CN102306902B

CN102306902B - 激光二极管驱动电源

Info

Publication number: CN102306902B
Application number: CN 201110235568
Authority: CN
Inventors: 施伟; 田怀勇; 金英杰
Original assignee: Shanghai Zhikaijie Laser Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhikaijie Laser Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: CN102306902A

Abstract

一种激光二极管驱动电源，由-隔离型CAN通讯模块、嵌入式控制器、三个场效应管驱动芯片、P沟道场效应管、两个N沟道场效应管、电流传感器、放大器、扼流线圈和肖特基二极管构成。本发明大功率脉冲和连续工作模式兼容，并集成实时通讯功能，全数字参数调整及控制。支持多种激光二极管的激励方式，可动态调整激光二极管激励电流或脉宽，保证激光二极管泵浦激光器输出的单脉冲能量或功率更稳定、光束质量更好。本发明的电流最大可达120A；电流调节精度0.01A，稳定度±0.5%，脉冲模式下调制频率最高100kHz，上升沿为1-10us。

Description

激光二极管驱动电源

技术领域

本发明涉及一种激光二极管驱动电源，特别是一种激光二极管驱动电源。该电源适合多种半导体端泵激光二极管和侧泵激光二极管，可应用于连续泵和脉冲泵激光器上。该电源特别具有阈值电流和动态电流脉冲宽度调整，使激光器功率或能量更稳定。

技术背景

目前激光二极管驱动电源基本上以大功率场效应管或IGBT在功率管放大区内通过电流反馈调整电流，达到恒流的目的，这类电源效率低，热损耗大，尤其是驱动2V/60A等低电压的激光二极管时，电流很难做大，效率最多做到60%,需要加庞大的散热器才可以工作，对使用环境也有要求，否则会因过热而损坏功率管，导致激光二极管的损坏。

在激励模式方面，目前分两大类，一类是连续激光二极管驱动电源，一类是脉冲激光二极管驱动电源，对于传统的脉冲电源，在低电压大电流时脉冲上升沿很大。这对于激光二极管在大电流跃进时对激光管寿命有很大的影响。

传统模拟激光二极管驱动电源存在抗干扰性差，自身的空间电磁辐射大，电流纹波系数大，电流控制精度不够等缺点，在和其它设备系统连接时，主要还是靠模拟电压调整电流，通过TTL进行使能及故障报警，这样就很容易受外界因素干扰特别是应用在具有高压开关的电光Q激光器上，尤为明显。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种激光二极管驱动电源。以提高电源的抗干扰性和电流控制精度，降低电流纹波系数。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光二极管驱动电源，其特点在于由嵌入式控制器、三个场效应管驱动芯片、P沟道场效应管、两个N沟道场效应管、电流传感器、放大器、扼流线圈和肖特基二极管构成，所述的该嵌入式控制器的第一脉宽调制端口接第一场效应管驱动芯片的输入管脚，该第一场效应管驱动芯片的输出管脚接P沟道场效应管的G管脚，该P沟道场效应管的S管脚接供电电源的正极；

所述的嵌入式控制器的第二脉宽调制端口接第二场效应管驱动芯片的输入管脚，第二场效应管驱动芯片的输出管脚连接第一N沟道场效应管的G管脚，该第一N沟道场效应管的S管脚接地；

所述的P沟道场效应管的D管脚和所述的第一N沟道场效应管的D管脚以及扼流线圈的一端形成节点，该扼流线圈的另一端与肖特基二极管的A管脚、激光二极管的输入端、第二N沟道场效应管的D管脚形成节点，所述的肖特基二极管的K 管脚接供电电源VDD的正极；

在所述的P沟道场效应管的D管脚和所述的第一N沟道场效应管的D管脚与所述的流线圈之间的电路上设有电流传感器，该电流传感器的输出端经放大器与所述的嵌入式控制器信号输入端相连；

