CN205992660U - 一种半导体激光电源恒流源稳定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光器保护装置，本实用新型提供一种半导体激光电源恒流源稳定系统，包括激光电流控制电路，所述激光电流控制电路包括N‑MOS管、运算放大器、功率电阻、电流限控模块、单片机、光电隔离模块、抑制电容和输出电流调节模块；所述输出电流调节模块输出端连接运算放大器，运算放大器的输入负极与电流限控模块和单片机相连，运算放大器的输出端与所述N‑MOS管相连，所述功率电阻的输入端与N‑MOS管的输出端相连，功率电阻的输出端接地；所述单片机的输入端与光电隔离模块相连，光电隔离模块的输出端与所述运算放大器相连所述功率电阻与所述抑制电容并联。提供了一个稳定的激光发射器恒流环境及安全保护体系。

Description

一种半导体激光电源恒流源稳定系统

技术领域

本实用新型涉及一种激光器保护装置，具体涉及一种半导体激光电源恒流源稳定系统。

背景技术

半导体激光器采用的是电流源供电，在工作过程中须保持稳定的供电电流。电流出现浪涌、抖动与文波过大都有可能影响激光器的正常使用时间。因此，激光器对恒流源的稳定性有极高的要求。目前现有技术的恒流源通常以运算放大器反馈方式实现电流稳定，其通过对MOS-G极的控制获得所需电流。该方法虽然可以得到文波小，且工作稳定的恒流源，但是仍有许多可能令激光器烧毁的隐患尚存，这些隐患是：

激光器工作时，运算放大器的输入端会产生一个几十毫伏的电压，以该电压稳定激光器的电流。若该电压受到干扰，易产生微小文波跳动，导致运算放大器输出异常的电平，进而使激光器的电流出现超负荷波动，造成激光管烧毁。

电流源的输出端的原理是利用MOS管的可变电阻区域特性，改变MOS管自身的阻抗以稳定电流。由于激光需一端接通电源，另一端串联于N MOS管的漏极之上。那么在激光器的正负极之间存在电压差。在激光器通电或断电瞬间，激光器负极放电效率远大于正极，该现象会使激光器两端的电压差随时间递增，进而提高激光头被烧毁的概率。

激光器在工作时会产生热量，散热不及时会影响激光头的使用寿命。激光头理想的工作温度为25摄氏度，随着温度的升高激光头的功耗、波长及能量级都会发生改变，严重影响使用效果的同时还损伤激 光头本体。目前的激光头散热方案，单纯的增设了散热片与风扇，这类方案虽然能避免温度持续上升，但仍无法精确的将工况温度稳定在25度附近。实际情况是工况温度稳定在远高于25摄氏度的温度。该工况为非理想的工况温度。

激光头散热用的风扇是直接接在电源上的，因为没见监控设备若风扇损坏或者短路，很难被发现。风扇停止工作后短时间内就会因激光头热量堆积来不及散热造成电路烧毁。

激光头长时间工作，若热量不能被及时散去，会出现热量堆积，激光头的温度也会持续上升。超高的温度可能会瞬间损坏激光头。现有产品没有高温保护措施。

实用新型内容

针对以上五大类问题，本实用新型提供一种半导体激光电源恒流源稳定系统，包括激光电流控制电路，所述激光电流控制电路包括N-MOS管、运算放大器、功率电阻、电流限控模块、单片机、光电隔离模块、抑制电容和输出电流调节模块；所述输出电流调节模块输出端连接运算放大器，所述运算放大器的输入负极与电流限控模块和单片机相连，所述运算放大器的输出端与所述N-MOS管相连，所述功率电阻的输入端与N-MOS管的输出端相连，所述功率电阻的输出端接地；所述单片机的输入端与光电隔离模块相连，所述光电隔离模块的输出端与所述运算放大器相连所述功率电阻与所述抑制电容并联。

优选地，所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括散热风扇电流监控电路，所述散热风扇电流监控电路由第三功率电阻、风扇电流测流上线模块、与风扇电流测流上线模块并联的风扇电流测流下线模块、和激光器断路器组成，所述第三功率电阻、风扇电流测流上线模块和风扇电流测流下线模块的输入端均与风扇的输出端相连，所述第三功率电阻的输出端接地；所述风扇电流测流上线模块和风扇电流测流下 线模块的输出端均与激光器断路器相连。

