脉冲发生器电路、相关的激光系统和方法

本申请要求于2019年12月20日提交的意大利申请第102019000025132号的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本说明书的实施例涉及脉冲发生器电路，诸如用于激光二极管的脉冲发生器电路。

背景技术

在许多应用中，可能需要生成窄的高电流脉冲。

图1示出了被配置为向负载30提供电流脉冲的示例性脉冲发生器电路20。

在所考虑的示例中，脉冲发生器电路20包括：

正电源端子200和负电源端子202，被配置为连接到DC电压源10，从而接收电源电压V

正输出端子204和负输出端子206，被配置为连接到负载30，以向负载30提供输出电流I

电子开关Q1，诸如场效应晶体管(FET)，诸如n-沟道FET，被配置为选择性地将负输出端子206连接到负输入端子202。

例如，在图1中，负载30是激光二极管D，即，激光二极管D(例如，直接)连接在端子204与206之间。因此，在所考虑的示例中，脉冲发生器电路20被配置为激光二极管驱动器。例如，在许多应用中，诸如在光检测和测距(激光雷达)系统中，必须将上升和下降时间在50ps(皮秒)与300ps之间的范围内(通常在100ps的范围内)的窄电流脉冲施加到二极管D。

在所考虑的示例中，可以通过闭合电子开关Q1将电流脉冲施加到二极管D，由此二极管D连接到电源电压V

如图1所示，为了稳定电源电压V

一方面，使用图1所示的架构，在很短的时间帧内生成几个脉冲几乎是不可能的，因为电容器C

此外，用于将二极管D连接到电容器C

上述问题还暗示，提供给激光二极管D的输出电流I

发明内容

考虑到前述内容，因此，各种实施例的目的是为脉冲发生器电路提供改进的解决方案。

根据一个或多个实施例，上述目的中的一个或多个目的通过脉冲发生器电路来实现，该脉冲发生器电路具有在随后的权利要求中具体阐述的独特元件。此外，实施例涉及相关的激光系统和方法。

权利要求书形成本文所提供的说明书的技术教导的组成部分。

如前所述，本公开的各种实施例涉及被配置为将电流脉冲施加到负载的脉冲发生器电路。例如，脉冲发生器电路可以用于激光系统，诸如激光雷达系统。

在各种实施例中，脉冲发生器电路包括用于接收电源电压的正输入端子和负输入端子以及用于向负载提供电流脉冲的两个输出端子。在各种实施例中，电感和电容串联连接在第一节点与负输入端子之间，从而形成具有给定的谐振周期的LC谐振电路。在各种实施例中，充电电路被配置为经由电源电压对电容充电。例如，在各种实施例中，电感(诸如电感器)连接到第一节点，并且电容(诸如电容器)连接到负输入端子。在这种情况下，充电电路可以包括连接在正电源端子和电感与电容之间的中间节点之间的电阻(诸如电阻器)以及可选地电子开关。

在各种实施例中，第一电子开关连接在两个输出端子之间，并且被配置为根据第一驱动信号选择性地使两个输出端子短路，并且第二电子开关被配置为根据第二驱动信号选择性地将两个输出端子与LC谐振电路并联连接。例如，第一电子开关和第二电子开关可以串联连接在第一节点与负输入端子之间，其中，两个输出端子可以连接到第一节点和第一电子开关与第二电子开关之间的中间节点。可选地，第二电子开关和第一电子开关可以串联连接在第一节点与负输入端子之间，并且两个输出端子可以连接到第一电子开关与第二电子开关之间的中间节点和负输入端子。

在各种实施例中，控制电路被配置为生成第一驱动信号和第二驱动信号。具体地，在各种实施例中，控制电路被配置为在具有四个开关循环的每个开关循环期间驱动第一电子开关和第二电子开关。具体地，对于第一时间间隔，控制电路闭合第一电子开关并且断开第二电子开关，其中，两个输出端子与LC谐振电路断开，并且电容经由充电电路充电。对于随后的第二时间间隔，控制电路闭合第一电子开关和第二电子开关两者，其中，两个输出端子与LC谐振电路并联连接，并且两个输出端子短路，由此LC谐振电路以给定的谐振周期振荡。对于随后的第三时间间隔，控制电路断开第一电子开关并且闭合第二电子开关，其中，两个输出端子与LC谐振电路并联连接，并且LC谐振电路向两个输出端子提供电流。对于随后的第四时间间隔，控制电路闭合第一电子开关和第二电子开关两者，其中，两个输出端子与LC谐振电路并联连接，并且两个输出端子被短路，由此LC谐振电路以给定的谐振周期振荡。

