激光二极管照明电路的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36175646发布日期:2023-11-25 01:34阅读:71来源:国知局
激光二极管照明电路的制作方法

1.本发明涉及在照明应用中使用的半导体激光器



背景技术:

2.半导体激光光源在照明应用中越来越受到关注

3.激光二极管以其具有巨大亮度和高质量光的可靠操作而闻名

基于白色激光的光源最近也变得可获取

它们通常采用蓝色激光二极管与磷光体转换器相结合,以将黄色分量添加到蓝色激光中,从而产生
cri(
显色指数
)
约为
70
的白光

4.激光二极管是敏感组件,并且即使在针对高电输入功率而构建时,也需要仔细的驱动器设计

众所周知,一个持续良好的激光二极管可以具有
100,000
小时的总预期寿命,但如果电驱动和安装条件没有得到完美调谐,则其可能在微秒内失效

5.激光二极管本身就容易受到损坏

操作频率可以超过
1ghz
,并且除此之外,激光二极管是通常在
2-3
伏下操作的低电压器件

这两个因素的结合使得它们非常容易受到浪涌损伤

6.例如,当激光发射增加时,光子的增加导致反射镜刻面的区域中的晶体加热

这增加了局部温度,这本身就导致了激光发射的增加

这种正反馈回路很快导致局部过热,从而导致晶体出现裂纹

这些裂缝增加了光子吸收,并且导致巨大的局部过热

在发生这种情况之后,刻面不再充分反射以支持激光发射

这称为灾难性光学损伤
(cod)。
然而,激光二极管的
led
操作将保持,使得激光器在这样的事件之后仍然可以发光

7.激光二极管在高频下响应如此之快,以至于它们很容易被能量含量相对较少的瞬态损坏

当它们在接近额定功率的情况下操作时特别如此,并且任何过热影响的净空都非常有限

8.为了防止
cod
,需要保护激光二极管免受浪涌的影响

接通一般电源可能会导致浪涌和短暂的尖峰,这对激光二极管有害,并且可能损坏器件

9.诸如由于电源故障或
esd(
静电放电
)
而导致的过压可能损坏半导体层

随着阈值电压和阻抗变化,过温也会直接损坏或导致热失控

10.对于高光通量应用,多个激光二极管被绑定在一个壳体中作为激光二极管组

个体激光二极管可以借助于印刷电路板
(pcb)
被串联连接
(
作为激光二极管串
)
,并且它们可以从单个共享驱动器从公共连接器被供电

在其他激光器组实现中,多个激光二极管串可以并联电连接

11.本发明特别涉及对这样的绑定的激光二极管组的控制

绑定的激光二极管组中的激光二极管例如一起被上电

这有若干含义,例如激光二极管不能被个体地控制或保护

激光二极管之间的分压在很大程度上取决于电流的变化率和个体激光参数,并且这种分压不能被控制

当只有单个连接器或驱动器时,也不可能在个体激光二极管的水平上解决过压问题

12.特别是当使用高开关速度时,杂散电感以及杂散电容会严重影响整体串电压在个
体激光二极管之间的划分

此外,激光二极管的阻抗在其开始激光发射的那一刻发生变化,这实质上影响了在电流斜坡上升期间在个体激光二极管器件之上看到的电压

13.目前,装仓
(binning)
过程需要在任何特定串中具有非常相似的电压阈值的激光二极管

如果不是这样,一个器件之上的电压突然增加可能会导致其他器件处的电压下降,这可能会在通电期间引起振铃

因此,由单个电流源驱动的多个激光器受到激光发射电流的阈值差的影响

14.us2014/0226688
公开了一种用于串联连接的负载的驱动器,每个负载具有激光二极管

分流器件与负载中的至少一个并联连接,以减少到负载的
dc
泵电流

因此,分流器件表示,可以在不同
dc
驱动电流下驱动串联连接的不同负载



技术实现要素:

