CN113904212A

CN113904212A - 脉冲发生器电路、相关系统以及方法

Info

Publication number: CN113904212A
Application number: CN202110760426.7A
Authority: CN
Inventors: R·莱托; V·波勒托; A·帕夫林; A·鲁索; N·莱奇
Original assignee: STMicroelectronics Rousset SAS; STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics Rousset SAS; STMicroelectronics SRL
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2022-01-07
Also published as: EP3937317C0; IT202000016423A1; EP3937317B1; EP3937317A1; US20220014187A1

Abstract

本公开的实施例涉及脉冲发生器电路、相关系统以及方法。根据实施例，脉冲发生器电路包括：LC谐振电路，耦合在第一节点与参考节点之间；第一开关，耦合在第一节点与参考节点之间；开关网络，包括耦合在第一节点与参考驱动节点之间的第二开关；驱动电路，其输出耦合到第一开关和开关网络的第二开关。驱动电路被配置为，在重复的周期中，在谐振周期期间，当流过LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合第一电子开关，当流过电感器的电流达到阈值时，断开第一电子开关，当第一电子开关被断开时，针对脉冲持续时间闭合开关网络的第二电子开关，其中流过电感器的电流被换向朝向第二电子开关和相应驱动节点，以及在脉冲持续时间过期时断开第二电子开关。

Description

脉冲发生器电路、相关系统以及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年7月7日提交的意大利专利申请No.102020000016423的权益，该申请于此通过引用并入本文。

技术领域

本说明涉及脉冲发生器电路。一个或多个实施例可应用于例如驱动激光二极管阵列的脉冲发生器电路中。

背景技术

由于其3D能力和在不利天气条件/黑暗中操作的能力，LIDAR(光检测和测距或激光成像检测和测距)系统正越来越多地被应用，可能与雷达系统和照相机结合，用于环境地图绘制和其他安全应用，诸如在汽车领域中的紧急制动、行人检测和碰撞躲避。

超短高电流脉冲(诸如具有在数十安培的强度并且具有在(亚)纳秒范围中的，例如100ps量级，上升时间和下降时间)对于用于LiDAR系统的激光二极管来说是被期望的，该LiDAR系统利用飞行时间(ToF)技术在中、短距离范围内检测距离。

包括按顺序激活或并行激活的激光二极管的激光二极管阵列也用于改善在接收到的返回信号中的信噪比(S/N)。多通道驱动器提供了选择以高强度窄电流脉冲激活的(多个)二极管的可能性。

这种高强度窄脉冲的生成表示在激光二极管驱动器的设计中的挑战。

脉冲持续时间的精确控制不能够独立地通过作用于功率开关的开关时间来获得：例如，互联件的寄生电感限制在电流上升与下降期间的di/dt，并且强烈地影响脉冲持续时间。在驱动阵列中的以共同阴极连接的多个激光二极管时，发生附加的问题。

发明内容

根据实施例，一种脉冲发生器电路包括：LC谐振电路，耦合在第一节点与参考节点之间；充电电路，耦合到LC谐振电路；第一电子开关，耦合在第一节点与参考节点之间，第一电子开关与LC谐振电路并联；开关网络，包括耦合在第一节点与开关网络的相应驱动节点之间的第二电子开关，相应驱动节点被配置为被耦合到相应电负载；以及驱动电路，具有被耦合到第一电子开关以及开关网络的第二电子开关的输出。该驱动器电路被配置为在重复的周期中：在谐振周期期间，当流过LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合第一电子开关，当流过电感器的电流达到阈值时，断开第一电子开关，当第一电子开关被断开时，针对脉冲持续时间闭合开关网络的第二电子开关，其中流过电感器的电流被换向朝向第二电子开关和相应驱动节点,以及在脉冲持续时间过期时断开第二电子开关。

根据另一个实施例，一种激光二极管系统包括：脉冲发生器，包括：LC谐振电路，耦合在第一节点与参考节点之间，第一电子开关，耦合在第一节点与参考节点之间，第一电子开关与LC谐振电路并联以及多个开关网络，多个开关网络各自包括耦合在第一节点与开关网络的相应驱动节点之间的第二电子开关，其中相应驱动节点被配置为被耦合到多个激光二极管中的相应激光二极管；以及驱动器电路。驱动器电路被配置为：在谐振周期期间，当流过LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合第一电子开关，针对相应脉冲持续时间，顺序地闭合多个开关网络的第二开关，其中在每个相应脉冲持续时间期间，其中多个开关网络中的一个开关网络的第二电子开关被闭合，同时多个开关网络中的其他开关网络的第二电子开关被断开，以及在其相应脉冲持续时间过期之后，断开多个开关网络的每个第二开关。

根据另一个实施例，一种操作脉冲发生器电路的方法包括多个步骤。脉冲发生器电路包括：LC谐振电路，耦合在第一节点与参考节点之间，第一电子开关，耦合在第一节点与参考节点之间，并且第一电子开关与LC谐振电路并联，以及多个开关网络，其中每个开关网络包括耦合在第一节点与相应驱动节点之间的第二电子开关，驱动节点与其相应开关网络关联，驱动节点被配置为被耦合到多个电负载中的相应电负载。方法包括以下步骤：在谐振周期期间，在流过LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合第一电子开关；针对相应的脉冲持续时间，顺序地闭合多个开关网络的第二开关，其中在每个相应脉冲持续时间期间，其中多个开关网络中的一个开关网络的第二电子开关被闭合，同时多个开关网络中的其他开关网络的第二电子开关被断开；以及在其相应脉冲持续时间过期之后，断开多个开关网络的每个第二开关。

