TWI628976B - High-power laser diode driving device and driving and control method thereof - Google Patents
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Abstract
一種高功率雷射二極體驅動裝置,係包括一安規電路、一直流-直流轉
換器與一回授控制器。其中,回授控制器包括一分壓電路、一電流-電壓轉換器、一信號放大器、一電流回授控制器與一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器。直流-直流轉換器之拓樸採用升降壓轉換器(Buck-Boost Converter),實現降壓、升壓、降升壓與升降壓之操作,藉此因應輸入電源之電壓變動,俾使升降壓轉換器操作於升壓或降壓模式,進而轉換高功率雷射二極體所需之驅動電源。本發明亦揭露一種高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,以實現高功率雷射二極體驅動與控制之目的。
Description
本發明係為一種高功率雷射二極體之驅動裝置及其驅動與控制方法,藉由一直流-直流轉換器結合電壓回授與電流回授控制器,以實現驅動高功率雷射二極體,並提供高功率雷射二極體所需之驅動電源。
車載頭燈(On-Board Headlamp)具有遠光燈(High-Beam)、近光燈(Low-Beam)與方向指示燈(Blink Light),以便駕駛因應行駛於道路上之照明需求。由於光電半導體之製程技術與可靠度不斷的提升,故將光電半導體應用在汽車頭燈之近光燈與方向指示燈,已可採用具有能源節省(Energy Saving)、直流驅動、高亮度(High Luminance)與演色性佳(Excellent Color Rendering)之發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)。因此目前車廠所推出的新款車輛,已逐漸利用發光二極體取代傳統的白熾鹵素燈泡(Incandescent Halogen Lamp)。
當駕駛者行駛於夜間道路或通過暗處時,為了擴展駕駛前方的可視範圍與亮度,故可開啟遠光燈進行遠光照明。現今車載遠光頭燈所採用之主流光源,係以複金屬鹵素高密度氣體放電燈(Metal Halide High-Intensity Discharge),取代傳統的白熾鹵素燈泡;然而,複金屬鹵素高密度氣體放電燈本身具有負阻抗、高壓起動與交流驅動等電性,因此必須搭配電子安定器(Electronics Ballast)以提供穩定之交流電源驅動。
雷射二極體,目前主要應用在醫療、量測與定位等用途;由於上述用途的雷射二極體為低光學輸出功率(Optical Output Power),因此利用低功率的電源轉換器即可完成驅動之目的。然而,隨著雷射二極體之技術不斷的提高與演進,加上高亮度與遠距投射等照明需求增加,因此雷射二極體之電性規格已開始朝向高驅動電流,以及高光學輸出功率發展。目前已有歐洲與日本車廠將雷射二極體應用於汽車領域,著手進行雷射頭燈(Laser Headlamp)之開發。
雷射(Light Amplification by Simulated Emission Radiation,Laser)是藉由激發散射的輻射以實現光線放大作用而產生的一種光線。現有雷射振盪器的結構(Laser Oscillator Structure)可分為固態雷射(Solid-State Laser)、氣體雷射(Gas Laser)、光纖雷射(Fiber Laser)與半導體雷射(Semiconductor Laser)。當雷射二極體在順向偏壓操作下,藉由增加其驅動電流,可提高其散發之光線(Beam);因此隨著驅動電流的增加,n型半導體內的電子注入到p型半導體,並利用異質絕緣介面(Hetero Isolation Junction)之寬能隙(Wide Band Gap),令絕大部分的電子限制在p型半導體內;因此藉由此載子流限制(Carrier Confinement)的方式,可增加粒子數反轉(Population Inversion)的機率,藉此提高光線放射密度(Light Emission Intensity)。
雷射二極體具有高單色性(High Monochromaticity)、高指向性(High Directionality)、高同調性(High Coherence)與高能量密度(High Energy Density)等特性。目前歐日車廠所開發之車載雷射頭燈,係採用半導體雷射。
中國專利第CN105472834A號,揭示一種點燈電路及使用該點燈電路的車輛用燈具,該點燈電路可對光源之驅動電流進行過電流抑制。該點燈電路具有一過電流保護(OCP)電路,並藉由一電流感測器偵測發光元件之驅動電流,進而輸入一比較器與一驅動電流參考命令進行比較,當發光元件之驅動電流超過所需之電流臨界值時,比較器之輸出準位即可改變,俾使與光源串接之電晶體為截止狀態,截斷光源之驅動電源。
中華民國專利第M469132號,揭示一種電路驅動補償的串聯式高功率雷射裝置。該裝置包含複數顆串聯之雷射二極體,且分別利用複數組光強度感測器,接收來自相對應的複數雷射二極體所發出的雷射,並將雷射的訊號轉為電壓訊號。該裝置利用一控制器,連接該些光強度感測器,接收來自該些光強度感測器的電壓訊號,並經過判讀後,該控制器可針對每顆雷射二極體提供一補償值,並利用此補償值調變該些溫度控制器的溫度,藉此可讓每顆雷射二極體所發出的雷射光輸出量能夠保持一致。
中華民國專利第I223931號,揭示一種用於光學收發器之自動功率控制電路結構。自動功率控制電路結構包括一光感測器,用於感測雷射二極體之發光,並將感測到的雷射二極體的光能量轉換成光電流;一運算放大器,連接成負回授形式,其輸出端係與雷射二極體耦接,運算放大器之反相輸入端,係與光感測器耦接;運算放大器之非反相輸入端,係與一參考電壓耦接;以及一溫度補償電路,係耦接至運算放大器的輸入端之一,用於使運算放大器之輸入電壓其中之一隨溫度變化,藉此補償與追蹤因溫度而改變的雷射光學輸出功率。
