CN104538830A - 一种激光器功率在线调节装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器功率在线调节装置及工作方法，其中的一种激光器功率在线调节装置，包括激光功率在线调节模块101、激光器驱动模块102、电平移位模块103、电流/电压转换模块104、半导体激光器LD及PIN光电二极管PD。本发明利用电源线载波通信技术手段，在激光器驱动电路不断电、在线工作的条件下，实现激光输出功率的快速调节和锁存功能，提高了功率调节的精度和效率，提升了操作的安全性，节约了人力和物料成本，可用于生产线批量生产。

Description

一种激光器功率在线调节装置及工作方法

技术领域

本发明涉及激光器功率调节和控制技术，具体涉及一种激光器功率在线调节装置及工作方法。

背景技术

目前，激光器产品在出厂前要求指定激光器的功率输出等级，并且同批次产品功率要求具有一致性，但由于半导体激光器及驱动电路存在性能差异，并且零部件装配存在结构和工艺误差，量产的激光器产品的输出功率个体差异较大，无法满足出厂要求，因此须对激光器逐个进行功率调节和校准。

现有激光器生产线功率调节环节是通过人工修正驱动电路反馈环路的采样电阻来实现的，电阻的选取由激光功率与目标值的误差进行粗调，并结合长期积累的经验和粗调结果进行反复微调。由于可用标准电阻的规格十分有限，如需特殊阻值只能采用多个电阻并联的方法近似获取。由于激光器及驱动电路对静电敏感，并需要使用电烙铁更换电阻，因此每次调节必须断电操作。

功率调节的过程机械性重复，易导致人员疲劳而增加人为失误，并且生产效率低，精度差，增加电阻、焊锡等物料成本，易损伤激光器和驱动电路板。特别地，经过高低温交变后，一旦因个别激光器输出功率超出允许范围而需要再次修正时，必须暴力破除电路板上用于保护电路和固定电源线的固化胶并重新调节电阻，再次补胶后有可能需要重新进行高低温交变，该操作具有一定的破坏性和危险性且费时费力。综上，此方法无法满足生产线批量生产的要求。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种激光器功率在线调节装置及工作方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种激光器功率在线调节装置，包括激光功率在线调节模块101、激光器驱动模块102、电平移位模块103、电流/电压转换模块104、半导体激光器LD及PIN光电二极管PD；所述激光功率在线调节模块101输出端连接激光器驱动模块102；所述激光器驱动模块102通过半导体激光器LD和PIN光电二极管PD连接电流/电压转换模块104；所述电流/电压转换模块104输出端连接激光功率在线调节模块101；所述激光器驱动模块102包括电平移位模块103、第一MCU及驱动电路；所述电平移位模块103输出端连接第一MCU；所述第一MCU输出端连接驱动电路；所述电平移位模块103及驱动电路分别连接电源VCC；所述电平移位模块103及第一MCU分别连接电源VDD；所述电平移位模块103、第一MCU及驱动电路分别连接地GND。

进一步地，所述激光功率在线调节模块101包括功率放大器PA、电阻R1、电阻R2、电阻R3、NPN三极管T1、第二MCU、按键KEY及模/数转换器A/D；所述电阻R1一端连接电压源VDC，另一端分别连接功率放大器PA输入端和电阻R3；所述电阻R3另一端连接三极管T1集电极；所述电阻R2一端连接第二MCU的I/O口，另一端连接三极管T1基极；所述三极管T1发射集连接地；所述功率放大器PA输出端VCC连接激光器驱动模块102；所述按键KEY连接第二MCU；所述模/数转换器A/D输出端连接第二MCU，输入端连接电流/电压转换模块104。

更进一步地，所述电平移位模块103包括电阻R4、电阻R5、电阻R6及NPN三极管T2；所述电阻R4一端连接电源VCC，另一端分别连接电阻R6及三极管T2的基极；所述电阻R6另一端连接地GND；所述三极管T2的发射极连接地GND；所述三极管T2的集电极分别连接电阻R5和第一MCU；所述电阻R5的另一端连接电源VDD。

