專利名稱：超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路。
背景技術：
對于以超輻射發(fā)光二極管為光源的光纖傳感器，超輻射發(fā)光二極管輸出光功率及輸出光的波長、偏振態(tài)的變化將直接影響測量的系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度。超輻射發(fā)光二極管輸出光的偏振度與輸出光的功率、環(huán)境溫度等因素都有關系，而注入電流的變化及溫度的變化將導致超輻射發(fā)光二極管的輸出功率的變化，故注入超輻射發(fā)光二極管的電流的大小及環(huán)境的溫度就成為影響超輻射發(fā)光二極管輸出偏振態(tài)的關鍵因素，它們將涉及到整個系統(tǒng)偏振態(tài)的穩(wěn)定。
目前超輻射發(fā)光二極管光源模塊由相互獨立的半導體熱電制冷器TEC、熱敏電阻Rt、超輻射發(fā)光二極管SLD、監(jiān)測超輻射發(fā)光二極管輸出光功率變化的監(jiān)測二極管D等分立元件集成，參見圖3，在某些廠家生產的超輻射發(fā)光二極管光源模塊中沒有集成的監(jiān)測二極管。
現(xiàn)在普遍采用的超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制方法主要是由恒流源電路驅動超輻射發(fā)光二極管，由溫控電路實現(xiàn)溫度控制，有的還利用光反饋的方式及相關電路對超輻射發(fā)光二極管進行控制，以實現(xiàn)超輻射發(fā)光二極管穩(wěn)定發(fā)光的要求。目前的溫控電路通常采用橋式電路實現(xiàn)溫度信號的提取和轉換。在溫控范圍寬的情況下，由于負溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻的阻值與溫度的變化關系是1T=a+bln(R)+c[ln(R)]3]]>的非線性關系，廠家提供的參考電路無法滿足在寬的溫度范圍內實現(xiàn)對溫度的線性精確測量，因此也將無法滿足對溫度的高精度控制。
這些電路大多數(shù)都是采用模擬分立元件實現(xiàn)，圖1、2分別是超輻射發(fā)光二極管光源的恒流源驅動電路及溫控電路示例。
圖1中，恒流源由恒壓源、運放及三極管構成。這種電路的控制精度主要由恒壓源決定。因此，設計一個穩(wěn)定的恒壓源是此電路能否提供精密恒流驅動的關鍵。另外，由于超輻射發(fā)光二極管的輸出光功率隨溫度的變化而變化，故恒定的驅動電流并不能獲得恒定的輸出光功率，這將導致系統(tǒng)整體控制精度的降低。該電路只能實現(xiàn)對超輻射發(fā)光二極管單一的準恒流驅動，如果要實現(xiàn)在對超輻射發(fā)光二極管驅動控制的同時再實現(xiàn)對超輻射發(fā)光二極管性能老化、損壞等的監(jiān)測功能，那么電路實現(xiàn)起來將非常復雜。
圖2的溫控電路結構看起來比較簡單，但這種電路的溫度控制精度一般不超過0.1℃，如果用這種電路實現(xiàn)0.01℃的控制精度，則電路也會變得非常復雜，故用它來實現(xiàn)溫度的高精度控制比較困難。此外，由于溫控電路需要提供大的制冷或致熱電流，而該驅動電路的效率低是這種電路的又一不足。

發(fā)明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種克服上述缺陷、溫度控制精度高、電路效率高、可自動報警的超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路。
本實用新型是這樣來實現(xiàn)的超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路，包括由分立的超輻射發(fā)光二極管、熱敏電阻、半導體熱電制冷器構成的超輻射發(fā)光二極管光源模塊，與熱電制冷器、熱敏電阻相連的由半導體熱電制冷控制芯片及其外圍器件組成的溫度控制器，以及與所述超輻射發(fā)光二極管相連的輸出光功率控制電路。
