JP7142327B2

JP7142327B2 - 半導体発光素子駆動装置

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Publication number: JP7142327B2
Application number: JP2018160646A
Authority: JP
Inventors: 敬明行天
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: US20200076423A1; CN110876216A; JP2020035875A; US10756730B2

Description

本開示は、半導体発光素子の出力光をＰＷＭ変調信号に従って制御する、半導体発光素子駆動装置に関する。

特許文献１は、素子の温度や電源電圧の変動、素子特性のばらつき等の影響を抑えて一定レベルのパルス電流を出力する、発光素子駆動装置を開示する。発光素子駆動装置は、電源と、半導体発光素子と、ＦＥＴと、検出抵抗とを直列に接続して備える。ＦＥＴを外部からのスイッチング信号に従ってオンオフ制御することで、半導体発光素子に流れる電流をＰＷＭ変調して輝度の調整を行う。同時に、スイッチング信号がオンの時の検出抵抗の電圧と、基準電圧との差分をコンデンサに充電する。さらにこのコンデンサの出力電圧に従って電源電圧を制御することで、流れる電流のピーク値を一定に保つ。これにより、素子の温度や電源電圧の変動、素子特性のばらつき等の影響を抑えて一定レベルのパルス電流を出力する。

ここで、この半導体発光素子駆動装置は、半導体発光素子に流れる電流値を時間平均し、その値を目標電流値と比較することで電源を駆動制御してフィードバックを行う。しかしながら、ＰＷＭ変調のデューティサイクルが例えば５％未満のように小さい場合、ＰＷＭ変調の周期のうちの大部分において半導体発光素子を流れる電流値は０であり、平均電流値も非常に小さい値となる。従って、半導体発光素子の温度や素子特性のばらつき等の影響を大きく受けて正確なフィードバックを行えず、供給する駆動電流が不安定になるという問題点がある。

特開２００４－１４７４３５号公報

本開示は、ＰＷＭ変調のデューティサイクルが例えば５％未満のように小さい場合であっても、安定した駆動電流を供給可能な半導体発光素子駆動装置を提供する。

本開示によると、半導体発光素子と、外部から入力されたＰＷＭ設定値に基づいて半導体発光素子に流れる電流をオンオフ制御するためのＰＷＭ変調信号を発生するＰＷＭ変調器と、半導体発光素子を駆動するための駆動電流を発生するスイッチング電源とを備えて、半導体発光素子に流れる電流の平均値が目標電流値と等しくなるようフィードバックを行う半導体発光素子駆動装置において、半導体発光素子に電流が流れている期間の電流のみをフィードバックに用いる。

本開示に係る半導体発光素子駆動装置によると、ＰＷＭ変調のデューティサイクルが例えば５％未満のように小さい場合であっても、半導体発光素子に安定した駆動電流を供給することができる。

実施の形態１における半導体発光素子駆動装置１の構成例を示すブロック図図１の半導体発光素子駆動装置１における信号等の変化例を示すタイミングチャート実施の形態２における半導体発光素子駆動装置２の構成例を示すブロック図図３の半導体発光素子駆動装置２における信号等の変化例を示すタイミングチャート図３の可変増幅器２００におけるＰＷＭ設定値と増幅率の関係例を示すグラフ実施の形態３における半導体発光素子駆動装置３の構成例を示すブロック図図６の半導体発光素子駆動装置３における信号等の変化例を示すタイミングチャート実施の形態４における半導体発光素子駆動装置４の構成例を示すブロック図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、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、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらにより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及び図２を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における半導体発光素子駆動装置１の構成例を示すブロック図である。図１において、半導体発光素子駆動装置１は、スイッチング電源１００と、半導体発光素子１１０と、フィードバック回路１０と、ＦＥＴ１５０と、ＰＷＭ変調器１７０とを備える。フィードバック回路１０は、比較器１２０と、コンデンサ１３０と、サンプリングスイッチ１４０と、検出抵抗１６０と、サンプリング信号発生回路１８０とを含む。スイッチング電源１００、半導体発光素子１１０、ＦＥＴ１５０及び検出抵抗１６０はこの順で直列に接続される。

