高效快速激光泵浦驱动电源和快速启动的激光器

摘要

本发明提供高效快速激光泵浦驱动电源及快速启动的激光器，所述的驱动电源包含恒流输出正端和恒流输出负端，所述的驱动电源包含工作电流设置端和预热电流设置端；所述的驱动电源用于在工作电流设置端或预热电流设置端使能时，根据使能的工作电流设置端或预热电流设置端的设置在恒流输出正端和恒流输出负端输出相应的电流。本发明可实现快速地启动激光器，解决了现有激光器启动速度慢的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器的驱动电源及激光器，尤其涉及高效快速激光泵浦驱 动电源和快速启动的激光器。

背景技术

用激光二极管作为泵浦光源的光纤激光器和固体激光器本质上都是光 能转换器，它们将激光二极管发射的品质较差的泵浦光转换成单色性好、方 向性好、光斑尺寸小的输出激光。

目前激光器泵浦光源的驱动和控制基本上是用线性驱动电源，用大功率 晶体管或场效应管作为调整器件，通过电流反馈实现恒流驱动。这种结构驱 动电源的特点是噪声较低，如果设计恰当，可以获得较快的开启和关闭速度。 但是，同线性稳压电源一样，这类电源的效率较低，热损耗大。特别是当泵 浦源工作电压较低和要求快速开关的时候，效率尤其低下，要求激光系统使 用庞大的散热器，导致系统能耗、体积增加，削弱了光纤激光器和固体激光 器作为先进加工手段的优势。

也有部分激光器泵浦光源的驱动和控制采用开关模式恒流源设计。这种 结构驱动电源的主要缺点是，在满足低开关噪声、低电流过冲和反冲的条件 下，电源内部能量的建立和释放时间较长，导致驱动电源开启速度较慢，难 以达到工业应用（如激光打标和雕刻）对激光系统的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供高效快速激光泵浦驱动电源和快速 启动的激光器，解决现有激光器启动速度慢的问题。

本发明是这样实现的：

高效快速激光泵浦驱动电源，所述的驱动电源包含恒流输出正端和恒流 输出负端，所述的驱动电源包含工作电流设置端和预热电流设置端；所述的 驱动电源用于在工作电流设置端使能或被禁止时，根据工作电流设置端或预 热电流设置端的设置在恒流输出正端和恒流输出负端输出相应的电流。

进一步地，所述的工作电流设置端使能或被禁止时过程具体为：工作电 流设置端使能时工作电流设置端的电压高于预热电流设置端的电压，工作电 流设置端被禁止时预热电流设置端的电压高于工作电流设置端的电压；所述 驱动电源根据工作电流设置端或预热电流设置端的电压在恒流输出正端和 恒流输出负端输出相应的电流。

进一步地，还包括电源控制端，所述的电源控制端用于控制所述驱动电 源的恒流输出。

进一步地，所述驱动电源包括电流设置端比较电路和恒流电路，所述电 流设置端比较电路和恒流电路连接，所述的电流设置端比较电路与工作电流 设置端和预热电流设置端连接，所述恒流电路与恒流输出正端和恒流输出负 端连接，所述电流设置端比较电路用于比较工作电流设置端和预热电流设置 端的设置并使能其中一端，并将使能的一端的设置输出到恒流电路，所述的 恒流电路用于根据电流设置端比较电路输入的设置在恒流输出正端和恒流 输出负端输出相应的电流。

进一步地，所述的工作电流设置端和预热电流设置端的设置为电压设 置，所述的电流设置端比较电路包括第一电压比较器，所述的第一电压比较 器与工作电流设置端和预热电流设置端连接，所述的第一电压比较器用于比 较工作电流设置端和预热电流设置端的电压大小并使能其中一端。

进一步地，所述的电流设置端比较电路还包括第一反相器、第一N沟 道场效应管和第二N沟道场效应管，所述的预热电流设置端与第一电压比 较器的同相输入端和第一N沟道场效应管的漏极连接，所述的工作电流设 置端与第一电压比较器的反相输入端和第二N沟道场效应管的漏极连接， 所述的第一电压比较器的输出端与第一N沟道场效应管的栅极和第一反相 器的输入端连接，所述第一反相器的输出端与第二N沟道场效应管的栅极 连接，所述第二N沟道场效应管的源极与第一N沟道场效应管的源极和恒 流电路连接。

