CN109412002B - 一种高效率激光泵浦源装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种高效率激光泵浦源装置属于电子设备的技术领域，结构有激光器模块(1)、功率控制模块(2)、温度控制模块(3)、显示驱动模块(4)和前面板(5)；所述的功率控制模块(2)的主要结构包括负载判断模块(206)、延时补偿模块(207)、电压跟踪模块(208)和断电保护模块(211)等。本发明在工作于不同的输出功率时，均能保持最低的电损耗，提高了系统的整体效率。

Description

一种高效率激光泵浦源装置

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种高效率激光泵浦源装置。

背景技术

光纤激光器以其低阈值、高功率、高光束质量、可靠性好、结构紧凑和散热性好等诸多优点，广泛应用于激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备等领域。光纤激光器是利用掺稀土元素光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器在光纤放大器的基础上开发而来，由泵浦源、稀土元素掺杂光纤、谐振腔三个基本要素组成，其工作原理是：泵浦源产生的泵浦波长上的光子被掺杂光纤吸收，使其中的稀土元素离子跃迁到较高的能级，形成粒子数反转；在自发或受激的条件下，稀土元素离子由高能级回到低能级并同时释放出相应能量的光子；在光纤激光器的光纤谐振腔中上述过程构成正反馈，从而形成激光振荡输出。

激光泵浦源是光纤激光器的核心部分，为整个光纤激光器提供能量源，常见的泵浦源一般由蝶形激光器模块和电流驱动器、温度控制器组成。泵浦源的技术指标影响了整个光纤激光器的技术指标，因此对激光泵浦源的技术指标要求较高，而在激光泵浦源的各项技术指标中，稳定度和效率更为重要，要保证整个光纤激光器系统的高稳定度和高效率，则要求激光泵浦源的稳定度和效率尽量高。与本发明最接近的现有技术是本课题组于2016年9月5申请的发明专利“一种具有超温保护功能的高稳定度激光泵浦源”，申请号为2016108010570，该专利中，以蝶形激光器模块为发光源，由稳定性很高的功率控制模块和温度控制模块对其进行驱动和控温，在功率控制模块中加入了PID运算电路，有效地提高了输出激光的稳定度。

但上述专利还存在一定的缺点，其中最主要的缺点是效率低，造成其效率低的主要原因是该系统中电损耗过高。专利2016108010570的核心结构包括激光器模块(蝶形激光器模块)、功率控制模块和温度控制模块，其中功率控制模块结构见该专利的附图2，功率控制模块的结构包括功率取样模块、PID运算模块、LD驱动模块等，功率控制模块的核部分则是LD驱动模块，该模块负责产生高稳定度的恒定电流并输出至蝶形激光器，其电路原理图见该专利的图7，在该电路中，由固定电压VCC经由功率管Q1、取样电阻Rs1、LD+(激光二极管正极)、LD-(激光二极管负极，图中未画出)，到地，构成一个电流回路，该回路中的电流由于深度负反馈的作用及前级PID控制的作用，稳定度极高，其大小受到前级控制电路的控制。在该回路中，功率管Q1承担的电压降、取样电阻Rs1承担的电压降、以及激光二极管承担的电压降三者之和等于电源电压VCC(固定值)，当所设置的驱动电流由大变小时，激光二极管两端的电压、取样电阻Rs1两端的电压均相应变小，而功率管Q1是非线性器件，则会主动承担多余的电压，以保持三者电压之和等于VCC，这时会导致该电路产生的电功率更多地变为功率管Q1的管耗，也就是说，随着设置的驱动电流的减小，功率控制模块输出的功率减小，但功率控制模块自身的电损耗却增加，这一方面导致系统的总体效率急剧下降，另一方面，随着功率管Q1的管耗的增加，其产生的热量增加，系统的温度会升高，而温度的升高则会带来更加严重的后果：降低输出电流的稳定度且带来烧坏功率管的风险。

另外，专利2016108010570不具备过流保护的功能，一旦某个控制单元出现故障导致输出至蝶形激光器模块的电流值超过蝶形激光器所能承受的最大安全电流值时，很容易将蝶形激光器烧坏。

因此，现有的激光泵浦源还需要进一步改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中的不足，提供一种高效率激光泵浦源装置，当泵浦源工作于不同的输出功率时，能够自动调节功率控制电路的参数，一直保持较低的电损耗和较高的效率，且具备过流、超温断电保护的功能。

本发明的技术问题通过以下技术方案解决：

一种高效率激光泵浦源装置，结构有激光器模块1、功率控制模块2、温度控制模块3、显示驱动模块4和前面板5，所述的功率控制模块2的结构包括功率设置模块201、功率取样模块202、PID运算模块203、软启动模块204和LD驱动模块205，其特征在于，所述的功率控制模块2的结构还有负载判断模块206、延时补偿模块207、电压跟踪模块208、过流判断模块209、超温判断模块210和断电保护模块211；

所述的LD驱动模块205的结构为：继电器EK1的开关的一端作为LD驱动模块205的第一个输入端，记为端口PWR-in1，继电器EK1的开关的另一端接场效应管Q1的漏极，并作为LD驱动模块205的第一个输出端，记为端口PWR-out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为LD驱动模块205的第二个输入端，记为端口PWR-in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为LD驱动模块205的第二个输出端，记为端口PWR-out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为LD驱动模块205的第三个输入端，记为端口PWR-in3，电阻R1的另一端作为LD驱动模块205的第四个输入端，记为端口PWR-in4，运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为LD驱动模块205的第三个输出端，记作端口PWR-out3，电阻Rs的另一端接地；

