KR20210079298A - 충전 기능을 구비한 다채널 펄스 전류 발생기 - Google Patents

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KR20210079298A
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존 에스. 글래서
스티븐 엘. 콜리노
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이피션트 파워 컨버젼 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은, 고유한 양의 단자와 공유되는 음의 단자를 가진 다수의 부하를 구동하기 위한 다채널 전류 펄스 발생기에 관한 것이다. 펄스 발생기는 펄스 제어 트랜지스터와, 각각의 부하에 대해, 부하 커패시터 및 충전 제어 트랜지스터를 포함한다. 펄스 제어 트랜지스터는 부하를 통한 전류 펄스를 허용하거나 차단하며, 공유되는 음의 단자에 연결되는 드레인 단자, 접지에 연결되는 소스 단자 및 부하 구동기 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 단자를 갖다. 부하 커패시터는 대응하는 부하를 통해 전류 펄스에 의해 방전된다. 충전 제어 트랜지스터는 대응하는 부하 커패시터를 위한 충전 전류를 허용하거나 차단한다. 펄스 제어 트랜지스터는 바람직하게는 인핸스먼트 모드 GaN FET이며, 동시에 구동되어질 최대수의 부하를 통한 전류 펄스를 견디도록 선택된다.

Description

충전 기능을 구비한 다채널 펄스 전류 발생기
본 발명은 일반적으로 다채널 전류 펄스 발생기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 공통 단자를 가진 부하를 구동하기 위한 다채널 전류 펄스 발생기에 관한 것이다.
공통 단자를 갖는 부하를 구동하기 위한 종래의 다채널 전류 펄스 발생기는 n-타입 FET를 사용하여 턴-온 및 턴-오프 타임을 정밀하게 제어하며 높은 전류를 견딘다. n-타입 FET는 홀드와 비교하여 보통 더 높은 전자 이동도와 공통 성능지수(figures-of-merit)를 사용하여 측정할 때 결과적으로 더 우수한 n-타입 FET의 전기 성능으로 인해 일반적으로 선호된다. 다채널 전류 펄스 발생기의 몇몇 구현은 특정한 크기 및 펄스 주파수 제약을 충족해야 한다. 예컨대, 광 검출 및 레인징(라이다(lidar)) 시스템에서, 다수의 레이저 다이오드가 단일 기판 상에 집적되며 공통 캐소드를 공유하여, 레이저 다이오드는 함께 더 가깝게 배치되어 제조 동안 정밀하게 정렬되게 되어, 렌즈와 같은 광학 구성요소의 정렬을 간략화할 수 있으며 전체 시스템 크기를 감소시킬 수 있다.
공통 캐소드를 공유하지만 개별 애노드를 가지면, 레이저 다이오드는 개별적으로 제어될 수 있어서, 라이다 시스템이 모든 레이저 다이오드를 함께 동작시킬 수 있게 하거나(단일의 더 강력한 레이저를 실현), 각각의 레이저 다이오드를 개별적으로 동작시킬 수 있게 하거나, 모든 레이저 다이오드가 아닌 일부 레이저 다이오드의 조합을 한 번에 동작시킬 수 있게 한다. 다채널 전류 펄스 발생기가 각각의 부하를 개별적으로 제어할 수 있어야 할 때, 그러나 개별적인 n-타입 FET는 각각의 부하와 직렬로 배치되어야 하며, 부동 게이트 구동기가 n-타입 FET를 구동하도록 구현되어야 하며, 게이트 전압이 소스 단자에서의 전압 증가에 응답하여 증가하여 n-타입 FET를 계속 턴 온되게 함을 보장해야 한다.
도 1은, 공통 단자를 갖는 부하를 구동하기 위한 종래의 다채널 전류 펄스 발생기의 개략도를 예시한다. 도 1에서, 종래의 다채널 펄스 발생기(100)는 부하 세트(190)에서의 각 부하(195)를 위한 고유한 펄스 발생기(120)를 포함한다. 부하 세트(190)는 접지(110)에서 공통 단자를 공유한다. 이 예에서, 부하 세트(190)는 4개의 부하(195A 내지 195D)를 포함하지만, 임의의 적절한 수의 부하가 사용될 수 도 있다. 각각의 부하(195)는 레이저 다이오드로서 도시되지만, 임의의 적절한 부하가 사용될 수 도 있다. 펄스 발생기(120A 내지 120D)는 실질적으로 동일하지만, 펄스 발생기(120B 내지 120D)가 간략한 블록도로 도시되어 예시를 용이하게 한다.
