CN106549301B - 脉冲激光二极管驱动器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及脉冲激光二极管驱动器。光学系统可以向物体发射光脉冲串，以导出光源和物体之间的距离。实现米或厘米的分辨率可需要很短的光脉冲。设计产生用于驱动二极管发射的光脉冲窄电流脉冲的电路是不平凡的。改进的驱动电路具有包括一个或多个感应元件的预充电路和包括二极管的火线路径。驱动电路中的开关在不同的时间间隔使用预定义状态进行控制，以在电流经过火线路径以脉冲二极管之前预充电一个或多个感应元件中的电流。

Description

脉冲激光二极管驱动器
优先权数据
本非临时专利申请要求和/或接收题为“PULSED LASER DIODE DRIVER”的临时申请(于2015年9月22日申请，序列号62/221708)和题为“PULSED LASER DIODE DRIVER”的临时申请(于2016年6月17日提交，序列号62/351651)的利益。两个临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开内容涉及集成电路的领域，尤其涉及驱动激光二极管的电路。
背景技术
光学系统有许多种。光通信脉冲二极管以传递信息；光学系统(诸如，激光雷达，时间飞行摄像机和测距仪)可以脉冲二极管和测量反射光来检测对象的存在、距离信息、深度信息和/或速度信息。这些光学系统可以在安全系统、医疗系统、汽车系统、航空航天系统等中使用。
二极管通常用作光源，用于许多光学应用。激光二极管通常由于其产生大量的光的能力而使用，尽管这对于有些应用是没有必要的，并且该光源的选择可自然取决于应用。可以使用其它二极管(例如，发光二极管)或电驱动的光源。
二极管可以发射光，作为电流通过二极管的函数。为了实现光学应用，提供了一种驱动器以驱动二极管，即提供电流给二极管，使得光可被发射。二极管驱动器可以根据不同应用的要求，系统设计以及提供二极管的电路的规定以及限制而有所不同。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种脉冲二极管的方法，包括：第一时间间隔内累积脉冲电荷；第二间隔期间，闭合第一开关以传导电流通过一个或多个感应元件和第一开关；第三间隔期间，闭合与二极管串联的第二开关；和第四间隔期间，打开第一开关以在第四间隔期间传导电流流过二极管和第二开关。
根据本公开的一个实施例，提供了一种二极管驱动电路，包括：第一电路路径包括一个或多个感应元件以及一个或多个第一开关；第二电路路径包括二极管以及一个或多个第二开关；用于累积脉冲的的电容器；其中，在电流通过第二电路路径以脉冲二极管之前，在不同的时间间隔中，第一开关和第二开关的预定义状态使用通过第一电路路径的脉冲电荷预充电一个或多个感应元件中的电流。
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于脉冲的二极管的装置，包括：装置，用于在第一电路路径的一个或多个感应元件预充电能量；和装置，用于引导预充电的能量到具有二极管的第二电路路径，以脉冲二极管。
附图说明
为了提供本公开内容和特征和优点的更完整的理解，结合附图参考下面的描述，其中相同的参考数字表示相同的部件，其中：
图1A-B示出脉冲激光二极管驱动器和二极管的例子；
图2示出根据本公开的一些实施例的示例性脉冲激光二极管驱动电路和二极管；
图3-7示出了根据本公开的一些实施例，在不同的时间间隔的脉冲激光二极管驱动器电路的不同状态；
图8示出了根据本公开的一些实施例，示出用于脉冲激光二极管的方法的流程图；
图9示出根据本公开的一些实施例的示例性脉冲激光二极管驱动电路和二极管；
图10示出了根据本公开的一些实施例的示例性脉冲激光二极管驱动电路和二极管的系统图；
图11-14示出根据本公开的一些实施例的各种驱动电路，用于驱动多个二极管；
图15示出了根据本公开的一些实施例，用于图14所示的电路的定时图；
图16示出根据本公开的一些实施例，用于驱动多个二极管的另一驱动器电路；和
图17示出了根据本公开的一些实施例的脉冲二极管的示例性方法。
具体实施方式
简述
光学系统可以向物体发射光脉冲串，以导出光源和物体之间的距离。实现米或厘米的分辨率可需要很短的光脉冲。设计产生用于驱动二极管发射的光脉冲窄电流脉冲的电路是不平凡的。改进的驱动电路具有包括一个或多个感应元件的预充电路和包括二极管的火线路径。驱动电路中的开关在不同的时间间隔使用预定义状态进行控制，以在电流经过火线路径以脉冲二极管之前预充电一个或多个感应元件中的电流。
脉冲激光二极管的挑战
光学系统(诸如，激光雷达，时间飞行相机和测距仪)典型地发射一个或多个光脉冲串(例如，调制光源)到一个或多个对象，并且记录该反射光的到达时间。基于到达时间和光速，可推导出光源和物体之间的距离。
典型地，二极管使用窄和高电流脉冲驱动，以发射光脉冲串到对象(其可以是米)。光的速度非常快，因此，需要非常短的光脉冲，实现米或厘米的分辨率。因此，需要窄的电流脉冲序列，以驱动二极管以产生短光脉冲串。在某些情况下，所需的脉冲宽度可以小于5纳秒，峰值电流大于40安培，在脉冲上升和下降时间时迫使di/dt的每纳秒超过20Amps。有了这样严格的要求，设计可以产生用于驱动该二极管的窄电流脉冲的电路是不平凡的。
