CN107005161B - 二极管激光器系统的电流驱动器 - Google Patents

二极管激光器系统的电流驱动器 Download PDF

Info

Publication number
CN107005161B
CN107005161B CN201580065210.1A CN201580065210A CN107005161B CN 107005161 B CN107005161 B CN 107005161B CN 201580065210 A CN201580065210 A CN 201580065210A CN 107005161 B CN107005161 B CN 107005161B
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
current
diode
current regulator
bias voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201580065210.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107005161A (zh
Inventor
U·里特
J·常
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coherent Inc
Original Assignee
Coherent Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Coherent Inc filed Critical Coherent Inc
Publication of CN107005161A publication Critical patent/CN107005161A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107005161B publication Critical patent/CN107005161B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0427—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying modulation to the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0428—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying pulses to the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06812—Stabilisation of laser output parameters by monitoring or fixing the threshold current or other specific points of the L-I or V-I characteristics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/06832—Stabilising during amplitude modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06808—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the electrical laser parameters, e.g. voltage or current

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

考虑用于二极管激光器系统的电流驱动器电路的架构，由此电路关于组件和连接的数量而言是模块化的并且是最小复杂度的。

Description

二极管激光器系统的电流驱动器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年11月24日提交的题为“EFFICIENT HIGH SPEED HIGH POWERCURRENT DRIVER FOR DIODES(用于二极管的高效高速高功率电流驱动器)”的序号为62/083,787的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文，用于所有意图和目的。
背景技术
用于商业和科学应用的激光解决方案产品的供应商通常在努力将特定产品推向市场时遇到许多障碍。例如，开发新的实现特定电路所需的投资在许多情况下可能是非常昂贵的。为了解决这样的问题和其他问题，考虑了用于二极管激光器系统的电流驱动器电路的架构的实施方案，由此电路相对于组件和连接的数量而言是模块化的并且是最小复杂度的。通过扩展，电路可能不太容易发生故障，并且在系统开发和维护方面可以实现显著的节省。
发明概述
