CN115517020A - 激光系统中的光功率管理 - Google Patents

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CN115517020A CN202180031599.3A CN202180031599A CN115517020A CN 115517020 A CN115517020 A CN 115517020A CN 202180031599 A CN202180031599 A CN 202180031599A CN 115517020 A CN115517020 A CN 115517020A
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illumination
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J·E·D·赫维茨
M·泽基尼
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Abstract

一种用于管理基于激光的设备中激光源功率的装置，包括开关模式功率控制器电路。功率控制器电路还包括控制器输出，被配置为耦合到激光源的储能电容器，以提供在所述激光源的照明之间调节储能电容器充电的第一模式和在所述激光源的照明期间调节储能电容器充电的第二模式。

Description

激光系统中的光功率管理
要求优先权
本专利申请主张于2020年4月6日提交的美国临时专利申请序列号63/005748的优先权，其标题为“SAFE DELIVERY OF OPTICAL POWER IN TIME OF FLIGHT OR OTHER LASERSYSTEM”(代理人卷宗No.3867.734PRV)，通过引用将其全部并入本文。
技术领域
本文件一般但不限于激光系统的能量管理，包括飞行时间(ToF)系统(例如，测距或确定物体的位置或形状)。
背景技术
激光能量可用于光学系统的多种用途。一种这样的购买方式是使用飞行时间(ToF)或激光雷达等系统确定目标物体的距离或深度。这些系统可以在使用期间的不同时间消耗大量电力，但在系统持续使用期间不一定需要这些大功率消耗。
发明内容
因此，本发明人认识到，除其他外，需要控制系统能源使用的能力，在某些情况下，系统用户希望精确控制系统能源的使用。
定时对齐可以帮助管理系统中用于确定一个或多个对象的三维位置或形状的能量使用。在直接和间接TOF系统中，它的功率可以用脉冲表示。例如，目标物体或场景可以在短脉冲光中照明。可以在TOF系统的接收侧检测到响应光信号。检测到的光信号可以在光突发期间进行集成。检测到的信号可以基于传感器接收到的光子，也可以是作为接收器的光电传感器的成像阵列。照明光突发可以在一系列短脉冲中发射。照明光突发之间的时间间隔可以是纳秒。系统可以设置为照明光突发的特定调制频率。这种调制频率可以在10兆赫到100th兆赫的范围内变化。有时，在一系列照明脉冲开始时需要高功率，但在照明脉冲的整个持续时间内不需要高功率。因此，能够准确地确定照明激光器或光源的功率使用可以帮助确定和调节以后的功率使用。这有助于确保或改进有关一个或多个目标物体或场景的信息的3D捕获。
除其他外，本文件描述一种控制电容器充电和放电特性的技术，该电容器用于调节和管理基于激光的设备中激光源功率，例如可用于帮助提高TOF或其他系统的整体系统性能。系统或方法可以与一个或多个脉冲模式或连续波TOF系统、直接飞行时间(DTOF)和间接飞行时间(ITOF)系统兼容。
下文提供本发明各个方面的说明性非限制性编号列表。
方面1可以包括或使用主题(例如设备、系统、装置、方法、执行行为的手段，或装置可读介质，包括当由设备执行时可以导致设备执行行为的指令，或制造物品)，例如可以包括或使用限制充电和监测储能电容器放电，使得可以限制传递的能量的量，并且可以将从盖到激光器的功率过度传递或不足传递用于系统诊断。对要反射的盖的电压的监测由所用电容器的CV2特性反映，并允许电容器的燃油表容量。
方面2可以包括或使用，或者可以选择性地与方面1的主题相结合，以选择性地包括或使用系统中可导致储能电容器放电的故障检测。
方面3可以包括或使用，或者可以选择性地与任何方面1-2的主题相结合，以包括可选的非易失性手段来防止储能电容器再次充电。
方面4可以包括或使用，或者可以选择性地与任何方面1-3的主题结合，以选择性地包括或使用故障指示，包括测量光输出和/或温度来了解故障条件。
方面5可以包括或使用，或者可以选择性地与任何方面1-4的主题相结合，包括可以使用至少一个已知电流源(或其他已知放电方法)检查储能器电容器放电特性，然后对“燃油表”监测器进行线性化和校准。
