CN201247906Y - 大功率激光器中的直流驱动电路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大功率激光器中的直流驱动电路结构，包括外部控制信号输入端/方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块，外部控制信号输入端依次通过方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块与激光器功能电路连接。采用该种结构的大功率激光器中的直流驱动电路结构，能够实现控制功能，高效稳定，并获得大电流的驱动能力和低纹波，驱动激光器稳定性高，而且电流可调整可控，通过控制信号CS实现了大范围电流调整，整个电路转换效率高；将CS控制信号接到检流电路，实现了稳定的电流源形成恒电流输出的恒流源；将CS信号接到输出功率检测电路，实现了恒输出功率的电路，工作状态稳定可靠，高效实用，适用范围较为广泛。

Description

大功率激光器中的直流驱动电路结构

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，特别涉及激光器直流驱动电路技术领域，具体是指一种大功率激光器中的直流驱动电路结构。

背景技术

目前，半导体激光已广泛应用于信息通信、医疗与军事等许多领域。随着技术的不断发展对激光器的功率要求也越来越高，随之而来的是要求对大功率激光器稳定可靠高效的驱动。因为激光器驱动电路是激光系统的最重要组成部分。这也就要求相应的大功率激光器驱动电路的性能的提升。就目前而言激光器驱动采用的方法都是用MOSFET，大功率三极管，或功率运放的驱动，请参阅图1所示。这些驱动电路在驱动小功率激光器(一般驱动电流<1A)时是一种可行有效的方法，但在驱动大功率激光器(一般驱动电流>2A，甚至达到几十安培以上)时，由于流过器件的电流很大，而一般这些器件为了方便控制输出电流都工作在器件的线性放大区。由于半导体器件固有特性，单工作于线性区时，器件压降很大，这也是采用这些器件用于控制电流的原因：通过器件本身的压降来控制输出的电流。

但在大功率激光器驱动中，由于电流很大，如果器件压降太大，则器件本身功耗很大，会导致以下问题：

(1)器件本身发热量很大，对系统的散热要求非常高；

(2)器件长期在高温下工作，器件的寿命降低；

(3)供电电源功率需求大，效率低；

(4)在极端情况下，根本就很难做到大电流驱动。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效控制激光器的功率输出、电路功耗较小、工作状态稳定可靠、高效实用、适用范围较为广泛的大功率激光器中的直流驱动电路结构。

为了实现上述的目的，本实用新型的大功率激光器中的直流驱动电路结构具有如下构成：

该大功率激光器中的直流驱动电路结构，包括外部控制信号输入端，其主要特点是，所述的电路结构中包括方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块，所述的外部控制信号输入端依次通过所述的方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块与激光器功能电路相连接。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的方波发生功能模块可以为电流开关整形器、PWM发生器或者单片机方波发生器。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的单片机方波发生器为LTC3729方波发生功能芯片。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的功率驱动功能模块可以为MOSFET场效应管电流开关电路或者功率三极管电流开关电路。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的MOSFET场效应管电流开关电路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管，所述的第一场效应管和第二场效应管串联跨接于电源和地之间，所述的第三场效应管和第四场效应管也串联跨接于电源和地之间，所述的第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的栅极分别与方波发生功能模块的输出端相连接，所述的滤波功能模块的输入端接于所述的第一场效应管和第二场效应管之间，且所述的滤波功能模块的输入端还接于所述的第三场效应管和第四场效应管之间。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的MOSFET场效应管电流开关电路中还包括第一稳压保护二极管和第二稳压保护二极管，所述的第一稳压保护二极管的正极接地，其负极接于第一场效应管和第二场效应管之间，所述的第二稳压保护二极管的正极接地，其负极接于第三场效应管和第四场效应管之间。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的滤波功能模块可以为LC滤波电路或者RC滤波电路。

该大功率激光器中的直流驱动电路结构中的LC滤波电路包括第一电感、第二电感第一电容和第二电容，所述的第一电感和第一电容串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的第二电感和第二电容也串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的激光器功能电路的输入端接于所述的第一电感和第一电容之间，且所述的激光器功能电路的输入端还接于所述的第二电感和第二电容之间。

