CN109326956A - 一种激光器驱动系统及半导体激光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光器驱动领域，提供了一种激光器驱动系统及半导体激光模块，所述激光器驱动系统连接于电源与激光器之间，包括：控制模块；恒流模块，与控制模块连接，用于调节流向激光器的电流；DC‑DC电压转化模块，连接于电源与恒流模块之间；温控模块，与控制模块连接，用于调节激光器的温度；及激光功率矫正模块，与控制模块连接，用于矫正激光器的输出功率。本发明实施例通过DC‑DC电压转化模块和恒流模块的配合使用，能够提高激光器的驱动效率；此外，设置温控模块，可以通过温控模块对激光器的温度进行调节，能够有效保障激光器长时间的稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于激光器驱动技术领域，尤其涉及激光器驱动系统及半导体激光模块。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。所以，要求半导体激光器要微型化、高效率化、灵活控制；但现有的半导体激光模块包括激光器和驱动模块，而现有的驱动模块体积较大，不适合接入到嵌入式系统，同时，在恒流源和温控电路方面效率不高，导致半导体激光模块很多电能以发热形式浪费掉了，且在小体积情况下散热能力有限，长时间工作半导体激光模块温度会很高，导致半导体激光模块电路出故障，故不能长时间工作。
发明内容
本发明提供了一种激光器驱动系统，旨在解决现有半导体激光模块温控性能和散热性能差问题。
本发明是这样实现的，提供一种激光器驱动系统，所述激光器驱动系统连接于电源与激光器之间，包括：
控制模块；
恒流模块，与控制模块连接，用于调节流向激光器的电流；
DC-DC电压转化模块，连接于电源与恒流模块之间；
温控模块，与控制模块连接，用于调节激光器的温度；及
激光功率矫正模块，与控制模块连接，用于矫正激光器的输出功率。
更进一步地，所述控制模块包括第一控制芯片A1，所述第一控制芯片A1设有28个管脚，所述第一控制芯片A1的第9管脚连接于滑动变阻器R20的P端，所述滑动变阻器R20的两端分别连接电源和接地。
更进一步地，所述第一控制芯片A1的第14管脚为LDCURMON端，用于接受激光器电流的反馈信号；第17管脚为LDCURSET端，用于输出激光器电流的设定信号，所述恒流模块包括单运算放大器U1，所述运算放大器U1的第3管脚为运放反向输入端，且与第一控制芯片A1的第17管脚连接，所述运算放大器U1的第4管脚通过第二电容C2与第一控制芯片A1的第17管脚连接；所述运算放大器U1的第1管脚为运放正向输入端，通过第十八电阻R18与激光器的阴极连接，且与第一控制芯片A1的第14管脚连接；所述运算放大器U1的第4管脚还连接于第十三电阻R13的一端。
更进一步地，所述第一控制芯片A1的第25管脚为LDEN端；所述DC-DC电压转化模块包括降压芯片U3，所述降压芯片U3设有7个管脚，第1管脚连接于LDEN端，且连接于第十九电阻和第三电容形成的并联体的一端；第十九电阻和第三电容形成的并联体的另一端接地；第1管脚还通过第六电阻R6连接于第3管脚；第3管脚通过第十四电阻R14接地，通过第八电阻R8连接于激光器的阳极，通过第十三电阻R13连接于所述运算放大器U1的第4管脚。
更进一步地，所述第一控制芯片A1的第8管脚为TECTEMMON端，第11管脚为TECCURMON端，第16管脚通过第十电阻R10连接于TECTEMSET端，第23管脚为TECSHDN端；所述温控模块包括TEC控制芯片U2，设有49个管脚，第11管脚连接于TECSHDN端；第19管脚连接于TECTEMSET端，第23管脚和第24管脚连接于TECTEMMON端，第37管脚连接于TECCURMON端，第18管脚分别连接于第三十七电阻R37和热敏电阻Rt，第19管脚还分别连接于第三十八电阻R38和第四十二电阻R42，第1管脚连接于热能转化器TEC的负极LDTEC-一端，第48管脚连接于热能转化器TEC的正极LDTEC+一端；所述热敏电阻Rt的另一端接地，所述第三十七电阻R37与第三十八电阻R38连接，所述第四十二电阻R42另一端接地。
