一种半导体激光器电源电路及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子
技术领域：
，特别是涉及一种半导体激光器电源电路及其控制方法。
背景技术：
：半导体激光器是实际应用中最重要的一类激光器之一，近年来发展迅速、应用较广，其具有电光效率高、寿命长、体积小、稳定度高等优点。半导体激光器电源电路按照工作模式可以分为：连续模式、准连续模式以及脉冲模式，准连续工作模式是指其工作电流为脉冲形式的非连续模式，脉冲频率从1hz到数十khz，脉宽从20微秒到数百微秒不等，在诸如激光传感器以及光纤激光器的很多应用中都有这种准连续的使用需求。此外，半导体激光器中的激光二极管对电源输出的电流质量要求较高，具体来说，要求驱动电源输出的电流波形尽可能接近一个矩形波，矩形波的上升沿和下降沿应尽量短；同时，由于电流上升过程中出现的超调量会对半导体激光器造成冲击，因此，要求上升沿到达设定值后不能有超调。于是，就需要半导体激光器的驱动电源能在一定时间内完成对能量的储存，并在恰当时刻将存储的能量瞬间释放。现有技术中有以下几种电路可以为半导体激光器提供能量：1、电容储能的线性控制电路。电容储能的线性控制电路如图1所示，前级dc-dc(直流-直流)变换器工作在恒压模式，其输出为电容c1充电，开关管q1工作在线性模式，通过控制开关管q1的驱动电压来实现输出电流的线性闭环调节。这种方法输出的电流稳定度较好，但是由于开关管导通时相当于一个电阻，导致电容c1和负载半导体激光器ld之间电压差完全被开关管q1所消耗，所以，该电路的效率比较低。2、储能电容开关控制电路。如图2所示，该电路的原理是当开关管q1断开时，前级dc-dc变换器为电容c1充电，当开关管q1闭合时，储能电容c1对负载ld放电，提供驱动电流。该电路结构简单，前级dc-dc变换器所需的功率较小，但是这种方法所需电容较大，并且由于电容放电是瞬时完成的，导致该电路无法输出矩形波，所以无法工作在连续模式和准连续模式，此外，电容输出电流的幅值也受电容充电电压影响，实际使用效果较差。3、电感储能并联开关控制电路。如图3所示，该电路通过电感存储能量，当负载ld不导通时，开关管q2导通，此时电流通过电感l和开关管q2。当半导体激光器需要导通工作时，开关管q2断开，这时能量从输入侧直接传递给了半导体激光器。这种方法可以使电流脉冲波形具有较好的上升沿，但是由于采用电感作为主要储能器件，感性元件的能量存储密度较低，导致需要的电感值较大，因此，这种方法实际使用的电感很笨重，造成电路体积和重量较大，不方便实际应用。此外，上述电路中，控制功能与储能释放功能都由一个元件完成，难以同时满足在输出矩形波时，电流上升速度和电流输出稳定性两个条件。因此，现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，且不能很好的满足半导体激光器对电源电路输出电流稳定性的需求。技术实现要素：本发明提供一种半导体激光器电源电路及其控制方法，用以解决现有技术的如下问题：现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，且不能很好的满足半导体激光器对其电源电路输出电流稳定性的需求。为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体激光器电源电路及其控制方法，包括：同步降压式变换电路、控制器、传感器采样电路、第一驱动电路、第一开关管、负载；其中，所述控制器与所述同步降压式变换电路中第二驱动电路连接；所述传感器采样电路一端与所述同步降压式变换电路中第一电感的输出端连接，另一端与所述控制器连接；所述第一驱动电路的一端与所述第一开关管的第一端连接，另一端与所述控制器连接；所述第一开关管的第二端与所述负载的连接，第三端与所述同步降压式变换电路中的第二电容连接。