專利名稱：鐳射二極管驅動電路及其方法
技術領域：
本發(fā)明系有關電路設計，特別系關于鐳射二極管驅動電路及其方法。
背景技術：
鐳射二極管或稱半導體鐳射具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、 使用壽命長、以及容易由電流大小來控制其輸出功率、頻率等特性。 這些特性使它廣泛應用于信息處理、光纖通訊、家電用品及精密測量 上。
鐳射二極管的注入電流必須大于臨界電流密度，才能發(fā)出鐳射 光。鐳射二極管的特色之一，是能直接從電流控制其輸出光的強弱。
鐳射二極管和一般的二極管有相似的P-N接面結構，而其差異 主要是半導體鐳射具有一對鏡面做為共振腔。目前鐳射二極管依照接 面結構分類一般包括單異質結構(single heterostructure)、雙異質結構 (double heterostructure)、量子井(quantum well)結構以及垂直共振 腔面射型鐳射(vertical cavity surface emitting laser)。
半導體鐳射依波長及應用，大致可分為短波長與長波長鐳射兩大 類。短波長鐳射包含發(fā)光波長由3卯奈米到950奈米的鐳射，主要 使用于光驅、激光打印機、條形碼機、掃描儀及指示器等光信息及顯 示的應用；長波長鐳射則涵蓋發(fā)光波長由980奈米至1550奈米之 鐳射，主要用于光纖通訊。
一般鐳射二極管必須使用鐳射二極管驅動器(laser diode driver, LDD)驅動之。鐳射二極管驅動電路是用來提供給予鐳射二極管所需 的電流,將原本是電能轉換為光能。于現(xiàn)今技術中，其驅動器常會消 耗過多的功率，降低鐳射二極管的光電轉換效率。
于鐳射二極管驅動電路上，除了每個電子組件都有雜散電容外， 于連接器上的接觸點以及印刷電路板的導電箔上都有寄生電感。在電源轉換器做電流切換時，電感會產生電壓降；即AV-L^Ai/At。電壓 降正比于寄生電感值及電流變動量，并與切換時間成反比。
在使用高頻、大電流方波電源轉換器供給鐳射二極管趨動電路 時，要求快速的電流切換，即在很短的上升及下降時間切換電流準位。 在電流切換時，在電流流通路徑上的寄生電感會產生可觀的電壓降， 須有額外的電壓降來驅動鐳射二極管，以達到快速電流切換的需求。 但追加額外的電壓在電流穩(wěn)態(tài)時，相對的產生額外的功率損耗，使能 量轉換效率大幅降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明之目的系提供一鐳射二極管驅動電路，以克服前述問題。
本發(fā)明之目的系于電流切換的上升時間(rise time)中，增加額外正 電壓或負電壓的脈沖，達到快速電流切換，并減少功率耗損。
本發(fā)明系揭露一種鐳射二極管驅動電路，包含一第一路徑，具有 一鐳射二極管以及半導體組件開關，其中半導體組件開關系用于導通 或關閉第一路徑。 一第一供電路徑，耦合至第一路徑，提供一第一電 壓至第一路徑，其中第一供電路徑具有一電源轉換器、 一第一電感以 及一第一儲存之裝置，其中電源轉換器提供第一電壓至第一儲存裝 置。 一第二供電路徑，耦合至第一路徑，第二供電路徑具有一提供電 壓脈沖之裝置、 一第二電感以及第二儲存裝置，其中提供電壓脈沖至 第一儲存裝置。 一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation ， PWM)控制 器耦合至半導體組件開關以及提供電壓脈沖之裝置。
本發(fā)明亦提供一種驅動鐳射二極管之方法，包含一電源轉換器提 供一第一電壓至第一電容以及鐳射二極管。利用一脈波寬度調變控制 器傳送控制信號至一半導體組件開關以及一電壓脈沖產生器。以及電 壓脈沖產生器依照控制信號提供一第二電壓至一第二電容器。


圖1根據(jù)本發(fā)明之較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路 示意圖。
圖2A-圖2C根據(jù)本發(fā)明之較佳實施例，為圖1電路之時序圖，
6用以說明其電路的操作狀態(tài)。
圖3根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極管驅動 電路示意圖。
圖4根據(jù)本發(fā)明之較佳實施例，為圖3電路之時序圖，用以說明 其電路的操作狀態(tài)。
圖5根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極管驅動 電路示意圖。
圖中
10鐳射二極管驅動電路
