脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路

摘要

本发明涉及一种脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路，包括大电流脉冲恒流源形成电路和小电流直流恒流源形成电路，大电流脉冲恒流源形成电路包括大电流电压源、脉冲恒流源控制电路及脉冲恒流源控制开关，小电流直流恒流源形成电路包括小电流电压源、直流恒流源控制电路及直流恒流源控制开关，两个电压源的负极分别单独接地，两个接地端之间连接有叠加开关，该开关的控制端连接有叠加开关控制控制电路，叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间和/或叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间连接有防电流逆流元件，有效避免大电流脉冲上升沿、下降沿对小电流直流造成的干扰，避免脉冲大电流由小电流电压源来提供而造成小电流电压源的损坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管的驱动电路，尤其涉及一种大电流脉冲恒流源与小电流直流恒流源的叠加电路。

背景技术

对于一些特殊用途的发光二极管，如半导体激光二极管，发出激光时二极管工作在受激激发状态，需要流过很大的电流，这个电流不能是连续的直流，否则激光二极管很容易过功率热损坏。实际使用时，驱动激光二极管的电流是窄脉冲型恒流源，占空比很小，一般最大20％，但是电流都很大，从20A到250A不等。激光二极管有一个非常脆弱的缺点，就是不能承受反向电压和反向电流，很低的反向电压和反向电流就会对其造成损坏。所以在大电流脉冲的上升和下降沿为了防止激光二极管两端出现反向电压，需要给激光二极管施加一个小电流的直流恒流源，使其两端存在一个小的正向偏置电压。另外，激光的方向性、单色性、相干性在所有光中是最好的，然而驱动电流很小的变化或者温度的变化都会对二极管发出激光的单色性产生影响，这时需要通过对驱动电流进行微调来调节激光的单色性，小电流直流恒流源就可以用来实现这个功能。

在实际使用时，大电流脉冲恒流源和小电流直流恒流源需要同时输出，施加在激光二极管上面，相对于同一个负载，大电流的产生需要较高电压的电压源，小电流的产生只需要较低电压的电压源。实现大电流(高电压)和小电流(低电压)在同一个负载上叠加的方法，以前有如下两种：

第一种如图1所示，使用同一个电压源Uin1，通过两套线性稳流电路，分别形成大电流脉冲恒流源和小电流直流恒流源，所述两套电路共同接地，实现简单。电压源需要输出大电流脉冲，在相同负载下其电压就会比较高；而小电流直流在负载上产生的电压很低，电压源大部分电压加在直流恒流源控制开关管S2上，这样小电流直流恒流源形成电路损耗就会很大，效率很低。

第二种如图2所示，使用两个电压源Uin1和Uin2，来分别形成大电流脉冲恒流源和小电流直流恒流源，其中Uin1的电压大于Uin2的电压，两个电压源的正极均与负载的正极接线端相连，两个电压源的负极分别通过采样电阻和对应的控制开关管的串联电路与负载负极接线端连接，两个电压源共地。这样在大电流脉冲恒流源和小电流直流恒流源同时输出时，开关S4导通，由电压源Uin1来提供能量；在只有小电流直流输出时，开关S4断开，由电压源Uin2提供能量。由于大电流脉冲的占空比很小，此法可以提高效率。但两个电压源共地，彼此之间需要加比较复杂的隔直电路S4和D2，还可能出现由小电流电压源提供大电流脉冲的情况而造成器件损坏，而且脉冲电压的上升沿、下降沿比较快，相当于在负载RL上产生了电压抖动；由于两个电压源电压恒定，两个电流源共地，根据基尔霍夫电压闭环理论，小电流直流恒流源形成电路中S2、R2上的电压也会产生抖动，造成流过其上的小电流直流产生抖动。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路，以有效避免大电流脉冲上升沿、下降沿对小电流直流造成的干扰，避免脉冲大电流由小电流电压源来提供而造成小电流电压源的损坏。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案在于提供一种脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路，主要包括大电流脉冲恒流源形成电路和小电流直流恒流源形成电路，大电流脉冲恒流源形成电路主要由大电流电压源、脉冲恒流源控制电路及脉冲恒流源控制开关组成，小电流直流恒流源形成电路主要由小电流电压源、直流恒流源控制电路及直流恒流源控制开关组成，所述的大电流电压源的负极和小电流电压源的负极分别单独接地，两个接地端之间连接有叠加开关，该开关的控制端连接有叠加开关控制控制电路，控制两个接地端之间导通或断开，叠加开关与脉冲恒流源开关同步动作；叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间和/或叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间连接有防电流逆流元件，使电流由小电流电压源的负极接地端向大电流电压源的负极接地端单向流动。