方面6可以包括或使用，或者可以选择性地与方面1-5中任何一个的主题相结合，以包括降压开关模式调节器中使用的相同电感器和为了对储能电容器充电和放电而重新调整用途的升压开关模式调节器。
方面7可以包括或使用，或者可以选择性地与任何方面1-6的主题相结合，以包括使用降压升压调节器，其目的是升压，以对储能电容器充电，作为向激光器输送功率的降压。
方面8可以包括或使用，或者可以选择性地与方面1-7中任一方面的主题相结合，以包括使用电荷泵对储能电容器充电，以及使用降压或降压升压开关模式电压调节器对储能器电容器放电。
方面9可以包括或使用，或者可以选择与任何方面1-8的主题相结合，以选择储能电容器可以低于传送到激光器的电压，并且我们可以升压以传送电流。
方面10可以包括、使用或可选地与任何方面1-9的主题相结合，包括在激光脉冲之前发送信号，所需的输出电压可以略微升高，以允许初始瞬态并允许DC_DC转换器有时间响应。减少在输出节点上使用大电容器的需要。
方面11可以包括或使用，或者可以选择性地与方面1-10中的任何一个主题相结合，以包括可用于峰值功率需要的系统，或者组合以形成联合功率扩展系统，在这种情况下，可需要分离车载成像器电路或激光源的燃油表特性。
方面12可以包括或使用，或者可以选择性地与任何方面1-11的主题相结合，以包括不同操作频率的参数，可以存储和使用这些参数，以实现由于潜在不同的I vs F响应而产生的不同瞬态和功率响应。
这些非限制性示例中的每一个都可以独立存在，或者可以与一个或多个其他示例进行各种排列或组合。
本综述旨在概述本专利申请的主题。本发明并不旨在提供对本发明的独家或详尽解释。包括详细描述以提供有关本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的图纸中，类似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可能表示相似组件的不同实例。附图通常通过示例而非限制的方式说明了本文件中讨论的各种实施例。
图1：电源输送子系统的框图示例。
图2：部分集成照明控制系统的框图示例。
图3：完全集成照明TOF模块的框图示例。
图4：功能框图。
图5：系统使用的控制回路示例。
图6：激光脉冲能量在系统设置的指定能量预算内时的波形图示例。
图7：激光脉冲能量高于系统设置的能量预算时的示例波形图。
图8：ToF激光能量传输等效电路的实现示例。
图9：图8等效电路典型波形的概念图。
图10：系统的混合信号电路实现示例。
图11：计算机模拟波形示例。
图12：成像系统示例。
图13：充电架构的示例实现。
图14：描述失活阶段的TOF系统。
图15：描述激活阶段的TOF系统。
图16：使用SIMO架构的衍生实现，其中存储的能量生成两个输出。
图17：描述使用电荷泵的系统。
图18：描述替代的降压升压架构。
图19：描述作为系统一部分的专用能量监测器和功率调节电路的示例实现。
具体实施方式
本发明人已经认识到，飞行时间(ToF)和其他激光系统需要解决的一个问题是，该系统如何有效地管理激光照明所用的能量。缺乏对特定激光系统中激光输出光能或功率的主动监测，可过度限制和限制此类系统的能力。可以使用间接光功率测量，例如激光输出光功率的测量间接指示与实际激光光功率之间的良好相关性可以表征、校准或两者兼而有之。通常，系统不需要恒定的功率，事实上，系统在短时间内消耗了大量功率或增加了功率。例如，激光驱动器或传感器解调时钟在照明周期开始时或一系列照明脉冲的第一个照明脉冲开始时，可以抽取三倍的平均电流，然后在一段时间内保持照明。可以使用储能电容器自动控制该电量。通过使用间接光功率测量确定系统状态，可以确定何时对储能电容器充电或从储能电容中提取多余功率。这为激光系统提供了软启动能力，其可以最大限度地减少初始充电的匆忙和充电的电流限制。
因此，除其他外，本文件描述了ToF或其他激光系统中控制光功率的系统和方法。这可以包括控制垂直腔面发射激光器(VCSEL)或其他基于激光的ToF或其他系统的功率传输，以帮助保持此类系统在人眼安全的条件下运行。除其他外，这可以包括提供独立的功率控制集成电路(IC)，例如可以设置和测量输送到VCSEL或其他激光器的能量。功率控制IC可以控制激光驱动器，例如可以包括场效应晶体管(FET)或专用激光VCSEL驱动器。驱动器可以包含在外部照明模块中或与外部照明模块一起使用。本发明技术还可以包括控制和测量VCSEL或其他激光器传送的光能或光功率的指示。电源控制和激光驱动器电路可以集成在单个IC芯片解决方案中，例如可以与外部照明模块一起使用。电源电路、激光驱动器电路和照明电路也可以集成在同一模块上。本发明的功率控制技术可以使用光学或电子信息来确定或适当控制功率输出。
