JP6772637B2 - 半導体発光素子駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子を駆動する半導体発光素子駆動回路に関する。

半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子からなる負荷を駆動する場合、電源電圧の変化によって輝度が変化しないように、定電流回路により負荷に定電流を流している。

定電流回路は、一般的に図７に示すように、ＭＯＳＦＥＴからなる電流制御素子Ｑ１と、電流制御素子Ｑ１のソースに一端が接続された抵抗Ｒと、出力端子が電流制御素子Ｑ１のゲートに接続され、反転入力端子（−）が抵抗Ｒの一端に接続され、非反転入力端子（＋）にパルス信号が入力されるオペアンプＯＰと、から構成されている。この定電流回路は、オペアンプＯＰにパルス信号を入力して、電流制御素子Ｑ１に印加される電圧値を変化させることにより、抵抗Ｒに流れる電流を一定電流に制御している。

この場合、電流制御素子Ｑ１には、定電圧源１００の電圧から、半導体レーザＬＤの両端電圧と抵抗Ｒの両端電圧とを差し引いた電圧が印加される。このため、電流制御素子Ｑ１は、発熱する。

また、特許文献１に記載されたＬＥＤ駆動回路が知られている。このＬＥＤ駆動回路は、電流制御素子に印加される電圧が一定の電圧範囲になるように電源電圧を制御することにより、電流制御素子の発熱を抑えている。特許文献１では、パルス信号により電流制御素子をパルス駆動した時の電流制御がオフ時には電圧制御を停止させている。

特開２０１１−１４９４５号公報

即ち、電流制御がオフした時には、ＬＥＤの順電圧が低下することに伴い、制御回路が電源電圧を低下させるため、再度、電流制御がオンした場合に、ＬＥＤの点灯に必要な電圧に対して電源電圧が不足する。このため、ＬＥＤ点灯初期時に本来流したい電流が流れず、ＬＥＤの輝度の低下を生じる。また、所望の輝度を得るために発光遅延が生じてしまう。

また、電流制御が常時オンの状態においても、ＬＥＤ電流設定値を大きく変更した場合には、電源電圧の制御が負荷の順電圧の変化に追従せず、所望の輝度を得るまでに発光遅延が生じる場合がある。

本発明の課題は、半導体発光素子への電源電圧が不足せず、所望の輝度を得るまでの発光遅延が少なくなり、電流制御素子の発熱を最小限に抑制することができる半導体発光素子駆動回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子駆動回路は、半導体発光素子に電圧を供給する定電圧源と、前記半導体発光素子に直列に接続される電流制御素子を有し、前記電流制御素子を制御することにより前記半導体発光素子に定電流を流す定電流回路と、前記半導体発光素子の順電圧を計測する順電圧モニタ回路と、前記順電圧モニタ回路で計測された前記順電圧が前記半導体発光素子の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に前記定電圧源の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、前記順電圧が前記閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に前記定電圧源の電圧値を前記半導体発光素子を駆動するために必要で且つ前記電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体発光素子駆動回路によれば、制御回路は、計測された順電圧が半導体発光素子の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合には、定電圧源の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、順電圧が閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に定電圧源の電圧値を半導体発光素子を駆動するために必要で且つ電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する。このため、閾電流値の前後の順電圧の変化は、小さくなるため、電流制御素子への電源電圧が不足せず、発光遅延は発生しない。

また、閾電流値以下の電流は、小さい電流であるので、定電流回路の電流制御素子の熱的負荷も小さい。電流が閾電流値を超える場合には電流制御素子に印加される電圧値が最低限で済むように定電圧源の電圧値を制御するため、電流制御素子の熱的な負荷は小さい。

従って、半導体発光素子への電源電圧が不足せず、所望の輝度を得るまでの発光遅延が少なくなり、電流制御素子の発熱を最小限に抑制することができる。

本発明の実施例１に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 実施例１に係る半導体レーザ駆動回路の半導体レーザの電流に対する電圧及び光出力に基づく定電圧源の電圧を設定する方法を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る半導体レーザ駆動回路の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例２に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。 従来のＬＥＤ駆動回路の構成を示す図である。

以下、本発明の半導体発光素子駆動回路の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この半導体発光素子駆動回路は、半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子を駆動するものである。