所述的负载判断模块206的结构为：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块206的第一个输入端，记作端口Vjdg-in1，与LD驱动模块205的端口PWR-out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块206的第二个输入端，记作端口Vjdg-in2，与LD驱动模块205的端口PWR-out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块206的输出端，记作端口Vjdg-out，与延时补偿模块207的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块206的第三个输入端，记作端口Vjdg-in3，与LD驱动模块205的端口PWR-in4相连；

所述的延时补偿模块207的结构为：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块207的输入端，记作端口Vdly-in，与负载判断模块206的端口Vjdg-out相连，电阻R13的另一端与运放U4A的反相输入端和电阻R15的一端相连，运放U4A的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接电源Vcc/2，电阻R15的另一端与运放U4A的输出端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电阻R21的一端和运放U5A的反相输入端相连，电阻R17的另一端与运放U5A的输出端相连，并作为延时补偿模块207的输出端，记作端口Vdly-out，与电压跟踪模块208的第二个输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端与电源Vcc/2相连，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、电容C2的一端和运放U5B的输出端相连，电阻R20的另一端与电容C2的另一端、运放U5B的反相输入端及电阻R18的另一端相连，电阻R19的一端接运放U5B的同相输入端，另一端接电源Vcc/2；

所述的电压跟踪模块208的结构为，电阻R23的一端接电源Vcc/2，另一端与运放U6A的反向输入端相连，运放U6A的同相输入端与电阻R24的一端、电阻R25的一端相连，电阻R24的另一端与运放U6A的输出端相连，电阻R25的另一端与运放U6B的输出端相连，电阻R26的一端与运放U6A的输出端相连，另一端与运放U6B的反向输入端相连；电阻R27的一端与运放U6B的同向输入端相连，另一端接电源Vcc/2；电容C3的一端及电阻R28的一端与运放U6B的反向输入端相连，另一端与运放U6B的输出端相连，运放U6B的输出端与电阻R29的一端相连，电阻R29的另一端与运放U7A的同相输入端相连，并作为电压跟踪模块208的第一个输入端，记为端口Vflw-in1，与断电保护模块211的第二个输出端相连；电阻R30的一端与运放U7A的同向输入端相连，另一端作为电压跟踪模块208的第二个输入端，记为端口Vflw-in2，与延时补偿模块207的端口Vdly-out相连；电阻R31的一端与运放U7A的反向输入端相连，另一端接电源Vcc/2；运放U7A的输出端与场效应管Q2的栅极相连，场效应管Q2的漏极接电源Vcc，源极接电感L1的一端和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地，电感L1的另一端与电解电容C4的正极、电解电容C5的正极、电容C6的一端、电容C7的一端均相连，并作为电压跟踪模块208的输出端，记为端口Vflw-out，与LD驱动模块205的端口PWR-in1相连；电解电容C4的负极、电解电容C5的负极、电容C6的另一端以及电容C7的另一端均接地；

所述的过流判断模块209的结构为，运放U9A的同向输入端作为过流判断模块209的输入端，记为端口OC-in，与LD驱动模块205的端口PWR-out3相连；电阻R35的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端接地；电阻R36的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端与滑动变阻器W3的一端相连；滑动变阻器W3的另一端和滑线端与运放U9A的输出端及运放U9B的同向输入端相连；滑动变阻器W4的一端接电源Vdd，另一端接地，滑线端与运放U9B的反向输入端相连；运放U9B的输出端作为过流判断模块209的输出端，记为端口OC-out，与断电保护模块的一个输入端相连；

所述的超温判断模块210的结构为，稳压二极管D2的负极接电源Vdd，正极接运放U10B的同相输入端，运放U10B的反相输入端与电容C9的一端、电阻R38的一端及二极管Q4的射极相连，电阻R38的另一端接电源Vdd，电容C9的另一端接运放U10B的输出端和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接三极管Q4的基极，三极管Q4的集电极与运放U10A的反相输入端相连，并作为超温判断模块210的一个输入端，记为端口NTC1，与激光器模块1的端口NTC+相连；电阻R37的一端与运放U10B的同相输入端相连，另一端接地，并作为超温判断模块210的另一个输入端，记为端口NTC2，与激光器模块1的端口NTC-相连；滑动变阻器W5的一端与电源Vdd相连，另一端接地，滑线端与运放U10A的同向输入端相连；运放U10A的输出端作为超温判断模块210的输出端，记为OT-out，与断电保护模块211的另一个输入端相连；

