專利名稱：激光二極管驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光二極管驅(qū)動電源，特別是一種激光二極管驅(qū)動電源。該電源適合多種半導(dǎo)體端泵激光二極管和側(cè)泵激光二極管，可應(yīng)用于連續(xù)泵和脈沖泵激光器上。 該電源特別具有閾值電流和動態(tài)電流脈沖寬度調(diào)整，使激光器功率或能量更穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
目前激光二極管驅(qū)動電源基本上以大功率場效應(yīng)管或IGBT在功率管放大區(qū)內(nèi)通過電流反饋調(diào)整電流，達到恒流的目的，這類電源效率低，熱損耗大，尤其是驅(qū)動2V/60A等低電壓的激光二極管時，電流很難做大，效率最多做到60%，需要加龐大的散熱器才可以工作，對使用環(huán)境也有要求，否則會因過熱而損壞功率管，導(dǎo)致激光二極管的損壞。在激勵模式方面，目前分兩大類，一類是連續(xù)激光二極管驅(qū)動電源，一類是脈沖激光二極管驅(qū)動電源，對于傳統(tǒng)的脈沖電源，在低電壓大電流時脈沖上升沿很大。這對于激光二極管在大電流躍進時對激光管壽命有很大的影響。傳統(tǒng)模擬激光二極管驅(qū)動電源存在抗干擾性差，自身的空間電磁輻射大，電流紋波系數(shù)大，電流控制精度不夠等缺點，在和其它設(shè)備系統(tǒng)連接時，主要還是靠模擬電壓調(diào)整電流，通過TTL進行使能及故障報警，這樣就很容易受外界因素干擾特別是應(yīng)用在具有高壓開關(guān)的電光Q激光器上，尤為明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種激光二極管驅(qū)動電源。 以提高電源的抗干擾性和電流控制精度，降低電流紋波系數(shù)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種激光二極管驅(qū)動電源，其特點在于由嵌入式控制器、三個場效應(yīng)管驅(qū)動芯片、P溝道場效應(yīng)管、兩個N溝道場效應(yīng)管、電流傳感器、放大器、扼流線圈和肖特基二極管構(gòu)成，所述的該嵌入式控制器的第一脈寬調(diào)制端口接第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片的輸入管腳，該第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片的輸出管腳接P溝道場效應(yīng)管的G管腳，該P溝道場效應(yīng)管的S管腳接供電電源的正極；
所述的嵌入式控制器的第二脈寬調(diào)制端口接第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片的輸入管腳，第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片的輸出管腳連接第一 N溝道場效應(yīng)管的G管腳，該第一 N溝道場效應(yīng)管的S管腳接地；
所述的P溝道場效應(yīng)管的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管的D管腳以及扼流線圈的一端形成節(jié)點，該扼流線圈的另一端與肖特基二極管的A管腳、激光二極管的輸入端、第二 N溝道場效應(yīng)管的D管腳形成節(jié)點，所述的肖特基二極管的K管腳接供電電源VDD的正極；
在所述的P溝道場效應(yīng)管的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管的D管腳與所述的流線圈之間的電路上設(shè)有電流傳感器，該電流傳感器的輸出端經(jīng)放大器與所述的嵌入式控制器信號輸入端相連；