图1A-B示出在不同的配置，但提供基本上等同的功能的脉冲激光二极管驱动器和二极管的例子。在第一时间间隔，电容器C充电和积聚脉冲电荷，而晶体管Q(作为开关)关断，使得没有电流通过二极管D和晶体管Q。在第二时间间隔期间，晶体管Q开关导通ON，以使电荷从电容器C通过激光二极管D，以发出短促光脉冲。如前面所解释地，需要窄和高电流脉冲，在某些情况下di/dt(在超过变化的电流在时间上的变化，或电流变化率)需要等于或大于每纳秒10或20Amps。在第二个时间间隔，di/dt可以由晶体管Q导通的速度限制，以及电流如何迅速流过从电容器C朝向二极管D的电路路径。
典型地，需要分立的电平偏移和栅极驱动器集成电路以驱动晶体管Q。一般来说，(栅极驱动)晶体管Q如何迅速导通(即，FET接通时间)由栅极总电荷和晶体管Q的米勒电容阻碍。一种快速接通晶体管Q的技术是提供一种栅极驱动器，可提供充电电流以更迅速地充电栅极电容。考虑有5皮法的米勒电容的晶体管Q，在4纳秒内接通晶体管Q可需要充电电流的Amp更多。该栅极驱动器电路可以增加系统容量，系统成本和系统的复杂性。另一种技术是使用功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，猪殃氮化场效应晶体管(GaNFET)或雪崩晶体管，其具有短上升时间和高的峰值电流。然而，这些类型的晶体管可以是昂贵并进一步增加了驱动电路的复杂性(诸如，非常高的电源电压)。
除了迅速导通晶体管Q的挑战，电感LA(例如，激光二极管D的阳极和图1A的电容器C之间的电感，晶体管Q的漏极和图1B的电容器C之间的电感)和电感LB(例如，激光二极管D的阴极和图1A的晶体管Q的漏极之间的电感，晶体管Q的源极和图1B的激光二极管D的阳极之间的电感)限制电流将如何快速流动以打开二极管D，因为这些电感会导致电容C的电流滞后。由于接合线和/或导线连接这些电路元件的不可避免的存在，这些电感都存在。由于所需的电流是如此之高，任何一个小的电感可以限制电流的速度有多快可以通过二极管。解决这个问题的一种技术是通过先进的封装技术，这可降低电感足以使电路操作速度更快，但这些技术遭受更高的成本和组装的复杂性。此外，这些电感可以从未被制成零，即使有先进的封装技术。
改进的脉冲激光二极管驱动器电路
为了解决以上描述的限制(例如，引起在电路接合线电感和FET接通时间)，改进的脉冲激光二极管驱动器电路提供很好的解决方案。的可以在单个芯片解决方案中提供驱动器电路。图2示出根据本公开的一些实施例，示例性的脉冲激光二极管驱动电路和二极管。在图2中看到的电路包括由图1A-B中所示的一些相同组件。例如，电容器C1被提供用于累积脉冲充电，并且可以通过电阻器R1(例如，脉冲之间的相对长的间隔期间)进行充电。串联电阻器R1是可选的。然而，在图2中的电路不同于图1A，其中在图2的电路具有不仅仅一个，而是两个路径，用于电流行进。脉冲其中(激光)二极管的图2的电路包括含有一个或多个感应元件(例如，L2，L1，和L3)和第一开关M1(例如，电感和地面之间的第一开关M1)的第一电路路径，以及包含二极管D1和第二开关M2(例如，二极管D1和地之间的第二开关M2)的第二电路路径。L1和L3键合线模型电感。L2模型充电电容器C1和接合线之间的电感，或还可以包括电容器C1内的电感。L2可比L1，L3要小。
提供两个开关M1和M2以在不同的时间间隔来选择电流经过哪条路径。一个电路路径(即，预充电路)可用于在一个间隔期间预充电电感，使用独立的电路路径(即，火线路径)，电感中存储的能量或电流可以非常迅速地倾倒朝向二极管D1，以在随后的间隔期间打开二极管D1。可以提供开关定时控制器以控制开关M1和M2。取决于产生脉冲的特征(例如，脉冲宽度，脉冲周期，等等)，开关时序控制器可以改变它的控制信号到开关M1和M2。
开关可以使用合适的晶体管(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)装置，在图2中示出)实现。栅极电压(例如，示为VG1和VG2)可通过控制信号控制，以在不同的时间间隔导通晶体管(导通电流)或关断晶体管(不传导电流)。等同地，栅极电压可以通过控制信号来控制，以在不同的时间间隔闭合开关(导通电流)或打开开关(不传导电流)。当开关闭合时，电流以小至无阻力流过开关；当开关断开时，电流不通过开关进行(开关变为非常高的阻抗/电阻)。
开关方案可以被实现，以控制第一开关M1和第二开关M2，其中所述方案包括第一开关M1和第二开关M2在不同的时间间隔的预定义状态。在流动能量或电流经过第二电路路径以脉冲二极管之前，第一开关M1和第二开关M2的状态允许预充电第一电路路径的一个或多个感应元件的能量或电流。
第一电路路径可以传导电流，使得电感L2，L1和L3可以在接通二极管D1之前预充电，确保二极管导不再或较少受到由电感造成的滞后的影响。在预充电电感的一段时间之后，第一电路路径变成开路，使得电流不再流过第一电路路径，以及电流流过第二电路路径。其结果是，流过第二电路路径迅速电流导通二极管D1。所得电路有效地解决电路的限制，例如图1A-B中看到的，即，FET驱动的有限导通时间，以及连接驱动器和激光二极管到电源的电路内电感。
图2示出作为说明，可以理解变型的电路由本公开设想。其他拓扑和装置可以被实现为以提供用于在导通二极管之前预充电电感电路中的电路路径。
改进的驱动器的技术改进和优点
