TWI554146B - 半導體光源裝置及半導體光源裝置控制方法 - Google Patents

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Description

半導體光源裝置及半導體光源裝置控制方法
本申請案係基於在2010年8月24日所申請之日本專利申請案2010-187237號案主張其優先權的利益，該日本專利申請案之全部揭示，包含說明、請求項、圖式及摘要，係以參照的方式全部合併於此。
本發明係有關於例如使用LED(發光二極體)或LD(雷射二極體)等之半導體發光元件的半導體光源裝置及半導體光源裝置控制方法。
作為用以降低耗電力，而且將LED的亮度控制成定值的LED驅動電路，有包含特開2005-011895號公報的技術。
包含該專利文獻所記載的技術之半導體發光元件的驅動係一般構成為利用將運算放大器與功率電晶體組合後施加電流回授的線性定電流電路、或定電流控制式DC/DC變流器等進行。
在進行高速之PWM驅動的情況，需要使PWM波形之電流的上昇變快。在該前者的線性定電流電路，因回授延遲所造成之過驅動而發生電流的過越。因此，難使動作的高速化與穩定的回授控制兩立。又，在實現高速化的情況，在輸出段之電晶體的負擔變大，需要預估更多的電壓邊限，而且該電晶體的熱對策成為必需。
又，在該後者的DC/DC變流器，在使電路中所使用之電感器的電流恢復至原來的電流值之期間，至少需要數個乃至數十個切換週期的時間。因此，要從這種電流的上昇特性高速化係困難。
最近，為了利用該後者的DC/DC變流器改善如上述所示的不良，暫時保持PWM波形在導通時的回授系電壓、或電路中之電容器的輸出電壓，並使下次導通時之電流的上昇陡峭化，藉此，可實現高速化。不過，PWM週期的高速化以約數十[kHz]為極限，難進一步高速化。
本發明之半導體光源裝置係具備以下的元件：半導體發光元件；供給動作電力的電源電路；驅動電路，係包含：被動元件，係積蓄並放出來自該電源電路的電力並；及複數個切換元件，係切換向該被動元件供給來自該電源電路的電力並積蓄的充電路徑、與放出該被動元件所積蓄之電力而使該半導體發光元件發光的放電路徑；藉由以該複數個切換元件切換該充電路徑與放電路徑，而對該半導體發光元件進行間歇驅動；定電流開關控制部，係在該充電路徑及放電路徑的各選擇時檢測出作用於路徑的電壓，再以因應於該檢測結果將在該被動元件流動之電流保持定值的方式算出該複數個切換元件的切換負載比後，切換該複數個切換元件；及負載監視部，係因應於藉該定電流開關控制部所算出之該切換負載比來調整該電源電路所供給之電壓值。
又，本發明之半導體光源裝置控制方法，係在半導體光源裝置的控制方法，而該半導體光源裝置係具有：半導體發光元件；供給動作電力的電源電路；及驅動電路，係包含：被動元件，係積蓄並放出來自該電源電路的電力；及複數個切換元件，係切換向該被動元件供給來自該電源電路的電力並積蓄的充電路徑、與放出該被動元件所積蓄之電力而使該半導體發光元件發光的放電路徑；藉由以該複數個切換元件切換該充電路徑與放電路徑，而對該半導體發光元件進行間歇驅動；該控制方法係具有：定電流開關控制步驟，係在該充電路徑及放電路徑的各選擇時檢測出作用於路徑的電壓，再以因應於該檢測結果將在該被動元件流動之電流保持定值的方式算出該複數個切換元件的切換負載比後，切換該複數個切換元件；及負載監視步驟，係因應於藉該定電流開關控制步驟所算出之該切換負載比來調整該電源電路所供給之電壓值。
本發明之優點將於隨後的說明中闡述，且部分優點將自說明成為顯而易見，或是藉由實施本發明而得知。可藉由下文中特別指出的手段及組合而實現並獲得本發明之優點。
合併於此且構成說明書之一部分的附圖係例示本發明之實施例，且連同前文中的發明內容及後文中的實施方式用來說明本發明的原理。
將參照圖式說明本發明之實施例。
以下，參照圖式詳細說明本發明之一實施形態。
第1圖係表示該實施形態之半導體光源裝置10之電路構成的圖。在第1圖，將供給該裝置之電源輸入向電源電壓變換部11供給。在該電源電壓變換部11，總是向用作第1切換元件(SW1)之n通道FET12的汲極供給因應於來自後述之負載監視部22的控制而變化之直流的驅動電壓Vin。