中華民國專利第I473388號,揭示一種電流補償模組、充電裝置及其充電裝置控制之方法。電流補償模組係用以控制輸出至電池模組之充電電流。電流補償模組包括加成點、轉態單元、比例函數控制單元及積分函數控制單元。轉態單元使電流補償模組之內部訊號從第一電壓值開始增加。當內部訊號之電壓值上升到達第二電壓值,比例函數控制單元係開始產生比例控制訊號,以調整充電裝置輸出之充電電流。當充電電流之電流值到達額定電流值時,積分函數控制單元係藉由轉態單元來得以與比例函數控制單元共同產生比例積分控制訊號,以輸出固定電流值之充電電流。此案所提之控制技術主要應於電池組之充電裝置,固可穩定電池之充電電流,以及消除起動時期之電流突波。
雷射二極體之光學輸出功率與其驅動電流成線性比例之關係。然而,上述之雷射二極體驅動裝置,皆未針對雷射二極體之驅動電流,提供一電流回授控制電路,進行該驅動電流之補償。其次,雷射二極體驅動裝置須具備固定電壓輸出模式與固定電流輸出模式,以完成雷射二極體起動與驅動之目的。當雷射二極體驅動裝置在起動初期,由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,將會產生電流突波。然而,無論在研究論文或專利文獻,鮮少探討此狀況並藉由控制策略將其改善。因此本發明人有鑑於習知技術未對雷射二極體之驅動電流進行補償,以維持驅動電流與光學輸出功率的穩定,以及雷射二極體驅動裝置在固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,減緩驅動裝
置所產生之電流突波。職是之故,申請人鑑於習知技術之缺失,乃亟思改良創新之見,以改善上述之缺失。故發明一種可實現之高功率雷射二極體驅動裝置,及其驅動裝置之驅動與控制方法,以解決先前技術的缺失。
本發明人有鑑於習知技術皆未針對雷射二極體之驅動電流,執行該驅動電流之補償,以及無法改善起動電流突波之缺失,乃積極著手進行開發,以期可以改進上述既有之缺點,經過不斷地試驗及努力,終於開發出本發明。
本發明之第一目的,係提供一種高功率雷射二極體之驅動裝置。本發明之第二目的,係提供一種雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法。
為了達成上述之目的,本發明之高功率雷射二極體之驅動裝置,係包括一安規電路(Safety-Standard Circuit)、一直流-直流轉換器(DC-DC Converter)與一回授控制器(Feedback Controller)。
該回授控制器具有一分壓電路(Voltage Divider)、一電流-電壓轉換器(Current-Voltage Converter)、一信號放大器(Signal Amplifier)、一電流回授控制器(Current Feedback Controller)以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)Controller)。
該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器內部具有一電壓回授控制器(Voltage Feedback Controller)、一柔性起動模組(Soft-Start Module)與一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)Module)。
該高功率雷射二極體驅動裝置所連接之電源輸入,在本發明中係為車載電池,但本發明不限於車載電池之輸入電源形式,該高功率雷射二極體驅動裝置之輸出端連接一高功率雷射二極體組,該高功率雷射二極體組包括複數顆高功率雷射二極體,本發明之高功率雷射二極體組係串接三顆高功率雷射二極體,但不限於其串並聯形式與串並聯個數。
該安規電路之輸入端連接於車載電池,輸出端連接於直流-直流轉換器之輸入端。
該直流-直流轉換器之輸出端連接於該高功率雷射二極體組。
該回授控制器具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端與一輸出端。第一輸入端連接直流-直流轉換器之正電壓輸出端偵測其輸出電壓。第二輸入端連接直流-直流轉換器之負電壓輸出端,第三輸入端連接該高功率雷射二極體組其一之高功率雷射二極體之陰極(Cathode)端,第二輸入端與第三輸入端配合回授控制器內部之電流-電壓轉換器,偵測該高功率雷射二極體組之驅動電流。
該回授控制器之分壓電路具有一輸入端與一輸出端。分壓電路之輸入端連接於直流-直流轉換器之正電壓輸出端,分壓電路之輸出端連接於脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器之第一輸入端。利用分壓電路即可取得直流-直流轉換器之輸出電壓,經由分壓之後輸入脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器內之電壓回授控制器。
該回授控制器之電流-電壓轉換器具有第一輸入端、第二輸入端與一輸出端。第一輸入端連接直流-直流轉換器之負電壓輸出端。第二輸入端連接該高功率雷射二極體組其一之高功率雷射二極體之陰極端,第一輸入端與第二輸入可偵測高功率雷射二極體組之驅動電流,並將其轉換為電壓信號輸入信號放大器。輸出端連接信號放大器。
該回授控制器之信號放大器具有一輸入端與一輸出端。信號放大器之輸入端連接於電流-電壓轉換器之輸出端,信號放大器之輸出端連接於電流回授控制器之輸入端。該信號放大器之目的,係為接收電流-電壓轉換器之電壓信號,並放大該電壓信號後輸入電流回授控制器。
本發明之另一目的,係提供一種可變控制技術之電流回授控制器,並揭示第一與第二可變控制技術之電流回授控制器。
為了達成上述之目的,本發明揭示第一可變控制技術之電流回授控制器,包括一開關、一比例(Proportional)控制模組與一比例積分(Proportional-Integral)控制模組。
本發明揭示第二可變控制技術之電流回授控制器,更包括一開關、一比例微分(Proportional-Differential,PD)控制模組與一比例積分控制模組。
第一可變控制技術之電流回授控制器之開關,具有一共接點、第一端點與第二端點。開關之共接點連接信號放大器之輸出端,第一端點連接電流回授控制器之比例控制模組,第二接點連接電流回授控制器之比例積分控制模組。
該比例控制模組具有一輸入端與一輸出端。比例控制模組之輸入端連接開關之第一端點,比例控制模組之輸出端連接脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器之第二輸入端。
第二可變控制技術之電流回授控制器之開關,具有一共接點、第一端點與第二端點。開關之共接點連接信號放大器之輸出端,第一端點連接電流回授控制器之比例微分控制模組,第二接點連接電流回授控制器之比例積分控制模組。
