CN101442858B - 镭射二极管驱动电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种镭射二极管驱动电路及其方法。本发明之镭射二极管驱动电路利用脉波宽度调变控制器控制半导体组件开关。本发明之镭射二极管驱动电路仅于电流切换的上升时间(rise time)追加额外正电压或负电压的短脉冲驱动镭射二极管，藉以减少电流切换时间。

Description

镭射二极管驱动电路及其方法

技术领域

本发明系有关电路设计，特别系关于镭射二极管驱动电路及其方法。

背景技术

镭射二极管或称半导体镭射具有体积轻巧、效益高、消耗功率小、使用寿命长、以及容易由电流大小来控制其输出功率、频率等特性。这些特性使它广泛应用于信息处理、光纤通讯、家电用品及精密测量上。

镭射二极管的注入电流必须大于临界电流密度，才能发出镭射光。镭射二极管的特色之一，是能直接从电流控制其输出光的强弱。

镭射二极管和一般的二极管有相似的P-N接面结构，而其差异主要是半导体镭射具有一对镜面做为共振腔。目前镭射二极管依照接面结构分类一般包括单异质结构(single heterostructure)、双异质结构(double heterostructure)、量子井(quantum well)结构以及垂直共振腔面射型镭射(vertical cavity surface emitting laser)。

半导体镭射依波长及应用，大致可分为短波长与长波长镭射两大类。短波长镭射包含发光波长由390奈米到950奈米的镭射，主要使用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用；长波长镭射则涵盖发光波长由980奈米至1550奈米之镭射，主要用于光纤通讯。

一般镭射二极管必须使用镭射二极管驱动器(laser diode driver，LDD)驱动之。镭射二极管驱动电路是用来提供给予镭射二极管所需的电流，将原本是电能转换为光能。于现今技术中，其驱动器常会消耗过多的功率，降低镭射二极管的光电转换效率。

于镭射二极管驱动电路上，除了每个电子组件都有杂散电容外，于连接器上的接触点以及印刷电路板的导电箔上都有寄生电感。在电源转换器做电流切换时，电感会产生电压降；即ΔV＝L*Δi/Δt。电压降正比于寄生电感值及电流变动量，并与切换时间成反比。

在使用高频、大电流方波电源转换器供给镭射二极管趋动电路时，要求快速的电流切换，即在很短的上升及下降时间切换电流准位。在电流切换时，在电流流通路径上的寄生电感会产生可观的电压降，须有额外的电压降来驱动镭射二极管，以达到快速电流切换的需求。但追加额外的电压在电流稳态时，相对的产生额外的功率损耗，使能量转换效率大幅降低。

发明内容

本发明之目的系提供一镭射二极管驱动电路，以克服前述问题。

本发明之目的系于电流切换的上升时间(rise time)中，增加额外正电压或负电压的脉冲，达到快速电流切换，并减少功率耗损。

本发明系揭露一种镭射二极管驱动电路，包含一第一路径，具有一镭射二极管以及半导体组件开关，其中半导体组件开关系用于导通或关闭第一路径。一第一供电路径，耦合至第一路径，提供一第一电压至第一路径，其中第一供电路径具有一电源转换器、一第一电感以及一第一储存之装置，其中电源转换器提供第一电压至第一储存装置。一第二供电路径，耦合至第一路径，第二供电路径具有一提供电压脉冲之装置、一第二电感以及第二储存装置，其中提供电压脉冲至第一储存装置。一脉波宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制器耦合至半导体组件开关以及提供电压脉冲之装置。

本发明亦提供一种驱动镭射二极管之方法，包含一电源转换器提供一第一电压至第一电容以及镭射二极管。利用一脉波宽度调变控制器传送控制信号至一半导体组件开关以及一电压脉冲产生器。以及电压脉冲产生器依照控制信号提供一第二电压至一第二电容器。

