(57)【要約】  ダイオード駆動システムは、入力電源と、入力電源から入力電力を受け取り、フィルター出力電力信号を供給する能動ラインフィルターを含む。電流ドライバーは、入力電力信号を受け取り、少なくとも一つのダイオードを駆動するための駆動出力信号を生成する。容量性エネルギー蓄積部装置は、能動ラインフィルターと電流ドライバーの間に結合され、容量性エネルギー蓄積部装置が、能動ラインフィルターからフィルター出力電力信号を受け取り、電流ドライバーに入力電力フォームを供給する。
2016511553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電源；
前記入力電源から入力電力を受け取り、フィルター出力電力フォームを提供する能動ラインフィルター；
入力電力フォームを受け取り、少なくとも一つのダイオードを駆動するための駆動出力電流を生成するための電流ドライバー；及び
前記能動ラインフィルターと前記電流ドライバーの間に結合された容量性エネルギー蓄積装置を備え、
前記容量性エネルギー蓄積装置が、前記能動ラインフィルターから前記フィルター出力電力フォームを受け取り、前記電流ドライバーに前記入力電力フォームを供給する、ダイオード駆動システム。
【請求項２】
前記電流ドライバーにより生成される前記駆動出力電流は、前記ダイオードへのパルス状電流を含み、前記能動ラインフィルターは、前記入力電源から受け取られる入力電流を制御及び調整し、前記ダイオードへの前記パルス状電流が、反射して前記入力電源に戻らない、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項３】
前記入力電源は、バッテリーを含む、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項４】
前記能動ラインフィルターは、前記入力電源の放電に起因する入力電圧降下を補償するために入力電圧フィードフォワード信号を用いて入力電流を調整する、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項５】
前記能動ラインフィルターは、前記電流ドライバーから引かれる出力電力の変化を補償するために出力負荷フィードフォワード信号を用いて入力電流を調整する、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項６】
前記能動ラインフィルターは、ハイサイド電流の検知で出力電流の短絡に対して保護するハイサイド駆動部を備える、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項７】
前記電流ドライバーは、ハイサイド電流の検知で出力電流の短絡に対して保護するハイサイド駆動部を用いる、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項８】
前記能動ラインフィルターは、ローサイド駆動部を備える、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【請求項９】
前記電流ドライバーは、ローサイド駆動部を用いる、請求項１に記載のダイオード駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザーダイオード駆動システムといったバッテリー電源のエレクトロニクスに関し、より端的には、レーザーシステムといったパルス状負荷エレクトロニクスによりバッテリーから引かれる電流を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオード・ポンピングは、その相対的に高い電気光変換効率のため、固体レーザーシステムで採用されるポンプ源としての使用に選ばれる技法となっている。ダイオード・ポンピングの使用前、フラッシュランプがポンプ源として用いられていた。典型的なシステム効率は、１％から２％範囲であった。低効率は、主に、低い電気光変換効率のためであった。ダイオード・ポンピングの使用は、その高い電気光変換効率で、１０％から１５％のレーザーシステム効率に帰結できる。従って、要求される入力電力に１０倍の低減が達成できる。
【０００３】
空間要求が、より一層の標準になっており、多数の負荷を駆動することができる電流源が好都合である。本出願の出願人は、以前、全体が参照により本明細書に組み込まれる「ダイオード駆動電流源」と題された米国特許Ｎｏ．５,７３６,８８１に開示された多数の負荷を駆動可能である電流源を開発し、調整された定電源を用いて電流を供給して負荷を駆動し、負荷電流がシャントスイッチにより制御される。しかしながら、この構成においては、電流源が、一時に一つの負荷を駆動することができるのみであり、多数のダイオードドライバーの機能を単一のダイオードドライバーに組み合わせるものではない。
【０００４】
レーザーのパワースケーリングが、幾何形状、外形、又は動作原理の実質的な変更を伴わないレーザー出力の増加を意味する。パワースケーリングはレーザー設計において重要な利点であると考えられている。通常、パワースケーリングは、よりパワフルなポンプ源、より強い冷却、及びサイズの増加を必要とする。レーザー共振器、とくには利得媒体におけるバックグラウンド損失の低減も要求する。パワースケーリング能を達成するための一つのそのようなアプローチは、主発振器／出力増幅器（ＭＯＰＡ）回路構成として呼ばれる。
【０００５】
ＭＯＰＡが、主発振器（ＭＯ）を含み、これは、典型的には高コヒーレンスビームを生成する安定した低パワーレーザー源であり、光出力増幅器（ＰＡ）に入力又はシード（種）を供給する。光ＰＡは、一般的にその主な特性を保持しながら、「シード」ビームのパワーを高める。ＭＯがハイパワーであることは一般的に要求されない。なぜなら、ＭＯからのシードビームに基づいて光増幅を提供するためである。ＭＯは、高効率で動作する必要もない。なぜなら、ＭＯＰＡの効率がＰＡにより主に決定されるためである。
【０００６】
典型的には、ＭＯは、その低出力のため、スタンドアロン・エンティティとして用いられていない。しかしながら、光放射アレイにおける多数のレーザーダイオード、つまり、５、１０、またはこれ以上のダイオードを直列接続して単一の利得媒体をポンプすることにより、パワーオシレーター（ＰＯ）が構築される。ＰＯは、概念としてはＭＯと同一であるが、顕著に大きいレーザー光出力パワーを有する。ＰＯは、本質的に高パワーＭＯであり、近地球距離測定といった中間パワー用途に適する。ＰＯは、典型的には、ＭＯＰＡよりも低い出力を有する。第２ＰＡのための第１ＰＡがシード光を生成するＭＯＰＡＰＡが構築可能である。より多くの及びより大きいＰＡをチェーンに繰り返し追加することにより、キロワット又はメガワットものレーザー出力が可能である。
【０００７】
一般的に、光ＰＡは、利得媒体を含む。利得媒体は、ドーパントイオンの粒子状集結を含むホスト材料を含む。光ポンピング源、例えば、レーザーダイオードアレイが、利得媒体のドーパントイオンをより高いエネルギー状態に励起し、そこから崩落し、信号波長のフォトンの放出を介してより低いエネルギーレベルに戻る。フォトニック放射は、自然発生又は励起し、ドーパントイオンのそのような遷移が、別のフォトンにより誘起される。好ましくは、利得媒体のポンピングは、より多くのイオンが低エネルギー状態ではなく励起状態である反転分布を達成するのに十分である。励起放射は、シードビームの形態で導入された到来光により利得媒体内に誘起される。例の構造が、ドープされた光ファイバー導波路、ロッド、スラブ、及びプラナー導波路を含む。
【０００８】
そのような光システムをポンピングすることは、一般的に、相当量のエネルギーを必要とする。例えば、そのようなポンピングがレーザーダイオードを用いて達成されるとき、ダイオードは、何百アンペアに到達する電流レベルで駆動される。利得媒体をポンピングするためのレーザー駆動電流は、本来、単パルス及び周期的の両方であり得る。典型的には、パルスが、短期間の間、周期的に供給され、オフ又は無電流期間が続く。ＭＯ及びＰＡをポンピングするための適切なレーザーダイオード電流が、レーザーダイオード駆動回路により提供される。伝統的には、そのようなＭＯＰＡ構成においては、２つの完全に独立の電流駆動回路が概して提供され、一つがＰＡレーザーダイオードアレイ用であり、他方が、ＭＯレーザーダイオードアレイ用である。各電流駆動回路は、概して、それ独自の別々の、蓄積キャパシタといった充電源を含む。動作においては、そのような電流駆動回路が、矩形電流波、つまり、オン／オフ、通電／無電流を提供するように構成される。
【０００９】
慣例の多段階・ダイオードポンプ固体レーザーの各利得段階は、一般的に、それ独自の独立制御される、そのポンプダイオードへのダイオードポンプ電流を要求する。結果として、多段階・ダイオードポンプ固体レーザーの各利得段階が、それ独自のダイオードドライバーを必要とし、一つのレーザーシステムについて多数のダイオードドライバーに帰結する。例えば、ＭＯＰＡ構成の幾つかのダイオードポンプ固体レーザーが、ＰＡ段階と同様、ＭＯ段階及びプリアンプ利得段階を利用する。各利得段階（主発振器、プリアンプ、出力増幅器）が、概して、一つのポンプダイオード、又は複数のポンプダイオードを必要とする。各利得段階について別々のダイオードドライバーを用いると、レーザーシステムに体積、質量、複雑さ及びコストが増加する。
【００１０】
幾つかのダイオード駆動システムにおいては、「ローサイド駆動」電流シンクレギュレータが、ダイオードを駆動するために用いられる。そのようなシステムにおいては、電流制御の全てが、ローサイド駆動電流レギュレータにある。これらのシステムの欠点は、ダイオードカソードからグランドへの短絡が、エネルギー蓄積キャパシタが放電するまでダイオードに無制限に電流を流入させ、これが、ポンプダイオードの損傷に帰結することである。加えて、これらのシステムにおいては、入力電流が、良く制御されない。
【００１１】
バッテリー電源のエレクトロニクス（電子機器）で用いられるバッテリーは、エネルギー蓄積能力において限られている。加えて、全てのバッテリーセルは、高放電率で利用可能なエネルギー量を低減するいくらかの内部インピーダンスを有する。十分に高い放電率では、バッテリーから利用できる全エネルギーが、バッテリーの内部インピーダンスに亘る電圧降下と、結果として生じるバッテリーの内部のエネルギー損失のため、２（以上）の因数により低減される。パルス状負荷エレクトロニクス（pulsed load electronics）、例えば、レーダー、高出力パルスレーザー、電磁成形装置により引かれるパルス状負荷は、高パルス状負荷電流のため特にバッテリー寿命に厳しく、高パルス状負荷電流がバッテリーの内部インピーダンスに亘る高電圧降下、従って、バッテリー内部の高エネルギー損失に帰結する。例えば、連続の４ワット負荷を有する＃１２３（２／３ＡＡ）セルが、２．２Ｖのカットオフ電圧まで約１．７ワット−時間のエネルギーを伝送する。連続の２Ｗの負荷を有する同一のセルが、２．２Ｖのカットオフ電圧まで約２．８Ｗｈのエネルギーを伝送する。従って、４Ｗの負荷放電率でセルから利用できる全エネルギーが、２Ｗの負荷放電率でセルから利用できるエネルギーの約６０％である。伝送されるエネルギーにおけるこの差は、バッテリーの内部インピーダンスにおいて消失されるエネルギー損失のためである。多くのバッテリー電源のレーザーシステムは、パルス状ポンプ電流を利用し、これは、バッテリーに反射して戻ることが許される時、顕著にバッテリー寿命を低減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、レーザーダイオード駆動システムといったパルス状負荷エレクトロニクスによりバッテリーから引かれる電流を制御するための方法及びシステムについての必要が存在する。バッテリーからより低い電流を引きつつも、パルス状負荷エレクトロニクスに高いパルス状負荷電流を伝送する能力を有するような方法及びシステムを提供することが望ましい。そのような方法及びシステムは、バッテリー電源のエレクトロニクスにおけるバッテリー寿命の最大化を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
幾つかの実施形態例によれば、ダイオード駆動システムが提供される。ダイオード駆動システムは、入力電源と、入力電源から入力電力を受け取り、フィルター出力電力フォームを供給する能動ラインフィルターを含む。電流ドライバーは、入力電力フォームを受け取り、少なくとも一つのダイオードを駆動するための駆動出力電流を生成する。容量性エネルギー蓄積装置が、能動ラインフィルターと電流ドライバーの間に結合され、容量性エネルギー蓄積装置が、能動ラインフィルターからフィルター出力電力フォームを受け取り、電流ドライバーに入力電力を供給する。
【００１４】
幾つかの実施形態例においては、電流ドライバーにより生成される駆動出力電流は、ダイオードへのパルス状電流を含み、能動ラインフィルターは、入力電源から受け取られる入力電流を制御及び調整し、ダイオードへのパルス状電流が、反射して入力電源に戻らない。
【００１５】
幾つかの実施形態例においては、入力電源がバッテリーを含む。
【００１６】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルターは、入力電源の放電に起因する入力電圧降下を補償するために入力電圧フィードフォワード信号を用いて入力電流を調整する。
【００１７】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルターは、電流ドライバーから引かれる出力電力の変化を補償するために出力負荷フィードフォワード信号を用いて入力電流を調整する。
【００１８】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルターは、ハイサイド電流の検知で出力電流の短絡に対して保護するハイサイド駆動部を備える。
【００１９】
幾つかの実施形態例においては、電流ドライバーは、ハイサイド電流の検知で出力電流の短絡に対して保護するハイサイド駆動部を用いる。
【００２０】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルターが、ローサイド駆動部を備える。
【００２１】
幾つかの実施形態例においては、電流ドライバーは、ローサイド駆動部を用いる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
上述及び他の特徴及び利益が、異図に亘り同様の参照記号が同一の部分を示す添付図面に図示された好適な実施形態のより具体的な後述の記述から明らかになる。図面は、必ずしも等倍のものではなく、むしろ開示原理の説明に強調が置かれている。
【００２３】
【図１】図１は、２つの並列電流シンクで単一の光放射ダイオードアレイを駆動する多段階レーザーダイオードドライバーの一実施形態の概略ブロック図を含む。
【図２】図２は、図１に図示のものと同様の別の多段階レーザーダイオードドライバーの概略ブロック図を含み、ダイオードドライバーがどのように電源供給し、また、制御されるのかの詳細を提供する。
【図３】図３は、また別の多段階レーザーダイオードドライバーの概略ブロック図を含み、主発振器／出力増幅器（ＭＯＰＡ）トポロジーの一例として、どのようにＭＯダイオードアレイ及びＰＡダイオードアレイが共通のポテンシャル源からタンデムに駆動されるかを示す。
【図４】図４は、電流センスフィードバックが含まれた多段階レーザーダイオードドライバーの電流シンク（源）回路部分の概略ブロック図を含む。
【図５】図５は、出力電圧のデジタル制御を有する多段階レーザーダイオードドライバーの電荷蓄積回路部分の概略ブロック図を含む。
【図６】図６は、プラナー導波路レーザーのためのＭＯ及びＰＡ光放射ダイオードアレイを駆動するためのモジュール化された多段階レーザーダイオードドライバーの概略ブロック図を含む。
【図７】図７は、ＰＡ利得媒体からの光出力パルスに配列される代表の電流シンク駆動パルスの一連のトレースの概略タイミング図を含む。
【図８】図８は、本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である非矩形電流駆動パルス及び対応の蓄積キャパシタ電圧の一例を図示する概略タイミング図を含む。
【図９】図９は、本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である非矩形電流駆動パルス及び対応の蓄積キャパシタ電圧の別例を図示する概略タイミング図を含む。
【図１０】図１０は、第１光放射アレイを駆動するためのプロセスの論理フローを図示する概略論理フロー図を含む。
【図１１】図１１は、同一のＤＣ駆動電流で２つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを図示する概略ブロック図を含む。
【図１２】図１２は、異なるＤＣ駆動電流であるが２つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを図示する概略ブロック図を含む。
【図１３】図１３は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、シャント電流が時間の関数としてオン又はオフに切り替え可能である。
【図１４】図１４は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、シャント電流の値が、シャント抵抗をイン又はアウトにスイッチングし、シャント抵抗の正味値を変更することにより変更できる。
【図１５】図１５は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、シャント電流が検知され、可変コマンドにより決定される値に調整される。
【図１６】図１６は、図１５のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、ポンプダイオード電流が検知され、可変コマンドにより決定される値に調整される。
【図１７】図１７は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、両方のダイオードについて時間ｔの間に同一のＤＣ駆動電流が用いられ、ダイオードの一つへの駆動電流が時間期間の残部の間にシャントされる。