图1显示电源输送子系统100的框图示例，例如可用于基于独立电源输送装置提供照明ToF解决方案。电源输送子系统可以包括处理器电路101。处理器101可以包括系统应用处理器电路，例如设置目标能量操作参数或一个或多个其他操作参数，或同时设置两者。激光功率传输系统102可以包括布置，其中安全能量传输功率实现可以由处理器101编程，例如用于测量发射的平均光功率的指示。发射的平均光功率(或其他中心趋势)可由光功率测量装置或传感器104检测。测量可用于控制，例如为后续循环设置最大允许功率传输。测量装置或传感器104可以包括光电探测器或光电探测器阵列。传感器104可用于测量激光器/VCSEL 105传输的光功率。激光器/VCSE 105也可称为光发射器或照明源、激光源或激光二极管。激光源105可包括边缘发射二极管激光器(EEL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或其他发光体，例如用于ToF系统的发光体，如可在近红外(NIR)或红外(IR)波长下操作的发光体。发光激光二极管105可以耦合到激光器/VCSEL驱动器103。激光器/VCSEL驱动器103可以在一种或多种不同模式下操作，例如在脉冲或连续波(CW)模式下。驱动器可以包括N通道场效应晶体管(NFET)或其他场效应晶体管，其可以用作驱动器的开关或开关电流源。
可选地，该布置还可以包括传感器104、106，例如用于检测激光二极管105的温度或正向电压中的至少一个，例如可以帮助提供所需功率的更精确估计。使用热传感器或其他传感器可以帮助间接推断光功率。通过使用用于测量激光二极管正向电压(VF)的传感器104，可以推断出光功率，而无需光电探测器传感器106。例如，可以通过测量激光二极管的正向电压VF来推断激光温度，例如在对正向电压和激光二极管温度之间的关系进行表征或校准之后。传感器106可以包括与光发射元件105热耦合的可选温度传感器。激光光功率可以高度依赖于激光温度。因此，激光温度可以提供有用的信息，例如可以用来控制激光输出。这种激光输出控制有助于实现更高的精度，以实现高效的功率管理和激光系统的调节。其他好处包括帮助激光安全系统。
图2显示部分集成照明控制系统200示例的框图示例，该系统可以集成电源控制系统和激光驱动器组件。集成系统202与处理器接口，因此可以由处理器201有效编程。系统可以测量传感器104检测到的发射平均光功率或光能，以便有效确定最大允许光功率传输，并基于此，以相应地控制集成系统202中的激光驱动器用于后续循环。可选地，系统202可以使用单独的传感器106检测激光二极管105的温度，或者使用传感器104进行间接测量，例如使用温度传感器而不是光电探测器。例如，激光二极管105的正向电压可用于提供温度指示，而温度指示又可用于帮助更精确地估计操作激光二极管105所需的功率。
图3显示完全集成的TOF照明模块300的示例框图的示例，例如可以包括集成电源控制电路、激光驱动器电路和照明源，例如EEL/VCSEL。处理器301可以包括系统应用处理器，例如可以使用编码指令来操作以设置目标光能或功率参数或一个或多个其他操作参数。集成系统302可以包括能量传输电路和带有集成照明的激光驱动系统。处理器301可编程为控制系统302以测量发射的平均光功率，例如可由集成光电探测器检测。测量的发射平均光功率可用于通过适当的激光驱动器电流(例如一个或多个后续循环)设置最大允许光功率传输。另外或可选择地，系统302可配置为直接或间接检测激光温度，例如，通过测量照明模块300中包含的EEL/VCSEL的激光二极管正向电压。这可有助于更精确地估计激光二极管提供的光功率，或有助于控制激光二极管使用的电功率。激光功率安全传输模块可以可选地包括光电探测器，例如可以与EEL/VCSEL光学耦合，例如用于测量由光发射器传输的光功率。在一些实现中，可以通过使用激光温度间接推断光功率。激光温度可以间接获得，例如通过测量或确定激光二极管正向电压VF。可选的温度传感器，例如可与激光器耦合的温度传感器可以额外或替代地用于帮助直接测量EEL/VCSEL或其他激光器温度。此类直接或间接激光温度信息可能有用，例如有助于实现更高的精度或控制激光的功率传输(或控制激光冷却，例如使用热电制冷器)，从而有助于抑制或防止不安全的操作条件或过早的部件故障，并保持系统的最佳功率传输。例如，可以推断激光温度，例如通过测量激光二极管正向电压并应用表征或校准因子或函数，例如可以用于将激光二极管正向压力与激光温度相关联。
图4显示所示的功能框图400的示例，例如可以应用安全能量控制技术。
