專利名稱：一種數字式大功率半導體激光電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子工業(yè)及光電技術領域，涉及一種半導體激光器，尤其涉及一種數字式大功率半導體激光電源。
背景技術：
大功率半導體激光器在皮膚治療、手術治療腫瘤、光針灸等醫(yī)學領域應用廣泛。另外大功率激光器在工業(yè)生產和軍事國防等行業(yè)同樣有著廣泛的應用，如材料加工和激光測距等。大功率半導體激光器需要專用的電源來驅動。大功率半導體激光器價格昂貴，其輸出波長和功率與驅動電流、結溫度有很大關系，同時浪涌電流以及電網沖擊等多種瞬態(tài)的電壓或電流尖峰都很容易損壞激光器，縮短其使用壽命，因此對半導體激光器的驅動電源有很高的要求。傳統(tǒng)的純模擬激光電源，操作不方便，線性控制不好，現有的大功率半導體激光電源，結構復雜，體積較大，在穩(wěn)定性、可靠性和安全性等方面也不盡人意，導致激光器的使用壽命縮短等。

發(fā)明內容
為克服現有技術中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種智能化程度高、抗干擾能力強、溫度控制精度高、電源穩(wěn)定度高、對激光器無損害的數字式大功率半導體激光電源。為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現
一種數字式大功率半導體激光電源，包括供電單元、接口單元、主控單元、恒流單元、溫度控制單元和電流檢測單元；
所述供電單元包括一 220V交流轉直流MV電源模塊，所述220V交流轉直流MV電源模塊分別連接有一電平轉換模塊和直流24V轉直流5V可調模塊；220V交流轉直流MV電源模塊將交流220V轉換成直流24V直接用于給風扇等供電；電平轉換模塊，將直流MV電壓轉換為給主控單元及接口單元所需電壓；直流24V轉直流5V可調模塊給恒流單元提供電源，經恒流后給激光器供電。所述接口單元包括串口、鍵盤輸入、存儲器和顯示單元；通過串口可以下載控制器程序，同時主控單元可以通過串口發(fā)送調試信息到上位機便于調試；鍵盤輸入用于設置激光器的輸出功率、工作模式以及工作狀態(tài)等；存儲器用于保存激光電源的校準數據以及掉電保護功能；顯示單元用于顯示激光器的工作電流及工作狀態(tài)等數據。所述主控單元包括一微處理器，所述微處理器連接有一模數轉換器A/D和數模轉換器D/A;微處理器主要依據用戶需求，在設備的總體技術指標范圍內，控制半導體激光模塊輸出滿足要求的激光，并使其高穩(wěn)定的工作，同時，完成相關數據的輸出顯示與存儲；模數轉換器A/D需要完成數控恒流源的輸出電流采集，半導體激光器工作溫度信號的采集； 數模轉換器D/A用來控制恒流源，使得其輸出滿足要求的半導體激光器的驅動電流。
所述恒流單元包括多個誤差放大，所述的多個誤差放大的輸出端分別連接一互補推免電路，所述的多個互補推挽電路分別連接一場效應管的柵極，所述的多個場效應管的源極分別通過一均流電阻接地，所述的多個誤差放大的反相輸入端分別接至所述場效應管的源極，所述的多個誤差放大的同相輸入端之間及所述的多個場效應管的漏極之間相并聯，以實現多路并聯均流合成大電流；還包括一多路開關，所述多路開關連接所述的多個誤差放大的同相輸入端；多路開關用于切換激光器的工作模式，當多路開關輸出接地時，恒流單元無輸出電流，激光器不工作，當多路開關接數模轉換器D/A輸出時，恒流單元根據電壓大小使恒流單元輸出穩(wěn)定的電流給激光器供電，通過切換多路開關的輸出可使半導體激光器工作在連續(xù)模式或者脈沖模式；誤差放大用于比較數模轉換器D/A輸入電壓和采樣反饋電壓，將誤差放大，從而調節(jié)場效應管的工作電流，最終使激光器工作在穩(wěn)定的電流；互補推挽電路用于驅動場效應管，增強電路的驅動能力；場效應管用于恒流單元的電流調節(jié)，調節(jié)柵源電壓從而調節(jié)漏源電流，流過場效應管的電流較大，場效應管上有一定的壓降，因此場效應管消耗的功率較大，需要做好散熱。 