所述溫度控制器的外圍器件包括輸出限流電路、溫度設定電路、輸出短路保護電路、PWM輸出電路、線性度自動調整電路；在所述線性度自動調整電路中，放大器、比較器和模擬開關依次相連，分壓電阻的一端與所述模擬開關的輸入端相連、另一端與所述半導體熱電制冷控制芯片的參考電壓輸出端相連；所述模擬開關的輸出端與所述熱敏電阻的分壓輸出端相連，所述熱敏電阻的另一端接地。
所述熱敏電阻的分壓輸出端與所述半導體熱電制冷控制芯片的熱敏電阻輸入端相連。
所述輸出光功率控制電路包括激光平均功率控制芯片及其外圍的電流-電壓轉換放大電路、超輻射發(fā)光二極管過流保護電路；在所述電流-電壓轉換放大電路中，跨導放大器的反向輸入端通過電容、電阻與檢測輸出光功率的監(jiān)測二極管相連，其輸出端與所述激光平均功率控制芯片的輸出功率設定端相連；在所述超輻射發(fā)光二極管過流保護電路中，電壓比較器與開關管依次相連；所述電壓比較器的反向輸入端與門限電壓設定電阻相連；所述開關管的外圍連接有設定開關管斷開時輸出高電平、開啟時輸出低電平的電阻，其輸出端與所述激光平均功率控制芯片的輸出控制端相連。
所述激光平均功率控制芯片與所述超輻射發(fā)光二極管相連。
所述激光平均功率控制芯片上設有流過所述超輻射發(fā)光二極管光源電流的報警設定電阻和報警器。
本實用新型的溫度控制電路由于采用半導體熱電制冷控制芯片及采用了線性度自動調整電路，脈寬調制(PWM)輸出方式，故本實用新型具有溫控范圍寬-40℃～80℃、測量及控制精度和集成度高、電效率達90％以上等特點，有效減少陀螺的功耗及由于功率器件的發(fā)熱量，降低功率器件對陀螺性能的影響。通過調整線性度自動調整電路的有關參數(shù)，使得對超輻射發(fā)光二極管光源的溫度控制精度更高、控制更有效，溫度控制精度可達±0.01℃。本實用新型中，由于采用了電流-電壓轉換放大電路，提高了電路對超輻射發(fā)光二極管光源輸出功率控制的靈敏度和精度，減小了監(jiān)測二極管D對最小反饋光功率的要求，從而間接地增大了超輻射發(fā)光二極管光源輸出功率。輸出光功率控制電路中的電流-電壓轉換放大電路使得利用半導體熱電制冷控制芯片控制超輻射發(fā)光二極管光源輸出光功率變化的靈敏度更高，控制更為精確，因此輸出光功率的穩(wěn)定度更高，超輻射發(fā)光二極管的光源輸出功率的變化率小于0.01％。超輻射發(fā)光二極管自動過流保護電路具有對超輻射發(fā)光二極管光源性能的監(jiān)測報警功能，當超輻射發(fā)光二極管由于性能降低或損壞時，電路將給出報警信號，提示用戶更換超輻射發(fā)光二極管光源。當流過超輻射發(fā)光二極管過大時，電路自動停止工作，保護了超輻射發(fā)光二極管不會因為過大電流而損壞；對溫控電路本身也起到了自動保護的作用。


圖1超輻射發(fā)光二極管光源的恒流源驅動電路圖2超輻射發(fā)光二極管光源的溫控電路圖3本實用新型的電路原理框圖圖4超輻射發(fā)光二極管光源模塊的溫度控制電路框圖圖5溫度控制電路中的線性度自動調整電路圖6超輻射發(fā)光二極管光源模塊的驅動電路具體實施方式
根據(jù)圖3，超輻射發(fā)光二極管光源模塊的驅動控制電路包括溫度控制電路、超輻射發(fā)光二極管光源模塊、輸出光功率控制電路。超輻射發(fā)光二極管光源模塊與半導體激光器組件相似，是由超輻射發(fā)光二極管SLD、熱敏電阻Rt、熱電制冷器TEC等元件組成的一個模塊，現(xiàn)在有的超輻射發(fā)光二極管光源模塊還封裝了背光探測二極管。
根據(jù)圖4，溫度控制電路由半導體熱電制冷控制芯片和其外圍的補償電路、溫度設定電路、溫度測量電路、PWM輸出電路、限流電路、輸出短路保護電路及線性度自動調整電路組成，其中半導體熱電制冷控制芯片是整個溫控電路的核心。該芯片的生產廠家為美國的ADI公司，型號為ADN8830。超輻射發(fā)光二極管的溫度由具有負溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻Rt測得，其阻值隨溫度升高而呈現(xiàn)負指數(shù)變化。
