CN113594849A - 激光器恒流驱动方法及led光源驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法，包括：输出恒定电流的步骤：根据激光器所需要的恒定电流值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为恒定电压信号，使所述第一模拟开关的第二端子连接到输出端子；输出脉冲电流的步骤：根据激光器所需要的脉冲电流值的幅值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为窄脉宽信号，使第一模拟开关芯片的第一端子和第二端子根据PWM信号分别连接到输出端子。本发明电路通过PWM信号调制第一模拟开关输出脉宽调制电压，使输出电流与PWM波形对应，达到窄脉宽高功率激光器恒流驱动的目的。

Description

激光器恒流驱动方法及LED光源驱动电路

本申请是申请日为2021年7月2日、申请号为202110746862.9、发明名称为“窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路及光模块”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及激光器恒流驱动电路技术领域，特别涉及一种窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法及LED光源驱动电路。

背景技术

半导体激光器在激光通信、激光打标、激光测距、激光雷达等领域获得了广泛的应用。半导体激光器的一个特点是采用恒流电流驱动，因此要产生高稳定性波长的激光，要求具有恒流电流具有高的稳定性，并且浪涌电流小，无反向过冲电流的特点。目前激光器恒流驱动电路的方案种类繁多，但是还是很难找到一种采用激光器的输出端接地，同时具有电流的脉宽宽度和幅值任意可调，且具有高功率窄脉宽恒流输出的驱动电路。

其中一种现有的方案是采用功率晶体管，例如NPN三极管、达林顿管、NMOS管，使其工作在线性恒流方式，实现激光器的恒定或者脉冲工作，因为NMOS管跨导高，可以实现更高的速率，而且NMOS管电路可以与TTL电平兼容，因此目前在产品中得到了广泛的应用。如专利文献CN106444951A公布了《超高速大电流脉冲式恒流源》，采用NPN型达林顿晶体管工作在线性恒流状态，采用电流串联负反馈电路，实现超高速脉冲电流的驱动。如专利文献CN111629490A公布了《一种电流可调及PWM闪频控制的恒流驱动电路及控制方法》，采用NMOS管或达林顿管工作在线性恒流状态，采用电流并联负反馈电路，实现的恒流驱动电路。这些电路要求激光器工作时采用悬浮工作，这样此种驱动方式就不满足一些具有监测功能的激光器，其要求激光器的恒流输出的端子必须接地的场合工作。

另一种现有的方案也是采用功率晶体管，使其工作在开关模式，在开关关断时给激光器并联的电容充电或放电，在开关开启时瞬间给激光器并联的电容放电或者充电，达到对激光器高速窄脉宽驱动的目的。如专利文献CN108011293B提出《一种窄脉宽红外半导体激光器驱动电路》，将储能电容和激光器串联后并联在NMOS管的漏极和接地端，通过脉宽驱动NMOS管，达到激光器输出窄脉宽光斑的目的。这种方式使可以实现很窄的激光器脉冲电流输出，但是其输出电流幅值不可调节，脉宽的变化对输出电流幅值影响较大。

还有一种现有的方案是采用CMOS电路、电流镜电路实现激光器的恒流驱动。如专利文献CN109818257B《一种CMOS工艺激光驱动电路》采用CMOS集成电路和电流镜方式实现的激光器恒流电路，以及专利文献CN110783813A《一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置》采用CMOS电路实现脉冲恒流输出。同样这些方案较难实现输出电流脉宽的精确控制，限制了其应用。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题至少包括：一是通过晶体管(诸如PMOS晶体管)的漏极连接激光器的阳极，激光器的阴极连接信号地，以利于激光器散热和多激光器并联；二是使晶体管工作在线性恒流区，并且处于电流并联深度负反馈状态，可以达到输出电流幅值、电流脉宽精确可控；三是采用匹配的信号调整电路和脉冲移相电路，可以实现激光器的窄脉宽和高功率的输出。

本发明窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，组成包括电流取样电阻R1、PMOS晶体管、运放U1、第一模拟开关U2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、激光器D1，使流过取样电阻R1的电流信号经过运放U1驱动P沟道MOS管，使MOS管处于恒流工作区，此时使流过激光器D1的电流为恒定电流，并且激光器的一端接信号地，以及通过PWM信号调制第一模拟开关U2输出脉宽调制电压，使输出电流与PWM波形对应，达到窄脉宽高功率激光器恒流驱动的目的。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，包括：第一电阻、晶体管、运放、第一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和激光器；