該FET12的源極與電感器13的一端連接，而且與用作第2切換元件(SW2)之n通道FET14的汲極連接。
該電感器13的另一端係與用作第3切換元件(SW3)之n通道FET15的汲極連接，而且與二極體16的陽極連接。二極體16的陰極係與電容器17的一端及半導體發光元件之例如LED(發光二極體)18的陽極連接。
LED18的陰極與用作第4切換元件(SW4)之n通道FET19的汲極連接。該FET19的源極與該電容器17的另一端、及該FET15的源極連接。該電容器17係為了減輕向LED18流動之漣波電流的目的、及形成方形波的目的所插入。
進而，FET15的源極與電阻20的一端連接。該電阻20的另一端與該FET14的源極連接，另一方面接地。
為了控制該裝置之發光的導通/不導通的時序，而設置定電流控制部21。該定電流控制部21向該FET12、15的各閘極與負載監視部22供給PWM信號a，另一方面，向該FET14、19之各閘極與該負載監視部22供給由該PWM信號a所反相的PWM信號b。
又，總合該電阻20之兩端的電位，利用定電流控制部21檢測出。
定電流控制部21以一面監視電阻20的兩端電壓，一面向該FET12、15與FET14、19送出該彼此反相的2個PWM信號a、b，以保持所要之定電流的方式進行控制。
即，係利用定電流控制部21、電感器13、二極體16、電容器17及電阻20構成LED18的驅動電路，作為控制該驅動電路中之電流路徑的切換元件，配設FET12、15與FET14、19。此外，作為複數個切換元件，亦可使用雙極性電晶體，但是因為FET是電壓控制，使用FET可減少電阻等的元件數。
該負載監視部22監視定電流控制部21所輸出之2個PWM信號a、b之各導通/不導通的負載(duty)。而且，該負載監視部22以該負載保持所要之定值的方式控制該電源電壓變換部11變換後所輸出之驅動電壓Vin的值。
其次，說明該實施形態的動作。
定電流控制部21向FET12、15的各閘極供給如第2圖(A)、(C)所示的PWM信號a，同時向FET14、19的各閘極供給如第2圖(B)、(D)所示的PWM信號b。
FET12、15變成導通，電流沿著第1圖中以虛線所示之充電的電流路徑R1流動，而將能量積蓄於電感器13。
接著，FET12、15變成不導通，另一方面，FET14、19變成導通時，這次電感器13所積蓄之能量沿著第1圖中以一點鏈線所示之放電的電流迴路R2流動，在該過程該能量通過是負載的LED18而發光，同時放出。
在電感器13流動的電流如第2圖(E)所示，從FET12、15變成導通而上昇時的電流Ia(Ia>0)逐漸上昇，將FET12、15變成不導通而開始下降時的電流Ib(Ia<Ib)當作尖峰值，逐漸下降至下次FET12、15再變成導通而上昇時的電流Ia，重複這種型式。那時，在二極體16流動的電流如第2圖(F)所示，重複在FET12、15變成導通時電流不流動，而在FET12、15變成不導通時電流流動的型式。
另一方面，在是發光元件之LED18的電流如第2圖(G)所示，在FET14、19變成導通的期間電感器13所積蓄之電流仍然流動，並接近如第2圖所示的方形波，而可得到具有高速之上昇特性之電流的脈波波形。
用以將向LED18流動之電流保持定值的條件能以以下的闗係式表示。即，成為
負載=Vf/(Vin+Vf)…(1)
(其中，Vf：施加於LED的電壓，Vin：驅動電壓。)
。為了一面保持所要之負載一面進行定電流驅動，只要保持滿足該第(1)式的驅動電壓Vin與施加於LED18之電壓Vf的關係即可。
因此，定電流控制部21以藉由檢測出電阻20之兩端的電壓值並使其回授，以保持所要之定電流的方式調整對FET12、15與FET14、19之各PWM信號a、b的負載，而調整電感器13所積蓄之能量。
又，負載監視部22監視對該FET12、15與FET14、19之兩PWM信號a、b的負載，並以該負載成為所要之值的方式向電源電壓變換部11給予指令。
電源電壓變換部11根據來自負載監視部22的指令將驅動電壓Vin挪移成所需的電壓值。