以下に説明する実施例１〜４では、半導体発光素子として半導体レーザを用いた半導体レーザ駆動回路について説明する。なお、半導体発光素子として発光ダイオードを用いたＬＥＤ駆動回路についても、以下に説明する半導体レーザ駆動回路と同様である。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。図１に示すように、半導体レーザ駆動回路は、半導体レーザＬＤ、定電圧源１１、定電流回路１２、順電圧モニタ回路１３、マイクロコンピュータ１４、ＬＤ電流制御回路１５を備えている。

半導体レーザＬＤは、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。

定電圧源１１は、半導体レーザＬＤに接続され、半導体レーザＬＤに電圧を供給する。定電流回路１２は、半導体レーザＬＤに直列に接続されＭＯＳＦＥＴからなる電流制御素子Ｑ１と、電流制御素子Ｑ１のソースに一端が接続された抵抗Ｒと、出力端子が電流制御素子Ｑ１のゲートに接続され、反転入力端子が抵抗Ｒの一端に接続され、非反転入力端子にＬＤ電流制御回路１５からのパルス信号が入力されるオペアンプＯＰと、から構成されている。

定電流回路１２は、オペアンプＯＰの出力端子から電流制御素子Ｑ１のゲートにパルス信号を印加して、電流制御素子Ｑ１のゲート-ソース間の電圧を変化させることにより、半導体レーザＬＤに流れる電流を定電流に制御する。

順電圧モニタ回路１３は、半導体レーザＬＤの両端間の順電圧を計測して、計測された順電圧をマイクロコンピュータ１４に出力する。

マイクロコンピュータ１４は、本発明の制御回路に対応し、処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）１４１を有する。マイクロコンピュータ１４は、順電圧モニタ回路１３で計測された半導体レーザＬＤの順電圧が半導体レーザＬＤの閾電流値に対応する順電圧値以下である場合には、定電圧源１１の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、設定された電源電圧設定最大値を定電圧源１１に出力する。

マイクロコンピュータ１４は、半導体レーザＬＤの順電圧が閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合には、定電圧源１１の電圧値を半導体レーザＬＤを駆動するために必要な電源電圧値で且つ電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定し、設定された電源電圧値を定電圧源１１に出力する。

定電圧源１１は、電源電圧をマイクロコンピュータ１４からの設定された電源電圧設定最大値又は設定された電源電圧値に変更する。

マイクロコンピュータ１４は、電流設定値をＬＤ電流制御回路１５に出力する。ＬＤ電流制御回路１５は、マイクロコンピュータ１４からの電流設定値をオペアンプＯＰの非反転入力端子に出力することで、定電流回路１２による定電流を実現させる。

次にこのように構成された実施例１の半導体レーザ駆動回路の動作を図２に示す定電圧源の電圧値の設定方法及び図３に示すフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

まず、順電圧モニタ回路１３は、半導体レーザＬＤの両端間の順電圧を計測する（ステップＳ１１）。マイクロコンピュータ１４は、順電圧モニタ回路１３で計測されたＬＤ順電圧計測値を取得する（ステップＳ１２）。

次に、マイクロコンピュータ１４は、ＬＤ順電圧計測値がＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈに対応するＬＤ順電圧Ｖｔｈ以下かどうかを判定する（ステップＳ１３）。

ここで、図２を参照して、ＬＤ発光閾電流値について説明する。図２（ａ）は、半導体レーザＬＤのＬＤ電流に対するＬＤ光出力を示し、図２（ｂ）は、半導体レーザＬＤのＬＤ電流に対する電圧を示す。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈは、ＬＤ光出力Ｐｉがゼロでない最も小さい正値となる電流値である。ＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈに対応するＬＤ順電圧値は、図２（ｂ）に示すように、Ｖｔｈである。

図２（ｂ）に示すように、ＬＤ順電圧は、ＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈ以下の場合には、急激に上昇した電圧Ｖ１となり、ＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈを超えた場合には、緩やかに上昇した電圧Ｖ２となる特徴がある。

マイクロコンピュータ１４は、ＬＤ順電圧計測値がＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈに対応するＬＤ順電圧Ｖｔｈ以下の場合には（ステップＳ１３のＹｅｓ）、定電圧源１１の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値Ｖｍａｘに設定する（ステップＳ１４）。

