一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路和驱动方法

摘要

本发明涉及半导体激光器驱动技术领域，提供了一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路和驱动方法。其中电路包括保护电压设置单元，用于设置供电压钳位单元作为比较依据的参考保护电压；其中，参考保护电压值根据激光器允许的最大电流计算得到；电压钳位单元，用于获取保护电压设置单元的参考保护电压，并通过比较工作电流设置单元的输入量，确定输出给激光器电流驱动单元的是工作电流设置单元的输出量或者是被电压钳位单元钳制后的钳位电压。本发明的电路结构简单，因为无需外加主控制器的介入，因此精密度更高，易实现，仅需要添加很少的元件，就能显著地对激光器起到保护作用，提高了系统的安全性、稳定性以及精密程度。

说明书

【技术领域】

本发明涉及半导体激光器驱动技术领域，特别是涉及一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路和驱动方法。

【背景技术】

如图1所示，传统的半导体激光器驱动电路都是靠比较负载实际电流与最大保护电流的大小来对激光器进行保护的，这属于一种后向反馈式的保护，这种保护方式的缺点是响应滞后，当保护动作发生时过流实际已经产生，负载可能已经被损坏。

另一种传统的半导体激光器驱动电路如图2所示，这种驱动电路的缺点是激光器的置于三极管的集电极，而取样电阻置于三极管的发射级，根据基尔霍夫电流定律，三极管的发射级电流Ie＝Ic+Ib，这就会导致通过半导体激光器的实际电流比期望电流偏小一个Ib值，所以这种形式驱动电路的缺点是不够精密，设置值和实际值之间存在误差。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是解决现有的激光器电流驱动后向反馈式保护技术中存在的响应滞后及电流设置精度不够的问题。

本发明进一步要解决的技术问题是如何提高了半导体激光器驱动电路的精密程度。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路，包括工作电流设置单元、电压钳位单元、保护电压设置单元和激光器电流驱动单元，其中，工作电流设置单元、保护电压设置单元和激光器电流驱动单元分别于所述电压钳位单元连接，具体的：

所述保护电压设置单元，用于设置供所述电压钳位单元作为比较依据的参考保护电压；其中，所述参考保护电压值根据激光器允许的最大电流计算得到；

所述电压钳位单元，用于获取所述保护电压设置单元的参考保护电压，并通过比较工作电流设置单元的输入量，确定输出给所述激光器电流驱动单元的是所述工作电流设置单元的输出量或者是被所述电压钳位单元钳制后的钳位电压。

优选的，所述电压钳位单元包括运放U1和运放U2，具体：

工作电流设置单元通过电阻R3连接在运放U1的反相输入端，保护电压设置单元通过电阻R1和电阻R2，分别连接在运放U1和运放U2的同相输入端；

运放U1的输出端通过电阻R4反馈到反相输入端；运放U1的输出端还通过电阻R5反馈到运放U2的反相输入端；

运放U2的输出端通过电阻R6反馈到运放U2的反相输入端；运放U2的输出端连接激光器电流驱动单元的输入端。

优选的，所述电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的对应关系为：R3＝R4，R5＝R6。

优选的，所述激光器电流驱动单元包括运放U3和三极管Q1，具体的：

通过电阻R7，将电压钳位单元的输出端连接到激光器电流驱动单元中运放U3的同相输入端；

运放U3的输出端通过电阻R11连接到三极管Q1的基极，三级管Q1的集电极通过取样电阻RS连接到激光器LD1的阴极，激光器LD1的阳极连接到电源VCC，三极管的发射极接地，反馈电阻R10连接在三极管Q1的集电极和运放U3的反相输入端之间，形成电流型负反馈。

优选的，所述电容C1设置在所述运放U3的输出端和运放U3的反相输入端之间，限制电流驱动单元的带宽位于800kHz-1.2MHz区间内。

优选的，所述电容C1取值区间为80-120pF。

第二方面，本发明还提供了一种带最大电流保护的激光器电流驱动方法，使用第一方面所述的带最大电流保护的激光器电流驱动电路，具体的：

在工作电流设置单元的输出电压Vin<2Vmax时，运放U2的输出电压Vo2＝Vin，流经激光器LD1驱动电流此时，电压钳位单元处于正常工作状态，激光器LD1驱动电流I与所述电流设置单元的输出Vin按照比例系数对应改变；其中，Vmax是保护电压设置单元的输出以及电压钳位单元的参考保护电压；电阻R8是连接在三极管Q1的集电极与运放U3正向输入端口间的一电阻；

在工作电流设置单元的输出电压Vin>2Vmax时，运放U1的输出电压Vo1＝0V，运放U2的输出电压Vo2＝2Vmax，流经激光器LD1驱动电流此时，电压钳位单元处于钳位工作状态，激光器LD1驱动电流I仅与保护电压设置单元的输出电压Vmax关联。

优选的，所述方法还包括：

根据运算放大器的虚短特性，运放的同相端和反相端电压基本相等，根据设定的R3＝R4，R5＝R6，得到运放U1的输出电压Vo1＝2Vmax-Vin，运放U2的输出电压Vo2＝2Vmax-Vo1。

