專利名稱：高功率驅動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高功率驅動系統，特別涉及一種具有反饋功能的高功率驅動系統。
背景技術：
激光誕生于世至今才不過四十年，激光產業已有驚人的發展。以紅寶石激光(一九六零年)為開始，玻璃激光(一九六一年)、氦氖激光(一九六二年)、半導體激光(一九六二年)、二氧化碳激光(一九六四年)、X光激光(一九七二年)、準分子激光(一九七五年)、自由電子激光(一九七七年)陸續開發出來。并且，其應用范圍更是廣泛涉及通訊、測量、加工、醫療等等，足見激光對于今后生活的重要性。
不同結構與不同功率的激光有不同的應用類型。舉例來說，家庭使用的光纖通訊的光發射器的激光與用來進行工業切割的激光，即有明顯的不同；此外，根據使用的特性，還可將激光分為脈沖激光與連續震蕩激光等。在這些類型中，有一大類的激光發射器需要使用高功率驅動。
為了驅動此類高功率激光以達成所需的應用，往往需要對激光發射器提供大單位的驅動電流，例如10安培或更大的電流；然而，專門針對大電流設計的驅動電路其構造不但復雜而且制造成本高昂。因此，現有技術有一種將多個驅動電路并聯，通過匯整多個驅動電路的電流，以獲得足夠大的電流來驅動高功率激光發射器。
圖1例示一種依據上述的方法組成的脈沖調變激光系統，此系統具有高功率激光發射器10、反饋電路12、脈沖產生電路14，以及N組驅動電路161，162，...，16N。其中，脈沖產生電路14用來產生脈沖控制信號到驅動電路161，162，...，16N。驅動電路161，162，...，16N各自產生驅動電流，而這些驅動電流在經過匯集后，用來驅動高功率激光發射器10。舉例來說，使用一百個各自產生0.1安培的驅動電路，經過電流的匯集就能得到10安培的驅動電流。此外，為了使高功率激光發射器10的發射功率保持穩定，反饋電路12負責監視高功率激光發射器10的功率，并提供反饋信號給驅動電路161，162，...，16N。
由于現有的做法是僅使用單一反饋電路102，且所有的驅動電路161，162，...，16N皆連接到此反饋電路102，當其中一個驅動電路損壞，則可能造成其它驅動電路燒毀而形成連鎖反應。此外，此種常用作法穩定性不高，在維修上也具有相當程度的困難性。
因此，如何能夠對現有技術提出改進，以提供一個穩定、具有彈性，且制作成本低的高功率激光驅動系統就成了一件非常具有價值的工作。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種高功率驅動系統與電路，供驅動高功率激光發射器，且這種驅動系統與電路還可用來驅動其它需要穩定高功率電流供應的電子裝置。
為了達到上述目的，本發明提供了一種高功率驅動系統，提供一驅動電流使一激光發射器產生一光束，該系統包含一激光功率檢測裝置，檢測該光束的強度，而產生一檢測信號；多個驅動模塊，彼此互相并聯且各自產生一輸出電流至該激光發射器；一電流源，提供上述多個驅動模塊一定量電流；以及一脈波產生電路，產生一設定信號至上述驅動模塊，其中該驅動模塊比較該設定信號與該檢測信號后，輸出一控制信號以調節上述該輸出電流的大小；藉此可使上述輸出電流穩定輸出，且藉由上述并聯的多個驅動模塊而將該輸出電流疊加成為該驅動電流。
本發明還提供了一種高功率驅動系統，包含多個并聯的驅動模塊、一電流源及一脈波產生電路，并提供一既定的驅動電流值使一激光發射器產生一光束，其中該脈波產生電路產生表示該驅動模塊應輸出的電流值的一設定信號，且每一驅動模塊包含一電流調節裝置，與上述電流源耦接，并依據一控制信號產生一輸出電流；一反饋電路，量測上述輸出電流值，而產生表示上述輸出電流值的一檢測信號；以及一比較裝置，比較上述檢測信號與設定信號后，輸出該控制信號以調節該電流調節裝置產生的該輸出電流值；藉此，當該驅動模塊并聯后，該輸出電流值的總和等于上述既定的驅動電流值。