부하(195A)를 위한 펄스 발생기(120A)는 가변 레벨 시프터(125), 전압원(130), 게이트 구동기(135), 제어 트랜지스터(140), 저항(145) 및 커패시터(150)를 포함한다. 저항(145)은 커패시터(150)를 충전하는데 사용되며, 커패시터(150)는 에너지를 저장하며, 이 에너지로부터 부하(195A)를 위한 전류 펄스가 제어 트랜지스터(140)를 통해 유입된다. 가변 레벨 시프터(125)는 부하 구동기 제어 신호(CTL)(105)를 수신하여 전압을 증가시키거나 CTL(125)의 유효 임피던스를 적절히 낮춰, 증가한 전압이나 전류를 가진 신호를 게이트 구동기(135)에 제공한다.
게이트 구동기(135)는, 가변 레벨 시프터(125)로부터의 신호를 기초로 하여 게이트 구동 전압을 제어 트랜지스터(140)의 게이트 단자에 제공한다. 게이트 구동기(135)는, 제어 트랜지스터(140)의 소스 단자 상의 전압을 기초로 하여 제어 트랜지스터(140)의 게이트 단자 상의 전압을 증가시켜, 부하(195A)를 통한 전류 펄스에 응답하여 그 소스 단자 상의 전압이 증가하더라도 제어 트랜지스터(140)가 계속 턴 온되게 한다.
도 2는 공통 단자를 가진 부하를 구동하기 위한 다른 종래의 다채널 전류 펄스 발생기의 개략도를 예시한다. 도 1에 도시한 다채널 펄스 발생기(100)와 유사하게, 종래의 다채널 펄스 발생기(200)는 부하 세트(290)에 도시한 각각의 부하(295)를 위한 고유한 펄스 발생기(220)를 포함하며, 이들 부하 세트(290)는 접지(210)에서 공통 단자를 공유한다. 부하(295A)를 위한 펄스 발생기(220A)는 부하 구동기 제어 신호(CTL)(205)를 기초로 하여 부트스트랩 커패시터(255)를 충전하도록 구성된다.
CTL(205)이 전류 펄스가 발생되지 않음을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(250)는 턴 오프되고, 충전 제어 트랜지스터(230)는 턴 온되어, 부트스트랩 커패시터(255)가 충전되게 한다. CTL(205)이 전류 펄스가 발생됨을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(250)는 턴 온되고, 충전 제어 트랜지스터(230)는 턴 오프된다. 부트스트랩 커패시터(255)는 게이트 구동기(245)가 펄스 제어 트랜지스터(250)의 소스 단자 상의 전압을 기초로 하여 펄스 제어 트랜지스터(250)의 게이트 단자 상의 전압을 증가시킬 수 있게 하여, 부하(295A)를 통한 전류 펄스에 응답하여 그 소스 단자 상의 전압이 증가하더라도 펄스 제어 트랜지스터(250)를 계속 턴 온되게 한다.
도 1 및 도 2에 도시한 종래의 다채널 전류 펄스 발생기에 의해 예시한 바와 같이, 부동 게이트 구동기는 접지-기준 구동기보다 더 복잡하고, 비싸며, 면적 집약적이다. 부동 게이트 구동기는 제어 신호를 부동 게이트 구동 신호로부터 격리하거나 차동 시그널링과 같은 일종의 레벨 시프팅을 구현하여, 부하가 구동될 때 전압의 신속한 변화가 제어 신호를 방해하지 않음을 보장해야 한다. 부동 게이트 구동기는 또한, 도 1에 도시한 추가 전압원(130)이나 도 2에 도시한 부트스트랩 커패시터(255)와 같이 증가한 전압을 공급하는 수단을 필요로 하여, 부동 게이트 구동기 및 확장하면 전체적으로는 다채널 전류 펄스 발생기의 면적, 복잡도 및 구성요소 가격을 더 증가시킨다.
게다가, 본 명세서에서 앞서 논의한 바와 같이, 라이다 시스템에서와 같은 다채널 전류 펄스 발생기의 일부 구현은 특정한 크기 및 펄스 주파수 제약을 충족해야 한다. 부동 게이트 구동기가 필요로 하는 증가한 면적은 레이저 다이오드의 어레이에 가까운 라이다 시스템에서 각 레이저 다이오드를 위한 고유한 부동 레이저 구동기를 설치하는 것을 어렵게 한다. 레이저 구동기를 레이저 어레이로부터 더 멀리 움직이면 인덕턴스를 증가시키며 레이저 구동시 성능을 감소시키고, 예컨대 턴-온 시간을 증가시키고, 전류 펄스가 얼마나 짧을 것인지를 제한하고, 전력 소비를 증가시키고, 필요한 공급 전압을 증가시키는 등을 하게 된다.
