一种激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输的方法.pdf

本发明公开一种激光器驱动电源，包括慢速变换器、快速变换器、半导体激光器、第一平均电流控制单元、第二平均电流控制单元和电压调节器；慢速变换器的第一输出端与快速变换器的第一输出端共同连接半导体激光器的正极，慢速变换器的第二输出端与快速变换器的第二输出端共同连接半导体激光器的负极，半导体激光器的负极接地；第一平均电流控制单元控制慢速变换器的电流，第二平均电流控制单元和电压调节器分别控制快速变换器的电流和高压侧储能电容电压；其中，慢速变换器输出平直电流，快速变换器输出正负脉冲电流，半导体激光器接收到平直电流与正负脉冲电流叠加得到的合成电流。该激光器驱动电源能驱动半导体激光器同时进行电能传输和通信传输。

权利要求书1.  一种激光器驱动电源，其特征在于：包括慢速变换器、快速变换器、半导体激光器、第一平均电流控制单元、第二平均电流控制单元和电压调节器；慢速变换器的第一输出端与快速变换器的第一输出端共同连接半导体激光器的正极，慢速变换器的第二输出端与快速变换器的第二输出端共同连接半导体激光器的负极，半导体激光器的负极接地；第一平均电流控制单元控制慢速变换器的电流，第二平均电流控制单元和电压调节器分别控制快速变换器的电流和高压侧储能电容电压；其中，慢速变换器输出平直电流，快速变换器输出正负脉冲电流，半导体激光器接收到平直电流与正负脉冲电流叠加得到的合成电流。 2.  如权利要求1所述的一种激光器驱动电源，其特征在于：所述慢速变换器采用Buck电路，包括电源、第一开关管、第二开关管、第一电感、第三电阻和滤波电容，电源的正极接第一开关管的一端，第一开关管的另一端分别连接第一电感的一端和第二开关管的一端，第一电感的另一端连接半导体激光器的正极，第二开关管的另一端分别连接第一电源的负极和第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接半导体激光器的负极，滤波电容并联于半导体激光器的两端； 所述快速变换器采用Buck-Boost电路，包括第一、二、四电阻、储能电容、第三、四开关管和第二电感，第一、二电阻串联后与储能电容并联，储能电容的一端连接第三开关管的一端，第三开关管的另一端分别连接第四开关管的一端和第二电感的一端，第二电感的另一端连接半导体激光器的正极，第四开关管的另一端分别连接储能电容的另一端和第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接半导体激光器的负极。 3.  如权利要求2所述的一种激光器驱动电源，其特征在于：所述第一平均电流控制单元包括依次连接的第一电流调节器、第一PWM控制器和第一反相器，第一电流调节器包括第五、六电阻、第一电容、第一运算放大器和慢速变换器电流基准电源，第一PWM控制器包括第二运算放大器和第一锯齿波电源；所述第三电阻的一端连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端分别连接第六电阻的一端和第一运算放大器的负极输入端，第六电阻的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端分别连接第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正极输入端，第一运算放大器的正极输入端连接慢速变换器电流基准电源后接地，第二运算放大器的负极输入端连接第一锯齿波电源后接地，第二运算放大器的输出端分别连接所述第一开关管的另一端和第一反相器的一端，第一反相器的另一端连接所述第二开关管的另一端。 4.  如权利要求3所述的一种激光器驱动电源，其特征在于：第二平均电流控制单元包括第二电流调节器、第二PWM控制器、电压调节器和第二反相器，第二电流调节器包括第七至九电阻、第二电容、第三运算放大器和快速变换器电流基准电源，第二PWM控制器包括第四运算放大器和第二锯齿波电源，电压调节器包括第十至十二电阻、第三电容、第五运算放大器和电容电压基准电源；所述第四电阻的一端连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端分别连接第八电阻的一端和第三运算放大器的负极输入端，第八电阻的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端分别连接第三运算放大器的输出端和第四运算放大器的正极输入端，第三运算放大器的正极输入端分别连接第九电阻的一端和第十二电阻的一端，第九电阻的另一端连接快速变换器电流基准电源后接地；第四运算放大器的负极输入端连接第二锯齿波电源后接地，第四运算放大器的输出端分别连接所述第三开关管的另一端和第二反相器的一端，第二反相器的另一端连接所述第四开关管的另一端；第一电阻和第二电阻的共同连接端连接第十电阻的一端，第十电阻的另一端分别连接第十一电阻的一端和第五运算放大器的负极输入端，第十一电阻的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端分别连接第十二电阻的另一端和和第五运算放大器的输出端，第五运算放大器的正极输入端连接电容电压基准电源后接地。 