CN202067515U - 激光二极管阵列动态驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光二极管阵列动态驱动装置，包括PWM控制器、PWM变换器、电流反馈回路以及调节器，其中：电流反馈回路，采集激光二极管串的电流信号，送至调节器的反馈信号输入端；调节器，根据设定端和反馈信号输入端的数据进行运算，结果送至PWM控制器的输入端；PWM控制器，对调节器的信号进行处理后，输出控制信号送至PWM变换器；PWM变换器，根据PWM控制器的控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光二极管串。本实用新型通频带宽、效率高、输出功率平稳、可动态调校，使用寿命长，用户可以根据产品自身的需求，选择不同的驱动类型，以达到最大的性价比。

Description

激光二极管阵列动态驱动装置

技术领域

本实用新型涉及激光器显示领域中的激光器驱动技术，具体的说是一种激光二极管阵列动态驱动装置。

背景技术

显示用激光器是一种比较特殊的激光器。显示用激光器一般要求激光输出功率不大，一般由十几瓦到三十几瓦之间。但于需要和DLP、LCOS等光空间调制元件配合完成三基色图像调制，所以要使激光器输出能够分时调制，并对其分时输出的光功率跳变沿质量有较高的要求。如果激光器输出功率有过冲或反冲现象，就会在显示图像边沿产生明暗条纹。同时要求激光器输出功率平稳，否则会在显示图像上产生肋骨现象。

传统激光器驱动器为模拟恒流电源，其特点是通频带宽、效率低。

另外激光显示技术同其它显示技术一样，也存在白平衡问题，也就是说如果要生成一束给定亮度的白光，三个基色的激光器输出的光功率是不一样的。由于驱动电路中各种元器件的制造存在离散性问题，要求激光器进行出厂校准。同时各激光器及其驱动电路中元器件在长期工作后也会出现不同程度的老化，导致三基色激光器的输出功率偏离设定值。

实用新型内容

针对现有技术中存在的激光器驱动器效率低、内部器件易老化等不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种通频带宽且效率高、不易老化的激光二极管阵列动态驱动装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型一种激光二极管阵列动态驱动装置，包括PWM控制器、PWM变换器、电流反馈回路以及调节器，其中：电流反馈回路，采集激光二极管串的电流信号，送至调节器的反馈信号输入端；调节器，根据设定端和反馈信号输入端的数据进行运算，结果送至PWM控制器的输入端；PWM控制器，对调节器的信号进行处理后，输出控制信号送至PWM变换器；PWM变换器，根据PWM控制器的控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光二极管串。

所述激光管串为4～6个激光二极管串联组成。

所述PWM变换器采用同步整流结构，包括第1场效应管、第2场效应管、电感以及电容，形成同步整流BUCK型变换器。

所述设定端通过数字电位器接至外接的显示控制装置。

所述电流反馈回路采用可编程放大器，其输入端接收激光管串的电流反馈信号，增益控制端通过SPI总线接至外接的显示控制装置；输出端接回调节器的负反馈输入端。

或者本实用新型一种激光二极管阵列动态驱动装置包括数字信号处理器、激光二极管串以及PWM变换器，其中：数字信号处理器，其反馈信号输入端经缓冲放大器接收激光二极管串的电流信号进行处理，输出PWM控制信号；PWM变换器，根据数字信号处理器输出的PWM控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光管串。

