通過雷射電源電壓閉環控制的平均功率控制環路及方法

2023-06-16 11:56:56

通過雷射電源電壓閉環控制的平均功率控制環路及方法
【專利摘要】本發明公開了一種通過雷射電源電壓閉環控制的平均功率控制環路及方法。根據所述方法中的一個，將開關變換器耦合以向雷射二極體的第一端子提供功率，將可編程電流源耦合以控制通過雷射二極體的平均電流，將平均功率控制電路耦合至監控二極體，以監控雷射二極體的平均功率輸出，並且控制可編程電流源來維持雷射二極體的期望的平均功率輸出，並且響應於可編程電流源的動態餘量來調整所述開關變換器的輸出以將開關變換器的輸出限制為仍將保證電流源的充分操作的電壓。公開了各種實施例。
【專利說明】通過雷射電源電壓閉環控制的平均功率控制環路及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於數據通信的雷射驅動器的領域，並且更具體地涉及用於光纖網絡中的數據通信的雷射驅動器。
【背景技術】
[0002]在光纖網絡中的通信是使用光纖收發器模塊完成的，數據中心中通常存在大量的光纖收發器模塊。這樣的收發器模塊包括傳輸雷射二極體和雷射二極體驅動電路等等。光纖收發器模塊消耗相當大的功率，大部分功率消耗在雷射二極體和驅動器電路中。這具有兩個主要的效果。首先，它限制了每個開關卡可以使用的埠或通道的數量，因此給定數量的埠需要更大的空間。其次，操作光纖收發器模塊的成本很高，所述光纖收發器模塊通常每天工作24小時。在那方面，電費對於數據中心的設備所有權成本而言是單一最大的貢獻者，因此雷射驅動器的功率消耗的降低是數據中心的意外之財。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1是本發明的一個實施例的示圖。
[0004]圖2是本發明的另一個實施例的示圖。
[0005]圖3是本發明的第三實施例的示圖。
[0006]圖4是本發明的另一個實施例的示圖。
【具體實施方式】
[0007]首先參考圖1，可以看到本發明的一個實施例。監控二極體Dmd設置為接收傳輸雷射二極體Dld的發射的部分(fraction)以向平均功率控制電路(APC)提供對雷射二極體的輸出的測量值。平均功率控制電路APC也向放大器Al的一個輸入端提供Bias_Cntl (偏置控制)信號，所述放大器Al控制電晶體Ql的柵極以及副本電晶體(replica transistor)QR的柵極，所述副本電晶體是電晶體Ql的尺寸的相對小的部分(Ι/Kb)。雷射二極體Dld由電壓(Vapc-Vbias)偏置,其中Vbias被提供為差分放大器A2的一個輸入。放大器A2的另一個輸入由副本電晶體QR的漏極電壓提供。電晶體Q2的柵極由差分放大器A2控制，其漏極形成差分放大器Al的第二輸入。在操作中，差分放大器Al驅動電晶體Q2的柵極，使得放大器A2的差分輸入是零。因此，副本電晶體QR上的漏極電壓等於電晶體Ql上的漏極電壓，即電壓Vbias。作為放大器Al的輸出的電晶體Ql的柵極電壓以及副本電晶體QR的柵極電壓也耦合為APC的輸入。該環路具有高的頻率響應，所述頻率響應使Ql看起來像響應於Bias_Cntl信號的可編程電流源。在APC通過Bias_Cntl信號控制IBias的同時，它也監控電晶體Ql的柵極電壓以確保該柵極電壓保持在期望的操作電壓或在期望的操作範圍內。電晶體Ql上的柵極電壓太高意味著它在竭盡全力向雷射二極體Dld提供期望的偏置電流，因為可編程的電流源不具有足以進行令人滿意的操作的動態餘量(headroom)，並且相應地，APC向上調整Vbias_tgt，從而增加DC/DC轉換器的輸出，以向上調整Vapc，使得在平均功率控制環路仍將雷射二極體Dld的偏置維持在(Vapc-Vbias)的同時，更高的Vapc增加了可編程電流源的動態餘量以在仍維持雷射二極體的偏置的同時將電晶體Ql上的柵極電壓向下拉。電晶體Ql的柵極上的電壓太低意味著供應雷射二極體(以及平均功率控制環路的其它部分)的電壓Vapc高於所需的電壓，並且在沒必要地浪費了功率。相應地，APC向下調整Vbias_tgt，從而降低DC/DC轉換器的輸出以向下調整Vapc，使得在平均功率控制環路再次仍將雷射二極體Dld的偏置維持在(Vapc-Vbias)的同時，更低的Vapc降低了可編程電流源的動態餘量以將柵極電壓向上拉。新的效果是自動地調整(限制)了電壓Vapc，以在仍維持充足但不會過多的各種操作條件下的可編程電流源的動態餘量的同時最小化由雷射電路消耗的功率。
