阅读说明：本技术 激光二极管驱动方法及装置 (Laser diode driving method and device ) 是由 罗伯特·斯塔克 于 2019-08-01 设计创作，主要内容包括：公开了一种驱动激光二极管的方法和设备,包括将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平,其中阈值水平低于激光二极管的启动水平,并且其中将电阻器与激光二极管并联设置,将电容充电到包括有激光二极管的电路的预充电电容,其中预充电电容低于激光二极管的电容启动水平；并启动激光二极管。(A method and apparatus for driving a laser diode is disclosed, including increasing a bias current of the laser diode to a threshold level, wherein the threshold level is below a start-up level of the laser diode, and wherein a resistor is arranged in parallel with the laser diode, charging a capacitance to a pre-charge capacitance of a circuit including the laser diode, wherein the pre-charge capacitance is below a capacitance start-up level of the laser diode; and the laser diode is activated.)

激光二极管驱动方法及装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月2日提交的美国临时专利申请序列号61/714,027的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施方式大体上涉及激光二极管。更具体地，本公开的实施方式涉及激光二极管驱动方法及装置。

背景技术

激光荧光体显示(Laser Phosphor Display，LPD)通过使用在屏幕上扫描的多个聚焦激光束照射像素来生成视频图像。嵌入在显示屏中的每个像素包含荧光体材料，所述荧光体材料在像素上辐射与激光束功率和时间成比例的光。因此，可以通过激光二极管峰值驱动电流和脉冲宽度持续时间的组合来控制每个像素的亮度。高质量LPD显示需要实现高分辨率(像素靠在一起)以及亮度水平的宽的光学动态范围。当使用多个激光器时，具有低的驱动电路成本以及简单的构造也是至关重要的。

由于每个光引擎图像区域是重叠的，所以实现完美的黑色对于无缝LPD显示非常关键。在重叠区域中添加黑电平致使观看者会看到棋盘视觉效果，除非黑色是真正的黑色。由于架构的简单性和低成本以及激光二极管的非线性特性，目前的驱动方法需要在完美的黑色和脉冲性能之间进行权衡。

常规的方法和装置具有若干限制。目前的设计的第一个限制是驱动器的带宽随着峰值电流水平的降低而降低。较低的带宽导致较慢的上升和下降时间，并且最终使得很难在所谓的显示曲线的“低灰度区域”中实现光功率控制。一种改善“低灰度区域”中的线性度的方法包括提高激光二极管的dc偏置电流。不幸的是，由于LD在低电流下像LED一样工作，因此屏幕荧光体仍然接收足够的照射，导致黑电平看起来是灰色的。

现有驱动方法的第二个限制是，因为像素靠在一起，所以驱动器脉冲的峰值电平会受先前一个或多个脉冲的影响。这使得更难以控制图像的线性度，并且如果之前是具有足够持续时间的黑色区域，则甚至可能导致像素未能照射。使用软件和FPGA硬件中的更高级处理可以最小化这两个限制，但是非常希望消除这种相互作用。

第三个限制产生自激光二极管的非线性特性。这为驱动器电路提供了非线性负载，使其难以在整个工作范围内进行优化。

第四个限制是控制之前的限制所需的校准。因为所有激光二极管都具有与电流不同的输出特性，所以必须采用光学工厂设备来测量黑电平并平衡驱动器电流。

需要提供一种驱动激光二极管的方法，其优于常规的驱动方法。

需要提供一种方法，其中当峰值电流水平降低时，驱动器的带宽不会降低。

还需要提供一种方法，其中驱动器脉冲的峰值电平不受先前脉冲的影响。

还需要提供一种方法，其在整个工作范围上优化驱动器电路的负载。

发明内容

在一个实施方式中，公开了一种驱动激光二极管的方法，包括将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平，其中所述阈值水平低于激光二极管的启动水平，并且其中将电阻器与激光二极管并联设置，将电容充电到包括有激光二极管的电路的预充电电容，其中所述预充电电容低于激光二极管的电容启动水平，并启动激光二极管。

在另一实施方式中，公开了一种驱动激光二极管的方法，包括以一系列脉冲将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平，其中阈值水平低于激光二极管的启动水平，并且其中将电阻器与激光二极管并联设置，并且其中所述一系列脉冲的频率大于激光二极管电流放电率，将电容充电到包括有激光二极管的电路的预充电电容，其中所述预充电电容低于激光二极管的电容启动水平，并启动激光二极管。

