CN101567519A

CN101567519A - 大电流脉冲ld激光器驱动电源

Info

Publication number: CN101567519A
Application number: CNA2009100859014A
Authority: CN
Inventors: 樊仲维; 周正生
Original assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101567519B

Abstract

本发明提供一种大电流脉冲LD激光器驱动电源，包括放电单元；所述放电单元包括用于计算外部负载的电压降的偏置电路，所述偏置电路包括第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第一可变电阻以及第一电容；所述第一MOS管的漏极与外部负载的阴极端相连，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接到地，所述第一MOS管的栅极通过第二电阻连接到第一可变电阻器以取得一恒定电压值，且所述第一MOS管的栅极还通过第一电容连接到地以稳定电压。本发明实现了对负载的大电流供电；实现了对外接负载的自适应性。实现了对储能电容的恒流充电，有利于充电效率的提高及对储能电容的保护；实现了多路保护电路对LD负载及电源本身的保护。

Description

大电流脉冲LD激光器驱动电源

技术领域

本发明涉及用于激光器的驱动电源，特别涉及一种大电流脉冲LD激光器驱动电源。

背景技术

当前，LD(Laser Diode，激光二极管)激光器的驱动电流通常都是连续型与小电流脉冲型的，而涉及大电流脉冲型LD激光器的驱动电源还很少。而且，现有的脉冲型激光器驱动电源都存在以下的问题：

1)、受应用的限制，输出脉冲电流幅值与脉冲宽度都比较小，因而只能用在小功率激光器上。

2)、由于驱动电源中所采用的驱动脉冲电平生成电路与控制驱动电路设计不合理，使得输出电流脉冲通常存在脉冲宽度随电流幅值大小、电流脉冲频率改变而变化的问题，这通常也会导致激光器光输出的不稳定性。

3)、目前，大部分大电流脉冲型LD激光器驱动电源都是针对特定负载而设计。当负载改变或者增减同一LD负载的个数时，驱动电源的参数都得重新设计调整，因此，适应负载能力差。

4)、目前的LD激光器驱动电源在智能性及远程控制性上远远不够，尤其是在某些需要考虑安全问题而需远程控制的专用场合或者在经常都需要改变频率、脉宽、大小等的场合使用时调节不方便。

5)、目前的LD激光器驱动电源在对LD负载的保护与对电源本身的保护电路设计上还不够合理。通常，当故障发生时，存在保护电路响应不够及时或者不响应等情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有的用于脉冲LD激光器的驱动电源所存在的功率小、输出电流脉冲不稳定、适应负载能力差等缺陷的基础上，从而提供一种适用于大电流脉冲LD激光器且具有较强负载适应能力的驱动电源。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大电流脉冲LD激光器驱动电源，包括放电单元；所述放电单元包括用于计算外部负载的电压降的偏置电路，所述偏置电路包括第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第一可变电阻以及第一电容；所述第一MOS管的漏极与外部负载的阴极端相连，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接到地，所述第一MOS管的栅极通过第二电阻连接到第一可变电阻器以取得一恒定电压值，且所述第一MOS管的栅极还通过第一电容连接到地以稳定电压。

上述技术方案中，所述放电单元包括放电部分电路，所述放电部分电路将多个储能电容的电量同时提供给外部负载。

上述技术方案中，所述放电单元还包括用于实现电流稳流输出的反馈控制环路，所述反馈控制环路包括运算放大器、第一三极管、第二三极管、第二可变电阻、采样电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容；

其中，所述运算放大器的正向输入端接地，所述运算放大器的反向输入端通过所述第二可变电阻连接到外部的Drive接线端，所述采样电阻上的电压信号通过第五电阻与第五电容的并联结构后也连接到所述运算放大器的反向输出端；所述运算放大器的输出经过第一三极管、第二三极管推挽放大后，经由第六电阻驱动放电管的栅极端。

