CN113545169A

CN113545169A - 用于调频发射的照明设备

Info

Publication number: CN113545169A
Application number: CN202080021133.0A
Authority: CN
Inventors: E·芬克萨利; V·兹瓦宁伯格
Original assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Current assignee: Bright Sharp Holdings Ltd; Lumileds Holding BV
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-10-22
Also published as: WO2020148103A1; EP3912432A1; US20200225322A1; TW202044917A

Abstract

本公开涉及一种用于调频发射的照明设备（20）。解决了提供一种包括发光二极管（LED）的照明设备（20）的目的，该照明设备允许更高的工作频率，并且特别是具有提高的发射光信号质量，其中，该照明设备（20）包括：LED（26）；具有调谐电路（24）的谐振驱动器电路（22）；其中谐振驱动器电路（22）被配置成以工作频率驱动调谐电路（24），并且其中调谐电路（24）包括LED（26）。本公开还涉及操作照明设备（20）的方法和照明设备（20）的用途。

Description

用于调频发射的照明设备

技术领域

本公开涉及一种用于调频发射的照明设备，其包括发光二极管（LED），特别是用于飞行时间应用。

背景技术

在飞行时间应用中，例如在距离测量和3D成像中，可以使用照明设备的调频光发射。这里，可以特别地使用提供工作频率在MHz范围内的调频光的照明设备。激光光源可以用于飞行时间应用，例如激光雷达。

此外，LED也适用于产生调频光。典型地，用于LED的驱动电路包括开关装置，诸如场效应晶体管，以获得MHz范围内的工作频率。场效应晶体管在其栅极接收输入信号，该输入信号由外部源提供。输入信号具有例如具有所需工作频率的方波形式，并周期性地打开和关闭场效应晶体管。场效应晶体管然后可以在驱动电路中提供振荡电流，以引起LED的调频光发射。

然而，用于LED的驱动电路的这种配置具有缺点。最大工作频率受限于场效应晶体管的切换速度和驱动电路的特性，即驱动电路中电子部件的组合的电感和电容。因此，具有这种驱动电路的LED的工作频率通常被限制在明显低于40 MHz的频率。

此外，由于驱动电路的布局，振荡电流的波形可能受到驱动电路中电子部件的电感和电容的影响。这可能导致驱动电流的波形与正弦形状有很大的偏差。因此，由这种电流驱动的LED发射的光可能具有非正弦的发射强度的频率调制，导致在飞行时间应用中检测和分析反射光脉冲的困难。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种包括LED的用于调频发射的照明设备，其允许更高工作频率，并且特别地具有发射光信号的提高的质量。本发明还涉及一种基于上述目的的操作照明设备的方法和照明设备的用途。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于调频发射的照明设备，该照明设备包括：LED；具有调谐电路的谐振驱动器电路；其中谐振驱动器电路被配置为以工作频率驱动调谐电路，并且其中调谐电路包括LED。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作照明设备的方法，特别是根据第一方面的照明设备，该方法包括：操作具有调谐电路的谐振驱动器电路，其中调谐电路由谐振驱动器电路以工作频率驱动，其中调谐电路包括LED。

根据本发明的第三方面，提供了根据第一方面的照明设备在飞行时间应用中的用途。

本发明的第一、第二和第三方面的示例性实施例可以具有下面描述的特性中的一个或多个。

用于照明设备的LED可以包括至少一个半导体元件，诸如p-n结、二极管和/或晶体管。例如，LED可以以LED管芯和/或LED封装的形式被提供。LED可以布置在基板上，例如散热器、中介层以及特别地（印刷）电路板上，其中调谐电路和谐振驱动器电路的至少部分由（印刷）电路板提供。LED可以例如集成到LED引线框架中。

在用于调频发射的照明设备中使用LED。也就是说，当照明设备工作时，LED受到（周期性）振荡驱动电流的作用，导致LED发射具有由驱动电流的振荡调制的振幅的光。根据本发明，使用具有调谐电路的谐振驱动器电路来向LED提供驱动电流。谐振驱动器电路被配置成以工作频率驱动调谐电路。谐振驱动器电路原则上可以被配置为任何类型的电子振荡器电路，并且特别是LC振荡器电路。调谐电路对应于在谐振驱动器电路中引起电流振荡的部分。调谐电路也可以被称为谐振驱动器电路的带通滤波器。例如，当谐振驱动器电路被实现为LC振荡器电路时，调谐电路可以指的是LC谐振元件。

