CN113036596A - 激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动方法 - Google Patents

激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动方法 Download PDF

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CN113036596A CN201911355972.1A CN201911355972A CN113036596A CN 113036596 A CN113036596 A CN 113036596A CN 201911355972 A CN201911355972 A CN 201911355972A CN 113036596 A CN113036596 A CN 113036596A
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王济东
卢鹏
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Abstract

本发明提供一种激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动方法，用于驱动激光发射器，包括，电源；储能电容；控制开关，所述控制开关电连接于所述储能电容、所述电源以及该激光发射器；以及开关控制电路，所述开关控制电路用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控制开关在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关被切换至所述第一状态时，所述电源向所述储能电容充电，当所述控制开关被切换至所述第二状态时，所述储能电容向该激光发射器放电，以驱动该激光发射器。所述激光发射器驱动电路***能够便于电源的选型。

Description

激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动方法
技术领域
本发明涉及激光发射器领域，更进一步地涉及激光发射器驱动电路***及激 光发射器驱动方法。
背景技术
随着科技的发展，TOF(Time of flight)得到了极大的发展，并且被应用 于扫地机器人、智能家居、智能手机等领域。
TOF的发射单元都是对光进行高频调制后再进行发射，一般采用VCSEL或激 光(包含激光二极管和VCSEL)来发射高性能脉冲光，脉冲值能够达到100MHZ 左右，并且主要是发射红外光为主。TOF的***带宽、作用距离、精度、抗干扰 性和低功耗都取决于VCSEL所发射的脉冲的质量，而VCSEL所发射的脉冲特性则 依赖于VCSEL驱动电路的涉及，VCSEL驱动电路涉及直接地影响到VCSEL发射单 元所发射的脉冲的质量。
传统VCSEL的驱动电路往往存在以下问题：
第一，由于VCSEL的控制脉冲的频率过高，因此，VCSEL驱动电路的供电电 压往往是不可控的，常规设计的VCSEL驱动电路的供电电压往往需要经过多次调 整才能够达到设计所需要的值，不但会严重地影响产品的开发周期，而且会浪费 大量的人力和物力成本。也就是说，传统VCSEL驱动电路往往是通过经验来设计 驱动电路的供电电源，并不能够明确具体的电压值，往往需要实际模组做出来后 对电压进行改版调整。
第二，传统常规设计的VCSEL驱动电路很难保证VCSEL有很好的光波形。一 旦VCSEL驱动电路的储能电容选择不当，将会直接地导致VCSEL正极电压波动严 重，从而造成所产生的光波形不够稳定的问题，进而会影响TOF模组的标定效果， 甚至是导致TOF模组不能够被标定。
综上所述，需要对传统VCSEL驱动电路进行改进。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动 方法，与传统驱动电路相比，其光波形更加的稳定，便于模组的标定。
本发明的另一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱 动方法，其瞬间功率和平均功率的比值很高，能够将能量以单脉冲或者重复短脉 冲的形式加载到激光发射器上。
本发明的另一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱 动方法，其能够便于确定驱动电路所需的电压值，缩短电源选型的时间，提高效 率。
本发明的另一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱 动方法，其采储能电容由C0G材质的电容搭建而成，能够极大地降低激光发射器 正极电压的波动。
本发明的另一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱 动方法，其能够便于在电源电压一定的情况下确定放电电路的最小储能电容值。