12第一路徑
14第二路徑
16PWM控制器
30鐳射二極管驅動電路
31第一供電路徑
32直流/直流轉換器
33第二供電路徑
34PWM控制器
35第一路徑
36電壓脈沖產生器
40鐳射二極管驅動電路
42負電壓脈沖產生器
具體實施例方式
本發(fā)明將配合其較佳實施例與隨附之圖示詳述于下。應可理解者 為本發(fā)明中所有之較佳實施例僅為例示之用，并非用以限制。因此除 文中之較佳實施例外，本發(fā)明亦可廣泛地應用在其它實施例中。且本 發(fā)明并不受限于任何實施例，應以隨附之申請專利范圍及其同等領域而定。
本發(fā)明系揭露一種鐳射二極管驅動電路。本發(fā)明之鐳射二極管驅
動電路只在電流切換上升時間(rise time)追加額外正電壓或負電壓的短脈沖驅動鐳射二極管，達到快速電流切換目的；在電流穩(wěn)態(tài)時電壓 快速的回復到較原準位，將額外的功率損耗減到最小。本發(fā)明之鐳射 二極管驅動電路可提升應用于低電壓、高頻、大電流方波驅動型高功 率(S500mW)半導體鐳射二極管及高功率發(fā)光二極管等的電源轉換 器能量轉換效率。
本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路在不增高輸入電壓的情況下，于電 流切換上升期間提供另一條較低阻抗路徑，在電流上升期間使電感端 有較高的分壓，使得電流上升率增大。在電流準位達到所需求值時， 將前述所提供的低阻抗路徑開路，使電流準位保持在原需求準位；達 到加快速電流上升速度目的。
圖1根據(jù)本發(fā)明之較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路 10示意圖。鐳射二極管驅動電路10包括兩個MOSFET開關Ql與 Q2所形成的第一路徑12以第二路徑14。第一路徑12之阻抗系大于 第二阻抗14。本發(fā)明系提供一較低阻抗的路徑14，于電流切換期間， 使電感L端具有較高的分壓，以致電流上升率增加。
輸入電壓端Vin串連一輸入電感Lin。輸入電容Cin—端連接至輸 入電感Lin以及鐳射二極管LD的正極，其另一端接地。電感L之I 端連接至鐳射二極管LD之負極，其另一端連接至第一路徑12以及 第二路徑14。流經鐳射二極管LD之電流i(t)等于流入第一路徑12 以及第二路徑14的電流值IQ1以及IQ2。
第一路徑12包括電阻Rl以MOSFET開關Ql;第二路徑14包 括電阻R2以及MOSFET開關Q2。第一路徑12中的電阻R1電阻值 較第二路徑14的電阻R2。 Ql以及Q2的閘極個別地接收外部的 PWM(Pulse Width Modulation)控制器16所傳送的控制信號控制開關 Q1及Q2的頻率以及工作周期(dutycircle)。
參照圖2A至圖2C，為圖1鐳射二極管驅動電路10之時序圖， 用以說明其電路的操作狀態(tài)。當，0-Tl時，外部PWM控制器16個 別傳送控制信號至第一路徑12的開關Ql閘極以及第二路徑的開關 Q2閘極，使開關Ql以及Q2皆導通，則流經鐳射二極管LD之電流 為
<formula>formula see original document page 8</formula>當t-Tl-T2時，開關Q2已關閉，開關Q1仍導通，故只剩第一
路徑12有電流流過，則流經鐳射二極管LD之電流為 Vs Rl Rl
i(t)=( H )x(l-eXp(- ^ x(t-Tl))十i(Tl"(exp(- T x(t-Tl)))
若t〉3(L/R)，貝Ui(t)- ^
當t^T2時，開關Q1及Q2皆關閉。因此，第一路徑12以及第 二路徑14皆開路。
由上述可知，于t-0-Tl時，增加了一阻抗較低的第二路徑14， 使鐳射二極管驅動電路IO在電流上升期間使得電流上升率變快，達 到增加電流上升之速度。于上升時間(risetime)，本發(fā)明之輸出電流較 習知技術所需之時間縮短約20-30%。
圖3根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極管驅動 電路30示意圖。參照圖3以及圖4，鐳射二極管趨動電路30包括一 第一供電路徑31以及第二供電路徑33。第一供電路徑31與第二供 電路徑33個別地耦合至由鐳射二極管LD、電阻、電感以及半導體組 件開關所組成的第一路徑35。
直流/直流轉換器(DC/DC converter)32連接至電感L,并提供振 幅為Vdel之直流電壓至第一路徑35。電容d由直流/直流轉換器32
所供給之電壓充電。二極管D2順向導通，電流透過二極管D2、寄生