附图说明

图1根据本发明之较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路示意图。

图2A-图2C根据本发明之较佳实施例，为图1电路之时序图，用以说明其电路的操作状态。

图3根据本发明之另一较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路示意图。

图4根据本发明之较佳实施例，为图3电路之时序图，用以说明其电路的操作状态。

图5根据本发明之另一较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路示意图。

图中：

10  镭射二极管驱动电路

12  第一路径

14  第二路径

16  PWM控制器

30  镭射二极管驱动电路

31  第一供电路径

32  直流/直流转换器

33  第二供电路径

34  PWM控制器

35  第一路径

36  电压脉冲产生器

40  镭射二极管驱动电路

42  负电压脉冲产生器

具体实施方式

本发明将配合其较佳实施例与随附之图示详述于下。应可理解者为本发明中所有之较佳实施例仅为例示之用，并非用以限制。因此除文中之较佳实施例外，本发明亦可广泛地应用在其它实施例中。且本发明并不受限于任何实施例，应以随附之申请专利范围及其同等领域而定。

本发明系揭露一种镭射二极管驱动电路。本发明之镭射二极管驱动电路只在电流切换上升时间(rise time)追加额外正电压或负电压的短脉冲驱动镭射二极管，达到快速电流切换目的；在电流稳态时电压快速的回复到较原准位，将额外的功率损耗减到最小。本发明之镭射二极管驱动电路可提升应用于低电压、高频、大电流方波驱动型高功率(≥500mW)半导体镭射二极管及高功率发光二极管等的电源转换器能量转换效率。

本发明之镭射二极管驱动电路在不增高输入电压的情况下，于电流切换上升期间提供另一条较低阻抗路径，在电流上升期间使电感端有较高的分压，使得电流上升率增大。在电流准位达到所需求值时，将前述所提供的低阻抗路径开路，使电流准位保持在原需求准位；达到加快速电流上升速度目的。

图1根据本发明之较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路10示意图。镭射二极管驱动电路10包括两个MOSFET开关Q1与Q2所形成的第一路径12以第二路径14。第一路径12之阻抗系大于第二阻抗14。本发明系提供一较低阻抗的路径14，于电流切换期间，使电感L端具有较高的分压，以致电流上升率增加。

输入电压端V_in串连一输入电感L_in。输入电容C_in一端连接至输入电感L_in以及镭射二极管LD的正极，其另一端接地。电感L之丨端连接至镭射二极管LD之负极，其另一端连接至第一路径12以及第二路径14。流经镭射二极管LD之电流i(t)等于流入第一路径12以及第二路径14的电流值I_Q1以及1_Q2。

第一路径12包括电阻R1以MOSFET开关Q1；第二路径14包括电阻R2以及MOSFET开关Q2。第一路径12中的电阻R1电阻值较第二路径14的电阻R2。Q1以及Q2的闸极个别地接收外部的PWM(Pulse Width Modulation)控制器16所传送的控制信号控制开关Q1及Q2的频率以及工作周期(duty circle)。

参照图2A至图2C，为图1镭射二极管驱动电路10之时序图，用以说明其电路的操作状态。当t＝0-T1时，外部PWM控制器16个别传送控制信号至第一路径12的开关Q1闸极以及第二路径的开关Q2闸极，使开关Q1以及Q2皆导通，则流经镭射二极管LD之电流为：

$i\left(t\right)=\frac{\mathrm{Vs}}{(R1//R2)}\×(1-\exp (-\frac{R1//R2}{L}\×t))$

当t＝T1-T2时，开关Q2已关闭，开关Q1仍导通，故只剩第一路径12有电流流过，则流经镭射二极管LD之电流为：

$i\left(t\right)=\left(\frac{\mathrm{Vs}}{R1}\right)\×(1-\exp (-\frac{R1}{L}\×(t-T1))+i\left(T1\right)\×\left(\exp (-\frac{R1}{L}\×(t-T1))\right)$

若t＞3(L/R)，则 $i\left(t\right)=\frac{\mathrm{Vs}}{R1}$

当t≥T2时，开关Q1及Q2皆关闭。因此，第一路径12以及第二路径14皆开路。

由上述可知，于t＝0-T1时，增加了一阻抗较低的第二路径14，使镭射二极管驱动电路10在电流上升期间使得电流上升率变快，达到增加电流上升之速度。于上升时间(rise time)，本发明之输出电流较习知技术所需之时间缩短约20-30％。

图3根据本发明之另一较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路30示意图。参照图3以及图4，镭射二极管趋动电路30包括一第一供电路径31以及第二供电路径33。第一供电路径31与第二供电路径33个别地耦合至由镭射二极管LD、电阻、电感以及半导体组件开关所组成的第一路径35。