因此，在第二时间间隔期间，由LC谐振电路提供的电流以给定的最大电流值振荡。在各种实施例中，控制电路被配置为当由LC谐振电路提供的电流达到(大约)给定的最大电流值时启动第三时间间隔。例如，控制电路可以被配置为使用第二时间间隔的(恒定)持续时间，该第二时间间隔的(恒定)持续时间在给定的谐振周期的四分之一(1/4)的90％与110％之间(优选地在95％与105％之间)的范围内被选择。可选地，控制电路可以被配置为接收标识要提供给两个输出端子的所请求的电流幅度的数据，并且根据标识所请求的电流幅度的数据确定第二时间间隔的持续时间。

在各种实施例中，第三时间间隔的持续时间在500ps与20ns之间(优选地在1ns与2ns之间)的范围内被选择。

在各种实施例中，控制电路被配置为当由LC谐振电路提供的电流达到(大约)零时启动第一时间间隔。例如，可以选择第四时间间隔的持续时间，使得第二时间间隔、第三时间间隔和第四时间间隔的持续时间的和在给定的谐振周期的90％与110％之间(优选地在95％与105％之间)的范围内，并且优选地对应于给定的谐振周期。

附图说明

现在将参考所附附图来描述本公开的实施例，所附附图仅以非限制性示例的方式提供，并且其中：

通过附图中以非限制性示例的方式示出的本发明的实际实施例的以下详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了脉冲发生器电路的电路示意图；

图2A、图2B、图2C、图2D和图2E示出了脉冲发生器电路的第一实施例的电路示意图；

图3A、图3B、图3C和图3D示出了图2A-2E的脉冲发生器电路的开关状态的实施例；

图4示出了在图2A-2E的脉冲发生器电路中使用的驱动信号的实施例；

图5和图6示出了图2A-2E的脉冲发生器电路的示例性波形；

图7示意性地示出能够实现图2A-2E的脉冲发生器电路的集成电路布局的实施例；

图8示出了脉冲发生器电路的第二实施例的电路示意图；

图9A、图9B和图9C示出了图8的脉冲发生器电路的开关状态的实施例；

图10示出了在图8的脉冲发生器电路中使用的驱动信号的实施例；

图11示出了脉冲发生器电路的第三实施例的电路示意图；

图12示出了脉冲发生器电路的第四实施例的电路示意图；

图13和图14示出了包括根据本公开的脉冲发生器电路的集成电路的实施例；

图15示出了包括根据本公开的一个或多个脉冲发生器电路的激光系统。

具体实施方式

在随后的描述中，示出了各种具体细节，旨在实现对实施例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下提供实施例，或者在没有其他方法、组件、材料等的情况下提供实施例。在其他情况下，未详细示出或描述已知的结构、材料或操作，从而不会模糊实施例的各方面。

在本说明书的框架中对“一实施例”或“一个实施例”的引用是指指示在至少一个实施例中包括相对于实施例描述的特定配置、结构或特性。因此，在本说明书的各方面中可能存在的诸如“在一实施例中”、“在一个实施例中”等短语未必是指一个且相同的实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合特定的构型、结构或特性。

本文所使用的参考仅是为了方便而提供的，并且因此并不限定保护范围或实施例的范围。

在下面描述的图2A至图15中，已经参考图1描述的部件、元件或组件由这些附图中先前使用的相同的参考标记来表示。已经对这些元件进行了描述，并且为了不使本详细描述负担，在下文中将不再重复这些元件的描述。

图2A示出了诸如激光二极管驱动器的脉冲发生器电路20a的实施例。

在所考虑的实施例中，脉冲发生器电路20a包括：

正电源端子200和负电源端子202，被配置为接收DC电源电压V

正输出端子204和负输出端子206，被配置为连接到负载30，以向负载30提供输出电流I

例如，在各种实施例中，负载30是激光二极管D，即，激光二极管D(例如，直接)连接在端子204与206之间。通常，脉冲发生器电路20a和可选地激光二极管D可以集成在集成电路中。因此，在这种情况下，集成电路可以包括连接到端子200/202的(集成电路的管芯的)两个电源焊盘或(集成电路的相应封装的)引脚，并且可选地(如果二极管D未集成在集成电路中)和用于连接到二极管D的另外两个焊盘或引脚。