栅极驱动脉冲宽度和周期可以通过应用而变化。在一些情况下，脉冲宽度可具有至少4毫微秒或更小，最大25纳秒，与具有至少100毫微秒和最大1微秒(或甚至100微秒)的脉冲重复周期。需要窄脉冲以增加测量分辨率和允许更高的峰值功率，以增加信噪比(SNR)。图2所示电路和适当的切换方案可以很容易地满足这些应用的需求。
在图2中示出的电路和相同或相似的切换方案之后的其他实施例的一个技术改进是二极管的接通时间不再依赖于FET接通时间(这是由于有限的栅极电荷和晶体管的寄生电容)。相反，图2中电路的开关M1首先打开，以预充电在激光电源电压和激光二极管D1的阳极之间的电感L2和L1，以及激光二极管D1的阳极和开关M1之间的L3，地面和开关M1之间的L5。通过打开开关M2的隔离，激光二极管D1在预充电阶段保持关断。接下来，开关M2导通。随着M1短路电感接地，二极管D1保持关闭，二极管D1提供了足够的阻力，以使得(几乎所有的)电流通过开关M1，代替二极管D1和开关M2。然后，开关M1关闭。随着M1关闭，M1的电阻增加，迫使预先在电感(例如，L2和L1)储存的能量或电流非常快速地通过具有激光二极管D1和开关M2的路径。电阻Ron的激光二极管D1可以小于几百毫，或甚至小于100毫(取决于二极管的类型)。这意味着激光二极管可以非常快速地打开，并且FET导通时间不再至关重要，因为它不会限制激光二极管D1导通的速度。激光二极管D1打开时间的速度现在取决于M1如何快速关闭(或当电阻M1关闭时电阻的速度上升)，它可以非常快(比接通晶体管速度快得多，例如，在100皮秒内)。在各种实施例中，M1被刚打开之后，开关M2可以关闭，同时当M1被打开，或M1被打开刚切换之前。这些实施例都具有在二极管D1的烧成之前预充电电感L2，L1和L3的好处，以及开关M1关闭足够的时间量以预充电电感L2，L1和L3的能量。
在图2所示电路的另一项改进是该电感不再是当脉冲二极管时电流的di/dt的限制因素(随着时间变化的电流变化)。正如图1A-B说明的，电感可以限制通过激光二极管流过的电流di/dt。通过使用开关M1以预充电电路电感，电路电感可以被包括在该“预充电路径”，并且在激光二极管导通之前的期间预充电。
返回参照图2，在一些实施例中，电路的多个电感可以被考虑到并包括在一个或更多的“预充电路径”，诸如电源的电感L2，从连接激光二极管连接到驱动器的任何接合线的电感L1，L3和/或L4，和/或开关和地之间电感L5，以大大减轻由于电感的di/dt的限制。
即使在这些电感的存在下，在图2中看到的电路可以实现的di/dt超过每纳秒20安培(A/纳秒)，10伏的适度电源电压VCC。使用具有相同电感的现有电路拓扑导致di/dt比10A/ns要少得多。对于飞行时间的应用，深度/距离精度改进窄脉冲，具有适当的开关方案的图2示出电路可以通过提供尽可能快的上升和下降时间和高的峰值电流而提高整体系统的性能。
此外，图2的电路的开关M1和M2可由标准的低电压互补金属氧化物半导体(CMOS)设备来实现。CMOS工艺可以方便栅极驱动电路和其他逻辑以及高电流驱动器集成在一起。
交换方式
为了说明更详细地切换方案，图3-7示出了根据本公开的一些实施例，在不同的时间间隔的脉冲激光二极管驱动器电路的不同状态。图3-7显示了脉冲激光二极管驱动电路和二极管的模型。在一些实施例中，供给VCC可以是+10V。本文中公开的实施例可以与其他电源电压工作。脉冲激光二极管驱动器电路驱动(激光)二极管D1，和驱动器电路包括第一开关S1和第二开关S2(例如，建模在图2中看到的晶体管M1和M2)。为简单起见，电感由电感L模仿。对应于本文公开的图3-7和各种实施方式，图8示出了示出了根据本公开的一些实施例，用于脉冲激光二极管的方法的流程图。
图3示出开关S1和S2的状态，用于在第一间隔期间累积脉冲电荷(任务802)。电容器可以被充电到脉冲驱动电路的期望电压。累积脉冲充电可以包括充电电容器。电容器C1可以积累脉冲电荷，并且可以通过连接到电压电源(例如，VCC)(可选)电阻R1充电。脉冲电荷稍后供应，作为电流或能量以预充电电感L并触发二极管D1。脉冲电荷的积累可发生在脉冲之间的相对长的时间间隔内。在此期间，第一开关S1和第二开关S2是打开的。第一开关S1或第二开关S2导都不导通电流。二极管D1关闭。
图4示出第二间隔期间闭合第一开关S1以导通电流通过一个或多个感应元件和第一开关S1(任务804)。第一开关S1闭合，并且第二开关S2保持打开。第一开关S1可传导电流。第一开关S1短路电感L到地，拉动累积电荷或从C1到电感L朝地面脉冲电流。在此期间，从电容器C1的所积累的电荷或脉冲电流流过电路路径402中，通过电感L和第一开关S1到预充电的电感L(例如，包括接合线的电感二极管D1)。电路路径402在本文中称作“预充电路径”。能量或电流在此间隔期间存储在电感L。第二开关S2是打开的，并且因此没有电流传导通过第二开关S2。二极管D1是关闭的。闭合第一开关完成第一导电路径402，即，“预充电路径”，电流流动通过第一开关S1和一个或多个感应元件。
图5示出第三间隔期间闭合串联二极管D1的第二开关S2(任务806)(在二极管和地之间，或在一些替代的实施例，第二开关S2在二极管和节点408之间)。第一开关S1闭合，并且第二开关S2闭合。在此期间，所有的电流继续通过电路通路402中流动，由于二极管D1是仍然反向偏置并保持关闭状态。