所述的嵌入式控制器的IO端口经第三场效应管驱动芯片与所述的第二N沟道场效应管的G管脚相连，该第二N沟道场效应管的S管脚接地。

所述的嵌入式控制器还与隔离型CAN通讯模块相连。

所述的嵌入式控制器通过第一脉宽调制端口通过第一场效应管驱动芯片和P沟道场效应管对扼流线圈进行充电；所述的嵌入式控制器通过第二脉宽调制端口经第二场效应管驱动芯片和第一N沟道场效应管对扼流线圈进行放电；一充一放，在所述的P沟道场效应管、第一N沟道场效应管和扼流线圈之间形成震荡。所述的电流传感器负责感应通过铜线的信号电流采集电流信号，该电流信号经放大器放大后送所述的嵌入式控制器，经模数转换后与嵌入式控制器内设定的电流进行比较运算，所述的嵌入式控制器通过改变的PWM0和PWM1的占空比，形成一个闭合负反馈环路，使流过扼流线圈的电流恒定，达到激光二极管所需要的恒定电流（预设电流）。

所述的肖特基二极管是反接的，即肖特基二极管的A管脚接扼流线圈的输出端，肖特基二极管的K 管脚接供电电源的正极，主要是为了吸收所述的扼流线圈产生的反向电动势，保护所述的激光二极管。

本发明的技术效果如下：

1、本发明具有大功率脉冲和连续工作模式兼容，并集成实时通讯功能，全数字参数调整及控制的特点。支持多种激光二极管的激励方式，可动态调整激光二极管激励电流或脉宽，保证激光二极管泵浦激光器输出的单脉冲能量或功率更稳定、光束质量更好。

本发明实现了在大功率激光二极管驱动电源上的脉冲工作模式和连续工作模式的兼容，电流最大可达120A；电流调节精度0.01A，稳定度±0.5%，脉冲模式下调制频率最高100kHz，上升沿为1-10us。

经实验表明本发明激光二极管驱动电源应用在连续激光器和脉冲激光器上，激光稳定度有很大的提高，特别是在脉冲激光器上，通过施加激流和动态脉宽调整，使激光器的单脉冲能量的一致性能达到±1%。

附图说明

图1是本发明激光二极管驱动电源结构原理图。

图中：1-隔离型CAN通讯模块，2-嵌入式控制器，3-第一场效应管驱动芯片，4-P沟道场效应管，5-第二场效应管驱动芯片，6-第一N沟道场效应管，7-电流传感器，8-放大器，9-扼流线圈，10-第三场效应管驱动芯片，11-第二N沟道场效应管，12-肖特基二极管，13-激光二极管，14-供电电源VDD。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明激光二极管驱动电源结构原理图。由图可见，本发明激光二极管驱动电源，其构成包括嵌入式控制器2，该嵌入式控制器2的第一脉宽调制端口0接第一场效应管驱动芯片3的输入管脚，该第一场效应管驱动芯片3的输出管脚接P沟道场效应管4的G管脚，该P沟道场效应管4的S管脚接供电电源VDD14的正极；

所述的嵌入式控制器2的第二脉宽调制端口接第二场效应管驱动芯片5的输入管脚，第二场效应管驱动芯片5的输出管脚连接第一N沟道场效应管6的G管脚，该第一N沟道场效应管6的S管脚接地；

所述的P沟道场效应管4的D管脚和所述的第一N沟道场效应管6的D管脚以及扼流线圈9的一端形成节点，该扼流线圈9的另一端与肖特基二极管12的A管脚、激光二极管13的输入端、第二N沟道场效应管11的D管脚形成节点，所述的肖特基二极管12的K管脚接供电电源VDD14的正极；

在所述的P沟道场效应管4的D管脚和所述的第一N沟道场效应管6的D管脚与所述的流线圈9之间的电路上设有电流传感器7，该电流传感器7的输出端经放大器8与所述的嵌入式控制器2信号输入端相连；

