JP6507602B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関する。

レーザー光線を生成するレーザーダイオードに電力を供給する電源装置は、昨今の省エネ志向から更なる省エネルギー、すなわちエネルギー変換効率の改善が求められている。

従来の電源装置として、リアクトルと、ダイオードと、スイッチング素子と、によって形成されるループを備える電源装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

図８は、従来技術の例である特許文献１の図１である。図８に示すように、受来技術の電源制御装置は、リアクトル４と、ダイオード３と、スイッチング素子２５と、をによって形成されるループを備える。この電源制御装置は、特にレーザー駆動パルス電流の立ち上がり速度を速くすることを課題としてなされたものである。

この電源制御装置は、電流ＯＦＦ時にリアクトル４にエネルギーをチャージし、電流を流す場合にはスイッチング素子２５をＯＦＦ、スイッチング素子２３をＯＮにして、リアクトル４にチャージしたエネルギーをレーザーダイオードＬＤに印加するものである。

リアクトル４に通電される電流は電流制御用スイッチング素子２のスイッチング動作によって常に一定に保たれており、電流ＯＦＦ時はリアクトル４、スイッチング素子２５、ダイオード３によって電流ループが形成され、各素子でのエネルギー損失分は電流制御用スイッチング素子２から補われる。電流ＯＮ時はリアクトル４、スイッチング素子２３、レーザーダイオードＬＤ、ダイオード３によって電流ループが形成され、各素子のエネルギー損失分は電流制御用スイッチング素子２から補われる。

この従来技術においては、レーザーダイオードＬＤをＯＦＦしている間は、リアクトル４のチャージが完了した後も電流ループに電流が流れ、リアクトル４、ダイオード３、及びスイッチング素子２５においてエネルギーが消費され、エネルギー変換効率を悪化させている。

本発明は上記の問題に鑑み、レーザーダイオードをＯＦＦしている間の電力損失を削減し、エネルギー変換効率を改善することができる電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、１次巻線と、１次巻線の巻き数よりも大きい巻き数である２次巻線とを備えるトランスと、１次巻線に直列に接続された電源を含み、１次巻線に電力を供給する電源部と、電源に並列に接続されたダイオード、１次巻線に並列に接続された第１のスイッチング素子およびダイオードと第１のスイッチング素子との間に接続されたリアクトルと、を有する電流ループと、前記１次巻線の電流の大きさを検知し、前記１次巻線の電流の大きさと基準電流との差に基づいて前記第１のスイッチング素子のＯＮ抵抗を調整するＯＮ抵抗調整回路と、を備え、第１のスイッチング素子の制御により電流を電流ループに環流させることで１次巻線への電流の疎通を制御することを特徴とする、電源装置を提供する。

本発明によれば、レーザーダイオードをＯＦＦしている間の電力損失を削減し、エネルギー変換効率を改善することができる電源装置を提供することができる。

第１の実施形態の電源装置の構成図である。 レーザーダイオードがＯＦＦの場合の電源装置の状態を示す図である。 レーザーダイオードがＯＮの場合の電源装置の状態を示す図である。 第１の実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態の電源装置の構成図である。 第２の実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。 第３の実施形態の電源装置の構成図である。 従来技術の例である特許文献１の図１である。

以下、本発明の一実施形態に係る電源装置について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の電源装置の構成図である。図１に示すように、電源装置は、電流ループ１２と、電源部１１と、トランス６と、を備える。

電流ループ１２は、電流が環流するように接続されるダイオード３、リアクトル４、及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子５を備える。

ダイオード３のカソードには、リアクトル４の一方の端子が接続され、リアクトル４の他方の端子はＰｃｈのＭＯＳ ＦＥＴ（ｍｅｔａｌ‐ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ電界効果トランジスター）であるレーザーダイオード制御用スイッチング素子５のソース端子が接続され、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のドレイン端子がダイオード３のアノードに接続されることにより電流ループ１２が形成される。

レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のゲート端子は外部のコントローラに接続され、ＯＮ／ＯＦＦが制御される。

電源部１１は、電流ループ１２に一定の電流が流れるように電流ループ１２に電力を供給する。

電流ループ１２の内部、例えば、ダイオード３とレーザーダイオード制御用スイッチング素子５を接続する線路に電流の大きさを検知する電流検知素子８が設けられる。この電流検知素子８の出力はスイッチング制御回路９に入力される。

スイッチング制御回路９は、電源１と直列に接続されるリアクトル４の間に設けられる電流制御用スイッチング素子２であるＰｃｈのＭＯＳ ＦＥＴを制御する。すなわち、電流制御用スイッチング素子２のソース端子は電源１に接続され、ドレイン端子はリアクトル４に接続され、ゲート端子はスイッチング制御回路９に接続される。