【図１８】図１８は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、両方のダイオードについて時間ｔの間に同一のＤＣ駆動電流が用いられ、次に、時間期間の残部の間、ダイオードの一つからダミー負荷に駆動電流がスイッチングされる。
【図１９】図１９は、図１８のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含む。
【図２０】図２０は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、上部負荷がシャントされる。
【図２１】図２１は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、いずれかの負荷がシャントされる。
【図２２】図２２は、図１７のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを図示する概略ブロック図を含み、いずれかの負荷が短絡される。
【図２３】図２３は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールから分離されたレーザー制御エレクトロニクスを含むレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２４】図２４は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含むレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２５】図２５は、幾つかの実施形態例に係る、入力電流を制御するための能動ラインフィルターと、システムモジュールから分離されたレーザー制御エレクトロニクスを含むレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２６】図２６は、幾つかの実施形態例に係る、入力電流を制御するための能動ラインフィルターと、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含むレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２７】図２７は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールから分離されたレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２８】図２８は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図２９】図２９は、幾つかの実施形態例に係る、入力電流を制御するための能動ラインフィルターと、システムモジュールから分離されたレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３０】図３０は、幾つかの実施形態例に係る、入力電流を制御するための能動ラインフィルターと、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３１】図３１は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３２】図３２は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３３】図３３は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３４】図３４は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３５】図３５は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３６】図３６は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３７】図３７は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３８】図３８は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図３９】図３９は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４０】図４０は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４１】図４１は、幾つかの実施形態例に係る、システムモジュールに一体のレーザー制御エレクトロニクスを含む別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４２】図４２は、ローサイド電流シンクを用いるレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４３】図４３は、幾つかの実施形態例に係るハイサイド電流源を用いるレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４４】図４４は、幾つかの実施形態例に係る、ハイサイド電流源を用いる別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４５】図４５は、幾つかの実施形態例に係る、ハイサイド電流源を用いる別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４６】図４６は、幾つかの実施形態例に係るハイサイド電流源を用いる別のレーザーダイオード駆動システムの概略ブロック図を含む。
【図４７】図４７は、幾つかの実施形態例に係るパルス状負荷エレクトロニクス（図示のダイオードドライバー）によりバッテリーから引かれる電流を制御するための回路を図示する概略的なブロック図を含む。
【図４８】図４８は、幾つかの実施形態例に係るダイオードドライバーにおいて実施される能動フィルター・ブースト変換器を図示する概略的なブロック図を含む。
【図４９】図４９は、幾つかの実施形態例に係る出力負荷フィードフォワード信号の図例である。
【図５０】図５０は、幾つかの実施形態例に係る能動フィルター制御を図示する概略的なブロック図を含む。
【図５１】図５１は、幾つかの実施形態例に係る実施された能動ラインフィルター制御を図示する概略的なブロック図を含む。
【図５２】図５２は、幾つかの実施形態例に係る電流モード制御を用いた能動ラインフィルターの実施を図示する概略的なブロック図を含む。
【図５３】図５３は、幾つかの実施形態例に係る電圧モード制御を用いた能動ラインフィルターの実施を図示する概略的なブロック図を含む。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書には、光ＰＡ又はＭＯ又はＰＯに関して用いられ得る、レーザーダイオードといった光放射装置を活性化するためのシステム及び技術の実施形態が記述される。多数のＰＡが単一のＭＯと用いることができ、ＭＯＰＡシステムの出力エネルギーを更に高める。本明細書で参照される光放射装置は、単一の光放射体若しくは直列、並列に配列された光放射体のアレイ、若しくは直列接続の光放射体の並列セットとして構成され得る。簡潔さの目的のため、これらの光放射装置が、光放射アレイとして参照されるが、実際には、任意の上述の構成であり得る。
【００２５】
レーザーダイオードドライバーは、もっとも理想的な形態においては、特定用途での動作に必要な分の電流をレーザーダイオードに供給するリニア、ノイズレス、及び正確な定電流源である。この構成においては、異なる数の光放射ダイオードを含むレーザーダイオードアレイといった負荷ごとに一つのレーザーダイオードドライバーが用いられる。しかしながら、レーザー技術がより小さい実装面積に進展するに応じて、価値が、レーザーダイオードドライバーを含む全レーザー部品の空間、体積、及び質量要求に置かれる。本技術が、幾つかの構成において、多数のダイオードドライバーの機能を組み合わせ、これにより、負荷単位の一つ一つのレーザーダイオードドライバーの必要性を除去するマルチ出力ダイオードドライバーを提供することにより、これらの必要性を解決する。
【００２６】
一側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態が、共通のポテンシャル源から電流を引くために構成された多段階レーザー駆動回路を提供する。駆動回路は、電流ノード（ここで、電流ノードは、電流が流れる特定の電圧ノードとして規定される）と、共通のポテンシャル入力源と電流ノードの間で電気接続される第１光放射アレイを含む。駆動回路は、電流ノードと電気接続され、お互いに並列に配置された第１及び第２電流シンクも含む。第１電流シンクは、第１制御端子を有し、第１制御端子で受け取る各電流制御出力信号に応答して、電流ノードを介して、共通のポテンシャル源から第１電流を引くように構成される。同様に、第２電流シンクは、第２制御端子を有し、第２制御端子で受け取る各電流制御出力信号に応答して、電流ノードを介して、共通のポテンシャル源から第２電流を引くように構成される。第１光放射アレイを通じて引かれる合計電流が、第１及び第２電流の組み合わせにより実質的に決定される。第１光放射アレイは、更に、そこを通じて引かれる電流に応答して光を放射するように構成される。
【００２７】
本明細書に詳細に記述されるように、第１及び第２電流シンクは、第１及び第２電流源により置換可能であり、電流源が共通ポテンシャル入力源と光放射アレイの間に配置され、この構成において、詳細に後述のようにダイオードの過電流状態が阻止される。電流シンクを用いるシステム構成の本明細書の如何なる記述も、詳細に後述のように本開示の電流源に適用可能であることに留意されたい。
【００２８】
別側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態が、第１光放射アレイを駆動するための方法に関する。方法が、第１及び第２電流制御信号を受け取ることを含む。第１電流は、受け取った第１電流制御信号に応答して電流ノードを通じて共通のポテンシャル源から引かれる。第２電流は、受け取った第２電流制御信号に応答にして電流ノードを通じて共通のポテンシャル源から引かれる。第１及び第２電流は、お互いに並行である。合計電流が第１光放射アレイを通じて引かれる。合計電流は、第１及び第２電流の組み合わせ（ＩMO＋ＩPA）により実質的に決定され、光放射アレイは、そこを通じて引かれる合計電流に応答して光を放射する。
【００２９】
幾つかの実施形態においては、方法は、電流駆動回路内への電流イネーブル信号を受け取ることを含む。電流イネーブル信号が、「アクティブ」（つまり、電流を引く）及び「スタンバイ」（つまり、電流を引かない）に対応する、少なくとも２つの状態を含む。電流レベル設定信号も受け取られ、第１及び第２電流制御出力信号の少なくとも一つが、受け取られた電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して決定される。幾つかの実施形態においては、電流イネーブル信号がアクティブ状態の間、受け取られる電流レベル設定信号が変動する。これにより、各電流シンクパルスについて任意波形生成（ＡＷＧ（Arbitrary Waveform Generation））が許容される。第１及び第２電流の個別の一つが、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれる。
【００３０】
幾つかの実施形態においては、方法は、第１電流に応答して第２光放射アレイから光を放射することを更に含む。
【００３１】
幾つかの実施形態においては、方法は、少なくとも一つの前記光放射アレイから放射された光によりレーザー利得媒体をポンピングすることを含むことができる。
【００３２】
幾つかの実施形態においては、電流−駆動回路の電流レベル設定信号が、少なくとも一つの前記光放射アレイの瞬間ピーク出力電流を誘起するべく構成される瞬間ピークを含む。そのような瞬間ピークは、ポンプされる利得媒体を光学的に励起するように適合され、レーザー出力に関して光励起の同期を提供する。
【００３３】
また別の側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態がＭＯＰＡレーザー光ポンピングシステムを提供し、第１及び第２電流制御信号を受け取るための手段を含む。受け取った第１電流制御信号に応答して電流ノードを介して共通のポテンシャル源から第１電流を引くための手段と、受け取った第２電流制御信号に応答して電流ノードを介して共通のポテンシャル源から第２電流を引くための手段も提供される。第１及び第２電流が、お互いに並行である。ＭＯＰＡ電流源は、第１光放射アレイを通じて合計電流を引くための手段、合計電流（ＩMO＋ＩPA）に応答して第１ポンプ光を放射するための手段、及び出力増幅器（ＰＡ）利得媒体内に第１ポンプ光を接続するための手段も含む。合計電流は、第１及び第２電流の組み合わせにより実質的に決定され、光放射装置は、そこを通じて引かれる合計電流に応答して光を放射する。
【００３４】
幾つかの実施形態においては、ＭＯＰＡレーザー光ポンピングシステムは、第２光放射アレイを通じて第２電流を引くための手段を更に含み、光放射アレイが、そこを通じて引かれる電流（ＩMO）に応答して光を放射する。第２電流（ＩMO）に応答して第２ポンプ光を放射するための手段と、ＭＯ利得媒体内に第２ポンプ光を接続するための手段も提供される。
【００３５】
電流シンク（源）と前記電流シンク（源）用の制御端子の数は、３、４、５、又はこれ以上の並列の電流シンク（源）であり、合計電流のキャパシティーを高め、全体の集合の信頼性を高める。記述の簡単さのため、ただ２つの電流シンク（源）が、例の図示のため、本明細書で詳細に記述される。加えて、上述のように、電流シンクは、共通のポテンシャル源と上部第１及び第２光放射アレイの間に設けられる電流源として実施可能である。
【００３６】
この開示によれば、少なくとも２つの制御可能なローサイド電流シンク（又は２つのハイサイド電流源）を有するレーザーダイオード駆動回路が提供される。逆のことが明確に述べられない限り、電流シンクを用いるシステムの本明細書の詳細な記述が、電流源として電流シンクを用いるシステムに等しく適用可能である。各電流シンクは、レーザーダイオードのポンピングを通じて、蓄積キャパシタといった、共通の共用源から引かれる電流を制御するように動作できる。幾つかの実施形態においては、２つの電流シンクの各々が、全レーザーダイオード駆動電流の個別の一部（例えば、半分）を引き、これにより、両方の電流シンクの電流負荷を低減する。減じられた電流レベルでの電流シンクといった構成部品の動作が低温動作を許容し、装置及びシステム全体の信頼性を改善する。
【００３７】
他の実施形態においては、電流シンクの一つが、光利得媒体をポンプするように構成された第１レーザーダイオードアレイを通じて相対的に高い、第１電流を引くように動作される。別の電流シンクは、第２レーザーダイオードアレイを通じて相対的に低い電流を引くように動作され、レーザーＭＯをポンプし、これが、続いて、光シード信号を提供する。そのようなシード出力は、第１レーザーダイオードアレイにより適切にポンプされる光利得媒体に適用され、それにより増幅される。特には、両方のレーザーダイオードアレイが、直列構成において動作される。そのような構成により、共通の蓄積キャパシタの共有が許容される。そのような共有が、より少ない構成部品（つまり、一つの蓄積キャパシタ及び充電回路）に帰結し、これにより、独立の蓄積キャパシタを用いる従来の構成よりも改善された効率を提供する。
【００３８】
多段階レーザーダイオードドライバー１００（ＰＯ）の実施形態のブロック図概要が図１に示される。レーザーダイオードドライバー１００は、第１光放射アレイ１０２を含む。図示の実施形態においては、光放射アレイ１０２が、直列結合され、お互いに直列に配置されたレーザーダイオード１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（概して１０４）といった３つの半導体装置を含む。レーザーダイオード１０４の一端が、共通のポテンシャル源１０６の第１端子に電気的に接続される。共通のポテンシャル源１０６が、レーザーダイオード１０４を含む回路を通じて十分な大きさの電流をサポートするべく十分な電荷を提供する任意の適切な源であり得る。幾つかの例が、バッテリー、蓄積キャパシタ、及び電源を含む。直列接続のレーザーダイオード１０４の反対端が、電流ノード１０８に電気的に接続される。
【００３９】
第１電流シンク１１０は、電流ノード１０８及び共通のポテンシャル源１０６の反対（負の）端子に電気的に接続され、回路が完成する。第１電流シンク１１０は、電流ノード１０８を通じて共通のポテンシャル源１０６から第１電流Ｉ1を引くように構成される。図示の実施形態においては、第１電流シンク１１０は、個別の電流制御出力信号を受け取るように適合される第１制御端子１１２を有する。第２電流シンク１２０は、電流ノード１０８と共通のポテンシャル源１０６の反対（負の）端子の間で電気的に接続される。第２電流シンク１２０は、電流ノード１０８を通じて共通のポテンシャル源１０６から第２電流Ｉ2を引くようにも構成される。図示の実施形態においては、第２電流シンク１２０は、個別の電流制御出力信号を受け取るようにも適合される第１制御端子１２２を有する。第１及び第２電流シンク１１０、１２０は、お互いに並列に配置される。電流ノードへの第３独立回路の脚に位置付けられ、光放射アレイ１０２を通じて引かれる電流は、各電流シンク１１０、１２０により引かれる電流の合計である（つまり、Ｉ1＋Ｉ2）。直列結合のレーザーダイオード１０４が、好適には、そこを通じて引かれる合計電流Ｉ1＋Ｉ2に応答して光１０５を放射する。
【００４０】
