專利名稱：輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器(Laser Diode簡稱LD)作為新型光源，與其它激光器相比具有無法比擬的特性。LD的輸出特性不僅跟本身的材料、工藝有著緊密的聯(lián)系，驅(qū)動裝置的好壞也極大地影響其輸出特性。因此在使用半導(dǎo)體激光器時，應(yīng)選擇性能良好的驅(qū)動裝置，這對更好地發(fā)揮半導(dǎo)體激光器的性能有著極其重要的意義。目前，市面上有大量的通用型的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，僅需要提供其電源和信號即可工作。但是大多數(shù)的驅(qū)動器由純硬件組成，且系統(tǒng)集成度低，抗干擾能力差，激光器保護功能不完善，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出精度不高且易損壞，制約了半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。同時，還存在以下缺陷(1)大功率時放大器發(fā)熱嚴(yán)重當(dāng)半導(dǎo)體激光器需輸出較大功率時，驅(qū)動電路中的功率放大器(晶體管)發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重。功率放大器發(fā)熱不但會引入熱噪聲，使輸出光功率精度降低，長時間工作甚至?xí)驘釗舸┒鴵p壞晶體管。對于發(fā)熱問題，通常采用更換更大功率晶體管元件和增大散熱片面積予以解決。但大功率晶體管元件價格較貴，更換會增加產(chǎn)品成本，且可選品種較中低功率型要少，且配備大功率晶體管相應(yīng)散熱片將大大增加裝置體積。(2)保護功能不足，尤其是限流保護響應(yīng)太慢傳統(tǒng)的中高檔半導(dǎo)體激光驅(qū)動器通過A/D采樣方式進行過流或限流保護，低檔產(chǎn)品往往通過采樣電阻兩端電壓降與預(yù)定電壓值比較進行保護。由于激光器對電流要求較高，不允許過流，而軟件及電阻采樣等方法實現(xiàn)過流或限流保護，都是采樣需等至電流已接近甚至超過額定電流后才通過比較，進行保護。這樣由于延時較長，因此該方法易損壞激光器。對電網(wǎng)中產(chǎn)生的浪涌沖擊及開關(guān)過程中的過流現(xiàn)象，也需有一定的保護措施。(3)恒壓模式驅(qū)動的驅(qū)動器目前較少，且控制算法參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩目前市場上的絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光驅(qū)動器為恒功率及恒流驅(qū)動模式，而恒電壓驅(qū)動模式驅(qū)動器稀少。這就對需用恒壓驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器的利用帶來了麻煩。而且，現(xiàn)在半導(dǎo)體激光驅(qū)動器大多數(shù)只采用單一閉環(huán)方式控制，控制精度不高，且控制算法參數(shù)調(diào)試麻煩。特別是對于以硬件為主的電路進行PID參數(shù)調(diào)試時，非常麻煩，需通過不斷更換電阻、 電容值實現(xiàn)。(4)驅(qū)動功率范圍及精度、連續(xù)調(diào)節(jié)問題目前市場上的中低功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動器輸出功率精度不夠高，一般在百分之幾，而且激光發(fā)射功率調(diào)節(jié)點單一，很難實現(xiàn)發(fā)射功率連續(xù)可調(diào)。而且大多數(shù)驅(qū)動器的溫控精度不高，溫度不容易控制在激光器適合的工作條件下，且溫度起伏不定，這樣就容易減少激光器使用壽命
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器大功率時放大器發(fā)熱嚴(yán)重，以及限流保護響應(yīng)慢問題，從而提供一種輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器。
輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，它包括MCU控制器、 電源電路、降壓電路、反接保護電路、抗浪涌沖擊電路、濾波電路、電壓采樣電路、電流采樣電路、恒流控制電路、熱敏電阻、采樣電路、溫度控制電路、TEC制冷器和激光二極管LD ；電源電路的電源信號輸出端與降壓電路的電源信號輸入端連接，降壓電路的電源信號輸出端與反接保護電路的信號輸入端連接，反接保護電路的信號輸出端與抗浪涌沖擊電路的信號輸入端連接，抗浪涌沖擊電路的信號輸出端與濾波電路的信號輸入端連接，濾波電路的信號輸出端與激光二極管LD的電源信號輸入端連接，電壓采樣電路用于采集激光二極管LD兩端的端電壓，電流采樣電路用于采集激光二極管LD的工作電流，恒流控制電流用于控制流經(jīng)激光二極管LD的電流強度，電壓采樣電路的采樣信號輸出端與MCU控制器的電壓采樣信號輸入端連接，電流采樣電路的采樣信號輸出端與恒流控制電路的采樣信號輸入端連接，恒流控制電路的控制信號輸入端與MCU控制器的恒流控制信號輸出端連接；熱敏電阻用于采集激光二極管LD表面的溫度，所述熱敏電阻的溫度信號輸出端與采樣電路的溫度信號輸入端連接，采樣電路的溫度信號輸出端與MCU控制器的溫度信號輸入端連接；TEC制冷器用于對激光二極管LD表面進行制冷，所述TEC制冷器的溫度控制信號輸入端與溫度控制電路的溫度控制信號輸出端連接；溫度控制電路的溫度信號輸入端與熱敏電阻的溫度信號輸出端連接。有益效果本發(fā)明采用小功率放大器實現(xiàn)大功率輸出，降低熱噪聲，解決了大功率時放大器發(fā)熱嚴(yán)重的問題；同時，本發(fā)明利用恒流電路提供基極電流方式，將最終的總輸出電流保持在限定值以內(nèi)，從而避免流過激光的電流過大，可高效保護，限流保護響應(yīng)快。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具體實施方式
中的電路連接示意圖；圖3本發(fā)明的基于雙閉環(huán)的恒壓模式控制原理示意圖；圖4是具體實施方式
四中的防浪涌沖擊電路的電路連接示意圖；圖5是具體實施方式
四中的Maxl968的功能示意圖；圖6是具體實施方式
四中恒溫系統(tǒng)的原理示意圖；圖7是本發(fā)明的軟件工作流程示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖1說明本具體實施方式
，輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，它包括MCU控制器1、電源電路2、降壓電路3、反接保護電路 4、抗浪涌沖擊電路5、濾波電路6、電壓采樣電路7、電流采樣電路8、恒流控制電路9、熱敏電阻10、采樣電路11、溫度控制電路12、TEC制冷器13和激光二極管LD ；電源電路2的電源信號輸出端與降壓電路3的電源信號輸入端連接，降壓電路3 的電源信號輸出端與反接保護電路4的信號輸入端連接，反接保護電路4的信號輸出端與抗浪涌沖擊電路5的信號輸入端連接，抗浪涌沖擊電路5的信號輸出端與濾波電路6的信號輸入端連接，濾波電路6的信號輸出端與激光二極管LD的電源信號輸入端連接，電壓采樣電路7用于采集激光二極管LD兩端的端電壓，電流采樣電路8用于采集激光二極管LD的工作電流，恒流控制電流9用于控制流經(jīng)激光二極管LD的電流強度，電壓采樣電路7的采樣信號輸出端與MCU控制器1的電壓采樣信號輸入端連接，電流采樣電路8的采樣信號輸出端與恒流控制電路9的采樣信號輸入端連接，恒流控制電路9的控制信號輸入端與MCU 控制器1的恒流控制信號輸出端連接；熱敏電阻10用于采集激光二極管LD表面的溫度，所述熱敏電阻10的溫度信號輸出端與采樣電路11的溫度信號輸入端連接，采樣電路11的溫度信號輸出端與MCU控制器 1的溫度信號輸入端連接；TEC制冷器13用于對激光二極管LD的表面進行制冷，所述TEC制冷器13的溫度控制信號輸入端與溫度控制電路12的溫度控制信號輸出端連接；溫度控制電路12的溫度信號輸入端與熱敏電阻10的溫度信號輸出端連接。本實施方式主要解決的問題是(1)大功率時放大器發(fā)熱嚴(yán)重問題傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器輸出較大功率時，驅(qū)動電路中的功率放大器(晶體管)發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重。這樣不但會引入熱噪聲，使輸出光功率精度降低，長時間工作甚至?xí)驘釗舸┒鴵p壞晶體管。本發(fā)明創(chuàng)造可不采用更換更大功率晶體管元件和增大散熱片面積，僅利用幾個低廉的小功率放大器就可實現(xiàn)大功率輸出，降低熱噪聲。(2)限流保護響應(yīng)太慢問題傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器都通過軟件或電阻采樣等方法實現(xiàn)過流或限流保護，這樣做采樣需等至電流已接近甚至超過額定電流后才通過比較，進行保護。這樣由于延時較長，因此該方法易損壞激光器。本發(fā)明創(chuàng)造利用恒流電路提供基極電流方式，只要恒流電路輸出的電流設(shè)置合理，可使最終的總輸出電流保持在限定值以內(nèi)，從而避免流過激光的電流過大，可高效保護。