所述的断电保护模块211的结构为，与非门U8A的两个输入端分别作为断电保护模块211的两个输入端，记为端口BRK-in1和端口BRK-in2，并分别与过流判断模块209的输出端、超温判断模块210的输出端相连，与非门U8A的输出端接与非门U8B的一个输入端，与非门U8B的另一个输入端接与非门U8C的输出端，与非门U8B的输出端接与非门U8C的一个输入端和场效应管Q3的栅极，与非门U8C的另一个输入端接电容C8的一端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端接开关K1的一端和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电源Vdd，开关K1的另一端和电容C8的另一端均接地；场效应管Q3的源极接地，电阻R34的一端作为断电保护模块211的第一个输出端，记为端口BRK-out1，并与LD驱动模块205的端口PWR-in2相连，电阻R34的另一端接场效应管Q3的漏极，并作为断电保护模块211的第二个输出端，记为端口BRK-out2，端口BRK-out2同时与LD驱动模块205的端口PWR-in3和电压跟踪模块208的端口Vflw-in1相连；

所述的显示驱动模块4的结构为，电阻R47的一端接地，另一端接运放U12A的反相输入端和电阻R48的一端，电阻R48的另一端与滑动变阻器W8的一端相连，滑动变阻器W8的滑线端与运放U12A的输出端及单刀三掷开关SW1的第一个选择端相连，运放U12A的同相输入端作为显示驱动模块4的第一个输入端，记作端口DIS-in1，与所述的功率取样模块202的输出端相连，用于将输出的光功率转换为显示信号；电阻R49的一端接地，另一端接运放U13A的反相输入端和电阻R50的一端，电阻R50的另一端与滑动变阻器W9的一端相连，滑动变阻器W9的滑线端与运放U13A的输出端及单刀三掷开关SW1的第二个选择端相连，运放U13A的同相输入端作为显示驱动模块4的第二个输入端，记作端口DIS-in2，与LD驱动模块的端口PWR-out3相连，用于将驱动电流转换为显示信号；电阻R51的一端接地，另一端接运放U13B的反相输入端和电阻R52的一端，电阻R52的另一端与滑动变阻器W10的一端相连，滑动变阻器W10的滑线端与运放U13B的输出端及单刀三掷开关SW1的第三个选择端相连，运放U13B的同相输入端作为显示驱动模块4的第三个输入端，记作端口DIS-in3，与温度控制模块3的温度取样端口相连，用于将激光器模块的工作温度转换为显示信号；单刀三掷开关SW1的公共端作为显示驱动模块4的输出端，记作端口DIS-out，与前面板5中的数字表头59，用于将选出的显示信号送至数字表头59进行显示；

所述的前面板5的结构包括显示模式51、电源开关52、功率设置53、过流预置54、超温预置55、激光输出端口56、复位按钮57、输出控制58、和数字表头59。

本发明中的电源Vcc、电源Vcc/2、电源Vdd分别优选48V、24V、5V直流稳压电源。

本发明所述的延时补偿模块207电路参数优选为：电阻R13、R14为4K，R15为40K，R16、R21为20K，R17、R20为10K，R18、R19为1K，R22为5.1K，电容C2为5PF。

本发明所述的激光器模块1优选捷迪讯LC96蝶形封装激光器模块。

本发明的其它各模块为现有技术，可参考专利2016108010570(一种具有超温保护功能的高稳定度激光泵浦源)中的相关内容进行设计。

有益效果：

1、本发明在功率控制模块中利用负载判断模块、延时补偿模块和电压跟踪模块协同工作，实现功率控制模块对负载工作状态的自适应，在负载激光器工作于不同的功率时，功率控制模块能一直保持电损耗最小，进行实现系统效率的最大化。

2、本发明在设计负载判断模块时，采用特殊的无损检测技术，在不影响LD驱动模块的输出电流的前提下实现对负载工作状态的有效判断。

3、本发明具有超温、过流断电保护功能，通过对输出电流和激光器工作温度的双重监测，当输出电流超过预设的安全值或者激光器的工作温度超过安全温度后，迅速切断LD驱动模块的供电回路，且同时把LD驱动模块及电压跟踪模块的控制信号均锁死到0，实现对系统的多方位保护，大大提高了系统的安全性。

4、本发明的断电保护采用单向触发机制，一旦断电保护被触发，需要排除故障后手动复位才能正常输出电流，以防止断电保护模块在安全值附近反复动作，进一步提高了系统的安全性。

附图说明：

图1是本发明整体结构框图。

图2是功率控制模块2的结构框图。

图3是LD驱动模块205的原理电路图。

图4是负载判断模块206的原理电路图。

图5是延时补偿模块207的原理电路图。

图6是电压跟踪模块208的原理电路图。

图7是过流判断模块209的原理电路图。

图8是超温判断模块210的原理电路图。

图9是断电保护模块211的原理电路图。

图10是本发明所用的激光器模块1的封装及引脚示意图。

图11是显示驱动模块4的原理电路图。

图12是前面板5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中所标参数为各实施例的优选电路参数。

实施例1系统整体结构

如图1所示，系统结构有激光器模块1、功率控制模块2、温度控制模块3、显示驱动模块4和前面板5，功率控制模块2向激光器模块1提供驱动电流，温度控制模块3控制激光器模块1的工作温度，使其工作于恒温状态，显示驱动模块4采集系统的主要参数并转换成适合表头显示的信号，前面板5用于对本发明的泵浦源装置进行操作。

