專利名稱：半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流控制方法及多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的控制方法及用于半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體激光器陣列的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器(簡(jiǎn)稱LD)或半導(dǎo)體激光器陣列(簡(jiǎn)稱LD陣列)體積小、重量輕、效率高、可靠性好，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其原理是依靠注入的非平衡載流子(電子、空穴)輻射復(fù)合，以光子的形式放出復(fù)合所產(chǎn)生的能量來(lái)發(fā)射激光。半導(dǎo)體激光器的非平衡載流子是由其驅(qū)動(dòng)電源注入的。
半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源(簡(jiǎn)稱LD驅(qū)動(dòng)電源)的功能是為半導(dǎo)體激光器(陣列)提供所需的驅(qū)動(dòng)電流，以及可靠的保護(hù)和恰當(dāng)?shù)目刂?，使之輸出所需的激光輻射?br> 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源由控制電路、開關(guān)元件、監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路及儲(chǔ)能電容器等組成，如圖1所示。該LD驅(qū)動(dòng)電源的工作原理為外部的供電直流電源將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容器中，這樣可以避免直流電源在工作過(guò)程中輸出給半導(dǎo)體激光器的電流出現(xiàn)浪涌。儲(chǔ)能電容器和半導(dǎo)體激光器、開關(guān)元件、監(jiān)測(cè)電路構(gòu)成放電回路，由控制電路控制開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器的工作電流滿足要求。由于半導(dǎo)體激光器非常脆弱，容易造成破壞性失效。所以采用監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，若有異常則啟動(dòng)保護(hù)電路，使半導(dǎo)體激光器免受各種故障的影響。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，僅采用前饋方式，由使用者通過(guò)相應(yīng)輸入單元輸入電流參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電源輸出預(yù)定電流。這種控制方法無(wú)法滿足LD工作環(huán)境(比如工作溫度)發(fā)生改變時(shí)使LD輸出功率穩(wěn)定。
目前半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源大部分都是基于上述控制方法而進(jìn)行工作的，輸出預(yù)先設(shè)定好的特定的驅(qū)動(dòng)電流。由于半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出功率等特性會(huì)隨著工作溫度的改變而改變，所以單純地施以固定的驅(qū)動(dòng)電流并不能保證激光輸出特性的穩(wěn)定。為了使激光輸出特性穩(wěn)定，采用現(xiàn)有具有固定輸出的驅(qū)動(dòng)電源的半導(dǎo)體激光器，一般要配置半導(dǎo)體制冷器(TEC)等制冷元件以及溫度控制系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器(陣列)進(jìn)行溫度控制，使半導(dǎo)體激光器(陣列)工作溫度恒定。溫度控制系統(tǒng)不但增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，也造成了能量的消耗，降低了系統(tǒng)的效率。
另外，通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)在美國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?03214，申請(qǐng)日為2000年7月23日)中，Regev等提出了一種光功率源控制器，其主要特征是通過(guò)檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作參量，通過(guò)微控制器內(nèi)部固化的電流控制信號(hào)與工作參量的關(guān)系，得到電流控制信號(hào)，使半導(dǎo)體激光器輸出光功率穩(wěn)定。
Regev等提出的光功率控制器只能使半導(dǎo)體激光器處于單種工作模式下，即只能通過(guò)檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作參量，然后通過(guò)存儲(chǔ)器件中固化的內(nèi)部算法，得到相應(yīng)電流。其工作電流無(wú)法根據(jù)用戶的需要輸出自定義參數(shù)的驅(qū)動(dòng)電流，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。