(3)提供了一款恒壓模式驅(qū)動的驅(qū)動器，且控制算法參數(shù)調(diào)節(jié)簡便目前市場上的絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光驅(qū)動器為恒功率及恒流驅(qū)動模式，而本發(fā)明創(chuàng)造的恒電壓驅(qū)動模式驅(qū)動器剛好彌補了這一空白。而且，現(xiàn)在半導(dǎo)體激光驅(qū)動器大多數(shù)只采用單一閉環(huán)方式控制，控制精度不高，且控制算法參數(shù)調(diào)試麻煩。本裝置采用雙閉環(huán)設(shè)計，內(nèi)環(huán)可有效抑制噪聲，外環(huán)以單片機為核心，通過單片機可實現(xiàn)PID參數(shù)的精確設(shè)置， 操作極其簡便。(4)驅(qū)動功率范圍及精度、連續(xù)調(diào)節(jié)問題目前市場上的一般功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動器輸出功率精度不夠高，一般在百分之幾，而且激光發(fā)射功率調(diào)節(jié)點單一，很難實現(xiàn)發(fā)射功率連續(xù)可調(diào)。而且大多數(shù)驅(qū)動器的溫控精度不高，溫度不容易控制在激光器適合的工作條件下，且溫度起伏不定，這樣就容易減少激光器使用壽命。本裝置附有恒溫模塊及防浪涌沖擊等保護措施，可大大提高激光使用壽命。獨特的電路結(jié)構(gòu)增加了輸出的恒定電壓精度(0. )，且功率連續(xù)可調(diào)。從目前的半導(dǎo)體激光器固有結(jié)構(gòu)特點和控制特性出發(fā)，將雙閉環(huán)控制方式引入半導(dǎo)體激光驅(qū)動器中，通過多個小型功率放大器并聯(lián)連接和增加高可靠限流電路，同時利用單片機實現(xiàn)PID控制參數(shù)精確設(shè)定及軟啟動功能，降低了功率放大器熱噪聲及產(chǎn)品成本， 提高了裝置負(fù)載量及保護能力，最終設(shè)計成一款高精度、高可靠性，輸出光功率連續(xù)可調(diào)的恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器。該裝置可大幅度提高系統(tǒng)的可靠性，操作簡便，降低系統(tǒng)成本和體積，極大地提高系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)要達到的基本技術(shù)指標(biāo)如下激光器兩端恒壓控制精度在0. 1 %以內(nèi)，且在2-5V間連續(xù)可調(diào)；要求激光驅(qū)動器額定帶載電流3A以上，以驅(qū)動大功率激光器；能有效控制激光管工作溫度，保證溫度波動不大于士0. rc ；具有限流、過壓、軟啟動及防浪涌沖擊等保護功能；電磁兼容合理布線、布局降低電磁干擾，減小噪音。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的區(qū)別在于，它還包括監(jiān)測顯示電路15，所述監(jiān)測顯示電路15的溫度信號輸入端與MCU控制器1的溫度信號輸出端連接。本實施方式能夠監(jiān)測及顯示系統(tǒng)當(dāng)前運行參數(shù)。
具體實施方式
三、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的區(qū)別在于，它還包括報警電路16，所述報警電路16 的報警信號輸入端與MCU控制器1的報警信號輸出端連接。
具體實施方式
四、結(jié)合圖2說明本具體實施方式
，本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器的區(qū)別在于，電壓采樣電路7包括十號電阻R10、二號運算放大器U2和十一號電阻Rl 1 ；電流采樣電路8包括三號運算放大器U3、五號電容C5、十二號電阻R12、十三號電阻R13、十四號電阻R14和十五號電阻R15 ；恒流控制電路9包括十六號電阻R16、十七號電阻R17、一號電容Cl、一號電阻R1、 一號運算放大器U1、一號二極管D1、電位器R2、恒流源Q1、二號三極管Q2、三號二極管D3、 一號電感Li、二號電容C2、三號電容C3、穩(wěn)壓管TV、三號電阻R3、三號三極管Q3、四號三極管Q4、五號三極管Q5、四號電阻R4、五號電阻R5、六號電阻R6、七號電阻R7、八號電阻R8和九號電阻R9 ；一號電阻Rl的一端作為恒流控制電路9的恒流控制信號的輸入端，所述一號電阻 