大功率激光二极管驱动器

2024年6月6日发(作者：)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.6

(22)申请日 2007.08.30

(71)申请人 吉林大学

地址 130012 吉林省长春市前进大街2699号

(72)发明人 单江东 田小建 邓军 汝玉星

(74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任公司

代理人 王恩远

(51)

H01S5/042

H01S5/062

G05F1/10

(10)申请公布号 CN 101132115 A

(43)申请公布日 2008.02.27

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

大功率激光二极管驱动器

(57)摘要

本发明的大功率激光二极管驱动器

用于驱动大功率激光二极管或者激光二极

管阵列并提供完备保护的仪器。核心部分

是电压控制电流源。电压控制电流源电路

板由电压基准电路(1)、限流保护电路(2)、

软启动电路(3)、防浪涌电路(4)、调制输入

电路(5)、反馈控制电路(6)和电流驱动电路

(7)构成。本发明采用负反馈原理稳定输出

电流，可以提供恒电流驱动和恒功率驱动

两种驱动模式。恒电流驱动模式可以精确

设定激光二极管的工作电流和限制电流，

电流长期稳定度38ppm。在恒功率驱动模

式下能够自动调整输出电流以保证保证激

光二级管LD工作在恒功率状态。限流保

护和软启动保护为激光二极管提供快速可

靠的安全驱动。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种大功率激光二极管驱动器，其组成包括：机箱；由线性电源或开关电源构成

的直流稳压电路；由散热片和制冷风扇构成的散热系统；电压控制电流源电路板；

输出输入端口；控制按钮；调节旋钮；数字显示模块；其特征在于，电压控制电流

源电路板由电压基准电路(1)、限流保护电路(2)、软启动电路(3)、防浪涌电路(4)、

调制输入电路(5)、反馈控制电路(6)和电流驱动电路(7)构成；所述的电压基准电路

由一个电压基准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，并由电位器W1输出限制

信号到限流保护电路(2)、电位器W2输出控制电压信号到电流驱动电路(7)，再由

电流驱动电路(7)将控制电压信号转换为输出电流；所述的限流保护电路(2)与激光

二极管LD串联，软启动电路(3)与电流驱动电路(7)连接，防浪涌电路(4)与激光二

极管LD并联，软启动电路(3)和防浪涌电路(4)由控制开关(8)控制启动；所述的调

制输入电路(5)与电流驱动电路(7)连接，调制信号由调制输入端口接入，实现外部

信号对输出电流的控制；所述的反馈控制电路(6)由恒流控制电路(9)、恒功率控制

电路(10)构成，两种控制模式由选择开关切换；恒流控制电路(9)通过取样电阻R将

输出电流转换成电压信号反馈回电流驱动电路(7)，恒功率控制电路(10)通过光电二

极管PD将光功率转换成电压信号反馈回电流驱动电路(7)。

2.按照权利要求1所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的机箱是电

磁兼容式机箱。

3.按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的限流

保护电路(2)的结构是，一个P沟道增强型场效应管Q1，一个N沟道增强型场效应

管Q2；场效应管Q1，Q2的栅极分别与运算放大器A1，A2相连；Q1的漏极与激

光二极管LD的阳极相连，Q2的漏极与激光二极管LD的阴极相连；Q1的源极与

工作电源V_CC相连，Q2的源极与取样电阻R相连；由电位器W1输

出的限制信号连接运算放大器A1的反相端，由电位器W2输出的控制信号连接运

算放大器A2的同相端，来自于取样电阻R的反馈信号连接运算放大器A1的同相

端和运算放大器A2的反相端。

4.按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的防浪

涌电路(4)的结构是，一个由R1和C1组成的RC充电电路，一个N沟道增强型场

效应管Q3，一个常闭的固态继电器。其中场效应管Q3的栅极与电阻R1和C1相

连，C1另一端接地，场效应管Q3的漏极与继电器相连，场效应管Q3的源极接地。

5.按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的软启

动电路(3)的结构是，一个PNP型的三极管T，一个由R3、C2构成的RC放电电路，

一个N沟道增强型场效应管Q4；其中场效应管Q4的栅极与电阻R3和C2相连，

电阻R3和C2另一端接地；场效应管Q4的漏极与控制信号相连，场效应管Q4的

源极接地；三极管T的基极经过电阻R2与控制开关8连接，三极管T的发射极连

接工作电源V_CC，三极管T的集电极连接Q4的栅极。

6.按照权利要求1或2所述的大功率激光二极管驱动器，其特征在于，所述的恒功

率控制电路(11)的结构，是由光电二极管PD、取样电阻R13和三个运算放大器A2、

A5、A6组成；光电二极管PD，运算放大器A5、A6和电阻R9、R10、R11、R12

及取样电阻R13构成光电检测电路，将光功率转换成电压信号，并反馈回运放A2

的反相端。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种用于驱动大功率激光二极管或激光二极管阵列的仪器，特别是为大