更进一步地，所述激光器驱动系统包括PCB板，所述PCB板双面布局且设有多个走线层。
本发明还提供一种半导体激光模块，包括所述的激光器驱动系统。
本发明所达到的有益效果：本发明实施例将传统线性稳压器更改为DC-DC电压转化模块，再加上恒流模块，通过DC-DC电压转化模块和恒流模块的配合使用，能够提高激光器的驱动效率；同时，可以将控制模块的输入电压规定在3.7V，由嵌入式系统直接提供，使得半导体激光模块可以直接接入到嵌入式系统中，从而达到小体积低功耗的效果；此外，设置温控模块，可以通过温控模块对激光器的温度进行调节，能够有效保障激光器长时间的稳定工作。
附图说明
图1是本发明提供的激光器驱动系统的结构示意图。
图2是本发明提供的控制模块的电路结构图。
图3是本发明提供的DC-DC电压转化模块与恒流模块连接的电路结构图。
图4是本发明提供的温控模块的电路结构图。
图5是本发明提供的串接口电路结构图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例采用DC-DC电压转化模块和恒流模块配合使用代替传统的线性稳压器，能够有效提高激光器的驱动效率；同时，增加温控模块，能够有效调节激光器的温度，保障激光器工作的稳定性。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种激光器驱动系统，所述激光器驱动系统连接于电源与激光器之间，包括：
控制模块；
恒流模块，与控制模块连接，用于调节流向激光器的电流；
DC-DC电压转化模块，连接于电源与恒流模块之间；
温控模块，与控制模块连接，用于调节激光器的温度；及
激光功率矫正模块，与控制模块连接，用于矫正激光器的输出功率。
本发明实施例将传统线性稳压器更改为DC-DC电压转化模块，再加上恒流模块，通过DC-DC电压转化模块和恒流模块的配合使用，能够提高激光器的驱动效率；同时，可以将控制模块的输入电压规定在3.7V，由嵌入式系统直接提供，使得半导体激光模块可以直接接入到嵌入式系统中，从而达到小体积低功耗的效果；此外，设置温控模块，可以通过温控模块对激光器的温度进行调节，能够有效保障激光器长时间的稳定工作。
实施例二
如图2所示，所述控制模块包括第一控制芯片A1，所述第一控制芯片A1设有28个管脚，所述第一控制芯片A1的第9管脚连接于滑动变阻器R20的P端，所述滑动变阻器R20的两端分别连接电源和接地。
本实施例中，嵌入式系统直接给第一控制芯片A1提供3.7V的供电和控制信号，控制信号包含激光器发光功率模拟调制、激光器出光使能控制和激光器温度控制开关使能；通过设置控制模块，可以使得激光器驱动系统和半导体激光模块直接接入嵌入式系统中，便于控制和使用。
实施例三
如图2所示，所述第一控制芯片A1的第14管脚为LDCURMON端，用于接受激光器电流的反馈信号；第17管脚为LDCURSET端，用于输出激光器电流的设定信号，所述恒流模块包括单运算放大器U1，所述运算放大器U1的第3管脚为运放反向输入端，且与第一控制芯片A1的第17管脚连接，所述运算放大器U1的第4管脚通过第二电容C2与第一控制芯片A1的第17管脚连接；所述运算放大器U1的第1管脚为运放正向输入端，通过第十八电阻R18与激光器的阴极连接，且与第一控制芯片A1的第14管脚连接；所述运算放大器U1的第4管脚还连接于第十三电阻R13的一端。具体的，所述第十八电阻R18远离与运算放大器U1连接的一端依次连接有第一电阻R1和第五电阻R5，所述第五电阻R5另一端接地，第十三电阻R13分别连接于第八电阻R8和第十四电阻R14，所述第八电阻R8的另一端和第十四电阻R14的另一端之间连接有第三十电容C30。
