CN216624871U

CN216624871U - 驱动电路、vcsel阵列装置和激光雷达设备

Info

Publication number: CN216624871U
Application number: CN202122709808.5U
Authority: CN
Inventors: 冯奥凯; 胡攀攀
Original assignee: Wuhan Wanji Photoelectric Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Wanji Photoelectric Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2031-11-05

Abstract

本实用新型提出一种驱动电路、VCSEL阵列装置和激光雷达设备，其中，驱动电路包括放电电路、多个开关电路、多个充电电路和多个储能电路，驱动电路通过控制开关电路和放电电路在充放电时交错导通和关断，从而实现在充电时，放电电路关断，使得储能电路可靠的接收由充电电路转换输出的充电电源进行充电，同时，在放电时，放电电路导通，开关电路关断，充电电路无输入输出电源，储能电路通过VCSEL激光器完全放电，避免了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题，同时，各通道分别充放电时均能释放完全，避免了通道之间干扰的问题，提高了VCSEL驱动的可靠性，同时，放电点亮VCSEL激光器，实现了分区点亮的功能。

Description

驱动电路、VCSEL阵列装置和激光雷达设备

技术领域

本实用新型属于VCSEL阵列技术领域，尤其涉及一种驱动电路、VCSEL 阵列装置和激光雷达设备。

背景技术

VCSEL(垂直腔面发射激光器)的驱动电路主要是用来实现对VCSEL阵列的可寻址发光的一种驱动电路，通过控制芯片的时序控制可以实现分区点亮，有助于实现激光雷达光源的设计。目前的VCSEL阵列基本是采用共阴极的制作工艺，因此设计一种能够分时驱动共阴极VCSEL阵列的电路很有必要。

常见的共阴极VCSEL阵列的驱动电路设置的了充电电路和放电电路，但是在放电时，充电电路的工作状态不明，使得在放电时，存在电能无法完全释放的可能，进而在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏或者多通道之间的相互干扰的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种驱动电路，旨在解决传统的共阴极VCSEL 阵列电路存在的放电不完全导致激光器损坏或者多通道之间的相互干扰的问题。

本实用新型实施例的第一方面提出了一种驱动电路，用于驱动VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个共阴极连接的VCSEL激光器，所述驱动电路包括放电电路、多个开关电路、多个充电电路和多个储能电路，每一所述开关电路、每一所述充电电路、每一所述储能电路和每一所述VCSEL激光器的阳极依次一一对应连接，所述放电电路与所述VCSEL阵列共阴极连接，各所述开关电路的受控端与所述放电电路的受控端共接；

多个所述充电电路用于分时段对应接收充电驱动信号并将输入的直流电源进行电源转换后为所述储能电路充电；

每一所述开关电路受充电控制信号触发导通，并将输入的直流电源传送至所述充电电路，以及受放电控制信号触发关断并截止输出所述直流电源至所述充电电路；

所述放电电路受所述充电控制信号触发关断，以及受所述放电控制信号触发导通，以使所述储能电路放电点亮所述VCSEL激光器。

可选地，所述开关电路包括P沟道场效应管，所述P沟道场效应管的源极、栅极和漏极分别为所述开关电路的输入端、受控端和输出端。

可选地，所述充电电路包括电感、第一N沟道场效应管、二极管和第一电阻；

所述电感的第一端构成所述充电电路的输入端，所述电感的第二端、所述二极管的阳极和所述第一N沟道场效应管的漏极共接，所述第一N沟道场效应管的栅极和所述第一电阻的第一端共接构成所述充电电路的受控端，所述第一 N沟道场效应管的源极和所述第一电阻的第二端接地。

可选地，所述储能电路包括储能电容，所述储能电容的第一端分别与所述充电电路的输出端和对应所述VCSEL激光器的阳极共接，所述储能电容的第二端接地。

可选地，所述放电电路包括第二N沟道场效应管和第二电阻；

所述第二N沟道场效应管的漏极与所述VCSEL阵列的共阴极连接，所述第二N沟道场效应管的栅极和所述第二电阻的第一端共接构成所述放电电路的受控端、所述第二N沟道场效应管的源极和所述第二电阻的第二端接地。

