JP6557860B2 - 半導体光源駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、半導体光源に高速パルス幅変調された駆動電流を供給する半導体光源駆動装置に関する。

特許文献１は、温度や電源電圧の変動、素子ばらつきの影響を抑えて一定レベルのパルス電流を出力できるＬＥＤ等の発光素子の駆動回路を開示する。

このＬＥＤ等の発光素子の駆動回路は、スイッチング電源から駆動対象へ供給される電力を断続させるスイッチと、駆動対象に流れた電流を検出し、当該検出結果に応じた検出信号を出力する検出手段と、検出手段から出力される検出信号と目標信号との誤差に応じた誤差信号を生成する誤差信号生成手段とを備える。また、信号保持手段を備えており、この信号保持手段は、スイッチがオンのとき、誤差信号生成手段で生成された誤差信号を平均化し、スイッチがオンからオフへ変化するとき、平均化した誤差信号を保持し、スイッチがオフからオンへ変化するとき、保持した誤差信号の信号レベルを初期レベルとして、誤差信号の平均化を開始する。スイッチがオフのとき、スイッチング電源による駆動対象への電力の供給を停止させ、スイッチがオンのとき、スイッチング電源が駆動対象へ供給する電力を信号保持手段で平均化された誤差信号に応じて制御する。

これにより、温度変化や電源電圧の変動、素子の製造ばらつきの影響を抑えて、一定レベルのパルス電流を出力することができる駆動回路を提供することができる。

特開２００４−１４７４３５号公報

本開示は、電力の効率が高く、パルス幅変調のオン時間比を変化させたときに半導体光源に過電流が流れることなく、パルス幅変調時の電流を制御することが可能な半導体光源駆動装置を提供する。

本開示における半導体光源駆動装置は、直流電源と、直流電源からの出力電圧が供給される半導体光源と、制御端子に与えられるＰＷＭ信号によりオン／オフ制御され、半導体光源に流れる電流を制御するスイッチング素子と、入力映像信号の１フレームごとのＰＷＭ信号のオン時間比が供給され、直流電源の出力電圧を制御するコントローラとを有し、コントローラは、入力されるＰＷＭ信号のオン時間比を監視し、入力映像信号の現フレームのオン時間比に比べて次フレームのオン時間比が増加することを検出すると、次フレームの開始前に直流電源の出力電圧を低下させるように制御する。

本開示における半導体光源駆動装置は、電力の変換効率が高く、パルス幅変調のオン時間比を変化させたときに、半導体光源に過電流が流れることなく、パルス幅変調時の電流を制御することが可能な、半導体光源駆動装置を提供するのに有効である。

実施の形態１における、半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図 出力電圧一定でオン時間比を変化させたときの出力電圧と半導体光源に流れる電流の波形を示す図 ピーク電流一定でオン時間比を変化させたときの出力電圧と半導体光源に流れる電流の波形を示す図 オン時間比が変化するタイミングで出力電圧を変化させたときの出力電圧と半導体光源に流れる電流の波形を示す図 実施の形態１における、目標電流値算出部のブロック図 実施の形態１における、設定されたＰＷＭ値と入力されるＰＷＭ信号の関係を示す図 実施の形態１における、オン時間比を変化させたときの、出力電圧、半導体光源に流れる電流の波形を示す図 実施の形態２における、半導体光源駆動装置の構成を示すブロック図

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態１）
以下、図１〜図７を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．半導体光源駆動装置の構成］
実施の形態１にかかる半導体光源駆動装置の構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は実施の形態１の半導体光源駆動装置が、投写型映像表示装置に使用された場合を示す要部ブロック図である。破線で囲まれた部分が、本実施の形態の半導体光源駆動装置１００であり、直流電源電圧を出力するスイッチング電源１０１を備える。スイッチング電源の両端間には、青色光を発光する複数の半導体レーザダイオード１０２の直列接続と、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１０３のソース・ドレイン間と、電流検出抵抗１０４とが直列に接続されている。青色光を発光する半導体レーザダイオード１０２は、半導体光源の一例、ＦＥＴ１０３はスイッチング素子の一例、電流検出抵抗１０４は電流検出素子の一例である。

