CN103457153B - 通过激光电源电压闭环控制的平均功率控制环路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过激光电源电压闭环控制的平均功率控制环路及方法。根据所述方法中的一个，将开关变换器耦合以向激光二极管的第一端子提供功率，将可编程电流源耦合以控制通过激光二极管的平均电流，将平均功率控制电路耦合至监控二极管，以监控激光二极管的平均功率输出，并且控制可编程电流源来维持激光二极管的期望的平均功率输出，并且响应于可编程电流源的动态余量来调整所述开关变换器的输出以将开关变换器的输出限制为仍将保证电流源的充分操作的电压。公开了各种实施例。

Description

通过激光电源电压闭环控制的平均功率控制环路及方法

技术领域

本发明涉及用于数据通信的激光驱动器的领域，并且更具体地涉及用于光纤网络中的数据通信的激光驱动器。

背景技术

在光纤网络中的通信是使用光纤收发器模块完成的，数据中心中通常存在大量的光纤收发器模块。这样的收发器模块包括传输激光二极管和激光二极管驱动电路等等。光纤收发器模块消耗相当大的功率，大部分功率消耗在激光二极管和驱动器电路中。这具有两个主要的效果。首先，它限制了每个开关卡可以使用的端口或通道的数量，因此给定数量的端口需要更大的空间。其次，操作光纤收发器模块的成本很高，所述光纤收发器模块通常每天工作24小时。在那方面，电费对于数据中心的设备所有权成本而言是单一最大的贡献者，因此激光驱动器的功率消耗的降低是数据中心的意外之财。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示图。

图2是本发明的另一个实施例的示图。

图3是本发明的第三实施例的示图。

图4是本发明的另一个实施例的示图。

具体实施方式

首先参考图1，可以看到本发明的一个实施例。监控二极管Dmd设置为接收传输激光二极管Dld的发射的部分（fraction）以向平均功率控制电路（APC）提供对激光二极管的输出的测量值。平均功率控制电路APC也向放大器A1的一个输入端提供Bias_Cntl（偏置控制）信号，所述放大器A1控制晶体管Q1的栅极以及副本晶体管（replica transistor）QR的栅极，所述副本晶体管是晶体管Q1的尺寸的相对小的部分（1/Kb）。激光二极管Dld由电压（Vapc-Vbias）偏置，其中Vbias被提供为差分放大器A2的一个输入。放大器A2的另一个输入由副本晶体管QR的漏极电压提供。晶体管Q2的栅极由差分放大器A2控制，其漏极形成差分放大器A1的第二输入。在操作中，差分放大器A1驱动晶体管Q2的栅极，使得放大器A2的差分输入是零。因此，副本晶体管QR上的漏极电压等于晶体管Q1上的漏极电压，即电压Vbias。作为放大器A1的输出的晶体管Q1的栅极电压以及副本晶体管QR的栅极电压也耦合为APC的输入。该环路具有高的频率响应，所述频率响应使Q1看起来像响应于Bias_Cntl信号的可编程电流源。在APC通过Bias_Cntl信号控制IBias的同时，它也监控晶体管Q1的栅极电压以确保该栅极电压保持在期望的操作电压或在期望的操作范围内。晶体管Q1上的栅极电压太高意味着它在竭尽全力向激光二极管Dld提供期望的偏置电流，因为可编程的电流源不具有足以进行令人满意的操作的动态余量（headroom），并且相应地，APC向上调整Vbias_tgt，从而增加DC/DC转换器的输出，以向上调整Vapc，使得在平均功率控制环路仍将激光二极管Dld的偏置维持在（Vapc-Vbias）的同时，更高的Vapc增加了可编程电流源的动态余量以在仍维持激光二极管的偏置的同时将晶体管Q1上的栅极电压向下拉。晶体管Q1的栅极上的电压太低意味着供应激光二极管（以及平均功率控制环路的其它部分）的电压Vapc高于所需的电压，并且在没必要地浪费了功率。相应地，APC向下调整Vbias_tgt，从而降低DC/DC转换器的输出以向下调整Vapc，使得在平均功率控制环路再次仍将激光二极管Dld的偏置维持在（Vapc-Vbias）的同时，更低的Vapc降低了可编程电流源的动态余量以将栅极电压向上拉。新的效果是自动地调整（限制）了电压Vapc，以在仍维持充足但不会过多的各种操作条件下的可编程电流源的动态余量的同时最小化由激光电路消耗的功率。