附图说明

从以下对其实际实施方式的详细描述中，实施例的特点和优点将变得明显，通过非限制性示例的方式在附图中示出，其中：

图1是包括激光二极管阵列和相关联的脉冲发生器的常规系统的示例性框图；

图1A是在图1的系统中换向回路的等效电路的电路图；

图2是本说明的实施例的框图；

图2A至图2E是本说明的实施例中可以出现的各种信号的可能时间行为的图示；

图3是本说明的实施例的示例性操作框图；

图3A至图3E是本说明的实施例中可以出现的各种信号的可能时间行为的框图；

图4是本说明的实施例的框图；

图5是根据本说明的实施例的系统的一般表示；

图6是根据本说明的实施例的可能的系统集成的图示；以及

图7是包括本说明的实施例的汽车LiDAR系统的可能系统架构的说明。

具体实施方式

在随后的描述中，各种具体的细节被说明，目的是使实施例能够得到深入的理解。实施例可以不提供一个或多个具体细节，或提供其他方法、组件、材料等。在其他情况下，已知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述，因此实施例的各个方面将不会被掩盖。

在本说明的框架中，对“实施例“或”一个实施例“的提及旨在表明与实施例相关的特定配置、结构或特性包含在至少一个实施例中。因此，短语如“在实施例中“、”在一个实施例中“，或类似的短语可能出现在本描述中的不同点，不一定指的是同一个实施。而且，特定的构象、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合。

此处使用的标题/引用仅为方便而提供，因此不定义保护范围或实施例的范围。

贯穿附图，类似的零件、元件或组件用类似的附图标记指定，为了不给目前的详细描述带来负担，不会对每一个图形重复进行详细描述。

类似地，贯穿本描述，为了简单起见，可以使用相同的名称来指示某个电路节点或线路以及在该节点或线路处出现的信号。

通过对说明性实施例的详细描述的方法，注意到的是，生成高电流窄脉冲表示在设计脉冲操作系统(即，以脉冲方式操作的系统)驱动器的挑战。

例如，具有上升和下降时间在100ps范围的激光二极管驱动器是被期望的，这是因为尽可能减少脉冲持续时间有助于保持通过激光发射的能量低于安全限制。

在激光驱动器级别，这转为提供非常高的针对di/dt的值，即，由驱动器生成的电流的时间导数，预计该驱动器能够在很短的时间内换流(开关)高电流。这个问题不会出现在低功率系统中，其中高di/dt是几乎不被考虑的问题。

在驱动器中，连续高电流操作不是追求的目标，电流生成可以涉及DC-DC变换器。

值得注意的是，管理高DC电流需要昂贵的高功率耗散DC-DC变换器；相比之下，使用谐振槽的脉冲电流发生器简单、廉价、可控、并且具有低功耗。

为了限制在激光二极管中的功率耗散，可以用有限的频率激活激光器。

可以使用谐振槽(LC谐振电路)生成脉冲电流，其中谐振槽的电感器在时间窗口期间被用作电流发生器，该时间窗口期间的电流可以被认为是恒定的。

在阵列中的激光二极管可以按顺序激活，在“环形”激活序列中，以便每次(总是)有一个二极管被激活。

值得注意的是，这种方法可以结合针对高的di/dt的值，其中在阵列中的激光二极管中的一个激光二极管中存在电流偏差。这生成了换向回路，它在物理上可以非常短，在该换向回路中没有无源元件。这有助于实现(非常)高的di/dt值，例如，如果使用快速电子开关(例如氮化镓或GaN晶体管)。

正如所讨论的，高强度窄脉冲的生成是设计上升和下降时间在100ps范围中的激光二极管驱动器的挑战。功率开关的开关时间可能不足以提供脉冲持续时间的精确控制，这是因为在互连件中的寄生电感可以在电流上升和下降期间限制di/dt，并且对脉冲持续时间生成不利影响。

在生成高强度的窄脉冲时会出现各种附加问题。这些问题可以包括，例如：

(极其)高于激光二极管压降的电源电压可以被期望，以促进生成所期望的高di/dt；在激光二极管意外地、并且永久地连接到电源电压的情况下(这可能是由于致动器在“接通”状态下发生故障的结果)，高于激光二极管电压降的电源电压可能转而生成安全问题；

电感电压过冲可能损坏激光二极管；

在短时间范围内数个脉冲的生成可能是至关重要的，这是因为在常规系统中，只有在对用作快速能量源的电容器重新充电后才能生成“下一个”脉冲；以及

脉冲电流的振幅可能难以控制。

另外，驱动包括共阴极配置的多个激光二极管的阵列可以涉及经由开关(例如FET)驱动每个激光二极管，该开关的漏极连接到电源电压Vcc，并且

寄生电容会在暂时不工作的激光二极管中生成杂散脉冲。

另外需要注意的是，在旨在结合不同于激光二极管的电负载来使用的驱动器系统中，至少会出现上述讨论的一些问题。

因此，虽然在本说明的其余部分将提到激光二极管以用于示例性目的，但本实施例并不限于在激光驱动器中使用。

图1是常规系统的总体表示，包括在共阳极-共阴极配置中的多个(例如四个)激光二极管D1、D2、D3、D4，其经由RC电路以VBUS电压(指接地GND)经由电源总线供电(在其阳极)。

激光二极管D1、D2、D3、D4的阴极共同耦合于相关联的电子开关，诸如场效应晶体管或FET。

开关SW选择性地可激活到闭合状态(开关导电)以将激光二极管D1、D2、D3、D4的阴极拉到接地，使得通过正极化的二极管D1、D2、D3、D4发光。

开关SW的操作经由耦合到开关SW的控制端子(在场效应晶体管的情况下为栅极)的驱动级D来控制。

接收输入电压VIN(指地线GND)的驱动级D的操作由窄脉冲发生器NP控制。

图1A图示了对应换向回路的等效电路。

在图1A中，符号LD一般表示激光二极管，该激光二极管与相关的串联寄生电感一起被图示。

SW是电子开关(例如被实现为FET)，该电子开关与相关联的输出电容OC(并联)以及相关联的串联寄生电感一起被图示。

如图所示，陶瓷电容C可以被用作快速储能器，以使用与电容器C和换向回路中的激光二极管串联连接的快速功率开关SW，来驱动在激光二极管LD中的脉冲电流。

在图1A中图示了换向回路的互连件的寄生(杂散)电感，并且累积得指示为Lc，它可以超过1nH。

如图1和1A所示的解决方案存在一些缺点：

(一个或多个)杂散电感不能够如被期望地减少，以获得较高的di/dt值(例如，高振幅电流脉冲的100ps上升和下降时间)，这是因为换向回路的长度由电容器尺寸影响；

比激光电压高(得多)的电源电压有利于获得较高的di/dt值(V＝Ldi/dt)，但另一方面，在激光激活频率较高的情况下，可能导致(非常)高的功率耗散：在每次换向时，开关SW将耗散其输出电容OC的能量E，其中E＝1/2 COC*VOC2，COC是OC的电容值，VOC跨OC的电压；