所述第一电阻，包括：电流取样电阻；

所述第一电阻，其第一端子连接电源端子，第二端子连接所述晶体管的源极；

所述第二电阻，其第一端子连接所述晶体管的源极，第二端子连接所述运放的负输入端；

所述第三电阻，其第一端子连接所述运放的负输入端，第二端子连接所述第一模拟开关的输出端子；

所述第四电阻，其第一端子连接所述晶体管的栅极；

所述晶体管，其漏极连接所述激光器的第一端子；

所述激光器，其第二端子连接信号地；

所述运放，其正输入端连接参考电压，其输出端连接所述第四电阻的第二端子，

在一种示例性的方案中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运放、晶体管、激光器构成电流并联负反馈电路；通过所述第一电阻上的电流计算流过所述激光器的电流。

在一种示例性的方案中，所述第一模拟开关的第一端子为输入信号端子，连接信号地；所述第一模拟开关的第二端子为输入信号端子，连接电压信号DA1；所述第一模拟开关的第三端子为选择控制端子，连接PWM信号；所述PWM信号设置为恒定电压信号或者窄脉宽电压信号；所述第一模拟开关的输出信号为由选择控制端子进行PWM信号调制输出的信号，幅值在0V电压和电压信号DA1的幅值之间变化。

在一种示例性的方案中，所述晶体管为：PMOS管、PNP晶体管或者含有PNP晶体管的达林顿晶体管。

在一种示例性的方案中，所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路还包括并联在运放的输出端和运放的负输入端之间的信号调整电路；

所述信号调整电路包括：第五电阻、第六电阻和第一电容；

所述第六电阻和所述第一电容串联后并接在所述运放的负输入端和输出端之间；

所述第五电阻直接连接在所述运放的负输入端和输出端之间。

在一种示例性的方案中，所述的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路还包括脉冲整形电路；

所述脉冲整形电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第二电容和第二二极管；

所述第九电阻的第一端子连接所述第一模拟开关的输出端；

所述第九电阻的第二端子连接所述第十电阻的第一端子；

所述第二电容的第一端子连接所述第九电阻的第二端子；

所述第二电容的第二端子连接所述第十一电阻的第一端子；

所述第二二极管的阳极连接所述第十一电阻的第一端子；

所述第二二极管的阴极连接所述运放的正输入端；

所述第十电阻的第二端子和所述第十一电阻的第二端子接信号地。

在一种示例性的方案中，流过所述激光器的电流I1，计算公式如下：

其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，V1为提供给第一电阻的第一端子的电压，V2为第一模拟开关的输出端电压，V3为提供给运放的正输入端的参考电压。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：

输出恒定电流的步骤：根据激光器所需要的恒定电流值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为恒定电压信号，使所述第一模拟开关的第二端子连接到输出端子；

输出脉冲电流的步骤：根据激光器所需要的脉冲电流值的幅值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为窄脉宽信号，使第一模拟开关芯片的第一端子和第二端子根据PWM信号分别连接到输出端子。

在一种示例性的方案中，所述计算第一模拟开关的输出电压值V2的步骤，是通过如下公式计算的：

其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，V1为提供给第一电阻的第一端子的电压，V2为第一模拟开关的输出端电压，V3为提供给运放的正输入端的参考电压。

根据本发明的第三面，本发明提供一种窄脉宽高功率激光器驱动电路，包括：第一电阻、晶体管、运放、第一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻、激光器、基准电压设置电路和脉冲移相电路；