应用处理器401可以执行诊断循环，例如监测照明系统的健康状态。这可涉及激光二极管发出短暂的光脉冲，例如，在此期间，可以在最佳功率水平下测量激光正向电压。该激光二极管正向电压信息可用于控制调整一个或多个能量传输参数，以满足所需的工作条件(例如帧速率、调制/脉冲宽度、范围等)。
应用处理器401可以提供特征关系，例如，例如供功率控制409使用。查找表可以包括指定所需目标激光能量传输的信息，例如在不同温度或其他操作条件下。
功率控制409可以使用调节器402设置初始调节电压，以支持支持激光源所需的功率。为了提高效率，电压调节可以包括使用开关电压调节器，例如降压、升压、降压-升压或电荷泵)，例如可以依赖于系统电源电压(VSYS)，所需能量和激光二极管的正向电压VF。电源控制409还可以设置充电控制电路403，以便在发出的激光照明脉冲之间对电容器CLD 413充电。超低电压降调节器412a可用于电流控制激光驱动器412b的替代品，有助于确保传输至EEL/VCSEL激光二极管的功率随时间保持恒定。
在使用电流控制激光驱动器412b的应用中，处理器401可以为405设置所需的电流限制，在这种类型的实现中，超低电压降调节器412a可以是冗余的，可以绕过。
应用处理器401可以向高速驱动器404发送调制信号或激活脉冲。
EEL/VCSEL 506可发射红外或其他照明光，其中一小部分可直接照射到光电探测器507，其输出电信号可通过跨阻放大器508等放大。
放大的光电探测器信号可以在一段时间内进行积分。在积分时间段结束时，功率控制409中包含的模拟前端(AFE)块可用于归一化测量能量，例如校正温度梯度。
基于在查找表中编程的数据，功率控制409中的AFE可以更新调节器402以控制支持新能量限制所需的电压电平，例如下一个积分周期，并且可以在充电控制块403中设置新能量限制。或者，后调节器412a，它接受输入电压Iset和输入电压Vset，以调整发送到激光源406的功率。使用功率控制409中的AFE反馈设置的后置调节器，可以帮助确保脉冲之间的恒定功率传输。这在CW调制方案中很有用，但在脉冲模式TOF中可能不需要这么多。当使用恒流驱动器412b时，后调节器412a可能是冗余的。
可选地，电源控制409中的AFE可以监测传送到照明电路的电能，例如通过传感节点411处传送的电压和电流。这样的实现可以增加或替换测量的光能，例如，如果电功率和光功率之间存在良好的相关性，或者可以通过特征化和校准等方式实现。
可选地，电源控制409中的AFE块可以为激光驱动器405设置下一个集成周期的新电流限制。
为了帮助提高系统安全性，电源控制409中的AFE可以监测一个或多个条件，例如激光器驱动器短路、异常能耗、激光二极管温度高或时间激活(例如，激光激活时间超过时间窗口中的编程时间限制)。
图5显示可以使用一个或多个控制回路的示例。在一个示例中，最多可以有三个控制回路：(1)电源电压调节回路；(2)电容器充电调节回路；(3)激光恒流调节回路，或这些回路的组合。
在电源电压调节回路中，可以调节最大CLD 413充电电压。
在电容器充电调节回路中，可使用调节恒流在激光脉冲发射之间对电容器充电。
在激光恒流调节回路中，可以建立调节的恒流激光二极管驱动电流，用于驱动EEl/VCSEL或其他激光二极管。
在一些实现中，恒流发生器可以由开关代替，电流可以限制在指定值，例如通过CLD413和充电电路。
在某些情况下，激光驱动器电流可由后调节器412a设置。
这些控制回路中的一个或多个可以取决于测量的光功率、EEL/VCSEL正向电压或EEL/VCSEL温度中的一种或多种。
图6和图7通过显示不同条件下的采样波形，说明了考虑激光体电容器的示例。高功率操作的小占空比，允许将大输出电流转换为小输入电流。
图6显示激光脉冲能量在系统设置的指定能量预算内时的波形图示例。调整激光驱动器电流，以满足预算用途。
图7显示当激光脉冲能量高于系统设置的能量预算时的波形图示例。可以调节激光驱动器电流以满足使用要求。
VCSEL/激光器可以高频调制。例如，系统可能以10MHz或更高的调制频率运行。VCSEL/激光器的大部分电峰值能量可以通过大容量电容器(如图中所示的电容器CLD 413)传递，因为其他一个或多个调节器回路可能不够快，无法满足此类应用。为了减小或最小化CLD 413的电容值和电容大小，可以允许电容器CLD 413上的电容电压下降，例如在继续维修或维持输送至VCSEL/激光器的所需激光电流时。
在放电、充电或二者同时进行的过程中监测CLD 413可能会有所帮助，例如，估计电容器CLD 413是否可以向VCSEL/激光器传送所需能量，以供后续激光激活脉冲使用。此类信息可用于确定电容器CLD 413充电阶段是否应调整一个或多个参数。在放电、充电或二者同时进行期间监测CLD 413也有助于提供“健康状态”监测，例如有助于识别或确定电容器CLD413、激光器驱动电路、激光器是否存在任何问题，或控制回路，例如可能是由于一个或多个部件老化、工作温度或部件故障引起的。
