JP2012009891A - レーザーダイオード駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電流切替速度が加速化すると同時に電力消費が低減されるレーザーダイオード駆動回路を提供する。
【解決手段】駆動回路１０にはＭＯＳＦＥＴスイッチＱ１を有する第１伝導回路１２ならびにＭＯＳＦＥＴスイッチＱ２を有する第２伝導回路１４が含まれる。第１伝導経路１２のインピーダンスは第２伝導経路１４のものよりも大きい。低インピーダンスの伝導経路１４が供給される場合、上昇時の高電圧は電流上昇率を増加させる誘導器Ｌによって得られうる。
【選択図】図１

Description

この発明は駆動回路、さらに特に、レーザーダイオード駆動回路と同駆動方法に関する。

レーザーダイオードには大きさが小型で済む、高性能である、低電力消費である、長寿命であるそして電流によって出力電力あるいは作動周波数の制御がしやすいといったメリットが複数ある。これらのメリットによりレーザーダイオードはデータ処理、光ファイバー通信、家電製品および精度測定の分野で広く応用される。

レーザーダイオードの注入電流が臨海回路より大きくなくてはならない場合には、ダイオードによりレーザーが照射されうる。レーザーダイオードの特徴はレーザー出力の強度がレーザーダイオードを通る電流によって制御可能である点にある。

レーザーダイオードのＰ−Ｎ接合は通常のダイオードのものと同一である。レーザーダイオードとダイオード間の違いはレーザーダイオードには共鳴空洞として１組の鏡があるという点にある。接合部構造に応じたレーザーダイオードの種類には単独へテロ構造、２重ヘテロ構造、量子ウェル構造ならびに鉛直空洞面発光レーザーが含まれる。

波長と用途に応じて、レーザーダイオードは通常は短波レーザーまたは長波レーザーに分類される。３９０nmから９５０nmの範囲にある短波レーザーの波長は、主に光ディスクドライブ、レーザージェット、バーコード読取器、スキャナー、およびポインター向けの光情報処理や表示装置用途に利用される。他方、９８０nmから１５５０nmの範囲にある長波レーザーは、通常、光ファイバー通信に応用される。

レーザーダイオードドライバ（ＬＤＤ）はレーザーダイオードを駆動させる必要がある。レーザーダイオード駆動回路は電気エネルギーを光エネルギーに変換するレーザーダイオード通過電流供給用に利用される。現状の技術では、レーザーダイオードドライバは電力消費が多すぎることが多い。このため電力変換効率が悪化する。

レーザーダイオード駆動回路では、コネクターやプリント回路板と接触する寄生コンデンサーがあるだけでなく各電子部品にはストレーコンデンサーもある。電流切り替えの間、誘導器により対向する電動力（つまり、ΔＶ＝Ｌ＊Δｉ／Δｔ）が生ずる。

高周波数と高電力変換器がレーザーダイオード駆動回路に供給される場合、上昇時間と下降時間サイクル間の早急な切り替えのため迅速な電流切り替えが必要とされる。電流切替え機構では、伝導経路にある寄生コンデンサーによる電圧降下は大きい。迅速な電流切替え目的成就のためにはレーザーダイオードの駆動には電圧供給を増加させる必要がある。しかしながら、安定的な追加電圧供給により極めて多くの電力消費が生じて電力変換効率が悪化しうる。

これらの先行技術にはこのようなデメリットがあるので、電力変換効率を改善する必要がある。

本発明の目的はレーザーダイオード用駆動回路が提供されて上述の問題が解決されることにある。

本発明のもう１つの目的は上昇時に電流切替え速度を加速させると同時に電力消費を低減するプラス電圧パルスまたはマイナス電圧パルスの付加にある。

前述の点に関して、本発明により、半導体スイッチが第１伝導経路の開閉が可能なように利用されるレーザーダイオードと半導体スイッチを有する第１誘導経路。第１電圧を第１伝導経路に供給するために第１伝導経路に連結され、電力変換器、第１誘導器ならびに第１エネルギー貯蔵装置を有すると同時に、該電力変換器により第１電圧が第１エネルギー貯蔵装置に供給される第1供給伝導経路。第１伝導経路に連結されるとともに、電圧パルス供給器、第２誘導器ならびに第２エネルギー貯蔵装置を有し、該電圧パルス供給器は第１エネルギー貯蔵装置に連結される第２供給伝導経路。半導体スイッチならびに電圧パルス供給器に連結されるＰＷＭ（パルス振幅調整）制御装置、を含むレーザーダイオード駆動回路が開示される。

