(57)【要約】  本技術は、ハイサイド電流源、及び電流源に直列に電気的に結合した少なくとも２つの負荷を含むマルチ出力ダイオードドライバーを提供し、各負荷が、少なくとも一つのレーザーダイオードを含む。マルチ出力ダイオードドライバーは、少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合したシャント装置を更に含み、各負荷へのＤＣポンプ電流を低減する。シャント装置は、負荷素子、スイッチング装置、又はこれらの任意の直列結合の組み合わせであり得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイサイド駆動電流源；及び
前記電流源に直列に電気的に結合した少なくとも２つの負荷を備え、
各負荷が、少なくとも一つのレーザーダイオードを含む、マルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項２】
前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合したシャント装置を更に備え、その各負荷へのＤＣポンプ電流を低減する、請求項１に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項３】
前記シャント装置が、負荷素子、スイッチング装置、又はこれらの任意の直列結合された組み合わせである、請求項２に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項４】
少なくとも一つの組み合わされるシャント装置は、前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合され、シャント電流が時間又は動作状態の関数としてスイッチングされることを許容する、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項５】
少なくとも２つの組み合わされるシャント装置は、お互いに、また前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合され、可変のシャント電流を提供し、当該電流が、時間又は動作状態の関数として可変である、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項６】
前記負荷素子が抵抗器である、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項７】
前記スイッチング装置がトランジスターである、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項８】
前記シャント電流が、前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つについてデューティーサイクル変調される、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項９】
前記シャント装置は、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ように制御される電流シンクである、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項１０】
前記シャント装置は、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ように制御される電流シンクである、請求項３に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項１１】
前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに直列に電気的に結合されたスイッチング装置を更に備え、電流がその各負荷からシャント装置の負荷へスイッチングされる、請求項２に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【請求項１２】
前記電流源が、リニアドライバー又はスイッチングコンバータードライバーである、請求項１に記載のマルチ出力ダイオードドライバー。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
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することができる。従って、要求される入力電力に１０倍の低減が達成できる。
【０００２】
ダイオード・ポンピングは、ポンプダイオードを駆動するためにハイパワー調整電流源を要求する。慣例の電流源は、直列散逸レギュレーター（series dissipative regulator）又はパルス幅変調（ＰＷＭ）コンバーターのいずれかを用いて出力電流を制御する。多段階ダイオードポンプ固体レーザーの各ゲインステージが、そのポンプダイオードへそれ固有の独立制御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ゲインステージが、それ固有のダイオードドライバーを要求し、レーザーシステムのための多数のダイオードドライバーに帰結する。各ゲインステージのための別々のダイオードドライバーの使用が、レーザーシステムの体積、質量、及びコストを増加させる。
【０００３】
空間要求が、ますます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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、多数のダイオードドライバーの機能を同じ時間に多数の負荷を制御することができる単一のダイオードドライバーに組み合わせる要求が存在する。一実施形態においては、マルチ出力ダイオードドライバーは、ハイサイド駆動電流源、及び前記電流源に直列に電気的に結合した少なくとも２つの負荷を備え、各負荷が、少なくとも一つのレーザーダイオードを含む。マルチ出力ダイオードドライバーは、前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合したシャント装置を更に備え、その各負荷へのＤＣポンプ電流を低減する。前記シャント装置が、負荷素子、スイッチング装置、又はこれらの任意の直列結合された組み合わせであり得る。前記電流源が、リニアドライバー又はスイッチングコンバータードライバーである。
【０００５】