所述的嵌入式控制器2的IO端口经第三场效应管驱动芯片10与所述的第二N沟道场效应管11的G管脚相连，该第二N沟道场效应管11的S管脚接地。

嵌入式控制器2通过脉宽调制端口0（PWM0）输入到通过第一场效应管驱动芯片3的管脚IN，第一场效应管驱动芯片3的输出管脚连接到P沟道场效应管4的G管脚，对扼流线圈9进行充电；图1中嵌入式控制器2通过脉宽调制端口1（PWM0）输入到通过第二场效应管驱动芯片5的输入管脚IN，第二场效应管驱动芯片5的输出管脚连接到第一N沟道场效应管6的G管脚，对扼流线圈9进行放电；P沟道场效应管4的S管脚接供电电源VDD 14，第一N沟道场效应管6的S脚接地，P沟道场效应管4的D管脚和第一N沟道场效应管6的D管脚以及扼流线圈9的一端形成一个节点；一充一放，在P沟道场效应管4、第一N沟道场效应管6和扼流线圈9之间形成震荡。电流传感器7负责感应通过其的铜线的电流，经放大器8放大后供嵌入式控制器2进行模数转换（ADC）进行采样，与预设定电流进行比较运算，通过改变嵌入式控制器2的PWM0和PWM1的占空比，形成一个闭合负反馈环路，使流过扼流线圈9的电流恒定，达到激光二极管所需要的恒定电流（预设电流）。肖特基二极管12为反接的肖特基二极管，即肖特基二极管12的A管脚接扼流线圈9的输出端，肖特基二极管12的K接供电电源VDD 14，主要是为了吸收扼流线圈9产生的反向电动势，保护激光二极管13。

对于脉冲泵浦的激光器，使用本发明工作在脉冲模式下，图1中嵌入式控制器2的IO端口输出到第三场效应管驱动芯片10的输入管脚，第三场效应管驱动芯片10的输出管脚连接到第二N沟道场效应管11的G管脚，第二N沟道场效应管11的D管脚连接到扼流线圈9的输出，第二N沟道场效应管11的S管脚接地。当嵌入式控制器2的IO输出端口输出高电平时，第二N沟道场效应管11的“D”和“S”导通，恒定的电流经第二N沟道场效应管11回流，此时激光二极管13上将不再有电流流过，当嵌入式控制器2的IO输出端口输出低电平时，第二N沟道场效应管11“D”和“S”截止，电流通过13回流，驱动激光二极管13。特别为了消除脉冲激光器的热效应的影响，在不需要出光时，可以由嵌入式控制器2产生一定宽度的脉冲，经嵌入式控制器2的IO端口通过10控制第二N沟道场效应管11，给激光二极管施加一个脉冲基流。脉冲激光器为了适应不同输入控制频率，本发明装置的嵌入式控制器2通过查“输入信号频率-激励脉冲宽度”表格，对由嵌入式控制器2改变激光二极管单个电流脉冲的宽度，经嵌入式控制器2的IO端口通过第三场效应管驱动芯片10控制第二N沟道场效应管11，改变通过激光二极管13的电流时间，从而改变了单个脉冲的泵浦功率，以保证脉冲激光器单个脉冲能量的一致性，这就是本发明特有的动态脉宽调制方法。

对于连续泵浦的激光器，本发明工作在连续模式下，图1中经嵌入式控制器2的IO端口通过第三场效应管驱动芯片10控制第二N沟道场效应管11，当第二N沟道场效应管11的“D”和“S”截止，电流全部通过激光二极管13回流，在激光二极管13上形成连续的恒流。

本发明为智能化的数字式电源，电源中的参数：预设电流，实际电流，“输入信号频率-激励脉冲宽度”表格等参数必须通过数字通讯口和其它设备交换数据，因此本发明加入了控制器局部网（CAN）总线，在图1中嵌入式控制器2的“CANTX”发送端口和隔离型CAN通讯模块1的“CANRX”接收端口相连，嵌入式控制器2的“CANRX” 接收端口和隔离型CAN通讯模块1的“CANTX” 发送端口相连，隔离型CAN通讯模块1是一个与外部设备隔离的收发器。

在上电时，通过隔离型CAN通讯模块1检查外部设备，等待激光二极管的温度，激光头温度等条件满足时，本激光二极管驱动电源才正常工作，有效地保护了激光二极管等设备。在温度允许的情况下才开机。在开机，待机和关机的情况下，图1中第二N沟道场效应管11的“D”和“S”处于导通状态，能有效地保护激光二极管13。

