力電流Ｉｏは、０［Ａ］に達する。
ＰＷＭ信号のオフ期間が無い場合は、破線Ｄ１に示すように、比較的長い時間（時刻Ｔｈ〜Ｔｊ）に亘って出力電流Ｉｏが流れる。それに対し、ＰＷＭ信号オフ期間が有る場合は、実線Ｄ２に示すように、出力電流Ｉｏは短時間（時刻Ｔｈ〜Ｔｉ）でゼロとなる。
これにより、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフに切り替わったときに、すぐさま負荷３０の駆動をオフすることができるので、負荷駆動装置１は、正確なタイミングで負荷３０を駆動することができる。更に、負荷３０が光信号を出力する発光素子の場合、負荷駆動装置１は、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフに切り替わるタイミングに対する最小限の遅延で、光信号をオフすることができる。
更に負荷駆動装置１は、負荷３０のオフ動作期間が短い場合でも、負荷３０の駆動を確実にオフすることが可能となる。

なお、ＰＷＭ信号オフ期間が長すぎると、出力電圧Ｖｏがバイアス電圧Ｖｂよりも下がってしまい、負荷駆動装置１は、出力電圧Ｖｏをバイアス電圧Ｖｂに収束させるまでの時間が掛かってしまう。ＰＷＭ信号オフ期間が短すぎると、出力電圧Ｖｏがバイアス電圧Ｖｂに達する前に定電圧制御が開始してしまい、負荷駆動装置１は、出力電圧Ｖｏをバイアス電圧Ｖｂに収束させるまでの時間が掛かってしまう。よって、ＰＷＭ信号オフ期間は、出力電圧Ｖｏがバイアス電圧Ｖｂに近似した値になる期間に設定される。

《定電圧制御開始時に第２のパルス信号Ｐａ２の周期をリセットすることによる効果》

図６は、第１の実施形態に於けるＰＷＭ信号のリセットの有無と定電流制御開始の立ち上がり波形を示す模式図である。
ここでは、定電圧制御開始時に、制御ループ判定部１０が、第２のパルス信号Ｐａ２の周期をリセットすることの有無と、それぞれの場合に於ける定電流制御開始時の出力電流Ｉｏの立ち上がり波形の比較を行っている。
本実施形態の外部パルス信号Ｐｏは、電気信号を光信号に変換して通信するものなので、光通信のプロトコルに準拠した外部パルス周期でオンとオフとが切り替わる。つまり、外部パルス信号Ｐｏは、一定の幅の周期をもった信号として入力されるのに対して、ＰＷＭ信号の周期は一定であるため、外部パルス信号Ｐｏのパルス周期が必ずしもＰＷＭ信号の周期の整数倍とはならない。ここで、当該外部パルス周期が、ＰＷＭ信号の周期の整数倍でない場合を考える。

《定電圧制御開始時に第２のパルス信号Ｐａ２の周期をリセットしない場合》
第２のパルス信号Ｐａ２のパルス周期をリセットしないと、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフになったタイミングに対する、第２のパルス信号Ｐａ２の最初の立ち上がりパルスのタイミングは、ＰＷＭ信号の周期でばらつく。
例えば、外部パルス信号Ｐｏが、外部パルス周期でオンとオフとを繰り返しているとき、出力電流Ｉｏの立ち上がり時の定電流制御開始ごとに、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンになったタイミングに対する、第２のパルス信号Ｐａ２の立ち上がりパルスのタイミングは、相対的なばらつきが発生する。これにより、破線Ｂ２ａ，Ｂ２ｂに示すように、出力電流Ｉｏの立ち上がりタイミングのばらつきが発生する。これにより、出力電流Ｉｏは、ＰＷＭ信号の周期のジッタが生じる。

