CN100553390C - 通信二极管驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

一种通信二极管驱动器电路(CDDC，10)，用于利用接近于CDDC稳定状态操作中其额定LED驱动电流IN的LED驱动电流ILED(t)，响应于传入数字数据脉冲(12)，选择性地使通信二极管(CD，16)发光。CDDC包括：驱动器单元，用于驱动LED驱动电流ILED(t)；和闭环反馈单元，用于连续地监视LED驱动电流ILED(t)，以提供可变的移位电压SV(t)。驱动器单元包括：移位放大器(22)，用于使对应于传入数字数据脉冲的脉动模拟数据电压ADV(t)同移位电压SV(t)代数叠加。

Description

通信二极管驱动器电路
技术领域
本发明涉及通信二极管驱动器电路，用于为无线光数据传输的目的而选择性地使至少一个通信二极管发光。
背景技术
红外(IR)数据传输设备包括一个或多个光发射二极管(LED)或者激光二极管(LD)(下文中被共同称为通信二极管(CD))，用于无线光数据传输目的。用于IR数据传输设备的示例性LED包括Model No.SFH 4000，其在商业上可获得自OSRAM OptoSemiconductors GmbH&Co.OHG Wernerwerkstrasse 2，D-93049Regenburg Germany。其中，用于IR数据传输设备的示例性LD包括Model No.MTE8087T，其在商业上可获得自Marktech Optoelectronics，120 Broadway Menands，NY，12204，U.S.A.。取决于CD的类型和操作条件，CD具有范围在1.4V至2.5V的固有典型正向电压Vf，但是其受到由于制造工艺引起的相对大的15％范围的Vf容差的困扰。CD可被丝网印刷以满足特定的设计规范，但是该耗时的方法对于某些设备是过于昂贵的，例如，消费类电子设备。而且，CD具有约-1.5mV/K的温度系数TCv，由此10℃的温度增加导致了CD正向电压Vf的约15mV的下降。
电源(mains)和电池供电的消费类电子设备在过去数年中经历了很大的变革，并且目前在很大程度上需要以+5V、+3.3V、以及甚至+2.5V的低电源电压VCC操作。典型地，在+3.3V电源的情况中，用于驱动一个或多个并联通信光发射电路(CLEC)的驱动器电路包括：沿跨接(strapped)在电源电压VCC和GND之间的通信光发射支路(CLEB)的单一CD，在+5V电源的情况中，该用于驱动一个或多个并联通信光发射电路(CLEC)的驱动器电路包括沿CLEB的CD对，并且在更高的电源电压的情况中，该用于驱动一个或多个并联通信光发射电路(CLEC)的驱动器电路可能包括三个或更多的CD。通信二极管驱动器电路(CDDC)被设计为，使CD在其最大平均LED驱动电流Imax(其在下文中被称为额定LED驱动电流IN)的约90％处发光，以便于不会缩短其寿命或者引起故障。然而，电源电压的波动可能高达±10％，这与CD的正向电压Vf的变化以及其固有的温度依赖性结合，常常可能导致不足的或者过度增加的实际的LED驱动电流ILED(t)。在ILED(t)＜IN的情况中，导致了CD光发射强度下降，由此减少了有效数据传输范围，或者在极端的情况中完全阻止了通信。与此相反，在ILED(t)＞IN持续延长时间段的情况中，CDDC使用过量的LED驱动电流ILED(t)驱动其CD，可能缩短其寿命，或者在极端的情况中引起不可修复的损害。而且，某些数据传输应用要求相对少的或者极少的不规则到达的数字数据脉冲，由此进一步使用于准确地驱动CD的CDDC的设计复杂。
用于驱动CD的一个传统的方法包括：使用具有相对大电阻的所谓的镇流电阻器，由此镇流电阻器变为确定沿CLEB的实际LED驱动电流ILED(t)的主要器件。实现该方法的示例性的现有技术参考文献包括：名称为“LED modulator”的GB 2 162 399，Peterson等人的美国专利No.5,329,210，和Andersson等人的美国专利No.6,198,405。然而，该方法典型地需要相对高的电源电压，并且受到由于镇流电阻器处的可观的热耗散引起的50％或更少的差的总体设备效率的困扰。而且，该热耗散可能破坏附近的其他电子设备，由此该技术对于某些应用是不可接受的。
