CN117374726B - 一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光电源技术领域，具体的说是一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源系统，包括壳体、电路板、铜柱、吸热管、导热管、过滤板、进气口、通风管、连接管、送风管，本发明的驱动板的底部固定安装有多组散热扇，每组散热扇内含有两个吸气风扇，一个吹气风扇，两组吸气风扇的位置对应两组导热管的位置，可以将宝塔式电路板内的热量吸出，每组电路板之间都由铜柱连接，铜柱也可以吸收一定的热量，铜柱吸收的热量会通过吸热管传递到导热管内，最后被吸出，而吹气风扇会将外部的冷空气带入设备，加快内外空气的混合，从而达到快速降温的效果。

Description

一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源及系统

技术领域

本发明涉及半导体激光电源技术领域，具体的说是一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源及系统。

背景技术

激光是一种高能量的光束，其应用领域非常广泛，包括工业（如切割、焊接、雕刻等）、医疗美容（如激光手术、美容淡斑等）、通讯（光纤通信等）、测量和导航（干涉测量、激光雷达等）、军事（导航、定位、目标照明、激光武器）等，产生激光的设备就是激光器。按泵浦方式的不同，激光器主要分为氙灯泵浦和半导体泵浦两大类，而半导体泵浦以其体积小、效率高、寿命长、维护方便等优势，被普遍认为是未来激光器发展的方向，按工作介质不同，激光器主要分为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器、气体激光器等。其中，固体激光器、光纤激光器和半导体激光器是采用半导体泵浦的。

激光器内部结构：以光纤输出的半导体激光器为例，主要包括泵浦源、激光电源、增益光纤、冷却系统、电控系统、监测和反馈系统、输出光纤、光纤耦合器等光学元器件、壳体等机械部件。泵浦源是一种将电流转化为激光输出的元器件。向泵浦源内输入电流，即可输出泵浦光，这种泵浦光既可以直接使用为激光器的最终激光输出提供能量。

半导体激光电源为激光器中的半导体泵浦源提供精密供电的设备，是激光器中的核心组成部分之一。半导体激光器或光纤激光器的冷却系统通常分为2种：水冷或TEC制冷。水冷是通过在水冷板中流过的水对系统进行散热，这种散热方式成本较低，散热功率较大，但不能精确控温；TEC制冷是通过一种叫做“TEC制冷片”的元器件进行制冷，TEC制冷片的特点是为其通电就能将一侧的热量转移到另一侧，从而实现制冷；并且TEC可以控制制冷量，从而精确的控制温度，温度对激光输出的质量有较大影响，因此在较为精密的激光应用中往往选择TEC制冷。TEC制冷片本身是一个简单的元器件，要实现精确控温，需要一个“TEC驱动模块”，其作用是根据当前温度调节TEC的制冷量，从而将温度设置到指定值。

电控主要对激光器输出模式的控制，如电流大小、工作模式（连续还是脉冲、脉冲频率和占空比是多少）、特殊工作逻辑的实现（如软启动、热插拔等）；包含监测和反馈等：要使激光器正常工作，需要对激光器进行多种监测，如温度监测、输出激光强度监测等，并根据这些监测数据，对激光器的输出进行实时调节。

目前激光电源主要分为两种，一种是用于测试的电源，这种往往带有一套简单的智能控制系统，以及相应的显示屏、旋钮等等，但是其体积往往较大，典型体积为长x宽x高=400x200x185mm或更大，而且通常只有单路输出；另一种是用于集成进激光器的模块式或裸板式电源，这种电源通常功能比较单一，仅负责电源的驱动，通常也只支持单路输出，而且本身不带智能控制功能，也不带制冷功能，用户需要额外自行设计或购买主控板、TEC驱动模块等，才能使用，而如果在高温情况下长时间运转时，内部会产生大量的热量，如果不能即时将这些热量排出，就会导致设备内部的温度越来越高，从而影响设备的正常运转，现有的技术方案和产品，各个工作模块（如恒流驱动源、TEC驱动、主控板等）通常是独立的，需要用户将其整合在一起，并单独操作这些模块，使用起来也是非常不便，且体积很大，不利于集成。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可以快速散热，并且无需单独操作各项模块的高集成度、大功率的智能化半导体激光电源及系统。