Regev等提出的光功率控制器中，半導(dǎo)體激光器工作參量(包括半導(dǎo)體激光器的工作溫度)與驅(qū)動(dòng)電流控制信號(hào)的關(guān)系算法固化于存儲(chǔ)器件中，用戶不能方便地通過(guò)輸入單元進(jìn)行修改，Regev等提出的光功率控制器中，半導(dǎo)體激光器工作參量(包括半導(dǎo)體激光器的工作溫度)與驅(qū)動(dòng)電流控制信號(hào)的關(guān)系算法是通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，利用離散測(cè)定及數(shù)學(xué)插值相結(jié)合的方法得到，該方法實(shí)施較為復(fù)雜，且可靠性不高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源在無(wú)溫度控制下，無(wú)法保證輸出光功率穩(wěn)定，或?yàn)楸ＷC輸出光功率穩(wěn)定不得不加入復(fù)雜且消耗大量能量的溫度控制系統(tǒng)的缺陷；同時(shí)也為克服Regev等人提出的光功率源控制器算法復(fù)雜，可靠性不高，工作模式單一，且修改半導(dǎo)體激光器工作參量與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系列表不方便的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，其特征在于利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定法得到在不同溫度下，半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的輸出特性，即半導(dǎo)體激光器達(dá)到一定輸出功率的所需驅(qū)動(dòng)電流值，從而得到溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)鍵盤輸入單元將上述對(duì)應(yīng)關(guān)系以列表形式輸入微控制器；利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并根據(jù)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流值，由半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源自適應(yīng)地輸出該電流，以保證半導(dǎo)體激光器在不同溫度下具有穩(wěn)定的輸出功率。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述驅(qū)動(dòng)電流控制方法的具有溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，包括由控制電路、驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路、監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路及儲(chǔ)能電容器組成的LD驅(qū)動(dòng)電路，所述LD驅(qū)動(dòng)電路由外部的供電直流電源供電，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電源還包括由微控制器及分別與其相連的鍵盤輸入單元、顯示單元、控制電壓輸出電路和溫度傳感器組組成的主控制電路，以及與所述控制電壓輸出電路相連的電壓基準(zhǔn)電路；其中，其中微控制器中集成了一個(gè)模式選擇開關(guān)，供用戶選擇所需的工作模式所述溫度傳感器組固定于半導(dǎo)體激光器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并將溫度信號(hào)送入微控制器。
本發(fā)明所述微控制器是單片機(jī)、單板機(jī)、DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉呻娐贰?br> 本發(fā)明所述的微控制器的一種具體形式包括LD保護(hù)邏輯電路10，LD保護(hù)信號(hào)輸入端口，分頻器，鍵盤譯碼器，彈跳消除電路，鍵盤掃描電路，電流參數(shù)寄存器，模式選擇開關(guān)，電流與溫度關(guān)系寄存器，溫度數(shù)據(jù)寄存器，溫度信號(hào)數(shù)字濾波器，控制電壓信號(hào)輸出控制器，以及顯示控制器；其中，分頻器產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，分別與LD保護(hù)邏輯電路，彈跳消除電路，鍵盤掃描電路，控制電壓信號(hào)輸出控制器，顯示控制器及固定于半導(dǎo)體激光器的溫度傳感器組相連，為上述電路單元提供時(shí)序控制；所述的LD驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)LD保護(hù)信號(hào)輸入端口與LD保護(hù)邏輯電路相連，同時(shí)LD保護(hù)邏輯電路保護(hù)使能信號(hào)輸出端與電流參數(shù)寄存器相連；鍵盤掃描電路的鍵盤掃描信號(hào)輸出端與所述鍵盤輸入單元相連，同時(shí)所述彈跳消除電路與鍵盤輸入單元相連，用于接收并處理經(jīng)過(guò)鍵盤輸入單元的鍵盤掃描信號(hào)，其輸出端與鍵盤譯碼器相連；所述鍵盤譯碼器與模式選擇開關(guān)相連，傳遞相應(yīng)控制信號(hào)，同時(shí)還與電流參數(shù)寄存器相連，傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)；模式選擇開關(guān)通過(guò)開關(guān)選擇，其輸出端一路直接與電流參數(shù)寄存器相連，另一路通過(guò)電流與溫度關(guān)系寄存器與電流參數(shù)寄存器相連；所述溫度傳感器組通過(guò)溫度信號(hào)數(shù)字濾波器與溫度數(shù)據(jù)寄存器相連，溫度數(shù)據(jù)寄存器的輸出端分別與電流與溫度關(guān)系寄存器和顯示控制器相連；電流參數(shù)寄存器通過(guò)控制電壓輸出控制器與所述控制電壓輸出電路相連，并通過(guò)顯示控制器傳輸顯示數(shù)據(jù)至顯示單元。