所述第一电阻为电流取样电阻，其第一端子连接电源端子，第二端子连接晶体管的源极；

所述第二电阻的第一端子连接所述晶体管的源极，所述第二电阻的第二端子连接所述运放的负输入端；

所述第三电阻的第一端子连接所述运放的负输入端，所述第三电阻的第二端子连接所述第一模拟开关的输出端子；

所述运放的正输入端连接参考电压V3，所述运放的输出端连接所述第四电阻的第二端子；

所述第四电阻的第一端子连接所述晶体管的栅极；所述晶体管的漏极连接所述激光器第一端子；

所述激光器的第二端子连接信号地；

所述脉冲移相电路的控制第一端子外接PWM控制信号，所述脉冲移相电路的控制第二端子连接所述基准电压设置电路，所述脉冲移相电路的输出端子连接所述运放的正输入端。

在一种示例性的方案中，所述脉冲移相电路的连接端子包括：输入控制第一端子、输入控制第二端子和输出端子；

所述脉冲移相电路，进一步包括：第二模拟开关、移相电路，所述脉冲移相电路用于通过输入控制第一端子的PWM信号，控制输出端子输出移相脉冲电压，提供给运放的正输入端；

所述第二模拟开关的输入第一端子连接参考电压DA2，所述第二模拟开关的输入第二端子连接所述脉冲移相电路的控制端子；

所述第二模拟开关的输出端子连接所述移相电路的输入端子；

所述移相电路的输出端子连接所述脉冲移相电路的输出端子。

在一种示例性的方案中，所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路还包括：并联在所述运放的输出端和所述运放的负输入端之间的信号调整电路；

所述信号调整电路，进一步包括：第五电阻、第六电阻和第一电容；

所述第六电阻和第一电容串联后连接在所述运放的负输入端和输出端之间；

所述第五电阻直接连接在所述运放的负输入端和输出端之间。

根据本发明的第四面，本发明提供一种光模块，包括电路板，所述电路板中布置有激光器驱动电路，所述激光器驱动电路为上述配置的驱动电路。

本发明有益效果至少包括：

(1)采用晶体管、诸如PMOS晶体管、PNP晶体管或者达林顿晶体管，使晶体管工作在恒流区或者放大区，激光器的一端接PMOS管的漏极、PNP晶体管或者达林顿晶体管的集电极，另一端接地，利于激光器散热和多激光器并联。

(2)通过PWM信号，控制PMOS管处于电流并联深度负反馈状态，并且工作在线性恒流区，实现流过激光器的电流I1为恒定电流或者脉冲电流，达到流过激光器的电流的幅值和脉宽可以独立设置和精确控制的技术效果。

(3)信号调整电路可以对信号进行比例积分调节，提高了运放工作的稳定性，抑制流过激光器的电流的上升沿和电流过冲，提升了输出电流信号的质量。

(4)采用脉冲整形电路，在信号的上升沿或下降沿，动态改变运放正输入端子的信号，提升输出电流的上升的速度，并且降低流过激光器上的过冲电流。

(5)采用脉冲移相电路，通过外部的电压控制信号对基准电压信号进行移相，并且和原来的信号进行相位比较，实现窄脉宽的电流输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是一部分实施例或现有技术，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的类似或相关附图。

图1为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第一种电路结构图。

图2为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第二种电路结构图。

图3为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第三种电路结构图。

图4为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路结构图。

图5为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路的工作波形图。

图6为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第一种电路的瞬态仿真波形图。

图7为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第二种电路的瞬态仿真波形图。

图8为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第三种电路的瞬态仿真波形图。

图9为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路的瞬态仿真波形图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1：

图1为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第一种电路结构图。其中，本实施例窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，电路实现包括：第一电阻R1、晶体管101、运放U1、第一模拟开关U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、激光器D1；第一电阻R1为电流取样电阻，其第一端子接电源端子，第二端子接晶体管101的源极；第二电阻R2的第一端子接晶体管101的源极，第二端子接运放U1的负输入端；第三电阻R3的第一端子接运放U1的负输入端，第二端子接第一模拟开关U2的输出端子；运放U1的正输入端接参考电压V3，运放U1的输出端接第四电阻R4的第二端子；第四电阻R4的第一端子接晶体管101栅极；晶体管101漏极接激光器D1的第一端子；激光器D1的第二端子接信号地。

其中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、运放U1、晶体管101、激光器D1构成电流并联负反馈电路；第一电阻R1也称为取样电阻，通过第一电阻R1上的电流可计算出流过激光器D1的电流I1。

此时，流过激光器D1的电流I1，计算公式如下：

上述公式1中，I1为流过激光器D1的电流，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，V1为提供给第一电阻R1的第一端子的电压，V2为第一模拟开关U2的输出端电压，V3为参考电压，连接到运放U1的正输入端；V1的电压为恒定电压，应能够为第一电阻R1、激光器D1和晶体管101提供足够的能量。