比例微分控制模組具有一輸入端與一輸出端。比例微分控制模組之輸入端連接開關之第一端點,比例微分控制模組之輸出端連接脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器之第二輸入端。
該比例積分控制模組具有一輸入端與一輸出端。比例積分控制模組之輸入端連接開關之第二端點,該比例積分控制模組之輸出端連接脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器之第二輸入端。
該電流回授控制器在高功率雷射二極體驅動裝置之起動初期,可分為第一階段、第二階段與第三階段操作。
在起動初期之第一階段,高功率雷射二極體驅動裝置為柔性起動與固定電壓輸出模式,高功率雷射二極體驅動裝置由電壓回授控制器與柔性起
動模組所控制。柔性起動模組可有效抑制高功率雷射二極體驅動裝置之輸出電壓突波。
在起動初期之第二階段,高功率雷射二極體驅動裝置將由固定電壓輸出模式,轉態為固定電流輸出模式,高功率雷射二極體驅動裝置由電流回授控制器所控制;起動初期之第二階段電流回授控制器,可使用比例控制模組,可增快電流回授控制器之暫態控制速度,藉此可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波。
其次,起動初期之第二階段電流回授控制器,可使用比例微分控制模組,相較於採用比例控制模組,電流回授控制器之暫態響應速度更加快速,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著。
起動初期之第三階段,高功率雷射二極體驅動裝置進入固定電流輸出模式操作,因此電流回授控制器使用比例積分控制模組,藉此在穩態操作下,降低高功率雷射二極體驅動電流之穩態誤差,提供高功率雷射二極體所需之穩態驅動電流。
為了達成上述之目的,本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,係包括下列步驟:步驟A:提供一高功率雷射二極體驅動裝置,該高功率雷射二極體驅動裝置具有一安規電路、一直流-直流轉換器與一回授控制器,該回授控制器包括一分壓電路、一電流-電壓轉換器、一信號放大器、一電流回授控制器以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器,該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器係包含一電壓回授控制器、一柔性起動模組與一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組;該電流回授控制器可採用第一可變控制技術,使用一開關、一比例控制模組以及一比例積分控制模組;該電流回授控制器採用第二可變控制技術,使用一開關、一比例微分控制模組以及一比例積分控制模組;
步驟B:利用該高功率雷射二極體驅動裝置產生至少一高功率雷射二極體之一驅動電壓與一驅動電流;步驟C:利用該回授控制器之分壓電路,量測該等高功率雷射二極體之驅動電壓,並在分壓之後,輸入該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器內部之電壓回授控制器;步驟D:利用該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器內部之電壓回授控制器,以產生電壓誤差命令,藉此控制脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器內部之脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組,調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號,進而控制直流-直流轉換器之輸出電壓,以完成控制高功率雷射二極體驅動電壓之目的;步驟E:利用該回授控制器之電流-電壓轉換器,量測該高功率雷射二極體之驅動電流,並將所量測之電流轉換為電壓信號;步驟F:利用該回授控制器之信號放大器,接收該電流-電壓轉換器所轉換之電壓信號,並放大該電壓信號;步驟G:信號放大器輸出之電壓信號輸入該電流回授控制器,利用比例積分控制技術,以產生一電流誤差命令;步驟H:該電流誤差命令輸入該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器,控制該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號,進而控制該直流-直流轉換器之輸出電流,以完成控制高功率雷射二極體驅動電流之目的;步驟I:在高功率雷射二極體之起動初期,藉由柔性起動模組控制該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組,調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號,藉此讓該直流-直流轉換器之輸出電壓
緩升到達高功率雷射二極體之起動電壓,以完成柔性起動之目的,藉此避免電壓突波產生。
本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,更包括第一實施例為步驟J:在起動初期,且由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,該電流回授控制器使用比例控制切換比例積分控制之技術,當電流回授控制器為比例控制時,可增快該電流回授控制器之暫態期間響應速度,藉此可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置所輸出的電流突波。
本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,更包括第二實施例為步驟K:該電流回授控制器可使用比例微分控制切換比例積分控制之技術,相較於採用比例控制模組,電流回授控制器之暫態響應速度更加快速,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著。
步驟L:當該裝置進入固定電流輸出模式操作後,該電流回授控制器則切換為比例積分控制,藉此提供穩態操作下所需之低頻增益與相位邊限,進而穩定高功率雷射二極體之驅動電流。
(1)‧‧‧高功率雷射二極體驅動裝置
(10)‧‧‧安規電路
(11)‧‧‧直流-直流轉換器
(111)‧‧‧直流-直流轉換器之正電壓輸出端
(112)‧‧‧直流-直流轉換器之負電壓輸出端
