二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現已成為固體激光器的發展主流,其轉換效率高,穩定性好、可靠性高,是迄今惟一不需維護的激光系統,具有輸出的光束質量高、體積小、結構緊湊等優點,已經獲得了廣泛的應用。二極管泵浦固體激光器設計中涉及許多關鍵技術,電源技術是其中之一,它涉及的主要問題是如何根據固體激光器的要求設計半導體激光二極管的驅動電源。半導體激光器驅動電源的基本要求是: 恒流源、電流穩定度高(至少應小于10-3)、紋波系數小、具有特殊的抗電沖擊措施和保護電路[1]。在實際項目中,二極管泵浦固體激光器用于機載導彈測距,采用808nm半導體大功率激光器作為泵浦源,要求驅動電源體積小,驅動電流2A,驅動方式為脈沖驅動,脈沖頻率和寬度獨立可調、蓄電池供電(5V左右)。目前許多的商用的或用于試驗研究的驅動電源很難完全滿足使用要求,因此為其設計簡單、方便、穩定、可靠的驅動電源具有重要的意義。
1電路結構及原理：
該半導體激光器驅動電源由脈沖電路、控制電路、穩流電路和保護電路的四部分組成,系統框圖如圖1所示。
1.1 穩流電路
在穩壓或穩流電源中,目前常用的是開關電源和線性電源,由于開關電源的瞬態響應較差、紋波系數較大[2],對瞬態特性和溫度度要求較高的半導體激光驅動電源采用線性電源較為合理。為了實現高的電流穩定度,驅動電路大多采用負反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為驅動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯一個采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經過I/U轉后,作為反饋電壓與設定電壓進行比較,進而通過調整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進行調整。整個閉環反饋系統處于動態平衡中,以達到穩定電流的目的。輸出電流If與設定的參考電壓Vref的關系可由負反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達,隨著負載的不同和輸入電壓的變化,輸出電流還是有微小的變化,但是由于前置放大器放大倍數很高,使得輸出電流變化很小,穩定度一般能達到10-5量級。
實際上,線形穩壓源和穩流源的結構原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負載的加載方式不同,譬如,在圖2中,如果負載也采樣電阻并行連接,圖2 就成了一個恒定輸出電壓為Vref的穩壓源。同樣的,基于這種方式的穩壓源稍加調整也可作為恒流源。目前,各種可調穩壓器集成芯片技術成熟,產品豐富,因此可以對這種芯片的功能進行擴展以滿足我們的設計要求。
考慮到實際應用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態響應,我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調穩壓芯片NCP5662,它的瞬態響應比同類穩壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達2A,具有內部電流限制和熱保護功能等,其功能框圖如圖3所示。圖3顯示的是其穩壓工作的情況,根據前面敘述的原理,對該集成電路進行擴展以將其設計成為一個穩定度很高的恒流源,幾種擴展方法中,實驗證明比較合理的工作方式如圖4所示。先不考慮圖中虛框內的電路,當加電之后,電路開始工作,進入穩態時,由于集成電路內部的反饋作用,R11兩端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩端的電壓始保持在 ,故流過R7兩端的電流Is由下式確定:
因此,改變R3、R11、R7可以靈活的調整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計算得到Is=2A,此恒定電流將流過激光二極管到地,由于 NCP5662內部的比較器具有很高的放大倍數,因此,電流的穩定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小于4mA,與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態響應特性,在實驗分析部分將詳細敘述。
1.2 脈沖控制電路
脈沖控制電路如圖4虛框所示,當脈沖控制信號Vpulse為低電平時,三極管Q1 截止,其集電極被電源電壓控制在高電平,二極管D5正向導通,因此NCP5662的ADJ端被強制在高電平,這個電平值必須高于恒定電流流過負載時ADJ端的電平值,讓R11兩端電壓遠遠高于0.9伏,使得NCP5662內部的功率晶體管截止,從而使流過LD的電流近似為零。因此,與激光二極管并聯的1K電阻R11的作用是防止截止狀態時激光二極管出現的高阻特性讓ADJ端的電平出現不穩定,當負載呈現一般的電阻特性時,R11可以不要。當Vpulse跳向高電平時,晶體管Q1的集電極電位轉向低電平,從而瞬間讓ADJ端電位很低,使得R11兩端電壓遠低于0.9伏,從而使NCP5662內部的功率晶體管導通, ADJ的電位開始上升,最后進入穩定工作階段, 恒定電流流過激光二極管。二極管D5也進入反偏狀態,起隔離作用,直到下一個低電平Vpulse控制信號的到來，如此反復，實現了大電流的快速開關，這主要得益于NCP5662的快速響應特性，其本質是因為其內部集成了高速放大器及高速功率放大晶體管。