进一步地，还包括电源控制端，所述电源控制端与恒流电路连接，所述 电源控制端用于控制所述驱动电源的恒流输出。

进一步地，所述的恒流电路为开关模式恒流电路。

进一步地，所述的恒流电路包含脉宽调制电路、半桥开关电路和反馈电 路，所述的脉宽调制电路与半桥开关电路和反馈电路连接，所述的半桥开关 电路与反馈电路连接，所述的半桥开关电路与恒流输出正端和恒流输出负端 连接，所述的反馈电路与电流设置端比较电路连接。

进一步地，所述的半桥开关电路包含第二反相器、第一场效应管驱动器、 第一场效应管、第二场效应管驱动器、第二场效应管、电感、电容和反馈信 号采集电路，所述的第二反相器的输入端分别与脉宽调制电路和第一场效应 管驱动器的第一输入端连接，所述第二反相器的输出端与第二场效应管驱动 器的第二输入端连接，所述的第一场效应管驱动器的第二输入端与第二场效 应管驱动器的输出端和第二场效应管的栅极连接，所述的第一场效应管驱动 器的输出端与第二场效应管驱动器的第一输入端和第一场效应管的栅极连 接，所述第一场效应管的漏极与供电电源连接，所述第一场效应管的源极与 电感的一端和第二场效应管的漏极连接，所述电感的另一端与电容的一端和 恒流输出正端连接，所述电容的另一端、第二场效应管的源极和反馈信号采 集电路的第一采集端分别接地，所述反馈信号采集电路的第二采集端与恒流 输出负端连接，所述反馈信号采集电路的信号输出端与反馈电路连接。

进一步地，所述的反馈电路包含第一电流传感放大器、第一运算放大器 和相位补偿电路，所述第一电流传感放大器的输入端与半桥开关电路连接， 所述第一电流传感放大器的输出端与第一运算放大器的反相输入端和相位 补偿电路的一端连接，所述第一运算放大器的同相输入端与电流设置端比较 电路连接，所述第一运算放大器的输出端与相位补偿电路另一端和脉宽调制 电路连接。

进一步地，所述的脉宽调制电路包含锯齿波发生器、时钟振荡器、第三 反相器、与门单元、第二电压比较器和触发器，所述第二电压比较器的反相 输入端与反馈电路连接，所述第二电压比较器的输出端与触发器的置位端连 接，所述的第二电压比较器的同相输入端与锯齿波发生器连接，所述的锯齿 波发生器与时钟振荡器连接，所述的时钟振荡器与第三反相器的输入端和触 发器的复位端连接，所述第三反相器的输出端与与门单元的第一输入端连 接，所述的触发器的反相输出端与与门单元的第二输入端连接，所述与门单 元的输出端与半桥开关电路连接。

进一步地，所述驱动电源还包括电源控制端，所述脉宽调制电路还包括 或门单元，所述第二电压比较器的输出端与触发器的置位端的连接具体为： 所述第二电压比较器的输出端与或门单元的第一输入端连接，所述或门单元 的输出端与触发器的置位端的连接；所述或门单元的第二输入端与电源控制 端连接。

进一步地，所述反馈电路包含错误保护电路，所述的错误保护电路的第 一输入端与第一电流传感器的输出端连接，所述的错误保护电路的输出端与 或门单元的第三输入端连接。

进一步地，所述反馈电路包含第二电流传感放大器，所述第二电流传感 放大器两个输入端分别与第一效应管的源极和漏极连接，所述第二电流传感 放大器的输出端与错误保护电路的第二输入端连接。

以及本发明还提供一种快速启动的激光器，所述的激光器包括激光器电 源和泵浦激光二极管，所述的激光器电源用于提供预热电流对泵浦激光二极 管进行预热并用于提供工作电流驱动泵浦激光二极管发光。

进一步地，所述的激光器电源为上述的任一所述的高效快速激光泵浦驱 动电源。

进一步地，所述的激光器为光纤激光器或固体激光器。

本发明具有如下优点：

1.本发明可以同时设置泵浦激光二极管的工作电流和预热电流，一般说 来，泵浦激光二极管的预热电流设置为激光二极管即将产生激光输出或刚产 生微弱激光输出的电流，正是由于预热电流设置的存在，使泵浦激光二极管 以及激光系统的开启速度大大提高；

2.本发明使用了开关模式恒流源设计作为泵浦激光二极管的驱动电源， 与传统的线性驱动电源相比，体积明显减小，电源效率有较大提高，同时， 减少系统热负载，使风冷激光系统的温升明显降低。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的驱动电源的电路结构示意图。

