KR100819252B1

KR100819252B1 - 광원 구동 집적회로

Info

Publication number: KR100819252B1
Application number: KR1020060049388A
Authority: KR
Inventors: 계용찬; 권진욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2008-04-02
Also published as: US20070280314A1; KR20070115241A

Abstract

본 발명은 광원 구동 집적회로에 관한 것으로서, 광을 출력하는 광원과, 광원으로부터 광 출력의 일부를 제공받는 수광부와, 수광부의 검출 전류에 따라서 광원의 구동 전류를 조절하는 자동 광출력 제어부와, 전원으로부터 광원에 효율적으로 전력을 공급하는 전력 변환부 및 광 출력 파워의 변조가 가능토록 하는 변조 신호 입력부로 구성된다. 이러한 회로 구성은 주변 온도의 변화나 광원의 열화에도 광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어함과 동시에, 광원 구동 집적회로에서 소비되는 전력을 절감하는 효과가 있다.

광원, 구동회로, 레이저, 포토, 다이오드, 펄스폭 변조, 아날로그 변조

Description

광원 구동 집적회로{Light Source Driving Integrated Circuit}

도 1은 종래 레이저 다이오드의 구동 회로도

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 집적회로의 구성도

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 녹색 레이저 다이오드 구동 집적회로의 내부 회로도

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 청색 레이저 다이오드 구동 집적회로의 내부 회로도

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스폭 변조 동작 파형도

* 주요 도면부호에 대한 설명 *

100 : 레이저 다이오드 구동회로

110 : RC 회로 120 : 자동 광출력 제어 회로

200 : 광원 구동 집적회로 205 : 녹색 레이저 구동 집적회로

210, 410 : 자동 광출력 제어부 220, 420 : 전력 변환부

230, 430 : 전류 미러부 240, 440 : 저항소자

250, 450 : 전류원 260, 460 : 오차 증폭부

270, 470 : 톱니파 신호 발생부 280, 480 : 펄스폭 변조 비교부

290 : 강압 변환부 490 : 승압 변환부

300, 500 : 스위칭부 310, 510 : 피드포워드 캐패시터

400 : 청색 레이저 구동 집적회로

본 발명은 광원 구동 집적회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원으로부터 광 출력의 일부를 제공받는 수광부의 출력 전압이 일정하게 유지되도록 광원으로 구동전류를 공급함으로써 주변온도의 변화나 광원의 열화에도 광 출력파워가 일정하게 유지되도록 제어함과 동시에, 펄스폭 변조 방식을 이용하여 전원 전력을 광원으로 효율적으로 전달함으로써 소비 전력을 절감할 수 있는 광원 구동 집적회로에 관한 것이다.

현재까지 공개된 레이저 광원을 이용한 디스플레이 장치는 영상 신호들의 변조 용이성, 색 재현 개선 및 밝기 향상 등의 이유로, 광원으로서 적색, 청색 및 녹색의 레이저 광원들을 사용하도록 제안되어 왔다. 특히, 디스플레이 광원으로 반도체 레이저를 사용할 경우 주변의 온도나 광원의 열화 등의 영향에 의해 광 출력 파워가 변하므로, 디스플레이 장치의 색 품질과 밝기를 저하 시키는 원인이 된다. 따라서 광원의 광 출력파워를 일정하게 유지하는 장치, 즉 자동 광출력 제어 회로가 필수적으로 요구된다.

광원으로 사용하는 반도체 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)는 이른바 TO-18 등의 금속 재질의 패키지 구조로 이루어지는데, 이때 레이저 다이오드 칩(Laser Diode Chip)에서는 대략 90% 이상 대부분의 광 출력이 전방으로 방출되지만, 그중 일부 대략 10% 이하의 광 출력은 후방으로 방출된다.

이러한 레이저 다이오드는 온도에 의해 그 출력 파워가 크게 변화하기 때문에, 광 출력 파워를 안정시키기 위해서는 포토 다이오드(Photodiode)에 의해 검출된 검출전류에 기초해서 출력 파워를 일정하게 유지시킬 수 있어야 하며, 레이저 다이오드 칩의 후방에 포토다이오드가 설치되어 레이저 다이오드 칩의 후방으로 발광되는 광 출력파워를 검출하게 된다. 또한, 출력파워를 일정하게 유지시키기 위해서 자동 광출력 제어(Automatic Power Control : APC) 기능을 갖는 구동회로가 이용된다. 이에 관한 종래 기술 중 하나인 공개특허번호 제2005-54792호(명칭: 포토 다이오드를 이용한 레이저 다이오드 구동 회로)의 내용을 참조하여, 종래의 레이저 다이오드 구동 회로에 대해 개략적으로 설명한다.

