JP5696399B2 - 半導体光源装置及び半導体光源制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）等の半導体発光素子を用いる半導体光源装置及び半導体光源制御方法に関する。

半導体発光素子であるＬＥＤを駆動させる装置が従来より各種考えられている。（例えば、特許文献１，２）
上記特許文献１，２に記載された技術はいずれも、電力を効率的に使用して損失を低減させることを目的としている。

この種の半導体発光素子を駆動する回路では、一般に高速なＰＷＭ（パルス幅変調）駆動を行なう。そのため、特に高速応答性が必要とされる機器、例えばＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（登録商標）方式のデータプロジェクタ装置の光源等に用いる場合には、ＰＷＭ信号がオンとなる当初の電流の立上げ応答を充分に早める必要がある。上記各特許文献に記載された技術のいずれも、電流の立上げ特性を向上させる点は考慮されていない。

ところでチョッパ回路を用いる定電流制御のＤＣ／ＤＣコンバータ方式のＰＷＭ駆動回路では、インダクタの電流をオン時の電流に復帰させるまでに、少なくとも数乃至十数スイッチングサイクルが必要となり、そのために電流の立上りが遅くなるという不具合があった。

このような不具合を改善するべく、ＰＷＭ波形がオンである間の帰還系電圧や、出力コンデンサの電圧をＰＷＭ波形がオフである間、一時的に電荷を蓄積しておいて、次にＰＷＭ波形がオンとなる際に利用させる手法を用い、電流の立上りの遅れを高速化することが考えられている。

図５は、そのような改善策を施した半導体発光素子のＰＷＭ駆動回路の構成を示す図の一例を示す。同図で、電源入力である直流の駆動電源Ｖinが、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、第１のスイッチング素子（ＳＷ１）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１２のドレインとに回路動作中は常時与えられる。

同ＦＥＴ１２のソースが、ダイオード１３のカソードに接続されると共に、インダクタ１４を介して、コンデンサ１５の一端及び半導体発光素子、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）１６のアノードと接続される。

ＬＥＤ１６のカソードは、第２のスイッチング素子（ＳＷ２）として用いられるｎチャネルのＦＥＴ１７のドレインと接続される。同ＦＥＴ１７のソースが、上記ＬＥＤ１６の他端に接続されると共に、抵抗１８の一端に接続される。同抵抗１８の他端が、上記ダイオード１３のアノードに接続される一方で、接地される。

この回路の発光のオン／オフを制御するためＰＷＭ信号が、上記定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１及び上記ＦＥＴ１７のゲートに与えられる。また、上記抵抗１８の両端の電位が定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１により検出される。

上記のような回路構成にあって、図６（Ａ）に示すようにＰＷＭ信号がオンになると、図６（Ｃ）に示すようにＦＥＴ１７が導通して半導体発光素子であるＬＥＤ１６が接続されると共に、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１も図６（Ｂ）に示すようにＦＥＴ１２のスイッチング動作を開始させる。

ＦＥＴ１２が間欠的に導通する間、図５に破線で示す充電経路Ｒ１に沿って電流が流れ、インダクタ１４にエネルギが蓄積されると共に、ＬＥＤ１６とコンデンサ１５にも電流が供給される。ＬＥＤ１６では、電圧が固有の順方向効果電圧Ｖｆを超えた時点で電流量に応じて発光する。

所定時間経過後、ＰＷＭ信号がオフするのに連れて定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１がＦＥＴ１２のスイッチング動作を停止させてオフさせると、今度は図５中に一点鎖線で示す放電経路Ｒ２のループに沿って電流が流れ、インダクタ１４のエネルギが放出されると共に、ＬＥＤ１６とコンデンサ１５にも電流が供給される。
定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、抵抗１８の両端の電圧により上記電流を監視しながら上記の動作を繰返し実行する。

定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が監視する抵抗１８での電圧は、当初、所定値より低いために、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は最初に放電経路Ｒ２に沿って電流が流れる時間の比率が高くなるように制御し、徐々にインダクタ１４での平均電流も上昇する。

