专利名称：中大功率固态激光模块的安全保护控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及安全保护控制装置，特别是中大功率固态激光模块的安全保 护控制装置。
背景技术：
近年来，基于激光二极管泵浦技术的全固态激光器(Diode Pumped Solid State Laser, DPSSL)发展迅猛。在影响固态激光模块输出稳定性的因素中， 热效应带来的有害影响最为显著。尤其随着激光器功率的不断提高以及体积 的缩小，热保护的设计显得尤为重要。据多年的固态激光模块维修统计，损 坏中大功率固态激光模块有80%的原因是过热。我们知道，中大功率固态激 光模块工作时冷却方式主要是水冷，用户在使用时操作不当、水冷机在使用 中出故障、长时间运行水垢过厚、水路堵塞、水路气塞、水路破裂、电源故 障、电源报警响应速度慢等等都会使固态激光模块过热、受伤、甚至损坏。
目前中大功率固态激光模块主要采用被动保护模式，其中的温度保护控 制器件通常采用 一个4(TC左右的常闭型温度开关。这样的保护模式设计虽然 简单，但有很多缺点，并不实用。
首先，固态激光模块的工作电流是比较大的，温度开关的体积本身就比 较大，所以不能通过增大体积来增加其工作电流，使温度开关不能与固态激 光模块的工作电流串联，只能采用被动保护模式，通过控制小电流信号，将 动作信号传给固态激光模块的驱动电源，电源收到信号才减少或停止对固态
激光模块的电流输出，从而保护固态激光模块。这种被动保护模式还依赖于 传输信号线和驱动电源的可靠性， 一旦它们中有一个环节出了故障，就可能 导致固态激光模块受损。
另外，温度开关本身也有其缺点。温度开关的保护动作机理是机械触点 式，反应慢；温度开关在温度变化较快时，温度滞后大。同时我们又不能选 用低温度动作值的温度开关来弥4卜这样的温度滞后差，因为低温度动作值的 温度开关会影响固态激光模块的正常工作；温度开关是一个对温度并不非常 敏感器件，它的温度离散性较大。同一批釆购的40。C的常闭型温度开关，有的35。C就已经动作了，有的45。C还没动作。
由上述可知，固态激光模块的保护控制设计要求对温度检测准确、快速、 安全可靠的安全保护控制装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为中大功率固态激光模块提供准确、快 速、安全可靠的安全保护控制。
为实现上述目的，本发明提供一种固态激光模块的安全保护控制装置， 包括
温度检测比较单元，其至少部分与所述固态激光模块热连接，用于检测 所述固态激光模块的温度，将该温度与主动预设温度值比较，并将比较的结 果作为第一输出而输出；
所述主动动作单元串联连接在所述固态激光模块的供电回路中，并且与 所述温度检测比较单元电连接，以接收所述温度4全测和比较单元的所述第一 输出；
当所述温度检测比较单元所检测的温度不高于所述主动预设温度值时， 所述温度检测比较单元控制所述主动动作单元内的电流导通，否则发出报警 并控制所述主动动作单元内的电流关断。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，还包括被动预设温度 值，所述被动预设温度值低于所述主动预设温度值；所述温度比较和检测单 元能够将所述固态激光模块的温度与所述被动预设温度值比较，并将比较的 结果作为第二输出而输出。
如上所述的固态激光^t块的安全保护控制装置，还包括被动保护单元， 所述被动保护单元串联在固态激光模块驱动电源的水压保护端口的两个电 极之间，并且与所述温度检测比较单元电连接，以接收所述温度检测和比较 部分的所述第二输出，当所述温度检测比较单元测得所述固态激光模块的温 度不高于所述被动预设温度值时，所述温度检测比较单元控制所述被动保护 单元导通，否则控制所述被动保护单元关断，所述水压保护端口根据所述被 动保护单元关断的信号发出报警。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，还包括与主动动作单元 并联的报警锁定。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，还包括与所述固态激光模块并联的综合保护单元。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，所述温度检测比较单元 包括电阻桥、比较器，所述电阻桥包括前臂和后臂，前臂包括串联连接的第