도 1은 종래 레이저 다이오드의 구동 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드의 구동회로(100)는 예를 들어, 대략 5V의 전원 전압(Vcc)이 인가되면, 이는 R1과 C1이 병렬로 연결된 병렬 RC회로(110)에서 안정화되어 자동 광출력 제어 회로(120)에 공급된다. 이때, 자동 광출력 제어 회로(120)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

자동 광출력 제어 회로(120)에서 제너 다이오드(ZD)의 항복 전압(4.3V)에 의해 제1, 제2 트랜지스터(Q1,Q2)에 일정한 전압이 걸리고, 이때, 레이저 다이오드 동작시 온도 상승에 의해 출력파워(광출력)가 감소하여 레이저 다이오드에 흐르는 전류(Im)가 감소하게 되면, 이 전류(Im)가 감소하게 된 양만큼 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스 전류(Ib1)가 증가하고, 이와 함께 컬렉터 전류(Ic1)가 증가한다.

이에 따라, 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스 전류(Ib2) 및 컬렉터 전류(Ic2)가 증가하고, 여기서, 전류(Ic2)는 레이저 다이오드(LD)의 출력 전류(Iop)에 해당하므로, 결국 레이저 다이오드(LD)의 광 출력이 증가하여 상기 전류(Im)도 증가하게 된다. 이러한 동작 과정이 반복적으로 이루어져, 레이저 다이오드의 자동 광출력 제어가 이루어진다.

이와 같은 종래의 자동 광출력 제어회로(APC, 120)는 레이저의 동작 전압(Vop)보다 높은 전원 전압(Vcc)을 사용하여 레이저와 직렬로 접속된 트랜지스터(Q2)에 의해 전류를 제어하는 방식이다. 따라서 전원 전압과 동작 전압의 차이만큼의 전압이 구동회로 내부의 트랜지스터나 저항소자에 걸리게 되고 여기서 발열로 소모되므로 그 만큼 소비전력이 증가하여 레이저 포인터, 레이저 디스플레이 장치와 같은 휴대용 레이저 발생장치에 사용하기에 적합하지 않는 문제점이 있다.

또한, 예를 들어 휴대 기기용 리튬-이온 배터리 전원으로 녹색 레이저를 구동할 때, 전원 전압 3.7 V 중 녹색 레이저에 걸리는 동작 전압은 1.8 V 에 불과하므로 구동 전류 350 mA 동작 조건에서, 공급 전력 3.7 V X 350 mA = 1295 mW 중 1.8 V X 350 mA = 630 mW 만이 녹색 레이저에 전달되고, 나머지 665 mW 는 구동회로 내부에서 발열로 소모되는 문제점이 있으며, 이 때 전력 효율은 약 50% 가 된다.

따라서 본 발명의 목적은 광 출력의 일부를 제공받는 수광부의 검출 전압을 이용하여 광원에 흐르는 전류를 제어하는 자동 광출력 제어 기능을 구현하는데 있어, 전원으로부터 광원에 효율적으로 전력을 전달하는데 있다. 즉, 주변온도의 변화나 광원의 열화에도 광 출력은 일정하게 유지되면서도, 광원 구동 집적회로에서 소비되는 전력을 절감하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 외부 변조 신호에 대응하여 광 출력이 변조될 수 있도록 하는데 있다. 즉, 변조 신호 입력부를 구현하는데 있어, 단순히 광원의 ON/OFF 동작뿐만 아니라 다양한 파형의 아날로그 변조가 가능하도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광원의 구동 전압이 전원 전압 보다 낮은 경우뿐만 아니라 광원의 구동 전압이 전원 전압 보다 높은 경우에도 전원으로부터 광원으로 전력을 효율적으로 전달하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광원 디스플레이 장치에 있어서, 광을 출력하는 광원과, 상기 광원으로부터 출력되는 광의 일부를 받아 전류신호로 변환하는 수광부와, 상기 수광부로부터 출력되는 전류신호에 따라 상기 광원의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 자동 광출력 제어부 및 상기 자동 광출력 제어부로부터 출력되는 신호에 따라 외부로부터 공급되는 전원 전압을 제어하여 광원에서 요구하는 출력 전압으로 변환하며, 상기 광원의 구동전압을 제공하는 전력 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 집적회로의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 집적회로(200)는 광원으로부터 출력되는 광의 일부를 받아 수광부에서 검출된 전류 신호와 외부의 화상 제어부(도시되지 않음)로부터 제공되는 변조(Modulation) 신호 입력에 대응하여 광원의 광 출력을 일정하게 유지하도록 제어한다. 이 때 외부에서 입력되는 변조 신호는 색 재현 및 화면 밝기의 균일도 향상을 위한 것으로 단순한 펄스 ON/OFF 변조 신호가 아니라 아날로그 변조된 입력 신호이다.