本发明的另一个优势在于提供一激光发射器驱动电路***及激光发射器驱 动方法，其结构简单，经济成本低。
相应地，为了实现以上至少一个发明优势，本发明提供一种激光发射器驱动 电路***，用于驱动激光发射器，包括：
电源；
储能电容；
控制开关，所述控制开关电连接于所述储能电容、所述电源以及该激光发射 器；以及
开关控制电路，所述开关控制电路用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控 制开关在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关被切换至所述第一 状态时，所述电源向所述储能电容充电，当所述控制开关被切换至所述第二状态 时，所述储能电容向该激光发射器放电，以驱动该激光发射器。
在本发明的一些优选实施例中，所述控制开关是金属氧化物半导体型场效应 管。
在本发明的一些优选实施例中，所述金属氧化物半导体型场效应管的上升时 间和该激光发射器的上升时间之和小于该激光发射器的导通时间。
在本发明的一些优选实施例中，所述储能电容的谐振点大于所述预设的控制 信号的频率。
在本发明的一些优选实施例中，所述储能电容包括由C0G材质制成的电容。
在本发明的一些优选实施例中，所述储能电容的电容值基于所述激光发射器 的正极电压和时间的关系确定。
在本发明的一些优选实施例中，所述电源的电压值基于所述激光发射器的正 极电压和时间的关系确定。
在本发明的一些优选实施例中，所述激光发射器为激光二极管或垂直腔面发 射激光器。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种激光发射器的驱动电路***， 用于驱动激光发射器，其特征在于，包括：
电源；
储能电容；
控制开关，所述控制开关电连接于所述储能电容、所述电源以及该激光发射 器；以及
开关控制电路，所述开关控制电路用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控 制开关在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关被切换至所述第一 状态时，所述电源向所述储能电容充电，当所述控制开关被切换至所述第二状态 时，所述储能电容向该激光发射器放电，以驱动该激光发射器；
其中，所述控制开关是金属氧化物半导体型场效应管，上升时间是3.9ns， 该激光发射器的上升时间是0.9ns，该激光发射器的导通时间是25ns，所述储能 电容是三颗电容值为0.47uF、0.1uF以及22nF的C0G材质电容相互并联，所述 电源的电压是3.68V，该激光发射器的驱动电流是2.3A，脉冲控制信号的频率是 20MHz,占空比是50％，该激光发射器的正极电压是3.45V。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种激光发射器的驱动方法，包 括：
获取脉冲控制信号；
响应于控制开关被切换至第一状态，控制电源向储能电容充电；以及
响应于控制开关被切换至第二状态，控制所述储能电容向激光发射器放电， 以驱动所述激光发射器。
本发明的其他目的和优势将通过具体实施方式和权利要求的内容进一步体 现。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的激光发射器驱动电路***的框图示意 图。
图2是根据本发明的一个优选实施例的激光发射器驱动电路***的结构示意 图。
图3是根据本发明的一个优选实施例的激光发射器的正极电压的仿真曲线示 意图。
图4是根据本发明的一个优选实施例的储能电容是22×nf时VCSEL正极电 压的仿真曲线示意图。
图5是根据本发明的一个优选实施例的储能电容是100×2nf时VCSEL正极 电压的仿真曲线示意图。
图6是根据本发明的一个优选实施例的储能电容是1uf+0.1uf+0.01uf时 VCSEL正极电压的仿真曲线示意图。
图7是根据本发明的一个优选实施例的储能电容是22nF×2的光波形示意图。
图8是根据本发明的一个优选实施例的储能电容是1.11uF的光波形示意图。
图9是根据本发明的一个优选实施例的VCSEL正极电压仿真波形示意图。
图10是根据本发明的一个优选实施例的VCSEL正负极两端的实测波形示意 图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中 的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以 下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方 案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位 置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置 或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解 为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一 个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量 可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考说明书附图1至图10，本发明所提供的激光发射器驱动电路***100被 阐述。所述激光发射器驱动电路***100用于驱动一激光发射器200。
