JP6134185B2

JP6134185B2 - 半導体光源制御装置

Info

Publication number: JP6134185B2
Application number: JP2013072971A
Authority: JP
Inventors: 村上　健太郎; 健太郎村上; 隆雄村松; 尚志寺山
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014197495A

Description

本発明はＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体光源を制御する半導体光源制御装置に関する。

近年、前照灯などの車両用灯具に、従来のフィラメントを有するハロゲンランプに代えてより長寿命で低消費電力のＬＥＤが利用されている。ＬＥＤの発光の度合いすなわち輝度はＬＥＤに流す電流の大きさに依存するので、ＬＥＤを光源として利用する場合にはＬＥＤに流れる電流を調節するための点灯回路が必要となる。そのような点灯回路は通常エラーアンプを有し、ＬＥＤに流れる電流が一定となるようにフィードバック制御する。

車両用前照灯にはハイビームやロービームなどの各種機能が実装されている。これらの機能が必要とする明るさは機能によりまちまちであることが多い。したがって、電気効率を優先する場合、機能ごとに最適なＬＥＤおよびその点灯回路を選定して車両用前照灯に搭載することが考えられる。しかしながら、この場合、基本的に機能の数だけ点灯回路が必要となり、コストやスペースの面で不利である。

近年、光源としてＬＥＤのアレイを採用し、各ＬＥＤを個別に点消灯する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の点灯装置では、各ＬＥＤに並列にスイッチ素子が設けられ、そのスイッチ素子のオンオフによりＬＥＤの個別点灯・消灯が実現されている。

特開２００９−１３４９３３号公報

特許文献１に記載の技術では、ひとつの点灯回路でＬＥＤの個別点灯・消灯が可能となるものの、対応するスイッチ素子がオフとなっているＬＥＤには実質的に同じ大きさの電流が流れる。したがって、複数の機能のそれぞれが必要とする明るさを実現しようとする場合、必要な明るさが小さいほど電力の無駄が発生して電気効率が悪化しうる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の機能を実現する場合に電気効率を改善できる半導体光源制御装置の提供にある。

本発明のある態様は、半導体光源制御装置に関する。この半導体光源制御装置は、直列に接続された複数の半導体光源に駆動電流を供給する変換部と、駆動電流が目標値に近づくよう変換部を制御する制御部と、複数の半導体光源のうちの少なくとも一部と並列に接続されたバイパススイッチと、を備える。複数の半導体光源は複数の光源群で構成されており、各光源群は１つ以上の半導体光源からなると共に所定の機能に対応する。本半導体光源制御装置は、外部から入力される機能情報に基づいてバイパススイッチのオンオフを制御することにより光源群の機能の動作／非動作を個別に制御可能に構成される。制御部は、機能情報に基づいて目標値を変化させる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、複数の機能を実現する場合に電気効率を改善できる半導体光源制御装置を提供できる。

実施の形態に係るＬＥＤ制御装置の構成を示す回路図である。ハイビーム照射機能が非動作から動作に切り替わるときの図１の制御部における一連の処理を示すフローチャートである。ハイビーム照射機能が動作から非動作に切り替わるときの図１の制御部における一連の処理を示すフローチャートである。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、信号には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面において説明上重要ではない部材の一部は省略して表示する。また、電圧、電流あるいは抵抗などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値を表すものとして用いることがある。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂとの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０の構成を示す回路図である。ＬＥＤ制御装置１０は、電子制御ユニット（Electronic Control Unit）２０および直列に接続された複数（Ｎ個）の車載用のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎと接続される。Ｎは２以上の自然数である。ＬＥＤ制御装置１０およびＮ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎは前照灯などの車両用灯具に搭載される。ＬＥＤ制御装置１０は、半導体光源であるＮ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎを制御する光源制御装置である。