さらに、本発明では第１電圧の第１コンデンサーおよび電力変換器経由のレーザーダイオードへの供給が含まれるレーザーダイオード駆動方法も開示される。制御信号の半導体スイッチと電圧パルス発生器への伝達にＰＷＭ制御装置が利用される。制御信号に応じて第２コンデンサーに第２電圧が供給される。

前述の本発明の特徴とメリットは添付図面を利用して詳細説明を通じて十分に理解されよう。

本発明は本発明の好ましい実施例とその添付図についてさらに詳細に説明されよう。しかしながら、本発明の好ましい実施例は図解目的のためだけにあることが認識されなくてはならない。ここで言及される好ましい実施例のほかに、本発明はこれらの明確に説明されるもの以外のその他の幅広い実施例でも実施可能であるとともに、本発明の範囲はこれらに明示的に限定されることはなく、付録の請求項に規定される通りである。

本発明はレーザーダイオード（ＬＤ）駆動回路に関する。上昇時では、駆動電圧以外に、過剰プラス電圧パルスまたはマイナス電圧パルスが本発明の駆動回路に付加され、電流の迅速切替えのためにＬＤが駆動される。安定状態では。過剰電圧パルスは供給されず、過剰駆動電圧から電力消費が低減される。本発明の駆動回路により低圧、高周波数、高電流および高出力（５００mWを越える）の様々な特徴を有するＬＤまたはＬＥＤ（光発光ダイオード）に加えられる電力変換器の電力変換効率が改善可能である。

電流切替えの上昇時には過剰電圧は導入されず、別の低インピーダンス伝導経路が本発明の駆動回路によって提供されると同時に、これにより誘導器に、より高い電圧が持たされて電流上昇速度が増加する。駆動電流が所望のレベルに達すると、低インピーダンス伝導経路が開かれて電流が通常のレベルに維持される。これにより電流の上昇速度の加速目的が達成可能である。

図１は本発明による好ましい実施例のＬＤ向け駆動回路１０の説明図である。駆動回路１０にはＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１を有する第１伝導回路１２ならびにＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_２を有する第２伝導回路１４が含まれる。第１伝導経路１２のインピーダンスは第２伝導経路１４のものよりも大きい。低インピーダンスの伝導経路１４が供給される場合、上昇時の高電圧は電流上昇率を増加させる誘導器Ｌによって得られうる。

入力電圧端末Ｖinは入力誘導器に接続される。並列されたＬinが図１に示される。入力コンデンサーＣinは入力誘導器の端部とＬＤの陽極に接続される。入力インピーダンスＣinの他端はアースされる。誘導器Ｌの１端は該ＬＤの陰極に接続されると同時に、他端は第１伝導経路１２と第２伝導経路１４との間に接続される。ＬＤを通る電流は第１伝導経路１２および第２伝導経路１４に提供される電流の合計に等しい。（すなわち、i(t)= Ｉ_Q1+Ｉ_Q2）

第１伝導経路１２には抵抗器Ｒ_１およびＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１が含まれ、第２伝導経路１４には抵抗器Ｒ_２およびＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_２が含まれる。抵抗器Ｒ_１の抵抗は抵抗器Ｒ_２のものより大きい。スイッチＱ_１およびＱ_２のゲートにより、それぞれ外部ＰＷＭ（パルス振幅調整）制御装置１６から伝達される制御信号が受信され、スイッチＱ_１とＱ_２の周波数およびデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｉｒｃｌｅ）が処理される。

図２Ａから図２Ｃを参照すると、これらは図１に示される駆動回路１０の作動を示す経時シーケンス図を示す。t=0-T1周期である時、ＰＷＭ制御装置１６はそれぞれ制御信号をスイッチＱ_１およびＱ_２のゲートに伝達し、これらのスイッチをオンにするので、ＬＤを流れる電流は、
となる。

t =T1-T2周期である時、スイッチQ₂はオフであると同時にスイッチＱ_１はまだオンである。電流は第１伝導経路１２を通るだけであるので、この時に次の方程式が得られる。
tが3(L/R)を越える場合には該方程式は次のように単純化される。
tがT2周期以上の時は、Ｑ_１およびＱ_２両スイッチともオフであるので、第１伝導経路１２と第２伝導経路は開いている。