可选地，所述充电控制信号为低电平信号，所述放电控制信号为高电平信号，所述充电驱动信号为预设占空比的PWM信号。

本实用新型实施例的第二方面提出了一种VCSEL阵列装置，包括：

VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个共阴极连接的VCSEL激光器；

驱动电路，如上所述的驱动电路，所述驱动电路中的每一开关电路、每一充电电路、每一储能电路和每一所述VCSEL激光器的阳极依次一一对应连接，所述驱动电路中的放电电路与所述VCSEL阵列共阴极连接。

可选地，所述VCSEL阵列包括8*1的VCSEL激光器。

可选地，多个所述VCSEL激光器集成设置为VCSEL阵列芯片。

本实用新型实施例的第三方面提出了一种激光雷达设备，包括如上所述的 VCSEL阵列装置。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的驱动电路通过控制开关电路和放电电路在充放电时交错导通和关断，从而实现在充电时，放电电路关断，使得储能电路可靠的接收由充电电路转换输出的充电电源进行充电，同时，在放电时，放电电路导通，开关电路关断，充电电路无输入输出电源，储能电路通过VCSEL激光器完全放电，避免了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题，同时，各通道分别充放电时均能释放完全，避免了通道之间干扰的问题，提高了VCSEL驱动的可靠性，同时，放电点亮VCSEL 激光器，实现了分区点亮的功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的驱动电路的模块结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的驱动电路的第一种电路结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的驱动电路的第二种电路结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的VCSEL阵列装置的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型实施例的第一方面提出了一种驱动电路10，用于驱动VCSEL 阵列20。

如图1所示，本实施例中，VCSEL阵列20包括多个共阴极连接的VCSEL 激光器21，驱动电路10包括放电电路14、多个开关电路11、多个充电电路12 和多个储能电路13，每一开关电路11、每一充电电路12、每一储能电路13和每一VCSEL激光器21的阳极依次一一对应连接，放电电路14与VCSEL阵列 20共阴极连接，各开关电路11的受控端与放电电路14的受控端共接；

多个充电电路12用于分时段对应接收充电驱动信号并将输入的直流电源进行电源转换后为储能电路13充电；

每一开关电路11受充电控制信号触发导通，并将输入的直流电源传送至充电电路12，以及受放电控制信号触发关断并截止输出直流电源至充电电路12；

放电电路14受充电控制信号触发关断，以及受放电控制信号触发导通，以使储能电路13放电点亮VCSEL激光器21。

本实施例中，驱动电路10接收控制器的充电驱动信号、充电控制信号以及放电控制信号进行充放电控制，进而实现对VCSEL激光器21分区点亮控制。

其中，各开关电路11和放电电路14的受控端共接在一起，在驱动VCSEL 阵列20其中一路VCSEL激光器21以点亮设定激光区域时，充电状态下，开关电路11接收到充电控制信号导通，此时，放电电路14接收到充电控制信号关断，同时，充电电路12根据接收到的充电驱动信号进行电源转换工作，并将开关电路11输出的直流电源转换为充电电源至储能电路13，储能电路13进行充电储能，经过预设时长后，储能电路13充电至对应点亮和端电压，控制器输出放电控制信号，放电电路14导通，开关电路11关断，并截止输出直流电源至后端的充电电路12，充电电路12无电源输入输出，此时，储能电路13中存储的电量通过VCSEL激光器21和放电电路14完全释放，同时驱动VCSEL激光器21点亮对应的激光区域，解决了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题，提高了VCSEL激光器21驱动的可靠性。

同时，控制器根据时序控制分时段输出对应的充电驱动信号、充电控制信号和放电控制信号，可实现VCSEL阵列20的分区点亮工作，有助于实现纯固态激光雷达光源的设计，同时，VCSEL阵列20中的每一VCSEL激光器21驱动点亮时，可实现充分放电，解决了放电通道之间的干扰问题。

其中，开关电路11、充电电路12和放电电路14连接的控制器，可独立设置，或者共用激光雷达设备中的对应其中一个控制器，具体结构不限。

开关电路11可采用具有受控通断功能的开关结构，例如三极管、MOS管、继电器等不同的开关元器件或者组合开关电路，具体结构不限。

充电电路12用于实现储能电路13充电过程中的充电转换功能，可根据输入电源和激光器的驱动参数对应设置其结构，例如升压电路、降压电路、升降压电路、稳压电路等。

储能电路13可采用储能电容C1或者储能电池等结构，同时，根据激光器的驱动参数可设置一个或者多个的储能电容C1或者储能电池，具体结构不限。

开关电路11、充电电路12和储能电路13组成充电支路，充电支路的个数与VCSEL阵列20中的VCSEL激光器21的个数相等，具体根数根据VCSEL 激光器21的个数设置。