在所考虑的实施例中，脉冲发生器电路20a包括：

LC谐振电路，包括串联(例如，直接)连接在节点210与端子202之间的电感器Lr和电容器Cr，其中，例如，电感器Lr连接到节点210，并且电容器Cr连接到端子202；

充电电路220，其被配置为对电容器Cr充电；

第一电子开关S1(具有电流路径)，(例如，直接)连接在节点210与(例如，直接)连接到端子206的节点212之间，即，电子开关S1与负载30并联连接，并且因此被配置为选择性地使输出端子204/206(即，负载30)短路；

第二电子开关S2(具有电流路径)，其(例如，直接)串联连接在节点212与端子202之间，即第二电子开关S2被配置为选择性地将输出端子204/206(即，负载30)与LC谐振电路Lr/Cr并联连接；

控制电路208a，被配置为生成用于电子开关S1和S2的控制端子的驱动信号DRV1和DRV2。

例如，图2B、图2C、图2D和图2E示出了充电电路220a、220b、220c和220d的可能实施例。

通常，充电电路220被配置为经由电源电压V

在端子200与节点210之间，从而通过电感器Lr对电容器Cr充电，或者

优选地，在端子200与节点210之间的中间节点之间，从而直接对电容器Cr充电。

例如，图2B示出了充电电路220a的实施例，其中，电阻R(例如，直接)连接在端子200与电容器Cr之间，例如，在端子200和电感器Lr与电容器Cr之间的中间节点之间。

因此，在这种情况下，当电容器处的电压V

在各种实施例中，充电电路220被配置为当电子开关S2断开时选择性地对电容器Cr充电。

例如，图2C示出了充电电路220b的实施例，其中，电阻R和电子开关SR(例如，直接)串联连接在端子200与电容器Cr之间，例如，在端子200和电感器Lr与电容器Cr之间的中间节点之间。

如图2D和图2E所示，这种电子开关SR可以用诸如FET或二极管的可控电子开关来实现。

因此，控制电路208a还可以被配置为生成用于电子开关SR的驱动信号。例如，该驱动信号可以对应于电子开关S2的驱动信号DRV2的反相形式。

在各种实施例中，电阻R可以是寄生电阻或者可以用电阻器来实现。例如，在各种实施例中，电阻R在0.1欧姆与300欧姆之间的范围内。通常，当使用电子开关SR时，电阻也可以很小(例如，在0.02欧姆与10欧姆之间)，因为电子开关SR可以用于使LC谐振电路去耦。例如，在这种情况下，电阻R也可以对应于电子开关SR的接通电阻。相对照地，在不存在电子开关SR的情况下，电阻R应该更大(例如，在100欧姆与300欧姆之间)，以便使LC谐振电路的振荡与电源电压去耦。

在各种实施例中，电感器Lr和电容器Cr可以相对于脉冲发生器电路20a的集成电路在外部。例如，电感器Lr和电容器Cr可以串联连接在这种集成电路的引脚/焊盘之间，该引脚/焊盘连接到脉冲发生器电路20a的端子204和202。

在各种实施例中，电感器Lr的电感在1nH至1uH之间的范围内，优选地在5nH与50nH之间的范围内，并且电容器Cr的电容在100nF至10uF之间的范围内，优选地在200nF与800nF之间的范围内。

在各种实施例中，电子开关可以是场效应晶体管(FET)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或优选地氮化镓(GaN)晶体管。因此，控制电路208a可以被配置为产生用于FET S1和FET S2的栅极端子的驱动信号DRV1和DRV2。为此目的，控制电路208a可以包括用于生成驱动信号DRV1和DRV2的FET驱动器电路，诸如用于FET S1的高侧驱动器和用于FET S2的低侧驱动器电路。

例如，在各种实施例中，电子开关S1和S2是n-沟道FET。因此，在这种情况下，FETS1的漏极端子(例如，直接)连接到端子204/节点210，FET S1的源极端子(例如，直接)连接到端子206/节点212，FET S2的漏极端子(例如，直接)连接到端子206/节点212，并且FET S2的源极端子(例如，直接)连接到端子202。

