大功率雷射器中的直流驅動電路結構的製作方法

2023-05-18 00:39:11

專利名稱：大功率雷射器中的直流驅動電路結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光電技術領域，特別涉及雷射器直流驅動電路技術領域，具體是指一種 大功率雷射器中的直流驅動電路結構。
背景技術：
目前，半導體雷射已廣泛應用於信息通信、醫療與軍事等許多領域。隨著技術的不斷發 展對雷射器的功率要求也越來越高，隨之而來的是要求對大功率雷射器穩定可靠高效的驅動。 因為雷射器驅動電路是雷射系統的最重要組成部分。這也就要求相應的大功率雷射器驅動電 路的性能的提升。就目前而言雷射器驅動採用的方法都是用MOSFET，大功率三極體，或功 率運放的驅動，請參閱圖1所示。這些驅動電路在驅動小功率雷射器(一般驅動電流〈1A) 時是一種可行有效的方法，但在驅動大功率雷射器( 一般驅動電流> 2A,甚至達到幾十安培 以上)時，由於流過器件的電流很大，而一般這些器件為了方便控制輸出電流都工作在器件 的線性放大區。由於半導體器件固有特性，單工作於線性區時，器件壓降很大，這也是採用 這些器件用於控制電流的原因通過器件本身的壓降來控制輸出的電流。
但在大功率雷射器驅動中，由於電流4艮大，如果器件壓降太大，則器件本身功耗很大， 會導致以下問題
(1) 器件本身發熱量很大，對系統的散熱要求非常高；
(2) 器件長期在高溫下工作，器件的壽命降低；
(3) 供電電源功率需求大，效率低；
(4) 在極端情況下，根本就很難做到大電流驅動。

實用新型內容
本實用新型的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種能夠有效控制雷射器的功 率輸出、電路功耗較小、工作狀態穩定可靠、高效實用、適用範圍較為廣泛的大功率雷射器 中的直流驅動電路結構。
為了實現上述的目的，本實用新型的大功率雷射器中的直流驅動電路結構具有如下構成該大功率雷射器中的直流驅動電路結構，包括外部控制信號輸入端，其主要特點是，所 述的電路結構中包括方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊，所述的外部控 制信號輸入端依次通過所述的方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊與雷射 器功能電路相連接。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的方波發生功能才莫塊可以為電流開關整形器、 PWM發生器或者單片機方波發生器。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的單片機方波發生器為LTC3729方波發生功能 晶片。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的功率驅動功能才莫塊可以為MOSFET場效應 管電流開關電路或者功率三極體電流開關電路。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的MOSFET場效應管電流開關電路包括第一 場效應管、第二場效應管、第三場效應管和第四場效應管，所述的第一場效應管和第二場效 應管串聯跨接於電源和地之間，所述的第三場效應管和第四場效應管也串聯跨接於電源和地 之間，所述的第一場效應管、第二場效應管、第三場效應管和第四場效應管的柵極分別與方 波發生功能模塊的輸出端相連接，所述的濾波功能模塊的輸入端接於所述的第 一場效應管和 第二場效應管之間，且所述的濾波功能模塊的輸入端還接於所述的第三場效應管和第四場效 應管之間。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的MOSFET場效應管電流開關電路中還包括 第 一穩壓保護二極體和第二穩壓保護二極體，所述的第 一穩壓保護二極體的正極接地，其負
極接於第一場效應管和第二場效應管之間，所述的第二穩壓保護二極體的正極接地，其負極 接於第三場效應管和第四場效應管之間。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的濾波功能模塊可以為LC濾波電路或者RC濾 波電路。
該大功率雷射器中的直流驅動電路結構中的LC濾波電路包括第一電感、第二電感第一 電容和第二電容，所述的第一電感和第一電容串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端 與地之間，所述的第二電感和第二電容也串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端與地 之間，所述的雷射器功能電路的輸入端接於所述的第一電感和第一電容之間，且所述的雷射 器功能電路的輸入端還接於所述的第二電感和第二電容之間。
採用了該實用新型的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，由於其中的功率器件工作在 飽和區，降低器件本身的壓降，從而降低了器件的功耗，同時工作於飽和區'使器件只有開和關兩種工作狀態，通過一個可控的方波發生器來控制器件開和關的時間，以控制流過器件 的電功率。同時通過一個LC濾波系統，將開關的大電流信號濾波成穩定的大電流直流，用 該直流電流去驅動雷射器，能夠實現控制功能，而且高效，開關器件功耗小，同時穩定直流 的雷射器驅動電流，並獲得大電流的驅動能力，使得能夠實現大電流輸出，可以達到20A直 流，同時實現了低紋波，紋波80%;另外，將CS控制信號接到檢流電路，實現了穩定的電流源形成恆電流輸出的恆流 源；將CS信號接到輸出功率檢測電路，實現了恆輸出功率的電3各，工作狀態穩定可靠，高 效實用，適用範圍較為廣泛。