본 발명은, 단일의 접지-기준 펄스 제어 트랜지스터를 갖는 회로를 제공함으로써, 앞서 논의한 다채널 전류 펄스 발생기에서의 부동 게이트 구동기의 단점을 해결한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은, 본 명세서에서 기재한 바와 같이, 단일 펄스 제어 트랜지스터와, 각 채널을 위해, 부하 커패시터 및 충전 제어 트랜지스터를 포함한다. 각각의 부하 커패시터는 충전 회로에 의해 충전되며, 대응하는 부하를 통해 전류 펄스를 제공함으로써 방전된다. 각각의 충전 제어 트랜지스터는 충전 제어 신호를 기초로 하여 부하 커패시터를 위한 충전 전류를 허용하거나 차단한다. 펄스 제어 트랜지스터는 바람직하게도 갈륨 질화물(GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하며, 동시에 구동되어질 최대수(M)의 부하를 통해 전류 펄스를 견디도록 선택된다.
제1 실시예에서, 본 발명은 각 채널을 위해 고유한 충전 회로를 포함하며, 이러한 충전 회로는 대응하는 부하 커패시터를 위한 충전 전류를 발생시킨다. 충전 제어 트랜지스터와 펄스 제어 트랜지스터는 GaN FET를 포함하며, 이들의 소스 단자는 접지에 연결된다. 충전 제어 트랜지스터는 대응하는 부하를 통해 전류 펄스를 견디도록 선택된다.
동시에 구동되어질 부하의 최대수(M)가 채널의 총 수보다 작은 추가 실시예에서, 본 발명은, M개의 충전 전류를 발생시키는 M개의 충전 회로를 포함한다. 충전 제어 트랜지스터는 M개의 충전 전류를 적절한 부하 커패시터에 보내며, 대응하는 부하를 통한 전류 펄스보다 충전 펄스를 견디도록 선택된다.
구현 및 요소의 결합에 대한 여러 새로운 상세를 포함하는, 본 명세서에서 기재한 앞선 및 기타 바람직한 특성은 이제 수반하는 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 기재될 것이며 청구항에 드러날 것이다. 특정한 방법과 장치는 단지 예시로 기재되며 청구항의 제한으로서 기재되지는 않음을 이해해야 한다. 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 본 명세서에서의 교훈의 원리와 특징은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 및 수많은 실시예에서 사용될 수 도 있다.
본 개시의 특성, 목적 및 장점은, 유사한 참조 번호가 대응하여 전반적으로 식별케 하는 도면과 연계할 때 이하에서 기재된 상세한 설명으로부터 더욱 자명하게 될 것이다.
도 1은 종래의 다채널 전류 펄스 발생기의 개략도이다.
도 2는 다른 종래의 다채널 전류 펄스 발생기의 개략도이다.
도 3은, 단일 펄스 제어 FET와 저항 충전 회로를 포함하는, 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기를 예시한다.
도 4는, 단일 펄스 제어 FET와 제1 타입의 부스트 충전 회로를 포함하는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기를 예시한다.
도 5는, 단일 펄스 제어 FET와 제2 타입의 부스트 충전 회로를 포함하는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기를 예시한다.
도 6은, 충전 스티어링(steering) 회로를 포함하는, 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 전류 펄스 발생기를 예시한다.
도 7은, 단일 펄스 제어 FET, 단일 충전 회로 및 다수의 충전 스티어링 회로를 포함하는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기를 예시한다.
다음의 상세한 설명에서, 특정한 실시예를 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 이들을 실시할 수 있게 하기에 충분히 상세하게 기재된다. 다른 실시예가 사용될 수 도 있으며, 여러 구조적, 논리적 및 전기적 변화가 이뤄질 수 도 있음을 이해해야 한다. 다음의 상세한 설명에서 개시한 특성의 조합은 교훈을 최광의로 실시하기 위해 필요하지는 않을 수 도 있으며, 대신 단지 본 교훈의 특정한 대표적인 예를 기재하기 위해 교시되어 있다.
도 3은, 단일 펄스 제어 FET(385)와 저항 충전 회로를 포함하는, 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기(300)를 예시한다. 펄스 발생기(300)는 전류 펄스를 부하 세트(390)에 공급하며, 부하 세트(390)는 이 예에서 부하(395A 내지 395D)를 포함한다. 도 1 및 도 2에서처럼, 부하(395A 내지 395D)는 레이저 다이오드로서 도시되지만, 임의의 적절한 부하가 구동될 수 도 있다. 펄스 발생기(300)는, 부하 세트(390)의 공통 단자 및 접지(310)에 연결되며 부하 구동기 제어 신호(CTL)(305)를 수신하도록 구성되는 펄스 제어 트랜지스터(385)를 포함하며, 부하 구동기 제어 신호(CTL)(305)는, 부하 세트(390)에서의 부하(395) 중 임의의 것이 구동되는지의 여부를 나타낸다. CTL(305)이 부하 세트(390)에서의 부하(395) 중 어느 것도 구동되지 않음을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(385)는 턴 오프되며 개방 스위치로 동작하여, 부하 세트(390)를 통한 전류 흐름을 방지한다.