本發(fā)明在傳統(tǒng)LD驅(qū)動(dòng)電源的基礎(chǔ)上，微控制器根據(jù)溫度傳感器組實(shí)時(shí)檢測(cè)的半導(dǎo)體激光器溫度，輸出該溫度下對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的LD驅(qū)動(dòng)電源具有兩種工作模式，通過(guò)模式選擇開關(guān)進(jìn)行模式選擇，第一種模式是按傳統(tǒng)方式以鍵盤輸入電流參數(shù)，包括電流頻率，脈寬，和電流大小(連續(xù)電流只要將電流頻率設(shè)定為1)，使LD驅(qū)動(dòng)電源按預(yù)置要求實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的控制；第二種工作模式是溫度傳感器組實(shí)時(shí)監(jiān)控半導(dǎo)體激光器(或激光器陣列中各路半導(dǎo)體激光器)的工作溫度，將溫度信號(hào)送到微控制器。微控制器根據(jù)此工作溫度，得出補(bǔ)償溫度影響后能夠使半導(dǎo)體激光器滿足使用要求的工作電流值，并控制驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生此工作電流，使半導(dǎo)體激光器輸出滿足要求的激光輻射。并且本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電源還可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多路半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)及控制。
本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電源不僅能實(shí)現(xiàn)上述功能要求，輸出所需的穩(wěn)定工作電流，而且為了保護(hù)LD不受破壞，本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電源的LD保護(hù)電路能使LD驅(qū)動(dòng)電源在各種失效情況下，保護(hù)LD不受破壞。
本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電源能將LD溫度，及包括電流頻率，電流脈寬和電流大小在內(nèi)的電流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。使用戶能及時(shí)了解LD的工作情況。
本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明所述驅(qū)動(dòng)電流的控制方法及基于該控制方法工作的驅(qū)動(dòng)電源不對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制或是不進(jìn)行溫度控制，而是根據(jù)半導(dǎo)體激光器工作溫度自適應(yīng)地調(diào)整其驅(qū)動(dòng)電流，從而得到所需的激光輻射。該驅(qū)動(dòng)電源不僅能減少能量的損耗，提高了效率，而且使LD驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)了部分智能化，代表了LD驅(qū)動(dòng)電源今后的發(fā)展方向。
本發(fā)明可以使所驅(qū)動(dòng)的LD(陣列)在較大的溫度范圍內(nèi)正常工作，免去了復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)，減少了不必要的能量損失，提高了激光器效率，拓寬了激光器工作的環(huán)境范圍，使激光器能在復(fù)雜的溫度環(huán)境下以優(yōu)化的電流參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了光功率輸出的穩(wěn)定。
本發(fā)明與背景技術(shù)中提到的Regev等提出的光功率源控制器的不同之處在于以下幾點(diǎn)第一，本發(fā)明所研制的能基于多模式工作的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源，由用戶選擇工作模式，既可以由用戶自定義半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的參數(shù)，也可由半導(dǎo)體激光器的工作參量與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系定義驅(qū)動(dòng)電流的參數(shù)。使該電源具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。
第二，本發(fā)明中所研制的主控制電路則可由用戶隨時(shí)通過(guò)鍵盤輸入單元方便地對(duì)半導(dǎo)體激光器工作參量與驅(qū)動(dòng)電流參數(shù)間的關(guān)系列表進(jìn)行修改。
第三，本發(fā)明所研制的驅(qū)動(dòng)電源，可以方便地使用戶對(duì)半導(dǎo)體激光器工作溫度及驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。即利用第一種工作模式，用戶通過(guò)鍵盤輸入驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)檢測(cè)輸出光功率及半導(dǎo)體激光器的工作溫度，得到一系列半導(dǎo)體激光器工作溫度及半導(dǎo)體激光器工作溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系列表，并將此列表通過(guò)鍵盤輸入單元輸入微控制器中。當(dāng)用戶選擇第二種工作模式時(shí)，該電源的主控制電路就能根據(jù)標(biāo)定測(cè)得的半導(dǎo)體激光器工作溫度與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系列表進(jìn)行工作。由于標(biāo)定所用電源與工作所用電源屬同一電源，保證了其標(biāo)定數(shù)據(jù)的可靠性。