ＦＥＴドライバ１０５は、ＰＷＭモジュレータ１０６から供給されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に従い、ＦＥＴ１０３をオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）駆動する制御を行う。

第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａ、及び第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂは、入力されるＡＰＬ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ）信号をＰＷＭのオン（ＯＮ）時間比（デューティ）に変換して出力し、目標電流値算出部１１０に供給する。第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａから出力されるオン時間比は、また、ＰＷＭモジュレータ１０６に入力され、そこで入力されるオン時間比に基づいてＰＷＭ信号が生成される。

目標電流値算出部１１０は、図５に示すように、信号選択部１１１、出力制御部１１２、目標電流値テーブル１１３を備える。信号選択部１１１は、第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａ、または第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂからのオン時間比を選択して出力する。出力制御部１１２は、垂直同期信号を受けて、信号選択部１１１で選択されたオン時間比を出力するタイミングを制御する。目標電流値テーブル１１３は、入力されるオン時間比に対応した目標平均電流値が格納されており、入力されるオン時間比に対応した目標平均電流値を出力する。この目標平均電流値は図１に示すコンパレータ１０８に出力される。

すなわち、目標電流値算出部１１０は、オン時間比情報を目標平均電流値に変換して出力する。ローパスフィルタ１０９は、電流検出抵抗１０４により検出した半導体レーザダイオード１０２に流れる電流を平均化し、コンパレータ１０８に平均電流を出力する。

コンパレータ１０８は、目標電流値算出部１１０からの平均電流値と、ローパスフィルタ１０９からの平均電流の値とを比較し、比較結果を制御用信号としてスイッチング電源１０１の制御端（不図示）に供給する。これにより、目標電流値算出部１１０からの平均電流の値と、ローパスフィルタ１０９からの平均電流値が等しくなるようにスイッチング電源１０１の出力電圧が制御される。

投写型映像表示装置内に設けられるビデオ処理回路２０１からのビデオ信号はＡＰＬ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ）回路２０３に供給される。ＡＰＬ回路２０３はＡＰＬ信号を生成し、それをディレイ回路２０２と、第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂに供給する。ディレイ回路２０２に入力されたＡＰＬ信号は、１フレーム期間遅延されて、第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａに供給される。また、ビデオ処理回路２０１で抽出された垂直同期信号は、目標電流値算出部１１０に供給される。

［１−２．半導体光源駆動装置の動作］
以上のように構成された半導体光源駆動装置について、その動作を以下説明する。

図１において、半導体レーザダイオード１０２とＦＥＴ１０３と電流検出抵抗１０４は直列に接続され、これら直列接続がスイッチング電源１０１の出力端間に接続される。このように直列接続されているため、電流検出抵抗１０４と半導体レーザダイオード１０２には同じ電流が流れ、その電流波形は、電流検出抵抗１０４の両端に電圧として検出される。

この電流検出抵抗１０４で得られた電流検出結果は、ローパスフィルタ１０９のカットオフ周波数が、ＰＷＭの繰り返し周波数に対して１／１０程度に十分小さい場合、ローパスフィルタ１０９によって、リップル成分の少ない平均電流値に変換される。

第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａ、または、第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂから目標電流値算出部１１０に入力されたＰＷＭのオン時間比は、そのＰＷＭのオン時間比に適応した平均電流値に変換される。目標電流値算出部１１０については、後ほど詳述する。

コンパレータ１０８は、目標電流値算出部１１０の出力とローパスフィルタ１０９の出力を比較し、それらが等しくなるようにスイッチング電源１０１の出力電圧を制御する。このような動作により、半導体レーザダイオード１０２に流れる電流の平均値は、目標電流値算出部１１０によって定められた、入力されるＰＷＭのオン時間比に適応した値に制御される。

ＦＥＴドライバ１０５は、入力されたＰＷＭ信号に従ってＦＥＴ１０３をＯＮ／ＯＦＦ制御して、半導体レーザダイオード１０２に流れる電流をＰＷＭ変調する。

図２に、スイッチング電源１０１の出力電圧を一定にして、ＰＷＭのオン時間比を変化させた時の半導体レーザダイオード１０２に流れる電流の一例を示す。図２において、横軸は時間、縦軸は１００％の電流値で正規化して表示している。半導体レーザダイオード１０２に流れる電流は、実際には矩形波にはならずに鋸状の波形になり、オン時間比を変化させるとその形状及び最大電流値が変化する。

