CN209448213U - 一种半导体激光器的驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体激光器的驱动控制器。它包括用于设定驱动控制器的工作电流的模拟信号选择输入模块、用于对模拟信号选择输入模块输出的信号进行线性倍数调节的信号调制模块、用于向激光器提供恒定工作电流以驱动激光器工作的恒流源驱动模块以及用于向恒流源驱动模块提供工作模式控制信号的TTL信号选择输入模块。本实用新型利用恒流源驱动模块所具有的诸如响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作等特可有效防止激光器因受到尖峰脉冲的冲击而降低稳定性或者受损；利用模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块便于用户能够根据自身需要来选择外部系统控制还是驱动控制器内部系统控制的方式，为增强驱动控制器的适配性、扩展其适用范围创造了条件。

Description

一种半导体激光器的驱动控制器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其是一种半导体激光器的驱动控制器。

背景技术

周知，半导体激光器的驱动控制器(又称激光二极管)是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器，因其所具有的体积小、功耗低、效率高、波长易于调制等优点，在工业加工、精密测量、通讯、信息处理、医学、军事和科学技术研究等等诸多领域被广泛地应用，而其相应的驱动控制技术也显得越来越重要。

目前，针对半导体激光器的驱动通常是采用恒流驱动方式(如恒流驱动控制器)，然而，现有的恒流驱动控制器却普遍存在如下问题：1、结构设计复杂、驱动稳定性差，很容易产生瞬态的尖峰脉冲以及过流或过压的问题，从而导致半导体激光器受损、甚至缩短其使用寿命；主要原因是——半导体激光器属于一种理想的电子一光子直接转换器件，具有很高的量子效率，微小的电流变化都将导致其输出光强的很大变化，瞬态的电流或电压尖峰脉冲以及过流或过压都很容易使半导体激光器受损；2、适配性以及扩展性差，现有的驱动控制器只能是适应特定输出参数的泵浦，无法根据需要选择性地与控制系统进行适配。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种半导体激光器的驱动控制器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种半导体激光器的驱动控制器，它包括用于设定驱动控制器的工作电流的模拟信号选择输入模块、用于对模拟信号选择输入模块输出的信号进行线性倍数调节的信号调制模块、用于向激光器提供恒定工作电流以驱动激光器工作的恒流源驱动模块以及用于向恒流源驱动模块提供控制信号以使恒流源驱动模块驱动激光器作连续模式工作或脉冲模式工作的TTL信号选择输入模块；

所述模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块分别通过信号调制模块连接于恒流源驱动模块的信号输入端。

优选地，它还包括用于对驱动控制器的工作电流进行实时监测的工作电流监测模块，所述工作电流监测模块包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一变阻器；

所述第一运算放大器的同相输入端通过第一电阻接地并同时通过顺序串接的第二电阻、第三电阻和第四电阻连接其反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端通过并联的第五电阻和第一电容连接第一运算放大器的反相输入端、反相输入端通过第六电阻接地并同时通过第一变阻器连接其输出端；

所述第二运算放大器的输出端作为工作电流监测模块的电流采样输出端，所述恒流源驱动模块的驱动电流输出端连接于第三电阻和第四电阻之间。

优选地，它还包括一用于为关闭模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块的恒流输出提供参考控制信号的软件保护模块，所述软件保护模块包括第三运算放大器、第一三极管和第二变阻器；

所述第三运算放大器的同相输入端通过第七电阻连接第二运算放大器的输出端、反相输入端通过第二变阻器接地、输出端通过第八电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的基极通过第二电容接地、发射极接地、集电极作为参考控制信号输出端。

优选地，所述模拟信号选择输入模块包括一MAX4544型模拟切换开关，所述模拟切换开关的NC端口作为模拟信号选择输入模块的第一信号输入接口、NO端口作为模拟信号选择输入模块的第二信号输入接口、COM端口连接信号调制模块的信号输入端。

优选地，所述信号调制模块包括第四运算放大器和第三变阻器；所述第四运算放大器的同相输入端通过第一分压电阻接地并同时通过第二分压电阻连接模拟信号选择输入模块的信号输出端、反相输入端连接输出端、输出端通过顺序串接的第三分压电阻、第四分压电阻和第五分压电阻连接恒流源驱动模块的信号输入端，所述第四分压电阻和第五分压电阻同时通过第三变阻器接地，且所述TTL信号选择输入模块的信号输出端连接于第三分压电阻与第四分压电阻之间。