本领域的技术人员可以理解的是，本发明所提供的激光发射器驱动电路*** 100能够被应用于扫地机器人、智能家居、智能手机等机器视觉领域，以获取目 标物体的图像信息等信息。
需要指出的是，本发明所提供的所述激光发射器驱动电路***100是基于脉 冲功率电路的驱动电路，其瞬间功率和平均功率的比值会很高，其能够将所存储 的能量以电能的形式，用单脉冲或者重复脉冲的行驶加载到负载上，有助于快速 准确地确定驱动电路的供电电压以及摄像模组的标定问题。
脉冲功率技术是将高密度的能量通过电路在极短的时间内进行快速释放给 负载的一种技术。其发展是基于材料改性实验、医学影像X光造影和制造等离子 体等需求上，在现阶，脉冲功率技术通常被应用于常温等离子体的制造、表面处 理、细胞改性以及杀菌等应用。
进一步地，所述激光发射器驱动电路***100包括一电源10、一储能电容 20、一控制开关30以及一开关控制电路40，所述控制开关30分别电连接于所 述储能电容20、所述电源10以及所述激光发射器200，所述开关控制电路40用 于基于预设的脉冲控制信号控制所述控制开关30在第一状态和第二状态之间相 互切换，当所述控制开关30被切换至所述第一状态时，所述电源10向所述储能 电容20充电，当所述控制开关30被切换至所述第二状态时，所述储能电容20 向所述激光发射器200放电，以驱动所述激光发射器200。
所述控制开关30分别电连接于所述储能电容20和所述激光发射器200，当 所述控制开关30被切换至所述第二状态时，所述储能电容20向所述激光发射器 200放电，以驱动所述激光发射器200。
所述控制开关30还分别电连接于所述储能电容20和所述电源10，当所述控 制开关30被切换至所述第一状态时，所述电源10向所述储能电容20充电。
需要指出的是，在将所述预设的脉冲控制信号输入至所述开关控制电路40 后，所述开关控制电路40基于所述脉冲控制信号控制所述控制开关在所述第一 状态和所述第二状态之间切换，以供控制所述储能电容20进行充电和放电。本 领域的技术人员可以理解的是，在本发明的另一些优选实施例中，所述预设的脉 冲控制信号的频率能够被实施为不同的频率值，只要能够达到本发明的发明目的， 所述脉冲控制信号的具体频率值不应当构成对本发明的限制。
进一步地，所述激光发射器驱动电路***100进一步包括一充电电路50和 一放电电路60，所述充电电路50电连接于所述储能电容20和所述电源10之间， 用于所述电源10向所述储能电容20充电。所述放电电路60电连接于所述储能 电容20和所述激光发射器200之间，用于所述储能电容20向所述激光发射器 200放电。
可以理解的是，当所述控制开关30被切换至所述第二状态时，所述储能电 容20能够快速地向所述激光发射器200释放能量，向所述激光发射器200提供 很高的脉冲电流和脉冲功率。
优选地，所述激光发射器200是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)。在另一些实施例中，所述激光发射器200还 能够是激光二极管，只要能够达到本发明的发明目的，所述激光发射器200的具 体类型不应当构成对本发明的限制。
所述控制开关30是MOS管(Metal Oxide semiconductor，金属氧化物半导 体型场效应管)。
可以理解的是，所述MOS管的规格满足所述MOS管的上升时间(tr)和所述 VCSEL的上升时间(tv)之和小于所述VCSEL导通的时间(T)。也就是说，所述 MOS管的上升时间(tr)和所述激光发射器200的上升时间(tv)之和小于所述 激光发射器200的导通时间(T)。
可以理解的是，高频驱动电路VCSEL的导通时间往往是ns级的，如果所述 MOS管的上升时间(tr)太大将会导致所述VCSEL无法完全打开，因此要确保所 述MOS管的上升时间(tr)和所述VCSEL的上升时间(tv)之和小于所述VCSEL 导通的时间(T)。比如，所述VCSEL最小脉冲导通时间是3.13s，所述VCSEL的 上升时间是0.9s，所述MOS管的上升时间是1.9ns。
另一方面，所述MOS的RDS(导通电阻)应当尽量地小，因为驱动电路的峰值 电流值往往很大，所述MOS的RDS(导通电阻)过大则会增加模组的功耗。
优选地，在本优选实施例中，被实施为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的所 述激光发射器200的正极电压随之间的变化的关系满足如下关系：
Figure BDA0002335928810000071
Figure BDA0002335928810000072