スイッチング制御回路９は、電流検知素子８の出力に基づいて、電流ループ１２に流れる電流が一定になるようにＰＦＭ（ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス周波数変調）制御された制御信号によって電流制御用スイッチング素子２をＯＮ／ＯＦＦする。

トランス６のｎターン巻かれた１次巻線は、電流ループ１２のレーザーダイオード制御用スイッチング素子５と並列に接続される。また、トランス６のｍターン巻かれた２次巻線はレーザーダイオード７に接続される。トランス６の２次巻線はレーザーダイオード７を介してループを形成する。

ここで、本実施形態においては、トランス６の１次巻線の巻き数ｎを２次巻線の巻き数ｍよりも十分大きくする。例えば、ｎ：ｍ＝１：１００などとすることができる。このように巻き数を設定することにより電流ループ１２に流れる電流を小さくすることが可能となり、ダイオード３、リアクトル４、及びレーザーダイオード制御用スイッチング素子５における抵抗損失を削減でき、エネルギー変換効率を改善することが可能となる。

電源１は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることが望ましい。電源１は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることによって、リアクトル４の出力電圧よりリアクトル４への供給電圧を高くすることにより、トランス６の１次巻線に通電する場合においても電源からの電流供給が可能となる。

次に、本実施形態の電源装置の動作について説明する。

図２は、レーザーダイオード７がＯＦＦの場合の電源装置の状態を示す図である。図２に示すように、レーザーダイオード７がＯＦＦの場合は、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のゲート端子にＬＯＷの信号が印加される。この場合、トランス６の１次巻線よりレーザーダイオード制御用スイッチング素子５のインピーダンスが低いため、矢印Ａ１に示すように、リアクトル４、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５、ダイオード３を介して電流ループ１２を環流する電流が流れる。すなわち、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５はトランス６の１次巻線への電流の疎通を制御している。

各素子でのエネルギー損失分は、矢印Ｂ１に示すように電源部１１から電流が供給される。

このとき、リアクトル４にエネルギーがチャージされる。

図３は、レーザーダイオード７がＯＮの場合の電源装置の状態を示す図である。図３に示すように、レーザーダイオード７がＯＮの場合は、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のゲート端子にＨＩＧＨの信号が印加される。この場合、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５はＯＦＦとなり、矢印Ａ２に示すように、リアクトル４、トランス６の１次巻線、ダイオード３を介する電流が流れる。

各素子でのエネルギー損失分は、矢印Ｂ２に示すように電源部１１から電流が供給される。

トランス６の１次巻線に電流が流れると、矢印Ｃ２に示すように、２次巻線に巻線比に対応する電流が流れ、レーザーダイオード７に電力が供給される。

図４は、電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。図４においては、レーザーダイオード７の発光が２回分記載され、また、ＰＦＭ制御はＯＮ幅が一定であり、最大周波数のときデューティー比５０％の例を示す。

図４に示すように、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５がＯＦＦされると（ＬＤ制御用スイッチング素子）、リアクトル４から電流がトランス６の１次巻線に通電される（レーザーダイオードＯＲ ｎ．１次巻線通電電流）。このとき、トランス６の２次巻線にも同時に巻線比に応じた電流が通電される。２次巻線に接続されたレーザーダイオード７には、順方向の電圧ＶＦが生じ、１次巻線の両端には巻線比に応じた電圧が生じる。

このとき、リアクトル４から出力される電流の傾きはｄｉ＝Ｖ／Ｌｄｔとなり、リアクトル４の電流が低下する（リアクトル通電電流）。ここで、Ｖはリアクトル４のインダクタンス値、Ｖはリアクトル４の両端電圧である。ｄｉ／ｄｔは時間に対する電流の変化量である。

リアクトル４から出力される電流が低下すると、スイッチング制御回路９は電流検知素子８の出力に基づいて、ＰＦＭの周波数を大きくする。図４においては、スイッチング制御回路９は、リアクトル通電電流がＰＦＭ制御基準電流値を下回ったときに、最大周波数にて電流制御用スイッチング素子２を制御する（電流制御用スイッチング素子通電電流（ＰＦＭ制御））。

ここで、電源１の電圧がリアクトル４の電圧より低い場合、リアクトル４に対して電流を増加させることができない状態にてリアクトル４の電流が電源１、電流制御用スイッチング素子２を経由して流れるのみとなる。

この点、上述したように電源１に昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることが望ましい。

レーザーダイオード制御用スイッチング素子５がＯＮされると、トランス６の１次巻線に通電されていた電流は、よりインピーダンスの低いレーザーダイオード制御用スイッチング素子５に通電される。

