CN102064463B - 一种激光驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光器驱动电路及其控制方法，由PWM调制电路，激光器组件和运算放大器检测电路构成；PWM调制电路由电感、谐振电容和开关管组成，电感和开关管串联、而谐振电容并联在谐振电感的输出端；激光器组件由(半导体)激光器、电阻和场效应管构成，运算放大器的输出接CPU的输入端；被驱动的激光器组件的激光器的阳极连接到PWM调制电路的电感的负端，激光器的阴极与一电阻串联；运算放大器检测电路中的运算放大器输入端连接到激光器阴极和所述串联电阻相联接的一端。本发明提供一种效率高、功耗低的半导体激光二极管(激光器)驱动电路。控制PWM调制电路的直流输出电压幅值，能大大降低激光器驱动回路的功耗。

Description

一种激光驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及在电力系统中电气量数据的采集，尤其是需要通过激光供电采集一次侧电流、电压信号的光CT、PT等相关装置。 

背景技术

在光CT、PT信号测量中，一般采用低压侧激光器通过高压光纤给高压侧的远端采集模块提供激光能量，维持高压侧远端模块的正常运行。 

低压侧激光器通过相应的驱动电路控制其光功率的发送。目前光CT在工程上通常采用传统的激光器驱动电路如图1所示，即电源电压为+5V或+3.3V，通过调节激光器驱动回路中的功率三级管Q1的导通电阻阻值来控制激光器驱动电流，因此功率三极管Q1需工作在线性区。 

激光器D1正常工作时其管压降为2V，驱动电流为0.7A，消耗功率为1.4W。以+5V电源电压为例，功率三级管Q1需承担3V的压降，折算成功率，功率三极管Q1需要额外消耗2.1W。每路激光器驱动电路需要额外消耗2.1W功率，一个板卡三路需要额外消耗6.3W功率，这6.3W功率占总功耗的60％。因此传统激光器驱动电路效率非常低，总功耗的60％功率被浪费掉，同时被浪费的功率转换成热量，使得激光器的运行环境温度进一步提高。 

激光器的工作寿命与其工作的环境温度密切相关，因此激光器工作都需要良好的散热条件，使得激光器长期在较低温的环境下运行，来确保激光器的使用寿命。故传统激光器驱动电路除了工作效率低外，额外增加了激光器的散热难度，不利于激光器在一个装置内集中、长期、可靠应用。 

一般板卡工作电压为+5V，故激光器驱动电路采用+3.3V电源同样需要通过LDO(线性电压)获得，LDO的有34％以发热的形式消耗，未解决激光器系统发热问题，因此激光器驱动电路效率与+5V电源电压一致，不另分析。 

因此，迫切需要一种效率更高的激光器驱动电路来替换传统激光器驱动电路，解决驱动电路效率低及其所导致的发热等问题。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种可以代替传统激光驱动电路的激光器驱动电路，能够克服工作效率低，功效低，发热大等缺点，从而提高激光器的使用寿命。 

本发明的技术方案：一种激光器驱动电路，其特征是：由PWM调制电路，激光器组件和运算放大器检测电路构成；PWM调制电路由电感、谐振电容和开关管组成，电感和开关管串联、而谐振电容并联在谐振电感的输出端(电感的负端即电容正端)，；激光器组件由(半导体)激光器、电阻和场效应管构成，运算放大器的输出接CPU的输入端；被驱动的激光器组件的激光器的阳极连接到PWM调制电路的电感的负端，激光器的阴极与一电阻串联；运算放大器检测电路中的运算放大器输入端连接到激光器阴极和所述串联 电阻相联接的一端。一种激光器驱动电路，其特征是设有运算放大器检测电路及PWM调制电路，PWM调制电路由一个电感、谐振电容和开关管组成；电感和开关管串联、而谐振电容并联在谐振电感的输出端；激光器的阳极连接到PWM调制电路的激光器的阴极和电阻串联；运算放大器输入端连接到激光器阴极和所述串联电阻相联接的一端。激光器组件由(半导体)激光器、电阻、场效应管构成。运算放大器的输出接CPU检测的输入端(或通过AD轮换再接入)，即检测口，CPU的输出接开关管。 

电感的输入端还并联一只二极管。 

上述PWM调制电路由一个谐振电感、谐振电容和开关管Q1组成的。 

发明驱动电路的控制方法，激光器驱动电路的控制方法，设有PWM调制电路，激光器组件和运算放大器检测电路；PWM调制电路由电感、谐振电容和开关管组成、而谐振电容并联在电感的输出端，且电感的输入端还并联一只二极管；激光器的阳极连接到PWM调制电路的电感的负端，激光器的阴极和电阻串联；运算放大器输入端连接到激光器阴极和所述串联电阻相联接的一端；CPU检测该串联电阻两端的输出电压，再通过一个IO口连接PWM调制电路的开关管，CPU控制开关管的开通及关断来调节PWM调制电路的占空比，激光器的工作电压由PWM调制电路闭环控制调节。 