所述的参考电压V3可以由基准电压设置电路103提供，基准电压设置电路103的一种实现方案是采用第七电阻R7和第八电阻R8串联分压组成，第七电阻R7的一端接电压Vc，另一端连接第八电阻R8并连接到运放U1的正输入端，第八电阻R8的另一端连接到信号地。

公式1中给出的计算公式，是在电路工作稳定后的计算公式；在此公式中，因为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、电压V1、电压V3都是固定不变的，因此，输出电流I1可以通过电压V2计算，当电压V2为恒定电压时，输出电流I1为恒定电流，当电压V2为脉冲电流时，输出电路I1为脉冲电流。

通过上述公式1，可以看出本实施例的方案需要注意的是：一是电压V1的电压应该是恒定的，可以由线性电源或者开关电源提供，并且电压V1的供给端应该提供足够的电容，以使系统在高电流脉冲时能稳定的输出；二是公式1的成立是建立在系统工作在深度负反馈状态，也可以说是工作在一种电流串联的深度负反馈状态，此时输出电流I1可以采用公式1计算；三是公式中的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3应该采用高精度的电阻，电压V3也应该为纹波小的电压信号。

其中，第一模拟开关U2的第一端子为输入信号端子，接信号地；第二端子为输入信号端子，接电压信号DA1；第三端子为选择控制端子，接PWM信号，PWM信号可以设置为恒定电压信号或者窄脉宽信号；第一模拟开关U2的输出信号为由选择控制端子进行PWM信号调制输出的信号，幅值在0V电压(即信号地)和电压信号DA1的幅值之间变化。第一模拟开关U2包括但不限于模拟开关芯片。

下面举例说明本实施例实现输出电流6A，脉宽10us，周期100us的电流脉冲时电路的具体设计，但本发明电路的具体设置不限于此。根据图1的电路图，设置输入电压V1为9V电压，电压Vc为5V电压，第一电阻R1为1Ω，第二电阻R2为2kΩ，第三电阻R3为1kΩ，第四电阻R4为5Ω，运放U1选用OP284E，晶体管101选用PMOS管IRF7410，激光器D1选用半导体激光二极管，第一模拟开关U2选用二选一模拟开关芯片ADG719；电压Vc设置为5V，此时第七电阻R7选择2kΩ电阻，第八电阻R8选择3kΩ电阻；第一模拟开关U2的第一端子接地，第二端子接电压信号DA1为3V；设置PWM的波形为脉冲波形，周期为100us，脉宽10us，低电平为0V，高电平为3V。

图6为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第一种电路的瞬态仿真波形图。根据以上设置参数，计算出输出给半导体激光二极管的电流为6A，仿真波形如图6所示。图中给出了PWM信号、V2信号和流过激光器D1上的波形，对波形进行详细测试可知，流过激光器的电流值为5.98A，脉冲宽度为8.66us，过冲电流最大值为7.65A，脉冲上升时间为2.3us。可以看出此时输出恒流电流驱动波形稳定，脉宽设置满足要求，只是电流过冲有点大。

通过PWM信号，控制PMOS管处于电流并联深度负反馈状态，并且工作在线性恒流区，实现流过激光器D1的电流为恒定电流或者脉冲电流，并且流过激光器的电流的幅值和脉宽可以独立设置和精确控制，其输出电流的幅值可以通过公式1来计算。

同时，采用晶体管、包括但不限于PMOS管，并且使PMOS管工作在恒流区或者放大区，激光器的一端接PMOS管的漏极，另一端接地，利于激光器散热和多激光器并联。

实施例2：

图2为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第二种电路结构图。图2所示的实施例2，是在实施例1的基础上，增加了信号调整电路102。信号调整电路102，其作用是对运放U1构成的深度负反馈电路进行补偿，第五电阻R5和第三电阻R3构成比例放大电路，第六电阻R6、第一电容C1和第三电阻R3构成积分电路，起到对深度负反馈电路的信号进行调整的作用。

图7为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第二种电路的瞬态仿真波形图。示例性的，在信号调整电路102中，设置第五电阻R5为200kΩ，第六电阻R6为5Ω，第一电容C1为350pf。对电路进行仿真测试，其波形如图7所示。从仿真波形图7可以看出，增加信号调整电路102后，输出给激光二极管D1的电流过冲基本消除。进一步测试发现，此时输出脉冲电流为5.98A，脉冲宽度为8.4us，过冲电流基本消除，上升时间为2.5us。脉冲消除了，但是牺牲了一定的上升时间。