下面是本发明的一个实施例，该实施例是最大电压为20V，最大电流为120A的脉冲和连续兼容的激光二极管驱动电源。其中：

嵌入式处理器2采用TI的LM3S2965，该控制器包含1个单指令周期的硬件乘法器和一个除法器，并具有丰富的接口，包括12位ADC，CAN总线，工作频率为50Mhz，内含6个16位PWM脉宽调制发生器。利用LM3S2965的PWM0和PWM1形成一个带死区的一组脉宽调制信号，通过17,16脚分别连接到由2片TI公司的UCC37322驱动芯片3、5，这两片驱动芯片连接到大功率场效应管2只SUP75P05-08和3只FDP047AN08A0组成充放电路，对2个180uH/60A的扼流线圈9充放电，LM3S2965的PWM受控于由LEM公司的LA100-P电流传感器7检测扼流线圈9的电流值，通过TI公司的TLE2804放大器8放大后，送入LM3S2965的数模转换口ADC0(管脚1)进行采样，该嵌入式处理器2和预设电流值进行比较，比较后的值与PWM关联，形成一个闭环负反馈电路，使扼流线圈环路始终保持预设的电流值。

利用LM3S2965的输入输出口PB0（脚66）作为输入，当外部脉冲信号上升沿到来后，利用LM3S2965的内部定时器TIMER2，测得和上一次脉冲信号到来的差值，计算出当前外部脉冲信号的频率，通过查“脉冲频率-输出脉宽”得到当前激光二极管需要出光的时间，通过LM3S2965的PB1（67脚）控制TI公司的UCC37322驱动芯片驱动3只大功率场效应管FDP047AN08A0，使FDP047AN08A0截止，让电流通过激光二极管而发光，发光时间就是我们前面查“脉冲频率-输出脉宽”得到的时间。

采用周立功的隔离CAN总线模块CTM8250T，和LM3S2965的CAN0TX(脚11)和CAN0RX(脚10)相连，本实施例的预设电流，当前实际电流等数据均通过CTM8250T输入和输出，也可以通过该接口来改变本产品的工作模式，在发生故障时，本实施例可以作为主机通过CTM8250T立即发送出去，供激光器中的其他部件响应。

本实施例的脉冲模式能够使用在0-100%的占空比，并且施加阈值电流，激光二极管的工作电压从1.3V~20V，电流最达120A。脉冲频率最高达100kHz，上升沿为2.5us-10us可调。

该电源经实践证明，电流控制精度在0.01A（Max.120A），稳定度在±0.5%（Max.120A）；应用在连续激光器和脉冲激光器上，激光稳定度有很大的提高，特别是在脉冲激光器上，通过施加激流和动态脉宽调整，使激光器的单脉冲能量的一致性能达到±1%。

Claims

1.一种激光二极管驱动电源，其特征在于由嵌入式控制器（2）、三个场效应管驱动芯片、P沟道场效应管、两个N沟道场效应管、电流传感器（7）、放大器（8）、扼流线圈（9）和肖特基二极管（12）构成，所述的嵌入式控制器（2）的第一脉宽调制端口（0）接第一场效应管驱动芯片（3）的输入管脚，该第一场效应管驱动芯片（3）的输出管脚接P沟道场效应管（4）的G管脚，该P沟道场效应管（4）的S管脚接供电电源VDD（14）的正极；

所述的嵌入式控制器（2）的第二脉宽调制端口（1）接第二场效应管驱动芯片（5）的输入管脚，第二场效应管驱动芯片（5）的输出管脚连接第一N沟道场效应管（6）的G管脚，该第一N沟道场效应管（6）的S管脚接地；

所述的P沟道场效应管（4）的D管脚和所述的第一N沟道场效应管（6）的D的管脚以及扼流线圈（9）的一端形成节点，该扼流线圈（9）的另一端与肖特基二极管（12）的A管脚、激光二极管（13）的输入端、第二N沟道场效应管（11）的D管脚形成节点，所述的肖特基二极管（12）的K管脚接供电电源VDD（14）的正极；

在所述的P沟道场效应管（4）的D管脚和所述的第一N沟道场效应管（6）的S的管脚与所述的扼流线圈（9）之间的电路上设有电流传感器（7），该电流传感器（7）的输出端经放大器（8）与所述的嵌入式控制器（2）信号输入端相连；

所述的嵌入式控制器（2）的IO端口经第三场效应管驱动芯片（10）与所述的第二N沟道场效应管（11）的G管脚相连，该第二N沟道场效应管（11）的S的管脚接地。

2.根据权利要求1所述的激光二极管驱动电源，其特征在于所述的嵌入式控制器（2）还与隔离型CAN通讯模块（1）相连。