专利名称：大功率半导体激光器电源驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源装置，特别是一种大功率半导体激光器电 源驱动装置，属于半导体激光或电力电子技术。
背景技术：
所有的半导体激光二极管在电学性能上与普通的PN结二极管无
本质差别，比如半导体二极管
/,/,[exp(》)一l]
其中/,: 二极管电流、/、饱和电流、《电子电荷、h波尔 兹曼常熟、r:绝对温度、K: 二极管电压。
由上式可知二极管两端电压每增加25mV， 二极管电流增加2.7
倍。它们之间近似符合指数函数关系。随着温度的增加相同二极管电 压下电流也会急剧增高。由上述特点决定了驱动半导体激光器必须由 恒流源提供。此恒流源必须保证输出电流不随负载变化而变化，使半 导体激光器能输出稳定功率。
又由于半导体激光器有与普通二极管的物理结构的不同决定了 驱动电源装置必然有其差别。半导体激光器实际产量小、价格高、生 产工艺相对落后等低决定了生产半导体激光器良品率低、保护措施不
完善(ESD问题)、易损坏等实际技术问题和商业因素都决定了延长半 导体激光器实用寿命，保护激光器不受损坏都只能在半导体激光器驱
动电源装置上实现。制作驱动电源装置的一般传统方法如图1。图中半导体激光二极
管管(1)与大电流低压电源(2)、大功率晶体管(3)、分流器(4) 串联。在通过PID校正器(5)检测反馈的电流来控制大功率晶体管 来实现恒定电流控制。
上述方法虽然有可靠程度较高，寿命长(最长能达到十几年)的优 点，但此装置驱动大功率半导体二极管时电源利用率低、自身发热严 重，需要庞大的散热器甚至水冷装置且制造成本随输出功率的增加呈 现指数函数上升。此装置的电源转换效率只有50%左右，在当前能源 紧张提倡节能降耗的今天显得与时代格格不入。其庞大的散热装置必 然带来大体积高重量也与今天最小轻薄小巧的设计风格迥然不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，弥补不足，提供 一种高效率、高功率密度、低成本，能够满足半导体激光器需要、结 构紧凑、无污染性能良好的大功率半导体激光器电源驱动装置。
为了实现上述目的，本发明设计的大功率半导体激光器电源驱动 装置的技术方案是这样实现的它包括，输入滤波器、直流开关电源
模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感器(11)、调节 器(12)、电位器(13)，其特征是，市电AC通过输入滤波器滤波进 入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的控制端口与调 节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端连接电位器(13) 的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器(11)的测量输出 端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感器(11)的测量环
直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元(10)与半导体激 光器(9)直流并联。
本发明所称的通用直流开关电源模块(8)是一种标准的半砖或 全砖电源模块，该模块具有体积小、功率大、程控调压、可并联、保 护功能完备的特点。通过其程控调压端口配合外部电路即可实现各种 不同的功能。采用这种器件工作可靠安装方便，只需根据实际输出功 率选择不同的电源模块即可适应不同功率半导体激光二极管的需要。
本发明所称的模拟PI调节器(12)具有的比例、积分调节(PI 控制)功能是指当被控电流与设定电流有差异时，将针对这个偏差大 小及正负特性自动进行比例调节(即输出控制量与偏差值大小成比 例)、积分调节(即输出控制量与偏差值的积分成正比)，实时输出一 个适当的控制通用直流开关电源模块(8)的输出电压，最后实现对 二极管电流无超调、无波动的控制。
本发明所称的ESD吸收器(10)是一种保护单元，由TVS瞬态保 护二极管和电阻组成用来防止静电对激光二极管的损害。TVS瞬态保 护二极管与普通稳压二极管性能相似只不过响应速度更高。
本发明所称的输入滤波器实际是有共模滤波器(6)和差模滤波 器(7)共同组成的装置。即能防止外部干扰进入驱动电源装置也能 阻止驱动电源装置影响电网。
本发明所称的霍尔电流传感器11是一种基于霍尔效应的磁传感 器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水 汽及盐雾等的污染或腐蚀。在磁场作用下，通有电流的金属片上产生 一横向电位差这个电压和磁场及控制电流成正比--VH二K * H* IC
式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导 体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知， 当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与 流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用 霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系， 因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，艮口 1^B①VH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场， VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时， 可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。
本发明所称的大功率半导体激光器电源驱动装置，具有构思新 颖、结构紧凑、效率高、体积小巧、安装方便、重量轻、无污染、可 扩展电流、控制性能好、易于工业化批量生产等优点；它可广泛用于 光电领域中需要为半导体激光器提供驱动源，特别适宜于需要由大电 路驱动的大功率半导体激光器场合。
图l:传统半导体激光器驱动电源结构示意图2:大功率半导体激光器电源驱动装置结构示意图；图3:大功率半导体激光器电源驱动装置电路原理图。
具体实施例方式
本发明所称的大功率半导体激光器电源驱动装置的具体实施事 例结合(图2)和图(图3)叙述如下
一种大功率半导体激光器电源驱动装置，它包括，输入滤波器、
