JPH08228026A - ダイオード駆動電流源 - Google Patents

ダイオード駆動電流源

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JPH08228026A
JPH08228026A JP7316868A JP31686895A JPH08228026A JP H08228026 A JPH08228026 A JP H08228026A JP 7316868 A JP7316868 A JP 7316868A JP 31686895 A JP31686895 A JP 31686895A JP H08228026 A JPH08228026 A JP H08228026A
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ジョー・エー・オーティズ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、電力損失が少なく動作速度の高い
レーザを駆動する発光ダイオードアレイ等の駆動用電流
源を提供することを目的とする。 【解決手段】 電源11と、電源11と発光ダイオードアレ
イ等の負荷13との間に結合されて調整された電流を供給
する定電流源21と、負荷13と並列に結合されたシャント
スイッチ34と、このシャントスイッチ34のデューティ係
数を設定するデューティ係数制御装置35とを具備してい
ることを特徴とする。定電流源21は電源11と直列に接続
されたスイッチングトランジスタ24と共振インダクタ27
とフィルタインダクタ28との直列接続と、フィルタイン
ダクタ28および負荷13と並列に接続された共振キャパシ
タ25およびキャッチダイオード22と、負荷電流を検知す
るセンサ32と、センサ32とスイッチングトランジスタ24
との間に結合されて負荷電流を調整する制御手段26とを
備えている疑似共振コンバータで構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイオード駆動電
流源に関し、特に、ダイオードポンプレーザ等により使
用するためのダイオード駆動電流源に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイオードポンピングはその比較的高い
電気・光効率のために固体レーザシステムで使用される
ポンプ源として使用することが技術的に選択されるよう
になっている。ダイオードポンピングが使用される以前
にはポンプ源としてフラッシュランプが使用されてい
た。その典型的なシステム効率は１乃至２％である。こ
の低い効率は主として低い電気・光変換効率によるもの
である。ダイオードポンピングの使用はその高い電気・
光変換効率により１０乃至１５％のレーザシステム効率
を得ることができる。したがって、必要な入力電力を１
／１０に減少することができる。
【０００３】ダイオードポンピングにはポンプダイオー
ドを駆動するために高電力のパルスの調整された電流源
が必要とされる。通常の電流源は出力電流を制御するた
めに直列消費型調整装置またはパルス幅変調（ＰＷＭ）
変換器のいずれかが使用される。例えばダイオードポン
ピングレーザによって必要とされるような高い出力電流
で使用されるとき、これらの２つの技術はいずれも高い
電力損失を生じて非常に効率が悪い。直列消費型調整装
置は直列の通過トランジスタ素子の両端の電圧降下によ
る電力損失を生じ、損失電力はＰ＝（Ｖin−Ｖout ）・
Ｉout によって与えられる。高い出力電流においては、
この電力損失は非常に高くなる。ＰＷＭ変換器はスイッ
チングトランジスタ中の高いスイッチング損失の影響を
受け、特にキャッチダイオードの逆回復およびキャッチ
ダイオード中のスイッチング損失により影響を受ける。
高い出力電流において逆回復は非常に大きくなり、その
結果電力損失も非常に大きくなる。
【０００４】本発明の出願人は以前に疑似共振ダイオー
ド駆動電流源を開発し、それは米国特許第５，２８７，
３７２号明細書に記載されており、それは通常のダイオ
ード駆動電流源に関係した多くの問題を克服するもので
ある。しかしながら、そのような疑似共振ダイオード駆
動電流源は比較的長い（１０μｓ）立上りおよび立下が
り時間を有する。さらに、この疑似共振ダイオード駆動