本發(fā)明可用于半導(dǎo)體激光器作為連續(xù)或脈沖泵浦源或光源的各種領(lǐng)域。


圖1為傳統(tǒng)LD驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明的微控制器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為本發(fā)明的供電直流電源的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電源的保護(hù)電路的實(shí)施例的電路圖。
圖6為本發(fā)明的溫度傳感器組的實(shí)施例的電路圖。
圖7為本發(fā)明的控制電壓輸出電路的實(shí)施例的電路圖。
圖8為本發(fā)明的電壓基準(zhǔn)電路的實(shí)施例的電路圖。
圖9為本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定法得到在不同溫度下，半導(dǎo)體激光器達(dá)到一定輸出功率的所需驅(qū)動(dòng)電流值，從而得到溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)鍵盤輸入單元將上述對(duì)應(yīng)關(guān)系以列表形式輸入微控制器；所述實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定法，即是在不同溫度下，測(cè)試半導(dǎo)體激光器輸出一定功率所需的驅(qū)動(dòng)電流值，形成溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的對(duì)應(yīng)關(guān)系(如溫度與驅(qū)動(dòng)電流值對(duì)應(yīng)表)。
利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并根據(jù)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流值，由半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源自適應(yīng)地輸出，以保證半導(dǎo)體激光器在不同溫度下具有穩(wěn)定的輸出功率。
本發(fā)明所述多模式工作的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的第一種工作模式為按傳統(tǒng)方式以鍵盤輸入電流參數(shù)，包括電流頻率，脈寬，和電流大小(連續(xù)電流只要將電流頻率設(shè)定為1)，使LD驅(qū)動(dòng)電源按預(yù)置要求實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的控制。
本發(fā)明所述多模式工作的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的第二種工作模式為1、用戶通過(guò)鍵盤輸入單元，預(yù)置輸入所需的電流參數(shù)，輸出所需的電流值，同時(shí)檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度及輸出光功率，得到兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成列表。用戶通過(guò)鍵盤輸入單元將上述列表輸入微控制器。2、用戶通過(guò)模式選擇開關(guān)，選擇多模式工作的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的第二種工作模式，即監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器工作溫度。通過(guò)固定于半導(dǎo)體激光器上的溫度傳感器或溫度傳感器組，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并將溫度信號(hào)反饋輸入控制單元。由測(cè)得的相應(yīng)溫度計(jì)算所需電流值。微控制器根據(jù)測(cè)得的溫度信號(hào)，利用預(yù)先確定的溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即上述溫度與驅(qū)動(dòng)電流值對(duì)應(yīng)列表)，得到所需的驅(qū)動(dòng)電流值。3、輸出與驅(qū)動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的控制電壓信號(hào)?？刂茊卧ㄟ^(guò)相應(yīng)輸出單元輸出控制電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，得到所需的驅(qū)動(dòng)電流。同時(shí)溫度傳感器或溫度傳感器組又將測(cè)得的溫度信號(hào)輸入控制單元。
