激光二极管驱动源快速保护功能研究

激光二极管驱动源快速保护功能研究 第36卷第l2期 2006年12月 激光与红外 LASER&INFRARED Vo1.36,No.12 December,2006 文章编号:1001-5078(2006)12-01127-03 激光二极管驱动源快速保护功能研究 于颖韬,杨爱武,刘舒 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf (华北光电技术研究所.北京100015) 摘要:文章介绍了激光二极管驱动源的基本构成,针对负载激光二极管电气特性和驱动源本 身的特点,提出了利用硬件和软件进行双重快速保护的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,对驱动电流过流,负载故障,模块 电压故障,水冷故障等采取保护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ,提高了系统的可靠性. 关键词:激光二极管;驱动源;快速保护 中图分类号:TN248.1;TN86文献标识码:A StudyonFastProtectionFunctionofLaserDiodeDriver YUYing—tao,YANGAi—WU,LIUShu—shu (NoahChinaResearchInstituteofElectro—optics,Beijing100015,China) Abstract:Thestructureofthelaserdiodedriverisintroduced.Accordingtothecharacteristicofthelaserdi odeload andit?power,thedesignofhardwareandsoftwarecanprovidemuchfastprotectiontoavoidtheerrorofov ercurrent, load,moduleandcoolingsystem,Thesecanraisethelevelofthereliability. Keywords:laserdiode;driver;fastprotection 1引言 激光二极管驱动源是一种给激光二极管(及其阵 列)提供能量的电气装置,也是二极管泵浦激光器系 统的重要组成部分.随着激光二极管泵浦激光器及 其系统在工业,国防,科研,生物医学工程等领域越来 越广泛的应用,人们对激光二极管驱动源的要求也越 来越高,特别是对保护功能提出了更高的要求. 激光二极管价格较高,且在实际应用中极易因 瞬态电压或电流尖峰而受损,因此,在研制二极管驱 动源时,都很注意驱动源保护功能的研究.对于二 保护功能数量的多少和性能的优 极管驱动源来说, 劣已经成为评价其性能的重要指标.采取快速有效 的保护措施,避免瞬态尖峰和系统内部故障对激光 二极管造成伤害,对提高二极管驱动源的可靠性非 常关键. 2激光二极管驱动源的基本构成 连续二极管驱动源应在满足负载激光二极管所 需电压的前提下,输出可控的直流电流.激光二极 管驱动源原理框图如图1所示,功率模块将220V, 50Hz的交流电,转换成符合电压和电流输出要求的 直流电.为了改善电路性能,软启动电路和滤波电 路又必不可少.单片机控制电路给出电流的基准信 号,并对模块电压,负载电压,实际电流和水冷故障 等信号进行取样,参与保护.闭环控制电路将电流 基准和电流取样进行比较放大,形成驱动信号送给 驱动电路.驱动电路根据驱动信号的幅度大小,控 制功率器件的栅极电压,实现对电流的控制.保护 电路始终对驱动源的电流,模块电压,负载电压等进 行监测,对负载二极管和驱动源本身进行保护,增强 驱动源的可靠性--J. 图1二极管驱动源原理方框图 3快速保护电路 瞬态电压或电流尖峰都能引起激光二极管内部 的瞬时过热,造成损伤.产生这些瞬态的原因有多 作者简介:于颖韬(1973一),男,l丁程师,1997年于电子科 技大学电子工程系,后获电子科学研究院物理电子学硕上学他,主要 从事激光二极管驱动源开发研究. 收稿日期:2006-08—14 1128激光与红外第36卷 种;电网冲击,静电感应,电流或电压源开启及关闭 以及外部高频电路的幅射等等.驱动源本身出现的 故障同样会威胁二极管的安全.因此,要采取切实 有效的方法,避免瞬态尖峰和系统内部故障对激光 二极管造成伤害. 由图1可以看出,保护电路与驱动源的其它部 分关系密切.保护功能的设置主要针对在激光器工 作期间各部分电路可能发生的故障,如驱动电流过 流,功率模块输出电压过压或欠压,负载(激光二极 管)开路或短路以及激光器水温过热等.这些故障 一 旦出现会对激光二极管造成损害,采取软,硬件结 合的快速保护措施,立即切断二极管驱动电流,避免 更大的损失.同时,给出故障信号到单片机控制电 路,:将电流基准信号清零,并显示故障,蜂鸣器报警. 保护电路方框图如图2所示. 图2保护电路方框图 3.1故障分析与检测 如何快速检测各种信号和故障,有效地保护负 载二极管是系统可靠性的重要体现.下面,将对各 种故障进行分析,并给出相应的保护方案. 3.1.1驱动电流过流 当实际驱动电流超过设定的驱动电流时,称为 驱动电流过流.如果二极管流过的电流过大,超出 电流的正常范围,就会产生过多热量,使发光二极管 结温升高,将二极管烧毁.为了保护负载二极管的 安全,当发生过流故障时必须及时将驱动电流切断, 然后再进行其它操作.在这方面考虑采用硬件和软 件相结合的方法来实现,首先将电流的取样结果与 电流的基准进行比较,为了实现可比性,需要选择取 样方式并计算出合理参数.可采用额定50A的 HAL.L器件取样,电流比为1000:1,取样电阻为 100D..当驱动电流超过设定值2A时,就认为需要 采取保护措施,如图3所示.