광원은 광을 전방 및 후방을 향하여 출력하는 소자로서, 복수의 광원 단위로 배열된다. 예를 들어 영상 신호들의 개선된 색 재현을 위해서는 적색, 청색 레이저 다이오드(RED Laser Diode, BLUE Laser Diode) 및 녹색 레이저 다이오드(GREEN Laser Diode)등이 배열되어 각 레이저에 인가되는 구동전류의 크기에 비례하는 레이저 광을 발광하게 된다.

이 중 특히 녹색 레이저 다이오드는 현재까지 하나의 칩으로 구현된 반도체 레이저가 공개된 바 없다. 따라서 반도체 레이저로 펌핑된 고체 레이저를 제2고조파 변환 시킨 레이저가 일반적으로 사용된다. 예를 들어, GaAs 기반의 반도체 레이저에 전류를 주입하여 808 nm 파장의 레이저 광을 생성한 후, 이 레이저 광으로 Nd:YVO4 고체 레이저를 펌핑하여 1064 nm 파장의 레이저 광을 얻는다. 다시 1064 nm 파장의 레이저 광을 제 2 고조파 생성 단결정(KTP, PPLN 등)으로 통과 시키면 532 nm 파장의 녹색 레이저 광을 얻을 수 있다.

수광부는 레이저 다이오드 칩의 후방에 위치하여 광의 일부를 검출하는 모니터 포토다이오드(Monitor Photodiode : MPD)로 구성된다. 일반적으로 모니터 포토다이오드는 역방향 바이어스로 구동되지만 경우에 따라 순방향 바이어스로 구동될 수 있다. 이 경우 순방향 바이어스 전압은 0V 근처로 낮게 설정되어야 한다. 0.5~0.6 V 이상으로 높게 설정되면 다이오드가 순방향으로 Turn-on 되어 포토다이오드로서 동작할 수 없기 때문이다. 이와 같은 순방향 바이어스는 레이저 다이오드의 캐소드와 모니터 포토다이오드(MPD)의 캐소드가 연결된 코먼 캐소드(Common Cathode)의 연결 구조에서 흔히 사용된다. 코먼 캐소드 연결 구조에서 모니터 포토다이오드(MPD)를 순방향 바이어스로 구동하게 되면 별도의 음전원 전압을 사용하지 않아도 되기 때문이다.

본 발명의 광원 구동 집적회로(200)로 구동되는 녹색 레이저 모듈은 레이저 다이오드(LD)의 애노드(Anode) 와 모니터 포토다이오드(MPD)의 캐소드(Cathode)가 연결되는 구조를 가지며, 모니터 포토다이오드(MPD)의 애노드(Anode)는 저항소자(240)에 접속된다. 이러한 연결구조에서 모니터 포토다이오드(MPD)는 역방향 바이어스로 동작하게 되고 모니터 포토다이오드(MPD)의 애노드(Anode)로부터 공급되는 검출 전류에 의해서 저항소자(240)에 발생한 전압 강하, 즉 궤환 전압이 자동 광출력 제어부(210)로 제공된다.

광원 구동 집적회로(200)는 외부의 화상 제어부(도시되지 않음)로부터 변조 신호 입력부(235)에 제공되는 변조 신호에 대응하여 레이저 다이오드(LD)에 광 출력이 일정하게 유지하도록 구동전류를 제어하는 자동 광출력 제어부(210)를 포함한다. 여기서, 광원 구동 집적회로(200)은 변조 신호 입력부(235)에 입력되는 RGB 변조 신호에 따라 출력되는 광의 종류가 달라지며, 각 광원의 구동전류는 각각에 구비된 저항소자(240)의 저항값과 변조 신호의 크기에 따라 다르게 동작한다.