采用了该实用新型的大功率激光器中的直流驱动电路结构，由于其中的功率器件工作在饱和区，降低器件本身的压降，从而降低了器件的功耗，同时工作于饱和区，使器件只有开和关两种工作状态，通过一个可控的方波发生器来控制器件开和关的时间，以控制流过器件的电功率。同时通过一个LC滤波系统，将开关的大电流信号滤波成稳定的大电流直流，用该直流电流去驱动激光器，能够实现控制功能，而且高效，开关器件功耗小，同时稳定直流的激光器驱动电流，并获得大电流的驱动能力，使得能够实现大电流输出，可以达到20A直流，同时实现了低纹波，纹波<1％，并实现了驱动激光器的稳定性<±0.1dB，而且电流可调整可控，通过控制信号(CS)实现了0.5～20A的大范围电流调整，同时整个电路转换效率>80％；另外，将CS控制信号接到检流电路，实现了稳定的电流源形成恒电流输出的恒流源；将CS信号接到输出功率检测电路，实现了恒输出功率的电路，工作状态稳定可靠，高效实用，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中的常规激光器驱动电路原理图。

图2为本实用新型的大功率激光器中的直流驱动电路结构的功能模块原理框图。

图3为本实用新型的大功率激光器中的直流驱动电路结构的电路原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该大功率激光器中的直流驱动电路结构，包括外部控制信号CS输入端，其中，所述的电路结构中包括方波发生功能模块SS、功率驱动功能模块IS和滤波功能模块FT，所述的外部控制信号输入端依次通过所述的方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块与激光器功能电路LD相连接。

其中，所述的方波发生功能模块可以为电流开关整形器、PWM发生器或者单片机方波发生器，该单片机方波发生器可以采用Linear公司的LTC3729方波发生功能芯片。

同时，所述的功率驱动功能模块可以为MOSFET场效应管电流开关电路或者功率三极管电流开关电路。

其中，所述的MOSFET场效应管电流开关电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3和第四场效应管M4，所述的第一场效应管M1和第二场效应管M2串联跨接于电源和地之间，所述的第三场效应管M3和第四场效应管M4也串联跨接于电源和地之间，所述的第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3和第四场效应管M4的栅极分别与方波发生功能模块的输出端相连接，所述的滤波功能模块的输入端接于所述的第一场效应管M1和第二场效应管M2之间，且所述的滤波功能模块的输入端还接于所述的第三场效应管M3和第四场效应管M4之间。

不仅如此，该MOSFET场效应管电流开关电路中还可以包括第一稳压保护二极管D1和第二稳压保护二极管D2，所述的第一稳压保护二极管D1的正极接地，其负极接于第一场效应管M1和第二场效应管M2之间，所述的第二稳压保护二极管D2的正极接地，其负极接于第三场效应管M3和第四场效应管M4之间。

同时，所述的滤波功能模块可以为LC滤波电路或者RC滤波电路。

其中，该LC滤波电路包括第一电感L1、第二电感L2第一电容和第二电容，所述的第一电感L1和第一电容串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的第二电感L2和第二电容也串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的激光器功能电路的输入端接于所述的第一电感L1和第一电容之间，且所述的激光器功能电路的输入端还接于所述的第二电感L2和第二电容之间。

在实际应用当中，由于激光器的驱动需要低噪声的稳定的恒流驱动，本实用新型就是通过对方波发生器的精确控制大功率电流开关器件来达到控制大电流驱动电流的目的，以开关脉冲的方式产生大电流方波，通过对方波的滤波获得稳定的直流电流输出，该方波占空比可通过输入信号调整，通过调整占空比可以调整输出电流的大小用于激光器可调的驱动电流。

请参阅图1所示，其中控制信号CS，根据选择的方波发生器的电路，可以是电压信号，电流信号或数字信号。控制信号CS控制方波发生器SS，方波发生器根据控制信号的来决定发出方波信号的占空比，如果要求驱动电流很大，则输出方波占空比很大，反之，如果驱动电流需要很小，则方波发生器输出方波占空比很小。

方波发生器驱动电流功率开关IS，电流功率开关器件根据方波发生器送来的方波的高电平和低电平时间，来开关电源电流。也就是说：当方波发生器送来的是高电平的时间内，开关IS打开，电流通过；反之，如果是低电平，则开关IS关断，无电流通过。

由大电流开关IS送出的开关电流，经过滤波网络FT，将其开关的大电流滤波，变成稳定的直流电源，供给激光器LD，从而实现激光器小纹波直流的驱动。

再请参阅图2所示：

CS控制信号——在此处为外部送来的电压信号，电压高，系统输出电流大；反之，电压低输出电流小。同时该输入信号包括但不限于：模拟电压信号、模拟电流信号、或者数字信号。