在圖4中，溫控電路的輸出短路保護電路用于有效保護輸出場效應管不被損壞，這部分電路主要由電壓比較器構成。當電路輸出短路時，電路中過大電流將使得電壓比較器一個輸入端點的電位下降，當電壓降到由預先設定的電壓時，由運放構成的電壓比較器將關斷開關晶體管，從而導致半導體熱電制冷控制芯片輸出停止。
在圖4中，溫控電路的輸出限流電路的電壓比較部分和輸出短路保護電路相同。不同的是當電路輸出電流過大，使得比較器一輸入端的電位降到由電阻設定的電壓時，由運放構成的電壓比較器將關斷開關晶體管，這時加在半導體熱電制冷控制芯片輸出電壓設定端的電壓為1.5V，從而導致加在半導體熱電制冷器TEC兩端電壓降低到0V，達到保護半導體熱電制冷器TEC的目的。
在圖4中，溫控電路的脈寬調制(PWM)輸出電路主要由兩只大功率MOSFET組成，該開關管產生0V～電源電壓大小的脈寬調制方波，該方波經過后面的的濾波電路濾波后輸入到半導體熱電制冷器TEC，輸出電壓的大小由半導體熱電制冷控制芯片內部產生的開關頻率及濾波元件的值確定。
在圖4、5中，溫度設定電路由分壓電阻R28、R29組成，通過調整它們的阻值設定溫度控制范圍。其中分壓電阻R29的一端連接在半導體熱電制冷控制芯片U5的參考電壓輸出端7，另一端與半導體熱電制冷控制芯片U5的溫度設定端4相連。分壓電阻R28一端接地，另一端與半導體熱電制冷控制芯片U5的溫度設定端4連接。分壓電阻R28、R29的阻值由熱敏電阻Rt的參數(shù)及電路的溫度控制范圍計算得出。
在圖5中，超輻射發(fā)光二極管光源模塊內的熱電制冷器TEC的“+”、“-”輸入端分別與半導體熱電制冷控制芯片U5的腳9和19相連。溫度的測量通過一個與熱敏電阻Rt構成的分壓電阻網(wǎng)絡完成。在該電阻分壓網(wǎng)絡中，熱敏電阻Rt的分壓輸出端連接在半導體熱電制冷控制芯片U5的熱敏電阻輸入端2，另一端接地。
和熱敏電阻Rt構成分壓網(wǎng)絡的是由電阻R24、R25、R26和R27通過模擬開關U4控制以1個或2個并聯(lián)、3個并聯(lián)、4個并聯(lián)的方式與熱敏電阻Rt構成電阻分壓器。電阻R24、R25、R26和R27的一端與半導體熱電制冷控制芯片U5的參考電壓輸出端7相連，另一端分別與模擬開關U4的4個開關輸入端相連。熱敏電阻Rt的分壓輸出端分別與模擬開關U4的4個輸出端相連。模擬開關U4的型號為ADG811。
線性度自動調整電路可在任何允許的溫度范圍內分為任意多個溫度線性度自動調整段。當超輻射發(fā)光二極管光源模塊中的熱敏電阻Rt檢測到的溫度比由溫度設定電路R28、R29預先設定的溫度低時，半導體熱電制冷控制芯片U5控制后面的PWM輸出電路向熱電制冷器TEC輸出由負極流向正極的電流加熱超輻射發(fā)光二極管SLD；當超輻射發(fā)光二極管光源模塊中的熱敏電阻Rt檢測到的溫度比由溫度設定電路中電阻R28、R29預先設定的溫度高時，半導體熱電制冷控制芯片U5控制后面的PWM輸出電路向熱電制冷器TEC輸出由正極流向負極的電流冷卻超輻射發(fā)光二極管SLD，從而完成對超輻射發(fā)光二極管光源模塊溫度的控制。
電阻R4、R7、R9、R12、R14、R17、R19、R22為設定比較器U2、U3門限電壓的精密電位器，比較器U2、U3的型號為LM339。
線性度自動調整電路在-40℃～80℃分為-40℃～-10℃、-10.01℃～20℃、20.01℃～50℃、50.01℃～80℃4個溫度線性度自動調整段。當溫度為80℃時，電壓取樣點A點輸出的電壓最小，當溫度為-40℃時，電壓取樣點A點輸出的電壓最大。
電阻R4為溫度-40℃時的門限電壓UR1設定精密電位器，電阻R7為溫度-10℃時的門限電壓UR2設定精密電位器；電阻R9為溫度-10.01℃時的門限電壓UR3設定精密電位器，電阻R12為溫度20℃時的門限電壓UR4設定精密電位器；電阻R14為溫度20.01℃時的門限電壓UR5設定精密電位器，電阻R17為溫度50℃時的門限電壓UR6設定精密電位器；電阻R19為溫度50.01℃時的門限電壓UR7設定精密電位器，電阻R22為溫度80℃時的門限電壓UR8設定精密電位器。
