專利名稱：智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流的精確控制裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生的受激輻射和諧振腔提供的光反饋制作的一類半導(dǎo)體器件，它需要電流驅(qū)動。半導(dǎo)體激光器是一種結(jié)型器件，對電沖擊的承受能力差，大的電學(xué)瞬變過程或具有納秒或更寬脈沖寬度的電流峰形成，會導(dǎo)致其永久性損傷。微小的驅(qū)動電流的波動會導(dǎo)致光功率的極大變化和輸出波長光譜的展寬。因此，半導(dǎo)體激光器的電源必須要具有特殊的保護(hù)電路，如延時軟啟動保護(hù)和限流保護(hù)等，同時還應(yīng)具有高的電流穩(wěn)定度。
現(xiàn)有技術(shù)中，中國專利公開號CN200420076203.0，
公開日2005年12月7日，名稱為“大功率半導(dǎo)體激光器精確電流控制裝置”，公開了一種大功率半導(dǎo)體激光器精確電流控制裝置，其驅(qū)動電路是一模擬閉環(huán)控制電路，可以精確控制電流。但僅靠模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，電流輸出的大小通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)；延時軟啟動保護(hù)僅通過電容實(shí)現(xiàn)。上述半導(dǎo)體激光器驅(qū)動技術(shù)主要存在以下缺點(diǎn)無法與外部處理器交換數(shù)據(jù)，不能很好的監(jiān)控激光器的工作，設(shè)定電流和調(diào)節(jié)電流時需手動調(diào)節(jié)電位器的旋鈕，操作不方便；在調(diào)節(jié)輸出電流時，如電位器發(fā)生問題，會造成激光器的損壞；延時軟啟動僅通過電容實(shí)現(xiàn)，延時曲線不可調(diào)，效果不理想；限流元件或控流元件發(fā)生損壞后會直接導(dǎo)致激光器的損壞。
中國專利公開號CN200510011124.0，
公開日2005年8月10日，名稱為“半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流控制方法及多模式工作的驅(qū)動電源”，公開的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用到了數(shù)字控制電路，方便了控制和操作，但其控制部分實(shí)際是一數(shù)字閉環(huán)電路，微控制器采集半導(dǎo)體激光器工作狀態(tài)信號，經(jīng)過大量計算后輸出電流控制信號。其缺點(diǎn)在于數(shù)字閉環(huán)電路響應(yīng)時間長，很難做到實(shí)時響應(yīng)半導(dǎo)體激光器的變化，不利于精確的控制半導(dǎo)體激光器的電流。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置。采用數(shù)字控制電路和模擬閉環(huán)控制電路相結(jié)合的電路，使得在對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流精確控制的同時，可以方便地進(jìn)行各種設(shè)定操作，對激光器的調(diào)節(jié)理想可靠；采用了特殊保護(hù)電路防止限流元件或控流元件發(fā)生損壞后對半導(dǎo)體激光器的損壞；利用智能數(shù)字控制方法使得延時軟啟動曲線可隨需要調(diào)整。
本發(fā)明的解決方案是一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，它包括微控制器，輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口，PC機(jī)通信接口，驅(qū)動電路，其特點(diǎn)在于所述驅(qū)動裝置還包括AD接口和DA接口；其中微控制器分別與輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口、顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口、PC機(jī)通信接口、AD接口和DA接口相連，驅(qū)動電路分別與半導(dǎo)體激光器、AD接口和DA接口相連；輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，用于接收輸入數(shù)據(jù)并輸出至微控制器；顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口，用于接收微控制器的數(shù)據(jù)并顯示；PC機(jī)通信接口，用于微控制器和PC機(jī)通訊，可使PC機(jī)直接控制激光器的工作狀態(tài)；AD接口，用于接收驅(qū)動電路的模擬信號，并將生成的數(shù)字信號輸出至微控制器；DA接口，用于接收微控制器的數(shù)字控制信號，并將生成的模擬信號輸出至驅(qū)動電路；驅(qū)動電路，單獨(dú)構(gòu)成模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于輸出半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流，使半導(dǎo)體激光器輸出穩(wěn)定激光；微控制器，用于整體控制，與AD接口、DA接口和驅(qū)動電路構(gòu)成數(shù)字開環(huán)控制系統(tǒng)。
其中，所述驅(qū)動電路具體包括最大電流監(jiān)控模塊，與限流輸出相連，用于監(jiān)控最大電流。
限流輸出模塊，輸入分別與啟動電路和DA接口相連，輸出分別與輸出電流調(diào)節(jié)模塊和半導(dǎo)體激光器相連，限制最大電流的輸出。