直流/直流转换器(DC/DC converter)32连接至电感L₁并提供振幅为V_dc1之直流电压至第一路径35。电容C₁由直流/直流转换器32所供给之电压充电。二极管D₂顺向导通，电流透过二极管D₂、寄生电感L_pr1流至镭射二极管LD。因此电容C₁之电压等于二极管D₂之顺向偏压V_FD2加上节点A之电压V_A：

V_C1＝V_dc1＝V_FD2+V_A

外部PWM控制器34连接至MOSFET开关Q1之闸极以及电压脉冲产生器36。外部PWM控制器34传送同步控制信号至MOSFET开关Q1以及电压脉冲产生器36。开关Q1依照外部PWM控制器34的控制信号导通或关闭。电压脉冲产生器36连接至电感L₂。电感L₂之另一端连接至电容C₃以及电阻R_cs2。电压脉冲产生器36依照外部PWM控制器34所传送之控制信号提供电压脉冲至电容C₃。当外部PWM控制器34所传送的控制信号于非工作周期(off duty)时，脉冲产生器36提供振幅为V_DC2的电压至电容C₃充电。于上述控制信号处于工作周期时，停止供给电压给电容C₃以及电感L₂

开关Q1依照外部PWM控制器34传送的控制信号调整开关频率与工作周期。当开关Q1导通时，自电容C₃输出之电流I_out流经电阻R_CS2以及镭射二极管LD至开关Q1至等电位端，其中电感L_pr2以及L_pr3为寄生电容。电容C₂充电。输出电流I_out的上升斜率取决于电流流过路径之寄生电容及寄生电感的电压降。输出电流I_out之最大值：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{DC}2}}{(R_{\mathrm{CS}2}+R_{\mathrm{CS}1}+R_{Q1\mathrm{on}})}$

其中R_Q1on为开关Q1导通时的电阻值。

电容C₃持续放电。当放电至其电压V_c小于(V_DC1-V_FD2)时，则由电容C₁供给电流。因此，此时的输出电流最大值I_out为：

$I_{\mathrm{out}}^{\′}\text{=}\frac{(V_{\mathrm{DC}1}-V_{\mathrm{FD}2})}{(R_{\mathrm{CS}1}+R_{Q1\mathrm{ON}})}$

直到开关Q1关闭，则电容C₂藉由R₂、R_CS1及D₁放电。由上述可知，电压脉冲产生器36开始再提供电压脉冲至电容C₃充电，并持续重复上述动作。由图4可知，本发明之镭射二极管驱动电路可有效减少开关Q1导通时的功率损失P_Loss。

参照图5，根据本发明之另一较佳实施例，为本发明之镭射二极管驱动电路40示意图。镭射二极管驱动电路40与图3之电路30类似，故相似部分不再赘述。驱动电路40系利用负电压脉冲产生器42产生负电压脉冲以加快电流切换之速度，不需要二极管D₂，如此更可减少由二极管D₂导通的功率损耗以及电流切换延迟。

本发明亦揭露一种镭射二极管驱动之方法，应用于脉波驱动型高功率半导体镭射二极管及高功率发光二极管。首先，直流/直流转换器提供一第一电压V_DC1至第一电容器以及镭射二极管负载。利用外部PWM控制器传送控制信号控制耦合至镭射二极管负载之半导体组件开关以及电压脉冲产生器。电压脉冲产生器接收上述控制信号后，依照外部PWM控制器所传送的控制信号提供一第二电压V_DC2至第二电容器。于上述控制信号处于非工作周期时，电压脉冲产生器提供电压至第二电容器。半导体组件开关接收上述控制信号后，于上述控制信号处于工作周期时导通。

当半导体组件开关导通时，第二电容器提供之电流流过由电阻、电感、镭射二极管、半导体组件开关所组成之路径，藉以驱动镭射二极管。参照图4，当上述流经镭射二极管之驱动电流I_out介于一第一电流值A₁上升至第二电流值A₂之间时，第二电容器提供一第二电压V_DC2，以驱动镭射二极管。

当镭射二极管驱动电流I_out上升至第二电流值A₂时，此时第二电容器已放电至其第二电压值V_DC2小于第一电储存器所提供的第一电压值V_DC1，则输出电压V_out则保持为第一电压值V_DC1。

因半导体组件开关导通瞬间，在其流过的路径上的寄生电感将产生反电势V_L，为解决上述问题，本发明于驱动电流I_out的上升时间加入额外的第二电压值V_DC2以驱动镭射二极管，达到快速电流切换之目的，并可改善电源转换器的转换效率，减少功率耗损。