另一传统方法是使用脉冲宽度调制(PWM)，用于通过μ控制器核、定时器、计数器、预分频器(pre-scaler)等改变脉冲宽度，控制沿CLEB的实际LED驱动电流ILED(t)。在Microchip的PIC 16C781中实现了一个示例性PWM方案，该PIC 16C781在商业上可获得自Microchip Technology，Inc.，Christina Hecht，USA.。在名称为“Drivercircuit for light emitting devices”的GB 2 381 138Uda的美国专利No.4,622,477、Min等人的美国专利No.6,586,890、Swanson等人的美国公开No.2003/0025465、Clauberg等人的美国公开No.2003/0122502、D’Angelo等人的美国公开No.2003/0041620和Koyuncu、Mesut等人的名称为“A PWM modulator for wireless infrared communication”，STW-2009 09 26-02：27，pages 351～353，2000年11月30日～12月1日的文献中，说明和描述了其他的PWM实现方案。
此外，在名称为“Semiconductor Laser Driver”的JP 2003101123、美国专利申请公开No.US 2003/0218585和名称为“Drive Circuit ofLight Emitting Element”的JP 63110685中，说明和描述了用于控制LED驱动电流的其他方法。
发明内容
通常而言，本发明涉及一种通信二极管驱动器电路(CDDC)，用于在当借助于在相对长的时间周期中以相对快的速率到达的传入数字数据脉冲而已经稳定于稳定状态操作时，利用LED驱动电流ILED(t)(其中ILED(t)＝IN±3％，甚至更优选地IN±1％)，响应于传入数字数据脉冲，选择性地使CD发光。本发明的实现方法通过以下方式实现：向二输入端子的移位放大器的一个输入端子连续地提供移位电压SV(t)，向该二输入端子的移位放大器的另一输入端子馈送对应于传入数字数据脉冲的脉动模拟数据电压ADV(t)，用于给出求和的脉动驱动电压DV(t)。优选地，在长时间没有传入数字数据脉冲的情况下，移位电压SV(t)增加到高达最大值SVmax，以确保即使是在最差情况中，传入数字数据脉冲仍能导致数据传输，但是相反地，在使CLEB的CD瞬时发光的实际LED驱动电流ILED(t)大于额定LED驱动电流IN的条件下，移位电压SV(t)间歇地步进式地降低。最大值SVmax有必要小于用于使CLEB的一个或多个CD连续发光的阈值驱动电压。
本发明的CDDC独立地处理每个单一的传入数字数据脉冲，而不存在关于其到达速率的任何约束或者不需要将其依附于任何到达模式，由此确保了CDDC处于可用于接收下一传入数字数据脉冲的最佳准备状态。而且，本发明的CDDC被设计为在从瞬变状态到其稳定状态操作的过程中迅速地收敛，并且对电源电压VCC、单独的CD的正向电压Vf的波动以及周围环境温度的改变具有高的鲁棒性，并且因此高度适用于广泛的数据传输应用。而且，本发明的CDDC是充分鲁棒的，其既不需要CD的丝网印刷，也不需要任何手动调节，例如，镇流电阻器的调节，并且使得能够沿CLEB使用低电阻的感测电阻器，由此将局部热耗散减少到最小。
附图说明
为了理解本发明，并且为了观察如何实践本发明，现将通过参考附图，描述仅作为非限制性的示例的优选实施例，在附图中相似的部件标有相似的数字，并且其中：
图1是本发明的通信二极管驱动器电路的示意性框图；
图2是图1的通信二极管驱动器电路的详细的示意图；