電源電圧設定最大値Ｖｍａｘは、図２（ｂ）に示すように、ＬＤ順電圧値Ｖｔｈよりも大きく且つ半導体レーザＬＤを駆動するために必要な電圧値Ｖ３よりも大きい値である。

一方、マイクロコンピュータ１４は、ＬＤ順電圧計測値がＬＤ発光閾電流値Ｉｔｈに対応するＬＤ順電圧Ｖｔｈを超えた場合には（ステップＳ１３のＮｏ）、定電圧源１１の電圧値を半導体レーザＬＤを駆動するために必要な電源電圧値で且つ電源電圧設定最大値Ｖｍａｘより小さい電源電圧値Ｖ３に設定する（ステップＳ１５）。即ち、定電圧源１１の電圧値を電流制御素子Ｑ１が動作するドレイン−ソース電圧が確保できる程度の電源設定値に設定する。

次に、マイクロコンピュータ１４は、設定された電源電圧設定最大値Ｖｍａｘ又は設定された電源電圧値Ｖ３を定電圧源１１に出力する（ステップＳ１６）。すると、定電圧源１１は、電源電圧をマイクロコンピュータ１４からの設定された電源電圧設定最大値Ｖｍａｘ又は設定された電源電圧値Ｖ３に変更する。

さらに、マイクロコンピュータ１４は、電流設定値をＬＤ電流制御回路１５に出力する（ステップＳ１７）。

このように実施例１の半導体レーザ駆動回路によれば、マイクロコンピュータ１４は、順電圧モニタ回路１３で計測された順電圧が半導体レーザＬＤの閾電流値Ｉｔｈに対応する順電圧値Ｖｔｈ以下である場合には、定電圧源１１の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値Ｖｍａｘに設定する。

また、順電圧が閾電流値Ｉｔｈに対応する順電圧値Ｖｔｈを超えた場合には、定電圧源１１の電圧値を電源電圧値Ｖ３に設定する。

また、閾電流値Ｉｔｈ以下の電流は、小さい電流であるので、定電流回路１２のＭＯＳＦＥＴＱ１の熱的負荷も小さい。電流が閾電流値Ｉｔｈを超える場合にはＭＯＳＦＥＴＱ１に印加される電圧値が最低限で済むように、定電圧源１１の電圧値を制御するため、ＭＯＳＦＥＴＱ１の熱的な負荷は小さい。

従って、ＭＯＳＦＥＴＱ１への電源電圧が不足せず、所望の輝度を得るまでの発光遅延が少なくなり、ＭＯＳＦＥＴＱ１の発熱を最小限に抑制することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。図４に示す実施例２に係る半導体レーザ駆動回路は、図１に示す実施例１に係る半導体レーザ駆動回路に対して、さらに、ピークホールド回路１６、ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）１７、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を備えたことを特徴とする。

ピークホールド回路１６は、順電圧モニタ回路１３で計測された半導体レーザＬＤの順電圧のピーク値を所定時間保持した後にマイクロコンピュータ１４に出力する。

ＤＡＣ１７は、マイクロコンピュータ１４からの電源電圧設定値をデジタル電圧からアナログ電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、直流電圧をＤＡＣ１７からのアナログ電圧の電源電圧設定値に応じた直流電圧に変換して、変換された直流電圧を半導体レーザＬＤに供給する。

このように実施例２に係る半導体レーザ駆動回路によれば、ピークホールド回路１６が順電圧モニタ回路１３で計測された半導体レーザＬＤの順電圧のピーク値を所定時間ホールドするので、マイクロコンピュータ１４は、ピークホールドされた順電圧とＬＤ順電圧Ｖｔｈとを比較するので、迅速な処理を行うことができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０が、直流電圧をＤＡＣ１７からのアナログ電圧の電源電圧設定値に応じた直流電圧に変換して、変換された直流電圧を半導体レーザＬＤに供給するので、ＭＯＳＦＥＴＱ１への電源電圧が不足せず、所望の輝度を得るまでの発光遅延が少なくなり、ＭＯＳＦＥＴＱ１の発熱を最小限に抑制することができる。