各電流シンク１１０、１２０が、各制御端子１１２、１２２での刺激に応答してノード１０８を通じて電流の個別分を引く。本明細書に記述の図示例においては電流「シンク」との用語が用いられるが、電流「源」で置換され、さもなければ参照され得る。シンク又は源の指定が見方に依存する。ハイサイド電流源の実施の場合、デュアル電流源が、共通のポテンシャル源１０６と光放射アレイ１０２の間で動かされる。光放射アレイの下部が、次に、共通のポテンシャル源１０６の負端子に結合される。ハイサイド電流源（ローサイド電流シンクではなく）を用いることにより提供される少なくとも一つの利点は、より大きい回路複雑さの代償ではあるが、改善された、例えば、グランドへの短絡からダイオードアレイの保護である。簡単な実施形態においては、各電流シンク１１０、１２０が、抵抗器と単極単投（ＳＰＳＴ）アナログ又は機械スイッチの直列結合により提供できる。そのようなスイッチの動作は、個別の制御端子１１２、１２２で受け取られる刺激により、例えば、ソレノイド又は他の適切なアクチュエーターの動作により達成できる。幾つかの実施形態においては、トランジスタといった電子スイッチが、アナログスイッチの代わりに用いられる得ることが想定される。そのような電子スイッチの制御は、各制御端子で受け取られる刺激（例えば、ゲート電圧）により達成できる。スイッチが開けられる時、各電流シンク１１０、１２０により電流が引かれない。いずれかのスイッチが閉じられる時、各電流が、各抵抗器を通じて引かれる。引かれる電流の大きさは、少なくとも部分的に共通のポテンシャル源及びレーザーダイオード１０４を通じてトレースされる電気回路及び抵抗器の値に応じて決定される。そのような構成においては、制御端子刺激が、バイナリー形態で電流シンクを動作させ、刺激に応じて電流がオン又はオフのいずれかになる。少なくとも幾つかの実施形態においては、回路設計が、単純なスイッチではなく、むしろ、図４に示されるように、リニア、閉ループサーボシステムである。
【００４１】
図示例の２つの電流シンク１１０、１２０といった本明細書に記述の任意の電流源又はシンクが、制御可能な電流源を含み得ることも想定され、この場合、電流シンク１１０、１２０により引かれる電流の大きさが、各制御端子１１２、１２２で提供される電圧及び／又は電流刺激により決定される。そのような制御可能な電流シンク１１０、１２０が、トランジスタ装置といった１以上の能動素子を含むことができる。特定の実施形態においては、電流シンク１１０、１２０の少なくとも一つが、エル・セグンド、ＣＡのインターナショナル・レクティファイアーから商業的に入手可能な部品番号Ｎｏ．ＩＲＦＰ４３６８ＰｂＦ、ＨＥＸＦＥＴ（登録商標）パワーＭＯＳＦＥＴといったパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む。そのような装置においては、ドレイン−ソース間電流ＩDSが、ゲート−ソース間電圧ＶGSにより制御され、装置は、１０ボルトのゲート−ソース電圧ＶGSで２５０アンペアを超えるドレイン−ソース電流ＩDSを吸い込むことができる。
【００４２】
レーザーパワースケーリング用途においては、レーザーダイオード１０４により放射される光１０５が光利得媒体１４０に結合できる。好適には、レーザーダイオード１０４から放射される光１０５の波長は、利得媒体１４０のイオンを高められたエネルギー状態に「ポンプ」するのに適切な帯域に存在し、また十分な振幅を有する。そのようなポンピングが、レーザーダイオード１０４からの放射エネルギーの１以上のパルスにより達成できる。そのようなポンピングモードの下、ダイオード１０４を通じて引かれる電流が、ポンピング電流ＩPA＝Ｉ1＋Ｉ2に対応する。典型的には、ＩPAは、レーザーダイオード１０４が光利得媒体１４０をポンプし、レーザー光１４２を放射させるのに十分な光エネルギーを放射させるのに十分な相当な電流（例えば、百アンペア以上）である。第１及び第２電流Ｉ1、Ｉ2が付加的なものであるため、各々が、出力増幅器電流未満であり得る。例えば、各電流が、実質的に等しく、出力増幅器電流の１／２であり得る。そのような電源共有により実現可能な少なくとも幾つかの利点が、減じられた動作温度であり、より一般的には、第１及び第２電流シンク１１０、１２０といった電子構成部品上への減じられたストレスにある。減じられた電子構成部品のストレスが、改善されたシステムの信頼性になる。並列に配置された２つよりも多い電流シンクを有する他の実施形態が可能であり、各電流シンクモジュール上の全レーザー電流負荷を更に共有する。たった２つの電流シンクが図１に図示されるが、特に、電流を共用することに良く適する高インピーダンス・エンティティである定電流シンク／源の観点から、２以上のものが用いられることが想定される。この場合、加えられた各電流シンク／源が、１０２で光放射ダイオードアレイを通じる全体の合計電流に貢献する。
【００４３】
多段階レーザーダイオードドライバーの別の実施形態のブロック図の概要が図２に示される。繰り返すが、レーザーダイオードドライバー２００は、第１光放射アレイ１０２を含む。図示の実施形態においては、光放射アレイ１０２は、お互いに直列に配置されたレーザーダイオード１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（概して１０４）といった、直列結合された３つの半導体装置を含む。直列結合されたレーザーダイオード１０４の一端が、共通のポテンシャル源２０６の第１端子に電気的に接続される。この例の共通のポテンシャル源２０６が、蓄積キャパシタ２０６により提供される。キャパシタ充電回路２０７は、蓄積キャパシタ２０６に電子的に接続され、少なくとも充電期間の間に望まれる電圧レベルＶCAPまでキャパシタを充電するように構成される。キャパシタ充電回路２０７は、概して、電源ＶSUPPLY（例えば、交流又は直流電源又は発電施設）といった別のソースにより電源供給される。
【００４４】
第１電流シンク１１０は、電流ノード１０８と蓄積キャパシタ２０６の反対（負の）端子の間で電気的に接続される。第１電流シンク１１０は、電流ノード１０８を通じて蓄積キャパシタ２０６から第１電流Ｉ1を引くように構成される。繰り返すが、第１電流シンク１１０は、個別の電流制御出力信号を受け取るように適合される第１制御端子２１２も有する。第２電流シンク１２０は、電流ノード１０８と蓄積キャパシタ２０６の反対（負）端子の間で電気的に接続される。第２電流シンク１２０は、電流ノード１０８を通じて蓄積キャパシタ２０６から第２電流Ｉ2を引くように構成される。図示の実施形態においては、第２電流シンク１２０が、個別の電流制御出力信号を受け取るようにも適合される第１制御端子２２２を有する。第１及び第２電流シンク１１０、１２０は、お互いに並列に配置される。各電流シンク１１０、１２０は、図１に関して記述のように動作し、例えば、各制御刺激（例えば、制御電圧）に応答して電流を引く。
【００４５】
幾つかの実施形態においては、１以上の電流シンク１１０、１２０が、各第２制御端子２１３、２２３を含む。各第２制御端子２１３、２２３は、個別の電流シンク１１０、１２０により引かれるべき好ましい電流レベルに対応する電流レベル制御信号を受け取るように構成される。より一般的には、少なくとも幾つかの実施形態においては、電流レベル制御信号は、また、各電流シンク１１０、１２０を通じて引かれるべき電流のパルス形状を制御する。そのような実施形態においては、各電流シンク１１０、１２０は、その個別の第１制御端子２１２、２２２での刺激の期間の間に電流を引くように構成され、引かれる（一定又は時間変化）電流の大きさが、その個別の第２制御端子２１３、２２３で受け取られる個別の電流レベル制御信号に対応する。特には、電流が引かれる期間の間のいずれかの電流レベル制御信号のバリエーションが、時間に関して変化する引かれる電流の値に帰結する。概して、いずれかの電流シンク１１０、１２０を通じて引かれる電流への任意のパルス形状が取得され得ることが想定される。例は、矩形パルス、傾斜パルス、三角パルス、段差パルス、そのようなパルスの組み合わせ、及び同所のものを含む。
【００４６】
レーザーダイオード１０４は、そこを通じて引かれる電流に応答して光１０５を放射する。実施形態例においては、電流値が、組み合わせＩT＝Ｉ1＋Ｉ2である。上述のように、光アンプをポンプすることが、相当な電力を要求し、全電流ＩTが、１００アンペア以上であり得る。有益には、いずれの電流シンク１１０、１２０も、全電流の一部（例えば、ＩT／２）を引くことのみ要求し、装置１１０、１２０が低電流で作動することを許容し、またより少ない熱を生成する。結果として、レーザーダイオードドライバー２００の全信頼性が改善される。放射された光１０５は、光利得媒体１４０をポンプするために用いられ、増幅された光出力１４２が、励起された放射を通じて生成される。
【００４７】
少なくとも幾つかの実施形態においては、レーザーダイオードドライバー２００が、コントローラー２３０を含む。コントローラー２３０は、少なくとも各電流シンク１１０、１２０の第１制御端子２１２、２２２に電気的に接続される。コントローラー２３０は、電流シンク１１０、１２０の各々に刺激（例えば、電圧）を提供するように適合され、レーザーダイオード１０４の所望の動作を達成するべく、各電流シンクに個別の電流を引くようにさせる。そのような刺激が、例えば、通電と無電流状態の間を区別する矩形パルスを含み得る。そのような刺激が、事前にプログラムされ、さもなければ、所望のデューティー・サイクルで所望の持続パルスを提供するように構成される。
【００４８】
電流シンク１１０、１２０のいずれもが第２制御端子２１３、２２３を含む実施形態については、コントローラーは、また、それと電気的に接続され、個別の電流レベル制御信号を提供するように構成される。繰り返すが、そのような刺激は、事前にプログラムされ、さもなければ、所望の電流パルス形状を提供するように構成される。少なくとも幾つかの実施形態においては、コントローラー２３０は、数値（例えば、デジタル）刺激を提供する。いずれの電流シンク１１０、１２０がアナログ電流レベル信号を受け取るように構成される実施形態については、個別のデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）２１４、２２４が提供され（幻影にて示される）、デジタル制御信号を電圧又は電流といったアナログ信号に変換する。
【００４９】
幾つかの実施形態においては、レーザーダイオードドライバー２００は、１以上の電流センサー２１５、２２５を含む。図示の実施形態においては、個別の電流センサー２１５、２２５は、各電流シンク１１０、１２０を含む回路の各脚に提供される。そのような構成においては、各電流センサー２１５、２２５は、ノード１０８から引かれる各電流を検知するように構成される。例えば、電流センサーは、誘導性場を流れる電流を測定する誘導性電流センサー、又は電流を示す精密抵抗器に亘る電圧を測定する電圧センサーでシャントされた精密抵抗器（例えば、２．２ミリオーム）であり得る。各センサー２１５、２２５の各出力２１６、２２６が、コントローラー２３０に結合される。センサー出力がアナログ信号であり、コントローラー２３０がデジタル値を処理するように適合される実施形態については、個別のアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２１７、２２７（幻影で示される）が、各電流センサー２１５、２２５とコントローラー２３０の間に設けられ得る。幾つかの実施形態においては、検知された電流が、フィードバックループ構成においてコントローラー２３０により用いられ、電流レベル制御信号２１３、２２３が、各電流シンク１１０、１２０により引かれる電流の値をより正確に制御する。
【００５０】
少なくとも幾つかの実施形態においては、コントローラー２３０が、更にキャパシタ充電回路２０７と接続されることが想定される。例えば、コントローラー２３０は、蓄積キャパシタ２０６の充電を制御するため、充電器２０７に充電制御信号２３２（幻影で示される）を提供できる。そのような信号は、充電速度、若しくは充電キャパシタ２０６に適用される電圧を制御する。代替若しくは加えて、コントローラー２３０は、例えば、蓄積キャパシタ２０６の状態（例えば、完充電、若しくは電圧レベル）を示す充電状態信号２３４（幻影で示される）を充電器２０７から受け取ることができる。コントローラーは、事前プログラムされた指令のセットを実行するように適合されたコンピューター上で実施され、さもなければそれとの動作のために構成できる。代替若しくは加えて、コントローラーは、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）により全体又は部分的に実施できる。
【００５１】
多段階レーザーダイオードドライバー３００のまた別の実施形態のブロック図概要が図３に示される。ドライバー３００は、電流シンクの一つ（ＭＯ電流シンク２２０）に直列に結合された第２レーザーダイオードアレイ３０４（ＭＯダイオードアレイ）を除いて、図２で上述したドライバー２００に全側面において同様である。特には、そのような実施形態においては、第１電流シンク（ＰＡ電流シンク２１０）と第２電流シンク（ＭＯ電流シンク２２０）が、電流ノード２０８へＰＡ光放射アレイ２０２を通じて蓄積キャパシタ２０６から出力増幅器（ＰＡ）ポンピング電流ＩPA＋ＩMOを引くように構成される。結果として生じるダイオードレーザー光２０５が、レーザー光２４２が放射されるまでＰＡ利得媒体２４０をポンプする。第２電流シンク２２０（ＭＯ電流シンク）は、ＭＯ利得媒体２４１をポンプするダイオードレーザー光３０５を放射するＭＯダイオードアレイを通じる電流を生成するため、主発振器（ＭＯ）電流シンク２２０として参照される。ＭＯ利得媒体２４１から結果として生じるシード光２４３が、ＰＡ利得媒体２４０への光学的な駆動周波数である。一例では、ＰＡダイオードアレイ電流を２００アンペアに設定することが望ましいとすれば、（プラナー導波路においては、一般的に、ＭＯ電流がＰＡ電流に等しい若しくはそれ未満であることを考慮して）ＭＯダイオードアレイ電流を１５０アンペアに設定する。従って、ＭＯ電流シンクは、入力２２２及び２２３により１５０アンペアに指令され、ＰＡ電流シンクは、入力２１２及び２１３により５０アンペアに指令される。このアプローチの利点は、両方のレーザーダイオードアレイが直列に結合され、単一の共通のポテンシャル源から電源供給されることである。少なくとも幾つかの実施形態においては、ＭＯダイオードアレイ３０４は、ＭＯ利得媒体２４１で適切にポンプされたイオンの励起された放射を通じて増幅されたパルスを生成することができる。この場合、シード光パルスは、ＭＯ利得媒体２４３から放出し、ＰＡ利得媒体２４０を駆動するパルスである。
【００５２】
単一のレーザーダイオード３０４が図示されるが、直列に配置された１以上のレーザーダイオード３０４のアレイにより置換できる。好ましくは、全てのダイオード２０４、３０４が、共通の方向を有する電流に応答して光を放射するように構成される。特には、そのような構成が、共通の蓄積キャパシタ２０６と直列に配置されたより多数のレーザーダイオード２０４、３０４を提供し、ＰＡ及びＭＯレーザーダイオードが独立して駆動される伝統的なＭＯＰＡレーザーダイオードドライバーを超える改善された効率を提供する。
【００５３】
本明細書に記述の様々な技術及び回路トポロジーでは、第２電流シンク（例えば、ＭＯ電流シンク２２０）と直列に構成される、第２レーザーダイオードアレイ（例えば、ＭＯレーザーダイオードアレイ３０４）の周辺の第１制御可能電流シンク（例えば、ＰＡ電流シンク２１０）から電流を指令することができる。これは、第１及び第２レーザーダイオードアレイ２０２、３０４の両方の動作を可能とし、他方、同時に、共通のポテンシャル源から各ダイオードアレイを通じて異なる電流振幅を引く。図３に図示の例においては、両方のダイオードアレイ２０２、３０４が直列に結合されているにも関わらず、ＩPA＋ＩMOの第１電流がＰＡレーザーダイオードアレイ２０２を通じて引かれ、Ｉmoの異なる電流がＭＯレーザーダイオードアレイ３０４を通じて引かれる。
【００５４】
ＭＯ電流シンク２２０の一実施形態のより詳細な概略図が図４に示される。ＭＯ電流シンクトポロジー２２０及びＰＡ電流シンクトポロジー２１０は同一であり得る。従って、ＭＯ電流シンクについて単一の概略が図示される。回路２２０は、主発振器ダイオードアレイ３０４（図３）と電気的に接続され、そこを通じる制御可能な電流ＩMOを引く、さもなければ「吸引」するように構成される制御可能な電流吸引装置Ｑ４を含む。図示の実施形態においては、電流吸引装置Ｑ４は、エル・セグンド、ＣＡのインターナショナル・レクティファイアーから商業的に入手可能な装置モデルＮｏ．ＩＲＦＰ４３６８ＰｂＦといったパワーＭＯＳＦＥＴである。例の電流吸引装置Ｑ４は、ゲート−ソース電圧ＶGSの制御の下、ドレイン−ソース電流ＩDSの３５０アンペアまで吸引することができる。例えば、２５℃の接合温度で、ＩDSは、約４．６ボルトのＶGSについて約１００アンペアであり、約４．９ボルトのＶGSについて約２００アンペアである。
【００５５】
電流シンク２２０は、電流吸引装置Ｑ４のゲート端子（Ｇ）と電気的に接続されるゲート駆動回路を含む。ゲート駆動回路は、閉ループ、ローサイド電流シンク（実施は、ローサイド又はハイサイドのいずれかであり得る）を形成するように接続された、Ｕ３Ｂの積分器と、Ｕ５の電流センス差動アンプを含む。ハイサイド構成においては、電流シンクは、ＭＯダイオード３０４のノードに配置される。繰り返すが、ハイサイド電流駆動の少なくとも一つの利益は、ＭＯ又はＰＡレーザーダイオードアレイ２０２、３０４が意図せずにグランドに短絡されるならば、高価なレーザーダイオードが保護されることである。ハイサイド駆動の代償は、ローサイド電流シンクアプローチと比較する時、複雑さが増す。
【００５６】
実施形態例においては、積分器Ｕ３Ｂは、サンタクララ、ＣＡのナショナル・セミコンダクター社から商業的に入手可能なモデルＮｏ．ＬＭ６１７２である。積分器Ｕ３Ｂの非反転入力（＋）は、制御可能なＳＰＳＴスイッチＵ８に電気的に接続される。実施形態例においては、スイッチＵ８は、ノーウッド、ＭＡのアナログデバイス社から商業的に入手可能なモデルＮｏ．ＡＤＧ１４０１のｉＣＭＯＳ  ＳＰＳＴスイッチである。実施形態例においては、スイッチＵ８は、通常は閉じられ（例えば、ＤＤ＿ＦＩＲＥ２が論理１である）、非反転入力を低電圧レベル（例えば、−０．６ボルト又はＮ＿０．６Ｖ２）に接続し、電流シンクをオフに切り替える。制御可能なスイッチＵ８の制御入力は、第１信号入力２２２（例えば、ＤＤ＿ＦＩＲＥ２）と電気的に接続される。適切な制御（例えば、ＤＤ＿ＦＩＲＥ２が論理０である）に応答して、スイッチＵ８が開かれ、非反転入力から−０．６ボルトの低電圧参照を除去し、入力信号２２３（例えば、Ｉ＿ＳＥＴ２）が電流シンクサーボループにより送られる電流量を制御することを許容する（例えば、図４に図示の特定の例においては、ボルト当たり５０アンペア）。
【００５７】