图3A是示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的感测电阻器根据传入数字数据脉冲感测的电压脉冲的放大的曲线图；
图3B是示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的感测电阻器感测的电压脉冲的滤波的曲线图，其最大电压小于参考电压VREF；
图3C是示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的感测电阻器感测的电压脉冲的滤波的曲线图，其最大电压略微大于参考电压VREF；
图3D是示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的感测电阻器感测的电压脉冲的滤波的曲线图，其最大电压显著大于参考电压VREF；
图4示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的通信光发射电路(CLEC)响应于传入数字数据脉冲的瞬变状态操作；并且
图5示出了图1的通信二极管驱动器电路(CDDC)的通信光发射电路(CLEC)响应于传入数字数据脉冲的稳定状态操作。
具体实施方式
图1示出了通信二极管驱动器电路(CDDC)10，用于根据传入的正的数字数据脉冲12驱动一个或多个通信光发射电路(CLEC)11。每个CLEC 11包括：驱动器单元13，用于驱动沿跨接在电源电压VCC和GND之间的通信光发射支路(CLEB)14的脉动LED驱动电流ILED(t)。每个CLEB 14包括通信二极管(CD)对16，其与接地的低电阻RS的感测电阻器17串联。每个CLEC 11进一步包括：闭环反馈单元18，用于连续地监视感测电阻器17感测的脉动监视电压MV(t)，用于提供关于脉动LED驱动电流ILED(t)的瞬时值的反馈信息，该脉动LED驱动电流ILED(t)可以高于或低于预定的额定LED驱动电流IN，用于选择性地使CD 16发光。CDDC 10进一步包括：前端处理单元19，用于实现多种数字和/或模拟处理功能，其中该功能包括：脉冲宽度限制、保持有效数字“1”保护等；以及，扇出缓冲器21，用于扇出来自前端处理单元19的输出信号，以使用相同的输入信号驱动所有CLEC 11，由此防止其之间的抖动和信号失真。前端处理单元19将传入的正的数字数据脉冲转换为负的数字数据脉冲，这是因为，相比于噪声相对高的电压供给电平，钳位到GND具有更高的鲁棒性。
图2示出了，驱动器单元13包括二输入端子移位放大器22和场效应晶体管(FET)驱动晶体管23，并且闭环反馈单元18包括触发器单元24、积分单元26和移位电压限制器27。可替换地，可以使用双极型驱动器晶体管等实现驱动器单元13。移位放大器22具有：连接到扇出缓冲器21的倒相输入端子28，用于接收模拟数据电压ADV(t)，该模拟数据电压ADV(t)对应于自扇出缓冲器21发出的负的数字数据脉冲；以及，连接到积分单元26的输入端子29，用于接收可变移位电压SV(t)，由此移位放大器22通过叠加对模拟数据电压ADV(t)和移位电压SV(t)进行代数相加，以输出求和的驱动电压DV(t)。
触发器单元24包括：测量放大器31，其具有对分接(tapping)由感测电阻器17感测的监视电压MV(t)的放大G；低通滤波器(LPF)32，用于调整经放大的监视电压MV(T)，以给出反馈电压FV(t)；和比较器33，其具有连接到参考电压VREF的输入端子34(其中VREF＝IN*RS*G，)和用于接收反馈电压FV(t)的倒相输入端子36。可以通过无源RC架构、高阶无源滤波器、使用多种类型放大器的有源滤波器等实现LPF 32。图3A示出了根据传入数字数据脉冲、由测量放大器31放大之后所得到的大体上矩形的电压脉冲37。图3B～3D示出了，LPF 32对放大的电压脉冲37的电压过冲38进行滤波，并且还在很大程度上将其整形为三角形形状的电压脉冲。比较器33以如下方式向积分单元26输出ON或OFF数字控制状态：当VREF＞FV(t)时(参看图3B)，比较器33输出ON数字控制状态，并且相反地，当FV(t)＞VREF时(参看图3C和3D)，比较器33输出OFF数字控制状态。图3C和图3D示出了，经滤波的电压脉冲的最大电压指出了FV(t)＞VREF的持续时间，并且因此指出了比较器33给出OFF数字控制状态的持续时间。相比于图3C中示出的情况，对于图3D中示出的电压脉冲，比较器33给出了较长的OFF数字控制状态T2＞T1。