図５は、本発明の実施例３に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。図５に示す実施例３に係る半導体レーザ駆動回路は、同一種類の例えばＧａＮからなる半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２、半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２に電圧を供給する定電圧源１１、定電流回路１２ａ，１２ｂ、順電圧モニタ回路１３ａ，１３ｂ、マイクロコンピュータ１４ａ、ＬＤ電流制御回路１５ａ，１５ｂを備えている。

定電流回路１２ａは、半導体レーザＬＤ１に直列に接続される電流制御素子Ｑ１を有し且つ電流制御素子Ｑ１を制御することにより半導体レーザＬＤ１に定電流を流す。定電流回路１２ａは、電流制御素子Ｑ１とオペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１とで構成されている。

定電流回路１２ｂは、半導体レーザＬＤ２に直列に接続される電流制御素子Ｑ２を有し且つ電流制御素子Ｑ２を制御することにより半導体レーザＬＤ２に定電流を流す。定電流回路１２ｂは、電流制御素子Ｑ２とオペアンプＯＰ２と抵抗Ｒ２とで構成されている。

順電圧モニタ回路１３ａは、半導体レーザＬＤ１の順電圧を計測する。順電圧モニタ回路１３ｂは、半導体レーザＬＤ２の順電圧を計測する。

マイクロコンピュータ１４ａは、順電圧モニタ回路１３ａ，１３ｂで計測された２つの順電圧の中から選択された順電圧が半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に定電圧源１１の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、順電圧が閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に定電圧源の電圧値を半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２を駆動するために必要で且つ電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する。

ＬＤ電流制御回路１５ａは、マイクロコンピュータ１４ａからの電流設定値をオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に出力することで、定電流回路１２ａによる定電流を実現させる。ＬＤ電流制御回路１５ｂは、マイクロコンピュータ１４ａからの電流設定値をオペアンプＯＰ２の非反転入力端子に出力することで、定電流回路１２ｂによる定電流を実現させる。

なお、実施例３に係る半導体レーザ駆動回路では、半導体レーザ、定電流回路、順電圧モニタ回路、ＬＤ電流制御回路の各々を２個設けたが、２個に限定されることなく、これらの各々を３個以上設けても良い。

このように構成された実施例３に係る半導体レーザ駆動回路によれば、マイクロコンピュータ１４ａは、順電圧モニタ回路１３ａ，１３ｂで計測された２つの順電圧を入力する。そして、マイクロコンピュータ１４ａは、入力された２つの順電圧の内のいずれかの順電圧、例えば、低い方の順電圧を選択する。

さらに、選択された順電圧が半導体レーザＬＤの閾電流値Ｉｔｈに対応する順電圧値Ｖｔｈ以下である場合には、定電圧源１１の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値Ｖｍａｘに設定する。

また、選択された順電圧が閾電流値Ｉｔｈに対応する順電圧値Ｖｔｈを超えた場合には、定電圧源１１の電圧値を電源電圧値Ｖ３に設定する。このため、閾電流値Ｉｔｈ前後の順電圧値の変化は、電圧値Ｖｍａｘと電圧値Ｖ３との差であり、かなり小さい。このため、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２への電源電圧が不足せず、発光遅延は発生しない。

従って、実施例３に係る半導体レーザ駆動回路においても、実施例１に係る半導体レーザ駆動回路の効果と同様な効果が得られる。

図６は、本発明の実施例４に係る半導体レーザ駆動回路の構成を示す図である。図６に示す実施例４に係る半導体レーザ駆動回路は、ＧａＮからなる半導体レーザＬＤ１、ＧａＡｓからなる半導体レーザＬＤ２、半導体レーザＬＤ１に電圧を供給する第１定電圧源１１ａ、半導体レーザＬＤ３に電圧を供給する第２定電圧源１１ｂ、定電流回路１２ａ，１２ｂ、順電圧モニタ回路１３ａ，１３ｂ、マイクロコンピュータ１４ｂ、ＬＤ電流制御回路１５ａ，１５ｂを備えている。

マイクロコンピュータ１４ｂは、順電圧モニタ回路１３ａで計測された順電圧が半導体レーザＬＤ１の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に順電圧に対応する第１定電圧源１１ａの電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、順電圧が閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に順電圧に対応する第１定電圧源１１ａの電圧値を半導体レーザＬＤ１を駆動するために必要で且つ電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する。