本发明之镭射二极管驱动电路在电流切换上升时间增加额外之正电压或负电压脉冲，以加速电流切换，并有效减少功率损耗。

本发明之镭射二极管驱动电路可应用于脉波驱动型高功率半导体镭射二极管及高功率发光二极管等。可使低电压、高频、大电流方波电源转换器达到高电流切换(大于200A/μSec)要求及提高功率转换效率的效果。

对熟悉此领域技艺者，本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明之精神。在不脱离本发明之精神与范围内所作之修改与类似的配置，均应包含在下述之权利要求范围内，此范围应覆盖所有类似修改与类似结构，且应做最宽广的诠释。

Claims (10)

1.一种激光二极管驱动电路，其特征在于，包含：

一第一路径，具有一激光二极管以及半导体组件开关，其中该半导体组件开关系用于导通或关闭该第一路径；

一第一供电路径，耦合至该第一路径，提供一第一电压至该第一路径，其中该第一供电路径具有一电源转换器、一第一电感以及一第一储存装置，其中该电源转换器提供该第一电压至该第一储存装置；

一第二供电路径，耦合至该第一路径，该第二供电路径具有一提供电压脉冲之装置、一第二电感以及一第二储存装置，其中该提供电压脉冲之装置提供一第一电压脉冲至该第二储存装置；

一脉波宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制器，耦合至该半导体组件开关以及该提供电压脉冲之装置。

2.根据权利要求1所述的激光二极管驱动电路，其特征在于，其中所述之第一储存装置以及第二储存装置之每一者包括一电容器；其中该半导体组件开关包括一MOSFET开关；其中该提供电压脉冲之装置包括一电压脉冲产生器(voltage pulsegenerator)或一负电压脉冲产生器(negativevoltage pulse generator)；其中该电源转换器包括一直流/直流转换器(DC to DC converter)。

3.根据权利要求1所述的激光二极管驱动电路，其特征在于，更包含一第一二极管，连接至该第一供电路径以及该第一路径间，其中该第一二极管之正端连接至该第一供电路径，而该第一二极管之负端连接至该第一路径。

4.根据权利要求1所述的激光二极管驱动电路，其特征在于，其中所述之第一路径包括一第一电阻，连接于该激光二极管以及该半导体组件开关间；其中该第二供电路径包括一第二电阻，耦合至该第一路径。

5.根据权利要求1所述的激光二极管驱动电路，其特征在于，其中所述之提供电压脉冲之装置接收自该脉波宽度调变控制器传送之控制信号，于该控制信号处于非工作周期，提供一第二电压至该第二储存装置；其中该半导体组件开关接收该控制信号，于该控制信号处于工作周期(duty circle)时导通。

6.一种驱动激光二极管之方法，其特征在于，包含：

一电源转换器提供一第一电压至第一电容以及激光二极管；

利用一脉波宽度调变控制器传送控制信号至一半导体组件开关以及一电压脉冲产生器；以及该电压脉冲产生器依照该控制信号提供一第一电压脉冲至一第二电容器。

7.根据权利要求6所述的驱动激光二极管之方法，其特征在于，其中所述之该电压脉冲产生器依照该控制信号处于非工作周期时提供一第二电压至该第二电容器。

8.根据权利要求6所述的驱动激光二极管之方法，其特征在于，更包含该半导体组件开关接收该控制信号以及该电压脉冲产生器接收该控制信号。

9.根据权利要求6所述的驱动激光二极管之方法，其特征在于，更包含当该半导体组件开关导通后，该第二电容器提供之驱动电流流过该激光二极管，藉以驱动该激光二极管。

10.一种激光二极管驱动电路，其特征在于，包含：

一输入电压端点；

一激光二极管，与该输入电压端点耦合；

一电感器，连接至该激光二极管之负端；

一第一路径，连接至该电感，具有一第一半导体组件开关以及一第一电阻，其中该第一半导体组件开关系用于导通或关闭该第一路径；

一第二路径，连接至该电感，具有一第二半导体组件开关以及一第二电阻，其中该第二半导体组件开关系用于导通或关闭该第二路径；

一脉波宽度调变控制器，耦合至该第一半导体组件开关以及该第二半导体组件。

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