脈沖控制電路是整個設計中最重要的地方,雖然還有其他方式可實現這一個功能,如在負載上串聯一個功率MOS開關,或在電源端串聯一個高邊MOS開關,但理論和實驗都證明了這兩種方式存在的問題,如電源的穩定性和響應特性都沒有圖4所示的工作方式好。
1.3 脈沖產生電路
圖4中的脈沖控制信號Vpulse來自脈沖產生電路[5],脈沖產生電路如圖5a和圖5b所示。
5a為該電源內部振蕩電路,由7555構成,四個與非門的作用是選通接受內部控制信號還是外部控制信號輸出到Vtrigger,Vtrigger 信號控制所需要的Vtrigger信號的頻率。圖5b是一個由555定時器構成的下降沿觸發的單穩電路。該單穩電路的特點是脈沖寬度與7555定時器5端的電壓成非常好的線形關系,這主要得益于應用了由放大器LM358和電容C6構成的自舉電路[6],因此,這就實現了獨立控制脈沖恒流源脈沖頻率和脈沖寬度的功能,脈沖寬度能接受外部電壓信號的控制,如來自溫度傳感器熱敏電阻上的電壓信號。
1.4 保護電路
由于半導體激光器對于電沖擊的承受能力很差,在使用過程中,出現較多的電沖擊是電源開啟或關斷過程中產生的電壓、電流浪涌沖擊。所以電源中必須采取保護措施,傳統的保護電路方式很多,如采用慢啟動電路、短路保護開關等。在該應用中,該電源是蓄電池供電,供電電壓波動較小,且選用的集成芯片內部具有慢啟動、熱保護、尖峰電流限制功能,因此只需在半導體激光二極管兩端反向并聯一個普通二極管以防止反向浪涌。
2試驗結果及分析
上述各個電路模塊都預先在Pspice A/D上進行了仿真和優化,最后制作了實物電路,試驗結果達到了預期的設想。當負載為純電阻1Ω、脈沖控制信號周期1ms、脈寬約40us、R3兩端無并聯電容時,R7兩端的電壓波形如圖6所示。從前面可知,R7兩端的電壓與流過負載的電流完全對應,只差一個比例系數。從示波器上的看出,恒流脈沖的上升時間約2us,下降時間約1us,在同樣的條件下,負載為808nm大功率半導體激光器時R7兩端的電壓波形如圖7所示。前面負載選用純電阻1Ω的原因是: 2A電流流過激光二極管時,穩態下該激光器的等價負載電阻約1Ω,這樣可以更好的對比他們的工作情況。從示波器上可以看出,在上升階段,有一段持續時間約5us的衰減振蕩,這主要是因激光二極管到在達穩態之前,它的阻抗特性變化較大,如寄生電感和電容。從電路原理上分析,在R3兩端并聯一個電容C8是可以消除這種性能的惡化,通過試驗測得,電容取值在1-2nf之間比較合適,電容取值過小，震蕩不能完全消除，取值過大會使得脈沖緩慢沿著斜坡上升，響應變慢。圖8顯示了電容為1nf時R7兩端的電壓波形,可見,輸出特性改善了許多。這也說明對于恒流源,負載的阻抗特性，如并聯電感、串聯電容對電源輸出的瞬態特性影響很大!在用恒流源驅動半導體激光器時要特別注意#p#分頁標題#e#
電源中大多數電阻電容采用貼片式元件，兩層布線，元件雙面布置，整個電源體積可以做得非常小,可以達到4cm×4cm×1.5cm, 非常方便的應用于如激光測距一類對電源體積要求較小的應用中，另外,在6.5v蓄電池供電下,用該電源驅動808nm大功率半導體二極管,反復進行開了開關測試,激光器工作良好!
3 結果
基于集成穩壓芯片NCP5662,采用最少的器件,設計了低電壓大電流脈沖半導體激光驅動電源,電源穩定、可靠、體積小、控制簡單、脈沖寬度和頻率獨立可調。驅動電流2A時,脈沖上升時間小于4us,下降時間小于2us,響應迅速，無過沖、反沖,達到了機載導彈測距中對半導體激光器的電源要求。這也說明了合理選擇成熟的穩壓芯片可以設計功能豐富的恒流源。該電源中的設計思路可應用于其它脈沖恒流源的電源設計中。
參考文獻
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[6] David A.Bell. Solide State Pulse circuits[M]. Reston Publishing Company, Inc,1981:190～220
[7] Doug Hodgson, Bill Olsen. Protecting your laser diode. Application note 3, ILX Lightwave Corp, 2001.
[8] Doug Hodgson, Kent Noonan, etc. Pulsing a laser diode. Application note 11,ILX Lightwave Corp,2004.
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