本实施例中，若运算放大器U1的正向输入端电压小于反向输入端电压，则输出端4脚输出低电平，即激光器实际电流小于设定值时运放输出低电平。运放输出低电平经过第十三电阻R13连接到DC-DC电压转化模块，这时DC-DC电压转化模块的电压会被第十三电阻R13上的低电平拉低，而DC-DC电压转化模块检测到电压被拉低则增加输出，从而第三十电容C30电压升高进一步增加流过激光器的电流，直到实际流过激光器的电流值等于设定值；反之如果流过第一电阻R1和第五电阻R5的电流大于设定电压，则运放正向输入端大于反向输入端，运放输出高电平，则DC-DC电压转化模块的电平被抬高从而高于DC-DC电压转化模块内部基准电平，则DC-DC电压转化模块降低输出，从而降低第三十电容C30两端电压，则流过激光器的电流降低，直到实际流过激光器电流值等于设定值。
实施例四
如图3所示，所述第一控制芯片A1的第25管脚为LDEN端；所述DC-DC电压转化模块包括降压芯片U3，所述降压芯片U3设有7个管脚，第1管脚连接于LDEN端，且连接于第十九电阻和第三电容形成的并联体的一端；第十九电阻和第三电容形成的并联体的另一端接地；第1管脚还通过第六电阻R6连接于第3管脚；第3管脚通过第十四电阻R14接地，通过第八电阻R8连接于激光器的阳极，通过第十三电阻R13连接于所述运算放大器U1的第4管脚；所述第八电阻R8的另一端和第十四电阻R14的另一端之间连接有第三十电容C30。
本实施例中，DC-DC电压转化模块主要根据降压芯片U3的第3管脚的反馈电压调节输出到第三十电容C30正极的电压，若第三十电容C30两端电压降低，第八电阻R8和第十四电阻R14分压到降压芯片U3的第3管脚的电压小于降压芯片U3内部基准电压，则降压芯片U3增加输出，从而抬高第三十电容C30两端电压，若第三十电容C30电压大于设定电压则降压芯片U3减小输出，降低第三十电容C30两端电压，这样降压芯片U3及附属电路就构成了以降压芯片U3的第3管脚为参考的稳压电压源。
综上，DC-DC电压转换模块和恒流模块共同构成了的一个恒流源电路，这在达到恒流源的功能上实际是使用了一个DC-DC电压变换模块，这在效率上是远大于传统LDO构成的恒流源的。
此外，所述DC-DC电压转化模块还设有过冲抑制作用，降压芯片U3的第1管脚为降压芯片U3的输出使能端，高电平有效，通过第六电阻R6把降压芯片U3的第1管脚和第3管脚连一起，则在开机时第1管脚输入高电平，同样经过第六电阻R6会给第3管脚一个电平，这个电平同时受第十三电阻R13影响，运算放大器U1检测到开机流过激光器极小，则输出低电平到第十三电阻R13，这样由于第六电阻R6和第十三电阻R13相反方向的影响，适当调节其阻值大小到降压芯片U3的第3管脚电平在开机时只会比内部基准电平小一些，这样降压芯片U3内部PWM控制器会比较小幅度增加占空比，从而较小幅度增加输出到第三十电容C30的电平，则流过激光器电流小幅度增加，在运算放大器U1的第3管脚和第4管脚即反向输入端和输出端增加第二电容C2，控制运放开环增益下的时间常数，则电压源和运放环路共同构成的电流环在每个调节周期上逐渐增加第三十电容C30的电压，从而增加流过激光器的电流，直到等于设定电流值。这就抵消了因采用DC-DC电压转化模块加运算放大器构成的恒流源产生的开机过冲问题。经实际使用效果看，同等输入电压下，DC-DC型LD恒流驱动相比传统LDO型恒流源效率提高了20％以上，而在输出的激光质量上是几乎相当的。
实施例五