将注意到的是，形成放大器A1的一个输入的平均功率控制器APC的输出Bias_Cntl可以是模拟或数字信号，例如举例而言是10位数字信号。放大器A1当然是模拟放大器，并且相应地，如果信号Bias_Cntl是模拟信号，则可以直接地将它施加至放大器A1。如果它是数字信号，则放大器A1的前面应当需要数模转换器。在那方面，对放大器A3适用同样的结论，随后将描述放大器A3的功能。

电压Vbias也耦合至目标控制器，作为反馈电压Vbias_fb。所述目标控制器响应于在目标偏置电压Vbias_tgt与反馈偏置电压Vbias_fb之间的误差以控制耦合在VCC与在图1上示为Sec3、Sec2和Sec1的部分之间的DC/DC转换器的输出电压Vout（Vapc），从而保证最小但是仍充分的用于激光二极管Dld的偏置。在示出的实施例中，Sec1由激光二极管Dld及其直接关联的电路构成，所述直接关联的电路即通过电感L1至DC/DC转换器的输出Vout的低电阻连接，到达和来自激光二极管Dld的25欧姆的传输线TL1和TL2以及至由晶体管Q1及其关联的电路确定的偏置电压Vbias的第二低电阻电感器L2。Sec2包括驱动器电路，所述驱动器电路即晶体管Q5和Q6，电阻器R1和R2，副本晶体管Qm0和Qm1，电感器L3和耦合电容器C1以及可选的耦合电容器C2和电感器L4；并且Sec3是预驱动器，包括晶体管Q3和Q4以及电流源Ief+和Ief-。优选地，Sec1、Sec2和Sec3的晶体管都是npn晶体管，虽然这不是对本发明的限制。在一些实施例中，晶体管Qmq和Qm1具有通过它们的自身的副本电阻器耦合至电路地的它们的共同的发射极连接，所述副本电阻器即以Qm0和Qm1小于Q5和q6的相同的因子大于电阻器Rmod的电阻器。

放大器A3是由电源电压Vcc供电的低功率数据放大器，其接收差分数据输入信号Data+和Data-以及调制控制信号Mod_Cntl。该调制控制信号控制放大器A3至晶体管Q3和Q4的基极的电压差分输出，该输出的状态（极性）由数据输入信号的状态确定。放大器A3也监控通过副本晶体管Qm0和Qm1的电流，并且根据调制控制信号Mod_Cntl和反馈信号IMOD/km调整放大器A3至晶体管Q3和Q4的基极的输出，使得对激光二极管Dld的实际的调制根据由调制控制信号Mod_Cntl指定的调制。注意到，除了切换DC/DC转换器之外，放大器A3（低功率放大器）是由电源VCC供电的唯一的电路部件。电路的所有剩余部分（包括Sec1、2和3）都是由DC/DC开关变换器的输出供电的。如本文中以及在随后的权利要求中使用的副本晶体管是复制其连接到的另一个晶体管的电流的小部分的晶体管。

放大器A3的输出控制晶体管Q3和Q4的基极，所述基极分别由电流源Ief+和Ief-偏置。晶体管Q3和Q4的发射极转而控制晶体管Q5和Q6的发射极，所述晶体管Q5和Q6的发射极具有通过电阻器Rmod至地gnd的共同的发射极连接，晶体管Q5和Q6的集电极通过相等的电阻器R1和R2耦合至DC/DC转换器的输出端。晶体管Q5的集电极也通过耦合电容器C1连接至短传输线TL2，进而连接至激光二极管Dld的阴极，晶体管Q6的集电极通过可选的电容器C2和短传输线TL1耦合至激光二极管Dld的阳极，并且通过电感器L1耦合至Vapc。在晶体管Q5的集电极与Vapc之间也耦合有第三电感器L3。在使用可选的电容器C2的情况下，也将使用可选的电感器L4。

