CN1635669A - 高功率驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率驱动系统，具有一预定数目的驱动模块，用来驱动激光发射器等高功率装置。每一驱动模块具有一驱动电路及一对应的反馈电路。这些驱动模块的驱动电路各自产生驱动电流，然后将这些驱动电流汇整以驱动激光发射器等高功率装置。此外，这些驱动模块的反馈电路则接收同一检测信号，此检测信号反映高功率装置的输出功率。每一反馈电路根据此检测信号各自产生反馈信号，使所对应的驱动电路进行一反馈动作，以调整驱动电流。

Description

高功率驱动系统

技术领域

本发明涉及一种高功率驱动系统，特别涉及一种具有反馈功能的高功率驱动系统。

背景技术

激光诞生于世至今才不过四十年，激光产业已有惊人的发展。以红宝石激光(一九六零年)为开始，玻璃激光(一九六一年)、氦氖激光(一九六二年)、半导体激光(一九六二年)、二氧化碳激光(一九六四年)、X光激光(一九七二年)、准分子激光(一九七五年)、自由电子激光(一九七七年)陆续开发出来。并且，其应用范围更是广泛涉及通讯、测量、加工、医疗等等，足见激光对于今后生活的重要性。

不同结构与不同功率的激光有不同的应用类型。举例来说，家庭使用的光纤通讯的光发射器的激光与用来进行工业切割的激光，即有明显的不同；此外，根据使用的特性，还可将激光分为脉冲激光与连续震荡激光等。在这些类型中，有一大类的激光发射器需要使用高功率驱动。

为了驱动此类高功率激光以达成所需的应用，往往需要对激光发射器提供大单位的驱动电流，例如10安培或更大的电流；然而，专门针对大电流设计的驱动电路其构造不但复杂而且制造成本高昂。因此，现有技术有一种将多个驱动电路并联，通过汇整多个驱动电路的电流，以获得足够大的电流来驱动高功率激光发射器。

图1例示一种依据上述的方法组成的脉冲调变激光系统，此系统具有高功率激光发射器10、反馈电路12、脉冲产生电路14，以及N组驱动电路161，162，...，16N。其中，脉冲产生电路14用来产生脉冲控制信号到驱动电路161，162，...，16N。驱动电路161，162，...，16N各自产生驱动电流，而这些驱动电流在经过汇集后，用来驱动高功率激光发射器10。举例来说，使用一百个各自产生0.1安培的驱动电路，经过电流的汇集就能得到10安培的驱动电流。此外，为了使高功率激光发射器10的发射功率保持稳定，反馈电路12负责监视高功率激光发射器10的功率，并提供反馈信号给驱动电路161，162，...，16N。

由于现有的做法是仅使用单一反馈电路102，且所有的驱动电路161，162，...，16N皆连接到此反馈电路102，当其中一个驱动电路损坏，则可能造成其它驱动电路烧毁而形成连锁反应。此外，此种常用作法稳定性不高，在维修上也具有相当程度的困难性。

因此，如何能够对现有技术提出改进，以提供一个稳定、具有弹性，且制作成本低的高功率激光驱动系统就成了一件非常具有价值的工作。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种高功率驱动系统与电路，供驱动高功率激光发射器，且这种驱动系统与电路还可用来驱动其它需要稳定高功率电流供应的电子装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高功率驱动系统，提供一驱动电流使一激光发射器产生一光束，该系统包含：一激光功率检测装置，检测该光束的强度，而产生一检测信号；多个驱动模块，彼此互相并联且各自产生一输出电流至该激光发射器；一电流源，提供上述多个驱动模块一定量电流；以及一脉波产生电路，产生一设定信号至上述驱动模块，其中该驱动模块比较该设定信号与该检测信号后，输出一控制信号以调节上述该输出电流的大小；藉此可使上述输出电流稳定输出，且藉由上述并联的多个驱动模块而将该输出电流叠加成为该驱动电流。