所述溫度控制單元包括一 PID溫控電路，所述PID溫控電路連接一制冷器，所述制冷器分別連接一溫度傳感器和半導體激光器；先通過主控單元設置好激光器的工作溫度， 經過PID溫控電路的調理，輸出驅動制冷器工作，溫度傳感器檢測激光器的工作溫度，通過模數轉換器A/D轉換傳輸到主控單元進行后續(xù)處理和顯示。所述電流檢測單元包括一采樣電阻，所述采樣電阻的兩端分別連接一差分放大的同相輸入端和反相輸入端；通過差分放大采樣電阻兩端的電壓信號，在經過模數轉換器A/ D轉換傳輸到主控單元，用于顯示和警報。所述電平轉換模塊連接所述微處理器，將直流MV電壓轉換為給所述主控單元及接口單元所需的電壓；所述直流24V轉直流5V可調模塊的輸出端依次連接所述采樣電阻、 半導體激光器、和所述場效應管的漏極；
所述串口、鍵盤輸入、存儲器和顯示單元分別連接在所述微處理器上； 所述微處理器還分別連接所述直流24V轉直流5V可調模塊和多路開關，所述多路開關的輸入端分別接地和所述數模轉換器D/A的輸出端，所述數模轉換器D/A的輸出端還連接所述PID溫控電路；
所述差分放大的輸出端和所述溫度傳感器的輸出端分別連接所述模數轉換器A/D的輸入端。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(1)采用數字控制方式，使驅動電源具有智能化程度高、抗干擾能力強、溫度控制精度高、電源穩(wěn)定度高、對激光器無損害等優(yōu)點；
(2)采用多路完全獨立的壓控恒流源并聯結構，使電流在各支路平均分配，增強了電源輸出能力，同時提高了電源的可靠性，避免由于單路輸出功率較大燒毀器件；
(3)選用大功率小體積直流轉直流電源模塊，并且輸出電壓可調，可減少電源功耗，提高電源效率，同時具有體積小，可靠性高的優(yōu)點；
(4)可設置連續(xù)/單脈沖/多脈沖等多種工作模式，具有掉電數據保護、報警、實時監(jiān)測顯示等功能，方便了解激光器的工作狀態(tài)。上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段， 并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中
圖1示出了本發(fā)明的總體框架圖。圖2為本發(fā)明的電流檢測單元的電路原理圖。圖3為本發(fā)明的一實施例的恒流單元的電路原理4為本發(fā)明的一實施例的電源控制電路的電路原理圖。圖5為本發(fā)明的一實施例的開關電源的電路原理。
具體實施例方式下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發(fā)明。實施例1
參見圖1所示，一種數字式大功率半導體激光電源，包括供電單元1、接口單元2、主控單元3、恒流單元4、溫度控制單元5和電流檢測單元6 ；
所述供電單元1包括一 220V交流轉直流MV電源模塊101，所述220V交流轉直流24V 電源模塊101分別連接有一電平轉換模塊102和直流24V轉直流5V可調模塊103 ；220V交流轉直流24V電源模塊101將交流220V轉換成直流24V直接用于給風扇等供電；電平轉換模塊102，將直流MV電壓轉換為給主控單元3及接口單元2所需電壓；直流24V轉直流5V 可調模塊103給恒流單元4提供電源，經恒流后給激光器供電。所述接口單元2包括串口 201、鍵盤輸入202、存儲器203和顯示單元204 ；通過串口 201可以下載控制器程序，同時主控單元3可以通過串口 201發(fā)送調試信息到上位機便于調試；鍵盤輸入202用于設置激光器的輸出功率、工作模式以及工作狀態(tài)等；存儲器203 用于保存激光電源的校準數據以及掉電保護功能；顯示單元204用于顯示激光器的工作電流及工作狀態(tài)等數據。