(12)‧‧‧回授控制器
(1200)‧‧‧回授控制器之第一輸入端
(1212)‧‧‧回授控制器之第二輸入端
(1213)‧‧‧回授控制器之第三輸入端
(120)‧‧‧分壓電路
(121)‧‧‧電流-電壓轉換器
(12120)‧‧‧電流-電壓轉換器之第一輸入端
(12130)‧‧‧電流-電壓轉換器之第二輸入端
(1211)‧‧‧電流-電壓轉換器之輸出端
(122)‧‧‧信號放大器
(123‧‧‧電流回授控制器
(1230)‧‧‧開關
(1231)‧‧‧比例控制模組
(1232)‧‧‧比例積分控制模組
(1233)‧‧‧比例微分控制模組
(124)‧‧‧脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器
(1240)‧‧‧電壓回授控制器
(1241)‧‧‧柔性起動模組
(1242)‧‧‧脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組
(1243)‧‧‧脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組之第一輸入端
(1244)‧‧‧脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組之第二輸入端
(1245)‧‧‧脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組之輸出端(脈衝
寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號)
(2)‧‧‧雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法
200‧‧‧步驟
201‧‧‧步驟
202‧‧‧步驟
203‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
205‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
207‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
209‧‧‧步驟
210‧‧‧步驟
(3)‧‧‧車載電池
(4)‧‧‧高功率雷射二極體組
(41)‧‧‧高功率雷射二極體組其中一高功率雷射二極體之陰極端
(p1)‧‧‧開關第一位置
(p2)‧‧‧開關第二位置
圖1係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之系統架構圖;圖2係為一般高功率雷射二極體驅動裝置之回授控制器之電路方塊圖;圖3係為一般高功率雷射二極體驅動裝置搭配回授控制器之輸出電壓與電流示意圖;圖4係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之回授控制器之第一實施例之電路方塊圖;圖5係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之回授控制器之第二實施例之電路方塊圖;圖6係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置搭配回授控制器之第一與第二實施例之輸出電壓與電流示意圖;圖7係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法之步驟流程圖;
圖8係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法之第一實施例之步驟流程圖;以及圖9係為本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法之第二實施例之步驟流程圖。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的,茲配合圖式將本發明之較佳實施例,詳細說明如下。
請參考圖1所示,本發明之高功率雷射二極體驅動裝置(1),該高功率雷射二極體驅動裝置(1)之輸出端係連接一高功率雷射二極體組(4),該高功率雷射二極體組(4)包括複數顆高功率雷射二極體,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)係包括一安規電路(10)、一直流-直流轉換器(11)與一回授控制器(12)。
在本發明之實施例中,所定義之高功率雷射二極體其電性操作功率係大於1瓦特,但本發明不限於採用其它功率之雷射二極體。
該安規電路(10)之輸入端連接於一車載電池(3)。
該直流-直流轉換器(11)係與該安規電路(10)之輸出端連接,該直流-直流轉換器(11)之輸出端連接於該高功率雷射二極體組(4),該直流-直流轉換器(11)之拓樸採用升降壓轉換器,實現降壓、升壓、降升壓與升降壓之操作,藉此因應輸入電源之電壓變動,俾使升降壓轉換器操作於升壓或降壓模式,進而轉換該高功率雷射二極體組(4)所需之驅動電源。
請參考圖1所示,該回授控制器(12)具有一第一輸入端(1200)、一第二輸入端(1212)、一第三輸入端(1213)端與一輸出端(1245),該第一輸入端(1200)連接直流-直流轉換器(11)之正電壓輸出端(111)偵測其輸出電壓,該第二輸入端(1212)連接直流-直流轉換器(11)之負電壓輸出端(112),該第三輸入端(1213)連接該高功率雷射二極體組(4)其一之高功率雷射二極體之陰極端(41)。請參考圖2所示,該回授控制器(12)係包括一分壓電路(120)、一電流-電壓轉換器
(121)、一信號放大器(122)、一電流回授控制器(123)以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)。
該分壓電路(120)具有一輸入端與一輸出端,該分壓電路(120)之輸入端係為該回授控制器(12)之該第一輸入端(1200),該分壓電路(120)之輸入端連接於該直流-直流轉換器(11)之正電壓輸出端(111)。
該電流-電壓轉換器(121)具有第一輸入端(12120)、第二輸入端(12130)與一輸出端(1211),該電流-電壓轉換器(121)之該第一輸入端(12120)係為回授控制器(12)之該第二輸入端(1212),該電流-電壓轉換器(121)之該第一輸入端(1212)連接該直流-直流轉換器(11)之負電壓輸出端(112);該電流-電壓轉換器(121)之該第二輸入端(12130)係為回授控制器(12)之該第三輸入端(1213),該電流-電壓轉換器(121)之該第二輸入端(1213)連接該高功率雷射二極體組(4)其一之高功率雷射二極體之陰極端(41),該電流-電壓轉換器(121)之該第一輸入端(1212)與該第二輸入端(1213)偵測該高功率雷射二極體組(4)之驅動電流,並轉換為一電壓信號。
