激光二极管照明电路的制作方法

本发明涉及在照明应用中使用的半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光光源在照明应用中越来越受到关注。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

技术实现思路

1、本发明由权利要求限定。

2、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：

3、电流驱动电路；

4、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；

5、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

6、控制装置，用于控制电流分流电路，其中控制装置被适配为：

7、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。

8、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。

9、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。

10、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)。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、该照明电路还可以包括：

32、串联开关，与至少两个激光二极管的串联连接串联；以及

33、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。

34、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级)电流驱动器来为激光二极管串供电。

35、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。

36、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。

37、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。

38、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：

39、激光二极管；以及

40、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。

41、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。