图2为本发明的具有电源控制端的驱动电源的电路结构示意图。

图3为本发明的具有电流设置端比较电路和恒流电路的驱动电源的电 路结构示意图。

图4为本发明的包含使能比较电路具体电路的驱动电源的电路结构示 意图。

图5为本发明的包含恒流电路具体电路的驱动电源的电路结构示意图。

图6为本发明的驱动电源的一优选实施例的电路结构示意图。

图7为本发明的驱动电源的另一优选实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1到图5所示，以下将本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明的高效快速激光泵浦驱动电源1，驱动电源1包 含恒流输出正端和恒流输出负端，驱动电源1包含工作电流设置端和预热电 流设置端；驱动电源1用于在工作电流设置端或预热电流设置端使能时，根 据使能的工作电流设置端或预热电流设置端的设置在恒流输出正端和恒流 输出负端输出相应的电流。工作电流设置端或预热电流设置端的设置可以采 用电流设置、电压设置或者频率设置，使能时对两者进行比较后使能设置量 大的一端或小的一端，以频率设置为例，将驱动电源1设置为频率小的一端 使能，则驱动电源1对工作电流设置端或预热电流设置端的频率进行检测和 比较，以频率小的那端为驱动电源的电流设置为电流输出大小的控制参数， 而后输出相应的电流（如频率为1Kz时，电流为1A；频率为10Kz，电流为 10A）。恒流输出正端和恒流输出负端的输出电流用于驱动负载，如泵浦激 光二极管。驱动电源1的恒流的产生可以采用线性模式或开关模式，线性模 式或开关模式来产生恒定电流为本领域技术人员所熟知的。

优选地，工作电流设置端或预热电流设置端的设置采用电压设置。电压 的比较以及电压作为控制具有实现方便简单的优点，综合能耗考虑，采用使 能时对两者进行比较后使能电压高的一端，即工作电流设置端或预热电流设 置端使能时具体为：工作电流设置端使能时工作电流设置端的电压高于预热 电流设置端的电压，预热电流设置端使能时预热电流设置端的电压高于工作 电流设置端的电压；所述驱动电源根据使能的工作电流设置端或预热电流设 置端的电压在恒流输出正端和恒流输出负端输出相应的电流（如电压为 0.1V时，电流为1A；电压为1V时，电流为10A）。

驱动电源1的恒流输出的开关可以通过开启或关闭供电电源来实现，为 了避免频繁启动驱动电源1以及可以快速使得驱动电源内部的各个元件处 于工作状态，驱动电源1还包括电源控制端（如图2所示），电源控制端用 于控制驱动电源1的恒流输出。驱动电源1在电源控制端具有信号时，输出 设置的电流，没有信号时，则不输出电流。

具体地，驱动电源1可以采用以下方式进行实现。如图3所示，驱动电 源1包括电流设置端比较电路10和恒流电路11，电流设置端比较电路10 和恒流电路11连接，电流设置端比较电路10与工作电流设置端和预热电流 设置端连接，恒流电路11与恒流输出正端和恒流输出负端连接，电流设置 端比较电路10用于比较工作电流设置端和预热电流设置端的设置并使能其 中一端，并将使能的一端的设置输出到恒流电路11，恒流电路11用于根据 电流设置端比较电路输入的设置在恒流输出正端和恒流输出负端输出相应 的电流。

优选地，工作电流设置端和预热电流设置端的设置为电压设置，电流设 置端比较电路10包括第一电压比较器100，第一电压比较器100与工作电 流设置端和预热电流设置端连接，第一电压比较器100用于比较工作电流设 置端和预热电流设置端的电压大小并使能其中一端。第一电压比较器100 比较后，电流设置端比较电路10可以采用控制光耦、继电器或可控硅来切 换工作电流设置端和预热电流设置端的电压设置。具体地，可以采用使能电 压较高的一端。

如图4所示，电流设置端比较电路10还包括第一反相器101、第一N 沟道场效应管102和第二N沟道场效应管103，预热电流设置端与第一电压 比较器100的同相输入端和第一N沟道场效应管102的漏极连接，工作电 流设置端与第一电压比较器100的反相输入端和第二N沟道场效应管103 的漏极连接，第一电压比较器100的输出端与第一N沟道场效应管102的 栅极和第一反相器101的输入端连接，第一反相器101的输出端与第二N 沟道场效应管103的栅极连接，第二N沟道场效应管103的源极与第一N 沟道场效应管102的源极和恒流电路11连接。