激光二极管电流的值难以仅经由电容器放电过程来控制：事实上，电流最终将取决于换向回路的阻抗；

由于激光二极管阵列包括共阴极配置的激光二极管，因此，沿图1的总体架构的激光二极管选择的多通道驱动器(即能够分别激活每个二极管D1、D2、D3和D4)涉及HS配置中对应数目(例如四个)的开关；以及，

抵消非选择的激光二极管的不期望的杂散激活(可能由换向回路中的杂散电感与杂散电容的共振生成)，将涉及到与激光二极管并联布置的附加开关。

在一个或多个实施例中，前文所讨论的问题可以用图2、图3和图4所示的脉冲发生器电路解决。

贯穿这些附图(以及在其他图中)，类似的零件、元件或组件用类似的附图标记表示，并且为了简洁起见，将不重复对应的详细描述。

在诸如图2、图3和图4中，附图标记LD_1、LD_2、…、LD_n表示第n个(n＝1、2、…)激光二极管，它们可以形成如前所述的阵列。例如，通过非限制性的示例，n＝4。

另外，根据实施例，此处由激光二极管LD_1、LD_2、…、LD_n表示的电负载可以是相对于脉冲发生器电路100的不同元件。例如，可以旨在与脉冲发生器电路100耦合的激光二极管LD_1、LD_2、…、LD_n或其他电负载可以仅由最终客户/用户确定。

正如所指出的，虽然在本说明书的剩余部分中将会提到激光二极管以用于示例性目的，但本实施例不限于在激光驱动器中使用。

如图所示(在某种程度上也是本领域的常规做法)，激光二极管LD_1,LD_2,…,LD_n被配置为经由相应的半桥S2_1,S3_1(激光二极管LD_1),…，S2_n，S3_n(激光二极管LD_n)选择性地激活(以脉冲方式)，相应的半桥由耦合到半桥S2_1，S3_1，…，S2_n，S3_n中的开关的控制端子(在场效应晶体管的情况下为门)的相应的驱动器电路101，…，10n驱动。驱动器电路10₁，…，10_n可以使用本领域已知的半桥驱动器电路来实现。

如图所示，半桥S2_1,S3_1,…,S2_n,S3_n包括电子开关，诸如场效应晶体管，其中每个半桥包括：

开关S2_1,…S2_n，被耦合在第一节点或线路12(所有半桥共用)与第二节点121,…,12n之间耦合

开关S3_1,…S3_n被耦合在第二节点121，…，12n与参考节点或线路(例如，接地GND)之间。

如图所示，激光二极管LD_1,…,LD_n(在其阳极处)被耦合至相应的半桥S2_1,S3_1,…,S2_n,S3_n的第二节点121,…,12n，从而以共阴极配置被布置在第二节点121,…,12n与参考节点或线路(此处为地GND)之间。

诸如S2_j、s3_j和LD_j、10j、12j之类的标示(假设j＝1，…，n)将在下文中使用，以避免使该描述过于复杂。

LC谐振槽包括电感器Lr和串联连接的电容器Cr，该LC谐振槽被提供在第一节点或线路12与参考节点GND之间。如图所示，电感器Lr被布置在第一节点或线路12与谐振槽电路的中间节点14之间，并且电容器Cr被布置在节点14与参考节点GND之间。

节点14被耦合到充电电路(调节器)，该充电电路接收电源电压VCC。

开关S1-电子开关，诸如氮化镓(GaN)场效应晶体管-被耦合到第一节点或线路12和参考节点GND的中间。

(第一)开关S1和开关S2_j、S3_j根据被提供的使能信号而被驱动，如下文所讨论的，由控制电路装置18指定为一个整体。

仅仅为了便于描述和理解，控制电路装置18可以被视为包括：

用于半桥S2_1,S3_1,…,S2_n,S3_n的相应控制电路182_1,…,182_n(182_j)，被配置为向半桥S2_1,S3_1,…,S2_n,S3_n发送相应的使能信号Ton_S2_1,…,Ton_S2_n(Ton_S2_j)以使相应激光二极管LD_1,…,LD_n通电(从而发光)，

两个额外的控制电路201、202，被配置为经由AND门203控制开关S1(例如，经由其控制电极，如本文所例示的场效应晶体管的情况下为栅极)。

如前所述，控制电路182_j、201、202和203仅为了便于描述和理解而被表示为不同的实体。事实上，这些控制电路可以被集成到单个单元18中(也见图5和图6及相关描述)。控制电路182_j、201、202和203可以使用本领域中已知的数字逻辑电路设计技术来实现。例如，可以使用一个或多个状态机电路来实现数字逻辑电路，和/或使用合成的逻辑来执行本文描述的功能。

还可以理解的是，本文的实施例主要涉及“第一”开关S1的操作与“第二”开关S2_j以及“第三”开关S3_j的操作的协调，以便实现生成高di/dt(超)短脉冲，这些脉冲被换向到激光二极管LD_j上，以获得选择性的个体激活和由此的发光。

本文例示的一个或多个实施例实际上可以包括至少一个开关(即S1，对阵列中的所有激光二极管LD_1,…,LD_n通用)，以对谐振槽Lr通电，Cr限定激光二极管脉冲的能量含量和峰值电流，以及至少一个第二开关，即s2_j(j＝1,…,n)，至少一个第二开关与相应的激光二极管LDj串联以用于选择(鉴于激光二极管的激活和由此的发光)。