可以看出，Vbias由DC/DC开关变换器设定，其中目标控制器调整DC/DC转换器的输出，从而可以最大效率地实现通过激光二极管Dld的期望的平均功率。尤其是，对于给定值的Vapc，Q1通过Bias_Cntl信号设定激光二极管Dld偏置（Vapc-Vbias），虽然APC监控来自晶体管Q1的栅极的反馈，并且当该电压向上偏移时，重新向上调整Vbias_tgt，这使得目标控制器向上调整DC/DC转换器的输出Vapc。这向上增加了晶体管Q1的漏极电压，直至Vbias_fb等于Vbias_tgt，这将使得晶体管Q1的栅极电压降低至期望的电平。当晶体管Q1的栅极电压向下偏移从而将该栅极电压拉回期望的电平时情况当然相反。因此，将DC/DC转换器调整为允许实现通过激光二极管Dld的期望的平均功率，并且同时，DC/DC转换器限制了激光驱动器晶体管Q5和Q6（Sec2）以及前置放大器Q3和Q4（Sec3）的电压。对于给定的操作条件，与在适合所有操作条件的固定的电压下操作所有的或基本上所有的电路相反，这允许电路在最小电压Vapc（因此最小功率）下进行操作，由此大幅地降低了电路中的功率消耗。

现在参考图2，可以看到本发明的替代的实施例。在功能上，该实施例与图1的实施例是实质上相同的，虽然，此外，该实施例合并了额外的驱动器和发射机光学组件TOSA，额外的平均功率控制器（APC）以及额外的目标控制器。所述额外的平均功率控制器APC和目标控制器用于每个额外的驱动器和发射机光学组件TOSA。这提供了多个通道，所有的所述多个通道都可以对相同的DC/DC转换器进行操作。在那方面，与提供多个更小的DC/DC转换器相比，提供更大的DC/DC转换器较便宜且需要更少的板空间。这样做的唯一的缺点是如下事实：DC/DC转换器必须提供充足的输出电压Vout以操作需要最高的电压来维持通过激光二极管的期望的平均功率的发射机光学组件和驱动器。这实际上是要付出的小的代价，因为相同电路的副本的不同电压需求将仅相差相对小的增量，当然比在所有的操作条件下基于诸如VCC之类的固定电源操作电路所需要的普通的增量小得多。所描述的电路自动地寻求最低的电压，其将操作要求最高的驱动器以及由相同的DC/DC转换器驱动的发射机光学组件。因此，本发明提供了大幅的功率降低，大幅地降低了数据中心的电力成本，并且也因为每个光学收发器的热产生量降低而允许更密集地封装光学收发器。

图3类似于图2，但进一步包括开关块SW1，所述开关块SW1提供了防范在特定操作条件下DC/DC转换器的输出电压太低的情况下的异常工作的保护以维持整个电路的合适的操作。具体地，所公开的实施例的各个部分的具体电路所需的电压Vapc如下：

对于Sec1：Vld@IBias+Vbias_tgt

其中：

Vld@IBias是在电流IBias通过激光二极管的情况下，在激光二极管上的电压降Vld

Vbias_tgt是最小的Vds（使得晶体管Q1可以传送所需要的IBias的晶体管Q1的漏极发射极电压）

对于Sec2：Q5/Q6动态余量（典型地为0.6V-0.7V）+IMod*（R1）/2

对于Sec3：2*Vbe+IMod*Rmod-Vbc（典型地0.3V）

其中：

2*Vbe=VbeQ3+VbeQ5（或VbeQ4+VbeQ6）

Vbc=晶体管Q3（或Q4）的基极-集电极电压

对于特别低的温度，晶体管Q3-Q6中的每一个的Vbe将上升至Sec3将需要比Sec1和Sec2更高的电源电压以进行操作的点。因为Vapc在闭环中通过监控Sec1来控制，所以在冷的条件下，Vapc可能太低以至于不能维持Sec3的合适的操作。为了防止这个，开关SW1将由选择信号Sel来切换，使得Sec3由VCC而非切换DC/DC转换器的输出Vout（Vapc）供电。因为Sec3在低温时是相对低功率的部分，并且在这样的低温下，其它部分自身使用较少的功率，所以这不会导致严重的后果。此外，低温意味着没有什么接近于过热。