《定電圧制御開始時に第２のパルス信号Ｐａ２の周期をリセットした場合》
第２のパルス信号Ｐａ２のパルス周期をリセットすることにより、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフになったタイミングに対する、第２のパルス信号Ｐａ２の最初の立ち上がりパルスのタイミングは、常に同じとなる。
例えば、外部パルス信号Ｐｏが、外部パルス周期でオンとオフとを繰り返しているとき、出力電流Ｉｏの立ち上がり時の定電流制御開始ごとに、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンになったタイミングに対する、第２のパルス信号Ｐａ２の立ち上がりパルスのタイミングは同一である。これにより、実線Ｂ２に示すように、出力電流Ｉｏの立ち上がりタイミングのばらつきが無くなり、常に、安定した同一の遅延時間の後に立ち上がるため、ジッタが生じない。
負荷３０は、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンになったタイミングに対して、常に安定した同一の遅延時間の後に駆動を開始する。これにより、光通信のパルスのジッタを減らして、光通信の品質を向上させることができる。

（第１の実施形態の効果）
以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｄ）のような効果がある。

（Ａ） 負荷駆動装置１は、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオフの期間に、負荷３０に対して所定のバイアス電圧Ｖｂを印加している。負荷駆動装置１は更に、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオフからオンに切り替わったときに、直前のオン動作期間のオンデューティ値を、スイッチ素子駆動回路３および電力変換回路２に出力している。これらの処理により、負荷駆動装置１は、負荷３０を高速にオフからオンに切り替えると共に、負荷３０に印加する出力電圧Ｖｏの立ち上がりを安定にすることができる。

（Ｂ） 負荷駆動装置１は、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオンからオフに切り替わったときに、所定期間に亘って、パルス信号Ｐａを停止している。これにより、負荷駆動装置１は、急速に出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏとを減少させ、負荷３０を高速にオンからオフに切り替えることができる。

（Ｃ） 負荷駆動装置１は更に、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオンからオフに切り替わり、所定の期間に亘ってパルス信号Ｐａを停止したのちに、予め設定された所定のオンデューティ値（固定値）で第２のパルス信号Ｐａ２を出力するように出力電圧制御部９に指示して、定電圧制御（フィードバック制御）を開始している。これにより、負荷駆動装置１は、出力電圧Ｖｏをバイアス電圧Ｖｂに収束させることができるので、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオフからオンに切り替わったときに、負荷３０を高速にオフからオンに切り替えることができる。

（Ｄ） 負荷駆動装置１は更に、パルス信号Ｐａを停止した後に、予め設定された所定のオンデューティ値（固定値）で第２のパルス信号Ｐａ２を出力するとき、パルス周期をリセットしている。これにより、負荷駆動装置１は、外部パルス信号Ｐｏの動作指示がオフからオンに切り替わったときに、出力電流Ｉｏの立ち上がりのジッタを抑止して、常に同じタイミングで、負荷３０の駆動を開始することができる。

（第２の実施形態の構成）
第２の実施形態の負荷駆動装置１は、第１の実施形態の負荷駆動装置１（図１）と同様に構成されている。
第２の実施形態の負荷駆動装置１は、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに遷移したときに、直前の定電圧制御期間に於けるオンデューティ値を記憶し、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフに遷移したときに、パルス信号Ｐａを所定期間に亘ってオフし、記憶していた当該オンデューティ値から定電圧制御を開始するものである。

（第２の実施形態の動作）

図７は、第２の実施形態に於ける制御回路部の処理を示すフローチャートである。第１の実施形態に於ける制御回路部４の処理を示すフローチャート（図２）と同一の要素には同一の符号を付与している。
処理を開始したのち、ステップＳ１０に於いて、制御回路部４の制御ループ判定部１０は、外部パルス判定部７から入力されるパルス制御信号Ｓｐに基づき、外部パルス信号Ｐｏを判定する。制御回路部４は、外部パルス信号Ｐｏがオンからオフに遷移したときには、ステップＳ１１の処理を行い、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに遷移したときには、ステップＳ１６の処理を行う。
ステップＳ１１〜Ｓ１４の処理は、図２に示す第１の実施形態に於けるフローチャートと同様であるため、重複する説明は省略する。