显示和描述用于二极管激光器系统的电流驱动器电路的架构的实施方案，由此电路关于组件和连接的数量而言是模块化的并且是最小复杂度的。电路是模块化的，因为相同的电路可以用于驱动许多不同的二极管负载，仅尽可能少地改变电压偏置的大小以偏移电路的工作点。电路的架构不需要改变。例如，电路的一些或所有组件可以表现出60V或更小的顺从电压，这是有利的，因为不需要高电压PCB板的认证或验证，并且电路可以通过二极管负载在200A或大于200A下来调节并进行快速调制(例如0-100kHz，占空比0-100％)。可以利用DC偏移电压来补偿二极管负载的导通或拐点电压，并且因此电路可以在100V下驱动与二极管负载串联的附加二极管，例如，即使在二极管负载的变化的情况下也处于相同的电流水平，并且符合规格。尽管如此，这是大于电路的60V顺从电压的100V电压电平。此外，可以通过并联连接电流驱动器电路的相同模块来实现功率缩放方面。此外，由于电路的特定部件可以通过单个板载PCB电路组件或元件来实现，所以该电路可能相对于部件和连接的数量而言复杂度最小。提供DC偏移电压的电源可能不是板载电路组件或元件。二极管负载也是如此。可以设想，电路可以以其他方式实现，由此可以将其它电路内置到电流驱动器电路中。虽然将会产生额外的开发和组件成本，并可能表现出额外的失败机制，但在某些情况下，这种替代方案可能是有益的。
附图说明
图1是根据本公开的二极管激光器系统的框图。
图2是图1所示的系统的第一电路图。
图3是图1所示的系统的第二电路图。
图4是根据本公开的第一I-V特性的图表。
图5是根据本公开的第二I-V特性的图表。
图6是根据本公开的电流调节器的电路图。
图7是图6所示的调节器的开关响应的图表。
图8是根据本公开的功率缩放方面的框图。
发明详述
示出并描述了用于二极管激光器系统的电流驱动器电路的架构的实施方案，由此电路关于组件和连接的数量而言是模块化的并且是最小复杂度的。通过扩展，电路可能不太容易发生故障，并且在系统开发和维护方面可以实现显著的节省。虽然不限于此，但是可以从以下结合附图的讨论中获得本公开的各个方面的理解。
例如，图1示出了根据本公开的二极管激光器系统100的实施方案的框图，等效地是激光二极管系统100。通常，二极管激光器系统100是用于材料处理和工业应用的千瓦级激光系统(例如，用于固态激光器的光泵浦)。然而，本领域技术人员将理解，如下所述的二极管激光器系统100可以用于其他应用，例如低功率LED驱动器应用。此外，本领域技术人员将理解，如下所述的二极管激光器系统100可以包括除了所示的以外的多个元件或组件。然而，为了简洁起见，针对这些元件或组件的讨论被省略。
二极管激光器系统100包括电源102、电流驱动器104和激光二极管负载106。在一些实施方案中，电流驱动器104单独构建在低电压额定电路板上，因此电流驱动器104的组件不具有大于60V的顺从电压。这是有利的，因为这样的电路板将不经受高压认证或验证。电源102包括AC/DC转换器108，电流驱动器104包括电流调节器110和开关元件112，并且二极管负载106包括二极管堆114。二极管堆114包括一串激光二极管，诸如作为每12个串联连接的激光二极管的两个串联堆。在该实施例中，假设二十四个串联连接的激光二极管中的每一个具有约1.9V的导通电压，二极管堆114具有约45.6V的导通电压。这些值仅用于示例目的。其他的实施例也是可以的。
在操作中，AC/DC转换器108从AC输入电压116(或替代地，可以利用DC输入电压)生成第一DC电源电压(VDC1)118和第二DC电源电压(VDC2)120以为电流驱动器104供电。电流驱动器104又产生驱动电流(IDC)122以驱动二极管负载106。驱动电流122的值或幅度是可编程的，并且由驱动电流设定点124定义或者是驱动电流设定点124的函数。通过组合来自二极管堆114的多个串联连接的激光二极管中的每一个的光发射来形成激光输出126。
第一DC电源电压118还偏置开关元件112和电流调节器110的工作点，以使得电流驱动器104能够驱动二极管堆114，即使二极管堆114的导通或拐点电压(例如，VK＝45.6V)大于电流调节器110的顺从电压(例如，VC＝41.5V)。电流调节器110的顺从电压是电流调节器110在正常操作条件下尝试提供编程电流(例如驱动电流122)时将输出的最大电压。类似地，电流调节器110的顺从电压范围是电流调节器110在正常操作条件下尝试提供编程电流(例如，驱动电流122)时将输出的电压值的范围。换句话说，在其(顺从电压范围)限制内，电流调节器110可以保持恒定的(编程的)电流输出。
电流调节器110的顺从电压范围的幅度由电流调节器110的顺从电压来定义。例如，当电流调节器110的顺从电压为60V时，驱动电压电平可取范围0V-60V(含)，或60V-120V(含)或120V-180V(含)，而电流调节器110保持在0V-60V的顺从电压范围内。二极管激光器系统100，特别是二极管激光器系统100的电流驱动器104的第一和第二示例性的模块化和最小复杂度的实现被示出并结合图2和图3进行描述。
图2示出了图1的二极管激光器系统100的第一电路图200。图3示出了图1的二极管激光器系统100的第二电路图300。如图2所示，电流驱动器104的开关元件112被实现为大功率、高增益PMOS晶体管。如图3所示，电流驱动器104的开关元件112被实现为大功率、高增益NMOS晶体管。可以设想，NMOS晶体管可以并入到第一电路图200的架构中，而不是PMOS晶体管。然而，在这样的实施方案中，将围绕NMOS晶体管构建附加电路(例如，测量驱动电流、启用/禁用晶体管等)，因此第一电路图200的架构将比如图2和图3中所示的更复杂。