叠加开关控制电路的输入信号由脉冲恒流源控制电路提供。

大电流电压源的正极与负载的正极之间连接有防电流逆流元件。

所述的叠加开关为电子开关管。

所述的防电流逆流元件为二极管，且至少为一个。

本发明中大电流电压源的负极和小电流电压源的负极分别单独接地，叠加开关与脉冲恒流源控制开关同步动作，实现两个接地端之间导通或断开，所以脉冲电压的上升沿、下降沿在负载上产生的电压抖动就施加在叠加开关上，小电流直流恒流电路上的电压就不会产生抖动，保证流过其上的小电流直流保持恒定不变；叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间和/或叠加开关与小电流电压源的负极接地端之间连接有防电流逆流元件，使电流由小电流电压源的负极接地端向大电流电压源的负极接地端单向流动，可以防止电流由大电流电压源的负极接地端流向小电流电压源的负极接地端，在输出负载值很小时或者大电流脉冲爬升建立过程中，可以避免大电流脉冲由小电流电压源来提供，从而可以避免损坏小电流电压源；另外，叠加开关控制电路的输入信号由脉冲恒流源控制电路提供，保证了叠加开关与脉冲恒流源控制开关动作的同步，可以进一步避免脉冲电压造成的小电流直流恒流电路上的电压抖动。

附图说明

图1是现有技术中使用一个电压源的叠加电路；

图2是现有技术中使用两个电压源的叠加电路；

图3是本发明的脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路；

图4是本发明的大电流脉冲恒流源单独输出时的简化电路图；

图5是本发明大电流脉冲恒流源单独输出时各信号点的波形图；

图6是本发明小电流直流恒流源单独输出时的简化电路；

图7是本发明的脉冲恒流源与直流恒流源同时输出时的工作原理图；

图8是本发明的脉冲恒流源与直流恒流源同时输出时的各信号点的波形图。

具体实施方式

如图3所示，大电流脉冲恒流源形成电路1中，Uin1为大电流电压源，其负极接地端为GND1，其正极与负载正极之间连接有二极管D1，保证电流由电压源Uin1的正极流向负载的正极；负载的负极依次通过电子脉冲恒流源控制开关管S1和采样电阻R1连接电压源Uin1的负极；脉冲恒流源控制电路采样信号输入端连接于采样电阻R1的电流输入端，控制信号输出端连接电子脉冲恒流源控制开关管S1的控制端，脉冲恒流源控制电路采样流过采样电阻R1的电流IS1，并与脉冲电流给定信号比较，输出驱动信号DRV1来驱动脉冲恒流源控制开关管S1。

小电流直流恒流源形成电路2中，Uin2为小电流电压源，其负极接地端为GND2，其正极与负载正极之间连接有二极管D2，保证电流由电压源Uin2的正极流向负载的正极；负载的负极依次通过电子直流恒流源控制开关管S2和采样电阻R2连接电压源Uin2的负极；小电流直流恒流源控制电路采样信号输入端连接于采样电阻R2的电流输入端，控制信号输出端连接电子直流恒流源控制开关管S2的控制端，小电流直流恒流源控制电路采样流过采样电阻R2的电流IS2，并与直流电流给定信号比较，输出驱动信号DRV2来驱动直流恒流源控制开关管S2。

大电流脉冲恒流源与小电流直流恒流源的叠加电路3，叠加开关管S3的电流输入端通过二极管D3和GND2连接在一起，S3的电流输出端直接连接GND1，S3的控制端连接叠加开关管控制电路；二极管D3的方向是使电流从GND2流向GND1，可以防止大电流脉冲由小电流电压源Uin2提供；叠加开关管控制电路提供叠加开关管S3的驱动信号，控制电路的输入信号为脉冲电流给定。