其中，电流设置端比较电路10在工作时，当预热电流设置端的电压高 于工作电流设置端的电压，第一电压比较器100的输出端为高电平，第一反 相器101的输出端为低电平，导致第一N沟道场效应管102导通，第二N 沟道场效应管103截止，预热电流设置端的电压输入到恒流电路11；当工 作电流设置端的输入电压高于预热电流设置端的输入电压，第一电压比较器 100的输出为低电平，第一反相器101的输出为高电平，导致第一N沟道场 效应管102截止，第二N沟道场效应管103导通，工作电流设置端的电压 输入到恒流电路11。为了保证两个N沟道场效应管完全导通，应保证第一 电压比较器100和第一反相器101的输出电压比工作电流设置端和预热电流 设置端的电压高5V～10V。

当驱动电源1包括电流设置端比较电路10和恒流电路11，同时要使用 电源控制端对驱动电源的恒流输出进行控制时，具体地，电源控制端与恒流 电路连接。

当驱动电源1包括电流设置端比较电路10和恒流电路11时，恒流电路 11优选采用开关模式恒流电路。开关模式恒流电路具有转换效率高的优点。 采用开关模式时，具体地，如图5所示，恒流电路11包含脉宽调制电路31、 半桥开关电路51和反馈电路71，脉宽调制电路31与半桥开关电路51和反 馈电路71连接，半桥开关电路51与反馈电路71连接，半桥开关电路51 与恒流输出正端和恒流输出负端连接，反馈电路71与电流设置端比较电路 连接。脉宽调制电路31用于产生PWM波，将PWM控制信号传输给半桥 开关电路51，半桥开关电路51用于驱动开关管后产生恒定电流，反馈电路 71用于将产生后的电流信息反馈至脉宽调制电路31调节PWM波的输出， 使得电流的输出恒定。

如图6所示，是脉宽调制电路31、半桥开关电路51和反馈电路71的 具体实现电路。以下将对脉宽调制电路31、半桥开关电路51和反馈电路71 进行详细说明。

脉宽调制电路31包含锯齿波发生器32、时钟振荡器33、第三反相器 34、与门单元35、第二电压比较器36和触发器37，第二电压比较器36的 反相输入端与反馈电路71连接，第二电压比较器36的输出端与触发器37 的置位端连接，第二电压比较器36的同相输入端与锯齿波发生器32连接， 锯齿波发生器32与时钟振荡器33连接，时钟振荡器33与第三反相器34 的输入端和触发器的复位端连接，第三反相器34的输出端与与门单元35 的第一输入端连接，触发器37的反相输出端与与门单元35的第二输入端连 接，与门单元35的输出端与半桥开关电路51连接。

半桥开关电路51包含第二反相器52、第一场效应管驱动器53、第一场 效应管54、第二场效应管驱动器55、第二场效应管56、电感57、电容58 和反馈信号采集电路59，第二反相器52的输入端分别与脉宽调制电路31 和第一场效应管驱动器53的第一输入端连接，第二反相器52的输出端与第 二场效应管驱动器55的第二输入端连接，第一场效应管驱动器53的第二输 入端与第二场效应管驱动器55的输出端和第二场效应管56的栅极连接，第 一场效应管驱动器53的输出端与第二场效应管驱动器55的第一输入端和第 一场效应管54的栅极连接，这样的接法确保任何时间第一场效应管54和第 二场效应管55不会同时导通。第一场效应管54的漏极与供电电源连接，第 一场效应管54的源极与电感57的一端和第二场效应管56的漏极连接，电 感57的另一端与电容58的一端和恒流输出正端连接，电容58的另一端、 第二场效应管56的源极和反馈信号采集电路59的第一采集端分别接地，反 馈信号采集电路59的第二采集端与恒流输出负端连接，反馈信号采集电路 59的信号输出端与反馈电路71连接。

上述的反馈信号采集电路59可以采用电阻变换成电压或采用霍尔传感 器，而后再与反馈电路71连接。上述的第一场效应管54和第二场效应管 56可以采用N沟道场效应管或P沟道场效应管。如果第一场效应管54使用 N沟道场效应管，则第一场效应管驱动器53中应包含相对于开关电位的升 压电路。电感57优选为大功率电感，电容58优选为低ESR电容。本电路 的原理为：脉宽调制电路31产生的PWM波经过第二反相器52后产生一个 相位相反的PWM波；而后两个PWM波相间地驱动第一场效应管驱动器53 和第二场效应管驱动器55，而后第一场效应管驱动器53和第二场效应管驱 动器55相间地驱动第一场效应管54对电感57充电（储能）和第二场效应 管56对电感57放电（释能），经电容58平滑从而在恒流输出正端和恒流 输出负端输出恒定电流。