上述技术方案中，包括充电单元；所述的充电单元包括用于提供稳定电平的第三电容、第四电容，用于控制电路断开或闭合的第一开关管、第二开关管，以及串联谐振部分；其中，所述的串联谐振部分包括依次连接的第二电容、第一变压器、第一电感；

所述充电单元将所得到的直流电跨接在所述第三电容、第四电容的两端，在所述第三电容、第四电容的两端还跨接有所述的第一开关管、第二开关管，所述第二电容连接到所述第三电容、第四电容的连接点，所述第一电感连接到所述第一开关管、第二开关管的连接点。

上述技术方案中，所述的充电单元还包括用于为第三电容、第四电容均压的第三电阻、第四电阻；所述第三电阻、第四电阻并联在所述第三电容、第四电容的两端，在电源停止工作后泄放第三电容、第四电容所储存的电能。

上述技术方案中，所述的充电单元还包括用于对所述第一开关管、第二开关管的关断和导通进行控制的控制芯片。

上述技术方案中，包括控制驱动单元，所述的控制驱动单元包括脉冲调节电路；所述脉冲调节电路包括用于控制输出脉冲的最大电流幅值的控制信号的Vref接线端，用于控制实际输出脉冲电流幅值的控制信号的DA_OUT接线端，用于控制实际输出脉冲宽度的控制信号的TTL接线端，以及第二运算放大器、第三三极管、第四三极管、第二MOS管；其中，

DA_OUT端输入的信号经过由第二运算放大器和第三三极管所组成的放大电路放大后，传输到第二MOS管的漏极端，而TTL信号经第四三极管放大后传输到第二MOS管的栅极端；第二MOS管的源极端输出包含幅值、频率、脉宽、延时信号的一个脉冲驱动信号，再经过一级运算放大器反向放大后输出。

上述技术方案中，包括单片机控制单元，所述的单片机控制单元包括输入参数输出反馈参数处理部分、液晶显示部分、按键处理部分、远程通信部分以及抗干扰装置。

上述技术方案中，所述的单片机控制单元由片上系统单片机以及CPLD芯片实现。

本发明还提供了一种大电流脉冲LD激光器，采用了所述的驱动电源。

本发明的优点在于：

1、实现了对负载的大电流供电。

2、实现了对外接负载的自适应性。

3、实现了对储能电容的恒流充电，有利于充电效率的提高及对储能电容的保护。

4、实现了多路保护电路对LD负载及电源本身的保护。

5、实现对电源操作的智能化与人性化。

附图说明

图1为本发明的驱动电源的结构示意图；

图2为本发明的驱动电源中的AC-DC充电单元的充电部分的电路图；

图3为本发明的驱动电源中的AC-DC充电单元的驱动部分的电路图；

图4为本发明的驱动电源中的AC-DC充电单元的电路保护部分的电路图；

图5为本发明的驱动电源中的控制驱动单元的采样电路的电路图；

图6为本发明的驱动电源中的放电单元部分的电路图；

图7为本发明的驱动电源中的控制驱动单元的脉冲调节电路的电路图；

图8为本发明的驱动电源中的单片机控制单元的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

参考图1，本发明的大电流脉冲LD激光器驱动电源包括储能电容、AC-DC充电单元、放电单元、控制驱动单元以及单片机控制单元；其中，与外部电源相连的AC-DC充电单元连接到所述的储能电容，所述的储能电容连接到所述的放电单元，所述的单片机控制单元通过所述控制驱动单元分别对所述的储能电容、AC-DC充电单元、放电单元进行控制。本发明的驱动电源在工作时，将所述的放电单元与大电流脉冲LD激光器连接，为该激光器提供满足要求的电能。

下面对驱动电源中上述各个单元的具体功能以及相应的电路结构分别做进一步的说明。

AC-DC充电单元的主要作用是为储能电容充电。此外，这一充电单元在充电过程中应当能够对储能电容进行保护，防止储能电容的充电电压过高；充电单元还应当在电源停止工作或关机时，使得储能电容所存储的电能能够自动泄放以保证人身安全；最后，充电单元还应当能够根据不同LD激光器所需电压的不同，对储能电容的充电电压进行调整，使得本发明的驱动电源具有负载自适应性。