本發(fā)明提出的具有溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括LD驅(qū)動(dòng)電路4(該電路與已有的電路結(jié)構(gòu)相同由控制電路、驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路、監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路及儲(chǔ)能電容器組成，圖中未示出)，所述LD驅(qū)動(dòng)電路由外部的供電直流電源5供電，在此基礎(chǔ)上還包括由微控制器3及分別與其相連的鍵盤輸入單元2、顯示單元21、控制電壓輸出電路6和溫度傳感器組1組成的主控制電路，以及與所述控制電壓輸出電路6相連的電壓基準(zhǔn)電路7；其中，微控制器中集成了一個(gè)模式選擇開關(guān)15，供用戶選擇所需的工作模式；所述溫度傳感器組1固定于半導(dǎo)體激光器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并將溫度信號(hào)送入微控制器3。
其中，微控制器可以采用單片機(jī)、單板機(jī)、DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉呻娐分械娜我庖环N。
本發(fā)明的工作原理為溫度傳感器組1與半導(dǎo)體激光器相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，將溫度信號(hào)送到微控制器3。微控制器3通過(guò)鍵盤輸入單元2接收用戶的操作，設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并根據(jù)工作溫度得出補(bǔ)償溫度影響后的滿足使用要求的半導(dǎo)體激光器的工作電流值，通過(guò)控制電壓輸出電路6，產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓來(lái)控制由外部的供電直流電源供電的LD驅(qū)動(dòng)電路4，產(chǎn)生此工作電流，使半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光輸出。實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)通過(guò)顯示單元輸出顯示，以供用戶隨時(shí)查看。其中，電壓基準(zhǔn)電路7為控制電壓輸出電路6提供精確、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。本發(fā)明具有實(shí)時(shí)顯示功能，能夠顯示電流參數(shù)，及溫度傳感器的溫度采集值，及時(shí)地反應(yīng)環(huán)境溫度及LD的工作狀態(tài)。
在本發(fā)明中，微控制器3以FPGA芯片為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖3所示，具體包括LD保護(hù)邏輯電路10，LD保護(hù)信號(hào)輸入端口8，分頻器9，鍵盤譯碼器11，彈跳消除電路12，鍵盤掃描電路13，電流參數(shù)寄存器14，模式選擇開關(guān)15，電流與溫度關(guān)系寄存器16，溫度數(shù)據(jù)寄存器17，溫度信號(hào)數(shù)字濾波器18，控制電壓信號(hào)輸出控制器19，以及顯示控制器20；上述電路均為數(shù)字邏輯單元，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述，然后利用Sysnopsys軟件進(jìn)行編譯，仿真和邏輯驗(yàn)證，提取表示連接關(guān)系的網(wǎng)表；利用Cadence軟件完成版圖的后端布局和布線并進(jìn)行電路檢驗(yàn)；利用T-Spice軟件進(jìn)行電路仿真。
其中，分頻器9產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，分別與LD保護(hù)邏輯電路10，彈跳消除電路12，鍵盤掃描電路13，控制電壓信號(hào)輸出控制器19，顯示控制器20及固定于半導(dǎo)體激光器的溫度傳感器組1相連，為這些電路單元提供時(shí)序控制；所述的LD驅(qū)動(dòng)電路4通過(guò)LD保護(hù)信號(hào)輸入端口8與LD保護(hù)邏輯電路10相連，同時(shí)LD保護(hù)邏輯電路10保護(hù)使能信號(hào)輸出端與電流參數(shù)寄存器14相連；鍵盤掃描電路13的鍵盤掃描信號(hào)輸出端與所述鍵盤輸入單元2相連，同時(shí)所述彈跳消除電路12與鍵盤輸入單元2相連，用于接收并處理經(jīng)過(guò)鍵盤輸入單元2的鍵盤掃描信號(hào)，其輸出端與鍵盤譯碼器11相連；所述鍵盤譯碼器11與模式選擇開關(guān)15相連，傳遞相應(yīng)控制信號(hào)，同時(shí)還與電流參數(shù)寄存器14相連，傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)；模式選擇開關(guān)15通過(guò)開關(guān)選擇，其輸出端一路直接與電流參數(shù)寄存器14相連，另一路通過(guò)電流與溫度關(guān)系寄存器16與電流參數(shù)寄存器14相連；所述溫度傳感器組1通過(guò)溫度信號(hào)數(shù)字濾波器18與溫度數(shù)據(jù)寄存器17相連，溫度數(shù)據(jù)寄存器17的輸出端分別與電流與溫度關(guān)系寄存器16和顯示控制器20相連；電流參數(shù)寄存器14通過(guò)控制電壓輸出控制器19與所述控制電壓輸出電路6相連，并通過(guò)顯示控制器20傳輸顯示數(shù)據(jù)至顯示單元21。