在目前的情况下，调谐电路包括LED。例如，在LC振荡器电路的布局中，带通滤波器/LC谐振元件由LED代替。也就是说，LED的振荡驱动电流由谐振驱动器电路提供。与前述依靠借助于外部输入信号的场效应晶体管的切换的驱动电路相反，在前述驱动电路中，最大工作频率受到场效应晶体管的切换速度和驱动电路的特性的限制，利用本发明，调谐电路的特性可以基本上对应于LED本身的特性，或者可以紧密地适应于LED的特性。也就是说，调谐电路可以具有特别简单的布局，具有非常低的电感和电容，从而可以潜在地达到明显更高的工作频率。

LED可以形成谐振驱动器电路的调谐电路，因为LED具有寄生电感和电容，使得LED本身可以代表LC元件。此外，LED可以允许反向恢复电流，因为当驱动电流反向时，LED可以在有限的时间内允许反向电流。在较高的频率下，特别是在MHz范围内的频率下，LED因此可以代表LC谐振元件。因此，可以借助于谐振驱动器电路（直接）驱动LED。此外，当LED用作LC谐振元件时，已经发现驱动电流的波形基本上是正弦的，导致调频发射强度的有利波形。

在根据本发明的另一个示例性实施例中，谐振驱动器电路包括放大装置和用于放大装置的反馈回路。因此，谐振驱动器电路中的能量损失，尤其是由LED的光发射导致的能量损失，可以借助于放大装置来补充。反馈回路可以确保放大装置以具有对应相位的工作频率向谐振驱动器电路输送能量。因此可以利用放大装置和反馈回路来连续操作谐振驱动器电路和照明设备。

放大装置可以例如包括至少一个双极结型晶体管、运算放大器和/或真空管。在根据本发明的示例性实施例中，放大装置包括至少一个场效应晶体管。场效应晶体管，特别是金属氧化物半导体场效应晶体管，特别适合在MHz范围内为谐振驱动器电路提供放大。

如上所述，照明设备可以为发射的频率调制提供更高的频率。在根据本发明的示例性实施例中，工作频率大于40 MHz，特别地大于70 MHz。对应的工作频率可以例如基于本发明的照明设备提高飞行时间测量的准确性。在一些实施例中，可以使用大于75 MHz的工作频率。

在根据本发明的另一个示例性实施例中，工作频率基本上对应于LED本身的谐振频率。当LC振荡器电路的LC谐振元件被LED代替时，调谐电路的谐振频率可以基本上等于LED本身的谐振频率，这由LED的寄生电感和寄生电容决定。因此，照明设备的工作频率基本上仅受LED本身特性的限制。

在根据本发明的示例性实施例中，调谐电路由LED和用于LED的串联连接装置组成。也就是说，除了LED和串联连接装置之外，调谐电路中不存在其他元件。串联连接装置特别是直接（并且可能非常短）的导电轨迹，以将LED的端子连接到谐振驱动器电路。也就是说，串联连接装置可以具有分别比LED的寄生电感和寄生电容低的电感和电容。那么调谐电路的谐振频率基本上由LED本身决定，使得工作频率可以特别高（并且可以被选择为基本上等于LED本身的谐振频率）。

在根据本发明的可替代示例性实施例中，调谐电路由LED、用于LED的串联装置以及调谐电感器和/或调谐电容器组成。与前述仅具有形成调谐电路的LED和串联连接装置的实施例相反，调谐电感器和/或调谐电容器可以被添加到调谐电路以修改调谐电路的谐振频率。例如，在期望的工作频率低于LED本身的谐振频率的情况下，可以通过添加至少一个调谐电感器和/或调谐电容器来降低调谐电路的谐振频率。

调谐电感器和/或调谐电容器可以分别具有固定的电感和/或电容。在其他实施例中，在电感和/或电容可以变化的意义上，调谐电感器和/或调谐电容器可以是可调谐的，使得相同的照明设备可以以不同的工作频率有效地工作。在一个实施例中，调谐电感器和/或调谐电容器串联和/或并联连接到LED。