一电位器和第一定值电阻，后臂包括串联连接的热敏电阻和第二定值电阻； 所述热敏电阻与所述固态激光模块热连接，所述比较器通过比较所述前臂的 检测点和所述后臂的^企测点之间的电压确定所述热敏电阻的温度是否高于 所述预设温度值。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，所述主动动作单元包括 电子开关。
如上所述的固态激光模块的安全保护控制装置，所述电子开关为场效应 管，所述场效应管的漏极与源极串联连接在所述固态激光模块的驱动电源和 所述固态激光模块的输入电极之间。
根据本发明的安全保护控制装置采用主动式断流保护，在最大程度上保 护固态激光模块，提高固态激光模块的安全性。
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是根据本发明实施例的示意性电路图。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和 实施例对本发明进一步详细i兌明。
参考图l,根据本发明实施例的用于固态激光模块(激光模块)的安全 保护控制装置具有温度检测比较单元、温度报警单元(被动保护单元)、 主动动作单元(主动保护单元)和综合安全保护单元。温度4全测比较单元中 的热敏电阻Rt 1固定在固态激光模块的发热元件上，温度检测比较单元分别 与温度报警单元和主动动作单元相连，用于根据所检测的温度值进行被动保 护或主动保护；温度报警单元与固态激光模块的驱动电源相连。
如图2所示，温度检测比较单元(图中①部分)包括第一电阻桥(由 电阻R3、电阻Rll和热壽文电阻Rtl、电阻R13形成)和第二电阻桥(由电阻R4、 电阻R12和热敏电阻Rtl、电阻R13形成)、比较器U3A、 U3B(LM393 )。第一电
6阻桥的前臂由热敏电阻Rtl和电阻R13串联形成，第一电阻桥的后臂由电阻R3 和R11串联形成，前臂的检测点(热敏电阻Rtl和电阻R13的连接点)与比较器 (U3B)的正输入端(第5腿)相连，后臂的检测点(电阻R3和R11的连接点) 与比较器(U3B)的负输入端(第6腿)相连；第二电阻桥的前臂也由热敏电阻 Rtl和电阻R13串联形成，后臂由电阻R4和R12串联形成，前臂的检测点与比 较器(U3A)的正输入端(第3腿)相连，后臂的检测点与比较器(U3A)的负输 入端(第2腿)相连。主动动作单元(图中②部分)包括上拉电阻R6 (10K Q)、场效应功率管Q3 (70N06);上拉电阻R6连接在保护电路的供电电源与 场效应功率管Q3的栅极(第l腿)之间，场效应功率管Q3的漏极与源极串联 在激光模块的供电回路上。综合安全保护单元(图中③部分)包括反向二 极管D3 ( 1N5822 )、泄放电阻R7 ( /2W )、泄放电阻C7 ( 1 ju F/63V );反
向二极管D3、泄放电阻R7、泄放电阻C7分别并联在激光模块的输入电极两端， 反向二极管D3的负极与激光模块输入电极的正极相连，正极与激光模块输入 电极的负极相连。温度报警单元(被动保护单元)包括光电耦合器Ul( P521 )、 U2 (P521)、三极管Q1 (2N540"、 Q4 (2N5401 )、 Q2 (2N5551 )、起动电容C2 (IMF)等。
上述元件中，有5个元件采用直插件热^:电阻Rtl (NTC)、场效应功率 管Q3、反向二极管D3、泄放电阻R7、泄放电容C7;其余的元件可用表贴元器 件，根据固态激光模块内部空间结构制成一个小的PVB板置于其中。热敏电 阻Rtl、场效应功率管Q3用导线与PCB板连接，综合安全保护单元三个元件(泄 放电阻R7、泄放电容C7、反向二极管D3)则可直接焊接在固态激光模块的电 极上。为了准确检测固态激光模块上的温度，要求将热敏电阻Rtl紧密固定 在固态激光模块内的发热器件(bar条)表面或小孔内(可以在固态激光模 块空白处打一个小孔固定热敏电阻Rtl ),还用导热硅脂或导热胶填满热敏电 阻Rtl与固态激光模块之间的缝隙。在工作中场效应功率管Q3会发出少量的 热量，需要将它固定在固态激光模块的底座上，既要与底座有良好热接触， 还要求与底座电气绝缘。
参考图2,下面介绍本实施例中被动保护单元(图中④部分)的工作原 理。对于固态激光模块驱动电源的一个水压保护端口 J3(固态激光模块驱动 电源的水压保护端口是专门针对固态激光模块热保护的)，当驱动电源通电， 水压保护端口 J3中的一个腿(电极)中输出几十毫安电流，此电流如果能 够再返回到电源水压保护端口另一腿(电极)，认为固态激光模块的温度正常，否则认为发生温度报警。固态激光模块驱动电源的输出端口 J2停止向
固态激光模块的输入电极Jl供电。当固态激光模块的驱动电源工作时，我