为了实现AC-DC充电单元的上述功能，在图2、图3和图4中给出了AC-DC充电单元的一种实现方式的电路结构图。参考图2，在该实现方式中，AC-DC充电单元采用半桥拓扑结构以及L-C串联谐振方式为储能电容充电。其中，外接电源(如220V交流市电)经过J1接口接入到AC-DC充电单元的内部，再通过在电源电路中常见的滤波电路、软启动电路、整流电路后将交流电整流成直流电，所得到的直流电跨接在两个规格为250V/330u的串联电容E3、E4的两端，并且每个电容各自并联一个75K的功率电阻R14和R16。所述电阻R14和R16为电容E3与E4起到均压作用，并在电源停止工作后起到泄放E3与E4所储存电能的作用。在电容E3、E4的两端还跨接有开关管M1、M2。在充电过程中，所述的开关管M1、M2轮流导通或关断。例如，在充电过程中，首先将开关管M1导通一段时间，然后关断M1，过一小段时间后，再将开关管M2导通一段与M1导通时间相同的时间，然后关闭M2，再经过一小段时间后，又将M1导通，如此往复循环，直至充电过程完毕。在本实现方式中，M1、M2可以为型号为22N50的开关型MOS管。充电单元中的串联谐振部分由电容C6、变压器T1、电感1三个元件串联组成，串联谐振部分的两端分别连接在E3、E4串联后的连接点与开关管M1、M2串联的连接点。所述的变压器T1的二次绕组与一电桥B2连接，通过该电桥将整流后的直流电输送给储能电容充电。充电单元的上述结构实现了对储能电容的恒流充电，有利于对储能电容的保护。

在充电单元中，开关管M1、M2的关断和导通是在一个芯片的控制下实现的。在本发明的实施例中，所述芯片采用芯片SG3525。如图3所示，芯片SG3525的11脚和14脚用来驱动实现开关管M1、M2的关断和导通。为了加快这一关断和导通的过程并减少损耗，同时增加芯片SG3525的驱动能力，在与11脚和14脚相关的驱动中采用了对管BD237(Q1，Q4)与BD238(Q2，Q3)的推挽连接。此外，在每一路驱动中还使用了小型变压器Tdr1与Tdr2，从而解决芯片SG3525与两个开关管M1、M2的共地问题及隔离安全保护问题。

芯片SG3525还能够通过为10脚输入高电平来关断前述11脚和14脚驱动的输出，防止储能电容充电电压过高，从而对储能电容进行保护。如图4所示，芯片的低压部分与储能电容端的高压部分采用tlp521光耦进行隔离以确保安全。图4中的charge接线端与dis接线端分别接SG3525的10脚与图3中的Q3、Q6三极管的共同的基极端。这样，当储能电容电压高过设定值时，稳压管V2导通，Q8的基极端高于0.7V时也导通，促使Q7导通，因此Q7的射极端电压为低，光耦导通。charge接线端与dis接线端电压均升高，关断芯片的11脚、14脚的脉冲输出，同时也迅速通过Q3、Q4把输出隔离变压器的初级绕组电压拉低到地，迫使充电过程结束。

图3中芯片SG3525的10脚还通过光耦连接到单片机控制处理模块的单片机C8051F020的92脚。单片机控制处理模块在偏置单元的配合下可以通过计算采样输出LD负载两端的电压值来调整不同LD负载所需的储能电容上的不同电压值，因此本电源具有很好的负载自适应性。