Rl的另一端與一號運算放大器Ul的正向輸入端連接，所述一號運算放大器Ul的反向輸入端同時與一號電容Cl的一端、十七號電阻R17的一端和十六號電阻R16的一端連接；所述一號電容Cl的另一端同時與十七號電阻R17的另一端、一號運算放大器Ul的輸出端和一號二極管Dl的陰極連接；一號二極管Dl的陽極同時與電位器R2的一端、恒流源Ql的一端和二號三極管Q2的基極連接；電位器R2的另一端與恒流源Ql的控制端連接；恒流源Ql 的輸出端同時與二號三極管Q2的集電極、三號三極管Q3的集電極、四號三極管Q4的集電極、五號三極管Q5的集電極、三號二極管D3的陽極、一號電感Ll的一端和二號電容C2的一端連接；三號二極管D3的陰極同時與一號電感Ll的另一端、三號電容C3的另一端、穩(wěn)壓管TV的陰極和電源的正極連接；電源的負(fù)極同時與穩(wěn)壓管TV的陽極、三號電容C3的另一端和二號電容C2的另一端連接電源地；二號三極管Q2的發(fā)射極同時與三號電阻R3的一端、四號電阻R4的一端、五號電阻R5的一端和六號電阻R6的一端連接；三號電阻R3的另一端與三號三極管Q3的基極連接；四號電阻R4的另一端與四號三極管Q4的基極連接；五號電阻R5的另一端與五號三極管Q5的基極連接；三號三極管Q3的發(fā)射極與七號電阻R7的一端連接；四號三極管Q4的發(fā)射極與八號電阻R8的一端連接；五號三極管Q5的發(fā)射極與九號電阻R9的一端連接；六號電阻R6的另一端同時與四號電容C4的一端、二號二極管D2的陰極、激光二極管LD的陽極、二號運算放大器U2的正向輸入端、七號電阻R7的另一端、八號電阻R8的另一端和九號電阻R9的另一端連接；四號電容C4的另一端同時與二號二極管D2的陽極、激光二極管LD 的陰極、二號運算放大器U2的反向輸入端、十二號電阻R12的一端、十三號電阻R13的一端和五號電容C5的一端連接；二號運算放大器U2的兩個增益設(shè)置端之間串聯(lián)有電阻RlO ；二號運算放大器U2的輸出端作為電壓采樣電路7的電壓采樣信號輸出端；五號電容C5的另一端同時與十三號電阻R13的另一端、十四號電阻R14的一端和電源地連接；十二號電阻R12的另一端與三號運算放大器U3的正向輸入端連接；十四號電阻R14的另一端同時與三號運算放大器U3的反向輸入端和十五號電阻R15的一端連接； 十五號電阻R15的另一端同時與三號運算放大器U3的輸出端和十六號電阻R16的另一端連接。工作原理本實施方式中的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器采用以穩(wěn)壓驅(qū)動為基礎(chǔ)，通過雙閉環(huán)采樣恒定電壓控制系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)實現(xiàn)激光器正常工作并發(fā)出功率穩(wěn)定的激光，同時通過以單片機為核心的A/D轉(zhuǎn)換和放大電路達到設(shè)定或調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出恒定電壓的效果。系統(tǒng)硬件電路具體設(shè)計輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器硬件電路包括基于雙閉環(huán)的恒壓控制電路、恒溫控制電路、單片機控制系統(tǒng)及輔助電源。1、基于雙閉環(huán)的恒壓控制電路基于雙閉環(huán)的恒壓模式控制原理圖如圖3所示，若激光器兩端的電壓過大，發(fā)出的光功率增強。此時電壓采樣器接收到的信號將增大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號與單片機內(nèi)設(shè)定恒定電壓所對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓信號數(shù)字量相比較，使得經(jīng)D/A輸出后的電壓基準(zhǔn)源Ur降低。由于內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，這樣就形成了恒流閉環(huán)系統(tǒng)，由于電壓基準(zhǔn)源Ur的降低，將使流經(jīng)激光器的電流減少，從而使得激光器兩端電壓降低，如此循環(huán)直至電壓恒定， 最終使激光器輸出功率穩(wěn)定?；陔p閉環(huán)的恒壓模式控制電路內(nèi)環(huán)以達林頓連接模式為調(diào)整放大器，且將其接成發(fā)射極輸出的形式，半導(dǎo)體激光器作為負(fù)載串聯(lián)在達林頓第2級發(fā)射極，通過控制達林頓第1級三極管基極電流實現(xiàn)對激光器電流的控制。本驅(qū)動器中，在放大器達林頓連接模式的基礎(chǔ)上，將第2級小功率三極管放大器多個并聯(lián)(Q3 Q5)，這樣就可利用總的大電流通過小功率放大器的分流實現(xiàn)在不更換高成本大功率元件條件下降低調(diào)整放大器的發(fā)熱溫度，從而避免因發(fā)熱而引入熱噪聲，降低輸出恒定電壓精度。