们假设水压保护端口 J3的2——J3J逸为正，从其中输出电流。电流经过起 动电容C2，使晶闸管Q1导通，晶闸管Ql的集电极流出的电流又使晶闸管 Q2导通，这样由晶闸管Q1、晶闸管Q2组成的分立式晶闸管就被起动电容C2 触发导通。由于流经晶闸管的电流是直流，晶闸管就可以一直保持导通状态， 这是晶闸管的特性。电流由晶闸管返回到水压保护端口 J3,,驱动电源认为 没有报警，可以正常工作，否则驱动电源认为发生报警，减少或停止对固态 激光模块供电。
当固态激光模块的驱动电源对固态激光模块供电时，由于固态激光模块 是二极管负载特性，中大功率固态激光模块的二极管负载的正向导通电压一 般大于IOV，这个电压正好为控制电路提供电源，固态激光模块的驱动电压 经过二极管D2后成为控制电路的驱动电源VCC(对于工作电压小于10V的固 态激光才莫块，可以外4妄电源或电池供电即可)。VCC经过电阻R6导通场效应 功率管Q3，使固态激光模块工作。温度检测比较单元中，R3、 Rll和Rtl、 R13组成第一电阻桥。R3是电位器，可以设置主动温度预设值，Rtl是温度 传感器(10KQ热敏电阻)，来检测固态激光模块的工作温度。当温度升高时， Rtl电阻值变低，如果Rtl的电阻值小于R3电阻值时，图中比较器U3B的腿 6电平比腿5的电平高，比较器U3B的第7腿电压变为0V,使光电耦合器 Ul的LED发光。光电耦合器Ul的输入级工作，这样就会短路晶闸管Ql的发 射极与基电极，晶闸管Q1截止，然后晶闸管Q2截止，水压保护端口的l腿 中就没有返回电流，固态激光模块驱动电源报警，停止对固态激光模块供电， 从而保护固态激光模块。这一级保护兼容以前产品的被动保护，用晶闸管的 电子开关代替机械式开关。由于电路中的分立式晶闸管对电流的方向有限 制，所以设计两个分立式晶闸管保护电路，它们只是对电流的方向不同，这 样就可以避免连线安装时要分辩水压保护端口的正负极的麻烦。
被动保护单元的控制环路较大，而且不同的驱动电源对报警响应时间、 输出电流关断时间也不一致，这对于固态激光模块还存在很大的危险。所以 本发明中的主动保护单元作用至关重要，参考图2。主动保护单元中，R4、 R12和Rtl、 R13组成第二电阻桥。R4是电位器，可以设置一皮动温度预设值。 Rtl、 R13组成电阻桥的第一电阻臂，与第一电阻桥是共用的，这样可以简化 电路和避免二级温度检测误差。如果被动保护单元失控，固态激光模块的驱
8动电源没有及时减小对固态激光模块的电流输出，固态激光模块的工作温度
还会上升，Rtl的阻值还会下降。当Rtl的阻值小于R4时，比较器U3A的第1腿 电压变为0V，使场效应功率管Q3截止，强制关断固态激光模块的工作电流， 使固态激光模块不再继续发热，从而主动保护固态激光模块。本安全保护控 制装置放置在固态激光模块的里面(参考图l),抗外界干预能力强。
主动保护单元的控制环路小，可靠性好，反应快(反应时间小于l微秒)，
电子开关关断，不会产生打火、浪通脉沖群等沖击。对于不同功率不同电流 的固态激光模块，根据固态激光模块的工作电压和工作电流选择不同的场效 应功率管Q3，选择场效应功率管Q3时，注意让场效应功率管Q3的额定工作电 压和工作电流比固态激光模块的工作电压和工作电流大一倍，使场效应功率 管Q3更稳定、可靠地工作。
被动保护单元中的三极管Q1和Q2具有锁定功能，发生报警后温度即便恢 复，三极管Q1和Q2还是处于断开状态，不能自动恢复，需要驱动电源断电重 启方可恢复。主动保护单元中的二极管D5、 二极管D6分别构成第一报警锁定 和第二报警锁定。二极管D5用于锁定主动保护单元的比较器U3A， 二极管D6 用于锁定被动保护单元的比较器U3B, —旦主动保护单元或被动保护单元任 意一个报警，就可以锁定报警，这样可以减少固态激光模块频繁冲击。恢复 锁定需将控制板电源V C C断电重启。
在图2中，综合安全保护单元的三个元件(反向二极管D3、泄放电阻R7、 泄放电容C7)，可直接连接到固态激光模块的电极上。综合安全保护单元中 的反向二极管D3是肖特基二极管，有正向压降低、反应速度快、导通电流大 等特点，是对固态激光模块反向钳位，吸收固态激光模块的反向电压能量。 它能保护固态激光模块供电回路中的反向电压干拢，在一定时间内防止用户 电极反接烧坏固态激光模块的可能。综合安全保护单元中的泄放电阻R7、泄 放电容C7组合，在一定程度上抑制固态激光模块供电回路中的电压和电流紋 波干拢。对高压、高频、小电流的静电干拢来说，大电容、小阻值的组合并 联在固态激光模块的两端，使固态激光模块的两端成为一个等电势体，所以 在一定程度上抑制固态激光模块静电干拢。