依據本發明的一實施例，此種高功率驅動裝置主要是由預定數目的驅動電路與對應的反饋電路并聯而成；每一個驅動電路有一個對應的反饋電路，并構成一個驅動模塊，且此驅動模塊可獨立制作成集成電路芯片。這些驅動電路供產生此預定數目的驅動電流，并且藉由這些驅動電流的匯集，以驅動一高功率激光發射器。此外，這些反饋電路同時各自接收一檢測信號，此檢測信號反映高功率激光發射器的功率；此檢測信號的產生來源可以來自一激光功率檢測器或可藉由檢測驅動電路內部電流量變化情形而得知，接著，反饋電路依據此檢測信號各自產生一對應的反饋信號給對應的驅動電路，而驅動電路再依據此反饋信號調整驅動電流的大小。
在此實施例的一范例中，此種激光驅動裝置用于一脈沖調變激光系統；因此，一個脈沖發生電路連接到各個驅動電路的設定點，以提供一設定信號。驅動電路依據設定信號決定其在特定時點所輸出的驅動電流的數值，例如輸出10安培電流或不輸出電流。
因此，本發明的高功率驅動系統至少具有下列優點。首先，此種高功率驅動系統具高度穩定性、安全性，且容易維修，這是因為采用了并聯的獨立反饋式驅動模塊概念設計，不會因為其中一個驅動電路毀壞，導致連鎖反應，造成系統癱瘓。此外，此種激光系統的擴展性高，理論上可以直接增加驅動模塊的數目，就可以達成任意大小的驅動電流值；并且，此種驅動系統的電路精巧，易于生產且成本低廉。
圖1例示現有的用來驅動高功率激光的系統架構圖；圖2例示依據本發明的激光驅動系統的實施例；圖3例示實作多個驅動模塊的范例示意圖；圖4例示實作多個驅動模塊的另一范例示意圖圖5例示本發明實作單一驅動模塊范例的實際電路圖；以及圖6例示本發明另一實作單一驅動模塊范例的實際電路圖。
其中，附圖標記說明如下10高功率激光發射器12反饋電路14脈波產生電路161驅動電路
162驅動電路 16N驅動電路20高功率激光發射器221反饋電路222反饋電路 22N反饋電路261驅動電路 262驅動電路26N驅動電路314脈波產生電路 25共同端點28激光功率檢測器 303比較裝置307電流源 305電流調節裝置306限流保護裝置 308高功率激光發射器34’反饋電路 316激光功率檢測器32’驅動電路具體實施方式
圖2例示的高功率激光系統是依據本發明的一實施例。此激光系統是以脈沖調變激光作為說明，其具有高功率激光發射 20、脈沖產生電路24、N個反饋電路221，222，...，22N，對應此N個反饋電路221，222，...，22N的N個驅動電路261，262，...，26N，以及激光功率檢測器28。此處的N為大于二的整數。
此處的脈沖產生電路24用來產生脈沖控制信號，亦稱為設定信號，并將此信號傳到驅動電路261，262，...，26N的設定點。舉例來說，此脈沖控制信號的輸出頻率為100KHz、脈寬為1MHz，也就是占空比為1∶10，且高電位為1伏特、低電位為0伏特。驅動電路261，262，...，26N則依據脈沖控制信號各自產生驅動電流，而這些驅動電流在經過匯集后，用來驅動高功率激光發射器20。舉例來說，當N等于100，也就是使用一百個各自產生0.1安培的驅動電路，經過電流的匯集就能得到10安培的驅動電流。
此外，本發明的重要特征包括，對于每一個驅動電路261，262，...，26N提供一個對應的反饋電路221，222，...，22N。這些反饋電路221，222，...，22N經由并聯的方式，同時接收來自激光功率檢測器28或藉由內部的驅動電路32’所產生的檢測信號，此檢測信號主要反映此高功率激光發射器20的輸出功率或系統中驅動電流的變化。此激光功率檢測器28實作時可使用監測用二極管(monitor diode)。此外，這些反饋電路221，222，...，22N各自提供獨立的反饋信號給驅動電路261，262，...，26N。因此，雖然所有反饋電路221，222，...，22N皆接收來自共同端點25的相同信號；但是卻可以針對所對應的驅動電路261，262，...，26N進行特別的設計，例如設定不同的門檻值或限定產生驅動電流的范圍；并且由各反饋電路221，222，22N與對應的驅動電路261，262，...，26N組成的驅動模塊更可成對制成集成電路芯片，以降低整體成本。
