一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器制造技术

本发明专利技术的一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器属于电子设备的技术领域，主要结构有单片机(1)、数模转换模块(2)、功率输出模块(3)、负载判断模块(4)、延时补偿模块(5)、电压跟踪模块(6)、和断电保护模块(8)等。本发明专利技术在工作时能够主动适应负载的变化，具有效率高、负载适应范围宽、安全性高、可靠性高等优点。

A Digital Impedance Adaptive Laser Diode Driver

The Digital Impedance adaptive laser diode driver of the present invention belongs to the technical field of electronic equipment. Its main structure includes single chip computer (1), digital-to-analog conversion module (2), power output module (3), load judgment module (4), delay compensation module (5), voltage tracking module (6), and power-off protection module (8). The invention can actively adapt to the change of load while working, and has the advantages of high efficiency, wide load adaptation range, high safety and high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器
本专利技术属于电子设备的
特别涉及一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器。
技术介绍
光纤激光器以其效率高、散热好、光束质量好、结构简单、体积小、质量轻等优点被广泛应用于国防、军工、高精度工业加工等领域。光纤激光器基本组成为泵浦源、光纤增益介质和光学谐振腔。其中泵浦源是整个光纤激光器系统最基础的部件，对光纤激光器系统的整体性能有着重要影响。泵浦源主要由大功率半导体激光二极管和驱动与控制电路构成，由于半导体激光二极管是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲击的承受能力较差，其驱动电流的微小变化将导致输出性能参数(如激射波长，噪声性能，模式跳动)和输出光功率的极大变化，这些变化直接影响泵浦源输出激光的质量。因此，在实际应用中对半导体激光器的驱动与控制电路有着极高的要求。具体来说，对驱动与控制电路的主要要求如下：1、驱动电流的稳定度要高；2、具有上电冲击保护、过流保护、超温保护等完善的保护措施；3、效率要高，在激光二极管的电光转换效率一定时，驱动器自身效率会影响整个激光器系统的整体效率，因此驱动器内部损耗要尽可能地小；4、由于激光二极管经常以阵列方式工作，因此其等效阻抗是不确定的，当激光器阵列的等效阻抗发生变化时，驱动器要能主动适应负载的变化。与本申请最接近的现有技术是专利号为ZL200710056012.6的中国专利“大功率激光二极管驱动器”(本课题组早期申请的)。该专利利用末级场效应管(也称MOS管)的非线性特点，采用深度负反馈技术，通过对输出电流进行取样并反馈，使输出驱动电流的稳定度大大提高，同时，该专利还实现了软启动保护、限流保护等功能。但上述专利中的方案还存在诸多缺点：首先，ZL200710056012.6公开的驱动器负载适应能力差。当所驱动的激光二极管(或阵列)的等效阻抗增大时会导致末级控制电流输出的MOS管进入饱和区，进而导致最大输出电流迅速下降，无法保持恒流驱动；而当负载等效阻抗减小时则会使MOS管进入到欠压区(因为负载小，负载两端产生的电压也小，在本领域内称为欠压)，由于MOS管与负载同处一个串联回路中，且MOS管是非线性器件，因此负载电压的减小导致MOS管自动承担回路多余的电压，进而导致MOS管的内部功耗急剧上升，而这种功耗属于驱动器的“副产物”，对系统百害而无一利：一方面管功耗的增加会使管子温度急剧升高而增加管子烧坏的风险(降低仪器的使用寿命)，另一方面当负载变化时不能及时调整功率供给导致整个驱动器的效率大幅度降低，造成功率的浪费，这在将激光器系统用于移动设备时是非常不利的。因为在移动平台上工作时，为了保证系统的续航时间，效率往往是需要重点考虑的一项指标。其次，ZL200710056012.6没有过流断电和超温断电的保护功能，一旦限流模块失效时会导致输出驱动电流超过安全电流的风险，造成被驱动的激光二极管的损坏。综上，现有的激光二极管驱动技术还需要进一步完善。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺点，提供一种基于单片机控制的阻抗自适应激光二极管驱动器，当所驱动的激光二极管或激光二极管阵列的等效阻抗发生变化时，能够自动调节驱动器内部的参数，以适应负载的阻抗变化，保持高效率，且具备过流断电及超温断电等多重安全保护功能。本专利技术的具体的技术方案是：一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器，结构有单片机1、数模转换模块2、功率输出模块3、模数转换模块12、显示模块10、输入模块11、软启动模块13和电源管理模块15、前面板16；其特征在于，结构还有负载判断模块4、参考电压模块14、延时补偿模块5、电压跟踪模块6、过流判断模块7、断电保护模块8和超温判断模块9；其中，单片机1分别与显示模块10、输入模块11、模数转换模块12、数模转换模块2相连，数模转换模块2与功率输出模块3相连，软启动模块13与功率输出模块3相连，功率输出模块3分别与模数转换模块12、负载判断模块4、过流判断模块7相连，参考电压模块14与负载判断模块4相连，负载判断模块4与延时补偿模块5相连，延时补偿模块5与电压跟踪模块6相连，电压跟踪模块6与功率输出模块3相连，过流判断模块7、超温判断模块9均与断电保护模块8相连，断电保护模块8分别与功率输出模块3和电压跟踪模块6相连；电源管理模块15是能将市电交流电转换成直流电压的电路，为各模块提供Vcc、Vcc/2、Vdd三种直流电