本发明还提供了一种高功率驱动系统，包含多个并联的驱动模块、一电流源及一脉波产生电路，并提供一既定的驱动电流值使一激光发射器产生一光束，其中该脉波产生电路产生表示该驱动模块应输出的电流值的一设定信号，且每一驱动模块包含：一电流调节装置，与上述电流源耦接，并依据一控制信号产生一输出电流；一反馈电路，量测上述输出电流值，而产生表示上述输出电流值的一检测信号；以及一比较装置，比较上述检测信号与设定信号后，输出该控制信号以调节该电流调节装置产生的该输出电流值；藉此，当该驱动模块并联后，该输出电流值的总和等于上述既定的驱动电流值。

依据本发明的一实施例，此种高功率驱动装置主要是由预定数目的驱动电路与对应的反馈电路并联而成；每一个驱动电路有一个对应的反馈电路，并构成一个驱动模块，且此驱动模块可独立制作成集成电路芯片。这些驱动电路供产生此预定数目的驱动电流，并且藉由这些驱动电流的汇集，以驱动一高功率激光发射器。此外，这些反馈电路同时各自接收一检测信号，此检测信号反映高功率激光发射器的功率；此检测信号的产生来源可以来自一激光功率检测器或可藉由检测驱动电路内部电流量变化情形而得知，接着，反馈电路依据此检测信号各自产生一对应的反馈信号给对应的驱动电路，而驱动电路再依据此反馈信号调整驱动电流的大小。

在此实施例的一范例中，此种激光驱动装置用于一脉冲调变激光系统；因此，一个脉冲发生电路连接到各个驱动电路的设定点，以提供一设定信号。驱动电路依据设定信号决定其在特定时点所输出的驱动电流的数值，例如输出10安培电流或不输出电流。

因此，本发明的高功率驱动系统至少具有下列优点。首先，此种高功率驱动系统具高度稳定性、安全性，且容易维修，这是因为采用了并联的独立反馈式驱动模块概念设计，不会因为其中一个驱动电路毁坏，导致连锁反应，造成系统瘫痪。此外，此种激光系统的扩展性高，理论上可以直接增加驱动模块的数目，就可以达成任意大小的驱动电流值；并且，此种驱动系统的电路精巧，易于生产且成本低廉。

附图说明

图1例示现有的用来驱动高功率激光的系统架构图；

图2例示依据本发明的激光驱动系统的实施例；

图3例示实作多个驱动模块的范例示意图；

图4例示实作多个驱动模块的另一范例示意图：

图5例示本发明实作单一驱动模块范例的实际电路图；以及

图6例示本发明另一实作单一驱动模块范例的实际电路图。

其中，附图标记说明如下：

10高功率激光发射器    12反馈电路

14脉波产生电路        161驱动电路

162驱动电路           16N驱动电路

20高功率激光发射器    221反馈电路

222反馈电路           22N反馈电路

261驱动电路           262驱动电路

26N驱动电路

314脉波产生电路       25共同端点

28激光功率检测器      303比较装置

307电流源             305电流调节装置

306限流保护装置       308高功率激光发射器

34’反馈电路          316激光功率检测器

32’驱动电路

具体实施方式

图2例示的高功率激光系统是依据本发明的一实施例。此激光系统是以脉冲调变激光作为说明，其具有高功率激光发射  20、脉冲产生电路24、N个反馈电路221，222，...，22N，对应此N个反馈电路221，222，...，22N的N个驱动电路261，262，...，26N，以及激光功率检测器28。此处的N为大于二的整数。

此处的脉冲产生电路24用来产生脉冲控制信号，亦称为设定信号，并将此信号传到驱动电路261，262，...，26N的设定点。举例来说，此脉冲控制信号的输出频率为100KHz、脉宽为1MHz，也就是占空比为1∶10，且高电位为1伏特、低电位为0伏特。驱动电路261，262，...，26N则依据脉冲控制信号各自产生驱动电流，而这些驱动电流在经过汇集后，用来驱动高功率激光发射器20。举例来说，当N等于100，也就是使用一百个各自产生0.1安培的驱动电路，经过电流的汇集就能得到10安培的驱动电流。