5.  一种激光器驱动电源实现功率信号复合传输的方法，其特征在于：将慢速变换器输出传递功率的平直电流i0与快速变换器输出传输信号的正负脉冲电流iAC叠加后得到合成电流iLD，并注入半导体激光器； 获得所述平直电流i0的方法如下：慢速变换器采用Buck电路，慢速变换器的采样电流值iDC-1分别经过第一电流调节器和第一PWM控制器得到第一开关管驱动信号Q1，再加入第一反相器得到第二开关管驱动信号Q2，第一开关管驱动信号Q1和第二开关管驱动信号Q2返回至慢速变换器控制第一开关管和第二开关管，由此得到平直电流i0； 获得所述正负脉冲电流iAC的方法如下：快速变换器采用Buck-Boost电路，快速变换器储能电容的采样值Vcdc经过电压调节后与快速变换器的采样电流值iAC-1一起输入第二电流调节器后，输入第二PWM控制器，得到第三开关管驱动信号Q3，再加入第二反相器得到第四开关管驱动信号Q4，第三开关管驱动信号Q3和第四开关管驱动信号Q4返回至快速变换器控制第三开关管和第四开关管，由此得到正负脉冲电流iAC。

说明书一种激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输的方法
技术领域
本发明涉及一种激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输的方法，属于无线激光电能传输和功率变换技术领域。
背景技术
随着电气设备日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差，不安全可靠等问题。尤其是在用电设备和供电系统存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好的优点，适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。
如图1所示为激光电能传输系统的通用结构，其中激光电源是重要部件，其输出电流的质量直接影响到半导体激光器的输出特性和使用寿命。因此为了满足半导体激光器对输入电流的严格要求，目前半导体激光器驱动电源的后级多采用线性电路作为调节单元对输出电流的质量进行控制。然而在能量传输这样的大功率场合下，线性电路的损耗大、效率低，限制了系统功率等级的提高。
激光电能传输系统在为移动目标充电时，需实时获得目标的速度、位置和光伏板上光斑强度等信息，因此系统在传递功率的同时也在进行信息的交换。目前激光电能传输系统多采用传统的无线电通信方式，这种传统方式不仅易受干扰，还要多增加一批设备，提高了系统的复杂程度，降低了系统的灵活性，从而限制了该电能传输系统在某些领域的应用，例如在战场上为无人机无线充电。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高效率、高动态特性的激光器驱动电源及其实现功率信号复合传输方法，能驱动半导体激光器同时进行电能传输和通信传输。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种激光器驱动电源，包括慢速变换器、快速变换器、半导体激光器、第一平均电流控制单元、第二平均电流控制单元和电压调节器；慢速变换器的第一输出端与快速变换器的第一输出端共同连接半导体激光器的正极，慢速变换器的第二输出端与快速变换器的第二输出端共同连接半导体激光器的负极，半导体激光器的负极接地；第一平均电流控制单元控制慢速变换器的电流，第二平均电流控制单元和电压调节器分别控制快速变换器的电流和高压侧储能电容电压；其中，慢速变换器输出平直电流，快速变换器输出正负脉冲电流，半导体激光器接收到平直电流与正负脉冲电流叠加得到的合成电流。
进一步的，所述慢速变换器采用Buck电路，包括电源、第一开关管、第二开关管、第一电感、第三电阻和滤波电容，电源的正极接第一开关管的一端，第一开关管的另一端分别连接第一电感的一端和第二开关管的一端，第一电感的另一端连接半导体激光器的正极，第二开关管的另一端分别连接第一电源的负极和第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接半导体激光器的负极，滤波电容并联于半导体激光器的两端；
所述快速变换器采用Buck-Boost电路，包括第一、二、四电阻、储能电容、第三、四开关管和第二电感，第一、二电阻串联后与储能电容并联，储能电容的一端连接第三开关管的一端，第三开关管的另一端分别连接第四开关管的一端和第二电感的一端，第二电感的另一端连接半导体激光器的正极，第四开关管的另一端分别连接储能电容的另一端和第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接半导体激光器的负极。