另外，本领域技术人员将理解，第一电路图200的架构是第二电路图300的架构的反向版本，反之亦然。因此，尽管本文中参照图2的第一电路图200讨论了本发明的特征或方面，由第一电路图200所示的电路的相同或相似的操作原理适用于图3的第二电路图300所示的电路。然而，实际上，第一电路图200的电流驱动器104通常是电流源，而第二电路图300的电流驱动器104通常是电流吸收器。
参考图2，AC/DC转换器108从AC输入电压116生成VDC1和VDC2。VDC1和VDC2中的每一个具有固定的调节后的DC电压，例如VDC1＝VDC2＝41.5V。然而，其他的实施例是可能的。例如，由于这种电源相对便宜并且通常被广泛使用且可用，因此利用展示24V、48V、54V等的电源电压的一个或多个商品电源可能是有利的。另外，虽然图2中示出了两个电池或电源电压。其他配置或布置是可能的。例如，可以利用三个或更多个电池或电源电压，例如三个电池或每个为48V的电源电压，由此VDC1＝96V和VDC2＝VDC1+48V＝144V。当例如二极管堆114包括三个串联连接的二极管堆时，这样的配置可能是有利的，其中每个二极管堆具有40V的导通电压，使得二极管堆114的导通电压为120V。在这个和其他类似的实施例中，电流驱动器104，更具体地电流调节器110可以驱动二极管堆114，即使电流调节器110的顺从电压小于二极管堆114的导通电压。
例如，如图2所示，VDC1和VDC2串联连接，由此VDC1和(VDC1+VDC2)分别作为电流调节器110的底部电源轨和顶部电源轨提供。电压电平VDC1和(VDC1+VDC2)相对于由DC电源118的阴极和二极管堆114共享的公共节点。有利地，这种配置有效地偏置或偏移电流调节器110的工作点以使电流调节器110能够完全驱动二极管堆114，即使二极管堆114的导通电压(例如，VK＝45.6V)大于电流调节器110的顺从电压(例如，VC＝41.5V)。这在图4中进一步示出。
图4示出了本公开的二极管激光器系统100的某些电压映射的图表400。特别地，如图4所示的二极管特性402对应于二极管堆114的I-V特性，由此电压VK对应于二极管堆114的导通电压(例如，VK＝45.6V)。二极管堆114的导通电压以及对应于二极管特性402的整个高电流部分的电压范围落在对应于电流调节器110的正常工作范围的电压范围内。这一点因为，如上所述(VDC1+VDC2)对应于电流调节器110的顶部电源轨(例如，VDC1+VDC2＝41.5V+41.5V＝83V)，并且VDC1对应于电流调节器110的底部电源轨(例如，VDC1＝41.5V)。本领域技术人员将理解，由于电流调节器110正在闭环工作，因此在正常工作期间由电流调节器110输出的最大驱动电压和最小驱动电压分别对应于电流调节器110的顶部电源轨和底部电源轨。以这种方式，电源电压配置图如图2(和图3)所示有效地偏置或偏移电流调节器110的工作点，使得电流调节器110能够完全驱动二极管堆114，即使二极管堆114的导通电压大于电流调节器110的顺从电压。
当如图2(或图3)所示连接时，PMOS晶体管112(或图3的NMOS晶体管112)是监视或检测由电流调节器110输出的驱动电压并作出相应响应的有源组件。更具体地，如图2所示连接的PMOS晶体管112是自调节的，因此可以被认为是响应特定激励而改变其状态的传感器。例如，当电流调节器110的驱动电压电平超过二极管堆114的拐点或导通电压时，VSG为正。由于PMOS晶体管112的栅极节点连接到VDC1(例如，VSG>VK-VDC1＝45.6V-41.5V＝4.1V)并且VSG超过PMOS晶体管112的栅极阈值电压(VSGT)，所以PMOS晶体管112“导通”和PMOS晶体管112的栅极阈值电压通常在2V-4V的范围内。另外，在这种情况下，由于PMOS晶体管112处于导通状态，VSD基本为零。PMOS晶体管112的源极节点处的电压电平跨二极管堆114几乎完全降落，因为跨二极管堆114和PMOS晶体管112的源极/漏极节点之间的电压降的总和大约等于在PMOS晶体管112的源极节点处的电压(例如，VSD＝VS-Vdiode～45.6V-45.6V～0V)。以这种方式，当驱动电压电平超过二极管堆114的拐点电压时，PMOS晶体管112是低阻抗或高导电组件。
相比之下，当电流调节器110的驱动电压电平和VDC1之间的差减小到小于PMOS晶体管112的栅极阈值电压(VSTST)时，PMOS晶体管112转变为高阻抗或低导电组件。更具体地说，当电流调节器110的驱动电压电平和栅极电压(VSG)之间的差低于栅极阈值电压并且正在减小时，PMOS晶体管112从低阻抗“导通”状态变为闭环调节状态。当电流调节器110调节到低电流设置并且通过降低其输出电压来执行或实现调整时，情况如此。
电流调节器110、PMOS晶体管112和二极管堆114是电串联并且传导相同量的电流。由电流调节器110产生的“低”电流降低二极管堆114上的电压，甚至低于二极管堆114的拐点电压。在栅极阈值电压以下，PMOS晶体管112的阻抗增加，因此VSD增加，与二极管堆114上降落的电压相加。这充当闭环反馈。为了减小电流，电流调节器110降低其输出电压；这减少VSG，导致VSD增加。这再次降低了二极管堆114上的电压降。最终情况将是0A要求，其将电流调节器110的输出电压降低到VDC1和VSG至0V。在这种情况下，源极和漏极之间的阻抗将是高的，VSD电压将约为VDC1。此时，没有电流通过二极管堆114或通过二极管堆114的电流接近零，并且在二极管堆114上几乎不发生电压降。以这种方式，当电流调节器110的驱动电压电平和VDC1之间的差减小到小于PMOS晶体管112的栅极阈值电压时，PMOS晶体管112转变成高阻抗组件。如图2所示连接的PMOS晶体管112的自调节特性在图5中进一步证明。