采用FPGA芯片可以減少分立元件的使用，而且FPGA采用并行運(yùn)行方式，這在一定程度上具有比單片機(jī)抗干擾能力強(qiáng)和時(shí)間控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。它的的工作原理為分頻器9接收外部晶振信號(hào)(圖中未畫出)，產(chǎn)生整個(gè)電路不同部分所需的不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，為彈跳消除電路12，鍵盤掃描電路13，LD保護(hù)邏輯電路10，控制電壓信號(hào)輸出控制器19，顯示控制器20提供時(shí)序控制。使用者可以像操作傳統(tǒng)LD驅(qū)動(dòng)電源一樣，通過(guò)鍵盤完成電流參數(shù)如電流頻率，脈寬及電流大小的設(shè)定，用這種方式對(duì)電流進(jìn)行控制。鍵盤掃描電路13不斷掃描鍵盤的行與列，鍵盤信號(hào)通過(guò)彈跳消除電路12后，進(jìn)入鍵盤譯碼器11，通過(guò)譯碼，F(xiàn)PGA芯片將在時(shí)序控制下，將設(shè)定的電流頻率值及脈寬值送到了電流參數(shù)寄存器14中，使之產(chǎn)生一定頻率及脈寬的用于控制DA轉(zhuǎn)換器的方波信號(hào)，達(dá)到控制電流大小，脈寬及頻率的目的。
使用者可以通過(guò)模式選擇開關(guān)15選定電流大小的控制方式，其一，直接通過(guò)鍵盤輸入電流大小來(lái)控制(如前所述)，這種方式是傳統(tǒng)LD驅(qū)動(dòng)電源的控制方式，而本發(fā)明最大特色就在于第二種控制方式，微控制器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)LD的溫度，通過(guò)電流與溫度關(guān)系寄存器16，得到與溫度所對(duì)應(yīng)的電流大小，實(shí)現(xiàn)了LD輸出電流的溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。其中電流與溫度關(guān)系寄存器16，將由用戶通過(guò)鍵盤輸入溫度對(duì)應(yīng)的電流值，形成數(shù)值表，微處理器通過(guò)溫度傳感器得到的溫度信號(hào)，采取查表方式得到對(duì)應(yīng)電流值，再通過(guò)相應(yīng)編碼，得到傳給控制電壓信號(hào)輸出控制器19的控制信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)，如此就實(shí)現(xiàn)溫度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。同時(shí)為了保護(hù)LD不受破壞，微控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)LD的工作狀態(tài)，一旦檢測(cè)到LD出現(xiàn)短路信號(hào)(圖中未標(biāo)出)，開路信號(hào)(圖中未標(biāo)出)，過(guò)載信號(hào)(圖中未標(biāo)出)，溫度過(guò)高信號(hào)(圖中未標(biāo)出)，以及超過(guò)最大設(shè)定電流值信號(hào)(圖中未標(biāo)出)，微控制器會(huì)迅速切斷LD的供電，實(shí)現(xiàn)保護(hù)LD的功能。
本發(fā)明采用的供電直流電源5的實(shí)施例為有源功率因數(shù)校正的開關(guān)電源變換電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由全波整流器、電感L、二極管D、開關(guān)器件MOSFET、輸入電壓檢測(cè)器、比較器、乘法器、輸入電流檢測(cè)器、高頻三角波發(fā)生器、輸出電壓比較器及誤差放大器組成。其實(shí)現(xiàn)的功能是220V，50Hz的單相交流電輸入，利用變壓器增壓或減壓后，經(jīng)過(guò)整流橋整流器，進(jìn)入由儲(chǔ)能電感L，高頻大功率開關(guān)MOS管，單向二極管D和濾波電容C共同組成的升壓式開關(guān)變換電路。輸入電壓經(jīng)R1，R2分壓器采樣和檢測(cè)后加到乘法器輸入端，另外輸出電壓經(jīng)R3，R4分壓取樣和檢測(cè)后，參與電壓比較后輸出誤差信號(hào)也加到乘法器。乘法器是功率因數(shù)控制器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)正弦波交流輸入電壓從0升至峰值電壓時(shí)，乘法器輸出電壓控制電流取樣比較器的門限電平，而比較器又受高頻三角波信號(hào)調(diào)制，從而產(chǎn)生受控脈寬調(diào)制PWM信號(hào)加到MOSFET的柵極，這樣就能快速調(diào)節(jié)MOSFET主開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，使它能及時(shí)跟蹤電網(wǎng)輸入電壓的變化。經(jīng)過(guò)各路反饋信號(hào)的控制，最終使電感L中感性電流的峰值包絡(luò)線總是能緊密跟蹤單向正弦波的交流輸入電壓波而變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高功率因數(shù)值。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R4的取樣電阻，就可以改變直流輸出電壓。