このとき、ＬＥＤ１６とコンデンサ１５にも電流が供給されるが、ＬＥＤ１６とコンデンサ１５とは並列に接続されているため、各素子の特性により、最初はコンデンサ１５への充電電流が支配的であるものの、コンデンサ１５の端子電圧が充電に伴って上昇するに連れて、ＬＥＤ１６に流れる電流量が少しずつ増加するものとなる。

したがって、図６（Ｅ）に示すようにＬＥＤ１６での電流値の立上りが非常に時間を要するものとなる。こうして次第に電流が増大し、所定の電流値に達すると、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が上記２つの経路Ｒ１，Ｒ２の時間配分を調整しながら定電流を維持する制御に移行し、安定状態となる。

その後にＰＷＭ信号がオフになると、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１はＦＥＴ１２のスイッチング動作を停止するため、ＦＥＴ１２はオフ状態を維持し、放電経路Ｒ２の電流に沿った電流の流れのみとなって、インダクタ１４に蓄積されているエネルギが完全に放出されて、電流が流れなくなる。

この図５に示した回路では、半導体発光素子であるＬＥＤ１６に対して、スイッチング素子であるＦＥＴ１７が直列接続されており、ＰＷＭ信号に同期してＬＥＤ１６のオン／オフを制御するものとしている。

これにより、ＰＷＭ信号がオフとなった時点で、負荷であるＬＥＤ１６が回路中で切断されることにより、ＬＥＤ１６に流れる電流の立下りを早めると共に、コンデンサ１５の放電経路を断ち、コンデンサ１５に充電された電荷を保存できる。

上述した如く、ＬＥＤ１６に流れる電流の立上りが遅くなる要因の１つは、このコンデンサ１５での充電によるものであり、ＰＷＭ信号がオフである間にコンデンサ１５に電荷を保存しておくことで、次にＰＷＭ信号がオンした時に再度コンデンサ１５を電流値が「０（ゼロ）」の状態から充電開始しなくとも良い点で、ＬＥＤ１６の電流の立上り特性を早めることに大きく寄与している。

特開平０８−０７８７３１号公報 特開２００９−２０００５３号公報

上記図５に示した回路構成では、コンデンサ１５の充電に係る立上り特性は改善されたものの、依然としてインダクタ１４側では電流値が「０（ゼロ）」の状態からのスタートになるため、結果としてＬＥＤ１６の電流の立上り特性を充分に早めるには至っていない。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子に流れる電流値の立上り特性を充分に急峻なものとして、高速応答性に優れた発光駆動を行なうことが可能な半導体光源装置及び半導体光源制御方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子と、上記駆動回路が上記インダクタと上記コンデンサに流れる電流を検出する検出手段と、上記検出手段により上記インダクタの電流量が所定のレベルとなった状態で上記スイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させるスイッチ制御手段と、を具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子と、上記駆動回路が上記半導体発光素子の駆動用に電流を流してから一定時間経過後に上記スイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させる遅延手段と、を具備したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、を備えた半導体光源制御方法であって、上記駆動回路が上記インダクタと上記コンデンサに流れる電流を検出する検出工程と、上記検出工程で上記インダクタの電流量が所定のレベルとなった状態で、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させるスイッチ制御工程と、を有したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、を備えた半導体光源制御方法であって、上記駆動回路が上記半導体発光素子の駆動用に電流を流してから一定時間経過後に、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させる遅延工程を有したことを特徴とする。

本発明によれば、半導体発光素子に流れる電流値の立上り特性を充分に急峻なものとして、高速応答性に優れた発光駆動を行なうことが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子のＰＷＭ駆動回路の構成を示す図。 同実施形態に係る図１の回路中の各信号波形を示すタイミングチャート。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子のＰＷＭ駆動回路の構成を示す図。 同実施形態に係る図３の回路中の各信号波形を示すタイミングチャート。 一般的な半導体発光素子のＰＷＭ駆動回路の一構成例を示す図。 図５の回路中の各信号波形を示すタイミングチャート。

（第１の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第１の実施形態を詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る半導体光源装置の回路構成を示す図である。
なお、同図は上記図５に示した内容と基本部分は同様であるため、同一部分には同一符号を付し、それらの説明については省略する。