适当选择电容器CLD 413有助于在高频下工作时提高性能，因为寄生行为会影响性能，例如电容器等效串联电阻(ESR)，它会影响向VCSEL/激光器的能量传输。
图8显示ToF激光能量传递等效电路的实施例。在图8中，电容器CLD 413可以通过调节电路充电，例如可以提供可编程电压VLD、可编程电流ICHRG或两者。当使用VCSEL/EEL或其他激光器时，电容器CLD 413可以放电。在图8中，这可以通过具有正向电压VF、寄生电感Lpar和描绘电流ILD的电压调制电流源的激光二极管105来表示。可编程电流ICHRG可在激光照明期间激活。激光照明周期可以很短，例如持续时间可以在10到100纳秒之间。在一些示例中，照明周期在10到100微秒的范围内。图8的等效电路还显示电容器CLD 413(例如，ESR 501、ESL 502)以及激光器和激光驱动器(例如，Lpar，例如，可能是由于连接线、互连等)的寄生元件。
图9显示图8的等效电路的波形示例的概念图。在图9中，波形显示了电容器(CLD413)如何随时间充电和放电的示例，例如当以200MHz调制频率驱动VCSEL/EEL时，每500微秒重复100微秒。此特定示例显示了系统的连续波(CW)实现。
图9显示顶部记录道中电容器节点电压VLD随时间而降低的示例，显示在激光驱动器调制暂停期间VLD无法完全充电的示例。波形ILD表示传输到VCSEL/激光器的平均电流，在图9中，显示照明周期结束时的轻微下垂，如果可能的话，应通过电路实现减少或最小化该下垂。
电容器电压波形显示可测量电容器节点电压VLD的采样点t0、t1、…、tn等，例如监测电容器放电或估计能量传输能力。
图10示出混合信号电路实现的示例。还有许多其他可能的实现，例如，使用恒流或频率注入。在图10的示例中，电容器电压VLD可以采样，例如在t0、t1、…tn处，并通过适当分辨率‘w’的模数转换器(ADC)进行转换，转换后的数字值可以存储，例如存储在先进先出(FIFO)寄存器或寄存器组中。采样时间可以定义为检测电容器CLD 413放电循环的开始和结束。
在图10中，在监测周期结束时(由图9中的Start启动)，采样数据可以由“CAPDISCHARGE ESTIMATOR”电路块处理，该电路块可以根据以下关系提取电容器CLD 413的实际电容值：CLD*dVLD＝iLD*dt＝QLD。激光电流‘ILD’可以通过模拟前端(AFE)和处理电路进行设置和测量，以便计算输出能量或电荷(QLD)和CLD 413的电容值。
计算完CLD 413电容值后，如果需要，AFE&处理电路块可以调整充电参数，以便为电容器CLD 413充电，如果无法提供足够的能量，可以在下一个激活循环中通知主机。
如前所述，大容量电容器CLD 413的寄生元件会影响输送至VCSEL/EEL的估计能量。特别是，大容量电容器CLD 413的ESR会影响能量传输。由于此ESR取决于操作频率和温度(在较小程度上)，它也可以随时间变化。
图11示出电容器CLD 413节点电压VLD与时间的计算机模拟波形的示例，其中电容器CLD 413的ESR从50毫欧变为300毫欧。在图11中，可以注意到在放电循环结束时有下降，该下降与输送到激光器的电流成正比。
在一个示例中，可以在t0和t1之后添加额外的采样点，如图11中的t0_esr和t1_esr所示，在此可以量化ESR中的变化。这也适用于随后的放电循环。在某些ESR预计不会快速变化的操作模式中，可以定期少量测量ESR，例如可以帮助减少或最小化系统开销。ESR估算也可用于推导输送至激光源的电流。在首次使用激光系统之前，可以估计ESR，并将其用于校准目的，以设置系统通电时运行激光源的初始电流。在用户积极使用系统之前，可在出厂设置中进行校准。
图12显示如何将其扩展到完整成像系统的示例，例如可以包括TOF成像仪、照明器和电源管理。
在图12中，可以配置应用处理器601电路以控制成像系统并编程所需的操作参数。
ToF成像仪602可配置为控制照明系统603的激活，并可使用像素阵列收集检测到的光子以执行ToF测量。能量管理PMIC 604可以提供电源轨，为成像仪602和照明器603供电。可以根据工作条件提供能量，例如积分时间、调制频率和范围等。
在图12中，能量管理PMIC 604可以存储成像器的能量，例如电容器CEIM 605中的能量，以及照明用的能量，比如电容器CLD 606中的能量。这种方法可以实现图12，以解决这两个子系统之间的不同时间能量需求，例如照明和成像。在某些示例中，特定定制的能量存储元件可能对成像仪和照明子系统都有用。