由此，通过信号调整电路可以对信号进行比例积分调节，提高运放工作稳定性，抑制流过激光器的电流的上升沿和控制电流过冲，提升了输出信号质量。

实施例3：

图3为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第三种电路结构图。如图3所示，窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，电路实现包括：第一电阻R1、晶体管101、运放U1、第一模拟开关U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、激光器D1、脉冲整形电路201；第一电阻R1为电流取样电阻，其第一端子接电源端子，第二端子接晶体管101的源极；第二电阻R2的第一端子接晶体管101的源极，第二端子接运放U1的负输入端；第三电阻R3的第一端子接运放U1的负输入端，第二端子接第一模拟开关U2的输出端子；运放U1的正输入端接参考电压V3，运放U1的输出端接第四电阻R4的第二端子；第四电阻R4的第一端子接晶体管101栅极；晶体管101漏极接激光器D1的第一端子；激光器D1的第二端子接信号地。

其中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、运放U1、晶体管101、激光器D1构成电流并联负反馈电路；第一电阻R1也称为取样电阻，通过第一电阻R1上的电流可计算出流过激光器D1的电流I1。

其中，第一模拟开关U2的第一端子为输入信号端子，接信号地；第二端子为输入信号端子，接电压信号DA1；第三端子为选择控制端子，接PWM信号，PWM信号可以设置为恒定电压信号或者窄脉宽信号；第一模拟开关U2的输出信号为由选择控制端子进行PWM信号调制输出的信号，幅值在0V电压(即信号地)和电压信号DA1的幅值之间变化。

其中，脉冲整形电路201包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二电容C2、第二二极管D2，第九电阻R9的第一端子连接所述第一模拟开关U2的输出端，第二端子接第十电阻R10的第一端子；第二电容C2的第一端子接第九电阻R9的第二端子，第二端子接第十一电阻R11的第一端子；第二二极管D2的阳极接第十一电阻R11的第一端子，阴极接运放U1的正输入端；第十电阻R10的第二端子和第十一电阻R11的第二端子接信号地。

所述的脉冲整形电路201主要作用是，将所述第一模拟开关U2的输出信号反馈到运放U1的正输入端，在脉冲上升时，与运放U1的负输入端构成比较信号，通过深度负反馈电路驱动晶体管101后，达到减缓输出电流I1的上升沿，降低过冲电流的目的。

图8为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第三种电路的瞬态仿真波形图。图中给出了PWM信号波形、电压V2信号波形、电压V3信号波形、输出电流I(D1)的波形。如图8所示，可以看出，图8中波形801对应无脉冲整形电路201电流波形图，输出给激光器的电流I(D1)脉冲峰值达到7.25A左右，稳定后输出电流为5.98A，脉冲电流峰值时间为3.4us；图8中波形802对应有脉冲整形电路201时电流波形图，输出脉冲电流峰值为6.67A左右，稳定后输出电流为5.99A，脉冲电流峰值时间为0.57us。因此可以看出，采用脉冲整形电路后，输出电流峰值电流时间短，稳定时间更长，更利于激光器的工作。

由此可见，采用脉冲整形电路，在信号的上升沿或下降沿，动态改变运放正输入端子的信号，提升输出电流的上升的速度，并且降低流过激光器上的过冲电流。

实施例4：

如图1、图2或图3所示的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，可以输出恒定电流或者输出脉冲电流，其工作方法如下：

在输出恒定电流的情况下，根据激光器所需要的恒定电流值I1，通过公式1计算第一模拟开关U2的输出电压值V2，设置第一模拟开关的输入端II的电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为恒定电压信号，使第一模拟开关U2的第二端子连接到输出端子，实现驱动激光器的电流为恒定电流的功能。

在输出脉冲电流的情况下，根据激光器所需要的脉冲电流值的幅值I1，通过公式1计算第一模拟开关U2的输出电压V2，设置DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为窄脉宽信号，使第一模拟开关U2的第一端子和第二端子根据PWM信号分别连接到输出端子，实现驱动激光器的电流I1为窄脉宽电流的功能。

需要注意的是，不管是输出电流为恒定电流还是脉冲电流，能够采用公式1进行计算的前提是系统工作在深度负反馈状态。因此，在电路的参数设计时，为使电流正常输出，需要考虑将晶体管配置在恒流区或者放大区，而不是工作在线性区或者截止区。