電流源はただ１つの負荷しか駆動することができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明の目
的は、改良されたダイオード駆動電流源を提供すること
である。本発明の別の目的は、ダイオードポンプレーザ
により使用されるためのダイオード駆動電流源を提供す
ることである。本発明のさらに別の目的は、複数の負荷
を駆動することのできるダイオード駆動電流源を提供す
ることである。
【０００６】ダイオードポンピングはそれが高い電気・
光効率を有しているために固体レーザシステムで現在使
用されている。本発明は高電流の調整された電流源を必
要とする固体ダイオードポンプレーザの分野において著
しい発展を与えるものである。効率のよい電流源なしに
はダイオードポンプレーザは実用的なものとすることは
できない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は電流を供給する調整された定電流の電源を
使用するダイオード駆動電流源を提供する。負荷電流は
シャントスイッチによって制御される。負荷が５０％よ
り小さいデューティ係数を使用する場合には、１つのダ
イオード駆動電流源はそれぞれ１００％／Ｎのデューテ
ィ係数のＮ個の異なるインピーダンスの負荷を駆動する
ことができる。
【０００８】さらに詳しく説明すると、本発明は、電源
と、電源と負荷との間に結合されて負荷にパルス電流を
供給する電力コンバータとを具備している負荷駆動用電
流源を提供する。負荷を流れる電流を検出するためのセ
ンサが設けられる。制御装置はセンサと負荷との間に結
合されて負荷に供給されるパルス電流の振幅を調整す
る。シャントスイッチが負荷と並列に結合され、デュー
ティ係数制御装置がこのシャントスイッチに結合されて
このシャントスイッチのデューティ係数を設定する。
【０００９】本発明はまた発光ダイオードアレイの駆動
のためのレーザ駆動回路を提供し、それは、電源と、こ
の電源に結合されて電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、こ
の電荷蓄積手段に結合された個々の複数の発光ダイオー
ドをそれぞれ含む複数の発光ダイオードアレイとを具備
している。複数のダイオード駆動電流源はそれぞれ複数
の発光ダイオードアレイと結合されている。その代りに
デューティ係数が十分に低ければ単一のダイオード駆動
電流源が全ての発光ダイオードアレイを駆動することが
できる。各ダイオード駆動電流源は、各発光ダイオード
アレイと並列に結合されたシャントスイッチと、シャン
トスイッチに結合されてデューティ係数を設定するデュ
ーティ係数制御装置を具備している。
【００１０】米国特許５２８７３７２号明細書に記載さ
れているような疑似共振コンバータを電流源として使用
すれば高い変換効率を得ることができる。この高い変換
効率は電力からの供給電力を減少させ、それ故高い信頼
性を得ることができる。この改善された変換効率は消費
電力を非常に節減することになるので高い電流レベルで
は非常に大きい利点である。
【００１１】しかしながら、本発明のダイオード駆動電
流源はまた前記米国特許５２８７３７２号明細書に記載
されているような通常のダイオード駆動電流源に比較し
て非常に急速な出力パルスの立上り立下り時間を与え、
それはさらに効率を改善する。さらに本発明のダイオー
ド駆動電流源は１個の駆動電流源でＮ個の複数の異なる
インピーダンスの負荷をそれぞれ１００％／Ｎのデュー
ティ係数で駆動することができる。これは寸法、重量を
著しく減少させ、信頼性を増加させる。
【００１２】本発明は、航空機搭載および地上レーザシ
ステム、材料処理レーザ、地球観測センサ、水中監視
（沿岸機雷検出）、赤外線対抗手段のような高電力固体
ダイオードポンプレーザに使用されることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１におい
て、本発明によるダイオード駆動電流源20, 20a を使用
するレーザダイオード駆動回路10のブロック図が示され
ており、それは可変数の発光ダイオード16を有するレー
ザダイオードアレイのような１個または複数個の負荷13
を駆動する。個々のレーザダイオードアレイ13のそれぞ
れは２個の増幅器および発振器（図示せず）の一部であ
るレーザ結晶（図示せず）をポンプするように構成され
ている。各レーザダイオードアレイ13は電源11とダイオ