한편, 광원 구동 집적회로(200)는 자동 광출력 제어부(210)를 통하여 출력되는 변조 신호에 따라 외부로부터 입력되는 전원 전압(Vcc)의 공급을 제어하여 필요한 만큼의 출력 전압으로 변환하는 전력 변환부(220)를 포함한다. 즉 전력 변환부(220)에 의해 전원 전력이 광원으로 전달되며, 이때 변환 효율을 높이기 위해 전력 변환부(220)는 펄스폭 변조 제어 방식을 따른다. 이와 같은 전력 변환부(220)를 구비함으로써 전력 변환 효율은 80~90% 정도까지 향상될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따 녹색 레이저 구동 집적회로의 내부 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 녹색 레이저 다이오드 구동 집적회로(205)의 자동 광출력 제어부(210)는 변조 신호 입력(GREEN Modulation)에 대응되어 변조 전류를 출력하는 전류 미러부(230)를 포함한다. 전류 미러부(230)는 변조 신호 입력부(235)에 저항소자(Rmod)가 연결되며, 저항소자(Rmod)와 드레인이 연결되는 게이트를 공통으로 접속한 PMOS형 전계효과 입력 트랜지스터(Q3) 및 출력 트랜지스터(Q4)로 이루어지고, 각 트랜지스터(Q3, Q4)의 소스는 전원 전압(Vcc)에 연결된다.

녹색 레이저 구동 집적회로(205)는 변조 신호 입력부(235)에 변조 신호가 입 력되면 이에 대응되어 전류 미러부(230)에서는 출력 트랜지스터(Q4)의 드레인(Drain)으로부터 변조 전류(Imod)를 수학식 1과 같이 출력한다.

Imod=(Vm-Va)/Rmod

이때 출력되는 전류(Imod)의 최대값은 모니터 포토다이오드(MPD)의 출력 전류(Impd)와 같아질 때까지 증가할 수 있으며, 이 경우 발생되는 광은 출력되지 않는다. 외부 변조 신호가 ON/OFF 펄스인 경우 전류 미러부(230)의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다.

Va=0 이면 입력 트랜지스터(Q3)가 ON 되어 (Vm-Va)/Rmod 만큼의 전류가 흐르게 되고 같은 양의 전류가 출력 트랜지스터(Q4)를 통해 저항소자(240) 으로 흘러 들어간다. 보통 Imod는 검출전류 Impd 보다 높게 설정되므로 Va=0 일 때 궤환 전류는 Imod로부터만 공급되고 Impd=0 이다. 따라서 이 경우 광 출력은 없다. 이제 Va가 Vcc와 같게 되면 입력 트랜지스터(Q3)는 OFF 상태로 되고, Imod=0이므로 저항소자(240)에는 Impd 만에 의한 검출 전압이 발생한다. 이 때 광 출력은 최대값이 된다. Va가 Vcc의 절반 정도가 되면 Impd와 Imod의 크기가 비슷해지고, 이 때 광 출력은 최대값의 절반 정도로 줄어든다. 이와 같은 원리에 의해 아날로그 변조 입력 신호에 대해 아날로그 광 출력이 가능하다.

한편, 녹색 레이저(Green Laser)로부터 출력되는 광의 일부를 수광하여 전류 신호로 변환하는 모니터 포토다이오드(MPD)의 검출전류(Impd)는 녹색 레이저의 직류 특성에 의해 결정된다. 즉, 레이저 다이오드의 직류 특성에 의해, 원하는 광 출 력을 얻기 위한 레이저의 구동전류가 정해지며, 구동전류를 레이저에 흘릴 경우 발생되는 광 출력의 일부에 해당하는 모니터 포토다이오드(MPD)의 출력 전류(Impd)가 정해진다.

이렇게 정해진 모니터 포토다이오드(MPD)에서 출력되는 전류(Impd)는 저항소자(240)를 통해 궤환 전압을 발생시키며, 이 궤환 전압은 전력 변환부(220)의 오차 증폭부(260)에서 기 설정된 기준 전압(Vref)과 비교된다. 궤환이 정상적으로 이루어져 자동 광출력 제어가 동작하게 되면 궤환 전압은 오차 증폭부(260)의 기준 전압과 같아지게 된다. 이와 같은 궤환 회로 동작을 위한 저항소자(240)의 저항값(Rmpd)은 수학식 2와 같이 결정되고, 녹색 레이저의 광 출력은 저항소자(240)의 저항값(Rmpd)에 따라 조절이 가능하다.