基于以上配置，采用同一个电路，可以同时实现恒定电流或者脉冲电流的输出，因此其应用场合就非常多。例如在激光打标设备中，可以采用恒定电流驱动激光器，也可以采用脉冲电流驱动激光器打标；另外，在机器视觉的LED光源应用中，也可以采用恒定电流驱动LED光源，也可以采用脉冲电流驱动LED光源。

实施例5：

图4为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路结构图。其中，所述的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路实现窄脉宽恒流输出的方案包括：第一电阻R1、晶体管101、运放U1、第一模拟开关U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、激光器D1、基准电压设置电路103、脉冲移相电路301；第一电阻R1为电流取样电阻，其第一端子接电源端子，第二端子接晶体管101的源极；第二电阻R2的第一端子接晶体管101的源极，第二端子接运放U1的负输入端；第三电阻R3的第一端子接运放U1的负输入端，第二端子接第一模拟开关U2的输出端子；运放U1的正输入端接参考电压V3，运放U1的输出端接第四电阻R4的第二端子；第四电阻R4的第一端子接晶体管101栅极；晶体管101漏极接激光器D1的第一端子；激光器D1的第二端子接信号地；脉冲移相电路301的第一控制端子外接PWM控制信号，第二控制端子连接基准电压设置电路103，输出端子连接运放U1的正输入端。

其中，脉冲移相电路301的连接端子包括第一输入控制端子、第二输入控制端子、输出端子；脉冲移相电路301的组成包括第二模拟开关U3、移相电路，主要功能是通过脉冲移相电路301的第一输入控制端子的PWM信号，控制输出端子输出移相脉冲电压，提供给运放U1的正输入端；其中第二模拟开关U3的第一输入端子接参考电压DA2，第二模拟开关U3的第二输入端子接脉冲移相电路301的控制端子，输出端子连接移相电路的输入端子；移相电路的输出端子接脉冲移相电路301的输出端子。

上面描述的脉冲移相电路301中的移相电路，其主要作用是通过外部的控制信号DA3实现对输入信号进行移相后输出的功能，DA3一般为电压信号，可以是调节的直流电压，也可以是相位变化的正弦或余弦信号；移相电路的一种实现方式为电压调节的移相电路，此时输出移相信号根据控制信号DA3的电压值，改变输出信号的移相值，实现信号的移相功能；移相电路的另一种实现方式是采用模拟乘法器电路实现，此时DA3应该是一个相位变化的正弦或余弦信号，通过改变正弦或者余弦信号的相位角度，实现输出信号的移相功能。

作为优选，设置基准电压设置电路103，基准电压设置电路103的输出电压接脉冲移相电路301的正输入端，输出电压为第七电阻R7和第八电阻R8进行分压得到，第七电阻R7的第一端子接参考电压Vc，第二端子接第八电阻R8的第一端子同时连接到运放U1的正输入端，第八电阻R8的第二端子接信号地。

第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、运放U1、晶体管101、激光器D1构成电流并联负反馈电路；第一电阻R1也称为取样电阻，通过第一电阻R1上的电流可计算出流过激光器D1的电流I1。

第一模拟开关U2的第一端子为输入信号端子，接信号地；第二端子为输入信号端子，接电压信号DA1；第三端子为选择控制端子，接PWM信号，PWM信号可以设置为恒定电压信号或者窄脉宽信号；第一模拟开关U2的输出信号为由选择控制端子进行PWM信号调制输出的信号，幅值在0V电压(即信号地)和电压信号DA1的幅值之间变化。

作为优选，晶体管101可以为P沟道MOS管，或者PNP晶体管，或者为含有PNP晶体管的达林顿晶体管。

作为优选，窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路还包括并联在运放U1的输出端和运放U1的负输入端之间的信号调整电路102，信号调整电路102包括第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1；其中第六电阻R6和第一电容C1串联后并接在运放U1的负输入端和输出端之间；第五电阻R5直接接在运放U1的负输入端和输出端之间。

信号调整电路102，其作用是对运放U1构成的深度负反馈电路进行补偿，第五电阻R5和第三电阻R3构成比例放大电路，第六电阻R6、第一电容C1和第三电阻R3构成积分电路，起到对深度负反馈电路的信号进行调整的作用。