由上述可知，驅動電路與反饋電路相互并聯成為一驅動模塊，而多個驅動模塊相互并聯且配合一電流源、一脈波產生電路、一檢測信號以及一激光發射裝置即可組成一高功率驅動系統；另外，本發明不僅可應用于高功率激光的驅動，對于一般須要穩定高功率電流驅動的裝置亦可適用，例如用于一高功率微波信號傳送裝置的驅動、高功率紅外線發射器以及高精度加熱系統...等應用。
為了使此概念能夠更清楚地了解，以下列舉二個范例來說明范例一此范例適用于驅動非激光發射裝置或不具激光功率檢測器的激光發射裝置的應用；此范例的反饋電路分接自驅動電路32’，藉由檢測驅動電路32’內部電流量的變化，以產生一檢測信號進而使驅動電路32’產生一穩定的輸出電流；并匯聚此輸出電流而為一驅動電流；藉此方式以取代激光功率檢測器的作用；其詳細實施方式請參照圖3并配合參照圖5；圖3例示單個反饋電路34’與所對應的單個驅動電路32’的實作方塊圖，圖5則為單個反饋電路34’與所對應的單個驅動電路32’的實際電路圖。
如圖3所示的驅動電路32’包括一比較裝置303、一電流調節裝置304以及一限流保護裝置306，其中該驅動電路32’的該比較裝置303、該電流調節裝置304與該反饋電路34’形成一反饋回路；且該驅動電路32’與該反饋電路34’組成一驅動模塊；另外，脈波產生電路314產生一設定信號V1供該比較裝置303與來自反饋電路34’的檢測信號進行比較并輸出一控制信號，以控制該電流調節裝置304產生一對應于該設定信號的穩定輸出電流。
首先，如圖5所示，由晶體管Q1組成的該電流調節裝置304，其外接一電流源307，并藉由基(B)極接收來自以OPA放大器AR3組成比較裝置303的控制信號，由該控制信號的電流量高、低而調節該電流源的電流量以產生一輸出電流I1，該輸出電流I1流經該由R16、R17組成的限流保護裝置306并匯聚后成為一驅動電流，以驅動該高功率激光發射器308，此時的限流保護裝置306限制該驅動電流，避免過大的瞬間電流造成激光發射器308的損壞；此外輸出電流I1同時分流至以R12、R13以及OPA放大器AR2所組成的反饋電路34’中，如圖5的R12、R13分別并聯跨接于AR2的正、負二端，當輸出電流I1流經R12、R13時將于其上產生一反饋信號V3其值為I1*(R12//R13)，此信號的電位為(V+)與(V-)的差值；并將V+、V-分別輸入AR2的兩端，另外，因該反饋電路34’中AR2放大器的設計是二倍放大的差動放大器，此處所指該反饋電路34’的放大倍數需視該電阻R12、R13的阻值而定，其可輸出一檢測信號V2，其值為2(V+-V-)＝2V3＝2I1*(R12//R13)，由此可知，該檢測信號可反映輸出電流I1的變化，并將該檢測信號V2送至該以OPA放大器AR3組成的比較裝置303的V-端，與輸入于AR3的V+端的該脈波產生電路314產生的設定信號V1進行比較，并產生一控制信號以調節上述的輸出電流I1；當V-＞V+代表反饋的檢測信號高于設定信號，此時比較裝置303輸出一低電位的控制信號，使該電流調節裝置304輸出一較低的輸出電流而使反饋的檢測信號電位降低；反之，則輸出一高電位的控制信號至以晶體管Q1組成的電流調節裝置304的基極，藉晶體管的特性Ic(集極電流)＝βIb(基極電流)，由圖中可知Ic＝I1(輸出電流)而Ib為控制信號，故可通過該控制信號以增加該輸出電流，直到該檢測信號相等于設定信號為止；如此進行數次遞歸修正，即可控制輸出一對應于設定信號V1的輸出電流，并匯聚多個驅動模塊產生的多個輸出電流以組成一驅動電流。
藉此，電流調節裝置304所產生的輸出電流I1將與設定信號V1成線性變化，且根據該反饋回路，經過數次反復修正疊加后，可使驅動電流穩定的輸出。
由上述內容可知，其限流保護裝置306僅是具有電流限制功能以起到保護激光發射裝置的作用；因此若無此裝置，本發明仍可正常運作無虞。