輸出電流調(diào)節(jié)模塊，分別與限流輸出模塊、延時電路、輸出電流控制模塊和反饋電路相連，用于分走限流輸出模塊輸出的電流，從而調(diào)節(jié)輸出到激光器上的電流，達(dá)到穩(wěn)流的目的。
電流取樣模塊，輸入與半導(dǎo)體激光器相連，輸出分別與反饋電路和輸出電流監(jiān)控相連，用于將激光器上流過的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。
輸出電流監(jiān)控，輸入與電流取樣模塊相連，輸出與AD接口相連，用于監(jiān)控半導(dǎo)體激光器上流過的電流。
反饋電路，輸入與電流取樣模塊相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于產(chǎn)生反饋信號，使輸出電流穩(wěn)定。
輸出電流控制模塊，輸入與DA接口相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于接受微控制器的控制信號，進(jìn)行信號放大等處理。
延時電路，輸入與啟動電路相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于驅(qū)動裝置開啟后，將電流控制模塊輸出至輸出電流調(diào)節(jié)模塊的電流緩慢增加至預(yù)定值。
啟動電路，分別與延時電路和限流輸出電路相連，用于啟動延時電路和限流輸出電路。
保護(hù)電路，分別與限流輸出模塊、輸出電流調(diào)節(jié)模塊和電流取樣模塊相連，用于保護(hù)激光器，使其不會由于限流元件和調(diào)節(jié)電流元件失效而損壞。
所述微控制器，可以通過軟件編程，控制所述DA接口對最大電流和輸出電流進(jìn)行緩慢延時輸出，并使兩者同步；可以根據(jù)需要調(diào)整延時啟動曲線。
本發(fā)明所述的微控制器是單片機(jī)，單板機(jī)，DSP，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。
本發(fā)明所述的輸入設(shè)備是鍵盤或觸摸屏。
本發(fā)明所述的顯示設(shè)備可以是數(shù)碼管或液晶屏。
本發(fā)明所述的AD接口和DA接口可以集成在微控制器內(nèi)部。
相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明將數(shù)字控制電路和模擬閉環(huán)控制電路相結(jié)合，采用特殊保護(hù)電路防止限流元件或控流元件發(fā)生損壞后對半導(dǎo)體激光器的損壞，很方便地用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)最大輸出電流和輸出電流調(diào)節(jié)，間接地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器電流的調(diào)節(jié)；可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)延時軟啟動。具體有以下優(yōu)點(diǎn)1、數(shù)字控制電路和模擬閉環(huán)控制電路相結(jié)合的電路使得在對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流精確控制的同時，可以方便地進(jìn)行各種設(shè)定操作。
2、數(shù)字控制的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外部旋鈕調(diào)節(jié)電流的方法，使得激光器的電流調(diào)節(jié)精確可靠。
3、通過程序進(jìn)行數(shù)字化控制，對最大電流和輸出電流進(jìn)行延時，使其緩慢升高，并與硬件延時電路配合，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的軟啟動。并且延時軟啟動可靠，可以獲得理想的延時曲線，更好地保護(hù)半導(dǎo)體激光器。
4、采用特殊保護(hù)電路可以避免限流元器件和調(diào)節(jié)電流元器件損壞后對半導(dǎo)體激光器的損壞。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明限流電路和輸出電流調(diào)節(jié)電路的電路圖。
圖4為微控制器進(jìn)行控制的流程圖具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖，對本發(fā)明的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置詳細(xì)說明如下本發(fā)明的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口1，輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口2，微控制器3，PC機(jī)通信接口4，AD接口5，DA接口6和驅(qū)動電路7。微控制器3用于整體的控制，可以接收輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口2和AD接口5的信號，做出相應(yīng)處理后輸出信號至顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口1和DA接口6，并可以通過PC機(jī)通信接口4與PC機(jī)通信，可以與PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并接受PC機(jī)的控制。驅(qū)動電路7由DA接口6產(chǎn)生的DA信號控制，并將工作狀態(tài)信號傳輸至AD接口。