在这方面，图4示出了由控制电路208a生成的驱动信号DRV1和DRV2的实施例，并且图3A、图3B、图3C和图3D示出了脉冲发生器电路20a的相应开关状态。

具体地，在第一时间间隔T

在时刻t

在时刻t

在时刻t

在时刻t

因此，通过在时间间隔T

图5在这方面示出了以下波形的实施例：

驱动信号DRV1和DRV2，

电容器Cr处的电压V

流过电子开关S1的(电流路径)的电流i

电子开关S1处的电压V

输出电流i

如前所述，在各种实施例中，电子开关S1和S2可以是FET。因此，在这种情况下，电流i

图6示出了在多个开关循环的上下文中的以下波形的实施例：

驱动信号DRV1和DRV2，

流过电子开关S1的(电流路径)的电流i

电子开关S1处的电压V

输出电流i

输出电压V

因此，在关于图5和图6所示的操作描述的实施例中，驱动信号DRV1和DRV2是具有给定的开关持续时间T

开关S1的导通时间T

开关S2的接通时间T

在各种实施例中，电子开关S2的接通时间T

T

其中，i是正整数。具体地，在各种实施例中，i对应于1，即T

发明人已经观察到，电子开关S2可以以这种方式在零电流(即，在电流i

因此，在各种实施例中，(可选地经由开关SR连接到电容器Cr)诸如电阻R的充电电路220在时间间隔T

接下来，控制单元208a在接近于1/Fr(或其倍数)的持续时间T

然后，控制单元208a在时间间隔T

因此，通过控制间隔T

T

通常，也可以使用上述时间T

在各种实施例中，时间T

然后，当控制电路208a在时刻t

一旦电子开关S2断开，电容器Cr就经由充电电路220再充电。如前所述，由于额外的时间间隔T

因此，在所考虑的实施例中，电感器Lr基本上实现电流源。这对于二极管(诸如激光二极管D)尤其有用，因为二极管需要的是所要求的电流而不是所要求的电压。此外，这允许电源电压V

图7示出了适于用于安装电子开关S1/S2、二极管D和控制电路208a的印刷电路布局的可能实施例。

在所考虑的实施例中，电子开关是FET。具体地，电子开关S

因此，印刷电路板可以包括：

第一金属区域/迹线MA

第二金属区域/迹线MA

第三金属区域/迹线MA

第四金属区域/迹线MA

第五金属区域/迹线MA

通常，组件S1、S2、D和/或208a可以具有相应的带引脚的封装，或者可以直接安装在PCB上或者通过使用片上芯片技术安装在PCB上。例如，仅为了提供尺寸参考，这种电子开关(没有封装)可以具有1毫米范围内的宽度W。

通常，也可以使用其他电路布置，其包括：

LC谐振电路，包括串联连接的电感器Lr和电容器Cr；

充电电路229，其被配置为经由电源电压V

第一电子开关S1，其被配置为选择性地使输出端子(即，负载30/激光二极管D)短路；

第二电子开关S2，其被配置为选择性地将输出端子(即，负载30/激光二极管D)连接到LC谐振电路；

控制电路208a，其被配置为以以下时间间隔顺序控制第一电子开关S1和第二电子开关S2的切换：

在第一时间间隔T

在第二时间间隔T

在第三时间间隔T

在第四时间间隔T

例如，图8示出了使用不同连接的实施例。

具体地，在所考虑的实施例中，脉冲发生器电路20a再次包括：

正电源端子200和负电源端子202，被配置为接收DC电源电压V

正输出端子204和负输出端子206，其被配置为连接到负载30，以向负载30/激光二极管D提供输出电流I

LC谐振电路，包括串联(例如，直接)连接在节点210与端子202之间的电感器Lr和电容器Cr；

充电电路220，例如，利用(例如，直接)连接在端子200和电感器Lr与电容器Cr之间的中间节点之间的电阻R来实现；

两个电子开关S1和S2，诸如(n-沟道)FET，(例如，直接)连接在节点210与端子202之间。

在图2A中，输出端子204和206(例如，直接)连接到节点210和电子开关S1与S2之间的中间节点212。因此，(高侧)电子开关S1被配置为使输出端子204和206(即，负载30)短路，并且(低侧)电子开关S2被配置为将输出端子204和206(即，负载30)与LC谐振电路并联连接。

相对照地，在所考虑的实施例中，输出端子204和206分别(例如，直接)连接到电子开关S1/S2之间的中间节点212和端子202。因此，低侧开关(连接在节点212与端子202之间)现在被配置为使输出端子204和206(即，负载30)短路，并且因此现在对应于电子开关S1。相对照地，高侧电子开关现在被配置为将输出端子204和206(即，负载30)与LC谐振电路并联连接(即，在节点210与端子202之间)，并且因此现在对应于电子开关S2。