图5示出了图2的二极管激光器系统100的某些节点电压的图表500。特别地，如图5所示的第一特性502描述了作为由电流调节器110提供的驱动电流的函数的二极管堆114的电压特性。该特性类似于上面结合图4讨论的二极管特性402。如图5所示的第二特征504描述了作为电流调节器110提供的驱动电流的函数的PMOS晶体管112的VSG的电压特性。VSG最初为零，然后随着电流调节器110的驱动电压电平接近VDC1+VGST，增加到VSGT。如图5所示的第三特性506描述了作为由电流调节器110提供的驱动电流的函数的PMOS晶体管112的VSD的电压特性。VVD最初处于VDC1，然后当电流调节器110的驱动电压电平超过VDC1+VGST时基本为零。由于PMOS晶体管112的高增益，在阈值处或阈值以上的VSD中的斜率基本为零。
为了良好的近似，PMOS晶体管112是完美或理想的MOSFET，这意味着在正常工作条件下，PMOS晶体管112的栅极/源极节点和栅极/漏极节点之间没有电流流动。因此，由电流调节器110输出的驱动电流等于流过PMOS晶体管112和二极管堆114的电流。
当VSG>VSGT时，PMOS晶体管112呈现低阻抗并且是高导电性的。在这种情况下，PMOS晶体管112不对电负载有贡献。电负载基本上是二极管堆114，并且电流调节器110按预期调节驱动电流。
根据本公开的原理，VK>(VDC1+VSGT)。在这种情况下，当增加或减小驱动电流时，电流调节器110如预期那样调节通过二极管堆114的电流。此外，当驱动电压电平低于VDC1+VSGT时，在PMOS晶体管112的源极/漏极节点之间存在阻抗，因此任何电流将加热PMOS晶体管112。因此，为了当PMOS晶体管112呈现低阻抗时确保高电流工作，VDC1被选择为小于(VK-VSGT)。
考虑二极管激光器系统100从高光输出转变到无或零光输出的情况。首先，减小驱动电流设定点124。电流调节器110通过降低驱动电压，从而降低驱动电流来进行响应。驱动电压电平将通过VK转变并继续减小。当驱动电压电平转变到低于VDC1+VSGT时，PMOS晶体管112的源极/漏极节点之间的阻抗开始增加(参见图5)，并且PMOS晶体管112开始贡献于电负载。随着电流调节器110继续降低驱动电压，PMOS晶体管112的源极/栅极节点之间的电压趋向于零，并且PMOS晶体管112的源极/漏极节点之间的阻抗增加。此外，PMOS晶体管112的源极/漏极节点之间的电压趋向于VDC1，因此二极管堆114两端的电压降趋向于零。这在图5中示出。在整个过程中，关系(VDC1+VSG)＝(VDiode+VSD)成立。
图2(和图3)所示的装置使得电流调节器110能够在二极管堆114的零和额定电流最大值之间的整个范围内调节电流。在低电流条件下，二极管负载随着电流的变化而急剧变化，但是由PMOS晶体管112的负载变化来补偿。电流调节器110调节VSG两端的相对较小的电压，并且PMOS晶体管112将其与跨越VSD的较大的电压调整相匹配。换句话说，电流调节器110通过沿图5的VSG曲线调整其输出电压来调节驱动电流。在调节VDC1与VDC1+VDC2之间的输出电压时，二极管堆114两端的电压降在0V和VDC1+VK之间变化。电流调节器110的输出电压沿着VSG曲线跟踪，调节电压以实现并维持设定的驱动电流。在将电流调节器110的输出电压调节到VDC1+VSGT以上时，二极管堆114两端的电压降变化相同，伏特对伏特。
图6是图2的二极管激光器系统100的电流调节器110的示例性实施方案的电路图。通常，电流调节器110是同步开关转换器，其包括控制器602、高侧开关604、低侧开关606、电流反馈组件608、二极管610、输出电感器615、分流电阻器614和输出电容器616。由于电流调节器110并入大功率系统或应用(即，二极管激光器系统100)中，与通常利用同步转换器拓扑的低功率系统或应用相反，当驱动电流设定点124改变时或者当二极管激光器系统100被启用或导通时，可能会发生快速瞬态电流。该瞬态电流可能导致显著的电流过冲、瞬态振荡或不稳定的输出电流，所有这些都可能是由寄生输出线电感和其他寄生效应引起的，这些与输出电感器615和输出电容器616所呈现的电感和电容一起分别产生寄生振荡电路。
为了补偿，阻尼电阻器618与输出电容器616串联连接，并且本领域技术人员将认识到，阻尼电阻器618可以相对于图3的二极管激光器系统100的电流调节器110以类似的方式被使用。通常，这样的修改与常规的智慧相反，因为如预期的引入额外的电阻可能导致由于二极管激光器系统100的高功率特性而引起的额外的功率耗散和热产生以及其它。然而，二极管激光器系统100通过市电供电(参见图1)供电，并且二极管激光器系统100的电子设备通常是水冷的。以这种方式，性能与额外的功率耗散和发热之间的折衷成本最小化。图7是作为阻尼电阻的函数的电流调节器110的开关响应的图表。
