KR20120019384A - 반도체 광원장치 및 반도체 광원 제어방법 - Google Patents

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KR20120019384A
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Abstract

반도체 발광소자와,
동작 전력을 공급하는 전원 회로와,
상기 전원 회로로부터의 전력을 축적해서 방출하는 수동 소자, 및 상기 수동 소자에 상기 전원 회로로부터의 전력을 공급해서 축적하는 충전 경로와 상기 수동 소자에 축적된 전력을 상기 반도체 발광소자로 발광시켜 방출하는 방전 경로를 전환하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자로 상기 충전 경로와 방전 경로를 전환하는 것에 의해 상기 반도체 발광소자를 간헐 구동하는 구동 회로와,
상기 충전 경로 및 방전 경로의 각 선택시에 경로에 걸리는 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라 상기 수동 소자를 흐르는 전류가 일정값으로 유지되도록 상기 복수의 스위칭 소자의 전환 듀티비를 산출해서 상기 복수의 스위칭 소자를 전환하는 정전류 스위치 제어부와,
상기 정전류 스위치 제어부에 의해 산출되는 상기 전환 듀티비에 따라 상기 전원 회로가 공급하는 전압값을 조정하는 듀티 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.

Description

반도체 광원장치 및 반도체 광원 제어방법{SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE APPARATUS AND SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE CONTROL METHOD}
본 발명은 예를 들면 LED(발광 다이오드)나 LD(레이저 다이오드) 등의 반도체 발광소자를 이용하는 반도체 광원장치 및 반도체 광원 제어방법에 관한 것이다.
전력 소비를 저감하는 동시에, LED의 휘도를 일정하게 제어하기 위한 LED 구동회로로서 일본국 특개 2005-011895호 공보를 포함하는 기술이 고려되고 있다.
상기 특허문헌에 기재된 기술을 포함해서 반도체 발광소자의 구동은 연산 증폭기와 파워 트랜지스터를 조합시켜 전류 귀환을 건 리니어(linear) 정전류 회로나, 정전류 제어형의 DC/DC 컨버터 등으로 실행하는 것이 일반적인 구성으로 되어 있다.
고속인 PWM 구동을 실행할 경우, PWM 파형의 전류의 상승을 빠르게 할 필요가 생긴다. 상기 전자의 리니어 정전류 회로에서는 귀환 늦음에 의한 오버 드라이브에서 전류의 오버 쇼트가 발생한다. 그 때문에, 동작의 고속화와 안정된 귀환 제어를 양립시키는 것은 어렵다. 또, 고속화를 실현할 경우에는 출력 단(段)의 트랜지스터에서의 부담이 크고, 전압 마진을 더욱 많이 예상할 필요가 있는 동시에, 동일 트랜지스터의 열대책이 필수로 된다.
또, 상기 후자의 DC/DC 컨버터에서는 회로중에서 사용하는 인덕터의 전류를 원래의 전류값으로 복귀시킬 때까지의 동안에, 적어도 수 내지 십 수 스위칭 사이클의 시간이 필요하게 된다. 그 때문에, 이와 같은 전류의 상승 특성으로부터 고속화가 곤란하게 되어 있었다.
최근, 상기 후자의 DC/DC 컨버터에서 상술한 바와 같은 불량을 개선하기 위해, PWM 파형이 온(on)일 때의 귀환계 전압이나, 회로중의 콘덴서의 출력 전압을 일시 홀딩시키고, 다음의 온일 때의 전류의 상승을 가파름화시키는 것에 의해 고속화를 가능하게 한 것이 실현되어 있다. 그래도, PWM 사이클의 고속화는 수십 [㎑] 정도가 한계로 되어 있어, 그 이상의 고속화는 곤란하였다.
본 발명의 반도체 광원장치는,
반도체 발광소자와,
동작 전력을 공급하는 전원 회로와,
상기 전원 회로로부터의 전력을 축적해서 방출하는 수동 소자, 및 상기 수동 소자에 상기 전원 회로로부터의 전력을 공급해서 축적하는 충전 경로와 상기 수동 소자에 축적된 전력을 상기 반도체 발광소자로 발광시켜 방출하는 방전 경로를 전환하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자로 상기 충전 경로와 방전 경로를 전환하는 것에 의해 상기 반도체 발광소자를 간헐 구동하는 구동 회로와,
상기 충전 경로 및 방전 경로의 각 선택시에 경로에 걸리는 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라 상기 수동 소자를 흐르는 전류가 일정값으로 유지되도록 상기 복수의 스위칭 소자의 전환 듀티비(duty ratio)를 산출해서 상기 복수의 스위칭 소자를 전환하는 정전류 스위치 제어부와,
상기 정전류 스위치 제어부에 의해 산출되는 상기 전환 듀티비에 따라 상기 전원 회로가 공급하는 전압값을 조정하는 듀티 제어부를 구비하고 있다.