如图4所示，所述第一控制芯片A1的第8管脚为TECTEMMON端，第11管脚为TECCURMON端，第16管脚通过第十电阻R10连接于TECTEMSET端，第23管脚为TECSHDN端；所述温控模块包括TEC控制芯片U2，设有49个管脚，第11管脚连接于TECSHDN端；第19管脚连接于TECTEMSET端，第23管脚和第24管脚连接于TECTEMMON端，第37管脚连接于TECCURMON端，第18管脚分别连接于第三十七电阻R37和热敏电阻Rt，第19管脚还分别连接于第三十八电阻R38和第四十二电阻R42，第1管脚连接于热能转化器TEC的负极LDTEC-一端，第48管脚连接于热能转化器TEC的正极LDTEC+一端；所述热敏电阻Rt的另一端接地，所述第三十七电阻R37与第三十八电阻R38连接，所述第四十二电阻R42另一端接地。
TEC控制芯片U2是一个集成的TEC控制器，他能检测激光器内部温度和设定温度值，从而调节内部H桥电路控制H电路输出极性和幅度，从而控制热电半导体，达到制冷或加热目的，从而调节激光器内部温度。其中TEC控制芯片的第18管脚FB-电平为第三十七电阻R37和激光器内部热敏电阻Rt分压所得可表征激光器内部温度值大小，第19管脚FB+为第三十八电阻R38和第四十二电阻R42和第一控制芯片A1输出的设定值TECTEMSET共同决定的温度设定值大小。当激光器开始工作时，由于工作时产生大量热量，导致内部温度升高，热敏电阻Rt因激光器温度升高阻值变小时，FB-电平降低，则FB-小于FB+电平，内部运放输出高电平，经过内部逻辑电路和运算电路后控制内部H桥电路使TEC控制芯片U2的第33、31、28管脚LX1电平大于TEC控制芯片U2的第4、6、9管脚LX2，从而热能转化器TEC的LDTEC+大于LDTEC-，热能转化器TEC开始制冷，制冷功率大小受FB-和FB+电平相差幅度大小决定，直到FB-和FB+电平相当，TEC控制芯片U2保持此时的制冷功率；反之，当热敏电阻Rt因激光器温度降低阻值变大时，FB-电平升高，FB-大于FB+，则TEC控制芯片U2控制热能转化器TEC减小制冷功率直到FB-和FB+电平相当，TEC控制芯片U2保持此时的制冷功率。综上TEC控制芯片U2能控制加热或制冷及其加热功率或制冷功率使激光器内部保持在设定温度值上，从而保证激光器有效的发出理想激光。采用TEC控制芯片U2能有效降低电路体积，同时TEC控制芯片U2的功率控制部分为PWM控制的DC-DC变换器，有比较高的工作效率。
实施例六
所述激光器驱动系统包括PCB板，所述PCB板双面布局且设有多个走线层。
本实施例中，在器件选型时微型化封装的电子元器件是首选，PCB板设计时采用双面表贴布局，6层电路走线。在较小元器件体积同时提高PCB板的空间利用率以最大限度减小模块体积。所述激光器驱动系统还包括第一串接器P1和第二串接器P2。
实施例七
本发明还提供一种半导体激光模块，包括所述的激光器驱动系统。
本发明的一个实施方式如下：嵌入式系统给激光器驱动系统提供3.7V供电和控制信号，控制信号含激光器发光功率模拟调制、激光器出光使能控制、激光器温度控制开关使能；
嵌入式系统供电经DC-DC电压转换模块和恒流模块构成电流控制环路的恒流源，DC-DC电压转换模块的电压源给恒流模块提供电能，恒流模块比较控制模块设定的电流值和流经激光器的电流值做运算得到控制值给DC-DC电压转换模块，DC-DC电压转换模块根据此值调节输出给恒流模块的电压，如此反复至控制模块给恒流模块的电流控制值和激光器实际电流值相等为止，从而完成恒流源作用。同时DC-DC电压转换模块、恒流模块在环路上有抗过冲电路使电压源下的电流源有较小电流过冲；
嵌入式系统供电给温控模块,温控模块根据控制模块设定的温度值和检测到的激光器的实际温度值做处理，加热或制冷半导体激光器中的热电制冷器使激光器工作在恒定温度值环境下；
激光功率矫正模块是一个机械可调旋转电位器，因不同激光器发光阈不一样，导致同一个控制电路很难匹配不同激光器导致不同的激光器在同一电流控制下发光功率不一致，因此激光功率矫正模块可在初次使用激光器时通过调节旋转电位器使控制模块矫正输出功率，此后使用该激光器时控制模块都会根据激光功率矫正模块设定值自动矫正激光器功率。