圖1為現有技術中的常規雷射器驅動電路原理圖。
圖2為本實用新型的大功率雷射器中的直流驅動電路結構的功能模塊原理框圖。 圖3為本實用新型的大功率雷射器中的直流驅動電路結構的電路原理圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本實用新型的^^支術內容，特舉以下實施例詳細說明。
請參閱圖1所示，該大功率雷射器中的直流驅動電路結構，包括外部控制信號CS輸入 端，其中，所述的電路結構中包括方波發生功能模塊SS、功率驅動功能模塊IS和濾波功能 模塊FT,所述的外部控制信號輸入端依次通過所述的方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊 和濾波功能模塊與雷射器功能電路LD相連接。
其中，所述的方波發生功能模塊可以為電流開關整形器、PWM發生器或者單片機方波發 生器，該單片機方波發生器可以採用Linear公司的LTC3729方波發生功能晶片。
同時，所述的功率驅動功能模塊可以為MOSFET場效應管電流開關電路或者功率三極體 電流開關電路。
其中，所述的MOSFET場效應管電流開關電路包括第一場效應管Ml、第二場效應管 M2、第三場效應管M3和第四場效應管M4,所述的第一場效應管Ml和第二場效應管M2 串聯跨接於電源和地之間，所述的第三場效應管M3和第四場效應管M4也串聯跨接於電源 和地之間，所述的第一場效應管M1、第二場效應管M2、第三場效應管M3和第四場效應管 M4的柵極分別與方波發生功能模塊的輸出端相連接，所述的濾波功能模塊的輸入端接於所述 的第一場效應管Ml和第二場效應管M2之間，且所述的濾波功能模塊的輸入端還接於所述的第三場效應管M3和第四場效應管M4之間。
不僅如此，該MOSFET場效應管電流開關電路中還可以包括第一穩壓保護二極體Dl和 第二穩壓保護二極體D2，所述的第一穩壓保護二極體Dl的正極接地，其負極接於第一場效 應管Ml和第二場效應管M2之間，所述的第二穩壓保護二極體D2的正極接地，其負極接於 第三場效應管M3和第四場效應管M4之間。
同時，所述的濾波功能模塊可以為LC濾波電路或者RC濾波電路。
其中，該LC濾波電路包括第一電感Ll、第二電感L2第一電容和第二電容，所述的第 一電感Ll和第一電容串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端與地之間，所述的第二電 感L2和第二電容也串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端與地之間，所述的雷射器功 能電路的輸入端接於所述的第一電感Ll和第一電容之間，且所述的雷射器功能電路的輸入端 還接於所述的第二電感L2和第二電容之間。
在實際應用當中，由於雷射器的驅動需要低噪聲的穩定的恆流驅動，本實用新型就是通 過對方波發生器的精確控制大功率電流開關器件來達到控制大電流驅動電流的目的，以開關 脈衝的方式產生大電流方波，通過對方波的濾波獲得穩定的直流電流輸出，該方波佔空比可 通過輸入信號調整，通過調整佔空比可以調整輸出電流的大小用於雷射器可調的驅動電流。
請參閱圖l所示，其中控制信號CS,根據選擇的方波發生器的電路，可以是電壓信號， 電流信號或數位訊號。控制信號CS控制方波發生器SS,方波發生器根據控制信號的來決定 發出方波信號的佔空比，如果要求驅動電流很大，則輸出方波佔空比4艮大，反之，如果驅動 電流需要很d、，則方波發生器輸出方波佔空比很'J 、。
方波發生器驅動電流功率開關IS,電流功率開關器件#4居方波發生器送來的方波的高電 平和低電平時間，來開關電源電流。也就是說當方波發生器送來的是高電平的時間內，開 關IS打開，電流通過；反之，如果是低電平，則開關IS關斷，無電流通過。
由大電流開關IS送出的開關電流，經過濾波網絡FT,將其開關的大電流濾波，變成穩 定的直流電源，供給雷射器LD,從而實現雷射器小紋波直流的驅動。
再請參閱圖2所示
CS控制信號——在此處為外部送來的電壓信號，電壓高，系統輸出電流大；反之，電 壓低輸出電流小。同時該輸入信號包括但不限於模擬電壓信號、模擬電流信號、或者數字 信號《
SS方波發生器——採用Linear公司的LTC3729晶片來產生方波信號，CS信號連接 LTC3279的EAIN腳。同時該方波發生器是本實用新型中的核心器件，該方波發生器包括但不限於電流開關整形器、PWM發生器、單片機以及其它的方波發生器。
IS電流開關■^採用4隻大功率MOS管來實現，Ml、M3選用1RF公司的IRF7811W，
M2、 M4選用IRF公司的IRF7822， D1和D2為保護二極體，採用UP5840。該功率驅動器件
可以是但不限於MOSFET、功率三極體或其它電壓控制輸出電流的器件。
FT濾波電路——採用2隻0.8pH 20A電感，和2隻並聯的1000pF耐壓> 16V的鋁電
解電容構成LC濾波器。該濾波電路包括-f旦不限於LC濾波，RC濾波或其它的電壓濾波電路。
該方案可以提供最大10A的低波動(<1% )的直流電流。依此電路設計的大功率光源 的輸出功率穩定度在士0.1dB左右。