雖然如上述所示的電容器17係為了減輕向是半導體發光元件的LED18流動之漣波電流的目的所插入，但是該充電電流吸收LED18的上昇電流，亦成為隔礙LED18之高速上昇動作的主要原因。
因此，在PWM信號a是導通的期間，使以由該PWM信號a所反相的PWM信號b動作的FET19變成不導通，而使通過LED18之電容器17的放電路徑，即由電容器17的正極、LED18的陽極、LED18的陰極、FET19的汲極、FET19的源極及電容器17的負極所構成之電容器17的放電路徑設為不導通，而且利用二極體16抑制往FET15方向的電流所造成之電容器17之電荷的放電，藉此，在接著至PWM信號a變成不導通的期間，可保持在電容器17的電壓。
因此，接著不會因為作為電容器17充電所需的電流而使LED18用的電流被吸收，而可使LED18的上昇特性變成充分陡峭而高速。
在此，定電流控制部21能以與一般IC化之定電流回授型式的降壓DC/DC變流器一樣的構成實現，在該型式，數[MHz]等級之切換頻率已實用化。因此，藉由採用這些IC作為電流控制電路，而可實現數[MHz]等級之PWM週期的控制。
若依據如以上詳述的本實施形態，因為為了保持定電流而利用電流不會急變之電感器13的性質，加上使用是切換元件之FET12、15、FET14、19的飽和區域而不是類比區域來進行切換動作，所以可高速、且高效率地實現穩定之PWM信號的驅動。
此外，雖然在該實施形態，說明驅動作為半導體發光元件之LED(發光二極體)之裝置的情況，但是本發明未限定如此，亦可是驅動作為半導體發光元件之例如LD(雷射二極體)或有機EL(有機電致發光)元件等。進而，亦未限定在電路中所使用之半導體發光元件的個數等。
又，雖然該實施形態係說明驅動電路使用定電流控制之DC/DC變流器方式的PWM驅動電路的情況，但是本發明亦未限定驅動電路的方式。
進而，作為使用該半導體光源裝置的裝置，亦可想到例如利用幀序制的驅動以時間分割分別對R、G、B各色LED進行間歇驅動之DLP(Digital Light Processing)(註冊商標)方式的投影裝置。
在此情況，即使在需要與在用以形成光像之微反射鏡元件的影像顯示同步，例如是圖框頻率是120[Hz]，而且因應於在該時間點設定各色之負載的投影模式按照%單位切換的情況，亦可充分穩定地對應。
此外，本發明未限定為上述的實施形態，在實施階段可在不超出其主旨之範圍進行各種變形。又，亦可在上述之實施形態所執行的功能係儘量適當組合後實施。在上述的實施形態包含各種階段，藉由將所揭示之複數個構成要件適當地組合，而可提出各種發明。例如，若是從實施形態所示之全構成要件刪除幾個構成要件，亦可得到效果，就可提出刪除了該構成要件的構成，作為發明。
此領域的技術人員將輕易想到額外的優點及變化例。因此，根據較廣義態樣的本發明並不限於在此所顯示並說明的具體詳細代表實施例。所以，在不背離隨附的請求項及其均等物所定義的發明一般概念的精神及範圍，可作各種修改。
10．．．半導體光源裝置
11．．．電源電壓變換部
12、14、15、19．．．FET
13．．．電感器
16．．．二極體
17．．．電容器
18．．．LED
20．．．電阻
21．．．定電流控制部
22．．．負載監視部
SW1．．．第1切換元件
SW2．．．第2切換元件
SW3．．．第3切換元件
SW4．．．第4切換元件
Vf．．．電壓
R1．．．充電的電流路徑
R2．．．放電的電流迴路
a、b．．．PWM信號
Vin．．．驅動電壓
第1圖係表示本發明之一實施形態的半導體發光元件之PWM驅動電路之構成的圖。