所述激光管串为4～6个激光二极管串联组成。

还具有超压保护电路，其由缓冲放大器构成，其输入端为激光管串的电压采样信号，输出端接至数字信号处理器的模拟信号输入端。

所述数字信号处理器的数字输入端通过SPI总线接有温度传感器和/或颜色传感器，数字信号处理器的数字输出端接有风扇控制器。

所述数字信号处理器运行激光二极管阵列驱动控制程序，其控制步骤为：

读取外部亮度控制信号和激光管串的电流反馈信号；

对上述两种信号进行PID运算；

根据PID运算结果，计算PWM脉冲数据；

通过PWM脉冲数据控制数字信号处理器的事件发生器，产生PWM控制信号至PWM变换器。

所述数字信号处理器运行激光二极管阵列驱动控制程序，其控制步骤为：

读取外部亮度控制信号和激光管串的电流反馈信号；

读取激光管串的环境温度信号及色度信号；

根据上述色度信号对激光管串进行白平衡校正；

对上述白平衡校正后的结果与激光管串的电流反馈信号进行PID运算；

根据上述环境温度信号对PID运算结果进行线性化校正，得到PWM脉冲数据；

通过PWM脉冲数据控制数字信号处理器的事件发生器，产生PWM控制信号至PWM变换器。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型采用效率更高的PWM调制型直流/直流变换恒流电源，降低了成本，或者采用模拟与数字结合的方式以及全数字的方式分别实现对激光二极管阵列的动态驱动，可将激光管阵列分成几个串分散驱动，同时结合提高PWM载频频率，尽量减少滤波电容容量，并通过大量实验找到最佳结合点使激光器能够适合激光显示器的频带需求。

2.本实用新型通频带宽、效率高、输出功率平稳、可动态调校，使用寿命长，用户可以根据产品自身的需求，选择不同的驱动类型，以达到最大的性价比。

附图说明

图1为本实用新型采用的模拟PWM电路原理图；

图2为本实用新型采用的数字、模拟混合PWM电路原理图；

图3为本实用新型采用的全数字PWM电路原理图；

图4为本实用新型全数字PWM方案中的软件框图；

图5为本实用新型全数字PWM方案中控制流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，激光器具有48个激光二极管，分为8个激光管串，每串为6个激光二极管串联组成，每串采用一个本实用新型激光二极管阵列动态驱动装置进行驱动。

如图1所示，本实用新型激光二极管阵列动态驱动装置包括PWM控制器U1、PWM变换器、电流反馈回路以及调节器，其中：电流反馈回路采集激光管串的电流信号，送至调节器的反馈信号输入端；调节器根据设定端和反馈信号输入端的数据进行运算，结果送至PWM控制器U1的输入端；PWM控制器U1对调节器的信号进行处理后，输出控制信号送至PWM变换器；PWM变换器根据PWM控制器U1的控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光管串。

PWM变换器采用同步整流结构，包括第1场效应管Q1、第2场效应管Q2、电感L1以及电容C1，形成同步整流BUCK型变换器。

图1中，由于电路中的第1场效应管Q1、第2场效应管Q2所采用的MOSFET导通电阻低、频带宽，而电感L1也采用能耗更低的扁平电感，所以仅就PWM变换器来说，其变换效率已经达到了98％。这种设计简化了该驱动电路的散热问题。

电阻R6是一个阻值较小的电流采样电阻，其两端电压反映了激光二极管中的电流值，采样电压经电流反馈回路(包括缓冲放大器U2B及其外围电路组成)进行缓冲放大，反馈到调节器。

调节器由放大器U2A及其外围电路组成。由电流反馈回路送来的反馈信号和给定电压在调节器中进行运算产生的结果对PWM控制器进行控制。

电位器R8为激光管电流调节器，主要负责激光二级管中电流调节。该点需要在出厂时根据激光二极管出指标及具体离散状态进行调节，以使各个激光二极管串的亮度相同。电位器R2为白平衡调节器，其主要功能是对显示光源进行白平衡进行调节。

本实施例采用一种高效的脉宽调制方式，带使能端的直流/直流变换器，减小系统的贯性，提高系统的载频频率。本实施例采用1M赫兹的工作频率。由于系统频率较高，所以对PWM变换器的要求也随之提高。在普通的DC/DC变换器中，损耗主要发生在MOSFET晶体管开通和关断及整流二极管存储效应上。在频率较低的PWM变换器上，这种损耗可以容许，但在较高的工作频率上这种损耗变得难以接受，特别是整流二极管的损耗会迅速增加。为了解决这个问题，采用同步整流方式，即用一个MOSFET代替整流二极管，MOSFET的截止不像普通的二极管一样导通和截止是受电场的正反偏控制，而是受PWM控制器的控制，这大大的提高了续流通路的变换速率，减小了转换损耗。同时本实用新型采用了通频带较高、管耗较小的MOSFET，所以变换器的损耗可以控制在一个较低水平上，再通过合理的配置控制回路的零极点分布，使系统保持在一个快速性和稳定性最佳的结合点。

