CN212343012U

CN212343012U - 一种半导体激光二极管的温控驱动电路及温度补偿系统

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Publication number: CN212343012U
Application number: CN202021558831.8U
Authority: CN
Inventors: 李锋
Original assignee: Xi'an Tianhe Laser Instrument Co ltd
Current assignee: Xi'an Tianhe Laser Instrument Co ltd
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-30

Abstract

本实用新型属于半导体激光模组控制电路技术领域，公开了一种半导体激光二极管的温控驱动电路和温度补偿系统，所述温控驱动电路包括电压基准单元、采样单元和运放控制单元，所述运放控制单元包括多个能调整输出电流的电阻，还包括一个或多个温控元件，所述每个温控元件选择串联或并联在所述运放控制单元中能调整输出电流的任意电阻上。本实用新型克服了现有技术中结构复杂，调试加工难度大，成本高等缺点，采用恒流驱动方式将无PD的半导体激光二极管实现恒定功率控制的等同效果。

Description

一种半导体激光二极管的温控驱动电路及温度补偿系统

技术领域

本实用新型属于半导体激光模组控制电路技术领域，具体涉及一种半导体激光二极管的温控驱动电路及温度补偿系统。

背景技术

近年来，随着半导体激光二极管相关技术的成熟，其可视效果好，功耗低，工作温度范围宽，寿命长等优势已作为投线仪的核心部件，在工业及民用测量领域中得到广泛的应用。由于半导体激光二极管的P/T(光功率与温度)特性和P/I(光功率与电流)特性，致使激光二极管随工作环境温度越高，输出光功率衰减越大，因此不能满足客户使用需求。

目前市场上包括有PD和无PD两种结构的二极管，针对有PD的激光二极管，可以使用恒功率电路利用激光二极管内置的PD反馈可以在高温环境下工作时减少输出光功率的衰减幅度。针对无PD激光二极管，若使用温控驱动电路，由于无PD电流反馈，所以激光二极管随环境温度升高，输出光功率衰减越大，显然这种产品只能作为低端产品使用。为了解决无PD的激光二极管存在的缺陷同时由于激光二极管封装完成后无法改变激光二极管的内部结构，故现有技术中在激光二极管的外部出光口加入外置PD，需要放置固定PD的部件，再匹配使用恒功率电路，减少激光二极管光功率输出的衰减幅度，从而实现与带PD激光二极管的等同效果。但是由于其外置PD的结构较为复杂，装配工艺要求较高，PD反馈一致性较差导致后续调试加工难度大，以及成本较高等不足。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体激光二极管的恒流驱动电路及恒流驱动系统，用以解决现有技术中的无PD激光二极管在使用恒流驱动电路时，在高温环境下光功率衰减较大的缺陷。

为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术方案：

一种半导体激光二极管的温控驱动电路，所述温控驱动电路包括电压基准单元、采样单元和运放控制单元，所述运放控制单元包括多个能调整输出电流的电阻，还包括一个或多个温控元件，所述每个温控元件选择串联或并联在所述运放控制单元中能调整输出电流的任意电阻上。

进一步的，所述温控驱动电路为分立元件构成的温控驱动电路或集成芯片构成温控驱动电路。

进一步的，所述的温控元件为热敏电阻、热电偶或温控集成芯片。

更进一步的，所述的热敏电阻为NTC热敏电阻或PTC热敏电阻。

进一步的，所述的温控驱动电路由电阻R1、基准源N2、电容C1和电容C2构成电压基准单元，由运放N1、电阻R4、三极管Q1、电阻R2和电阻R3构成运放控制单元，由电阻R4构成采样单元；