前述の点について、t=0-T1周期のとき、インピーダンスが小さいほうの第２伝導経路１４は、電流の上昇速度を加速させるため電流上昇時に電流速度が上昇しうる。本発明では、ＬＤ電流の上昇時間は先行技術の時間よりも２０〜３０％少ない。

図３は本発明のもう１つの好ましい実施例による駆動回路３０の説明図である。図３および図４を参照すると、駆動回路３０にはが第１供給電動経路３１と第２供給電動経路３３が含まれる。第１供給伝導経路３１と第２供給伝導経路３３はそれぞれＬＤから形成される第１伝導経路３５、抵抗器類、誘導器類、ならびに半導体スイッチに連結される。

ＤＣ対ＤＣ変換器３２は誘導器Ｌ_１に接続されとともに、振幅Ｖ_dc1のＤＣ電圧を第１伝導経路３５に供給する。コンデンサーＣ_１はＤＣ対ＤＣ変換器３２によって充電される。電流は、ダイオードＤ_２が前方に伝導する場合にはダイオードＤ_２、寄生コンデンサーＬ_ｐｒ１ならびにＬＤを流れる。従って、コンデンサーの電圧Ｃ_１はダイオードＤ_２の前方電圧Ｖ_ＦＤ２とノードＡ電圧Ｖ_Ａにほぼ等しい。

ＰＷＭ制御装置３４はＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１および電圧パルス発生器３６のゲートに接続される。ＰＷＭ制御装置は鮮制御信号をＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１と電圧パルス発生器３６に伝達する。ＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１はＰＷＭ制御装置３４からの制御信号に応じてオンオフ機能を果たす。電圧パルス発生器３６は誘導器Ｌ_２の１端に接続される。もう１つの誘導器Ｌ_２はコンデンサーＣ_３および抵抗器Ｒ_ＣＳ２に接続される。電圧パルス発生器３６はＰＷＭ制御装置３４からの制御信号に応じて電圧パルスをコンデンサーＣ_３に供給する。コンデンサーＣ_３は制御信号のオフ・デューティ（ｏｆｆ ｄｕｔｙ）のときに電圧パルス発生器３６によって電圧Ｖ_ＤＣ２で充電される。電圧パルス発生器３６は制御信号のデューティサイクルのときに電圧のコンデンサーＣ_３および誘導器Ｌ_２への供給は停止される。

ＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１はＰＷＭ制御装置３４からの制御信号に応じてスイッチ周波数と作動周期を調節する。コンデンサーＣ_３からの電流Ｉ_ＯＵＴは抵抗器Ｒ_ＣＳ２、Ｒ_ＣＳ１、寄生誘導器Ｌ_pr1、Ｌ_pr2、Ｌ_pr3、ＬＤおよびＭＯＳＦＥＴスイッチＱ_１から地盤に流れる。コンデンサーＣ_２は充電される。電流Ｉ_ＯＵＴの勾配は寄生誘導器とコンデンサーの電圧降下に応じて決まる。最大電流Ｉ_ＯＵＴの方程式は次式で得られる。
但し、Ｒ_Ｑ１ＯＮはスイッチＱ_１のオン時抵抗である。

コンデンサーＣ_３は電圧Ｖ_Ｃが電圧（Ｖ_ＤＣ１−Ｖ_ＦＤ２）より小さくなった後、コンデンサーＣ_１が放電するまで放電する。こうして、最大電流Ｉ’_ＯＵＴは次式となる。

コンデンサーＣ_２は抵抗器Ｒ_２、Ｒ_ＣＳ１、およびダイオードＤ_２の経路を通じてスイッチＱ_１がオフになるまで放電する。前述の点について、電圧パルス発生器３６は電圧パルスを提供してコンデンサーＣ_３を再度充電してから駆動回路３０が前述の動作を繰り返す。図４からは、スイッチＱ_１がオンである時に本発明の駆動回路により電力損失Ｐ_ＬＯＳＳが削減できることが理解可能である。