更进一步地，所述第一MCU为主控制的第一MCU。

更进一步地，所述第二MCU为从控制的第二MCU。

更进一步地，所述功率放大器PA的输出VCC为高电平VH为5.5V至6.5V，低电平VL为2V至4V的功率级脉冲信号。

更进一步地，所述电源VDD的电压为3V至5V。

根据本发明的又一方面，提供了一种激光器功率在线调节装置的工作

方法，包括以下步骤：

S1，按键KEY触发后，由第二MCU的I/O输出功率调节编码信号refer，

再依次经过电阻R2、三极管T1、电阻R3、电阻R1、功率放大器PA，形成即包含有编码信息，又带有保底直流分量VL的功率级调制电源VCC，对激光器驱动模块102供电，同时传送功率调节编码信号refer；

S2，电平移位模块103将电源VCC中的功率调节信号refer进行比较、

翻转及整形后转换为对地信号并送入第一MCU，用于重置代码中PID算法的功率参考值大小，相应的调节激光输出功率，完成一次调整过程；

S3，第二MCU中的代码会根据调整后激光输出功率与目标值的误差，进一步计算编码信号refer的最新值，并重复执行2-5次渐近式功率调整操作，直至误差小于1%，功率调节成功；

S4，功率调节成功后，第二MCU会向第一MCU发出结束指令，第一MCU立刻保存最后一次调节的功率调节编码信号refer并重启系统，随后系统按照重置后的参数工作，完成在线功率调节过程。

    本发明的优点：

    本发明无需增加额外的信号线，而采用电源线载波手段，将功率调节模块的主机单片机与激光驱动模块的从机单片机连接起来，并进行主从机通信，在激光驱动模块通电正常工作的条件下实现快速、准确的在线激光功率调节功能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1为本发明的一种激光器功率在线调节装置的原理图；

图2为本发明的一种激光器功率在线调节装置的工作方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

图1示出了一种激光器功率在线调节装置的原理图。

参考图1，如图1所示的一种激光器功率在线调节装置，包括激光功率在线调节模块101、激光器驱动模块102、电平移位模块103、电流/电压转换模块104、半导体激光器LD及PIN光电二极管PD；所述激光功率在线调节模块101输出端连接激光器驱动模块102；所述激光器驱动模块102通过半导体激光器LD和PIN光电二极管PD连接电流/电压转换模块104；所述电流/电压转换模块104输出端连接激光功率在线调节模块101；所述激光器驱动模块102包括电平移位模块103、第一MCU及驱动电路；所述电平移位模块103输出端连接第一MCU；所述第一MCU输出端连接驱动电路；所述电平移位模块103及驱动电路分别连接电源 VCC；所述电平移位模块103及第一MCU分别连接电源VDD；所述电平移位模块103、第一MCU及驱动电路分别连接地GND。

所述激光功率在线调节模块101包括功率放大器PA、电阻R1、电阻R2、电阻R3、NPN三极管T1、第二MCU、按键KEY及模/数转换器A/D；所述电阻R1一端连接电压源VDC，另一端分别连接功率放大器PA输入端和电阻R3；所述电阻R3另一端连接三极管T1集电极；所述电阻R2一端连接第二MCU的I/O口，另一端连接三极管T1基极；所述三极管T1发射集连接地；所述功率放大器PA输出端VCC连接激光器驱动模块102；所述按键KEY连接第二MCU；所述模/数转换器A/D输出端连接第二MCU，输入端连接电流/电压转换模块104。

所述电平移位模块103包括电阻R4、电阻R5、电阻R6及NPN三极管T2；所述电阻R4一端连接电源VCC，另一端分别连接电阻R6及三极管T2的基极；所述电阻R6另一端连接地GND；所述三极管T2的发射极连接地GND；所述三极管T2的集电极分别连接电阻R5和第一MCU；所述电阻R5的另一端连接电源VDD。