图5为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路的工作波形图。图5中给出了通过移相实现窄脉宽的方案的实现方法，图中给出了PWM波形、电压V2信号的波形、电压V3信号的波形、以及输出电流I1的波形，其中电压V3波形中的Vd信号为Vd信号经过R7和R8的分压后的信号。从电压V2波形和电压V3波形的移相角度ΔT，可以算出对应脉冲电流的理论脉宽，输出脉冲电流幅值可以根据公式1计算得出。需要注意的是，图5中，电压V2信号对应0V到电压DA1的幅值变化，而电压V3信号对应电压从Vd分压信号到电压DA2信号之间变化，此信号为非归零信号。

对于脉冲移相电路301，通过第二模拟开关U3选择输入信号为DA2或者基准电压设置电路103的输出电压，使第二模拟开关U3的输出电压为非归零脉冲波形，传输给移相电路的输入端；移相电路通过输入电压信号DA3去控制移相电路的移相角度，从而使输出非归零脉冲波形产生移位后输出到运放U1的正输入端；此时运放U1的正输入端和运放U1的负输入端都为脉冲信号，因为脉冲移相电路的原因，两个脉冲波形存在一定的相位差，而此相位差的大小对应输出脉冲电流I1的脉宽；此时，脉冲电流的大小根据公式1，通过电压信号V1、电压信号V2和电压信号V3以及第一电阻R1、第而电阻R2、第三电阻R3的阻值进行计算。

如图9所示，为本发明实施例所述窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的第四种电路的瞬态仿真波形图。示例性的，采用图4的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路，配置电路参数如下：第一电阻R1为1Ω，第二电阻R2为2kΩ，第三电阻R3为1kΩ，第四电阻R4为5Ω，U1为芯片OP284E，晶体管101为PMOS管IRF7410；设置信号调整电路102中第五电阻R5取值200k，第六电阻R6取值5Ω，第一电容C1取值200nF；设置V2信号的周期100us，脉宽50us，设置V3信号的周期100us，脉宽50us，设置相对延时时间为5us，对电路进行仿真，仿真的输出波形图如图9，图中给出了电压V2信号、电压V3信号和流过激光器I(D1)的电流值。从图9的仿真波形可以看出，输出给激光器的脉冲电流I(D1)为6.0A，脉冲峰值为6.47A，脉冲宽度为4.4us，输出电流值I(D1)与理论设计相符合。

另外，如果要实现更窄脉宽的恒流电流输出，可以选型运放U1为超高速的运放，选型晶体管101为射频晶体管，同时可以选型第一模拟开关、第二模拟开关为更高速率的模拟开关，以达到更窄脉宽的输出信号的能力。

在这里，采用脉冲移相电路，通过外部的电压控制信号对基准电压信号进行移相，并且和原来的信号进行相位比较，实现窄脉宽的电流输出。

例如在窄脉宽激光器驱动电路中，因为数字电路中数字信号的最小脉宽大于其CPU的最小时钟周期，而且很小的脉宽的宽度和幅值通过数字电路是不易调节的；而本发明采用脉冲移相电路，移相角度通过外部电压控制，因此可以实现窄脉宽的宽度调节，并且电流的幅值可以根据公式1进行设置，因此即实现了窄脉宽的效果，也实现了脉冲幅值可调的效果。

实施例6：

本发明的实施例还提供一种光模块，包括电路板，所述电路板中配置有如上所述的激光器驱动电路。

以上举例都是基于本发明的电路的几种详细的在激光器驱动中的具体应用，一般本领域的技术人员，在理解本发明后，可以基于本电路对详细的电路参数做适当修改，其应用范围可以拓展到驱动具有恒流特性的任何负载，这些负载可以包括电阻、LED光源等负载，这些都在本发明的保护范围内。以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于本发明技术方案保护范围内。

Claims (10)

1.一种窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

输出恒定电流的步骤：根据激光器所需要的恒定电流值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为恒定电压信号，使所述第一模拟开关的第二端子连接到输出端子；

输出脉冲电流的步骤：根据激光器所需要的脉冲电流值的幅值I1，计算第一模拟开关的输出电压值V2，设置电压信号DA1的电压值等于V2的电压值，设置PWM信号为窄脉宽信号，使第一模拟开关芯片的第一端子和第二端子根据PWM信号分别连接到输出端子。