下面结合图4至图8详细阐述本发明所述电路的原理和工作过程：

1、大电流脉冲恒流源单独输出，这时小电流直流恒流源形成电路2不工作，电路可以简化为图4所示电路，各点波形如图5。脉冲电流给定IG1，其幅值、占空比、频率设定好后，进入脉冲恒流源控制电路。在t0～t1脉冲电流给定高电平阶段，采样电阻R1采样通过负载RL上的脉冲电流IL，得到IS1。在脉冲恒流源控制电路中，电流给定IG1和电流采样IS1进行闭环比较，得到驱动信号DRV1，用来驱动线性恒流管S1，S1为电子开关管，通过闭环控制其脉冲驱动信号DRV1的幅值，使其工作在线性恒流状态。在脉冲电流给定高电平阶段，叠加开关管控制电路输出高电平驱动信号DRV3，驱动叠加开关管S3使其饱和导通，叠加开关管S3饱和导通后相当于短接，由于二极管D3的存在，可以防止电流由GND1流向GND2；因此在输出负载值很小时或者大电流脉冲爬升建立过程中，D3可以避免大电流脉冲由小电流电压源Uin2来提供，从而可以避免损坏小电流电压源电路。

在t1～t2脉冲电流给定低电平阶段，脉冲恒流源控制开关管S1、叠加开关管S3均关闭，无脉冲电流输出。

大电流脉冲恒流源单独输出状态，叠加开关管控制电路和叠加开关管S3都工作，但没有电流流过叠加开关管S3。

2、小电流直流恒流源单独输出，这时大电流脉冲恒流源形成电路1不工作，叠加电路3也不工作，电路可以简化为如图6所示电路，各信号点的波形均为直流，直流恒流源控制电路将小电流直流给定IG2和电流采样IS2闭环比较，得到驱动信号DRV2来驱动线性直流恒流源控制开关管S2，使流过负载的电流I_L保持不变。

3、大电流脉冲恒流源和小电流直流恒流源同时输出，这时大电流脉冲恒流源形成电路1、小电流直流恒流源形成电路2、叠加电路3都工作，保证在脉冲输出时，小电流直流恒流源也能稳定输出。电路工作原理如图7，各点波形如图8所示，大电流脉冲电流给定IG1，是矩形脉冲波形，其幅值、频率、占空比由外部设定；小电流直流给定IG2，是直流电平。

在t0～t1脉冲电流给定高电平阶段，此时小电流直流给定不变。脉冲恒流源控制电路输出控制信号DRV1驱动脉冲恒流源控制开关管S1，使流过其上的电流IS1恒定不变；叠加开光管控制电路的输入信号也为脉冲电流给定，只要信号电平大于零，控制电路就输出饱和的高电平驱动信号DRV3，驱动叠加开关管S3饱和导通。S3饱和导通后，GND2和GND1两个地就通过二极管D3连接在一起。由于Uin1电压高于Uin2电压，叠加开关管S3导通后，二极管D2反向截止，小电流直流恒流源形成电路的电压源由电压源Uin1来提供。小电流直流恒流源形成电路的电压源由低压Uin2变为高压Uin1，为了保证流过直流恒流源控制开关管S2的电流I₂不变，驱动信号DRV2幅值下降。此阶段有如下的关系：

I₂＝0

I_S2＝I_S3

I_L＝I₁＝I_S1+I_S2

实现了大电流脉冲恒流源与小电流直流恒流源的叠加。

在t1～t2脉冲电流给定低电平阶段，驱动信号DRV1、DRV3为低电平，线性恒流管S1、叠加开关管S3均关闭，无电流流过S1和S3。由于叠加开关管S3关闭，两个电压源的地GND1和GND2断开，小电流直流恒流源形成电路的供电电压源由高电压Uin1变为低电压Uin2，所以直流恒流源控制开关管S2驱动信号DRV2的幅值就会由低变高，以保证流过的采样电阻R2的电流IS2不变。在此阶段，流过采样电阻R1的电流IS1为零，各电流之间有如下关系：

I₁＝I_S2＝I_S3＝0

I_L＝I₂＝I_S2。