可以对成像仪能量控制和调节子模块607进行编程，例如针对成像仪子系统602的特定操作模式以及支持其操作所需的能量。该子块可配置为对储能元件CEIM 605充电，以支持下一个操作循环(例如，该操作循环可包括集成部分、读出部分和数据传输部分)。电容器CEIM 605可以完全或部分充电，例如在集成和其他操作阶段之间的暂停期间。
在一个示例中，电容器CEIM可以提供内部高效调节器，例如可以向成像仪提供一个或多个调节电压。在图12中，这些稳压电源轨可以包括VDIG(数字电路供电)、VAN(模拟电路供电)和VIO(输入/输出电压参考)。根据特定的系统需求，稳压电源轨道的数量可能有所不同。
本文中描述的用于大容量电容器监测的技术，包括ESR注意事项，也同样适用于监测成像电源电容器CEIM。由于ToF系统中的功耗可以以循环脉冲的形式提取，因此本文描述的能量传递方法具有随时间扩展电流的优点，从而降低峰值功耗需求。
调节器可以包括一个或多个低压差(LDO)调节器或一些其他线性调节器、开关模式升压或升压电压调节器、降压或降压电压调节器，降压升压电压调节阀，或这些调节器的组合。
照明子模块608可以编程，例如针对成像仪子系统602的特定操作模式和支持其操作所需的能量。该照明子块608可为能量存储元件CLD 606充电，以支持如上所述的下一照明循环。在激光爆发之前，所需的输出电压可以稍微升高。这允许初始瞬态，并允许DC_DC转换器有时间响应。这减少了在照明子块之前需要一个大电容器的需要。这也可以用于消耗大量电力的其他子块。
控制逻辑子块609可以配置为与应用处理器601通信，例如设置成像器能量控制607和照明608子块所需的能量。控制逻辑609可配置为实施监控或诊断，例如可用于保护系统或向应用处理器601报告其状态。
有些用途可能要求终端设备是便携式的，因此需要有效利用空间。与其他传统方法相比，电源电路实现的尺寸减小。不需要大的输入源为设备供电，并且可以实现更小的占地面积来构建TOF系统。因此，此应用程序可以最小化设备的占用空间。可以使用多种拓扑方法。在一些实施例中，可以使用靠近输入的主板上的大型储能电容器。其他实现可以使用更本地化的方法来保持储能电容靠近激光驱动器或成像器电路。这可以优化储能电容器，特别是成像仪或储能电容附近的激光驱动器。这可能会改善可能导致电磁干扰的问题，电磁干扰可能在电流的长回路上以高电流峰值出现。
操作此类电流脉冲系统的能量由储能电容器提供，本节描述了使用根据TOF系统的工作状态重新设计的单个开关调节器(如图13-16所示)的高效优化功率调节架构，或者可以是电荷泵1702，然后是开关调节器。电荷泵1702可用于低功率版本的激光系统。电荷泵的使用允许电容倍增、倍增或其他倍增。
图13显示使用可编程调节器1318的充电架构的示例实现。该实现适用于照明和成像子系统。在失活阶段，S2 1306和S3 1312闭合，允许储能电容器CBULK 1314充电。然后，在激活阶段，S1 1308和S4 1310关闭，并且储能电容器1314耗尽，以补充输入功率或向系统供电。确定系统处于激活阶段还是失活阶段由系统确定，因为它在激光使用过程中监测激光源的输出。S1 1308至S4 1310是降压-升压调节器1318开关方案的一部分，可通过控制逻辑重新调整，以在所需模式下运行，从而大大节省硅房地产，只使用一个电感器。如图14和图15所示，升压模式用于为储能电容器1314充电，并且降压模式用于对储能电容器1314放电。
在TOF运行的失活阶段，功率调节器配置为升压或降压-升压调节器，将储能电容器充电至其标称水平，如图14所示，电开关(FET、晶体管等)SCC 1412闭合，允许开关调节器对储能电容(CBULK)1418充电，系统控制信号1406“SetBoost”重新编程此开关调节器1408，以作为升压操作。电子开关SCC 1412闭合，以便为储能电容器1418充电。在升压模式下运行的开关调节器1408可具有限流功能，以避免从VIN 1402吸取过多电流，开关SCD 1414断开，以断开调节器与VOUT 1404的连接。在这种情况下，系统电流消耗较低，因为通过关闭电子开关SLDO 1414，LDO或线性电压调节器1410可以维持VOUT 1404。
图15描述激活阶段的TOF系统。系统首先确定系统所需的功率大于当前提供的功率，并在系统实际需要功率之前切换开关调节器1510的控制信号。通过将系统控制信号1506设置为“SetBuck”，可重新调整开关调节器1510的用途。这将开关调节器1510设置为降压模式。系统控制信号1506在即将到来的电流瞬变之前断言，以“准备”调节器并避免系统中的大电压降。在这种操作模式下，输入电源由CBULK 1508提供，电子开关SCC 1514断开和SCD1516闭合，允许降压器调节VOUT 1504并向负载输送所需能量。SLDO 1518可以设置为打开，以断开LDO 1512与VOUT 1504的连接，在某些情况下，LDO 1511可以保持连接，以在储能电容器CBULK 1508耗尽时提供额外的能量。在一些实施例中，储能电容器可低于要输送至激光器的电压，并且系统处于升压模式，以输送系统所需的电流。