15.本发明由权利要求限定

16.根据按照本发明的一个方面的示例,提供了一种照明电路,该照明电路包括:
17.电流驱动电路;
18.至少两个激光二极管的串联连接,被提供来自电流驱动电路的电流;
19.与每个激光二极管并联的相应的电流分流电路,用于将分流电流从相应激光二极管转移开;以及
20.控制装置,用于控制电流分流电路,其中控制装置被适配为:
21.在电流驱动电路的启动时间段期间控制分流电流的电平,从而在所述启动时间段期间降低所选择的激光二极管两端的电压的变化率,在启动时间段期间,电流驱动电路的输出从零斜坡变化到驱动电流

22.该照明电路使用局部电路系统将电流从所选择的一个或多个激光二极管分流开

这些激光二极管特别是比其他激光二极管更早开始激光发射的激光二极管
(
因为激光二极管的器件特性略有不同
)。
对于在激光发射开始前需要高电流的器件,电流分流可以是不需要的,并且因此不会被激活

23.该电路特别解决了如上所述的高频分量可能导致晶体损伤的问题,并且这些高频分量可以在相邻激光器开始激光发射时生成

例如,当具有低激光发射阈值的一个激光器
(
例如,
ld1)
已经在进行激光发射,并且串联连接中的另一激光器
(
例如,
ld2)
刚刚开始激光发射时,
ld2
之上的电压降将突然改变

这影响了串联连接中的分压,并且因此导致在
ld1
处的附加电流插入

这就产生了引发如上所述的故障机制的风险

控制电流瞬变的能力降低了这种风险

24.可以使用不同类型的激光二极管

预计在未来激光照明应用中特别感兴趣的一种形式的激光二极管是垂直腔面发射激光器
(vcsel)。
25.这种方法减少了激光二极管阵列的驱动力

与有源电流偏移相比,它提供了一种低成本的尊龙凯时官方app下载的解决方案,并且可以用于确保所有激光二极管在接通时同时开始激光发射

它还可以用于以简单的方式提供像素化激光二极管寻址

这可以通过简单地分流激光生成的像素周围的所有电流以保持其关闭来实现

这些分流元件不需要很大和
/
或复杂

26.控制装置可以操作局部控制,由此基于相应激光二极管处的电流和
/
或电压来确定对电流分流电路的控制,或者可以存在集中式控制,由此中央控制系统知道所有激光二
极管的激光发射的开始时间,并且根据整体电路响应来控制它们

27.如果有集中式控制,则可以通过延迟具有低激光发射阈值电流的激光器,以使得确保激光器都同步地开始激光发射,来驱动激光器

这有助于使得激光发射开始期间的电压变化不会在已经处于标称激光发射的其他器件中引发电流尖峰
(
因为它们都同步开始
)。
在最佳系统中,所有激光的电压降将同步,并且分压不会受到影响

结果,可以使每个激光二极管在期望时间基于电流达到激光发射阈值水平而开始激光发射

28.如果仅使用局部控制,从而仅观察到局部电压和电流,则通过保持电流上升沿受控,可以保护已经进行激光发射的激光二极管免受来自刚开始激光发射的相邻激光二极管的任何杂散电流尖峰的影响