系統(tǒng)上電后，電壓取樣點A點輸出的電壓被放大器U1放大為Uin后加到雙限比較器U2a、U2b上，當被比較的信號電壓Uin位于由電阻R4設定的門限電壓UR1和由R7設定的門限電壓UR2之間時，即UR1＜Uin＜UR2，表明被測溫度在-40℃～-10℃范圍。這時雙限比較器U2a、U2b輸出為高電位Uo＝Uoh，這個高電位然后輸入到模擬開關U4的輸入控制端IN1，模擬開關U4的輸入端S1、D1之間的開關接通，這樣電阻R24聯(lián)入溫度測量電路中，實現(xiàn)對-40℃～-10℃范圍內的溫度測量線性度的調整。當被比較的信號電壓Uin不在由電阻R4設定的門限電壓UR1和由電阻R7設定的門限電壓UR2之間，即Uin＞UR2或Uin＜UR1時，表明被測溫度不在-40℃～-10℃范圍。這時雙限比較器輸出為低電位Uo＝Uol，這個低電位然后輸入到模擬開關U4的輸入控制端IN1，模擬開關U4的輸入端S1、D1之間的開關斷開，這樣電阻R24斷出測量電路中。放大器U1應選擇高輸入阻抗的FET輸入型放大器。
雙限比較器U2c、U2d，U3c、U3b，U3c、U3d及其后續(xù)電路的工作原理與雙限比較器U2a、U2b及其后續(xù)電路的工作原理完全相同。
在圖6中，激光平均功率控制芯片U2作為驅動超輻射發(fā)光二極管SLD發(fā)光并控制輸出功率穩(wěn)定的驅動控制器件，其生產廠家為美國的ADI公司，型號為ADN2830。D為檢測輸出光功率的監(jiān)測二極管。
上電后，由激光平均功率控制芯片U2輸出的電流驅動超輻射發(fā)光二極管SLD發(fā)光，超輻射發(fā)光二極管SLD所輸出光的一部分反饋到監(jiān)測二極管D上，于是在監(jiān)測二極管D內部產生一定大小的光電流，該光電流通過跨導放大器U3轉換為電壓信號并加到激光平均功率控制芯片U2的輸出功率設定端。當超輻射發(fā)光二極管SLD的輸出功率達到由電阻R9、跨導放大器U3設定的功率時，電路進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
如因外界環(huán)境變化而導致超輻射發(fā)光二極管SLD輸出光功率的增大，則電路會按照與輸出變化相反的方向調整驅動電流，使超輻射發(fā)光二極管SLD輸出光功率減小。如因外界環(huán)境變化而導致超輻射發(fā)光二極管SLD輸出光功率的減小，則電路會按照與輸出變化相反的方向調整驅動電流，使超輻射發(fā)光二極管SLD輸出光功率增大。從而保證了輸出光功率的穩(wěn)定。
激光平均功率控制芯片U2上設有流過所述超輻射發(fā)光二極管光源電流的報警設定電阻R10、R11和報警器J1、J2，當超輻射發(fā)光二極管光源模塊的性能下降或損壞時，流過超輻射發(fā)光二極管SLD的電流超過設定值，在報警器J1、J2輸出報警信號。
在圖6中，電流-電壓轉換放大電路由跨導放大器U3及其外圍元件電容C3、電阻R9組成。當監(jiān)測二極管D受到耦合過來的微弱光照射時，監(jiān)測二極管D中將輸出微弱的光電流，該電流通過跨導放大器U3及電阻R9轉換為電壓信號加到激光平均功率控制芯片U2的輸出功率設定端，完成對輸出光功率的控制。
超輻射發(fā)光二極管過流保護電路由電容C1、C2、電阻R1、R2、R3、R4、R5、R8、電壓比較器U1、N溝道MOS開關管Q1等元件組成。電阻R1、R2為電壓比較器U1的門限電壓設定電阻，電阻R3、R5用于設定開關管Q1斷開時的輸出高電平，電阻R4用于設定開關管Q1開啟時的輸出低電平。正常工作時，電壓取樣點A點的電壓高于由電阻R1、R2設定的電壓比較器U1的門限電壓，這使得開關管Q1工作在導通狀態(tài)。因此，輸入到激光平均功率控制芯片U2第20腳的電壓為電阻R4設定的低電平。由于激光平均功率控制芯片U2的第20腳用于控制激光平均功率控制芯片U2的輸出，低電平時激光平均功率控制芯片U2正常輸出，高電平時激光平均功率控制芯片U2停止輸出，故此時激光平均功率控制芯片U2正常輸出。