Rmpd = Vref/Impd

본 발명에서는 저항소자(240)의 저항값(Rmpd)으로 광 출력에 최대치를 설정하며, 이 최대치 내에서 입력 변조 전압을 변화시킴으로써 광 출력을 조절하게 된다.

자동 광출력 제어부(210)는 녹색 레이저(GREEN Laser)로부터 출력되는 광의 일부를 받아 전류 신호로 변환하는 모니터 포토다이오드(MPD)에서 출력된 검출 전류(Impd)에 의하여 궤환 전압(Vb)이 발생되도록 저항소자(240)를 구비한다. 전류 미러부(230)로부터 출력되는 변조 전류(Imod)와 모니터 포토다이오드(MPD)로부터 출력되는 검출 전류(Impd)가 더해져서 저항소자(240)에 전압 강하가 발생한다. 이 전압 강하로부터 궤환 전압을 얻을 수 있으며 궤환 전압에 따라 녹색 레이저에 광의 세기가 일정하게 유지하도록 전류원(250)에서 녹색 레이저에 공급되는 구동전류를 조정한다.

자동 광출력 제어부(210)는 널리 사용되는 APC(Automatic Power Control) 방식에서와 같이, 레이저로부터 제공되는 궤환 전류의 크기에 따라서 녹색 레이저로 인가되는 구동전류를 변화시켜 녹색 레이저의 레이저 광 출력이 일정하게 유지되도록 제어한다. 본 발명에서는 녹색 레이저의 광 출력을 조절하기 위해서 입력 변조 신호를 이용할 수 있다. 전류 미러부(230)의 입력 변조 전압에 대응되어 변조 전류가 출력되는데 변조 전류와 검출 전류의 합이 일정하게 유지되도록 궤환이 형성되어 자동 광출력 제어가 이루어지기 때문이다. 즉, 변조 전류가 커지면 검출 전류가 작아지고, 이렇게 작아진 검출 전류값이 유지되도록 궤환이 형성되어 결과적으로 광원에 흐르는 전류가 작아져서 광 출력이 줄어들게 되어 광 출력을 조절할 수 있게 된다.

한편, 전력 변환부(220)는 자동 광출력 제어부(210)로부터 출력되는 궤환 전압(Vb)과 기 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여 오차 신호를 출력하는 오차 증폭부(260)와, 톱니파 신호 발생부(270)에서 생성된 톱니파 신호와 오차 신호를 비교하여 오차 신호의 크기에 비례한 펄스폭 변조 신호를 출력하는 펄스폭 변조 비교부(280) 및 펄스 신호에 따라 외부로부터 입력되는 전원 전압(Vcc)을 제어하여 필요한 출력 전압으로 변환하는 강압 변환부(290)로 구성된다.

자동 광출력 제어부(210)의 저항소자(240)에 흐르는 전류에 의하여 발생되는 궤환 전압(Vb)이 오차 증폭부(260)의 반전 입력 단자에 입력되고, 비반전 입력 단자에 기 설정된 기준 전압(Vref)이 입력된다. 오차 증폭부(260)는 양 전압의 차이에 해당하는 오차 신호를 다음 단 펄스폭 변조 비교부(280)의 반전 입력 단자로 출력한다. 오차 증폭부(260)는 저항소자(240)의 출력 전압신호에 따라 궤환 회로의 응답특성을 조절하기 위하여 시정수 조정용 캐패시터(C2)를 포함한다.

다음 단의 펄스폭 변조 비교부(280)는 반전 입력 단자에 오차 신호가 입력되고, 비반전 입력 단자에 톱니파 신호 발생부(270)에서 생성된 톱니파 신호가 입력된다. 도 5에 도시된 펄스폭 변조 동작 파형도에서 볼 수 있듯이, 펄스폭 변조 비교부(280)는 오차 신호와 톱니파 신호를 비교하여 오차 신호의 전압에 반비례한 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 출력한다. 즉, 스위칭부(300)를 구동하기 위하여 오차 신호의 전압이 상승하는 경우 펄스 신호의 폭이 좁아지고, 오차 신호의 전압이 감소하는 경우 펄스 신호의 폭이 넓어지는 구형파 펄스 신호를 출력한다.