优选的，所述流经激光器LD1驱动电流的关系式推导具体为：

根据运算放大器虚断的原理，运算放大器U3的同相端和反相端之间没有电流流过，可以得出以下传输等式：

等式1：

等式2：

等式3：

其中，Va为激光器驱动单元的输入电压，Vb为运放U3同相输入端电压，Vc为U3反相输入端电压，Vd为取样电阻Rs高边电压，Ve为取样电阻Rs低边电压；

根据预设条件R7＝R9，R8＝R10，其中，R8,R10和R7,R9之间存在一个比例因子k,则R8＝R10＝k*R7；

所述等式1转化为等式4：Ve＝(k+1)Vb-kVa；

所述等式2转化为等式5：Vd＝(K+1)*Vc；

代入所述等式3得到等式6：

根据运算放大器的虚短原理可以得到Vb＝Vc,代入所述等式6可以得到最终流过半导体激光器LD1的电流I与设置电压关系的等式7：

因为Va和Vo2为同一点电压，所以等式7可以转化为：

优选的，所述方法还包括：

激光器允许通过的最大电流值为Imax时，根据等式计算保护电压设置单元的参考保护电压值。

本发明提供的一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路，是在常规的激光器电流驱动单元的前面加上保护电压设置单元和电压钳位单元。通过保护电压设置单元和电压钳位单元的共同作用，对激光器驱动单元的输入值进行限制。结构简单，因为无需外加主控制器的介入，因此精密度更高，易实现，仅需要添加很少的元件，就能显著地对激光器起到保护作用，提高了系统的安全性、稳定性以及精密程度。

在本发明的优选方案中，对传统激光器电流驱动单元部分进行改进，把半导体激光器和取样电阻串行放置于三极管的集电极电流通路上，由于半导体激光器和取样电阻是串联关系，所以流过半导体激光器的电流值和流过取样电阻的电流值相等，所以半导体激光器的实际工作电流就会与设置值严格相等，以此提高了半导体激光器驱动电路的精密程度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的后向反馈式激光器电流保护结构示意图；

图2为传统的半导体激光器电流驱动的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电压钳位单元的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的改进后的半导体激光器电流驱动的电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路的原理示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路，如图3所示，包括工作电流设置单元、电压钳位单元、保护电压设置单元和激光器电流驱动单元，其中，工作电流设置单元、保护电压设置单元和激光器电流驱动单元分别于所述电压钳位单元连接，具体的：

所述保护电压设置单元，用于设置供所述电压钳位单元作为比较依据的参考保护电压；其中，所述参考保护电压值根据激光器允许的最大电流计算得到；

所述电压钳位单元，用于获取所述保护电压设置单元的参考保护电压，并通过比较工作电流设置单元的输入量，确定输出给所述激光器电流驱动单元的是所述工作电流设置单元的输出量或者是被所述电压钳位单元钳制后的钳位电压。

本发明提供的一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路，是在常规的激光器电流驱动单元的前面加上保护电压设置单元和电压钳位单元。通过保护电压设置单元和电压钳位单元的共同作用，对激光器驱动单元的输入值进行限制。结构简单，因为无需外加主控制器的介入，因此精密度更高，易实现，仅需要添加很少的元件，就能显著地对激光器起到保护作用，提高了系统的安全性、稳定性以及精密程度。

本发明所提出的一种带最大电流保护的激光器电流驱动电路，是在常规的后向反馈式激光器电流驱动单元的基础上，去掉了激光器电流检测单元，在前面加上保护电压设置单元和电压钳位单元。当工作电流设置单元的值低于保护电压设置单元值时，电压钳位单元不起作用，电路按照工作电流设置单元输出的值正常工作；当工作电流设置单元的值高于保护电压设置单元的值时，电压钳位单元就会被触发，使激光器按照电压钳位单元输出的值工作，从而起到保护作用。整个控制过程连续平滑，没有冲击和波动产生，而且保护电压设置单元的值与激光器允许的最大电流值可以准确换算，很容易获得，所以特别适用于激光器驱动这样对保护电流要求特别精密的应用。

结合本发明实施例，提供了一种简易、高响应速度的电压钳位单元结构，如图4所示，包括运放U1和运放U2，具体：

工作电流设置单元通过电阻R3连接在运放U1的反相输入端，保护电压设置单元通过电阻R1和电阻R2，分别连接在运放U1和运放U2的同相输入端；

运放U1的输出端通过电阻R4反馈到反相输入端；运放U1的输出端还通过电阻R5反馈到运放U2的反相输入端；

运放U2的输出端通过电阻R6反馈到运放U2的反相输入端；运放U2的输出端连接激光器电流驱动单元的输入端。

在如图4所示的电压钳位单元结构中，为了便于精准控制，以及相关电器元件的选配，存在一种优选的实现方式，其中，所述电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的对应关系为：R3＝R4，R5＝R6。