第2圖係表示該實施形態之第1圖的電路中之各信號波形的時序圖。在此，(A)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之第1切換元件的信號波形，(B)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之第2切換元件的信號波形，(C)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之第3切換元件的信號波形，(D)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之第4切換元件的信號波形，(E)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之電感器的電流值，(F)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之二極體的電流值，(G)係表示施加於該實施形態之第1圖的電路中之LED的電流值。
10．．．半導體光源裝置
11．．．電源電壓變換部
12、14、15、19．．．FET
13．．．電感器
16．．．二極體
17．．．電容器
18．．．LED
20．．．電阻
21．．．定電流控制部
22．．．負載監視部
SW1．．．第1切換元件
SW2．．．第2切換元件
SW3．．．第3切換元件
SW4．．．第4切換元件
Vf．．．電壓
R1．．．充電的電流路徑
R2．．．放電的電流迴路
a、b．．．PWM信號

Claims (10)

  1. 一種半導體光源裝置，其特徵為具備：半導體發光元件；供給動作電力的電源電路；驅動電路，係包含：被動元件，係積蓄並放出來自該電源電路的電力；及複數個切換元件，係切換向該被動元件供給來自該電源電路的電力並積蓄的充電路徑、與放出該被動元件所積蓄之電力而使該半導體發光元件發光的放電路徑；藉由以該複數個切換元件切換該充電路徑與放電路徑，而對該半導體發光元件進行間歇驅動；定電流開關控制部，係在各自選擇該充電路徑及放電路徑時檢測出作用於路徑的電壓，因應該檢測結果算出該複數個切換元件的切換負載比後，切換該複數個切換元件，俾使在該被動元件流動之電流保持定值；及負載監視部，係因應於藉該定電流開關控制部所算出之該切換負載比來調整該電源電路所供給之電壓值。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體光源裝置，其中更具有與該半導體發光元件及該切換元件連接的電容器。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體光源裝置，其中該被動元件係電感器。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體光源裝置，其中該複數個切換元件係FET。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體光源裝置，其中該半導體發光元件係LED、LD或有機電致發光元件。
  6. 一種半導體光源裝置控制方法，係在半導體光源裝置的控制方法，而該半導體光源裝置係具備：半導體發光元件；供給動作電力的電源電路；及驅動電路，係包含：被動元件，係積蓄並放出來自該電源電路的電力；及複數個切換元件，係切換向該被動元件供給來自該電源電路的電力並積蓄的充電路徑、與放出該被動元件所積蓄之電力而使該半導體發光元件發光的放電路徑；藉由以該複數個切換元件切換該充電路徑與放電路徑，而對該半導體發光元件進行間歇驅動；該控制方法的特徵為具有：定電流開關控制步驟，係在各自選擇該充電路徑及放電路徑時檢測出作用於路徑的電壓，因應該檢測結果算出該複數個切換元件的切換負載比後，切換該複數個切換元件，俾使在該被動元件流動之電流保持定值；及負載監視步驟，係因應於藉該定電流開關控制步驟所算出之該切換負載比來調整該電源電路所供給之電壓值。
  7. 如申請專利範圍第6項之半導體光源裝置控制方法，其中使該半導體發光元件及該複數個切換元件更連接電容器。
  8. 如申請專利範圍第6項之半導體光源裝置控制方法，其中該被動元件係電感器。
  9. 如申請專利範圍第6項之半導體光源裝置控制方法，其中該複數個切換元件係FET。
  10. 如申請專利範圍第6項之半導體光源裝置控制方法，其中該半導體發光元件係LED、LD或有機電致發光元件。
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