한편, 강압 변환부(290)는 펄스폭 변조 비교부(280)로부터 출력되는 펄스 신호에 따라 외부로부터 입력되는 전원 전압(Vcc)을 제어하도록 스위칭 소자인 PMOS형 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET, Q5)로 구성되는 스위칭부(300)와, PMOS형 전계효과 트랜지스터(Q5)의 드레인 단자에서 출력되는 전류를 일방향으로만 흐르도록 제한하기 위한 다이오드(D1)와, FET(Q5)의 드레인 단자에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키기 위한 인덕터(L1)와, 인덕터를 통과한 전류 흐름에 따른 전하를 충전 및 방전하기 위한 캐패시터(C1) 및 궤환 회 로의 발진 방지를 위한 피드포워드 캐패시터(310)를 포함한다.

강압 변환부(290)의 스위칭부(300)는 펄스폭 변조 비교부(280)로부터 출력되는 펄스 신호에 따라 외부로부터 입력되는 전원 전압(Vcc)의 공급을 제어한다. 강압 변환부(290)는 스위칭부(300)로부터 입력되는 전원 전압(Vcc)의 공급을 제어하여 광원에서 필요한 만큼의 미리 설정된 출력 전압으로 변환하는데 기본적으로 출력 전압(Vout)이 전원 전압(Vcc)보다 작다는 특성을 지닌다.

출력 전압(Vout)과 오차 증폭부(260)의 비반전 단자는 피드포워드 캐패시터(310)에 의해 연결되어 자동 전력 제어부(210)의 궤환 전압신호에 의해 발생될 수 있는 발진을 방지한다. 즉, 피드포워드 캐패시터(310)는 출력 전압의 고주파 성분을 바이패스 시켜 자동 광출력 제어부(210)로부터 제거시킴으로써 발진을 방지하게 된다.

이하 강압 변환부(290)의 동작을 자동 광출력 제어부(210)와 연관하여 설명하면, 녹색 레이저 광원에 전류가 흐르면 레이저 광이 출력되고, 그 일부가 모니터 포토다이오드(MPD)에 의해 검출된다. 검출 전류는 저항소자(240)에 의해 궤환 전압(Vb)으로 출력되어 그 오차 증폭부(260)의 반전 입력단에 제공되고, 비반전 입력단의 기준 전압(Vref) 과 비교된다. 검출 전류가 설정값(Vref/Rmpd)보다 작다면 오차 증폭부(260)의 출력 전압은 증가하여 펄스폭 변조 비교부(280)의 반전 입력으로 제공된다. 이 전압은 펄스폭 변조 비교부(280)의 비반전 입력단으로 입력되는 톱니파와 비교되며, 이 때 오차 증폭부(260) 출력 전압이 증가하면 펄스폭 변조 비교부(280)의 출력 펄스폭은 감소하게 된다. 이에 따라 스위칭부(300)의 OFF 시간은 감소하고 ON 시간은 증가하여 출력 전압(Vout)은 증가한다.

출력 전압이 증가하면 전류원(250)의 작동에 의해 녹색 레이저에 공급되는 전류가 증가하여 녹색 레이저의 광 파워가 증가하고, 따라서 모니터 포토다이오드(MPD)의 검출 전류도 증가하여 결국 기준 전압(Vref)과 검출 전압(Vb)이 같아질 때까지 궤환 동작이 이루어지게 된다. 본 발명에서는 이와 같이 자동 광출력 제어부(210)에 펄스폭 변조 구동되는 강압 변환부(290)를 결합함으로써 공급 전원으로부터 광원에 전달되는 전력 효율을 높이게 된다.

전력 효율을 보다 향상시키기 위하여, 전류원(250)에는 N-채널 파워 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(N-channel Power MOSFET, Q6)를 사용한다. Power MOSFET(Q6)을 사용하면 드레인-소스(drain-source)간 On 저항이 수십~수백 m Ohm 에 불과하므로 드레인-소스(drain-source)간의 전압 강하를 줄일 수 있고, 따라서 전력 효율을 증가시킬 수 있다. Power MOSFET(Q6)의 내부 전력 소모는 바이폴라 파워 트랜지스터(Bipolar Power Transistor)를 사용할 경우에 비해 1/10 이하 수준이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 청색 레이저 다이오드 구동 집적회로의 내부 회로도이다. 전력 변환부(220)와 자동 광출력 제어부(210)를 구비하고 있다는 점에서 도 3의 녹색 레이저 구동 집적회로(205)와 비슷하지만 몇가지 차이점을 위주로 구성과 동작을 설명하고자 한다.