优选地，所述TTL信号选择输入模块包括电源隔离器、光电耦合器、第二三极管、第三三极管、第四三极管和第五三极管；

所述第二三极管的集电极连接光电耦合器的负极、发射极连接电源隔离器的电源输出端、基极作为TTL信号选择输入模块的第一信号输入接口，所述光电耦合器的正极连接电源隔离器的电源输出端、发射极接地、集电极连接第三三极管的集电极，所述第三三极管的发射极接地、基极作为TTL信号选择输入模块的第二信号输入接口、集电极同时连接第四三极管的基极，所述第四三极管的发射极接地、集电极连接第五三极管的基极，所述第五三极管的发射极接地、集电极与信号调制模块相连。

优选地，它还包括一用于将驱动控制器的工作电流限定在预设范围内的限流保护模块，所述限流保护模块包括第五运算放大器、开关二极管和第四变阻器；

所述第五运算放大器的输出端与反相输入端相连并同时通过开关二极管连接第五三极管的集电极、同相输入端通过第九电阻连接第四变阻器的调节端，所述第四变阻器的其中一端接地。

优选地，所述恒流源驱动模块包括至少一个恒流源驱动器，所述恒流源驱动器包括第六运算放大器、场效应管、PNP三极管、NPN三极管和激光器连接口；

所述第六运算放大器的同相输入端通过第三电容接地并同时与信号调制模块的信号输出端相连、输出端通过第四电容连接反相输入端并同时通过第一采样电阻同时与NPN三极管的基极和PNP三极管的基极相连，所述第六运算放大器反相输入端通过顺序串接的第二采样电阻、第五电容和第三采样电阻连接NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极，且所述第六运算放大器的输出端通过第六电容连接于第二采样电阻与第五电容之间；所述场效应管的栅极连接于第五电容与第三采样电阻之间、源极通过第四采样电阻接地、漏极连接激光器连接口的负极端，所述激光器连接口的正极端作为驱动控制器的电源输入端。

优选地，所述恒流源驱动模块包括至少两个并联分布的恒流源驱动器。

由于采用了上述方案，本实用新型利用恒流源驱动模块所具有的诸如响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作等特可有效防止激光器因受到尖峰脉冲的冲击而降低稳定性或者受损；利用模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块便于用户能够根据自身需要来选择外部系统控制还是驱动控制器内部系统控制的方式，为增强驱动控制器的适配性、扩展其适用范围创造了条件。其系统结构简单、驱动稳定性以及适配扩展性强，具有很强的实用价值和市场推广价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例的控制及应用原理拓扑图；

图2是本实用新型实施例的系统电路结构示意图(一)；

图3是本实用新型实施例的系统电路结构示意图(二)。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图3所示，本实施例提供的一种半导体激光器的驱动控制器，它包括：

模拟信号选择输入模块a，主要用于设定驱动控制器的工作电流，用户可根据实际情况将此模块与外部系统进行连接以实现由外部提供信号源，也可将此模块与驱动控制器本身的微处理器(如D/A接口)进行连接以实现由内部处理器提供信号源；

信号调制模块b，主要用于对模拟信号选择输入模块a所输出的信号进行线性倍数调节，从而使模拟信号输入与驱动控制器输出的驱动电流之间保持一个稳定的线性对应关系；

恒流源驱动模块c，主要用于向激光器A提供恒定工作电流以驱动激光器A进行工作，并防止瞬态的电流或电压尖峰脉冲的出现；

TTL信号选择输入模块d，主要用于向恒流源驱动模块c提供控制信号以使恒流源驱动模块c驱动激光器A作连续模式工作或脉冲模式工作，用户可根据实际情况将此模块与外部系统进行连接以实现由外部提供相应信号源，也可将此模块与驱动控制器本身的微处理器(如D/A接口)进行连接以实现由内部处理器提供相应的信号源；

其中，模拟信号选择输入模块a和TTL信号选择输入模块d分别通过信号调制模块b连接于恒流源驱动模块c的信号输入端。

由此，以恒流源驱动模块c作为整个驱动控制器的核心部分，利用其所具有的诸如响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作等特点，避免瞬态尖峰脉冲电流或电压的出现，以最终向激光器A输送恒定的驱动电流，防止激光器A因受到尖峰脉冲的冲击而降低稳定性或者受损；同时，利用模拟信号选择输入模块a和TTL信号选择输入模块d便于用户能够根据自身需要来选择外部系统控制还是驱动控制器内部系统控制的方式，为增强驱动控制器的适配性、扩展其适用范围创造了条件；另外，依靠TTL信号选择输入模块d所输出的信号，用户可根据需要实现对激光器A的间歇性工作或者连续工作的控制(可理解为：其决定了激光器A的工作模式)。基于此，本实施例的驱动控制器具有显著的驱动稳定性、适配性及扩展性。