如本文通过示例的方式说明的，激光二极管LD_j(j＝1，…，n)处于共阴极配置中，具有：

至少有一个“第二”开关S2_j，被布置为串联到相应激光二极管LD_j的阳极，

至少一个“第三”开关S3_j(j＝1,…,n)，被布置为并联到相应的激光二极管LD_j的阳极上。

因此，第二开关S2_j、第三开关S3_j和相应的激光二极管LD_j的每组提供了可由相关联的半桥驱动器10j(j＝1,…,n)激活的第j个激光通道。

调节器16可以以本身已知的方式实施，使谐振槽中的电容器Cr以足以获得谐振槽Lr中峰值电流的电压进行充电，Cr等于或高于所期望的激光二极管脉冲电流。在一些实施例中，例如，使用被耦合在在VCC(或经调节电压源)与节点14之间的电阻器，调节器16可以被实施。

意大利专利申请No.102019000029132和对应的美国专利申请No.17/123,712，以及意大利专利申请号102020000016396(该申请与本申请要求优先权的申请在同一日期提交)提供了这种充电电路装置的示例性描述。美国申请17/123,712通过引用并入文本。

例如，在如图2所示的示例性实施例中，第二开关S2_j和第三开关S3_j可以由控制电路装置18以半桥配置驱动以便：

当S2_j接通时(即导电)，S3_j关断(不导电)，当S2_j接通时(导电)，激光二极管LD_j可以被激活，使得电流被注入相应光发射通道中的激光二极管LD_j；

当S2_j关断时，开关S3_j接通，从而抵消流经激光二极管LD_j的不希望存在的杂散电流。

开关S1是所有光发射通道共有的，它与谐振槽Lr、Cr电路(并联)连接，它们同样是所有光发射通道共有的，它们与S1连接(相互并联)，因此也与谐振槽Lr、Cr连接。

图2A至图2E是可能的示例性序列，该序列使得在包括四个激光二极管LD_1、LD_2、LD_3和LD_4的阵列中的选择的激光二极管中生成脉冲。

具体来说，图2A到图2E表示，相对于一般时间(横坐标)尺度，可能的时间行为是：

共振槽电流-图2A；

提供给开关S2_j的激光发射指令信号--图2B；

来自框182_j(j＝1,…,n)的激光通道使能信号Enable LD_j-图2C；

在LD_1、LD_2、LD_3和LD_4中的激光电流-图2D；以及

在开关S2_j中的VDS(漏极-源极)电压--图2E。

为了清楚起见，在图2C和图2D等附图中，在这些信号不同的区间内，对各种LD通道的信号采用了不同的表示方法(实线____________，虚线----，链线-.-.-.-，十字线--+--+--)。

在如图2所示的布置中，如图2A至图2E所例示的参数的示例性的、非限制性的值可以包括以下表I中报告的那些。

表I-示例性参数

在图2A至图2E所示例的操作中，激光电流脉冲被生成为在脉冲之间具有延迟(例如3ns，这在图2左侧的框182_j的表示中也被突出显示)，而对于谐振槽Lr,Cr在同一谐振周期(见图2A中几乎“平坦”的行为)中。

电容器Cr以电压值充电，该电压值足以在谐振槽Lr,Cr中获得所需的电流。

当S1被接通时(闭合或使其导电)，谐振槽Lr,Cr开始谐振，电感Lr中的电流上升。

“第二”开关S2_j中的被选择的一个“第二”开关对应于期望被激活的激光LD_j，该开关接通(使之导电)以响应由对应框182_j发布的激光二极管使能信号。

响应于谐振槽Lr的电流，Cr达到阈值，S1被关断(变为不导电)，关断时间对应于期望的激光脉冲长度(持续时间)(例如1ns)。

在该时间期间，电感器Lr基本上表现为电流发生器，并且电流将继续在由开关S2_j激活的激光器LD_j中流动，使其处于接通(导电)状态。

在脉冲持续时间结束时，开关S2_j被关断(变为不导电)。

另一个激光二极管(在那些包括多个激光二极管的布置中，即n>1)或甚至同一个激光二极管可以在由谐振电路Lr、Cr生成的同一脉冲期间经由子序列被激活，该子序列包括：

S2_j接通(成为导电的)；

S1关断(不导电)，持续时间等于激光二极管的脉冲时间；

S2_j关断(不导电)。

这样的子序列可以重复多次，与渐进放电或谐振槽Lr,Cr兼容，其中开关S1保持接通(导电)，直到Lr,Cr的谐振期结束为止。

在到达这样的时刻时，以零交叉电流，S1可以被关断。并且在Cr上的电压将上升到由谐振槽Lr,Cr的剩余能量限定的数值。

图3和图3A至图3E是示例性实施例，其中激光二极管LD_j(j＝1,…,n)在相邻的序列中被激活(实际上是接触)，而不具有在脉冲之间的延迟(这在图3左侧的块182_j的表述中也被突出显示)。

图3A至图3E是可能的对应序列的示例，该序列在包括四个激光二极管LD_1、LD_2、LD_3和LD_4的阵列中生成脉冲。

具体来说，图3A至图3E表示，与通常时间(横坐标)尺度相比，可能的时间行为如：

振槽电流和激光器总电流-图3A；

S1命令(倒置地：当命令为高时，S1关断；见框201、框202和框203)-图3B。

激光通道命令，即来自框182_j(j＝1，…，n)的使能信号Enable LD_j-图3C。

在LD_1、LD_2、LD_3和LD_4中的激光电流-图3D；以及

跨开关S1的漏-源电压-图2E。

在此，在诸如图3C和图3D的图中，仅在这些信号不同的区间内，对各种LD通道的信号使用了不同的表示方法(实线________，虚线----，链线-.-.-.-.-，十字线--+--+--)。