전류가 부하 세트(290)를 통해 흐르지 않는 동안, 충전 제어 트랜지스터 세트(320)는 저항 충전 회로(350)가 커패시터 세트(340)를 충전하게 한다. 저항 충전 회로(350), 커패시터 세트(340) 및 충전 제어 트랜지스터 세트(320)는 부하 세트(320)에서의 각 부하(395)를 위해 고유한 저항(355), 고유한 커패시터(345) 및 고유한 충전 제어 트랜지스터(325)를 각각 포함한다. 각각의 저항(355)은 대응하는 커패시터(345)를 위해 고유한 충전 전류를 설정하도록 상이한 저항 값을 가질 수 도 있다. 상이한 저항 값 및 상이한 충전 전류는 대응하는 커패시터(345) 상에 상이한 양의 에너지를 저장하며, 이점은 상이한 커패시터(345)로부터 유입되는 전류 펄스의 크기가 상이할 뿐만 아니라, 모든 저항이 동일한 저항 값을 갖는 저항 충전 회로와 비교하여 전류 펄스의 크기에 대한 더 미세한 제어를 허용한다.
각각의 충전 제어 트랜지스터(325)는, 대응하는 커패시터(345)가, 대응하는 부하(395)가 다음 펄스에서 구동되기 위한 준비로 충전되어야 하는지를 나타내는 고유한 충전 제어 신호(CTL)(330)를 수신한다. 예컨대, CTL(330A)이, 레이저 다이오드(395A)가 다음 펄스에서 광을 방출해야 함을 나타낸다면, 충전 제어 트랜지스터(325A)는 턴 온되며 폐쇄 스위치로서 동작하여, 저항(355A)을 통한 전류가 커패시터(345A)를 충전하게 한다. 동시에, CTL(330B)이 레이저 다이오드(395B)가 다음 펄스에서 광을 방출하지 않아야 함을 나타낸다면, 충전 제어 트랜지스터(325B)는 오프되어 개방 스위치로서 동작하여, 저항(355B)을 통한 전류가 커패시터(345B)를 충전하는 것을 방지한다.
CTL(305)이 적어도 레이저 다이오드(395A)가 구동되어 광을 방출함을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(385)는 폐쇄 스위치로서 동작하여, 펄스 전류가 커패시터(345A) 상에 저장된 에너지로부터 유입되게 하여, 레이저 다이오드(395A) 및 펄스 제어 트랜지스터(385)를 통해 흐르게 한다. 커패시터(345B)가 충전되지 않기 때문에, 펄스 전류는 이 커패시터로부터 레이저 다이오드(395B)를 통해 유입되지 않는다. 그에 따라, 부하 세트(390)에서의 각각의 부하(395)는, 펄스 발생기(300)가 단지 단일 펄스 제어 트랜지스터(385)를 포함할지라도 독립적으로 제어될 수 있다. 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D) 및 펄스 제어 트랜지스터(385)는 바람직하게는 인핸스먼트(enhancement) 모드 GaN FET 반도체 디바이스이며, 이러한 반도체 디바이스는 그 각각의 게이트 구동기(미도시)와 모놀리식으로 단일 반도체 다이에 집적된다. 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D) 및 펄스 제어 트랜지스터(385)는 접지-기준이 되어, 부동 게이트 구동기에 대한 필요를 제거하며, 도 1 및 도 2에 도시한 펄스 발생기(100 및 200)와 비교하여 펄스 발생기(300)의 복잡도, 면적 및 가격을 감소시킨다.
펄스 제어 트랜지스터(385)의 크기는 동시에 구동될 것으로 기대되는 최대수의 채널의 결합된 전류 펄스를 견디도록 선택된다. 예컨대, 모든 레이저 다이오드(395A 내지 395D)가 동시에 점등되는 구현에서, 펄스 제어 트랜지스터(385)는 단일 전류 펄스의 전류의 네 배를 견뎌야 한다. 레이저 다이오드(395A 내지 395D) 중 2개만이 임의의 주어진 시간에 점등되는 구현에서, 펄스 제어 트랜지스터(385)는 단일 전류 펄스의 전류의 두 배를 견뎌야 한다. 각각의 충전 제어 트랜지스터(325)는 그 대응하는 부하(395)로부터 단지 단일 전류 펄스의 전류를 견뎌야 한다. 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D)의 크기는 적절히 선택될 수 있거나, 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D) 각각은 별도의 큰 다이오드와 병렬로 배치될 수 있어서, 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D)가 더 작게 할 수 있다.