このような現象は、ＦＥＴ１０３のスイッチング速度の制約による要因は少なく、電流が流れない時間に半導体レーザダイオードのジャンクション部の温度が低下し、半導体レーザダイオードのフォアード電圧が上昇することで発生する。オン直後の電流はそのフォアード電圧の上昇分を差し引いた電流値に収束した後、電流が流れることによるフォアード電圧の低下によりなだらかに電流が上昇する。

図３にオン時間比を変化させ、半導体レーザダイオード１０２に流れる電流のピーク電流が一定になるようにしたときの、スイッチング電源１０１の電圧の特性を示す。この図から分かるように、オン時間比に影響なく、ピーク電流を一定にするためには、オン時間比が小さくなるほど、スイッチング電源１０１の電圧を増加させる必要がある。

通常、半導体駆動装置では、瞬時に電圧を変化させることは困難である。このため、図４に示すように、オン時間比が変化するタイミングでスイッチング電源１０１の電圧を変化させたのでは、半導体レーザダイオード１０２を流れる電流のピーク値が変化する。オン時間比が減少した場合、図４において矢印Ａで示すように、一時的に、半導体レーザダイオード１０２を流れる電流のピーク値は減少する。また、オン時間比が増加した場合、矢印Ｂで示すように、一時的に、半導体レーザダイオード１０２を流れる電流のピーク値は増加する。特に、半導体レーザダイオード１０２を流れる電流のピーク値が増加したとき、半導体レーザダイオード１０２の破壊につながる可能性がある。

これに対処するため、実施の形態１にかかる半導体光源駆動装置では、半導体レーザダイオード１０２に過電流が流れないように、目標電流値算出部１１０により、スイッチング電源１０１の電圧の制御を行う。

図５は目標電流値算出部１１０の詳細を示すブロック図であって、信号選択部１１１では、現在入力されているＰＷＭ信号のオン時間比と、次に入力されるＰＷＭ信号のオン時間比を比較し、オン時間比の高い値を出力する。すなわち、現在の１フレーム期間に入力されているＰＷＭ信号のオン時間比は第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａから出力されるオン時間比であり、次に入力される１フレーム期間のＰＷＭ信号のオン時間比は第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂから出力されるオン時間比である。

出力制御部１１２では、信号選択部１１１から出力されたオン時間比を、垂直同期信号に同期して、目標電流値テーブル１１３に出力する。目標電流値テーブル１１３では、入力されたオン時間比から目標電流値を算出し、出力する。この目標電流値テーブル１１３からのオン時間比は、コンパレータ１０８に供給され、コンパレータ１０８はローパスフィルタ１０９の出力と目標電流値を比較し、目標電流値になるようにスイッチング電源１０１を制御する制御信号を出力する。このように、目標電流値算出部１１０と、コンパレータ１０８は、スイッチング電源１０１を制御するコントローラの一例である。映像信号に関しては、ビデオ処理回路２０１で発生した遅延と、ディレイ回路２０２の出力であるＡＰＬ信号が同期するように、ビデオ処理回路２０１でタイミングが調整される。

図６に、目標電流値の算出の一例を示す。次に入力されるＰＷＭ信号のオン時間比が、現在入力されているＰＷＭ信号のオン時間比より増加する場合、次に入力されるＰＷＭ信号のオン時間比を目標電流値の算出に使用する。この結果、ＰＷＭ信号が変化する前に、スイッチング電源１０１の電圧を低下させることが可能となる。次に入力されるＰＷＭ信号のオン時間比が、現在入力されているＰＷＭ信号のオン時間比より減少する場合、ＰＷＭ信号が変化した後に、スイッチング電源１０１の電圧が増加する。

このように、目標電流値算出部１１０は入力されるＰＷＭ信号のオン時間比を監視し、入力映像信号の現フレームのオン時間比に比べて次フレームのオン時間比が増加することを検出すると、次フレームの開始前にスイッチング電源の出力電圧を低下させる制御電圧がコンパレータ１０８から出力される。