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，包括壳体以及分别安装在壳体两端的功率端和信号端；

驱动板，所述驱动板安装在所述壳体的内部，所述驱动板上固定有多个铜柱；

电路板，所述电路板固定安装在铜柱的顶部，所述电路板有多组且每层电路板的宽度从下往上逐层减小，相邻所述电路板之间均由铜柱连接；

扇形金属隔离层，所述扇形金属隔离层固定安装在驱动板上，且所述扇形金属隔离层位于功率端与电路板之间；

吸热单元，所述吸热单元安装于驱动板上；

吹气单元，所述吹气单元安装于驱动板上，通过吸热单元将电路板内部的热量带走，通过吹气单元向相邻电路板之间吹气，加快内部气体的流动。

本方案中，所述功率端包括固定在驱动板上的输出端子，所述驱动板上固定安装有一组光耦，所述光耦的一端固定连接输出端子，且所述光耦的另一端固定连接在电路板上。

本方案中，所述信号端包括USB接口和信号接口，且所述USB接口和信号接口均与电路板连接。

本方案中，所述吸热单元包括吸热管，所述吸热管固定连接在铜柱的侧壁上且延伸至相邻电路板之间，所述吸热管上开设有多组通孔，且吸热管上连接有多组散热铜条；

导热管，所述导热管固定安装在驱动板上，所述导热管的侧壁固定连接吸热管的另一端，所述导热管设置两组，且两组所述导热管相对称设置。

本方案中，所述吹气单元包括连接管，所述连接管固定安装在驱动板上；

过滤板，所述过滤板固定安装在连接管内部；

进气口，所述进气口固定安装在连接管的底部；

通风管，所述通风管固定安装在多组铜柱之间，且连接结构成三角形状，且所述通风管上设有吹气口；

送风管，所述送风管的一端固定连接连接管的侧壁，每组所述送风管的另一端都位于相邻电路板之间。

本方案中，所述连接管、导热管均位于扇形金属隔离层内部。

进一步的，还包括散热扇，多组所述散热扇均安装在驱动板的底部，每组所述散热扇中分别存在两个吸气扇和一个吹气扇，且两个吸气扇分别安装在吹气扇的两侧，吹气扇与进气口连通。

本方案中，所述扇形金属隔离层的两端分别固定安装有一组散热通口，所述散热通口的底部和驱动板相连接，所述扇形金属隔离层的顶部固定安装有橡胶条，所述橡胶条的顶部和壳体的相贴合。

本方案中，所述电路板的顶部固定安装有一组触摸屏，所述触摸屏电性连接多组散热扇，所述散热扇固定安装在散热通道内部，所述散热通道固定安装在驱动板的底部，且所述散热通道与导热管连通。

本发明还提供一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源的系统，该系统包括主电控系统，主电控系统连接温度控制模块和人机交互模块，人机交换模块与主电控系统内部安装有上位机软件，人机交互模块连接触摸屏，主电控系统连接信号端与功率端，功率端包括电源驱动以及与电源驱动连接的功率输出端口、复合驱动以及与复合驱动连接的功率输出端口；所述电源驱动、复合驱动均连接温度控制模块和主电控系统，信号端包括控制信号接口、通讯接口、传感器驱动模块，所述控制信号接口连接数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出；所述通讯接口连接RS通讯、SPI通讯、USB通讯；所述传感器驱动模块连接传感器输入。

本发明的有益效果：

（1）本发明能够对多通道产生的大量热量进行快速散热，同时，扇形金属隔离层能够起到很好的对通道之间进行电磁隔离。

（2）本发明铜条降低了电路走线这部分发热，但大电流通过各种元器件（如MOS管、二极管等）造成的发热通过吹气单元以及散热单元的配合实现散热，能够将热量整体控制住，从而实现高密度的多通道集成。

（3）本发明用户仅需对其模块进行的简单操作，即可实现对所有输出通道、TEC制冷系统、各种传感器的控制，不需要独立接线，使用起来非常方便，且产品体积非常小，非常便于集成，还在驱动板的底部固定安装有多组散热扇，每组散热扇内含有两个吸气风扇，一个吹气风扇，两组吸气风扇的位置对应两组导热管的位置，可以将宝塔式电路板内的热量吸出，每组电路板之间都由铜柱连接，铜柱也可以吸收一定的热量，铜柱吸收的热量会通过吸热管传递到导热管内，最后被吸出，而吹气风扇会将外部的冷空气带入设备，加快内外空气的混合，从而达到快速降温的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明整体结构的俯视图；