可选的，所述同步降压式变换电路包括：第一直流电压源、第二驱动电路、第二开关管、第三开关管、所述第一电感、所述第二电容；其中，所述第一直流电压源的正极与所述第二开关管的第二端连接，负极与所述第三开关管的第三端和所述第二电容的负极连接；所述第二开关管的第一端与所述第二驱动电路连接，第三端与所述第一电感的输入端和所述第三开关管的第二端连接；所述第三开关管的第一端与所述第二驱动电路连接；所述第一电感的输出端与所述第二电容的正极连接。可选的，在开关管的第二端连接并联电路的一端，在开关管的第三端连接并联电路的另一端，其中，所述并联电路由电容和二极管并联组成，所述开关管为所述第一开关管、第二开关管和第三开关管中的任意一个或多个。可选的，第一电容，与所述同步降压式变换电路中的第一直流电压源并联。可选的，所述控制器包括：依次连接的运算放大电路、比较电路以及或非门；所述运算放大电路包括：预定单片机、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、稳压二极管以及预定运算放大器；其中，所述第一电阻的一端与所述传感器采样电路输出端和所述第二电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第三电阻的一端、所述第四电容的一端、所述第二电阻的另一端以及所述预定运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的另一端与所述第五电容的一端连接，所述第五电容的另一端与所述第四电容的另一端、所述预定运算放大器的输出端以及所述第四电阻的一端连接；所述第五电阻的一端与所述预定单片机的输出端连接，所述第五电阻的另一端与所述第六电容的一端所述预定运算放大器的同相输入端连接，所述预定运算放大器的同相输入端接地，所述第六电容的另一端与所述运算放大器连接，所述第六电容的另一端接地，所述第七电容的一端与所述运算放大器连接，所述第七电容另一端接地，所述稳压二极管的输入端与所述第七电容的另一端连接，所述稳压二极管的输出端与所述第四电阻的另一端连接；其中，所述比较电路包括：第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第六电阻以及预定比较器；所述预定比较器的同相输入端与所述稳压二极管的输出端连接；所述第八电容的一端与所述第六电阻的一端连接，所述第八电容的另一端与所述预定比较器连接；所述第六电阻的另一端与所述预定比较器连接；所述第九电容的一端与所述第六电阻的一端连接，所述第九电容的另一端与所述预定比较器连接；所述第十电容的一端与所述预定比较器的接地端连接，所述第十电容的另一端与所述预定比较器连接；所述第十一电容的一端与所述预定比较器的接地端连接，所述第十一电容的另一端与所述预定比较器连接；所述预定比较器的接地端接地；所述或非门的第一输入端与所述比较电路的第一输出端连接，所述或非门的第二输入端与所述比较电路的第二输出端连接，所述或非门的输出端与所述第一驱动电路和第二驱动电路的输入端连接。可选的，所述传感器采样电路包括：预定电流传感器、第二电感、第三电感、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第七电阻、第八电阻；其中，所述第一电感的输出端与所述预定电流传感器的输入端连接，所述预定电流传感器的输出端与所述第二电容的正极连接；所述第二电感的一端加负电压，所述第二电感的另一端与所述第十二电容的一端和所述预定电流传感器连接；所述第三电感的一端加正电压，所述第三电感的另一端与所述第十三电容的一端和所述预定电流传感器连接；所述第七电阻的一端与所述预定电流传感器、所述第八电阻的一端以及所述第十四电容的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述第十二电容的另一端、所述第十三电容的另一端以及所述第十四电容的另一端连接，所述第七电阻的另一端接地；所述第八电阻的另一端与所述第十五电容的一端以及所述控制器的输入端连接，所述第十五电容的另一端接地。