压；所述的功率输出模块3的结构为：继电器EK1的开关的一端作为功率输出模块3的第一个输入端，记为端口PWR-in1，另一端接场效应管Q1的漏极，并作为功率输出模块3的第一个输出端，记为端口PWR-out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为功率输出模块3的第二个输入端，记为端口PWR-in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为功率输出模块3的第二个输出端，记为端口PWR-out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为功率输出模块3的第三个输入端，记为端口PWR-in3，电阻R1的另一端作为功率输出模块3的第四个输入端，记为端口PWR-in4，与数模转换模块2的输出端相连；运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为功率输出模块3的第三个输出端，记作端口PWR-out3，电阻Rs的另一端接地；所述的负载判断模块4的结构为：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块4的第一个输入端，记作端口Vjdg-in1，与功率输出模块3的端口PWR-out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块4的第二个输入端，记作端口Vjdg-in2，与功率输出模块3的端口PWR-out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块4的输出端，记作端口Vjdg-out，与延时补偿模块5的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块4的第三个输入端，记作端口Vjdg-in3，与参考电压模块14的输出端相连；所述的延时补偿模块5的结构为：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块5的输入端，记作端口Vd本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器，结构有单片机(1)、数模转换模块(2)、功率输出模块(3)、模数转换模块(12)、显示模块(10)、输入模块(11)、软启动模块(13)和电源管理模块(15)；其特征在于，结构还有负载判断模块(4)、参考电压模块(14)、延时补偿模块(5)、电压跟踪模块(6)、过流判断模块(7)、断电保护模块(8)和超温判断模块(9)；其中，单片机(1)分别与显示模块(10)、输入模块(11)、模数转换模块(12)、数模转换模块(2)相连，数模转换模块(2)与功率输出模块(3)相连，软启动模块(13)与功率输出模块(3)相连，功率输出模块(3)分别与模数转换模块(12)、负载判断模块(4)、过流判断模块(7)相连，参考电压模块(14)与负载判断模块(4)相连，负载判断模块(4)与延时补偿模块(5)相连，延时补偿模块(5)与电压跟踪模块(6)相连，电压跟踪模块(6)与功率输出模块(3)相连，过流判断模块(7)、超温判断模块(9)均与断电保护模块(8)相连，断电保护模块(8)分别与功率输出模块(3)和电压跟踪模块(6)相连；电源管理模块(15)是能将市电交流电转换成直流电压的电路，为各模块提供Vcc、Vcc/2、Vdd三种直流电压；所述的功率输出模块(3)的结构为：继电器EK1的开关的一端作为功率输出模块(3)的第一个输入端，记为端口PWR‑in1，另一端接场效应管Q1的漏极，并作为功率输出模块(3)的第一个输出端，记为端口PWR‑out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为功率输出模块(3)的第二个输入端，记为端口PWR‑in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为功率输出模块(3)的第二个输出端，记为端口PWR‑out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为功率输出模块(3)的第三个输入端，记为端口PWR‑in3，电阻R1的另一端作为功率输出模块(3)的第四个输入端，记为端口PWR‑in4，与数模转换模块(2)的输出端相连；运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为功率输出模块(3)的第三个输出端，记作端口PWR‑out3，电阻Rs的另一端接地；所述的负载判断模块(4)的结构为：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块(4)的第一个输入端，记作端口Vjdg‑in1，与功率输出模块(3)的端口PWR‑out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块(4)的第二个输入端，记作端口Vjdg‑in2，与功率输出模块(3)的端口PWR‑out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块(4)的输出端，记作端口Vjdg‑out，与延时补偿模块(5)的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块(4)的第三个输入端，记作端口Vjdg‑in3，与参考电压模块(14)的输出端相连；所述的延时补偿模块(5)的结构为：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块(5)的输入端，记作端口Vdly‑in，与负载判断模块(4)的端口Vjdg‑out相连，电阻R13的另一端与运放U4A的反相输入端和电阻R15的一端相连，运放U4A的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接电源Vcc/2，电阻R15的另一端与运放U4A的输出端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电阻R21的一端和运放U5A的反相输入端相连，电阻R17的另一端与运放U5A的输出端相连，并作为延时补偿模块(5)的输出端，记作端口Vdly‑out，与电压跟踪模块(6)的第二个输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R...