图3为本发明整体结构左视图；

图4为本发明内部散热组件和电路板等零件的连接结构示意图；

图5为本发明中散热风扇以及弧形金属隔离板等零件的剖视图；

图6为本发明中宝塔式电路板以及铜柱的连接结构示意图；

图7为图6中A处放大图；

图8为本发明中通风管和铜柱之间的连接结构示意图；

图9为本发明中系统模块连接示意图；

图10为本发明中电路板上散热铜条分布示意图。

图中：1、壳体；110、输出端子；111、触摸屏；112、USB接口；113、信号接口；114、散热通道；115、散热扇；2、驱动板；210、铜柱；211、电路板；212、光耦；213、导热管；214、吸热管；215、连接管；216、送风管；217、扇形金属隔离层；218、散热通口；219、橡胶条；220、过滤板；221、进气口；222、通风管。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术方法、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例一：

如图1-10所示一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，包括壳体1，所述电路板211固定安装在铜柱210的顶部，所述电路板211有多组且为宝塔状结构，每两组所述电路板211之间均由铜柱210连接，每层所述铜柱210的宽度从下往上逐层减小，每组所述铜柱210都固定安装在一组电路板211的底部，所述吸热管214的一端固定连接在铜柱210的侧壁上，所述吸热管214上开设有多组通孔，所述导热管213固定安装在驱动板2上，所述导热管213的侧壁固定连接吸热管214的另一端，所述导热管213存在两组，且两组所述导热管213相对称，多组所述散热扇115均安装在驱动板2的底部，所述过滤板220固定安装在连接管215内部，所述进气口221固定安装在连接管215的底部通风管222，所述通风管222固定安装在多组铜柱210之间，且连接结构成三角形状，所述连接管215固定安装在驱动板2上，且位于两组扇形金属隔离层217的中间，也位于吹气扇的正上方，所述送风管216的一端固定连接连接管215的侧壁，每组所述送风管216的另一端都位于两组电路板211之间。

需要说明的是，每组所述散热扇115中分别存在两个吸气扇和一个吹气扇，且两组吸气扇分别安装在吹气扇的两侧，两组吹气扇分别位于两组导热管213的上方，所述壳体1的一端固定安装有一组信号接口113，所述信号接口113的底部固定连接驱动板2的顶部，所述壳体1的一端还开设有两组USB接口112，所述两组USB接口112分别位于信号接口113的两侧，且其底部也和驱动板2的顶部相连接，所述扇形金属隔离层217的两端分别固定安装有一组散热通口218，所述散热通口218的底部和驱动板2相连接，所述扇形金属隔离层217的顶部固定安装有一组橡胶条219，所述橡胶条219的顶部和壳体1的顶部相贴合，所述光耦212的一端固定连接输出端子110的背部，所述输出端子110固定安装在驱动板2上，且位于壳体1的另一端，所述触摸屏111电性连接多组散热扇115，所述散热扇115固定安装在散热通道114内部，所述散热通道114固定安装在驱动板2的底部。

实施例二：

如图9所示，本发明还提供一种根高集成度、大功率的智能化半导体激光电源的系统，该系统包括主电控系统，主电控系统连接温度控制模块和人机交互模块，人机交换模块与主电控系统内部安装有上位机软件，人机交互模块连接触摸屏，主电控系统连接信号端与功率端，功率端包括电源驱动以及与电源驱动连接的功率输出端口、复合驱动以及与复合驱动连接的功率输出端口；所述电源驱动、复合驱动均连接温度控制模块和主电控系统，信号端包括控制信号接口、通讯接口、传感器驱动模块，所述控制信号接口连接数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出；所述通讯接口连接RS232通讯、SPI通讯、USB通讯；所述传感器驱动模块连接传感器输入。