當流過超輻射發(fā)光二極管的電流增大時，電壓取樣點A點的電壓將降低，當因電流增大導致的取樣點A點的電壓降低到由電阻R1、R2設定的電壓比較器U1的門限電壓時，電壓比較器U1的輸出狀態(tài)翻轉。這時開關管Q1斷開。因此，輸入到激光平均功率控制芯片U2第20腳的電壓為電阻R3、R5設定的高電平。低電平時激光平均功率控制芯片U2正常輸出，高電平時激光平均功率控制芯片U2停止輸出，故此時激光平均功率控制芯片U2輸出停止，保護了超輻射發(fā)光二極管不會因為過大電流而損壞。
權利要求1.超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路，包括由分立的超輻射發(fā)光二極管、熱敏電阻、半導體熱電制冷器構成的超輻射發(fā)光二極管光源模塊，其特征在于還包括與所述半導體熱電制冷器、熱敏電阻相連的由半導體熱電制冷控制芯片及其外圍器件組成的溫度控制器，以及與所述超輻射發(fā)光二極管相連的輸出光功率控制電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的驅動控制電路，其特征在于所述溫度控制器的外圍器件包括輸出限流電路、溫度設定電路、輸出短路保護電路、PWM輸出電路、線性度自動調整電路；在所述線性度自動調整電路中，放大器、比較器和模擬開關依次相連，分壓電阻的一端與所述模擬開關的輸入端相連、另一端與所述半導體熱電制冷控制芯片的參考電壓輸出端相連；所述模擬開關的輸出端與所述熱敏電阻的分壓輸出端相連，所述熱敏電阻的另一端接地。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的驅動控制電路，其特征在于所述熱敏電阻的分壓輸出端與所述半導體熱電制冷控制芯片的熱敏電阻輸入端相連。
4.根據(jù)權利要求2所述的驅動控制電路，其特征在于所述比較器為比較器集成電路。
5.根據(jù)權利要求1所述的驅動控制電路，其特征在于所述輸出光功率控制電路包括激光平均功率控制芯片及其外圍的電流-電壓轉換放大電路、超輻射發(fā)光二極管過流保護電路；在所述電流—電壓轉換放大電路中，跨導放大器的反向輸入端通過電容、電阻與檢測輸出光功率的監(jiān)測二極管相連，其輸出端與所述激光平均功率控制芯片的輸出功率設定端相連；在所述超輻射發(fā)光二極管過流保護電路中，電壓比較器與開關管依次相連；所述電壓比較器的反向輸入端與門限電壓設定電阻相連；所述開關管的外圍連接有設定開關管斷開時輸出高電平、開啟時輸出低電平的電阻，其輸出端與所述激平均功率控制芯片的輸出控制端相連。
6.根據(jù)權利要求5所述的驅動控制電路，其特征在于所述激光平均功率控制芯片與所述超輻射發(fā)光二極管相連。
7.根據(jù)權利要求2所述的驅動控制電路，其特征在于所述線性度自動調整電路中放大器為高輸入阻抗的FET輸入型放大器。
8.根據(jù)權利要求5或6所述的驅動控制電路，其特征在于所述激光平均功率控制芯片上設有流過所述超輻射發(fā)光二極管光源電流的報警設定電阻和報警器。
專利摘要本實用新型公開了超輻射發(fā)光二極管光源的驅動控制電路。它包括由分立的超輻射發(fā)光二極管、熱敏電阻、熱電制冷器構成的超輻射發(fā)光二極管光源模塊，與熱電制冷器、熱敏電阻相連的由半導體熱電制冷控制芯片及其外圍器件組成的溫度控制器，以及與所述超輻射發(fā)光二極管相連的輸出光功率控制電路。本實用新型解決了溫控范圍寬的情況下，超輻射發(fā)光二極管的驅動控制電路無法滿足對溫度的高精度控制、輸出光功率的穩(wěn)定度差的問題。
文檔編號H05B37/02GK2867784SQ20052004811
公開日2007年2月7日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2005年12月29日
發(fā)明者王貴甫 申請人:上海永鼎光電子技術有限公司, 王貴甫