功率激光二极管提供完备保护的驱动器。

背景技术

光纤通信系统中的各类放大器均使用激光二极管作为光源，而驱动激光二极管工作

的是具有特殊功能的专用驱动器。

激光二极管是以半导体材料为工作物质，用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型

化激光器。然而，激光二极管是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于

电冲击的承受能力很差，微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如

激射波长，噪声性能，模式跳动)的变化，这些变化直接危及器件的安全使用，因

而在实际应用中完备的保护措施对激光二极管的正常工作具有重要的意义。

已经公开的激光二极管驱动器专利，如申请号2.8激光二极管驱动电

路专利中，主要关心的是去除驱动电流的噪声，没有其他的保护措施。通常在电路

设计上，都是利用负反馈原理稳定输出电流，辅以各种软件措施来确保激光二极管

的安全，然而一旦这些软件保护失灵，将对激光二极管产生不可逆转的破坏。

发明内容

本发明为了解决激光二极管的安全问题，将限流保护嵌入在主电路中，以硬件的方

式实现对激光二极管的保护，这样即使软件失灵，只要输出电流达到预先限定值，

也不会超过限定值。本发明的应用目标是对大功率激光二极管进行驱动与控制，并

对激光二极管提供完备保护。

本发明属于一种用于驱动大功率激光二极管或激光二极管阵列的台式仪器。仪器的

核心部分是一个电压控制电流源，其全系列电流范围为0-10A。

一种大功率激光二极管驱动器，其组成包括：机箱；由线性电源或开关电源构成的

直流稳压电路；由散热片和制冷风扇构成的散热系统；电压控制电流源电路板；输

出输入端口；控制按钮；调节旋钮；数字显示模块；其特征在于，电压控制电流源

电路板由电压基准电路1、限流保护电路2、软启动电路3、防浪涌电路4、调制输

入电路5、反馈控制电路6和电流驱动电路7构成；所述的电压基准电路由一个电

压基准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，并由电位器W1输出限制信号到限

流保护电路2、电位器W2输出控制电压信号到电流驱动电路7，再由电流驱动电

路7将控制电压信号转换为输出电流；所述的限流保护电路2与激光二极管LD串

联，软启动电路3与电流驱动电路7连接，防浪涌电路4与激光二极管LD并联，

软启动电路3和防浪涌电路4由控制开关8控制启动；所述的调制输入电路5与电

流驱动电路7连接，调制信号由调制输入端口接入，实现外部信号对输出电流的控

制；所述的反馈控制电路6由恒流控制电路9、恒功率控制电路10构成，两种控

制模式由选择开关任意切换；恒流控制电路9通过取样电阻R将输出电流转换成

电压信号反馈回电流驱动电路7，恒功率控制电路10通过光电二极管PD将光功率

转换成电压信号反馈回电流驱动电路7。

所述的电压基准电路1、限流保护电路2、软启动电路3、防浪涌电路4、调制输入

电路5、反馈控制电路6和电流驱动电路7，可以与现有的可以实现提供基准电压、

限流、软启动、防止“浪涌”、反馈控制等功能的电路是相同或相近的；也可以按本

发明的电路实施，具体电路结构见实施例。

所述的机箱是电磁兼容式机箱。可避免外来的电磁干扰，降低激光二极管驱动电流

的噪声。同时，也可避免对附近其它电子仪器的电磁干扰。

所述的输出输入端口；控制按钮；调节旋钮和数字显示模块，安装在激光二极管驱

动器的面板上。输出输入端口包括，与电压控制电流源电路板的电流输出相连的

“电流输出端口”、与恒功率控制电路相连的“光电流反馈端口”、与调制输入电路相

连的“调制输入端口”。控制按钮包括，与激光二极管驱动器的供电电源相连的“电

源开关”、与恒流控制电路和恒功率控制电路相连的“模式选择开关”、与软启动电

路、防浪涌电路相连的“控制开关”。调节旋钮包括，与电压基准电路相连的“限流

预置旋钮”、与电压基准电路中的电位器W2相连的“电流调节旋钮”、以及“显示选

择旋钮”。数字显示模块，装在面板的数码显示窗口上，用于显示限制电流值、实

际电流值、功率监视值，由“显示选择旋钮”调节要显示的内容。

本发明主要功能是采用负反馈原理稳定输出电流，向激光二极管提供直流驱动电流，

确保激光二极管安全、稳定、长期可靠运行。本发明可以提供恒电流驱动和恒功率

驱动两种驱动模式。恒电流驱动模式可以精确设定激光二极管的工作电流和限制电