根据本发明安全保护控制装置结构简单，体积小，可以完放置于固态激 光模块之中，而不增加固态激光模块体积，不用改变固态激光模块外形尺寸。 本发明采用精密温负性热敏电阻(NTC)为温度传感器体积小，安放位置灵 活；检测温度准确，反应速度快，温度滞后小。另外，本发明设有报警自锁定，防止报警自恢复，减少频繁报警冲击。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限 制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方 案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在于，包括温度检测比较单元，其至少部分与所述固态激光模块热连接，用于检测所述固态激光模块的温度，将该温度与主动预设温度值比较，并将比较的结果作为第一输出而输出；所述主动动作单元串联连接在所述固态激光模块的供电回路中，并且与所述温度检测比较单元电连接，以接收所述温度检测和比较单元的所述第一输出；当所述温度检测比较单元所检测的温度不高于所述主动预设温度值时，所述温度检测比较单元控制所述主动动作单元内的电流导通，否则发出报警并控制所述主动动作单元内的电流关断。
2. 如权利要求l所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于还包括被动预设温度值，所述被动预设温度值低于所述主动预设温 度值；所述温度比较和检测单元能够将所述固态激光模块的温度与所述 被动预设温度值比较，并将比较的结果作为第二输出而输出。
3. 如权利要求2所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于还包括被动保护单元，所述被动保护单元串联在固态激光模块驱动 电源的水压保护端口的两个电极之间，并且与所述温度检测比较单元电 连接，以接收所述温度检测和比较部分的所述第二输出，当所述温度检 测比较单元测得所述固态激光模块的温度不高于所述被动预设温度值 时，所述温度检测比较单元控制所述被动保护单元导通，否则控制所述 被动保护单元关断，所述水压保护端口一艮据所述被动保护单元关断的信 号发出报警。
4. 如权利要求l所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于，还包括用于与主动动作单元并联的报警锁定。
5. 如权利要求l所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于还包括与所述固态激光模块并联的综合保护单元。
6. 如权利要求l所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于所述温度检测比较单元包括电阻桥、比较器，所述电阻桥包括前臂 和后臂，前臂包括串联连接的第一电位器和第一定值电阻，后臂包括串 联连接的热敏电阻和第二定值电阻；所述热敏电阻与所述固态激光模块热连接，所述比较器通过比较所述前臂的检测点和所述后臂的检测点之 间的电压确定所述所述热敏电阻的温度是否高于所述主动预设温度值。
7. 如权利要求l所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在于所述主动动作单元包括电子开关。
8. 如权利要求7所述的固态激光模块的安全保护控制装置，其特征在 于所述电子开关为场效应管，所述场效应管的漏极与源极串联连接在 所述固态激光模块的驱动电源和所述固态激光模块的输入电极之间。
全文摘要
本发明提供一种固态激光模块的安全保护控制装置，包括温度检测比较单元，其至少部分与所述固态激光模块热连接，用于检测固态激光模块的温度，将该温度与主动预设温度值比较，并将比较的结果作为第一输出；主动动作单元串联连接在固态激光模块的供电回路中，并且与温度检测比较单元电连接，以接收温度检测和比较单元的第一输出；当温度检测比较单元所检测的温度不高于主动预设温度值时，温度检测比较单元控制主动动作单元内的电流导通，否则发出报警并控制主动动作单元内的电流关断。本发明采用主动式断流保护，在最大程度上保护固态激光模块，提高固态激光模块的安全性可提高中大功率固态激光模块的使用安全和使用寿命。
文档编号H01S3/0941GK101582558SQ20091008685
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者张国新, 张正祥, 樊仲维 申请人:北京国科世纪激光技术有限公司