运放N1、电阻R1和电容C1分别连接外部输入电源VCC；基准源N2阳极接地同时连接电容C1，Vref端与阴极相接并与电阻R2一端连接，电阻R2另一端连接电阻R3，电阻R2和电阻R3同时与运放N1同向输入端相接，电阻R3另一端接地；运放N1反向输入端连接电阻R4和三极管Q1发射极，电阻R4接地，运放N1接地端接地，运放N1输出端连接三极管Q1基级，电容C2并联在基准源N2上，所述三极管Q1集电极和外部输入电源VCC还用于连接半导体激光二极管N3的阴极和阳极。

进一步的，所述温控元件为热敏电阻R5，热敏电阻R5并联在电阻R2的两端。

一种温度补偿系统，包括半导体激光二极管，还包括任一种半导体激光二极管的温控驱动电路。

进一步的，所述半导体激光二极管为红色无PD激光二极管或绿色无PD激光二极管。

本实用新型与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)本实用新型克服了现有技术中结构复杂，调试加工难度大，成本高等缺点，采用恒流驱动方式将无PD的半导体激光二极管实现恒定功率控制的等同效果。

(2)本实用新型的温度补偿系统通用性强，适用所有的无PD半导体激光二极管及其所有的恒流驱动电路。

(3)本实用新型使用的温控元件规格参数丰富，通过改变温控元件的参数，以达到恒功率电路的等同效果；温控元件亦可以组合使用，以得到不同的光功率衰减幅度，提高激光模组在不同温度下的光功率稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的电路框架图；

图2为实施例中的分立元件驱动电路原理图；

图3为本实用新型的电流补偿方法示意图；

图4为A型号激光二极管的P/T变化曲线及P/I变化曲线；

图5为B型号激光二极管的P/T变化曲线及P/I变化曲线；

图6为C型号激光二极管的P/T变化曲线及P/I变化曲线；

图7为NTC热敏电阻随温度变化曲线；

图8为PTC热敏电阻随温度变化曲线。

具体实施方式

由于半导体激光二极管的额定工作温度一般为-10℃--60℃之间，且通常情况下当环境温度高于25℃时输出光功率才会发生衰减，依照图7、8所示，同一阻值的NTC热敏电阻随温度升高，阻值逐渐降低；PTC热敏电阻随环境温度升高，阻值逐渐增大。为减小激光二极管在高温下输出光功率的衰减幅度，还需要参考激光二极管的P/T和P/I特性，如图4所示。

如图5所示，激光二极管的P/T特性是：当在额定驱动电流工作时，且驱动电流始终相同时，ΔP/ΔT＝θ，其中θ表示该激光二极管随温度升高的衰减幅度，即当即当环境温度增加ΔT＝1℃时，输出光功率衰减1*θmW；同时，不同激光二极管的θ值也不相同。

如图6所示，激光二极管的P/I特性是：当在额定使用环境温度时，且环境温度始终相同时，ΔP/ΔI＝η，其中η表示该激光二极管的光电转化效率，即当输出光功率变化ΔP＝1mW时，电流变化1/ηmA；同时，不同激光二极管的η值也不相同。

在本实施例中公开了一种半导体激光二极管的温度补偿系统，

所述恒流驱动电路包括电压基准单元、采样单元和运放控制单元，，所述运放控制单元包括多个能调整输出电流的电阻，所述电压基准单元用于为运放控制单元提供参考电压，所述采样单元用于通过采样电阻实时采集电路输出电流大小，所述运放控制单元用于调整运放输出电流使电路输出总电流维持不变；还包括一个或多个温控元件，所述的温控元件用于对恒流驱动模块进行电流补偿，所述的恒流驱动电路用于驱动半导体激光二极管。

所述每个温控元件选择串联或并联在所述运放控制单元中能调整输出电流的任意电阻上。所述任意电阻表示任意一个或多个电阻。温控元件电连接于所述驱动电路的任意电流调节端，通过温控元件在不同温度下的物理属性不同，该物理属性对所述的温控驱动电路进行电流补偿，从而改变不同温度下激光二极管的输出光功率大小。

