专利名称：大电流半导体激光器驱动电源及其控制方法
技术领域：
本发明涉及激光电源技术领域，具体涉及大电流半导体激光器驱 动电源。本发明还涉及大电流半导体激光器驱动电源的控制方法。
背景技术：
本发明作出以前，大电流半导体激光器驱动电源的输出电路结构 固定是不可扩展的，输出电流值不能按需灵活增减。整机电路框图如
图4所示。其电路主要采用高频变压器、PWM控制器、场效应管、绝 缘栅双极型晶体管(IGBT)等分立器件组成。图4中的变换器是把直 流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的 作用。变换器中的振荡电路的振荡频率一般仅为20-200KHz，因此难 以提高转换效率和缩小电感元件乃至整机的体积。由于分立器件的离 散性较大，因此整机的调试点多，调试工作量大。由于单个输出器件 的最大电流的限制，整^f几的输出电流受到限制。并且所采用的输出器 件过载能力较弱，当电源发生过电压、过电流短路时，容易出现器件 受损的情况，或者需要较复杂的保护电路，导致整机出故障的慨率提 高。
综上所述情况，已有技术的半导体激光器驱动电源由于电路结构 所致，存在使用不灵活，生产调试、维修困难，体积较大，效率较低 等问题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种输出电流可灵活扩展、体积小、效率高、 稳定可靠的模块化程控大电流半导体激光器驱动电源。本发明的目的 还提供一种大电流半导体激光器驱动电源的控制方法。
(二) 技术方案
为了达到上述目的，本发明采取以下方案
本发明的大电流半导体激光器驱动电源，包括4莫块化电流输出电 路、控制电路、扩展接口，其中，所述模块化电流输出电路，是用于 将大电流输出级模块化，针对不同的输出电流要求，在扩展接口上增 加或减少DC-DC模块，以获得所需的工作电流；所述控制电路，是用 于针对大电流输出电路和半导体激光器的工作要求，对DC-DC模块的 控制总线加以输出电压、输出电流、输出使能、慢启动、慢关闭的控 制以及对键盘、LCD显示器的管理控制。
其中，所述模块化电流输出电路是由若干个DC-DC模块相并联所 组成。
其中，所述控制电路包括微控器、输入键盘、液晶显示屏、电流 检测电路、输出电压控制电路、输出电流控制电路、输出使能电路、 保护电路、模数转换电路、整流滤波电路、输入控制电路、模块数量 输入电路、风扇控制电路，其中，微控器分别与输入键盘、液晶显示 屏、输出电压控制电路、输出电流控制电路、模数转换电路、输入控 制电路、模块数量输入电路、风扇控制电路连接。
本发明的大电流半导体激光器驱动电源的控制方法，有以下步
骤
1 )在上电复位后，首先将各控制端口初始化为准备状态；控制显 示屏初始化以及工作界面的显示；
2)完成了上述的初始化工作后，系统程序进入主循环，在每一 次循环过程中，首先对键盘进行扫描，判断是否有#:按下以及是那一 个键按下；若判断无键按下，则返回进入下一轮循环；若在扫描键盘 后，判断有键按下，则继续判别是功能键、命令键还是数字键；之后 进入相应的各键处理子程序。
其中，所述控制方法步骤1)还包括以下步骤
将输出使能置于禁止状态；由微控器通过模块数量输入电路采集
实际装入的DC-DC模块数量，作为微控器控制输出电流的一个控制参 数；将输出电压、输出电流的控制值置为0;启动散热风扇；输入控 制置为允许，即给DC-DC功率模块输入加电；在此之后对液晶显示屏 LCD进行初始化、清屏和控制工作界面的显示。
其中，所述控制方法步骤2)中所述键盘包括0-9十个数字键和 设置选择键、工作方式键、准备/预^4建、输出启动/停止键四个功能 设置及输出命令键，每个键都有相应的处理子程序。
