一种开环自适应驱动电路及方法与流程

本发明涉及激光器驱动电路，尤其涉及一种开环自适应驱动电路及方法。

背景技术：

1、激光泵浦管laser diode作为核心光源，其正向压降vf具有显著的个体差异性与温度漂移特性，典型范围1.5v 至100v 以上。为具有特定的正向压降vf 的激光泵浦管定制驱动电源，会导致生产成本高昂、物料管理复杂。为解决通用性问题，现有技术主要遵循以下两条路径，但均存在根本性缺陷：

2、1、闭环反馈调节路径：如专利号cn112582876b的中国发明专利，通过微控制器实时采样负载电压，并动态调整开关电源输出电压，本质是检测-计算-调节的主动控制模式，这种方式系统复杂，响应存在毫秒级滞后，难以实现纳秒级超高速脉冲驱动；

3、2、电感储能切换路径：如公开号为cn119542909a的中国发明专利申请，该路径利用电感电流连续性原理提升驱动速度，但是控制复杂，还使用电容器件进行充放电的慢速自适应，而且不能高速自适应负载的变化。

4、因此，提供一种开环自适应驱动电路及方法，通过独特的电路拓扑与预设的时序动作，是驱动电压被动、瞬时地匹配负载工作需求，改善传统方法响应慢、系统结构复杂的技术问题，是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种开环自适应驱动电路及方法，摒弃传统闭环反馈结构与电容储能架构，依托电感电磁感应特性实现负载电压被动自适应，在简化电路的同时，实现纳秒级高速响应与宽电压负载适配。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种开环自适应驱动电路，包括：直流电源、储能电感、激光泵浦管支路以及旁路开关；其中，

3、所述储能电感与激光泵浦管支路电性连接，形成功率回路；所述旁路开关并联在激光泵浦管支路上，用于选择性的旁路激光泵浦管支路；

4、所述旁路开关受控周期性通断：当旁路开关导通时，激光泵浦管支路被旁路，直流电源向储能电感储能；当旁路开关关断时，储能电感接入激光泵浦管支路的功率回路，依靠电感感应电压结合基尔霍夫电压定律，被动、瞬时匹配激光泵浦管支路的实时正向压降；

5、所述功率回路为纯开环结构，没有配置针对激光泵浦管支路的电压、负载电流的全局反馈调节回路。

6、在以上技术方案的基础上，优选的，所述旁路开关包括第一开关器件，所述第一开关器件的两端分别连接在激光泵浦管支路的两端，用于对激光泵浦管支路进行电流旁路，通过控制旁路开关的导通时长，限定储能电感的最大充电电流。

7、优选的，所述激光泵浦管支路包括激光泵浦管和回路配套器件，旁路开关同时跨接在激光泵浦管及回路配套器件两端，实现对激光泵浦管与配套器件的整体旁路，或者旁路开关；所述回路配套器件包括恒流源，恒流源用于将储能电感的充电电流钳位在预设目标值。

8、优选的，所述所述激光泵浦管支路包括激光泵浦管，旁路开关跨接在激光泵浦管两端。

9、优选的，所述恒流源包括运算放大器与第二开关器件，配合采样电阻形成局部负反馈回路；所述局部负反馈仅用于恒定回路电流，不参与激光泵浦管的电压自适应调节。

10、优选的，还包括时序控制器，所述时序控制器的输出端连接旁路开关的控制端，用于输出时序控制信号驱动旁路开关周期性通断。

11、优选的，所述旁路开关的控制端连接自激振荡电路，由自激振荡电路产生周期性开关信号驱动旁路开关通断，无需外置时序控制器。

12、在以上技术方案的基础上，优选的，所述功率回路还包括辅助保护电路，所述辅助保护电路由第一二极管、第二二极管组成，用于抑制电感反向电动势，防止反向电流倒灌损坏直流电源。

13、另一方面，本发明还提供了一种开环自适应驱动方法，应用于上述的开环自适应电路；所述开环自适应电路中，直流电源、激光泵浦管支路与储能电感共同构成功率回路，储能电感设置于直流电源与激光泵浦管支路的阳极侧的功率回路，或激光泵浦管支路的阴极侧与地线之间的功率回路；激光泵浦管支路包括激光泵浦管，激光泵浦管支路还选择性的独立配置恒流源以钳位储能电流；旁路开关能够使激光泵浦管支路电路旁路，该驱动方法包括以下步骤：

