JP2010141067A - 半導体光源の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体光源の駆動回路に於ける半導体スイッチの消費電力を抑制する。
【解決手段】スイッチ駆動回路８は、制御信号ＶｃがＬレベルにあるときには半導体スイッチ４をＯＦＦ状態に制御し、制御信号ＶｃがＨレベルにあるときには半導体スイッチ４をＯＮ状態に制御する。電流制御回路９は、電流設定電圧Ｖｒｅｆのレベル設定によって、制御信号ＶｃがＬレベルにあるときには定電流電源１００が３０Ａの駆動電流をＬＥＤ３に流す様に定電流電源１００を制御し、制御信号ＶｃがＨレベルにあるときには定電流電源１００が１０Ａの駆動電流を出力する様に定電流電源を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と言う。）又は半導体レーザー等の半導体光源に用いられる駆動装置に関する。

従来の半導体光源の駆動装置は、定電流電源として構成されており、半導体光源に流れる電流を検出し、これをフィードバックしてＰＷＭ信号のデューティー比を変化させて出力電圧を調整し、結果的に半導体光源に流れる電流が一定値となる様に上記デューティー比を制御している。そして、半導体光源を遮断するときには、半導体光源と直列に接続されたスイッチを開状態とすることで、半導体光源に流れる電流を遮断する。

しかし、スイッチにより電流を遮断した場合には電流が殆ど流れなくなるため、再びスイッチを閉状態にした場合に、その直後にパルス状の電流が流れる、或いは、所望の電流に落ち着くまでに時間がかかるという問題点が発生していた。

この改善策として、ＰＮＰトランジスタによるスイッチをＬＥＤと並列に配置し、ＰＮＰトランジスタをＯＮ状態とすることでＬＥＤへの電流を遮断している（例えば、特許文献１参照。）。又、ＰＮＰトランジスタによるスイッチに代えて、ＭＯＳＦＥＴを上記スイッチとして使用している例もある（例えば、非特許文献１参照。）。

特開平５−１２９６６５号公報（図１） MAXIM社製MAX16818データシート、Ｐ１及びＰ１９

しかしながら、ＬＥＤが遮断されているＯＦＦ状態に於いては、定電流電源が出力する電流の殆どがＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ側に流れる。このため、高輝度ＬＥＤの様に、電流値が３０Ａを越える様な大きな電流が必要な場合に於いては、半導体スイッチに於ける消費電力は、（定電流電源より出力される半導体スイッチを流れる定電流の値）×（半導体スイッチのドレイン−ソース間電圧）の式で与えられるので、半導体スイッチの消費電力は格段に大きくなり、装置全体の電力効率の低下及びスイッチの発熱対策が、問題点として浮上する。

この発明は、斯かる技術的懸案事項を解消すべく成されたものであり、その主目的は、半導体光源の駆動装置に於ける電力利用効率の向上化及び同駆動装置の小型化を通じたコストダウンの実現を図ることにある。

この発明の主題は、半導体光源の発光をＯＮ状態又はＯＦＦ状態に制御するための半導体光源の駆動装置であって、前記半導体光源を駆動する定電流電源と、前記半導体光源と並列に接続された半導体スイッチと、半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号を受信して、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が第１レベルにあるときには前記半導体スイッチをＯＦＦ状態に制御する一方、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第１レベルと異なる第２レベルにあるときには前記半導体スイッチをＯＮ状態に制御するスイッチ駆動回路と、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号、前記半導体光源が前記ＯＮ状態にあるときの第１駆動電流を示す第１情報、及び前記半導体光源が前記ＯＦＦ状態にあるときの第２駆動電流を示す第２情報を受信して、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第１レベルにあるときには前記定電流電源が前記第１駆動電流を出力する様に前記定電流電源を制御する一方、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第２レベルにあるときには前記定電流電源が前記第１駆動電流よりも小さな値を有する前記第２駆動電流を出力する様に前記定電流電源を制御する電流制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の主題によれば、半導体光源がＯＦＦ状態にある期間、即ち、半導体スイッチがＯＮ状態にある時に定電流電源が出力する電流の値を、半導体光源がＯＮ状態にある期間の定電流電源の出力電流よりも小さくなる様に、電流制御回路は定電流電源を制御することとしているので、半導体スイッチで生じ得る消費電力を低減化することが出来、しかも、放熱器等の冷却装置を必要としないので、駆動装置の小型化及び軽量化をも図ることが出来る。従って、駆動装置に於ける電力利用効率の向上化と駆動装置のコストダウン化とを実現することが出来る。

以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る半導体光源の駆動装置の構成を示すブロック図であり、本実施の形態では、半導体光源として、ＬＥＤを使用する一例を示す。又、図２は、図１の半導体光源の駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。