ＬＥＤ制御装置１０は、ロービーム照射機能やハイビーム照射機能やグレア抑制機能や歩行者スポット機能や電子スイブル機能などの各種機能を実現可能に構成される。グレア抑制機能は、ＬＥＤ制御装置１０およびＮ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎが搭載された車両用前照灯の照射領域のうち対象すなわち前走車、対向車に対応する部分の明るさを抑えることで、前走車や対向車に対するグレアを抑制する機能である。歩行者スポット機能は、車両用前照灯の照射領域のうち対象すなわち歩行者に対応する部分の明るさを上げることで、歩行者を照らし出す機能である。電子スイブル機能は、モータやアクチュエータなどの機械的な手段によらず電子的な手段によって車両用前照灯の照射方向を左右方向に偏向制御する機能である。グレア抑制機能、歩行者スポット機能、電子スイブル機能はいずれもハイビーム照射機能がオンとなっているときに実現される機能である。

Ｎ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎは複数のＬＥＤ群で構成されている。各ＬＥＤ群は１つ以上のＬＥＤからなると共に上記機能のうちのひとつの機能に対応する。特に、第１ＬＥＤ４０−１はロービーム照射機能に対応するロービームＬＥＤ群４２を構成する。第２ＬＥＤ４０−２〜第ＮＬＥＤ４０−Ｎはハイビーム照射機能に対応するハイビームＬＥＤ群４４を構成する。ロービームＬＥＤ群４２には所定の配光領域を所定の明るさで照らすことが求められる一方、ハイビームＬＥＤ群４４にはグレア抑制機能、歩行者スポット機能、電子スイブル機能等を実現可能なように柔軟に配光領域を変えることができる能力が求められている。したがって、ハイビームＬＥＤ群４４は同等の特性を有する複数の（Ｎ−１個の）ＬＥＤ４０−２〜４０−Ｎにより構成され、その定格電流（以下、第１定格電流と称す）はロービームＬＥＤ群４２を構成する第１ＬＥＤ４０−１の定格電流（以下、第２定格電流と称す）よりも小さい。これにより、ハイビームの配光領域を複数のＬＥＤでカバーすることによってハイビームの配光の柔軟性を確保しつつ、ロービームの配光領域をよりハイパワーのＬＥＤにより効率的に照らすことができる。

電子制御ユニット２０は、自動車などの車両の電気的な制御を総合的に行うためのマイクロコンピュータである。電子制御ユニット２０はスイッチＳＷを介して車載バッテリ３０と接続され、スイッチＳＷがオンされると車載バッテリ３０からバッテリ電圧Ｖｂａｔを受ける。電子制御ユニット２０は、ＬＥＤ制御装置１０に入力電圧Ｖｉｎとして直流のバッテリ電圧Ｖｂａｔを供給する。電子制御ユニット２０は、ＬＥＤ制御装置１０に入力電圧Ｖｉｎよりも低い固定電圧すなわち接地電位Ｖ_ＧＮＤ（＝０Ｖ）を供給する。電子制御ユニット２０は、車両用前照灯の各種機能のオンオフを示す機能情報を含む機能情報信号Ｓａを生成し、ＬＥＤ制御装置１０に供給する。

ＬＥＤ制御装置１０は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧または降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、Ｎ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎに印加する。ＬＥＤ制御装置１０はＮ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎに駆動電流Ｉｏｕｔを供給し、それらを点灯させる。ＬＥＤ制御装置１０は、入力電圧Ｖｉｎを受けて駆動電流Ｉｏｕｔを生成する変換部１０２と、駆動電流Ｉｏｕｔが電流目標値に近づくよう変換部１０２を制御する制御部１０８と、Ｎ個のバイパススイッチ１１０−１〜１１０−Ｎと、を備える。

ＬＥＤ制御装置１０はＮ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎの点灯・消灯を個別に制御できるよう構成されている。Ｎ個のバイパススイッチ１１０−１〜１１０−Ｎのそれぞれは対応するＬＥＤと並列に接続され、例えばｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成される。制御部１０８は、各バイパススイッチ１１０−１〜１１０−Ｎの制御端子に制御信号を供給する。制御部１０８は、所望の輝度や配光パターンが得られるよう、各制御信号のレベルを個別に制御する。