所述电平移位模块103输出0-5V脉冲到第一MCU。所述电平移位模块103用以对编码信号的比较、翻转和整形等转换。

所述激光器驱动模块102为待调节的批量化的电路板，方便更换。

所述第一MCU为主控制的第一MCU。

所述第二MCU为从控制的第二MCU。

所述功率放大器PA的输出VCC为高电平VH为5.5V至6.5V，低电平

VL为2V至4V的功率级脉冲信号。脉冲数据位宽度为2至3毫秒。

所述电源VDD的电压为3V至5V。

实施例2

图2示出了一种激光器功率在线调节装置的工作方法流程图。

参考图2，如图2所示的一种激光器功率在线调节装置的工作方法，包

括以下步骤：

S1，按键KEY触发后，由第二MCU的I/O输出功率调节编码信号refer，

再依次经过电阻R2、三极管T1、电阻R3、电阻R1、功率放大器PA，形成即包含有编码信息，又带有保底直流分量VL的功率级调制电源VCC，对激光器驱动模块102供电，同时传送功率调节编码信号refer；

S2，电平移位模块103将电源VCC中的功率调节信号refer进行比较、

翻转及整形后转换为对地信号并送入第一MCU，用于重置代码中PID算法的功率参考值大小，相应的调节激光输出功率，完成一次调整过程；

S3，第二MCU中的代码会根据调整后激光输出功率与目标值的误差，进一步计算编码信号refer的最新值，并重复执行2-5次渐近式功率调整操作，直至误差小于1%，功率调节成功；

S4，功率调节成功后，第二MCU会向第一MCU发出结束指令，第一MCU立刻保存最后一次调节的功率调节编码信号refer并重启系统，随后系统按照重置后的参数工作，完成在线功率调节过程。

激光器驱动模块之所以能够驱动和控制激光器以恒电流或恒功率方式输出，而不受供电电压及温度等的影响，是因其采用了硬件PID（比例-积分-微分）环路或者软件PID算法实现对输出量的反馈和闭环控制。例如当输出功率大于目标功率时，闭环控制会自动减小驱动电流因而降低输出功率，反之亦然，最终使输出功率动态调整并“虚短”至目标功率，此时输出功率等于目标功率，而与供电电压和温度等无关。

因此，我们借助电源线载波手段结合硬件调制、解调电路与单片机进行通信，并根据实际需要修改和重置单片机PID算法中目标功率的大小，由“虚短”原理即可控制输出功率的大小，为提高输出功率控制精度，通常需要重复执行以上过程，输出功率逐步逼近目标功率，直至误差低于允许值后结束调整，实质上，整个调整过程也可以理解为一种有限次数的PID调节过程，由于调整量不是电阻值的大小，而是算法中的一个变量值，因此无需动用硬件电路，操作简便灵活，并且调节准确（8位A/D精度优于0.4%，远高于客户要求的2%），调节快速（整个调节过程完全由系统自动完成，时间可以压缩至2秒钟以内）。

激光器驱动模块的升压部分主要针对锂电池、干电池等非稳压供电系统设计，可在2至6V 的宽电压范围内可靠工作，用于半导体激光器及驱动器自身控制系统的供电。经过反复优化，电源升压效率高达90%，并且输出电压根据半导体激光器输出功率进行动态调整，避免了采用固定输出电压造成的冗余浪费，可进一步提高系统电源利用率，更好地解决电池供电系统能量有限的问题。

激光器驱动模块的在线功率调节功能是区别于目前所有驱动器的突出亮点。在保留常规反馈电阻调功率功能的基础上，本驱动器还可以在通电工作时，不接触和修改任何元器件，而仅利用原有的两根电源线，实现在线式功率调节和锁存功能，调节过程简单、快速、准确，取代繁复的人工焊接动作对提高产品的一致性、生产效率、安全性，以及降低人工、物料成本等方面具有重要意义。