該信號放大器(122)具有一輸入端與一輸出端,該信號放大器(122)之輸入端連接於該電流-電壓轉換器(121)之輸出端(1211),該信號放大器(122)接收該電流-電壓轉換器(121)產生之電壓信號,並放大該電壓信號。
該電流回授控制器(123)具有一輸入端與一輸出端,該電流回授控制器(123)之輸入端連接於該信號放大器(122)之輸出端,接收該信號放大器(122)所放大之電壓信號;當高功率雷射二極體驅動裝置(1)在固定電流輸出模式時,利用比例積分控制技術,提供高功率雷射二極體之驅動器所需之低頻增益與相位邊限,穩定該高功率雷射二極體組(4)之驅動電流。
該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)內部具有一電壓回授控制器(1240)、一柔性起動模組(1241)與一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(1242),該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)之第一輸入端(1243)連接該分壓電路
(120)之輸出端,利用該分壓電路(120)即可取得該直流-直流轉換器(11)之輸出電壓Vo,經由分壓之後輸入該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)內之電壓回授控制器(1240)。
該高功率雷射二極體驅動裝置(1)所連接之電源輸入,係為一車載電池(3),該高功率雷射二極體驅動裝置(1)之輸出端連接該高功率雷射二極體組(4)。
請參考圖2與圖3所示,系統在穩態操作下,電壓回授控制器(1240)與電流回授控制器(123),利用比例積分控制技術,可滿足該高功率雷射二極體驅動裝置(1)輸出在穩態操作下所需的穩定度,以及減小高功率雷射二極體驅動電源之穩態誤差。然而,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)在起動初期為了防止暫態電壓突波損壞高功率雷射二極體,因此利用該柔性起動模組(1241),藉此緩升該高功率雷射二極體驅動裝置(1)之輸出電壓,以到達該高功率雷射二極體組(4)所需之起動電壓Vst。其次,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)之輸出,由固定電壓輸出轉態為固定電流輸出時,柔性起動技術卻無法抑制暫態電流突波Iovcp;而且Iovcp超出高功率雷射二極體驅動電流之額定規格,則會造成該高功率雷射二極體組(4)之操作壽命逐漸減少,甚至損壞。
請參考圖1、圖4與圖6所示,在本發明之該電流回授控制器(123)之第一實施例中,該電流回授控制器(123)具有可變控制技術之功能,係包括一開關(1230),一比例控制模組(1231)與一比例積分控制模組(1232)。
請參考圖1、圖5與圖6所示,在本發明之該電流回授控制器(123)之第二實施例中,該電流回授控制器(123)具有可變控制技術之功能,係包括一開關(1230),一比例微分控制模組(1233)與一比例積分控制模組(1232)。
請參考圖4與圖5所示,該開關(1230)具有一共接點、第一端點(p1)與第二端點(p2),該開關(1230)之共接點連接該信號放大器(122)之輸出端。
該比例控制模組(1231)具有一輸入端與一輸出端,該比例控制模組(1231)之輸入端連接該開關(1230)之第一端點(p1),該比例控制模組(1231)之輸
出端連接該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)之第二輸入端(1244)。
請參考圖5所示,在本發明之另一實施例中,該比例微分控制模組(1233)具有一輸入端與一輸出端,該比例微分控制模組(1233)之輸入端連接該開關(1230)之第一端點(p1),該比例微分控制模組(1233)之輸出端連接該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)之第二輸入端(1244)。
該比例積分控制模組(1232)具有一輸入端與一輸出端,該比例積分控制模組(1232)之輸入端連接該開關(1230)之第二端點(p2),該比例積分控制模組(1232)之輸出端連接該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)之第二輸入端(1244)。
請參考圖1、圖2、圖4以、圖5及圖6所示,該電流回授控制器(123)在該高功率雷射二極體驅動裝置(1)之起動初期,可分為第一階段、第二階段與第三階段。
在起動初期之第一階段,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)由該電壓回授控制器(1240)與該柔性起動模組(1241)所控制。
在起動初期之在第二階段,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)由該電流回授控制器(123)所控制;第二階段該電流回授控制器(123)使用比例控制模組(1231),可增快該電流回授控制器(123)之暫態響應速度,藉此可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置(1)輸出之暫態電流突波。
在起動初期之第二階段該電流回授控制器(123)使用比例微分控制模組(1233),相較於採用比例控制模組,該電流回授控制器(123)之暫態控制速度更加快速,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著。
在起動初期之第三階段,該高功率雷射二極體驅動裝置(1)進入固定電流輸出模式操作,因此該電流回授控制器(123)使用該比例積分控制模組(1232),藉此在穩態操作下,減小高功率雷射二極體驅動電流之穩態誤差。
在本發明之實施例中,該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)可藉由一分離的(Discrete)脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)積體電路來實現。