同時に、トランス６の２次巻線の電流も停止し、リアクトル４の出力電圧はほぼ０Ｖとなる。レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のＯＮ電圧は十分小さい。このとき、リアクトル４の電流はレーザーダイオード７によって消費されたエネルギーの分だけ低下しているため、スイッチング制御回路９は、電流検知素子８の出力に基づいて、周波数を大きくする。具体的には、スイッチング制御回路９は、最大周波数により連続動作する（過渡状態）。そして、リアクトル４のチャージが完了すると周波数を下げて元に戻す（平衡状態）。

ここで、平衡状態におけるリアクトル４の電流傾きは、ｄｉ＝Ｖ／Ｌｄｔであり、リアクトル４の両端電圧Ｖ＝ダイオード３の電圧ＶＦ＋レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のＯＮ電圧＋リアクトル４の両端電圧（抵抗成分による電圧）となり、微少な値となる。

この電圧値にリアクトル４の電流値を乗じた値がレーザーダイオード７のＯＦＦ時における電力損失となる。本実施形態においては、このリアクトル４の電流を、トランス６を用いて１次巻線の巻き数を２次巻線より少なくすることによりその巻線比によって小さくし、電力損失を抑える。

以上述べたように、本実施形態の電源装置は、リアクトル４を備える電流ループ１２に並列にトランス６の１次巻線を接続し、２次巻線の巻き数を１次巻線より多くする。

従って、レーザーダイオード７がＯＦＦのときにおける電流ループ１２における電力損失を低減することができるという効果がある。

（第２の実施形態）
本実施形態の電源装置の構成は、第１の実施形態の電源装置の構成にＯＮ抵抗調整回路をさらに備えることの他は第１の実施形態の電源装置と同様である。従って、ＯＮ抵抗調整回路について説明する。

本実施形態は、精度の高い電流制御を行うものである。第１の実施形態においては、レーザーダイオード７に流れる電流に傾きがあった。この傾きをフラットにするためには、リアクトル４の放電電流の傾きを緩やかにする必要がある。

この方法として、（１）リアクトル４のインダクタンスを大きくする、（２）リアクトル４の出力電圧を小さくする、などの方法がある。

（１）リアクトル４のインダクタンスを大きくする方法においては、リアクトル４のサイズの大型化や巻線インピーダンスの増加となり、（２）リアクトル４の出力電圧を小さくする方法においては、トランス６の１次巻線の巻線比をさらに小さくすることが必要であり、リアクトル電流が属してエネルギー損失が増える。

そこで、本実施形態においては、ＯＮ抵抗調整回路を設け、トランス６の１次巻線に流れる電流が一定になるようにレーザーダイオード制御用スイッチング素子５のＯＮ抵抗を調整する。

図５は、本実施形態の電源装置の構成図である。図５に示すように、ＯＮ抵抗調整回路は、トランス６の１次巻線の電流の大きさを検知する１次巻線電流検知素子５２と、１次巻線電流検知素子５２の出力と、基準電流５３とを比較し、比較結果をレーザーダイオード制御用スイッチング素子５のゲート端子に出力する比較器５１と、を備える。基準電流５３は、電流の傾きがある電流値より小さく設定される。

本実施形態においては、リアクトル４に流す電流をレーザーダイオード７に通電する電流より十分大きくしてレーザーダイオード制御用スイッチング素子５に余剰分の電流を流す。

トランス６の１次巻線に流れる電流が基準電流５３より大きい場合、比較器５１は基準電流５３との差の大きさに対応したＨＩＧＨ信号を出力する。従って、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のＯＮ抵抗はこのＨＩＧＨ信号に応じて変化し、基準電流５３に対応する電流より大きい電流は流れず、電流の傾きはフラットになる。

図６は、本実施形態の電源装置の電流波形を示すタイミングチャートである。図６に示すように、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５は、基準電流５３より大きい電流に対応する電流がゲート端子に印加されるため、ＯＮ抵抗が変化する（ＬＤ制御用スイッチング素子通電電流）。このため、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５がＯＦＦしているときの１次巻線の通電電流は、傾きがフラットになる。

以上述べたように、本実施形態の電源装置は、基準電流５３よりも大きい電流値の電流をレーザーダイオード制御用スイッチング素子５に印加し、レーザーダイオード制御用スイッチング素子５のＯＮ抵抗を変化させるＯＮ抵抗調整回路を備える。

従って、電流精度の高い電流を、電力損失を低減させながら供給することができるという効果がある。

（第３の実施形態）
本実施形態の電源装置の構成は、第２の実施形態の電源装置の構成におけるトランス６に中間引出トランス６Ａを用い、センタータップにレーザーダイオード制御用スイッチング素子５と並列に１次巻線のセンタータップを短絡／開放するセンタータップスイッチ７１を設けた点の他は、第２の実施形態の電源装置と同様である。従って、この差異のある部分について説明する。