一実施形態においては、シャント装置が、少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合され、シャント電流が、時間又は動作状態の関数としてスイッチングされることを許容する。別の実施形態においては、少なくとも２つの組み合わされたシャント装置が、お互いに、また少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに並列に電気的に結合され、可変シャント電流を提供し、当該電流が、時間又は動作状態の関数として可変である。
【０００６】
一実施形態においては、前記負荷素子が抵抗器である。一実施形態においては、前記スイッチング装置がトランジスターである。
【０００７】
また一つの実施形態においては、前記シャント電流が、少なくとも２つの負荷の少なくとも一つについてデューティーサイクル変調される。
【０００８】
一実施形態においては、前記シャント装置は、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ように制御される電流シンクである。また別の実施形態においては、前記シャント装置は、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ように制御される電流シンクである。
【０００９】
また別の実施形態においては、マルチ出力ダイオードドライバーは、前記少なくとも２つの負荷の少なくとも一つに直列に電気的に結合されたスイッチング装置を更に備え、電流がその各負荷からシャント装置の負荷へスイッチングされる。
【００１０】
上述の実施形態が、先行技術のダイオードドライバーに対して次の利益を提供する。１）多数のドライバー構成を要求する、多数の負荷、及び特にはレーザーダイオードを駆動するための単一のダイオードドライバー；２）減じられた複雑さ、コスト、体積、及び質量；３）多くの場合、改善された信頼性、及び改善された効率。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
上述及び他の目的、機能、及び利益は、異図にわたり同様の参照記号が同一部分を意味する添付図面に図示の次のより具体的な実施形態の記述から明らかになる。図面は、必ずしも縮尺するものではなく、むしろ実施形態の原理を図示することに強調が置かれている。
【図１】図１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示す。
【図２】図２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。
【図３】図３は、図２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、時間の関数としてスイッチオン又はオフされる。
【図４】図４は、図２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、シャント電流の値は、シャント抵抗器をイン又はアウトに切り替え、シャント抵抗の合計値を変更することにより変化される。
【図５】図５は、図２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、シャント電流が検知され、変数コマンド（command variable）により決定される値に調整される。
【図６】図６は、図５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、ポンプダイオード電流が検知され、変数コマンドにより決定される値に調整される。
【図７】図７は、図２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、ダイオードの一方への駆動電流が、時間期間の残部でシャントされる。
【図８】図８は、図３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、両方のダイオードについて時間ｔの間に用いられ、次に、時間期間の残部でダイオードの一方からダミー負荷へ駆動電流をスイッチングする。
【図９】図９は、図８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。
【図１０】図１０は、図３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、上部負荷がシャントされる。
【図１１】図１１は、図３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、いずれの負荷もシャント可能である。
【図１２】図１２は、図７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、いずれの負荷も短絡可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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素子の空間、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は、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。
【００１３】
図１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示す。一実施形態においては、ダイオードドライバー１００は、ハイサイド電流源１１０を含み、そこに異なる数の光放射ダイオードを有する、レーザーダイオード、レーザーダイオード群、又はレーザーダイオードアレイといった２つの直列接続された負荷１３０ａ、１３０ｂを同一のＤＣ駆動電流で駆動する。例えば、単一のダイオードドライバー１００は、プリアンプゲインステージ用のポンプダイオード１３０ａを駆動し、同様に、同一時間に主発振器ゲインステージ用のポンプダイオード１３０ｂを駆動することができる。この構成においては、効率が改善され、なぜなら、ダイオードドライバー寄生電圧ロスが、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ロスが出力電力の小さいパーセントであるためである。ハイサイド駆動電流源１１０が、ローサイド駆動電流シンクではなく、調整された出力電流を提供し、過電流状態に対してポンプダイオード１３０ａ、１３０ｂを保護する。例えば、ハイサイド駆動電流源１１０を用いると、ポンプダイオード１３０ａ、１３０ｂが、一連のダイオードのどこでもグランドに直接的に短絡（シャント）でき、ポンプダイオードへの無制御のダイオード電流がなく、他方、ローサイド駆動電流シンクを用いると、ダイオードカソードからグランドへの短絡が、キャパシタが放電するまでダイオードに流入する無制限の電流を生じさせ、ポンプダイオード１３０ａ、１３０ｂを損傷する。
【００１４】