또, 본 발명의 반도체 광원 제어방법은,
반도체 발광소자와, 동작 전력을 공급하는 전원 회로와, 상기 전원 회로로부터의 전력을 축적해서 방출하는 수동 소자, 상기 수동 소자에 상기 전원 회로로부터의 전력을 공급해서 축적하는 충전 경로와 상기 수동 소자에 축적된 전력을 상기 반도체 발광소자로 발광시켜 방출하는 방전 경로를 전환하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자로 상기 충전 경로와 방전 경로를 전환하는 것에 의해 상기 반도체 발광소자를 간헐 구동하는 구동 회로를 구비한 반도체 광원장치에서의 제어 방법으로서,
상기 충전 경로 및 방전 경로의 각 선택시에 경로에 걸리는 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라 상기 수동 소자를 흐르는 전류가 일정값으로 유지되도록 상기 복수의 스위칭 소자의 전환 듀티비를 산출해서 상기 복수의 스위칭 소자를 전환하는 정전류 스위치 제어공정과,
상기 정전류 스위치 제어공정에 의해 산출되는 상기 전환 듀티비에 따라 상기 전원 회로가 공급하는 전압값을 조정하는 듀티 제어 공정을 갖고 있다.
본 발명에 의하면, 정전류 유지를 위해 전류가 급변하지 않는 인덕터의 성질을 이용하고, 더해서, 스위칭 소자인 FET, FET의 아날로그 영역이 아닌 포화 영역을 사용해서 스위칭 동작시키는 것으로 했기 때문에, 고속, 또한 고효율로 안정화 한 PWM 신호에 의한 구동을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에 관한 반도체 발광소자의 PWM 구동 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 각 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트이다. 여기서, (A)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 제 1 스위칭 소자에 인가되는 신호 파형을 나타내고, (B)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 제 2 스위칭 소자에 인가되는 신호 파형을 나타내고, (C)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 제 3 스위칭 소자에 인가되는 신호 파형을 나타내고, (D)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 제 4 스위칭 소자에 인가되는 신호 파형을 나타내고, (E)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 인덕터에 인가되는 전류값을 나타내고, (F)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 다이오드에 인가되는 전류값을 나타내고, (G)는 동일 실시형태에 관한 도 1의 회로중의 LED에 인가되는 전류값을 나타낸다.
이하에 도면을 참조해서 본 발명의 1실시형태를 상세하게 설명한다.
도 1은 동일 실시형태에 관한 반도체 광원장치(10)의 회로 구성을 나타내는 도면이다. 동일 도면에서, 이 장치에 공급되는 전원 입력이 전원전압 변환부(11)에 부여된다. 이 전원전압 변환부(11)에서, 후술하는 듀티 감시부(22)로부터의 제어에 따라 변화하는 직류의 구동 전압 Vin이 제 1 스위칭 소자(SW1)로서 이용되는 n채널의 FET(12)의 드레인에 상시 부여된다.
동일 FET(12)의 소스가 인덕터(13)의 일단에 접속되는 동시에, 제 2 스위칭 소자(SW2)로서 이용되는 n채널의 FET(14)의 드레인에 접속된다.
상기 인덕터(13)의 타단은 제 3 스위칭 소자(SW3)로서 이용되는 n채널의 FET(15)의 드레인과, 다이오드(16)의 애노드에 접속된다. 다이오드(16)의 캐소드는 콘덴서(17)의 일단 및 반도체 발광소자, 예를 들면 LED(발광 다이오드)(18)의 애노드와 접속된다.
LED(18)의 캐소드는 제 4 스위칭 소자(SW4)로서 이용되는 n채널의 FET(19)의 드레인과 접속된다. 동일 FET(19)의 소스가 상기 콘덴서(17)의 타단과, 상기 FET(15)의 소스에 접속된다. 상기 콘덴서(17)는 LED(18)에 흐르는 리플 전류 (ripple current)를 경감할 목적, 및 방형파를 형성할 목적을 위해 삽입된다.
