CN104247566B

CN104247566B - 辐射元件的单独可控阵列

Info

Publication number: CN104247566B
Application number: CN201380021437.7A
Authority: CN
Inventors: C.德普佩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2017-08-15
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: JP2015514330A; RU2627729C2; BR112014026061A2; EP2842392A1; CN104247566A; RU2014147009A; BR112014026061A8; WO2013160787A1; EP2842392B1; JP5897202B2; US9236705B2; US20150085887A1

Abstract

一种在供给大量功率时避免极端电流水平的良好方式是增加电压。这样做的最简单的方式是串联（La1到La‑n）连接辐射元件（例如激光二极管像素）。在这样的像素化驱动器中，组件的量和每像素复杂度通过串联连接尽可能多的辐射元件、由一个电流受控驱动器（Is）供给串、通过并联到辐射元件的开关（40‑1到40‑n）使应当处于断开状态的像素短路、本地存储用于每个像素的二进制导通/断开信息（30‑1到30‑n）、创建用于开关的浮动供给（20‑1到20‑n）以及管理到浮动存储和开关的信息传递来降低。

Description

辐射元件的单独可控阵列

技术领域

本发明涉及一种用于驱动诸如激光二极管或发光二极管之类的辐射元件的阵列的方法和电路。

背景技术

在许多印刷和处理应用中，激光器或激光二极管被用来使用扫描和调制射束加热或照射目标。该射束在二维中被扫描，同时在高频率处调制功率以实现目标上的所需图案。

作为示例，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是具有垂直于顶表面的激光束发射的半导体激光二极管的类型，其与从通过从晶片中分出单独的芯片形成的表面进行发射的常规边发射半导体激光器（或平面内激光器）相反。

VCSEL技术的应用允许增加总体速度同时甚至降低激光源的成本的新方法。作为示例，可以构建单独受控像素的行，同时扫描仅在一维中完成，这类似于文件平板扫描仪中使用的扫描过程。这样的像素化源已经被实现并且接下来的步骤是根据期望的需求增加大小和功率。

然而，当完全扩展地使用这样的概念时，需要大量单独受控VCSEL。同时，增加操作速度还意味着每个激光二极管的总功率需要保持非常高。作为示例，如果对于每个像素而言需要100μm的间距和2V下0.5A的电流水平，那么对于30cm的线长，这总计达1500A的总电流。这样的布线的绝对数量和直径将会使解决方案不可能被构建。解决该问题的常规方法建议使用复用布线，例如用于3000像素的55正和55负连接。对于这样的解决方案，一个像素的导通时间被限制到时间的1/55并且在该时间期间的电流是平均值的55倍。可以容易地看到，这样的极端脉冲不在VCSEL芯片的能力之内并且同样这里在27.5A的电流处的110条导线的布线仍然要求大直径。

在显示解决方案中，本地晶体管向每个像素添加单独控制。这样，仅控制状态信号需要单独地（或以串行或复用的方式）去往每个像素并且功率被全局地应用。该解决方案同样仍旧不能被容易地缩放到VCSEL阵列中使用的高功率密度。

WO 2008/129504 A1公开了一种用于分别驱动OLED/LED串的OLED/LED元件的设备。

发明内容

本发明的目的是提供用于控制VCSEL阵列或其它类型的辐射元件的阵列的方法和装置，借助于该方法和装置实现了具有高功率密度和/或高操作速度的阵列。

该目的通过一种用于驱动辐射元件的阵列的电路来实现，所述辐射元件串联连接。所述电路包括：a）多个开关元件，其并联连接到所述辐射元件中的相应辐射元件并且可控制成分别使所述辐射元件中的所述相应辐射元件短路；b）多个本地存储元件，其连接到所述开关元件中的相应开关元件并且适于本地存储确定相应开关元件的开关状态的二进制信息；以及c）多个本地浮动供给元件，其用于递送用来依照所述二进制信息控制所述开关元件中的相应开关元件的浮动供给。

该目的通过一种用于串联连接的驱动辐射元件的阵列的方法来实现。所述方法包括：a）控制所述辐射元件中的相应辐射元件以分别使所述辐射元件中的所述相应辐射元件短路；b）存储确定并联连接到所述辐射元件中的相应辐射元件的多个开关元件中的每一个的开关状态的二进制信息，以便分别使所述辐射元件中的所述相应辐射元件短路；以及c）递送用来依照所述二进制信息控制所述开关元件中的相应开关元件的浮动供给。