アンプＵ３Ｂの非反転入力（＋）は、更に、２つの抵抗器Ｒ４４、Ｒ４５を含む抵抗分割器ネットワークを通じて第２信号入力２２３に電気的に接続される。ここで、本明細書に含まれる、Ｒ４４及びＲ４５の抵抗器といった、任意の装置の値が、ただの図示例として提示され、さもなければ他の値、範囲、及び装置の選択を制限することを意図しないことに留意されたい。この入力が変化し、Ｕ８への入力信号２２２が論理ゼロの時、閉ループ電流シンク回路の出力が、電流センス抵抗器（Ｒ５３）；（少なくとも部分的にＲ４９及びＲ５２の値により決定される）Ｕ５Ａでの差動アンプの利得；分圧器ネットワーク（Ｒ４４及びＲ４５）、及び電圧の大きさに比例する電流を生成する。図示例においては、ボルト当たりアンペアの式は：アンペア／ボルトでのＩ／Ｖ＝［（Ｒ５２）×（Ｒ４５）］／［（Ｒ４９）×（Ｒ５３）×（Ｒ４５＋Ｒ４４）］。ここで、「Ｖ」入力は、Ｉ＿ＳＥＴ２電圧２２３である。
【００５８】
積分器Ｕ３Ｂの反転入力（−）は、電流モニタリング回路２２５の出力と、適切なプルアップ抵抗器Ｒ４２を通じて接続された正の供給電圧（例えば、＋１５Ｖ）に電気的に接続される。積分器Ｕ３Ｂの出力は、キャパシタＣ２９に直列のフィードバック抵抗器Ｒ４３を含むＲＣ回路を通じて反転入力に結合される。キャパシタＣ２９は、少なくとも部分的に、積分器として装置Ｕ３Ｂを構成し、他方、Ｃ２９と組み合わされてＲ４３は、少なくとも部分的に、電流シンクのサーボループ補償のため「ラプラスゼロ」を生成するように構成される。ＲＣ組み合わせＲ４３、Ｃ２９は、そのカソードがアンプ出力に結合されるように設けられたダイオードＣＲ２によりシャントされる。シャントダイオードＣＲ２は、プルアップ抵抗器Ｒ４２と組み合わされて、Ｑ４が「オフ」状態に到達することを保証する負のクランプを生成する。シャントダイオードＣＲ２は、積分器Ｕ３Ｂの出力をクランプし、従って、電流吸引装置Ｑ４のゲートが約−０．７Ｖになる。特定の構成では、アンプＵ３Ｂの出力は、「発射」（例えば、スイッチＵ８が開回路である）される時、第２入力信号２２３（Ｉ＿ＳＥＴ２）の二分の一と電流センス回路２２５の出力又はＩ＿ＳＥＮＳＥ２信号２２８の間の積分差（integrated difference）を追随する。アンプ出力電圧は、直列抵抗器Ｒ４８を通じて電流吸引装置Ｑ４のゲート端子（Ｇ）に結合される。直列抵抗器Ｒ４８は、Ｑ４のゲートの高容量から積分器Ｕ３Ｂを隔離し、電流シンクサーボループの不要な共鳴（ringing）を阻止する。
【００５９】
この構成においては、電流吸引装置Ｑ４は、第１信号入力２２２（ＤＤ＿ＦＩＲＥ２）が０の論理入力の時、制御可能な電流を吸引又はさもなければ伝導させる。ゲート駆動電圧の値は、電流センス出力２２８（Ｉ＿ＳＥＮＳＥ２）と第２入力信号２２３（Ｉ＿ＳＥＴ２）の二分の一の間の積分差により決定される。第２入力信号２２３（Ｉ＿ＳＥＴ２）は、実質的に一定であることができ、電流吸引装置Ｑ４を通じるドレイン−ソース電流は、第１信号入力２２２（ＤＤ＿ＦＩＲＥ２）に対応するパルス出力である。代替的若しくは加えて、電流吸引装置Ｑ４を通じるドレイン−ソース電流は、第１信号入力がアクティブの間、第２入力信号２２３（Ｉ＿ＳＥＴ２）の二分の一を追随する。第１入力信号２２２（ＤＤ＿ＦＩＲＥ２）がアクティブである時の時間期間の間に第２信号が変化する時、出力ゲート電圧が対応の態様で変化し、電流シンク電流ＩDSも同様の態様で変化する。少なくとも幾つかの実施形態においては、同様の回路が、第１電流シンク２１０（ＰＡ電流シンク）のために設けることができる。
【００６０】
図示例においては、電圧モニタリング回路２２５は、電流シンクＱ４のソース端子（Ｓ）に直列に接続された精密高電流検出抵抗器Ｒ５３を含む。実施形態例においては、検出抵抗器Ｒ５３は、１％の公差で、０．００２２オームの値を有し、スウォンジ、ＭＡのアイソテックから商業的に入手可能なモデルＮｏ．ＳＭＶ−Ｒ００２２−１．０により提供される。検出抵抗器Ｒ５３を通じて引かれる電流ＩMOは、対応の電圧降下を生じさせる。電圧降下は、第２、精密差動アンプＵ５Ａの入力端子に適用される。図示の実施形態においては、第２アンプＵ５Ａは、ノーウッド、ＭＡのアナログデバイス社から商業的に入手可能なモデルＮｏ．ＯＰ４６７ＧＳである。
【００６１】
電流センス差動アンプＵ５Ａへの入力は、図示のように抵抗器ネットワークを通じて結合される。つまり、検出抵抗器Ｒ５３の第１側が、直列抵抗器Ｒ５１とシャント抵抗器Ｒ５０を通じて差動アンプＵ５Ａの非反転入力（＋）に結合される。検出抵抗器Ｒ５３の反対側が、直列抵抗器Ｒ５２を通じて反転入力（−）に結合される。フィードバック抵抗器Ｒ４９は、アンプＵ５Ａの出力と反転入力の間に結合される。抵抗器Ｒ４９からＲ５２が、ｏｐ−ａｍｐＵ５Ａで差動アンプトポロジーを形成する。図示例の電流対電圧利得は、Ｉ／Ｖ＝（Ｒ５２）／［（Ｒ４９）×（Ｒ５３）］アンペア／ボルトである。従って、検出抵抗器Ｒ５３を通じて流れる電流の毎１００アンペアについて、電流センス出力２２８（Ｉ＿ＳＥＮＳＥ２）が、図４に図示の特定の実施形態について１．０Ｖになる。従って、アンプ出力電圧が、精密抵抗器に亘る電圧降下に追随する。少なくとも幾つかの実施形態においては、ドレイン−ソース電流ＩDSを示す出力電圧が、アナログ電流センス信号２２８（Ｉ＿ＳＥＮＳＥ２）として提供される。更なる信号条件（例えば、増幅又はバッファリング）が、必要なようにアンプ出力に適用できる。
【００６２】
多段階レーザーダイオードドライバーの蓄積キャパシタ充電回路２０７の一実施形態の概略図が図５に示される。回路は、外部電源ＶSUPPLYと蓄積キャパシタ２０６ＶCAP（図２、３）の間に結合される電力モジュールＰＳ１を含む。図示例においては、電力モジュールＰＳ１は、ＤＣ−ＤＣ変換器、アンドーバー、ＭＡのバイコー社から商業的に入手可能なモデルＮｏ．Ｖ２８Ｃ３６Ｔ１００ＢＬである。この例においては、電力モジュールＰＳ１は、９〜３６ボルトの範囲の入力電圧について動作可能である。正の出力電圧は、相対的に高パワーの直列抵抗器Ｒ５を通じて蓄積キャパシタ２０６の正側に結合される。図示例においては、直列抵抗器Ｒ５は、２０．０オームの値を有し、約１００ワットの電力損失に定格される。蓄積キャパシタの充電時間定数τは、少なくとも部分的にキャパシタ値（例えば、３０，０００μファラッド）及び直列抵抗器Ｒ５により決定される。ここでは、τ＝ＲＣ、若しくは約０．６秒である。ＶCAPの初期ターンオン及び満充電の後；Ｒ５が、だいぶ小さい抵抗器（例えば、１．００オーム−不図示）によりシャントされ、ＶCAPが、より急速にその満電圧まで充電できる。これは、上限３０Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の動作を許容する。
【００６３】
適合抵抗ネットワークが、電力モジュールＰＳ１の第２制御端子ＳＣに結合される。特には、第２制御端子ＳＣでの電圧は、必要なように、上又は下にサプライモジュールＰＳ１の出力電圧の値を「トリム（trim）」又はさもなければ調整するように変更できる。図示の実施形態においては、第１抵抗器Ｒ６は、電力モジュールＰＳ１の正の出力端子（＋ＯＵＴ）と第２制御端子ＳＣの間に結合される。Ｒ６は、例えば、ＰＳ１の標準出力から上にトリムすることが望まれる時、組み込むことができる。上にトリムすることが要求されないならば、Ｒ６を組み込む必要はない。第２抵抗器Ｒ７は、第２制御端子と電力モジュールＰＳ１の負の出力端子（−ＯＵＴ）の間に結合される。Ｒ７は、例えば、ＰＳ１の標準出力から下にトリムすることが望まれる時、組み込むことができる。下にトリムすることが要求されないならば、Ｒ７を組み込む必要はない。２つのシャント抵抗器Ｒ７６、Ｒ７７は、第２抵抗器Ｒ７に並行に提供される。特には、シャント抵抗器Ｒ７６、Ｒ７７は、第２制御端子ＳＣと負の出力端子の間の抵抗値を変更するため、第２抵抗器Ｒ７と独立して又は併せて選択的にシャントできる。
【００６４】
シャント抵抗器Ｒ７６、Ｒ７７のいずれかの適用が、ＳＰＳＴスイッチＵ９及びＵ１０の選択的な制御により取得される。各スイッチＵ９、Ｕ１０は、個別の入力信号Ｖ0、Ｖ1により独立して制御可能である。実施形態例においては、スイッチＵ９、Ｕ１０も、モデルＮｏ．ＡＤＧ１４０１である。スイッチＵ９、Ｕ１０は、１の論理入力の間に閉じられ、０の論理入力の間に開かれる。少なくとも幾つかの実施形態においては、出力モニター端子２３４が、電力モジュールＰＳ１の出力電圧をモニタリングするために提供される。出力モニター端子２３４での電圧は、電力モジュール出力電圧レベルの指標としてコントローラー２３０（図２、３）への入力として提供される。出力電圧が低すぎる若しくは高すぎると決定されるならば、例えば、コントローラー２３０からＴＴＬ制御端子Ｖ0、Ｖ1により適切な調整が為される。図５に図示の実施形態におけるＵ９及びＵ１０により提供される下等の調整が、例えば、コントローラー２３０内のＦＰＧＡにより制御される「デジタルポテンショメーター」により簡単に置換できることに留意されたい。これは、従って、電力モジュールＰＳ１からキャパシタ電圧（ＶCAP）のより精密な調整を与える。ＶCAP電圧は、電流シンクＭＯＳＦＥＴＱ４（図４）に亘る電圧降下を最小化する目的で調整され、同時に、これらの同一のＭＯＳＦＥＴＱ４をそれらのリニア領域に維持する。電流シンクパス素子により消費される電力（電力＝（Ｖｄｓ）×（Ｉｄｓ））を最小化することにより効率が最大化される。この概念は、両方のレーザーダイオード（図３の２０４及び３０４）の温度と、蓄積キャパシタの近くの回路基板の温度をモニタリングすることにより高めることができる。これらの２つの温度をモニタリングすることにより、ＰＳ１は、蓄積キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）の変動と、２０４及び３０４でのレーザーポンプダイオードの電圧降下の変動を保証するように調整される。ＭＯＳＦＥＴＱ４のドレイン−ソース電圧Ｖｄｓを約＋０．７Ｖに維持することにより、最大効率が達成できる。
【００６５】
モジュール化された多段階レーザーダイオードドライバーの一実施形態のブロック図概要が図６に示される。図示の実施形態は、３つのモジュール：制御論理モジュール４５０；ダイオード駆動モジュール４６０；及び光モジュール４７０を含む。分離された電源４０９が、駆動モジュールのいずれにも含まれないように図示される。電源４０９は、サプライキャパシタ４０６を充電するのに十分な電流及び電圧を供給する（sourcing）ことができる任意の適切な電源であり得る。例が、バッテリー、発電施設、他のａｃ及び／又はｄｃ電源を含む。電力が、交流、直流、又は交流及び直流の組み合わせであり得る。
【００６６】
モジュール間の回路及び／又は機能の分割と同様、モジュール４５０、４６０、４８０の特定の構成及び数が、例として提供される。他のモジュール構成が可能であることが想定される。モジュールは、別々であり、相互接続可能である。例えば、３つのモジュール４５０、４６０、４７０の各々が別々のシャーシ及び／又はハウジング内に提供でき、ケーブルといった１以上の相互接続部がモジュール間に提供され得る。幾つかの実施形態においては、２以上のモジュール４５０、４６０、４７０が共通のハウジング又はシャーシ内に含められ得る。モジュール間の相互接続は、モジュール自体上、例えば、共通のバックプレーン沿い、又はマザーボード−ドーターボード配置として構成される相互接続部により達成することもできる。
【００６７】
光モジュール４７０は、第１ポンプ又は駆動電流、例えば、ＩPA＋ＩMOを受け取るように構成される１以上のポンプダイオード４０４の第１アレイを含む。ポンプダイオード４０４の第１アレイは、駆動電流に応答してポンプ光４７４を放射するように構成される。ポンプ光４７４は、出力増幅器（ＰＡ）光利得媒体（不図示）に向けられ、良く知られた技法を介して利得媒体のイオンを所定の高められたエネルギー状態までポンプするように構成される。１以上の主発振器ダイオード４０５の第２アレイは、少なくとも名目上第１駆動電流に等しい若しくはそれ未満の大きさを有する第２駆動電流、例えば、ＩMOを受け取るように構成される。主発振器ダイオード４０５の第２アレイは、また、駆動電流に応答して光４７５を放射するように構成される。主発振器光４７５は、また、完全に分離された主発振器光利得媒体（不図示）に向けられ、高められたエネルギー状態にポンプされた利得媒体イオンの放射を刺激するように構成される。主発振器（ＭＯ）利得媒体からの出力光エネルギーが、出力増幅器（ＰＡ）利得媒体を駆動するために用いられ、これが、ＭＯ利得媒体からの光を増幅する。効果的に、主発振器シード光（不図示）が、ＰＡ光利得媒体により増幅される。
【００６８】
ダイオード駆動モジュール４６０が、蓄積キャパシタ４０６、キャパシタ充電器４０７、及び第１及び第２電流シンク４１０、４２０を含む。キャパシタ充電器４０７は、外部電源４０９と蓄積キャパシタ４０６の間で電気的に接続され、電源からの電力を変換又はさもなければ調整して蓄積キャパシタ４０６を充電する。蓄積キャパシタ４０６は、ダイオード４０４、４０５の第１及び第２アレイの直列の組み合わせと更に接続される。第１電流シンク４１０は、ダイオード４０４、４０５の第１及び第２アレイの間に設けられた回路ノード４０８に結合される。ノード４０８は、モジュールの一つ（例えば、ダイオード駆動モジュール４６０、光モジュール４７０）に設けられ、若しくは、両方のモジュール４６０、４７０を相互接続する相互接続ケーブル又は配線沿いに設けられ得る。第１電流シンク４１０は、回路ノード４０８と蓄積キャパシタ４０６のリターン（return）（例えば、グランド）の間に接続される。ダイオード４０５の第２アレイは、ノード４０８と第２電流シンク４２０の間に位置付けられる。第２電流シンク４２０は、蓄積キャパシタ４０６のリターン（例えば、グランド）とも電気的に接続される。
【００６９】
第１及び第２電流シンク４１０、４２０の１以上は、個別の電流モニター回路４１５、４２５を含む又はさもなくば電気的に接続され得る。電流モニター回路は、個別の電流シンク４１０、４２０を通じて引かれる電流レベルの指標を提供するように構成される。ダイオード駆動モジュール４６０の少なくとも幾つかの実施形態においては、キャパシタ充電指標回路４３４ａといった追加の回路が提供され、例えば、事前決定された充電値まで蓄積キャパシタ４０６が充電されたか否かの指標を提供する。代替として又は加えて、ダイオード駆動モジュール４６０が、蓄積キャパシタ電圧モニタリング回路４３４ｂを含むことができる。
【００７０】
図示例においては、制御論理モジュール４５０は、コントローラー回路又はモジュール４３０を含む。コントローラー４３０は、一般的にフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）と呼ばれる、プログラム可能な相互接続部を介して接続される構成可能な論理ブロックのマトリクスに基づくプログラム可能半導体装置を含む又はさもなければそれにより実施される。そのような装置は、例えば、サンホセＣＡのＸＩＬＩＮＸ社、Ｖｉｒｔｅｘ−６Ｑ装置類から商業的に入手可能である。そのような装置は、レーザーダイオードドライバー４００の動作に関して本明細書に記述されたものといった、様々な機能の制御及びモニタリングを実施するため、既知の技術を通じて構成できる。少なくとも幾つかの実施形態において含められることができるコンピューターといった、幻影で示される別又は予備のコントローラー４３１も示される。
【００７１】
幾つかの実施形態においては、図示のように、制御論理モジュール４５０は、１以上のＡＤＣ（アナログデジタル変換器）を含む。図示の実施形態においては、ＡＤＣ４１７、４２７は、個別の検知されたアナログ電流値をコントローラーモジュール４３０による更なる処理のためデジタル値に変換するために提供される。別のＡＤＣ４５７が、検知された蓄積キャパシタ電圧のアナログ値をデジタル値に変換するように提供され得る。同様に、温度センサー４５８といったアナログ出力信号を提供する任意の他のセンサーが、個別のＡＤＣ４５９を介してコントローラーモジュール４３０に結合され得る。幾つかの温度センサーがシリアルデジタル出力を有し、ＡＤＣ４５９の必要がない。
【００７２】
同様に、制御論理モジュール４５０は、１以上のデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）を含み、適切な時、コントローラーモジュール４３０から提供される任意のデジタル出力をアナログ値に変換することができる。例が、デジタル値から、個別にアナログ制御信号４１３、４２３で個別の電流シンク４１０、４２０を制御することに適するアナログ電圧レベルに個別の電流シンク駆動信号を変換するように提供されたＤＡＣ４１４、４２４を含む。
【００７３】
光出力パルスに配列された代表の電流駆動パルスの一連のトレースが図７に示される。ＭＯＰＡ構成（例えば、図３）のＰＡレーザーダイオードアレイに適用されるであろう電流パルスＩPA＋ＩMOの指標の、第１波形が図示される。例のパルスが、参照時間ｔrefの先行端を有し、パルス持続時間Ｔパルスの間で継続する。パルスの振幅は、１以上の個別電流ＩPA、ＩMOの値に応じて調整できる。少なくとも幾つかの実施形態においては、パルス振幅が、第１波形に対応する電流により駆動されるレーザーダイオードアレイによりポンプされる光増幅器の好適な出力パルスエネルギーを生成するレベルに設定される。
【００７４】
ＭＯＰＡ構成（例えば、図３）のＭＯレーザーダイオードアレイに適用されるだろう電流パルスＩMOの指標の、第２波形が図示される。例のパルスが、ｔrefの同時の先行端を有し、パルス持続時間Ｔパルスの間で継続する。パルスの振幅は、１以上の個別電流ＩMOの値に応じて調整できる。少なくとも幾つかの実施形態においては、パルス振幅は、ＴREFに対して測定される、出射時間Ｔfireで好ましい出力パルスを生成するレベルに設定される。第３波形は、第１及び第２配線（トレース：trace）の電流により駆動されるレーザーダイオードにより活性化されるＭＯＰＡ利得媒体の光出力の指標である。図示の実施形態においては、出射時間は、約２４０μｓである。少なくとも幾つかの実施形態においては、出射時間に関連するジッターがあり得、パルスは、ＴREFに関してＴfireで一貫して再現されず、むしろジッター時間だけ異なる値に再現される。
【００７５】