实施例2

实施例1的方案是通过可调电阻对激光二极管的电流及白平衡进行调节的。此过程是在产品调试阶段由工人调试完成，这种调试办法无法通过过智能调试系统自动完成，所以对工人的熟练程度依赖很大。这会导致产品出厂的稳定性。

为了解决这个问题本实施例采用了数字模拟混合电路。如图2所示，与实施例1的不同之处在于：设定端通过数字电位器U3接至外接的显示控制装置；电流反馈回路采用可编程放大器U4，其输入端接收激光管串的电流反馈信号，增益控制端通过SPI总线接至外接的显示控制装置；输出端接回调节器的负反馈输入端。

本实施例中的变换器及PWM调节器与实施例1是相同的，不同之处在于：本实施例中的电流反馈放大器采用了一个可编程增益放大器U4，外接的显示控制装置采用MCU，其通过SPI接口控制可编程增益放大器U4的放大倍数，从而调节激光管串的电流。本实施例通过一个可编程的数字电位器U3在设定端进行白平衡调整，MCU通过SPI接口控制数字点位器U3的Tap端(可调节端)位置，从而改变输入信号的大小，以改变白平衡。

通过这种方法设计的激光器在生产过程中可以在线调试。具体方法是：可以设计一套专用的测试设备，设备有一个激光功率测试单元和一个测试电脑，测试设备通过测量激光二极管发出的激光功率来计算出可编程放大器的放大倍数。并通过数据接口将该放大倍数传给激光器的控制单片机保存。以后激光器控制单片机每次上电都会读取该数据，并根据该数据控制激光器的输出功率。同样，激光器的白平衡也可以通过上述方法进行自动校正。

本实施例的优点在于，生产厂商可以通过自动化检测设备对产品进行大规模在线检测及设定，同时还可以对产品检测记录进行保存和分析，如可以对数据进行数据挖掘以改善生产工艺。

实施例3

实施例2的方案虽然在生产过程可以实现自动调节，但仍然存在以下缺陷：没有考虑激光二极管的工作温度对其电流的影响，电路存在大量模拟电路如PWM控制器，难以实现大规模集成化。针对上述不足，本实施例提出全数字化的激光二极管阵列动态驱动装置，包括数字信号处理器U7、激光管串以及PWM变换器，其中：数字信号处理器U7，其反馈信号输入端经缓冲放大器接收激光管串的电流信号进行处理，输出PWM控制信号；PWM变换器，根据数字信号处理器U7输出的PWM控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光管串。

本实施例还具有超压保护电路，其由缓冲放大器构成，其输入端为激光管串的电压采样信号，输出端接至数字信号处理器的模拟信号输入端；数字信号处理器的数字输入端还可通过SPI总线接有温度传感器和/或颜色传感器，数字信号处理器的数字输出端接有风扇控制器。

如图3所示，本实施例中采用DSP(数字信号处理器U7)替代了PWM控制器、PWM调节器等模拟电路，并增加温度传感器、颜色传感器，风扇控制器、主机接口、电压监视单元(超压保护电路)、同时利用电流反馈回路进行电流故障状态监控。

图3中，电压信号经过分压电阻R19及R17分压后，经放大器缓冲后送入DSP的A/D转换器，同时电流采样信号也通过上述方式送入A/D转换器。安装在激光二极管热忱的NTC温度传感器经过变送器将型号变换成SPI总线信号，同时安装在匀光棒内的RGB传感器将三基色光源的色饱和信号也转换成SPI总线信号，风扇也是通过SPI总线进行控制，对激光器内的环境温度进行调节。外接的显示控制装置(MCU)通过UART接口控制和访问本实用新型。