圖中R3至R9起三極管并聯(lián)連接時電流分流平衡的作用。高精度采樣電阻R13接在半導(dǎo)體激光器下方，所得電流采樣信號先經(jīng)過由U3及外圍電阻組成的同相比例放大環(huán)節(jié)，接著再接入高精度運放Ul的反相輸入端，構(gòu)成電流負(fù)反饋，達到流經(jīng)激光器的電流恒定。內(nèi)環(huán)中流經(jīng)激光器的電流I在R13 上的壓降形成反饋電壓，I變化的任何傾向都將表現(xiàn)為反饋至Ul反相輸入端的電壓大小， 經(jīng)與Ul同相端Ur比較，最終使電流I跟隨D/A輸出設(shè)定電壓，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)消除恒流控制電路雜散干擾的功能。電路中增加了獨特的限流保護設(shè)計電路。利用恒流電路輸出恒定電流，提供達林頓第1級三極管放大器的基極電流。該恒流電路輸出電流一部分提供給三極管放大器Q2，作為其基極電流，剩下的將通過二極管Dl全部流入OP放大器U1。在正常工作(電流不超過額定值)時，可通過改變OP放大器Ul的同相端電壓，使通過二極管Dl流入OP放大器Ul 的電流大小發(fā)生改變，最終實現(xiàn)調(diào)整放大器輸出總電流I變化。當(dāng)D/A設(shè)定輸出電壓to過大時，由于OP放大器輸出端反接了一個二極管，避免了 OP放大器的輸出電流流入達林頓第 1級三極管的基極，此時流入基極的只是恒流電路輸出的全部恒定電流。改變R2的值，就可使恒流電路輸出不同的恒定電流，只要設(shè)置合理，在外界設(shè)定值to過高的情況下可使流過半導(dǎo)體激光器的電流在最大限定值以內(nèi)，從而避免流過激光的電流過大，保護激光器。由于流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流與激光器兩端的電壓降呈非線性關(guān)系，因此需用外環(huán)控制，以實現(xiàn)恒壓的目的。圖中高精度儀用放大器用于采集半導(dǎo)體激光器兩端的壓降，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入單片機。單片機通過PID算法，輸出與設(shè)定功率所對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓信號數(shù)字量相比較，使得經(jīng)D/A輸出后的電壓基準(zhǔn)源to大小發(fā)生改變。由于內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，這樣就形成了恒流閉環(huán)系統(tǒng)，可有效消除噪聲干擾，外環(huán)通過電壓采樣反饋構(gòu)成恒壓環(huán)，最終使壓控型激光器兩端電壓恒定，輸出功率穩(wěn)定。圖2是基于雙閉環(huán)的恒壓電路控制電路圖。如圖4所示，電路Ll與C2、C3構(gòu)成了 π型濾波電路，可有效濾除文波。壓敏電阻 TV可防止過流現(xiàn)象。在最初的供電電源輸入端加入了防浪涌沖擊電路，可防止在開關(guān)過程及市電不穩(wěn)時保護激光器。其中軟啟動通過軟件實現(xiàn)。2、恒溫控制電路LD (激光二極管)輸出特性受溫度影響很大，隨著溫度的升高，必須有更多的載流子來維持所需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，LD的閾值電流升高，導(dǎo)致LD的能量轉(zhuǎn)化效率降低，電能轉(zhuǎn)換為熱能，形成正反饋，溫度進一步升高，同時發(fā)射波長也隨著溫度的變化發(fā)生漂移。如果LD不能快速有效地制冷，則會影響其輸出特性，甚至?xí)p壞LD。因此為了保證LD有較長的工作壽命，必須采取ATC (auto temperature control) 措施，通過控制LD管芯溫度來維持LD正常工作的溫度。一般ATC是采用半導(dǎo)體TEC(熱電制冷器)。TEC是一種沒有運動部分的小型熱泵，常被運用于空間有限和高可靠性的場合。 TEC的功能實現(xiàn)取決于供電電流的方向，通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制熱或者制冷。本裝置選用芯片MAX1968，是用來控制TEC實現(xiàn)LD的ATC。MAX1968是一款適用于 Peltier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動芯片，工作于單電源，能夠提供士3A雙極性輸出，其功能框圖如圖5所示。MAX1968是一個TEC控制器，用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度。