激光器D2正常工作时激光器组件的第一场效应管Q2截止，激光器组件的第二场效应管Q3处于开关导通状态；CPU通过运算放大器U1A检测电路来实时检测激光器D2的驱动电流，即检测激光器驱动电流在所述电阻R2上的压降，即测量输出电压ILAS，若激光器D2驱动电流小于设定电流，通过控制开关管Q1的栅极逐渐增大PWM的占空比来提高激光器D2的阳极工作电压，从而提高激光器的驱动电流；若激光器D2驱动电流大于设定电流，通过控制开关管Q1的栅极逐渐减小PWM的占空比来降低激光器D2的阳极工作电压，从而减小激光器D2的驱动电流。 

其中：CPU为每833us检测一次激光器驱动电流，PWM调制的占空比最小可为5％～10％。 

本发明的有益效果：本发明不仅提高了激光器驱动电路的工作效率，并且降低了功耗减少了发热，从而提高了激光器系统得使用寿命。 

附图说明

图1为传统的激光二极管驱动控制电路 

图2为本发明单电源低功耗激光二极管控制电路 

具体实施方式

传统方式的驱动控制电路如图1所示，通过调节激光器驱动回路中的功率三级管Q1的导通电阻阻值来控制激光器驱动电流，大量功率消耗在功率三极管Q1上，效率低；而本发明的激光器驱动电路如图2所示，通过PWM调制方式动态调节激光器的阳极电压，从而控制激光器的驱动电流，主要功率由激光器转换成光信号，效率高。 

如图2所示：激光器D2阳极连接到PWM调制电路(或称谐振单元，由电感L1、电 容C1、二极管D1构成)电感L1的负端、电容C1的正端，开关管Q1的源极连接到电源的正端，漏极连接电感L1的正端、二极管D1的阴极，栅极接CPU的一个IO口管脚；激光器D2(与场效应管Q2并联)的阴极连接电阻R1，与第二场效应管(MOS管)Q3串联；运算放大器U1A的输入端接激光器D2阴极所连接电阻R1的另一端，运算放大器的两输入端并联电阻R2，同时电阻R2的一端与电阻R1相连结，系统通过CPU检测激光器驱动电流在电阻R2上的压降，即测量输出电压ILAS，然后CPU根据设定的程序通过I0口连接PWM调制电路的开关管Q1的栅极，控制开关管Q1的开通及关断。 

当PWM调制电路输出的电压不在正常范围内(≥3V)时，通过CPU的两个I0分别控制场效应管Q2的导通，场效应管Q3截止；当PWM调制电路输出电压在正常范围内(＜3V)，控制场效应管Q2截止，场效应管Q3导通。 

正常工作时，场效应管Q2截至，Q3处于开关导通状态；CPU通过运算放大器U1A检测(也是监测)电路实时检测激光器D2的驱动电流在电阻R2上的压降来计算激光器D2驱动电流的大小，若该电流小于设定电流，CPU则通过控制开关管Q1的栅极逐渐增大PWM的占空比来提高激光器D2的阳极工作电压，从而提高激光器的驱动电流，并使其逐步接近目标电流。若激光器D2驱动电流大于设定电流，通过控制开关管Q1的栅极逐渐减小PWM的占空比来降低激光器D2的阳极工作电压，从而减小激光器D2的驱动电流，并使其逐步接近目标电流。 

激光器正常工作时，场效应管Q2截止，场效应管Q3处于开关导通状态，因此只有阻值很小的电阻R2与激光器D2串联。激光器D2正常工作时管压降为2V左右，电阻R2阻值很小，当驱动电流为0.7A时，R2上的压降小于0.2V。故激光器D2管压降占其阳极电压(总工作电压)的比例超过90％，即激光器驱动电路的效率大于90％。因此激光器驱动电路在+5V电源工作下，驱动电流为0.7A时，总功耗为1.5W左右，远小于相同驱动电流下，需要3.5W功耗的传统激光器驱动电路。所以新型激光器驱动电路既降低了电源的整体功耗，同时又减少了驱动电路的发热，从而简化了激光器的散热实现方案，降低了激光器的运行温度，提高了激光器的使用寿命。为激光器集中安装、长期可靠运行创造了条件。 