本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である例の非矩形電流駆動パルス５２０及び対応の蓄積キャパシタ電圧５１０が図８に示される。電流駆動パルス５２０は、３５００μｓの基本幅、２００アンペアのピーク振幅を有し、及び５０アンペア毎、各々５００μｓ幅で変化し、概して階段状の三角形状を呈する。蓄積キャパシタ電圧が、最大値で開始し、次に、電流が引かれる各ステップ内でリニアにより低い値に減少する。蓄積キャパシタ電圧は、次パルスのため最大値に再び充電される。そのような駆動電流パルスは、例えば、アクティブパルス期間の間、電流−レベル制御信号を変えることにより、取得することができる。
【００７６】
本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である非矩形電流駆動パルス及び対応の蓄積キャパシタ電圧の別例が図９に示される。より端的には、第１波形５５０、５６０は、ＰＡレーザーダイオード電流パルス（例えば、ＩMO＋ＩPA）の指標である。パルスは、約１５１ｍｓで約２００アンペアの値まで急峻に立ち上がる。パルスは、パルス振幅が実質的に立ち上がるパルスの末尾の短期間を除いて、残部のパルス幅において実質的に一定を維持する。図示例においては、全パルス幅が約２５５μｓであり、はじめのおよそ２００μｓの間に２００アンペアの初期振幅を有し、次に、およそ最後の１５μｓの間に約３００アンペアに立ち上がる。第２波形５４０は、主発振器レーザーダイオード駆動パルス（例えば、ＩMO）の指標である。パルスは、約１５０アンペアより僅かに小さい値に、第１パルスに同期して急速に立ち上がる。パルスは、２５５μｓの残部のパルス幅に亘り実質的に一定を維持する。第１（ＩMO＋ＩPA）電流パルス及び第２（ＩMO）電流パルスを生成する放電過程で蓄積キャパシタ電圧の代表波形５３０も示される。
【００７７】
第１パルスの複雑な形状は、本明細書に記述のレーザードライバー回路の任意の波形生成能力により生成できる。有利には、そのような電流スパイク５６０は、電流ピークに対応するより正確な時間（例えば、２４０μｓ）に利得媒体から光パルス出力を誘起するように用いることができる（従って、パルス・トゥ・パルスジッターを低減する）。このＱスイッチングの方法は、「ポンプトリガー（複合パルス）飽和可能吸収体（Pump-triggered (composite pulse) Saturable Absorber）」と呼ばれる。レーザーダイオード駆動電流のそのような急増は、ＭＯＰＡ構成の利得媒体に向かうレーザーダイオード出力の対応の増加を生成し、光パルスを誘起する。そのようなパルススキームが、ブリーチングダイオード（bleaching diode）及びブリーチングダイオードドライバー回路（bleaching diode driver circuitry）を除去することにより、回路を単純化するために用いられる。
【００７８】
図１０は、第１光放射アレイを駆動するための工程６００を図示する。方法は、６１０で第１及び第２電流制御信号を受け取ることを含む。第１電流は、６２０で電流ノードから共通のポテンシャル源から引かれる。第１電流は、受け取られた第１電流制御信号に応答して引かれる。第２電流は、６３０で電流ノードを介して共通のポテンシャル源から引かれる。第２電流は、受け取った第２電流制御信号に応答して引かれる。特には、第１及び第２電流は、お互いに関して並列に配列される。合計電流が、６４０で第１光放射アレイを通じて引かれる。合計電流は、第１及び第２電流の組み合わせにより実質的に決定される。光放射アレイは、そこを通じて引かれた合計電流に応答して光を放射する。
【００７９】
第１及び第２電流が共通のポテンシャル源から引かれるように記述されるが、電流の特定の方向が、１以上の光放射アレイと共通のポテンシャル極性により決定される。例えば、電流は、半導体光放射アレイの順方向バイアス接合を通じて正にバイアスされた共通のポテンシャル源から「引かれる」ことができる。同様に、電流は、半導体光放射アレイの順方向バイアス接合を通じて負にバイアスされた共通のポテンシャル源に「押される」ことができる。
【００８０】
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、例えば、アクティブ及びスタンバイに対応する少なくとも２つの状態を有する電流イネーブル信号を受け取ること、及び電流レベル設定信号を受け取ることを含む。電流レベル設定信号は、受け取った電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して第１及び第２電流制御信号の少なくとも一つを決定する。第１及び第２電流の個別の一つは、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれる。
【００８１】
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、第１電流に応答して第２光放射アレイから光を放射することを含む。例えば、図３に示される実施形態といった回路構成においては、第２光放射アレイ（例えば、少なくとも一つのレーザーダイオード）は、適切な大きさの第１電流ＩMOがレーザーダイオードの順方向バイアス接合を通じて引かれる時に光を放射する。
【００８２】
幾つかの実施形態においては、方法は、アクティブ及びスタンバイに対応する少なくとも２つの状態を含む電流イネーブル信号を受け取ること；電流レベル設定信号を受け取ること；受け取った電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して第１及び第２電流制御信号の少なくとも一つを決定することにして、第１及び第２電流の個別の一つが、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれることを含む。
【００８３】
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、少なくとも一つの前記光放射アレイから放射される光によりレーザー利得媒体をポンピングすることを含む。
【００８４】
幾つかの実施形態においては、受け取られた電流レベル設定信号は、電流イネーブル信号がアクティブ状態の間に変化する。
【００８５】
幾つかの実施形態においては、電流レベル設定信号が、ポンプされる利得媒体を光学的に励起するように適合される少なくとも一つの前記直列接続された光放射アレイの瞬間ピーク出力を誘起するように構成される瞬間ピークを備え、レーザー出力に関する光学的励起の同期を提供する。
【００８６】
本明細書に記述の任意の光放射装置が、光出力増幅器をポンピング又はシーディング（seeding）するための任意の適切な光源であり得る。そのような装置が、半導体レーザーダイオード、フラッシュランプ、光放射ダイオード及び同種のものを含む。
【００８７】
電流シンク及び前記電流シンク用の制御端子の数が、合計電流キャパシティーを高め、全体集合信頼性を高めるべく並列の３、４、５又はそれ以上の電流シンクであり得る。簡潔さのためこの文章の残部においてはただ２つの電流シンクが議論される。加えて、本明細書に記載のように、電流シンクは、共通のポテンシャル源と上部第１光放射アレイの間に設けられる電流源として実施され得る。
【００８８】
図１１は、同一のＤＣ駆動電流で２つの負荷を駆動する多数の出力ダイオードドライバーを示す。一実施形態においては、ダイオードドライバー７００は、同一のＤＣ駆動電流で２つの直列接続負荷７３０ａ、７３０ｂを駆動するためのハイサイド電流源７１０を含む。負荷７３０ａ及び７３０ｂは、例えば、レーザーダイオード、多数のレーザーダイオード、若しくはそこに変化する数の光放射ダイオードを有するレーザーダイオードアレイであり得る。例えば、負荷７３０ａ及び７３０ｂは、上に詳細に記述された任意の光放射アレイ及び／又はポンプダイオード構成１０２、１０４、２０２、２０４、３０４、４０４、４０５のいずれかであり得る。実施形態例においては、単一のダイオードドライバー７００が、同時に、主発振器利得段階のためのポンプダイオード７３０ｂと同様、プリアンプ利得段階又は出力増幅器利得段階のためのポンプダイオード７３０ａを駆動することができる。この構成においては、ダイオードドライバー寄生電圧損失が出力電圧の小さいパーセントであり、ダイオードドライバー寄生電力損失が、出力パワーの小さいパーセントであるため、効率が高められる。
【００８９】
ハイサイド駆動電流源７１０は、上に詳細に記述したローサイド駆動電流シンクとは対照的に、調整された出力電流を提供し、過電流状態からポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂを保護する。しかしながら、ローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０の上述の詳細な記述が、ハイサイド駆動電流源７１０にも適用可能であることに留意されたい。つまり、ハイサイド駆動電流源７１０は、当業者により理解されるように、適切に修正及び上述のように接続された、上に詳細に記述のローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０のいずれかであり得る。ハイサイド駆動電流源７１０を用いると、ポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂは、ポンプダイオードを通過する無制御のダイオード電流無しでダイオード・ストリングのどの場所でもグランドに直接的に短絡（シャント）できる。対照的に、詳細に上述したようなローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０を用いると、ダイオードカソードからグランドへの短絡により、キャパシタが放電するまで無制限の電流がダイオードに流れることが生じ、ポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂを損傷する。
【００９０】
本開示が２つの直列接続された負荷７３０ａ、７３０ｂを記述するが、本開示は、この点に限定されるものではなく、任意の複数の直列接続された負荷で在り得るものと理解されることに留意されたい。ポンプ電流は、ＤＣ電流に限定されず、パルス電流、又は２つの直列結合した負荷を駆動することができる任意の他の電流で在り得ることにも留意されたい。
【００９１】
幾つかの実施形態においては、電流源７１０は、全体のダイオードドライバー効率を高めるため、ゼロ電流切り替え疑似共振バックコンバーターであり得る。しかしながら、任意のリニア電流源ダイオードドライバー、ハード切り替えコンバーター電流源、又はソフト切り替えコンバーター電流源が、トポロジーとは関係なく、本開示の範囲内で用いられ得るものと理解されるべきである。疑似共振電流源の詳細な記述が、米国特許番号５,２８７,３７２；題「疑似共振ダイオード駆動電流源」に提示されており、この全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００９２】
図１２乃至１９は、異なるＤＣ駆動電流であるが、２つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを示す。これらの実施形態においては、多数の出力ダイオードドライバー８００が、電流源８１０及びシャント装置８２０を含む。シャント装置８２０は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合され、レーザー最適化のため２つの異なる駆動電流を提供する。しかしながら、減じられたポンプダイオード電流が、単一若しくは組み合わせで、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂ又は利得段階１のポンプダイオード８３０ａのいずれかに供給できるものと理解される。
【００９３】
図１２に示されるように、シャント装置８２０は、固定抵抗器８２２である。この実施形態においては、シャント電流が、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器８２２の抵抗により設定される固定電流である。この実施形態においては、シャント電流が、一度設定されると変化できないものと理解される。
【００９４】
図１３は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、シャント電流が、時間又は動作条件の関数としてオン又はオフにスイッチングされ得る。この実施形態においては、シャント装置８２０は、スイッチング装置８２４に直列に結合した抵抗器８２２を含む。図１２の実施形態と同様、シャント電流は、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器８２２の抵抗により設定される固定電流であるが、時間又は動作条件の関数としてオン及びオフにスイッチングされ得る。この実施形態においては、スイッチング装置８２４がトランジスタであるが、スイッチング装置は、時間又は動作条件の関数としてシャント電流をオン及びオフにスイッチングできる任意の既知の装置であり得るものと理解されるべきである。
【００９５】
図１４は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを示し、シャント電流の値が、負荷に亘る抵抗の値を変化することにより変化できる。この実施形態においては、シャント装置は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合した多数の切り替えシャント装置（switched shunting device）８２２ａ／８２４ａ、８２２ｂ／８２４ｂ、８２２ｃ／８２４ｃを含み、レーザー最適化のために２つの異なる駆動電流を提供する。この実施形態においては、シャント電流は、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と有効化される多数の切り替えシャント装置８２２ａ／８２４ａ、８２２ｂ／８２４ｂ、８２２ｃ／８２４ｃの抵抗により設定される可変電流である。この構成においては、並列な抵抗器の抵抗値が変化でき、続いてシャント電流を変化させる。この構成の抵抗器が同一又は異なる値を有し得るものと理解される。
【００９６】
図１５は、図１２のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置８２０は、制御される電流シンクであり、シャント電流が検知され、レーザー制御エレクトロニクス（不図示）に結合した可変コマンド（ＶＣＭＤ）により決定される値に調整され、シャント電流が、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とは独立である。この構成においては、シャント電流は、所与の範囲内の任意の値に設定できる。シャント装置８２０について示された回路は、電流シンクレギュレーターの代表であり、開示は、この点に限定されないものと理解されるべきである。
【００９７】
図１６は、図１５のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置８２０は、制御される電流シンクであり、ポンプダイオード電流が検知され、レーザー制御エレクトロニクス（不図示）に結合した可変コマンド（ＶＣＭＤ）により決定される値に調整され、ポンプ電流が、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とは独立であり得る。この構成においては、シャント電流が、所与の範囲内の任意の値に設定できる。
【００９８】
図１７は、図１２の多数の出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、同一のＤＣ駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間ｔの間に用いられ、ダイオードの一つへの駆動電流が、時間期間の残部の間にシャントされる。一つの実施形態においては、シャント装置８２０は、トランジスタといったスイッチング装置８２４であり、レーザー最適化のためポンプダイオード８３０ｂのシャント電流を本質的にデューティー・サイクル変調する利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合される。動作においては、シャント装置８２０は、ポンプダイオード８３０ｂから電流をシャントすることにより駆動電流をオフに切り替え、シャント装置８２０に亘る電圧がゼロボルトに近いため、シャント装置８２０により損失される電力がゼロに近づく。両方のポンプダイオード８３０ａ、８３０ｂが駆動される時間の間、出力電力は、２×ＶＦ×ＩＦであり、ＶＦは、ポンプダイオードの順方向電圧であり、ＩＦは、ポンプ電流であり、入力電力は、（２×ＶＦ×ＩＦ）／効率である。この実施形態においては、２つのポンプされるダイオード８３０ａ、８３０ｂが一致されるが、一致は、要求されないものと理解されるべきである。ポンプダイオード８３０ｂがシャントされる時間の間、出力電力はＶＦ×ＩＦであり、ＶＦは、ポンプダイオード８３０ａの順方向電圧であり、ＩＦはポンプ電流であり、入力電力は、（ＶＦ×ＩＦ）／効率である。この動作モードにおいては、入力電力が（２×ＶＦ×ＩＦ）／効率から（ＶＦ×ＩＦ）／効率、２：１の変化に変化することに留意されたい。従って、実際、このダイオードドライバー構成で損失される電力に何らのペナルティーもない。
【００９９】
図１８は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、同一のＤＣ駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間ｔの間に用いられ、駆動電流が、時間期間の残部の間、ポンプダイオードの一つからダミー負荷に切り替えられる。この実施形態においては、シャント装置８２０は、スイッチング装置８２４に直列に結合された抵抗器８２２（ダミー負荷）を含み、抵抗器８２２の値は、全電流がポンプダイオード８３０ｂから逃げるようにシャントされるように選択される。抵抗器８２２（ダミー負荷）により消費される電力がポンプダイオード８３０ｂで消費される電力に一致するならば、ダイオードドライバー８００の出力電力が変化せず、従って、ダイオードドライバー８００への入力電力も変化しないことに留意されたい。従って、ポンプ電流の変調が、伝導性放射として電源に戻るように反射されない。
【０１００】