实施例2本发明的功率控制模块2的结构

所述的功率控制模块2的结构如图2所示，包括功率设置模块201、功率取样模块202、PID运算模块203、软启动模块204和LD驱动模块205、负载判断模块206、延时补偿模块207、电压跟踪模块208、过流判断模块209、超温判断模块210和断电保护模块211。由功率设置模块201设置所需的功率，功率取样模块202通过激光器模块1中集成的光电二极管(PD)对输出光功率进行取样并转换成电压，然后与功率设置模块201设置的电压在PID运算模块203中进行求差并进行PID运算，运算的结果输出到LD驱动模块205并控制其输出到激光器模块1的驱动电流，进而控制激光器模块1的输出光功率，由于PID运算模块的自动控制作用，使得输出光功率能够准确、快速、稳定地按照功率设置模块201所设置的功率进行变化，软启动模块204控制LD驱动模块205使输出到激光器模块1的驱动电流从0平缓地上升到设定值，以减小对激光器模块的上电冲击。负载判断模块206检测LD驱动模块205中的功率管Q1我漏源电压，以判断负载工作状态，经延时补偿模块207进行延时补偿后控制电压跟踪模块208进行适应性调整，以使负载工和在最佳状态。过流判断模块209监测LD驱动模块输出电流是否超过安全值，超温判断模块210监测激光器模块1的核心温度是否超过安全值，两者有一个超过安全值，均会触发断电保护模块执行断电操作。

实施例2本发明的LD驱动模块

本发明所述的LD驱动模块205的结构如图3所示：继电器EK1的开关的一端作为LD驱动模块205的第一个输入端，记为端口PWR-in1，继电器EK1的开关的另一端接场效应管Q1的漏极，并作为LD驱动模块205的第一个输出端，记为端口PWR-out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为LD驱动模块205的第二个输入端，记为端口PWR-in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为LD驱动模块205的第二个输出端，记为端口PWR-out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为LD驱动模块205的第三个输入端，记为端口PWR-in3，电阻R1的另一端作为LD驱动模块205的第四个输入端，记为端口PWR-in4，运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为LD驱动模块205的第三个输出端，记作端口PWR-out3，电阻Rs的另一端接地。

LD驱动模块205在PID运算模块203输出的电压的控制下，将电压转换成对应的输出电流，通过LD驱动模块205的端口PWR-out2(与激光器模块1的端口LD+相连)和端口PWR-out3(与激光器模块1的端口LD-相连)输出至激光器模块1，为激光器模块1提供所需的驱动电流。

实施例3本发明的负载判断模块

本发明所述的负载判断模块206的结构如图4所示：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块206的第一个输入端，记作端口Vjdg-in1，与LD驱动模块205的端口PWR-out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块206的第二个输入端，记作端口Vjdg-in2，与LD驱动模块205的端口PWR-out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块206的输出端，记作端口Vjdg-out，与延时补偿模块207的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块206的第三个输入端，记作端口Vjdg-in3，与LD驱动模块205的端口PWR-in4相连。

当本设置的输出功率发生变化时(即LD驱动模块205输出的驱动电流变化)，会导致激光器模块1中的LD(激光二极管)两端电压发生变化，LD驱动模块205中的场效应管由于其非线性特点则会调整自身所分担的电压，因此该负载判断模块206通过端口Vjdg-in1、Vjdg-in2检测场效应管Q1两端(即LD驱动模块205中的端口PWR-out1和PWR-out2)的电压变化实现对负载工作状态变化的判断：驱动电流变大时，LD两端电压增大，Q1两端的电压则变小；驱动电流变小时，LD两端电压变小，Q1两端电压则变大。由于Q1与LD同处于一个输出回路中，因此流过Q1的电流的微小变化都会影响输出至LD的电流的稳定度，因此在对Q1两端电压进行检测时要求尽量不能影响流过Q1的电流，本发明的负载判断模块206采用高阻抗无损检测的设计，既保证对Q1两端电压的检测达到极高精度，又保证检测电压时完全不影响流过Q1的电流。检测出的Q1两端的电压与端口Vjdg-in3处的参考电压(与LD驱动模块205的控制电压相同)进行比较求差，其差值决定了后级电压跟踪模块所要调整的电压量。

实施例4本发明的延时补偿模块

由于后级的电压跟踪模块208中的电感、电容网络存在延时效应，因此在负载判断模块206检测出负载工作状态的变化到最终电压跟踪模块208作出适应性调整不可避免地会出现一定的延时，因此本发明采取了延时补偿设计，通过延时补偿模块207消除该延时，使电压跟踪模块208的电压适应性调整与负载判断模块206的检测完全处于同步工作，以实现精确有效的控制。

所述的延时补偿模块207的结构如图5所示：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块207的输入端，记作端口Vdly-in，与负载判断模块206的端口Vjdg-out相连，电阻R13的另一端与运放U4A的反相输入端和电阻R15的一端相连，运放U4A的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接电源Vcc/2，电阻R15的另一端与运放U4A的输出端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电阻R21的一端和运放U5A的反相输入端相连，电阻R17的另一端与运放U5A的输出端相连，并作为延时补偿模块207的输出端，记作端口Vdly-out，与电压跟踪模块208的第二个输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端与电源Vcc/2相连，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、电容C2的一端和运放U5B的输出端相连，电阻R20的另一端与电容C2的另一端、运放U5B的反相输入端及电阻R18的另一端相连，电阻R19的一端接运放U5B的同相输入端，另一端接电源Vcc/2。