SS方波发生器——采用Linear公司的LTC3729芯片来产生方波信号，CS信号连接LTC3279的EAIN脚。同时该方波发生器是本实用新型中的核心器件，该方波发生器包括但不限于：电流开关整形器、PWM发生器、单片机以及其它的方波发生器。

IS电流开关——采用4只大功率MOS管来实现，M1、M3选用IRF公司的IRF7811W，M2、M4选用IRF公司的IRF7822，D1和D2为保护二极管，采用UP5840。该功率驱动器件可以是但不限于：MOSFET、功率三极管或其它电压控制输出电流的器件。

FT滤波电路——采用2只0.8μH20A电感，和2只并联的1000μF耐压>16V的铝电解电容构成LC滤波器。该滤波电路包括但不限于：LC滤波，RC滤波或其它的电压滤波电路。

该方案可以提供最大10A的低波动(<1％)的直流电流。依此电路设计的大功率光源的输出功率稳定度在±0.1dB左右。

采用了上述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，由于其中的功率器件工作在饱和区，降低器件本身的压降，从而降低了器件的功耗，同时工作于饱和区，使器件只有开和关两种工作状态，通过一个可控的方波发生器来控制器件开和关的时间，以控制流过器件的电功率。同时通过一个LC滤波系统，将开关的大电流信号滤波成稳定的大电流直流，用该直流电流去驱动激光器，能够实现控制功能，而且高效，开关器件功耗小，同时稳定直流的激光器驱动电流，并获得大电流的驱动能力，使得能够实现大电流输出，可以达到20A直流，同时实现了低纹波，纹波<1％，并实现了驱动激光器的稳定性<±0.1dB，而且电流可调整可控，通过控制信号(CS)实现了0.5～20A的大范围电流调整，同时整个电路转换效率>80％；另外，将CS控制信号接到检流电路，实现了稳定的电流源形成恒电流输出的恒流源；将CS信号接到输出功率检测电路，实现了恒输出功率的电路，工作状态稳定可靠，高效实用，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1、一种大功率激光器中的直流驱动电路结构，包括外部控制信号输入端，其特征在于，所述的电路结构中包括方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块，所述的外部控制信号输入端依次通过所述的方波发生功能模块、功率驱动功能模块和滤波功能模块与激光器功能电路相连接。

2、根据权利要求1所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的方波发生功能模块为电流开关整形器、PWM发生器或者单片机方波发生器。

3、根据权利要求2所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的单片机方波发生器为LTC3729方波发生功能芯片。

4、根据权利要求1所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的功率驱动功能模块为MOSFET场效应管电流开关电路或者功率三极管电流开关电路。

5、根据权利要求4所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的MOSFET场效应管电流开关电路包括第一场效应管(M1)、第二场效应管(M2)、第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)，所述的第一场效应管(M1)和第二场效应管(M2)串联跨接于电源和地之间，所述的第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)也串联跨接于电源和地之间，所述的第一场效应管(M1)、第二场效应管(M2)、第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)的栅极分别与方波发生功能模块的输出端相连接，所述的滤波功能模块的输入端接于所述的第一场效应管(M1)和第二场效应管(M2)之间，且所述的滤波功能模块的输入端还接于所述的第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)之间。

6、根据权利要求5所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的MOSFET场效应管电流开关电路中还包括第一稳压保护二极管(D1)和第二稳压保护二极管(D2)，所述的第一稳压保护二极管(D1)的正极接地，其负极接于第一场效应管(M1)和第二场效应管(M2)之间，所述的第二稳压保护二极管(D2)的正极接地，其负极接于第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)之间。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的滤波功能模块为LC滤波电路或者RC滤波电路。

8、根据权利要求7所述的大功率激光器中的直流驱动电路结构，其特征在于，所述的LC滤波电路包括第一电感(L1)、第二电感(L2)第一电容和第二电容，所述的第一电感(L1)和第一电容串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的第二电感(L2)和第二电容也串联跨接于所述的功率驱动功能模块的输出端与地之间，所述的激光器功能电路的输入端接于所述的第一电感(L1)和第一电容之间，且所述的激光器功能电路的输入端还接于所述的第二电感(L2)和第二电容之间。

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