放电单元的作用是为所负载的大电流脉冲LD激光器提供电流。为了确保所负载的LD激光器的安全使用，放电单元应当能够保证电流能够稳流输出，并随着负载的动态变化，提供对输出电流的线性调节。在放电单元中要实现线性调节输出电流，需要采用大功率的MOS管，在本发明的一个实施例中，所述的大功率MOS管采用IXYS公司生产的型号为IXFN80N50Q2的场效应管，该管具有过电流容量大、抗冲击能力强等优点，因此非常适合大脉冲电流放电。

在图6中，给出了放电单元的放电部分的电路图，其中，储能电容E1的正端(Vo+端)接LD负载的阳极，LD负载的阴极则连接到型号为80N50Q2的MOS调整管M4(实为两个同样的调整管并联，可驱动大电流)的漏极。M4的源极通过采样电阻Rc2连接到储能电容的负极，从而构成了放电单元中的放电部分的电流通路。为了对LD负载进行防静电、放电电流和冲击电流保护，放电部分的一种优选实现方式是在LD负载两端并联一型号为DSEI60-06A的反向二极管D1以及一规格为1M的电阻。需要说明的是，为了向LD负载提供大电流，放电单元通常并不仅仅包括在图6中所示出的储能电容E1，而是将多个储能电容并联在一起，共同向LD负载供电。

为了使得本发明的驱动电源能够适用于不同的负载，使得驱动电源具有广泛的适用性。在一个优选实施方式中，在将与直接负载连接的放电单元中包括一偏置电路。如图6的右侧部分，在该偏置电路中，IRF540型MOS管M3的漏极接在LD负载的阴极端，M3的源极通过一电阻R42连接到地，M3的栅极通过一电阻R37连接到一可变电阻器Rd2来取得一恒定电压值，并且M3的栅极通过一电容C37连接到地以起到稳压作用。上电后M3恒流导通，通过此恒流可计算出负载的电压降，从而调整储能电容的充电电压以实现负载的自适应性。此外，有了偏置电路以后，放电单元在放电一开始的几个脉冲就能够达到稳定的输出，而不具有偏置电路的放电单元则通常只有在放电几个脉冲后才能达到稳定输出的效果。

放电单元还可采用一个反馈控制环路来实现电流的稳流输出。依然参见图6，该反馈控制环路包括运算放大器U1，推挽连接的三极管Q1与Q2，电阻R6、R5、R4，电容C9、C11、C12。其中，运算放大器U1的正向输入端接地，反向输入端通过一可调电阻连接到图7的Drive接线端，采样电阻Rc2上(即放电MOS功率管M4的源极端)的电压信号通过电阻R4与电容C9的并联结构后也连接到U1的反向输出端。U1的输出经过Q1与Q2推挽放大后，经由电阻R6驱动放电管的栅极端，从而形成所述的反馈控制环路。在上述反馈控制环路中，需要根据所制PCB版图的结构、负载线的长短、LD负载的特性等信息来具体优化电路中电容电阻的参数。在图6中所给出的参数值是经过实验试验过的且具有比较好输出性能的参数值。放电单元通过反馈控制环路实现电流的稳流输出有利于对LD负载的保护，防止LD负载由于电流的不稳定而造成损坏。

在放电单元中，除了前述的放电部分和反馈控制环路外，还包括有对整个驱动电源的开关进行控制的开关控制电路。在开关控制电路中，运放OP-07的3脚直接接地，通过7脚可为该运放提供正向电源。通过连接到单片机控制单元的输出RUN接线端来得到控制输出的开关信号，再通过由两个三极管Q3与Q4，电阻R14、R10、R13、R12，电容C15构成的网络来控制OP-07的供电，从而控制线性调整管80N50Q2，进而实现了对放电部分是否为负载提供电流的控制。

控制驱动单元的作用是对前述充电单元和放电单元进行控制、驱动以及保护。具体的说，控制驱动单元要实现对包括输出电流幅值、输出电压幅值、输出脉冲个数以及输出脉宽在内的输出参数的采样；要实现包括水压欠压保护、LD负载过温保护、输出过电流保护、LD负载开路保护、输出电路脉冲宽度保护在内的多种保护功能；还要实现电压电流基准控制信号与电压电流采样信号的比较，所得到的比较结果与各种故障信号以及启动、停止信号综合后输出到一信号到PWM芯片SG3525的第10脚以控制芯片SG3525的输出。