特别地，图7中提供的第一特性702示出了电流调节器110的开关响应中的明显的振铃。在台架测试中用于产生第一特性702的阻尼电阻器618的值为0(零)欧姆。因此，第一特性702捕获电流调节器110对电路中省略的阻尼电阻器618的响应。相反，图7中提供的第二特性704示出了电流调节器110的开关响应中较不明显的振铃。在台架测试中用于产生第二特性704的阻尼电阻器618的值为15毫欧，所有其它变量保持相等。另外，图7中提供的第三特性706示出了电流调节器110的开关响应中更不明显的振铃。在台架测试中用于产生第三特性706的阻尼电阻器618的值为100毫欧，所有其他变量保持相等。因此，第二特性704和第三特性706二者捕获电流调节器110对包括在电路中的阻尼电阻器618的响应，由此开关响应中的振铃幅度与阻尼电阻器618的值成反比。
图8是根据本公开的功率缩放方面的框图。更具体地，示出了本公开的电流驱动器104a-n的未指定整数个模块并联连接在一起以驱动包括二极管堆804的二极管负载802。二极管堆114包括未指定整数个串联连接的激光二极管。以这种方式，电流驱动器104的多个实例可以耦合在一起，以便驱动任何特定的二极管负载。另外或替代地，VDC1和VDC2中的一个或两个可以彼此独立地调谐，以便在应用或实现特定的基础上偏移电流驱动器104的单个实例的工作点。在一些情况下，可以围绕PMOS晶体管112构建非复杂钳位电路，以确保VSG不超过作为PMOS晶体管112的类型和额定值的函数的允许值或容许许值。
如上图所示并且所描述的，电流驱动器104的架构相对于组件和连接的数量而言是模块化的并且是最小复杂度的。电流驱动器104是模块化的，因为其可以用于驱动许多不同的二极管负载，仅最小程度地改变电压偏置的大小以偏移电流驱动器104的工作点。电流驱动器104的架构不需要更改。例如，电流驱动器104的一些或所有组件可以表现出60V或更小的顺从电压，这是有利的，因为不需要高电压PCB板的认证或验证，并且电流驱动器104可以通过二极管负载调节为200A或以上并进行快速调制(例如，0-100kHz，占空比0-100％)。可以利用DC偏移电压来补偿二极管负载的导通或拐点电压，并且因此，电流驱动器104可以在100V下驱动与二极管负载串联的附加二极管，例如即使二极管负载发生变化也处于相同的电流水平并且符合规格。尽管如此，这是大于电流驱动器104的60V顺从电压的100V电压电平。此外，可以通过并联连接电流驱动器104的相同模块来实现功率缩放方面。此外，电流驱动器104对于组件和连接的数量可以是最小复杂度的，因为电流驱动器104的特定组件(即开关元件112)可以仅用单个板载(即PCB)电路组件或元件实现，即PMOS或NMOS晶体管。提供DC偏移电压的电源可能不是板载电路组件或元件。二极管负载也是如此。可以预期，可以以其他方式实现电流驱动器104，由此可以将其他电路内置到电流驱动器104中。尽管将产生额外的开发和组件成本并且可能显示额外的故障机制，但在某些情况下，这样的替代方案有益于
鉴于此类和其它的益处和优点，考虑了用于二极管激光器系统的电流驱动器，由此电流驱动器包括或包含电流调节器和开关元件。电流调节器和开关元件可以分别被配置和/或布置成类似于如上文结合至少图2和图3所示和所描述的电流调节器110和开关元件112。特别地，电流调节器可以被配置为从电源接收偏置电压，其中偏置电压使电流调节器的顺从电压范围偏移以包括二极管负载的拐点电压，并且其中偏置电压具有对应于偏移顺从电压范围的下限的值。上文结合图4示出和描述了这种偏移顺从电压范围的实施例。
另外，开关元件可以耦合到电流调节器，并且可以被配置为检测由电流调节器输出以向二极管负载供给驱动电流的电压电平，其中开关元件具有(a)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平小于偏置电压的值时的高阻抗，(b)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平大于阈值电压值和所述偏置电压值的和时为低阻抗。在一些实施方案中，当电流调节器输出以向二极管负载供给驱动电流的电压电平具有大于偏置电源的值而小于开关元件的导通阈值电压和偏置电压的值之和时，开关元件处于高阻抗状态和低阻抗状态之间的过渡状态。
这种可变阻抗开关元件的实施例是PMOS晶体管或NMOS晶体管，当以上面结合图2和图3所示和描述的方式将其并入电路架构时展现了与上面结合图4和图5所示和描述的类似的I-V特性。此外，本领域技术人员将理解，在实践中，如通篇所讨论的特定电压的水平在针对特定电路节点(例如上面结合图2和图3所示和所述的晶体管的栅极节点)测量或限定时保持有意义。其他的实施例也是可以的。
在一些实施方案中，顺从电压范围(以及类似地，偏移的顺从电压范围)的幅度为60V或更小。一般来说，顺从电压范围由电流调节器的顺从电压定义。在一些实施方案中，电流调节器由小于或等于幅度上的偏置电压的两倍的电源电压和偏置电压之间的差供电(例如，偏置电压＝48V；电源电压＝96V或偏置电压＝96V；电源电压＝144V)。在一些实施方案中，阻尼电阻器与耦合到电流调节器的输出节点的电容器串联耦合，其中阻尼电阻器具有从15毫欧至1000毫欧之间(含端点)的欧姆值范围内选择的电阻。上文结合图6和图7示出并描述了这种特征的实施例，其中电流调节器是呈现约100kHz或更小的调制频率的同步降压转换器，或等效地可以在10μs量级上开关。可以在实现特定的基础上选择阻尼电阻器的特定欧姆值或电阻值，以便根据需要调整时域中的信号响应以最小化振铃，呈现特定的上升/下降时间，等等。
尽管上面已经详细描述了某些示例性实施方案，但是本领域技术人员将容易地理解，在实质上不脱离本公开的新颖教导和优点的情况下，在示例性实施方案中可以进行许多修改。可以以其他组合的方式组合上述实施方案以形成另外的实施方案。所有这些修改旨在包括在该技术的范围内。