（1）本发明中该设备在高温且长时间的运作下，内部会产生大量的热量，如果这时不对其进行有效散热，会对设备本身造成损害，也会影响后续的工作，这时需要工作人员在触摸屏111上控制散热扇115打开，在驱动板2的底部固定安装有多组散热扇115，每组散热扇115中分别有两个吸气扇和一个吹气扇，两个吸气扇分别安装在吹气扇的两侧，在启动散热扇115之后，两个吸气扇开始运转，其会将多组电路板211之间的热量吸出，多组电路板211之间由铜柱210连接支撑，铜柱210也可以吸收一部分热量，因此吸气扇会利用吸热管214将电路板211内的热量逐渐吸出，而在吸气扇工作的同时，吹气扇会将外部的冷空气通过连接管215和送风管216，输送到多组电路板211之间，从而促使内外空气混合，吸气扇和吹气扇的相互配合之下可以达到快速降温的效果。

（2）在吸热管214上开设有多个通孔，在吸出热量达到同时会有一部分热量逸散出来，由于扇形金属隔离层217也是金属材质，可以有效吸收一部分热量，在扇形金属隔离层217吸收热量之后会导致本身的温度升高，一旦外部的空气较为湿润会从散热通口218进入到设备的内部，扇形金属隔离层217散发的热量会将空气中的湿气中和，起到一定的防潮作用，在扇形金属隔离层217的顶部还固定安装有一组橡胶条219，当设备在高震动的环境下工作时，橡胶条219属于橡胶材质可以吸收一部分震动带来的动能，从而起到防震作用。

（3）本发明将将电源的功率输出集中驱动板2上，而数字控制系统集中在电路板211上，二者相对独立，降低互相干扰的可能性，在驱动板2上，将数字驱动部分和功率输出部分分开，中间通过必要的光耦连接，降低功率输出对数字信号的干扰，驱动板2与电路板211通过排针进行连接，连接排针设计在远离功率输出端子、靠近信号端的位置，进一步降低功率信号对控制信号的影响，控制信号在进入电路板211之后，通过光耦212实现与单片机之间的隔离，通过上述设计，能够最大程度地避免大功率的电源输出对控制系统的干扰，保证了控制系统的稳定性以及控制信号的准确性。

（4）本发明中电路板211采用多层板宝塔状结构，在电路板211的数字驱动部分，在保证信号可靠性的前提下，尽量提高设计密度，以最大程度地压缩电路板面积，在电源驱动部分，通过在大电流走线上额外焊接金属条如铜条的方式，提高电路板的电流负载能力，以在较小的空间内承载更大的电流。

（5）本发明中的通风管222起到将相邻两个电路板211起到绝缘作用，同时，通风管222上的吹气通道能够将铜柱210上热量快速带走，进一步的，通风管222能够对相邻电路板211起到支撑作用，进一步的是通风管222形成三角形结构，使其连接更加稳定，能够适应高振动环境下使用，加快散热效果。

工作原理：首先信号会从信号接口113中传输到主电控系统中，这时，工作人员就可以在触摸屏111上开始对应的操作，这时信号会通过主电控系统传输到光耦212内，再由输出端子110导出，设备在高温且长时间的运作下，内部会产生大量的热量，如果这时不对其进行有效散热，会对设备本身造成损害，也会影响后续的工作，这时需要工作人员在触摸屏111上控制散热扇115打开，在驱动板2的底部固定安装有多组散热扇115，每组散热扇115中分别有两个吸气扇和一个吹气扇，两个吸气扇分别安装在吹气扇的两侧，在启动散热扇115之后，两个吸气扇开始运转，其会将多组电路板211之间的热量吸出，多组电路板211之间由铜柱210连接支撑，铜柱210也可以吸收一部分热量，因此吸气扇会利用吸热管214将电路板211内的热量逐渐吸出，而在吸气扇工作的同时，吹气扇会将外部的冷空气通过连接管215和送风管216，输送到多组电路板211之间，从而促使内外空气混合，吸气扇和吹气扇的相互配合之下可以达到快速降温的效果，在吸热管214上开设有多个通孔，在吸出热量达到同时会有一部分热量逸散出来，由于扇形金属隔离层217也是金属材质，可以有效吸收一部分热量，在扇形金属隔离层217吸收热量之后会导致本身的温度升高，一旦外部的空气较为湿润会从散热通口218进入到设备的内部，扇形金属隔离层217散发的热量会将空气中的湿气中和，起到一定的防潮作用，在扇形金属隔离层217的顶部还固定安装有一组橡胶条219，当设备在高震动的环境下工作时，橡胶条219属于橡胶材质可以吸收一部分震动带来的动能，从而起到防震作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围。