进一步的，所述第一平均电流控制单元包括依次连接的第一电流调节器、第一PWM控制器和第一反相器，第一电流调节器包括第五、六电阻、第一电容、第一运算放大器和慢速变换器电流基准电源，第一PWM控制器包括第二运算放大器和第一锯齿波电源；所述第三电阻的一端连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端分别连接第六电阻的一端和第一运算放大器的负极输入端，第六电阻的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端分别连接第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正极输入端，第一运算放大器的正极输入端连接慢速变换器电流基准电源后接地，第二运算放大器的负极输入端连接第一锯齿波电源后接地，第二运算放大器的输出端分别连接所述第一开关管的另一端和第一反相器的一端，第一反相器的另一端连接所述第二开关管的另一端。
进一步的，第二平均电流控制单元包括第二电流调节器、第二PWM控制器、电压调节器和第二反相器，第二电流调节器包括第七至九电阻、第二电容、第三运算放大器和快速变换器电流基准电源，第二PWM控制器包括第四运算放大器和第二锯齿波电源，电压调节器包括第十至十二电阻、第三电容、第五运算放大器和电容电压基准电源；所述第四电阻的一端连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端分别连接第八电阻的一端和第三运算放大器的负极输入端，第八电阻的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端分别连接第三运算放大器的输出端和第四运算放大器的正极输入端，第三运算放大器的正极输入端分别连接第九电阻的一端和第十二电阻的一端，第九电阻的另一端连接快速变换器电流基准电源后接地；第四运算放大器的负极输入端连接第二锯齿波电源后接地，第四运算放大器的输出端分别连接所述第三开关管的另一端和第二反相器的一端，第二反相器的另一端连接所述第四开关管的另一端；第一电阻和第二电阻的共同连接端连接第十电阻的一端，第十电阻的另一端分别连接第十一电阻的一端和第五运算放大器的负极输入端，第十一电阻的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端分别连接第十二电阻的另一端和和第五运算放大器的输出端，第五运算放大器的正极输入端连接电容电压基准电源后接地。
本发明还提供一种激光器驱动电源实现功率信号复合传输的方法，将慢速变换器输出传递功率的平直电流i0与快速变换器输出传输信号的正负脉冲电流iAC叠加后得到合成电流iLD，并注入半导体激光器；
获得所述平直电流i0的方法如下：慢速变换器采用Buck电路，慢速变换器的采样电流值iDC-1分别经过第一电流调节器和第一PWM控制器得到第一开关管驱动信号Q1，再加入第一反相器得到第二开关管驱动信号Q2，第一开关管驱动信号Q1和第二开关管驱动信号Q2返回至慢速变换器控制第一开关管和第二开关管，由此得到平直电流i0；
获得所述正负脉冲电流iAC的方法如下：快速变换器采用Buck-Boost电路，快速变换器的储能电容的采样值Vcdc经过电压调节后与快速变换器的采样电流值iAC-1一起输入第二电流调节器后，输入第二PWM控制器，得到第三开关管驱动信号Q3，再加入第二反相器得到第四开关管驱动信号Q4，第三开关管驱动信号Q3和第四开关管驱动信号Q4返回至快速变换器控制第三开关管和第四开关管，由此得到正负脉冲电流iAC。
采用上述方案后，本发明的激光器驱动电源将慢速变换器与快速变换器有效结合，能分别工作在连续和脉冲两种工作模式下，由于省去了线性调节单元，保证了电源的高效率，并且在脉冲模式下，通过合理设计也能保证电源的高动态特性，而且能够在不增加其他设备的情况下扩展无线激光电能传输系统的通信功能，同时传送电能和通信信号，为以后无线激光电能传输系统的发展奠定坚实的基础。
附图说明
图1是激光电能传输系统的通用结构图。
图2是本发明的慢速变换器传递平直电流的坐标图。
图3是本发明的快速变换器传递脉冲电流的坐标图。
图4是本发明的慢速变换器和快速变换器传递合成电流的坐标图。
图5是本发明激光器驱动电源的拓扑图。
图6是本发明慢速变换器的电流反馈环路图。
图7是本发明快速变换器的电流反馈环路图。
图8(a)是本发明慢速变换器的输出电流和第一、二开关管的驱动波形图。
图8(b)是本发明快速变换器的电感电流和储能电容的电压波形图。
图8(c)是本发明快速和慢速变换器并联后总输出电流波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图2至图4给出了激光电能传输系统实现信息与能量同时传递的主要思想。在无线电能传输系统中半导体激光器LD传递能量的大小主要取决于平均功率，因此常采用恒流驱动方式。而LD为完成通信工作可通过内调制的方式使激光器工作电流按调制信号变化，因此常采用脉冲电流驱动方式。所以要实现能量和信息的同时传输关键在于对LD注入电流的控制。为此将传递能量的平直电流与传递信息的脉冲电流叠加后注入LD中，以实现功率与信号的叠加。同时为保证传递能量的平均功率不变，用于传递信息的电流平均值为零，并且合成后的电流可以通过判断采样点处电流的大小来区分二进制码中的‘0’和‘1’。