在这样的激活序列中，“第一”开关S1被关断(不导电)，以便生成电流脉冲，其具有等于总脉冲持续时间之和的持续时间。

电容器Cr以电压值被充电，该电压值足以在谐振槽Lr、Cr中获得所需的电流。

响应于S1被接通(使其导电)，谐振槽Lr,Cr开始振荡，并且电感器Lr中的电流上升。

对应于待激活的激光器LD_j的开关S2_j首先被接通(使其导电)，并且响应于谐振槽Lr，Cr的电流达到阈值电流，S1被关断(使其不导电)，S1的关断时间对应于期望被生成的所有脉冲的时间之和。

之前导电的开关S2_j被关断(非导电)，并且(连续的)开关S2_j+1被接通(导电)，使得电流将从激光二极管LD_j偏离到激光二极管LD_j+1，也就是阵列中另一个(例如相邻的)激光二极管被激活。

可以利用S2_j+1关断(不导电)和跟随的开关S2_j+2接通(变成导电)并且依此类推来重复前面讨论的相同操作。

响应于几乎序列已经到达阵列中的最后一个激光二极管时，开关S1再次被接通(成为导电的)，使得电流将不再在激光二极管LD_j(j＝1，…，n)中流动，在一定的延迟后(甚至在同一时间)所有的开关S2_j(j＝1，…，n)被关断(不导电)。

当谐振时间达到(结束)时，在零电流交叉处，如前所述，S1被关断(不导电)，并且在Cr上的电压将上升到由谐振槽Lr，Cr的剩余能量限定的值。

在图3和图3A至图3E所例示的序列中，换向回路以几乎无缝的方式以第一换向CL1从S1“迁移”到S2_1、LD_1，并且以第二换向CL2“迁移”到S2_2、LD_2，以此类推其他激光二极管的激活直至CLn。

这种方法有助于缩短换向回路的长度(从而减少杂散电感)，与结合图2讨论的电路拓扑结构相同。

图4(其中与前述图中已经讨论过的零件、元件或组件类似的零件、元件或组件被指定为类似的附图标记，而不重复对应的详细描述)说明了开关(晶体管)S2_j和S3_j(j＝1，…，n)实施方式中的可能选择。

在本文讨论的一个或多个实施例中，开关(晶体管)S1和S2_j(J＝1，…，n)可以有利地被实施为GaN晶体管。

这有利于单片式解决方案，例如利用现有GaN技术。

晶体管S1的尺寸可以根据谐振槽Lr、Cr中的均方根和峰值电流值来确定，并且晶体管S2_j的尺寸可以根据激光二极管LD_j的均方根和峰值电流值来确定。

晶体管S3_j(可以是常规的场效应晶体管，例如MOSFET晶体管)可以集成在相关联的驱动电路10j中，这是因为这些晶体管只汲取(非常)低的电流，即在相关联的晶体管S2_j的输出电容中流动的寄生电流。

如图5所例示，这样的实施方式可以有利于在集成电路(IC)中集成，例如封装1000上的系统，用于LiDAR应用的高电流、短脉冲(ns范围)激光二极管LD_1，…，LDn的驱动器，其中开关S1和S2_j由GaN晶体管实现。

这进一步指示激光二极管LD_1、LD_2、…、LD_n相对于集成系统1000可以是不同的元件，其中只由最终客户/用户将激光二极管LD_1、LD_2、…、LD_n与IC 1000耦合。

如图5所示，系统1000可以执行额外的功能，用于脉冲定时和电流控制(设定C为整体)和诊断(设定D)。需要指出的是，这样的配置本身并不专门用于多通道激光驱动器和激光器阵列，并且也可以用于单通道配置，包括单个激光二极管(n＝1)。

图6是可能的集成电路实施方式的图示，该实施方式为4通道激光驱动器1000，包括在4层PCB布局中集成的GaN晶体管。

在图6中，SS1表示用于S1的源，SS2_j(j＝1，…，4)表示S2_1、S2_2、S2_3和S2_4的源。激光器的共用阴极被指定为LDCC，并且接地被指定为GND。

图7为在LiDAR装备中的本文的实施例的可能使用，该LiDAR装备用于车辆V(诸如机动车)，装备包括发射器路径EP和接收器路径RP。

如图所示，发射器路径EP包括：

激光照明模块，依次包括指定为LD的激光二极管(阵列)和相关的驱动器系统，如前述的1000。

LiDAR反射镜模块1002(例如MEMS反射镜模块)，接收来自反射镜驱动器(例如ASIC)1003的驱动信号A以及向其提供感测信号S，例如具有用竖直激光束照亮周围场景并且根据需要进行水平扫描的能力，以便以可靠的方式检测在数米距离处的行人。

如图所示，接收器路径RP包括：

光电二极管模块1004，它对作为来自发射器路径EP的光辐射在由该辐射照射的物体上的反射的结果而产生的反射信号敏感，以及

耦合到光电二极管模块1004的相关接收电路装置1005。

在图7中的附图标记1006表示控制器(例如，多核微控制器架构，可能包括FPGA/专用LiDAR硬件加速器1006A)，被配置为：

向激光照射器中的系统1000发布触发和激光功率设置信号TPS；

与LiDAR反射镜模块1002的驱动器1003交换驱动信息DI；以及

从耦合到光电二极管模块1004的接受电路装置1005接收原始数据RD，并且将触发和增益设置信息TGS发送到耦合到光电二极管模块1004的接收器电路装置1005。

需要注意的是，除了本文讨论的激光照明模块的特征外，在图7中图示的结构可以被视为本领域的其他常规结构，这使得在此没有必要提供更详细的描述。

例如，该申请适用于关于图7的LiDAR装备的操作与车辆V中其他装备的操作的协调(例如从控制器1006处接收到的配置数据和从控制器1006发布的状态点云信息)。

总之，本文例示的电路具有范围在100ps中的上升和下降时间，这有利于快速开关，其转而又有利于生成在1ns范围内的受控制脉冲，受控制脉冲具有在几十安培范围内的电流幅度。