ステップＳ１５Ａに於いて、制御ループ判定部１０は、デューティ記憶部１１に記憶していた定電圧制御時のオンデューティ値でパルス信号Ｐａを出力するように出力電圧制御部９に指示して、定電圧制御（フィードバック制御）を開始し、ステップＳ１０の処理に戻る。以降、ステップＳ１０で制御ループ判定部１０は、パルス制御信号Ｓｐに基づき外部パルス信号Ｐｏを判定する処理を行い、並行して出力電圧制御部９は、定電圧制御を行い、第１のパルス信号Ｐａ１よりもオンデューティ値の小さいパルス信号Ｐａにより、負荷３０に所定のバイアス電圧Ｖｂ（負荷３０がオンしない範囲の電圧値）を印加する。
ステップＳ１６に於いて、制御ループ判定部１０は、デューティ記憶部１１に定電圧制御時のオンデューティ値を記憶し、ステップＳ１７の処理を行う。
ステップＳ１７の処理は、図２に示す第１の実施形態に於けるフローチャートと同様である。

（第２の実施形態の効果）
以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｅ）のような効果がある。

（Ｅ） 負荷駆動装置１は、定電圧制御を早期に収束させると共に、定電圧制御の開始時に於けるオーバシュートやアンダーシュートを防ぐことができる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）〜（ｇ）のようなものがある。

（ａ） デューティ記憶部１１で記憶する第１のパルス信号Ｐａ１のオンデューティ値は、必ずしも、直前の負荷３０のオン動作期間に於けるすべての第１のパルス信号Ｐａ１のオンデューティの平均値でなくてもよい。デューティ記憶部１１で記憶する第１のパルス信号Ｐａ１のオンデューティ値は、例えば、オン動作期間内の決められた任意の範囲の期間に於ける複数の第１のパルス信号Ｐａ１のオンデューティの平均値、オン動作期間の最後の第１のパルス信号Ｐａ１のオンデューティ値などであってもよい。ここで、複数のパルスの平均値を利用するほど、立ち上がり動作を安定にすることができる。

（ｂ） 第１の実施形態に於ける第２のパルス信号Ｐａ２は、定電圧制御開始時にＰＷＭ周期がリセットされ、パルス出力が開始されている。しかし、これに限られず、第２のパルス信号Ｐａ２は、定電圧制御の開始タイミングに対して常に同じタイミングで、ＰＷＭ周期がリセットされ、パルス出力が開始されてもよい。すなわち、第２のパルス信号Ｐａ２は、定電圧制御の開始と同時にオンしてもよく、更に所定の遅延時間の後にオンしてもよい。

（ｃ） 負荷３０は、ＬＥＤやレーザダイオードなどの発光素子に限定されず、素子が導通する向きに電圧を掛けたとき、所定の電圧降下が発生する素子、例えば、ＬＥＤ、フォトカプラ、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）素子、無機ＥＬ（Inorganic Electro-Luminescence）素子、トランジスタ、ＦＥＴ，ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などであってもよい。

（ｄ） 制御ループ判定部１０が出力するパルス信号Ｐａは、必ずしもＰＷＭ信号でなくてもよく、ＰＤＭ（Pulse Density Modulation：パルス密度変調）信号、ＰＰＭ（Pulse Position Modulation：パルス位置変調）信号、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）信号であってもよい。

（ｅ） 制御ループ判定部１０は、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに切り替わったとき、予め決められた期間に亘って、Ｈレベルの信号をスイッチ素子駆動回路３に出力したのち、パルス信号Ｐａの周期をリセットして、デューティ記憶部１１で記憶していた定電流制御時のオンデューティ値である第１のパルス信号Ｐａ１を出力してもよい。これにより、制御ループ判定部１０は、高速に出力電流Ｉｏを立ち上げて負荷３０を駆動することができる。制御ループ判定部１０は更に、外部パルス信号Ｐｏのオン・オフ周期によらず、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに遷移したタイミングに対して、常に安定した同一の遅延時間の後に出力電流Ｉｏを立ち上げることができる。

（ｆ） 制御ループ判定部１０は、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに切り替わったとき、パルス信号Ｐａの周期をリセットして、デューティ記憶部１１で記憶していた定電流制御時のオンデューティ値である第１のパルス信号Ｐａ１を出力してもよい。これにより、制御ループ判定部１０は、外部パルス信号Ｐｏのオン・オフ周期によらず、外部パルス信号Ｐｏがオフからオンに遷移したタイミングと同一のタイミングで出力電流Ｉｏを立ち上げることができる。