本発明のもう１つの好ましい実施例によるＬＤ用の駆動回路４０が図５に示されるように図解されている。駆動回路４０の構造は駆動回路３０のものと同様であるので、同一の詳細は示されていない。駆動回路４０では電流切替え速度の加速化用のマイナスパルスを発生させる電圧パルス発生器３６に代わってマイナス電圧パルス発生器４２が利用される。さらに、オンとなっているダイオードＤ_２の電力損失はダイオードＤ_２が省かれるので低減され、さらには電流切替えの遅れも改善される。

本発明はまた高電力のレーザーダイオードまたはＬＥＤの駆動方法も公開する。最初に、ＤＣ対ＤＣ変換器が第１電圧Ｖ_ＤＣ１を第１コンデンサーとレーザーダイオード負荷に供給する。制御信号は電圧パルス発生器とＬＤ負荷に連結される半導体スイッチを制御する外部ＰＷＭ制御装置によって伝達される。電圧パルス発生器は、信号受信後の制御信号に応じて第２コンデンサーに第２電圧Ｖ_ＤＣ２を供給する。制御信号がオフ・デューティである場合、電圧は電圧パルス発生器を通じて第２コンデンサーに供給される。信号受信後、制御信号がデューティサイクルである場合に半導体スイッチがオンとなる。

第２コンデンサーから供給される電流は、抵抗器、誘導器、ＬＤ、半導体からなる伝導経路を通じて流れることによって、半導体スイッチがオンとなる時にＬＤを駆動させる。ＬＤの駆動電流Ｉ_ＯＵＴが図４に示される第１電流Ａ_１と第２電流Ａ_２間である場合に、第２電流Ｖ_ＤＣ２が第２コンデンサーによって供給されてＬＤを駆動させる。

出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＬＤの駆動電流Ｉ_ＯＵＴが第２電流Ａ_２に到達している場合にＶ_ＤＣ１レベルの第１電圧を維持すると同時に、第２コンデンサーは第２電圧Ｖ_ＤＣ２が第１コンデンサーから供給される第１電圧Ｖ_ＤＣ１未満となるまで放電される。

半導体スイッチが急速にオンとなる場合、逆の電動力Ｖ_Ｌが寄生コンデンサーから生ずる。この問題を解決するため、上昇時には、過剰第２電圧Ｖ_ＤＣ２が追加されて、電流切替え速度の加速度化の目的を達成するためＬＤを駆動させる。これにより電力変換器の電力変換効率が改善可能となると同時に、電力消費の低減が可能となる。

上昇時には、プラス電圧パルスまたはマイナス電圧パルスが本発明の駆動回路に追加されて、電流切替速度が加速化すると同時に電力消費が低減される。

本発明の駆動回路はレーザーダイオードまたは高電力のＬＥＤに応用可能である。これにより大電流の切替え（２００Ａ/us（マイクロセコンド））と高電力変換効率の達成が可能となる。

本発明の好ましい実施例がこれまで説明されてきたが、当該技術の専門家によって本発明は説明された好ましい実施例に限定されてはならないものと理解されよう。むしろ、次の諸請求項によって定義されるように本発明の精神と範囲内で様々な変更と修正が可能である。

本発明による好ましい実施例のレーザーダイオード駆動回路の説明図式。 図１の駆動回路の作動を説明する経時シーケンス図。 図１の駆動回路の作動を説明する経時シーケンス図。 図１の駆動回路の作動を説明する経時シーケンス図。 本発明のもう１つの好ましい実施例によるレーザーダイオード駆動回路の説明図。 図３の駆動回路の作動を説明する経時シーケンス図。 本発明のさらにもう１つの好ましい実施例によるレーザーダイオード駆動回路の説明図。

Claims (1)

1. 入力電圧端末と、
   前記入力電圧端末に接続されるレーザーダイオードと、
   前記レーザーダイオードの陰極に接続される誘導器と、
   第１半導体スイッチと第１抵抗とを有する、前記誘導器に接続された第１伝導経路であって、第１半導体スイッチが前記第１伝導経路を開閉可能にするために用いられる第１伝導経路と、
   第２半導体スイッチと第２抵抗とを有する、前記誘導器に接続された第２伝導経路であって、第２半導体スイッチが前記第２伝導経路を開閉可能にするために用いられる第２伝導経路と、
   前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチに接続されるＰＷＭ制御装置、とからなるレーザーダイオード駆動回路。