该目的通过一种包括用于当在计算设备上运行时产生上述方法的步骤的代码构件的计算机程序产品来实现。

因此，可以通过串联连接像素以便增加总电压来实现大量功率。阵列的像素串可以由一个电流受控驱动器供给，而通过并联连接到相应辐射元件的开关使应当处于断开状态的像素短路。而且，本地存储用于每个像素的二进制导通/断开信息并且创建用于各个开关的浮动供给，使得可以分别管理到浮动存储和开关的信息传递以达成电路的有效实现方式。由此，所提出的像素化驱动器的组件的量和每像素复杂度可以降低到绝对最小值，使得可以实现高功率密度和高操作速度。

根据第一方面，本地存储元件和本地浮动供给元件可以通过电容器实现。这为信息存储和本地电力供给提供了简单的解决方案。

根据可以与以上的第一方面组合的第二方面，可以提供本地控制端以用于控制第一本地电路将多个本地存储元件的相应一个的二进制信息设置到预定的第一状态。由此，每个辐射元件可以被分别控制并且设置到第一状态（例如通电状态）。

根据可以与以上的第一或第二方面组合的第三方面，第一本地电路可以适于响应于本地控制端供给多个本地浮动供给元件的相应一个。因此，本地控制端还可以用于向本地浮动供给元件分别供给能量，以便降低电路复杂度。

根据可以与以上的第一到第三方面中的任一个组合的第四方面，可以提供公共控制端以用于控制第二本地电路以重置所有本地存储元件的二进制信息。由此，单个控制输入可以用于将所有辐射元件重置到另一二进制状态，即可以是断电状态的第二状态。

根据可以与以上的第一到第四方面中的任一个组合的第五方面，电路可以被适于在辐射元件的阵列的脉冲暂停期间向本地或公共控制端供给控制信息。脉冲暂停可以经由公共控制端或通过使用电流供给生成。

根据可以与以上的第五方面组合的第六方面，可以提供多个其它本地存储元件以用于存储要用于确定在脉冲电流供给的随后脉冲中相应的开关元件的开关状态的二进制信息。

根据第五和第六方面的措施还用来提供具有最小量的组件的传输和存储的高效实现。

根据以上方面中的任一个的电路可以连同辐射元件的阵列提供在照明设备中，其可以可选地包括串联连接的辐射元件串。于是，单个电流源可以被用于向辐射元件串供给电流并且可以可选地适于生成用于辐射元件串的脉冲电流供给。

所提出的驱动方案可以实现为存储在计算机可读介质上或者从网络下载的计算机程序产品，其包括当在计算设备上运行时用于产生上述方法的步骤的代码构件。

下面限定另外的有利实施例。

附图说明

本发明的这些和其它方面将根据以下描述的实施例而清楚明白，并且将参照以下描述的实施例进行阐述。

现在将通过示例的方式，基于参照附图的实施例描述本发明。

在图中：

图1示出根据第一实施例的驱动电路的示意性框图；

图2示出根据第二实施例的用于驱动单个像素的电路部分的示意性电路图；

图3示出由根据第二实施例的多个电路部分构建的驱动电路的示意性电路图；

图4示出针对利用脉冲源的第一操作示例的波形图；

图5示出针对利用恒定操作源的第二操作示例的波形图；

图6示出针对具有增加的时间分辨率的第二操作示例的图5的波形图的一部分。

具体实施方式

现在将基于被提供用于驱动照明设备的可以是VCSEL的激光二极管La1到La-n的阵列的驱动电路描述本发明的各种实施例。

图1示出具有根据第一实施例的驱动电路的照明设备的示意性框图。多个激光二极管La1到La-n的串联连接从电流源Is接收它的供给电流。另外，驱动电路包括n个驱动级，每个驱动级经由浮动供给电路（FS）20-1到20-n从相应供给端S被供给。浮动供给电路20-1到20-n连接到相应的状态存储器（SM）30-1到30-n，二进制信息可以经由相应的水平移动电路（LS）10-1到10-n经由相应像素导通控制端（PON）被设置或写入到相应的状态存储器（SM）30-1到30-n。而且，提供公共的重置或断开控制端（COFF）以用于经由相应水平移动电路10-1到10-n公共地重置每个状态存储器30-1到30-n中的二进制信息。浮动供给电路20-1到20-n和状态存储器30-1到30-n连接到相应开关元件（SS）40-1到40-n，其适于使并联连接到其的激光二极管La1到La-n中相应的一个短路。由此，每个激光二极管La1到La-n（其形成照明设备的像素的行）可以经由相应的像素导通控制端PON被分别接通并且所有的激光二极管La1到La-n可以经由单个公共断开控制端被一起关断。当然，照明设备可以被修改成以相反的方式执行控制，即选择性地关断和公共地接通。

