CN102306903A - 一种数字式大功率半导体激光电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式大功率半导体激光电源，由供电单元、主控单元、恒流单元、温度控制单元、电流检测单元以及接口电路组成。通过接口电路设置半导体激光器的工作电流及功率大小，由主控制器经D/A将控制信号送至恒流单元，稳定半导体激光器的工作电流；温度控制电路调节半导体制冷器工作，将半导体激光器的工作温度限制在一定范围，稳定激光器的输出；电流检测电路通过采集采样电阻两端的电压，检测激光器的工作电流，监测半导体激光器的工作状态。本电源装置具有结构简单、输出功率大、稳定度高、易操作等优点，可广泛用于各种功率和输出波长的半导体激光器。

Description

一种数字式大功率半导体激光电源

 

技术领域

本发明涉及电子工业及光电技术领域，涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种数字式大功率半导体激光电源。

背景技术

大功率半导体激光器在皮肤治疗、手术治疗肿瘤、光针灸等医学领域应用广泛。另外大功率激光器在工业生产和军事国防等行业同样有着广泛的应用，如材料加工和激光测距等。

大功率半导体激光器需要专用的电源来驱动。大功率半导体激光器价格昂贵，其输出波长和功率与驱动电流、结温度有很大关系，同时浪涌电流以及电网冲击等多种瞬态的电压或电流尖峰都很容易损坏激光器，缩短其使用寿命，因此对半导体激光器的驱动电源有很高的要求。

传统的纯模拟激光电源，操作不方便，线性控制不好，现有的大功率半导体激光电源，结构复杂，体积较大，在稳定性、可靠性和安全性等方面也不尽人意，导致激光器的使用寿命缩短等。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种智能化程度高、抗干扰能力强、温度控制精度高、电源稳定度高、对激光器无损害的数字式大功率半导体激光电源。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种数字式大功率半导体激光电源，包括供电单元、接口单元、主控单元、恒流单元、温度控制单元和电流检测单元；

所述供电单元包括一220V交流转直流24V电源模块，所述220V交流转直流24V电源模块分别连接有一电平转换模块和直流24V转直流5V可调模块；220V交流转直流24V电源模块将交流220V转换成直流24V直接用于给风扇等供电；电平转换模块，将直流24V电压转换为给主控单元及接口单元所需电压；直流24V转直流5V可调模块给恒流单元提供电源，经恒流后给激光器供电。

所述接口单元包括串口、键盘输入、存储器和显示单元；通过串口可以下载控制器程序，同时主控单元可以通过串口发送调试信息到上位机便于调试；键盘输入用于设置激光器的输出功率、工作模式以及工作状态等；存储器用于保存激光电源的校准数据以及掉电保护功能；显示单元用于显示激光器的工作电流及工作状态等数据。

所述主控单元包括一微处理器，所述微处理器连接有一模数转换器A/D和数模转换器D/A；微处理器主要依据用户需求，在设备的总体技术指标范围内，控制半导体激光模块输出满足要求的激光，并使其高稳定的工作，同时，完成相关数据的输出显示与存储；模数转换器A/D需要完成数控恒流源的输出电流采集，半导体激光器工作温度信号的采集；数模转换器D/A用来控制恒流源，使得其输出满足要求的半导体激光器的驱动电流。

所述恒流单元包括多个误差放大，所述的多个误差放大的输出端分别连接一互补推免电路，所述的多个互补推挽电路分别连接一场效应管的栅极，所述的多个场效应管的源极分别通过一均流电阻接地，所述的多个误差放大的反相输入端分别接至所述场效应管的源极，所述的多个误差放大的同相输入端之间及所述的多个场效应管的漏极之间相并联，以实现多路并联均流合成大电流；还包括一多路开关，所述多路开关连接所述的多个误差放大的同相输入端；多路开关用于切换激光器的工作模式，当多路开关输出接地时，恒流单元无输出电流，激光器不工作，当多路开关接数模转换器D/A输出时，恒流单元根据电压大小使恒流单元输出稳定的电流给激光器供电，通过切换多路开关的输出可使半导体激光器工作在连续模式或者脉冲模式；误差放大用于比较数模转换器D/A输入电压和采样反馈电压，将误差放大，从而调节场效应管的工作电流，最终使激光器工作在稳定的电流；互补推挽电路用于驱动场效应管，增强电路的驱动能力；场效应管用于恒流单元的电流调节，调节栅源电压从而调节漏源电流，流过场效应管的电流较大，场效应管上有一定的压降，因此场效应管消耗的功率较大，需要做好散热。