具体的，所述恒流驱动模块为分立元件构成的恒流驱动电路或集成芯片构成恒流驱动电路。

具体的，所述的温控元件为热敏电阻、热电偶或温控集成芯片。

优选的，所述的热敏电阻为NTC热敏电阻或PTC热敏电阻。

具体的，本实施例给出了常规的分立元件组合的恒流驱动电路的组成如下：由电阻R1、基准源N2、电容C1和电容C2构成电压基准单元，由运放N1、电阻R4、三极管Q1、电阻R2和电阻R3构成运放控制单元，由电阻R4构成采样单元，其作用是根据欧姆定律U＝IR将输出的电流大小转换为电压信号作用于运放反向输入端V-，通过R2、R3电阻将Vref分压后作用于运放同向输入端V+；

运放N1、半导体激光二极管N3的阳极、电阻R1和电容C1分别连接外部输入电源VCC；基准源N2阳极接地同时连接电容C1，Vref端与阴极相接并与电阻R2一端连接，电阻R2另一端连接电阻R3，电阻R2和电阻R3同时与运放N1同向输入端相接，电阻R3另一端接地；运放N1反向输入端连接电阻R4和三极管Q1发射极，电阻R4接地，运放N1接地端接地，运放N1输出端连接三极管Q1基级，三极管Q1集电极连接半导体激光二极管N3的阴极，电容C2并联在基准源N2上。

电路中R2、R3和R4均为电流调节端，热敏电阻作用于R2和R3时，电流补偿效果最佳，R4作为辅助电流补偿，但是又考虑到激光二级管的一致性较差，故在加工过程中还需要改变R2或R3，以保证常温输出光功率的一致性；

若使用R3电阻调节，那么将热敏电阻作用在R2电阻上，构成R2等效电阻，当R3电阻增大时，Ic增大；当R3减小时，Ic减小，故热敏电阻只能选择PTC热敏电阻，且连接方式为串联，再根据需要补偿ΔP/ηmA电流以及热敏电阻计算公式，计算出热敏电阻阻值即可。

若使用R2电阻调节，那么将热敏电阻作用在R3电阻上，构成R3等效电阻，根据R2电阻增大时，Ic减小；当R2减小时，Ic增大，故热敏电阻只能选择NTC热敏电阻，且连接方式为并联，再根据需要补偿ΔP/ηmA电流，以及热敏电阻计算公式，计算出热敏电阻阻值即可。

由于R4电阻阻值小，加入热敏电阻后其补偿效果不明显，故R4只能作为辅助电流补偿端，对输出电流微调。

本实施例还公开了一种恒流驱动系统，包括半导体激光二极管，还包括任一种半导体激光二极管的恒流驱动电路。

具体的，所述半导体激光二极管为红色无PD激光二极管或绿色无PD激光二极管。两者主要的区别是波长不同和电性能参数不同，两者的应用环境及应用场景几乎相同，其中两者的内部结构也基本相同。

实施例1

在本实施例中，所述的温控元件为NTC热敏电阻R5，优选的，所述NTC热敏电阻R5并联在电阻R2的两端。

本实施例中的恒流驱动电路的工作原理为：

当设定R2、R3和R4阻值后，V+为定值，若V-<V+，则运放输出Vo电流增大，即三极管Q1的基级电流Ib增大，集电极电流Ic增大，即输出电流持续增大，此时，电阻R4上电流持续增大，直至V-＝V+时，Ic增大后恒定不变；若V->V+，则Ib减小，Ic减小，即输出电流持续减小，此时，电阻R4上电流持续减小，直至V-＝V+时，Ic减小后恒定不变；

其输出电流可由公式计算：

Ic＝Vref*R3/(R2+R3)/R4

因此在电路工作前设定好R2、R3和R4阻值，可得到相应的Ic电流，电阻R2、R3和R4均为该恒流电路的电流调节端。由于R2、R3和R4电阻随温度变化其电阻阻值的变化量及其微小，可忽略不计，故在不同环境温度下，输出电流也不会发生明显变化。