14、s1：控制旁路开关导通，激光泵浦管上的电流

i

pump=0；当配置有恒流源时，直流电源向储能电感充能，由恒流源将储能电流钳位至目标电流

i

cons；当未配置恒流源时，直流电源向储能电感自由充能，通过控制导通时长，使电感储能电流

i

stor达到目标电流

i

cons；

15、s2：控制旁路开关关断，被激光泵浦管支路接入功率回路，功率回路满足电压关系，

v

in为直流电源电压，

v

pump为激光泵浦管的实时正向压降，

v

cs为恒流源自动调节的压降；电感感应电压一方面配合直流电源电压、恒流源自动调节的压降适配激光泵浦管的实时正向压降，另一方面为功率回路电流快速上升提供额外电压，使功率回路电流攀升至

i

stor=

i

cons，并由恒流源维持电流稳定；

16、s3：循环执行步骤 s1、s2，持续输出脉冲驱动电流。

17、优选的，当未配置独立恒流源时，储能阶段的充电时间满足如下公式：，式中

t为充电时长，

l为储能电感值，

r为功率回路电阻，

v

in为直流电源电压，

i

0为电感充电初始电流，

i

stor为电感储能目标电流。

18、相比现有技术，本发明提供的一种开环自适应驱动电路及方法，具有如下有益效果如下：

19、1）恒流源可采用独立器件形式串联在功率回路中，也可直接集成于直流电源内部，用于钳位电感充电电流；未配置恒流源时，可通过精准控制旁路开关导通时长，限定电感最大充电电流。恒流源内部可设置由运算放大器、开关器件、采样电阻构成的局部负反馈回路，该局部负反馈仅用于稳定回路电流，不参与负载电压自适应过程，功率回路整体采用纯开环架构，不存在针对负载电压、负载电流的全局反馈调节回路，依靠电感感应电压结合基尔霍夫电压定律，补偿回路压差并提供电流上升所需电压，同时瞬时、被动匹配激光泵浦管的实时正向压降。本发明打破了负载自适应必须依赖反馈回路的固有思维，采用纯开环架构，无全局电压、电流反馈环路，从根源上消除闭环电路的振荡风险，电路鲁棒性强，对元器件参数漂移、环境干扰不敏感。

20、2）拓扑极简，降本增效：核心电路仅由直流电源、储能电感、旁路开关、激光泵浦管组成，相比现有技术核心元器件数量减少，电路体积更小、物料成本更低、故障点更少，便于批量生产与工程集成。另外，可选配信号发生模块：可采用外置时序控制器输出开关信号，也可采用自激振荡电路生成周期性信号驱动旁路开关，无需额外配置控制器。

21、3）功率回路中可增设由两只二极管构成的辅助保护电路，抑制电感断开时产生的反向电动势，避免反向电流损坏直流电源。

22、4）本发明还提供了一种开环自适应驱动方法，基于上述驱动电路，核心分为储能、放电两个循环阶段。储能阶段利用旁路开关切断激光泵浦管回路，完成电感储能；放电阶段将激光泵浦管接入回路，依靠电感感应电压自适应负载电压并输出脉冲电流。根据电路配置，可选择恒流钳位模式或定时控流模式限制电感充电电流，开关驱动信号可由时序控制器或自激振荡电路提供。

23、5）本发明的负载电压匹配依靠电感电磁感应物理规律实现，响应速度达到纳秒级，完全消除传统反馈电路的毫秒级延迟，电流建立速度相比传统方案提高2倍以上。

24、6）本发明能够实现宽域适配，通用性强，无需针对不同规格负载定制驱动电路，可自动适配 1.5v-100v正向压降的各类激光泵浦管，实现负载即插即用，适用于多型号激光设备兼容使用。支持有无恒流源、外置控制器/自激振荡电路等多种组合形态，可衍生出八种电路拓扑结构，适配激光雷达、激光加工、医疗激光、高速电磁阀驱动等不同工况。