本發(fā)明的LD驅(qū)動(dòng)電源的保護(hù)電路的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由比較器AD1，比較器AD2，光電耦合器，及若干取樣電阻組成。其實(shí)現(xiàn)的功能是，F(xiàn)PGA芯片實(shí)時(shí)檢測(cè)幾個(gè)保護(hù)信號(hào)，一旦檢測(cè)出LD出現(xiàn)短路，開路時(shí)，F(xiàn)PGA芯片會(huì)迅速地切斷LD地供電，保護(hù)了LD的安全。如圖5所示，為了檢測(cè)LD的工作狀態(tài)，必須檢測(cè)LD兩端電壓大小。可以通過(guò)測(cè)定U1的值，然后通過(guò)總電壓(-V_)減去U1間接得到LD兩端電壓。取樣電阻R4和R11可以得到U1的分壓，當(dāng)檢測(cè)該電壓大于一定值時(shí)(通過(guò)電壓比較器AD1)，經(jīng)光電耦合器，輸出短路信號(hào)SHORT，低電平有效，而正常工作時(shí)，該信號(hào)為高電平，當(dāng)檢測(cè)該電壓小于一定值時(shí)(通過(guò)電壓比較器AD2)，經(jīng)光電耦合器，輸出開路信號(hào)OPEN，高電平有效，正常工作時(shí)，該信號(hào)為低電平。同時(shí)為了防止LD其他失效情況，如防止LD中電流過(guò)大的過(guò)載保護(hù)，限定最大電流值保護(hù)，溫度過(guò)載保護(hù)，緩慢啟動(dòng)電路和電源允許工作保護(hù)等等，這些保護(hù)措施將保護(hù)LD在各種失效情況下安全地?cái)嚯姟?br> 本發(fā)明所述的溫度傳感器組1的實(shí)施例如圖6所示。圖中給出的是4路溫度傳感器的連接關(guān)系。每一路都由一片溫度傳感器芯片AD7814構(gòu)成，4片溫度傳感器芯片都掛在FPGA芯片的管腳上，F(xiàn)PGA芯片通過(guò)譯碼電路產(chǎn)生的CS片選信號(hào)選擇其中某一片芯片的工作。同步時(shí)鐘脈沖通過(guò)CLK線送入每個(gè)芯片，F(xiàn)PGA芯片的DATA端口從各個(gè)芯片中讀取溫度數(shù)據(jù)。各傳感器芯片和FPGA芯片之間的連接線使用屏蔽電纜，可保證傳輸足夠的距離不發(fā)生錯(cuò)誤。
本發(fā)明所述的控制電壓輸出電路的實(shí)施例由多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MX7548和多個(gè)運(yùn)放器AD711組成，可控制多路電壓輸出，其中控制電壓?jiǎn)谓M輸出電路如圖7所示，各個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的DB7-DB0和FPGA的數(shù)據(jù)輸出端口相連接，WR，CSLSB，CSMSB及LDAC和FPGA芯片定義的管腳相連。VREF接外部的-7.5V電壓基準(zhǔn)。每一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的電流輸出管腳都連接一個(gè)運(yùn)放器，運(yùn)放的輸出端即為控制電壓的輸出端。
本發(fā)明所述的電壓基準(zhǔn)電路的實(shí)施例，如圖8所示，由基準(zhǔn)電源芯片MX584組成。控制電壓輸出模塊需要的-7.5V的參考電壓可由圖所示的電路產(chǎn)生。
本發(fā)明所述的LD驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例，如圖9所示，圖中給出了單路LD驅(qū)動(dòng)模塊的電路。其中，外部的供電直流電源將能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容器(C2，C3，C4)中，這樣可以避免直流電源在工作過(guò)程中輸出給半導(dǎo)體激光器的電流出現(xiàn)浪涌。開關(guān)元件U1、U2為大功率MOSFET，U1、U2并聯(lián)可以減小其中一個(gè)管子失效帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。二極管D1起保護(hù)作用，和半導(dǎo)體激光器并聯(lián)，可以避免放電電流反向過(guò)沖對(duì)半導(dǎo)體激光器造成損害。儲(chǔ)能電容器和半導(dǎo)體激光器、開關(guān)器件構(gòu)成放電回路，由輸入的控制電壓來(lái)控制開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)，使半導(dǎo)體激光器的工作電流滿足要求?？刂戚斎胄盘?hào)先經(jīng)過(guò)一低通濾波器，經(jīng)過(guò)功率放大，得到作用在MOS管的柵源極間的控制開關(guān)電壓。為了穩(wěn)定輸出電流，該電路中采用了電流并聯(lián)負(fù)反饋。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，其特征在于利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定法得到在不同溫度下，半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的輸出特性，即半導(dǎo)體激光器達(dá)到一定輸出功率的所需驅(qū)動(dòng)電流值，從而得到溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)鍵盤輸入單元將上述對(duì)應(yīng)關(guān)系以列表形式輸入微控制器；利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并根據(jù)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流值，由半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源自適應(yīng)地輸出該電流，以保證半導(dǎo)體激光器在不同溫度下具有穩(wěn)定的輸出功率。