さらにこの図１において、上記抵抗１８の両端の電位が定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と電流検出ゲート回路２１により検出される。ＰＷＭ信号は、この電流検出ゲート回路２１と定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１とに与えられる。

定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が、ＰＷＭ信号に応じてＦＥＴ１２のゲートへの通電を制御する。

一方、電流検出ゲート回路２１は、抵抗１８両端の電位により電流量を監視しながらＰＷＭ信号に応じて上記ＦＥＴ１７のゲートへの通電を制御する。

次に上記実施形態の動作について説明する。
図２は、上記図１の回路における各種信号の波形を示すタイミングチャートである。
図２（Ａ）に示すように定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１及び電流検出ゲート回路２１に供給されるＰＷＭ信号は、一定周期でオンとオフとを繰返す。

ＰＷＭ信号がオンになると、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は図２（Ｂ）に示すようにＦＥＴ１２をより高い周期で間欠的にオンして、図１に破線で示す充電経路Ｒ１に沿って電流を流し、インダクタ１４とコンデンサ１５とにエネルギを蓄積させる。

このＰＷＭ信号がオンになった当初、電流検出ゲート回路２１は抵抗１８に流れる電流量によりＦＥＴ１７を意図してオフのままとしている。

図２（Ｄ）に示すようにインダクタ１４の電流量が予め設定した電流検出レベルＩｔｈを超えた時点で、抵抗１８間の電圧からそれを検出した電流検出ゲート回路２１は、あらためて図２（Ｃ）に示すようにＦＥＴ１７を導通させてＬＥＤ１６を発光させる。

すなわち電流検出ゲート回路２１は、ＰＷＭ信号がオンとなってから、上記インダクタ１４の電流量が予め設定した電流検出レベルＩｔｈに達するまでの時間Ｔｄ１だけ、ＦＥＴ１７の導通に伴うＬＥＤ１６での発光を遅延させるように動作する。

したがって、ＬＥＤ１６では図２（Ｅ）に示す如く非常に急峻な立上り波形で電流が流れることになり、その電流に対応して高速応答性に優れた発光特性を実現できる。

所定時間経過後、ＰＷＭ信号がオフするのに同期して定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１がＦＥＴ１２のスイッチング動作を停止させてオフさせ、合わせて電流検出ゲート回路２１がＦＥＴ１７をオフさせる。

このように本実施形態によれば、インダクタ１４の電流が充分に立上がった状態を検出してＦＥＴ１７をオンし、ＬＥＤ１６を発光させるようにした。これにより、半導体発光素子であるＬＥＤ１６に流れる電流値の立上り特性を充分に急峻なものとして、高速応答性に優れた発光駆動を行なうことが可能となる。

（第２の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第２の実施形態を詳細に説明する。
図３は、第２の実施形態に係る半導体光源装置の回路構成を示す図である。
なお、同図は上記図５に示した内容と基本部分は同様であるため、同一部分には同一符号を付し、それらの説明については省略する。

さらにこの図３において、ＰＷＭ信号は上記定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と遅延回路３１とに与えられる。

定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、ＰＷＭ信号に応じてＦＥＴ１２のゲートへの通電を制御する。

一方、遅延回路３１は、内部に計時回路を備え、ＰＷＭ信号に応じて特に立上り時に一定の遅延を持たせた上で上記ＦＥＴ１７のゲートへの通電を制御する。

次に上記実施形態の動作について説明する。
図４は、上記図３の回路における各種信号の波形を示すタイミングチャートである。
図４（Ａ）に示すように定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１及び電流検出ゲート回路２１に供給されるＰＷＭ信号は、一定周期でオンとオフとを繰返す。

ＰＷＭ信号がオンになると、定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は図４（Ｂ）に示すようにＦＥＴ１２をより高い周期で間欠的にオンして、図３に破線で示す充電経路Ｒ１に沿って電流を流し、インダクタ１４とコンデンサ１５とにエネルギを蓄積させる。

このＰＷＭ信号がオンになった当初、遅延回路３１は内部の計時回路による計時を開始する。

遅延回路３１には、予め上記インダクタ１４の電流立上り特性に基づいた一定の計時値Ｔｄ２が設定されている。遅延回路３１は、図４（Ｃ）に示すように上記ＰＷＭ信号がオンとなった計時動作の開始後、計時値がＴｄ２となった時点でＦＥＴ１７を導通させてＬＥＤ１６を発光させる。