（ｇ） 第１の実施形態の出力電流制御部８および出力電圧制御部９は、ＰＩＤ制御を行っている。しかし、これに限られず、出力電流制御部８および出力電圧制御部９は、ＰＩ制御、ＰＤ制御などに代表される他の古典制御や、いわゆる現代制御理論に基づく他の制御を行ってもよい。

１ 負荷駆動装置
２ 電力変換回路
３ スイッチ素子駆動回路
４ 制御回路部
５ 出力電流検出回路
６ 出力電圧検出回路
７ 外部パルス判定部 （動作指示情報判定部の一例）
８ 出力電流制御部
９ 出力電圧制御部
１０ 制御ループ判定部
１１ デューティ記憶部 （記憶部の一例）
３０ 負荷
８１ Ａ／Ｄ変換部
８２ 出力電流演算部
９１ Ａ／Ｄ変換部
９２ 出力電圧演算部
Ｖｄ 直流電源 （電源の一例）
Ｐｏ 外部パルス信号 （動作指示情報の一例）

Claims (8)

1. 電源から供給された電力を変換して直流電力を負荷に供給する電力変換回路と、
   前記負荷に流れる出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   外部から入力された動作指示情報によって前記負荷の動作と動作停止の切り替えを行い、前記負荷の動作期間は、前記出力電流に基づき定電流制御を行い、前記定電流制御の開始時に、直前の前記負荷の動作期間と同じオンデューティの第１のパルス信号を前記電力変換回路に出力し、前記負荷の動作停止期間には、前記負荷に印加する出力電圧に基づき定電圧制御を行い、前記負荷に所定のバイアス電圧を印加する第２のパルス信号を前記電力変換回路に出力する制御回路部と、
   を備えることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記制御回路部が、前記定電流制御の開始時に出力する前記第１のパルス信号のオンデューティは、直前の前記負荷の動作期間の定常状態に於ける前記第１のパルス信号のオンデューティの平均値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記制御回路部が、前記定電圧制御の開始時に出力する前記第２のパルス信号のオンデューティは、直前の前記定電圧制御の期間の定常状態に於ける前記第２のパルス信号のオンデューティの平均値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
4. 前記制御回路部は、
   前記負荷のオフ期間の開始時から前記定電圧制御の開始までの所定の期間、前記第１のパルス信号および前記第２のパルス信号の出力を停止するオフ期間を設ける、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
5. 前記制御回路部は、
   前記負荷のオフ期間の終了後の前記定電圧制御の開始時には、前記第２のパルス信号の出力を常に同じタイミングで開始する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の負荷駆動装置。
6. 前記制御回路部は、
   前記負荷の動作期間に於ける前記第１のパルス信号のオンデューティの値を記憶する記憶部を備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載の負荷駆動装置。
7. 前記制御回路部は、
   前記出力電流検出回路にて検出された前記出力電流と基準電流をもとに出力電流制御信号を出力する出力電流制御部と、
   前記負荷に印加された前記出力電圧と基準電圧をもとに出力電圧制御信号を出力する出力電圧制御部と、
   前記動作指示情報をもとに前記負荷のオン／オフ動作を判定しパルス制御信号を出力する動作指示情報判定部と、
   前記出力電流制御信号と前記出力電圧制御信号と前記パルス制御信号をもとに前記負荷の制御ループを判定して前記電力変換回路に出力するパルス信号を制御する制御ループ判定部とを備える、
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
8. 電力の供給を受けて負荷を駆動する負荷駆動部の制御動作を行う負荷駆動装置の制御方法であって、
   制御回路部が、前記負荷の動作期間に、出力電流をもとに定電流制御を行うと共に、該定電流制御の開始時に、直前の前記負荷の動作期間と同じオンデューティの第１のパルス信号を前記負荷駆動部に出力する定電流制御ステップと、
   前記制御回路部が、前記負荷の動作停止期間に、出力電圧をもとに定電圧制御を行うと共に、前記負荷に所定値のバイアス電圧を印加するための第２のパルス信号を前記負荷駆動部に出力する定電圧制御ステップと、
   を実行することを特徴とする負荷駆動装置の制御方法。

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