所述温度控制单元包括一PID温控电路，所述PID温控电路连接一制冷器，所述制冷器分别连接一温度传感器和半导体激光器；先通过主控单元设置好激光器的工作温度，经过PID温控电路的调理，输出驱动制冷器工作，温度传感器检测激光器的工作温度，通过模数转换器A/D转换传输到主控单元进行后续处理和显示。

所述电流检测单元包括一采样电阻，所述采样电阻的两端分别连接一差分放大的同相输入端和反相输入端；通过差分放大采样电阻两端的电压信号，在经过模数转换器A/D转换传输到主控单元，用于显示和警报。

所述电平转换模块连接所述微处理器，将直流24V电压转换为给所述主控单元及接口单元所需的电压；所述直流24V转直流5V可调模块的输出端依次连接所述采样电阻、半导体激光器、和所述场效应管的漏极；

所述串口、键盘输入、存储器和显示单元分别连接在所述微处理器上；

所述微处理器还分别连接所述直流24V转直流5V可调模块和多路开关，所述多路开关的输入端分别接地和所述数模转换器D/A的输出端，所述数模转换器D/A的输出端还连接所述PID温控电路；

所述差分放大的输出端和所述温度传感器的输出端分别连接所述模数转换器A/D的输入端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）采用数字控制方式，使驱动电源具有智能化程度高、抗干扰能力强、温度控制精度高、电源稳定度高、对激光器无损害等优点；

（2）采用多路完全独立的压控恒流源并联结构，使电流在各支路平均分配，增强了电源输出能力，同时提高了电源的可靠性，避免由于单路输出功率较大烧毁器件；

（3）选用大功率小体积直流转直流电源模块，并且输出电压可调，可减少电源功耗，提高电源效率，同时具有体积小，可靠性高的优点；

（4）可设置连续/单脉冲/多脉冲等多种工作模式，具有掉电数据保护、报警、实时监测显示等功能，方便了解激光器的工作状态。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的总体框架图。

图2为本发明的电流检测单元的电路原理图。

图3为本发明的一实施例的恒流单元的电路原理图

图4为本发明的一实施例的电源控制电路的电路原理图。

图5为本发明的一实施例的开关电源的电路原理。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例1：

参见图1所示，一种数字式大功率半导体激光电源，包括供电单元1、接口单元2、主控单元3、恒流单元4、温度控制单元5和电流检测单元6；

所述供电单元1包括一220V交流转直流24V电源模块101，所述220V交流转直流24V电源模块101分别连接有一电平转换模块102和直流24V转直流5V可调模块103；220V交流转直流24V电源模块101将交流220V转换成直流24V直接用于给风扇等供电；电平转换模块102，将直流24V电压转换为给主控单元3及接口单元2所需电压；直流24V转直流5V可调模块103给恒流单元4提供电源，经恒流后给激光器供电。

所述接口单元2包括串口201、键盘输入202、存储器203和显示单元204；通过串口201可以下载控制器程序，同时主控单元3可以通过串口201发送调试信息到上位机便于调试；键盘输入202用于设置激光器的输出功率、工作模式以及工作状态等；存储器203用于保存激光电源的校准数据以及掉电保护功能；显示单元204用于显示激光器的工作电流及工作状态等数据。

所述主控单元3包括一微处理器301，所述微处理器301连接有一模数转换器A/D302和数模转换器D/A303；微处理器301主要依据用户需求，在设备的总体技术指标范围内，控制半导体激光模块输出满足要求的激光，并使其高稳定的工作，同时，完成相关数据的输出显示与存储；模数转换器A/D302需要完成数控恒流源的输出电流采集，半导体激光器工作温度信号的采集；数模转换器D/A303用来控制恒流源，使得其输出满足要求的半导体激光器的驱动电流。