其中，所述控制方法步骤2)还包括以下子程序步骤
① 工作方式键子程序步骤在当前设置项为工作方式时，按此键 可在手动和自动两个工作方式相互转换。并控制LCD相应显示当前的 工作方式；
② 准备/预备睫子程序步骤按此键可在准备和预备两个工作状 态相互转换。并控制LCD相应显示当前的工作状态。在准备状态下允 许响应输出启动命令，而在预备状态下则禁止响应输出启动命令。在 响应其它的功能键或数字键时自动转换为预备状态。以避免误触发；
③ 设置选择键子程序步骤即在按下该键后，微控器更换当前参 数设置项，同时起到确认上一参数设置的作用，并控制LCD对当前设 置项作相应的突出显示和对数值项设定光标，作为对当前设置项的指
示；
④ 数字键处理子程序步骤在光标处输入相应数字； 输出启动/停止键子程序步骤在预备状态下，不响应启动/
停止键操作。在准备状态下，若启动/停止标志为0，按此键可启动 输出过程，若设定的是自动方式，根据设定的脉宽值设置微控器的定 时器和相应计数器的初值，启动定时中断；若为手动方式则不启动定 时器。微控器根据设定的输出电压值，通过输出电压控制电路，将控 制电压加至输出模块的输出电压控制端；通过输出电流控制电路，将 输出电流为零的控制值加至输出模块的电流控制端。设定启动/停止
标志为！。通过输出使能电路将输出信号加至输出模块的输出使能端， 开始产生输出。再每次增加△ Is后启动电流检测电路和模/数转换电 路，采集当前输出电流值，再与设定值比较，如果末达到设定值再一 次增加AIs。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐达到设 定值，然后保持此控制值不变，使其稳定输出，实现对半导体激光器
件无沖击电流的慢启动，启动过程完成。返回主循环控制程序；
若启动/停止标志为1，按此键后微控器将启动/停止标志清0, 关闭定时中断，且由微控器控制执行一个慢关闭过程，即通过输出电 流控制电路，每次减小△ Is后启动电流检测电路和模/数转换电路， 采集当前输出电流值，判断输出电流是否为O,如果没减小到O则再 一次减小AIs。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐减至 0，然后通过输出使能电路将禁止输出信号加至输出模块的输出使能 端，关闭输出；关闭过程完成；返回主循环控制程序。 其中，所述定时中断步骤包括
1) 定时中断是在主程序中执行启动/停止键处理子程序时启动 的，所设定的定时器初值和相应计数器初值是一艮据设置脉宽值来确定 的，脉宽的值等于单次定时值与相应计数器初值的乘积；
2) 进入中断后首先将计数器的值减1,然后判断计数器的值是 否为0。
其中，所述定时中断的步骤2)还包括步骤
① 不为0则说明总的定时时间未到，恢复定时器初值为再次中 断作准备，然后返回主程序；
② 如果进入中断，计数器的值减1后为0,则说明总的定时时 间已到，微控器将启动/停止标志清0,关闭定时中断，且由微控器 控制执行一个慢关闭过程，即通过输出电流控制电路，每次减小AIs 后启动电流检测电路和模/数转换电路，采集当前输出电流值，判断 输出电流是否为O,如果没减小到0则再一次减小AI,;如此进入一
循环控制程序，直到输出电流值逐渐减至0,然后通过输出使能电路
将禁止输出信号加至输出模块的输出使能端，关闭输出；关闭过程完 成；返回主程序。. (三)有益效果
1)由于输出电路采用模块化结构，可根据输出电流的大小，可 灵活增减DC-DC模块数量。最大输出电流可增至数百安培；2)由于 采用大功率DC-DC模块作为输出器件，因该器件的工作频率高达到 lMHz，因此体积小、转换效率高，能效达到88%以上；该器件将多项 功能电路集成封装，平均故障间隔时间达100万小时，使得整机稳定 性大大提高。3)由于摈弃了高频变压器、电感等非标分立器件，克