図1に於いて、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２、電流検出用抵抗５、及び差動アンプ６は、定電流電源１００を構成する。電源入力端子１より、定電流電源１００の源となる入力電圧１２Ｖが供給され、その結果、入力電圧１２ＶはＤＣ／ＤＣ降圧電源２に供給される。ＤＣ／ＤＣ降圧電源２は、入力電圧１２ＶをＬＥＤ３のフォワード電圧（順方向電圧）に変換し、フォワード電圧をＬＥＤ３に印加することで、ＬＥＤ３を駆動する。ここで、ＬＥＤ３のフォワード電圧は、ＬＥＤ自体のプロセス等によって変化する。例えば、赤色のＬＥＤの場合には、フォワード電圧は約２．５Ｖであり、緑色の場合には約５Ｖ、青色の場合には約４．５Ｖとなる。又、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２により生成されてＬＥＤ３に流れる電流Ｉｌｅｄは、プロジェクター等に使用される高輝度ＬＥＤの場合には、３０Ａ程度の大きな値となる。

図１に示す様に、ＬＥＤ３と電源グランドとの間には、電流検出用抵抗５が接続されている。電流検出用抵抗５に於いては、ＬＥＤ３に流れる駆動電流Ｉｌｅｄの値と電流検出用抵抗５の値の積で示される電圧Ｖｓｅｎｓｅが発生する。この電圧Ｖｓｅｎｓｅと、後述する電流設定回路９の出力電圧値Ｖｒｅｆとが差動アンプ６によって比較され、差動アンプ６が出力する比較結果に応じて、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）のデューティー比は制御される。仮にＶｒｅｆ＞Ｖｓｅｎｓｅの場合には、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２は、差動アンプ６の比較結果を受けて、ＬＥＤ３の電流値が比較的小さいと判断し、ＰＷＭのデューティー比を上昇させる。他方、Ｖｒｅｆ＜Ｖｓｅｎｓｅの場合には、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２は、差動アンプ６の比較結果を受けて、ＬＥＤ３の電流値が比較的大きいと判断して、ＰＷＭのデューティー比を下降させる。以上の様なフィードバック動作により、Ｖｒｅｆ＝Ｖｓｅｎｓｅとなる様に、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２は、ＰＷＭのデューティー比を制御する。

次に、半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力端子７より、図２の（Ａ）にそのパルス信号の波形が示された、ＬＥＤ３のＯＮ状態又はＯＦＦ状態を制御する半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｖｃが、スイッチ駆動回路８に入力される。図２の（Ａ）に於いて、半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が“Ｌ”レベル（第１レベルに相当。）にあるときには、ＬＥＤ３はＯＮ状態にあり、例えば３０Ａもの大きな駆動電流（第１駆動電流に相当。）ＩｌｅｄがＬＥＤ３に流れている。他方、半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｖｃが“Ｈ”レベル（第２レベルに相当。）にあるときには、ＬＥＤ３はＯＦＦ状態にある。即ち、スイッチ駆動回路８は、図２の（Ｂ）に示す様な波形のパルス信号Ｖｓを、ＬＥＤ３に並列接続された半導体スイッチ（ここではｎ型ＭＯＳＦＥＴ）４のゲート電極に出力することによって、半導体スイッチ４のＯＦＦ／ＯＮ状態を制御する。半導体スイッチ４は、時刻ｔ１に於いてゲート電極及びソース電極間の電圧が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルとなった場合に、ドレイン領域−ソース領域間の抵抗値が低下して、導通状態（ＯＮ状態）となる。その結果、ＤＣ／ＤＣ降圧電源２が出力する駆動電流Ｉｌｅｄの殆ど（第２駆動電流に相当。）は、ＬＥＤ３よりも低抵抗状態にある半導体スイッチ４側に流れ込むこととなり、ＬＥＤ３はＯＮ状態から遮断状態ないしはＯＦＦ状態へと変移する。その場合に於いても、定電流電源１００は、常に一定の電流を流す様に制御されている。従って、半導体スイッチ４での消費電力をＰｓｗｉｔｃｈとして表示し、半導体スイッチ４のＯＮ抵抗をＲｏｎとして表示するときに、Ｉｌｅｄ＝３０Ａ及びＲｏｎ＝５ｍΩであるとすると、
Ｐｓｗｉｔｃｈ＝（Ｉｌｅｄ）²×Ｒｏｎ＝４．５Ｗとなる。

又、定電流電源１００の構成によっては、定電流電源１００の最低出力電圧が制限される場合もあり、その場合の半導体スイッチ４の消費電力Ｐｓｗｉｔｃｈは、半導体スイッチ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを０．６Ｖとすれば、
Ｐｓｗｉｔｃｈ＝Ｉｌｅｄ×Ｖｄｓ＝３０Ａ×０．６Ｖ＝１８Ｗとなる。

そこで、本実施の形態では、図２の（Ｃ）に示す様な波形を有する電流設定回路９の出力信号（電流設定用電圧）Ｖｒｅｆのレベル設定により、定電流電源１００が出力する駆動電流（設定電流）を、第１駆動電流（例えば３０Ａ）から、第１駆動電流よりも小さな値（例えば１０Ａ）を有する第２駆動電流に変化させる。即ち、電流設定回路９は、（１）半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力端子７から入力される既述の半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号Ｖｃ、並びに、駆動電流情報入力端子１０から共に入力される予め設定された情報である、（２）ＬＥＤ３がＯＮ状態にあるときにＬＥＤ３に流れる第１駆動電流の値（例えば３０Ａ）を示すＬＥＤ駆動電流情報（第１情報に相当。）及び（３）ＬＥＤ３がＯＦＦ状態にあるときにＤＣ／ＤＣ降圧電源２が出力する第２駆動電流の値（例えば１０Ａ）を示す電流情報（第２情報に相当。）を受信して、定電流電源１００の差動アンプ６のマイナス端子に印加して定電流電源１００を制御するための電流設定用電圧Ｖｒｅｆを作成する。