激光器驱动单元的PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)电路调制电压闭环控制原理如下：当CPU检测激光器驱动电流小于设定门槛值，如0.7A(此参数可根据激光器的参数确定)时，CPU逐渐增大PWM的调制占空比(占空比即Duty Cycle：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值)，提高PWM调制的输出电压，即激光器的阳极工作电压，从而增大激光器的驱动电流。反之，当CPU检测激光器的驱动电流大于设定门槛值时，CPU逐渐减小PWM的调制占空比，降低PWM调制的输出电压，即激光器D2的阳极工作电压，从而减小激光器D2的驱动电流。以上两种调节过程均通过调节PWM占空比，控制PWM的输出直流电压大小来实现。 

其中：CPU为每833us检测一次激光器驱动电流，PWM调制的占空比最小可为5％～10％。 

Claims (10)

1. 一种激光器驱动电路，其特征是：由PWM调制电路，激光器组件和运算放大器检测电路构成；PWM调制电路由电感、谐振电容和开关管组成，电感和开关管串联，谐振电容并联在电感的输出端；激光器组件由半导体激光器、串联电阻和场效应管构成，运算放大器的输出接CPU的输入端；被驱动的激光器组件的激光器的阳极连接到PWM调制电路的电感的负端，激光器的阴极与上述串联电阻串联；运算放大器检测电路中的运算放大器输入端连接到激光器阴极所连接串联电阻的另一端；激光器组件中的场效应管（Q2）与该激光器并联。

2.由权利要求1所述的激光器驱动电路，其特征是：电感的输入端还并联一只二极管。

3.由权利要求1所述的激光器驱动电路，其特征是：所述激光器的阳极连接到电感（L1）的负端，即电容（C1）的正端，开关管（Q1）的源极连接到电源的正端，漏极连接电感（L1）的正端。

4.由权利要求2所述的激光器驱动电路，其特征是二极管（D1）的阴极和开关管（Q1）栅极接CPU的一个I/O口管脚。

5.由权利要求1所述的激光器驱动电路：其特征是：运算放大器的两输入端并联第二电阻（R2），同时第二电阻（R2）的一端与所述串联电阻（R1）相连接。

6.如权利要求5所述的激光器驱动电路，其特征是：所述的串联电阻（R1）同时与第二场效应管（Q3）并联。

7.激光器驱动电路的控制方法，其特征是设有PWM调制电路，激光器组件和运算放大器检测电路；激光器组件包括激光器，运算放大器检测电路包括运算放大器；PWM调制电路由电感、谐振电容和开关管组成、而谐振电容并联在电感的输出端，且电感的输入端还并联一只二极管；激光器的阳极连接到PWM调制电路的电感的负端，激光器的阴极和串联电阻串联；运算放大器输入端连接到激光器阴极所连接电阻的另一端；CPU检测该串联电阻两端的输出电压，再通过一个I/O口连接PWM调制电路的开关管，CPU控制开关管的开通及关断来调节PWM调制电路的占空比，激光器的工作电压由PWM调制电路闭环控制调节。

8.根据权利要求7所述的激光器驱动电路的控制方法，其特征是激光器（D2）正常工作时激光器组件的第一场效应管（Q2）截止，第一场效应管（Q2）与该激光器并联，激光器组件的第二场效应管（Q3）处于开关导通状态，第二场效应管（Q3）与串联电阻并联，运算放大器的两输入端并联第二电阻（R2）；CPU通过运算放大器（U1A）检测电路来实时检测激光器（D2）的驱动电流，即检测激光器驱动电流在第二电阻（R2）上的压降，即测量输出电压ILAS，若激光器（D2）驱动电流小于设定电流，通过控制开关管（Q1）的栅极逐渐增大PWM的占空比来提高激光器（D2）的阳极工作电压，从而提高激光器的驱动电流；若激光器（D2）驱动电流大于设定电流，通过控制开关管（Q1）的栅极逐渐减小PWM的占空比来降低激光器（D2）的阳极工作电压，从而减小激光器（D2）的驱动电流。

9.如权利要求8所述的激光器驱动电路的控制方法，其特征是：在PWM调制电路输出电压不在正常范围内时，通过CPU的两个I/O口分别控制第一场效应管（Q2）的导通，第二场效应管（Q3）截止；当PWM调制电路输出电压在正常范围内，控制第一场效应管（Q2）截止，第二场效应管（Q3）导通。

10.根据权利要求8所述的激光器驱动电路的控制方法，其特征是其中：CPU为每833μs检测一次激光器驱动电流，PWM调制的占空比最小为5%~10%。

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