如图5所示为一种激光器驱动电源，包括慢速变换器、快速变换器、半导体激光器、第一平均电流控制单元、第二平均电流控制单元和电压调节器；慢速变换器的第一输出端与快速变换器的第一输出端共同连接半导体激光器的正极，慢速变换器的第二输出端与快速变换器的第二输出端共同连接半导体激光器的负极，半导体激光器的负极接地；第一平均电流控制单元控制慢速变换器的电流，第二平均电流控制单元和电压调节器分别控制快速变换器的电流和高压侧储能电容电压；其中，慢速变换器输出平直电流，快速变换器输出正负脉冲电流，当只有慢速变换器工作时，半导体激光器接收到平直电流，此时激光器工作在连续模式；当慢速和快速变换器同时工作时，半导体激光器接收到平直电流与正负脉冲电流叠加得到的脉冲合成电流，此时激光器工作在脉冲模式下。由于电路中没有线性电路，电源效率得到提高，同时通过合理设计快速变换器，能够保证激光器工作在脉冲模式下对电源高动态特性的要求。
所述慢速变换器采用Buck电路，包括电源Vin、第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第三电阻R3和滤波电容C0，电源Vin的正极接第一开关管S1的一端，第一开关管S1的另一端分别连接第一电感L1的一端和第二开关管S2的一端，第一电感L1的另一端连接半导体激光器的正极，第二开关管S2的另一端分别连接第一电源Vin的负极和第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接半导体激光器的负极，滤波电容C0并联于半导体激光器的两端。慢速变换器需流过大电流，因此采用同步整流方式以提高效率，第一开关管S1为主开关管，第二开关管S2为续流管，S1和S2互补导通。
所述快速变换器采用Buck-Boost电路，包括第一、二、四电阻R1、R2、R4、储能电容Cdc、第三、四开关管S3、S4和第二电感L2，第一、二电阻R1、R2串联后与储能电容Cdc并联，储能电容Cdc的一端连接第三开关管S3的一端，第三开关管S3的另一端分别连接第四开关管S4的一端和第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接半导体激光器的正极，第四开关管S4的另一端分别连接储能电容Cdc的另一端和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接半导体激光器的负极。快速变换器需流过双向电流，第三、四开关管S3、S4互补导通，当其工作在Boost模式时，S4作为主控开关，S3起续流作用；当其工作在Buck模式时，S3作为主控开关，S4起续流作用。另外在快速变换器高压端接储能电容Cdc，低压端与慢速变换器的输出端并联。
如图6所示，所述第一平均电流控制单元器包括依次连接的第一电流调节器、第一PWM控制器和第一反相器，第一电流调节器包括第五、六电阻R5、R6、第一电容C1、第一运算放大器和慢速变换器电流基准电源iDC_ref，第一PWM控制器包括第二运算放大器和第一锯齿波电源VRAMP1；所述第三电阻R3的一端连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端分别连接第六电阻R6的一端和第一运算放大器的负极输入端，第六电阻R6的另一端连接第一电容的C1一端，第一电容C1的另一端分别连接第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的正极输入端，第一运算放大器的正极输入端连接慢速变换器电流基准电源后接地，第二运算放大器的负极输入端连接第一锯齿波电源VRAMP1后接地，第二运算放大器的输出端分别连接所述第一开关管S1的另一端和第一反相器的一端，第一反相器的另一端连接所述第二开关管S2的另一端。采样电阻R3采样到输出电流的大小和慢速变换器电流基准电源iDC_ref通过电流调节器得到误差值，该值经过第一PWM控制器与第一锯齿波VRAMP1比较得到占空比，控制第一、二开关管S1、S2的开关，从而得到期望的平直电流i0。