29.在这两种情况下,损耗和驱动电流在器件之间得到平衡,以确保它们以最佳效率被使用,并且不会发生电流振铃

然后,在激光发射开始期间,存在平稳的电流接管

该电路还可以用于减少当器件开始激光发射时出现的电压跳变

30.低成本的激光照明电路是可能的,同时避免了对激光二极管器件的电流装仓的需要

此外,多个激光二极管串可以容易地串联连接,而不会牺牲通电行为

31.本发明特别旨在在相关联的激光二极管开始以激光发射模式操作的时刻使用分流开关

在激光发射的转变时间期间,发生电压的急剧的负变化率

这是由流经激光二极管的电流引起的

电流分流电路用于减少流过激光二极管的电流,从而降低电压的变化率

32.该照明电路还可以包括在电流驱动电路的输出端子之间的滤波器

33.例如借助于电容器进行的滤波保持激光二极管串处的操作条件没有振铃和高频分量

滤波器可以防止串电压快速变化

34.该照明电路还可以包括用于感测每个激光二极管的正向电压的电压传感器

35.这使得能够基于个体激光二极管两端的电压来控制电流分流

36.控制装置例如可以被适配为控制分流电流的电平,使得每个激光二极管在启动时间段期间具有相同正向电压

因此,电压分压是均匀的

37.该照明电路还可以包括用于检测每个激光二极管的激光发射的开始的监测器,其中控制器被适配为基于所监测的激光发射的开始来控制分流电路

38.将在低电流下开始激光发射的激光二极管因此可以被延迟,使得激光发射同时发生,并且分压在激光发射期间保持均匀

39.监测器可以包括用于监测每个激光二极管的正向电压的电压监测器和用于监测激光二极管电流的电流监测器

结合起来,这提供了一种基于激光二极管的电参数来检测激光发射的方式

40.监测器可以替代地包括用于监测每个激光二极管的光输出的光检测器

这提供了一种基于外部光监测器来检测激光发射的替代方式

41.控制装置可以被适配为延迟所选择的激光二极管的激光发射的开始,使得所有激光二极管在时间上更接近地一起开始激光发射

理想情况下,它们可以同时开始激光发射

42.控制装置可以被适配为:在启动时间段之后,通过斜坡下降到零分流电流来控制分流电流的电平

这使电流源送组件的损耗最小化

43.控制装置还可以被适配为:在启动时间段之后,控制分流电流的电平,以设置流过激光二极管的不相等电流

当不同激光二极管具有不同输出颜色时,这些不相等的电流可
以例如用于提供色点控制

44.控制装置可以被适配为:在启动时间段之后,通过响应于检测到的高于阈值的光输出而增加分流电流,来控制分流电流的电平

如上所述,这可以用于稳定激光输出并且防止
cod。
45.该照明电路还可以包括:
46.串联开关,与至少两个激光二极管的串联连接串联;以及
47.检测电路,用于检测过压或过流,并且响应于过压或过流而控制串联开关

48.这使得在过压或过流条件的情况下能够停用整个串

结合个体激光二极管电流的分流控制,这可以允许使用简单的
(led

)
电流驱动器来为激光二极管串供电

49.控制装置可以包括连接到每个电流分流电路的中央控制器

50.替代地,控制装置可以包括一组分布式控制器单元,每个分布式控制器单元与相应电流分流电路相关联

每个电流分流电路具有单独的控制器,该控制器可以使用针对激光二极管行为的观察电路系统来控制分流

51.每个激光二极管和相关联的电流分流可以包括位于单个壳体内的模块

52.本发明还提供了一种用于上述照明电路的激光二极管模块,其中激光二极管模块包括:
53.激光二极管;以及
54.与激光二极管并联的电流分流电路,用于在电流流到激光二极管模块的启动时间段期间,将分流电流从相应激光二极管转移开,从而在上述启动时间段期间降低激光二极管两端的电压的变化率

55.本发明的这些和其他方面将从下文所述的实施例中很清楚并且参考下文所述的实施例进行阐述

附图说明
56.为了更好地理解本发明,并且更清楚地示出如何实施本发明,现在将仅通过示例的方式参考附图,在附图中:
57.图1示出了具有集中式控制装置的照明电路;
58.图2示出了激光发射开始时的激光二极管特性;以及
59.图3示出了具有分布式控制装置的照明电路的一部分

具体实施方式
60.本发明将参考附图进行描述

61.应当理解,在指示装置

系统和方法的示例性实施例的同时,详细描述和具体示例旨在仅用于说明的目的,而不旨在限制本发明的范围

本发明的装置

系统和方法的这些和其他特征

方面和优点将从以下描述

所附权利要求和附图中更好地理解

应当理解,这些图仅仅是示意图,并不是按比例绘制的

还应当理解,在整个附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件

62.本发明提供了一种照明电路,该照明电路包括电流驱动电路和从电流驱动电路被提供有电流的至少两个激光二极管的串联连接

电流分流电路与每个激光二极管并联,用
于将分流电流从相应激光二极管转移开

分流电流的电平在电流驱动电路的启动时间段期间被控制,以便控制所选择的激光二极管两端的电压的变化率

63.图1示出了照明电路
10
,该照明电路
10
包括电流驱动电路
12
,该电流驱动电路
12
例如通过双绞线电缆
16
连接到照明单元
14。
电流驱动电路
12
提供经调节的照明串电流ilst