또한, FET(15)의 소스가 저항(20)의 일단에 접속된다. 동일 저항(20)의 타단이 상기 FET(14)의 소스에 접속되는 한편으로, 접지된다.
이 장치의 발광의 온/오프의 타이밍을 제어하기 위해, 정전류 제어부(21)가 설치된다. 이 정전류 제어부(21)는 상기 FET(12, 15)의 각 게이트와 듀티 감시부 (22)에 대해 PWM 신호 a를 공급하는 한편으로, 그 PWM 신호 a를 반전한 PWM 신호 b를 상기 FET(14, 19)의 각 게이트와 상기 듀티 감시부(22)에 공급한다.
또, 상기 저항(20)의 양단의 전위가 맞추어 정전류 제어부(21)에 의해 검출된다.
정전류 제어부(21)는 저항(20)의 양단 전압을 감시하면서, 상기 FET(12, 15)와 FET(14, 19)에 대해 상기 서로 반전한 2개의 PWM 신호 a, b를 송출하고, 의도한 정전류를 유지하도록 제어를 실행한다.
즉, 정전류 제어부(21)와 인덕터(13), 다이오드(16), 콘덴서(17), 및 저항 (20)에 의해 LED(18)를 위한 구동 회로를 구성하는 것이고, 이 구동 회로에 있어서의 전류 경로를 제어하는 스위칭 소자로서 FET(12, 15)와 FET(14, 19)가 배치된다. 또한, 복수의 스위칭 소자로서 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)를 이용해도 좋지만, FET는 전압 제어이기 때문에, FET를 이용한 쪽이 저항 등의 부품점수를 삭감할 수 있다.
상기 듀티 감시부(22)는 정전류 제어부(21)가 출력하는 2개의 PWM 신호 a, b의 각 온/오프의 듀티를 감시한다. 그리고, 해당 듀티가 의도한 일정값을 유지하도록, 상기 전원전압 변환부(11)가 변환해서 출력하는 구동 전압 Vin의 값을 상기 듀티 감시부(22)는 제어한다.
다음에 상기 실시형태의 동작에 대해 설명한다.
정전류 제어부(21)는 도 2 (A), (C)에 나타내는 바와 같은 PWM 신호 a를 FET(12, 15)의 각 게이트에 부여하는 동시에, 이것을 반전한 도 2 (B), (D)에 나타내는 바와 같은 PWM 신호 b를 FET(14, 19)의 각 게이트에 부여한다.
FET(12, 15)가 온으로 되고, 도 1중에 파선으로 나타내는 충전의 전류 경로 R1을 따라 전류가 흘러, 인덕터(13)에 에너지가 축적된다.
다음에, FET(12, 15)가 오프로 되고, 한편으로 FET(14, 19)가 온으로 되면, 이번에는 인덕터(13)에 축적된 에너지가 도면중에 일점쇄선으로 나타내는 방전의 전류 류프(current loop) R2를 따라 흐르고, 이 과정에서 해당 에너지가 부하인 LED(18)를 통해 발광하는 동시에 방출된다.
인덕터(13)를 흐르는 전류는 도 2 (E)에 나타내는 바와 같이, FET(12, 15)가 온으로 되어 상승할 때의 전류 Ia(Ia>0)로부터 서서히 상승하고, FET(12, 15)가 오프로 되어 떨어지기 시작할 때의 전류 Ib(Ia<Ib)를 피크로 해서, 다음에 재차 FET(12, 15)가 온으로 되어 상승할 때의 전류 Ia로 될 때까지 서서히 하강한다고 하는 패턴을 반복한다. 그때, 다이오드(16)를 흐르는 전류는 도 2 (F)에 나타내는 바와 같이, FET(12, 15)가 온으로 되어 있는 때에는 전류가 흐르지 않고, FET(12, 15)가 오프로 되어 있는 때는 전류가 흐른다고 하는 패턴을 반복한다.
한편, 발광 소자인 LED(18)를 흐르는 전류는 도 2 (G)에 나타내는 바와 같이 FET(14, 19)가 온으로 되어 있는 기간에서는 인덕터(13)에 축적된 전류가 그대로 흐르고, 도시하는 바와 같이 방형파에 가까운, 고속인 상승 특성을 갖는 전류의 펄스 파형을 얻을 수 있다.