图6示出第四间隔期间打开第一开关S1以在第四间隔期间流动电流通过二极管D1和第二开关S2(任务808)。第一开关S1打开和第二开关S2保持闭合。在此期间，打开第一开关S1引起的能量或电流(例如，存储在电感L)通过经过二极管D1和开关S2的电路通路602。该电路路径602以下简称“火线路径”。电流在电路路径602快速脉冲，并触发二极管D1倾倒，二极管D1导通。在此期间，di/dt达到20A/纳秒，示例性VCC＝+10V电源。
在一些实施例中，第二开关S2被闭合，同时第一开关S1被打开。在一些实施例中，第一开关S1被打开之后，第二开关S2闭合。由图5-6图示的步骤，即闭合第二开关S2和打开第一开关S1，打开第一导电通路(即“预充电路径”)，并完成第二导电通路(即，“火线路径”)，用于电流通过二极管D1。闭合第二开关S2完成具有二极管的第二电路通路(即，“火线路径”)，以及打开第一开关S1打开第一电路路径(即，“预充电路径”)，以允许电流(先前流经“预充电路径”)通过第二电路路径中流动。由图5-6中所示的两个任务806和808的相对定时可以变化，以及整体方案仍然可以具有能够进行预充电电感电路中的益处。
图7示出在第五间隔期间打开第二开关S2(任务810)。第一开关S1打开，以及第二开关S2打开。开关都不导通电流。“预充电路径”和“火线路径”是开放的，不传导电流。可以不需要单独的间隔，如在第一开关S2和第二开关S2回复电路恢复图3的图示。在此第五间隔(或等同地，返回到第一间隔)，电容器C1再次累积下一个脉冲的脉冲充电。交换方案继续进行。
下表总结示例性切换方案：
间隔1 间隔2 间隔3 间隔4 间隔5*
图 3 4 5 6 7
任务 802 804 806 808 810
示例的持续时间 10ns-1us 一些ns 一些ns 4ns-25ns 依赖于应用
S1 打开 关闭 关闭 打开 打开
S2 打开 打开 关闭 关闭 打开
D1 关 关 关 开 关
*可以删除，因为它和间隔1作用相同
用于预充电电感的示例性电路拓扑
该电路的更复杂的变化也是可能的。例如，对于激光二极管阴极和地之间的附加电感差分充电附加开关是可能的。具有“预充电路径”，“火线路径”以及适当的切换方案来实现电感和二极管的快速烧成的预充电的其他合适的拓扑结构由本公开设想。
回到图2参照，电感L4和L5通常不会是接合线，但在某些情况下，电感L4和L5是在不同的包装方案的接合线，及可从预充电受益。
图9示出根据本公开的一些实施例的示例性脉冲激光二极管驱动电路和二极管。当开关S1和S2都打开，电容器C1蓄积电流。当开关S1和S2闭合时，电感L2，L1，L3，L7，L4，和L5(预充电路902)短路接地，和通过从C1上的脉冲电荷被预充电。开关S1和S2被关闭完成预充电路径902，其具有电感L2，L1，L3，L7，L4，和L5(串联)。二极管D1以这样的方式偏置，当电感预充电时，二极管D1不打开，通过当他们被关闭时仔细控制开关S1和S2的切换时间。例如，闭合S1和S2可以完成预充电路径。S1可刚刚在闭合S2之前被关闭，或S1和S2同时关闭。此时，因为二极管D1不导通(即，关闭或反向偏置)，二极管D1充当开路。因此，火线路径904(具有电感L2，电感L2，二极管D1，电感L4和电感L5(串联))无法完成。一段预充电之后，开关S1可以打开，这会导致从C1和能量存储在L2和L1流到二极管D1，从而打开二极管D1的脉冲电流。措辞不同，开关S2可以被关闭以完成火线路径，打开S1可允许电流通过火线路径流动。打开开关S1打开预充电路径，电流经过火线路径904。打开开关S2可以返回电路恢复到其中电容器C1可以累积脉冲电流的状态。
变化和实现
图10示出了根据本公开的一些实施例的示例性脉冲激光二极管驱动电路和二极管的系统图。类似于其它附图，提供了R1和C1以积累脉冲电荷。R1和C1通常不提供在同一衬底上，因为D1和R1和C1可以通过接合线或导线被连接到D1。二极管D1可通过脉冲激光二极管驱动器驱动1102。脉冲激光二极管驱动器1102是包括开关M1，M2的栅极驱动器1106A-b和开关的时序控制器1104的集成电路或芯片。开关M1、M2、栅极驱动1106A-b和切换定时控制器1104被设置在同一基板上。开关时序控制器1104可接收激光脉冲输入(逻辑电平)，即逻辑输入信号，作为输入。激光脉冲输入可以表明D1应打开(例如，逻辑高电平信号D1应打开)。基于所述激光脉冲输入，切换定时控制器1104可以生成适当的控制信号，例如，电压，以响应于根据本文所描述的开关方案的逻辑输入信号，在时间间隔期间控制栅极驱动器1106A-b键打开M1和M2或关闭(例如，打开或关闭M1或M2)。在一些实施例中，激光二极管D1和脉冲激光二极管驱动器1102可以共同包装为单个集成封装。
在一些实施例中，并不是驱动激光二极管，该脉冲激光二极管驱动器可以驱动多个激光二极管。在这种多通道实现中，具有不同的电路路径，预充电和快速发射激光二极管的操作原理仍然适用。具体地，原则操作继续到至少有两个阶段：经由电路通路(即，“预充电路径”)预充电，并且经由另一个电路通路击发(即，“火线路径”)。电路配置可以与普通阴极或激光二极管的公共阳极连接使用来实现，因为激光二极管可以与短接在一起的阴极或阳极相连。该结构可构成挑战，因为驱动器可需要隔离每个信道的操作。措辞不同，当预充电和击发通道1(即，激光二极管1)，电路可以被实现，以防止其它通道(即，其它的激光二极管)击发。在一些多通道应用中，激光器可分别以不同的速率被脉冲(即，10千赫，100千赫，1M，等)，以及分离信道可以确保正确的操作。电源电压的不同的激光器也可以不同。图10的集成电路可适于包括多个输入、开关和栅极驱动器，由于更多的二极管必须选择和/或驱动。图10的开关时序控制器1104还可以适于不仅实现开关打开/完成预充电和火线路径的开/闭，但也执行选择一个或多个二极管击发，同时保持二极管关闭的剩余部分(即通道的隔离)。