在本文例示的电路中：

通过减少换向回路中的寄生电感来促进脉冲电流振幅的控制；

电源电压可以低于激光二极管电压降；

共阴极配置可以用于多通道激光二极管布置，避免非激活激光二极管的不期待的杂散接通；

在换向回路中的杂散电感减少(例如低于0.1nH)，因为存在单一的公共开关，诸如S1和到激光二极管的(非常)短的互连件：如前所述，常规的电路装置可以在换向回路中包括附加的电容器，并且相关的互连件可以表现出高达的寄生电感1nH(或更多)，这是连接长度与电容器的尺寸有关的结果。

诸如S1和S2_j的开关可以用单片共同漏极GaN晶体管布置来实现，这有利于优化换向回路，得益于可能的集成而降低数值；

诸如S3_j的开关(抵消杂散激光接通)可以在标准的IC技术中集成，因为杂散电流的幅度和持续时间都受到限制；

跨开关S1的电压被限制在激光二极管上的(最大)压降，这有助于减少由于开关的杂散电容电荷造成的换向延迟；

电流脉冲的振幅可以由谐振电路设定，并且不取决于换向回路的阻抗；

激光二极管可以通过使用存储在谐振电路中的电感性能量的电流发生器来驱动，这与基于存储电容放电的常规电路不同，其中常规电路的电流可能取决于各种参数(电容值、存储电容器的阻抗加上激光二极管加上互连件)，而这些参数几乎是无法控制的；

谐振Lr、Cr电路便于使用低电压源进行电感预充电；电感表现为理想的电流发生器，并且在激光二极管上的电压降可以高于电源电压；以及

储能电容被排除在换向回路之外，因此换向回路中的互连件长度和杂散电感可以大大减少(低于0.1nH)。

本文所例示的电路的附加优点包括经由谐振电路容易控制脉冲电流的振幅，以及由于谐振操作而生成的能量回收。

本文例示的驱动器电路包括三种类型的开关，即S1、S2_j和S3_j，具有不同的功能。

开关S1驱动谐振电路，并且生成具有良好控制的振幅和频率的正弦电流波。在谐振期间，开关S1针对短时间期间被关断(不导电)，因此在谐振槽中流动的电流可以在很短的时间内被偏离到将被激活的激光二极管。

开关S2_j直接与激光二极管LD_n串联，当S1被关断时，在开关S2_j被接通(使之导电)时，谐振电流被强迫流经激光二极管LD_n：这有利于di/dt>500A/ns的极快换向。

另外，由于S1与激光二极管并联(加上处于接通状态的S2_j)，在S1上的电压是有限的，因此与对其输出电容充电有关的延迟也被减少了。

如前所述，诸如S3_j的开关可以有效地抵消杂散激光器接通，并且只要这些杂散电流的幅度和持续时间中受到限制，就可以在标准的IC技术中集成。

对应的拓扑结构可以被集成在系统的封装中，嵌入快速功率晶体管(例如GaN晶体管)以及驱动和诊断电路装置。

本文示例的脉冲发生器电路(例如，100)可以包括：

LC谐振电路(例如，Lr，Cr)，包括电感(例如，Lr)和电容(例如，Cr)的串联，具有其间的中间节点(例如，14)，该LC谐振电路被耦合在第一节点(例如，12)与参考节点(例如，GND)之间。

充电电路(例如16)被耦合在电源节点(例如VCC)与LC谐振电路的中间节点之间，该充电电路对LC谐振电路中的电容充电；

第一电子开关(例如，S1)，被耦合在第一节点与参考节点之间；

至少一个第二电子开关(例如，S2_1，…，S2_n)，被耦合在第一节点与相应驱动节点(例如，121，…，12n)之间，只杀一个第二电子开关被配置为耦合到相应电负载(例如，LD_1，…，LD_n)；以及

第一电子开关和至少一个第二电子开关的驱动电路装置(例如，18，182_1，…，182_n；201，202，203)，该驱动电路装置被配置为重复脉冲生成周期，包括：

闭合第一电子开关，其中LC谐振电路能够随着在LC谐振电路的电感中流动的电流的增加而振荡。

响应于在LC谐振电路的电感中流动的电流达到阈值，断开第一电子开关，其中由于至少一个第二电子开关在相应脉冲持续时间(例如，Ton_S2_1，…，Ton_S2_n)内关断，在LC谐振电路的电感中流动的电流(在相应脉冲持续时间内)被换向朝向至少一个第二电子开关和相应的驱动节点(其与至少一个第二电子开关耦合)，以及

在相应的脉冲持续时间过期时断开至少一个第二电子开关。

本文例示的脉冲发生器电路可以包括多个第二电子开关(例如，S2_1，…，S2_n)，多个第二电子开关被耦合在第一节点与相应的驱动节点(例如，121，…，12n)之间，驱动节点被配置为耦合到相应电负载，其中驱动器电路装置被配置为重复脉冲生成循环，包括：

响应于在LC谐振电路的电感中流动的电流达到阈值，断开第一电子开关，其中在LC谐振电路的电感中流动的电流按顺序换向(例如，见CL1、CL2、…、CLn)朝向在多个第二电子开关中的相应第二电子开关和第二电子开关所耦合的相应驱动节点，这是在多个第二电子开关中的相应第二电子开关被按顺序闭合的结果，以及

在相应脉冲持续时间过期时断开多个第二电子开关中的第二电子开关。

在本文例示的脉冲发生器电路中，驱动电路装置可以被配置为针对相应脉冲持续时间顺序地闭合在多个第二电子开关中的第二电子开关，脉冲持续时间之间具有分离延迟(例如，参见图2A至图2E)。

在本文例示的脉冲发生器电路中，驱动电路装置可以被配置为(例如，201、202、203)在相应脉冲持续时间中的每个脉冲持续时间处交替地断开和闭合第一电子开关，在相应的脉冲持续时间之间具有分离延迟。