如图7所示，第二平均电流控制单元器包括第二电流调节器、第二PWM控制器、电压调节器和第二反相器，第二电流调节器包括第七至九电阻R7、R8、R9、第二电容C2、第三运算放大器和快速变换器电流基准电源iAC_ref，第二PWM控制器包括第四运算放大器和第二锯齿波电源VRAMP2，电压调节器包括第十至十二电阻R10、R11、R12、第三电容C3、第五运算放大器和电容电压基准电源Vcdc_ref；所述第四电阻R4的一端连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端分别连接第八电阻R8的一端和第三运算放大器的负极输入端，第八电阻R8的另一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端分别连接第三运算放大器的输出端和第四运算放大器的正极输入端，第三运算放大器的正极输入端分别连接第九电阻R9的一端和第十二电阻R12的一端，第九电阻R9的另一端连接快速变换器基准电源iAC_ref后接地；第四运算放大器的负极输入端连接第二锯齿波电源VRAMP2后接地，第四运算放大器的输出端分别连接所述第三开关管的另一端和第二反相器的一端，第二反相器的另一端连接所述第四开关管的另一端；第一电阻R1和第二电阻R2的共同连接端连接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端分别连接第十一电阻R11的一端和第五运算放大器的负极输入端，第十一电阻R11的另一端连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端分别连接第十二电阻R12的另一端和和第五运算放大器的输出端，第五运算放大器的正极输入端连接电容电压基准电源Vcdc_ref后接地。为了使双向变换器正常工作，储能电容电压应大于激光器输入两端的电压，因此采样储能电容Cdc电压通过电压比较器的调节来保证储能电容电压大于激光器输入两端的电压。在双向变换器工作正常的前提下，为输出反应信号的正负电流，在电路中将采样电容Cdc的电压与电容电压基准电源Vcdc_ref通过电压调节器比较得到的电压误差信号 vpi_out与代表信息的调制信号 iref按照一定的比例叠加，作为双向变换器的电流基准iAC_ref。采样电感电流iAC_-1与快速变换器电流基准iAC_ref通过第二电流调节器与第二PWM控制器的反馈调节得到占空比，控制第三、四开关管S3、S4的开关。从而得到期望的正负脉冲电流iAC。
本发明还提供一种激光器驱动电源实现功率信号复合传输的方法，将慢速变换器输出传递功率的平直电流i0与快速变换器输出传输信号的正负脉冲电流iAC叠加后得到合成电流iLD，并注入半导体激光器，再由半导体激光器通过光的形式向接收端同时传输功率和信号。
获得所述平直电流i0的方法如下：慢速变换器采用Buck电路，慢速变换器的采样电流值iDC-1分别经过第一电流调节器和第一PWM控制器得到第一开关管驱动信号Q1，再加入第一反相器得到第二开关管S2驱动信号Q2，第一开关管驱动信号Q1和第二开关管驱动信号Q2返回至慢速变换器控制第一开关管S1和第二开关管S2，由此得到平直电流i0；
获得所述正负脉冲电流iAC的方法如下：快速变换器采用Buck-Boost电路，快速变换器的储能电容的采样值Vcdc经过电压调节后与快速变换器的采样电流值iAC-1一起输入第二电流调节器后，输入第二PWM控制器，得到第三开关管驱动信号Q3，再加入第二反相器得到第四开关管驱动信号Q4，第三开关管驱动信号Q3和第四开关管驱动信号Q4返回至快速变换器控制第三开关管S3和第四开关管S4，由此得到正负脉冲电流iAC。
本发明的一个具体设计实例如下：慢速变换器的输入电压VDC=7~12V，输出电流：Iout=40A，输出电压Vout=3VDC，电感L1=10uH，第一、二开关管S1、S2为CSD16415，开关频率fs=100KHz；快速变换器的储能电容Cdc=470uF，第三、四开关管S3、S4为CSD17527，开关频率fs=500KHz，电感值为L2=3.3uH，脉冲电流高电平对应值为5A，低电平对应值为-5A，。 图8(a)、8(b)、8(c)分别给出了主要仿真波形图。图8(a)给出了慢速变换器的输出电流和第一、二开关管S1和S2的驱动波形。图8(b)给出了快速变换器的电感电流和储能电容的电压波形。图8(c)给出了快速和慢速变换器并联后总输出电流波形，从图中可以看出输出电流上叠加了脉冲电流，可以在传输功率的同时还能较好地跟踪信号指令。
由于并联结构中两个开关电源的功能不同，因此在设计时可以根据各自的特点分别进行优化设计，使各开关电源的设计更加灵活或更为优化，以获得单开关电源难以具备的优势。慢速变换器，用来处理合成电流iLD中的直流量，因此控制带宽设置较低；快速变换器，用来处理iLD中的高频成分，因此带宽设置较高。如慢速变换器的滤波电感值可以设计的大些，开关频率取得小些；而快速变换器的滤波电感值可以设计的小些，开关频率取得大些。
本发明由基于Buck电路的慢速变换器和Buck-Boost电路的快速变换器并联构成，两个变换器拥有独立的电流控制环路。该电源通过电流控制使慢速变换器输出用于传递能量的平直电流，使快速变换器输出用于传递信息的脉冲电流，两种电流在电源输出端结合后注入半导体激光器以实现无线激光电能传输系统的光通信。该电源根据快慢两个变换器各自的特点分别进行优化设计，使得电源整体效率提高，并有较快的动态响应。本发明电路能够在不增加其他设备的情况下扩展无线激光电能传输系统的通信功能，为以后无线激光电能传输系统的发展奠定坚实的基础。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。