优选地，所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括制冷片控制电路，所述制冷片控制电路由半导体制冷片、第二N-MOS管、第二功率电阻以及温度保护电路组成，所述温度保护电路包括热敏电阻、过温保护模块、温度比较模块、恒温控制模块以及半导体制冷片驱动电流设置模块；所述半导体制冷片的输出端与第二N-MOS管相接，所述第二N-MOS管的输出端与所述第二功率电阻相连，所述第二功率电阻的输出端接地，所述过温保护模块的输出端和半导体制冷片驱动电流设置模块的输出端均连接所述第二N-MOS管；所述恒温控制模块连接所述热敏电阻，所述热敏电阻的输出端连接温度比较模块，所述温度比较模块的输出端连接所述半导体制冷片驱动电流设置模块。

优选地，所述激光电流控制电路还包括，电压变换装置、散热装置接口以及备用接口。

优选地，所述单片机设有下载代码接口。

本实用新型对激光电流控制电路抖动过流进行了限制保护；引入单片机分压实现瞬间电脉冲抵消保护；封闭式的报道提制冷片实现恒温散热；以串联电阻实现对散热风扇工况同步监测；以热敏电阻分压检测形式实现电高温保护。

附图说明

所提供电路图仅为一个可实现功能的示例，具体参数电路可根据实际情况变更，例举电路图只是便于说明而非对其电路布设用电器电阻连接关系具体限制，系统原理图总图中为便于直观观察，部分模块直接标号于模块上而并未引出。

图1为实施例1的激光器电流控制电路系统原理图。

图2为实施例2的半导体激光电源恒流源稳定系统原理总图。

激光电流控制电路1、激光头1-1、N-MOS管1-2、运算放大器1-3、功率电阻1-4、电流限控模块1-5、散热风扇电流监控电路2、风扇2-1，第三功率电阻2-2，风扇电流测流上线模块2-3、风扇电流测流下线模块2-4、激光器断路器2-5、制冷片控制电路3、半导体制冷片3-1、第二N-MOS管3-2、第二功率电阻3-3、热敏电阻4-1、过温保护模块4-2、温度比较模块4-3、恒温控制模块4-4、半导体制冷片驱动电流设置模块4-5、单片机6、光电隔离模块7、抑制电容8、输出电流调节模块9。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，包括激光电流控制电路1，所述激光电流控制电路1包括N-MOS管1-2、运算放大器1-3、功率电阻1-4、电流限控模块1-5、单片机、光电隔离模块7、抑制电容8和输出电流调节模块9；所述输出电流调节模块9输出端连接运算放大器1-3，所述运算放大器1-3的输入负极与电流限控模块1-5和单片机6相连，所述运算放大器1-3的输出端与所述N-MOS管1-2相连，所述功率电阻1-4的输入端与N-MOS管1-2的输出端相连，所述功率电阻1-4的输出端接地；所述单片机6的输入端与光电隔离模块7相连，所述光电隔离模块7的输出端与所述运算放大器1-3相连，所述功率电阻1-4与所述抑制电容8并联。

下面对其工作原理进行进一步的详细阐述，为防止运放输入端的干扰造成的后端激光器电流出现跳变，在原运放的输入负极上，引出信号到另一个由运算放大器搭建的电流限控模块，该保护模块可以设置一个上线的电流保护值，当监测到激光器反馈的电流过大时，若超过了上限设置，保护电路会输出高电平，使后端的一个NPN型三极管导通，三极管会将激光器控制电流的MOS管G极拉到地，截止激光器 工作。当激光器电流在被截止瞬间，保护电路感知到激光器恢复正常，会关断三极管，激光器恢复供电。由于截止和恢复的频率非常高，且变化幅度很小，由于电容的作用，激光电流不会受到这个变化的影响，而是将电流稳定在保护电流值。设置保护电流时，通常会比使用的电流略高0.1A，且保证这个电流远小于激光器允许电流的上线。这样既不会使电源保护电路始终工作在保护状态下，又能有效的防止过冲电流对激光头的伤害。

实施例2

如图2所示在实施例1的基础上有以下区别，所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括散热风扇电流监控电路2，所述散热风扇电流监控电路2由第三功率电阻2-2、风扇电流测流上线模块2-3、与风扇电流测流上线模块2-3并联的风扇电流测流下线模块2-4、和激光器断路器2-5组成，所述第三功率电阻2-2、风扇电流测流上线模块2-3和风扇电流测流下线模块2-4的输入端均与风扇2-1的输出端相连，所述第三功率电阻2-2的输出端接地；所述风扇电流测流上线模块2-3和风扇电流测流下线模块2-4的输出端均与激光器断路器2-5相连。