例如,电流电平基于电流驱动器的外部控制输入来控制

驱动器例如包括开关模式电源

64.串电流可以是
dc
电流
(
具有不同的可能的模拟电流电平
)
,或者可以是具有恒定电流电平的
pwm
电流
。pwm
频率需要考虑电流上升沿的斜率

65.照明单元
14
包括至少两个激光二极管
(
例如,激光二极管
201至
208)
的串联连接,并且从电流驱动电路
12
被提供有串电流ilst

66.每个激光二极管具有与激光二极管并联的相应电流分流电路
221至
228,该电流分流电路用于将分流电流
(
其是串电流ilst
的一部分或全部
)
从相应激光二极管转移开

67.图1示出了具有用于控制分流电路
221至
228的中央控制装置
30
的示例

68.在所示示例中,存在可选的监测单元
24
,该监测单元
24
用于向控制装置
30
生成反馈信息,该反馈信息用于至少控制每个电流分流电路
221至
228的分流电流的定时,但优选地也控制其电流电平

69.分流电流的电平特别在电流驱动电路
12
的启动时间段期间被控制,在该启动时间段期间,电流驱动电路
12
的输出从零斜坡变化到驱动电流

该电平可以被控制为接通或断开,或者可以被控制为多电平信号中的所选择的一个,或者可以被控制为模拟电流电平

其目的是在启动时间段期间降低所选择的激光二极管两端的电压的变化率,并且从而降低激光二极管损坏的风险

70.特别地,当激光二极管开始以激光发射模式操作时,分流控制发生

如下面更全面地解释的,当激光二极管开始激光发射时,其正向电压会上升,这继而导致串联的其他激光二极管经历正向电压的下降

71.这有两个后果

首先,
(
其他激光二极管的
)
激光发射可能不会开始或可能瞬间被切断,这可能会在两个或更多个激光二极管之间造成灾难性的振荡

第二,这导致与更高的激光发射阈值电流串联的其他激光二极管的延迟激光发射

第一激光二极管然后可以在其他激光二极管开始激光发射时达到全功率

这增加了由于电流中的噪声而引起的小过冲的风险
(
例如,因为存在对电压阶跃和
/
或振荡作出反应的杂散电感,或者因为驱动器中的控制试图抵消杂散输出电压变化和过度反应
)。
然后可能会超过光子净空,从而导致刻面破坏