具体地，反馈电路71包含第一电流传感放大器72、第一运算放大器73 和相位补偿电路74，第一电流传感放大器72的输入端与半桥开关电路51 连接，第一电流传感放大器72的输出端与第一运算放大器73的反相输入端 和相位补偿电路74的一端连接，第一运算放大器73的同相输入端与电流设 置端比较电路10连接，第一运算放大器73的输出端与相位补偿电路74另 一端和脉宽调制电路31连接。相位补偿电路74控制第一运算放大器73的 增益和相位补偿，形成负反馈，使第一运算放大器73能稳定工作。第一电 流传感放大器72用于放大反馈信号。

以上对脉宽调制电路31、半桥开关电路51和反馈电路71的具体实现 电路可以组合起来使用以达到恒流的输出，但对于本领域技术人员来说，也 可以对其中的某一部分电路或全部电路进行修改。以下将在上述的三个电路 的组合的基础上进行更详细的说明。

如图7所示，为了方便对恒流是否输出的控制，本发明的驱动电源1还 包括电源控制端，脉宽调制电路31还包括或门单元38，第二电压比较器36 的输出端与触发器37的置位端的连接具体为：第二电压比较器36的输出端 与或门单元38的第一输入端连接，或门单元38的输出端与触发器37的置 位端的连接；或门单元38的第二输入端与电源控制端连接。当电源控制端 为高电平时，或门单元38的输出为高电平，将直接置位触发器37，使其反 相输出端为低电平，从而关闭第一场效应管驱动器53，从而关闭恒流的输 出。

为了避免出现电流过大的情况，反馈电路71包含错误保护电路75，错 误保护电路75的第一输入端与第一电流传感器72的输出端连接，错误保护 电路75的输出端与或门单元38的第三输入端连接。错误保护电路75用于 在错误保护电路75的输入端电压输出过大时，在错误保护电路75的输出端 输出高电平，从而关闭恒流的输出，保护负载的安全。

为了避免第一场效应管54的单个脉冲电流过大，反馈电路71包含第二 电流传感放大器76，第二电流传感放大器76两个输入端分别与第一效应管 54的源极和漏极连接，第二电流传感放大器76的输出端与错误保护电路75 的第二输入端连接。当第一场效应管54单个脉冲电流过大时，第二电流传 感放大器76会相应地出现输出电压过大的情况，错误保护电路75检测到后 输出高电平，从而关闭第一场效应管驱动53的输出，从而关闭第一场效应 管54。

在图7所示的驱动电源的基础上，以下对驱动电源的工作原理和使用方 法进行说明。

当要使用本驱动电源时，首先置电源控制端为低电平。而后将预热电流 设置端的电压设置为可使泵浦激光二极管即将产生激光输出或刚产生微弱 激光输出，在激光关闭时工作电流设置端被禁止（电压设置为零），由于预 热电流设置端的电压高于工作电流设置端的电压，则电流设置端比较电路 10使能预热电流设置端的电压到脉宽调制电路31，脉宽调制电路31根据预 热电流设置端的电压产生相应的PWM波，PWM波驱动半桥开关电路51 产生预热恒定电流预热泵浦激光二极管。

当激光开启时，需要使泵浦激光二极管正常输出，将工作电流设置端的 电压使能，由于工作电压大于预热电压，则电流设置端比较电路10使能工 作电流设置端的电压到脉宽调制电路31，脉宽调制电路31根据工作电流设 置端的电压产生相应的PWM波，PWM波驱动半桥开关电路51产生工作恒 定电流驱动泵浦激光二极管工作。

当要关闭恒流输出时，可以置电源控制端为高电平，即可关闭恒流的输 出。

以及本发明还提供一种快速启动的激光器，激光器包括激光器电源和泵 浦激光二极管，激光器电源用于提供预热电流对泵浦激光二极管进行预热并 用于提供工作电流驱动泵浦激光二极管发光。在激光未输出时对泵浦激光二 极管进行预热，使得激光器的开启速度大大提高。

具体地，本发明的激光器电源可以是上述的高效快速激光泵浦驱动电 源。进一步地，激光器为光纤激光器或固体激光器。

综上，本发明大大提高了激光器的开启速度，同时，预热电流的使用有 助于减小驱动电流过冲和泵浦功率的突变，从而延长器件和系统的使用寿 命。本发明的开关模式的恒流电路大大提高了电源转换效率，节约能源，降 低了激光系统的热负载。同时，通过采用双重错误保护电路，保证了泵浦激 光二极管的安全，提高了激光系统的可靠性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人 员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发 明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的 修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。