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述驅(qū)動(dòng)電流控制方法的多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，包括由控制電路、驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路、監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路及儲(chǔ)能電容器組成的LD驅(qū)動(dòng)電路(4)，所述LD驅(qū)動(dòng)電路由外部的供電直流電源(5)供電，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電源還包括由微控制器(3)及分別與其相連的鍵盤輸入單元(2)、顯示單元(21)、控制電壓輸出電路(6)和溫度傳感器組(1)組成的主控制電路，以及與所述控制電壓輸出電路(6)相連的電壓基準(zhǔn)電路(7)；其中微控制器(3)中集成了一個(gè)模式選擇開關(guān)(15)，供用戶選擇所需的工作模式；所述溫度傳感器組(1)固定于半導(dǎo)體激光器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器的工作溫度，并將溫度信號(hào)送入微控制器(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述微控制器(3)是單片機(jī)、單板機(jī)、DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、復(fù)雜可編程邏輯器件、計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉呻娐贰?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的微控制器(3)包括LD保護(hù)邏輯電路(10)，LD保護(hù)信號(hào)輸入端口(8)，分頻器(9)，鍵盤譯碼器(11)，彈跳消除電路(12)，鍵盤掃描電路(13)，電流參數(shù)寄存器(14)，模式選擇開關(guān)(15)，電流與溫度關(guān)系寄存器(16)，溫度數(shù)據(jù)寄存器(17)，溫度信號(hào)數(shù)字濾波器(18)，控制電壓信號(hào)輸出控制器(19)，以及顯示控制器(20)；其中，分頻器(9)產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，分別與LD保護(hù)邏輯電路(10)，彈跳消除電路(12)，鍵盤掃描電路(13)，控制電壓信號(hào)輸出控制器(19)，顯示控制器(20)及固定于半導(dǎo)體激光器的溫度傳感器組(1)相連，為上述電路單元提供時(shí)序控制；所述的LD驅(qū)動(dòng)電路(4)通過(guò)LD保護(hù)信號(hào)輸入端口(8)與LD保護(hù)邏輯電路(10)相連，同時(shí)LD保護(hù)邏輯電路(10)保護(hù)使能信號(hào)輸出端與電流參數(shù)寄存器(14)相連；鍵盤掃描電路(13)的鍵盤掃描信號(hào)輸出端與所述鍵盤輸入單元(2)相連，同時(shí)所述彈跳消除電路(12)與鍵盤輸入單元(2)相連，用于接收并處理經(jīng)過(guò)鍵盤輸入單元(2)的鍵盤掃描信號(hào)，其輸出端與鍵盤譯碼器(11)相連；所述鍵盤譯碼器(11)與模式選擇開關(guān)(15)相連，傳遞相應(yīng)控制信號(hào)，同時(shí)還與電流參數(shù)寄存器(14)相連，傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)；模式選擇開關(guān)(15)通過(guò)開關(guān)選擇，其輸出端一路直接與電流參數(shù)寄存器(14)相連，另一路通過(guò)電流與溫度關(guān)系寄存器(16)與電流參數(shù)寄存器(14)相連；所述溫度傳感器組(1)通過(guò)溫度信號(hào)數(shù)字濾波器(18)與溫度數(shù)據(jù)寄存器(17)相連，溫度數(shù)據(jù)寄存器(17)的輸出端分別與電流與溫度關(guān)系寄存器(16)和顯示控制器(20)相連；電流參數(shù)寄存器(14)通過(guò)控制電壓輸出控制器(19)與所述控制電壓輸出電路(6)相連，并通過(guò)顯示控制器(20)傳輸顯示數(shù)據(jù)至顯示單元(21)。
全文摘要
半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流控制方法及多模式工作的驅(qū)動(dòng)電源，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的控制方法，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定法得到在不同溫度下，半導(dǎo)體激光器達(dá)到一定輸出功率的所需驅(qū)動(dòng)電流值，從而得到溫度與驅(qū)動(dòng)電流值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)鍵盤輸入單元將上述對(duì)應(yīng)關(guān)系以列表形式輸入微控制器，然后通過(guò)檢測(cè)LD的工作溫度，改變驅(qū)動(dòng)電流來(lái)補(bǔ)償溫度變化引起的輸出功率變化，以實(shí)現(xiàn)LD輸出功率的穩(wěn)定。本發(fā)明還公開了一種能實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)電流控制方法的基于多模式工作的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源。本發(fā)明可用于半導(dǎo)體激光器作為光源或泵浦源的各種領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1652419SQ20051001112
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者鞏馬理, 潘衛(wèi)軍, 郭云霄, 陳剛, 閆平 申請(qǐng)人:清華大學(xué)