ード駆動電流源20, 20a の１つとの間に直列に結合され
ている。保護用ダイオード17は複数の発光ダイオード13
に結合されて逆電圧状態の場合に複数の発光ダイオード
16を保護するために使用される。キャパシタ12のような
電荷蓄積手段を使用する容量性分離が複数のレーザダイ
オード電流源20, 20a の間に設けられている。キャパシ
タ12はレーザダイオードアレイ13を付勢するためにダイ
オード駆動電流源20, 20a により最終的に制御される電
荷の蓄積のために使用される。
【００１４】図２は本発明の原理による第１のダイオー
ド駆動電流源20の概略図である。ダイオード駆動電流源
20は定電流源21を備え、それは発光ダイオードアレイ13
のような負荷13に出力電流を供給する。ダイオード駆動
電流源20はゼロ電流切替え全波疑似共振バック（buck）
コンバータ21、デューティ係数制御装置35、シャントス
イッチ34を備えている。しかしながら、本発明のダイオ
ード駆動電流源20は他のコンバータ形態で容易に構成さ
れることができることを理解すべきである。疑似共振コ
ンバータ21は寄生部品を使用し、或いは最小限それらの
影響が無視されるように寄生部品をマスクする。
【００１５】ゼロ電流切替え疑似共振コンバータ21は、
図示のように接続されたスイッチングトランジスタ24、
共振インダクタ27、フィルタインダクタ28、共振キャパ
シタ25、キャッチダイオード22、出力電流センサ32、疑
似共振制御装置26を備えている。出力電流センサ32はフ
ィルタインダクタ28を流れる出力電流を検知し、検知線
33によって疑似共振制御装置26に接続され、この疑似共
振制御装置26はスイッチング周波数の変化によってフィ
ルタインダクタ28を流れる平均電流の量を調整する。疑
似共振コンバータ21は調整された電流を出力する。
【００１６】共振インダクタ27はスイッチ時間中スイッ
チングトランジスタ24に対して高いインピーダンスを与
え、したがってスイッチングトランジスタ24のスイッチ
ング損失を減少させる。共振キャパシタ25はキャッチダ
イオード22のキャパシタンスおよび逆回復をマスクし、
したがってキャッチダイオード22のスイッチング損失を
減少させる。この構造は本質的に損失のないスイッチン
グを可能にする。疑似共振コンバータ21の詳細な説明は
文献に記載されている（例えば“Linear Integrated Ci
rcuits DaTa and Applications Handbook ”1990年Unit
rode Integrated Circuits Corporation発行）。
【００１７】本発明によれば定電流源21からの出力電力
はシャントスイッチ34によって制御される。シャントス
イッチ34はデューティ係数制御装置35を使用して切替え
られ、その入力信号はシャントスイッチ34のデューティ
係数を決定或いは設定するデューティ係数を含んでい
る。閉じたシャントスイッチ34によって、負荷13に電力
は供給されず、本質的にシャントスイッチ34中で電力は
消費されない。したがってダイオード駆動電流源20の効
率は非常に高く、ほぼ１００％に達し、負荷電流の立上
り立下り時間は非常に速く、典型的に１μｓ以下であ
る。負荷電流の立上りおよび立下り時間は図４および５
に示されている。
【００１８】図３は複数の負荷を駆動するために使用す
る本発明による第２のダイオード駆動電流源20a の概略
図である。このダイオード駆動電流源20a はそれぞれ発
光ダイオードアレイ13から構成されることのできる２個
の負荷13と並列に接続されたシャントスイッチ34を備え
ている。各負荷13はそれぞれ直列の第１および第２のス
イッチ34a, 34bを通って電源11の負の出力端子に結合さ
れている。直列の第１および第２のスイッチ34a, 34bは
シャントスイッチ34に関して上述したような方法でそれ
ぞれデューティ係数制御装置35によって制御される。
【００１９】動作において、閉じられたシャントスイッ
チ34によって、各負荷13に電力は供給されない。第１の
直列スイッチ34a が閉じられ、シャントスイッチ34は開
かれた場合、調整された電流は第１の負荷13に供給され
る。第２のスイッチ34b が閉じられ、第１の直列スイッ
チ34a が開かれた場合には、調整された電流は第２の負
荷13に供給される。シャントスイッチ34が閉じられた場