청색 레이저 다이오드(BLUE Laser Diode)는 동작 전압이 5 V 내외로 공급 전압 3.7 V 인 리튬-이온 배터리를 사용하여 휴대형 광원으로 사용하고자 할 경우 별 도의 승압 변환부(490)가 필요하다. 이는 녹색 레이저 구동 집적회로(205)의 강압 변환부(290)를 승압 변환부(490)로 대체함으로써 회로 구현이 가능하다. 또한 청색 레이저 다이오드(Blue LD)와 모니터 포토다이오드(MPD)의 연결구조가 코먼 캐소드 구조로서, 앞서 언급하였듯이 모니터 포토다이오드(MPD)를 순방향 바이어스로 구동하게 된다. 따라서 오차 증폭부(460)의 비반전 입력단에 제공되는 기준 전압도 0.25 V이하로 낮게 설정되어야 한다. 또한 광원에 전류를 공급하기 위한 전류원(450)에 사용되는 트랜지스터도 PMOS로서 녹색 레이저 구동을 위한 전류원(250)에 사용되는 NMOS와는 다르다.

청색 레이저 다이오드(Blue LD)에서 출력되는 레이저 광은 그 일부가 모니터 포토다이오드(MPD)에 의해 검출된다. 검출 전류는 저항 소자(440)로 흐르면서 궤환 전압을 발생시킨다. 외부 변조 신호를 입력 받아 전류 미러부(430)의 동작에 의해 발생한 변조 전류 역시 저항 소자(440)로 흘러 들어와 궤환 전압을 발생시킨다. 변조 전류와 검출 전류의 합이 일정하도록 궤환 동작이 이루어지므로 변조 전류를 변화시키면 검출 전류를 조절할 수 있어 청색 레이저 다이오드(BLUE LD)의 광 출력 조절이 가능하게 된다.

검출 전류와 변조 전류가 합산되어 발생한 궤환 전압은 오차 증폭부(460)의 반전 입력단으로 제공되어 비반전 입력단의 기준 전압과 비교된다. 만약 청색 레이저(BLUE LD)의 광 출력이 모자라서 궤환 전압이 기준 전압보다 작은 경우 오차 증폭부(460)의 출력은 증가하게 된다. 오차 증폭부(460)의 출력은 펄스폭 변조 비교부(480)의 반전 입력단으로 제공되어 비반전 입력단의 톱니파와 비교된다. 도 5에 도시된 펄스폭 변조 동작 파형에서 볼 수 있듯이, 오차 증폭부(460)의 출력이 증가하면 펄스폭 변조 비교부(480)의 출력 신호의 펄스폭은 감소한다. 펄스폭 변조 비교부(480)의 출력은 트랜지스터(Q5)의 게이트로 입력되며, 게이트 입력 신호의 펄스폭이 감소하면 트랜지스터(Q5)의 ON 시간이 감소하여 승압 변환부(490)의 출력 전압이 증가한다. 이 출력 전압은 전류원(450)의 입력 전압을 높여 청색 레이저 다이오드(BLUE LD)로 흐르는 구동 전류를 증가시키고 따라서 청색 레이저의 광 출력은 증가하게 된다. 증가된 광 출력에 비례하여 검출 전류가 증가하게 되고, 결국 궤환 전압이 기준 전압과 같아지는 동작점에서 궤환 동작은 멈추게 된다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광원 구동 집적회로 및 방법이 이루어질 수 있으며, 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위내의 여러 가지 변형에 의한 다양한 실시예가 있을 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 수광부의 궤환 전압에 따라서 외부로부터 입력되는 전원 전압을 제어하여 광원에서 요구하는 만큼의 전압을 출력할 수 있다. 따라서, 변환된 출력 전압에 따라 광원에 공급되는 구동전류를 조정하여 주변온도의 변화나 광원의 열화에도 광 출력이 일정하게 유지되도록 광원을 제어할 수 있다.

또한 전력 변환부의 전원 전압 제어는 펄스폭 변조 방식을 이용하여, 광원 구동 집적회로 내부에서 소비되는 전력을 절감할 뿐만 광원의 구동 전압이 전원 전압 보다 큰 경우나 작은 경우에 상관없이 향상된 전력 변환 효율을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 녹색 레이저 구동 회로 시험 결과에 의하면, 전원에서 공급되는 전력의 85%를 광원으로 전달할 수 있어 기존 효율 약 50%보다 35% 향상된 전력 변환 효율을 얻을 수 있다.