本实施例采用了全数字控制方法，如图4所示为本实用新型采用的软件结构体系：

如5所示，数字信号处理器运行激光二极管阵列驱动控制程序，其控制步骤为：

读取外部亮度控制信号和激光管串的电流反馈信号；

对上述两种信号进行PID运算；

根据PID运算结果，计算PWM脉冲数据；

通过PWM脉冲数据控制数字信号处理器的事件发生器，产生PWM控制信号至PWM变换器。

或者驱动控制程序的控制步骤为：

读取外部亮度控制信号和激光管串的电流反馈信号；

读取激光管串的环境温度信号及色度信号；

根据上述色度信号对激光管串进行白平衡校正；

对上述白平衡校正后的结果与激光管串的电流反馈信号进行PID运算；

根据上述环境温度信号对PID运算结果进行线性化校正，得到PWM脉冲数据；

通过PWM脉冲数据控制数字信号处理器的事件发生器，产生PWM控制信号至PWM变换器。

从图4中可以看出，PWM控制信号是由DSP的事件处理单元产生，其频率、脉宽及死区控制都是由PWM发生器驱动软件模块完成，该驱动软件输入是Q15格式的。在PID调节器和PWM发生器之间插入了一个激光二极管热修正软件表。温度修正模块通过温度传感器驱动软件模块从SPI总线中读出温度传感器所测量到的激光二极管热忱温度，并根据这个温度控制PID输出，选择不同的温度修正表。通过该方法，可使激光器的光功率输出的稳定性达到0.01W/℃。同理RGB传感器驱动模块通过SPI总线读入RGB传感器的值，并送入白平衡较正模块，白平衡校正模块再根据传来的数据进行白平衡校正。同时电扇控制模块也通过读入的温度数据控制风扇的启停。

DSP中的UART驱动模块收集本实用新型中的各个参数，如输出电压、电流、温度及其他送入串行通讯口，报告给系统的其他部分，同时也可以接受系统其他部分的控制。

Claims (9)

1.一种激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：包括PWM控制器(U1)、PWM变换器、电流反馈回路以及调节器，其中：

电流反馈回路，采集激光管串的电流信号，送至调节器的反馈信号输入端；

调节器，根据设定端和反馈信号输入端的数据进行运算，结果送至PWM控制器(U1)的输入端；

PWM控制器(U1)，对调节器的信号进行处理后，输出控制信号送至PWM变换器；

PWM变换器，根据PWM控制器(U1)的控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光管串。

2.按权利要求1所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述激光管串为4～6个激光二极管串联组成。

3.按权利要求1所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述PWM变换器采用同步整流结构，包括第1场效应管(Q1)、第2场效应管(Q2)、电感(L1)以及电容(C1)，形成同步整流BUCK型变换器。

4.按权利要求1所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述设定端通过数字电位器(U3)接至外接的显示控制装置。

5.按权利要求1或4所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述电流反馈回路采用可编程放大器(U4)，其输入端接收激光管串的电流反馈信号，增益控制端通过SPI总线接至外接的显示控制装置；输出端接回调节器的负反馈输入端。

6.一种激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：包括数字信号处理器(U7)、激光管串以及PWM变换器，其中：

数字信号处理器(U7)，其反馈信号输入端经缓冲放大器接收激光管串的电流信号进行处理，输出PWM控制信号；

PWM变换器，根据数字信号处理器(U7)输出的PWM控制信号调制电源的脉宽，输出恒定电流至激光管串。

7.按权利要求6所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述激光管串为4～6个激光二极管串联组成。

8.按权利要求6所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：还具有超压保护电路，其由缓冲放大器构成，其输入端为激光管串的电压采样信号，输出端接至数字信号处理器的模拟信号输入端。

9.按权利要求6所述的激光二极管阵列动态驱动装置，其特征在于：所述数字信号处理器(U7)的数字输入端通过SPI总线接有温度传感器和/或颜色传感器，数字信号处理器(U7)的数字输出端接有风扇控制器。 

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