所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括制冷片控制电路3，所述制冷片控制电路3由半导体制冷片3-1、第二N-MOS管3-2、第二功率电阻3-3以及温度保护电路组成，所述温度保护电路包括热敏电阻4-1、过温保护模块4-2、温度比较模块4-3、恒温控制模块4-4以及半导体制冷片驱动电流设置模块4-5；所述半导体制冷片3-1的输出端与第二N-MOS管3-2相接，所述第二N-MOS管3-2的输出端与所述第二功率电阻3-3相连，所述第二功率电阻3-3的输出端接地，所述过温保护模块4-2的输出端和半导体制冷片驱动电流设置模块4-5的输出端均连接所述第二N-MOS管3-2；所述恒温控制模块4-4连接所述热敏电阻4-1，所述热敏电阻4-1的输出端连接温度比较模块4-3，所述 温度比较模块4-3的输出端连接所述半导体制冷片驱动电流设置模块4-5。

下面对其工作原理进行进一步的详细阐述，为防止运放输入端的干扰造成的后端激光器电流出现跳变，在原运放的输入负极上，引出信号到另一个由运算放大器搭建的电流限控模块，该保护模块可以设置一个上线的电流保护值，当监测到激光器反馈的电流过大时，若超过了上限设置，保护电路会输出高电平，使后端的一个NPN型三极管导通，三极管会将激光器控制电流的MOS管G极拉到地，截止激光器工作。当激光器电流在被截止瞬间，保护电路感知到激光器恢复正常，会关断三极管，激光器恢复供电。由于截止和恢复的频率非常高，且变化幅度很小，由于电容的作用，激光电流不会受到这个变化的影响，而是将电流稳定在保护电流值。设置保护电流时，通常会比使用的电流略高0.1A，且保证这个电流远小于激光器允许电流的上线。这样既不会使电源保护电路始终工作在保护状态下，又能有效的防止过冲电流对激光头的伤害。

在上电瞬间，由于运放输入端的正负极上电时间不同，运放会瞬间导通，造成后端激光电流突变。为解决这个问题，我们引入一个单片机，并在单片机的IO上做了防止上电瞬间产生脉冲的保护。在上电后，单片机的IO口会瞬间拉高2秒钟，把运放的负输入端电平抬高，使运放截止。待板卡上电稳定，再将该管脚拉低，使运放恢复正常状态。以此来防止上电瞬间的过冲。

在断电瞬间，由于运放正输入和运放负输入端放电时间不同，运放正输入放电速度会慢于负极，导致运放输出电压突然升高，MOS管阻抗突然减小，激光器负极电压会快速被释放，导致激光器两端电压压差增大，形成过冲。若此时激光器处于点亮状态，运放输入端正输入电压高于反馈端的负输入，断电瞬间负输入受激光电流反馈的影响会 缓慢掉电，但速度仍会快于正输入电平。负输入与正输入之间形成更大的压差，导致运放输出电压升高MOS管阻抗减小，加速了激光头负极电压的释放。激光头两端压差增大，形成一个过冲。

若激光头被TTL关闭，此时运算放大器负输入电平高于正输入。若断电则运放负输入快速放电，当电压低于正输入端，这时运放输出端输出高电平，MOS管导通，激光头会出现一次强频闪，LD两端电压过冲严重，频闪瞬间激光电流的负反馈会将电压重新反馈到运放的负输入端，负输入电压迅速升高之后缓慢放电。

对于点亮时的过冲，在反馈电阻上并联了一个1微法的电容，以减缓激光器负极电平的缓慢变化，降低其掉电速度。实际测试该电容完全消除了这个过冲。

对于TTL关闭激光器时的过冲，我们采用单片机IO接口感知TTL信号的变化，一但检测到TTL信号始终处于关闭状态，并且关闭状态持续了一定时间，则认为激光头被关闭，这时，我们通过一套开关电路，将激光电源上MOS管的G极下拉到地。这样，无论前端运放是否输出高电平，MOS管始终处于截止状态，以消除断电瞬间的过冲。实际测试，该过冲完全被消除。

激光头的理想工作环境是25℃，为确保激光头长期稳定的工作，必须保持激光头温度始终处于25摄氏度。

半导体制冷片，会有一面制冷，一面发热。制冷面是理想的恒温散热模块。利用半导体制冷片单面制冷特性，为激光头创造恒温环境。激光头包裹于散热腔内；腔体中埋入用于监测散热腔体的温度热敏电阻。将TEC的制冷面紧贴散热腔体下方。将TEC的制冷面炽热面紧贴散热片。TEC侧壁环设隔热材料与外部罩设的壳提醒成隔热腔。