服了由于器件一致性较差带来的调试困难复杂的问题，在大批量生产 过程中节约大量的工时费用。4)整机由微控器程序控制，量化更精
确，可根据半导体激光器的特殊要求实现慢启动、慢关闭，避免了对 负载的冲击电流，有助于半导体激光器的保护，延长半导体激光器的 使用寿命。
图l是本发明总体系统方框示意图2是本发明主程序流程图； ，
图3是定时器中断程序流程图4是已有技术工作原理图5是本发明工作原理图。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 参见图5,本发明的大电流半导体激光器驱动电源由凝:控器、输 入4定盘、液晶显示屏、电流检测电路、输出电压控制电路、输出电流 控制电路、输出使能电路、保护电路、模数转换电路、整流滤波电路、 输入控制电路、模块数量输入电路、风扇控制电路、以大功率DC-DC
模块组成的可扩展的模块化电流输出电路组成。
参见图1、图5,以微控器为中心的控制电路由微控器、输入键 盘、液晶显示屏、电流检测电路、输出电压控制电路、输出电流控制 电路、输出使能电路、保护电路、模数转换电路、整流滤波电路、输 入控制电路、模块数量输入电路、风扇控制电路组成，它通过键盘设 置输出电压、输出电流、和输出时间等参数。由启动命令键启动整个
输出过程。微控器结合系统软件通过电压控制电路控制DC-DC模块输 出所设定电压；通过电流控制电路控制DC-DC模块逐渐增加激光器的 工作电流，直到输出电流达到设定值，从而实现慢启动。如果判断为 关闭，则逐渐緩慢降低工作电流直至零，实现慢关闭。凝:控器通过电 流4全测电路和A/D转换器来采集输出电流实际值。程序中AL为激光 器工作电流的调整步长，为进一步消除噪声的影响，还必须对采样信 号进行数字平滑滤波。由模块数量输入电路传递当前DC-DC模块数， 微控器由此判断当前所能输出的最大电流值，并据此作出相应提示或 控制时序。当发生过电流或短路时，保护电路控制DC-DC模块停止输 出以保护负载和电源本身。
以大功率DC-DC模块组成的可扩展的模块化电流输出电路，是由 若干大功率DC-DC模块相并联所组成的输出电路，由统一的控制总线 控制其输出电压、输出电流以及输出使能。由于所采用的DC-DC模块 是标准器件， 一致性好，本身具有输出电压、输出电流、输出使能等 控制端口以及模块间均流和通信功能，所以输出电路结构简单，可扩 展，易与上述控制电路接口，整机电路结构清晰。
为了保证在一个并联系统中所有模块精确地分配电流，DC-DC模
块上设有均流接口，并联使用时将其连在一起。均流接口上的电压值 表示每个模块的平均负载电流，每个模块将其本身输出的电流值与平 均负载电流值比较，自动调节它的输出值，修正偏差。这样模块维持 精确的电流分配，达到均流功能。
DC-DC模块上的电流监控接口提供一个该模块输出电流的量的指 示，是一个与模块输出电流成比例的电流源。将并联使用的各模块的 电流监控接口并联可以指示并联系统的总电流。
下面结合附图，对大电流半导体激光器驱动电源的控制方法作进 一步的所明。
1、参见图2，本发明控制方法的控制过程如下
1 )在上电复位后，控制程序首先将各控制端口初始化为准备状态: 将输出使能置于禁止状态；由微控器通过模块数量输入电路采集实际 装入的DC-DC模块数量，作为樣i控器控制输出电流的一个控制参数； 将输出电压、输出电流的控制值置为O;启动散热风扇；输入控制置 为允许，即给DC-DC功率才莫块输入加电；在此之后对液晶显示屏LCD 进行初始化、清屏和控制工作界面的显示。在工作界面中有工作方式 (自动/手动)、输出电流、输出电压、输出脉宽(自动方式下)等参 数设置显示项。在开机后自动调入上次关机时的设置参数。设启动/ 停止标志为0 (为停止输出状态)。