電感Lprl流至鐳射二極管LD。因此電容d之電壓等于二極管D2之 順向偏壓Vro2加上節(jié)點A之電壓VA: VCI=Vdcl=VFD2+VA
外部PWM控制器34連接至MOSFET開關Ql之閘極以及電壓 脈沖產生器36。外部PWM控制器34傳送同步控制信號至MOSFET 開關Ql以及電壓脈沖產生器36。開關Ql依照外部PWM控制器34 的控制信號導通或關閉。電壓脈沖產生器36連接至電感L2。電感乙2 之另一端連接至電容C3以及電阻Rcs2。電壓脈沖產生器36依照外部 PWM控制器34所傳送之控制信號提供電壓脈沖至電容C3。當外部 PWM控制器34所傳送的控制信號于非工作周期(off duty)時，脈沖產
生器36提供振幅為VDC2的電壓至電容Q充電。于上述控制信號處
于工作周期時，停止供給電壓給電容C3以及電感L2
開關Ql依照外部PWM控制器34傳送的控制信號調整開關頻率與工作周期。當開關Q1導通時，自電容C3輸出之電流I。ut流經電阻
RcS2以及鐳射二極管LD至開關Ql至等電位端，其中電感LF2以及
L^為寄生電容。電容C2充電。輸出電流I。ut的上升斜率取決于電流
流過路徑之寄生電容及寄生電感的電壓降。輸出電流I。ut之最大值
I =_VDC2_
(Rcs2 +RCS1 +RQlon)
其中RQ'。-為開關Q1導通時的電阻值。
電容C3持續(xù)放電。當放電至其電壓Vc小于(Vod-vfd2)時，則由
電容Q供給電流。因此，此時的輸出電流最大值I'。w為
T. 一 (Vod - VFD2) 1 out =-
(RCS1 +RQ1OT)
直到開關Q1關閉，則電容C2藉由R2、 Rcsi及Di放電。由上述 可知，電壓脈沖產生器36開始再提供電壓脈沖至電容C3充電，并持 續(xù)重復上述動作。由圖4可知，本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路可有效
減少開關Q1導通時的功率損失PL。M。
參照圖5，根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實施例，為本發(fā)明之鐳射二極 管驅動電路40示意圖。鐳射二極管驅動電路40與圖3之電路30類 似，故相似部分不再贅述。驅動電路40系利用負電壓脈沖產生器42 產生負電壓脈沖以加快電流切換之速度，不需要二極管D2,如此更
可減少由二極管D2導通的功率損耗以及電流切換延遲。
本發(fā)明亦揭露一種鐳射二極管驅動之方法，應用于脈波驅動型高 功率半導體鐳射二極管及高功率發(fā)光二極管。首先，直流/直流轉換 器提供一第一電壓VDCI至第一電容器以及鐳射二極管負載。利用外 部PWM控制器傳送控制信號控制耦合至鐳射二極管負載之半導體組 件開關以及電壓脈沖產生器。電壓脈沖產生器接收上述控制信號后， 依照外部PWM控制器所傳送的控制信號提供一第二電壓Vdc2至第 二電容器。于上述控制信號處于非工作周期時，電壓脈沖產生器提供 電壓至第二電容器。半導體組件開關接收上述控制信號后，于上述控 制信號處于工作周期時導通。
當半導體組件開關導通時，第二電容器提供之電流流過由電阻、 電感、鐳射二極管、半導體組件開關所組成之路徑，藉以驅動鐳射二極管。參照圖4，當上述流經鐳射二極管之驅動電流Ut介于一第一 電流值A上升至第二電流值A2之間時，第二電容器提供一第二電壓
VDC:2，以驅動鐳射二極管。
當鐳射二極管驅動電流1。ut上升至第二電流值A2時，此時第二電 容器已放電至其第二電壓值VDC2小于第一電儲存器所提供的第一電 壓值VDa，則輸出電壓V。ut則保持為第一電壓值VDa。
因半導體組件開關導通瞬間，在其流過的路徑上的寄生電感將產 生反電勢V^，為解決上述問題，本發(fā)明于驅動電流I。w的上升時間加 入額外的第二電壓值VDC2以驅動鐳射二極管，達到快速電流切換之 目的，并可改善電源轉換器的轉換效率，減少功率耗損。
本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路在電流切換上升時間增加額外之 正電壓或負電壓脈沖，以加速電流切換，并有效減少功率損耗。
本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路可應用于脈波驅動型高功率半導 體鐳射二極管及高功率發(fā)光二極管等。可使低電壓、高頻、大電流方 波電源轉換器達到高電流切換(大于200A4iSec)要求及提高功率轉換 效率的效果。