在这方面，图10示出了由控制电路208a生成的驱动信号DRV1和DRV2的实施例，并且图9A、图9B、图9C示出了脉冲发生器电路的相应开关状态。

具体地，如图10所示，由控制电路208a生成的驱动信号DRV1和DRV2对应于图4所示的驱动信号(除了为了例如生成所需的栅极-源极电压的电压电平之外)。因此，关于时间间隔T

例如，图9A示出了时间间隔T

在各种实施例中，脉冲发生器电路20a还可以被配置为顺序地将脉冲施加到多个负载，诸如N个激光二极管D

例如，图11示出了激光二极管D

在所考虑的实施例中，脉冲发生器电路20a包括：

正电源端子200和负电源端子202，被配置为接收DC电源电压V

LC谐振电路，包括串联(例如，直接)连接在节点210与端子202之间的电感器Lr和电容器Cr；

充电电路220，例如，利用(例如，直接)连接在端子200和电感器Lr与电容器Cr之间的中间节点之间的电阻R来实现；

电子开关S2，被配置为将节点212连接到LC谐振电路，即，电子开关S2被配置为将激光二极管D

N个电子开关S1

控制电路208a，被配置为生成用于电子开关S2的驱动信号DRV2和用于电子开关S1

具体地，在所考虑的实施例中，驱动信号DRV2对应于前述驱动信号DRV2。此外，控制电路208a可以被配置为在每个开关循环期间将前述驱动信号DRV1施加到相应的单个开关或多个开关S1

相对照地，图12示出了激光二极管D

在所考虑的实施例中，脉冲发生器电路20a再次包括：

正电源端子200和负电源端子202，被配置为接收DC电源电压V

LC谐振电路，包括串联(例如，直接)连接在节点210与端子202之间的电感器Lr和电容器Cr；

充电电路220，例如，利用(例如，直接)连接在端子200和电感器Lr与电容器Cr之间的中间节点之间的电阻R来实现；

电子开关S2，其被配置为将节点212连接到LC谐振电路，即，电子开关S2被配置为将激光二极管D

电子开关S1，其被配置为使激光二极管D

控制电路208a，被配置为生成用于电子开关S1和S2的驱动信号DRV1和DRV2以及用于电子开关S3

具体地，在所考虑的实施例中，驱动信号DRV1和DRV2对应于前述驱动信号，从而在开关循环的每个时间间隔T

通常，当二极管D

通常，前述的激光二极管D中的每一个也可以用并联或优选地串联连接的多个激光二极管来实现。

如上所述，脉冲发生器电路20a和可选地负载30/激光二极管D可以集成在集成电路中。

例如，图13示出了集成电路包括用于连接到外部二极管D的焊盘/引脚204和206的实施例。

此外，图13突出了这样的集成电路可以包括连接到集成电路的一个或多个焊盘/引脚214的通信接口216，诸如集成电路间(I

类似地，图14示出了集成电路也可以连接到多个外部二极管D

图15示出了包括如上所述的脉冲发生器电路20a的电子系统的实施例。具体地，在所考虑的实施例中，电子系统是激光雷达系统，包括：

发射器部分42，包括：

一个或多个脉冲发生器电路20a，被配置为例如根据给定的定时方案将电流脉冲施加到多个激光二极管；

微机电系统(MEMS)反射镜420，具有相关联的相应控制电路422，以便向MEMS反射镜420发送致动命令并且可选地从MEMS反射镜420接收位置数据；

接收器部分44，其包括多个光学传感器440，诸如光电二极管DR，该多个光学传感器440被配置为向相应的测量电路442提供信号；

控制和处理电路40，被配置为向与MEMS反射镜420相关联的脉冲发生器电路20a和控制电路422提供控制信息，并且接收和处理从测量电路440接收的数据。

在各种实施例中，控制和处理电路40可以被配置为与另一电子电路交换数据COM，诸如以便发送所处理的数据，例如，指示一个或多个物体距激光雷达系统的距离的数据。

因此，所描述的实施例中的一个或多个实施例具有以下优点：

可以获得上升和下降时间在100ps范围内的快速切换，这允许生成持续时间在1ns范围内的电流脉冲(例如，时间间隔T

通过调整时间间隔T

开关环路可以直接在集成电路中实现，其允许将换向环路内的寄生电感降低到例如低于0.1nH；并且

电源电压V

当然，在不损害本发明的原理的情况下，结构和实施例的细节可以相对于本文仅通过示例的方式描述和说明的内容广泛地变化，而不因此偏离由所附的权利要求限定的本发明的范围。