流，最大量程200mA、2500mA、5000mA、10000mA可选，最大输出电压10V，

电流长期稳定度38ppm，电流短期稳定度30ppm。驱动器在恒功率驱动模式下能

够自动调整输出电流以保证激光二极管的输出功率保持稳恒不变。仪器工作环境温

度范围为-20℃-80℃。电压控制电流源电路由电压基准电路，限流保护电路，软启

动电路，防浪涌电路，调制输入电路，恒流控制电路，恒功率控制电路组成，这些

电路可确保激光二极管免受浪涌及其它干扰电脉冲的冲击，提供快速可靠的安全驱

动，使其在所需要的电环境下长期稳定工作。即使电路发生故障，也不至于损坏激

光二极管。本发明可广泛用于光通信领域中的科研与产品研发。

附图说明

图1是本发明的电压控制电流源电路原理框图。

图2是本发明的限流保护电路原理框图。

图3是本发明的防浪涌电路原理框图。

图4是本发明的软启动电路原理框图。

图5是本发明的调制输入电路原理框图。

图6是本发明的恒功率控制电路原理框图。

图7是本发明的前面板布局图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的电路结构作进一步的说明。

实施例1

本驱动器电压控制电流源的原理框图如图1所示。电压基准电路1是由一个电压基

准LM336-2.5和一个9.1千欧的电阻构成，为电路提供精确稳定的参考电压，用于

控制输出电流和预置限制电流。电位器W1用于调节限制电流，电位器W2用于调

节输出电流。限流保护电路2保证输出电流达到限制电流时不再增加，维持设定的

电流不变。电流驱动电路7将控制电压转换为输出电流。大功率半导体器件Q1为

激光二极管提供驱动电流，大功率半导体器件Q2可以选择达林顿晶体管，也可以

选择场效应晶体管，本发明选用功率MOS管IRF530。当需要大电流驱动时可以采

用多管并联。反馈控制电路6包括恒流反馈和恒功率反馈。恒流控制电路9通过取

样电阻R将输出电流转换成电压信号反馈回电流驱动电路7，恒功率控制电路10

通过光电二极管检测激光二极管的发光功率，并将光功率转换成光电流，电流通过

取样电阻R13转换成电压反馈回电流驱动电路，以实现恒功率控制。读出显示电

路主要由数字显示模块构成，用于显示实际输出电流、预置限制电流及反馈的光功

率。调制输入电路5用于外部信号对输出电流的控制，实际输出电流可以由外部调

制信号单独控制，也可以由内部的电压输出控制，或者由两者共同控制，取决于实

际的需要。

实施例2

限流保护电路原理框图如图2所示。电路包括一个P沟道增强型场效应管Q1，一

个N沟道增强型场效应管Q2；场效应管Q1，Q2的栅极分别与运算放大器A1，

A2相连；Q1的漏极与激光二极管LD的阳极相连，Q2的漏极与激光二极管LD的

阴极相连；Q1的源极与工作电源V_CC相连，Q2的源极与取样电阻R

相连；由电位器W1输出的限制信号连接运算放大器A1的反相端，由电位器W2

输出的控制信号连接运算放大器A2的同相端，来自于取样电阻R的反馈信号连接

运算放大器A1的同相端和运算放大器A2的反相端。

场效应管Q1型号可以是IRF9530，场效应管Q2型号可以是IRF530；运算放大器

A1、A2的型号可以是TLC2252；取样电阻R的阻值为0.1欧姆。

当控制信号电压低于限制信号电压时，Q2导电沟道的宽度将决定实际电流的大小，

此时Q1完全导通，对实际电流不起钳制作用。当控制信号电压超过限制信号电压

时，Q1导电沟道的宽度将决定实际电流的大小，此时实际电流被钳制在限定值上，

这样就可以确保实际输出电流不会超过设定值，从而实现限流保护功能。

实施例3

防浪涌电路原理框图如图3所示。电路包括一个由R1和C1组成的RC充电电路，

一个N沟道增强型场效应管Q3，一个常闭的固态继电器。其中场效应管Q3的栅

极与电阻R1和C1相连，C1另一端接地，场效应管Q3的漏极与继电器相连，场

效应管Q3的源极接地。场效应管Q3的型号可以是2sk1458。

该电路的工作原理是：激光二极管LD的阳极和阴极与继电器两常闭端并联在一起，

因此LD的阴极与阳极是短路的，得到保护。当打开驱动器时，若没有打开控制开

关，LD依然短路，只有打开控制开关8后，继电器常闭端在延时2-3秒后打开，

这样激光二极管就免受驱动器开关时的浪涌冲击。电路的延时时间由RC充电电路

的时间常数决定。

实施例4

软启动电路原理框图如图4所示。电路包括一个PNP型的三极管T，一个由R3、