所述恒流单元4包括多个误差放大402，所述的多个误差放大402的输出端分别连接一互补推免电路403，所述的多个互补推挽电路403分别连接一场效应管404的栅极，所述的多个场效应管404的源极分别通过一均流电阻405接地，所述的多个误差放大402的反相输入端分别接至所述场效应管404的源极，所述的多个误差放大402的同相输入端之间及所述的多个场效应管404的漏极之间相并联，以实现多路并联均流合成大电流；还包括一多路开关401，所述多路开关401连接所述的多个误差放大402的同相输入端；多路开关401用于切换激光器的工作模式，当多路开关401输出接地时，恒流单元4无输出电流，激光器不工作，当多路开关401接数模转换器D/A303输出时，恒流单元4根据电压大小使恒流单元4输出稳定的电流给激光器供电，通过切换多路开关401的输出可使半导体激光器工作在连续模式或者脉冲模式；误差放大402用于比较数模转换器D/A303输入电压和采样反馈电压，将误差放大，从而调节场效应管404的工作电流，最终使激光器工作在稳定的电流；互补推挽电路403用于驱动场效应管404，增强电路的驱动能力；场效应管404用于恒流单元4的电流调节，调节栅源电压从而调节漏源电流，流过场效应管404的电流较大，场效应管404上有一定的压降，因此场效应管404消耗的功率较大，需要做好散热。

所述温度控制单元5包括一PID温控电路501，所述PID温控电路501连接一制冷器502，所述制冷器502分别连接一温度传感器503和半导体激光器LD；先通过主控单元3设置好激光器的工作温度，经过PID温控电路501的调理，输出驱动制冷器502工作，温度传感器503检测激光器的工作温度，通过模数转换器A/D302转换传输到主控单元3进行后续处理和显示。

所述电流检测单元6包括一采样电阻602，所述采样电阻602的两端分别连接一差分放大601的同相输入端和反相输入端；通过差分放大601采样电阻602两端的电压信号，在经过模数转换器A/D302转换传输到主控单元3，用于显示和警报。

所述电平转换模块102连接所述微处理器301，将直流24V电压转换为给所述主控单元3及接口单元2所需的电压；所述直流24V转直流5V可调模块103的输出端依次连接所述采样电阻602、半导体激光器LD、和所述场效应管404的漏极；

所述串口201、键盘输入202、存储器203和显示单元204分别连接在所述微处理器301上；

所述微处理器301还分别连接所述直流24V转直流5V可调模块103和多路开关401，所述多路开关401的输入端分别接地和所述数模转换器D/A303的输出端，所述数模转换器D/A303的输出端还连接所述PID温控电路501；

所述差分放大601的输出端和所述温度传感器503的输出端分别连接所述模数转换器A/D302的输入端。

具体的：

接口单元2中，键盘输入202包括各种用户设置按键和配置开关，采用微处理器301的通用I/O来控制；存储器203主要完成各种工作模式、过程数据、上一次工作状态等数据的存储，采用AT24C08存储器就可以实现多个数据的记录；串口201通信接口主要是用来与PC机等上位机进行通信，以及更新下载程序；显示单元204采用8位数码管，通过微处理器301的通用I/O控制，实时显示工作状态等。

控制单元3中，微处理器301采用ST公司的STM32F103VC芯片，其内置3通道12位模/数转换器A/D，2通道12位数/模转换器D/A。微处理器301主要依据用户需求，在设备的总体技术指标范围内，控制半导体激光模块输出满足要求的激光，完成相关数据的输出显示与存储；模数转换器A/D302完成数控恒流源的输出电流以及半导体激光器工作温度信号的采集；数模转换器D/A303用来控制恒流单元，给恒流单元提供一个参考电源，设置恒流单元的工作电流大小。

温度控制单元5中包括半导体制冷器和温度检测单元，主要是确保半导体激光器处于规定温度正常稳定的工作，可达到如下技术指标：设定温度20℃-30 ℃；温度稳定度<±0.1 ℃；冷却方式为强制风冷；冷却能力为0-60 W。半导体制冷器采用由两对P、N型场效应管对管组成的H桥来驱动控制，同时，采用光电隔离，以减少开关噪声，温度传感器与半导体制冷器安装在一起，感知半导体制冷器的温度，再经过放大器与滤波器，进入模数转换器A/D302进行实时温度信号采集。微处理器301根据用户设定温度及各种工作温度，利用PID算法对半导体制冷器进行控制。

供电单元1中，采用明纬SE-600-24开关电源，功率为600 W，输入电压范围180 V - 264 V 的交流信号；输出电压为24V 直流信号，给风扇提供24V的电压并作为其它电压信号提供直流电源。采用VICOR电源模块，两个200W的V24B5T200BL并联，功率为400 W，输入电压范围为19 V -36 V 直流信号，输出电压为5 V可调直流信号，直接用于半导体激光器驱动。采用直流24V转直流5V可调模块103给微控制器供电的，其功率比较小，单片集成开关降压电源芯片即可，需要输出5 V、3.3 V、1.8 V等几个等级的电平。