Figure BDA0002335928810000073
……
其中，U1表示所述激光发射器200在第一时刻的正极电压值，U2表示所述激 光发射器200在第二时刻的正极电压值，U3表示所述激光发射器200在第三时刻 的正极电压值，E表示所述电源10的电压值，Δt表示不同时刻之间的时间间隔， C表示所述储能电容的电容值，Rs表示所述储能电容20的等效电阻值，R表示 所述放电电路60和所述储能电容20的等效电阻值。
可以理解的是，基于上述被实施为垂直腔面发射激光器的所述激光发射器 200的正极电压与时间之间的对应关系利用MATLAB仿真技术能够快速准确地获 得激光发射器驱动电路***100的所述电源10的电压值E。从而能够根据所需 的光功率准确的设计所述电源10的电压值E，缩短电源选型所花费的时间，节 约成本。
进一步地，基于上述被实施为垂直腔面发射激光器的所述激光发射器200的 正极电压与时间之间的对应关系，利用MATLAB仿真技术能够快速准确地获得所 述垂直腔面发射激光器的正极电压随时间变化的曲线，从而能够得出每个时间点 所对应的所述垂直腔面发射激光器所对应的正极电压值，进一步地能够得出每一 时间点所对应的电流值，从而能够快速、准确地确定所述垂直腔面发射激光器所 对应的电源和储能电源的容值。
具体地，所述储能电容20由一个或多个电容搭建而成，包括一个或多个电 容，多个所述电容相互串联和/或并联。优选地，所述储能电容20由C0G(类陶 瓷)电容搭建而成，包括一个或多个C0G电容，多个所述C0G电容相互串联和/ 或并联。
参考说明书附图2，优选地，所述储能电容20由三个C0G电容搭建而成，三 个所述C0G电容的电容值分别是0.47uF、0.1uF以及22nF。
可以理解的是，所述激光发射器驱动电路***100的驱动电流的大小决定了 驱动电路的驱动能力，而VCSEL正极电压的大小直接地决定了驱动电路的电流大 小。在所述MOS管导通的瞬间，被实施为C0G材质电容的所述储能电容20快速 放电，放电的同时也在充电，因此VCSEL的正极电压等于被实施为C0G材质电容 的所述储能电容20的电压和Δt时间内充电所增加的电压ΔU。基于所述VCSEL正 极电压与时间之间的递推关系式，将所推导的递推关系式带入到MATLAB中进行 仿真，从而能够得到VCSEL正极电压随时间变化的曲线，并且能够据此确定VCSEL 驱动电路的电源电压值和储能电容的电容值。
需要指出的是，在本发明所提供的所述激光发射器驱动电路***100中选用 C0G材质的高频电容取代传统的X5R或X7R材质的电容作为驱动电路的储能电容， C0G材质的电容谐振点能够达到上百MHz，传统材质的电筒的频率特性一般为 1MHz至10MHz，并且在高频状态下呈现感性，而VCSEL驱动电路的工作频率往往 是大于10MHz的，因此，传统材质的电容已经不适用，而C0G材质的电容谐振点 往往能够达到上百MHz，所以采用C0G材质的电容能够大大降低VCSEL正极电压 的波动性，提高激光发射器驱动电路***及激光发射器驱动方法100的工作稳定 性。
相应地，所述储能电容20的谐振点大于所述预设的脉冲控制信号的频率,以 供满足VCSEL驱动电路的工作要求，降低VCSEL正极电压的波动性，提高激光发 射器驱动电路***及激光发射器驱动方法100的工作稳定性。
所述储能电容20的电容值基于所述激光发射器200的正极电压和时间的关 系确定。相应地，所述电源10的电压值也能够基于所述激光发射器200的正极 电压和时间的关系确定。
举例地，假设所述电源10的电压值为3.3V，所述充电电路50的等效电阻值 为10mΩ，所述VCSEL负载以及MOS管的等效电阻为0.3Ω，选取被实施为C0G 材质电容的所述储能电容20的不同电容值分别代入MATLAB进行仿真，从仿真的 结果能够看出，在所述电源10的电压值不变的情况下，增加被实施为C0G材质 的所述储能电容20的电容值可以保证电压波形足够稳定，从而能够拉高VCSEL 的驱动电路。
参考说明书附图7和图8，其显示有所述储能电容20的不同电容值所对应的 光波形，由此可知，想要获得更好的光波形，就要确定合适的所述储能电容20 的电容值，从而能够确定满足驱动电路要求的所述储能电容20的最小电容值。
需要指出的是，VCSEL驱动电路通常是通过DC/DC供电，而DC/DC的供电电 压和供电电流是有限的，因此在VCSEL的驱动电路设计时，所述电源10的供电 电压的具体值和所述储能电容20的具体电容值要基于上述垂直腔面发射激光器 与时间之间的对应关系、MATLB仿真曲线以及实际情况得出。
举例地，假如所述VCSEL驱动电路要求驱动电流稳定在2.3A左右，控制脉 冲的频率是20MHz，占空比是50％。根据VCSEL的规格要求VCSEL两端电压导通 时的压差是3.4V。所选用的所述VCSEL和MOS管的上升时间分别是0.9ns和3.9ns。 基于上述VCSEL正极电压与时间之间的对应关系式用MATLAB仿真结果为：当所 述电源10的电压是3.68V时，所述放电电路13是0.47uF、0.1uF、22nF三颗 C0G材质的电容并联，25ns导通时间结束时所述VCSEL的正极电压是3.45V，并 且电压基本是稳定的。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种激光发射器的驱动方法，包 括：