펄스 제어 트랜지스터(385)의 턴-온 및 턴-오프 시간은 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D)의 턴-온 및 턴-오프 속도보다 더 중요하며, 이는 펄스 제어 트랜지스터(385)가, 충전 제어 트랜지스터(325A 내지 325D)가 커패시터 세트(340)가 충전되게 하는 훨씬 더 긴 충전 기간과 비교하여, 매우 짧은 기간 동안 부하 세트(390)를 통한 전류 펄스의 지속기간과 형상을 제어하기 때문이다.
도 4는, 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따르지만, 상이한 타입의 부스트 충전 전류를 가진 다채널 전류 펄스 발생기(400)를 예시한다. 도 3에 도시한 펄스 발생기(300)와 유사하게, 펄스 발생기(400)는 충전 제어 트랜지스터 세트(420)와 커패시터 세트(460)를 포함하며, 이들 세트는 부하 세트(490)에서의 각각의 부하(495)에 대해 각각 고유한 충전 제어 트랜지스터(425) 및 고유한 커패시터(465)를 포함한다. 부하(495)는 펄스 제어 트랜지스터(485)에 연결되는 공통 단자를 공유한다. 그러나 펄스 발생기(300)와 대조적으로, 펄스 발생기(400)는 또한 인덕터 세트(440) 및 다이오드 세트(450)를 포함하며, 이들 세트는 각각 또한 각각의 부하(495)에 대해 고유한 인덕터(445) 및 고유한 다이오드(455)를 포함한다.
충전 제어 트랜지스터 세트(420), 인덕터 세트(440) 및 커패시터 세트(460)는, 대응하는 충전 제어 트랜지스터(425)가 턴 온되는 동안 인덕터(445)에 저장되는 에너지가 충전 제어 트랜지스터(425)가 턴 오프됨에 응답하여 대응하는 커패시터(465)에 전달되는 부스트 충전 회로를 구현한다. 각각의 인덕터(445)는 인덕터(445), 및 확장하여 대응하는 커패시터(465)에 저장되는 고유한 에너지량을 설정하기 위해 상이한 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 다이오드 세트(450)는 인덕터 세트(440)와 충전 제어 트랜지스터 세트(420) 사이에서 일 측 상에서 연결되며, 커패시터 세트(460)와 부하 세트(490) 사이에서 타 측 상에서 연결되어, 커패시터 세트(460)에서의 커패시터(465)는 완전히 방전하지 않는 반면, 대응하는 충전 제어 트랜지스터(425)는 턴 온되어 폐쇄 스위치로서 동작한다.
도 3의 회로의 동작과 유사하게, 부하 구동기 제어 신호(CTL)(405)가 적어도 하나의 부하(495)가 구동됨을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(485)는 폐쇄 스위치로서 동작하여, 펄스 전류가 대응하는 커패시터(465A)에 저장된 에너지로부터 유입되게 하며 부하(495) 및 펄스 제어 트랜지스터(485)를 통해 흐르게 한다.
도 5는, 도 3 및 도 4에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따르지만, 또 다른 타입의 부스트 충전 회로를 포함하는 다채널 전류 펄스 발생기(500)를 예시한다. 도 4에 도시한 펄스 발생기(400)와 유사하게, 펄스 발생기(500)는 충전 제어 트랜지스터 세트(530), 인덕터 세트(540), 다이오드 세트(550) 및 커패시터 세트(560)를 포함하며, 이들 세트는 부하 세트(590)에서의 각각의 부하(595)에 대해 각각 고유한 충전 제어 트랜지스터(525), 고유한 인덕터(545), 고유한 다이오드(550), 및 고유한 커패시터(565)를 포함한다. 부하(595)는 펄스 제어 트랜지스터(585)에 연결되는 공통 단자를 공유한다. 충전 제어 트랜지스터 세트(520), 인덕터 세트(540) 및 커패시터 세트(560)는 펄스 발생기(400)와 유사한 부스트 충전 회로를 구현한다.
도 5의 충전 회로에서, 다이오드 세트(550)는 일 측의 인덕터 세트(540)와, 타 측의 충전 제어 트랜지스터 세트(520), 커패시터 세트(560) 및 부하 세트(590) 사이에서 연결되어, 커패시터 세트(560)에서의 커패시터(565)는 방전되는 반면, 대응하는 충전 제어 트랜지스터(525)는 턴 온되어 폐쇄 스위치로서 동작하여, 커패시터 세트(560)에서의 각각의 커패시터(565)가 동일한 초기 조건으로부터 충전됨을 보장한다.