Claims (21)

1.用于二极管系统的电流驱动器，包括：
电流调节器，被配置为从电源接收偏置电压，其中所述偏置电压使所述电流调节器的顺从电压范围偏移以包括二极管负载的拐点电压，并且其中所述偏置电压具有与偏移的顺从电压范围的下限对应的值；和
开关元件，其耦合到电流调节器和所述二极管负载，所述开关元件被配置为检测由电流调节器输出的电压电平以向所述二极管负载提供驱动电流，其中所述开关元件具有(a)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平小于偏置电压的值时的高阻抗，(b)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平大于阈值电压值和所述偏置电压值的和时为低阻抗。
2.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述顺从电压范围的幅度为60V以下。
3.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述开关元件是PMOS晶体管，并且所述PMOS晶体管的源极节点耦合到所述电流调节器，所述PMOS晶体管的栅极节点被所述偏置电压偏置，并且PMOS晶体管的漏极节点提供驱动电流到所述二极管负载的路径。
4.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述开关元件是NMOS晶体管，并且所述NMOS晶体管的源极节点耦合到所述电流调节器，所述NMOS晶体管的栅极节点被所述偏置电压偏置，并且所述NMOS晶体管的漏极节点提供驱动电流到所述二极管负载的路径。
5.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述电流调节器由电源电压与所述偏置电压之间的差供电，所述电源电压在幅度上是所述偏置电压的两倍。
6.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述电流调节器由电源电压与所述偏置电压之间的差供电，所述电源电压在幅度上小于所述偏置电压的两倍。
7.根据权利要求1所述的电流驱动器，还包括与耦合到所述电流调节器的输出节点的电容器串联耦合的阻尼电阻器，其中所述阻尼电阻器具有选自15毫欧至1000毫欧之间的包含15毫欧和1000毫欧在内的范围的电阻。
8.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述电流调节器是同步降压转换器。
9.根据权利要求1所述的电流驱动器，其中所述电流调节器的调制频率为100kHz或更小。
10.二极管系统，包括：
二极管负载；
配置为输出偏置电压的电源；
电流调节器，其耦合到所述电源并且被配置为从所述电源接收所述偏置电压，其中所述偏置电压使所述电流调节器的顺从电压范围偏移以包括所述二极管负载的拐点电压，并且其中偏置电压具有与偏移的顺从电压范围的下限对应的值；和
开关元件，其耦合到所述电流调节器和所述二极管负载，所述开关元件被配置为检测由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平，其中所述开关元件具有(a)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平小于偏置电压的值时的高阻抗，(b)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平大于阈值电压值和所述偏置电压值的和时为低阻抗。
11.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述顺从电压范围的幅度为60V或更小。
12.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述开关元件是PMOS晶体管，并且所述PMOS晶体管的源极节点耦合到所述电流调节器，所述PMOS晶体管的栅极节点被所述偏置电压偏置，并且所述PMOS晶体管的漏极节点提供驱动电流到二极管负载的路径。
13.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述开关元件是NMOS晶体管，并且所述NMOS晶体管的源极节点耦合到所述电流调节器，所述NMOS晶体管的栅极节点被所述偏置电压偏置，并且所述NMOS晶体管的漏极节点提供驱动电流到二极管负载的路径。
14.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述电流调节器由电源电压与所述偏置电压之间的差供电，所述电源电压在幅度上小于或等于所述偏置电压的两倍。
15.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述二极管负载包括多个串联连接的二极管。
16.根据权利要求10所述的二极管系统，还包括与耦合到所述电流调节器的输出节点的电容器串联耦合的阻尼电阻器，其中所述阻尼电阻器具有选自15毫欧至1000毫欧之间的电阻。
17.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述电流调节器是同步降压转换器。
18.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述电流调节器的调制频率为100kHz或更小。
19.根据权利要求10所述的二极管系统，其中所述电源包括一对串联连接的电压源，并且其中所述一对中的第一电压源被配置为输出所述偏置电压，并且所述一对中的第二电压源被配置为输出具有等于或不同于述偏置电压的幅度的幅度的电源电压。
20.用于二极管激光器系统的电流驱动器，包括：
电流调节器，被配置为从电源接收偏置电压，其中所述偏置电压使所述电流调节器的顺从电压范围偏移以包括激光二极管负载的拐点电压，并且其中所述偏置电压具有与偏移的顺从电压范围的下限对应的值；和
晶体管，其耦合到所述电流调节器和所述二极管负载，所述晶体管被配置为检测由所述电流调节器输出以向所述激光二极管负载供给驱动电流的电压电平，其中该晶体管具有(a)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平小于偏置电压的值时的高阻抗，(b)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平大于阈值电压值和所述偏置电压值的和时为低阻抗；
其中所述晶体管的源极节点耦合到所述电流调节器，所述晶体管的栅极节点被所述偏置电压偏置，并且所述晶体管的漏极节点提供驱动电流到所述激光二极管负载的路径。
21.用于驱动二极管负载的方法，包括：
通过二极管系统：
通过所述二极管系统的电流调节器输出电压电平以向所述二极管系统的二极管负载供给驱动电流，其中通过电源提供给所述电流调节器的偏置电压对应于所述电流调节器的顺从电压范围的下限，并且其中所述顺从电压范围包括所述二极管负载的拐点电压；以及
(a)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平从与开关元件相关联的阈值电源值和所述偏置电压的值的和朝向所述偏置电压的值之和转变时，由所述二极管系统的所述开关元件调节所述开关元件的阻抗为较高的阻抗，该阈值从阈值与开关元件相关联的电压值和偏置电压的值朝向偏置电压的值，以及(b)当由所述电流调节器输出以向所述二极管负载供给驱动电流的电压电平从所述偏置电压的值朝向与所述开关元件相关联的阈值电压值和所述偏置电压的值之和转变时，由所述二极管系统的所述开关元件调节所述开关元件的阻抗为较低的阻抗。
CN201580065210.1A 2014-11-24 2015-11-24 二极管激光器系统的电流驱动器 Active CN107005161B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462083787P 2014-11-24 2014-11-24
US62/083,787 2014-11-24
PCT/US2015/062417 WO2016085979A1 (en) 2014-11-24 2015-11-24 Current driver for diode laser system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107005161A CN107005161A (zh) 2017-08-01
CN107005161B true CN107005161B (zh) 2019-11-26