所述的嵌入式控制器的IO端口經(jīng)第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片與所述的第二 N溝道場效應(yīng)管的G管腳相連，該第二 N溝道場效應(yīng)管的S管腳接地。所述的嵌入式控制器還與隔離型CAN通訊模塊相連。所述的嵌入式控制器通過第一脈寬調(diào)制端口通過第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片和P溝道場效應(yīng)管對扼流線圈進行充電；所述的嵌入式控制器通過第二脈寬調(diào)制端口經(jīng)第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片和第一 N溝道場效應(yīng)管對扼流線圈進行放電；一充一放，在所述的P溝道場效應(yīng)管、第一 N溝道場效應(yīng)管和扼流線圈之間形成震蕩。所述的電流傳感器負責(zé)感應(yīng)通過銅線的信號電流采集電流信號，該電流信號經(jīng)放大器放大后送所述的嵌入式控制器，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后與嵌入式控制器內(nèi)設(shè)定的電流進行比較運算，所述的嵌入式控制器通過改變的PWMO 和PWMl的占空比，形成一個閉合負反饋環(huán)路，使流過扼流線圈的電流恒定，達到激光二極管所需要的恒定電流(預(yù)設(shè)電流)。所述的肖特基二極管是反接的，即肖特基二極管的A管腳接扼流線圈的輸出端， 肖特基二極管的K管腳接供電電源的正極，主要是為了吸收所述的扼流線圈產(chǎn)生的反向電動勢，保護所述的激光二極管。本發(fā)明的技術(shù)效果如下
1、本發(fā)明具有大功率脈沖和連續(xù)工作模式兼容，并集成實時通訊功能，全數(shù)字參數(shù)調(diào)整及控制的特點。支持多種激光二極管的激勵方式，可動態(tài)調(diào)整激光二極管激勵電流或脈寬，保證激光二極管泵浦激光器輸出的單脈沖能量或功率更穩(wěn)定、光束質(zhì)量更好。本發(fā)明實現(xiàn)了在大功率激光二極管驅(qū)動電源上的脈沖工作模式和連續(xù)工作模式的兼容，電流最大可達120A ；電流調(diào)節(jié)精度0. 01A，穩(wěn)定度士0. 5%，脈沖模式下調(diào)制頻率最高100kHz，上升沿為1-lOus。經(jīng)實驗表明本發(fā)明激光二極管驅(qū)動電源應(yīng)用在連續(xù)激光器和脈沖激光器上，激光穩(wěn)定度有很大的提高，特別是在脈沖激光器上，通過施加激流和動態(tài)脈寬調(diào)整，使激光器的單脈沖能量的一致性能達到士 1%。


圖1是本發(fā)明激光二極管驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1-隔離型CAN通訊模塊，2-嵌入式控制器，3-第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，4-P 溝道場效應(yīng)管，5-第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，6-第一 N溝道場效應(yīng)管，7-電流傳感器，8-放大器，9-扼流線圈，10-第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，11-第二 N溝道場效應(yīng)管，12-肖特基二極管， 13-激光二極管，14-供電電源VDD。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明激光二極管驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)原理圖。由圖可見，本發(fā)明激光二極管驅(qū)動電源，其構(gòu)成包括嵌入式控制器2，該嵌入式控制器2的第一脈寬調(diào)制端口 0接第一場效應(yīng)管驅(qū)動 芯片3的輸入管腳，該第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片3的輸出管腳接P溝道場效應(yīng)管4的G管腳，該P溝道場效應(yīng)管4的S管腳接供電電源VDD14的正極；
所述的嵌入式控制 器2的第二脈寬調(diào)制端口接第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片5的輸入管腳， 第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片5的輸出管腳連接第一 N溝道場效應(yīng)管6的G管腳，該第一 N溝道場效應(yīng)管6的S管腳接地；