可选的，所述第二驱动电路包括：第二直流电压源、第三直流电压源、第十六电容、第十七电容、预定驱动器、第九电阻；其中，所述第二直流电压源的正极与所述第十六电容的一端和所述预定驱动器的电源电压端连接，所述第二直流电压源的负极与所述第三直流电压源的正极连接，所述第三直流电压源的负极接地；所述第十六电容的另一端与所述第二直流电压源的负极、所述第三直流电压源的正极、开关管的第三端以及所述第十七电容的一端连接，所述第十七电容的另一端接地，其中，所述开关管的第三端为所述第二开关管和所述第三开关管的第三端，或者，所述开关管的第三端为所述第一开关管的第三端；所述预定驱动器的输入端与所述控制器的输出端连接，所述预定控制器的接地端接地；所述第九电阻的一端与所述预定控制器的输出端连接，所述第九电阻的另一端与开关管的第一端连接，其中，所述开关管的第一端为所述第二开关管和所述第三开关管的第一端，或者，所述开关管的第一端为所述第一开关管的第一端。可选的，所述负载为半导体激光器。此外，本发明还提供一种半导体激光器电源电路的控制方法，应用于上述半导体激光器电源电路，包括：传感器采样电路按照预定方式采集第一电感输出端的电流，得到采样电流；所述传感器采样电路将所述采样电流输出到控制器中；所述控制器根据所述采样电流生成第一控制信号和第二控制信号，并将第一控制信号输出给第一驱动电路，所述控制器将第二控制信号输出给第二驱动电路；所述第二驱动电路根据所述第二控制信号控制第二开关管和第三开关管的导通和关断，所述第一驱动电路根据所述第一控制信号控制第一开关管的导通和关断。可选的，所述控制器根据所述采样电流生成第一控制信号和第二控制信号，包括：所述控制器将所述采样电流与所述第一基准信号进行比较，以得到所述采样电流与所述第一基准信号的差值；所述控制器将所述差值按照预定倍数进行放大，并将放大后的所述差值与第二基准信号进行比较，以根据比较结果生成所述第一控制信号和所述第二控制信号。本发明提供的半导体激光器电源电路及其控制方法，在电路中，传感器采样电路连接同步降压式变换buck电路中的电感输出端，控制器与传感器采样电路连接，控制器输出端与两个驱动电路的输入端连接，两个驱动电路的输出端与相应的开关管连接。传感器采样电路对buck电路中输出的电感电流进行采样，将采样结果输出给控制器，由控制器经闭环反馈控制生成电流控制信号，并输出给驱动电路，由驱动电路驱动开关管的导通关断，从而实现电路对半导体激光器的在不同工作模式下的驱动。本发明提供的半导体激光器电源控制电路，其储能功能和控制功能由不同器件实现，并且可以满足半导体激光器在连续模式和准连续模式下的不同需求，输出的电流稳定性好，电源电路效率较高，解决了现有技术的如下问题：现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，且不能很好的满足半导体激光器对其输出电流稳定性的需求。附图说明图1是本发明
背景技术：
中电容储能的线性控制电路的结构示意图；图2是本发明
背景技术：
中储能电容开关控制电路的结构示意图；图3是本发明
背景技术：
中电感储能并联开关控制电路的结构示意图；图4是本发明第一实施例中半导体激光器的电源控制电路的结构示意图；图5是本发明第一实施例中一种优化的半导体激光器的电源控制电路结构示意图；图6是本发明第一实施例中又一种优化的半导体激光器的电源控制电路的结构示意图；图7是本发明第一实施例中控制器的电路图；图8是本发明第一实施例中传感器采样电路的电路图；图9是本发明第一实施例中第二驱动电路的电路图；图10是本发明第二实施例中半导体激光器的电源控制方法的流程图；图11是本发明第二实施例中平均电流控制模式的原理示意图；图12是本发明第二实施例中开关管的控制信号的示意图；图13是本发明第二实施例中半导体激光器驱动电流的仿真波形图；图14是本发明第二实施例中电感电流的仿真波形图；图15是本发明第二实施例中半导体激光器驱动电流的实验波形图。