圖2虛線框內(nèi)為本發(fā)明驅(qū)動電路7的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括最大電流監(jiān)控8，限流輸出9，輸出電流調(diào)節(jié)10，保護(hù)電路11，電流取樣12，輸出電流監(jiān)控13，反饋電路14，輸出電流控制15，延時電路16和啟動電路17。驅(qū)動電路工作原理為電路上電后，限流輸出9不工作，沒有電流流出。外部施加啟動信號后，啟動電路17控制限流輸出9和延時電路16開始工作，限流輸出9由DA接口6的DA1信號控制，輸出給定的最大電流，并輸出信號至最大電流監(jiān)控8，通過AD接口5進(jìn)行監(jiān)控。同時，啟動信號啟動延時電路16，輸出電流調(diào)節(jié)10緩慢輸出電流。輸出電流控制15由DA接口6的DA2信號控制，使輸出電流調(diào)節(jié)10輸出給定的電流。電流取樣12將半導(dǎo)體激光器上流過的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出至反饋電路14，反饋信號輸出至輸出電流調(diào)節(jié)10，形成模擬閉環(huán)反饋，從而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器上電流的調(diào)節(jié)。電流取樣12輸出信號至輸出電流監(jiān)控13，通過AD接口5進(jìn)行監(jiān)控。保護(hù)電路11檢測電流取樣模塊上的電流，當(dāng)電流超過額定值時，立刻與限流輸出模塊9和輸出電流調(diào)節(jié)模塊10聯(lián)合限制激光器上的電流。
圖3為本發(fā)明限流輸出電路和輸出電流調(diào)節(jié)電路的電路圖。R1為限流電阻，MOSFET1為控制最大電流的元件，流經(jīng)它的電流大小由控制電路1的輸出電壓決定，將限流電阻上的取樣電壓信號反饋到限流輸出電路9，使得最大電流恒定。MOSFET2上流過的電流由輸出電流調(diào)節(jié)10提供的電壓決定。R2為輸出電流取樣電阻，將流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并通過反饋電路14反饋至輸出電流調(diào)節(jié)10，調(diào)節(jié)MOSFET2上流過的電流。限流輸出的電流一部分流經(jīng)輸出電流調(diào)節(jié)電路10，另一部分流經(jīng)半導(dǎo)體激光器。通過調(diào)節(jié)MOSFET2上流經(jīng)的電流可以間接地調(diào)節(jié)流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流。這種采用特殊保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)可以有效防止控制最大電流的元件MOSFET1和調(diào)節(jié)輸出電流元件MOSFET2損壞時對半導(dǎo)體激光器的損壞。限流元件和調(diào)節(jié)電流元件損壞的方式包括擊穿和斷開兩種。如果MOSFET1被擊穿，則限流電阻R1右端電壓變大，保護(hù)電路11得到反饋后迅速完全打開調(diào)節(jié)輸出電流元件MOSFET2，過大電流會從MOSFET2流過，半導(dǎo)體激光器不會損壞；如果MOSFET2被擊穿，則半導(dǎo)體激光器被短路，不會有電流流過，不會造成損壞；如果MOSFET1被斷開，則電路中不會產(chǎn)生電流，半導(dǎo)體激光器上無電流，不會損壞；如果MOSFET2被斷開，當(dāng)半導(dǎo)體激光器上的電流超過額定電流時，采樣電壓迅速反饋至保護(hù)電路11，保護(hù)電路11立刻關(guān)斷最大電流的元件MOSFET1，使半導(dǎo)體激光器無電流流過，則半導(dǎo)體激光器不會損壞。
圖4為微控制器實(shí)施控制的流程圖。微控制器對模擬驅(qū)動電路實(shí)施控制的流程包括以下步驟1、電源上電，微控制器開始工作。
2、對各部分進(jìn)行初始化，包括顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口，輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，PC機(jī)通信接口，AD接口和DA接口。
3、通過輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，微控制器接受外部設(shè)定的最大工作電流值和激光器的工作電流值。如果設(shè)定的最大電流值超過激光器所能承受的電流值，則報警。設(shè)定過程實(shí)時地在顯示設(shè)備上顯示。
4、等待軟件確認(rèn)是否輸出。確認(rèn)則繼續(xù)，否則循環(huán)檢測。
5、DA1，DA2輸出零電平電壓，防止在正式輸出時造成電壓突變而損壞激光器。
6、檢測外部啟動信號，當(dāng)啟動信號發(fā)生時繼續(xù)，否則循環(huán)。啟動信號發(fā)生后，限時輸出電路、延時電路和輸出電路調(diào)節(jié)電路開始工作。
7、DA1信號和DA2信號在微控制器的控制下輸出，模擬信號從小到大逐漸升高至設(shè)定電流，從而保證激光器上流過的電流從小到大緩慢升高。DA1信號與DA2信號保持恒定的電壓差，使得流經(jīng)輸出電流調(diào)節(jié)的電流恒定，從而保證激光器兩端電壓從小到大緩慢升高。此電壓差可以根據(jù)MOSFET2的開啟電壓決定，這樣使得MOSFET2的耗散功率最小。
8、啟動AD信號，實(shí)時監(jiān)控驅(qū)動電路的工作狀態(tài)，并在顯示設(shè)備上實(shí)時顯示最大電流和輸出電流。如果最大電流或輸出電流出現(xiàn)異常，則立刻使DA1歸零，即切斷限流輸出。