本发明实施例将传统线性稳压器更改为DC-DC电压转化模块，再加上恒流模块，通过DC-DC电压转化模块和恒流模块的配合使用，能够提高激光器的驱动效率；同时，可以将控制模块的输入电压规定在3.7V，由嵌入式系统直接提供，使得半导体激光模块可以直接接入到嵌入式系统中，从而达到小体积低功耗的效果；此外，设置温控模块，可以通过温控模块对激光器的温度进行调节，能够有效保障激光器长时间的稳定工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种激光器驱动系统，所述激光器驱动系统连接于电源与激光器之间，其特征在于，包括：
控制模块；
恒流模块，与控制模块连接，用于调节流向激光器的电流；
DC-DC电压转化模块，连接于电源与恒流模块之间；
温控模块，与控制模块连接，用于调节激光器的温度；及
激光功率矫正模块，与控制模块连接，用于矫正激光器的输出功率。
2.如权利要求1所述的一种激光器驱动系统，其特征在于，所述控制模块包括第一控制芯片，所述第一控制芯片设有28个管脚，所述第一控制芯片的第9管脚连接于滑动变阻器的P端，所述滑动变阻器的两端分别连接电源和接地。
3.如权利要求2所述的一种激光器驱动系统，其特征在于，所述第一控制芯片的第14管脚为LDCURMON端，用于接受激光器电流的反馈信号；第17管脚为LDCURSET端，用于输出激光器电流的设定信号，所述恒流模块包括单运算放大器，所述运算放大器的第3管脚为运放反向输入端，且与第一控制芯片的第17管脚连接，所述运算放大器的第4管脚通过第二电容与第一控制芯片的第17管脚连接；所述运算放大器的第1管脚为运放正向输入端，通过第十八电阻与激光器的阴极连接，且与第一控制芯片的第14管脚连接；所述运算放大器的第4管脚还连接于第十三电阻的一端。
4.如权利要求3所述的一种激光器驱动系统，其特征在于，所述第一控制芯片的第25管脚为LDEN端；所述DC-DC电压转化模块包括降压芯片，所述降压芯片设有7个管脚，第1管脚连接于LDEN端，且连接于第十九电阻和第三电容形成的并联体的一端；第十九电阻和第三电容形成的并联体的另一端接地；第1管脚还通过第六电阻连接于第3管脚；第3管脚通过第十四电阻接地，通过第八电阻连接于激光器的阳极，通过第十三电阻连接于所述运算放大器的第4管脚。
5.如权利要求2所述的一种激光器驱动系统，其特征在于，所述第一控制芯片的第8管脚为TECTEMMON端，第11管脚为TECCURMON端，第16管脚通过第十电阻连接于TECTEMSET端，第23管脚为TECSHDN端；所述温控模块包括TEC控制芯片，设有49个管脚，第11管脚连接于TECSHDN端；第19管脚连接于TECTEMSET端，第23管脚和第24管脚连接于TECTEMMON端，第37管脚连接于TECCURMON端，第18管脚分别连接于第三十七电阻和热敏电阻，第19管脚还分别连接于第三十八电阻和第四十二电阻，第1管脚连接于热能转化器的负极LDTEC-一端，第48管脚连接于热能转化器TEC的正极LDTEC+一端；所述热敏电阻的另一端接地，所述第三十七电阻与第三十八电阻连接，所述第四十二电阻另一端接地。
6.如权利要求1所述的一种激光器驱动系统，其特征在于，所述激光器驱动系统包括PCB板，所述PCB板双面布局且设有多个走线层。
7.一种半导体激光模块，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的激光器驱动系统。
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- 2018-11-19 CN CN201811373191.0A patent/CN109326956A/zh active Pending
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