在另一实施方式中，公开了一种用于向设备提供电流的装置，所述装置包括：二极管；与激光二极管并联设置的电阻器；至少两个晶体管，其中每个晶体管具有集电极、发射极和基极，并且每个集电极连接到激光二极管；连接到所述至少两个晶体管的每个基极的至少一个运算放大器；连接到所述至少一个运算放大器的直流电源；以及连接到至少两个晶体管的发射极中的每个的至少一个直流电源。

附图说明

因此，可以通过参考实施方式来获得可以详细理解本公开的上述特征的方式、上面简要概述的对本公开的更具体的描述，其中一些实施方式在所附附图中示出。然而，应注意，所附附图仅示出了本公开的典型实施方式，因此不应认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方式。

图1是激光二极管的光输出功率与正向电流的曲线。

图2是对于激光二极管的光输出功率与正向电流的曲线的典型调制。

图3是用于控制激光二极管电流的常规装置。

图4是激光二极管电阻与电流的曲线图。

图5是驱动器晶体管Beta与集电极电流的曲线图。

图6是驱动开环增益与激光器电流的曲线图。

图7是激光二极管的无偏置电阻器的常规驱动方法的曲线图。

图8是本公开的一个实施方式中的改进的驱动方法的曲线图。

图9是激光二极管的无偏置电阻器的常规驱动方法的曲线图。

图10是激光二极管的无偏置电阻器的常规驱动方法的曲线图。

图11是用于驱动激光二极管电流的装置的曲线图。

图12是驱动器负载电阻、R偏置和电流与驱动器电流的曲线图。

图13是激光二极管的无预充电的电压随时间变化的曲线图。

图14是激光二极管的单个低预充电的电压随时间变化的曲线图。

图15是激光二极管的两个预充电脉冲的电压随时间变化的曲线图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示图中共有的相同元素。可以预期，在一个实施方式中公开的元素可以有利地用于其他实施方式而无需具体叙述。

具体实施方式

在下文中，参考本公开的实施方式。然而，应该理解的是，本公开不限于具体描述的实施方式。相反，预期以下特征和元素的任何组合(无论是否与不同的实施方式相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方式可以实现优于其他可能的解决方案和/或优于现有技术的优点，但是给定的实施方式是否实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方式和优点仅是说明性的，并且除非在权利要求(一项或多项)中明确叙述，否则不应被认为是所附权利要求的元素或限制。同样，对“本公开”的引用不应被解释为本文所公开的任何发明主题的概括，并且除非在权利要求(一项或多项)中明确叙述，否则不应认为是所附权利要求的元素或限制。

在一个实施方式中，公开了一种用于激光二极管的驱动方法。所述驱动方法通过允许激光二极管“关断”电流达到零同时仍保持激光二极管峰值电流波形的高带宽脉冲控制，来提供实现LDP技术的全部潜力的方式。所述方法还通过防止来自一个像素的脉冲电流影响其他像素来减少“历史效应”。与常规方法相比，所述驱动方法还通过去除光学工厂设备而简化了产品的校准，以微调每个激光通道(通常为20个通道)的偏置电流。在实施方式中，使用板测试器以将所有通道设置为预定的偏置值。

激光二极管驱动的背景技术

图1示出了用于驱动激光二极管的常规应用的以mW为单位的输出功率与以mA为单位的电流的激光二极管曲线。存在两个不同的工作区域：低于阈值(LED区域)和高于阈值(激光区域)。在所有的激光二极管应用中，目标是在激光区域中操作高于阈值的器件，其中光输出随着电流的增加而线性地上升。

在通常的脉冲应用中，可以容许小的残余“关断”LED输出电平，因此不需要电路动态地将激光二极管电流减小到零。相反，在常规的应用中，大多数激光二极管装置以图2所示的dc偏压“关断”电平工作，仅在转折处以下或仅在转折处以上，以将驱动器保持在线性工作范围内并支持快速进入激光区域。

然而，在LDP显示应用中，期望将“关断”dc电平设置为尽可能接近零以最小化任何LED光输出。在LDP显示中，系统在高于阈值的激光区域中工作，并且必须实现从几百nit到零点几nit的较宽的亮度范围。所述范围的亮端是通过产生快速上升时间1000mW光脉冲来实现的，所述光脉冲接近50％开到关占空比，以完全照射每个荧光体像素区域。通过产生非常窄且幅度超过激光阈值的电流脉冲来实现所述范围的低端。如上所述，动态范围的低端要求“关断”或黑电平小于1mnit，这只能通过小于1mA的激光二极管电流来实现。由于每个激光二极管将为相同的驱动电流输出不同的光输出电平，因此电路必须非常精确或需要仔细校准以在屏幕上实现良好的背景均匀性。