2.根据权利要求1所述的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法，其特征在于，所述计算第一模拟开关的输出电压值V2的步骤，通过如下公式计算：

其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，V1为提供给第一电阻的第一端子的电压，V2为第一模拟开关的输出端电压，V3为提供给运放的正输入端的参考电压。

3.根据权利要求1所述的窄脉宽高功率激光器恒流驱动电路的驱动方法，其特征在于，采用上述恒定电流驱动LED光源，或者采用上述脉冲电流驱动LED光源。

4.一种窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，包括：第一电阻、晶体管、运放、第一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和LED光源；

所述第一电阻，包括：电流取样电阻；

所述第一电阻，其第一端子连接电源端子，第二端子连接所述晶体管的源极；

所述第二电阻，其第一端子连接所述晶体管的源极，第二端子连接所述运放的负输入端；

所述第三电阻，其第一端子连接所述运放的负输入端，第二端子连接所述第一模拟开关的输出端子；

所述第四电阻，其第一端子连接所述晶体管的栅极；

所述晶体管，其漏极连接所述LED光源的第一端子；

所述LED光源，其第二端子连接信号地；

所述运放，其正输入端连接参考电压，其输出端连接所述第四电阻的第二端子，

其中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、运放、晶体管、LED光源构成电流并联负反馈电路；通过所述第一电阻上的电流计算流过所述LED光源的电流。

5.根据权利要求1所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，其中，

所述第一模拟开关的第一端子为输入信号端子，连接信号地；

所述第一模拟开关的第二端子为输入信号端子，连接电压信号DA1；

所述第一模拟开关的第三端子为选择控制端子，连接PWM信号；

所述PWM信号设置为恒定电压信号或者窄脉宽电压信号；

所述第一模拟开关的输出信号为由选择控制端子进行PWM信号调制输出的信号，幅值在0V电压和电压信号DA1的幅值之间变化。

6.根据权利要求1所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，所述晶体管为：PMOS管、PNP晶体管或者含有PNP晶体管的达林顿晶体管。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，所述窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路还包括并联在运放的输出端和运放的负输入端之间的信号调整电路；

所述信号调整电路包括：第五电阻、第六电阻和第一电容；

所述第六电阻和所述第一电容串联后并接在所述运放的负输入端和输出端之间；

所述第五电阻直接连接在所述运放的负输入端和输出端之间。

8.根据权利要求4～6中任一项所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路还包括脉冲整形电路；

所述脉冲整形电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第二电容和第二二极管；

所述第九电阻的第一端子连接所述第一模拟开关的输出端；

所述第九电阻的第二端子连接所述第十电阻的第一端子；

所述第二电容的第一端子连接所述第九电阻的第二端子；

所述第二电容的第二端子连接所述第十一电阻的第一端子；

所述第二二极管的阳极连接所述第十一电阻的第一端子；

所述第二二极管的阴极连接所述运放的正输入端；

所述第十电阻的第二端子和所述第十一电阻的第二端子接信号地。

9.根据权利要求4～6中任一项所述的窄脉宽高功率LED光源恒流驱动电路，其特征在于，流过所述LED光源的电流I1，计算公式如下：

其中，R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，V1为提供给第一电阻的第一端子的电压，V2为第一模拟开关的输出端电压，V3为提供给运放的正输入端的参考电压。

10.一种窄脉宽高功率LED光源驱动电路，其特征在于，包括：第一电阻、晶体管、运放、第一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻、LED光源、基准电压设置电路和脉冲移相电路；

所述第一电阻为电流取样电阻，其第一端子连接电源端子，第二端子连接晶体管的源极；

所述第二电阻的第一端子连接所述晶体管的源极，所述第二电阻的第二端子连接所述运放的负输入端；

所述第三电阻的第一端子连接所述运放的负输入端，所述第三电阻的第二端子连接所述第一模拟开关的输出端子；

所述运放的正输入端连接参考电压V3，所述运放的输出端连接所述第四电阻的第二端子；

所述第四电阻的第一端子连接所述晶体管的栅极；所述晶体管的漏极连接所述LED光源第一端子；

所述LED光源的第二端子连接信号地；

所述脉冲移相电路的控制第一端子外接PWM控制信号，所述脉冲移相电路的控制第二端子连接所述基准电压设置电路，所述脉冲移相电路的输出端子连接所述运放的正输入端。

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