スイッチング電源１００は、半導体発光素子１１０に流す駆動電流を発生する。半導体発光素子１１０は、スイッチング電源１００からの駆動電流により駆動されて発光する。ＰＷＭ変調器１７０は、外部回路から入力されたＰＷＭ設定値（デューティサイクルの指示値）に従ってＰＷＭ変調信号を生成し、ＦＥＴ１５０及びサンプリング信号発生回路１８０に出力する。ＦＥＴ１５０は例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されたスイッチング素子であって、ＰＷＭ変調信号に従ってオンオフを切り替え、半導体発光素子１１０に流れる駆動電流をオンオフ制御する。

サンプリング信号発生回路１８０は、入力されたＰＷＭ変調信号に基づいてサンプリング信号を生成し、サンプリングスイッチ１４０に出力する。サンプリング信号は、実際に駆動電流が流れている期間にのみオンになるように、ＰＷＭ変調信号を所定の時間だけ遅延させて生成される。サンプリングスイッチ１４０はサンプリング信号に従ってオンオフを切り替える。

検出抵抗１６０は、駆動電流により検出電圧を発生する。コンデンサ１３０は、サンプリングスイッチ１４０がオンである期間のみ検出電圧を平均して出力電圧Ｖｃとし、比較器１２０に出力する。比較器１２０は、外部から入力された目標電流値を示す基準電圧と、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃとを比較し、その差分を示す比較結果信号を生成して、スイッチング電源１００を駆動制御する。

［１－２．動作］
以上のように構成された半導体発光素子駆動装置１について、その動作を以下で詳細に説明する。

図１において、ＰＷＭ変調器１７０は、外部回路から入力されるＰＷＭ設定値に従って、ＰＷＭ変調信号のデューティサイクルの値がＰＷＭ設定値と一致するようにＰＷＭ変調信号を生成し、ＦＥＴ１５０及びサンプリング信号発生回路１８０に出力する。

ＦＥＴ１５０は、ＰＷＭ変調器１７０からのＰＷＭ変調信号に従って導通のオンオフを切り替え、駆動電流をオンオフ制御する。ここで、実際に半導体発光素子１１０に流れる駆動電流は、ＰＷＭ変調信号と比較すると、オンオフのタイミングに遅延が生じる。これは、ＦＥＴ１５０のオンオフ切替えにおける遅延及び、配線のインダクタンス等に起因する。以下、遅延対策の構成及び動作について説明する。

図２は、図１の半導体発光素子駆動装置１における信号等の変化例を示すタイミングチャートである。図２において、ＴはＰＷＭ変調信号の周期を示す。Ｔｄ１はサンプリング信号発生回路における遅延時間を示す。Ｗｐ１はサンプリング信号のパルス幅を示す。

図２において、駆動電流にはＰＷＭ変調信号に対して時間Ｔｄ１の遅延が発生している。サンプリング信号発生回路１８０は、ＰＷＭ変調器１７０から入力されたＰＷＭ変調信号を、時間Ｔｄ１だけ遅らせてサンプリング信号とし、サンプリングスイッチ１４０に出力する。これによりサンプリング信号は、半導体発光素子１１０に実際に電流が流れている期間にのみオンになる。

サンプリングスイッチ１４０はサンプリング信号によりオンオフ制御される。検出抵抗１６０で発生した検出電圧は、サンプリング信号がオンである期間のみコンデンサ１３０を充電する。サンプリング信号がオフの間、コンデンサ１３０の電荷は保存される。従って、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃは、実際に駆動電流が流れている間、駆動電流により検出抵抗１６０で発生した検出電圧を時間平均した電圧値となる。

なお、本実施の形態においてサンプリング信号発生回路における遅延Ｔｄ１は、半導体発光素子駆動装置１を構成する素子等の特性にあわせて事前に設定されている。しかしながら、半導体発光素子駆動装置１がさらに遅延計測部を有し、各瞬間にサンプリング信号発生回路における遅延時間Ｔｄ１の値を変化させるようにしてもよい。

比較器１２０は、外部から入力された目標電流値を示す基準電圧と、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃとを比較し、その差分を示す比較結果信号を生成してスイッチング電源１００に出力することで、スイッチング電源１００を駆動制御する。これによりスイッチング電源１００は、実際に駆動電流が流れている期間における駆動電流の平均値が、目標電流値に等しくなるように駆動制御される。