图11-14和16示出各种驱动电路，用于驱动多个二极管。示例性电路附图示出提供至少一个预充电路径和多个击发可以选择一个信道/二极管火线路径。
图11示出了用于驱动具有公共阴极连接(或配置)(例如，可以包括如图4所示，但是任何数目的信道)的激光二极管的多通道电路架构。预充电电感之前，电容器C是电荷到所需的电压。C被连接到激光电源(例如，任何合适的电压源，电压源)，并接地。预充电路径的所有激光二极管之间共享。专用于每个激光二极管的一个或多个开关可以被用来选择和触发相应的激光二极管。开关被打开或关闭，由路径上要实现在给定的时间使用。预充电路径由箭头标记为“预充电路径”的路径示出。在本例中，预充电路径包括电感L1，L2和L3(串联)，以及预充电路径可以通过闭合开关S1完成。对于二极管D1的示例性消防通道被标有“消防通道”另一个箭头的路径说明。在这个例子中，火线路径包括电感L1，开关S2，电感L4，二极管D1和电感L3(串联)。这样的电路结构(即，预充电路)可以补偿接地回路的电感。闭合开关S2(同时保持串联其它二极管的其它开关开启)和打开开关S1(在电感预充电已发生之后)可以从多个二极管选择二极管D1并触发二极管D1。
图12示出了用于驱动具有公共阴极连接(或配置)的激光二极管的另一种多通道电路架构。每个通道具有相应的预充电路径和对应的火线路径。开关被打开或关闭，取决于在给定的时间内实现的路径。保持一个或多个开关在具体的路径开放可以确保没有电流流过该特定的路径，或者可以确保特定的通道被关闭。提供了用于激光二极管D1的示例性预充电路径是由箭头标记为“预充电路径”的路径示出。示例性预充电路径具有电感L1，L5，L6和L3(串联)。激光二极管D1的示例性消防通道被标有“消防通道”的另一个箭头的路径说明。典型火线路径具有电感L1、电感L5、二极管D1、电感L4和电感L3(串联中)。一组预充电路径和火线通道的复制/分别提供给激光二极管的其余部分。为了避免塞满图，部分电感(如L5，L6，以及L4)，并显示具有二极管D1通道S3切换，以及存在于其他渠道的电路，都没有对于剩余通道显示。该示例性电路结构(即，预充电路)可以补偿激光阳极路径和接地回路中的电感。专用于每个激光二极管或信道的一个或多个开关可以被用来选择和利用给定的预充电路。例如，使得开关S2和S1关闭可以完成二极管D1的预充电路。专用于每个激光二极管的一个或多个开关可用于选择和触发相应的激光二极管。使得开关S2和S3闭合可以完成二极管D1火线路径。使用预充电路径，开关S1和S2被关闭，而与二极管D1串联的开关S3是开放。开关S3闭合以完成火线路径(但它是可能的，没有电流在这一点上，通过火线路径流动)。从通过预充电路径到火线路径中流动的电流变化，开关S1被打开(开关S2保持闭合)，以允许电流通过火线路径流动。开关S2可以选择具有二极管D1的信道，开关S7可以选择具有二极管D7的信道，等等。
图13示出了用于驱动具有公共阴极连接(或配置)的激光二极管的另一种多通道电路架构。图13不同于图12，在于图12的电感L4和开关S3不存在于图13中，和图12的L7不存在于图12。每个通道具有相应的预充电路径和对应的火线路径。开关被打开或关闭，取决于在给定的时间内实现的路径。保持一个或多个开关以特定预充电或火线路径开放可以确保没有电流流过该特定的路径，或者可以确保特定的通道被关闭。二极管D1的示例性预充电路径是由箭头标记为“预充电路径”的路径示出。示例性预充电路径具有电感L1，L5，L6，L7和L3(串联)。对于二极管D1的示例性火线通道被标有“消防通道”的另一个箭头的路径说明。典型火线路径具有电感L1、电感L5、二极管D1和电感L3(串联)。一组预充电路径和火线通道的复制/分别提供给激光二极管的其余部分。为了避免塞满图，一些电感(诸如，具有二极管D1的通道的L5、L6)示出，虽然存在于其它信道的电路，以及未对于信道的其余部分示出。该示例性电路结构补偿了激光阳极路径，激光阴极路径，和接地回路电感。专用于每个激光二极管或信道的一个或多个开关可以被用来选择和利用给定的预充电路。例如，具有开关S2和S1关闭可以完成二极管D1的预充电路。专用于每个激光二极管的一个或多个开关可用于选择和触发相应的激光二极管。使得开关S2闭合可以完成二极管D1的火线路径。使用预充电路径，开关S1和S2被关闭，而D1被反向偏置或关闭。因为二极管D1不导通(即，关闭或反向偏置)，二极管D1充当开路，使得没有电流流过二极管D1的火线路径。开关S2在关闭状态下可完成二极管D1的火线路径，但由于二极管D1被关闭，没有电流在此时流过火线路径。从通过预充电路径到火线路径中流动的电流变化，开关S1被打开(开关S2保持闭合)，以允许电流流动通过火线路径。开关S2可以选择具有二极管D1的信道，开关S7可以选择具有二极管D7的信道，等等。