【技术特征摘要】
1.一种数字式阻抗自适应激光二极管驱动器，结构有单片机(1)、数模转换模块(2)、功率输出模块(3)、模数转换模块(12)、显示模块(10)、输入模块(11)、软启动模块(13)和电源管理模块(15)；其特征在于，结构还有负载判断模块(4)、参考电压模块(14)、延时补偿模块(5)、电压跟踪模块(6)、过流判断模块(7)、断电保护模块(8)和超温判断模块(9)；其中，单片机(1)分别与显示模块(10)、输入模块(11)、模数转换模块(12)、数模转换模块(2)相连，数模转换模块(2)与功率输出模块(3)相连，软启动模块(13)与功率输出模块(3)相连，功率输出模块(3)分别与模数转换模块(12)、负载判断模块(4)、过流判断模块(7)相连，参考电压模块(14)与负载判断模块(4)相连，负载判断模块(4)与延时补偿模块(5)相连，延时补偿模块(5)与电压跟踪模块(6)相连，电压跟踪模块(6)与功率输出模块(3)相连，过流判断模块(7)、超温判断模块(9)均与断电保护模块(8)相连，断电保护模块(8)分别与功率输出模块(3)和电压跟踪模块(6)相连；电源管理模块(15)是能将市电交流电转换成直流电压的电路，为各模块提供Vcc、Vcc/2、Vdd三种直流电压；所述的功率输出模块(3)的结构为：继电器EK1的开关的一端作为功率输出模块(3)的第一个输入端，记为端口PWR-in1，另一端接场效应管Q1的漏极，并作为功率输出模块(3)的第一个输出端，记为端口PWR-out1，继电器EK1的线圈的一端接电源Vdd，另一端作为功率输出模块(3)的第二个输入端，记为端口PWR-in2，场效应管Q1的栅极与运放U1A的输出端相连，源极作为功率输出模块(3)的第二个输出端，记为端口PWR-out2，电阻R1的一端接运放U1A的同相输入端，并作为功率输出模块(3)的第三个输入端，记为端口PWR-in3，电阻R1的另一端作为功率输出模块(3)的第四个输入端，记为端口PWR-in4，与数模转换模块(2)的输出端相连；运放U1A的反相输入端与电容C1的一端和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与运放U1A的输出端相连，电阻R2的另一端与滑动变阻器W1的一端、滑动变阻器W1的滑线端及运放U1B的输出端相连，滑动变阻器W1的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的反相输入端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运放U1B的同相输入端与电阻Rs的一端相连，并作为功率输出模块(3)的第三个输出端，记作端口PWR-out3，电阻Rs的另一端接地；所述的负载判断模块(4)的结构为：运放U2A的同相输入端作为负载判断模块(4)的第一个输入端，记作端口Vjdg-in1，与功率输出模块(3)的端口PWR-out1相连，运放U2A的反相输入端与运放U2A的输出端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R6的一端和运放U3A的同相输入端相连，电阻R6的另一端接地，运放U3A的输出端与电阻R8的一端和电阻R9的一端相连，电阻R8的另一端与运放U3A的反相输入端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与运放U2B的反相输入端和运放U2B的输出端相连，运放U2B的同相输入端作为负载判断模块(4)的第二个输入端，记作端口Vjdg-in2，与功率输出模块(3)的端口PWR-out2相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运放U3B的同相输入端相连，电阻R10的另一端接电源Vcc/2，运放U3B的输出端与电阻R12的一端相连，并作为负载判断模块(4)的输出端，记作端口Vjdg-out，与延时补偿模块(5)的输入端相连，电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端和R11的一端相连，电阻R11的另一端与运放U4B的输出端和运放U4B的反相输入端相连，运放U4B的同相输入端与滑动变阻器W2的滑线端相连，滑动变阻器W2的一端接地，另一端作为负载判断模块(4)的第三个输入端，记作端口Vjdg-in3，与参考电压模块(14)的输出端相连；所述的延时补偿模块(5)的结构为：电阻R13的一端与电阻R18的一端相连，并作为延时补偿模块(5)的输入端，记作端口Vdly-in，与负载判断模块(4)的端口Vjdg-out相连，电阻R13的另一端与运放U4A的反相输入端和电阻R15的一端相连，运放U4A的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端接电源Vcc/2，电阻R15的另一端与运放U4A的输出端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端与电阻R17的一端、电阻R21的一端和运放U5A的反相输入端相连，电阻R17的另一端与运放U5A的输出端相连，并作为延时补偿模块(5)的输出端，记作端口Vdly-out，与电压跟踪模块(6)的第二个输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端与电源Vcc/2相连，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、电容C2的一端和运放U5B的输出端相连，电阻R20的另一端与电容C2的另一端、运放U5B的反相输入端及电阻R18的另一端相连，电阻R19的一端接运放U5B的同相输入端，另一端接Vcc/2；所述的电压跟踪模块(6)的结构为，电阻R23的一端接电源Vcc/2，另一端与运放U6A的反向输入端相连，运放U6A的同相输入端与电阻R24的一端、电阻R25的一端相连，电阻R24的另一端与运放U6A的输出端相连，电阻R25的另一端与运放U6B的输出端相...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍佳雨，袁浩钧，莫思铭，李凡，黎钧中，唐伟，高博，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22