根据以上计算公式易得出，当R2、R3和R4阻值变化时，输出电流Ic的变化情况如下：

当R2电阻增大时，Ic减小；当R2减小时，Ic增大；

当R3电阻增大时，Ic增大；当R3减小时，Ic减小；

当R4电阻增大时，Ic减小；当R4减小时，Ic增大；

因此，依照此规律，只需要根据激光二极管的P/T和P/I特性实时改变R2或R3或R4电阻阻值，即可实现调节输出电流Ic，进而减小激光二极管在高温下光功率输出的衰减幅度。

只有当R2或R4并联NTC热敏电阻R5，随温度升高，其等效电阻减小，输出电流增大。又由于R4电阻为采样电阻，其阻值很小，且热敏电阻的参数范围有限，故在R4上并联R5热敏电阻后其电流补偿效果欠佳，一般作为辅助补偿时使用。故R2与R5并联为最优方案。

依据激光二极管的P/T和P/I特性，易得出该激光二极管随温度升高输出光功率衰减θ值和该激光二极管的转换效率η，在某一高温与常温下有，

衰减光功率：ΔP₅＝ΔT₅*θ

为提高光功率输出，需增加工作电流：

ΔI₅＝ΔP₅/η

代入得公式(1) ΔI₅＝ΔT₅*θ/η

未加入热敏电阻时总电流计算公式(2)如下：

Ic＝Vref*R3/(R2+R3)/R4

将NTC热敏电阻R5并联电阻R2后，等效电阻R2'的计算公式(3)为：

R2'＝R2*R5/(R2+R5)

加入NTC热敏电阻后总电流计算公式(4)如下：

Ic₁＝Ic+ΔI₅

＝Vref*R3/(R2'+R3)/R4

NTC热敏电阻R5计算公式(5)如下：

R5＝R2*R2'/(R2-R2')

R2'＝R3*Vref/R4(Ic₁+ΔI₅)-R3

至此，只需要用该R5阻值对照NTC热敏电阻在该温度下的阻值，即可选出合适的热敏电阻阻值。

以上均为理论计算，实际应用中，需要考虑的因素较多，例如为了保证激光二极管不会超温使用，根据输出光功率衰减幅度，需要适当的增加工作电流，通常情况下只按照衰减幅度的一半计算相应的热敏电阻。

同时，在应用过程中，使用同一型号的激光二极管及恒流驱动电路，可能由于模组的外壳形状及安装方式的不同，实际效果可能与理论计算有略微差异，故在此理论计算之上还需要试验验证是否可以满足需求；同时为了保证批次产品输出光功率衰减的一致性，验证时应增加验证数量。

实施例2

在本实施例中，所述的温控元件为NTC热敏电阻R5和NTC热敏电阻R6，优选的，所述NTC热敏电阻R5并联在电阻R2的两端，NTC热敏电阻R6并联在R4电阻两端。

依据激光二极管的P/T和P/I特性，易得出该激光二极管随温度升高输出光功率衰减θ值和该激光二极管的转换效率η，在某一高温与常温下有

衰减光功率：ΔP₆＝ΔT*θ

为提高光功率输出，需增加工作电流：

ΔI₆＝ΔP₆/η

代入得公式(6) ΔI₆＝ΔT*θ/η

加入NTC热敏电阻R5时总电流计算公式(7)如下：

Ic₁＝Ic+ΔI₅

将NTC热敏电阻R6并联电阻R4后，等效电阻R4'的计算公式(8)为：

R4'＝R4*R6/(R4+R6)

加入NTC热敏电阻R5和R6后总电流计算公式(9)如下：

Ic₂＝Ic+ΔI₅+ΔI₆

＝Vref*R3/(R2'+R3)/R4'

NTC热敏电阻R6计算公式如下：

R6＝R4*R4'/(R4-R4')