図１９は、図１８のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置８２０は、追加のトランジスタ８２６を含み、シャントスイッチ８２４がオンになる時にポンプダイオード電流がゼロに切り替えられることを確実にする。
【０１０１】
図２０は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置８００は、スイッチング装置８２４に直列に結合した抵抗器８２２を含む。しかしながら、シャント装置８２０は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に結合し、レーザー最適化のため２つの異なる駆動電流を提供する。シャント電流は、ポンプダイオード８３０ａに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器８２２の抵抗により設定される固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えられ得る。
【０１０２】
図２１は、図１３のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、第１シャント装置８２０ａが利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に結合し、第２シャント装置８２０ｂが、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合される。この構成においては、シャント電流は、利得段階１、利得段階２、若しくはこれらの組み合わせに亘り切り替えられ得る。
【０１０３】
図２２は、図１７のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、第１シャント装置８２０ａは、トランジスタといったスイッチ８２４ａを含み、利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に結合され、第２シャント装置８２０ｂが、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合されるトランジスタといったスイッチ８２４ｂを含む。この構成においては、ポンプ電流は、ポンプダイオード８３０ａ、ポンプダイオード８３０ｂ、又はこれらの組み合わせに亘りシャントされ得る。
【０１０４】
本明細書に詳細に記述される実施形態例においては、抵抗器は、シャント素子として用いられる。しかしながら、本開示は、シャント素子としての抵抗器の使用に限られない。実施形態例においては、任意の種類の受動又は能動負荷素子が用いられ得る。また、ＮＰＮバイポーラトランジスタ及び簡略化された調整回路が、実施形態例との関係で図示及び記述される。しかしながら、実施形態例は、任意の多数の異なる半導体、ＩＣ、及び調整回路を用いて実施することができる。
【０１０５】
詳細に上述のように、実施形態例の幾つかの可能なバリエーションがある。幾つかのレーザー構成においては、多数の利得段階への等しい電流が許容でき、追加の電流制御の必要がない。他のレーザー構成においては、一つの利得段階についてのポンプダイオード駆動電流仕様が、別の利得段階についてのものとは異なり得る。他のレーザー構成においては、ポンプダイオード駆動電流は、デューティー・サイクル変調される。これらの最後の２つの構成について、追加の電流制御がダイオードドライバーに追加される。しかしながら、この追加の電流制御は、別の全体のダイオードドライバーよりも顕著に小さい回路を要求する。上述の実施形態の任意のものが一つのドライバーに組み込むことができるものと理解される。更には、本明細書に記述されていない任意の他の既知のドライバー構成がこの実施形態例に適合できるものと理解されるべきである。幾つかの実施形態においては、本技術が、能動ラインフィルターを利用してエネルギー蓄積キャパシタを充電し、入力電流を調整及び最小化し、構成部品ストレスを低減する。
【０１０６】
参照によりその全体において本明細書に組み込まれる、譲受人の先行の特許出願、米国出願Ｎｏ．１３／７６４,４０９、アトニードケット番号ＲＡＹ−１５７（以降、‘４０９出願）、及び米国出願Ｎｏ．１３／２１５,８７３、アトニードケット番号ＲＡＹ−０５３（以降、‘８７３出願）には、ダイオードドライバーが記述されている。米国特許番号５，２８７，３７２（以降、‘３７２特許）；５，７３６，８８１（以降、‘８８１特許）; ７，０１９，５０３ （以降、‘５０３特許）; ７，０３８，４３５（以降、‘４３５特許）;及び７，０４１，９４０（以降、‘９４０特許）も、ダイオードドライバーに関連した回路を記述する。‘３７２特許、‘８８１特許、‘５０３特許、‘４３５特許、及び‘９４０特許の全てが、参照によりその全体において本明細書に組み込まれる。
【０１０７】
‘８７３出願においては、ダイオードドライバーが、詳細に上述のローサイド駆動電流シンクレギュレーターを用いる。これらの装置においては、全ての電流制御がローサイド駆動シンクレギュレーター内にある。結果として、この構成においては、ダイオードカソードからグランドへの短絡回路が、キャパシタが放電するまでダイオードに無制限の電流を流し、従って、ポンプダイオードを損傷する。
【０１０８】
次に、‘４０９出願及び‘８７３出願に関するある新規及び非自明な修正及び改善を詳細に記述する。例えば、本開示によれば、ローサイド駆動電流シンクではなく、ハイサイド駆動電流源が、調整された出力電流を提供するために用いられる。結果としては、本開示によれば、ポンプダイオードが、常に過電流状態から保護される。つまり、ポンプダイオードは、ポンプダイオードへの無制限のダイオード電流無しでダイオード・ストリングのどこでもグランドに直接的に短絡（シャント）され得る。ポンプダイオードは、短絡がどこで発生するに関わらずに常に保護される。
【０１０９】
また、本開示によれば、ダイオード駆動電流源、又はダイオードドライバーへの入力電流が制御される。実施形態例によれば、ダイオードドライバーが、エルネギー蓄積キャパシタといった容量性エネルギーストレージ装置を含み、そこから制御された駆動電流が引かれ、それが、ピーク電流の引き出しを変調する。キャパシタ充電回路又は装置が、容量性エネルギーストレージを充電する。本開示のダイオードドライバーは、レーザー制御エレクトロニクス及び駆動電流源も含む。以降に詳細に記述のように幾つかの実施形態においては、容量性エネルギーストレージを充電するための回路又は装置は、能動ラインフィルターである。フロントエンド・能動ラインフィルター（active line filter front end）は、蓄積キャパシタを充電し、電源から引かれる入力電流を制御、調整、及び最小化し、直列抵抗器を除去し、従って、電力損失を低減し、効率を高め、また構成部品ストレスを低減する。
【０１１０】
図２３〜４１は、詳細に上述された図１１〜２２の修正されたバージョンであり、本開示の実施形態例に係る新規及び非自明な修正及び改善を図示する。
【０１１１】
詳細には、図２３は、幾つかの実施形態例に係るレーザーダイオード・駆動システム９００Ａの概略ブロック図を含む。図２３を参照すると、システム９００Ａは、キャパシタ充電回路９０４の出力及びハイサイド駆動電流源９０６の入力に結合したエネルギー蓄積キャパシタ９０２を含む。ハイサイド駆動電流源９０６への入力電流がエネルギー蓄積キャパシタ９０２から引かれ、これは、キャパシタ充電回路９０４により充電される。駆動システム９００Ａは、レーザー制御エレクトロニクス９０８の制御の下で動作する。図２、３、５及び６、並びにそれらの対応の本明細書の詳細な記述を参照すると、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が、詳細に上述のキャパシタ２０６又は４０６と同一又は同種であり得る。同様に、キャパシタ充電器９０４は、詳細に上述のキャパシタ充電器２０７又は４０７と同一又は同種であり得る。レーザー制御エレクトロニクス９０８は、図２、３、及び６に関して詳細に図示及び記述した制御回路と同一又は同種であり得る。レーザー制御回路９０８は、例えば、詳細に上述の１以上のコントローラー２３０又は４３０、ＡＤＣ２１７、２２７、４１７、４２７、４５９、４５７、ＤＡＣ２１４、２２４、４１４、４２４、及び温度センサー４５８を含むことができる。幾つかの実施形態においては、詳細に上述のように、コントローラーは、例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含み若しくはとして実施され得る。
【０１１２】
様々な実施形態例においては、ハイサイド駆動電流源９０６は、実施形態例においては、ローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、４１０及び４２０に代えてハイサイド駆動電流源が用いられる点を除いて、図１〜３及び６に関して詳細に図示及び上述した種類である。さもなければ、図２３〜４１の実施形態の電流源は、図１〜３及び６に図示のものと同一である。
【０１１３】
幾つかの実施形態においては、能動ラインフィルター（ＡＬＦ）９１０は、キャパシタ充電器９０４に代替として、エネルギー蓄積キャパシタ９０２を充電するための入力として用いられる。キャパシタ充電器９０４に代えてＡＬＦ９１０を用いる実施形態例が図２５、２６、２９、及び３０に図示される。ＡＬＦ９１０フロントエンドが、電源（不図示）から引かれる電流を制御、調整、及び最小化する。電力損失を低減し、従って効率が高められる。能動ラインフィルター９１０は、入力電力における過渡電流、スパイク及びノイズを除去するように動作する。結果として、入力電流が制御、調整、及び最小化される。
【０１１４】
図２３〜４１に図示のレーザーダイオード・駆動システム９００は、モジュール９０１を含むことができ、これは、例えば、プリント回路ボード（ＰＣＢ）、若しくはその上又はその中に電子回路が実装される任意の種類のモジュールである。実施形態例によれば、能動ラインフィルター９１０、キャパシタ充電器９０４、エネルギー蓄積キャパシタ９０２、及びハイサイド駆動電流源９０６が、モジュール９０１内又は上に含められ得る。図２４、２６、２８及び３０〜４１に図示されたものといった幾つかの実施形態においては、レーザー制御エレクトロニクス９０８も、モジュール９０１内又は上に含められる。図２３、２５、２７、及び２９に図示されたものといった他の実施形態例においては、レーザー制御エレクトロニクス９０８がモジュール９０１内又は上に含められない。
【０１１５】
図２３〜２６は、同一のＤＣ駆動電流で２つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを図示する。幾つかの実施形態においては、ダイオードドライバー９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、及び９００Ｄが、同一のＤＣ駆動電流で２つの直列接続された負荷７３０ａ、７３０ｂを駆動するハイサイド電流源９０６を含む。負荷７３０ａ及び７３０ｂは、例えば、レーザーダイオード、多数のレーザーダイオード、若しくはそこに変化する数の光放射ダイオードを有するレーザーダイオードアレイであり得る。例えば、負荷７３０ａ及び７３０ｂは、詳細に上述した光放射アレイ及び／又はポンプダイオード構成１０２、１０４、２０２、２０４、３０４、４０４、４０５のいずれかであり得る。実施形態例においては、単一のダイオードドライバー９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、及び９００Ｄが、同時に主発振器利得段階についてのポンプダイオード７３０ｂを駆動することと同様、プリアンプ利得段階又は出力増幅器利得段階についてのポンプダイオード７３０ａを駆動することができる。この構成においては、ダイオードドライバー寄生電圧損失が出力電圧の小さいパーセントであり、ダイオードドライバー寄生電力損失が出力電力の小さいパーセントであるため、効率が高められる。
【０１１６】
ハイサイド駆動電流源９０６は、詳細に上述したローサイド駆動電流シンクとは対照的に、調整された出力電流を提供し、過電流状態からポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂを保護する。しかしながら、ローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０の上述の詳細な記載が、ハイサイド駆動電流源９０６にも適用できることに留意されたい。つまり、ハイサイド駆動電流源９０６は、当業者により理解されるように、適切に修正され、上述に記述のように結合された、詳細に上述したローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０のいずれかであり得る。ハイサイド駆動電流源９０６を用いると、ポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂは、ポンプダイオードを通過する無制御のダイオード電流無くして、ダイオード・ストリングのどこでもグランドに直接的に短絡（シャント）される。対照的に、詳細に上述のローサイド駆動電流シンク１１０、１２０、２１０、２２０、４１０、４２０を用いると、ダイオードカソードからグランドへの短絡が、キャパシタ９０２が放電するまでダイオードに無制限の電流が流れることを生じさせ、ポンプダイオード７３０ａ、７３０ｂを損傷する。
【０１１７】
本開示が２つの直列接続の負荷７３０ａ、７３０ｂを記述するが、本開示が、この点に限定されるものではなく、複数の直列接続の負荷の任意のものであり得ることに留意されたい。ポンプ電流はＤＣ電流に限定されず、パルス電流、若しくは２つの直列結合負荷を駆動することができる任意の他の電流であることにも留意されたい。
【０１１８】
幾つかの実施形態例においては、電流源９０６は、ゼロ電流切り替え疑似共振バックコンバーターであり、全体のダイオード駆動効率を高める。しかしながら、トポロジーに関わらず、任意のリニア電流源ダイオードドライバー、ハード切り替えコンバーター電流源、若しくはソフト切り替えコンバーター電流源が、本開示の範囲内で用いることができるものと理解されるべきである。疑似共振電流源の詳細な記述が、参照により本明細書に全内容が組み込まれる、米国特許番号５,２８７,３７２：題「疑似共振ダイオード駆動電流源」に提供される。
【０１１９】
図２７〜３０のレーザーダイオード・駆動システム９００Ｅ、９００Ｆ、９００Ｇ及び９００Ｈが、各々、単一の源９０６ではなく、２つのハイサイド駆動電流源９０６ａ、９０６ｂを含むことを除いて、図２７〜３０は、各々、図２３〜２６と同一である。各源は９０６ａ及び９０６ｂは、本明細書に詳細に記述された源９０６と同一である。多数の源９０６ａ、９０６ｂの使用が、追加のポンプダイオード利得段階を駆動する能力を提供する。詳細には、図２７〜３０に図示のように、源９０６ａは、ポンプダイオード利得段階１及び２、つまり、ポンプダイオード７３０ａ及び７３０ｂを駆動することができ、源９０６ｂは、ポンプダイオード利得段階３及び４、つまり、ポンプダイオード７３０ｃ及び７３０ｄを駆動することができる。
【０１２０】
各図３１〜４１は、ダイオードドライバー９００Ｉ、９００Ｊ、９００Ｋ、９００Ｌ、９００Ｍ、９００Ｎ、９００Ｐ、９００Ｑ、９００Ｒ、９００Ｓ、９００Ｔを示し、各々、異なるＤＣ駆動電流であるが、２つの負荷を駆動する。これらの実施形態においては、各ダイオードドライバー９００は、電流源９０６及びシャント装置９２０を含む。シャント装置９２０は、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに対して並列に結合され、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のため２つの異なる駆動電流を提供する。しかしながら、減じられたポンプダイオード電流が、単独若しくは組み合わせで、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂ若しくは利得段階１のポンプダイオード８３０ａのいずれかに供給できるものと理解されるべきである。
【０１２１】
図３１においては、シャント装置９２０は、固定抵抗器９２２である。この実施形態においては、シャント電流が、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器９２２の抵抗により設定される固定電流である。この実施形態においては、シャント電流は、一度設定されると変更できないものと理解されるべきである。
【０１２２】
図３２は、図３１のダイオードドライバー９００Ｉのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｊを示し、シャント電流が、時間若しくは動作条件の関数としてオン又はオフに切り替えることができる。この実施形態においては、シャント装置９２０は、スイッチング装置９２４に直列に結合した抵抗器９２２を含む。図３１の実施形態と同様、シャント電流は、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器９２２の抵抗により設定された固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えることができる。この実施形態においては、スイッチング装置９２４がトランジスタであるが、スイッチング装置は、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフにシャント電流をスイッチングすることができる既知の任意の装置であることができるものと理解されるべきである。
【０１２３】
図３３は、図３１のダイオードドライバー９００Ｉの別のバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｋを示し、シャント電流の値が、負荷に亘る抵抗の値を変化することにより変化できる。この実施形態においては、シャント装置９２０は、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合し、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のために２つの異なる駆動電流を提供する多数の切り替えシャント装置９２２ａ／９２４ａ、９２２ｂ／９２４ｂ、９２２ｃ／９２４ｃを含む。この実施形態においては、シャント電流は、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とイネーブルにされた多数の切り替えシャント装置９２２ａ／９２４ａ、９２２ｂ／９２４ｂ、９２２ｃ／９２４ｃの抵抗により設定される可変電流である。この構成においては、並列な抵抗器の抵抗の値が変化でき、続いてシャント電流を変化させる。この構成の抵抗器が同一又は異なる値を有することができるものと理解されるべきである。