9、循環(huán)檢測是否需要重新設(shè)定。此過程中AD接口和DA接口都正常工作。如接收到輸入設(shè)備需要重新設(shè)定的信號，則返回到步驟2開始執(zhí)行，反之則循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，它包括微控制器，輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口，PC機(jī)通信接口，驅(qū)動電路，其特征在于所述驅(qū)動裝置還包括AD接口和DA接口；其中微控制器分別與輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口、顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口、PC機(jī)通信接口、AD接口和DA接口相連，驅(qū)動電路分別與半導(dǎo)體激光器、AD接口和DA接口相連；輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口(2)，用于接收輸入數(shù)據(jù)并輸出至微控制器(3)；顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口(1)，用于接收微控制器(3)的數(shù)據(jù)并顯示；PC機(jī)通信接口(4)，用于微控制器(3)和PC機(jī)通訊，可使PC機(jī)直接控制激光器的工作狀態(tài)；AD接口(5)，用于接收驅(qū)動電路(7)的模擬信號，并將生成的數(shù)字信號輸出至微控制器(3)；DA接口(6)，用于接收微控制器(3)的數(shù)字控制信號，并將生成的模擬信號輸出至驅(qū)動電路(7)；驅(qū)動電路(7)，單獨(dú)構(gòu)成模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于輸出半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流，使半導(dǎo)體激光器輸出穩(wěn)定激光；微控制器(3)，用于整體控制，與AD接口(5)、DA接口(6)和驅(qū)動電路(7)構(gòu)成數(shù)字開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電路包括最大電流監(jiān)控模塊，與限流輸出相連，用于監(jiān)控最大電流；限流輸出模塊，輸入分別與啟動電路和DA接口相連，輸出分別與輸出電流調(diào)節(jié)模塊和半導(dǎo)體激光器相連，限制最大電流的輸出；輸出電流調(diào)節(jié)模塊，分別與限流輸出模塊、延時電路、輸出電流控制模塊和反饋電路相連，用于分走限流輸出模塊輸出的電流，從而調(diào)節(jié)輸出到激光器上的電流，達(dá)到穩(wěn)流的目的；電流取樣模塊，輸入與半導(dǎo)體激光器相連，輸出分別與反饋電路和輸出電流監(jiān)控相連，用于將激光器上流過的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；輸出電流監(jiān)控，輸入與電流取樣模塊相連，輸出與AD接口相連，用于監(jiān)控半導(dǎo)體激光器上流過的電流；反饋電路，輸入與電流取樣模塊相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于產(chǎn)生反饋信號，使輸出電流穩(wěn)定；輸出電流控制模塊，輸入與DA接口相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于接受微控制器的控制信號，進(jìn)行信號放大等處理；延時電路，輸入與啟動電路相連，輸出與輸出電流調(diào)節(jié)相連，用于驅(qū)動裝置開啟后，將電流控制模塊輸出至輸出電流調(diào)節(jié)模塊的電流緩慢增加至預(yù)定值；啟動電路，分別與延時電路和限流輸出電路相連，用于啟動延時電路和限流輸出電路；保護(hù)電路，分別與限流輸出模塊、輸出電流調(diào)節(jié)模塊和電流取樣模塊相連，用于保護(hù)激光器，使其不會由于限流元件和調(diào)節(jié)電流元件失效而損壞。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，所述微控制器，可以通過軟件編程，控制所述DA接口對最大電流和輸出電流進(jìn)行緩慢延時輸出，并使兩者同步；可以根據(jù)需要調(diào)整延時啟動曲線。
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，所述微控制器是單片機(jī)，單板機(jī)，DSP，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，本發(fā)明所述的輸入設(shè)備是鍵盤或觸摸屏。
6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，本發(fā)明所述的顯示設(shè)備是數(shù)碼管或液晶屏。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，其特征在于，本發(fā)明所述的AD接口和DA接口可以集成在微控制器內(nèi)部。
全文摘要
一種智能大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動裝置，包括微控制器，輸入設(shè)備及輸入設(shè)備接口，顯示設(shè)備及顯示設(shè)備接口，PC機(jī)通信接口，驅(qū)動電路，AD接口和DA接口。采用數(shù)字控制電路和模擬閉環(huán)控制電路相結(jié)合的電路，使得在對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流精確控制的同時，可以方便地進(jìn)行各種設(shè)定操作，對激光器的調(diào)節(jié)理想可靠；采用了特殊保護(hù)電路，防止限流元件或控流元件發(fā)生損壞后對半導(dǎo)體激光器的損壞；利用智能數(shù)字控制方法使得延時軟啟動曲線隨需要而調(diào)整。
文檔編號H01S5/042GK1866651SQ20061001395
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者馬玉祥, 葉青, 胡新華, 田建國 申請人:南開大學(xué)