レーザーダイオード７の制御において、レーザー発光の通電以前にバイアスとして弱電流を通電することがある。本実施形態の電源装置はこのバイアス電流の通電ＯＦＦ時にも損失エネルギーの低減を可能にするものである。

図７は、本実施形態の電源装置の構成図である。図７に示すように、中間引出トランス６Ａは、第１の１次巻線と第２の１次巻線とは同方向に巻かれており、直列に接続される。第１の１次巻線はｎターン巻かれ、第２の１次巻線はｓターン巻かれ、２次巻線はｍターン巻かれる。

巻き数の関係は、ｎ＋ｓ＜ｍである。

センタータップスイッチ７１のソース端子はリアクトル４の出力端子のレーザーダイオード制御用スイッチング素子５への接続部よりも中間引出トランス６Ａ側に接続され、ドレイン端子は、中間引出トランス６Ａのセンタータップに接続され、ゲート端子は外部のコントローラに接続される。

コントローラは、レーザーダイオード７をＯＦＦするタイミング、すなわちレーザーダイオード制御用スイッチング素子５をＯＮするタイミングにて、センタータップスイッチ７１を短絡させる。

従って、このタイミングにて第１の１次巻線に電流が通電され、巻線比ｎ：ｍの割合に応じたバイアス電流が２次巻線に流れ、レーザーダイオード７に通電される。

バイアス電流が通電されている間、第１及び第２の実施形態と同様に電流ループ１２内における損失エネルギーが低減される。

コントローラは、レーザーダイオード７をＯＮするタイミング、すなわちレーザーダイオード制御用スイッチング素子５をＯＦＦするタイミングにて、センタータップスイッチ７１を解放させる。

従って、このタイミングにて巻線比（ｎ＋ｓ）：ｍの割合に応じた電流が２次巻線に流れる。

以上述べたように、本実施形態の電源装置は、トランス６に中間引出トランス６Ａを用い、センタータップにレーザーダイオード制御用スイッチング素子５と並列に１次巻線のセンタータップを短絡／開放するセンタータップスイッチ７１を設け、コントローラは、レーザーダイオード７をＯＦＦするタイミングにて、センタータップスイッチ７１を短絡させる。

従って、バイアス電流が通電されている間も、電流ループ１２内における損失エネルギーが低減されるという効果がある。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の電源装置は上記実施形態の構成に限定されるものでない。

当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の電源装置を適宜改変することができる。このような改変によってもなお本発明の電源装置の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。

３：ダイオード
４：リアクトル
５：レーザーダイオード制御用スイッチング素子
６：トランス
６Ａ：中間引出トランス
７：レーザーダイオード
８：電流検知素子
９：スイッチング制御回路
１１：電源部
１２：電流ループ
５１：比較器
５２：１次巻線電流検知素子
５３：基準電流
７１：センタータップスイッチ

特開平１１−８７８１７号公報

Claims (6)

1. １次巻線と、前記１次巻線の巻き数よりも大きい巻き数である２次巻線とを備えるトランスと、
   前記１次巻線に直列に接続された電源を含み、前記１次巻線に電力を供給する電源部と、
   前記電源に並列に接続されたダイオード、前記１次巻線に並列に接続された第１のスイッチング素子および前記ダイオードと前記第１のスイッチング素子との間に接続されたリアクトルと、を有する電流ループと、
   前記１次巻線の電流の大きさを検知し、前記１次巻線の電流の大きさと基準電流との差に基づいて前記第１のスイッチング素子のＯＮ抵抗を調整するＯＮ抵抗調整回路と、
   を備え、
   前記第１のスイッチング素子の制御により電流を前記電流ループに環流させることで前記１次巻線への電流の疎通を制御することを特徴とする、電源装置。
2. 前記電源部は、第２のスイッチング素子をさらに含み、
   前記電流ループは、電流の大きさを検知する電流検知素子をさらに含み、
   前記第２のスイッチング素子は前記電流検知素子の出力に基づいて制御されることを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第２のスイッチング素子は、前記電流検知素子に流れる電流が一定になるよう制御されることを特徴とする、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記電源は、パルス周波数変調により制御される請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記トランスは、
   センタータップを有し、第１の１次巻線と第２の１次巻線を直列に接続した中間引出トランスであり、
   前記第１の１次巻線と前記第２の１次巻線のいずれかを短絡／開放するセンタータップスイッチをさらに備え、
   前記センタータップスイッチは、
   前記第１のスイッチング素子の制御とともに短絡／開放されることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記２次巻線はレーザーダイオードに接続され、
   前記レーザーダイオードに電力を供給することを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電源装置。