图14示出了用于驱动具有公共阴极连接(或配置)的激光二极管的另一种多通道电路架构。在这个例子中，单独的贮存电容器允许激光二极管的单独的电源电压节点。具有存储电容器和开关来选择这个路径的再进一步的路径为每个激光二极管来实现。开关S2可以选择具有LD1的通道，开关S7可以选择具有LD2的通道。不同二极管的分离或选择发生在电源节点，通过确保不选择以火通道储电容器具有零电压。通过为不同的二极管提供不同的储能电容，不同的电压(由被充电到所希望的电压的储能电容的不同大小提供)可用于发射激光二极管。每个通道具有相应的预充电路，相应的火线路径，以及相应的电容器充电路径。取决于在给定的时间内实现的路径，开关被打开或关闭。保持在具体路径的一个或多个开关打开可以确保没有电流流过该特定的路径，或者可以确保特定的通道被关闭。对于二极管LD1的示例性预充电路径是由箭头标记为“预充电路径”的路径示出。二极管LD1的典型火线通道被标有“消防通道”的另一个箭头的路径说明。二极管LD1的示例性电容器充电路径由标有“电容充电路径”的另一个箭头所示的路径说明，其标注VCC_1储能电容。一组预充电路径、火线路径、电容器充电路径被复制/分别提供给激光二极管的其余部分。为了避免塞满图，电感，虽然存在于电路中，从图中省略。专用于每个激光二极管的一个或多个开关可用于相应电容器充电。例如，开关S2闭合以完成电容器的电荷的路径，并允许电容器VCC_1充电到特定的电源电压。为了使用电容器充电路径，开关S2闭合，以连接储电容器VCC_1到激光电源。储电容器VCC_1被充电到特定电源电压之后，开关S2打开。专用于每个激光二极管或信道的一个或多个开关可用于选择和利用给定的预充电路。使得开关S3闭合可以完成对二极管LD1的预充电路径。一个或多个开关可用于选择和触发相应的激光二极管。例如，具有开关S1闭合可以完成二极管LD1的火线路径。在这个例子中，开关S1在信道之间共享，并且闭合开关S1也可以完成其它二极管/通道的火线路径。通过确保为其他通道的储电容器处于零电压(即，不充电那些储电容器)，其它信道的二极管保持关闭，而一个信道被选择为触发。使用预充电路径，开关S3闭合，而与二极管LD1串联的开关S1打开，并且开关S2也打开。开关S1闭合，以完成火线路径(但没有电流在此时流过火线路径)。为了改变通过预充电路径到火线路径中流动的电流，开关S3被打开(开关S1保持闭合和开关S2保持打开)，以允许电流通过火线路径流动。图15示出了用于在图14所示的电路的时序图。
图16示出了用于驱动多个二极管另一个驱动电路。并不是驱动具有公共阴极配置激光二极管，该电路驱动具有公共阳极配置激光二极管。用于快速点火选定二极管的原理操作是相同的，即使当激光二极管具有公共阳极配置。示例性预充电路径是由箭头标记为“预充电路径”的路径示出。对于激光二极管中的示例性火线路径被标记为“火线路径”的另一箭头的路径示出。取决于在给定的时间内实现的路径，开关被打开或关闭。本文所公开的用于驱动激光二极管的各种方案中，除了由图16(其具有一个共享的预充电路径)中所示的方案可以容易地适应于电路中的激光二极管具有公共阳极配置。这里示出具有公共阴极配置电路可以被转换为共阳极当量，由实施例图16所示。
一般而言，本文公开的实施例适用于其中需要快速的di/dt为脉冲的二极管的光学系统。如前面提到的，这些光学系统包括激光雷达、测距系统时间飞行。设计用于确定深度、距离和/或速度的光学系统也可以在许多其他系统，包括运动电子，消费电子，医疗器械，航空/军用设备，汽车电子，安防系统等。
在本文的实施例的讨论中，为了适应特定的电路需要，电气元件(诸如，电容器，电感器，电阻器，开关，晶体管，和/或其它组分)可容易地被替换、取代或以其它方式修改。此外，应该指出的是，使用互补的电子设备、硬件、软件等提供用于实现本公开的教导同样可行的选择。
尽管本公开内容描述了使用的NMOS晶体管的实现(n型金属氧化物半导体晶体管)的设备，可以设想，互补构造使用PMOS晶体管(多个)(p型金属氧化物半导体晶体管))，或者等效双极结晶体管(BJT)也可以替换一个或多个NMOS晶体管(或晶体管器件)，以提供所公开的开关。由本领域技术人员理解，晶体管器件可概括为具有三个(主)终端设备。此外，由本领域技术人员理解，晶体管设备在运行期间可具有相应于装置，例如NMOS，PMOS，NPN BJT晶体管，PNP BJT设备(和任何其他等效的晶体管器件)的特性行为。多种多样的实现是相当于使用NMOS晶体管器件的所公开的实施方式，因为不同的实施方式将以大致相同的方式实施，得到基本上相同的结果基本上执行相同功能。
此外，还必须要注意的是所有的规格，尺寸，和本文所概述的关系(例如，电路组件)只被提供例如与仅教导的目的。这样的信息可以相当不脱离本公开的精神或所附的权利要求(如果有的话)和/或示例的范围内变化。规格只适用于非限制性实例，因此，它们应被解释为这样。在前面的描述，示例实施例已经参照特定部件布置说明。可以对这样的实施例进行各种修改和改变，而不脱离所附权利要求书(如果有的话)和/或示例的范围。说明书和附图相应地也可以是示例性的，而不是在限制性的意义。
注意，利用本文提供的许多例子，相互作用可以在两个、三个、四个或更多个电部件来描述。然而，这已只为清楚和示例的目的进行。但是应当理解，该系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计方案，任何示出的组件、模块和图的元件可以以各种可能的配置相结合，所有这些显然在本说明书的范围之内。在某些情况下，可能会更容易通过只引用电元件的有限数量来描述一个或多个一组给定流的功能。但是应当理解的是，图和其教导的电路是容易可扩展的，并且可以容纳大量的组件，以及更复杂/精密的安排和配置。因此，提供的示例不应该限制范围或抑制电路的广泛教导为可能应用于其它架构。