在图5中，对控制驱动单元用于采样的电路进行了描述，从该图中可以看出，采样电路包括对输出电压、电流以及脉冲三种参数进行采样的相关电路。其中，图5(a)中采样电路的Vo-用于检测LD负载的阴极电压，采样后所得到的电压值用Vd表示，图5(b)中采样电路的Vo+用于检测LD负载的阳极电压，采样后所得到的电压值用Vocy表示。在图5(c)中采样电路的脉冲电流幅值采样点取在图6中M2开关管80N50的源极，经过采样电路输出两路，其中的Iocy输出端所输出的为电流幅值采样，其中的pulsein输出端所输出的为脉冲个数计数。上述采样电路的输出结果均输入到单片机输入单元做后续的综合处理。

在图7中，对控制驱动单元中用于调节脉冲的相关电路进行了描述。从图中可以看出，图7中的Drive接线端通过一可变电阻器Rd1连接到图6中的运算放大器U1的2脚。三个接线端Vref、DA_OUT和TTL从单片机控制单元接收分别用于控制输出脉冲的最大电流幅值、实际输出脉冲电流幅值和脉冲宽度的控制信号。其中，Vref为一用于限制最大输出电流的基准电压，当DA_OUT端由于干扰或其它原因导致运算放大器的输出端电压大于Vref端电压时，与Vref接线端子连接的二极管立即导通，即相当于把电压嵌位于Vref。DA_OUT是模拟电压基准信号，用于控制电流放电的幅值大小。TTL是经过调制的包含频率、脉宽、延时等信息的矩形波脉冲信号，此信号用于调制由DA_OUT控制的含幅值信号的电平信号，即把含幅值信号的电平信号分割成一个一个脉冲信号，所得到的脉冲信号包含有幅值、频率、脉宽、延时等信息。上述控制信号在上述电路中综合后输出到Drive接线端，从而控制了驱动LD负载的脉冲电流的幅值大小、脉宽的长短与频率的高低。在脉冲调节电路中，DA_OUT端输入的信号经过由运算放大器U18和三极管Q6所组成的放大电路放大后，传输到MOS管M5的漏极端，而TTL信号经三极管Q5放大后传输到MOS管M5的栅极端。由此，MOS管M5的源极端可输出包含幅值、频率、脉宽、延时信号的一个脉冲驱动信号，再经过一级运算放大器反向放大后输出至Drive端驱动后一级电路。

单片机控制单元用于实现用户对本发明的驱动电源的控制。单片机控制单元提供了两种控制方式，一种是本地控制方式，一种是远程控制方式。采用本地控制方式时，用户可以通过本激光器驱动电源面板上的按钮设置输出电流幅值、脉冲宽度、重复频率和同步延时等各种参数，并且在液晶面板上显示输出状态。采用远程控制方式时，用户可通过计算机对驱动电源进行远程通信与控制，在通信与控制的过程中，驱动电源可以根据接收到的计算机命令来设置电流、脉宽、重复频率、同步延时等参数。同时，还可以把电源的各种工作状态(关机/在线、待机、工作、具体故障)、控制方式(本地/远程)、输出电流、峰值电流、脉宽、上升沿、下降沿、同步延时、储能电容电压、发次(放电次数)等参数反馈给计算机。由单片机控制单元所提供的上述两种控制方式是一种优选的实现方式，本领域的技术人员在实现时也可根据需要选择其中的一种控制方式。