本技法が２つの直列接続負荷１３０ａ、１３０ｂを記述するが、本技法が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の負荷であり得るものと理解される。ポンプ電流がＤＣ電流に限定されず、パルス電流、若しくは２つの直列結合した負荷を駆動する能力がある任意の他の電流であり得るものと理解される。
【００１５】
一実施形態においては、電流源１１０が、全体のダイオードドライバー効率を改善するため、ゼロ−電流−スイッチング・疑似共振型降圧コンバーター（zero-current-switched quasi-resonant buck converter）であり得る。しかしながら、位相に関わらず、任意の線形の電流源ダイオードドライバー、ハードスイッチングコンバーター電流源、又はソフトスイッチングコンバーター電流源が本技術で使用可能であるものと理解される。疑似共振電流源の詳細な記述が、米国特許Ｎｏ．５，２８７，３７２；題「疑似共振ダイオード駆動電流源」に提示され、その内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１６】
図２〜９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、マルチ出力ダイオードドライバー２００が、電流源２１０及びシャント装置２２０を含む。シャント装置２２０が、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂに並列に結合され、ポンプダイオード電流を低減し、また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。しかしながら、低減されたポンプダイオード電流が、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂ又はゲインステージ１のポンプダイオード２３０ａのいずれかに、単一又は組み合わせで供給され得るものと理解される。
【００１７】
図２に示すように、シャント装置２２０が固定抵抗器２２２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２３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）の降下及び抵抗器２２２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更できないものと理解される。
【００１８】
図３は、図２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状態の関数としてオン又はオフに切り替え可能である。この実施形態においては、シャント装置２２０が、スイッチング装置２２４に直列に結合した抵抗器２２２を含む。図２の実施形態と同様、シャント電流が、ポンプダイオード２３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）の降下及び抵抗器２２２の抵抗により設定される固定電流であるが、時間又は動作状態の関数としてオン又はオフにスイッチングできる。この実施形態においては、スイッチング装置２２４が、トランジスターであるが、スイッチング装置は、時間又は動作状態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既知の任意の装置であり得るものと理解される。
【００１９】
図４は、図２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更され得る。この実施形態においては、シャント装置が、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂに並列に結合された多数のスイッチング・シャント装置（shunting device）２２２ａ／２２４ａ、２２２ｂ／２２４ｂ、２２２ｃ／２２４ｃを含み、ポンプダイオード電流を低減し、また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２３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下及びイネーブルにされた複数の切り替えシャント装置２２２ａ／２２４ａ、２２２ｂ／２２４ｂ、２２２ｃ／２２４ｃの抵抗値により設定される可変電流である。この構成においては、並列の抵抗器の抵抗値が代えられ、続いてシャント電流を変更する。この構成の抵抗器が、同一又は異なる値を有するものと理解される。
【００２０】
図５は、図２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２２０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２３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とは独立のものであり得る。この構成においては、シャント電流が、所定範囲内の任意の値に設定され得る。シャント装置２２０について図示の回路が、電流シンクレギュレーターの代表であるものと理解される；本技術は、この点に限定されない。
【００２１】
図６は、図５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２２０が、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、シャント電流がポンプダイオード２３０ｂに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下とは独立のものであり得る。この構成においては、シャント電流が、所定範囲内の任意の値に設定され得る。
【００２２】
図７は、図２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、時間ｔの間、両方のポンプダイオードに用いられ、時間期間の残部の間、ダイオードの一つへの駆動電流がシャントされる。一実施形態においては、シャント装置２２０が、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂに並列に結合したトランジスターといったスイッチング装置２２４であり、レーザー最適化のためにポンプダイオード２３０ｂ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。動作においては、シャント装置２２０が、ポンプダイオード２３０ｂ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２２０に亘る電圧がゼロボルトに近いため、シャント装置２２０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２３０ａ、２３０ｂが駆動される時間の間、出力電力が２×ＶＦ×ＩＦであり、ＶＦがポンプダイオードの順方向電圧であり、ＩＦがポンプ電流であり、入力電力が（２×ＶＦ×ＩＦ）／効率である。この実施形態においては、２つのポンプダイオード２３０ａ、２３０ｂが一致されるが、この技術での使用のために一致が要求されないものと理解される。ポンプダイオード２３０ｂがシャントされる間、出力電力がＶＦ×ＩＦであり、ＶＦがポンプダイオード２３０ａの順方向電圧であり、ＩＦがポンプ電流であり、入力電力が（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）／効率に変化し、２：１の変化である。従って、このダイオードドライバー構成で損失される電力にほとんど何らのペナルティーもない。