에너지가 커패시터에 저장되는 임의의 적절한 접지-기준 충전 회로가 펄스 발생기(300)의 저항 충전 회로, 펄스 발생기(400)의 부스트 충전 회로 또는 펄스 발생기(500)의 부스트 충전 회로 대신 사용될 수 도 있다. 유사하게, 임의의 수의 채널이 본 발명의 제1 실시예에 따라 다채널 펄스 발생기로 구현될 수 도 있으며, 이러한 발생기는 공유되는 저 전위 단자를 갖는 임의의 종류의 다채널 부하를 구동하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 다채널 펄스 발생기는 각각의 채널을 위해 펄스 에너지를 개별적으로 제어할 수 있다. 충전 제어 트랜지스터, 펄스 제어 트랜지스터, 충전 제어 트랜지스터 및 펄스 제어 트랜지스터에 대한 게이트 구동기, 및 기타 충전 회로 구성요소가 모놀리식으로 단일 반도체 다이에 집적될 수 도 있다. 동시에 방전되는 채널의 최대수(M)가 다채널 펄스 발생기에서 채널의 총 수 보다 작은 구현에서, 펄스 제어 트랜지스터의 크기는 모든 전류 펄스의 총 전류보다는 단일 전류 펄스의 단지 M배를 견디도록 선택되며, 트랜지스터가 점유하는 반도체 다이의 총 면적은 감소할 수 도 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 다채널 펄스 발생기는 각각의 채널을 위한 고유한 충전 회로를 포함한다. 그러나 동시에 방전되는 채널의 최대수(M)가 채널의 총 수보다 작을 때, 다채널 펄스 발생기의 면적과 가격은 충전 스티어링 회로를 포함시켜 M개의 충전 전류를 M개의 충전 회로로부터 보내 적절한 커패시터를 충전함으로써 더 감소될 수 있다. M개의 충전 회로는 재사용되며, 하나의 단일 부하 커패시터만이 아니라 다수의 채널과 관련되는 부하 커패시터를 충전한다.
도 6은, 충전 스티어링 회로(630)를 포함하는, 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 전류 펄스 발생기(600)를 예시한다. 펄스 발생기(600)는 단일 부하(695)를 구동하며 예시의 용이성을 위해 단일 충전 스티어링 회로(630)를 포함한다. 다수의 채널을 구동할 수 있으며 다수의 충전 스티어링 회로를 포함하는 다채널 펄스 발생기를 도 7을 참조하여 본 명세서에서 더 기재한다.
펄스 발생기(600)는 충전 회로(620), 충전 스티어링 회로(630) 및 펄스 제어 트랜지스터(685)를 포함한다. 충전 회로(620)는, 펄스 발생기(300)에서의 저항 충전 회로나 펄스 발생기(400 및 500)에서의 부스트 충전 회로와 같은 임의의 적절한 충전 회로일 수 도 있다. 충전 스티어링 회로(630)는 로직 제어기 및 레벨 시프터(635), 다이오드(640), 게이트 구동기(645), 부트스트랩 제어 트랜지스터(650), 부트스트랩 커패시터(655), 충전 제어 트랜지스터(660) 및 부하 커패시터(665)를 포함한다. 일부 실시예에서, 충전 제어 트랜지스터(660)는 p-타입 트랜지스터이며, 이 경우, 부트스트랩 커패시터(655) 및 부트스트랩 제어 트랜지스터(650)는 생략될 수 도 있다. 로직 제어기 및 레벨 시프트(635)는, 부하(695)가 그 다음 펄스에서 구동되는지를 나타내는 제어 신호(605)를 수신하며, 부하 커패시터(665)가 충전되어 부하(695)가 그 다음 펄스에서 구동될 수 도 있는지를 나타내는 제어 신호를 출력한다. 게이트 구동기(645) 및 부트스트랩 제어 트랜지스터(650)는 로직 제어기 및 레벨 시프터(635)로부터 제어 신호를 수신한다.
로직 제어기 및 레벨 시프터(635)로부터의 제어 신호가 부하 커패시터(665)가 충전될 필요가 없음을 나타냄에 응답하여, 게이트 구동기(645)는 충전 제어 트랜지스터(660)가 턴 오프되게 하며 개방 스위치로서 동작하게 하여, 부하 커패시터(665)를 충전 전류(ICHG)(625)로부터 분리한다. 부트스트랩 제어 트랜지스터(650)가 턴 온되며 폐쇄 스위치로서 동작하여, 부트스트랩 커패시터(655)가 다이오드(640)를 통해 공급 전압원(615)으로부터 충전되게 한다. 로직 제어기 및 레벨 시프터(635)로부터의 제어 신호가 부하 커패시터(665)가 충전될 필요가 있음을 나타냄에 응답하여, 부트스트랩 제어 트랜지스터(650)는 턴 오프되며 개방 스위치로서 동작하여, 부트스트랩 커패시터(655)가 충전을 정지한다. 충전 제어 트랜지스터(660)가 턴 온되며 폐쇄 스위치로서 동작하여, 충전 전류(ICHG)(625)가 충전 제어 트랜지스터(660)를 통해 흘러 부하 커패시터(665)를 충전하게 한다.