本実施の形態において、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃは、ＰＷＭ設定値によらずに決定され、その値は目標電流値を示す基準電圧と等しくなるよう制御される。従って、ＰＷＭ設定値が例えば５％未満のように小さい値であっても、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃは高いレベルに保たれる。これにより、半導体発光素子駆動装置１を構成する素子の特性のばらつき等の影響を抑えて正確なフィードバックを行い、半導体発光素子１１０に安定した駆動電流を供給することができる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態に係る半導体発光素子駆動装置１は、スイッチング電源１００と、半導体発光素子１１０と、フィードバック回路１０と、ＦＥＴ１５０と、ＰＷＭ変調器１７０とを備えて構成される。フィードバック回路１０は、比較器１２０と、コンデンサ１３０と、スイッチ１４０と、検出抵抗１６０と、サンプリング信号発生回路１８０とを含む。

ＦＥＴ１５０をＰＷＭ変調信号で制御し、検出抵抗１６０による検出電圧を、実際に半導体発光素子１１０に駆動電流が流れている間のみ平均化する。その後、平均化した検出電圧を比較器１２０で基準電圧と比較して、スイッチング電源１００を駆動制御する。これにより、ＰＷＭ変調のデューティサイクルが例えば５％未満のように小さい値であっても、半導体発光素子駆動装置１を構成する素子特性のばらつき等の影響を抑えて正確なフィードバックを行い、半導体発光素子１１０に安定した駆動電流を供給することができる。

（実施の形態２）
以下、図３～図５を用いて、実施の形態２を説明する。

図３は、実施の形態２に係る半導体発光素子駆動装置２の構成例を示すブロック図である。半導体発光素子駆動装置２は、図１の半導体発光素子駆動装置１のフィードバック回路１０を、フィードバック回路１０Ａで置き換えたものである。フィードバック回路１０Ａは、フィードバック回路１０と比較して、さらに可変増幅器２００を備える。外部入力のＰＷＭ設定値は、ＰＷＭ変調器１７０に加えて可変増幅器２００にも入力される。可変増幅器２００は、入力されたＰＷＭ設定値に基づいて、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃを増幅して比較器１２０に出力する。

図３の半導体発光素子駆動装置２において、半導体発光素子１１０に駆動電流が流れ始めた瞬間の駆動電流の立ち上がりの速さは、半導体発光素子駆動装置２を構成する素子の特性又は温度等により変化し得る。駆動電流の立ち上がりが充分に速いか、又はデューティサイクルが充分に大きい値の場合、駆動電流はＰＷＭ変調信号がオンの間に飽和し、その波形は矩形に近くなる。しかしながら、駆動電流の立ち上がりが遅く、かつＰＷＭ変調信号のデューティサイクルがきわめて小さい値の場合、駆動電流が飽和するよりも先にＰＷＭ変調信号がオフになり得る。この場合、駆動電流の波形は鋸歯状波に近くなる。

駆動電流が鋸歯状波に近い波形を持つ場合、その平均値は矩形に近い波形を持つ場合に比較して小さくなる。従って、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃは低下し、比較器１２０はスイッチング電源１００を、出力電圧を増加させるように駆動する。その結果、駆動電流の最大値が増加する。

図４は、図３に示す半導体発光素子駆動装置２における信号等の変化例を示すタイミングチャートである。Ｔｄ１はサンプリング信号発生回路における信号の遅延時間を示す。Ｉｐ１は、半導体発光素子１１０に流れる駆動電流が矩形波に近い波形を持つ時の電流の最大値を示す。Ｉｐ２は、鋸歯状波に近い波形を持つことにより先述のように増加した駆動電流の最大値を示す。

図４の例において、ＰＷＭ設定値を低下させると駆動電流の最大値がＩｐ２まで増加する。この最大値Ｉｐ２が半導体発光素子１１０の最大定格電流よりも大きい場合、半導体発光素子１１０が破損するおそれがある。そこで実施の形態２における半導体発光素子駆動装置２において、ＰＷＭ設定値が所定の値よりも小さい場合に、コンデンサ１３０の出力電圧Ｖｃを増幅する可変増幅器２００を用いる。

比較器１２０は、ＰＷＭ設定値が後述の所定の値よりも小さい場合に、可変増幅器２００により増幅された電圧を、外部入力の基準電圧と比較する。従って、スイッチング電源１００の出力電圧は、可変増幅器２００を備えない場合と比較して小さくなる。よって、可変増幅器２００の増幅率を調整すれば、駆動電流の最大値を、ＰＷＭ設定値によらず一定にすることができる。これによりＰＷＭ設定値が例えば５％未満といった小さい値の場合に、半導体発光素子１１０に流れる駆動電流が半導体発光素子１１０の最大定格電流を超える問題が解消される。