范例二此范例適用于驅動一具有激光功率檢測器316的激光發射裝置的應用，利用一激光功率檢測器316依據高功率激光發射裝置的功率，產生一檢測信號至反饋電路，以供驅動電流調整參考；其詳細實施方式請參照圖4并配合參照圖6；圖4例示單個反饋電路36’與所對應的單個驅動電路32’的實作方塊圖，圖6則為單個反饋電路36’與所對應的單個驅動電路32’的實際電路圖。
如圖4所示的驅動電路32’包括一比較裝置303、一電流調節裝置304以及一限流保護裝置306；其中該驅動電路32’的該比較裝置303、該電流調節裝置304、該限流保護裝置306與該激光功率檢測器3 16以及反饋電路36’形成一反饋回路；且該驅動電路32’與該反饋電路36’組成一驅動模塊；另外，脈波產生電路314供產生一設定信號V1，以控制該電流調節裝置304產生一對應于該設定信號V1的輸出電流。
首先，如圖6所示，由晶體管Q1組成的該電流調節裝置304，其外接一電流源307，并藉由基(B)極接收來自以OPA放大器AR3組成比較裝置303的控制信號，由該控制信號的電流量的高、低而調節該電流源的電流量以產生一輸出電流I1，該輸出電流I1流經該由R16、R17組成的限流保護裝置306并匯聚后成為一驅動電流，以驅動該高功率激光發射器308；此時的限流保護裝置限制該輸出電流，避免過大的瞬間電流造成激光發射器的損壞；同時，激光功率檢測器316依據該發射器308的發射功率，產生一反饋信號V3并送回至以OPA放大器AR1組成的反饋電路36’中，此時的反饋電路36’是一單純的電壓隨耦器，為確保反饋信號V3不因阻抗匹配而衰減；因此該反饋信號V3相等于該檢測信號V2，再將該檢測信號V2完全轉移至以OPA放大器AR3組成的比較裝置303的V-端，與輸入于AR3的V+端的該脈波產生電路314產生的設定信號V1進行比較，以產生一控制信號以調節上述的輸出電流I1；當V-＞V+則比較裝置303輸出低電位控制信號，以控制該電流調節裝置304輸出一較低的輸出電流；反之，則輸出高電位控制信號至以晶體管Q1組成的電流調節裝置304的基極，藉晶體管特性調節該輸出電流，如此進行數次遞歸修正，即可控制輸出一對應于設定信號V1的輸出電流，并匯聚多個驅動模塊產生的多個輸出電流以組成一驅動電流；藉此，電流調節裝置304所產生的電流將與設定信號成線性變化，且根據該反饋回路，經過數次反復修正后，可使驅動電流穩定的輸出。
由上述可知，其反饋電路36’為一緩沖裝置，僅單純轉移激光功率檢測器316所產生的檢測信號至比較裝置303中；而限流保護裝置306僅具保護激光發射裝置的作用；因此若無上述的該反饋電路36’與該限流保護裝置306，本發明仍可正常運作無虞。
在此設定下，假使高功率激光發射器308的功率隨著溫度或其它因素發生變化，則能通過此反饋方式得到補償，而使輸出功率保持在一定的穩定狀態。依此類推，整個系統可以再并聯更多相同或不相同的驅動電路與反饋電路的組合，以符合系統設計的需求。
相較于現有的設計方法，如圖1所示，其僅使用單一的反饋電路102，因此不適合任意擴充驅動電路261，262，...，26N，并且這些驅動電路261，262，26N在設計上亦具有一定的限制。相較之下，使用上述的激光系統設計方式，由于反饋電路221，222，...，22N與驅動電路261，262，...，26N是成對構成驅動模塊，因此在設計上可任意增加此種驅動模塊的模塊數，理論上驅動電流可任意大，以符合各種高功率激光發射器的規格。
而且，由于采用了反饋型激光驅動電路，反饋點所收到的脈沖信號跟設定點所輸入的脈沖信號一致，因而信號不受并聯電路多少的影響。同時，由于是獨立的反饋型脈沖激光驅動電路并聯而成，不會因某一個驅動電路的損壞而影響整個系統，從而保證系統的穩定性。此外，本發明采用了多個獨立的反饋型脈沖調變激光驅動電路并聯的方式，不會因其中一個驅動電路損壞，而將電流分攤到其它驅動電路，燒毀其它驅動電路，形成連鎖反應，因此不會因局部電路損壞而使系統癱瘓，使本發明的系統安全性高，且系統容易維修。另外，依據本發明的激光驅動系統也可通過控制設定點電壓來直接控制輸出電流，而且，此種系統容易生產，成本低廉。