具体实施方式为了解决现有技术的如下问题：现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，并且不能很好的满足半导体激光器对其输出电流稳定性的需求。本发明第一实施例提供了一种半导体激光器电源电路，该电路的结构示意图如图4所示，包括：buck电路、控制器、传感器采样电路、第一驱动电路、第一开关管q1、负载ld；其中，控制器与buck电路中第二驱动电路连接；传感器采样电路一端与同步降压式变换电路中第一电感的输出端连接，另一端与控制器连接；第一驱动电路的一端与第一开关管的第一端连接，另一端与控制器连接；第一开关管的第二端与负载的连接，第三端与同步降压式变换电路中的第二电容连接。本实施例提供的半导体激光器电源电路，传感器采样电路连接buck电路中的电感输出端，控制器与传感器采样电路连接，控制器输出端与两个驱动电路的输入端连接，两个驱动电路的输出端与相应的开关管连接。传感器采样电路对buck电路中输出的电感电流进行采样，将采样结果输出给控制器，由控制器生成电流控制信号，并输出给驱动电路，由驱动电路驱动开关管导通和关断，从而满足电路对半导体激光器在不同工作模式下的驱动。本实施例提供的半导体激光器电源电路，其储能功能和控制功能由不同器件实现，并且在连续模式和准连续模式下都能实现高效输出，输出的电流稳定性好，可以有效满足半导体激光器对电流稳定性的需求，解决了现有技术的如下问题：现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，并且不能很好的满足半导体激光器对其输出电流稳定性的需求。在具体实现时，buck电路包括：第一直流电压源vin、第二驱动电路、第二开关管q1、第三开关管q2、第一电感l、第二电容co；其中，第一直流电压源的正极与第二开关管的第二端连接，负极与第三开关管的第三端和第二电容的负极连接；第二开关管的第一端与第二驱动电路连接，第三端与第一电感的输入端和第三开关管的第二端连接；第三开关管的第一端与第二驱动电路连接；第一电感的输出端与第二电容的正极连接。在本实施例中，buck电路的作用是控制输出电流，使得传感器采样电路进行采样。为保护电路中的开关管，在本实施例中，需要在开关管上接入并联电路，开关管接入并联电路后的半导体激光器的电源控制电路如图5所示。并联电路接入开关管的方式具体是：在开关管的第二端连接并联电路的一端，在开关管的第三端连接并联电路的另一端，其中，并联电路由电容和二极管并联组成，开关管为电路中第一开关管、第二开关管和第三开关管中的任意一个或多个。在开关管上接入并联电路，可以防止电路中电流过大对开关管造成损坏。在本实施例中，如图6所示，还要在图5的基础上将buck电路中的电压源并联第一电容cin。第一电容具有滤波的作用，能够减少电路中电流的谐波成分，从而减少电路中电流传输的损耗，提高电源电路的效率。为输出稳定电流，需要对buck电流输出的电感电流采用平均电流控制方法进行调节，因此，控制器主要由运算放大电路、比较电路以及门电路组成。本实施例中的控制器的电路图如图7所示，包括：依次连接的运算放大电路、比较电路以及或非门。在本实施例中，运算放大电路包括：预定单片机、第一电阻r42、第二电阻r44、第三电阻r41、第四电阻r45、第五电阻r48、第三电容c41、第四电容c42、第五电容c39、第六电容c46、第七电容c47、稳压二极管v18以及预定运算放大器n6，其中，本实施例将运算放大器集成到芯片中，所以除去运算放大器的同相输入端、反相输入端和输出端之外，还存在其他连接端。