【００２３】
図８は、図３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、時間ｔの間、両方のポンプダイオードに用いられ、時間期間の残部の間、駆動電流が、ポンプダイオードの一つからダミー負荷にスイッチングされる。この実施形態においては、スイッチング装置２２４に直列に結合した抵抗器２２２（ダミー負荷）を含み、抵抗器２２２の値が、全電流がポンプダイオード２３０ｂからシャントして逃げるように選択される。抵抗器２２２（ダミー負荷）で消費される電力がポンプダイオード２３０ｂ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２００の出力電力が変化せず、従って、ダイオードドライバー２００の入力電力が変化しない。従って、ポンプ電流の変調が、伝導性エミッション（conducted emissions）として電力源に戻るように反射されない。
【００２４】
図９は、図８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２２０が、追加のトランジスター２２６を含み、シャントスイッチ２２４がターン・オンされる時にポンプダイオード電流がゼロに切り替わることを保証する。
【００２５】
図１０は、図３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２００が、スイッチング装置２２４に直列に結合した抵抗器２２２を含み、しかしながら、シャント装置２２０が、ゲインステージ１のポンプダイオード２３０ａに並列に結合され、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。シャント電流が、ポンプダイオード２３０ａに亘る順方向電圧（ＶＦ）降下及び抵抗器２２２の抵抗により設定される固定電流であるが、時間又は動作状態の関数としてオン又はオフに切り替えられ得る。
図１１は、図３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２２０ａが、ゲインステージ１のポンプダイオード２３０ａに並列に結合され、第２シャント装置２２０ｂが、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂ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、ゲインステージ１、ゲインステージ２、又はこれらの組み合わせに亘りスイッチングされる。
【００２６】
図１２は、図７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２２０ａが、ゲインステージ１のポンプダイオード２３０ａに並列に結合したトランジスターといったスイッチ２２４ａを含み、第２シャント装置２２０ｂが、ゲインステージ２のポンプダイオード２３０ｂに並列に結合したトランジスターといったスイッチ２２４ｂ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２３０ａ、ポンプダイオード２３０ｂ、又はこれらの組み合わせに亘りシャントされ得る。
【００２７】
抵抗器が、シャント素子として図示され、描写され、及び議論されたが、本技術は、任意の種類の受動又は能動負荷素子を用いて実施され得る；本技術は、限定されない。ＮＰＮバイポーラトランジスター及び簡略化された調整回路が本明細書に図示されたが、本技術は、任意の多種の異なる半導体、ＩＣ、及び調整回路を用いて実施可能である；本技術は、限定されない。
【００２８】
上述のように、この技術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、多数のゲインステージへの等しい電流も許容可能であり、追加の電流制御が要求されない。他のレーザー構成においては、一つのゲインステージのポンプダイオード駆動電流仕様が、別のゲインステージ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が、デューティーサイクル変調される。これらの最後の２つの構成については、追加の電流制御がダイオードドライバーに加えられる。しかしながら、この追加の電流制御が、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である。任意の上述の実施形態が一つのドライバーに組み合わされるものと理解される。更には、本明細書では記述していない任意の既知のドライバー構成が電流技術に適合され得るものと理解される。幾つかの実施形態においては、技術が、アクティブラインフィルター（active line filter）を用いてエネルギー蓄積キャパシターを充電し、入力電流を調整及び最小化し、また部品ストレスを低減する。
【００２９】
当業者は、本技術が、その誠心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実施されることを理解する。上述の実施形態が、従って、本明細書に記述の技術を限定するのではなく全側面において説明として考えられる。本技術の範囲が、従って、上述の記述ではなく、添付請求項により示され、請求項の均等の意味及び範囲内の全ての変化が、従って、本明細書に包含される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016509755.tif 000011
【図１０】
2016509755.tif 000012
【図１１】
2016509755.tif 000013
【図１２】
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【国際調査報告】
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2016509755.tif 000016