当TEC通电后，制冷面会迅速吸热。而发热面会通过散热片和散热风扇将热量发散。激光头所在的受绝热层保护隔热腔，其温度始终低于预设温度。通过热敏电阻的阻抗来监控激光头散热仓的温度，当 温度超过25度时，制冷片电流会提高功率，加速降温温度降下来，当温度低于25摄氏度，制冷片待机。由于热敏电阻对温度感应有延时，制冷片处于25摄氏度临界时，不会出现快速开关工作的现象。实际测试中，大约制冷片工作2秒，停止工作6-8秒。长时间测试工作稳定。通过此设计来确保激光头始终处于25摄氏度环境内。

针对风扇的短路和断路问题，当断路时流过风扇的电流是0，而当短路时，电流是无穷大。将风扇的电源负极串联一个功率电阻，通过监测功率电阻两端的电压将电流信号变为电压信号，通过监测该电压，可以得知功率电阻的电流大小。将该信号引出连接到两个运算放大器的输入端，一个运放用于设置这个电压的上线值，一个运放用于设置电压的下线值，运放输出端用于控制切断激光器和报警指示灯。当风扇正常工作时，电流处于两个界限中间，运放不处发，当风扇出现短路或者短路现象，电流会超过这个界限，报警灯亮，激光器电源被强行切断。

所述激光电流控制电路1还连接有电压变换装置、散热装置接口和备用接口；所述单片机6设有单片机下载代码接口。

散热装置接口实现散热装置和激光器的可拆卸连接；备用接口在需要是可外接扩展设备，比如增设风扇或者额外的传感器；单片机额下载代码接口可以便于传输数据。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，所提供电路图仅为参照而非加以限定，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种半导体激光电源恒流稳定系统，包括激光电流控制电路(1)，其特征在于，所述激光电流控制电路(1)包括N-MOS管(1-2)、运算放大器(1-3)、功率电阻(1-4)、电流限控模块(1-5)、单片机(6)、光电隔离模块(7)、抑制电容(8)和输出电流调节模块(9)；所述输出电流调节模块(9)输出端连接运算放大器(1-3)，所述运算放大器(1-3)的输入负极与电流限控模块(1-5)和单片机(6)相连，所述运算放大器(1-3)的输出端与所述N-MOS管(1-2)相连，所述功率电阻(1-4)的输入端与N-MOS管(1-2)的输出端相连，所述功率电阻(1-4)的输出端接地；所述单片机(6)的输入端与光电隔离模块(7)相连，所述光电隔离模块(7)的输出端与所述运算放大器(1-3)相连，所述功率电阻(1-4)与所述抑制电容(8)并联。

2.根据权利要求1所述的半导体激光电源恒流稳定系统，其特征在于，所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括散热风扇电流监控电路(2)，所述散热风扇电流监控电路(2)由第三功率电阻(2-2)、风扇电流测流上线模块(2-3)、与风扇电流测流上线模块(2-3)并联的风扇电流测流下线模块(2-4)、和激光器断路器(2-5)组成，所述第三功率电阻(2-2)、风扇电流测流上线模块(2-3)和风扇电流测流下线模块(2-4)的输入端均与风扇(2-1)的输出端相连，所述第三功率电阻(2-2)的输出端接地；所述风扇电流测流上线模块(2-3)和风扇电流测流下线模块(2-4)的输出端均与激光器断路器(2-5)相连。

3.根据权利要求1所述的半导体激光电源恒流稳定系统，其特征在于，所述半导体激光电源恒流稳定系统还包括制冷片控制电路(3)，所述制冷片控制电路(3)由半导体制冷片(3-1)、第二N-MOS管(3-2)、 第二功率电阻(3-3)以及温度保护电路组成，所述温度保护电路包括热敏电阻(4-1)、过温保护模块(4-2)、温度比较模块(4-3)、恒温控制模块(4-4)以及半导体制冷片驱动电流设置模块(4-5)；所述半导体制冷片(3-1)的输出端与第二N-MOS管(3-2)相接，所述第二N-MOS管(3-2)的输出端与所述第二功率电阻(3-3)相连，所述第二功率电阻(3-3)的输出端接地，所述过温保护模块(4-2)的输出端和半导体制冷片驱动电流设置模块(4-5)的输出端均连接所述第二N-MOS管(3-2)；所述恒温控制模块(4-4)连接所述热敏电阻(4-1)，所述热敏电阻(4-1)的输出端连接温度比较模块(4-3)，所述温度比较模块(4-3)的输出端连接所述半导体制冷片驱动电流设置模块(4-5)。

4.根据权利要求1所述的半导体激光电源恒流稳定系统，其特征在于，所述激光电流控制电路(1)还连接有电压变换装置、散热装置接口和备用接口。

5.根据权利要求1所述的半导体激光电源恒流稳定系统，其特征在于，所述单片机(6)设有单片机下载代码接口。