每個加載在MAX1968電流控制輸入端的電壓對應(yīng)一個目標(biāo)溫度設(shè)定點。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對LD供熱或是制冷。LD的溫度由溫度傳感器來測量并反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動 TEC工作。TEC控制器為了完成此工作，需要一個精密的輸入放大器，用以準(zhǔn)確測量目標(biāo)溫度和LD實際溫度之間的差別；需要一個補償放大器，用以優(yōu)化TEC對溫度間隔的反應(yīng)。MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統(tǒng)外部元件少，所以可廣泛應(yīng)用于激光器、各種光電儀器和光通信、自動測試設(shè)備和生物技術(shù)實驗室沒備等ATC系統(tǒng)。圖6為利用MAX1968設(shè)計LD的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中主控回路采用負(fù)反饋，將溫度傳感器輸出的電壓與給定電壓比較，所得誤差值經(jīng)放大和一定的控制電路或控制算法后，送入MAX1968，以控制TEC上的電壓、電流的大小和方向，進而實現(xiàn)制冷或制熱。常用的溫度傳感器有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測器，包括鉬電阻、銅電阻等)、集成溫度傳感器(如LM335、AD590或AD592等)。本裝置為較好地實現(xiàn)各種指標(biāo)采用溫度傳感器DS18B20及單片機共同組成的數(shù)字式溫度-電壓傳感器。制冷片溫度20-30°C對應(yīng)輸出電壓1-4V。3、系統(tǒng)軟件軟件的整體工作過程如圖7所示，在上電以后，首先進入第一階段，單片機對內(nèi)部資源進行初始化，包括對其他將被使用到的端口進行初始化，內(nèi)部定時器的初始化，還有外部中斷的初始化。第二階段，通過A/D模塊進行電壓采集，并且判斷當(dāng)前工作電壓是否正常，如果不正常，則需要判斷當(dāng)前是過電壓還是欠電壓，從而作出相應(yīng)的電壓保護，并且通過蜂鳴器和液晶報警。如果電壓正常，則進入下一步的工作。第三階段，對所有的外設(shè)進行初始化，這個階段包括對A/D進行初始化，D/A進行初始化，還有對DS18B20進行初始化，在對以上外設(shè)初始化后，啟動定時器，進入液晶主界面，然后用戶可進行功率設(shè)定，因為恒壓模式驅(qū)動的激光器工作時激光器兩端電壓需保持恒定，因此改變運放Ul同相輸入端基準(zhǔn)電壓to就可以改變激光器端電壓的壓降，從而可調(diào)節(jié)發(fā)射功率，這兩部分都是通過最開始d的D/A初始化完成的，且開啟時采用軟啟動開啟方式。第四階段，在主程序中進行顯示實時溫度，顯示實時電流值，并且等待外部中斷中是否有按鍵被按下，如果有按鍵被按下，則重新設(shè)定當(dāng)前的輸出電流值，如果沒有中斷發(fā)生，則等待IOOms以后，繼續(xù)循環(huán)第四階段中的內(nèi)容。本實施方式是一款高精度、高可靠、輸出光功率連續(xù)可調(diào)的恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器設(shè)計。解決了傳統(tǒng)大功率半導(dǎo)體激光驅(qū)動器必須使用高成本大功率放大器、輸出光功率精度易受熱噪聲影響、限流保護不足、調(diào)試和維護困難等問題。輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器設(shè)計實現(xiàn)了雙閉環(huán)控制運行、高精度連續(xù)可調(diào)、高可靠和性價比高的目標(biāo)。輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器取代了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光驅(qū)動器設(shè)計的硬件化，通過雙閉環(huán)系統(tǒng)可方便調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，獨特的多放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)及限流電路等保護措施不但提高了輸出精度，而且對激光器起到了高效的保護作用。輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器設(shè)計技術(shù)可有效應(yīng)用于恒壓型、大功率的激光器驅(qū)動，該技術(shù)達到了國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進水平，該裝置完成的關(guān)鍵技術(shù)主要有解決了大功率輸出時放大器發(fā)熱嚴(yán)重、熱噪聲問題在放大器達林頓連接的基礎(chǔ)上，將第2級放大器多個并聯(lián)，在利用小功率放大器的條件下就可增加輸出電流，提高帶載能力，從而可不通過更換高成本大功率元件就能實現(xiàn)大功率輸出，且利用均流技術(shù)可大大降低放大器發(fā)熱溫度，從而避免大功率輸出時引入熱噪聲，降低恒壓輸出精度。獨特的限流保護設(shè)計利用恒流電路提供放大器達林頓第1級三極管的基極電流。該恒流電路輸出的電流一部分提供給放大器作為基極電流，剩下的將全部流入OP放大器。在正常工作(電流不超過額定值)時，通過改變OP放大器的流入電流，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出的恒定電壓值(即光功率值)。當(dāng)D/A基準(zhǔn)電壓過大時，由于OP放大器輸出端反接了一個二極管，避免了 OP放大器輸出電流流入達林頓第1級三極管的基極，此時流入基極的將只是恒流電路輸出的全部電流。只要恒流電路輸出的電流設(shè)置合理，可使最終的總輸出電流保持在限定值以內(nèi)，從而避免流過激光的電流過大。 本裝置采用雙閉環(huán)設(shè)計，內(nèi)環(huán)可有效抑制噪聲，通過單片機可實現(xiàn)PID參數(shù)的精確設(shè)置，避免通過更換電阻、電容值實現(xiàn)。通過軟件實現(xiàn)軟啟動功能，保護因開啟時產(chǎn)生過電流而損壞激光器。本裝置是恒壓模式驅(qū)動的半導(dǎo)體激光驅(qū)動器(目前恒壓型驅(qū)動器較少)，附有恒溫模塊及防浪涌沖擊等保護措施，可輸出高精度恒定電壓，且功率連續(xù)可調(diào)。
權(quán)利要求
1.輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，其特征是它包括MCU 控制器(1)、電源電路O)、降壓電路(3)、反接保護電路G)、抗浪涌沖擊電路(5)、濾波電路(6)、電壓采樣電路(7)、電流采樣電路(8)、恒流控制電路(9)、熱敏電阻(10)、采樣電路 (11)、溫度控制電路(12)、TEC制冷器(13)和激光二極管(LD)；電源電路( 的電源信號輸出端與降壓電路C3)的電源信號輸入端連接，降壓電路(3) 的電源信號輸出端與反接保護電路的信號輸入端連接，反接保護電路的信號輸出端與抗浪涌沖擊電路(5)的信號輸入端連接，抗浪涌沖擊電路(5)的信號輸出端與濾波電路(6)的信號輸入端連接，濾波電路(6)的信號輸出端與激光二極管(LD)的電源信號輸入端連接，電壓采樣電路(7)用于采集激光二極管(LD)兩端的端電壓，電流采樣電路(8)用于采集激光二極管(LD)的工作電流，恒流控制電流(9)用于控制流經(jīng)激光二極管(LD)的電流強度，電壓采樣電路(7)的采樣信號輸出端與MCU控制器(1)的電壓采樣信號輸入端連接，電流采樣電路( 的采樣信號輸出端與恒流控制電路⑶)的采樣信號輸入端連接，恒流控制電路(9)的控制信號輸入端與MCU控制器(1)的恒流控制信號輸出端連接；熱敏電阻(10)用于采集激光二極管(LD)表面的溫度，所述熱敏電阻(10)的溫度信號輸出端與采樣電路(11)的溫度信號輸入端連接，采樣電路(11)的溫度信號輸出端與MCU 控制器(1)的溫度信號輸入端連接；TEC制冷器(13)用于對激光二極管(LD)的表面進行制冷，所述TEC制冷器(13)的溫度控制信號輸入端與溫度控制電路(1 的溫度控制信號輸出端連接；溫度控制電路(12) 的溫度信號輸入端與熱敏電阻(10)的溫度信號輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器， 其特征在于它還包括監(jiān)測顯示電路(15)，所述監(jiān)測顯示電路(1 的顯示信號輸入端與MCU 控制器(1)的顯示信號輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器， 其特征在于它還包括報警電路(16)，所述報警電路(16)的報警信號輸入端與MCU控制器 (1)的報警信號輸出端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器， 其特征在于電壓采樣電路(7)包括十號電阻(RlQ)、二號運算放大器(U2)和十一號電阻 (Rll)；電流采樣電路⑶包括三號運算放大器(U3)、五號電容(C5)、十二號電阻(R12)、 