此外，本发明的重要特征包括，对于每一个驱动电路261，262，...，26N提供一个对应的反馈电路221，222，...，22N。这些反馈电路221，222，...，22N经由并联的方式，同时接收来自激光功率检测器28或藉由内部的驱动电路32’所产生的检测信号，此检测信号主要反映此高功率激光发射器20的输出功率或系统中驱动电流的变化。此激光功率检测器28实作时可使用监测用二极管(monitor diode)。此外，这些反馈电路221，222，...，22N各自提供独立的反馈信号给驱动电路261，262，...，26N。因此，虽然所有反馈电路221，222，...，22N皆接收来自共同端点25的相同信号；但是却可以针对所对应的驱动电路261，262，...，26N进行特别的设计，例如设定不同的门槛值或限定产生驱动电流的范围；并且由各反馈电路221，222，22N与对应的驱动电路261，262，...，26N组成的驱动模块更可成对制成集成电路芯片，以降低整体成本。

由上述可知，驱动电路与反馈电路相互并联成为一驱动模块，而多个驱动模块相互并联且配合一电流源、一脉波产生电路、一检测信号以及一激光发射装置即可组成一高功率驱动系统；另外，本发明不仅可应用于高功率激光的驱动，对于一般须要稳定高功率电流驱动的装置亦可适用，例如用于一高功率微波信号传送装置的驱动、高功率红外线发射器以及高精度加热系统...等应用。

为了使此概念能够更清楚地了解，以下列举二个范例来说明：

范例一：

此范例适用于驱动非激光发射装置或不具激光功率检测器的激光发射装置的应用；此范例的反馈电路分接自驱动电路32’，藉由检测驱动电路32’内部电流量的变化，以产生一检测信号进而使驱动电路32’产生一稳定的输出电流；并汇聚此输出电流而为一驱动电流；藉此方式以取代激光功率检测器的作用；其详细实施方式请参照图3并配合参照图5；图3例示单个反馈电路34’与所对应的单个驱动电路32’的实作方块图，图5则为单个反馈电路34’与所对应的单个驱动电路32’的实际电路图。

如图3所示的驱动电路32’包括一比较装置303、一电流调节装置304以及一限流保护装置306，其中该驱动电路32’的该比较装置303、该电流调节装置304与该反馈电路34’形成一反馈回路；且该驱动电路32’与该反馈电路34’组成一驱动模块；另外，脉波产生电路314产生一设定信号V1供该比较装置303与来自反馈电路34’的检测信号进行比较并输出一控制信号，以控制该电流调节装置304产生一对应于该设定信号的稳定输出电流。

首先，如图5所示，由晶体管Q1组成的该电流调节装置304，其外接一电流源307，并藉由基(B)极接收来自以OPA放大器AR3组成比较装置303的控制信号，由该控制信号的电流量高、低而调节该电流源的电流量以产生一输出电流I1，该输出电流I1流经该由R16、R17组成的限流保护装置306并汇聚后成为一驱动电流，以驱动该高功率激光发射器308，此时的限流保护装置306限制该驱动电流，避免过大的瞬间电流造成激光发射器308的损坏；此外输出电流I1同时分流至以R12、R13以及OPA放大器AR2所组成的反馈电路34’中，如图5的R12、R13分别并联跨接于AR2的正、负二端，当输出电流I1流经R12、R13时将于其上产生一反馈信号V3其值为I1*(R12//R13)，此信号的电位为(V+)与(V-)的差值；并将V+、V-分别输入AR2的两端，另外，因该反馈电路34’中AR2放大器的设计是二倍放大的差动放大器，此处所指该反馈电路34’的放大倍数需视该电阻R12、R13的阻值而定，其可输出一检测信号V2，其值为2(V+-V-)＝2V3＝2I1*(R12//R13)，由此可知，该检测信号可反映输出电流I1的变化，并将该检测信号V2送至该以OPA放大器AR3组成的比较装置303的V-端，与输入于AR3的V+端的该脉波产生电路314产生的设定信号V1进行比较，并产生一控制信号以调节上述的输出电流I1；当V-＞V+代表反馈的检测信号高于设定信号，此时比较装置303输出一低电位的控制信号，使该电流调节装置304输出一较低的输出电流而使反馈的检测信号电位降低；反之，则输出一高电位的控制信号至以晶体管Q1组成的电流调节装置304的基极，藉晶体管的特性Ic(集极电流)＝βIb(基极电流)，由图中可知Ic＝I1(输出电流)而Ib为控制信号，故可通过该控制信号以增加该输出电流，直到该检测信号相等于设定信号为止；如此进行数次递归修正，即可控制输出一对应于设定信号V1的输出电流，并汇聚多个驱动模块产生的多个输出电流以组成一驱动电流。