Family

ID=54834950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580065210.1A Active CN107005161B (zh) 2014-11-24 2015-11-24 二极管激光器系统的电流驱动器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9667031B2 (zh)
EP (1) EP3224938B1 (zh)
JP (1) JP6686020B2 (zh)
KR (1) KR20170086630A (zh)
CN (1) CN107005161B (zh)
WO (1) WO2016085979A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10658814B2 (en) * 2017-10-23 2020-05-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Laser diode priming to reduce latency
US10361537B2 (en) * 2017-10-23 2019-07-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Dynamic supply voltage control circuit for laser diode
CN110098632B (zh) * 2018-01-29 2021-08-06 中国电力科学研究院有限公司 一种虚拟同步发电机阻尼系数定量识别方法、系统及装置
CN112166535B (zh) * 2018-05-21 2024-01-16 谷歌有限责任公司 用于突发模式可调谐eml传送器的波长漂移抑制
US11600965B2 (en) * 2018-05-21 2023-03-07 Google Llc Burst mode laser driving circuit
KR102137015B1 (ko) * 2018-12-21 2020-07-24 어보브반도체 주식회사 저전력 소모 레이저 다이오드 드라이버

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1637677A (zh) * 2004-01-06 2005-07-13 横河电机株式会社 升降压型电流调节器和升降压型电流调节器的控制方法
CN101087106A (zh) * 2006-06-07 2007-12-12 罗姆股份有限公司 电源装置
CN101809852A (zh) * 2007-07-28 2010-08-18 赛特克斯半导体公司 电流驱动方法及电路
WO2014095319A2 (de) * 2012-12-18 2014-06-26 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers aus einer dreiphasigen wechselspannungsquelle
CN203734534U (zh) * 2014-03-18 2014-07-23 吉林大学 一种基于buck电路的电流驱动器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4686449A (en) * 1986-04-07 1987-08-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy JFET current source with high power supply rejection
JP2003264337A (ja) * 2002-03-11 2003-09-19 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体レーザ駆動回路および画像形成装置
JP3695413B2 (ja) * 2002-03-29 2005-09-14 ソニー株式会社 発光素子駆動装置および画像形成装置
EP1608206B1 (en) 2004-06-14 2009-08-12 STMicroelectronics S.r.l. Led driving device with variable light intensity
ATE467331T1 (de) 2006-06-22 2010-05-15 Osram Gmbh Led-ansteuereinrichtung
US20080290819A1 (en) * 2007-02-06 2008-11-27 Luminus Devices, Inc. Light-emitting device driver circuits and related applications
US7738519B2 (en) * 2007-07-10 2010-06-15 Micrel, Inc. Laser driver automatic power control circuit using non-linear impedance circuit
US8559905B2 (en) * 2007-12-05 2013-10-15 Viasat, Inc. Systems, devices, and methods for suppressing frequency spurs in mixers
JP2010063332A (ja) * 2008-09-08 2010-03-18 Panasonic Corp 負荷駆動装置
US20100253245A1 (en) * 2009-04-06 2010-10-07 Lightech Electronic Industries Ltd. Method, system and current limiting circuit for preventing excess current surges