如上所述，不同的电子振荡器电路布局，并且特别是LC振荡器电路布局，可以用于谐振驱动器电路的配置。在根据本发明的示例性实施例中，谐振驱动器电路被配置为考毕兹振荡器电路。考毕兹振荡器包括电容分压器，以提供反馈回路。电容分压器的一部分可以例如由LED的寄生电容形成。考毕兹振荡器的原理可以实现谐振驱动器电路的简单布局，同时考毕兹振荡器对于提供工作频率在（高）MHz范围内的基本正弦驱动电流而言也是特别有用的。

在根据本发明的示例性实施例中，照明设备还包括同步电路，用于将调谐电路的相位和/或工作频率与参考振荡信号同步。因此，同步电路特别地可以提供锁相环。可以提供至少一个传感器来感测LED的电流、电压和/或发射强度。至少一个传感器的信号可以用于将调谐电路的相位和/或工作频率与参考振荡信号对准。例如，参考振荡信号在飞行时间应用中用作反射光脉冲分析的参考。

在根据本发明的另一个示例性实施例中，LED被配置成发射红外（IR）范围内的光。LED的特征可以是峰值波长，即发射强度最大的波长。LED可以具有IR范围内的峰值波长，例如高于780 nm。特别地，IR LED的峰值波长可以在近IR范围内，例如从780 nm到3000 nm，特别是从800 nm到1100 nm。IR范围内的调频光可以用于飞行时间应用。

在根据本发明的示例性实施例中，谐振驱动器电路包括端开关。端开关可以被配置成激活和去激活谐振驱动器电路，使得调频光的脉冲可以由照明设备提供。特别地，使用包括至少一个栅极开关的端开关，例如至少一个双栅极开关。

在本发明的优选实施例中，照明设备被配置为用于飞行时间应用。例如，可以基于由本发明的照明设备发射的调频光来提供距离测量。照明设备可以例如集成到机动自主汽车、无人机传感器（诸如避障系统）、机动车驾驶员监控系统和/或机动车手势控制系统中。进一步的应用是移动3D传感器和游戏，例如虚拟现实和/或增强现实游戏。

上述本发明的特征和示例实施例同样可以属于根据本发明的不同的方面。特别地，通过对与根据第一方面的照明设备相关的特征的公开，还公开了与根据第二方面的方法和根据第三方面的用途相关的对应特征。

应当理解，在该区域中呈现本发明的实施例仅仅是示例性的而非限制性的。

从以下结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他特征将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义，对于本发明的限制，应当参考所附权利要求。还应该理解，附图不是按比例绘制的，它们仅仅旨在概念性地说明本文描述的结构和过程。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了根据现有技术的具有驱动电路的照明设备的示意图；

图2示出了根据本发明的照明设备的第一实施例的示意图；

图3示出了根据本发明的照明设备的同步电路的示意图；

图4a示出了考毕兹振荡器电路的示意图；

图4b示出了根据本发明的照明设备的第二实施例的示意图；

图5示出了根据本发明的照明设备的第三实施例的示意图；和

图6示出了利用根据本发明的照明设备获得的驱动电流和光输出的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的具有驱动电路4的照明设备2的示意图。用于LED 6的驱动电路4包括作为开关装置的场效应晶体管8。场效应晶体管8在栅极接收输入信号10，周期性地打开和关闭场效应晶体管8，导致驱动电路4中的振荡驱动电流。LED 6在工作频率以调频方式发光。

然而，最大工作频率受到场效应晶体管8的切换速度以及驱动电路4的电感L1和电容C1的限制。因此，最大工作频率取决于基本上整个驱动电路4的布局，并且经常被限制在明显低于40 MHz的频率。

此外，输入信号10可以例如具有块波形，如图1所示。输入信号10的频率对应于期望的工作频率。然而，在许多情况下，由于驱动电路4的贡献，并且特别是电感L1和电容C1的贡献，驱动电流12的波形强烈偏离正弦波形。

