专利名称：大功率激光二极管驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动大功率激光二极管或激光二极管阵列的仪器，特别 是为大功率激光二极管提供完备保护的驱动器。
背景技术：
光纤通信系统中的各类放大器均使用激光二极管作为光源，而驱动激光二极 管工作的是具有特殊功能的专用驱动器。激光二极管是以半导体材料为工作物质，用电注入直接泵浦的方式激励的一 种小型化激光器。然而，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很差，微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器 件参数(如激射波长，噪声性能，模式跳动)的变化，这些变化直接危及器件的 安全使用，因而在实际应用中完备的保护措施对激光二极管的正常工作具有重要 的意义。已经公开的激光二极管驱动器专利，如申请号200510004798.8激光二极管 驱动电路专利中，主要关心的是去除驱动电流的噪声，没有其他的保护措施。通 常在电路设计上，都是利用负反馈原理稳定输出电流，辅以各种软件措施来确保 激光二极管的安全，然而一旦这些软件保护失灵，将对激光二极管产生不可逆转 的破坏。发明内容本发明为了解决激光二极管的安全问题，将限流保护嵌入在主电路中，以硬 件的方式实现对激光二极管的保护，这样即使软件失灵，只要输出电流达到预先 限定值，也不会超过限定值。本发明的应用目标是对大功率激光二极管进行驱动 与控制，并对激光二极管提供完备保护。本发明属于一种用于驱动大功率激光二极管或激光二极管阵列的台式仪器。 仪器的核心部分是一个电压控制电流源，其全系列电流范围为0~10A。一种大功率激光二极管驱动器，其组成包括机箱；由线性电源或开关电源构成的直流稳压电路；由散热片和制冷风扇构成的散热系统；电压控制电流源电
路板；输出输入端口；控制按钮；调节旋钮；数字显示模块；其特征在于，电压 控制电流源电路板由电压基准电路1、限流保护电路2、软启动电路3、防浪涌 电路4、调制输入电路5、反馈控制电路6和电流驱动电路7构成；所述的电压 基准电路由一个电压基准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，并由电位器 Wl输出限制信号到限流保护电路2、电位器W2输出控制电压信号到电流驱动 电路7，再由电流驱动电路7将控制电压信号转换为输出电流；所述的限流保护 电路2与激光二极管LD串联，软启动电路3与电流驱动电路7连接，防浪涌电 路4与激光二极管LD并联，软启动电路3和防浪涌电路4由控制开关8控制启 动；所述的调制输入电路5与电流驱动电路7连接，调制信号由调制输入端口接 入，实现外部信号对输出电流的控制；所述的反馈控制电路6由恒流控制电路9、 恒功率控制电路10构成，两种控制模式由选择开关任意切换；恒流控制电路9 通过取样电阻R将输出电流转换成电压信号反馈回电流驱动电路7，恒功率控制 电路10通过光电二极管PD将光功率转换成电压信号反馈回电流驱动电路7。所述的电压基准电路l、限流保护电路2、软启动电路3、防浪涌电路4、调 制输入电路5、反馈控制电路6和电流驱动电路7，可以与现有的可以实现提供 基准电压、限流、软启动、防止"浪涌"、反馈控制等功能的电路是相同或相近 的；也可以按本发明的电路实施，具体电路结构见实施例。所述的机箱是电磁兼容式机箱。可避免外来的电磁干扰，降低激光二极管驱 动电流的噪声。同时，也可避免对附近其它电子仪器的电磁干扰。所述的输出输入端口；控制按钮；调节旋钮和数字显示模块，安装在激光二 极管驱动器的面板上。输出输入端口包括，与电压控制电流源电路板的电流输出 相连的"电流输出端口"、与恒功率控制电路相连的"光电流反馈端口"、与调 制输入电路相连的"调制输入端口"。控制按钮包括，与激光二极管驱动器的供 电电源相连的"电源开关"、与恒流控制电路和恒功率控制电路相连的"模式选 择开关"、与软启动电路、防浪涌电路相连的"控制开关"。调节旋钮包括，与电 压基准电路相连的"限流预置旋钮"、与电压基准电路中的电位器W2相连的"电 流调节旋钮"、以及"显示选择旋钮"。数字显示模块，装在面板的数码显示窗 口上，用于显示限制电流值、实际电流值、功率监视值，由"显示选择旋钮"调 节要显示的内容。