【０１２４】
図３４は、図３１のダイオードドライバー９００Ｉの別のバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｌを示す。この実施形態においては、シャント装置９２０は、制御された電流シンクであり、シャント電流が、検知され、レーザー制御エレクトロニクス（不図示）に結合された可変コマンド（ＶＣＭＤ）により決定された値に調整され、シャント電流は、ポンプダイオード８３０ｂの順方向電圧（ＶＦ）降下とは無関係であり得る。この構成においては、シャント電流は、所与の範囲内で任意の値に設定され得る。シャント装置９２０について図示された回路は代表的な電流シンクレギュレーターであるものと理解されるべきであり、本開示は、この点に限定されない。
【０１２５】
図３５は、図３４のダイオードドライバー９００Ｌのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｍを示す。この実施形態においては、シャント装置９２０は、制御された電流シンクであり、ポンプダイオード電流が、検知され、レーザー制御エレクトロニクス（不図示）に結合した可変コマンド（ＶＣＭＤ）により決定される値に調整され、ポンプ電流が、ポンプダイオード８３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とは独立であり得る。この構成においては、シャント電流が、所要の範囲内の任意の値に設定できる。
【０１２６】
図３６は、図３１のダイオードドライバー９００Ｉの別のバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｎを示し、同一のＤＣ駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間ｔの間に用いられ、ダイオードの一つへの駆動電流が、時間期間の残部の間にシャントされる。一実施形態においては、シャント装置９２０は、レーザー最適化のためにポンプダイオード８３０ｂのシャント電流を本質的にデューティー・サイクル変調する利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合された、トランジスタといった、スイッチング装置９２４である。動作においては、シャント装置９２０は、ポンプダイオード８３０ｂからの電流をシャントすることにより駆動電流をオフに切り替え、シャント装置９２０に亘る電圧がゼロボルトに近づくため、シャント装置９２０で消費される電力がゼロに近づく。両方のポンプダイオード８３０ａ、８３０ｂが駆動される時間の間、出力電力は、２×ＶＦ×ＩＦであり、ＶＦは、ポンプダイオードの順方向電圧であり、ＩＦは、ポンプ電流であり、入力電力は、（２×ＶＦ×ＩＦ）／効率である。この実施形態においては、２つのポンプされるダイオード８３０ａ、８３０ｂが一致されるが、一致は、要求されないものと理解されるべきである。ポンプダイオード８３０ｂがシャントされる時間の間、出力電力はＶＦ×ＩＦであり、ＶＦは、ポンプダイオード８３０ａの順方向電圧であり、ＩＦはポンプ電流であり、入力電力は、（ＶＦ×ＩＦ）／効率である。この動作モードにおいては、入力電力が（２×ＶＦ×ＩＦ）／効率から（ＶＦ×ＩＦ）／効率、２：１の変化に変化することに留意されたい。従って、実際、このダイオードドライバー構成で損失される電力に何らのペナルティーもない。
【０１２７】
図３７は、図３２のダイオードドライバー９００Ｊのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｐを示し、同一のＤＣ駆動電流が両方のポンプダイオードについて時間ｔの間に用いられ、駆動電流が、時間期間の残部の間にポンプダイオードの一つからダミー負荷に切り替えられる。この実施形態においては、シャント装置９２０は、スイッチング装置９２４に直列に結合した抵抗器９２２（ダミー負荷）を含み、抵抗器９２２の値は、全電流がポンプダイオード８３０ｂから逃げるようにシャントされるように選択される。抵抗器９２２（ダミー負荷）により消費される電力がポンプダイオード８３０ｂで消費される電力に一致するならば、ダイオードドライバー９００Ｐの出力電力が変化せず、従って、ダイオードドライバー９００Ｐへの入力電力も変化しないことに留意されたい。従って、ポンプ電流の変調が、伝導性放射として電源に戻るように反射されない。
【０１２８】
図３８は、図３７のダイオードドライバー９００Ｐのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｑを示す。この実施形態においては、シャント装置９２０は、追加のトランジスタ９２６を含み、シャントスイッチ９２４がオンにされる時間でポンプダイオード電流がゼロになることを保証する。
【０１２９】
図３９は、図３２のダイオードドライバー９００Ｊのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｒを示す。この実施形態においては、シャント装置９２０は、スイッチング装置９２４に直列に結合した抵抗器９２２を含む。しかしながら、シャント装置９２０は、利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に係合され、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のために２つの異なる駆動電流を提供する。シャント電流は、ポンプダイオード８３０ａに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下と抵抗器９２２の抵抗により設定される固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えられることができる。
【０１３０】
図４０は、図３２のダイオードドライバー９００Ｊのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｓを示す。この実施形態においては、第１シャント装置９２０ａは、利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に係合され、第２シャント装置９２０ｂは、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合される。この構成においては、シャント電流が、利得段階１、利得段階２、又はこれらの組み合わせに亘りスイッチングされ得る。
【０１３１】
図４１は、図３６のダイオードドライバー９００Ｎのバリエーションであるダイオードドライバー９００Ｔを示す。この実施形態においては、第１シャント装置９２０ａは、利得段階１のポンプダイオード８３０ａに並列に結合されたトランジスタといったスイッチ９２４ａを含み、第２シャント装置９２０ｂは、利得段階２のポンプダイオード８３０ｂに並列に結合されたトランジスタといったスイッチ９２４ｂを含む。この構成においては、ポンプ電流が、ポンプダイオード８３０ａ、ポンプダイオード８３０ｂ、又はこれらの組み合わせに亘りシャントされ得る。
【０１３２】
図４２〜４６は、５つの異なるダイオード駆動システムを示す概略ブロック図を含み、先行技術のダイオード駆動システムと実施形態例のダイオード駆動システムの差を図示する。図４２を参照すると、図３に関して詳細に図示及び上述されたダイオード駆動システム３００が図示される。キャパシタ充電器２０７が、入力電力を受け取り、キャパシタ９０２を充電する。ＰＡ電流Ｉ＿ＰＡ及びＭＯ電流Ｉ＿ＭＯが電流ノード２０８を通じて流れる。ＭＯ電流シンク２２０が、ＭＯダイオード（群）３０４を通じてＭＯ電流Ｉ＿ＭＯを吸い込み、ＰＡ電流シンク２１０が、グランドへ電流ノード２０８からＰＡ電流Ｉ＿ＰＡを吸い込み、全ダイオード電流Ｉ＿ＰＡ＋Ｉ＿ＭＯが、ダイオード２０４を含むＰＡ光放射アレイ２０２を通じて流れる。システム３００は、コントローラー２３０も含み、これが、各々、高速ＤＡＣ２１４及び２２４といった制御／インターフェイス回路を介して電流シンク２１０及び２２０を制御する。
【０１３３】
図４３〜４６は、詳細に上述のようにダイオード２０４ａ及び３０４ａにおける過電流の問題が除去されるように、図４２のシステム３００の電流シンク２１０及び２２０が電流源２１０ａ及び２２０ｂとして接続されたダイオード駆動システムを図示する。図４３〜４６のシステムにおいては、全ダイオード電流Ｉ＿ＰＡ＋Ｉ＿ＭＯが電流ノード２０８ａに流れる。ＰＡ電流源２１０ａは、グランドへ、ダイオード２０４ａを含むＰＡ光放射アレイ２０２ａを通じて電流ノード２０８ａからＰＡ電流Ｉ＿ＰＡを供給する。図４５及び４６のシステムにおいては、ＭＯ電流Ｉ＿ＭＯが、ノード２０９ａでＰＡ電流源２１０ａから電流Ｉ＿ＰＡに加えられ、全ての電流Ｉ＿ＭＯ＋Ｉ＿ＰＡが、グランドへ、ダイオード２０４ａを含むＰＡ光放射アレイ２０２ａを通じてノード２０９ａから流出する。対照的に、図４３及び４４のシステムにおいては、ＭＯ電流源２２０ａが、グランドへＭＯダイオード（群）３０４ａを通じて電流ノード２０８ａからＭＯ電流Ｉ＿ＭＯを供給する。コントローラー２３０ａは、各々、高速ＤＡＣ２１４及び２２４といった制御／インターフェイス回路を介して電流源２１０及び２２０を制御する。
【０１３４】
図４３及び４５においては、キャパシタ充電器２０７が、入力電力を受け取り、キャパシタ９０２を充電する。従って、図４３及び４５に図示のシステムは、各々、図２３、２４、２７、２８、及び３１〜４１に図示の任意のシステム９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｅ、９００Ｆ、９００Ｉ、９００Ｊ、９００Ｋ、９００Ｌ、９００Ｍ、９００Ｎ、９００Ｐ、９００Ｑ、９００Ｒ、９００Ｓ、及び９００Ｔと同一、若しくは同種であり得る。図４４及び４６においては、能動ラインフィルター９１０が入力電力を受け取り、キャパシタ９０２を充電する。従って、図４４及び４６に図示のシステムが、各々、図２５、２６、２９、及び３０に図示のシステム９００Ｃ、９００Ｄ、９００Ｇ、及び９００Ｈの任意のシステムと同一若しくは同種であり得る。
【０１３５】
上述の詳細な記述を通じて、実施形態例に係るダイオード駆動システムが、２つの電流源を有し、２つの個別のセットの出力ダイオードを駆動するように記述されることに留意されたい。詳細には、本明細書に詳細に記述の実施形態例の幾つかにおいては、ダイオード駆動システムが、主発振器／出力増幅器（ＭＯＰＡ）タイプのものであり、一つの電流源が主発振器（ＭＯ）ダイオードのセットを駆動し、別の電流源が、出力増幅器（ＰＡ）ダイオードのセットを駆動する。この開示は、任意数のダイオードセットを駆動する任意数の電流源に適用できるものと理解される。例えば、本開示は、主発振器／プリアンプ／出力増幅器（ＭＯＰＡＰＡ）ダイオード駆動システムにも適用可能であり、第１電流源が主発振器（ＭＯ）ダイオードのセットを駆動し、第２電流源が、プリアンプダイオードのセットを駆動し、及び第３電流源が、出力増幅器（ＰＡ）ダイオードのセットを駆動する。
【０１３６】
図４７〜５３に関連した後述の詳細な記述は、バッテリー動作のレーザーシステム用のダイオードドライバーに係る装置及び技術の実施形態例に関する。後述のダイオード駆動システムは、引かれる入力電流を最小化し、バッテリー寿命を最大化する。図４７〜５３に関連した後述の詳細な記述が、ダイオード駆動システムに関連して本明細書に記述した任意の実施形態例に適用可能である。
【０１３７】
本明細書にて以降に詳細に記述されるパルス状負荷エレクトロニクスによりバッテリーから引かれる電流を制御するための方法及びシステムが、１以上の次の利点を提供することができる。一つの利点は、バッテリーから実質的に一定の相対的に低い電流を引きつつ、高パルス状負荷電流がパルス状負荷エレクトロニクスに伝送できることである。バッテリーから引かれるより低い電流は、有利にはバッテリーから利用可能な使用可能エネルギーを最大化する。引かれる低電流は、有利には改善されたバッテリー寿命も許容する。本技術は、有利にはパルス状負荷エレクトロニクスにより用いられるパルス状電流の反射も阻止する。
【０１３８】
図４７を参照すると、ダイオード駆動システム１０００が、詳細に上述したラインフィルター９１０と同一又はそれと同種類のラインフィルターを含むフロントエンド・能動ラインフィルター（active line filter front end）を含む。システム１０００は、詳細に上述したキャパシタ９０２と同じ若しくはそれと同種類のキャパシタ９０２といった容量性エネルギー蓄積部も含む。システム１０００は、詳細に上述した駆動電流源９０６と同じ又はそれと同種類の電流ドライバー又は駆動電流源９０６も含む。非絶縁ダイオード駆動システム１０００は、図４７に図示される。本開示は、絶縁能動ラインフィルター又は絶縁電流ドライバー又は駆動電流源９０６のいずれかを含む絶縁ダイオード駆動システムにも適用可能である。システム１０００は、４つのポンプダイオード１０４を含むものと図示される。ポンプダイオードは、図１のポンプダイオードを識別するために用いられるように、参照番号１０４を用いて符合付けされているが、この記述が適用可能である出力負荷又はポンプダイオードは、本明細書の詳細な記述に含まれる任意の量及び／又は構成の負荷又はポンプダイオード１０４、２０４、３０４、４０４、４０５、７３０ａ、７３０ｂ、８３０ａ、８３０ｂを含むものと理解される。
【０１３９】
能動ラインフィルター９１０及び電流ドライバー又は駆動電流源９０６の回路トポロジー(接続関係)は図４７に図示されていない。本開示は、能動ラインフィルター９１０又は電流ドライバー又は駆動電流源９０６のいずれかのトポロジーに限定されないものと理解される。能動ラインフィルター９１０又は電流ドライバー又は駆動電流源９０６のいずれかが、「ステップアップ」又は「ステップダウン」トポロジーを有することができる。幾つかの実施形態例においては、ポンプダイオード１０４への出力ポンプ電流がパルス化される。そのような実施形態においては、ダイオード駆動システム１０００における能動ラインフィルター９１０の使用が、バッテリー電源１００２から引かれる入力電流を制御及び調整し、パルス状負荷電流がバッテリー電源１００２に反射して戻らず、バッテリー寿命を最大化する。加えて、バッテリー電源１００２から引かれる入力電流は、任意の時間で実際の動作状態のために最小化される（バッテリー電圧、レーザーポンプ電流等）。この文脈においては、用語「能動ラインフィルター」は、回路／システム機能を意味するが、特定のトポロジー又は制御スキームを意味しない。しかしながら、能動ラインフィルター９１０を実施するための幾つかの制御スキーム例が本明細書に記述される。
【０１４０】
図４７に開示のダイオード駆動システムにおいては、幾つかの実施形態例において、電流ドライバー又は駆動電流源９０６が、パルス状電流をポンプダイオード１０４に供給する。パルス状電流を駆動するためのエネルギーが、蓄積キャパシタ９０２から引かれ、これは、電流パルスの出力の過程で部分的に放電される。ダイオード駆動システム１０００における能動ラインフィルター９１０は、バッテリー電源１００２から引かれる入力電流を制御及び調整し、バッテリー電源１００２から引かれる入力電流が最小化されるも、依然として次の電流パルスの出力（時折、「ショット」と呼ばれる）について蓄積キャパシタ９０２を再充電するのに時間において十分である。
【０１４１】
所与の電力が引かれる間、入力電流は、入力電圧の関数として変化する。図４７に図示の駆動システム１０００は、フィードフォワード入力電圧（input voltage feedforward）を用いて入力電流を設定し、バッテリー放電に起因する入力電圧降下を補償する。結果として、入力電流が最小化される。能動ラインフィルター９１０は、フィードフォワード入力電圧無しで実施可能である。
【０１４２】
所与の入力電圧の間、入力電流は、出力負荷の関数として変化する。駆動システム１０００は、フィードフォワード出力負荷（output load feedforward）を用いて入力電流を設定し、電流ドライバー又は駆動電流源９０６により引かれる出力電力の変化を補償する。結果として、入力電流が最小化される。能動ラインフィルター９１０は、フィードフォワード出力負荷無しで実施可能である。
【０１４３】
本開示のダイオード駆動システム１０００は、能動ラインフィルター９１０を用いてバッテリー電源１００２から引かれる負荷電流を最小化し、バッテリー寿命を最大化する。詳細には、幾つかの実施形態例によれば、装置及び方法は、バッテリー寿命を最大化するべく、パルス状負荷電流がバッテリー電源１００２に反射して戻らないように能動ラインフィルター９１０を用いてバッテリー電源１００２から引かれる入力電流を制御及び調整するダイオード駆動システム１０００のために提供される。幾つかの実施形態においては、能動ラインフィルター９１０は、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷を有する、非常に低バンド幅の出力電圧調整制御ループを有するスイッチモード・電力変換器（switch-mode power converter）を用い、調整された入力電流を提供する。このフィルターは、慣例のスイッチモードＤＣ電源と対比され、典型的なＤＣ電源が調整された出力（通常は、調整されたＤＣ電圧）を提供するが、能動ラインフィルター９１０は、調整されたＤＣ出力電圧を供給しつつも、調整された入力（ＤＣ入力電流）を提供する。
【０１４４】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルター９１０が、出力電流を調整するために構成される。幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルター９１０が、高い制御ループバンド幅で出力電圧を調整し、毎パルス電流制限機能（pulse-by-pulse current limit function）で引かれる入力電流を所望レベルに制限するように構成され得る。幾つかの実施形態においては、能動ラインフィルター９１０が、所望レベルに出力電流を制限する「遅い」電流制限機能で、高い制御ループバンド幅で出力電圧を調整するように構成される。能動ラインフィルター９１０の機能を実施するためのこれらの代替の実施形態が以降に更に詳細に記述される。