图2示出了根据本发明的照明设备20的第一实施例的示意图。与图1中具有由输入信号控制的场效应晶体管8的驱动电路4相反，照明设备20包括具有调谐电路24的谐振驱动器电路22。谐振驱动器电路22被配置成以工作频率驱动调谐电路24。调谐电路24包括LED26，因为调谐电路24仅由LED 26和串联连接装置组成。在图2中，示意性地示出了LED 26本身的寄生电感Lpar和寄生电容Cpar。

图2所示的谐振驱动器电路22对应于LC电子振荡器电路，其中LC谐振元件由LED26代替（即，具有LED 26的寄生电感Lpar和寄生电容Cpar）。因此，照明设备20可以以基本上对应于LED 26本身的谐振频率的工作频率工作。因此，最大工作频率明显高于例如图1所示的照明设备。

谐振驱动电路22包括具有电流源V1的场效应晶体管25作为放大装置以及反馈回路27，以补充谐振驱动器电路22中的能量损失，特别是由于LED 26的光发射的能量损失。

照明设备20还包括同步电路28，用于将调谐电路24的相位和/或工作频率与参考振荡信号同步，该参考振荡信号作为“同步（sync）”连接到反馈回路27。图3示出了包括锁相环（PLL）30的同步电路28的示意图。PLL 30可以基于检测照明设备20发射的光的传感器装置32的传感器输出。

图4a示出了考毕兹振荡器电路34的示意图。考毕兹振荡器电路34包括被配置为具有L1和C2的LC谐振元件的调谐电路36。考毕兹振荡器电路34可以用调谐电路36的谐振频率来驱动调谐电路36。

图4b示出了基于图4a的考毕兹振荡器电路34的根据本发明的照明设备20的第二实施例的示意图。这里，图4a的具有L1和C2的调谐电路36已经被具有形成调谐电路的对应寄生电感和寄生电容的LED 26代替。

图5示出了根据本发明的照明设备20的第三实施例的示意图。在图5中，谐振驱动器电路22的电子元件的特性被更详细地说明。然而，电子元件的特性可以依据预期用途和根据本领域技术人员的一般知识而变化，例如结合其他类型的LED 26和/或改变工作频率。

在图5的实施例中，LED 26被配置成发射红外范围内的光。包括双栅极开关FAN3227的端开关被提供用于谐振驱动器电路22的激活和去激活，使得调频光的脉冲可以由照明设备20提供。

图6示出了利用根据本发明的照明设备获得的驱动电流40和光输出42随时间变化的示意图。图6基于根据图5所示方案的照明设备20获得的实验结果。驱动电流40和光输出42（后者是传感器电流的形式）在图6中依时间示出。

可以看出，驱动电流40和光输出42两者的波形基本上是正弦的，从而简化了飞行时间应用中光输出42的检测和分析。

在该实施例中，在驱动电流40和光输出42之间存在大约5 ns的延迟。为光输出42指示周期p，其对应于78 MHz的工作频率。在根据本发明的照明设备中的调谐电路24中，通过具有LED 26的谐振驱动器电路22，可能实现相对高的工作频率。

Claims

1.一种用于发射具有以工作频率调制的发射强度的光的照明设备，所述照明设备包括：

调谐电路（24），包括将以工作频率工作的发光二极管（LED）（26）；

谐振驱动器电路（22），被配置为电子振荡器电路以驱动所述调谐电路（24）；

其中所述调谐电路（24）是LC谐振电路，并且仅包括所述LED（26）和用于将所述LED连接到所述谐振驱动器电路的串联连接装置，

其中所述工作频率基本上对应于所述LED（26）本身的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的照明设备，

其中所述谐振驱动器电路（22）包括放大装置和用于所述放大装置的反馈回路（27）。

3.根据权利要求2所述的照明设备，

其中所述放大装置包括至少一个场效应晶体管（25）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，

其中所述工作频率大于40 MHz，特别是大于70 MHz。

5.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，

其中所述谐振驱动器电路（22）被配置为考毕兹振荡器电路。

6.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，

还包括用于将所述调谐电路（24）的相位和/或工作频率与参考振荡信号同步的同步电路（28）,

其中特别地，所述同步电路提供锁相环。

7.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，

其中所述LED（26）被配置成发射红外范围内的光。

8.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，

其中所述谐振驱动器电路（22）包括端开关，特别是包括至少一个栅极开关的端开关。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的照明设备（20）在飞行时间应用中的用途。