本发明主要功能是采用负反馈原理稳定输出电流，向激光二极管提供直流驱 动电流，确保激光二极管安全、稳定、长期可靠运行。本发明可以提供恒电流驱 动和恒功率驱动两种驱动模式。恒电流驱动模式可以精确设定激光二极管的工作电流和限制电流，最大量程200mA、 2500mA、 5000mA、 10000mA可选，最大 输出电压10V，电流长期稳定度38ppm，电流短期稳定度30ppm。驱动器在恒功 率驱动模式下能够自动调整输出电流以保证激光二极管的输出功率保持稳恒不 变。仪器工作环境温度范围为-2(TC—8(rC。电压控制电流源电路由电压基准电 路，限流保护电路，软启动电路，防浪涌电路，调制输入电路，恒流控制电路， 恒功率控制电路组成，这些电路可确保激光二极管免受浪涌及其它干扰电脉冲的 冲击，提供快速可靠的安全驱动，使其在所需要的电环境下长期稳定工作。即使 电路发生故障，也不至于损坏激光二极管。本发明可广泛用于光通信领域中的科研与产品研发o
图1是本发明的电压控制电流源电路原理框图。 图2是本发明的限流保护电路原理框图。 图3是本发明的防浪涌电路原理框图。 图4是本发明的软启动电路原理框图。 图5是本发明的调制输入电路原理框图。 图6是本发明的恒功率控制电路原理框图。 图7是本发明的前面板布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的电路结构作进一步的说明。 实施例l本驱动器电压控制电流源的原理框图如图1所示。电压基准电路1是由一个 电压基准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，为电路提供精确稳定的参考电 压，用于控制输出电流和预置限制电流。电位器Wl用于调节限制电流，电位 器W2用于调节输出电流。限流保护电路2保证输出电流达到限制电流时不再 增加，维持设定的电流不变。电流驱动电路7将控制电压转换为输出电流。大功 率半导体器件Q1为激光二极管提供驱动电流，大功率半导体器件Q2可以选择 达林顿晶体管，也可以选择场效应晶体管，本发明选用功率MOS管IRF530。当 需要大电流驱动时可以采用多管并联。反馈控制电路6包括恒流反馈和恒功率反 馈。恒流控制电路9通过取样电阻R将输出电流转换成电压信号反馈回电流驱 动电路7，恒功率控制电路10通过光电二极管检测激光二极管的发光功率，并 将光功率转换成光电流，电流通过取样电阻R13转换成电压反馈回电流驱动电 路，以实现恒功率控制。读出显示电路主要由数字显示模块构成，用于显示实际 输出电流、预置限制电流及反馈的光功率。调制输入电路5用于外部信号对输出 电流的控制，实际输出电流可以由外部调制信号单独控制，也可以由内部的电压 输出控制，或者由两者共同控制，取决于实际的需要。 实施例2限流保护电路原理框图如图2所示。电路包括一个P沟道增强型场效应管 Ql， 一个N沟道增强型场效应管Q2;场效应管Ql, Q2的栅极分别与运算放大 器A1，A2相连；Ql的漏极与激光二极管LD的阳极相连，Q2的漏极与激光二 极管LD的阴极相连；Ql的源极与工作电源Vcc相连，Q2的源极与取样电阻R 相连；由电位器Wl输出的限制信号连接运算放大器Al的反相端，由电位器 W2输出的控制信号连接运算放大器A2的同相端，来自于取样电阻R的反馈信 号连接运算放大器Al的同相端和运算放大器A2的反相端。场效应管Q1型号可以是IRF9530，场效应管Q2型号可以是IRF530;运算 放大器A1、 A2的型号可以是TLC2252;取样电阻R的阻值为0.1欧姆。当控制信号电压低于限制信号电压时，Q2导电沟道的宽度将决定实际电流 的大小，此时Q1完全导通，对实际电流不起钳制作用。当控制信号电压超过限 制信号电压时，Ql导电沟道的宽度将决定实际电流的大小，此时实际电流被钳 制在限定值上，这样就可以确保实际输出电流不会超过设定值，从而实现限流保 护功能。实施例3防浪涌电路原理框图如图3所示。电路包括一个由Rl和Cl组成的RC充 电电路， 一个N沟道增强型场效应管Q3， 一个常闭的固态继电器。其中场效应 管Q3的栅极与电阻Rl和Cl相连，Cl另一端接地，场效应管Q3的漏极与继 电器相连，场效应管Q3的源极接地。场效应管Q3的型号可以是2sk1458。