图16显示使用SIMO体系结构的衍生实现，其中两个输出是由存储在CBULK 1608中的相同能量生成的。同时使用一个电感器提供两个输出。VOUT1 1604和VOUT2 1606上的电流负载类似，并且同时发生。成像仪1638的电流来自VOUT1 1604，从VOUT2 1606下沉。该实现可用于CW TOF系统。这种调节电路适合为成像仪1638供电。VOUT2 1606可以用作成像仪中像素的参考。成像仪1638的像素被偏置到相同的电压。
如果成像仪和激光电路的电源要求非常不同，最好有专用的能量监测器和电源调节电路，如图19所示，成像仪和激光器电路可以单独供电，并具有相关的大容量电容器1902和1904，其大小和监测应满足相应的电源要求。如前所述，使用图19的组合降压升压架构可以极大地减少组件数量和实现占用空间。适用于具有多个激光驱动器1910或成像仪电路1908的系统。
图18显示降压升压架构的替代方法，在这种情况下，使用预设电流从低压电源(例如单电池锂离子电池)对大容量电容器充电，当成像系统需要传递能量时，它将在需要能量之前发出控制信号“激活”时刻，这允许升压或降压升压调节器例如通过电压定位方法为瞬态做好准备。当该电路用于为EEL或VCSEL(即激光器1806)的阳极供电时，可在能量激活结束时关闭输出电压VLD以节省电力，或在滞后模式下保持升压或降压升压以最小化静态电流。这种实现的一个优点是使用额定电压较低的电容器来提高可靠性，例如使用聚合物电容器，或通过使用陶瓷表面安装电容器来最小化施加电压下电容的减少。
其他应用程序也可以利用这种实现。
上述说明包括对附图的引用，附图构成详细说明的一部分。附图以图解的方式显示了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。除了所示或描述的元素外，这些示例还可以包括元素。然而，本发明者还考虑了仅提供所示或所述元件的示例。此外，本发明人还考虑了使用所示或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，无论是关于特定示例(或其中一个或一个以上方面)，还是关于本文所示或说明的其他示例(或其其中一个以上的方面)。
如果本文件与通过引用合并的任何文件之间的用法不一致，则以本文件中的用法为准。
在本文件中，术语“一个”或“一种”如专利文件中常见的一样，用于包括一个或多个，与“至少一个”或“一个或一个以上”的任何其他实例或用法无关。在本文件内，术语“或”用于指代非排他性或，如“A或B”包括“A但不包括B”、“B但不包括A”以及“A和B”，除非另有说明。在本文件中，术语“包括”和“其中”被用作各自术语“包含”和“中”的纯英语等效物。此外，在以下权利要求中，术语”包括”和”包含”是开放的，即系统、装置、物品、组合物、配方，或者，除了在权利要求中的此类条款之后列出的元素之外，还包括其他元素的过程仍被视为属于该权利要求的范围。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不打算对其对象施加数字要求。
上述描述旨在说明，而非限制。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以相互结合使用。其他实施例可以使用，例如在回顾上述描述后，由本领域普通技术人员使用。摘要的提供符合37C.F.R.§1.72(b)的规定，以便读者快速确定技术披露的性质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化公开。这不应被解释为意图使无人认领的公开特征对任何权利要求至关重要。相反，发明主题可能不在于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求特此作为示例或实施例并入详细说明书中，每个权利要求都作为单独的实施例独立存在，并且可以设想这些实施例可以以各种组合或排列相互组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及此类权利要求所适用的全部等效范围来确定。

Claims (20)

1.一种用于管理基于激光的设备中激光源功率的装置，该装置包括：