[0008]將注意到的是，形成放大器Al的一個輸入的平均功率控制器APC的輸出Bias_Cntl可以是模擬或數位訊號，例如舉例而言是10位數位訊號。放大器Al當然是模擬放大器，並且相應地，如果信號Bias_Cntl是模擬信號，則可以直接地將它施加至放大器Al。如果它是數位訊號，則放大器Al的前面應當需要數模轉換器。在那方面，對放大器A3適用同樣的結論，隨後將描述放大器A3的功能。
[0009]電壓Vbias也耦合至目標控制器，作為反饋電壓Vbias_fb。所述目標控制器響應於在目標偏置電壓Vbias_tgt與反饋偏置電壓Vbias_fb之間的誤差以控制耦合在VCC與在圖1上示為Sec3、Sec2和Secl的部分之間的DC/DC轉換器的輸出電壓Vout (Vapc)，從而保證最小但是仍充分的用於雷射二極體Dld的偏置。在示出的實施例中，Secl由雷射二極體Dld及其直接關聯的電路構成，所述直接關聯的電路即通過電感LI至DC/DC轉換器的輸出Vout的低電阻連接，到達和來自雷射二極體Dld的25歐姆的傳輸線TLl和TL2以及至由電晶體Ql及其關聯的電路確定的偏置電壓Vbias的第二低電阻電感器L2。Sec2包括驅動器電路，所述驅動器電路即電晶體Q5和Q6，電阻器Rl和R2，副本電晶體QmO和Qml，電感器L3和耦合電容器Cl以及可選的耦合電容器C2和電感器L4 ；並且Sec3是預驅動器，包括電晶體Q3和Q4以及電流源Ief+和Ief-。優選地，Seel、Sec2和Sec3的電晶體都是npn電晶體，雖然這不是對本發明的限制。在一些實施例中，電晶體Qmq和Qml具有通過它們的自身的副本電阻器耦合至電路地的它們的共同的發射極連接，所述副本電阻器即以QmO和Qml小於Q5和q6的相同的因子大於電阻器Rmod的電阻器。
[0010]放大器A3是由電源電壓Ncc供電的低功率數據放大器，其接收差分數據輸入信號Data+和Data-以及調製控制信號Mod_Cntl。該調製控制信號控制放大器A3至電晶體Q3和Q4的基極的電壓差分輸出，該輸出的狀態(極性)由數據輸入信號的狀態確定。放大器A3也監控通過副本電晶體QmO和Qml的電流，並且根據調製控制信號Mod_Cntl和反饋信號IMOD/km調整放大器A3至電晶體Q3和Q4的基極的輸出，使得對雷射二極體Dld的實際的調製根據由調製控制信號MocLCntl指定的調製。注意到，除了切換DC/DC轉換器之外，放大器A3 (低功率放大器)是由電源VCC供電的唯一的電路部件。電路的所有剩餘部分(包括Secl、2和3)都是由DC/DC開關變換器的輸出供電的。如本文中以及在隨後的權利要求中使用的副本電晶體是複製其連接到的另一個電晶體的電流的小部分的電晶體。
[0011]放大器A3的輸出控制電晶體Q3和Q4的基極，所述基極分別由電流源Ief+和Ief-偏置。電晶體Q3和Q4的發射極轉而控制電晶體Q5和Q6的發射極，所述電晶體Q5和Q6的發射極具有通過電阻器Rmod至地gnd的共同的發射極連接，電晶體Q5和Q6的集電極通過相等的電阻器Rl和R2耦合至DC/DC轉換器的輸出端。電晶體Q5的集電極也通過耦合電容器Cl連接至短傳輸線TL2，進而連接至雷射二極體Dld的陰極，電晶體Q6的集電極通過可選的電容器C2和短傳輸線TLl耦合至雷射二極體Dld的陽極，並且通過電感器LI耦合至Vapc。在電晶體Q5的集電極與Vapc之間也耦合有第三電感器L3。在使用可選的電容器C2的情況下，也將使用可選的電感器L4。
[0012]可以看出，Vbias由DC/DC開關變換器設定，其中目標控制器調整DC/DC轉換器的輸出，從而可以最大效率地實現通過雷射二極體Dld的期望的平均功率。尤其是，對於給定值的Vapc，Ql通過Bias_Cntl信號設定雷射二極體Dld偏置(Vapc-Vbias)，雖然APC監控來自電晶體Ql的柵極的反饋，並且當該電壓向上偏移時，重新向上調整Vbias_tgt，這使得目標控制器向上調整DC/DC轉換器的輸出Vapc。這向上增加了電晶體Ql的漏極電壓，直至Vbias_fb等於Vbias_tgt，這將使得電晶體Ql的柵極電壓降低至期望的電平。當電晶體Ql的柵極電壓向下偏移從而將該柵極電壓拉回期望的電平時情況當然相反。因此，將DC/DC轉換器調整為允許實現通過雷射二極體Dld的期望的平均功率，並且同時，DC/DC轉換器限制了雷射驅動器電晶體Q5和Q6 (Sec2)以及前置放大器Q3和Q4 (Sec3)的電壓。對於給定的操作條件，與在適合所有操作條件的固定的電壓下操作所有的或基本上所有的電路相反，這允許電路在最小電壓Vapc (因此最小功率)下進行操作，由此大幅地降低了電路中的功率消耗。
[0013]現在參考圖2，可以看到本發明的替代的實施例。在功能上，該實施例與圖1的實施例是實質上相同的，雖然，此外，該實施例合併了額外的驅動器和發射機光學組件T0SA，額外的平均功率控制器(APC)以及額外的目標控制器。所述額外的平均功率控制器APC和目標控制器用於每個額外的驅動器和發射機光學組件T0SA。這提供了多個通道，所有的所述多個通道都可以對相同的DC/DC轉換器進行操作。在那方面，與提供多個更小的DC/DC轉換器相比，提供更大的DC/DC轉換器較便宜且需要更少的板空間。這樣做的唯一的缺點是如下事實:DC/DC轉換器必須提供充足的輸出電壓Vout以操作需要最高的電壓來維持通過雷射二極體的期望的平均功率的發射機光學組件和驅動器。這實際上是要付出的小的代價，因為相同電路的副本的不同電壓需求將僅相差相對小的增量，當然比在所有的操作條件下基於諸如VCC之類的固定電源操作電路所需要的普通的增量小得多。所描述的電路自動地尋求最低的電壓，其將操作要求最高的驅動器以及由相同的DC/DC轉換器驅動的發射機光學組件。因此，本發明提供了大幅的功率降低，大幅地降低了數據中心的電力成本，並且也因為每個光學收發器的熱產生量降低而允許更密集地封裝光學收發器。
[0014]圖3類似於圖2，但進一步包括開關塊SW1，所述開關塊SWl提供了防範在特定操作條件下DC/DC轉換器的輸出電壓太低的情況下的異常工作的保護以維持整個電路的合適的操作。具體地，所公開的實施例的各個部分的具體電路所需的電壓Vapc如下:
[0015]對於Secl:VldiIBias+Vbias_tgt
[0016]其中:
[0017]VldiIBias是在電流IBias通過雷射二極體的情況下，在雷射二極體上的電壓降Vld
[0018]Vbias_tgt是最小的Vds(使得電晶體Ql可以傳送所需要的IBias的電晶體Ql的漏極發射極電壓)[0019]對於Sec2:Q5/Q6 動態餘量(典型地為 0.6V-0.7V) +IMod* (Rl) /2
[0020]對於Sec3:2*Vbe+IMod*Rmod-Vbc (典型地 0.3V)
[0021]其中:
[0022]2*Vbe=VbeQ3+VbeQ5 (或 VbeQ4+VbeQ6)
[0023]Vbc=電晶體Q3 (或Q4)的基極-集電極電壓
[0024]對於特別低的溫度，電晶體Q3-Q6中的每一個的Vbe將上升至Sec3將需要比Secl和Sec2更高的電源電壓以進行操作的點。因為Vapc在閉環中通過監控Secl來控制，所以在冷的條件下，Vapc可能太低以至於不能維持Sec3的合適的操作。為了防止這個，開關SWl將由選擇信號Sel來切換，使得Sec3由VCC而非切換DC/DC轉換器的輸出Vout (Vapc)供電。因為Sec3在低溫時是相對低功率的部分，並且在這樣的低溫下，其它部分自身使用較少的功率，所以這不會導致嚴重的後果。此外，低溫意味著沒有什麼接近於過熱。
[0025]圖4是本發明的另一個實施例的電路圖，並且可以用來代替圖1的電路或者用在代替圖1的實施例的圖2和圖3的實施例中。具體地，在圖1中，包括電晶體Ql和關聯的電路的可編程電流源與雷射二極體Dld串聯，但是在雷射二極體Dld的陰極與地之間。在圖4中，包括電晶體Ql和關聯的電路的可編程電流源也與雷射二極體Dld串聯，但是在電壓Vapc與雷射二極體Dld的陽極之間。在功能上，兩個電路是相同的，雖然圖4的電路具有更好地抑制由DC/DC開關變換器導致的紋波的優點，所述紋波具有比可編程電流源的Ql的響應低得多的頻率。所公開的實施例的各個部分的具體電路所需的電壓Vapc如下:
[0026]Vapc旨在滿足:
[0027]Secl:VldiIBias+ (Vapc_Vbias_tgt)(使得 Ql 上的最小值 |Vds| 可以傳送所需要的IBias)
[0028]對於Sec2:Q5/Q6 動態餘量(典型地為 0.6V-0.7V) +IMod* (Rl) /2
[0029]對於Sec3:2*Vbe+IMod*Rmod-Vbc (典型地為 0.3V)
[0030]其中:
[0031]2*Vbe=VbeQ3+VbeQ5 (或 VbeQ4+VbeQ6)
[0032]Vbc=電晶體Q3 (或Q4)的基極-集電極電壓
[0033]在圖4中，示出了可選的電容器C2和電感器L4。作為進一步的替代實施例，可以去除可選的電容器C2和電感器L4，並且L3的上部導線連接至Vbias而非Vapc。
[0034]作為一個替代，可以監控整個電路，包括它的操作溫度，並且可以計算在隨後存在的操作條件下將維持所有的Secl、2和3的合適的操作的最小值Vapc，並且不允許Vapc的值下降至該最小值以下，即使可以針對更低的Vapc明顯地滿足平均雷射二極體Dld功率。
[0035]本發明的有效效果是大幅地降低了光纖收發器模塊的功率消耗，從而除了別的之外還提供了由於對於光纖收發器模塊的用戶而言的功率節省而帶來的成本的大幅降低，並且提供了增加每個開關卡上的收發器模塊的數量的能力，降低了系統成本。雖然本文中出於例證性的目的而非限制性的目的已經公開並描繪了本發明的特定的優選實施例，但是本領域技術人員將理解的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以在其中進行形式和細節上的各種改變。
【權利要求】
1.一種平均雷射功率控制環路，其包括: 雷射二極體驅動電路，其耦合至用於與雷射二極體的第一端子和第二端子耦合的雷射二極體電路； 具有輸出電壓的開關變換器，當雷射二極體的所述第一端子和第二端子連接至所述雷射二極體電路時，所述輸出電壓被耦合以向所述雷射二極體電路供電； 所述雷射二極體電路中的可編程電流源，該可編程電流源被耦合以控制從所述開關變換器流過雷射二極體的電流； 平均功率控制器，其用於耦合以對監控二極體的輸出進行監控並向目標控制器提供目標電壓； 所述目標控制器也耦合至所述電流源的第一輸出端，所述目標控制器控制所述開關變換器的所述輸出電壓以向雷射電路提供使所述電流源的輸出等於所述目標電壓的電壓； 所述平均功率控制器也耦合至所述可編程電流源的第二輸出端，所述平均功率控制器響應於所述可編程電流源的動態餘量來調整所述目標電壓以維持所述可編程電流源的充足的動態餘量。
2.根據權利要求1所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述開關變換器的所述輸出端也被耦合以向所述雷射二極體驅動電路供電。
3.根據權利要求2所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述開關變換器的輸出端也被耦合以向雷射預驅動電路供電。
4.根據權利要求3 所述的平均雷射功率控制環路，進一步包括開關，在所述開關變換器的輸出變得太低以至於所述控制環路無法進行操作之前，該開關被耦合以從電源向所述雷射預驅動電路供電。
5.根據權利要求3所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述雷射預驅動電路的輸入端耦合至響應於數據輸入的數據放大器的輸出端。
6.根據權利要求2所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述雷射二極體驅動電路包括第一 npn電晶體、第二 npn電晶體、第三npn電晶體和第四npn電晶體； 所述第一npn電晶體和所述第二npn電晶體的集電極均通過相應的電阻器耦合至所述開關變換器的輸出端，所述第一電晶體的集電極也耦合至所述雷射二極體的陽極，所述第二電晶體的集電極也通過電容器耦合至用於連接至雷射二極體的陰極的連接部，所述第一電晶體和所述第二電晶體的發射極耦合在一起，並且通過電阻器耦合至電路地； 所述第三電晶體和所述第四電晶體分別是所述第一電晶體和所述第二電晶體的副本電晶體，所述第三電晶體的基極與所述第一電晶體的基極連接，所述第三電晶體的發射極與所述第一電晶體的發射極、所述第二電晶體的發射極和所述第四電晶體的發射極連接，並且所述第三電晶體的集電極與所述第四電晶體的集電極連接，並且作為至所述數據放大器的反饋信號，所述第四電晶體的基極連接至所述第二電晶體的基極。
7.根據權利要求6所述的平均雷射功率控制環路，進一步包括數據放大器，其中，所述數據放大器具有差分數據輸入端以及耦合至所述第一電晶體和所述第二電晶體的基極的差分數據放大器輸出端，所述數據放大器也響應於調製控制輸入和所述反饋信號，以控制所述差分數據放大器的輸出的差分幅度，從而根據所述調製控制輸入來提供雷射二極體調製。
8.根據權利要求7所述的平均雷射功率控制環路，進一步包括雷射預驅動電路，其中，所述雷射預驅動電路包括第五電晶體和第六電晶體，以及第一電流源和第二電流源，所述第五電晶體和所述第六電晶體的發射極耦合至所述第一電晶體和所述第二電晶體的基極，並且通過所述第一電流源和所述第二電流源中的相應的一個耦合至所述電路地，所述第五電晶體和所述第六電晶體的集電極耦合至所述開關變換器的輸出端，並且所述第五電晶體和所述第六電晶體的基極耦合至所述差分數據放大器輸出端。
9.根據權利要求8所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述第一電晶體至所述第六電晶體是npn電晶體。
10.根據權利要求1所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述目標控制器響應於偏置電壓和目標偏置電壓而控制所述開關變換器，以將所述開關變換器的輸出限制在足以偏置所述雷射二極體從而提供所述目標平均雷射功率的電壓處。
11.根據權利要求1所述的平均雷射功率控制環路，其中，單個開關變換器由多個平均雷射功率控制環路共享，並且其中，所述目標控制器響應於偏置電壓和目標偏置電壓而控制所述開關變換器，以將所述開關變換器的輸出限制在足以偏置所有的雷射二極體從而為每個雷射二極體提供所述目標平均雷射功率的電壓處。
12.根據權利要求1所述的平均雷射功率控制環路，其中，所述可編程電流源包括電晶體，並且其中，所述可編程電流源的第二輸出是所述電晶體的控制端子上的電壓。
13.—種控制雷射二 極管的方法，其包括: 提供開關變換器，該開關變換器被耦合以向雷射二極體提供功率； 提供可編程電流源，該可編程電流源被耦合以控制通過雷射二極體的平均電流； 提供平均功率控制電路，該平均功率控制電路用於耦合至監控二極體，以便監控雷射二極體的平均功率輸出，並且控制所述可編程電流源從而維持雷射二極體的期望的平均功率輸出；以及 響應於所述可編程電流源的動態餘量而調整所述開關變換器的輸出，以將所述開關變換器的輸出限制為仍將保證所述電流源的充分操作的電壓。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述開關變換器被耦合以便也向雷射二極體驅動電路提供功率。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述開關變換器的輸出端也被耦合以向雷射二極體預驅動電路供電。
16.根據權利要求15所述的方法，進一步包括:在所述開關變換器的輸出變得太低之前將所述雷射預驅動電路從所述開關變換器的所述輸出端切換至電源。
17.根據權利要求15所述的方法，進一步包括:通過響應於數據輸入的數據放大器的輸出來控制所述雷射預驅動電路的輸入。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述數據放大器具有差分數據輸入端以及耦合至所述雷射預驅動電路的輸入端的差分數據放大器輸出端，所述數據放大器也響應於調製控制輸入和來自所述雷射驅動電路的反饋信號來控制所述差分數據放大器的輸出的差分幅度，從而根據調製控制輸入來提供雷射二極體調製。
19.根據權利要求13所述的方法，其中，單個開關變換器由多個平均雷射功率控制環路共享，並且其中，將所述開關變換器控制為將所述開關變換器的輸出限制為足以偏置所有雷射二極體從而為每個激 光二極體提供目標平均雷射功率的電壓。
【文檔編號】H01S5/042GK103457153SQ201310202836
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年5月28日 優先權日:2012年5月29日
【發明者】J·C·阮 申請人:馬克西姆綜合產品公司