图4是本发明的另一个实施例的电路图，并且可以用来代替图1的电路或者用在代替图1的实施例的图2和图3的实施例中。具体地，在图1中，包括晶体管Q1和关联的电路的可编程电流源与激光二极管Dld串联，但是在激光二极管Dld的阴极与地之间。在图4中，包括晶体管Q1和关联的电路的可编程电流源也与激光二极管Dld串联，但是在电压Vapc与激光二极管Dld的阳极之间。在功能上，两个电路是相同的，虽然图4的电路具有更好地抑制由DC/DC开关变换器导致的纹波的优点，所述纹波具有比可编程电流源的Q1的响应低得多的频率。所公开的实施例的各个部分的具体电路所需的电压Vapc如下：

Vapc旨在满足：

Sec1：Vld@IBias+（Vapc-Vbias_tgt）（使得Q1上的最小值|Vds|可以传送所需要的IBias）

对于Sec2：Q5/Q6动态余量（典型地为0.6V-0.7V）+IMod*（R1）/2

对于Sec3：2*Vbe+IMod*Rmod-Vbc（典型地为0.3V）

其中：

2*Vbe=VbeQ3+VbeQ5（或VbeQ4+VbeQ6）

Vbc=晶体管Q3（或Q4）的基极-集电极电压

在图4中，示出了可选的电容器C2和电感器L4。作为进一步的替代实施例，可以去除可选的电容器C2和电感器L4，并且L3的上部导线连接至Vbias而非Vapc。

作为一个替代，可以监控整个电路，包括它的操作温度，并且可以计算在随后存在的操作条件下将维持所有的Sec1、2和3的合适的操作的最小值Vapc，并且不允许Vapc的值下降至该最小值以下，即使可以针对更低的Vapc明显地满足平均激光二极管Dld功率。

本发明的有效效果是大幅地降低了光纤收发器模块的功率消耗，从而除了别的之外还提供了由于对于光纤收发器模块的用户而言的功率节省而带来的成本的大幅降低，并且提供了增加每个开关卡上的收发器模块的数量的能力，降低了系统成本。虽然本文中出于例证性的目的而非限制性的目的已经公开并描绘了本发明的特定的优选实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (19)

1.一种平均激光功率控制环路，其包括：

激光二极管驱动电路，其耦合至用于与激光二极管的第一端子和第二端子耦合的激光二极管电路；

具有输出电压的开关变换器，当所述激光二极管的所述第一端子和第二端子连接至所述激光二极管电路时，所述输出电压被耦合以向所述激光二极管电路供电；

所述激光二极管电路中的可编程电流源，该可编程电流源被耦合以控制从所述开关变换器流过所述激光二极管的电流；

平均功率控制器，其用于耦合以对监控二极管的输出进行监控并向目标控制器提供目标电压；

所述目标控制器也耦合至所述可编程电流源的第一输出端，所述目标控制器控制所述开关变换器的所述输出电压以向所述激光二极管电路提供使所述电流源的电压输出等于所述目标电压的电压；

所述平均功率控制器也耦合至所述可编程电流源的第二输出端，所述平均功率控制器响应于所述可编程电流源的动态余量来调整所述目标电压以维持所述可编程电流源的充足的动态余量。

2.根据权利要求1所述的平均激光功率控制环路，其中，所述开关变换器的所述输出端也被耦合以向所述激光二极管驱动电路供电。

3.根据权利要求2所述的平均激光功率控制环路，其中，所述开关变换器的输出端也被耦合以向激光预驱动电路供电。

4.根据权利要求3所述的平均激光功率控制环路，进一步包括开关，在所述开关变换器的输出变得太低以至于所述控制环路无法进行操作之前，该开关被耦合以从电源向所述激光预驱动电路供电。

5.根据权利要求3所述的平均激光功率控制环路，其中，所述激光预驱动电路的输入端耦合至响应于数据输入的数据放大器的输出端。

6.根据权利要求5所述的平均激光功率控制环路，其中，所述激光二极管驱动电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；

所述第一晶体管和所述第二晶体管的集电极均通过相应的电阻器耦合至所述开关变换器的输出端，所述第一晶体管的集电极也耦合至所述激光二极管的阳极，所述第二晶体管的集电极也通过电容器耦合至用于连接至激光二极管的阴极的连接部，所述第一晶体管和所述第二晶体管的发射极耦合在一起，并且通过电阻器耦合至电路地；