在本發明之實施例中,該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)可藉由一數位脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制來實現。
請參考圖2、圖4與圖5所示,在本發明之實施例中,該電流回授控制器(123)可藉由一類比控制來實現。
在本發明之實施例中,該電流回授控制器(123)可藉由一數位控制來實現。
請參考圖1、圖2、圖3及圖7所示,一般之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法(2),係包括下列步驟:步驟200:提供一高功率雷射二極體驅動裝置(1),該高功率雷射二極體驅動裝置(1)具有一安規電路(10)、一直流-直流轉換器(11)與一回授控制器(12),該回授控制器(12)包括一分壓電路(120)、一電流-電壓轉換器(121)、一信號放大器(122)、一電流回授控制器(123)以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124);該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)係包含一電壓回授控制器(1240)、一柔性起動模組(1241)與一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(1242);步驟201:利用該高功率雷射二極體驅動裝置(1)產生一高功率雷射二極體所需之一驅動電壓與一驅動電流;
步驟202:利用該回授控制器(12)之分壓電路(120),量測該高功率雷射二極體之驅動電壓,並在分壓之後,輸入該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)內部之電壓回授控制器(1240);步驟203:利用該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)內部之電壓回授控制器(1240),以產生電壓誤差命令,藉此控制該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)內部之脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(1242),調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號(1245),進而控制該直流-直流轉換器(11)之輸出電壓,以完成控制高功率雷射二極體驅動電壓之目的;步驟204:利用該回授控制器(12)之電流-電壓轉換器(121),量測該高功率雷射二極體之驅動電流,並將所量測之電流轉換為電壓信號;步驟205:利用該回授控制器(12)之信號放大器(122),接收該電流-電壓轉換器(121)所轉換之電壓信號,並放大該電壓信號;步驟206:信號放大器(122)輸出之電壓信號輸入該電流回授控制器(123),利用比例積分控制技術,以產生一電流誤差命令;步驟207:該電流誤差命令輸入該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124),控制該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(1242)調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號(1245),進而控制該直流-直流轉換器(11)之輸出電流,以完成控制高功率雷射二極體驅動電流之目的;步驟208:在高功率雷射二極體之起動初期,藉由柔性起動模組(1241)控制該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)模組(1242),調變脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)驅動信號,藉此讓該直流-直流轉換器(11)之輸出電壓緩升到達高功率雷射二極體之起動電壓,以完成柔性起動之目的,藉此避免電壓突波產生。
請參考圖1、圖4、圖6及圖8所示,在本發明之電流回授控制器(123)之第一實施例中,本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法(2),如步驟209:在高功率雷射二極體起動初期,高功率雷射二極體驅動裝置由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,該電流回授控制器(123)使用比例控制切換為比例積分控制之技術,當電流回授控制器(123)採用比例控制時,增快該電流回授控制器(123)之暫態響應速度,藉此可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置(1)產生之電流突波;當高功率雷射二極體驅動裝置(1)進入固定電流輸出模式操作後,該電流回授控制器(123)則使用比例積分控制技術,藉此提供固定電流輸出模式操作下,所需之低頻增益與相位邊限,進而穩定高功率雷射二極體之驅動電流。
請參考圖1、圖5、圖6及圖9所示,在本發明之電流回授控制器(123)之第二實施例中,本發明之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法(2),如步驟210:在高功率雷射二極體起動初期,高功率雷射二極體驅動裝置由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,該電流回授控制器(123)使用比例微分控制切換為比例積分控制之技術,當電流回授控制器(123)採用比例微分控制時,增快該電流回授控制器(123)之暫態響應速度,亦可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置(1)產生之電流突波;當高功率雷射二極體驅動裝置(1)進入固定電流輸出模式操作後,該電流回授控制器(123)則使用比例積分控制技術,藉此提供固定電流輸出模式操作下,所需之低頻增益與相位邊限,進而穩定高功率雷射二極體之驅動電流。