结合本发明实施例，还对于现有技术中的激光器电流驱动单元进行了改良，如图5所示，本发明实施例中改进后的激光器电流驱动单元包括运放U3和三极管Q1，具体的：

通过电阻R7，将电压钳位单元的输出端连接到激光器电流驱动单元中运放U3的同相输入端；

运放U3的输出端通过电阻R11连接到三极管Q1的基极，三级管Q1的集电极通过取样电阻RS连接到激光器LD1的阴极，激光器LD1的阳极连接到电源VCC，三极管的发射极接地，反馈电阻R10连接在三极管Q1的集电极和运放U3的反相输入端之间，形成电流型负反馈。

在上述改良后的激光器电流驱动单元中，把半导体激光器和取样电阻串行放置于三极管的集电极电流通路上，由于半导体激光器和取样电阻是串联关系，所以流过半导体激光器的电流值和流过取样电阻的电流值相等，所以半导体激光器的实际工作电流就会与设置值严格相等，以此提高了半导体激光器驱动电路的精密程度。

如图5所示，所述电容C1设置在所述运放U3的输出端和运放U3的反相输入端之间，限制电流驱动单元的带宽位于800kHz-1.2MHz区间内。优选的，所述电容C1取值区间为80-120pF。

实施例2：

在本发明提供了实施例1所述的带最大电流保护的激光器电流驱动电路后，本发明还提供了一种带最大电流保护的激光器电流驱动方法，从实现过程来阐述本发明提出的所述带最大电流保护的激光器电流驱动电路的原理，具体的：

在工作电流设置单元的输出电压Vin<2Vmax时，运放U2的输出电压Vo2＝Vin，流经激光器LD1驱动电流此时，电压钳位单元处于正常工作状态，激光器LD1驱动电流I与所述电流设置单元的输出Vin按照比例系数对应改变；其中，Vmax是保护电压设置单元的输出以及电压钳位单元的参考保护电压；电阻R8是连接在三极管Q1的集电极与运放U3正向输入端口间的一电阻；

在工作电流设置单元的输出电压Vin>2Vmax时，运放U1的输出电压Vo1＝0V，运放U2的输出电压Vo2＝2Vmax，流经激光器LD1驱动电流此时，电压钳位单元处于钳位工作状态，激光器LD1驱动电流I仅与保护电压设置单元的输出电压Vmax关联。

优选的，所述Vmax的获得方式可以是，在得到激光器允许通过的最大电流值为Imax时，根据等式计算保护电压设置单元的参考保护电压值。

在本发明实施例中，根据运算放大器的虚短特性，运放的同相端和反相端电压基本相等，根据设定的R3＝R4，R5＝R6，得到运放U1的输出电压Vo1＝2Vmax-Vin，运放U2的输出电压Vo2＝2Vmax-Vo1。

所述流经激光器LD1驱动电流的关系式推导具体为：

根据运算放大器虚断的原理，运算放大器U3的同相端和反相端之间没有电流流过，可以得出以下传输等式：

等式1：

等式2：

等式3：

其中，Va为激光器驱动单元的输入电压，Vb为运放U3同相输入端电压，Vc为U3反相输入端电压，Vd为取样电阻Rs高边电压，Ve为取样电阻Rs低边电压；

根据预设条件R7＝R9，R8＝R10，其中，R8,R10和R7,R9之间存在一个比例因子k,则R8＝R10＝k*R7；

所述等式1转化为等式4：Ve＝(k+1)Vb-kVa；

所述等式2转化为等式5：Vd＝(K+1)*Vc；

代入所述等式3得到等式6：

根据运算放大器的虚短原理可以得到Vb＝Vc,代入所述等式6可以得到最终流过半导体激光器LD1的电流I与设置电压关系的等式7：

因为Va和Vo2为同一点电压，所以等式7可以转化为：

实施例3：

基于实施例1所阐述的带最大电流保护的激光器电流驱动电路，本发明实施例进一步阐述了特定应用场景下的配套参数最优设置和相应实现过程。

包含本发明改进点的完整驱动电路图，如图6所示，电流I1为流过电阻R8的电流，电流I2为流过电阻R10的电流，电流I为流过激光器LD1和取样电阻RS的电流。积分电容C1输出端和反相输入端之间，C1取值100pF，R1取值1K，C1的作用可以限制电流驱动单元的带宽在1MHz附近，同时用来迫使运放同相端和反相端之间的电压趋向一致。R11取值优选的是设置在100Ω以上，作用是限制三极管的基极电流不要过大，对运放U3进行限流保护。

其中运放U1，U2，U3为轨到轨型、低失调电压、单电源型运放，电阻阻值R3＝R4，R5＝R6，R7＝R9，R8＝R10。通常电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6取值为10KΩ，精度为1％；R7，R9取值为20K，精度为1％，R8，R10取值为100K，精度为1％；R11取值为1KΩ，精度1％。

保护电压设置单元只要根据此计算结果输出，就可以保证激光器的驱动电流在安全值之内工作，即使工作电流设置单元的输出超限了，电压钳位单元可以快速响应，整个电路还是可以正常工作，由于是前向式保护，整个保护过程是超前的，平滑过渡的，这也是本发明实施例的突出效果所在。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。