在下文中，基于图2中所示的第二实施例更加详细地描述驱动电路的n级之一。

图2示出根据第二实施例的驱动电路的一个驱动或像素级n的示意性电路图，其可以通过使用用于每个像素的两个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）Mcl-n和Msh-n实现。其它驱动或像素级1到n-1可以包括相同或类似的电路。

第一晶体管Msh-n被用作用于激光二极管La-n的短路开关并且其操作点由第一电阻器Rsh-n设置。在第一晶体管Msh-n的输入处的第一短期或临时电容器Cs具有存储元件（即图1的状态存储器30-n）的功能以及递送用于第一晶体管Msh-n的浮动供给（即图1的浮动供给电路20-n）的功能。第一电容器Cs-n的充电和放电速度由第二电阻器Rdata-n确定。第一晶体管Msh-n的激活和第一电容器Cs-n的充电经由第一二极管Doff-n在每个激光脉冲的结束处应用来自连接到公共控制连接器或端COFF连接的脉冲源的公共脉冲来实现。确定激光二极管La1到La-n中的哪一个将会在下个脉冲开启的二进制信息经由相应的像素导通连接器或端PON和第二二极管Don-n传输到第二短期或临时存储电容器Ccl-n。该信号在应用到通道或驱动级n的情况下激活第二MOSFET Mcl-n，其然后清除第一晶体管Msh的栅极处的信号并且因此再次激活相应的激光二极管LA-n。第二电容器Ccl-n的放电速度由第三电阻器Rclear-n确定。

图3示出根据第二实施例的多个电路部分构建的驱动电路的示意性电路图，其中使用十个激光二极管La1到La10的串并且其中所有激光二极管（即像素）La1到La10也被单个控制信号开启，因为所有像素导通控制端连接到相同的脉冲源Vreset，对于另一脉冲源Vset处的公共端而言情况同样如此。如果期望单独的像素导通控制，脉冲源Vreset将不得不对于每个激光二极管或像素而言是可单独开关的。

在本发明的实际实施例中，电流源Is可以是具有低输出电容的降压变换器，并且控制信号可以通过标准逻辑集成电路（IC）或者微型计算机（μC）来提供。为了最佳效率，电流源Is可以在控制端PON和COFF处的控制脉冲的时间期间关断。

以下的图4到6示出具有选择性关断控制的差异的图3的电路的从0到400μs范围中的仿真结果的示例性波形图，其中在第一脉冲期间，接通所有激光二极管La1到La10，并且在第二脉冲期间，仅关掉第六激光二极管La6。

在图4中，从上到下，第一幅图示出第二脉冲中的活动的激光二极管和不活动的激光二极管的相应电压波形V(La1)和V(La6)。当短路开关（即第一晶体管Msh）活动时，仅保留由于该短路开关的漏-源极路径的导通电阻Rdson引起的小电压降。

另外，第二幅图示出第一和第六激光二极管La1和La6中的功率波形V(La1)*I(La1)和V(La6)*I(La6)。由于短路开关上的低电压，在不活动的激光器中不存在功率。

第三幅图示出在第一级的第一晶体管Msh1和第二晶体管Mcl1的栅极处的电压波形V(Ccl1)和V(Cs1)。第一电容器Cs1的充电和放电（波形V(Cs1)）受第二电阻器（Rdata1）限制。另一脉冲源Vset的脉冲持续时间被选择以实现全负荷。为了确保在像素（即相应激光二极管）不得不被激活时放电，放电命令同样由第二存储电容器Ccl1缓冲，从而导致波形V(Ccl1)的长电压拖尾。

第四幅图示出Vreset和Vset控制电压的波形。在该样本中，将设置和重置脉冲被选择成具有15μs持续时间。脉冲设置源Vset在电流已经落至零之后启动以实现最低损失。

最后，第五幅或最下面的图示出供给到激光二极管La1到La10的串的电压(V(I1))和电流(I(I1))的相应波形。

图5示出使用恒定操作电流源Is的性能的类似波形。为了增强的脉冲形状和效率，控制信号稍微增加至10V。

当看向激光二极管La1到La10中的电流脉冲时，它们现在完全由控制脉冲确定。由于控制信号仅在其接近地电势时到达具有激光二极管La1到La10的像素电路这一事实，设置命令现在逐像素延迟。延迟计时取决于电路的尺寸设计并且可以在宽范围中进行选择。

图6示出在从177μs到207μs的范围中的图5的图的时间扩展版本，使得过渡时段被放大。

以上实施例的应用是以成本和布线有效的方式实现具有大量单独脉冲像素的像素化辐射源（例如VCSEL或其它激光二极管或LED等等）。这样的阵列的一个示例性应用是热印刷和处理。典型的实现方式例如需要每个在O.5A/2V处操作的3000个像素。配置然后可以是如每串50个VCSEL和60串，出于安全的原因仍然将电压良好限制在120V以下，或者通过使用串联的100像素利用激光器组装的全隔离能力，从而导致仅200V的30串。