【０１４５】
図４８は、幾つかの実施形態例によれば、調整された入力電流を提供するダイオード駆動システム１０００における能動ラインフィルター９１０の実施として用いられる、非常に低いバンド幅制御ループを有し、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷を有する高スイッチング周波数連続電流ブースト変換器１００６を図示する。本開示は、この点に限定されないことに留意されたい。例えば、電圧モード変換器を用いることができ、また絶縁又は非絶縁のいずれかの幾つかの他の変換器トポロジーも用いることができる。幾つかの実施形態例においては、ＳｉＣショットキーダイオードの形態の炭化ケイ素出力整流器１００８が、高スイッチング周波数での高効率を維持するために用いられるが、本開示は、この構成に限定されない。幾つかの実施形態例においては、同期整流器を能動ラインフィルターの効率を改善するために用いることができる；本開示は、この構成に限定されない。
【０１４６】
図４８を参照すると、連続電流ブースト変換器回路１００６の動作が記述される。パルス幅変調器（ＰＷＭ（pulse width modulator））が、スイッチＱ１を制御する。スイッチオン時間の間、入力電圧は、インダクタＬ１に亘り印加される。インダクタＬ１の電流が、式に即して一定に増加する。
【数１】
2016511553.tif 000003
【０１４７】
スイッチオフ時間の間、インダクタＬ１がキャパシタ９０２に電流を流し戻すように帰還する。出力電圧と入力電圧の差がインダクタＬ１に亘り印加される。インダクタＬ１の電流が、式に即して一定に減少する。
【数２】
2016511553.tif 000004
【０１４８】
定常状態の条件の下、di(on) + di(off) = ０。これらの連立式を解くことにより、次式が求められる。
【数３】
2016511553.tif 000005
ここで、ＤがスイッチＱ１のデューティー・サイクルであり、D = ton/(ton+toff)である。Ｖｏｕｔは、入力電圧とスイッチのデューティー・サイクル、及びトランジスタ損失とダイオード順方向電圧の関数である。従って、Ｄ、スイッチＱ１のデューティー・サイクルが、出力電圧を制御する。
【０１４９】
電流モード制御変換器においては、スイッチ電流が、スイッチのオン時間を制御するために誤差増幅器の出力と比較される。従って、スイッチ電流は、毎サイクルの基準で調整される。電流モード制御ブーストが、入力電流を調整するために用いられ得る。電流モード制御変換器、ブースト変換器、及び電流モード制御ブースト変換器は、文献において十分に記述されている。様々な実施形態においては、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷を有する能動ラインフィルター９１０を利用するダイオードドライバー１０００は、制御及び調整された入力電流を提供し、バッテリー電源１００２から引かれる入力電流を最小化する。しかしながら、本開示は、この点に限定されない。幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルター９１０は、フィードフォワード入力電圧無しで、若しくはフィードフォワード出力負荷無しで、若しくはフィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷の両方無しで実施され得る。
【０１５０】
幾つかの実施形態例においては、電流モード制連続ブースト御変換器を用いて入力電流調整を提供することが有利であり得る。しかしながら、実施形態例によれば、他の手段により入力電流調整を提供することも可能である。例えば、入力電流を直接的に調整し、電圧調整誤差増幅器の出力を用いて電流誤差増幅器の参照電圧を設定することができる。このスキームは、依然として、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷で、非常に遅い電圧調整バンド幅ループを要求する。別例としては、入力電流を直接的に調整し、電圧比較器の出力を用いて、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が再充電されるや入力電流を遮断することが可能である。
【０１５１】
本明細書に規定のように、能動ラインフィルター９１０は、非常に低いリップルで調整されたＤＣ入力電流を提供する。引かれた出力電流が平均のＤＣ成分を有するが、顕著なＡＣ成分も有する。ダイオード電流と出力負荷電流の差は、出力フィルターエネルギー蓄積容量９０２により提供され、エネルギー蓄積キャパシタ９０２における顕著なリップル電流に帰結する。所与のリップル電流及び所与の容量について、ＡＣリップル電圧がキャパシタ９０２に亘り生じる。様々な実施形態においては、非常に低いバンド幅電圧調整制御ループを用いることができ、このキャパシタリップル電圧により入力電流が調整されることを阻止する。幾つかの特定の実施形態例においては、＜２Ｈｚのバンド幅ループが用いられるが、本開示は、この点に限定されない。追加の出力キャパシタ９０２が並列に用いられてリップル電圧を低減することができるが、追加の出力キャパシタ９０２は、サイズ、重量、及びコストの増加に帰結する。
【０１５２】
出力電圧の調整を提供するための上述の非常に遅い電圧調整ループの使用では、入力電圧の過渡分及び出力負荷の過渡分が、過渡分の補償のための非常に遅い制御ループの無能さに起因して、乏しい出力電圧調整を生じさせる。従って、様々な実施形態においては、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷を追加でき、出力電圧調整を維持するため、入力電圧の過渡分及び出力負荷の変動分に非常に早い応答を提供する。
【０１５３】
フィードフォワード出力負荷が入力電流を変調し、従って、もし不正確に実施されるならば、能動ラインフィルター９１０の目的を挫折させる。しかしながら、様々な実施形態例においては、ダイオードポンプ電流の振幅及びダイオードポンプ電流のデューティー・サイクルは、レーザーエレクトロニクス９０８により指令される。従って、レーザーエレクトロニクス９０８は、指令された電流の振幅及び指令されたポンプ電流のデューティー・サイクルに比例するフィードフォワード信号を提供することができる。幾つかの実施形態例においては、この信号は、例えば、平均ポンプ電流に比例し得る。この信号は、ＯＬＦＦとして能動ラインフィルター９１０に与えられ得る。出力負荷フィードフォワード信号は、明確さのためステップ関数負荷変動を有する、図４９に図示のように、ＡＭラジオ伝送で用いられるエンベロープ変調に類似する。フィードフォワード出力負荷を提供するために適切に用いられるのはエンベロープ変調（図４９の破線に示される）であり、搬送周波数ではない。エンベロープ変調は、搬送周波数情報を有しない。従って、フィードフォワード出力負荷は、入力電流を変調せず、能動ラインフィルター９１０の目的を挫折させない。
【０１５４】
図５０は、能動ラインフィルター９１０の制御部１０１２の概略図を含む。図５０を参照すると、非常に遅い電圧調整誤差増幅器が、出力電圧の調整を提供する。非常に遅い誤差増幅器は、出力電圧リップルの関数として入力電流を変調することを避けるために用いられ、従って、ＶＡは、非常に急速に変化しない。フィードフォワード入力電圧（ＶＦＶ）及びフィードフォワード出力負荷（ＶＦＣ）は、入力電圧の過渡分及び出力負荷の過渡分に非常に早い応答を提供するために加えられ、出力電圧調整を維持する。ＶＩＮが適切に調整（スケール）され、フィードフォワード入力電圧、ＶＦＶを形成する。出力負荷フィードフォワード信号ＶＯＬＦＦが適切に調整（スケール）され、フィードフォワード出力負荷、ＶＦＣを形成する。これらの２つの信号が、誤差増幅器ＳＡの出力と合算されてＶＥを形成する。ＶＥは、パルス幅変調器（ＰＷＭ）に供給されて入力電流を制御する。ＶＦＶ及びＶＦＣが積分又はフィルターされないため、これらは、入力電圧又は出力負荷が変化できるのと同じく急速に変化できる。従って、ＶＥは、入力電圧又は出力負荷のように急速に変化でき、調整された出力電圧を提供するのに必要な制御を提供することができる。
【０１５５】
図５１は、幾つかの実施形態例に係る能動ラインフィルター９１０の制御部１０１４の実施の概略図を含む。この実施について、
【数４】
2016511553.tif 000006
ここで、Ｋ１が、Ｖｉｎについてのスケーリング因子を提供し、Ｋ２が、ＶＯＬＦＦについてスケーリング因子を提供し、Ｋ３が、ＤＣオフセットを提供する。Ｋ１、Ｋ２、及びＫ３が用途のために最適化される。最適化される時、ステップ関数の入力電圧の変化又はステップ関数の出力負荷の変化に際して出力電圧に僅かな変化があり、若しくは変化がない。理解されるように、もし入力電圧ＶＩＮが増加するならば、ＶＥが低下し、補償する入力電流を低減する；もしＶＯＬＦＦが増加するならば、ＶＥが増加し、補償する入力電流を増加する。ＥＡとラベルされた増幅器は、遅い誤差増幅器であり、ＳＡとラベルされた増幅器は、高速な加算増幅器である。望まれるならば、能動ラインフィルター９１０を実施するために用いられるＰＷＭのＰＷＭ誤差増幅器は、加算増幅器ＳＡを実施するために用いることができる。
【０１５６】
様々な実施形態においては、回路は、フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷を有する、非常に低いバンド幅制御ループの電流モード制御連続電流ブースト変換器を含むことができ、調整された入力電流及び調整された出力電圧を提供する。そのような回路は、＞３０ｄＢの入力リップル電流の減衰を提供でき（入力電流調整及び遅い電圧ループのため）、配線及び負荷過渡分に優れた出力電圧調整を維持でき（フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷のため）、＞９０％の効率を達成でき（炭化ケイ素整流器又は同期整流器が、＞９３％の効率を達成するために用いることができる）、また小型及び軽量であり得る。能動ラインフィルター９１０の使用がダイオードドライバーの効率を低減するが（約７％だけ）、効率における損失は、バッテリー効率における利得により超えられる。様々な実施形態によるダイオードドライバーは、バッテリー寿命を２倍以上にすることができる。用途に依存して、正味のバッテリー寿命が、１．８〜１．９の因数により増加され得る。
【０１５７】
参照によりその全体において本明細書に組み込まれる米国特許番号７,０１９,５０３に記述のように、能動ラインフィルター９１０の改善されたリップル拒否を提供するために出力電圧フィードフォワードループを能動ラインフィルター９１０に加えることができる。参照によりその全体において本明細書に組み込まれる米国特許番号７,１４１,９４０に記述のように、能動ラインフィルター９１０の改善されたリップル拒否を提供するために、平均電流モード制御又は変調された平均電流モード制御を能動ラインフィルター９１０において用いることができる。
【０１５８】
幾つかの実施形態例においては、出力電流を調整するために能動ラインフィルター９１０を構成することができる。電力変換器又は調整器への入力電流は、出力電流に比例する。従って、幾つかの実施形態例によれば、出力電流の制御は、入力電流の非直接の制御を提供し、能動ラインフィルター９１０の機能が実現する。
【０１５９】
幾つかの実施形態例においては、所望レベルに引かれる入力電流を制限する電流制限機能を有し、高い制御ループバンド幅で出力電圧を調整するように能動ラインフィルター９１０が構成され得る。本開示は、この点に限定されない。例えば、能動ラインフィルター９１０機能は、図５２に図示のように実施され得る。図５２を参照すると、ブースト変換器１１０６は、電流モード制御を用いる高バンド幅電圧制御ループを用いて出力電圧を調整するように構成される。入力電流の制御は、ＰＷＭの高速毎パルス電流制限機能（fast pulse-by-pulse current limit function）により提供される。動作においては、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が電流ドライバー９０６により部分的に放電された後、ＰＷＭ誤差増幅器が、最大スイッチ電流を要求するが、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が再充電される間、ＰＷＭの電流制限機能が所望レベルに入力電流を制限する。エネルギー蓄積キャパシタ９０２が適切な電圧に充電されると、ＰＷＭ誤差増幅器がより小さい電流を要求し、従って、出力電圧を所望電圧に調整する。フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷（破線で図示）が特性の改善のために追加され得る。
【０１６０】
他の実施形態例においては、ブースト変換器は、電流モード制御を用いる高バンド幅電圧制御ループを用いて出力電圧を調整するように構成され得る。しかしながら、入力電流の制御は、ＰＷＭ誤差増幅器が最大出力電圧の時、所望レベルにスイッチ電流（また従って入力電流）を制限するべく変換器ゲインＫの調整（スケール）をすることにより提供される。動作においては、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が部分的に電流ドライバー９０６により放電された後、ＰＷＭ誤差増幅器は、最大スイッチ電流を要求するが、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が再充電される間、スイッチ電流は、ゲインＫにより所望レベルに制限される。エネルギー蓄積キャパシタ９０２が適切な電圧に充電されると、ＰＷＭ誤差増幅器がより小さい電流を要求し、従って、所望電圧に出力電圧を調整する。フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷が特性改善のために追加され得る。
【０１６１】
他の実施形態例においては、図５３に図示のように、ブースト変換器１２０６は、電圧モード制御を用いる高バンド幅電圧制御ループを用いて出力電圧を調整するように構成され得る。入力電流の制御は、ＰＷＭの内部又は外部のいずれかの高速毎パルス電流制限回路により提供される。動作においては、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が部分的に電流ドライバー９０６により放電された後、ＰＷＭ誤差増幅器は、最大デューティー・サイクルを要求するが、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が再充電される間、電流制限回路がＰＷＭに優先し、入力電流を所望レベルに制限する。エネルギー蓄積キャパシタ９０２が適切な電圧に充電されると、ＰＷＭ誤差増幅器がより小さいデューティー・サイクルを要求し、従って、所望電圧に出力電圧を調整する。フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷（破線で示される）が特性改善のために追加され得る。
【０１６２】
他の実施形態例においては、ブースト変換器は、電圧モード制御を用いる高バンド幅電圧制御ループを用いて出力電圧を調整するように構成され得る。入力電流の制御は、図５３に示されるように、ＰＷＭの内部又は外部のいずれかの「遅い」又は「平均化する」電流制限回路により提供される。動作においては、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が部分的に電流ドライバー９０６により放電された後、ＰＷＭ誤差増幅器は、最大デューティー・サイクルを要求するが、エネルギー蓄積キャパシタ９０２が再充電される間、電流制限回路がＰＷＭに優先し、入力電流を所望レベルに制限する。エネルギー蓄積キャパシタ９０２が適切な電圧に充電されると、ＰＷＭ誤差増幅器がより小さいデューティー・サイクルを要求し、従って、所望電圧に出力電圧を調整する。フィードフォワード入力電圧及びフィードフォワード出力負荷が特性改善のために追加され得る。
【０１６３】
幾つかの実施形態例においては、能動ラインフィルター９１０及び／又はダイオードドライバー９０６の制御機能が、デジタル制御により実施され得る。しかしながら、本開示は、この点に限定されない。
【０１６４】
電流ドライバー９０６は、リニア電流ドライバーの幾つかの構成のいずれか、スイッチング電力変換器の幾つかの構成のいずれか、単純な抵抗器及びスイッチ、又は本明細書に図示及び詳細に記述の電流ドライバーの例のいずれかであり得る。理想的には、電流ドライバー９０６は、高出力インピーダンス電流源であり、パルス区間に定電流を調整するが、本開示は、この点に限定されない。非絶縁電流ドライバーが図示されるが、本開示は、この点に限定されない；絶縁電流ドライバーが用いられ得る。
【０１６５】
当業者は、本明細書に記述の発明が、それらの精神又は本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態において具現化されるものと理解する。従って、上述の実施形態は、全側面において、本明細書に記述の発明の限定ではなく説明として理解される。従って、本発明の範囲は、上述の記述ではなく、次の請求項により示され、従って、請求項と均等の意味及び範囲内の全変更がそこに包含されることが意図される。
【図１】
2016511553.tif 000007
【図２】
2016511553.tif 000008
【図３】
2016511553.tif 000009
【図４】
2016511553.tif 000010
【図５】
2016511553.tif 000011
【図６】
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【図７】
2016511553.tif 000013
【図８】
2016511553.tif 000014
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【国際調査報告】
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