US8184670B2 (en) * 2009-10-09 2012-05-22 Analog Modules, Inc. Smart linear pulsed laser diode driver, and method
US8519634B2 (en) 2009-11-06 2013-08-27 Abl Ip Holding Llc Efficient power supply for solid state lighting system
CN102244964B (zh) 2011-07-07 2013-09-25 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种复合型多输出电源及其调节方法
US9155140B2 (en) * 2012-06-07 2015-10-06 Gabriel Yavor Optical waveform generator
US8803445B2 (en) 2012-09-07 2014-08-12 Infineon Technologies Austria Ag Circuit and method for driving LEDs

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1637677A (zh) * 2004-01-06 2005-07-13 横河电机株式会社 升降压型电流调节器和升降压型电流调节器的控制方法
CN101087106A (zh) * 2006-06-07 2007-12-12 罗姆股份有限公司 电源装置
CN101809852A (zh) * 2007-07-28 2010-08-18 赛特克斯半导体公司 电流驱动方法及电路
WO2014095319A2 (de) * 2012-12-18 2014-06-26 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers aus einer dreiphasigen wechselspannungsquelle
CN203734534U (zh) * 2014-03-18 2014-07-23 吉林大学 一种基于buck电路的电流驱动器

Also Published As

Publication number Publication date
US9667031B2 (en) 2017-05-30
WO2016085979A1 (en) 2016-06-02
KR20170086630A (ko) 2017-07-26
EP3224938A1 (en) 2017-10-04
US20160149376A1 (en) 2016-05-26
EP3224938B1 (en) 2020-02-19
JP6686020B2 (ja) 2020-04-22
CN107005161A (zh) 2017-08-01
JP2017536673A (ja) 2017-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107005161B (zh) 二极管激光器系统的电流驱动器
US9831778B2 (en) Power-converting device and power conditioner using the same
US9110107B2 (en) Battery test circuit with energy recovery
US9155156B2 (en) Electronic circuits and techniques for improving a short duty cycle behavior of a DC-DC converter driving a load
US9806618B2 (en) Power converting device and power conditioner using the same
US7915836B2 (en) Light-emitting diode driving circuit
TWI451679B (zh) 用於調節輸出電壓的方法
CN102111070B (zh) 待机电流减少的调节器过电压保护电路
WO2014042118A1 (ja) マルチレベル電力変換回路および装置
CN207802451U (zh) 用于为电负载供电的设备
CN102461343B (zh) 发光二极管驱动器
CN101868078B (zh) 具有高功率因数的单功率级led恒流驱动装置
CN109217697B (zh) 同步桥式整流器，同步桥式整流器的操作方法及其组件
US20220293322A1 (en) Coil driving device
CN202512160U (zh) 用于发光二极管装置的驱动电路及其电压检测装置
CN105592605B (zh) 一种led负载驱动电路
US11343891B2 (en) LED system for vehicle lighting having high efficiency and high reliability
US9992826B1 (en) Dual mode constant current LED driver
KR101208347B1 (ko) 발광 다이오드 조명 구동 장치
CN108430139B (zh) 具有可控硅调光器的led驱动电路及其控制方法
CN107005157B (zh) Dc-dc转换器和相关联的方法和控制器
KR102076991B1 (ko) 차지 펌프 장치
ITTO20110280A1 (it) Celle di commutazione a transistori mosfet di potenza
CN102026435B (zh) 发光二极管驱动电路
CN104025709B (zh) 转换设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant