CN101436756B - 大功率半导体激光器电源驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率半导体激光器电源驱动装置。该装置包括开关电源模块、滤波器、半导体激光器、保护单元、传感器、PI调节器和电位器。其特征是市电通过滤波器进入电源模块，电源模块的正负极分别与半导体激光器的阳极和阴极相连，其控制端与调节器的输出端连接。调节器的同反相输入端分别与电位器和传感器相连，保护单元与半导体激光器并联。该装置具有构思新颖、结构紧凑、体积小巧、安装方便、控制性能好、易于工业化批量生产，它可广泛用于光电领域中需要为半导体激光器提供驱动电源的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源装置，特别是一种大功率半导体激光器电源驱动装置，属于半导体激光或电力电子技术。
背景技术
所有的半导体激光二极管在电学性能上与普通的PN结二极管无本质差别，比如半导体二极管：
其中Id：二极管电流、Is：饱和电流、q：电子电荷、k：波尔兹曼常熟、T：绝对温度、Vd：二极管电压。
由上式可知二极管两端电压每增加25mV，二极管电流增加2.7倍。它们之间近似符合指数函数关系。随着温度的增加相同二极管电压下电流也会急剧增高。由上述特点决定了驱动半导体激光器必须由恒流源提供。此恒流源必须保证输出电流不随负载变化而变化，使半导体激光器能输出稳定功率。
又由于半导体激光器有与普通二极管的物理结构的不同决定了驱动电源装置必然有其差别。半导体激光器实际产量小、价格高、生产工艺相对落后等低决定了生产半导体激光器良品率低、保护措施不完善(ESD问题)、易损坏等实际技术问题和商业因素都决定了延长半导体激光器实用寿命，保护激光器不受损坏都只能在半导体激光器驱动电源装置上实现。
制作驱动电源装置的一般传统方法如图1。图中半导体激光二极管管(1)与大电流低压电源(2)、大功率晶体管(3)、分流器(4)串联。在通过PID校正器(5)检测反馈的电流来控制大功率晶体管来实现恒定电流控制。
上述方法虽然有可靠程度较高，寿命长(最长能达到十几年)的优点，但此装置驱动大功率半导体二极管时电源利用率低、自身发热严重，需要庞大的散热器甚至水冷装置且制造成本随输出功率的增加呈现指数函数上升。此装置的电源转换效率只有50％左右，在当前能源紧张提倡节能降耗的今天显得与时代格格不入。其庞大的散热装置必然带来大体积高重量也与今天最小轻薄小巧的设计风格迥然不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，弥补不足，提供一种高效率、高功率密度、低成本，能够满足半导体激光器需要、结构紧凑、无污染性能良好的大功率半导体激光器电源驱动装置。
为了实现上述目的，本发明设计的大功率半导体激光器电源驱动装置的技术方案是这样实现的：它包括，输入滤波器、直流开关电源模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感器(11)、调节器(12)、电位器(13)，其特征是，市电AC通过输入滤波器滤波进入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的控制端口与调节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端连接电位器(13)的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器(11)的测量输出端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感器(11)的测量环直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元(10)与半导体激光器(9)直流并联。
本发明所称的通用直流开关电源模块(8)是一种标准的半砖或全砖电源模块，该模块具有体积小、功率大、程控调压、可并联、保护功能完备的特点。通过其程控调压端口配合外部电路即可实现各种不同的功能。采用这种器件工作可靠安装方便，只需根据实际输出功率选择不同的电源模块即可适应不同功率半导体激光二极管的需要。
本发明所称的模拟PI调节器(12)具有的比例、积分调节(PI控制)功能是指当被控电流与设定电流有差异时，将针对这个偏差大小及正负特性自动进行比例调节(即输出控制量与偏差值大小成比例)、积分调节(即输出控制量与偏差值的积分成正比)，实时输出一个适当的控制通用直流开关电源模块(8)的输出电压，最后实现对二极管电流无超调、无波动的控制。
本发明所称的ESD吸收器(10)是一种保护单元，由TVS瞬态保护二极管和电阻组成用来防止静电对激光二极管的损害。TVS瞬态保护二极管与普通稳压二极管性能相似只不过响应速度更高。
本发明所称的输入滤波器实际是有共模滤波器(6)和差模滤波器(7)共同组成的装置。即能防止外部干扰进入驱动电源装置也能阻止驱动电源装置影响电网。
本发明所称的霍尔电流传感器11是一种基于霍尔效应的磁传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差这个电压和磁场及控制电流成正比：
VH＝K*H*IC
式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。
在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即：I∞B∞VH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。
本发明所称的大功率半导体激光器电源驱动装置，具有构思新颖、结构紧凑、效率高、体积小巧、安装方便、重量轻、无污染、可扩展电流、控制性能好、易于工业化批量生产等优点；它可广泛用于光电领域中需要为半导体激光器提供驱动源，特别适宜于需要由大电路驱动的大功率半导体激光器场合。
附图说明
图1：传统半导体激光器驱动电源结构示意图；
图2：大功率半导体激光器电源驱动装置结构示意图；
图3：大功率半导体激光器电源驱动装置电路原理图。
具体实施方式
本发明所称的大功率半导体激光器电源驱动装置的具体实施事例结合(图2)和图(图3)叙述如下：