本发明采用在线调节模块和电平移位模块连接激光驱动模块的单片机，进行主从机通信，在不断电的条件下实现快速、准确的在线激光功率调节功能。由于主从通信没有增加额外的信号线，而是复用系统原有的2根基础电源线，不用改造系统因而容易实现，不用增加导线因而节约成本。人工调节过程中的计算电阻值、并联微调及反复断电焊接等操作全部移交给功率调节装置自动实现，只需按一次按键启动操作，即可在2秒钟以内完成功率调节工作，因而有效提高效率，对批量生产有显著的价值和意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种激光器功率在线调节装置，其特征在于，包括激光功率在线调节模块101、激光器驱动模块102、电平移位模块103、电流/电压转换模块104、半导体激光器LD及PIN光电二极管PD；所述激光功率在线调节模块101输出端连接激光器驱动模块102；所述激光器驱动模块102通过半导体激光器LD和PIN光电二极管PD连接电流/电压转换模块104；所述电流/电压转换模块104输出端连接激光功率在线调节模块101；所述激光器驱动模块102包括电平移位模块103、第一MCU及驱动电路；所述电平移位模块103输出端连接第一MCU；所述第一MCU输出端连接驱动电路；所述电平移位模块103及驱动电路分别连接电源VCC；所述电平移位模块103及第一MCU分别连接电源VDD；所述电平移位模块103、第一MCU及驱动电路分别连接地GND。

2.根据权利要求1所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述激光功率在线调节模块101包括功率放大器PA、电阻R1、电阻R2、电阻R3、NPN三极管T1、第二MCU、按键KEY及模/数转换器A/D；所述电阻R1一端连接直流电压源VDC，另一端分别连接功率放大器PA输入端和电阻R3；所述电阻R3另一端连接三极管T1集电极；所述电阻R2一端连接第二MCU的I/O口，另一端连接三极管T1基极；所述三极管T1发射集连接地；所述功率放大器PA输出端VCC连接激光器驱动模块102；所述按键KEY连接第二MCU；所述模/数转换器A/D输出端连接第二MCU，输入端连接电流/电压转换模块104。

3.根据权利要求1所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述电平移位模块103包括电阻R4、电阻R5、电阻R6及NPN三极管T2；所述电阻R4一端连接电源VCC，另一端分别连接电阻R6及三极管T2的基极；所述电阻R6另一端连接地GND；所述三极管T2的发射极连接地GND；所述三极管T2的集电极分别连接电阻R5和第一MCU；所述电阻R5的另一端连接电源VDD。

4.根据权利要求1所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述第一MCU为主控制的第一MCU。

5.根据权利要求2所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述第二MCU为从控制的第二MCU。

6.根据权利要求1所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述功率放大器PA的输出VCC为高电平VH为5.5V至6.5V，低电平VL为2V至4V的功率级脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的激光器功率在线调节装置，其特征在于，所述电源VDD的电压为3V至5V。

8.一种激光器功率在线调节装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，按键KEY触发后，由第二MCU的I/O输出功率调节编码信号refer，

再依次经过电阻R2、三极管T1、电阻R3、电阻R1、功率放大器PA，形成即包含有编码信息，又带有保底直流分量VL的功率级调制电源VCC，对激光器驱动模块102供电，同时传送功率调节编码信号refer；

S2，电平移位模块103将电源VCC中的功率调节信号refer进行比较、

翻转及整形后转换为对地信号并送入第一MCU，用于重置代码中PID算法的功率参考值大小，相应的调节激光器输出功率，完成一次调整过程；

S3，第二MCU中的代码会根据调整后激光器输出功率与目标功率的误差，进一步计算编码信号refer的最新值，并重复执行2-5次渐近式功率调整操作，直至误差小于1%，功率调节成功；

S4，功率调节成功后，第二MCU会向第一MCU发出结束指令，第一MCU立刻保存最后一次调节的功率调节编码信号refer并重启系统，随后系统按照重置后的参数工作，完成在线功率调节过程。