在本發明之實施例中,該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)可藉由一分離的脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)積體電路來實現。
在本發明之實施例中,該脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器(124)可藉由一數位脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制來實現。
請參考圖2、圖4與圖5所示,在本發明之實施例中,該電流回授控制器(123)可藉由一類比控制來實現。
在本發明之實施例中,該電流回授控制器(123)可藉由一數位控制來實現。
本發明與中華民國專利第I473388號之差異,如下所述:第一,本發明之負載為高功率雷射二極體,中華民國專利第I473388號之負載為電池組。第二,進行回授控制分析時,本發明之高功率雷射二極體可視為電阻性負載,而中華民國專利第I473388號則須視為電容性負載;經由實驗驗證,本發明所提之驅動裝置及其驅動與控制方法,確實可應用於高功率雷射二極體之起動與驅動,並可以抑制起動時之暫態電流突波。第三,本發明利用比例控制切換比例積分控制技術,可完成高功率雷射二極體之起動暫態電流突波抑制,以及穩態驅動電流控制之目的,因此不同於中華民國專利第I473388號應用在電池充電器。第四,本發明又提出一種利用比例微分控制切換比例積分控制技術,同樣可實現高功率雷射二極體之暫態電流突波抑制,以及穩態驅動電流控制之目的,且抑制暫態電流突波之效果,更勝於採用比例控制切換比例積分控制技術。
本發明並非所屬技術領域中之人士所能輕易思及而達成者,實具有新穎性以及進步性無疑。透過上述之詳細說明,充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性,極具產業之利用性價值,且為目前市面上前所未見之新發明,完全符合發明專利要件,爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已,當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾,皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內,謹請 貴審查委員明鑑,並祈惠准,是所至禱。
Claims (10)
- 一種高功率雷射二極體驅動裝置,該高功率雷射二極體驅動裝置之輸出端係連接一高功率雷射二極體組,該高功率雷射二極體組包括複數顆高功率雷射二極體,該高功率雷射二極體之驅動裝置係包括:一安規電路,其輸入端連接於一車載電池;一直流-直流轉換器,係與該安規電路之輸出端連接,該直流-直流轉換器之輸出端連接於該高功率雷射二極體組,該直流-直流轉換器之拓樸採用升降壓轉換器,實現降壓、升壓、降升壓與升降壓之操作,藉此因應輸入電源之電壓變動,俾使升降壓轉換器操作於升壓或降壓模式,進而轉換該高功率雷射二極體組所需之驅動電源;以及一回授控制器,具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第三輸入端與一輸出端,該第一輸入端連接直流-直流轉換器之正電壓輸出端偵測其輸出電壓,該第二輸入端連接直流-直流轉換器之負電壓輸出端,該第三輸入端連接該高功率雷射二極體組其中一高功率雷射二極體之陰極端,該第二輸入端與該第三輸入端配合該回授控制器內部之電壓-電流轉換器,偵測該高功率雷射二極體組之驅動電流,該回授控制器係包括:一分壓電路,具有一輸入端與一輸出端,該分壓電路之輸入端連接於該直流-直流轉換器之正輸出端;一電流-電壓轉換器,具有第一輸入端、第二輸入端與一輸出端,該第一輸入端連接該直流-直流轉換器之負電壓輸出端,該第二輸入端連接該高功率雷射二極體組其中一高功率雷射二極體之陰極端,該第一輸入端與該第二輸入端配合該回授控制器之第二輸入端與第三輸入端,偵測該高功率雷射二極體組之驅動電流,並轉換為一電壓信號;一信號放大器,具有一輸入端與一輸出端,該信號放大器之輸入端連接於該電流-電壓轉換器之輸出端,該信號放大器接收電流-電壓轉換器之輸出電壓信號,並放大該電壓信號; 一電流回授控制器,其輸入端連接於該信號放大器之輸出端,接收信號放大器之輸出電壓信號,使用比例控制切換比例積分控制技術,可讓驅動器在固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,有效降低起動時之暫態電流突波,確保該高功率雷射二極體組可在額定之電性規格下進行起動,避免過電流驅動造成損壞;該電流回授控制器,使用比例微分控制切換比例積分控制技術,相較於採用比例控制切換比例積分控制技術,電流回授控制器之暫態響應之控制速度更加快速,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著;以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器,包含一電壓回授控制器、一柔性起動模組與一脈衝寬度調變(PWM)模組,該脈衝寬度調變(PWM)控制器之第一輸入端連接該分壓電路之輸出端,利用該分壓電路即可取得該直流-直流轉換器之輸出電壓,經由分壓之後輸入該脈衝寬度調變(PWM)控制器內之電壓回授控制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率雷射二極體之驅動裝置,其中該可變控制技術之電流回授控制器更包括:一開關,具有一共接點、第一端點與第二端點,該開關之共接點連接信號放大器之輸出端;一比例控制模組,具有一輸入端與一輸出端,該比例控制模組之輸入端連接該開關之第一端點,該比例控制模組之輸出端連接該脈衝寬度調變(PWM)控制器之第二輸入端;以及一比例積分控制模組,具有一輸入端與一輸出端,該比例積分控制模組之輸入端連接該開關之第二端點,該比例積分控制模組之輸出端連接該脈衝寬度調變(PWM)控制器之第二輸入端;該電流回授控制器在該高功率雷射二極體驅動裝置之起動初期,可分為第一階段、第二階段與第三階段; 第一階段該高功率雷射二極體驅動裝置為固定電壓輸出與柔性起動模式,該雷射二極體驅動裝置由該電壓回授控制器與柔性起動模組所控制;在第二階段,該雷射二極體驅動裝置由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式,該雷射二極體驅動裝置由該電流回授控制器所控制;第二階段該電流回授控制器使用該比例控制模組,可增快該電流回授控制器之暫態控制速度,藉此可有效減小該雷射二極體驅動裝置輸出之暫態電流突波;在第三階段,該高功率雷射二極體驅動裝置進入固定電流輸出模式操作,因此該電流回授控制器使用該比例積分控制模組,藉此在穩態操作下降低高功率雷射二極體驅動電流之穩態誤差。