부하 커패시터(665)가 적절한 전압으로 충전될 때, 충전 제어 트랜지스터(660)가 턴 오프될 수 있다. 부트스트랩 제어 트랜지스터(650)는 또한 오프로 남아 있으며, 부하 커패시터(665)는, 부하 구동기 제어 신호(CTL)(605)가 부하(695)가 구동되며 전류 펄스가 저장된 에너지로부터 유입됨을 나타낼 때까지 그 충전을 홀드한다. 일부 실시예에서, 충전 회로(620)는, 부하 커패시터(665)가 적절한 전압으로 충전될 때 턴 오프되어 전력 소비를 감소시킬 수 도 있다. 충전 회로(620)가 저항 충전 회로를 포함하는 실시예에서, 충전 제어 트랜지스터(660)는 온으로 남아 있을 수 있으며, 공급 전압원(615)으로부터의 공급 전압(VSUPPLY)이 부하 커패시터(665) 양단의 전압을 결정한다.
도 7은, 단일 펄스 제어 FET(785), 단일 충전 회로(720) 및 2개의 충전 스티어링 회로(730A 및 730B)를 포함하는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다채널 전류 펄스 발생기(700)를 예시한다. 부하(795A 및 795B) 중 단지 하나가 한 번에 구동되어, 단일 충전 회로(720)는 부하(795A)에 대한 부하 커패시터(765A)와 부하(795B)에 대한 부하 커패시터(765B)를 교대로 충전하여, 각 채널을 위한 고유한 충전 회로를 포함하는 대신 두 채널 모두에 대해 동일한 충전 회로(720)를 재사용함으로써 반도체 다이 상의 공간을 절약한다. 충전 스티어링 회로(730A 및 730B)는 펄스 발생기(600)에서의 충전 스티어링 회로(630)와 실질적으로 동일하며, 도 7에서는 예시의 용이성을 위해 부분적으로 도시한다. 충전 회로(720)는, 펄스 발생기(300)에서의 저항 충전 회로나 펄스 발생기(400 및 500)에서의 부스트 충전 회로와 같은 임의의 적절한 충전 회로일 수 도 있다.
부하 구동기 제어 신호(CTL)(705)가 부하(795B)가 그 다음 펄스에서 구동되지만 부하(795A)는 아님을 나타냄에 응답하여, 충전 제어 트랜지스터(760A)는 턴 오프되며 개방 스위치로서 동작하는 반면, 충전 제어 트랜지스터(760B)는 턴 온되며 폐쇄 스위치로서 동작한다. 충전 회로(720)로부터의 충전 전류(ICHG)(725)는 충전 제어 트랜지스터(760A)의 개방 스위치에 의해 부하 커패시터(765B)를 충전하는 것이 방지되며, 대신 충전 제어 트랜지스터(760B)를 통해 부하 커패시터(765B)를 충전한다. CTL(705)이 부하(795B)가 구동되며 부하(795A)는 그렇지 아님, 즉 펄스 발생기(700)가 전류 펄스를 발생시켜야 함을 나타냄에 응답하여, 펄스 제어 트랜지스터(785)가 턴 온되며 폐쇄 스위치로서 동작하여, 두 부하 커패시터(765A 및 765B) 모두로부터 전류 펄스를 유입하려고 시도한다.
오직 부하 커패시터(765B)가 충전되기 때문에, 전류 펄스는 오직 부하 커패시터(765B)로부터 유입되어 부하(795B)를 구동한다. 부하(795A)는 오프로 남아 있다. 라이다 시스템에서, 예컨대, 충전되지 않은 부하 커패시터(765A)는 레이저 다이오드(795A)가 광을 방출하는 것을 방지하여, 라이다 시스템의 총 광 방출 및 전력 소비를 감소시키며 라이다 시스템이 눈 안전 등을 위해 부과되는 임의의 최대 광 방출 제약에 부합하는 것을 돕는다.
부트스트랩 제어 트랜지스터(750A 및 750B) 및 충전 제어 트랜지스터(760A 및 760B)는 더 높은 부하 구동 전류 펄스의 전류 경로에 있지 않으며, 충전 전류(ICHG)(725)를 견디도록 선택되어, 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 발생기와 비교하여 반도체 다이 상의 공간을 절약한다. 단지 부하 커패시터(765A 및 765B), 부하(795A 및 795B) 및 펄스 제어 트랜지스터(785)는 더 높은 부하 구동 전류 펄스를 경험한다. 펄스 제어 트랜지스터(785)는 임의의 주어진 시간에 채널의 수가 아니라 M개의 부하 구동 전류 펄스를 경험하며, 그에 따라 크기가 조정된다.