C2构成的RC放电电路，一个N沟道增强型场效应管Q4。其中场效应管Q4的栅

极与电阻R3和C2相连，电阻R3和C2另一端接地；场效应管Q4的漏极与控制

信号相连，场效应管Q4的源极接地；三极管T的基极经过电阻R2与控制开关8

连接，三极管T的发射极连接工作电源V_CC，三极管T的集电极连接

Q4的栅极。

其中，三极管T的型号可以选9012，场效应管Q4的型号可以选2sk1458。

软启动电路的功能是：延时后，实际输出电流从零达到预定值时有一个200-500mS

的上升沿。电路中的T是一个PNP型的三极管，在控制信号没有到来时，电阻R3

上的电压是一个高电平，确保场效应管Q4完全导通，这样就将控制信号钳制在零

电位上，也就是说若不打开控制开关，电路中将没有电流输出。打开控制开关8，

电容C3上的高电平将通过电阻R2放电，场效应管Q4的状态由完全导通到逐渐关

断，也就慢慢失去了对控制信号的钳制作用，表现为加在电流驱动电路7上的控制

信号有一个上升沿，因此输出电流也有一个上升沿。上升沿的大小由RC放电回路

的时间常数决定。这里要注意的是，软启动电路的延时时间要相等或略大于防浪涌

电路的延时时间，否则软启动的功能无法实现。

实施例5

调制输入电路原理框图如图5所示。电路由五个电阻R4至R8分别与两个运算放

大器A3和A4相连接，每个电阻的取值都是10千欧姆。电阻R4一端与运放A3

同相端相连，另一端接地。调制信号与运算放大器A3同相端相连。电阻R5一端

与运放A3的输出端相连，另一端与运放A4的同相端相连。电阻R6一端与运放

A4反相端相连，另一端接地。电阻R7接在运放A4的反相端和输出端之间。电阻

R8一端接控制信号，另一端与运放A4的同相端相连。本电路实现了调制信号经

过隔离级后与控制信号的相加。

实施例6

恒流控制电路是一个压控恒流源，由两个运算放大器和一个0.1欧姆的取样电阻和

一个功率MOS管IRF530组成。

恒功率控制电路原理框图如图6所示。电路由光电二极管PD、取样电阻R13和三

个运算放大器A2、A5、A6组成。光电二极管PD，运算放大器A5、A6和电阻R9、

R10、R11、R12及取样电阻R13构成光电检测电路，将光功率转换成电压信号，

并反馈回运放A2的反相端。

运算放大器A2、A5、A6的型号可以选TLC2252，功率MOS管Q2的型号是

IRF530。

控制信号和反馈信号共同作用于运算放大器A2，以控制功率MOS管Q2，即N沟

道增强型场效应管Q2的导通，从而形成一个功率反馈系统，以保证激光二级管

LD工作在恒功率状态。

实施例7

图7是本发明的前面板布局图。图7中，8为控制开关、21为模式选择开关、22

为数码显示窗口、23为显示选择旋钮、24为电流输出端口、25为光电流反馈端口、

26为调制输入端口、27为电流调节旋钮、28为限流预置旋钮、29为电源开关。

模式选择开关21采用双置开关控制本发明的激光二极管或激光二极管阵列驱动器

的工作模式。选择恒流工作模式时，激光二极管驱动器向激光二极管提供稳恒的驱

动电流；选择恒功率模式时，驱动器根据光电二极管检测到的光功率变化向激光二

极管提供自动调节大小的驱动电流，以保持激光二极管输出光功率不变。即，模式

选择开关21用来选择恒电流或恒功率工作模式。

数码显示窗口22可以安装在前面板中央位置，可显示实际输出电流值和所设定的

工作状态参数，包括实际电流值、限制电流值、功率监视值。显示选择旋钮23是

一个三置开关，用于切换显示屏的主显示。

电流输出端口24用于连接激光二极管或激光二极管阵列，为其提供驱动电流。可

以采用四芯航空插座，两两并联，确保可靠输出大电流。

控制开关8用于控制输出电流的有无，顺时针旋转时，其上方的绿色发光二极管被

点亮，此时电流输出端口24才有电流输出。控制开关8可以选择钥匙开关。之所

以选择钥匙开关是为了保证对激光二极管的完备保护，即使有人能打开电源开关，

若没有钥匙开关也无法驱动激光二极管。

限流预置旋钮28就是电压基准电路1中的电位器W1。可以采用多圈精密电位器，

准确设置限制电流。

电流调节旋钮27就是电压基准电路1中的电位器W2。可以采用多圈精密电位器，

准确调节输出电流大小。

调制输入端口26是与调制输入电路5相连的端口，用于输入调制信号。可以采用

双芯航空插座，确保可靠输入。

光电流反馈端口25用于连接光电二极管PD，以检测激光二极管的光功率。可采用

双芯航空插座，使外接光电二极管PD以浮地方式接入。

电源开关29可以采用带锁控制的开关，防止意外通电。