实施例5本发明的电压跟踪模块

本发明所述的电压跟踪模块208的结构如图6所示，电阻R23的一端接电源Vcc/2，另一端与运放U6A的反向输入端相连，运放U6A的同相输入端与电阻R24的一端、电阻R25的一端相连，电阻R24的另一端与运放U6A的输出端相连，电阻R25的另一端与运放U6B的输出端相连，电阻R26的一端与运放U6A的输出端相连，另一端与运放U6B的反向输入端相连；电阻R27的一端与运放U6B的同向输入端相连，另一端接电源Vcc/2；电容C3的一端及电阻R28的一端与运放U6B的反向输入端相连，另一端与运放U6B的输出端相连，运放U6B的输出端与电阻R29的一端相连，电阻R29的另一端与运放U7A的同相输入端相连，并作为电压跟踪模块208的第一个输入端，记为端口Vflw-in1，与断电保护模块211的第二个输出端相连；电阻R30的一端与运放U7A的同向输入端相连，另一端作为电压跟踪模块208的第二个输入端，记为端口Vflw-in2，与延时补偿模块207的端口Vdly-out相连；电阻R31的一端与运放U7A的反向输入端相连，另一端接电源Vcc/2；运放U7A的输出端与场效应管Q2的栅极相连，场效应管Q2的漏极接电源Vcc，源极接电感L1的一端和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地，电感L1的另一端与电解电容C4的正极、电解电容C5的正极、电容C6的一端、电容C7的一端均相连，并作为电压跟踪模块208的输出端，记为端口Vflw-out，与LD驱动模块205的端口PWR-in1相连；电解电容C4的负极、电解电容C5的负极、电容C6的另一端以及电容C7的另一端均接地。

电压跟踪模块208将电压Vcc(固定值，优选48V)自动调节后输出到LD驱动模块205的端口PWR-in1，作为LD驱动模块205的电流输出回路的功率电压，该电压会跟随LD工作状态的变化，在LD的驱动电流发生变化进而导致LD两端的电压发生变化时，端口PWR-in1处的电压既不会因为LD两端电压减小而出现冗余也不会因为LD两端电压变大而不足，始终工作于“临界状态”，保证了整个系统的电损耗始终处于最小。由于场效应管Q1为非线性器件，漏源电压的最佳值与漏极电流有关。负载判断模块的参考电压取自于LD驱动模块205的控制电压，当控制电压改变时，会同时影响LD驱动模块205的输出电流和负载判断模块206的参考电压，以使场效应管Q1的漏源电压在输出电流不同时主动适应在不同的最佳值。

实施例6本发明的过流判断模块

本发明所述的过流判断模块209的结构如图7所示，运放U9A的同向输入端作为过流判断模块209的输入端，记为端口OC-in，与LD驱动模块205的端口PWR-out3相连；电阻R35的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端接地；电阻R36的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端与滑动变阻器W3的一端相连；滑动变阻器W3的另一端和滑线端与运放U9A的输出端及运放U9B的同向输入端相连；滑动变阻器W4的一端接电源Vdd，另一端接地，滑线端与运放U9B的反向输入端相连；运放U9B的输出端作为过流判断模块209的输出端，记为端口OC-out，与断电保护模块的一个输入端相连。

该模块实时检测LD驱动模块205输出至激光器模块1的电流值，并与设定的安全值(由图中的滑动变阻器W4设置)进行比较，当实际输出的电流超过预设的安全值时，会通过端口OC-out输出过流信号，用来触发断电保护模块211执行断电动作。滑动变阻器W4位于前面板5上，是前面板5上的过流预置54。

实施例7本发明的超温判断模块

本发明所述的超温判断模块210的结构如图8所示，稳压二极管D2的负极接电源Vdd，正极接运放U10B的同相输入端，运放U10B的反相输入端与电容C9的一端、电阻R38的一端及二极管Q4的射极相连，电阻R38的另一端接电源Vdd，电容C9的另一端接运放U10B的输出端和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接三极管Q4的基极，三极管Q4的集电极与运放U10A的反相输入端相连，并作为超温判断模块210的一个输入端，记为端口NTC1，与激光器模块1的端口NTC+相连；电阻R37的一端与运放U10B的同相输入端相连，另一端接地，并作为超温判断模块210的另一个输入端，记为端口NTC2，与激光器模块1的端口NTC-相连；滑动变阻器W5的一端与电源Vdd相连，另一端接地，滑线端与运放U10A的同向输入端相连；运放U10A的输出端作为超温判断模块210的输出端，记为OT-out，与断电保护模块211的另一个输入端相连。

该模块通过检测激光器模块内部集成的热敏电阻NTC，以监测激光器模块1的核心温度，当核心温度超过设定的安全温度(由图8中的滑动变阻器W5设置)时，通过端口OT-out输出超温信号，用来触发断电保护模块211执行断电动作。滑动变阻器W5位于前面板5上，是前面板5上的超温预置55。