积分单元26包括：由触发器单元24操作的开关39；以及，存储器设备41，用于向移位放大器22提供移位电压SV(t)。存储器设备41包括：电容性存储器元件42，其选择性地跨接在移位电压限制器27和GND之间，用于提供移位电压SV(t)；以及，电阻性存储器元件43，其与电容性存储器元件42并联。在IN＞ILED(t)的条件下，ON数字控制状态闭合开关39，用于连续地对电容性存储器元件42充电，以连续地使移位电压SV(t)增加高达移位电压SV(t)的最大值SVmax，如移位电压限制器27在长时间没有传入数字数据脉冲的情况下确定的。相反地，由ILED(t)＞IN导致的OFF数字控制状态断开开关39，以使电容性存储器元件42经由电阻性存储器元件43缓慢放电，用于降低移位电压SV(t)。
图4示出了标为A、B、C、D、E和F的六个电路点处的六个时序图TD1～TD6，用于说明在长时间没有传入数字数据脉冲的情况下，CLEC 11对九个数字数据脉冲DP1、DP2、DP3、...、DP9的瞬变状态响应。时序图TD1示出了电路点A处的模拟数据电压ADV(t)，对应于九个数字数据脉冲的到达。时序图TD2示出了电路点B处的移位电压SV(t)，对应于九个数字数据脉冲的到达，从其最大值SVmax开始周期性地步进式降低。时序图TD3示出了电路点C处的驱动电压DV(t)，其与用于使CD 16连续发光的阈值驱动电压44有关。时序图TD3示出了，对于用于使CD 16发光的每个和各个传入数字数据脉冲，驱动电压DV(t)大于阈值驱动电压44。时序图TD4示出了电路点D处的监视电压MV(t)，其按照与移位电压SV(t)相似的方式降低。时序图TD5示出了电路点E处的反馈电压FV(t)，其与参考电压VREF有关，并且示出了，反馈电压FV(t)迅速地收敛到参考电压VREF。特别地，时序图TD5示出了，对于前六个数字数据脉冲DP1、DP2、...、DP6，FV(t)＞VREF，对于接下来的两个数字数据脉冲DP7和DP8，VREF＞FV(t)，并且对于最后一个数字数据脉冲DP9，FV(t)＞VREF。因此，时序图TD5指出了，在数字数据脉冲DP1、DP2、...、DP6和DP9的情况中，ILED(t)＞IN，相反地，在数字数据脉冲DP7和DP8的情况中，IN＞ILED(t)。时序图TD6示出了，开关39在大部分时间中处于其闭合状态，并且在FV(t)＞VREF，即，ILED(t)＞IN时周期性地暂时断开，以步进式地降低移位电压SV(t)。而且，时序图TD6示出了，开关39处于断开的持续时间取决于FV(t)＞VREF，即，ILED(t)＞IN的条件下的电压差FV(t)-VREF。
图5示出了标为A、B、C、D、E和F的相同的六个电路点处的六个时序图TD11～TD16，用于说明在由于传入数字数据脉冲的相对连续的稳定流而处于稳定其状态操作之后，CLEC 11对九个数字数据脉冲DP11、DP12、DP13、...、DP19的稳定状态响应。因此，特别地，时序图TD13按照与时序图TD3相似的方式示出了，对于用于使CD 16发光的每个和各个传入数字数据脉冲，驱动电压DV(t)大于阈值驱动电压44。而且，时序图TD15示出了LED驱动电流ILED(t)如何在小的容差内稳定在额定LED驱动电流IN周围，这一点从下述内容来看是明显的，即，反馈电压FV(t)通常小于参考电压VREF，由此移位电压SV(t)略微增加(参看时序图TD12)，但是反馈电压FV(t)周期性地大于参考电压VREF，由此触发器单元24给出OFF数字控制状态，以周期性地断开开关39(参看时序图TD16)，用于使移位电压SV(t)略微下降(参看时序图TD12)。