ＬＥＤ３のＯＦＦ期間（図２の（Ｃ）に示す時刻ｔ１〜時刻ｔ２）に半導体スイッチ４側に流れる第２駆動電流の値を例えば１０Ａに設定すれば（第２情報）、電流設定用電圧Ｖｒｅｆの差動アンプ６のマイナス端子への印加により、半導体スイッチ４の消費電力Ｐｓｗｉｔｃｈは、Ｐｓｗｉｔｃｈ＝（Ｉｌｅｄ）²×Ｒｏｎ＝０．５Ｗとなる。この程度の低消費電力であれば、放熱器等を使用せずに、プリント基板等で以って十分に半導体スイッチ４を冷却することが可能である。従って、ＬＥＤ３のＯＦＦ期間に於ける半導体スイッチ４の低消費電力化（即ち、電力利用効率の向上化の達成）、及び、駆動装置の小型化・軽量化の実現を通じた駆動装置のコストダウンを図ることが出来る。

しかも、図２の（Ｃ）に示す様に、ＬＥＤ３のＯＦＦ期間内の“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへの立ち上がり期間Δｔ内に、設定電流（駆動電流）を１０Ａから３０Ａにスロープ状ＳＬに戻すことにより、ＬＥＤ３をＯＮ状態に制御した場合に於いても、例えば３０Ａもの大きな値を有する第１駆動電流Ｉｌｅｄで以ってＬＥＤ３を高速に駆動することが可能となる。このスロープ状ＳＬの制御は、ＬＥＤ３のＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移期間（時刻ｔ１〜時刻（ｔ１＋期間Δｔ））の場合に於いても同様に実行される。

ＬＥＤ３のＯＦＦ期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）に於ける第２駆動電流Ｉｌｅｄの設定電流値及び電流設定用電圧ＶｒｅｆのスロープＳＬの制御については、定電流電源１００の応答特性に依存するものである。即ち、定電流電源１００の応答特性が比較的良ければ、第２駆動電流Ｉｌｅｄの設定電流値を１０Ａよりも更に低く設定することも可能であり、使用する定電流電源１００の応答特性に合わせて上記第２情報を設定すれば良い。

（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。

本発明は、例えば、プロジェクターの光源用駆動に適用して好適である。特に、１チップのＤｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅをライトバルブとして用いる映像表示システムに於いては、Ｒ，Ｇ，Ｂ三色の各半導体光源の発光タイミングを時分割で切り替える必要があるため、この様なシステムに対して本発明を有効に利用することが可能である。又、一般照明分野に於いても、ＰＷＭ駆動による輝度制御が一般的であるが、半導体スイッチの制御信号としてＰＷＭ信号を供給するときには、本発明を適用して同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係る半導体光源の駆動装置の構成を示すブロック図である。 図１の半導体光源の駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 電源入力端子、２ ＤＣ／ＤＣ降圧電源、３ ＬＥＤ、４ 半導体スイッチ、５ 電流検出用抵抗、６ 差動アンプ、７ 半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力端子、８ スイッチ駆動回路、９ 電流設定回路、１０ 駆動電流情報入力端子、１００ 定電流電源。

Claims (2)

1. 半導体光源の発光をＯＮ状態又はＯＦＦ状態に制御するための半導体光源の駆動装置であって、
   前記半導体光源を駆動する定電流電源と、
   前記半導体光源と並列に接続された半導体スイッチと、
   半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号を受信して、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が第１レベルにあるときには前記半導体スイッチをＯＦＦ状態に制御する一方、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第１レベルと異なる第２レベルにあるときには前記半導体スイッチをＯＮ状態に制御するスイッチ駆動回路と、
   前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号、前記半導体光源が前記ＯＮ状態にあるときの第１駆動電流を示す第１情報、及び前記半導体光源が前記ＯＦＦ状態にあるときの第２駆動電流を示す第２情報を受信して、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第１レベルにあるときには前記定電流電源が前記第１駆動電流を出力する様に前記定電流電源を制御する一方、前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第２レベルにあるときには前記定電流電源が前記第１駆動電流よりも小さな値を有する前記第２駆動電流を出力する様に前記定電流電源を制御する電流制御回路とを備えたことを特徴とする、
   半導体光源の駆動装置。
2. 請求項１記載の半導体光源の駆動装置であって、
   前記半導体光源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号が前記第２レベルにあるときには、前記第２駆動電流の値が前記定電流電源の応答特性に応じたスロープを有する様に、前記電流制御回路は前記定電流電源を制御することを特徴とする、
   半導体光源の駆動装置。

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