合にはいずれの負荷13にも電力は供給されない。
【００２０】ゼロ電流切替え全波疑似共振バック（buc
k）コンバータ21が本発明により使用するために説明さ
れ、それは定電流源21として使用されることができる。
しかしながら、本発明の技術的思想は他の電流源技術に
も同様に適用できることを理解すべきである。
【００２１】ダイオード駆動電流源20はスパイスベース
（spice base）のコンピュータ解析を使用してシミュレ
ートすることができる。図４および５は本発明の機能お
よび効果を示すシミュレーションの結果から導出された
負荷電流波形である。スパイスベースのコンピュータ解
析は図４および５の波形を発生するために使用された。
シミュレーションの結果は本発明のダイオード駆動電流
源の機能および効果を示している。予想される効率は約
９３％である。
【００２２】原型が組立てられ、試験された。この原型
の特性は図４および５に示された予測された特性と非常
に良く整合している。原型の効率は予測された効率９３
％とほぼ整合している。
【００２３】以上、新しい改良されたダイオード駆動電
流源について説明し、特にダイオードポンプレーザに使
用されるダイオード駆動電流源および複数の負荷を駆動
することのできるダイオード駆動電流源について説明し
た。上記の実施例は本発明の原理の適用を説明する多く
の実施態様の中のいくつかを単に例示したものであるこ
とを理解すべきである。多くの他の構成が本発明の技術
的範囲を逸脱することなく当業者によって容易に実施で
きることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の疑似共振ダイオード駆動電流源を使用
するレーザダイオード駆動回路のブロック図。
【図２】本発明の原理によるダイオード駆動電流源の簡
単化されたブロック図。
【図３】多数の負荷を駆動するために使用される本発明
の原理によるダイオード駆動電流源の簡単化されたブロ
ック図。
【図４】本発明の機能および効果を示すシミュレーショ
ンの結果から得られた波形図。
【図５】本発明の機能および効果を示すシミュレーショ
ンの結果から得られた波形図。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電源と、 電源と負荷との間に結合されて負荷に調整された電流を
    供給する定電流源と、 負荷と並列に結合されたシャントスイッチと、 このシャントスイッチに結合されてこのシャントスイッ
    チのデューティ係数を設定するデューティ係数制御装置
    とを具備していることを特徴とする負荷駆動用電流源。
  2. 【請求項２】 負荷が発光ダイオードアレイを含む請求
    項１記載の電流源。
  3. 【請求項３】 定電流源が疑似共振コンバータを具備し
    ている請求項１記載の電流源。
  4. 【請求項４】 疑似共振コンバータは、 電源と直列に接続されたスイッチングトランジスタと、 このスイッチングトランジスタと直列に接続された共振
    インダクタと、 この共振インダクタと直列に接続されたフィルタインダ
    クタと、 フィルタインダクタおよび負荷と並列に結合された共振
    キャパシタおよびキャッチダイオードと、 負荷に供給される電流を検知する電流検知手段と、 この電流検知手段とスイッチングトランジスタとの間に
    結合されて負荷に供給される電流の振幅を調整する制御
    手段とを具備している請求項３記載の電流源。
  5. 【請求項５】 制御手段が疑似共振制御装置を具備して
    いる請求項４記載の電流源。
  6. 【請求項６】 複数の負荷を駆動し、 電源と負荷との間にそれぞれ結合された第１および第２
    の直列スイッチを具備し、それら第１および第２の直列
    スイッチはデューティ係数制御装置に結合されてこのデ
    ューティ係数制御装置によって制御される請求項１記載
    の電流源。
  7. 【請求項７】 複数の負荷が発光ダイオードアレイを含
    む請求項６記載の電流源。
  8. 【請求項８】 複数の負荷を駆動するための電流源にお
    いて、 電源と、 電源と複数の負荷との間に結合されて負荷に電流を供給
    する定電流源と、 複数の負荷と並列に結合されたシャントスイッチと、 電源と複数の負荷との間にそれぞれ結合された複数の直
    列スイッチと、 前記シャントスイッチおよび前記複数の直列スイッチに