當然，必須指出的是，雖然此處以脈沖調變激光的驅動作為實施例來說明，然而本發明當然不限于使用于脈沖調變激光。通過多個并聯的驅動電路與反饋電路的組合，每一個驅動電路與對應的反饋電路可視為一個驅動模塊，而此種驅動模塊可用于驅動各種高功率發射裝置。
雖然本發明已以一較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發明，本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當以權利要求書所界定的保護范圍為準。
權利要求
1.一種高功率驅動系統，提供一驅動電流使一激光發射器產生一光束，該系統包含一激光功率檢測裝置，檢測該光束的強度，而產生一檢測信號；多個驅動模塊，彼此互相并聯且各自產生一輸出電流至該激光發射器；一電流源，提供上述多個驅動模塊一定量電流；以及一脈波產生電路，產生一設定信號至上述驅動模塊，其中該驅動模塊比較該設定信號與該檢測信號后，輸出一控制信號以調節上述該輸出電流的大小；藉此可使上述輸出電流穩定輸出，且藉由上述并聯的多個驅動模塊而將該輸出電流疊加成為該驅動電流。
2.如權利要求1所述的高功率驅動系統，其中每一驅動模塊還包括一比較裝置，比較上述檢測信號與上述設定信號，而輸出一控制信號；以及一電流調節裝置，依據上述控制信號，而調節上述輸出電流。
3.如權利要求1所述的高功率驅動系統，其中每一驅動模塊還包括一反饋電路，維持該檢測信號的電位；一比較裝置，比較上述檢測信號與上述設定信號，而輸出一控制信號；以及一電流調節裝置，依據上述控制信號，而調節上述輸出電流。
4.如權利要求1所述的高功率驅動系統，其中每一驅動模塊還包括一比較裝置，比較上述檢測信號與上述設定信號，而輸出一控制信號；一電流調節裝置，依據上述控制信號，而調節上述輸出電流；以及一限流保護裝置，限制上述輸出電流，以保護激光發射器。
5.如權利要求1所述的高功率驅動系統，其中每一驅動模塊還包括一反饋電路，維持該檢測信號的電位；一比較裝置，比較上述檢測信號與上述設定信號，而輸出一控制信號；一電流調節裝置，依據上述控制信號，而調節上述輸出電流；以及一限流保護裝置，限制上述的輸出電流，以保護該激光發射器。
6.一種高功率驅動系統，包含多個并聯的驅動模塊、一電流源及一脈波產生電路，并提供一既定的驅動電流值使一激光發射器產生一光束，其中該脈波產生電路產生表示該驅動模塊應輸出的電流值的一設定信號，且每一驅動模塊包含一電流調節裝置，與上述電流源耦接，并依據一控制信號產生一輸出電流；一反饋電路，量測上述輸出電流值，而產生表示上述輸出電流值的一檢測信號；以及一比較裝置，比較上述檢測信號與設定信號后，輸出該控制信號以調節該電流調節裝置產生的該輸出電流值；藉此，當該驅動模塊并聯后，該輸出電流值的總和等于上述既定的驅動電流值。
7.如權利要求6所述的高功率驅動系統，其中每一驅動模塊還包括一限流保護裝置，限制上述該輸出電流的大小，以保護該激光發射器。
8.如權利要求6所述的高功率驅動系統，其中該電流調節裝置包含一晶體管，該晶體管根據該比較裝置所產生的一控制信號，以決定該輸出電流的大小。
9.如權利要求6所述的高功率驅動系統，其中該比較裝置包含一OPA運算放大器，該OPA運算放大器比較脈波產生電路輸出的一設定信號與反饋電路反饋產生的一檢測信號，并產生一控制信號至該電流調節裝置。
全文摘要
本發明提供了一種高功率驅動系統，具有一預定數目的驅動模塊，用來驅動激光發射器等高功率裝置。每一驅動模塊具有一驅動電路及一對應的反饋電路。這些驅動模塊的驅動電路各自產生驅動電流，然后將這些驅動電流匯整以驅動激光發射器等高功率裝置。此外，這些驅動模塊的反饋電路則接收同一檢測信號，此檢測信號反映高功率裝置的輸出功率。每一反饋電路根據此檢測信號各自產生反饋信號，使所對應的驅動電路進行一反饋動作，以調整驅動電流。
文檔編號H01S5/042GK1635669SQ20031012359
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者簡碧堯, 盛冰, 彭勇 申請人:亞洲光學股份有限公司