2) 完成了上述的初始化工作后，系统程序进入主循环，在一次 次循环过程中，首先对键盘进行扫描，判断是否有键按下以及是那一 个键按下。本设备睫盘包括0-9十个数字键和设置选择键、工作方式 键、准备/预备键、输出启动/停止键四个功能设置及输出命令键。每 个键都有相应的处理子程序。若判断无键按下，则返回重新扫描键盘； 若在扫描键盘后，判断有键按下，则继续判别是功能键、命令键还是 数字键，之后进入相应的各键处理子程序。
3) ①设置选择键子程序在按下该键后，微控器更换当前参数 设置项，同时起到确认上一参数设置的作用，并控制LCD对当前设置 项作相应的突出显示和对数值项设定光标，作为对当前设置项的指 示。
②工作方式键子程序在当前设置项为工作方式时，按此键可在 手动和自动两个工作方式相互转换。并控制LCD相应显示当前的工作 方式。
③ 准备/预备键子程序按此键可在准备和预备两个工作状态相 互转换。并控制LCD相应显示当前的工作状态。在准备状态下允许响 应输出启动命令，而在预备状态下则禁止响应输出启动命令。在响应 其它的功能键或数字键时自动转换为预备状态。以避免误触发。
④ 数字键处理子程序在光标处输入相应数字。
⑤ 输出启动/停止键子程序在预备状态下，不响应启动/停止键 操作。在准备状态下，若启动/停止标志为0，按此键可启动输出过 程，若设定的是自动方式，根据设定的脉宽值设置微控器的定时器和 相应计数器的初值，启动定时中断；若为手动方式则不启动定时器。 微控器根据设定的输出电压值，通过输出电压控制电路，将控制电压 加至输出模块的输出电压控制端；通过输出电流控制电路，将输出电 流为零的控制值加至输出模块的电流控制端。设定启动/停止标志为 1。通过输出使能电路将输出信号加至输出模块的输出使能端，开始 产生输出。再每次增加AIs (激光器工作电流的调整步长)后启动电 流检测电路和模/数转换电路，采集当前输出电流值，再与设定值比 较，如果末达到设定值再一次增加AIs。如此进入一循环控制程序， 直到输出电流值逐渐达到设定值，然后保持此控制值不变，使其稳定 输出，实现对半导体激光器件无沖击电流的慢启动，启动过程完成。 返回主循环控制程序。
若启动/停止标志为1,按此键后微控器将启动/停止标志清0， 关闭定时中断(在自动方式下也可实现手动关闭)，且由微控器控制 执行一个慢关闭过程，即通过输出电流控制电路，每次减小AL(激 光器工作电流的调整步长)后启动电流检测电路和模/数转换电路， 采集当前输出电流值，判断输出电流是否为O,如果没减小到0则再 一次减小AIs。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐减至
0，然后通过输出使能电路将禁止输出信号加至输出模块的输出使能 端，关闭输出。关闭过程完成。返回主循环控制程序。
2、参见图3，本发明控制方法定时中断的控制过程如下
1 )定时中断是在主程序中执行启动/停止键处理子程序时启动 的，所设定的定时器初值和相应计数器初值是根据设置脉宽值来确定 的。脉宽的值等于单次定时值与相应计数器初值的乘积。
2)进入中断后首先将计数器的值减1,然后判断计数器的值是 否为0。
① 不为0则说明总的定时时间未到，恢复定时器初值为再次中 断作准备，然后返回主程序；
② 如果进入中断，计数器的值减1后为0，则说明总的定时时 间已到，微控器将启动/停止标志清0，关闭定时中断，且由微控器 控制执行一个慢关闭过程，即通过输出电流控制电路，每次减小AIs