为便于对驱动控制器本身的工作状态进行实时监控，本实施例的驱动控制器还包括主要用于对驱动控制器的工作电流进行实时监测的工作电流监测模块e；如图2所示，工作电流监测模块e包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和第一变阻器Rb1；其中，第一运算放大器A1的同相输入端通过第一电阻R1接地并同时通过顺序串接的第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4连接其反相输入端，第二运算放大器A2的同相输入端通过并联的第五电阻R5和第一电容C1连接第一运算放大器A1的反相输入端、反相输入端通过第六电阻R6接地并同时通过第一变阻器Rb1连接其输出端；第二运算放大器A2的输出端作为工作电流监测模块e的电流采样输出端(A/D端)，恒流源驱动模块c的驱动电流输出端则连接于第三电阻R3和第四电阻R4之间。

以此，可利用第三电阻R3作为整个驱动控制器的总工作电流采样电阻来使用，利用第一运算放大器A1、第五电阻R5、第四电阻R4、第二电阻R2和第一电阻R1共同组成差分放大电路，以放大第三电阻R3两端的电压，而利用第二运算放大器A2、第六电阻R6和第一变阻器Rb1则可组成放大倍数可调的同相放大电路，经放大后的电压可直接送入驱动控制器本身的微处理器中，从而实现对驱动控制器的工作电流的实时监控。

在具备工作电流监测模块e的基础上，为最大限度地提高驱动控制器本身的安全性，本实施例的驱动控制器还包括一用于为关闭模拟信号选择输入模块a和TTL信号选择输入模块d的恒流输出提供参考控制信号的软件保护模块f；如图2所示，软件保护模块f包括第三运算放大器A3、第一三极管Q1和第二变阻器Rb2；其中，第三运算放大器A3的同相输入端通过第七电阻R7连接第二运算放大器A2的输出端、反相输入端通过第二变阻器Rb2接地、输出端通过第八电阻R8连接第一三极管Q1的基极，第一三极管Q1的基极通过第二电容C2接地、发射极接地、集电极作为参考控制信号输出端(Protect端)。如此，可利用第三运算放大器A3的同相输入端采集工作电流监测模块e所输出的采样信号，通过在第三运算放大器A3的反相输入端设定阈值电压；当同相输入端电压大于设定的阈值电压时，第三运算放大器A3的输出端即可输出高电压，第一三极管Q1导通且其集电极的电压被拉低，诸如驱动控制器本身的微处理器所检测到的参考控制信号输出端的电压为低，从而可依据此时的信号来关闭模拟信号选择输入模块a和TTL信号选择输入模块d的恒流输出功能，实现对驱动控制器、乃至激光器A的保护。

作为一优选方案，为最大限度地简化整个驱动控制器的系统电路结构，如图3所示，本实施例的模拟信号选择输入模块a包括一MAX4544型模拟切换开关U1，模拟切换开关U1的NC端口作为模拟信号选择输入模块a的第一信号输入接口以连接外部系统、NO端口作为模拟信号选择输入模块a的第二信号输入接口以连接驱动控制器本身的微处理器、COM端口连接信号调制模块b的信号输入端。由此，当模拟切换开关的IN端口为低电平时，第一信号输入接口和信号调制模块b导通，以实现外部系统提供信号源的功能；当为高电平时，第二信号接入口与信号调制模块b导通，以实现驱动控制器本身微处理器提供信号源的功能。

作为一优选方案，如图3所示，本实施例的信号调制模块b包括第四运算放大器A4和第三变阻器Rb3；其中，第四运算放大器A4的同相输入端通过第一分压电阻Rf1接地并同时通过第二分压电阻Rf2连接模拟信号选择输入模块a的信号输出端、反相输入端连接输出端、输出端通过顺序串接的第三分压电阻Rf3、第四分压电阻Rf4和第五分压电阻Rf5连接恒流源驱动模块c的信号输入端，第四分压电阻Rf4和第五分压电阻Rf5同时通过第三变阻器Rb3接地，并且TTL信号选择输入模块d的信号输出端连接于第三分压电阻Rf3与第四分压电阻Rf4之间。由此，模拟信号选择输入模块a所输出的模拟信号经第一分压电阻Rf1和第二分压电阻Rf2分压后，再经过第三运算放大器A4跟随，而后经第三分压电阻Rf3、第四分压电阻Rf4和第三变阻器Rb3分压，从而产生对恒流源驱动模块c的控制信号。