マイクロコンピュータ１４ｂは、順電圧モニタ回路１３ｂで計測された順電圧が半導体レーザＬＤ３の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に順電圧に対応する第２定電圧源１１ｂの電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、順電圧が閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に順電圧に対応する第２定電圧源１１ｂの電圧値を半導体レーザＬＤ１を駆動するために必要で且つ電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する。

このように、異なる種類の半導体レーザを用いる場合には、定電圧源、順電圧モニタ回路、ＬＤ電流制御回路を個別に設けることで、実施例１の半導体レーザ駆動回路の効果と同様な効果が得られる。

なお、実施例１〜４の半導体レーザ駆動回路においては、電流制御素子Ｑ１に接続される半導体レーザＬＤは、1個としたが、複数個の半導体レーザＬＤが直列に接続されて構成されても良い。この場合には、順電圧モニタ回路１３は、直列に接続された複数個の半導体レーザＬＤの両端の順電圧を計測してマイクロコンピュータ１４に出力する。

本発明は、半導体レーザや発光ダイオードを駆動する駆動回路に利用できる。

１１ 定電圧源
１２ 定電流回路
１３ 順電圧モニタ回路
１４ マイクロコンピュータ
１５ ＬＤ電流制御回路
１６ ピークホールド回路
１７ ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）
１１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４１ ＣＰＵ
ＬＤ レーザダイオード
Ｑ１ 電流制御素子
ＯＰ オペアンプ
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ 抵抗

Claims (4)

1. 半導体発光素子に電圧を供給する定電圧源と、
   前記半導体発光素子に直列に接続される電流制御素子を有し、前記電流制御素子を制御することにより前記半導体発光素子に定電流を流す定電流回路と、
   前記半導体発光素子の順電圧を計測する順電圧モニタ回路と、
   前記順電圧モニタ回路で計測された前記順電圧が前記半導体発光素子の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に前記定電圧源の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、前記順電圧が前記閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に前記定電圧源の電圧値を前記半導体発光素子を駆動するために必要で且つ前記電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する制御回路と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子駆動回路。
2. 前記順電圧モニタ回路で計測された前記順電圧のピーク値を所定時間保持するピークホールド回路を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子駆動回路。
3. 同一種類の複数の半導体発光素子と、
   前記複数の半導体発光素子に電圧を供給する定電圧源と、
   前記複数の半導体発光素子に対応して設けられ、前記半導体発光素子に直列に接続される電流制御素子を有し且つ前記電流制御素子を制御することにより前記半導体発光素子に定電流を流す複数の定電流回路と、
   前記複数の半導体発光素子に対応して設けられ、前記半導体発光素子の順電圧を計測する複数の順電圧モニタ回路と、
   前記複数の順電圧モニタ回路で計測された前記複数の順電圧の中から選択された順電圧が前記半導体発光素子の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に前記定電圧源の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、前記順電圧が前記閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に前記定電圧源の電圧値を前記半導体発光素子を駆動するために必要で且つ前記電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する制御回路と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子駆動回路。
4. 互いに異なる種類の複数の半導体発光素子と、
   前記複数の半導体発光素子に対応して設けられ、前記半導体発光素子に電圧を供給する複数の定電圧源と、
   前記複数の半導体発光素子に対応して設けられ、前記半導体発光素子に直列に接続される電流制御素子を有し且つ前記電流制御素子を制御することにより前記半導体発光素子に定電流を流す複数の定電流回路と、
   前記複数の半導体発光素子に対応して設けられ、前記半導体発光素子の順電圧を計測する複数の順電圧モニタ回路と、
   前記複数の順電圧モニタ回路で計測された複数の順電圧の各順電圧毎に、前記順電圧が前記半導体発光素子の閾電流値に対応する順電圧値以下である場合に前記順電圧に対応する前記定電圧源の電圧値を回路で任意に設定される電源電圧設定最大値に設定し、前記順電圧が前記閾電流値に対応する順電圧値を超えた場合に前記順電圧に対応する前記定電圧源の電圧値を前記半導体発光素子を駆動するために必要で且つ前記電源電圧設定最大値より小さい電源電圧値に設定する制御回路と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子駆動回路。
   

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