十三號電阻(R13)、十四號電阻(R14)和十五號電阻(R15)；恒流控制電路(9)包括十六號電阻(R16)、十七號電阻(R17)、一號電容(Cl)、一號電阻(R1)、一號運算放大器(U1)、一號二極管(Dl)、電位器(R2)、恒流源(Ql)、二號三極管(Q2)、三號二極管(D3)、一號電感 (Li)、二號電容(C2)、三號電容(C3)、穩(wěn)壓管(TV)、三號電阻(R3)、三號三極管0^3)、四號三極管(Q4)、五號三極管0^5)、四號電阻(R4)、五號電阻(R5)、六號電阻(R6)、七號電阻 (R7)、八號電阻(R8)和九號電阻(R9)；一號電阻(Rl)的一端作為恒流控制電路(9)的恒流控制信號的輸入端，所述一號電阻 (Rl)的另一端與一號運算放大器(Ul)的正向輸入端連接，所述一號運算放大器(Ul)的反向輸入端同時與一號電容(Cl)的一端、十七號電阻(R17)的一端和十六號電阻(R16)的一端連接；所述一號電容(Cl)的另一端同時與十七號電阻(R17)的另一端、一號運算放大器 (Ul)的輸出端和一號二極管(Dl)的陰極連接；一號二極管(Dl)的陽極同時與電位器(R2)的一端、恒流源(Ql)的一端和二號三極管(Q2)的基極連接；電位器(R2)的另一端與恒流源(Ql)的控制端連接；恒流源(Ql)的輸出端同時與二號三極管(Q2)的集電極、三號三極管(Q3)的集電極、四號三極管(Q4)的集電極、五號三極管(Q5)的集電極、三號二極管(D3) 的陽極、一號電感(Li)的一端和二號電容(C2)的一端連接；三號二極管(D3)的陰極同時與一號電感(Li)的另一端、三號電容(C3)的另一端、穩(wěn)壓管(TV)的陰極和電源的正極連接；電源的負(fù)極同時與穩(wěn)壓管(TV)的陽極、三號電容(C3)的另一端和二號電容(C2)的另一端連接電源地； 二號三極管(Q2)的發(fā)射極同時與三號電阻(R3)的一端、四號電阻(R4)的一端、五號電阻(R5)的一端和六號電阻(R6)的一端連接；三號電阻(R3)的另一端與三號三極管(Q3) 的基極連接；四號電阻(R4)的另一端與四號三極管(Q4)的基極連接；五號電阻(R5)的另一端與五號三極管(Q5)的基極連接；三號三極管(Q3)的發(fā)射極與七號電阻(R7)的一端連接；四號三極管(Q4)的發(fā)射極與八號電阻(R8)的一端連接；五號三極管(Q5)的發(fā)射極與九號電阻(R9)的一端連接；六號電阻(R6)的另一端同時與四號電容(C4)的一端、二號二極管(D2)的陰極、激光二極管(LD)的陽極、二號運算放大器(U2)的正向輸入端、七號電阻(R7)的另一端、八號電阻(R8)的另一端和九號電阻(R9)的另一端連接；四號電容(C4) 的另一端同時與二號二極管(D2)的陽極、激光二極管(LD)的陰極、二號運算放大器(U2) 的反向輸入端、十二號電阻(R12)的一端、十三號電阻(R13)的一端和五號電容(C5)的一端連接；二號運算放大器(U2)的兩個增益設(shè)置端之間串聯(lián)有電阻(RlO) ；二號運算放大器 (U2)的輸出端作為電壓采樣電路(7)的電壓采樣信號輸出端；五號電容(C5)的另一端同時與十三號電阻(R13)的另一端、十四號電阻(R14)的一端和電源地連接；十二號電阻(R12)的另一端與三號運算放大器(U3)的正向輸入端連接； 十四號電阻(R14)的另一端同時與三號運算放大器(U3)的反向輸入端和十五號電阻(R15) 的一端連接；十五號電阻(R15)的另一端同時與三號運算放大器(U3)的輸出端和十六號電阻(R16)的另一端連接。
全文摘要
輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，涉及一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，它解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器大功率時放大器發(fā)熱嚴(yán)重，以及限流保護響應(yīng)慢問題。它的電壓采樣電路用于采集激光二極管的電壓，電流采樣電路用于采集激光二極管的電流，恒流控制電流用于控制流經(jīng)激光二極管的電流強度，電壓采樣電路的采樣信號輸出端與MCU控制器的采樣信號輸入端連接，電流采樣電路的采樣信號輸出端與恒流控制電路的采樣信號輸入端連接，恒流控制電路的控制信號輸入端與MCU控制器的恒流控制信號輸出端連接；熱敏電阻用于采集激光二極管的溫度，TEC制冷器用于對激光二極管制冷。本發(fā)明適合作為輸出光功率連續(xù)可調(diào)的高可靠恒壓模式新型光源。
文檔編號H01S5/042GK102290705SQ201110171410
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者張傳雨, 張思文, 張振東, 楊春玲, 翁凱雷 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)