本实施例中，运算放大电路的具体连接方式如下：第一电阻的一端与传感器采样电路输出端和第二电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第三电容的一端连接，第三电容的另一端与第三电阻的一端、第四电容的一端、第二电阻的另一端以及预定运算放大器的反相输入端连接，第三电阻的另一端与第五电容的一端连接，第五电容的另一端与第四电容的另一端、预定运算放大器的输出端以及第四电阻的一端连接；第五电阻的一端与预定单片机的输出端连接，第五电阻的另一端与第六电容的一端预定运算放大器的同相输入端连接，预定运算放大器的同相输入端接地，第六电容的另一端与运算放大器的v-端连接，第六电容的另一端接地，第七电容的一端与运算放大器连接，第七电容另一端接地，稳压二极管的输入端与第七电容的另一端连接，稳压二极管的输出端与第四电阻的另一端连接。在本实施例中，比较电路包括：第八电容c48、第九电容c51、第十电容c50、第十一电容c49、第六电阻r53以及预定比较器n5，比较器也集成在芯片中，所以在本实施例中，预定比较器有多个连接端。在本实施例中，比较电路的具体连接方式如下：第八电容的一端与稳压二极管的输入端连接，第八电容的另一端与预定比较器的ct端连接；第六电阻的一端与第八电容的一端连接，第六电阻的另一端与预定比较器的rt端连接；第九电容的一端与第六电阻的一端连接，第九电容的另一端与预定比较器的软启动端连接；第十电容的一端与预定比较器的接地端连接，第十电容的另一端与预定比较器的参考信号输出端连接；第十一电容的一端与预定比较器的接地端连接，第十一电容的另一端与预定比较器的vcc端连接，预定比较器的接地端接地；或非门的第一输入端与比较电路的第一输出端连接，或非门的第二输入端与所述比较电路的第二输出端连接，或非门的输出端与第一驱动电路和第二驱动电路的输入端连接。在本实施例中，传感器采样电路如图8所示，包括：预定电流传感器n1、第二电感l1、第三电感l2、第十二电容c2、第十三电容c3、第十四电容c4、第十五电容c1、第七电阻r1、第八电阻r2。传感器采样电路的具体连接方式如下：第一电感的输出端与预定电流传感器的输入端连接，预定电流传感器的输出端与第二电容的正极连接；第二电感的一端加负电压，第二电感的另一端与第十二电容的一端和预定电流传感器连接；第三电感的一端加正电压，第三电感的另一端与第十三电容的一端和预定电流传感器连接；第七电阻的一端与预定电流传感器、第八电阻的一端以及第十四电容的一端连接，第七电阻的另一端与第十二电容的另一端、第十三电容的另一端以及第十四电容的另一端连接，第七电阻的另一端接地；第八电阻的另一端与第十五电容的一端以及控制器的输入端连接，第十五电容的另一端接地。在本实施例中，第二驱动电路如图9所示，包括：第二直流电压源v2、第三直流电压源v3、第十六电容c16、第十七电容c17、预定驱动器n3、第九电阻r9；第二驱动电路的具体连接方式是：第二直流电压源的正极与第十六电容的一端和预定驱动器的电源电压端连接，第二直流电压源的负极与第三直流电压源的正极连接，第三直流电压源的负极接地；第十六电容的另一端与第二直流电压源的负极、第三直流电压源的正极、开关管的第三端以及第十七电容的一端连接，第十七电容的另一端接地，其中，开关管的第三端为第二开关管和第三开关管的第三端，或者，开关管的第三端为第一开关管的第三端；预定驱动器的输入端与控制器的输出端连接，预定控制器的接地端接地；第九电阻的一端与预定控制器的输出端连接，所第九电阻的另一端与开关管的第一端连接。在本实施例中，由于半导体激光器中的两个驱动电路包括的元件和连接关系相同，因此，上述开关管的第一端可以是第二开关管和第三开关管的第一端，也可以是第一开关管的第一端。上述电路组成一个电源电路，以驱动半导体激光器。本发明第二实施例提供一种半导体激光器电源电路的控制方法，应用于上述半导体激光器的电源控制电路，该方法的流程图如图10所示，包括步骤s1002至s1008：s1002，传感器采样电路按照预定方式采集第一电感输出端的电流，得到采样电流；s1004，传感器采样电路将采样电流输出到控制器中；s1006，控制器根据采样电流生成第一控制信号和第二控制信号，并将第一控制信号输出给第一驱动电路，控制器将第二控制信号输出给第二驱动电路；s1008，第二驱动电路根据第二控制信号控制第二开关管和第三开关管的导通和关断，第一驱动电路根据第一控制信号控制第一开关管的导通和关断。