72.在从关断到激光发射的转变时间期间,因此出现陡峭的电压梯度
(
相对于时间
)。
电流分流电路用于减少通过激光二极管的电流,从而降低电压的变化率

73.电流分流电路可以例如安装在承载激光二极管阵列的
pcb
的背面上

74.电流分流电路被示出为可控电流源

通过启用相关联的电流分流电路,可以减小通过激光二极管
20
1-208中的每个的电流

75.在该示例中,监测器
24
是光检测器

它用于向控制装置
30
通知每个个体激光二极管的激光发射的开始

76.如图所示,电流驱动电路
12
借助于两个导体
16
向电路提供串电流ilst

如果电流驱动电路
12
通过相当长的电缆被连接,则借助于滤波器
(
诸如电容器
40)
进行的局部滤波用于
保持激光二极管串处的操作条件没有振铃和高频分量

电容器
40
保持整体串电压ulst
不会快速变化

滤波器在电流驱动电路
12
的输出端子之间,并且优选地在激光二极管的位置处

77.滤波器的使用具有副作用,即,当第一激光二极管开始激光发射时出现的阻抗变化将影响串联连接的激光二极管串之上的分压

这将对其他激光二极管中的激光发射的开始产生影响

78.电流分流电路可以用于通过控制每个激光二极管的分流来平衡分压
(
例如,保持
ul
d1

ul
d2

ul
dx
)
,并且确保不发生寄生过压

在图1中具有八个激光二极管的示例中,八个激光二极管中的每个具有
1/8u
lst
的正向电压

79.当存在如图1所示的中央控制装置时,控制装置能够动态地平衡所有激光二极管之间的电压划分,因为所有激光二极管电压都可以被集中监测

然后,每个激光二极管可以包括电压传感器
(
图1中未示出
)
,使得控制装置可以监测沿着串联链的每个节点处的电压

80.平衡激光二极管两端的电压的效果是使它们同时进行激光发射

这是通过将较早的激光二极管
(
具有低阈值电流的二极管
)
保持在低激光发射状态直到所有激光二极管开始激光发射来实现的

因此,当由于激光发射的开始而可能出现任何杂散电流时,所有激光二极管中的激光发射功率将是低的

这样就不会发生致命的过热故障

81.为了使电流源组件中的损耗最小化,分流电流可以平滑地回到零,以便允许每个激光二极管在其个体激光发射阈值处开始激光发射

破坏性机制以微秒为单位动作,因此分流电流可以在短时间段之后被缓和,例如在
10
μs至
1000
μs的范围内

电流分流功能的一个结果是上升的电流边缘变得平坦

在设置激光器组的最大
pwm
率时,必须考虑到这一点

82.当个体激光二极管在其稳定状态下操作时
(
即,在启动时段之后
)
,外部控制信号可以用于影响个体激光二极管之间的电流划分

这可以通过在启动时段之后控制分流电流的电平以设置流过激光二极管的不相等电流来实现

这可以用于例如在具有来自具有不同色点的激光二极管的多个光谱的系统中设置特定色点

83.图1的示例示出了可选的串联开关
50
,该开关
50
允许在过压或过流条件下禁用整个串

为此目的,可以存在用于监测每个激光二极管的正向电压的电压监测器和用于监测激光二极管电流的电流监测器

84.结合对个体激光二极管的分流电流的控制,这可以允许使用简单的
(led

)
电流驱动器来为激光二极管串供电

85.图1示出了集中式的控制装置
30。
替代地,控制装置可以是分布式的

每个电流分流电路具有单独的控制器,该控制器使用激光二极管行为的观察电路系统来控制分流

86.控制分流的一种方式是使用监测器
24
进行如上所述的光通量观察

然后可以基于所发射的通量来直接控制电流源

如果没有通量,则没有必要进行电流分流

如果存在激光发射通量,则启用电流分流

87.为了消除分流过程造成的损失,当激光发射开始时,可以以固定分流电流开始分流,然后自动斜坡下降到零

这使得激光器串中的任何滤波器
(
寄生滤波器或设计滤波器
)
都有足够的时间放电

这是特别相关的,因为激光二极管串具有比开始激光发射之前的串更低的电源电压

88.当通量上升到标称值以上时,还可以使用从激光二极管分走的分流电流,以稳定激光输出并且防止谐振晶体中的热失控

89.对激光二极管的正向电压的监测也可以用于补偿阻抗下降,如
feng,liefeng
等人所报告的:“sudden change of electrical characteristics at lasing threshold of a semiconductor laser”(quantum electronics,ieee journal of.43.458-461.2007)。
目前的分流不需要对光路的任何访问或改变

90.该参考文献中重复了图
2。
它示出了两个不同激光二极管的随电流变化的电阻和结电压

每种情况下的激光发射阈值约为
30ma。
91.测量表明,在激光发射开始时,激光二极管的阻抗下降

响应于阻抗的下降,可以预期正向电压的下降,但是相反,如上所述,正向电压存在阶跃增加

特别地,结电压在激光发射开始时突然跳变到饱和值

在电学上,此时输入功率增加,对应于激光发射时光学输出功率的增加

92.电压跳变可以解释为当光子数目因激光发射而增加时激光晶体内部的一种反应,这降低了生成光子的电子的复合率

因此,这种电压行为与激光发射的开始直接相关
。feng
解释说,这种效应是由激光发射层中的高光子密度引起的光电二极管效应引起的

93.因此,电监测而不是图1所示的外部光学监测就足以检测到电流超过激光发射阈值并且串连接中的分压可能不平衡时的时刻

94.此外,电压跳变的幅度可以用于引导要分流的电流离开激光二极管,以便使得电压能够从外部或驱动器侧来看保持稳定

95.因此,用于检测激光发射的开始的监测器可以包括用于监测每个激光二极管的正向电压的电压监测器和用于监测激光二极管电流的电流监测器

96.如上所述,控制装置可以是分布式的

97.图3示出了单个激光二极管
20
及其相关联的电流分流电路
22、
以及本地控制电路
70。
正向电压是使用测量放大器
72
获取的,该测量放大器
72
获取激光二极管
20
的阳极与阴极之间的电压差