変換部１０２は、電圧制御コンバータ１０６と、電流制御コンバータ１０４と、を含む。電圧制御コンバータ１０６は、入力電圧Ｖｉｎを、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのトランジスタであってもよい第１スイッチング素子１１２を使用して、中間電圧Ｖｍに変換する。電圧制御コンバータ１０６は、電流制御コンバータ１０４に入力される電圧を安定させるべく電流制御コンバータ１０４と接続される。第１スイッチング素子１１２のゲートには、制御部１０８から第１駆動信号Ｓ１が入力される。第１駆動信号Ｓ１は、中間電圧Ｖｍが電圧目標値に近づくようにパルス変調された矩形波状の信号である。第１スイッチング素子１１２は第１駆動信号Ｓ１により定まるオンデューティでオンオフする。

電流制御コンバータ１０４は、中間電圧Ｖｍを、第２スイッチング素子１１４を使用して駆動電流Ｉｏｕｔに変換する。第２スイッチング素子１１４のゲートには、制御部１０８から第２駆動信号Ｓ２が入力される。第２駆動信号Ｓ２は、駆動電流Ｉｏｕｔが電流目標値に近づくようにパルス変調された矩形波状の信号である。第２スイッチング素子１１４は第２駆動信号Ｓ２により定まるオンデューティでオンオフする。

制御部１０８は、機能情報信号Ｓａに含まれる機能情報に基づいて、Ｎ個のバイパススイッチ１１０−１〜１１０−Ｎのオンオフを制御することにより各機能の動作／非動作を個別に制御する。特に制御部１０８は、機能情報がロービーム照射機能のオンを示す場合、第１バイパススイッチ１１０−１をオフ状態にする。この場合、第１ＬＥＤ４０−１に駆動電流Ｉｏｕｔが流れる。制御部１０８は、機能情報がハイビーム照射機能のオフを示す場合、第２バイパススイッチ１１０−２〜第Ｎバイパススイッチ１１０−Ｎを全てオン状態にする。この場合、駆動電流Ｉｏｕｔは、ハイビームＬＥＤ群４４ではなく第２バイパススイッチ１１０−２〜第Ｎバイパススイッチ１１０−Ｎにより形成される直列回路を流れる。

制御部１０８は、駆動電流Ｉｏｕｔの経路上に設けられた電流検出抵抗１１６における電圧降下を取得することにより、駆動電流Ｉｏｕｔを検出する。制御部１０８は、検出された駆動電流Ｉｏｕｔが電流目標値に近づくように第２スイッチング素子１１４のオンオフを制御する。特に制御部１０８は、第２駆動信号Ｓ２のデューティ比を調整する。制御部１０８は中間電圧Ｖｍを検出し、検出された中間電圧Ｖｍが電圧目標値に近づくように第１スイッチング素子１１２のオンオフを制御する。特に制御部１０８は、第１駆動信号Ｓ１のデューティ比を調製する。

制御部１０８は、機能情報に基づいて電圧目標値および電流目標値を変化させる。特に制御部１０８は、電流目標値を、動作している機能に対応するＬＥＤ群における定格電流の最小値よりも小さくなるよう設定する。すなわち、制御部１０８は、ハイビーム照射機能が動作しているときは電流目標値をハイビームＬＥＤ群４４の第１定格電流よりも小さくなるよう設定する。制御部１０８は、ハイビーム照射機能が非動作でありロービーム照射機能が動作しているときは電流目標値をロービームＬＥＤ群４２の第２定格電流よりも小さくなるよう設定する。ハイビーム照射機能が動作しているときの電流目標値（以下、ハイ電流目標値と称す）は、ハイビーム照射機能が非動作でありロービーム照射機能が動作しているときの電流目標値（以下ロー電流目標値と称す）よりも小さい。

以下の表は、機能情報に基づくＬＥＤ制御装置１０における各種制御の振る舞いを示す。

電圧制御コンバータ１０６の電圧目標値は２値である。ハイビーム照射機能およびロービーム照射機能の両方がオンのときの順方向降下電圧の合計は、ロービーム照射機能がオンでありハイビーム照射機能がオフであるときの順方向降下電圧の合計よりも大きい。したがって、ハイビーム照射機能がオンのときは電圧目標値をより高い値（例えば、Ｎ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎの順方向降下電圧の合計値に相当する値、以下、ハイ電圧目標値と称す）に変え、逆にハイビーム照射機能がオフのときはより低い値（例えば、第１ＬＥＤ４０−１の順方向降下電圧に相当する値、以下、ロー電圧目標値と称す）に変える。