虽然在以上实施例中重置信号被立刻应用于所有辐射元件，但是修改的实现方式还可以利用由控制器提供的串行数据以在顶辐射元件处开始激活。这样，像素解码的串行部分变为电源电路的部分。

概括来说，在供给大量功率时避免极端电流水平的一种良好方式是增加电压。这样做的最简单的方式是串联连接辐射元件（例如激光二极管像素）。在这样的像素化驱动器中，组件的量和每像素复杂度通过串联连接尽可能多的辐射元件、由一个电流受控驱动器供给串、通过并联到辐射元件的开关使应当处于断开状态的像素短路、本地存储用于每个像素的二进制导通/断开信息、创建用于开关的浮动供给以及管理到浮动存储和开关的信息传递来降低。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的。本发明不限于用于热印刷和处理的像素阵列的应用。所提出的驱动方案可以用于任何照明设备中的像素行的任何应用并且还可以通过借由至少一个软件程序或例程控制计算设备的处理器以便控制辐射元件处的开关操作来在软件基础上被实现。

通过阅读本公开内容，其它修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的修改可以牵涉已经在本领域中已知并且可以取代于或附加于已经在本文中描述的特征的其它特征。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被用于获益。

权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制其范围。

Claims

1.一种用于驱动辐射元件（La1到La-n）的阵列的电路，所述辐射元件（La1到La-n）串联连接，所述电路包括：

a）多个开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n），其并联连接到所述辐射元件（La1到La-n）中的相应辐射元件并且可控制成分别使所述辐射元件（La1到La-n）中的所述相应辐射元件短路；

b）多个本地存储元件（30-1到30-n；Cs1到Cs-n），其连接到所述开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n）中的相应开关元件并且适于本地存储确定相应开关元件的开关状态的二进制信息；以及

c）多个本地浮动供给元件（20-1到20-n；Cs1到Cs-n），其用于递送用来依照所述二进制信息控制所述开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n）中的相应开关元件的浮动供给，其中所述本地存储元件和所述本地浮动供给元件通过电容器（Cs1到Cs-n）实现。

2.根据权利要求1的电路，还包括本地控制端（PON），其用于控制第一本地电路将所述多个本地存储元件（30-1到30-n；Cs1到Cs-n）中的相应一个的所述二进制信息设置到预定的第一状态。

3.根据权利要求2的电路，其中所述第一本地电路适于响应于所述本地控制端供给所述多个本地浮动供给元件（20-1到20-n；Cs1到Cs-n）。

4.根据权利要求1的电路，还包括公共控制端（COFF），其用于控制第二本地电路重置所有本地存储元件（30-1到30-n；Cs1到Cs-n）的所述二进制信息。

5.根据权利要求2或4的电路，其中所述电路适于在所述辐射元件（La1到La-n）的阵列的脉冲暂停期间向所述本地（PON）或公共（COFF）控制端供给控制信息。

6.根据权利要求5的电路，其中所述脉冲暂停经由电流供给生成。

7.根据权利要求5的电路，其中所述脉冲暂停经由所述公共控制端（COFF）生成。

8.根据权利要求5的电路，还包括多个其它本地存储元件（Ccl1到Ccl-n），其用于存储要用于确定随后脉冲中的相应开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n）的开关状态的二进制信息。

9.根据权利要求1的电路，其中所述开关元件包括晶体管元件（Msh1到Msh10；Msh-n）。

10.一种包括根据权利要求1至9中任一项的电路和所述辐射元件（La1到La-n）的阵列的照明设备。

11.根据权利要求10的设备，其中所述辐射元件（La1到La-n）的阵列包括串联连接的辐射元件（La1到La-n）串。

12.根据权利要求11的设备，还包括用于向所述辐射元件（La1到La-n）串供给电流的单个电流源。

13.一种用于串联连接的驱动辐射元件（La1到La-n）的阵列的方法，所述方法包括：

a）控制所述辐射元件（La1到La-n）中的相应辐射元件以分别使所述辐射元件（La1到La-n）中的所述相应辐射元件短路；

b）在通过电容器（Cs1到Cs-n）实现的本地存储元件中存储确定并联连接到所述辐射元件（La1到La-n）中的相应辐射元件的多个开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n）中的每一个的开关状态的二进制信息，以便分别使所述辐射元件（La1到La-n）中的所述相应辐射元件短路；以及

c）通过所述电容器（Cs1到Cs-n）递送浮动供给，其中浮动供给用来依照所述二进制信息控制所述开关元件（40-1到40-n；Msh1到Msh10；Msh-n）中的相应开关元件。