Claims (8)

1.一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：

包括壳体（1）以及分别安装在壳体（1）两端的功率端和信号端；

驱动板（2），所述驱动板（2）安装在所述壳体（1）的内部，所述驱动板（2）上固定有多个铜柱（210）；

电路板（211），所述电路板（211）固定安装在铜柱（210）的顶部，所述电路板（211）有多组且每层电路板（211）的宽度从下往上逐层减小，相邻所述电路板（211）之间均由铜柱（210）连接；

扇形金属隔离层（217），所述扇形金属隔离层（217）固定安装在驱动板（2）上，且所述扇形金属隔离层（217）位于功率端与电路板（211）之间；

吸热单元，所述吸热单元安装于驱动板（2）上；

吹气单元，所述吹气单元安装于驱动板（2）上，通过吸热单元将电路板（211）内部的热量带走，通过吹气单元向相邻电路板（211）之间吹气，加快内部气体的流动；

所述功率端包括固定在驱动板（2）上的输出端子（110），所述驱动板（2）上固定安装有一组光耦（212），所述光耦（212）的一端固定连接输出端子（110），且所述光耦（212）的另一端固定连接在电路板（211）上；

所述信号端包括USB接口（112）和信号接口（113），且所述USB接口（112）和信号接口（113）均与电路板（211）连接。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：所述吸热单元包括吸热管（214），所述吸热管（214）固定连接在铜柱（210）的侧壁上且延伸至相邻电路板（211）之间，所述吸热管（214）上开设有多组通孔，且吸热管（214）上连接有多组散热铜条；

导热管（213），所述导热管（213）固定安装在驱动板（2）上，所述导热管（213）的侧壁固定连接吸热管（214）的另一端，所述导热管（213）设置两组，且两组所述导热管（213）相对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：所述吹气单元包括连接管（215），所述连接管（215）固定安装在驱动板（2）上；

过滤板（220），所述过滤板（220）固定安装在连接管（215）内部；

进气口（221），所述进气口（221）固定安装在连接管（215）的底部；

通风管（222），所述通风管（222）固定安装在多组铜柱（210）之间，且连接结构成三角形状，且所述通风管（222）上设有吹气口；

送风管（216），所述送风管（216）的一端固定连接连接管（215）的侧壁，每组所述送风管（216）的另一端都位于相邻电路板（211）之间。

4.根据权利要求3所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：所述连接管（215）、导热管（213）均位于扇形金属隔离层（217）内部。

5.根据权利要求4所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：还包括散热扇（115），多组所述散热扇（115）均安装在驱动板（2）的底部，每组所述散热扇（115）中分别存在两个吸气扇和一个吹气扇，且两个吸气扇分别安装在吹气扇的两侧，吹气扇与进气口（221）连通。

6.根据权利要求5所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：所述扇形金属隔离层（217）的两端分别固定安装有一组散热通口（218），所述散热通口（218）的底部和驱动板（2）相连接，所述扇形金属隔离层（217）的顶部固定安装有橡胶条（219），所述橡胶条（219）的顶部和壳体（1）的相贴合。

7.根据权利要求6所述的一种高集成度、大功率的智能化半导体激光电源，其特征在于：所述电路板（211）的顶部固定安装有一组触摸屏（111），所述触摸屏（111）电性连接多组散热扇（115），所述散热扇（115）固定安装在散热通道（114）内部，所述散热通道（114）固定安装在驱动板（2）的底部，且所述散热通道（114）与导热管（213）连通。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的高集成度、大功率的智能化半导体激光电源的系统，其特征在于：该系统包括主电控系统，主电控系统连接温度控制模块和人机交互模块，人机交换模块与主电控系统内部安装有上位机软件，人机交互模块连接触摸屏，主电控系统连接信号端与功率端，功率端包括电源驱动以及与电源驱动连接的功率输出端口、复合驱动以及与复合驱动连接的功率输出端口；所述电源驱动、复合驱动均连接温度控制模块和主电控系统，信号端包括控制信号接口、通讯接口、传感器驱动模块，所述控制信号接口连接数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出；所述通讯接口连接RS232通讯、SPI通讯、USB通讯；所述传感器驱动模块连接传感器输入。