半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)方案 - 全文

　　由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件，對于電沖擊的承受能力差，微小的電流波動(dòng)將導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化，這些變化直接危及器件的安全使用，因而在實(shí)際應(yīng)用中對驅(qū)動(dòng)電源的性能和安全保護(hù)有著很高的要求。在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)考慮對LD進(jìn)行安全有效保護(hù)，如防止浪涌沖擊，慢啟動(dòng)等問題。提出了可用于連續(xù)或脈沖輸出的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法。

　　1 電路結(jié)構(gòu)及原理

　　LD是依靠載流子直接注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對激光器的輸出有直接、明顯的影響，因此，LD驅(qū)動(dòng)電源需要為LD提供一個(gè)紋波小，毛刺少的穩(wěn)恒電流。該LD驅(qū)動(dòng)電源包括4部分：基準(zhǔn)電壓源，恒流源電路，脈沖控制電路，保護(hù)電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　1.1 基準(zhǔn)電壓源電路

　　基準(zhǔn)電壓源電路構(gòu)成如圖2所示，其作用是為恒流源電路提供一個(gè)高精度，低溫漂的電壓參考，同時(shí)，為電路中的集成電路(如光耦合器、運(yùn)算放大器、反相器等)提供穩(wěn)定工作電壓。

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　　LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路，輸出電壓范圍是1.2～37 V，負(fù)載電流最大為1.5 A，使用簡單。其工作過程如下：輸出電壓Vout通過R1、VQ1，對C2充電，開始時(shí)VQ1飽和導(dǎo)通，Vout最低(約1.5 V)。隨著C2上電壓的升高，VQ1逐漸退出飽和并趨于截止，Vout逐漸升高至額定電壓。改變R1、C2的常數(shù)可改變軟啟動(dòng)的時(shí)間。改變可變電阻R2的值，可調(diào)整輸出電壓Vout的值。VD1用于關(guān)機(jī)后使C2上的電荷快速泄放。其輸出電壓為：

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　　1.2 恒流源電路

　　為了實(shí)現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度，驅(qū)動(dòng)電路大多采用負(fù)反饋的控制方法，恒流控制原理如圖3所示。穩(wěn)流電路由基準(zhǔn)電壓電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、恒流輸出電路和反饋電路組成。電路工作時(shí)，基準(zhǔn)電壓經(jīng)過適當(dāng)放大后送入運(yùn)放A1的同相端，運(yùn)放A1控制VQ1基極電流的大小，從而獲得相應(yīng)的輸出電流，輸出電流在取樣電阻R上產(chǎn)生取樣電壓，該取樣電壓經(jīng)A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端，并與同相輸入端的電壓進(jìn)行比較，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對VQ1基極的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。

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　　輸出電流I與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓Vc的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到：

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　　式中，Vc為基準(zhǔn)電壓，Ra、Rb為反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻，R為取樣電阻，在理想情況下R、Ra、Rb恒定不變。

　　由式(2)可知，輸出電流I與基準(zhǔn)電壓Vc呈線性關(guān)系。

　　但在實(shí)際情況下電阻的溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性。對式(2)進(jìn)行全微分并化簡可得電流穩(wěn)定度的表達(dá)式：

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　　由于選取的取樣電阻R為歐姆級，而(Ra+Rb)為數(shù)十千歐姆級，因此有：μ2>μ1>μ3≈μ4，這說明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是取樣電阻的溫度系數(shù)和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定度。在本恒流源中，選用取樣電阻精度是0.1%，溫度系數(shù)是±2.5×10-5/℃，電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)小于1×10-6/℃。

　　1.3 脈沖控制電路

　　對許多LD應(yīng)用來說，有時(shí)希望脈沖輸出，因?yàn)槊}沖輸出時(shí)LD結(jié)發(fā)熱很小。LD工作在低占空比和短脈寬狀態(tài)時(shí)允許比CW電流電平高得多的脈沖電流電平，而且多數(shù)不需要制冷。

　　脈沖LD電源控制技術(shù)的關(guān)鍵在于對電流脈沖波形的控制，外控調(diào)制信號采用TTL方波，LD輸出跟隨控制信號以開關(guān)方式輸出。

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　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)脈沖控制接口電路，其原理圖如圖4所示。由非門單元，晶體管VQ3，光電耦合器組成。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，非門輸出低電壓，使光電耦合器截止，光電耦合器輸出低電平，使晶體管VQ3截止，VQ3集電極輸出高電平使VQ1、VQ2導(dǎo)通，LD正常工作;反之，光電耦合器導(dǎo)通，使VQ3導(dǎo)通，VQ3集電極輸出低電平，使VQl、VQ2截止，LD不工作。在沒有外控脈沖控制信號時(shí)，接口懸空，非門輸入高電平，輸出低電壓，光電耦合器不工作，晶體管VQ3截止，VQ3集電極為高電平，使VQ1導(dǎo)通，保證LD的正常連續(xù)發(fā)光。

　　1.4 保護(hù)電路

　　考慮到LD的易損性，在穩(wěn)流控制中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)也是很重要的一個(gè)方面。本設(shè)計(jì)中，選用供電電壓波動(dòng)較小，內(nèi)部具有慢啟動(dòng)、過流、過熱保護(hù)、尖峰電流限制功能的集成直流穩(wěn)壓器，只需在LD兩端反向并聯(lián)一個(gè)普通二極管以防止反向過壓，同時(shí)并聯(lián)小容量電容防止回路電流毛刺損壞管芯。

　　2 結(jié)果與分析

　　表l是該電路驅(qū)動(dòng)波長650 nm，功率200 mW的LD連續(xù)工作時(shí)，基準(zhǔn)電壓與輸出電流的測試結(jié)果，其電壓-電流關(guān)系如圖5所示。

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　　圖5結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓與輸出電流成正比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，可以改變LD的輸出功率，即LD輸出功率連續(xù)可調(diào)。

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　　圖6顯示了該驅(qū)動(dòng)電源輸出的脈沖波形。曲線Input為輸入控制脈沖信號，曲線Output為LD上電壓脈沖。結(jié)果表明：LD上電壓脈沖的上升和下降時(shí)間都很短，中間段電壓的穩(wěn)定使輸出電流恒定，恒定的電流幅度保證了LD輸出功率的穩(wěn)定。通過改變輸入脈沖的頻率、脈寬，可得到所需的LD激光脈沖信號。

　　3 結(jié)論

　　測試結(jié)果表明：1)驅(qū)動(dòng)波長范圍為650～980 nm：2)輸出功率0～300 mW連續(xù)可調(diào);3)連續(xù)或脈沖輸出可選。電源穩(wěn)定、可靠、控制簡單，功率連續(xù)可調(diào)，可廣泛地用于對半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源體積要求較小的應(yīng)用中。