所述的P溝道場效應(yīng)管4的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管6的D管腳以及扼流線圈9的一端形成節(jié)點，該扼流線圈9的另一端與肖特基二極管12的A管腳、激光二極管 13的輸入端、第二 N溝道場效應(yīng)管11的D管腳形成節(jié)點，所述的肖特基二極管12的K管腳接供電電源VDD14的正極；
在所述的P溝道場效應(yīng)管4的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管6的D管腳與所述的流線圈9之間的電路上設(shè)有電流傳感器7，該電流傳感器7的輸出端經(jīng)放大器8與所述的嵌入式控制器2信號輸入端相連；
所述的嵌入式控制器2的IO端口經(jīng)第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片10與所述的第二 N溝道場效應(yīng)管11的G管腳相連，該第二 N溝道場效應(yīng)管11的S管腳接地。嵌入式控制器2通過脈寬調(diào)制端口 0 (PWMO)輸入到通過第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片 3的管腳IN，第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片3的輸出管腳連接到P溝道場效應(yīng)管4的G管腳，對扼流線圈9進行充電；圖1中嵌入式控制器2通過脈寬調(diào)制端口 1 (PWMO)輸入到通過第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片5的輸入管腳IN，第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片5的輸出管腳連接到第一 N溝道場效應(yīng)管6的G管腳，對扼流線圈9進行放電；P溝道場效應(yīng)管4的S管腳接供電電源VDD 14，第一 N溝道場效應(yīng)管6的S腳接地，P溝道場效應(yīng)管4的D管腳和第一 N溝道場效應(yīng)管 6的D管腳以及扼流線圈9的一端形成一個節(jié)點；一充一放，在P溝道場效應(yīng)管4、第一 N溝道場效應(yīng)管6和扼流線圈9之間形成震蕩。電流傳感器7負責(zé)感應(yīng)通過其的銅線的電流， 經(jīng)放大器8放大后供嵌入式控制器2進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)進行采樣，與預(yù)設(shè)定電流進行比較運算，通過改變嵌入式控制器2的PWMO和PWMl的占空比，形成一個閉合負反饋環(huán)路，使流過扼流線圈9的電流恒定，達到激光二極管所需要的恒定電流(預(yù)設(shè)電流)。肖特基二極管12為反接的肖特基二極管，即肖特基二極管12的A管腳接扼流線圈9的輸出端，肖特基二極管12的K接供電電源VDD 14，主要是為了吸收扼流線圈9產(chǎn)生的反向電動勢，保護激光二極管13。對于脈沖泵浦的激光器，使用本發(fā)明工作在脈沖模式下，圖1中嵌入式控制器2的 IO端口輸出到第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片10的輸入管腳，第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片10的輸出管腳連接到第二 N溝道場效應(yīng)管11的G管腳，第二 N溝道場效應(yīng)管11的D管腳連接到扼流線圈9的輸出，第二 N溝道場效應(yīng)管11的S管腳接地。當嵌入式控制器2的IO輸出端口輸出高電平時，第二 N溝道場效應(yīng)管11的“D”和“S”導(dǎo)通，恒定的電流經(jīng)第二 N溝道場效應(yīng)管11回流，此時激光二極管13上將不再有電流流過，當嵌入式控制器2的IO輸出端口輸出低電平時，第二 N溝道場效應(yīng)管11 “D”和“S”截止，電流通過13回流，驅(qū)動激光二極管13。特別為了消除脈沖激光器的熱效應(yīng)的影響，在不需要出光時，可以由嵌入式控制器2 產(chǎn)生一定寬度的脈沖，經(jīng)嵌入式控制器2的IO端口通過10控制第二 N溝道場效應(yīng)管11，給激光二極管施加一個脈沖基流。