该电路的工作原理是:激光二极管LD的阳极和阴极与继电器两常闭端并联在一起，因此LD的阴极与阳极是短路的，得到保护。当打开驱动器时，若没有 打开控制开关，LD依然短路，只有打开控制开关8后，继电器常闭端在延时2—3 秒后打开，这样激光二极管就免受驱动器开关时的浪涌冲击。电路的延时时间由 RC充电电路的时间常数决定。 实施例4软启动电路原理框图如图4所示。电路包括一个PNP型的三极管T， 一个 由R3、 C2构成的RC放电电路， 一个N沟道增强型场效应管Q4。其中场效应 管Q4的栅极与电阻R3和C2相连，电阻R3和C2另一端接地；场效应管Q4 的漏极与控制信号相连，场效应管Q4的源极接地；三极管T的基极经过电阻 R2与控制开关8连接，三极管T的发射极连接工作电源Vcc，三极管T的集电 极连接Q4的栅极。其中，三极管T的型号可以选9012，场效应管Q4的型号可以选2sk1458。 软启动电路的功能是延时后，实际输出电流从零达到预定值时有一个 200~500mS的上升沿。电路中的T是一个PNP型的三极管，在控制信号没有 到来时，电阻R3上的电压是一个高电平，确保场效应管Q4完全导通，这样就 将控制信号钳制在零电位上，也就是说若不打开控制开关，电路中将没有电流输 出。打开控制开关8，电容C3上的高电平将通过电阻R2放电，场效应管Q4的 状态由完全导通到逐渐关断，也就慢慢失去了对控制信号的钳制作用，表现为加 在电流驱动电路7上的控制信号有一个上升沿，因此输出电流也有一个上升沿。 上升沿的大小由RC放电回路的时间常数决定。这里要注意的是，软启动电路的 延时时间要相等或略大于防浪涌电路的延时时间，否则软启动的功能无法实i见。 实施例5调制输入电路原理框图如图5所示。电路由五个电阻R4至R8分别与两个 运算放大器A3和A4相连接，每个电阻的取值都是10千欧姆。电阻R4—端与 运放A3同相端相连，另一端接地。调制信号与运算放大器A3同相端相连。电 阻R5—端与运放A3的输出端相连，另一端与运放A4的同相端相连。电阻R6 一端与运放A4反相端相连，另一端接地。电阻R7接在运放A4的反相端和输 出端之间。电阻R8—端接控制信号，另一端与运放A4的同相端相连。本电路
实现了调制信号经过隔离级后与控制信号的相加。 实施例6恒流控制电路是一个压控恒流源，由两个运算放大器和一个O.l欧姆的取样 电阻和一个功率MOS管IRF530组成。恒功率控制电路原理框图如图6所示。电路由光电二极管PD、取样电阻R13 和三个运算放大器A2、 A5、 A6组成。光电二极管PD，运算放大器A5、 A6和 电阻R9、 RIO、 Rll、 R12及取样电阻R13构成光电检测电路，将光功率转换成 电压信号，并反馈回运放A2的反相端。运算放大器A2、 A5、 A6的型号可以选TLC2252，功率MOS管Q2的型号 是IRF530。控制信号和反馈信号共同作用于运算放大器A2,以控制功率MOS管Q2, 即N沟道增强型场效应管Q2的导通，从而形成一个功率反馈系统，以保证激光 二级管LD工作在恒功率状态。实施例7图7是本发明的前面板布局图。图7中，8为控制开关、21为模式选择开关、 22为数码显示窗口、 23为显示选择旋钮、24为电流输出端口、 25为光电流反馈 端口、 26为调制输入端口、 27为电流调节旋钮、28为限流预置旋钮、29为电源 开关。模式选择开关21采用双置开关控制本发明的激光二极管或激光二极管阵列 驱动器的工作模式。选择恒流工作模式时，激光二极管驱动器向激光二极管提供 稳恒的驱动电流；选择恒功率模式时，驱动器根据光电二极管检测到的光功率变 化向激光二极管提供自动调节大小的驱动电流，以保持激光二极管输出光功率不 变。即，模式选择开关21用来选择恒电流或恒功率工作模式。数码显示窗口 22可以安装在前面板中央位置，可显示实际输出电流值和所 设定的工作状态参数，包括实际电流值、限制电流值、功率监视值。显示选择旋 钮23是一个三置开关，用于切换显示屏的主显示。电流输出端口 24用于连接激光二极管或激光二极管阵列，为其提供驱动电 流。可以采用四芯航空插座，两两并联，确保可靠输出大电流。控制开关8用于控制输出电流的有无，顺时针旋转时，其上方的绿色发光二 极管被点亮，此时电流输出端口24才有电流输出。控制开关8可以选择钥匙开 关。之所以选择钥匙开关是为了保证对激光二极管的完备保护，即使有人能打开 电源开关，若没有钥匙开关也无法驱动激光二极管。限流预置旋钮28就是电压基准电路1中的电位器W1。可以采用多圈精密 电位器，准确设置限制电流。电流调节旋钮27就是电压基准电路1中的电位器W2。可以采用多圈精密 电位器，准确调节输出电流大小。调制输入端口26是与调制输入电路5相连的端口，用于输入调制信号。可 以采用双芯航空插座，确保可靠输入。光电流反馈端口 25用于连接光电二极管PD，以检测激光二极管的光功率。 可采用双芯航空插座，使外接光电二极管PD以浮地方式接入。电源开关29可以采用带锁控制的开关，防止意外通电。
权利要求
