CN103259186A - 基于pwm控制的半导体激光器电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PWM控制的半导体激光器电源，它由电感、电容、PWM控制器、半导体激光器、保护电阻等元件组成。直流电压接入PWM控制器，输出端串联电感，通过光电二极管、激光器、滤波电容并联支路接地，PWM控制器反馈端连接保护电阻，保持恒定电压，实现恒流或者恒功率控制。本发明可向中小功率半导体激光器提供稳定可靠、高效率、抗干扰性强的恒流驱动。

Description

基于PWM控制的半导体激光器电源装置

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器电源，特别是涉及一种半导体激光器的电源装置。

背景技术

半导体激光器因尺寸小、重量轻、效率高等优点在工业、科研中具有广泛应用，但其Pn结一旦被击穿就会造成输出降低或失效，驱动电流的微小波动也会引起光功率的急剧变化以及光谱的展宽。因此，需要一种高稳定性的电源，能够给半导体激光器提供可靠的电流驱动。

现有的半导体激光器电源多为串联型，如王勤在《50mA半导体激光器驱动电源电路设计》，景德镇高专学报，2012年6月，第27卷第6期中所述，利用晶体管的恒流特性以及运算放大器负反馈原理达到稳定电流目的，但是这样的电路系统往往包含过多元器件，电路复杂，因而抗干扰性欠佳。又如公开号CN101436755A涉及一种低功率半导体激光器电源驱动装置，也采用传统串联型电路，电源功率分配在运算放大器、电阻和晶体管等元件较多，因而效率较低；同时依赖于晶体管的恒流控制，长时间使用会带来温度的升高，限制了控制精度，也限制了半导体激光器的应用。随着大规模集成电路的发展，使用集成芯片可以有效的简化电路，提高半导体激光器电源可靠性；采用合适的电路连接，也能提高电源功率的使用效率。

发明内容

为了使半导体激光器稳定工作,本发明提供一种基于PWM控制的新型恒流或恒功率驱动电源。PWM控制指的是脉冲宽度调制，其特点是固定开关频率，调节开关占空比，现有的集成开关电源多采用这种控制方式。比较于现有串联型驱动电源，本发明使用集成直流转换芯片反馈控制激光器电流或光功率的方式，电源使用效率大大提高；比较于运算放大器和晶体管组合，选用集成芯片，可以避免晶体管长时间工作发热从而降低控制精度的缺陷，而且集成芯片本身具有抗干扰性强的特点；采用基于PWM原理的集成直流转换器芯片，比现有DSP或者ARM控制方式成本更低，更易产业化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于PWM控制的半导体激光器驱动电源，主要由PWM控制电路模块1、双向开关S、功率反馈模块2、电流反馈模块3和滤波电容C2组成。如图1所示，PWM控制电路模块1是由电感L1和直流转换器U1组成，其中直流转换器U1输入端与正电压源Vin相连，输出端SW与电感L1一端相连，电感L1的另一端为输出电压Vout，直流转换器U1反馈端FB通过双向开关S分别与功率反馈模块2和电流方块模块3相连接；功率反馈模块2由光电二极管PD、第一保护电阻R1和滑动变阻器R3组成，光电二极管PD的阴级接输出电压Vout，光电二极管PD的阳极接第一保护电阻R1的第一高电压端R1h，第一保护电阻R1的第一低电压端R1l与滑动变阻器R3输出端a相连，滑动变阻器滑动端p和输入端b共节点并接地；电流反馈模块3由半导体激光器LD和第二保护电阻R2组成，两者串联在同一条支路，将输出电压Vout与半导体激光器LD阳极相连，半导体激光器LD阴极与第二保护电阻R2的第二高电压端R2h相连，第二保护电阻R2的第二低电压端R2l与滑动变阻器R3输入端b共节点并接地；双向开关S有2个转换端口，功率端口S₂和电流端口S₃；功率端口S₂与第一保护电阻R1的第一高电压端R1h相连；电流端口S₃和第二保护电阻R2的第二高电压端R2h相连；滤波电容C2正极接输出电压Vout，滤波电容C2负极与滑动变阻器R3输入端b共节点并接地；滤波电容C2实现高频滤波功能；双向开关S与功率端口S₂相连时，电路实现恒功率控制；双向开关S与电流端口S₃相连时，电路实现恒电流控制。

本发明的有益效果是：配合三管脚封装的半导体激光器，输出电流的同时，可选择控制激光器光功率或激光器电流，因而电路实现非常方便；使用直流转换器芯片和电感，简化电路结构，降低成本，易于产品化；采用PWM控制方法，使驱动电源稳定可靠，效率高，发热少。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的恒功率和恒电流控制电路原理图。