所述第三晶体管和所述第四晶体管分别是所述第一晶体管和所述第二晶体管的副本晶体管，所述第三晶体管的基极与所述第一晶体管的基极连接，所述第三晶体管的发射极与所述第一晶体管的发射极、所述第二晶体管的发射极和所述第四晶体管的发射极连接，并且所述第三晶体管的集电极与所述第四晶体管的集电极连接，并且作为至所述数据放大器的反馈信号，所述第四晶体管的基极连接至所述第二晶体管的基极。

7.根据权利要求6所述的平均激光功率控制环路，进一步包括数据放大器，其中，所述数据放大器具有差分数据输入端以及耦合至所述第一晶体管和所述第二晶体管的基极的差分数据放大器输出端，所述数据放大器也响应于调制控制输入和所述反馈信号，以控制所述差分数据放大器的输出的差分幅度，从而根据所述调制控制输入来提供激光二极管调制。

8.根据权利要求7所述的平均激光功率控制环路，进一步包括激光预驱动电路，其中，所述激光预驱动电路包括第五晶体管和第六晶体管，以及第一电流源和第二电流源，所述第五晶体管和所述第六晶体管的发射极耦合至所述第一晶体管和所述第二晶体管的基极，并且通过所述第一电流源和所述第二电流源中的相应的一个耦合至所述电路地，所述第五晶体管和所述第六晶体管的集电极耦合至所述开关变换器的输出端，并且所述第五晶体管和所述第六晶体管的基极耦合至所述差分数据放大器输出端。

9.根据权利要求8所述的平均激光功率控制环路，其中，所述第一晶体管至所述第六晶体管是npn晶体管。

10.根据权利要求1所述的平均激光功率控制环路，其中，所述目标控制器响应于偏置电压和目标偏置电压而控制所述开关变换器，以将所述开关变换器的输出限制在足以偏置所述激光二极管从而提供目标平均激光功率的电压处。

11.根据权利要求1所述的平均激光功率控制环路，其中，单个开关变换器由多个平均激光功率控制环路共享，并且其中，所述目标控制器响应于偏置电压和目标偏置电压而控制所述开关变换器，以将所述开关变换器的输出限制在足以偏置所有的激光二极管从而为每个激光二极管提供目标平均激光功率的电压处。

12.根据权利要求1所述的平均激光功率控制环路，其中，所述可编程电流源包括晶体管，并且其中，所述可编程电流源的第二输出是所述晶体管的控制端子上的电压。

13.一种控制激光二极管的方法，其包括：

提供开关变换器，该开关变换器被耦合以向激光二极管提供功率；

提供可编程电流源，该可编程电流源被耦合以控制通过所述激光二极管的平均电流；

提供平均功率控制电路，该平均功率控制电路用于耦合至监控二极管，以便监控所述激光二极管的平均功率输出，并且控制所述可编程电流源从而维持所述激光二极管的期望的平均功率输出；以及

响应于所述可编程电流源的动态余量而调整所述开关变换器的输出，以将所述开关变换器的输出限制为仍将保证所述可编程电流源的充分操作的电压。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述开关变换器被耦合以便也向激光二极管驱动电路提供功率。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述开关变换器的输出端也被耦合以向激光预驱动电路供电。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：在所述开关变换器的输出变得太低之前将所述激光预驱动电路从所述开关变换器的所述输出端切换至电源。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：通过响应于数据输入的数据放大器的输出来控制所述激光预驱动电路的输入。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述数据放大器具有差分数据输入端以及耦合至所述激光预驱动电路的输入端的差分数据放大器输出端，所述数据放大器也响应于调制控制输入和来自所述激光二极管驱动电路的反馈信号来控制所述差分数据放大器的输出的差分幅度，从而根据所述调制控制输入来提供激光二极管调制。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，单个开关变换器由多个平均激光功率控制环路共享，并且其中，将所述开关变换器控制为将所述开关变换器的输出限制为足以偏置所有激光二极管从而为每个激光二极管提供目标平均激光功率的电压。