尽管针对有限数目的实施例描述了本发明，但是应当认识到，在所附权利要求的范围内，可以对本发明进行许多变化、修改和其他应用。例如，可替换地，移位电压限制器27可以连接在移位放大器22和积分单元26之间。存储器单元41可由电气电路实现，而非由与电阻性存储器元件43并联的电容性存储器元件42实现。存储器单元41可被实现为在ILED(t)＜IN的条件下步进式增加移位电压SV(t)，而非使之连续增加。比较器33可以倒转连接到参考电压VREF和LPF 32，由此也需要倒转积分单元26的操作。

Claims (9)

1.一种通信二极管驱动器电路，用于响应于传入数字数据脉冲，选择性地使至少一个通信二极管发光，所述通信二极管驱动器电路包括：
至少一个通信光发射电路，该通信光发射电路具有含有至少一个通信二极管的通信光发射支路，并且被设计为以额定LED驱动电流IN驱动所述通信光发射支路，以选择性地使所述至少一个通信二极管发光，
所述至少一个通信光发射电路中的每个通信光发射电路包括：驱动器单元，用于代数叠加对应于传入数字数据脉冲的脉动模拟数据电压ADV(t)与可变移位电压SV(t)，以给出脉动驱动电压DV(t)，用于利用脉动LED驱动电流ILED(t)驱动所述通信光发射支路，从而根据传入数字数据脉冲，选择性地使所述至少一个通信二极管发光，并且
所述至少一个所述通信光发射电路中的每个通信光发射电路包括：用于分接所述通信光发射支路的闭环反馈单元，用于连续地监视脉动监视电压MV(t)，该脉动监视电压MV(t)与所述LED驱动电流ILED(t)成正比，以在长时间没有传入数字数据脉冲的情况下，使所述可变移位电压SV(t)增加达到小于阈值驱动电压的最大移位电压SVmax，从而使所述至少一个通信二极管连续发光，此外，响应于对满足条件ILED(t)＞IN的LED驱动电流ILED(t)有贡献的每个单一的传入数字数据脉冲，间歇地步进式地使所述可变移位电压SV(t)下降。
2.如权利要求1所述的通信二极管驱动器电路，其中所述闭环反馈单元包括：具有比较器的触发器单元，该比较器用于将得自所述脉动监视电压MV(t)的反馈电压FV(t)同与额定LED驱动电流IN成比例的参考电压VREF进行比较，以在ILED(t)＜IN的条件下输出ON数字控制状态，并且响应于对满足条件ILED(t)＞IN的LED驱动电流ILED(t)有贡献的每个单一传入数字数据脉冲，输出相反的OFF数字控制状态。
3.如权利要求2所述的通信二极管驱动器电路，其中所述触发器单元进一步包括：低通滤波器(LPF)，用于将所述脉动监视电压MV(t)的大体上矩形形状的脉冲整形为大体上三角形形状的电压脉冲，以确定所述触发器单元在ILED(t)＞IN的条件下给出所述相反数字控制状态的持续时间。
4.如权利要求1～3中的任何一个权利要求所述的通信二极管驱动器电路，其中所述闭环反馈单元包括：具有存储器设备的积分单元，用于提供所述可变移位电压SV(t)，其中所述存储器设备包括用于在ILED(t)＜IN的条件下使所述可变移位电压SV(t)连续增加的存储器元件。
5.如权利要求4所述的通信二极管驱动器电路，其中所述存储器元件是电容性存储器元件。
6.如权利要求5所述的通信二极管驱动器电路，其中所述存储器设备包括：电阻性存储器元件，用于在ILED(t)＞IN的条件下选择性地使所述电容性存储器元件放电。
7.如权利要求1～3和5～6中的任何一个权利要求所述的通信二极管驱动器电路，其中所述驱动器单元包括：移位放大器，用于使所述脉动模拟数据电压ADV(t)同所述可变移位电压SV(t)代数叠加。
8.如权利要求4所述的通信二极管驱动器电路，其中所述驱动器单元包括：移位放大器，用于使所述脉动模拟数据电压ADV(t)同所述可变移位电压SV(t)代数叠加。
9.如权利要求2或3所述的通信二极管驱动器电路，其中所述通信光发射支路包括：接地的感测电阻器，并且所述触发器单元分接所述感测电阻器，以连续地监视所述脉动监视电压MV(t)。
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