    結合されてそれらのデューティ係数を設定するデューテ
    ィ係数制御装置とを具備していることを特徴とする複数
    の負荷の駆動用電流源。
  9. 【請求項９】 複数の負荷が発光ダイオードアレイを含
    む請求項８記載の電流源。
  10. 【請求項１０】 電流源が疑似共振コンバータを具備し
    ている請求項８記載の電流源。
  11. 【請求項１１】 疑似共振コンバータは、 電源と直列に接続されたスイッチングトランジスタと、 このスイッチングトランジスタと直列に接続された共振
    インダクタと、 この共振インダクタと直列に接続されたフィルタインダ
    クタと、 フィルタインダクタおよび負荷と並列に結合された共振
    キャパシタおよびキャッチダイオードと、 負荷に供給された電流を検知する電流検知手段と、 この電流検知手段とスイッチングトランジスタとの間に
    結合されて負荷に供給される電流の振幅を調整する制御
    手段とを具備している請求項８記載の電流源。
  12. 【請求項１２】 発光ダイオードアレイの駆動のための
    レーザ駆動回路において、 電源と、 この電源に結合されて電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、 この電荷蓄積手段に結合され、予め定められた低いデュ
    ーティサイクルで動作する個々の複数の発光ダイオード
    をそれぞれ含んでいる複数の発光ダイオードアレイと、 予め定められた低いデューティサイクルで動作するに電
    流を供給する発光ダイオードアレイと並列に結合された
    シャントスイッチと、 複数の発光ダイオードアレイに結合され、シャントスイ
    ッチの予め定められた低いデューティサイクルを設定す
    るためにシャントスイッチに結合されたデューティ係数
    制御装置を備えているダイオード駆動電流源とを具備し
    ていることを特徴とするレーザ駆動回路。
  13. 【請求項１３】 それぞれ複数の発光ダイオードアレイ
    に結合された複数のダイオード駆動電流源をさらに具備
    し、各ダイオード駆動電流源は発光ダイオードアレイと
    並列に結合されたシャントスイッチを具備し、デューテ
    ィ係数制御装置はシャントスイッチに結合されてそのデ
    ューティ係数を設定する請求項１２記載のレーザ駆動回
    路。
  14. 【請求項１４】 各ダイオード駆動電流源が、 電源とダイオードアレイとの間に結合されてダイオード
    アレイに出力電流を供給する定電流源と、 ダイオードアレイと並列に結合されたシャントスイッチ
    と、 このシャントスイッチに結合されてこのシャントスイッ
    チのデューティ係数を設定するデューティ係数制御装置
    とを具備している請求項１３記載のレーザ駆動回路。
JP7316868A 1994-12-05 1995-12-05 ダイオード駆動電流源 Pending JPH08228026A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US34957294A 1994-12-05 1994-12-05
US349572 1994-12-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH08228026A true JPH08228026A (ja) 1996-09-03

Family

ID=23372986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7316868A Pending JPH08228026A (ja) 1994-12-05 1995-12-05 ダイオード駆動電流源

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5736881A (ja)
EP (1) EP0716485B1 (ja)
JP (1) JPH08228026A (ja)
CA (1) CA2159842A1 (ja)
DE (1) DE69515969T2 (ja)
ES (1) ES2144108T3 (ja)
IL (1) IL116239A (ja)

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