实施例8本发明的断电保护模块

本发明所述的断电保护模块211的结构如图9所示，与非门U8A的两个输入端分别作为断电保护模块211的两个输入端，记为端口BRK-in1和端口BRK-in2，并分别与过流判断模块209的输出端、超温判断模块210的输出端相连，与非门U8A的输出端接与非门U8B的一个输入端，与非门U8B的另一个输入端接与非门U8C的输出端，与非门U8B的输出端接与非门U8C的一个输入端和场效应管Q3的栅极，与非门U8C的另一个输入端接电容C8的一端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端接开关K1的一端和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电源Vdd，开关K1的另一端和电容C8的另一端均接地；场效应管Q3的源极接地，电阻R34的一端作为断电保护模块211的第一个输出端，记为端口BRK-out1，并与LD驱动模块205的端口PWR-in2相连，电阻R34的另一端接场效应管Q3的漏极，并作为断电保护模块211的第二个输出端，记为端口BRK-out2，端口BRK-out2同时与LD驱动模块205的端口PWR-in3和电压跟踪模块208的端口Vflw-in1相连。

该模块的两个输入端口分别监测过流判断模块209的“过流信号”和超温判断模块210的“超温信号”，其中有任意一个信号出现高电平时，均会触发断电动作，即控制场效应管Q3导通，端口BRK-out1与LD驱动模块205中的端口PWR-in2相连，将触发LD驱动模块205中的继电器EK1将开关断开，切断输出电流回路中的能量来源；而端口BRK-out2同时与LD驱动模块205的端口PWR-in3、电压跟踪模块208的端口Vflw-in1相连，使端口PWR-in3、端口Vflw-in1处电压同时被限制为0，同时切断了LD驱动模块205和电压跟踪模块208的控制电压，进一步提高了断电的有效性和安全性。同时断电保护模块211还采取了单向不可逆触发方式，一旦断电信号出现触发了断电动作，即使断电信号消失了，也不会立刻解除断电状态，而是需要通过手动按动开关K1才能解除断电状态，以防止触发信号在安全值临界点附近反复触发。开关K1位于前面板5上，是前面板5上的复位按钮57。

实施例9激光器模块

本实施例的激光器模块1选用捷迪讯LC96蝶形封装激光器模块，其封装及引脚示意图如图10所示，该激光器模块内部集成了激光二极管LD、光电二极管PD、热电制冷器TEC和热敏电阻NTC，该模块共有14个引脚，其中6脚、7脚、8脚、9脚、12脚均为空引脚(NC)，1脚和14脚分别是内部热电制冷器的两个电流输入端(端口TEC+和端口TEC-)用于和温度控制模块3(属于现有技术，可根据需要进行常规设计)的电流输出端口相连，2脚和5脚是内部集成热敏电阻的两个接线端口(端口NTC+和端口NTC-)，用于和温度控制模块3的热敏电阻输入端相连，端口NTC+、端口NTC-还分别和超温判断模块210的输入端相连，3脚和4脚为内部集成光电二极管的两个接线端口(端口PD+和端口PD-)，此二端口输出的电流大小反应了光功率的大小，此二端口与功率取样模块的两个输入端相连，用于将输出光功率转换成电压信号，10脚和11脚是内部激光二极管的阳极和阴极(端口LD+和端口LD-)，分别与LD驱动模块205的端口PWR-out2、端口PWR-out3相连，由LD驱动模块205向内部集成的激光二极管提供驱动电流控制其输出光功率，13脚为外壳接地端。激光器模块1的尾纤与前面板5上的激光输出端口56相连，用于输出激光。

实施例10本发明的显示驱动模块

本发明所述的显示驱动模块4的结构如图11所示，电阻R47的一端接地，另一端接运放U12A的反相输入端和电阻R48的一端，电阻R48的另一端与滑动变阻器W8的一端相连，滑动变阻器W8的滑线端与运放U12A的输出端及单刀三掷开关SW1的第一个选择端相连，运放U12A的同相输入端作为显示驱动模块4的第一个输入端，记作端口DIS-in1，与所述的功率取样模块202的输出端相连，用于将输出的光功率转换为显示信号；电阻R49的一端接地，另一端接运放U13A的反相输入端和电阻R50的一端，电阻R50的另一端与滑动变阻器W9的一端相连，滑动变阻器W9的滑线端与运放U13A的输出端及单刀三掷开关SW1的第二个选择端相连，运放U13A的同相输入端作为显示驱动模块4的第二个输入端，记作端口DIS-in2，与LD驱动模块的端口PWR-out3相连，用于将驱动电流转换为显示信号；电阻R51的一端接地，另一端接运放U13B的反相输入端和电阻R52的一端，电阻R52的另一端与滑动变阻器W10的一端相连，滑动变阻器W10的滑线端与运放U13B的输出端及单刀三掷开关SW1的第三个选择端相连，运放U13B的同相输入端作为显示驱动模块4的第三个输入端，记作端口DIS-in3，与温度控制模块3的温度取样端口相连，用于将激光器模块的工作温度转换为显示信号；单刀三掷开关SW1的公共端作为显示驱动模块4的输出端，记作端口DIS-out，与前面板5中的数字表头59，用于将选出的显示信号送至数字表头59进行显示。