所述主控單元3包括一微處理器301，所述微處理器301連接有一模數轉換器A/ D302和數模轉換器D/A303 ；微處理器301主要依據用戶需求，在設備的總體技術指標范圍內，控制半導體激光模塊輸出滿足要求的激光，并使其高穩(wěn)定的工作，同時，完成相關數據的輸出顯示與存儲；模數轉換器A/D302需要完成數控恒流源的輸出電流采集，半導體激光器工作溫度信號的采集；數模轉換器D/A303用來控制恒流源，使得其輸出滿足要求的半導體激光器的驅動電流。所述恒流單元4包括多個誤差放大402，所述的多個誤差放大402的輸出端分別連接一互補推免電路403，所述的多個互補推挽電路403分別連接一場效應管404的柵極，所述的多個場效應管404的源極分別通過一均流電阻405接地，所述的多個誤差放大402的反相輸入端分別接至所述場效應管404的源極，所述的多個誤差放大402的同相輸入端之間及所述的多個場效應管404的漏極之間相并聯，以實現多路并聯均流合成大電流；還包括一多路開關401，所述多路開關401連接所述的多個誤差放大402的同相輸入端；多路開關401用于切換激光器的工作模式，當多路開關401輸出接地時，恒流單元4無輸出電流， 激光器不工作，當多路開關401接數模轉換器D/A303輸出時，恒流單元4根據電壓大小使恒流單元4輸出穩(wěn)定的電流給激光器供電，通過切換多路開關401的輸出可使半導體激光器工作在連續(xù)模式或者脈沖模式；誤差放大402用于比較數模轉換器D/A303輸入電壓和采樣反饋電壓，將誤差放大，從而調節(jié)場效應管404的工作電流，最終使激光器工作在穩(wěn)定的電流；互補推挽電路403用于驅動場效應管404，增強電路的驅動能力；場效應管404用于恒流單元4的電流調節(jié)，調節(jié)柵源電壓從而調節(jié)漏源電流，流過場效應管404的電流較大， 場效應管404上有一定的壓降，因此場效應管404消耗的功率較大，需要做好散熱。所述溫度控制單元5包括一 PID溫控電路501，所述PID溫控電路501連接一制冷器502，所述制冷器502分別連接一溫度傳感器503和半導體激光器LD ；先通過主控單元3 設置好激光器的工作溫度，經過PID溫控電路501的調理，輸出驅動制冷器502工作，溫度傳感器503檢測激光器的工作溫度，通過模數轉換器A/D302轉換傳輸到主控單元3進行后續(xù)處理和顯示。所述電流檢測單元6包括一采樣電阻602，所述采樣電阻602的兩端分別連接一差分放大601的同相輸入端和反相輸入端；通過差分放大601采樣電阻602兩端的電壓信號，在經過模數轉換器A/D302轉換傳輸到主控單元3，用于顯示和警報。所述電平轉換模塊102連接所述微處理器301，將直流24V電壓轉換為給所述主控單元3及接口單元2所需的電壓；所述直流24V轉直流5V可調模塊103的輸出端依次連接所述采樣電阻602、半導體激光器LD、和所述場效應管404的漏極；
所述串口 201、鍵盤輸入202、存儲器203和顯示單元204分別連接在所述微處理器301
上；
所述微處理器301還分別連接所述直流24V轉直流5V可調模塊103和多路開關401， 所述多路開關401的輸入端分別接地和所述數模轉換器D/A303的輸出端，所述數模轉換器 D/A303的輸出端還連接所述PID溫控電路501 ；
所述差分放大601的輸出端和所述溫度傳感器503的輸出端分別連接所述模數轉換器 A/D302的輸入端。具體的