注意，在本说明书中，包含在“一个实施例”、示例实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中引用的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)旨在表示，任何这样的功能都包含在本公开内容的一个或多个实施例，而是可或可以在相同的实施例被组合。
同样重要的是要注意，限制老化效应的功能只示出了一些可能由图中所示电路中进行或内的可能功能。其中的一些操作可在适当情况下被删除或移除，或这些操作可以相当被修改或改变，而不脱离本公开的范围。另外，这些操作的定时可以大大改变。前面的操作流程已经提供了用于示例和讨论的目的。极大的灵活性通过在此描述的实施例提供，可以提供任何合适的布置、年表、配置和定时机制，而不脱离本公开的教导。
许多其他改变、替换、变化、改变和修改可以被本领域技术人员确定，它意在本公开内容包括落入所附权利要求书(如果有)的范围内的所有这样的改变、替换、变化、改变和修改和/或示例。需要注意，这里描述的装置的所有可选特征也相对于所述方法或本文描述的和在实施例细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用过程来实现。
示例
示例A为脉冲(激光)二极管的方法，该方法包括：在第一间隔期间，充电电容器以积累脉冲电荷；第二间隔期间，闭合第一开关，以传导电流通过一个或多个感应元件和第一开关；第三间隔期间，闭合与二极管串联的第二开关；第四间隔期间，打开第一开关，以在第四间隔期间流动电流通过二极管和第二开关；和第五间隔期间，打开所述第二开关。
示例X是用于脉冲其中(激光)二极管的电路，该电路包括：包括一个或多个感应元件和第一开关的第一电路通路；包括二极管和第二开关的第二电路路径；用于累积脉冲充电的电容器；其中，在电流通过第二电路路径以脉冲二极管之前，在不同的时间间隔中，第一开关和第二开关的预定义状态使用通过第一电路路径的脉冲电荷预充电一个或多个感应元件中的电流。
示例Y包括示例X和用于控制该第一开关和第二开关的开关时序控制器。
其它示例包括脉冲的多个激光二极管的方法和电路，其可以具有共同的阴极或公共阳极配置。
示例1是二极管驱动电路，包括：包括一个或多个感应元件和一个或多个第一开关的第一电路路径；包括二极管和一个或多个第二开关的第二电路路径；电容器，用于累积脉冲充电，其中,在电流通过第二电路路径以脉冲二极管之前，在不同的时间间隔中，第一开关和第二开关的预定义状态使用通过第一电路路径的脉冲电荷预充电一个或多个感应元件中的电流。
在示例2中，示例1还可以包括开关时序控制器,用于产生一个或多个第一开关和一个或多个第二开关的控制信号，来实现在不同的时间间隔所述一个或多个第一开关以及一个或多个第二开关的预定状态。
在示例3中，示例1或2可以进一步包括第三开关，以从对应于该二极管的多个电容器选择电容器，和所选择的电容器充电到二极管的预定电压的一个或多个进一步的二极管。
在示例4中，示例1-3的任何一个都可以进一步包括在平行于具有进一步二极管和一个或多个第三开关的第二电路通路的第三电路通路，其中，所述一个或多个第二开关以及一个或多个第三开关的预定义状态选择第二电路通路和第三电路通路中的一个以流过电流。
在示例5中，示例4还可以包括二极管和在阴极或二极管连接的另一个二极管，以及进一步二极管被连接在阳极。
在示例6中，示例1-5中的任一项可以进一步包括在第一电路路径中的至少一部分和所述第二电路通路平行于彼此的至少一部分。在一些方面中，“预充电路径”提供了二极管的并联电路路径。电流可通过该并联电路路径，以预充电存在于第一路径的至少一些电感，用于烧成二极管，而电流不流动通过二极管。
在示例7中，示例1-6中的任一项可以进一步包括在第一电路路径和第二电路路径之中的一个或多个感应元件。
在示例8中，示例1-7中的任一项可以进一步包括一个或多个感应元件，包括接合线电感。
示例9是脉冲二极管的装置，包括：装置，用于预充电在第一电路路径的一个或多个感应元件的能量(对应于图17的步骤1702)；和装置，用于将预充电的能量引导到具有二极管的第二电路路径，以脉冲二极管(对应于图17的步骤1704)。
在示例10中，示例9还可以包括用于引导预充电能源的装置包括用于完成第二电路通路并随后打开第一电路路径的装置。
在示例11中，示例8或9还可以包括用于预充电一个或多个感应元件的能量的装置包括用于通过第一电路路径传导电流的装置。
在示例12中，示例8-11中的任一项可以进一步包括：用于引导预充电的能量的装置，包括用于从具有二极管和一个或多个另外的二极管的多个第二电路路径选择所述第二电路通路的装置，分别用于脉冲二极管，而不是一个或多个另外的二极管，并且其中所述二极管和一个或多个另外的二极管是在共同的阴极或阳极配置。
示例9-12中这样的装置的装置可以包括由图中所示的电路，以执行图17所示的方法。

Claims (19)

1.一种驱动激光二极管的方法，包括：
在第一间隔期间，在电荷存储元件中累积脉冲电荷；