LED(18)에 흐르는 전류를 일정하게 유지하기 위한 조건은 이하의 관계식으로 나타낼 수 있다. 즉,
듀티 = Vf/(Vin+Vf) …(1)
(단, Vf: LED에 인가되는 전압. Vin: 구동 전압.)
으로 된다. 의도한 듀티를 지키면서 정전류 구동을 실행하기 위해서는, 상기 (1)식을 만족하는 구동 전압 Vin과 LED(18)에 인가되는 전압 Vf의 관계를 유지하면 좋게 된다.
따라서, 정전류 제어부(21)는 저항(20)의 양단에 있어서의 전압값을 귀환해서 검출하는 것에 의해, 의도한 정전류를 유지하도록 FET(12, 15)와 FET(14, 19)로의 각 PWM 신호 a, b의 듀티를 조정하고, 인덕터(13)에 축적되는 에너지를 조정한다.
또, 듀티 감시부(22)는 상기 FET(12, 15)와 FET(14, 19)로의 양 PWM 신호 a, b의 듀티를 감시하고, 그 듀티가 의도한 값으로 되도록 전원전압 변환부(11)에 지령을 부여한다.
전원전압 변환부(11)는 듀티 감시부(22)로부터의 지령에 의거해서 구동 전압 Vin을 필요한 전압값으로 시프트한다.
상술하는 바와 같이 콘덴서(17)는 반도체 발광소자인 LED(18)에 흐르는 리플 전류를 경감할 목적으로 삽입되고 있지만, 그 충전 전류가 LED(18)의 상승 전류를 흡수하고, LED(18)에서의 고속인 상승 동작을 저해하는 요인도 된다.
그래서, PWM 신호 a가 온인 기간은 해당 PWM 신호 a를 반전한 PWM 신호 b에서 동작하는 FET(19)을 오프하는 것에 의해 LED(18)를 통한 콘덴서(17)의 방전 경로, 즉 콘덴서(17)의 정극, LED(18)의 애노드, LED(18)의 캐소드, FET(19)의 드레인, FET(19)의 소스 및 콘덴서(17)의 부극으로 구성되는 콘덴서(17)의 방전 경로를 오프로 하고, 또한 다이오드(16)에 의해 FET(15) 방향으로의 전류에 의한 콘덴서 (17)의 전하의 방출을 억제하는 것에 의해, 다음에 PWM 신호 a가 오프로 될 때까지의 동안, 콘덴서(17)에서의 전압을 홀딩할 수 있다.
그 때문에, 다음에 콘덴서(17)를 충전하기 위한 전류에서 LED(18)용의 전류가 흡수될 일 없이, LED(18)의 상승 특성을 충분히 가파르게 고속인 것으로 하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 정전류 제어부(21)는 일반적으로 IC화 되어 있는 정전류 귀환 타입의 강압(降壓) DC/DC 컨버터와 동등의 구성으로 실현 가능하고, 이 타입에서는 이미 수 [㎒] 오더의 스위칭 주파수의 것까지 실용화되어 있다. 따라서, 전류 제어 회로로서 이들의 IC를 채용하는 것에 의해, 수 [㎒] 오더에서의 PWM 주기의 제어가 가능하게 된다.
이상에 상술하는 바와 같이 본 실시형태에 의하면, 정전류 유지를 위해 전류가 급변하지 않는 인덕터(13)의 성질을 이용하고, 더해서, 스위칭 소자인 FET(12, 15), FET(14, 19)의 아날로그 영역이 아닌 포화 영역을 사용해서 스위칭 동작시키는 것으로 했기 때문에, 고속, 또한 고효율로 안정화 한 PWM 신호에 의한 구동을 실현할 수 있다.
또한 상기 실시형태에 있어서는, 반도체 발광소자로서 LED(발광 다이오드)를 구동하는 장치에 적용한 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정하지 않고, 그 외에도 반도체 발광소자로서 예를 들면 LD(레이저 다이오드)나 유기 EL(전계 발광) 등을 구동하는 것이라도 좋다. 또한, 회로중에서 사용하는 반도체 발광소자의 수 등을 한정하는 것도 아니다.
또 상기 실시형태는 구동 회로로서 정전류 제어의 DC/DC 컨버터 방식의 PWM 구동 회로를 이용한 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 구동 회로의 방식을 한정하는 것도 아니다.