放电电路14与VCSEL阵列20中的VCSEL激光器21共阴极连接，实现对各充电支路的放电工作，进而点亮对应的VCSEL激光器21，其与开关电路 11呈相反的导通方式，其结构可采用与开关电路11不同通断状态的三极管、 MOS管等开关电路11结构。

如图2所示，可选地，开关电路11包括P沟道场效应管Q1，P沟道场效应管Q1的源极、栅极和漏极分别为开关电路11的输入端、受控端和输出端。

充电电路12包括电感L1、第一N沟道场效应管Q2、二极管D1和第一电阻R1；

电感L1的第一端构成充电电路12的输入端，电感L1的第二端、二极管 D1的阳极和第一N沟道场效应管Q2的漏极共接，第一N沟道场效应管Q2的栅极和第一电阻R1的第一端共接构成充电电路12的受控端，第一N沟道场效应管Q2的源极和第一电阻R1的第二端接地。

储能电路13包括储能电容C1，储能电容C1的第一端分别与充电电路12 的输出端和对应VCSEL激光器21的阳极共接，储能电容C1的第二端接地。

放电电路14包括第二N沟道场效应管Q3和第二电阻R2；

第二N沟道场效应管Q3的漏极与VCSEL阵列20的共阴极连接，第二N 沟道场效应管Q3的栅极和第二电阻R2的第一端共接构成放电电路14的受控端、第二N沟道场效应管Q3的源极和第二电阻R2的第二端接地。

本实施例中，根据开关电路11、充电电路12和放电电路14对应的结构，所述充电控制信号为低电平信号，所述放电控制信号为高电平信号，所述充电驱动信号为预设占空比的PWM信号，在待点亮VCSEL阵列20其中一个 VCSEL激光器21时，P沟道场效应管Q1和第二N沟道场效应管Q3接收到低电平信号，开关电路11中的P沟道场效应管Q1导通，放电电路14中的第二 N沟道场效应管Q3关断，输入电源经P沟道场效应管Q1输出至充电电路12，充电电路12中的电感L1、第一N沟道场效应管Q2和二极管D1组成升压电路，根据接收到的PWM信号升压转换输出充电电源至储能电容C1，储能电容C1 开始充电，在预设时长后，储能电容C1充满电或者充电至预设电量时，控制器输出高电平信号，此时开关电路11中的P沟道场效应管Q1关断，放电电路 14中的第二N沟道场效应管Q3导通，输入电源截止，此时控制器输出或者不输出PWM信号不受影响，储能电容C1开始放电，并经对应的VCSEL激光器 21和第二N沟道场效应管Q3放电至地，VCSEL激光器21点亮，实现充分放电，解决了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题，提高了VCSEL 激光器21驱动的可靠性。

控制器根据时序控制分时段输出对应的高低电平和PWM信号至对应的元器件，可实现VCSEL阵列20的分区点亮工作，有助于实现纯固态激光雷达光源的设计，同时，VCSEL阵列20中的每一VCSEL激光器21驱动点亮时，可实现充分放电，解决了放电通道之间的干扰问题。

同时，P沟道场效应管Q1一方面形成开关电路，另一方面形成防反接电路，可避免输入电源反接输入，提高驱动可靠性。

本实用新型还提出一种VCSEL阵列装置，如图4所示，该VCSEL阵列装置包括VCSEL阵列20和驱动电路10，其中，VCSEL阵列20包括多个共阴极连接的VCSEL激光器21，驱动电路10包括放电电路14、多个开关电路11、多个充电电路12和多个储能电路13。

每一开关电路11、每一充电电路12、每一储能电路13和每一VCSEL激光器21的阳极依次一一对应连接，放电电路14与VCSEL阵列20共阴极连接，各开关电路11的受控端与放电电路14的受控端共接；