控制激光二极管电流的常规方法

图3示出了用于控制通过标识为LD1的激光二极管的激光二极管电流的常规方式的典型驱动电路。所述电路包括运算放大器U1，所述运算放大器U1驱动两个由导线并联的高速晶体管Q1和Q2的基极。两个晶体管用于提供高达一安培的峰值电流。LD1的阳极连接到LSR_PWR，在一个实施方式中，LSR_PWR设置为+8伏特。LD1的阴极连接到Q1和Q2的集电极。两个发射极连接到电流感测电阻器R1，所述电流感测电阻器将流过晶体管的电流转换为标记为V_感测的电压，所述电压通过反馈电阻器R2连接到U1的负输入。这样就完成了反馈回路，所述反馈回路将脉冲_输入电压转换成电流脉冲，所述电流脉冲从LSR_PWR电压源通过激光二极管LD1并流入Q1和Q2。标记为脉冲_输入的输入信号通常是来自模拟开关的输出，所述模拟开关的输入是可调电压源。当开关接通时，电压源连接到脉冲_输入并产生激光二极管电流脉冲，直到开关断开。电路的第二输入是标记为V偏置的可调电压源，其被设置为校正放大器U1中的任何偏移误差，并且在脉冲_输入关断时最小化LD电流。注意脉冲_输入通常包括上升和下降时间小于5ns的电压脉冲，并且脉冲开启时间的范围为5到100ns，并且可以被认为接近理想状态。

当试图最小化激光二极管关断电流并最大化脉冲性能时，该电路存在若干影响性能的限制。这些限制主要是由于电路成本低且架构简单。激光二极管对瞬时负电压和过电流非常敏感，因此该设计仅使用正电源来提供可靠的工作。该电路采用开路集电极拓扑，并且通过在闭环控制下将电流从激光器吸收到集电极中来控制激光器电流。因此，通过将更多的基极电流驱动到晶体管中，该电路可以非常快速地增加激光器电流，但是依靠激光阻抗来减小电流。此外，当激光器远离驱动器定位时，从集电极到地以及从集电极到LSR_PWR将存在额外的电容，这会减慢关断。

如图4所示，由于激光二极管的电压降落并且电阻随电流非线性地变化，因此关断是复杂的。当电流增加到阈值以上(约120mA)时，电阻接近几欧姆，但是在1mA或更小时，电阻可以容易地达到10K或更高。激光二极管还具有几伏特的正向电压降。

当将高峰值脉冲电流施加到激光二极管时，关断时间非常快，因为激光器的低电阻提供快速放电路径。当使用图3的电路驱动该非线性器件时，当我们降低偏置或“关断”电流接近0mA时，脉冲响应将开始下降。激光二极管电阻增加，电流降低，导致激光二极管电流的衰减变慢。这使得电路对增加的电容敏感，其限制激光二极管远离驱动器定位。

该电路的第二个限制是由于晶体管Q1和Q2的非理想性质。选择这些晶体管是因为它们的高频和高电流驱动特性，因此它们的增益或Beta在较低电流下下降。参考图5，示出了用于现有驱动器中的典型部件的晶体管Beta＝IC/IB与电流的图。当电流从约15mA下降到.8mA(第一点)时，可以看出组合晶体管增益下降了大约50％。由于该电路使用闭环控制来精确控制电流水平，因此闭环控制会导致驱动器带宽随着电流的减小而降低。

测量常规方法的限制的一种方式是绘制反馈回路中的开环增益与dc偏置电流。根据控制理论，驱动器的带宽与以Hz为单位的频率成正比，其中开环增益等于1。这在图6中针对现有的和新的驱动方法绘制。如图所示，两种方法的开环增益对于150mA以上的激光器电流是相同的，但现有方法在1mA处下降至1MHz。新的方法将其提高到17MHz，这足以产生对激光驱动电流非常好的控制。示出现有方法的限制和新驱动方法的改进的第二种方式是测量和比较光脉冲响应。