對熟悉此領域技藝者，本發(fā)明雖以較佳實例闡明如上，然其并非 用以限定本發(fā)明之精神。在不脫離本發(fā)明之精神與范圍內所作之修改 與類似的配置，均應包含在下述之權利要求范圍內，此范圍應覆蓋所 有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。
ii
權利要求
1. 一種鐳射二極管驅動電路，其特征在于，包含一第一路徑，具有一鐳射二極管以及半導體組件開關，其中該半導體組件開關系用于導通或關閉該第一路徑；一第一供電路徑，耦合至該第一路徑，提供一第一電壓至該第一路徑，其中該第一供電路徑具有一電源轉換器、一第一電感以及一第一儲存之裝置，其中該電源轉換器提供該第一電壓至該第一儲存裝置；一第二供電路徑，耦合至該第一路徑，該第二供電路徑具有一提供電壓脈沖之裝置、一第二電感以及第二儲存裝置，其中該提供電壓脈沖至該第一儲存裝置；一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器耦合至該半導體組件開關以及該提供電壓脈沖之裝置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的鐳射二極管驅動電路，其特征在于 其中所述之第一儲存裝置以及第二儲存裝置包括一電容器；其中該半 導體組件開關包括一 MOSFET開關；其中該提供電壓脈沖之裝置包 括一電壓脈沖產生器(voltage pulse generator)或一負電壓脈沖產生 器(negative voltage pulse generator);其中該電源轉換器包括一直流 /直流轉換器(DC to DC converter)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的鐳射二極管驅動電路，其特征在于 更包含一第一二極管連接至該第一供電路徑以及該第一路徑間，其中 該第一二極管之正端連接至該第一供電路徑，而該第一二極管之負端 連接至該第一路徑。
4. 根據(jù)權利要求1所述的鐳射二極管驅動電路，其特征在于 其中所述之第一路徑包括一第一電阻連接于該鐳射二極管以及該半 導體組件開關間；其中該第二供電路徑包括一第二電阻，耦合至該第 一路徑。
5. 根據(jù)權利要求1所述的鐳射二極管驅動電路，其特征在于.-其中所述之提供電壓脈沖之裝置接收自該脈波寬度調變控制器傳送 之控制信號，于該控制信號處于非工作周期，提供一第一電壓脈沖至 該第二儲存之裝置；其中該半導體組件開關接收該控制信號，于該控 制信號處于工作周期(dutycircle)時導通。
6. —種驅動鐳射二極管之方法，其特征在于，包含 一電源轉換器提供一第一電壓至第一電容以及鐳射二極管； 利用一脈波寬度調變控制器傳送控制信號至一半導體組件開關以及一電壓脈沖產生器；以及該電壓脈沖產生器依照該控制信號提供 一第二電壓至一第二電容器。
7. 根據(jù)權利要求6所述的驅動鐳射二極管之方法，其特征在于 其中所述之該電壓脈沖產生器依照該控制信號處于非工作周期時提 供一第二電壓至一第二電容器。
8. 根據(jù)權利要求6所述的驅動鐳射二極管之方法，其特征在于 更包含該半導體組件開關接收該控制信號以及該電壓脈沖產生器接 收該控制信號。
9. 根據(jù)權利要求6所述的驅動鐳射二極管之方法，其特征在于 更包含當該半導體組件開關導通后，該第二電容器提供之驅動電流流 過該鐳射二極管，藉以驅動該鐳射二極管。
10. —種鐳射二極管驅動電路，其特征在于，包含 一輸入電壓端點；一鐳射二極管，與該輸入電壓端點耦合； 一電感器，連接至該鐳射二極管之負端；一第一路徑，連接至該電感，具有一第一半導體組件開關以及一 第一電阻，其中該第一半導體組件開關系用于導通或關閉該第一路徑；一第二路徑，連接至該電感，具有一第二半導體組件開關以一第 二電阻，其中該第二半導體組件開關系用于導通或關閉該第二路徑；一脈波寬度調變控制器耦合至該第一半導體組件開關以及該第 二半導體組件。
全文摘要
本發(fā)明系提供一種鐳射二極管驅動電路及其方法。本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路利用脈波寬度調變控制器控制半導體組件開關。本發(fā)明之鐳射二極管驅動電路僅于電流切換的上升時間(rise time)追加額外正電壓或負電壓的短脈沖驅動鐳射二極管，藉以減少電流切換時間。
文檔編號H05B37/02GK101442858SQ20071018805
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月23日 優(yōu)先權日2007年11月23日
發(fā)明者朱崇仁 申請人:飛宏科技股份有限公司