脈沖激光器為了適應(yīng)不同輸入控制頻率，本發(fā)明裝置的嵌入式控制器2通過查“輸入信號頻率_激勵脈沖寬度”表格，對由嵌入式控制器2改變激光二極管單個電流脈沖的寬度，經(jīng)嵌入式控制器2的IO端口通過第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片10控制第二 N溝道場效應(yīng)管11，改變通過激光二極管13的電流時間，從而改變了單個脈沖的泵浦功率，以保證脈沖激光器單個脈沖能量的一致性，這就是本發(fā)明特有的動態(tài)脈寬調(diào)制方法。對于連續(xù)泵浦的激光器，本發(fā)明工作在連續(xù)模式下，圖1中經(jīng)嵌入式控制器2的IO 端口通過第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片10控制第二 N溝道場效應(yīng)管11，當?shù)诙?N溝道場效應(yīng)管 11的“D”和“S”截止，電流全部通過激光二極管13回流，在激光二極管13上形成連續(xù)的恒
流。 本發(fā)明為智能化的數(shù)字式電源，電源中的參數(shù)預(yù)設(shè)電流，實際電流，“輸入信號頻率-激勵脈沖寬度”表格等參數(shù)必須通過數(shù)字通訊口和其它設(shè)備交換數(shù)據(jù)，因此本發(fā)明加入了控制器局部網(wǎng)(CAN)總線，在圖1中嵌入式控制器2的“CANTX”發(fā)送端口和隔離型CAN通訊模塊1的“CANRX”接收端口相連，嵌入式控制器2的“CANRX”接收端口和隔離型CAN通訊模塊1的“CANTX”發(fā)送端口相連，隔離型CAN通訊模塊1是一個與外部設(shè)備隔離的收發(fā)
ο在上電時，通過隔離型CAN通訊模塊1檢查外部設(shè)備，等待激光二極管的溫度，激光頭溫度等條件滿足時，本激光二極管驅(qū)動電源才正常工作，有效地保護了激光二極管等設(shè)備。在溫度允許的情況下才開機。在開機，待機和關(guān)機的情況下，圖1中第二 N溝道場效應(yīng)管11的“D”和“S”處于導(dǎo)通狀態(tài)，能有效地保護激光二極管13。下面是本發(fā)明的一個實施例，該實施例是最大電壓為20V，最大電流為120A的脈沖和連續(xù)兼容的激光二極管驅(qū)動電源。其中
嵌入式處理器2采用TI的LM3S2965，該控制器包含1個單指令周期的硬件乘法器和一個除法器，并具有豐富的接口，包括12位ADC，CAN總線，工作頻率為50Mhz，內(nèi)含6個16位 PWM脈寬調(diào)制發(fā)生器。利用LM3S2965的PWMO和PWMl形成一個帶死區(qū)的一組脈寬調(diào)制信號， 通過17，16腳分別連接到由2片TI公司的UCC37322驅(qū)動芯片3、5，這兩片驅(qū)動芯片連接到大功率場效應(yīng)管2只SUP75P05-08和3只FDP047AN08A0組成充放電路，對2個180uH/60A 的扼流線圈9充放電，LM3S2965的PWM受控于由LEM公司的LA100-P電流傳感器7檢測扼流線圈9的電流值，通過TI公司的TLE2804放大器8放大后，送入LM3S2965的數(shù)模轉(zhuǎn)換口 ADCO (管腳1)進行采樣，該嵌入式處理器2和預(yù)設(shè)電流值進行比較，比較后的值與PWM關(guān)聯(lián)，形成一個閉環(huán)負反饋電路，使扼流線圈環(huán)路始終保持預(yù)設(shè)的電流值。利用LM3S2965的輸入輸出口 PBO (腳66)作為輸入，當外部脈沖信號上升沿到來后，利用LM3S2965的內(nèi)部定時器TIMER2，測得和上一次脈沖信號到來的差值，計算出當前外部脈沖信號的頻率，通過查“脈沖頻率-輸出脈寬”得到當前激光二極管需要出光的時間，通過LM3S2965的PBl (67腳)控制TI公司的UCC37322驅(qū)動芯片驅(qū)動3只大功率場效應(yīng)管FDP047AN08A0，使FDP047AN08A0截止，讓電流通過激光二極管而發(fā)光，發(fā)光時間就是我們前面查“脈沖頻率-輸出脈寬”得到的時間。采用周立功的隔離CAN總線模塊CTM8250T，和LM3S2965的CANOTX(腳11)禾口 CANORX(腳10)相連，本實施例的預(yù)設(shè)電流，當前實際電流等數(shù)據(jù)均通過CTM8250T輸入和輸出，也可以通過該接口來改變本產(chǎn)品的工作模式，在發(fā)生故障時，本實施例可以作為主機通過CTM8250T立即發(fā)送出去，供激光器中的其他部件響應(yīng)。本實施例的脈沖模式能夠使用在0-100%的占空比，并且施加閾值電流，激光二極管的工作電壓從1. 3V 20V，電流最達120A。脈沖頻率最高達100kHz，上升沿為2. 5us-10us