本实施例中，各开关电路11和放电电路14的受控端共接在一起，在驱动 VCSEL阵列20其中一路VCSEL激光器21以点亮设定激光区域时，充电状态下，开关电路11接收到充电控制信号导通，此时，放电电路14接收到充电控制信号关断，同时，充电电路12根据接收到的充电驱动信号进行电源转换工作，并将开关电路11输出的直流电源转换为充电电源至储能电路13，储能电路13 进行充电储能，经过预设时长后，储能电路13充电至对应点亮和端电压，控制器输出放电控制信号，放电电路14导通，开关电路11关断，并截止输出直流电源至后端的充电电路12，充电电路12无电源输入输出，此时，储能电路13 中存储的电量通过VCSEL激光器21和放电电路14完全释放，同时驱动VCSEL 激光器21点亮对应的激光区域，解决了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题，提高了VCSEL激光器21驱动的可靠性。

驱动电路10根据控制器输出的控制信号进行VCSEL阵列20的驱动工作，并实现各VCSEL激光器21的多通道充分放电，解决了在多次放电后存储过多能量导致激光器损坏的问题和放电通道之间的干扰问题，提高了VCSEL激光器21驱动的可靠性，同时实现了VCSEL阵列20的分区点亮工作，有助于实现纯固态激光雷达光源的设计。

其中，放电电路14、多个开关电路11、多个充电电路12和多个储能电路 13的结构，可参见上述实施例。

同时，VCSEL阵列20中VCSEL激光器21的个数可根据点亮区域对应设置，例如8个、16个等，具体个数不限，可选地，如图3所示，VCSEL阵列 20包括8*1的VCSEL激光器21，因此，VCSEL阵列20对应设置有8个信号输入端和一个信号输出端，并对应连接驱动电路10的对应信号端。

同时，为了简化VCSEL阵列20的结构，如图3所示，可选地，多个VCSEL 激光器21集成设置为VCSEL阵列芯片，通过集成设置，固定了各VCSEL激光器21，同时，VCSEL阵列芯片可根据点亮区域对应设置其形状，以及内部 VCSEL激光器21的位置。

本实用新型还提出一种激光雷达设备，该激光雷达设备包括VCSEL阵列装置，该VCSEL阵列装置的具体结构参照上述实施例，由于本激光雷达设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种驱动电路，用于驱动VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个共阴极连接的VCSEL激光器；

其特征在于，所述驱动电路包括放电电路、多个开关电路、多个充电电路和多个储能电路，每一所述开关电路、每一所述充电电路、每一所述储能电路和每一所述VCSEL激光器的阳极依次一一对应连接，所述放电电路与所述VCSEL阵列共阴极连接，各所述开关电路的受控端与所述放电电路的受控端共接；

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关电路包括P沟道场效应管，所述P沟道场效应管的源极、栅极和漏极分别为所述开关电路的输入端、受控端和输出端。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述充电电路包括电感、第一N沟道场效应管、二极管和第一电阻；

所述电感的第一端构成所述充电电路的输入端，所述电感的第二端、所述二极管的阳极和所述第一N沟道场效应管的漏极共接，所述第一N沟道场效应管的栅极和所述第一电阻的第一端共接构成所述充电电路的受控端，所述第一N沟道场效应管的源极和所述第一电阻的第二端接地。

4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述储能电路包括储能电容，所述储能电容的第一端分别与所述充电电路的输出端和对应所述VCSEL激光器的阳极共接，所述储能电容的第二端接地。

5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述放电电路包括第二N沟道场效应管和第二电阻；

6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述充电控制信号为低电平信号，所述放电控制信号为高电平信号，所述充电驱动信号为预设占空比的PWM信号。

7.一种VCSEL阵列装置，其特征在于，包括：

VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括多个共阴极连接的VCSEL激光器；

驱动电路，如权利要求1～6任一项所述的驱动电路，所述驱动电路中的每一开关电路、每一充电电路、每一储能电路和每一所述VCSEL激光器的阳极依次一一对应连接，所述驱动电路中的放电电路与所述VCSEL阵列共阴极连接。

8.如权利要求7所述的VCSEL阵列装置，其特征在于，所述VCSEL阵列包括8*1的VCSEL激光器。

9.如权利要求7所述的VCSEL阵列装置，其特征在于，多个所述VCSEL激光器集成设置为VCSEL阵列芯片。

10.一种激光雷达设备，其特征在于，包括如权利要求7～9任一项所述的VCSEL阵列装置。