藉此，电流调节装置304所产生的输出电流I1将与设定信号V1成线性变化，且根据该反馈回路，经过数次反复修正叠加后，可使驱动电流稳定的输出。

由上述内容可知，其限流保护装置306仅是具有电流限制功能以起到保护激光发射装置的作用；因此若无此装置，本发明仍可正常运作无虞。

范例二：

此范例适用于驱动一具有激光功率检测器316的激光发射装置的应用，利用一激光功率检测器316依据高功率激光发射装置的功率，产生一检测信号至反馈电路，以供驱动电流调整参考；其详细实施方式请参照图4并配合参照图6；图4例示单个反馈电路36’与所对应的单个驱动电路32’的实作方块图，图6则为单个反馈电路36’与所对应的单个驱动电路32’的实际电路图。

如图4所示的驱动电路32’包括一比较装置303、一电流调节装置304以及一限流保护装置306；其中该驱动电路32’的该比较装置303、该电流调节装置304、该限流保护装置306与该激光功率检测器3 16以及反馈电路36’形成一反馈回路；且该驱动电路32’与该反馈电路36’组成一驱动模块；另外，脉波产生电路314供产生一设定信号V1，以控制该电流调节装置304产生一对应于该设定信号V1的输出电流。

首先，如图6所示，由晶体管Q1组成的该电流调节装置304，其外接一电流源307，并藉由基(B)极接收来自以OPA放大器AR3组成比较装置303的控制信号，由该控制信号的电流量的高、低而调节该电流源的电流量以产生一输出电流I1，该输出电流I1流经该由R16、R17组成的限流保护装置306并汇聚后成为一驱动电流，以驱动该高功率激光发射器308；此时的限流保护装置限制该输出电流，避免过大的瞬间电流造成激光发射器的损坏；同时，激光功率检测器316依据该发射器308的发射功率，产生一反馈信号V3并送回至以OPA放大器AR1组成的反馈电路36’中，此时的反馈电路36’是一单纯的电压随耦器，为确保反馈信号V3不因阻抗匹配而衰减；因此该反馈信号V3相等于该检测信号V2，再将该检测信号V2完全转移至以OPA放大器AR3组成的比较装置303的V-端，与输入于AR3的V+端的该脉波产生电路314产生的设定信号V1进行比较，以产生一控制信号以调节上述的输出电流I1；当V-＞V+则比较装置303输出低电位控制信号，以控制该电流调节装置304输出一较低的输出电流；反之，则输出高电位控制信号至以晶体管Q1组成的电流调节装置304的基极，藉晶体管特性调节该输出电流，如此进行数次递归修正，即可控制输出一对应于设定信号V1的输出电流，并汇聚多个驱动模块产生的多个输出电流以组成一驱动电流；藉此，电流调节装置304所产生的电流将与设定信号成线性变化，且根据该反馈回路，经过数次反复修正后，可使驱动电流稳定的输出。

由上述可知，其反馈电路36’为一缓冲装置，仅单纯转移激光功率检测器316所产生的检测信号至比较装置303中；而限流保护装置306仅具保护激光发射装置的作用；因此若无上述的该反馈电路36’与该限流保护装置306，本发明仍可正常运作无虞。

在此设定下，假使高功率激光发射器308的功率随着温度或其它因素发生变化，则能通过此反馈方式得到补偿，而使输出功率保持在一定的稳定状态。依此类推，整个系统可以再并联更多相同或不相同的驱动电路与反馈电路的组合，以符合系统设计的需求。

相较于现有的设计方法，如图1所示，其仅使用单一的反馈电路102，因此不适合任意扩充驱动电路261，262，...，26N，并且这些驱动电路261，262，26N在设计上亦具有一定的限制。相较之下，使用上述的激光系统设计方式，由于反馈电路221，222，...，22N与驱动电路261，262，...，26N是成对构成驱动模块，因此在设计上可任意增加此种驱动模块的模块数，理论上驱动电流可任意大，以符合各种高功率激光发射器的规格。