制御部１０８は、機能情報に基づくバイパススイッチをオンオフするための処理と、機能情報に基づく電圧目標値、電流目標値を変えるための処理と、を一連の処理として実行する。

図２は、ハイビーム照射機能が非動作から動作に切り替わるときの制御部１０８における一連の処理を示すフローチャートである。制御部１０８は、電子制御ユニット２０から、ハイビーム照射機能をオンするための指示を受け付ける（Ｓ２０２）。特に制御部１０８は、機能情報信号Ｓａに含まれる機能情報の状態が、ハイビーム照射機能のオフを示す状態からオンを示す状態に変わると、それをハイビーム照射機能をオンするための指示として受け付ける。制御部１０８は、電圧目標値をより大きな値に切り替える（Ｓ２０４）。すなわち、制御部１０８は電圧目標値をロー電圧目標値からハイ電圧目標値に切り替える。電圧目標値の変更後、制御部１０８は、電流目標値をより小さな値に切り替える（Ｓ２０６）。すなわち、制御部１０８は、電流目標値をロー電流目標値からハイ電流目標値に切り替える。電圧目標値および電流目標値の変更が完了した後、制御部１０８は、第２バイパススイッチ１１０−２〜第Ｎバイパススイッチ１１０−Ｎをオン状態からオフ状態に切り替える（Ｓ２０８）。

図３は、ハイビーム照射機能が動作から非動作に切り替わるときの制御部１０８における一連の処理を示すフローチャートである。図３に示されるシーケンスは基本的に図２に示されるシーケンスの逆となる。すなわち、制御部１０８は、ハイビーム照射機能をオフするための指示を受け付ける（Ｓ２１０）と、第２バイパススイッチ１１０−２〜第Ｎバイパススイッチ１１０−Ｎをオフ状態からオン状態に切り替える（Ｓ２１２）。このバイパススイッチの制御によりハイビーム照射機能の非動作化が完了した後に、制御部１０８は、電流目標値をより大きな値に切り替え（Ｓ２１４）、電圧目標値をより小さな値に切り替える（Ｓ２１６）。

本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０によると、機能情報に基づいて各種機能の動作／非動作が制御されると共に機能情報に基づいて電流目標値が切り替えられる。したがって、機能によって必要な明るさ（すなわち、必要な駆動電流）はまちまちであるという状況において、動作している機能で必要な駆動電流に電流目標値を合わせることができる。これにより、様々な機能の実現を可能としつつ、余分な駆動電流をカットすることで瞬間の出力電力を低減することができる。また、損失を低減できる。

本実施の形態に係る思想を適用しない場合、電流目標値を全機能の中で最大の必要電流としておき、必要な駆動電流が小さな機能はバイパススイッチを高速でオンオフさせるＰＷＭ調光で制御することが考えられる。しかしながら、バイパススイッチのＰＷＭ調光のオフが多い時間には出力電力が大きくなり、損失が大きくなる。これに対して本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０では、機能が必要とする駆動電流に電流目標値を近づけることができるので、損失を低減できる。

また、本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０では、機能情報に基づいて各種機能の動作／非動作が制御されると共に機能情報に基づいて電圧目標値が切り替えられる。したがって、動作している機能が少ないときは電圧目標値を低くすることで、電気効率を高めて損失を低減できる。

また、本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０では、より定格電流の小さなＬＥＤ４０−２〜４０−Ｎに対応するバイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎがオフされうる状態においては電流目標値はより小さな値となるような制御が行われる。言い換えると、電流目標値がロー電流目標値であるならば、バイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎは全てオンで維持されるような制御が行われる。したがって、より定格電流の大きな第１ＬＥＤ４０−１に大きな駆動電流を供給可能でありながら、より定格電流の小さなＬＥＤ４０−２〜４０−Ｎにその定格以上の駆動電流が流れることを抑制できるＬＥＤ制御装置１０が提供される。

また、本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０では、ロービーム照射機能のみがオンの場合と比べて、ハイビーム照射機能およびロービーム照射機能の両方がオンの場合のほうが全体の光の量（＝全光束）が大きくなる。したがって、両方がオンの場合に電流目標値を下げても違和感を与えることはなく、より少ない電力で良好な配光を実現することができる。これにより、機能別に最適なＬＥＤを選定する際の選択の幅が増えコスト低減につながる。