또한, 상기 반도체 광원장치를 사용하는 장치로서, 예를 들면 필드 순차 구동(field sequential driving)에 의해 R, G, B의 각 색 LED를 시분할로 각각 간헐 구동하는 바와 같은 DLP(Digital Light Processing)(등록상표) 방식의 프로젝터 장치에 적용하는 것도 고려된다.
그 경우, 광상(光像, optical image)을 형성하기 위한 마이크로 미러 소자에서의 화상 표시에 동기해서, 예를 들면 프레임 주파수가 120[㎐]이고, 또한 각 색의 듀티를 그 시점에서 설정되어 있는 투영 모드에 따라 ％ 단위로 전환할 필요가 있는 경우에도, 충분히 안정되어 대응하는 것이 가능하게 된다.
그 밖에, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다. 또, 상술한 실시형태에서 실행되는 기능은 가능한 적절히 조합시켜 실시해도 좋다. 상술한 실시형태에는 여러 가지의 단계가 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성 요건에 의한 적절한 조합에 의해 여러 가지의 발명이 추출될 수 있다. 예를 들면, 실시형태로 나타나는 전 구성요건으로부터 몇 개의 구성요건이 삭제되어도, 효과를 얻을 수 있는 것이라면, 이 구성요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.
10; 광원장치 11; 전원전압 변환부
12, 14, 15, 19; FET 13; 인덕터
16; 다이오드 17; 콘덴서
18; LED 20; 저항
21; 정전류 제어부 22; 듀티 감시부
a; PWM 신호

Claims (10)

  1. 반도체 발광소자와,
    동작 전력을 공급하는 전원 회로와,
    상기 전원 회로로부터의 전력을 축적해서 방출하는 수동 소자, 및 상기 수동 소자에 상기 전원 회로로부터의 전력을 공급해서 축적하는 충전 경로와 상기 수동 소자에 축적된 전력을 상기 반도체 발광소자로 발광시켜 방출하는 방전 경로를 전환하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자로 상기 충전 경로와 방전 경로를 전환하는 것에 의해 상기 반도체 발광소자를 간헐 구동하는 구동 회로와,
    상기 충전 경로 및 방전 경로의 각 선택시에 경로에 걸리는 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라 상기 수동 소자를 흐르는 전류가 일정값으로 유지되도록 상기 복수의 스위칭 소자의 전환 듀티비를 산출해서 상기 복수의 스위칭 소자를 전환하는 정전류 스위치 제어부와,
    상기 정전류 스위치 제어부에 의해 산출되는 상기 전환 듀티비에 따라 상기 전원 회로가 공급하는 전압값을 조정하는 듀티 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자 및 상기 복수의 스위칭 소자에 접속된 콘덴서를 더 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동 소자는 인덕터인 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자는 FET인 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 LED, LD 또는 유기 EL인 것을 특징으로 하는 반도체 광원장치.
  6. 반도체 발광소자와, 동작 전력을 공급하는 전원 회로와, 상기 전원 회로로부터의 전력을 축적해서 방출하는 수동 소자, 상기 수동 소자에 상기 전원 회로로부터의 전력을 공급해서 축적하는 충전 경로와 상기 수동 소자에 축적된 전력을 상기 반도체 발광소자로 발광시켜 방출하는 방전 경로를 전환하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자로 상기 충전 경로와 방전 경로를 전환하는 것에 의해 상기 반도체 발광소자를 간헐 구동하는 구동 회로를 구비한 반도체 광원 제어방법으로서,
    상기 충전 경로 및 방전 경로의 각 선택시에 경로에 걸리는 전압을 검출하고, 그 검출 결과에 따라 상기 수동 소자를 흐르는 전류가 일정값으로 유지되도록 상기 복수의 스위칭 소자의 전환 듀티비를 산출해서 상기 복수의 스위칭 소자를 전환하는 정전류 스위치 제어공정과,
    상기 정전류 스위치 제어공정에 의해 산출되는 상기 전환 듀티비에 따라 상기 전원 회로가 공급하는 전압값을 조정하는 듀티 제어 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 광원 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자 및 상기 복수의 스위칭 소자에 콘덴서를 더 접속시키는 것을 특징으로 하는 반도체 광원 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 수동 소자는 인덕터인 것을 특징으로 하는 반도체 광원 제어방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자는 FET인 것을 특징으로 하는 반도체 광원 제어방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 LED, LD 또는 유기 EL인 것을 특징으로 하는 반도체 광원 제어방법.
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