半导体激光器采用无铝量子阱结构的长寿命、高可靠性的大功率半导体激光器，无故障使用，平均寿命超过20000小时。

实施例2：

参见附图2，多路开关输出信号Icontrol，经R35和R43分压，输入到运放的同相端，运放输出经Q10和Q14组成的互补推挽电路驱动N沟道场效应管Q12工作，Q12型号为IRF3205，其导通电阻为8mΩ，漏源极可承受电压为55V，最大导通电流为110A，通过控制Q12的导通状况即可控制导通电流，R44为均流电阻，同时为采样电阻，经反馈电阻R46接到运放的反相端，组成一个负反馈网络，从而使电流达到平衡稳定，附图2中仅给出了均流电路中的一路，本例中采用六路并联的的方式，使输出电流0-60A，纹波和噪声小于0.5%，调节精度0.1A，电流稳定度小于0.5%，Lout+和Lout-分别接激光器的正、负极。

参见图3所示，R25、R28、R30，R20和U4A组成一个差分放大电路，放大采样电阻R33两端的电压，R9、U4B和可调电阻R18组成一个放大倍数可调的同相放大电路，电压放大后经A/D采集到主控单元，得到相应的电流大小，并通过显示单元实时显示。

实施案例3：

参见图4所示，开关电源模块电路中，两个200W的VICOR模块V24B5T200BL并联，其输入电压范围为19 V -36 V 直流信号，输出电压为5 V可调直流信号，输出功率为400W，两个模块通过PR引脚并联，PC引脚为模块控制引脚，当PC脚电压低于2.3V时，模块不工作，通过调节R66可使模块输出电压在1.5-5V的调节，直接给恒流单元提供电源。

参见图5所示，POWER_ON接控制器的通用IO管脚，当其为高电平时，三极管Q22导通，光耦U19和U21导通，PC1和PC2输出低电平，模块不工作，当POWER_ON为低电平时，三极管截止，PC1和PC2为高阻态，模块正常工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1. 一种数字式大功率半导体激光电源，其特征在于：包括供电单元（1）、接口单元（2）、主控单元（3）、恒流单元（4）、温度控制单元（5）和电流检测单元（6）；

所述供电单元（1）包括一220V交流转直流24V电源模块（101），所述220V交流转直流24V电源模块（101）分别连接有一电平转换模块（102）和直流24V转直流5V可调模块（103）；

所述接口单元（2）包括串口（201）、键盘输入（202）、存储器（203）和显示单元（204）；

所述主控单元（3）包括一微处理器（301），所述微处理器（301）连接有一模数转换器A/D（302）和数模转换器D/A（303）；

所述恒流单元（4）包括多个误差放大（402），所述的多个误差放大（402）的输出端分别连接一互补推免电路（403），所述的多个互补推挽电路（403）分别连接一场效应管（404）的栅极，所述的多个场效应管（404）的源极分别通过一均流电阻（405）接地，所述的多个误差放大（402）的反相输入端分别接至所述场效应管（404）的源极，所述的多个误差放大（402）的同相输入端之间及所述的多个场效应管（404）的漏极之间相并联，以实现多路并联均流合成大电流；还包括一多路开关（401），所述多路开关（401）连接所述的多个误差放大（402）的同相输入端；

所述温度控制单元（5）包括一PID温控电路（501），所述PID温控电路（501）连接一制冷器（502），所述制冷器（502）分别连接一温度传感器（503）和半导体激光器（LD）；

所述电流检测单元（6）包括一采样电阻（602），所述采样电阻（602）的两端分别连接一差分放大（601）的同相输入端和反相输入端；

所述电平转换模块（102）连接所述微处理器（301），将直流24V电压转换为给所述主控单元（3）及接口单元（2）所需的电压；所述直流24V转直流5V可调模块（103）的输出端依次连接所述采样电阻（602）、半导体激光器（LD）、和所述场效应管（404）的漏极；

所述串口（201）、键盘输入（202）、存储器（203）和显示单元（204）分别连接在所述微处理器（301）上；

所述微处理器（301）还分别连接所述直流24V转直流5V可调模块（103）和多路开关（401），所述多路开关（401）的输入端分别接地和所述数模转换器D/A（303）的输出端，所述数模转换器D/A（303）的输出端还连接所述PID温控电路（501）；

所述差分放大（601）的输出端和所述温度传感器（503）的输出端分别连接所述模数转换器A/D（302）的输入端。

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