而且，由于采用了反馈型激光驱动电路，反馈点所收到的脉冲信号跟设定点所输入的脉冲信号一致，因而信号不受并联电路多少的影响。同时，由于是独立的反馈型脉冲激光驱动电路并联而成，不会因某一个驱动电路的损坏而影响整个系统，从而保证系统的稳定性。此外，本发明采用了多个独立的反馈型脉冲调变激光驱动电路并联的方式，不会因其中一个驱动电路损坏，而将电流分摊到其它驱动电路，烧毁其它驱动电路，形成连锁反应，因此不会因局部电路损坏而使系统瘫痪，使本发明的系统安全性高，且系统容易维修。另外，依据本发明的激光驱动系统也可通过控制设定点电压来直接控制输出电流，而且，此种系统容易生产，成本低廉。

当然，必须指出的是，虽然此处以脉冲调变激光的驱动作为实施例来说明，然而本发明当然不限于使用于脉冲调变激光。通过多个并联的驱动电路与反馈电路的组合，每一个驱动电路与对应的反馈电路可视为一个驱动模块，而此种驱动模块可用于驱动各种高功率发射装置。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高功率驱动系统，提供一驱动电流使一激光发射器产生一光束，该系统包含：

一激光功率检测装置，检测该光束的强度，而产生一检测信号；

多个驱动模块，彼此互相并联且各自产生一输出电流至该激光发射器；

一电流源，提供上述多个驱动模块一定量电流；以及

一脉波产生电路，产生一设定信号至上述驱动模块，其中该驱动模块比较该设定信号与该检测信号后，输出一控制信号以调节上述该输出电流的大小；

藉此可使上述输出电流稳定输出，且藉由上述并联的多个驱动模块而将该输出电流叠加成为该驱动电流。

2.如权利要求1所述的高功率驱动系统，其中每一驱动模块还包括：

一比较装置，比较上述检测信号与上述设定信号，而输出一控制信号；以及

一电流调节装置，依据上述控制信号，而调节上述输出电流。

3.如权利要求1所述的高功率驱动系统，其中每一驱动模块还包括：

一反馈电路，维持该检测信号的电位；

一比较装置，比较上述检测信号与上述设定信号，而输出一控制信号；以及

一电流调节装置，依据上述控制信号，而调节上述输出电流。

4.如权利要求1所述的高功率驱动系统，其中每一驱动模块还包括：

一比较装置，比较上述检测信号与上述设定信号，而输出一控制信号；

一电流调节装置，依据上述控制信号，而调节上述输出电流；以及

一限流保护装置，限制上述输出电流，以保护激光发射器。

5.如权利要求1所述的高功率驱动系统，其中每一驱动模块还包括：

一反馈电路，维持该检测信号的电位；

一比较装置，比较上述检测信号与上述设定信号，而输出一控制信号；

一电流调节装置，依据上述控制信号，而调节上述输出电流；以及

一限流保护装置，限制上述的输出电流，以保护该激光发射器。

6.一种高功率驱动系统，包含多个并联的驱动模块、一电流源及一脉波产生电路，并提供一既定的驱动电流值使一激光发射器产生一光束，其中该脉波产生电路产生表示该驱动模块应输出的电流值的一设定信号，且每一驱动模块包含：

一电流调节装置，与上述电流源耦接，并依据一控制信号产生一输出电流；

一反馈电路，量测上述输出电流值，而产生表示上述输出电流值的一检测信号；以及

一比较装置，比较上述检测信号与设定信号后，输出该控制信号以调节该电流调节装置产生的该输出电流值；

藉此，当该驱动模块并联后，该输出电流值的总和等于上述既定的驱动电流值。

7.如权利要求6所述的高功率驱动系统，其中每一驱动模块还包括：

一限流保护装置，限制上述该输出电流的大小，以保护该激光发射器。

8.如权利要求6所述的高功率驱动系统，其中该电流调节装置包含一晶体管，该晶体管根据该比较装置所产生的一控制信号，以决定该输出电流的大小。

9.如权利要求6所述的高功率驱动系统，其中该比较装置包含一OPA运算放大器，该OPA运算放大器比较脉波产生电路输出的一设定信号与反馈电路反馈产生的一检测信号，并产生一控制信号至该电流调节装置。

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