直流开关电源模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感 器(11)、调节器(12)、电位器(13)，其特征是，市电AC通过输入 滤波器滤波进入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的 控制端口与调节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端 连接电位器(13)的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器
(11)的测量输出端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激 光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感 器(11)的测量环直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元
(10)与半导体激光器(9)直流并联。
半导体激光器(9) (Ll)使用CS-40-808型管芯其激光输出功率 40W(CW)，额定工作电流40A总转换效率55。/c)、临界电流8A、工作电压 1.8V、串联电阻0.005欧姆。
开关电源模块(8)选用VICOR公司生产的额定功率180W输出电 压3.3V半砖模块电源其输出电压能通过程控信号从额定电压的 20%-110%连续可调，具备完善的过流、过压、高温保护等功能。远程 遥控脚Sense+与OUT+相连、Sense-与OUT-相连，调整脚TRIM连接 PI调节器输出端。霍尔电流传感器ll(LTl)采用闭环电路霍尔传感器HEC50-E3型 额定测量电流50A线性度0. 1%、输出精度0. 5%、失调电流0. 2mA、 最大温度漂移0. 6mV。开关电源模块9的OUT-端穿过霍尔传感器11 的测量环与传感器无电学接触。测量电压输出端接PI调节器12的反 相输入端、输出地线与开关电源模块8的0UT-相连。
输入滤波器(6、 7)选用两阶滤波器。设定在100KHz时所需达到 的衰减定为-24dB，阻尼系数取0.707这个比较合适的值，这样在 100KHz时有-3dB的衰减，就不会因振荡而产生噪声。由以上要求可 得C1二1000PF， C2二1000PF， Ll=10mH， L2二10mH, L3=10uH， L4二10uH， C6=luF。 且Ll与L2同向绕制在一个骨架上。
ESD吸收器(10)由1SMB5. 0AT3型TVS瞬态抑制二极管(TVS1) 与100欧姆电阻(Rl)并联组成。选择这个此参数时既保护激光器不 受静电损坏同时也不会影响电流精度。
精密电位器(13) (RP1)选用多圈线绕电位器、阻值5K型号为 M0DEL534-5K。滑动端连接PI调节器12的同相输入端。固定端分别 连接直流电源与底线。
模拟PI调节器(12) (ARl)设置直流增益35dB，选择穿越频率为 20KHZ时有比较理想的直流精度和响应速度。失调电压为25uV、温度 漂移小0.6uV/C，长期稳定性luV/月，特别适用于高精度电源装置。
Ml是3位半直流面板表用于测量霍尔电流传感器输出。用于方 便观测实际半导体二极管电流。其量程范围0-5V最小显示分辨率达 到0. 1%以下完全能满足电源装置的需要。当使用传统方案时采用同样激光器CS-40-808与相同的VIC0R半 砖模块电源。但VIC0R半砖模块电源输出电压为3. 3V固定不变而由 大功率晶体管来调节实际激光器工作电流。激光器消耗功率为
Pl二 1. 8V "0 A 二 72W
VIC0R半砖模块电源输出功率
Po二 3. 3V * 40 A = 132W
由此可知在大功率晶体管3与分流器4上所消耗的功率为 Pd 二 132W -72W = 60W
上述这60W能量都以热量的形式被耗散。电源实际利用率为 7二 72W/132W*100% = 54. 4%
当使用本文所述的大功率高效半导体电源驱动装置时VIC0R半
砖模块电源输出电压在1. 2V-3. 3V之间自动调节。同时又省略了分流
器，分流器本质上是一个电阻当电流增加时耗损功率成倍增加。按照 附图半导体激光器9和模块电源8是直接相连。所以理论电源利用率
77 = 72W/72W = 100%
节省了 60W的电力，当使用更大功率的半导体激光器时两种不同 构造的电源效率的差距将进一步增大。虽然本文所称的大功率高效半 导体电源驱动装置使用了更多的元件结构也比传统驱动电源复杂但 是长期使用成本减低。
权利要求
1、一种大功率半导体激光器电源驱动装置，它包括，输入滤波器、直流开关电源模块(8)、半导体激光器(9)、保护单元(10)、传感器(11)、调节器(12)、电位器(13)，其特征是，市电AC通过输入滤波器滤波进入直流开关电源模块(8)，直流开关电源模块(8)的控制端口与调节器(12)的输出端连接，调节器(12)的同相输入端连接电位器(13)的滑动端，调节器(12)的反相输入端连接传感器(11)的测量输出端，直流开关电源模块(8)的正极连接半导体激光器(9)的阳极，直流开关电源模块(8)的负极通过导线穿过传感器(11)的测量环直接与半导体激光器(9)的阴极相连，保护单元(10)与半导体激光器(9)直流并联。
2、 根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装 置，其特征是，所述的输入滤波器由差模滤波器(6)与共模滤波器(7)构成。
3、 根据权利要求1或2所述的一种大功率半导体激光器电源驱 动装置，其特征是，所述的保护单元(10)即为ESD吸收器，ESD吸 收器由瞬态抑制二极管与电阻并联构成。
4、 根据权利要求1或2所述的一种大功率半导体激光器电源驱 动装置，其特征是，电位器(13)是一个多圈线绕的精密电位器。
5、 根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装 置，其特征是，所述的直流开关电源模块(8)采用半砖或全砖电源 模块。
6、根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器电源驱动装 置，其特征是，调节器(12)是一个具有比例积分调节功能的PI调节器。
全文摘要
本发明涉及一种大功率半导体激光器电源驱动装置。该装置包括开关电源模块、滤波器、半导体激光器、保护单元、传感器、PI调节器和电位器。其特征是市电通过滤波器进入电源模块，电源模块的正负极分别与半导体激光器的阳极和阴极相连，其控制端与调节器的输出端连接。调节器的同反相输入端分别与电位器和传感器相连，保护单元与半导体激光器并联。该装置具有构思新颖、结构紧凑、体积小巧、安装方便、控制性能好、易于工业化批量生产，它可广泛用于光电领域中需要为半导体激光器提供驱动电源的场合。
文档编号H01S5/00GK101436756SQ20081019773
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者卿 林, 锋 王 申请人:武汉凌云光电科技有限责任公司