为能够使整个驱动控制器能够在脉冲模式下进行工作，同时简化整个系统电路的结构，本实施例的TTL信号选择输入模块d包括电源隔离器U2(其可根据实际情况采用B_XT-1WR2型电源模块)、光电耦合器U3(其可根据实际情况采用诸如TLP521型光耦)、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q5和第五三极管Q6；其中，第二三极管Q2的集电极连接光电耦合器U3的负极、发射极连接电源隔离器U2的电源输出端、基极作为TTL信号选择输入模块d的第一信号输入接口(Sig端)，光电耦合器U3的正极连接电源隔离器U2的电源输出端、发射极接地、集电极连接第三三极管Q3的集电极，第三三极管Q3的发射极接地、基极作为TTL信号选择输入模块d的第二信号输入接口(J7端)、集电极同时连接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4的发射极接地、集电极连接第五三极管Q5的基极，第五三极管Q5的发射极接地、集电极与信号调制模块b相连。

由此，可利用第一信号输入接口连接驱动控制器本身的微处理器，以实现由内部提供信号源的功能；利用第二信号输入接口则可连接外部系统，以实现由外部提供信号源的功能；具体为：

1、当第一信号输入接口(Sig端)为高电平时，第三三极管Q3的基极为高电平且其Q3导通，第四三极管Q4的基极为低电平且其不导通，而第五三极管Q5的基极则为高电平并被导通，从而使得信号调制模块b的输出端被拉低，以最终使得恒流源驱动模块c没有恒流输出；反之，则会控制恒流源驱动模块c进行恒流输出。

2、当利用第二信号输入接口(J7端)接入外部系统时，外部信号需要经过光电耦合器U3的隔离后才能输入至整个电路中；此时，当第二信号输入接口(J7端)为高电平时，第二三极管Q2导通、光电耦合器U3导通，电源隔离器U2的对应电源输出端为低电平，从而使得第四三极管Q4的基极为低电平且其不导通，以最终使得恒流源驱动模块c没有恒流输出；反之，则会控制恒流源驱动模块c进行恒流输出。

为进一步增强整个驱动控制器的安全性，尤其是使其只能以一定范围内的工作电流进行工作；本实施例的驱动控制器还包括一用于将驱动控制器的工作电流限定在预设范围内的限流保护模块g，如图3所示，限流保护模块g包括第五运算放大器A5、开关二极管D1和第四变阻器Rb4；其中，第五运算放大器A5的输出端与反相输入端相连并同时通过开关二极管D1连接第五三极管Q5的集电极、同相输入端通过第九电阻R9连接第四变阻器Rb4的调节端，第四变阻器Rb4的其中一端接地。由此，通过调节第四变阻器Rb4的组织，可使得第五运算放大器A5的同相输入端设定一个阈值电压；当开关二极管D1的阳极侧的电压高于阈值电压时，开关二极管D1即会被截止，反之则导通，从而起到保护整个系统电路的作用。

为最大限度地增强整个驱动控制器的驱动稳定性，本实施例的恒流源驱动模块c包括至少一个恒流源驱动器c1，如图2所示，恒流源驱动器包括第六运算放大器A6、场效应管N1、PNP三极管Qp、NPN三极管Qn和激光器连接口J5；其中，第六运算放大器A1的同相输入端通过第三电容C3接地并同时与信号调制模块b的信号输出端相连、输出端通过第四电容C4连接反相输入端并同时通过第一采样电阻Rc1同时与NPN三极管Qn的基极和PNP三极管Qp的基极相连，第六运算放大器A6反相输入端通过顺序串接的第二采样电阻Rc2、第五电容C5和第三采样电阻Rc3连接NPN三极管Qn的发射极和PNP三极管Qp的发射极，第六运算放大器A6的输出端通过第六电容C6连接于第二采样电阻Rc2与第五电容C5之间；场效应管N1的栅极连接于第五电容C5与第三采样电阻Rc3之间、源极通过第四采样电阻Rc4接地、漏极连接激光器连接口J5的负极端，激光器连接口J5的正极端作为驱动控制器的电源输入端Vdc。

由此，经由第六运算放大器A6输入的设定电压经过放大后产生输出，利用PNP三极管Qp和NPN三极管Qn所构成的互补推挽结构来增强场效应管N1的栅极驱动能力，通过调节栅极电压来控制场效应管N1的工作电流，进而实现对激光器A的恒流驱动控制。

为最大限度地增强整个驱动控制器的扩展性能，使其能够同时驱动多个激光器A，本实施例的恒流源驱动模块c包括至少两个并联分布的恒流源驱动器。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：它包括用于设定驱动控制器的工作电流的模拟信号选择输入模块、用于对模拟信号选择输入模块输出的信号进行线性倍数调节的信号调制模块、用于向激光器提供恒定工作电流以驱动激光器工作的恒流源驱动模块以及用于向恒流源驱动模块提供控制信号以使恒流源驱动模块驱动激光器作连续模式工作或脉冲模式工作的TTL信号选择输入模块；