接口單元2中，鍵盤輸入202包括各種用戶設置按鍵和配置開關，采用微處理器301的通用I/O來控制；存儲器203主要完成各種工作模式、過程數據、上一次工作狀態(tài)等數據的存儲，采用AT24C08存儲器就可以實現多個數據的記錄；串口 201通信接口主要是用來與 PC機等上位機進行通信，以及更新下載程序；顯示單元204采用8位數碼管，通過微處理器 301的通用I/O控制，實時顯示工作狀態(tài)等?？刂茊卧?中，微處理器301采用ST公司的STM32F103VC芯片，其內置3通道12 位模/數轉換器A/D，2通道12位數/模轉換器D/A。微處理器301主要依據用戶需求，在設備的總體技術指標范圍內，控制半導體激光模塊輸出滿足要求的激光，完成相關數據的輸出顯示與存儲；模數轉換器A/D302完成數控恒流源的輸出電流以及半導體激光器工作溫度信號的采集；數模轉換器D/A303用來控制恒流單元，給恒流單元提供一個參考電源， 設置恒流單元的工作電流大小。
溫度控制單元5中包括半導體制冷器和溫度檢測單元，主要是確保半導體激光器處于規(guī)定溫度正常穩(wěn)定的工作，可達到如下技術指標設定溫度20°C -30 V ；溫度穩(wěn)定度 〈士0.1 °C;冷卻方式為強制風冷；冷卻能力為0-60 W。半導體制冷器采用由兩對P、N型場效應管對管組成的H橋來驅動控制，同時，采用光電隔離，以減少開關噪聲，溫度傳感器與半導體制冷器安裝在一起，感知半導體制冷器的溫度，再經過放大器與濾波器，進入模數轉換器A/D302進行實時溫度信號采集。微處理器301根據用戶設定溫度及各種工作溫度，利用PID算法對半導體制冷器進行控制。供電單元1中，采用明緯SE-600-M開關電源，功率為600 W，輸入電壓范圍180 V -264 V的交流信號；輸出電壓為MV直流信號，給風扇提供24V的電壓并作為其它電壓信號提供直流電源。采用VICOR電源模塊，兩個200W的V24B5T200BL并聯，功率為400 W, 輸入電壓范圍為19 V -36 V直流信號，輸出電壓為5 V可調直流信號，直接用于半導體激光器驅動。采用直流24V轉直流5V可調模塊103給微控制器供電的，其功率比較小，單片集成開關降壓電源芯片即可，需要輸出5 V、3.3 V、1.8 V等幾個等級的電平。半導體激光器采用無鋁量子阱結構的長壽命、高可靠性的大功率半導體激光器， 無故障使用，平均壽命超過20000小時。實施例2
參見附圖2，多路開關輸出信號Icontrol，經R35和R43分壓，輸入到運放的同相端， 運放輸出經QlO和Q14組成的互補推挽電路驅動N溝道場效應管Q12工作，Q12型號為 IRF3205，其導通電阻為8πιΩ，漏源極可承受電壓為55V，最大導通電流為110Α，通過控制 Q12的導通狀況即可控制導通電流，R44為均流電阻，同時為采樣電阻，經反饋電阻R46接到運放的反相端，組成一個負反饋網絡，從而使電流達到平衡穩(wěn)定，附圖2中僅給出了均流電路中的一路，本例中采用六路并聯的的方式，使輸出電流0-60Α，紋波和噪聲小于0. 5%，調節(jié)精度0. 1Α，電流穩(wěn)定度小于0. 5%，Lout+和Lout-分別接激光器的正、負極。參見圖3所示，R25、R28、R30, R20和U4A組成一個差分放大電路，放大采樣電阻 R33兩端的電壓，R9、U4B和可調電阻R18組成一個放大倍數可調的同相放大電路，電壓放大后經A/D采集到主控單元，得到相應的電流大小，并通過顯示單元實時顯示。實施案例3
參見圖4所示，開關電源模塊電路中，兩個200W的VICOR模塊V24B5T200BL并聯，其輸入電壓范圍為19 V -36 V直流信號，輸出電壓為5 V可調直流信號，輸出功率為400W，兩個模塊通過PR引腳并聯，PC引腳為模塊控制引腳，當PC腳電壓低于2. 3V時，模塊不工作， 通過調節(jié)R66可使模塊輸出電壓在1. 5-5V的調節(jié)，直接給恒流單元提供電源。參見圖5所示，P0WER_0N接控制器的通用IO管腳，當其為高電平時，三極管Q22導通，光耦U19和U21導通，PCl和PC2輸出低電平，模塊不工作，當P0WER_0N為低電平時，三極管截止，PCl和PC2為高阻態(tài)，模塊正常工作。