임의의 수의 채널이 포함되어 동시에 구동되어질 채널의 최대수(M) 및 채널의 총 수를 기초로 하여 단일 충전 회로로부터 동작할 수 도 있다. 예컨대, 다채널 펄스 발생기는 총 8개의 부하를 구동하지만, 단지 한 번에 2개의 부하를 구동한다. 다채널 펄스 발생기는 8개의 채널을 위해 8개의 충전 스티어링 회로와 단일 충전 회로를 포함할 수 도 있다. 단일 충전 회로는 단일 부하 커패시터를 위해 충전 전류의 크기의 두 배인 충전 전류를 발생시킬 수 도 있으며, 8개의 충전 스티어링 회로가 이 충전 전류를 다채널 펄스 발생기에 제공되는 외부 제어 신호를 기초로 하여 적절한 부하 커패시터에 보낸다. 교대로, 전류 펄스 사이의 시간 기간이, 동시보다는 순차적으로 다수의 부하 커패시터를 충전하기에 충분히 긴 것에 응답하여, 단일 충전 회로는 단일 부하 커패시터를 위한 충전 전류와 동일한 크기의 충전 전류를 발생시킬 수 도 있으며, 8개의 충전 스티어링 회로가 이 충전 전류를 사용하여 적절한 부하 커패시터를 순차적으로 충전한다.
앞선 상세한 설명 및 도면은 단지, 본 명세서에서 기재한 특성과 장점을 달성하는 특정 실시예를 예시하는 것으로 생각된다. 특정 공정 조건에 대한 변경과 대체가 이뤄질 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 앞선 상세한 설명과 도면에 의해 제한되는 것으로 생각되지는 않는다.

Claims (17)

  1. 고유한 양의 단자(unique positive terminals)와 공유되는 음의 단자를 가진 다수의 부하를 구동하기 위한 다채널 전류 펄스 발생기로서,
    부하 구동기 제어 신호를 기초로 하여 상기 다수의 부하를 통한 전류 펄스를 허용하거나 차단하며, 상기 공유되는 음의 단자에 연결되는 드레인 단자, 접지에 연결되는 소스 단자 및 상기 부하 구동기 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 단자를 갖는 펄스 제어 트랜지스터; 및
    상기 다수의 부하의 각각의 부하에 대해:
    충전 회로에 의해 충전되며 전류 펄스를 상기 각각의 부하에 제공함으로써 방전되도록 구성되는 부하 커패시터; 및
    충전 제어 신호를 기초로 하여 상기 충전 회로로부터 상기 부하 커패시터로 충전 전류를 허용하거나 차단하기 위한 충전 제어 트랜지스터를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스 제어 트랜지스터는 질화 갈륨(GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 펄스 제어 트랜지스터는 인핸스먼트(enhancement) 모드 GaN FET를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 충전 회로는 저항 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 충전 회로는 인덕터와 다이오드를 포함하는 부스트 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 부하의 각각의 부하에 대해, 상기 다채널 전류 펄스 발생기는:
    각각의 부하 커패시터로의 충전 전류를 발생시키기 위한 고유한 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 다수의 부하를 위한 고유한 충전 회로는 상기 각각의 부하에 따라 상이한 충전 전류를 발생시키도록 구성되는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 충전 제어 트랜지스터는 대응하는 부하를 통한 전류 펄스를 견디도록 선택되는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스 제어 트랜지스터는 상기 다수의 부하를 통한 전류 펄스를 견디도록 선택되는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 충전 제어 트랜지스터는 GaN FET들을 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 충전 제어 트랜지스터는 인핸스먼트 모드 GaN FET들을 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  12. 청구항 1에 있어서, 동시에 구동되어질 부하의 최대수(M)가 상기 다수의 부하보다 작으며, 상기 다채널 전류 펄스 발생기가 M개의 충전 전류를 발생시키기 위한 M개의 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 M개의 충전 회로 중 적어도 하나는 저항 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 M개의 충전 회로 중 적어도 하나는 부스트 충전 회로를 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 펄스 제어 트랜지스터는 M개의 부하를 통한 M개의 전류 펄스를 견디도록 선택되는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 충전 제어 트랜지스터는 GaN FET들을 포함하며, 상기 다수의 부하의 각각의 부하에 대해, 상기 다채널 전류 펄스 발생기는:
    추가 전압을 상기 충전 제어 트랜지스터의 게이트 단자에 제공하기 위한 부트스트랩 커패시터; 및
    부트스트랩 제어 신호를 기초로 하여 상기 부트스트랩 커패시터를 위한 부트스트랩 충전 전류를 허용하거나 차단하기 위한 부트스트랩 제어 트랜지스터를 포함하며,
    상기 부트스트랩 제어 트랜지스터와 상기 충전 제어 트랜지스터는 동시에 온되지 않는, 다채널 전류 펄스 발생기.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 충전 제어 트랜지스터는 인핸스먼트 모드 GaN FET들을 포함하는, 다채널 전류 펄스 발생기.
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