图7、图8、图9和图10示出了当在窄脉冲宽度和低幅度脉冲的最困难的区域中工作时，所描述的实施方式相对于常规驱动方法的改进。通过将激光器的输出聚焦到高速光学检测器上来测量激光二极管的光脉冲响应。对于这些图中的每个图，产生5个相同脉冲的突发脉冲序列，并且针对相同的稳态峰值检测器输出调节脉冲宽度。图7和图8比较了针对100mV峰值脉冲的现有(常规)和新的方法和设备。如图7和图8所示，突发脉冲序列中的第一脉冲幅度比现有方法的后续脉冲低约50％。图8示出了对于所描述的方面，所有5个脉冲都接近相同的幅度。第二个观察结果是常规方法的脉冲宽度为9.7ns，并且对于所描述的新方面已经减小到9.2ns。两种改进都与图6中所示的带宽增加一致。图9和图10比较了针对50mV峰值脉冲的现有(常规)和新的方法。在这种情况下，常规方法不能产生第一脉冲，但与常规的图中不同，所有五(5)个脉冲都存在于新方法中。注意，这两种方法都会导致所有五个脉冲达到相同的幅度，因为脉冲宽度增加了并且峰值电平增加了。

图11示出了驱动方法的公开内容的一个方面，所述驱动方法包括添加与激光二极管并联设置的单个200欧姆电阻器。该电阻器称为“R偏置”电阻器。R偏置电阻器与V偏置和激光二极管非线性传输曲线结合使用，为控制脉冲激光二极管电流提供了实质性的改进和经济有效的方法。图4的曲线示出了激光二极管两端的电压降具有在低电流水平下出现的接近3V的急剧拐点。我们还知道，低于约15mA，晶体管Q1和Q2的增益将开始减少，从而导致开环增益的损失。增加与激光二极管并联的适当的电阻值，结合设置通过电阻器的dc偏置电流，将允许驱动器以最小电流工作，且同时允许激光二极管电流接近零。在驱动激光二极管的情况下，将偏置电流设置为15mA会在R偏置上产生3V的压降，并导致小于.1mA的激光二极管电流。非常希望将该电压设置为与激光二极管正向阈值相匹配，因为这最小化了驱动激光器所需的从“关断”到“接通”的电压摆动，从而导致更快的光学上升和下降时间。

以上内容还示出于图12中。在该图中，驱动器电流在水平轴上从0mA扫到36mA，并且通过偏置电阻器、通过激光二极管的电流以及偏置电阻器和激光二极管的组合并联电阻来绘制该电流。该图示出了偏置电流可以在驱动器中增加到15mA，并且仍然导致激光二极管电流保持为零。随着驱动器电流增加，激光二极管电阻下降，导致大部分驱动器电流流入激光二极管。当激光二极管以更高的电流驱动时，这变得更加有效。正如预期的那样，组合的驱动器负载电阻在零电流时＝200欧姆，然后随着电流的增加而转变到几欧姆。

200欧姆电阻器在减小集电极和地之间以及集电极和LSR_PWR源之间的电容效应方面起到重要作用。当驱动器电流关闭时，电流衰减由RC时间常数主导，其现在由电阻器在较低电流下控制。这使得随着脉冲之间的时间变短，在防止一个脉冲影响下一个脉冲方面取得了显著改进。

最后，R偏置的引入提供了校准“关断”光输出电平的方法。取代了依赖于常规方法所需的光学测量设备，通过简单地打开将脉冲_输入施加到驱动器的开关并调节V偏置电压以在激光二极管端子两端产生三(3)伏特来校准每个电路。这是有效的，因为在该电压下，所有激光二极管由于其较高的关断电阻将导致非常低的电流。可以在连接或不连接激光二极管的情况下执行该校准，从而允许在测试pcb时校准每个电路。

预充电方法

现在在非限制性实施方式中描述称为“预充电”的脉冲命令方法，其提供额外的余量以保证突发脉冲序列中的第一脉冲将始终出现并防止显示屏上丢失像素。如图9中所提供的，在持续的关断时段之后出现的突发脉冲序列中的第一脉冲可能无法照射像素。然而，利用本文描述的驱动方法极大地改善了这种潜在的失效机制。然而，重要的是要注意，当激光二极管大幅偏离正常状态时，仍然可能发生光线失效。为了处理这些情况，可以使用包括命令单个低幅度脉冲或正常幅度脉冲的突发脉冲序列的“预充电”方法来进一步增加偏置电流并对激光二极管电气路径中的任何电容进行充电。