将取样值与基准电压 比较,超过基准电压0.2V以上,即产生过流信号. 利用运算放大器组成一个加法器J,将基准电压与 0.2V的固定电压相加,然后送到比较器与取样值比 较,判断驱动源是否过流. 当取样电流超过设定的保护电流值时,比较器 会立即给出保护控制信号,直接通过硬件处理,关断 MOS管,使驱动电流迅速关断,起到了快速保护的 作用.同时,保护控制信号还送单片机控制电路,进 行软件处理,将电流基准降为0,并在操作显示面板 上显示故障和报警. 电信号 图3过流保护电路 3.1.2模块电压故障 负载一定,则负载上的电压降基本不变.如果 功率模块输出电压过高,将使MOS管Ds极间压降 升高,功耗增加,超出额定功耗,从而使MOS管损 坏,进而还可能造成负载二极管受损.如果功率模 块输出电压过低,将使MOS管DS极间压降减小,驱 动电流无法正常输出.因此,模块电压故障一旦出 现,必须快速保护. 模块电压经过分压后,送给双比较器构成的窗 口比较器,对模块电压的判断,无论是超出高限,还 是低于低限,比较器都可以快速识别并给出故障信 号,如图4所示. 信号 图4模块电压保护电路 3.1.3负载开路和负载短路 无论是负载开路,还是负载短路,二极管都将不 能正常发光,改变激光器的输出特性,并很可能带来 对其它二极管的破坏,如何判断负载是否开路,短 路,是进行保护的关键之一.当负载开路时,加在负 载两端的电压为模块电压,这时比较容易判断.当 负载二极管的自身温度变化时,其压降也略有变化, 所以,不能简单的认为负载电压减小了,就确定是负 载短路,而是应该确定一个下限,如果负载电压减到 低于这一下限值,才认为是负载短路.通过实验,当 有3或4个bar短路后,激光器的输出功率下降较 为明显,需要检查和更换负载二极管,因此,将这个 下限定为比正常负载电压低7V左右. 可通过与模块电压保护电路类似的一个窗口比 较器实现对负载开路和负载短路的判断.这里不再 赘述. 激光与红外No.122006于颖韬杨爱武刘舒书激光二极管驱动源快速保护功能研究1129 3.1.4水冷故障,耐 水冷故障包括水温过高,水温过低,水i……? 流过缓,水箱水位过低等水冷系统的四种 故障.由于激光二极管本身特性,当其工 作在不同的温度时,输出激光的波长不同,耋 因此,为了得到所需波长的激光,必须将冷.黑: 却水的温度控制在一个特定的范围内.如 果水温过高或水温过低,激光二极管输出 的激光波长就会发生漂移,使激光器的输 出减小,水温过高甚至会造成激光二极管因冷却不 足而损坏.水流过缓会影响激光二极管的散热,造 成局部水温过高.水箱水位过低则会造成冷却水循 环不畅,或者断流,从而出现冷却不足,也可能损坏 激光二极管. 可以通过温度传感器采样,将温度转换成电压 来判断水温状况.水流传感器可以监测水流流速, 并给出开关量反映流速快慢.水箱水位信号可由水 位传感器送出.水温还通过A/D转换,由软件来判 断水温是否正常. 3.2故障信号的处理 无论是以上哪种故障发生,首先是切断激光二 极管驱动电流,这样就起到了快速保护的作用.为 了及时准确地判断和进行保护,采用软,硬件双重保 护.首先是硬件检测,将各信号通过光电耦合器隔 离后,送给 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 有多路与门和或门的可编程器件,进 行综合处理,无论是那种故障发生,都会立即切断负 载电流,并给出故障信号到单片机控制单元,引起程 序产生故障中断,显示故障并报警,以引起操作使用 者注意,以便尽快修理. 但是,以上各种故障的出现可能只是瞬间现象, 经过比较器后输出的故障信号也只是单个或多个脉 冲信号,这样,在电流基准没有降为零之前,切断负 载电流后,马上又打开通路,形成冲击电流,极易破 坏负载二极管.为了可靠保护,必须将故障信号保 持,为此,加入了保持电路. 利用D触发器可以组成锁存器,一旦故障出 现,锁存器及时锁存故障信号,切断电流后,不会出 现反复通断. 利用可编程逻辑器件将各路故障信号综合处 理,可完成与门,或门,非门的组合,设计D触发器 组成锁存器电路,节省了芯片资源和印制板空间. 无论哪一故障出现,都可以快速输出保护信号,同 时,送信号给单片机,单片机通过中断方式检测故 障,能够比采用查询方式更快地做出反应,电流基准 降为零,并报警.图5为可编程逻辑器件处理故障 的原理图. 根据保护电路的需要,对MOS管驱动电路加以 图5可编程逻辑器件处理故障原理图 改进,见图6.当有故障发生时,故障信号送到图6 中的R3,使N3导通,将驱动信号迅速拉到低电平, 切断MOS管电流,从而起到了快速保护的作用. 图6MOS管骝动电路 4实验结果和结论 管G概 鼬 ‘__ , l I UNORMAL 图7快速保护波形图 实验中在采取了以上措施后,以水冷故障发生 时的快速保护为例,波形图见图7.其中,1通道为 电流波形,2通道为水冷故障输入信号,当系统检测 到故障后,送出故障信号,立即关断MOS管电流,延 迟时间仅为3,841~s,获得了较为理想的效果. 实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在二极管驱动源保护功能方面, 充分考虑系统中可能出现的各种问题,从负载过流, 负载开路,负载短路,模块过压,水冷故障等多方面, 采取了完善可靠,软硬件结合的保护措施,达到了快 速保护驱动源和激光二极管负载的目的. 参考文献: [1]李爱文.现代通讯基础开关电源的原理与设计[M]. 北京:科学出版杜,2001. [2]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社,1999. [3]席德勒.现代电子技术[M].北京:高等教育出版社, 1999.