(激光器工作电流的调整步长)后启动电流检测电路和模/数转换电 路，采集当前输出电流值，判断输出电流是否为0，如果没减小到0 则再一次减小△ Is。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐 减至0,然后通过输出使能电路将禁止输出信号加至输出模块的输出 使能端，关闭输出。关闭过程完成。返回主程序。
权利要求
1、一种大电流半导体激光器驱动电源，其特征在于包括模块化电流输出电路、控制电路、扩展接口，其中，所述模块化电流输出电路，是用于将大电流输出级模块化，针对不同的输出电流要求，在扩展接口上增加或减少DC-DC模块，以获得所需的工作电流；所述控制电路，是用于针对大电流输出电路和半导体激光器的工作要求，对DC-DC模块的控制总线加以输出电压、输出电流、输出使能、慢启动、慢关闭的控制以及对键盘、LCD显示器的管理控制。
2、 如权利要求1所述的一种大电流半导体激光器驱动电源，其 特征在于所述模块化电流输出电路是由若干个DC-DC模块相并联所 组成。
3、 如权利要求1所述的一种大电流半导体激光器驱动电源，其 特征在于所述控制电路包括微控器、输入键盘、液晶显示屏、电流 检测电路、输出电压控制电路、输出电流控制电路、输出使能电路、 保护电路、模数转换电路、整流滤波电路、输入控制电路、模块数量 输入电路、风扇控制电路，其中，微控器分别与输入键盘、液晶显示 屏、输出电压控制电路、输出电流控制电路、模数转换电路、输入控 制电路、模块数量输入电路、风扇控制电路连接。
4、 一种大电流半导体激光器驱动电源的控制方法，其特征在于 有以下步骤1 )在上电复位后，首先将各控制端口初始化为准备状态；控制显 示屏初始化以及工作界面的显示；2)完成了上述的初始化工作后，系统程序进入主循环，在每次 循环过程中，首先对键盘进行扫描，判断是否有键按下以及是那一个 键按下；若判断无键按下，则返回进入下一轮循环；若在扫描键盘后， 判断有键按下，则继续判别是功能键、命令键还是数字键；之后进入 相应的各键处理子程序。
5、 如权利要求4所述的一种大电流半导体激光器驱动电源的控 制方法，其特征在于所述步骤1 )还包括以下步骤将输出使能置于禁止状态；由微控器通过模块数量输入电路采集 实际装入的DC-DC模块数量，作为微控器控制输出电流的一个控制参 数；将输出电压、输出电流的控制值置为0;启动散热风扇；输入控 制置为允许，即给DC-DC功率模块输入加电；在此之后对液晶显示屏 LCD进行初始化、清屏和控制工作界面的显示。
6、 如权利要求4所述的一种大电流半导体激光器驱动电源的控 制方法，其特征在于步骤2)中所述键盘包括O-9十个数字键和设置 选择键、工作方式键、准备/预备建、输出启动/停止键四个功能设置 及输出命令键，每个键都有相应的处理子程序。
7、 如权利要求4所述的一种大电流半导体激光器驱动电源的控 制方法，其特征在于所述步骤2)还包括以下子程序步骤① 工作方式键子程序步骤在当前设置项为工作方式时，按此键 可在手动和自动两个工作方式相互转换。并控制LCD(相应)显示当前 的工作方式；② 准备/预备键子程序步骤按此键可在准备和预备两个工作状 态相互转换。并控制LCD相应显示当前的工作状态。在准备状态下允 许响应输出启动命令，而在预备状态下则禁止响应输出启动命令。在 响应其它的功能键或数字键时自动转换为预备状态。以避免误触发；③ 设置选择鍵子程序步骤即在按下该键后，微控器更换当前参 数设置项，同时起到确认上一参数设置的作用，并控制LCD对当前设 置项作相应的突出显示和对数值项设定光标，作为对当前设置项的指 示5 .④ 数字键处理子程序步骤在光标处输入相应数字；⑤ 输出启动/停止键子程序步骤在预备状态下，不响应启动/ 停止键操作。