在本文例示的脉冲发生器电路中，驱动电路装置可以被配置为针对相邻的脉冲持续时间顺序地闭合在多个第二电子开关中的第二电子开关(例如，见图3A至图3E)。

在本文例示的脉冲发生器电路中，驱动电路装置可以被配置为针对相邻脉冲持续时间的累积时间(即包含总和)使第一电子开关保持接通。

在本文例示的脉冲发生器电路中：

至少一个第二电子开关可以具有被耦合在相应驱动节点与参考节点之间(例如，S3_1，…，S3_n)的相应第三电子开关，以及

驱动电路装置可以被配置为选择性地闭合第三电子开关，以将相应的驱动节点耦合到参考节点，其中两者之间的杂散电流被短路。

在本文例示的脉冲发生器电路中，驱动电路装置可以被配置为：

闭合第一电子开关，使LC谐振电路随着在LC谐振电路的电感中流动的电流增加能够谐振，以及

响应于在LC谐振电路中流动的电流的减少，断开第一电子开关，以作为电流被换向朝向至少一个第二电子开关和至少一个第二电子开关所耦合的相应驱动节点(并因此应用于由此提供的电气负载LD_1至LD_n)的结果。

在本文例示的脉冲发生器电路中，第一电子开关和至少一个第二电子开关可包括氮化镓，GaN晶体管。

在本文例示的脉冲发生器电路中，LC谐振电路中的电感和电容可以被分别耦合在：

第一节点与中间节点之间，以及

中间节点与参考节点之间。

如本文所例示的系统(例如，1000，LD)可以包括：

如本文所例示的脉冲发生器电路，以及

至少一个电负载(例如，LD_1，…，LD_n)，在相应的驱动节点处被耦合到至少一个第二电子开关。

在本文例示的脉冲发生器电路中，至少一个电负载可包括至少一个激光二极管。

在本文例示的脉冲发生器电路中，至少一个激光二极管具有其阳极耦合到相应驱动节点，并且具有其阴极耦合到参考节点。

本文例示的脉冲发生器电路可以包括多个激光二极管，它们具有的阳极被耦合到相应驱动节点，并且具有的阴极以共阴极配置耦合到参考节点。

如本文所例示的操作脉冲发生器电路或系统的方法(其中该电路包括具有关联相应第三电子开关的多个第二电子开关)可以包括：

针对相应脉冲持续时间(例如，Ton_S2_1，…，Ton_S2_n)顺序地闭合多个第二电子开关中的第二电子开关，其中在相应脉冲持续时间的每个相应脉冲持续时间期间，多个第二电子开关中的相应第二电子开关被闭合，而多个第二电子开关中的其他第二电子开关被断开，以及

在相应的脉冲持续时间中的每个脉冲持续时间期间，闭合与多个第二电子开关中的其他第二电子开关(这些第二电子开关是断开的)相关联的第三电子开关，并且闭合与多个第二电子开关(这些第二电子开关是闭合的)中的一个第二电子开关关联的第三电子开关。

在各种实施例中，用于汽车领域的LiDAR系统，例如包括激光二极管阵列，可以是这种系统的例示。

一个或多个实施例包括储能电容和驱动器，其将储能电容排除在换向回路之外，因此在换向回路中的互连件长度和杂散电感可以被显著减少(例如，低于0.1nH)。

在一个或多个实施例中，驱动器电路可以包括具有不同功能的各种开关。

第一个开关驱动谐振电路或槽，并且生成具有良好控制的振幅和频率的正弦电流波。该开关在谐振时段被短暂关断(断开)，在谐振槽中流动的电流可以在很短的时间内换向(偏离)到将要被激活的激光二极管。

一个或多个实施例可以考虑在阵列中使用多个激光二极管。这些激光二极管可以被选择经由与相应激光二极管串联的相应第二开关来激活，以便在第一开关关断时，谐振电流被强制流过所选择的激光二极管。这有利于实现具有di/dt>500A/ns的快速换向。

此外，由于第一开关与选择的激光二极管并联，跨第一开关的电压被限制，从而减少了由于对其输出电容充电而生成的延迟。

一个或多个实施例促进经由谐振电路控制脉冲电流振幅，以及由于谐振操作而进行能量回收。

一个或多个实施例可以提供以下一个或多个优点：

具有在100ps量级中的上升和下降时间的快速开关，有利于在1ns范围中受控地生成脉冲，其中电流振幅在数十安培的范围内；这与常规解决方案的1ns上升和下降时间形成对比，常规解决方案只有在脉冲长度为2至5ns时才可以达到类似的电流振幅；

促进脉冲电流振幅的控制；

减少在换向回路中的寄生电感；

电源电压可以低于激光二极管的电压降；

多通道驱动器操作也促进包括以共同阴极配置的激光二极管的激光二极管阵列；

未激活的激光二极管的杂散接通可以得到抑制，并且几乎被消除。

在不影响基本原理的情况下，结构和实施例的细节可以与本文纯粹以举例方式描述和说明的内容大不相同，但不会因此而偏离实施例的范围。

保护的范围由所附的权利要求书确定。

Claims

1.一种脉冲发生器电路，包括：

LC谐振电路，被耦合在第一节点与参考节点之间；

充电电路，被耦合到所述LC谐振电路；

第一电子开关，被耦合在所述第一节点与所述参考节点之间，所述第一电子开关与所述LC谐振电路并联；

开关网络，包括被耦合在所述第一节点与所述开关网络的相应驱动节点之间的第二电子开关，所述相应驱动节点被配置为被耦合到相应电负载；以及

驱动电路，具有被耦合到所述第一电子开关以及所述开关网络的所述第二电子开关的输出，所述驱动电路被配置为在重复的周期中：

在谐振周期期间，当流过所述LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合所述第一电子开关，

当流过所述电感器的所述电流达到阈值时，断开所述第一电子开关，

当所述第一电子开关被断开时，针对脉冲持续时间闭合所述开关网络的所述第二电子开关，其中流过所述电感器的所述电流被换向朝向所述第二电子开关和所述相应驱动节点，以及

在所述脉冲持续时间过期时断开所述第二电子开关。

2.根据权利要求1中所述的脉冲发生器电路，其中：

所述开关网络包括多个开关网络，所述多个开关网络被配置为被耦合到对应的多个电负载；以及

在所述重复的周期中的每个重复的周期中，所述驱动电路被配置为针对每个开关网络顺序地执行闭合所述第二电子开关以及断开所述第二电子开关的步骤，其中每个第二开关针对所述脉冲持续时间顺序地被闭合、并且然后在所述脉冲持续时间过期之后被断开，其中在所述电感器中流动的所述电流被顺序地换向到所述多个开关网络中的每个开关网络的每个第二电子开关。