R4'＝Vref*R3/(R2'+R3)*(Ic+ΔI₅+ΔI₆)

至此，只需要用该R6阻值对照NTC热敏电阻在该温度下的阻值，即可选出合适的热敏电阻阻值。

实施例3

在本实施例中，所述的温控元件为PTC热敏电阻R7串联在R3电阻和地之间，当温度升高时，R3等效电阻R3'增大时，Ic增大，输出光功率增大；

依据激光二极管的P/T和P/I特性，易得出该激光二极管随温度升高输出光功率衰减θ值和该激光二极管的转换效率η，在某一高温与常温下有衰减光功率：ΔP₇＝ΔT*θ

为提高光功率输出，需增加工作电流：

ΔI₇＝ΔP₇/η

代入得公式(11) ΔI₇＝ΔT*θ/η

未加入热敏电阻时总电流计算公式(12)如下：

Ic＝Vref*R3/(R2+R3)/R4

将NTC热敏电阻R7串联于R3与地之间，等效电阻R3'的计算公式(13)为：

R3'＝R3+R7

加入NTC热敏电阻后总电流计算公式(14)如下：

Ic₃＝Ic+ΔI₇

＝Vref*R3'/(R2+R3')/R4

NTC热敏电阻计算公式(15)如下：

R7＝R3'-R3

R3'＝R2*R4(Ic+ΔI₇)/(Vref-R4*(Ic+ΔI₇))

至此，只需要用该R7阻值对照PTC热敏电阻在该温度下的阻值，即可选出合适的热敏电阻阻值；

同样的，假设高温时输出光功率衰减过小或高于常温输出光功率时，且此R7热敏电阻已不能再进行微调，此时需要增加一个NTC热敏电阻R8，并联于R3电阻之上，构成等效电阻R3”，当温度升高时，等效电阻R3”减小时，Ic减小，输出光功率减小，以此最终达到使光功率在维持在合理衰减范围内。

因此，本领域的技术人员依照本实用新型的补偿系统本质上或逻辑上作出任何形式的改变或更替，例如更换与之功能相同、相近的驱动电路、在其电路中添加或省去某些功能、更换与之功能等同的其他温控元件等，或是使用软件或其他方式直接或间接实现等同效果的都应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种半导体激光二极管的温控驱动电路，所述温控驱动电路包括电压基准单元、采样单元和运放控制单元，所述运放控制单元包括多个能调整输出电流的电阻，其特征在于，还包括一个或多个温控元件，所述每个温控元件选择串联或并联在所述运放控制单元中能调整输出电流的任意电阻上。

2.如权利要求1所述的半导体激光二极管的温控驱动电路，其特征在于，所述温控驱动电路为分立元件构成的温控驱动电路或集成芯片构成温控驱动电路。

3.如权利要求1所述的半导体激光二极管的温控驱动电路，其特征在于，所述的温控元件为热敏电阻、热电偶或温控集成芯片。

4.如权利要求3所述的半导体激光二极管的温控驱动电路，其特征在于，所述的热敏电阻为NTC热敏电阻或PTC热敏电阻。

5.如权利要求1所述的半导体激光二极管的温控驱动电路，其特征在于，所述的温控驱动电路由电阻R1、基准源N2、电容C1和电容C2构成电压基准单元，由运放N1、电阻R4、三极管Q1、电阻R2和电阻R3构成运放控制单元，由电阻R4构成采样单元；

6.如权利要求5所述的半导体激光二极管的温控驱动电路，其特征在于，所述温控元件为热敏电阻R5，热敏电阻R5并联在电阻R2的两端。

7.一种温度补偿系统，包括半导体激光二极管，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一种半导体激光二极管的温控驱动电路。

8.如权利要求7所述的温度补偿系统，其特征在于，所述半导体激光二极管为红色无PD激光二极管或绿色无PD激光二极管。