図７に、実施の形態１にかかる半導体光源駆動装置のスイッチング電源１０１の電圧と、半導体レーザダイオード１０２に流れる電流の波形を示す。ＰＷＭ信号のオン時間比により、スイッチング電源１０１の電圧をフィードフォワード制御することで、矢印Ｃで示すように低下させ、これによって半導体レーザダイオード１０２に流れる電流に過電流が発生することなく、ＰＷＭを行うことができる。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、半導体レーザダイオード１０２に流れる平均電流値を電流検出抵抗１０４及びローパスフィルタ１０９により検出し、目標電流算出部１７０によって、スイッチング電源１０１の電圧をフィードフォワード制御する。

これにより、ＰＷＭ信号のオン時間比が変化したとき、半導体レーザダイオード１０２を流れる電流に過電流が発生することがなくなり、半導体レーザダイオード１０２の破壊を防ぐことができる。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２にかかる半導体光源駆動装置のブロック図である。

この実施の形態２では、実施の形態１における目標電流値算出部１１０と、コンパレータ１０８が、１つのマイクロコンピュータ１２０で構成される点が、実施の形態１と異なり、他の構成は実施の形態１と同じである。

すなわち、実施の形態２では、マイクロコンピュータ１２０に、第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ａから出力されるオン時間比と、第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路１０７ｂから出力されるオン時間比と、ビデオ処理回路２０１からの垂直同期信号と、ローパスフィルタ１０９からの検出電圧が供給され、スイッチング電源１０１に制御電圧を供給する、実施の形態１の目標電流値算出部１１０と、コンパレータ１０８と同様の動作を行なう。

尚、実施の形態２の効果については、実施の形態１と同様であるので、その重複説明は省略する。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１及び２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、半導体光源駆動装置に適用可能である。具体的には、レーザダイオードやＬＥＤの駆動などに、本開示は適用可能である。

１００ 半導体光源駆動装置
１０１ スイッチング電源
１０２ 半導体レーザダイオード
１０３ ＦＥＴ
１０４ 電流検出抵抗
１０５ ＦＥＴドライバ
１０６ ＰＷＭモジュレータ
１０７ａ 第１ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路
１０７ｂ 第２ＡＰＬ／ＰＷＭ変換回路
１０８ コンパレータ
１０９ ローパスフィルタ
１１０ 目標電流値算出部
１１１ 信号選択部
１１２ 出力制御部
１１３ 目標電流値テーブル
１２０ マイクロコンピュータ
２０１ ビデオ処理回路
２０２ ディレイ回路
２０３ ＡＰＬ回路

Claims (4)

1. 直流電源と、
   前記直流電源からの出力電圧が供給される半導体光源と、
   制御端子に与えられるＰＷＭ信号によりオン／オフ制御され、前記半導体光源に流れる電流を制御するスイッチング素子と、
   入力映像信号の１フレームごとのＰＷＭ信号のオン時間比が供給され、前記直流電源の出力電圧を制御するコントローラと、を有し、
   前記半導体光源と前記スイッチング素子とは前記直流電源の出力端間に直列に接続されており、
   前記コントローラは、入力されるＰＷＭ信号のオン時間比を監視し、前記入力映像信号の現フレームのオン時間比に比べて次フレームのオン時間比が増加することを検出すると、次フレームの開始前に前記直流電源の出力電圧を低下させる、半導体光源駆動装置。
2. 前記直流電源はスイッチング電源である、請求項１に記載の半導体光源駆動装置。
3. 前記コントローラは、マイクロコンピュータである、請求項１または２に記載の半導体光源駆動装置。
4. 前記半導体光源に流れる電流を検出する電流検出素子と、前記電流検出素子によって得られる検出電圧を平均化するローパスフィルタと、をさらに備え、前記電流検出素子は、前記直流電源の出力端間に前記半導体光源と前記スイッチング素子と直列に接続されており、
   前記コントローラは、入力されるＰＷＭ信号のオン時間比から目標電流値を算出する目標電流値算出部と、この目標電流値算出部の出力と、前記ローパスフィルタの出力を比較し、その比較出力によって前記スイッチング電源の出力電圧を制御するコンパレータとからなる、請求項２に記載の半導体光源駆動装置。