在本实施例中，生成第一控制信号和第二控制信号的过程具体包括：控制器将采样电流与第一基准信号进行比较，以得到采样电流与第一基准信号的差值；所述控制器将差值按照预定倍数进行放大，并将放大后的差值与第二基准信号进行比较，以根据比较结果生成第一控制信号和所述第二控制信号。为了产生稳定的电路驱动半导体激光器，本实施例采用平均电流控制模式来产生稳定的电流。一般的平均电流模式采用的双闭环控制方法，外环为电压环，内环为电流环。但在本实施例中，由于目标是输出电流驱动半导体激光器，需要调节电流使其具有较快的动态调节速度。因此，本实施例中，电压没有作为运算放大器的同相输入端的输入，本实施例中的平均电流模式的原理示意图如图11所示。在图11的电路图中，va为电压控制器，其仅在输出电压vo超过设定值时才可以接入电路参与电路控制，而在本实施例具体实现的控制电路中，不存在输出电压vo超过设定值的情况。ca为电流控制器，r11、r12、c11、c12组成的补偿网络对电感电流il进行滤波，消除il中的高频部分，滤波后的il输入ca的反相输入端，给定参考信号viref输入到ca的同相输入端，两者比较的误差经ca放大，输出给比较器的同相输入端，比较器的反相输入端输入另一个参考信号，该参考信号可以是锯齿波，也可以是其他周期性信号，比较器的同相输入端的信号和反相输入端的信号进行比较，可以得到脉宽调制(pulsewidthmodulation，pwm)信号，从而生成控制信号输出给驱动电路，以使驱动电路按照控制信号控制开关管的通断。按照上述方法的原理，分别对控制器、驱动电路以及传感器采样电路进行设计，即可得到本发明第一实施例的半导体激光器的电源控制电路，可以得到一个效率较高，可以在电源电路处于连续模式和准连续模式下均能高效稳定驱动半导体激光器工作的电路。此外，为了验证本实施例中方法的可行性，本实施例还采用pism软件来进行电路仿真设计，仿真设计得到的图6、图7、图8、图9中的电路，对半导体激光器的电源控制电路进行了仿真，其中主要的电路元件参数如表1所示。表1元件名称数值l9.2μhcin1000μfco440μf在电路仿真中，驱动电路对图4中的开关管q1和开关管q3输入的控制信号示意图如图12所示，对开关管q2输入的控制信号与给开关管q1输入的控制信号反相；输出的半导体激光器驱动电流ild的仿真波形如图13所示，ild的频率为1khz，此时半导体激光器在准连续模式下工作，经平均电流控制模式调节输出的buck的电感电流il的仿真波形如图14所示。图13和图14中电流波形的横坐标为时间，纵坐标为电流值，从图中可以看出，输出的电流上升沿竖直性较好，电流矩形波的矩形度较好，上升沿不存在超调，并且频率较高，动态性能较好。此外，在仿真基础上，按照仿真电路图搭建了硬件电路，对本实施例中的方法进行实验验证，实验电路输出的半导体激光器驱动电流ild的波形如图15所示，电流幅值为20a，频率为1khz，实验结果表明，采用本方法的半导体激光器电源电路，可以输出既具有良好的动态特性，又具有较好稳定性的电流，从而能够较好的满足半导体激光器对其电源电路输出的电流稳定性的需求。本发明第二实施例提供的半导体激光器电源电路的控制方法，由传感器采样电路对同步降压式变换电路中电感输出的电流进行采样，采样后输出到控制器中，控制器产生的控制信号输出给驱动电路，由驱动电路控制开关管的开关，以产生稳定输出电流驱动负载。该方法可以实现半导体激光器电源在连续模式和准连续模式下都有较高的效率，输出的电流兼具较好的动态特性和较好的稳定性，采用该方法的控制电路效率较高，解决了现有技术的如下问题：现有的半导体激光器电源电路在准连续模式下的输出效率较低，并且不能很好的满足半导体激光器对其输出电流稳定性的需求。尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。当前第1页12