図５は、ＰＷＭ設定値と可変増幅器２００の増幅率との関係の例を示すグラフである。半導体発光素子１１０に流れる駆動電流は、ＰＷＭ設定値が小さくなるにつれてより鋸歯状波に近い波形となり、平均値が低下する。従って、発光素子１１０に流れる電流の最大値を、ＰＷＭ設定値によらず一定にするために、可変増幅器２００の増幅率は、入力されたＰＷＭ設定値が小さくなるに従って大きくなるように設定される。

図５において、駆動電流の最大値Ｉｐ２がちょうど半導体発光素子１１０の最大定格電流と同じ値となるＰＷＭ設定値が、ＰＳｔｈで示される。ＰＷＭ設定値がＰＳｔｈ以上の場合、半導体発光素子１１０を流れる電流は、可変増幅器２００を用いずとも最大定格電流を超えない。従って、ＰＷＭ設定値がＰＳｔｈ以上の区間における可変増幅器２００の増幅率は１００％（増幅しない）と設定される。

（実施の形態３）
以下、図６及び図７を用いて、実施の形態３を説明する。

図６は、実施の形態３における半導体発光素子駆動装置３の構成例を示すブロック図である。図６の半導体発光素子駆動装置３は、図１の半導体発光素子駆動装置１と比較して、フィードバック回路１０がフィードバック回路１０Ｂで置き換えられている。フィードバック回路１０Ｂは、フィードバック回路１０のサンプリング信号発生回路１８０をサンプリング信号発生回路１８０Ａで置き換えたものである。

実施の形態１では、サンプリング信号発生回路１８０が発生するサンプリング信号のパルス幅Ｗｐ１は、ＰＷＭ変調信号のパルス幅と同じ値である。しかしながら、半導体発光素子駆動装置１を構成する素子の特性等が変化することで半導体発光素子１１０に流れる電流のタイミング又は幅が変化した場合、駆動電流が流れていない期間の検出電圧をサンプリングしてしまい、フィードバックの正確さを欠く。そこでサンプリング信号発生回路１８０Ａでは、発生するサンプリング信号のパルス幅も調整する。

図７は、図６の半導体発光素子駆動装置３における信号等の変化例を示すタイミングチャートである。図７のように、サンプリング信号発生回路１８０Ａにおける遅延Ｔｄ２を、サンプリング信号発生回路１８０における遅延Ｔｄ１よりも大きく設定する。さらにサンプリング信号のパルス幅Ｗｐ２を実施の形態１におけるサンプリング信号のパルス幅Ｗｐ１よりも狭く調整する。これにより、実際に半導体発光素子１１０に電流が流れている期間の一部分のみがサンプリングされる。

遅延Ｔｄ２及びパルス幅Ｗｐ２は、サンプリング期間が、半導体発光素子１１０に電流が流れ始めた直後の立ち上がりの期間及び、当該電流がオフになる直前の期間を含まないように調整する。これにより、半導体発光素子１１０に流れる電流のＰＷＭ変調信号に対する遅延時間が微小に変化した場合であっても、半導体発光素子１１０に電流が流れていない期間の検出電圧をサンプリングすることはなくなる。また、半導体発光素子１１０に流れる電流の立ち上がりの速さが多少増減しても、それが大きな影響を与えない期間のみ検出電圧がサンプリングされる。従って半導体発光素子１１０の温度又は素子特性のばらつき等の影響をさらに抑え、より安定した駆動電流を供給することが可能となる。

（実施の形態４）
図８は、実施の形態４に係る半導体発光素子駆動装置４の構成例を示すブロック図である。半導体発光素子駆動装置４は、図１の半導体発光素子駆動装置１と比較して、フィードバック回路１０がフィードバック回路１０Ｃで置き換えられている。フィードバック回路１０Ｃはフィードバック回路１０と比較して、さらに実施の形態２における可変増幅器２００を備え、サンプリング信号発生回路１８０が実施の形態３におけるサンプリング信号発生回路１８０Ａで置き換えられている。このように、本開示の実施の形態に示す特徴の一部又は全部は、互いに組み合わせられて複合した効果を奏することもできる。

（他の実施の形態）
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１～４を説明した。しかしながら、本開示における技術はこれらに限定されず、適宜変更、置換、付加、省略等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１～４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。そこで、以下で他の実施の形態を例示する。