採用了上述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，由於其中的功率器件工作在飽和區， 降低器件本身的壓降，從而降低了器件的功耗，同時工作於飽和區，使器件只有開和關兩種 工作狀態，通過一個可控的方波發生器來控制器件開和關的時間，以控制流過器件的電功率。 同時通過一A LC濾波系統，將開關的大電流信號濾波成穩定的大電流直流，用該直流電流 去驅動雷射器，能夠實現控制功能，而且高效，開關器件功耗小，同時穩定直流的雷射器驅 動電流，並獲得大電流的驅動能力，使得能夠實現大電流輸出，可以達到20A直流，同時實 現了低紋波，紋波<1%，並實現了驅動雷射器的穩定性〈i0.1dB,而且電流可調整可控，通 過控制信號(CS)實現了 0.5-20A的大範圍電流調整，同時整個電路轉換效率〉80%;另 外，將CS控制信號接到檢流電路，實現了穩定的電流源形成恆電流輸出的恆流源；將CS信 號接到輸出功率檢測電路，實現了恆輸出功率的電路，工作狀態穩定可靠，高效實用，適用 範圍較為廣泛。
在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出 各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和範圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性 的而非限制性的。
權利要求1、一種大功率雷射器中的直流驅動電路結構，包括外部控制信號輸入端，其特徵在於，所述的電路結構中包括方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊，所述的外部控制信號輸入端依次通過所述的方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊與雷射器功能電路相連接。
2、 根據權利要求1所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的方 波發生功能模塊為電流開關整形器、PWM發生器或者單片機方波發生器。
3、 根據權利要求2所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的單 片機方波發生器為LTC3729方波發生功能晶片。
4、 根據權利要求1所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的功 率驅動功能模塊為MOSFET場效應管電流開關電路或者功率三極體電流開關電路。
5、 根據權利要求4所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的 MOSFET場效應管電流開關電路包括第一場效應管(Ml)、第二場效應管(M2)、第三場效 應管(M3)和第四場效應管(M4)，所述的第一場效應管(Ml)和第二場效應管(M2)串 聯跨接於電源和地之間，所述的第三場效應管(M3)和第四場效應管(M4)也串聯跨接於 電源和地之間，所述的第一場效應管(Ml)、第二場效應管(M2)、第三場效應管(M3)和 第四場效應管(M4)的柵極分別與方波發生功能模塊的輸出端相連接，所述的濾波功能模塊 的輸入端接於所述的第一場效應管(Ml)和第二場效應管(M2)之間，且所述的濾波功能 模塊的輸入端還接於所述的第三場效應管(M3)和第四場效應管(M4)之間。
6、 根據權利要求5所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的 MOSFET場效應管電流開關電路中還包括第一穩壓保護二極體(Dl )和第二穩壓保護二極體(D2)，所述的第一穩壓保護二極體(Dl)的正極接地，其負極接於第一場效應管(Ml)和 第二場效應管(M2)之間，所述的第二穩壓保護二極體(D2)的正極接地，其負極接於第三 場效應管(M3)和第四場效應管(M4)之間。
7、 根據權利要求1至6中任一項所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在 於，所述的濾波功能模塊為LC濾波電路或者RC濾波電路。
8、 才艮據權利要求7所述的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，其特徵在於，所述的 LC濾波電路包括第一電感(Ll )、第二電感(L2 )第一電容和第二電容，所述的第一電感(Ll ) 和第一電容串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端與地之間，所述的第二電感(L2)和第二電容也串聯跨接於所述的功率驅動功能模塊的輸出端與地之間，所述的雷射器功能電 路的輸入端接於所述的第一電感(Ll)和第一電容之間，且所述的雷射器功能電路的輸入端 還接於所述的第二電感(L2)和第二電容之間。
專利摘要本實用新型涉及一種大功率雷射器中的直流驅動電路結構，包括外部控制信號輸入端/方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊，外部控制信號輸入端依次通過方波發生功能模塊、功率驅動功能模塊和濾波功能模塊與雷射器功能電路連接。採用該種結構的大功率雷射器中的直流驅動電路結構，能夠實現控制功能，高效穩定，並獲得大電流的驅動能力和低紋波，驅動雷射器穩定性高，而且電流可調整可控，通過控制信號CS實現了大範圍電流調整，整個電路轉換效率高；將CS控制信號接到檢流電路，實現了穩定的電流源形成恆電流輸出的恆流源；將CS信號接到輸出功率檢測電路，實現了恆輸出功率的電路，工作狀態穩定可靠，高效實用，適用範圍較為廣泛。
文檔編號H01S5/00GK201247906SQ20082015041
公開日2009年5月27日 申請日期2008年7月1日 優先權日2008年7月1日
發明者濤 張, 陳鋒華 申請人:上海拜安信息科技有限公司