ハイビームの消灯状態からハイビームの点灯に切り替える場合、まずハイビーム照射機能に対応する各バイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎをオフにし、その後、電圧目標値を高くすることが考えられる。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔが所定値（Ｎ個のＬＥＤ４０−１〜４０−Ｎの順方向降下電圧の合計値に相当する値）まで上昇して定電圧制御するまでの間、ＬＥＤの発光が不安定になりうる。これに対して、本実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０では、電圧目標値を高くした後にバイパススイッチのオンオフが実行される。これにより、ＬＥＤをより安定的に発光させることができる。

以上、実施の形態に係るＬＥＤ制御装置１０について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、ハイビーム照射機能が動作している場合、ハイビーム照射機能に対応するバイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎはオフとなる場合（表１参照）について説明したが、これに限られない。例えば、ハイビーム照射機能が動作しているとき、グレア抑制機能や電子スイブル機能などの他の機能が動作することにより、ハイビーム照射機能に対応するバイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎは個別に以下の３つの状態のうちのいずれかの状態を取ってもよい。
（１）オフ状態維持
（２）オンオフの繰り返し
（３）オン状態維持。
すなわち、電流目標値がより小さい値（ハイ電流目標値）のときにバイパススイッチ１１０−２〜１１０−Ｎの全てがオフ状態を維持する必要はない。

１０ＬＥＤ制御装置、２０電子制御ユニット、３０車載バッテリ、１０２変換部、１０４電流制御コンバータ、１０６電圧制御コンバータ、１０８制御部。

Claims

直列に接続された複数の半導体光源に駆動電流を供給する変換部と、
駆動電流が目標値に近づくよう前記変換部を制御する制御部と、
前記複数の半導体光源のうちの少なくとも一部と並列に接続されたバイパススイッチと、を備え、
前記複数の半導体光源の一つ以上は第１光源群を構成し、前記複数の半導体光源の別の一つ以上は第２光源群を構成しており、前記第１光源群および前記第２光源群はそれぞれ第１照射機能および第２照射機能に対応し、
本半導体光源制御装置は、外部から入力される機能情報に基づいて前記バイパススイッチのオンオフを制御することにより光源群の機能の動作／非動作を個別に制御可能に構成され、
前記第１光源群を構成する半導体光源は、第１定格電流を有し、
前記第２光源群を構成する半導体光源は、前記第１定格電流より小さい第２定格電流を有し、
前記制御部は、（i）前記第１照射機能がオンであるとき、前記第１光源群を構成する半導体光源と並列なバイパススイッチをオフ、前記第２光源群を構成する半導体光源と並列なバイパススイッチをオンし、前記駆動電流の前記目標値を、前記第１定格電流より小さく、前記第２定格電流より大きい第１目標電流値に設定し、（ii）前記第２照射機能がオンであるとき、少なくとも前記第２光源群を構成する半導体光源と並列なバイパススイッチをオフし、前記駆動電流の前記目標値を、前記第２定格電流より小さい第２目標電流値に設定することを特徴とする半導体光源制御装置。
前記半導体光源制御装置は、車両用前照灯に搭載され、
前記第１照射機能はロービーム、前記第２照射機能はハイビームの機能に対応することを特徴とする請求項１に記載の半導体光源制御装置。
前記制御部は、前記第２光源群を構成する半導体光源と並列なバイパススイッチをオンして前記第２照射機能の非動作化が完了した後に、前記目標値を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光源制御装置。
前記制御部は、前記第２光源群を構成する半導体光源と並列なバイパススイッチをオフして前記第２照射機能の動作化を行う前に、前記目標値を小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光源制御装置。
前記変換部は、
入力電圧を駆動電流に変換する電流制御コンバータと、
前記電流制御コンバータの入力電圧を安定させるべく前記電流制御コンバータと接続された電圧制御コンバータと、を含み、
前記制御部は、機能情報に基づいて前記電圧制御コンバータの目標電圧を変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体光源制御装置。