実施の形態１～４では、半導体発光素子１１０に流れる駆動電流をオンオフ制御する手段の一例として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合を説明した。駆動電流をオンオフ制御する手段は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限定されない。例えば駆動電流をオンオフ制御する手段として、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。ただし、駆動電流をオンオフ制御する手段としてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴは高速かつ低抵抗であるため、これを用いることでエネルギー損失を抑えられる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。

従って、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることを根拠として、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

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、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置換、付加、省略を行うことができる。

本開示に係る半導体発光素子駆動装置は、ＰＷＭ変調により半導体発光素子の輝度を調整する半導体発光素子駆動装置を使用する、例えば照明装置や投写型映像表示装置等に利用可能である。

１半導体発光素子駆動装置
１０フィードバック回路
１００スイッチング電源
１１０半導体発光素子
１２０比較器
１３０コンデンサ
１４０サンプリングスイッチ
１５０ＦＥＴ
１６０検出抵抗
１７０ＰＷＭ変調器
１８０サンプリング信号発生回路

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を駆動させるための駆動電流を出力するスイッチング電源と、
前記駆動電流をオンオフ制御するスイッチング素子と、
外部から入力されたＰＷＭ設定値に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ変調信号を発生するＰＷＭ変調器と、
前記駆動電流及び外部入力の目標電流値に基づいて、前記スイッチング電源を駆動制御するフィードバック回路とを備え、
前記フィードバック回路は、前記駆動電流が流れている期間における前記駆動電流の平均値が、前記目標電流値に等しくなるように、前記スイッチング電源を駆動制御し、
前記フィードバック回路は、
前記駆動電流により検出電圧を発生する検出抵抗と、
前記検出電圧を時間平均化し、出力電圧を発生するコンデンサと、
前記コンデンサの出力電圧と、前記目標電流値を示す基準電圧とを比較して生成した比較結果信号により、前記スイッチング電源を駆動制御する比較器と、
前記検出抵抗と前記コンデンサとの接続をオンオフするサンプリングスイッチと、
前記ＰＷＭ変調信号に基づいてサンプリング信号を発生するサンプリング信号発生回路とを備え、
前記サンプリング信号発生回路は、実際に前記駆動電流が流れている期間に前記サンプリング信号がオンになるように、前記ＰＷＭ変調信号を所定の時間遅延させて前記サンプリング信号を発生する、
半導体発光素子駆動装置。
前記サンプリング信号発生回路はさらに、発生する前記サンプリング信号のパルス幅を、入力された前記ＰＷＭ変調信号のパルス幅よりも狭くする、
請求項１に記載の半導体発光素子駆動装置。
前記フィードバック回路はさらに、
前記比較器に入力される前記コンデンサの出力電圧を増幅する可変増幅器を備え、
前記可変増幅器は、前記ＰＷＭ設定値が所定の値よりも小さい場合に前記コンデンサの出力電圧を増幅し、その増幅率は前記ＰＷＭ設定値が小さいほど大きい、
請求項１又は２に記載の半導体発光素子駆動装置。
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を駆動させるための駆動電流を出力するスイッチング電源と、
前記駆動電流をオンオフ制御するスイッチング素子と、
外部から入力されたＰＷＭ設定値に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ変調信号を発生するＰＷＭ変調器と、
前記駆動電流及び外部入力の目標電流値に基づいて、前記スイッチング電源を駆動制御するフィードバック回路とを備え、
前記フィードバック回路は、前記駆動電流が流れている期間における前記駆動電流の平均値が、前記目標電流値に等しくなるように、前記スイッチング電源を駆動制御し、
前記フィードバック回路は、
前記駆動電流により検出電圧を発生する検出抵抗と、
前記検出電圧を時間平均化し、出力電圧を発生するコンデンサと、
前記コンデンサの出力電圧と、前記目標電流値を示す基準電圧とを比較して生成した比較結果信号により、前記スイッチング電源を駆動制御する比較器と、
前記比較器に入力される前記コンデンサの出力電圧を増幅する可変増幅器とを備え、
前記可変増幅器は、前記ＰＷＭ設定値が所定の値よりも小さい場合に前記コンデンサの出力電圧を増幅し、その増幅率は前記ＰＷＭ設定値が小さいほど大きい、
半導体発光素子駆動装置。