所述模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块分别通过信号调制模块连接于恒流源驱动模块的信号输入端。

2.如权利要求1所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：它还包括用于对驱动控制器的工作电流进行实时监测的工作电流监测模块，所述工作电流监测模块包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一变阻器；

所述第一运算放大器的同相输入端通过第一电阻接地并同时通过顺序串接的第二电阻、第三电阻和第四电阻连接其反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端通过并联的第五电阻和第一电容连接第一运算放大器的反相输入端、反相输入端通过第六电阻接地并同时通过第一变阻器连接其输出端；

所述第二运算放大器的输出端作为工作电流监测模块的电流采样输出端，所述恒流源驱动模块的驱动电流输出端连接于第三电阻和第四电阻之间。

3.如权利要求2所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：它还包括一用于为关闭模拟信号选择输入模块和TTL信号选择输入模块的恒流输出提供参考控制信号的软件保护模块，所述软件保护模块包括第三运算放大器、第一三极管和第二变阻器；

所述第三运算放大器的同相输入端通过第七电阻连接第二运算放大器的输出端、反相输入端通过第二变阻器接地、输出端通过第八电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的基极通过第二电容接地、发射极接地、集电极作为参考控制信号输出端。

4.如权利要求1所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：所述模拟信号选择输入模块包括一MAX4544型模拟切换开关，所述模拟切换开关的NC端口作为模拟信号选择输入模块的第一信号输入接口、NO端口作为模拟信号选择输入模块的第二信号输入接口、COM端口连接信号调制模块的信号输入端。

5.如权利要求1所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：所述信号调制模块包括第四运算放大器和第三变阻器；所述第四运算放大器的同相输入端通过第一分压电阻接地并同时通过第二分压电阻连接模拟信号选择输入模块的信号输出端、反相输入端连接输出端、输出端通过顺序串接的第三分压电阻、第四分压电阻和第五分压电阻连接恒流源驱动模块的信号输入端，所述第四分压电阻和第五分压电阻同时通过第三变阻器接地，且所述TTL信号选择输入模块的信号输出端连接于第三分压电阻与第四分压电阻之间。

6.如权利要求1所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：所述TTL信号选择输入模块包括电源隔离器、光电耦合器、第二三极管、第三三极管、第四三极管和第五三极管；

所述第二三极管的集电极连接光电耦合器的负极、发射极连接电源隔离器的电源输出端、基极作为TTL信号选择输入模块的第一信号输入接口，所述光电耦合器的正极连接电源隔离器的电源输出端、发射极接地、集电极连接第三三极管的集电极，所述第三三极管的发射极接地、基极作为TTL信号选择输入模块的第二信号输入接口、集电极同时连接第四三极管的基极，所述第四三极管的发射极接地、集电极连接第五三极管的基极，所述第五三极管的发射极接地、集电极与信号调制模块相连。

7.如权利要求6所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：它还包括一用于将驱动控制器的工作电流限定在预设范围内的限流保护模块，所述限流保护模块包括第五运算放大器、开关二极管和第四变阻器；

所述第五运算放大器的输出端与反相输入端相连并同时通过开关二极管连接第五三极管的集电极、同相输入端通过第九电阻连接第四变阻器的调节端，所述第四变阻器的其中一端接地。

8.如权利要求1-7中任一项所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：所述恒流源驱动模块包括至少一个恒流源驱动器，所述恒流源驱动器包括第六运算放大器、场效应管、PNP三极管、NPN三极管和激光器连接口；

所述第六运算放大器的同相输入端通过第三电容接地并同时与信号调制模块的信号输出端相连、输出端通过第四电容连接反相输入端并同时通过第一采样电阻同时与NPN三极管的基极和PNP三极管的基极相连，所述第六运算放大器反相输入端通过顺序串接的第二采样电阻、第五电容和第三采样电阻连接NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极，且所述第六运算放大器的输出端通过第六电容连接于第二采样电阻与第五电容之间；所述场效应管的栅极连接于第五电容与第三采样电阻之间、源极通过第四采样电阻接地、漏极连接激光器连接口的负极端，所述激光器连接口的正极端作为驱动控制器的电源输入端。

9.如权利要求8所述的一种半导体激光器的驱动控制器，其特征在于：所述恒流源驱动模块包括至少两个并联分布的恒流源驱动器。