开关模式功率控制器电路，包括控制器输出，被配置为耦合到激光源的储能电容器，以提供在所述激光源的照明之间调节储能电容器充电的第一模式和在所述激光源的照明期间调节储能电容器充电的第二模式，其中所述开关模式功率控制器电路能够是电感式或电容式；和
功率控制器电路，被配置为使用至少一个感应功率调节器或连续时间线性电压调节器、单或双电感功率调节器，至少部分基于激光源照明期间储能电容器的放电特性，为激光源和成像器电路中的至少一个提供功率。
2.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路被配置为基于故障指示的检测，在下一次照明之前调整所述储能电容器的充电和放电。
3.权利要求2所述的装置，其中所述故障指示由光学耦合到所述激光源的光电传感器或温度传感器确定，以确定所述储能电容器的充电或放电，从而保持所述激光源或所述成像器电路的功率。
4.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路还被配置为使得至少一个感应功率调节器的第二调节器是线性调节器，其向所述成像器电路或所述激光源提供最小功率量。
5.权利要求1所述的装置，其中用于对所述储能电容器充电的电压调节器还用于从所述储能电容器放电并将功率传送到所述激光源或其他耦合电路。
6.权利要求5所述的装置，其中至少一个储能电容器放电特性被线性化，并用于在失活阶段校准充电能力指示，从而为所述储能电容器提供燃油表指示，其中所述失活阶段是当所述激光源未照明时。
7.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路被配置为分别向所述成像器电路和所述激光源提供不同的可指定能量输出。
8.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路被配置为基于监测所述储能电容器的寄生电阻或所述储能电容器的寄生电感中的至少一个，调节所述储能电容器充电，包括在激光源照明之间的第一模式。
9.权利要求1所述的装置，其中照明监测器还包括光电探测器，该光电探测器与所述激光源光学耦合，以在与目标物体或场景交互之前转换所述激光源提供的照明光，并且其中照明至少部分地基于所述光电探测器转换的照明光的指示。
10.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路包括所述功率控制器电路用于调节所述储能电容器充电的激光源温度信号，其中所述激光源温度信号使用跨越所述激光源的激光二极管的正向电压差来测量。
11.权利要求1所述的装置，其中电荷泵用于对所述储能电容器充电，并且降压开关电压调节器用于对所述储能电容器放电。
12.权利要求1所述的装置，其中所述功率控制器电路包括共享开关模式调节器，用于：(1)调节所述储能电容器的充电；和(2)为成像器电路提供电源，以收集对照明的响应光，其中所述功率控制器电路至少部分基于所述成像器电路收集的响应光的指示来控制所述激光源的激活。
13.一种用于管理基于激光的设备中激光源功率的方法，该方法包括：
使用开关模式电压调节器在基于激光的设备的激光源的照明之间对储能电容器充电，并控制所述开关模式电压调节器的输出；和
在激光源照明期间对所述储能电容器放电，以补充支持激光源外照明所需的功率增加。
14.权利要求13所述的方法，其中通过使用测量传感器测量传递到激光源、成像器电路或其他耦合电路的能量的指示来监测所述储能电容器的充电和放电指示，并且基于该指示限制所述储能电容器的充电和放电。
15.权利要求13所述的方法，其中在所述激光源照明之前，使用所述储能电容器升高电压。
16.权利要求14所述的方法，其中所述储能电容器传递的功率分别以不同的可指定能量输出到所述成像器电路和所述激光源。
17.权利要求13所述的方法，其中基于故障指示的检测，在下一次照明之前调整所述储能电容器的充电和放电。
18.权利要求14所述的方法，其中能够存储不同的操作频率，并用于为所述成像器电路或激光驱动器启用不同的瞬态和功率响应。
19.权利要求13所述的方法，其中所述储能电容器的充电和放电特性通过收集对照明的响应光来控制，其中功率控制器电路至少部分基于由所述成像器电路或光电探测器收集的响应光的指示来控制所述激光源的激活。
20.一种用于管理基于激光的设备中激光源功率的方法，该方法包括使用电感或电容开关模式电压调节器作为用于以下目的的构件：
使用开关模式电压调节器在基于激光的设备的激光源的照明之间对储能电容器充电，并控制所述开关模式电压调节器的输出；和
在激光源照明期间对所述储能电容器放电，以补充支持激光源外照明所需的功率增加。
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