1、一种大功率激光二极管驱动器，其组成包括机箱；由线性电源或开关电源构成的直流稳压电路；由散热片和制冷风扇构成的散热系统；电压控制电流源电路板；输出输入端口；控制按钮；调节旋钮；数字显示模块；其特征在于，电压控制电流源电路板由电压基准电路(1)、限流保护电路(2)、软启动电路(3)、防浪涌电路(4)、调制输入电路(5)、反馈控制电路(6)和电流驱动电路(7)构成；所述的电压基准电路由一个电压基准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，并由电位器W1输出限制信号到限流保护电路(2)、电位器W2输出控制电压信号到电流驱动电路(7)，再由电流驱动电路(7)将控制电压信号转换为输出电流；所述的限流保护电路(2)与激光二极管LD串联，软启动电路(3)与电流驱动电路(7)连接，防浪涌电路(4)与激光二极管LD并联，软启动电路(3)和防浪涌电路(4)由控制开关(8)控制启动；所述的调制输入电路(5)与电流驱动电路(7)连接，调制信号由调制输入端口接入，实现外部信号对输出电流的控制；所述的反馈控制电路(6)由恒流控制电路(9)、恒功率控制电路(10)构成，两种控制模式由选择开关切换；恒流控制电路(9)通过取样电阻R将输出电流转换成电压信号反馈回电流驱动电路(7)，恒功率控制电路(10)通过光电二极管PD将光功率转换成电压信号反馈回电流驱动电路(7)。
2、 按照权科要求1所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的 机箱是电磁兼容式机箱。
3、 按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所 述的限流保护电路(2)的结构是， 一个P沟道增强型场效应管Q1， 一个N沟 道增强型场效应管Q2;场效应管Ql， Q2的栅极分别与运算放大器Al， A2相连; Ql的漏极与激光二极管LD的阳极相连，Q2的漏极与激光二极管LD的阴极相 连；Ql的源极与工作电源Vcc相连，Q2的源极与取样电阻R相连；由电位器 Wl输出的限制信号连接运算放大器Al的反相端，由电位器W2输出的控制信 号连接运算放大器A2的同相端，来自于取样电阻R的反馈信号连接运算放大器 Al的同相端和运算放大器A2的反相端。
4、 按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所 述的防浪涌电路(4)的结构是， 一个由R1和C1组成的RC充电电路， 一个N 沟道增强型场效应管Q3， 一个常闭的固态继电器。其中场效应管Q3的栅极与 电阻R1和C1相连，Cl另一端接地，场效应管Q3的漏极与继电器相连，场效 应管Q3的源极接地。
5、 按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所 述的软启动电路(3)的结构是， 一个PNP型的三极管T， 一个由R3、 C2构成 的RC放电电路， 一个N沟道增强型场效应管Q4;其中场效应管Q4的栅极与 电阻R3和C2相连，电阻R3和C2另一端接地；场效应管Q4的漏极与控制信 号相连，场效应管Q4的源极接地；三极管T的基极经过电阻R2与控制开关8 连接，三极管T的发射极连接工作电源Vcc，三极管T的集电极连接Q4的栅极。
6、 按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所 述的恒功率控制电路(n)的结构，是由光电二极管PD、取样电阻R13和三个 运算放大器A2、 A5、 A6组成;光电二极管PD,运算放大器A5、 A6和电阻R9、 RIO、 Rll、 R12及取样电阻R13构成光电检测电路，将光功率转换成电压信号， 并反馈回运放A2的反相端。
全文摘要
本发明的大功率激光二极管驱动器用于驱动大功率激光二极管或者激光二极管阵列并提供完备保护的仪器。核心部分是电压控制电流源。电压控制电流源电路板由电压基准电路(1)、限流保护电路(2)、软启动电路(3)、防浪涌电路(4)、调制输入电路(5)、反馈控制电路(6)和电流驱动电路(7)构成。本发明采用负反馈原理稳定输出电流，可以提供恒电流驱动和恒功率驱动两种驱动模式。恒电流驱动模式可以精确设定激光二极管的工作电流和限制电流，电流长期稳定度38ppm。在恒功率驱动模式下能够自动调整输出电流以保证保证激光二级管LD工作在恒功率状态。限流保护和软启动保护为激光二极管提供快速可靠的安全驱动。
文档编号G05F1/10GK101132115SQ20071005601
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者单江东, 汝玉星, 田小建, 军 邓 申请人:吉林大学