在准备状态下，若启动/停止标志为0,按此键可启动输出过程，若设定的是自动方式，根据设定的脉宽值设置微控器的定时器和相应计数器的初值，启动定时中断；若为手动方式则不启动定 时器。微控器根据设定的输出电压值，通过输出电压控制电路，将控 制电压加至输出模块的输出电压控制端；通过输出电流控制电路，将 输出电流为零的控制值加至输出模块的电流控制端。设定启动/停止 标志为1。通过输出使能电路将输出信号加至输出模块的输出使能端， 开始产生输出。再每次增加△ Is后启动电流检测电路和模/数转换电 路，采集当前输出电流值，再与设定值比较，如果末达到设定值再一 次增加AIs。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐达到设 定值，然后保持此控制值不变，使其稳定输出，实现对半导体激光器 件无冲击电流的慢启动，启动过程完成。返回主循环控制程序；若启动/停止标志为1,按此键后微控器将启动/停止标志清0， 关闭定时中断，且由微控器控制执行一个慢关闭过程，即通过输出电 流控制电路，每次减小△ Is后启动电流检测电路和模/数转换电路， 采集当前输出电流值，判断输出电流是否为O，如果没减小到O则再 一次减小△ Is。如此进入一循环控制程序，直到输出电流值逐渐减至 0，然后通过输出使能电路将禁止输出信号加至输出模块的输出使能 端，关闭输出；关闭过程完成；返回主循环控制程序。
8、 如权利要求7所述的一种大电流半导体激光器驱动电源的控 制方法，其特征在于所述定时中断步骤包括1) 定时中断是在主程序中执行启动/停止键处理子程序时启动 的，所设定的定时器初值和相应计数器初值是根据设置脉宽值来确定 的，脉宽的值等于单次定时值与相应计数器初值的乘积；2) 进入中断后首先将计数器的值减1，然后判断计数器的值是 否为0。
9、 如权利要求8所述的一种大电流半导体激光器驱动电源的控 制方法，其特征在于所述步骤2)还包括步骤① 不为0则说明总的定时时间未到，恢复定时器初值为再次中 断作准备，然后返回主程序；② 如杲进入中断，计数器的值减1后为0，则说明总的定时时 间已到，微控器将启动/停止标志清0，关闭定时中断，且由微控器 控制执行一个慢关闭过程，即通过输出电流控制电路，每次减小AIs 后启动电流检测电路和模/数转换电路，采集当前输出电流值，判断 输出电流是否为O,如杲没减小到0则再一次减小AIs;如此进入一 循环控制程序，直到输出电流值逐渐减至0，然后通过输出使能电路 将禁止输出信号加至输出模块的输出使能端，关闭输出；关闭过程完 成；返回主考呈序。
全文摘要
本发明涉及激光电源，本发明公开了一种大电流半导体激光器驱动电源及其控制方法，包括模块化电流输出电路、控制电路、扩展接口，所述模块化电流输出电路，用于将大电流输出级模块化，对不同输出电流要求，在扩展接口上增减DC-DC模块以获所需工作电流；所述控制电路，用于针对大电流输出电路和激光器工作要求，对DC-DC模块的控制总线加以输出电压、输出电流、输出使能、慢启动、慢关闭的控制以及对键盘、LCD的管理控制。方法首先将各控制端口初始化和控制显示屏初始化以及工作界面的显示；然后进入主循环程序，对键盘进行扫描；并执行相应按键处理子程序。本发明可灵活扩展输出级功率模块、具有体积小、效率高、稳定可靠的特点。
文档编号H01S5/042GK101170241SQ20061012487
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月27日 优先权日2006年10月27日
发明者俞守刚, 文 孙, 张峻洪 申请人:武汉楚天激光(集团)股份有限公司