在第二间隔期间，通过闭合第一开关以传导电流通过一个或多个感应元件和第一开关并保持与所述激光二极管串联的第二开关打开，将在所述电荷存储元件直至所述激光二极管的端子之间的一个或多个感应元件预充电，所述一个或多个感应元件包括在所述激光二极管的所述端子处的连接电感，所述第一开关直接连接到所述激光二极管的所述端子；和
在将所述一个或多个感应元件预充电后，通过在第三间隔期间闭合所述第二开关以及在第四间隔期间打开所述第一开关以使电流流过所述激光二极管和所述第二开关，点火所述激光二极管。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述激光二极管的所述端子处的连接电感是接合线电感。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光二极管的所述端子是所述激光二极管的阳极。
4.如权利要求1所述的方法，其中，闭合第二开关从具有公共阴极配置或公共阳极配置的多个激光二极管选择和点火所述激光二极管。
5.如权利要求1所述的方法，其中，
关闭所述第一开关完成用于电流流动通过第一开关和所述一个或多个感应元件的第一传导路径，以及
打开所述第一开关并闭合所述第二开关将该第一传导路径打开以允许电流流过具有所述激光二极管的第二电路路径。
6.如权利要求5所述的方法，其中，流过所述激光二极管以点火所述激光二极管的电流的速度不受所述一个或多个感应元件的限制。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
接收逻辑输入信号；和
响应于具有特定逻辑电平的逻辑输入信号，产生用于栅极驱动器在所述第一、第二、第三和第四间隔中的任意间隔期间打开或关闭所述第一开关和第二开关的电压。
8.一种激光二极管驱动电路，包括：
用于累积脉冲电荷的电容器；
第一电路路径，包括在所述电容器直至所述激光二极管的端子之间的一个或多个感应元件以及一个或多个第一开关，其中所述一个或多个第一开关中的一个直接连接到所述激光二极管的所述端子；以及
第二电路路径，包括所述激光二极管以及一个或多个第二开关；
其中，在电流流过第二电路路径以驱动所述激光二极管之前，在所述一个或多个第二开关打开的同时被闭合的所述一个或多个第一开关通过第一电路路径使用脉冲电荷在所述一个或多个感应元件中预充电电流。
9.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，进一步包括：
开关时序控制器，用于产生控制信号到所述一个或多个第一开关以及所述一个或多个第二开关，以在不同的间隔期间实现所述一个或多个第一开关以及所述一个或多个第二开关的预定状态。
10.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，进一步包括：
第三开关，以从与该激光二极管和一个或多个另外的激光二极管对应的多个电容器中选择所述电容器，以将所选择的所述电容器充电到该激光二极管的预定电源电压。
11.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，进一步包括：
与第二电路路径平行的第三电路路径，其具有另外的激光二极管和一个或多个第三开关；
其中，所述一个或多个第二开关和所述一个或多个第三开关的预定状态选择所述第二电路路径和第三电路路径中的一个，以流过电流。
12.如权利要求11所述的激光二极管驱动电路，其中，所述激光二极管和所述另外的激光二极管以公共阴极配置或公共阳极配置相连。
13.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，其中，所述第一电路路径的至少一部分和所述第二电路路径的至少一部分是彼此平行的。
14.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，其中，所述一个或多个感应元件在第一电路路径和第二电路路径两者中。
15.如权利要求8所述的激光二极管驱动电路，其中，所述一个或多个感应元件包括连接到所述激光二极管的所述端子的接合线或导体的电感。
16.一种用于驱动激光二极管的装置，包括：
第一电路路径中的一个或多个第一开关，其中所述一个或多个第一开关中的一个直接连接到激光二极管的端子；
第二电路路径中的与所述激光二极管串联的第二开关；以及
开关时序控制器，用于在不同的间隔期间控制所述一个或多个第一开关以及所述第二开关，
其中所述开关时序控制器闭合所述一个或多个第一开关并打开所述第二开关以在所述第一电路路径的一个或多个感应元件中预充电能量，随后闭合所述第二开关并打开所述一个或多个第一开关中的至少一个，以引导预充电的能量到具有所述激光二极管的第二电路路径以驱动所述激光二极管，其中所述一个或多个感应元件包括所述激光二极管的所述端子处的连接电感。
17.如权利要求16所述的装置，其中，在所述一个或多个第一开关中的所述至少一个打开的同时闭合所述第二开关。
18.如权利要求16所述的装置，其中，在所述一个或多个第一开关中的所述至少一个打开之后闭合所述第二开关。
19.如权利要求16所述的装置，还包括：
另外的开关，其与对应的另外的激光二极管串联，在所述第二开关闭合时保持打开，以仅仅驱动所述激光二极管，而不驱动所述另外的激光二极管；其中，所述激光二极管和一个或多个另外的激光二极管处于共同阴极或共同阳极配置。
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