该模块中的单刀三掷开关SW1位于前面板5上，即前面板5上的显示模式51，通过此开关可以选择输出功率、驱动电流或工作温度由数字表头59进行显示。

实施例11本发明的前面板

所述的前面板5的结构包括显示模式51、电源开关52、功率设置53、过流预置54、超温预置55、激光输出端口56、复位按钮57、输出控制58、和数字表头59；所述的显示模式51是显示驱动模块4中的单刀三掷开关SW1，电源开关52是整个装置的总电源开关，功率设置53是用来改变功率设置模块201的输出量的旋钮式滑动变阻器，过流预置54是过流判断模块209中的旋钮式滑动变阻器W4，用于设置安全工作电流，超温预置55是超温判断模块210中的旋钮式滑动变阻器W5，用于设置安全工作温度，激光输出端口56与激光器模块1的尾纤相连，用于输出激光，复位按钮57是断电保护模块211中的开关K1，用于复位断电保护模块，输出控制58是软启动模块204的控制开关，用于控制LD驱动模块205进行软启动，使输出至激光器模块1的驱动电流从0平缓上升至设定值；数字表头59是一个数字电压表，其输入端与显示驱动模块4的输出端相连，用于显示系统工作时的各种参数。

Claims (4)

1.一种高效率激光泵浦源装置，结构有激光器模块(1)、功率控制模块(2)、温度控制模块(3)、显示驱动模块(4)和前面板(5)，所述的功率控制模块(2)的结构包括功率设置模块(201)、功率取样模块(202)、PID运算模块(203)、软启动模块(204)和LD驱动模块(205)，其特征在于，所述的功率控制模块(2)的结构还有负载判断模块(206)、延时补偿模块(207)、电压跟踪模块(208)、过流判断模块(209)、超温判断模块(210)和断电保护模块(211)；

所述的LD驱动模块(205)的结构为：继电器EK1的开关的一端作为LD驱动模块(205)的第一个输入端，记为端口PWR-in1，继电器EK1的开关的另一端接场效应管Q1的漏极，并作为LD驱动模块(205)的第一个输出端，记为端口PWR-out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为LD驱动模块(205)的第二个输入端，记为端口PWR-in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为LD驱动模块(205)的第二个输出端，记为端口PWR-out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为LD驱动模块(205)的第三个输入端，记为端口PWR-in3，电阻R1的另一端作为LD驱动模块(205)的第四个输入端，记为端口PWR-in4，运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为LD驱动模块（ 205） 的第三个输出端，记作端口PWR-out3，电阻Rs的另一端接地；

所述的负载判断模块(206)的结构为：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块(206)的第一个输入端，记作端口Vjdg-in1，与LD驱动模块(205)的端口PWR-out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块(206)的第二个输入端，记作端口Vjdg-in2，与LD驱动模块(205) 的端口PWR-out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块(206)的输出端，记作端口Vjdg-out，与延时补偿模块(207)的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块(206)的第三个输入端，记作端口Vjdg-in3，与LD驱动模块(205)的端口PWR-in4相连；

所述的延时补偿模块(207)的结构为：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块(207)的输入端，记作端口Vdly-in，与负载判断模块(206)的端口Vjdg-out相连，电阻R13的另一端与运放U4A的反相输入端和电阻R15的一端相连，运放U4A的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接电源Vcc/2，电阻R15的另一端与运放U4A的输出端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电阻R21的一端和运放U5A的反相输入端相连，电阻R17的另一端与运放U5A的输出端相连，并作为延时补偿模块(207)的输出端，记作端口Vdly-out，与电压跟踪模块(208)的第二个输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端与电源Vcc/2相连，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、电容C2的一端和运放U5B的输出端相连，电阻R20的另一端与电容C2的另一端、运放U5B的反相输入端及电阻R18的另一端相连，电阻R19的一端接运放U5B的同相输入端，另一端接电源Vcc/2；

所述的电压跟踪模块(208)的结构为，电阻R23的一端接电源Vcc/2，另一端与运放U6A的反向输入端相连，运放U6A的同相输入端与电阻R24的一端、电阻R25的一端相连，电阻R24的另一端与运放U6A的输出端相连，电阻R25的另一端与运放U6B的输出端相连，电阻R26的一端与运放U6A的输出端相连，另一端与运放U6B的反向输入端相连；电阻R27的一端与运放U6B的同相 输入端相连，另一端接电源Vcc/2；电容C3的一端及电阻R28的一端与运放U6B的反向输入端相连，另一端与运放U6B的输出端相连，运放U6B的输出端与电阻R29的一端相连，电阻R29的另一端与运放U7A的同相输入端相连，并作为电压跟踪模块(208) 的第一个输入端，记为端口Vflw-in1，与断电保护模块(211)的第二个输出端相连；电阻R30的一端与运放U7A的同相 输入端相连，另一端作为电压跟踪模块(208)的第二个输入端，记为端口Vflw-in2，与延时补偿模块(207)的端口Vdly-out相连；电阻R31的一端与运放U7A的反向输入端相连，另一端接电源Vcc/2；运放U7A的输出端与场效应管Q2的栅极相连，场效应管Q2的漏极接电源Vcc，源极接电感L1的一端和二极管D1的负极，二极管D1的正极接地，电感L1的另一端与电解电容C4的正极、电解电容C5的正极、电容C6的一端、电容C7的一端均相连，并作为电压跟踪模块(208)的输出端，记为端口Vflw-out，与LD驱动模块(205)的端口PWR-in1相连；电解电容C4的负极、电解电容C5的负极、电容C6的另一端以及电容C7的另一端均接地；