如图3中所提供的，“脉冲_输入”通常来自通过模拟开关连接的可调电压源。图13示出了预充电可以改进在长时段无脉冲之后被定义为“第一像素向上”的示例情况。在图13中，迹线1300是输入到驱动器的“脉冲_输入”信号。迹线1302示出了突发脉冲序列中前两个像素的激光二极管电流脉冲。由于电容充电，第一脉冲的峰值电流略低于第二脉冲。所得到的激光输出功率在1304中示出，并且可以看出需要非常好的电流控制以产生一致的峰值输出功率。

图14示出了使用激光器和电连接电容的“预充电”以产生一致的输出光功率水平的曲线图。在这种情况下，恰好在用于照射像素的较大脉冲之前施加电压的低幅度脉冲。通常低幅度脉冲被调节为在恰好在用于照射像素的高幅度脉冲之前产生远低于阈值(约5至10mA)的低电流脉冲。在图14中，低预充电脉冲导致第一和第二脉冲在光输出中匹配。

用于有成本效益的设计的第二替代方法是利用激光二极管电流上升和下降时间比“脉冲_输入”波形慢的事实。在这种情况下，使用脉冲控制方法执行“预充电”，所述方法快速接通和关断“脉冲_输入”信号，让驱动器对脉冲串输入进行低通滤波。通过适当调制开-关预充电开关时序，我们可以实现在性能上与第一种方法相匹配的平均偏置电流水平。这在图14中示出。该实施方式的益处在于它可以使用已经存在的现有电路来实现。

在一个非限制性实施方式中，公开了一种驱动激光二极管的方法，包括将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平，其中所述阈值水平低于激光二极管的启动水平，并且其中将电阻器与激光二极管并联设置，将电容充电到包括有激光二极管的电路的预充电电容，其中所述预充电电容低于激光二极管的电容启动水平，并启动激光二极管。

在另一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过向激光二极管提供电流的单个幅度脉冲来执行增加激光二极管的偏置电流。

在另一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过向激光脉冲提供幅度脉冲的突发脉冲序列来执行增加激光二极管的偏置电流。

在另一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过可调电压源增加激光二极管的偏置电流。

在另一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过模拟开关控制可调电压源。

在另一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过将电流从零水平扫到阈值水平，将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平。

在另一非限制性实施方式中，公开了一种驱动激光二极管的方法，包括以一系列脉冲将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平，其中阈值水平低于激光二极管的启动水平，并且其中将电阻器与激光二极管并联设置，并且其中所述一系列脉冲的频率大于激光二极管电流放电率；将电容充电到包括有激光二极管的电路的预充电电容，其中所述预充电电容低于激光二极管的电容启动水平，并启动激光二极管。

在又一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过可调电压源增加激光二极管的偏置电流。

在又一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过模拟开关控制可调电压源。

在又一非限制性实施方式中，可以执行所述方法，其中通过将电流从零水平扫到阈值水平，将激光二极管的偏置电流增加到阈值水平。

在又一非限制性实施方式中，公开了一种用于向设备提供电流的装置，所述装置包括：二极管；与激光二极管并联设置的电阻器；至少两个晶体管，其中每个晶体管具有集电极、发射极和基极，并且每个集电极连接到激光二极管；连接到所述至少两个晶体管的每个基极的至少一个运算放大器；连接到所述至少一个运算放大器的直流电源；以及连接到至少两个晶体管的发射极中的每个的至少一个直流电源。

在又一非限制性实施方式中，所述装置还包括与至少一个运算放大器并联设置的至少一个电容器。

在又一非限制性实施方式中，可以执行所述装置，其中至少两个晶体管是第一晶体管和第二晶体管。

在又一非限制性实施方式中，所述装置还可包括至少两个电阻器，所述至少两个电阻器位于第一晶体管和第二晶体管的发射极之间，并且至少一个直流电源连接到所述发射极中的每个发射极。

在又一非限制性实施方式中，可以配置所述装置，其中至少两个电阻器是第一电阻器和第二电阻器。

在又一非限制性实施方式中，可以配置所述装置，其中第一电阻器具有比第二电阻器更高的电阻值。

在又一非限制性实施方式中，所述装置还包括至少一个电容器，所述至少一个电容器与至少两个电阻器中的一个并联设置，所述至少两个电阻器位于第一晶体管和第二晶体管的发射极之间。

在又一非限制性实施方式中，所述装置还包括至少一个电阻器，所述至少一个电阻器设置在第一晶体管和第二晶体管的发射极与地之间。

在又一非限制性实施方式中，可以配置所述装置，其中二极管是激光二极管。

虽然前述内容涉及本公开的实施方式，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下，设计本公开的其他和另外的实施方式，并且本公开的范围由所附权利要求确定。