获取脉冲控制信号；
响应于控制开关30被切换至第一状态，控制电源10向储能电容20充电； 以及
响应于控制开关30被切换至第二状态，控制所述储能电容20向激光发射器 200放电，以驱动所述激光发射器200。
所述控制开关30分别电连接于所述储能电容20、所述电源10以及所述激光 发射器200，所述开关控制电路40用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控制 开关30在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关30被切换至所述 第一状态时，所述电源10向所述储能电容20充电，当所述控制开关30被切换 至所述第二状态时，所述储能电容20向所述激光发射器200放电，以驱动所述 激光发射器200。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具 体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述无须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体 特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结 合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的 不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为 举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及 结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式 可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种激光发射器驱动电路***，用于驱动激光发射器，其特征在于，包括：
电源；
储能电容；
控制开关，所述控制开关电连接于所述储能电容、所述电源以及该激光发射器；以及
开关控制电路，所述开关控制电路用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控制开关在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关被切换至所述第一状态时，所述电源向所述储能电容充电，当所述控制开关被切换至所述第二状态时，所述储能电容向该激光发射器放电，以驱动该激光发射器。
2.根据权利要求1所述的驱动电路***，其中，所述控制开关是金属氧化物半导体型场效应管。
3.根据权利要求2所述的驱动电路***，其中，所述金属氧化物半导体型场效应管的上升时间和该激光发射器的上升时间之和小于该激光发射器的导通时间。
4.根据权利要求1所述的驱动电路***，其中，所述储能电容的谐振点大于所述预设的脉冲控制信号的频率。
5.根据权利要求4所述的驱动电路***，其中，所述储能电容包括由C0G材质制成的电容。
6.根据权利要求1所述的驱动电路***，其中，所述储能电容的电容值基于所述激光发射器的正极电压和时间的关系确定。
7.根据权利要求1所述的驱动电路***，其中，所述电源的电压值基于所述激光发射器的正极电压和时间的关系确定。
8.根据权利要求1-7中任一所述的驱动电路***，其中，所述激光发射器为激光二极管或垂直腔面发射激光器。
9.一种激光发射器驱动电路***，用于驱动激光发射器，其特征在于，包括：
电源；
储能电容；
控制开关，所述控制开关电连接于所述储能电容、所述电源以及该激光发射器；以及
开关控制电路，所述开关控制电路用于基于预设的脉冲控制信号控制所述控制开关在第一状态和第二状态之间相互切换，当所述控制开关被切换至所述第一状态时，所述电源向所述储能电容充电，当所述控制开关被切换至所述第二状态时，所述储能电容向该激光发射器放电，以驱动该激光发射器；
其中，所述控制开关是金属氧化物半导体型场效应管，上升时间是3.9ns，该激光发射器的上升时间是0.9ns，该激光发射器的导通时间是25ns，所述储能电容是三颗电容值为0.47uF、0.1uF以及22nF的C0G材质电容相互并联，所述电源的电压是3.68V，该激光发射器的驱动电流是2.3A，脉冲控制信号的频率是20MHz,占空比是50％，该激光发射器的正极电压是3.45V。
10.一种激光发射器驱动方法，其特征在于，包括：
获取脉冲控制信号；
响应于控制开关被切换至第一状态，控制电源向储能电容充电；以及
响应于控制开关被切换至第二状态，控制所述储能电容向激光发射器放电，以驱动所述激光发射器。
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