3.根据权利要求2中所述的脉冲发生器电路，其中所述驱动电路被配置为在第一时间与第二时间之间提供分离延迟，所述第一时间为所述多个开关网络中的第一开关网络的所述第二电子开关被断开时，所述第二时间为所述多个开关网络中的第二开关网络的所述第二电子开关被闭合时。

4.根据权利要求3所述的脉冲发生器电路，其中所述驱动电路被配置为在断开和闭合所述多个开关网络中的所述第二开关的同时交替地断开和闭合所述第一电子开关，其中所述第一电子开关在所述脉冲持续时间期间被断开，并且所述第一电子开关在所述分离延迟期间被闭合。

5.根据权利要求2所述的脉冲发生器电路，其中所述驱动电路被配置为针对相邻脉冲持续时间顺序地闭合所述多个开关网络的所述第二电子开关。

6.根据权利要求5所述的脉冲发生器电路，其中所述驱动电路被配置为针对所述相邻脉冲时间的累积持续时间保持所述第一电子开关断开。

7.根据权利要求1所述的脉冲发生器电路，其中：

所述开关网络包括第三电子开关，所述第三电子开关被耦合在所述驱动节点与所述参考节点之间；以及

所述驱动电路被配置为选择性地闭合所述第三电子开关，以短路在所述驱动节点与所述参考节点之间的杂散电流。

8.根据权利要求1所述的脉冲发生器电路，其中所述驱动电路被配置为：

闭合所述第一电子开关，以使所述LC谐振电路能够随着在所述电感器中流动的电流的增加而谐振；以及

响应于在所述电感器中流动的所述电流的减少，断开所述第一电子开关，所述电流的减少是所述电流被换向朝向所述开关网络的所述第二电子开关以及所述驱动节点的结果。

9.根据权利要求1所述的脉冲发生器电路，其中所述第一电子开关和所述第二电子开关各自包括氮化镓(GaN)晶体管。

10.根据权利要求1所述的脉冲发生器电路，其中所述LC谐振电路包括电容器，所述电容器被耦合在所述参考节点与中间节点之间，并且所述电感器被耦合在所述中间节点与所述第一节点之间。

11.根据权利要求10所述的脉冲发生器电路，其中所述充电电路被耦合到所述LC谐振电路的所述中间节点。

12.一种系统，包括：

根据权利要求1所述的脉冲发生器电路；以及

所述相应电负载。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述相应电负载包括激光二极管。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述激光二极管包括阳极和阴极，所述阳极被耦合到所述驱动节点，并且所述阴极被耦合到所述参考节点。

15.一种激光二极管系统，包括：

脉冲发生器，包括：

LC谐振电路，被耦合在第一节点与参考节点之间，

第一电子开关，被耦合在所述第一节点与所述参考节点之间，所述第一电子开关与所述LC谐振电路并联；以及

多个开关网络，所述多个开关网络各自包括被耦合在所述第一节点与所述开关网络的相应驱动节点之间的第二电子开关，其中所述相应驱动节点被配置为被耦合到多个激光二极管中的相应激光二极管；以及

驱动器电路，被配置为：

针对相应脉冲持续时间，顺序地闭合所述多个开关网络的所述第二开关，其中在每个相应脉冲持续时间期间，其中所述多个开关网络中的一个开关网络的所述第二电子开关被闭合，同时所述多个开关网络中的其他开关网络的第二电子开关被断开，以及

在其相应脉冲持续时间过期之后，断开所述多个开关网络的每个第二开关。

16.根据权利要求15所述的激光二极管系统，进一步包括耦合到所述LC谐振电路的充电电路。

17.根据权利要求15所述的激光二极管系统，进一步包括所述多个激光二极管，所述多个激光二极管被配置为被耦合到所述多个开关网络中的每个开关网络的对应驱动节点。

18.一种操作脉冲发生器电路的方法，所述脉冲发生器电路包括：LC谐振电路，所述LC谐振电路被耦合在第一节点与参考节点之间；第一电子开关，所述第一电子开关被耦合在所述第一节点与所述参考节点之间，并且所述第一电子开关与所述LC谐振电路并联；以及多个开关网络，所述多个开关网络各自包括被耦合在所述第一节点和与其相应开关网络关联的相应驱动节点之间的第二电子开关，所述驱动节点被配置为被耦合到多个电负载中的相应电负载，所述方法包括：

在谐振周期期间，在流过所述LC谐振电路的电感器的电流增加时，闭合所述第一电子开关；

针对相应脉冲持续时间，顺序地闭合所述多个开关网络的所述第二开关，其中在每个相应脉冲持续时间期间，其中所述多个开关网络中的一个开关网络的第二电子开关被闭合，同时所述多个开关网络中的其他开关网络的第二电子开关被断开；以及

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

每个开关网络还包括第三电子开关，所述第三电子开关被耦合在所述相应驱动节点与接地之间；以及

所述方法进一步包括，针对每个开关网络，当断开所述第二电子开关时闭合所述第三电子开关，以及当闭合所述第二电子开关时断开所述第三电子开关。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使用充电电路对所述LC谐振电路充电。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个电负载包括多个激光二极管，并且所述方法进一步包括经由所述多个开关网络中的所述第二开关驱动所述激光二极管。