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種數字式大功率半導體激光電源，其特征在于包括供電單元(1)、接口單元 (2)、主控單元(3)、恒流單元(4)、溫度控制單元(5)和電流檢測單元(6)；所述供電單元(1)包括一 220V交流轉直流MV電源模塊(101)，所述220V交流轉直流MV電源模塊(101)分別連接有一電平轉換模塊(102)和直流24V轉直流5V可調模塊 (103)；所述接口單元(2)包括串口(201)、鍵盤輸入(202)、存儲器(203)和顯示單元(204)； 所述主控單元(3 )包括一微處理器(301)，所述微處理器(301)連接有一模數轉換器A/ D (302)和數模轉換器D/A (303)；所述恒流單元(4)包括多個誤差放大(402)，所述的多個誤差放大(402)的輸出端分別連接一互補推免電路(403)，所述的多個互補推挽電路(403)分別連接一場效應管(404) 的柵極，所述的多個場效應管(404)的源極分別通過一均流電阻(405)接地，所述的多個誤差放大(402)的反相輸入端分別接至所述場效應管(404)的源極，所述的多個誤差放大 (402)的同相輸入端之間及所述的多個場效應管(404)的漏極之間相并聯，以實現多路并聯均流合成大電流；還包括一多路開關(401)，所述多路開關(401)連接所述的多個誤差放大 (402)的同相輸入端;所述溫度控制單元(5)包括一 PID溫控電路(501 )，所述PID溫控電路(501)連接一制冷器(502)，所述制冷器(502)分別連接一溫度傳感器(503)和半導體激光器(LD)；所述電流檢測單元(6 )包括一采樣電阻(602 )，所述采樣電阻(602 )的兩端分別連接一差分放大(601)的同相輸入端和反相輸入端；所述電平轉換模塊(102)連接所述微處理器(301)，將直流MV電壓轉換為給所述主控單元(3)及接口單元(2)所需的電壓；所述直流24V轉直流5V可調模塊(103)的輸出端依次連接所述采樣電阻(602)、半導體激光器(LD)、和所述場效應管(404)的漏極；所述串口(201)、鍵盤輸入(202)、存儲器(203)和顯示單元(204)分別連接在所述微處理器(301)上；所述微處理器(301)還分別連接所述直流24V轉直流5V可調模塊(103)和多路開關 (401)，所述多路開關(401)的輸入端分別接地和所述數模轉換器D/A (303)的輸出端，所述數模轉換器D/A (303)的輸出端還連接所述PID溫控電路(501)；所述差分放大(601)的輸出端和所述溫度傳感器(503)的輸出端分別連接所述模數轉換器A/D (302)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數字式大功率半導體激光電源，由供電單元、主控單元、恒流單元、溫度控制單元、電流檢測單元以及接口電路組成。通過接口電路設置半導體激光器的工作電流及功率大小，由主控制器經D/A將控制信號送至恒流單元，穩(wěn)定半導體激光器的工作電流；溫度控制電路調節(jié)半導體制冷器工作，將半導體激光器的工作溫度限制在一定范圍，穩(wěn)定激光器的輸出；電流檢測電路通過采集采樣電阻兩端的電壓，檢測激光器的工作電流，監(jiān)測半導體激光器的工作狀態(tài)。本電源裝置具有結構簡單、輸出功率大、穩(wěn)定度高、易操作等優(yōu)點，可廣泛用于各種功率和輸出波長的半導體激光器。
文檔編號H01S5/042GK102306903SQ20111024747
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權日2011年8月24日
發(fā)明者張龍, 戴仙金, 武曉東, 高靜 申請人:蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所