所述的过流判断模块(209)的结构为，运放U9A的同相 输入端作为过流判断模块(209)的输入端，记为端口OC-in，与LD驱动模块(205)的端口PWR-out3相连；电阻R35的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端接地；电阻R36的一端与运放U9A的反向输入端相连，另一端与滑动变阻器W3的一端相连；滑动变阻器W3的另一端和滑线端与运放U9A的输出端及运放U9B的同相 输入端相连；滑动变阻器W4的一端接电源Vdd，另一端接地，滑线端与运放U9B的反向输入端相连；运放U9B的输出端作为过流判断模块(209)的输出端，记为端口OC-out，与断电保护模块的一个输入端相连；

所述的超温判断模块(210)的结构为，稳压二极管D2的负极接电源Vdd，正极接运放U10B的同相输入端，运放U10B的反相输入端与电容C9的一端、电阻R38的一端及二极管Q4的射极相连，电阻R38的另一端接电源Vdd，电容C9的另一端接运放U10B的输出端和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接三极管Q4的基极，三极管Q4的集电极与运放U10A的反相输入端相连，并作为超温判断模块(210)的一个输入端，记为端口NTC1，与激光器模块(1)的端口NTC+相连；电阻R37的一端与运放U10B的同相输入端相连，另一端接地，并作为超温判断模块(210)的另一个输入端，记为端口NTC2，与激光器模块(1)的端口NTC-相连；滑动变阻器W5的一端与电源Vdd相连，另一端接地，滑线端与运放U10A的同相 输入端相连；运放U10A的输出端作为超温判断模块(210)的输出端，记为OT-out，与断电保护模块(211)的另一个输入端相连；

所述的断电保护模块(211)的结构为，与非门U8A的两个输入端分别作为断电保护模块(211)的两个输入端，记为端口BRK-in1和端口BRK-in2，并分别与过流判断模块(209)的输出端、超温判断模块(210)的输出端相连，与非门U8A的输出端接与非门U8B的一个输入端，与非门U8B的另一个输入端接与非门U8C的输出端，与非门U8B的输出端接与非门U8C的一个输入端和场效应管Q3的栅极，与非门U8C的另一个输入端接电容C8的一端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端接开关K1的一端和电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电源Vdd，开关K1的另一端和电容C8的另一端均接地；场效应管Q3的源极接地，电阻R34的一端作为断电保护模块(211)的第一个输出端，记为端口BRK-out1，并与LD驱动模块(205)的端口PWR-in2相连，电阻R34的另一端接场效应管Q3的漏极，并作为断电保护模块(211)的第二个输出端，记为端口BRK-out2，端口BRK-out2同时与LD驱动模块(205)的端口PWR-in3和电压跟踪模块(208)的端口Vflw-in1相连；

所述的显示驱动模块(4)的结构为，电阻R47的一端接地，另一端接运放U12A的反相输入端和电阻R48的一端，电阻R48的另一端与滑动变阻器W8的一端相连，滑动变阻器W8的滑线端与运放U12A的输出端及单刀三掷开关SW1的第一个选择端相连，运放U12A的同相输入端作为显示驱动模块(4)的第一个输入端，记作端口DIS-in1，与所述的功率取样模块(202)的输出端相连，用于将输出的光功率转换为显示信号；电阻R49的一端接地，另一端接运放U13A的反相输入端和电阻R50的一端，电阻R50的另一端与滑动变阻器W9的一端相连，滑动变阻器W9的滑线端与运放U13A的输出端及单刀三掷开关SW1的第二个选择端相连，运放U13A的同相输入端作为显示驱动模块(4)的第二个输入端，记作端口DIS-in2，与LD驱动模块的端口PWR-out3相连，用于将驱动电流转换为显示信号；电阻R51的一端接地，另一端接运放U13B的反相输入端和电阻R52的一端，电阻R52的另一端与滑动变阻器W10的一端相连，滑动变阻器W10的滑线端与运放U13B的输出端及单刀三掷开关SW1的第三个选择端相连，运放U13B的同相输入端作为显示驱动模块(4)的第三个输入端，记作端口DIS-in3，与温度控制模块(3)的温度取样端口相连，用于将激光器模块的工作温度转换为显示信号；单刀三掷开关SW1的公共端作为显示驱动模块(4)的输出端，记作端口DIS-out，与前面板(5)中的数字表头(59)，用于将选出的显示信号送至数字表头(59)进行显示；

所述的前面板（ 5） 的结构包括显示模式(51)、电源开关(52)、功率设置(53)、过流预置(54)、超温预置(55)、激光输出端口(56)、复位按钮(57)、输出控制(58)、和数字表头(59)。

2.根据权利要求1所述的一种高效率激光泵浦源装置，其特征在于，所述的电源Vcc、电源Vcc/2、电源Vdd分别为48V、24V和5V。

3.根据权利要求1所述的一种高效率激光泵浦源装置，其特征在于，所述的延时补偿模块(207)电路参数为：电阻R13、R14为4K，R15为40K，R16、R21为20K，R17、R20为10K，R18、R19为1K，R22为5.1K，电容C2为5PF。

4.根据权利要求1所述的一种高效率激光泵浦源装置，其特征在于，所述的激光器模块(1)为捷迪讯LC96蝶形封装激光器模块。

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