すなわち遅延回路３１は、ＰＷＭ信号がオンとなってから、図４（Ｄ）に示すような上記インダクタ１４の電流立上り特性を考慮して充分な電流値に達したと考えられる一定時間Ｔｄ２だけ、ＦＥＴ１７の導通に伴うＬＥＤ１６での発光を遅延させるように動作する。

したがって、ＬＥＤ１６では図４（Ｅ）に示す如く非常に急峻な立上り波形で電流が流れることになり、その電流に対応して高速応答性に優れた発光特性を実現できる。

所定時間経過後、ＰＷＭ信号がオフするのに同期して定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１１がＦＥＴ１２のスイッチング動作を停止させてオフさせ、合わせて遅延回路３１もＦＥＴ１７をオフさせる。

このように本実施形態によれば、インダクタ１４の電流が充分に立上がった状態でＦＥＴ１７をオンしてＬＥＤ１６を発光させるようにした。これにより、半導体発光素子であるＬＥＤ１６に流れる電流値の立上り特性を充分に急峻なものとして、高速応答性に優れた発光駆動を行なうことが可能となる。

加えて、遅延回路３１はＰＷＭ信号の立上りタイミングから、インダクタ１４の電流立上り特性に応じて予め設定された一定時間「Ｔｄ２」分だけ遅延させてＦＥＴ１７を導通させるため、遅延回路３１は特にインダクタ１４に流れる電流値の検出等を行なう必要がなく、遅延回路３１を含む全体の回路の構成を簡略化しながらも、上述した如くＬＥＤ１６に対して高速応答性に優れた発光駆動を行なうことが可能となる。

なお上記第１及び第２の実施形態においては、半導体発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）を駆動する装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他にも半導体発光素子として例えばＬＤ（レーザダイオード）や有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等を駆動するものであっても良いし、さらには回路中で使用する半導体発光素子の数等を限定しない。

また上記第１及び第２の実施形態はいずれも、駆動回路として定電流制御のＤＣ／ＤＣコンバータ方式のＰＷＭ駆動回路を用いた場合について説明したが、本発明は駆動回路の方式を限定するものでもない。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１１…定電流制御ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２…ＦＥＴ、１３…ダイオード、１４…インダクタ、１５…コンデンサ、１６…ＬＥＤ、１７…ＦＥＴ、１８…抵抗、２１…電流検出ゲート回路、３１…遅延回路。

Claims (4)

1. 半導体発光素子と、
   上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、
   上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子と、
   上記駆動回路が上記インダクタと上記コンデンサに流れる電流を検出する検出手段と、
   上記検出手段により上記インダクタの電流量が所定のレベルとなった状態で上記スイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させるスイッチ制御手段と、
   を具備したことを特徴とする半導体光源装置。
2. 半導体発光素子と、
   上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、
   上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子と、
   上記駆動回路が上記半導体発光素子の駆動用に電流を流してから一定時間経過後に上記スイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させる遅延手段と、
   を具備したことを特徴とする半導体光源装置。
3. 半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、を備えた半導体光源制御方法であって、
   上記駆動回路が上記インダクタと上記コンデンサに流れる電流を検出する検出工程と、
   上記検出工程で上記インダクタの電流量が所定のレベルとなった状態で、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させるスイッチ制御工程と、
   を有したことを特徴とする半導体光源制御方法。
4. 半導体発光素子と、上記半導体発光素子をＰＷＭ信号に応じて定電流で間欠駆動する、時定数を持ち、上記半導体発光素子に並列接続されたコンデンサと上記半導体発光素子に直列接続されたインダクタを有する駆動回路と、を備えた半導体光源制御方法であって、
   上記駆動回路が上記半導体発光素子の駆動用に電流を流してから一定時間経過後に、上記半導体発光素子に流れる電流を断続するスイッチング素子により上記半導体発光素子に通電させる遅延工程を有したことを特徴とする半導体光源制御方法。

Images