可調(diào)。
該電源經(jīng)實踐證明，電流控制精度在0. OlA (Max. 120A),穩(wěn)定度在士0. 5% (Max. 120A)；應(yīng)用在連續(xù)激光器和脈沖激光器上，激光穩(wěn)定度有很大的提高，特別是在脈沖激光器上，通過施加激流和動態(tài)脈寬調(diào)整，使激光器的單脈沖能量的一致性能達到士 1%。
權(quán)利要求
1.一種激光二極管驅(qū)動電源，其特征在于由嵌入式控制器(2)、三個場效應(yīng)管驅(qū)動芯片、P溝道場效應(yīng)管、兩個N溝道場效應(yīng)管、電流傳感器(7)、放大器(8)、扼流線圈(9)和肖特基二極管(12)構(gòu)成，所述的嵌入式控制器(2)的第一脈寬調(diào)制端口(0)接第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片(3)的輸入管腳，該第一場效應(yīng)管驅(qū)動芯片(3)的輸出管腳接P溝道場效應(yīng)管(4) 的G管腳，該P溝道場效應(yīng)管(4)的S管腳接供電電源VDD (14)的正極；所述的嵌入式控制器(2)的第二脈寬調(diào)制端口(1)接第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片(5)的輸入管腳，第二場效應(yīng)管驅(qū)動芯片(5)的輸出管腳連接第一 N溝道場效應(yīng)管(6)的G管腳，該第一 N溝道場效應(yīng)管(6)的S管腳接地；所述的P溝道場效應(yīng)管(4)的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管(6)的D的管腳以及扼流線圈(9)的一端形成節(jié)點，該扼流線圈(9)的另一端與肖特基二極管(12)的A管腳、 激光二極管(13)的輸入端、第二 N溝道場效應(yīng)管(11)的D管腳形成節(jié)點，所述的肖特基二極管(12)的K管腳接供電電源VDD (14)的正極；在所述的P溝道場效應(yīng)管(4)的D管腳和所述的第一 N溝道場效應(yīng)管(6)的S的管腳與所述的流線圈(9)之間的電路上設(shè)有電流傳感器(7)，該電流傳感器(7)的輸出端經(jīng)放大器(8)與所述的嵌入式控制器(2)信號輸入端相連；所述的嵌入式控制器(2)的IO端口經(jīng)第三場效應(yīng)管驅(qū)動芯片(10)與所述的第二 N溝道場效應(yīng)管(11)的G管腳相連，該第二 N溝道場效應(yīng)管(11)的S的管腳接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管驅(qū)動電源，其特征在于所述的嵌入式控制器(2) 還與隔離型CAN通訊模塊(1)相連。
全文摘要
一種激光二極管驅(qū)動電源，由-隔離型CAN通訊模塊、嵌入式控制器、三個場效應(yīng)管驅(qū)動芯片、P溝道場效應(yīng)管、兩個N溝道場效應(yīng)管、電流傳感器、放大器、扼流線圈和肖特基二極管構(gòu)成。本發(fā)明大功率脈沖和連續(xù)工作模式兼容，并集成實時通訊功能，全數(shù)字參數(shù)調(diào)整及控制。支持多種激光二極管的激勵方式，可動態(tài)調(diào)整激光二極管激勵電流或脈寬，保證激光二極管泵浦激光器輸出的單脈沖能量或功率更穩(wěn)定、光束質(zhì)量更好。本發(fā)明的電流最大可達120A；電流調(diào)節(jié)精度0.01A，穩(wěn)定度±0.5%，脈沖模式下調(diào)制頻率最高100kHz，上升沿為1-10us。
文檔編號H01S5/042GK102306902SQ201110235568
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者施偉, 田懷勇, 金英杰 申請人:上海致凱捷激光科技有限公司