- 如申請專利範圍第1項所述之高功率雷射二極體之驅動裝置,其中該可變控制技術之電流回授控制器更包括:一開關,具有一共接點、第一端點與第二端點,該開關之共接點連接信號放大器之輸出端;一比例微分控制模組,具有一輸入端與一輸出端,該比例控制模組之輸入端連接該開關之第一端點,該比例微分控制模組之輸出端連接該脈衝寬度調變(PWM)控制器之第二輸入端;一比例積分控制模組,具有一輸入端與一輸出端,該比例積分控制模組之輸入端連接該開關之第二端點,該比例積分控制模組之輸出端連接該脈衝寬度調變(PWM)控制器之第二輸入端;該電流回授控制器在該高功率雷射二極體驅動裝置之起動初期,可分為第一階段、第二階段與第三階段;在第一階段該高功率雷射二極體驅動裝置為固定電壓輸出與柔性起動模式,該雷射二極體驅動裝置由該電壓回授控制器與柔性起動模組所控制;在第二階段該電流回授控制器可使用該比例微分控制模組,一電流回授控制器,使用比例微分控制切換比例積分控制技術,相較於採用比例控制切換比 例積分控制技術,電流回授控制器之暫態響應之控制速度更加快速,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著;在第三階段,該高功率雷射二極體驅動裝置進入固定電流輸出模式操作,因此該電流回授控制器使用該比例積分控制模組,藉此在穩態操作下降低高功率雷射二極體驅動電流之穩態誤差。
- 如申請專利範圍第1項或第2項或第3項所述之高功率雷射二極體驅動裝置,其中該電流回授控制器係藉由一類比電路或一數位控制來實現,該脈衝寬度調變(PWM)控制器係藉由一分離的脈衝寬度調變(PWM)積體電路或一數位脈衝寬度調變(PWM)控制來實現。
- 一種高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,係包括步驟:步驟A:提供一高功率雷射二極體驅動裝置,該高功率雷射二極體驅動裝置具有一安規電路、一直流-直流轉換器與一回授控制器,該回授控制器包括一分壓電路、一電流-電壓轉換器、一信號放大器、一電流回授控制器以及一脈衝寬度調變(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)控制器,該脈衝寬度調變(PWM)控制器係包含一電壓回授控制器、一柔性起動模組與一脈衝寬度調變(PWM)模組;步驟B:利用該高功率雷射二極體驅動裝置,產生一高功率雷射二極體所需之一驅動電壓與一驅動電流;步驟C:利用該回授控制器之分壓電路,量測該高功率雷射二極體之驅動電壓,並在分壓之後,輸入該脈衝寬度調變(PWM)控制器內部之電壓回授控制器;步驟D:利用該脈衝寬度調變(PWM)控制器內部之電壓回授控制器,以產生電壓誤差命令,藉此控制該脈衝寬度調變(PWM)控制器內部之脈衝寬度調變(PWM)模組,調變脈衝寬度調變(PWM)驅動信號,進而控制該直流-直流轉換器之輸出電壓,以完成控制高功率雷射二極體驅動電壓之目的;步驟E:利用該回授控制器之電流-電壓轉換器,量測該高功率雷射二極體之驅動電流,並將所量測之電流轉換為電壓信號; 步驟F:利用該回授控制器之信號放大器,接收該電流-電壓轉換器所轉換之電壓信號,並放大該電壓信號;步驟G:信號放大器輸出之電壓信號輸入該電流回授控制器,利用比例積分控制技術,以產生一電流誤差命令;步驟H:該電流誤差命令輸入該脈衝寬度調變(PWM)控制器,控制該脈衝寬度調變(PWM)模組調變脈衝寬度調變PWM)驅動信號,進而控制該直流-直流轉換器之輸出電流,以完成控制高功率雷射二極體驅動電流之目的;以及步驟I:在高功率雷射二極體之起動初期,藉由柔性起動模組控制該脈衝寬度調變(PWM)模組,調變脈衝寬度調變(PWM)驅動信號,藉此讓該直流-直流轉換器之輸出電壓緩升到達高功率雷射二極體之起動電壓,以完成柔性起動之目的,藉此避免電壓突波產生。
- 如申請專利範圍第5項所述之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,其中,該電流回授控制器包括一開關、一比例控制模組以及一比例積分控制模組,該高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法更包括一步驟J:在高功率雷射二極體起動初期,高功率雷射二極體驅動裝置由固定電壓輸出模式轉變為固定電流輸出模式時,該電流回授控制器使用比例控制切換為比例積分控制之技術,當電流回授控制器採用比例控制時,增快該電流回授控制器之暫態響應速度,藉此可有效減緩高功率雷射二極體驅動裝置產生之電流突波。
- 如申請專利範圍第5項所述之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,其中,該電流回授控制器包括一開關、一比例微分控制模組以及一比例積分控制模組,該高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法更包括一步驟K:在高功率雷射二極體起動初期,高功率雷射二極體驅動裝置由固定電壓輸出模式轉態為固定電流輸出模式時,該電流回授控制器使用比例微分控制切換為比例積分控制之技術,當電流回授控制器採用比例微分控制時,增快電 流回授控制器之暫態響應速度,故抑制高功率雷射二極體驅動裝置所產生的暫態電流突波,效果更加顯著。
- 如申請專利範圍第5項或第6項或第7項所述之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,當高功率雷射二極體驅動裝置進入固定電流輸出模式操作後,該電流回授控制器則使用比例積分控制技術,藉此在固定電流輸出模式之穩態操作下,提供所需之低頻增益與相位邊限,進而穩定高功率雷射二極體之驅動電流。
- 如申請專利範圍第5項或第6項或第7項所述之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,其中該脈衝寬度調變(PWM)控制器係藉由一分離的脈衝寬度調變(PWM)積體電路或一數位脈衝寬度調變(PWM)控制來實現。
- 如申請專利範圍第5項或第6項或第7項所述之高功率雷射二極體驅動裝置之驅動與控制方法,其中該電流回授控制器係藉由一類比控制或一數位控制來實現。
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