一种大功率半导体激光器电源驱动装置，它包括，输入滤波器、直流开关电源模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感器(11)、调节器(12)、电位器(13)，其特征是，市电AC通过输入滤波器滤波进入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的控制端口与调节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端连接电位器(13)的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器(11)的测量输出端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感器(11)的测量环直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元(10)与半导体激光器(9)直流并联。
半导体激光器(9)(L1)使用CS-40-808型管芯其激光输出功率40W(CW)，额定工作电流40A总转换效率55％、临界电流8A、工作电压1.8V、串联电阻0.005欧姆。
开关电源模块(8)选用VICOR公司生产的额定功率180W输出电压3.3V半砖模块电源其输出电压能通过程控信号从额定电压的20％-110％连续可调，具备完善的过流、过压、高温保护等功能。远程遥控脚Sense+与OUT+相连、Sense-与OUT-相连，调整脚TRIM连接PI调节器输出端。
霍尔电流传感器11(LT1)采用闭环电路霍尔传感器HEC50-E3型额定测量电流50A线性度0.1％、输出精度0.5％、失调电流0.2mA、最大温度漂移0.6mV。开关电源模块9的OUT-端穿过霍尔传感器11的测量环与传感器无电学接触。测量电压输出端接PI调节器12的反相输入端、输出地线与开关电源模块8的OUT-相连。
输入滤波器(6、7)选用两阶滤波器。设定在100KHz时所需达到的衰减定为-24dB，阻尼系数取0.707这个比较合适的值，这样在100KHz时有-3dB的衰减，就不会因振荡而产生噪声。由以上要求可得C1＝1000PF，C2＝1000PF，L1＝10mH，L2＝10mH，L3＝10uH，L4＝10uH，C6＝1uF。且L1与L2同向绕制在一个骨架上。
ESD吸收器(10)由1SMB5.0AT3型TVS瞬态抑制二极管(TVS1)与100欧姆电阻(R1)并联组成。选择这个此参数时既保护激光器不受静电损坏同时也不会影响电流精度。
精密电位器(13)(RP1)选用多圈线绕电位器、阻值5K型号为MODEL534-5K。滑动端连接PI调节器12的同相输入端。固定端分别连接直流电源与底线。
模拟PI调节器(12)(AR1)设置直流增益35dB，选择穿越频率为20KHZ时有比较理想的直流精度和响应速度。失调电压为25uV、温度漂移小0.6uV/C，长期稳定性1uV/月，特别适用于高精度电源装置。
M1是3位半直流面板表用于测量霍尔电流传感器输出。用于方便观测实际半导体二极管电流。其量程范围0-5V最小显示分辨率达到0.1％以下完全能满足电源装置的需要。
当使用传统方案时采用同样激光器CS-40-808与相同的VICOR半砖模块电源。但VICOR半砖模块电源输出电压为3.3V固定不变而由大功率晶体管来调节实际激光器工作电流。激光器消耗功率为：
P1＝1.8V*40A＝72W
VICOR半砖模块电源输出功率：
Po＝3.3V*40A＝132W
由此可知在大功率晶体管3与分流器4上所消耗的功率为
Pd＝132W-72W＝60W
上述这60W能量都以热量的形式被耗散。电源实际利用率为：
η＝72W/132W*100％＝54.4％
当使用本文所述的大功率高效半导体电源驱动装置时VICOR半砖模块电源输出电压在1.2V-3.3V之间自动调节。同时又省略了分流器，分流器本质上是一个电阻当电流增加时耗损功率成倍增加。按照附图半导体激光器9和模块电源8是直接相连。所以理论电源利用率：
η＝72W/72W＝100％
节省了60W的电力，当使用更大功率的半导体激光器时两种不同构造的电源效率的差距将进一步增大。虽然本文所称的大功率高效半导体电源驱动装置使用了更多的元件结构也比传统驱动电源复杂但是长期使用成本减低。
Claims (6)
1.一种大功率半导体激光器电源驱动装置，它包括，输入滤波器、直流开关电源模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感器(11)、调节器(12)、电位器(13)，其特征是，交流市电通过输入滤波器滤波进入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的控制端口与调节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端连接电位器(13)的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器(11)的测量输出端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感器(11)的测量环直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元(10)与半导体激光器(9)直流并联。
2.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装置，其特征是，所述的输入滤波器由差模滤波器(6)与共模滤波器(7)构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装置，其特征是，所述的保护单元(10)即为静电放电吸收器，静电放电吸收器由瞬态抑制二极管与电阻并联构成。
4.根据权利要求1或2所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装置，其特征是，电位器(13)是一个多圈线绕的精密电位器。
5.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装置，其特征是，所述的直流开关电源模块(8)采用半砖或全砖电源模块。
6.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装置，其特征是，调节器(12)是一个具有比例积分调节功能的比例积分调节器。
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