其中，1、PWM控制电路模块，2、功率反馈模块，3、电流反馈模块。

具体实施方式

结合附图，具体说明本半导体激光器电源装置的实施方式。PWM控制指的是脉冲宽度调制，其特点是固定开关频率，调节开关占空比，现有的集成开关电源多采用这种控制方式。图1是优选TPS62240实现PWM控制的原理图，其中直流转换器U1还可替换为LM2734、LM4674等基于PWM原理的开关型直流转换器。对TPS62240芯片，输入端Vin接入正5V电压，使能端EN接入高电平，输出端SW与电感L1一端相连，电感L1的另一端为输出电压Vout，直流转换器U1反馈端FB通过双向开关S分别与功率反馈模块2和电流方块模块3相连；功率反馈模块2由光电二极管PD、第一保护电阻R1和滑动变阻器R3组成，光电二极管PD的阴极接输出电压Vout，光电二极管PD的阳极接第一保护电阻R1的第一高电压端R1h，第一保护电阻R1的第一低电压端R1l与滑动变阻器R3输出端a相连，滑动变阻器滑动端p和输入端b共节点并接地；电流反馈模块3由半导体激光器LD和第二保护电阻R2组成，两者串联在同一条支路，半导体激光器LD阳极接输出电压Vout，半导体激光器LD阴极与第二保护电阻R2第二高电压端R2h相连，第二保护电阻R2第二低电压端R2l与滑动变阻器R3输入端b共节点并接地；滤波电容C2正极接输出电压Vout，滤波电容C2与功率反馈模块2、电流反馈模块3并联，滤波电容C2负极与滑动变阻器R3输入端b共节点并接地；滤波电容C2负端接地，实现高频滤波功能；双向开关S有2个转换端口，功率端口S₂和电流端口S₃；功率端口S₂与第一保护电阻R1的第一高电压端R1h相连；电流端口S₃和第二保护电阻R2的第二高电压端R2h相连；输入端Vin接入正5V电压能在反馈端FB产生较稳定的0.6V电压，双向开关S与功率端口S₂相连时，与反馈端FB相连的第一保护电阻R1第一高电压端R1h电压也为0.6V，通过调节滑动变阻器R3的阻值，就可以调节光电二极管PD所在支路电流I_PD，满足光电二极管PD、半导体激光器LD工作电流时，就可实现整个电路的功率稳定；由于直流转换器芯片具的高效率转换，电源功率大多消耗在激光器上，整个系统的效率高达90%。

恒功率控制时，假设光电二极管转换效率是η，激光器光功率P_LD与反馈端电压V_FB的关系为：

$P_{\mathrm{LD}}=\frac{V_{\mathrm{FB}}}{\mathrm{\η}(R1+R3)}$

根据TPS62240工作原理，当激光器光功率变高时，光电二极管的PD感应电流变大，反馈端电压V_FB也升高，大于0.6V，此时直流转换器TPS62240通过改变开关器件导通时间降低输出端SW的电压，从而降低激光器光功率；反之，当激光器光功率变低时，反馈端电压V_FB也降低，小于0.6V，电路能提高输出端SW的电压，提高激光器光功率，从而使光电二极管PD保持恒功率。

双向开关S与电流端口S₃相连时，直流转换器U1反馈端FB与电流反馈模块3第二保护电阻R2第二高电压端R2h相连，与电流反馈模块3具有并联关系的功率反馈模块2将不再影响半导体激光器LD工作，通过半导体激光器LD的电流I_LD为：

$I_{\mathrm{LD}}=\frac{V_{\mathrm{FB}}}{R2}$

根据上文所述TPS62240的PWM控制原理，电路可实现对半导体激光器的恒电流控制。

Claims (4)

1.一种基于PWM控制的半导体激光器电源装置，包括PWM控制电路模块[1]、双向开关[S]、功率反馈模块[2]、电流反馈模块[3]、滤波电容[C2]，其特征是：所述功率反馈模块[2]、电流反馈模块[3]、滤波电容[C2]并联后接PWM控制电路模块[1]的输出电压[Vout]，所述功率反馈模块[2]、电流反馈模块[3]、滤波电容[C2]设置共同的接地节点；所述的功率反馈模块[2]包括光电二极管[PD]、第一保护电阻[R1]和滑动变阻器[R3]，所述的光电二极管[PD]、第一保护电阻[R1]和滑动变阻器[R3]是串联连接，光电二极管[PD]阳极和第一保护电阻[R1]的第一高电压端[R1h]连接，第一保护电阻[R1]的第一低电压端[R1l]与滑动变阻器[R3]输出端[a]相连，滑动变阻器滑动端[p]和输入端[b]共节点并接地；双向开关[S]有两个转换端口，功率端口[S₂]和电流端口[S₃]；功率端口[S₂]与第一保护电阻[R1]的第一高电压端[R1h]相连；电流端口[S₃]和第二保护电阻[R2]的第二高电压端[R2h]相连。

2.根据权利要求1所述的基于PWM控制的半导体激光器电源装置，其特征是：所述PWM控制模块[1]是包括电感[L1]和直流转换器[U1]，输入端[Vin]输入正电压，通过直流转换器[U1]输出端[SW]和串联的电感[L1]，得到输出电压[Vout]。

3.根据权利要求1所述的基于PWM控制的半导体激光器电源装置，其特征是：所述电流反馈模块[3]包括半导体激光器[LD]和第二保护电阻[R2]，所述的半导体激光器[LD]与第二保护电阻[R2]串联,半导体激光器[LD]阴极与第二保护电阻[R2]第二高电压端[R2h]相连。

4.根据权利要求1或2所述的基于PWM控制的半导体激光器电源装置，其特征是：双向开关[S]与功率端口[S₂]相连时，半导体激光器[PD]功率保持恒定；转换开关[S₁]与电流端口[S₃]相连时，半导体激光器[PD]的电流保持恒定。

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