电流传感器
74
向本地控制电路提供对串电流的感测

98.当电压跳变而串电流ilst
没有相关跳变时,控制器
70
操作电流切换电路
22
以携带与补偿跳变所需要的电流isnt
一样多的电流

以这种方式,保护方法涉及通过在激光发射开始时从激光二极管窃取电流来减缓激光发射的开始

从而降低了串联连接中的动态度

然后,每个激光二极管将以其相应个体激光发射阈值电流开始激光发射,但激光发射的增加将被减缓

99.然而,这种分流被小心地实现,使得电流ild
不被允许下降到低于激光发射阈值电流

因此,可以保持最小的电压跳变

然而,串中的跳变器件电压的影响将被减轻

个体激光发射阈值电流可以由控制器测量,因为它是电压开始跳变时的电流

100.分流电路系统以及控制器和测量电路系统可以通过清除激光二极管
20
之上的电压uld
而被供电

因此,当激光器关闭时,它不会消耗功率

101.在其中激光器是脉冲式的电路中,可以建议具有小的本地功率存储装置,以便在激光二极管发射电流的脉宽调制控制的关断时段期间保持电流分流电路的供电

102.在
pwm
电流控制的情况下,将在每个
pwm
上升沿控制分流电流

用于
led
照明的典型
pwm
占空比高于
400hz。20khz
左右或以上的高频操作也可以用于防止可听噪声

103.在这样高的频率下,上升沿减慢1微秒或数十微秒
(
由分布式控制器实现
)
的影响已经会导致可见失真,因为整个周期只有
50
μ
s。
因此,该应用中的
pwm
频率通常在
400hz

1000hz
的范围内

电流斜坡上升时间的延迟可以最多为
100
μs,以允许大约
250hz-400hz
的最小失真
pwm。
104.当使用仅延迟激光发射直到所有激光二极管同步启动的中央控制器时,高
pwm
频率可以仍然可行

典型的延迟为1μs至
10
μs,这取决于
pwm
驱动器的电流上升定时

105.电流分流电路可以与激光二极管集成在单个壳体中,因为电流分流电路不需要大或复杂

如果不需要外部控制并且只需要平滑的电压转变,则可以使用简单的测量模拟电路

这可以集成在单个管芯上,因此集成在激光二极管壳体中是可行的

这样的集成保护电路系统不需要任何附加壳体引脚或导线

106.在另一示例中,电流分流可以用于稳定具有多个光谱贡献的多激光二极管系统中的颜色或色温

107.该电路还可以应用于作为个体像素的一个串中的个体激光二极管源的选择性驱动

这可以通过简单地分流像素周围的所有电流来实现

可以通过对电流源进行软调节来保证平滑的电流接管,从而避免其他像素处的任何振铃或过电压风险

108.在另一示例中,分流电路的控制可以由外部参数来引导,诸如激光二极管布置的冷却助剂的温度

每个激光二极管的激光发射阈值可以在典型的温度范围内进行校准

前馈计算可以补偿冷却助剂温度与半导体温度之间的温度差

109.在改进中,监测单元
(
例如,用于监测由激光二极管组生成的总通量
)
可以用于检查激光发射阈值是否如从校准中预期的那样

只要检测到与校准有实质性差异,就可以在其使用寿命内对其进行重新校准

可以支持自动校准,例如在需要时的通电
/
断电周期中

对于这些自动校准功能,电流斜率可以较慢,以允许精确测量

110.例如,本发明在聚光灯应用中特别受到关注,例如在博物馆和零售业

如投影和城市美化等多色激光应用

以及结构光激光投影

111.通过对附图

本公开和所附权利要求的研究,本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变化

在权利要求书中,“包括”一词不排除其他元素或步骤,不定冠词“一”或“一个”不排除复数

112.仅在相互不同的从属权利要求中列举某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能用于有利的目的

113.如果在权利要求或说明书中使用术语“被适配为”,则应当注意,术语“被适配为”旨在等同于术语“被配置为”。
114.权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围

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