根据上述两种工作方式，单片机控制单元包括输入参数输出反馈参数处理部分、液晶显示部分、按键处理部分、远程通信部分、抗干扰装置等。在本发明的一个实施例中，如图8所示，单片机控制单元采用片上系统SOC控制芯片C8051F020和CPLD芯片XC2C384-10TQ144C为核心的硬件设计。其中的C8051F020单片机提供了前述各个单元在工作时所需要的控制信号，如Vocy、Vd、RUN、TTL等。当用户需要改变电路中的参数时，只要对控制芯片和CPLD芯片中的程序进行修改即可，无需对硬件电路加以改变。单片机控制单元的上述硬件实现只是可行实现方式中的一种，本领域普通技术人员可采用其它有类似功能型号的单片机或者CPLD芯片代替。

与现有技术中常见的激光器驱动电源相比，本发明的驱动电源通过放电单元中的偏置电路对储能电容的充电电压进行调整，从而实现了对外接负载的自适应性。

本发明的驱动电源的充电单元将半桥拓扑结构与LC串联谐振方式相结合，实现了对储能电容的恒流充电，有利于对储能电容的保护。

本发明的驱动电源的放电单元通过反馈控制环路实现电流的稳流输出有利于对LD负载的保护，防止LD负载由于电流的不稳定而造成损坏。

本发明的驱动电源将多个储能电容并联在一起共同向外接的LD负载供电，实现了对负载的大电流供电。

本发明的驱动电源中的单片机控制单元采用了片上系统单片机以及CPLD芯片，使得当用户需要改变电路中的参数时，只要对控制芯片和CPLD芯片中的程序进行修改即可，无需对硬件电路加以改变，增加了整个驱动电源的适用范围。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，包括放电单元；所述放电单元包括用于计算外部负载的电压降的偏置电路，所述偏置电路包括第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第一可变电阻以及第一电容；所述第一MOS管的漏极与外部负载的阴极端相连，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接到地，所述第一MOS管的栅极通过第二电阻连接到第一可变电阻器以取得一恒定电压值，且所述第一MOS管的栅极还通过第一电容连接到地以稳定电压。

2、根据权利要求1所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，所述放电单元包括放电部分电路，所述放电部分电路将多个储能电容的电能同时提供给外部负载。

3、根据权利要求2所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，所述放电单元还包括用于实现电流稳流输出的反馈控制环路，所述反馈控制环路包括运算放大器、第一三极管、第二三极管、第二可变电阻、采样电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容；

4、根据权利要求1所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，包括充电单元；所述的充电单元包括用于提供稳定电平的第三电容、第四电容，用于控制电路断开或闭合的第一开关管、第二开关管，以及串联谐振部分；其中，所述的串联谐振部分包括依次连接的第二电容、第一变压器、第一电感；

5、根据权利要求4所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，所述的充电单元还包括用于为第三电容、第四电容均压的第三电阻、第四电阻；所述第三电阻、第四电阻并联在所述第三电容、第四电容的两端，在电源停止工作后泄放第三电容、第四电容所储存的电能。

6、根据权利要求4所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，所述的充电单元还包括用于对所述第一开关管、第二开关管的关断和导通进行控制的控制芯片。

7、根据权利要求1所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，包括控制驱动单元，所述的控制驱动单元包括脉冲调节电路；所述脉冲调节电路包括用于控制输出脉冲的最大电流幅值的控制信号的Vref接线端，用于控制实际输出脉冲电流幅值的控制信号的DA_OUT接线端，用于控制实际输出脉冲宽度的控制信号的TTL接线端，以及第二运算放大器、第三三极管、第四三极管、第二MOS管；其中，

8、根据权利要求1所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，包括单片机控制单元，所述的单片机控制单元包括输入参数输出反馈参数处理部分、液晶显示部分、按键处理部分、远程通信部分以及抗干扰装置。

9、根据权利要求8所述的大电流脉冲LD激光器驱动电源，其特征在于，所述的单片机控制单元由片上系统单片机以及CPLD芯片实现。

10、一种大电流脉冲LD激光器，其特征在于，采用了权利要求1-9之一的驱动电源。