광원의 광 출력 파워 조절은 저항소자의 저항값을 변화시킴으로서 최대 광 출력을 설정할 수 있다. 최대 광 출력 내에서의 변화는 입력 변조 신호를 사용하여 조절 가능하며, 광 출력은 입력 변조 신호의 파형에 따라 펄스 동작뿐만 아니라 다양한 아날로그 변조 동작이 가능하다.

Claims

광원 디스플레이 장치에 있어서,

광을 출력하는 광원과;

상기 광원으로부터 출력되는 광의 일부를 받아 전류신호로 변환하는 수광부와;

상기 수광부로부터 출력되는 전류신호에 따라 상기 광원의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 자동 광출력 제어부와;

상기 자동 광출력 제어부로부터 출력되는 신호에 따라 외부로부터 공급되는 전원 전압을 제어하여 광원에서 요구하는 출력 전압으로 변환하며, 상기 광원의 구동전압을 제공하는 전력 변환부를 포함하고,

상기 전력 변환부는 광원의 동작 전압이 전원 전압보다 낮을 경우 강압 변환부를 구비하고, 광원의 동작 전압이 전원 전압보다 높을 경우 승압 변환부를 구비하며,

상기 전력 변환부는 상기 자동 광출력 제어부의 출력 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 오차 신호를 출력하는 오차 증폭부와;

상기 오차 신호와 비교하기 위해 톱니파 신호를 출력하는 톱니파 신호 발생부와;

상기 오차 신호와 톱니파 신호를 비교하여 상기 오차 신호의 전압에 비례한 펄스 신호를 출력하는 펄스폭 변조 비교부; 및

상기 펄스폭 변조 비교부의 펄스 신호에 따라 전원 전압의 공급을 제어하여 광원에서 필요한 만큼의 출력 전압으로 강압하는 강압 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
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제1항에 있어서, 상기 오차 증폭부는 상기 자동 광출력 제어부의 출력 전압 신호에 따라 응답특성을 조절하는 시정수 조정용 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제1항에 있어서, 상기 강압 변환부는 상기 펄스폭 변조 신호에 따라 외부로부터 입력되는 전원 전압의 공급을 제어하는 스위칭부와;

상기 스위칭부로부터 출력되는 전류를 일방향으로만 흐르도록 제한하기 위한 다이오드와;

상기 스위칭부에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키기 위한 인덕터와;

상기 인덕터를 통과한 전류 흐름에 따른 전하를 충전 및 방전하기 위한 캐패시터; 및

상기 캐패시터와 상기 오차 증폭부 사이에 연결되어 궤환 회로의 발진을 방지하는 피드포워드 캐패시터(C3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제1항에 있어서, 상기 자동 광출력 제어부는 외부로부터 입력되는 변조 신호에 대응하여 변조 전류를 출력하는 전류 미러부; 및

상기 전류 미러부의 변조 전류 및 수광부에서 출력되는 전류를 합산함으로써 획득되는 전류에 의한 전압 강하가 발생되도록 하는 저항소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제6항에 있어서, 상기 저항 소자는 저항값에 따라 상기 광원의 최대 광 출력을 설정하며, 외부 변조 신호 입력에 의해 최대 광 출력 설정치 내에서 다시 광 출력 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제6항에 있어서, 상기 자동 광출력 제어부는 상기 저항소자의 출력 전압에 따라 상기 광원에 공급되는 구동전류를 조정하는 전류원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제8항에 있어서, 상기 전류원은 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제6항에 있어서, 상기 전류 미러부는 외부에서 변조 신호가 입력되는 변조 신호 입력부; 및

상기 변조 신호 입력부로부터의 변조 신호에 대응되어 전압강하가 발생되도록 저항소자를 구비하며, 상기 저항소자와 드레인이 연결되는 게이트를 공통으로 접속한 PMOS형 입력 트랜지스터 및 출력 트랜지스터로 이루어져 각 트랜지스터의 소스에는 전원 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제1항에 있어서, 상기 광원은 적색, 청색 레이저 다이오드 및 녹색 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제11항에 있어서, 상기 녹색 레이저는 반도체 레이저로 펌핑된 고체 레이저를 다시 단결정에 통과시켜 제 2고조파 생성된 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.
제1항에 있어서, 상기 수광부는 모니터 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 구동 집적회로.