二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現(xiàn)已成為固體激光器的發(fā)展主流,其轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好、可靠性高,是迄今惟一不需維護(hù)的激光系統(tǒng),具有輸出的光束質(zhì)量高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。二極管泵浦固體激光器設(shè)計(jì)中涉及許多關(guān)鍵技術(shù),電源技術(shù)是其中之一,它涉及的主要問題是如何根據(jù)固體激光器的要求設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動電源。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的基本要求是: 恒流源、電流穩(wěn)定度高(至少應(yīng)小于10-3)、紋波系數(shù)小、具有特殊的抗電沖擊措施和保護(hù)電路[1]。在實(shí)際項(xiàng)目中,二極管泵浦固體激光器用于機(jī)載導(dǎo)彈測距,采用808nm半導(dǎo)體大功率激光器作為泵浦源,要求驅(qū)動電源體積小,驅(qū)動電流2A,驅(qū)動方式為脈沖驅(qū)動,脈沖頻率和寬度獨(dú)立可調(diào)、蓄電池供電(5V左右)。目前許多的商用的或用于試驗(yàn)研究的驅(qū)動電源很難完全滿足使用要求,因此為其設(shè)計(jì)簡單、方便、穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動電源具有重要的意義。
1電路結(jié)構(gòu)及原理：
該半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源由脈沖電路、控制電路、穩(wěn)流電路和保護(hù)電路的四部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 穩(wěn)流電路
在穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源中,目前常用的是開關(guān)電源和線性電源,由于開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)較差、紋波系數(shù)較大[2],對瞬態(tài)特性和溫度度要求較高的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源采用線性電源較為合理。為了實(shí)現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動電路大多采用負(fù)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(qū)動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)后,作為反饋電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較,進(jìn)而通過調(diào)整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進(jìn)行調(diào)整。整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達(dá)到穩(wěn)定電流的目的。輸出電流If與設(shè)定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達(dá),隨著負(fù)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(shù)很高,使得輸出電流變化很小,穩(wěn)定度一般能達(dá)到10-5量級。
實(shí)際上,線形穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源的結(jié)構(gòu)原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負(fù)載的加載方式不同,譬如,在圖2中,如果負(fù)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(wěn)壓源。同樣的,基于這種方式的穩(wěn)壓源稍加調(diào)整也可作為恒流源。目前,各種可調(diào)穩(wěn)壓器集成芯片技術(shù)成熟,產(chǎn)品豐富,因此可以對這種芯片的功能進(jìn)行擴(kuò)展以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。
考慮到實(shí)際應(yīng)用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態(tài)響應(yīng),我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調(diào)穩(wěn)壓芯片NCP5662,它的瞬態(tài)響應(yīng)比同類穩(wěn)壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達(dá)2A,具有內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)功能等,其功能框圖如圖3所示。圖3顯示的是其穩(wěn)壓工作的情況,根據(jù)前面敘述的原理,對該集成電路進(jìn)行擴(kuò)展以將其設(shè)計(jì)成為一個穩(wěn)定度很高的恒流源,幾種擴(kuò)展方法中,實(shí)驗(yàn)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(nèi)的電路,當(dāng)加電之后,電路開始工作,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時,由于集成電路內(nèi)部的反饋?zhàn)饔?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(diào)整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計(jì)算得到Is=2A,此恒定電流將流過激光二極管到地,由于 NCP5662內(nèi)部的比較器具有很高的放大倍數(shù),因此,電流的穩(wěn)定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負(fù)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(tài)響應(yīng)特性,在實(shí)驗(yàn)分析部分將詳細(xì)敘述。
1.2 脈沖控制電路
脈沖控制電路如圖4虛框所示,當(dāng)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?qū)?因此NCP5662的ADJ端被強(qiáng)制在高電平,這個電平值必須高于恒定電流流過負(fù)載時ADJ端的電平值,讓R11兩端電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.9伏,使得NCP5662內(nèi)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(lián)的1K電阻R11的作用是防止截止?fàn)顟B(tài)時激光二極管出現(xiàn)的高阻特性讓ADJ端的電平出現(xiàn)不穩(wěn)定,當(dāng)負(fù)載呈現(xiàn)一般的電阻特性時,R11可以不要。當(dāng)Vpulse跳向高電平時,晶體管Q1的集電極電位轉(zhuǎn)向低電平,從而瞬間讓ADJ端電位很低,使得R11兩端電壓遠(yuǎn)低于0.9伏,從而使NCP5662內(nèi)部的功率晶體管導(dǎo)通, ADJ的電位開始上升,最后進(jìn)入穩(wěn)定工作階段, 恒定電流流過激光二極管。二極管D5也進(jìn)入反偏狀態(tài),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(fù)，實(shí)現(xiàn)了大電流的快速開關(guān)，這主要得益于NCP5662的快速響應(yīng)特性，其本質(zhì)是因?yàn)槠鋬?nèi)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(shè)計(jì)中最重要的地方,雖然還有其他方式可實(shí)現(xiàn)這一個功能,如在負(fù)載上串聯(lián)一個功率MOS開關(guān),或在電源端串聯(lián)一個高邊MOS開關(guān),但理論和實(shí)驗(yàn)都證明了這兩種方式存在的問題,如電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性都沒有圖4所示的工作方式好。
1.3 脈沖產(chǎn)生電路
圖4中的脈沖控制信號Vpulse來自脈沖產(chǎn)生電路[5],脈沖產(chǎn)生電路如圖5a和圖5b所示。
5a為該電源內(nèi)部振蕩電路,由7555構(gòu)成,四個與非門的作用是選通接受內(nèi)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(gòu)成的下降沿觸發(fā)的單穩(wěn)電路。該單穩(wěn)電路的特點(diǎn)是脈沖寬度與7555定時器5端的電壓成非常好的線形關(guān)系,這主要得益于應(yīng)用了由放大器LM358和電容C6構(gòu)成的自舉電路[6],因此,這就實(shí)現(xiàn)了獨(dú)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(hù)電路
由于半導(dǎo)體激光器對于電沖擊的承受能力很差,在使用過程中,出現(xiàn)較多的電沖擊是電源開啟或關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓、電流浪涌沖擊。所以電源中必須采取保護(hù)措施,傳統(tǒng)的保護(hù)電路方式很多,如采用慢啟動電路、短路保護(hù)開關(guān)等。在該應(yīng)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(nèi)部具有慢啟動、熱保護(hù)、尖峰電流限制功能,因此只需在半導(dǎo)體激光二極管兩端反向并聯(lián)一個普通二極管以防止反向浪涌。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
上述各個電路模塊都預(yù)先在Pspice A/D上進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,最后制作了實(shí)物電路,試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想。當(dāng)負(fù)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(lián)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(fù)載的電流完全對應(yīng),只差一個比例系數(shù)。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(fù)載為808nm大功率半導(dǎo)體激光器時R7兩端的電壓波形如圖7所示。前面負(fù)載選用純電阻1Ω的原因是: 2A電流流過激光二極管時,穩(wěn)態(tài)下該激光器的等價負(fù)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(xù)時間約5us的衰減振蕩,這主要是因激光二極管到在達(dá)穩(wěn)態(tài)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(lián)一個電容C8是可以消除這種性能的惡化,通過試驗(yàn)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(yīng)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(fù)載的阻抗特性，如并聯(lián)電感、串聯(lián)電容對電源輸出的瞬態(tài)特性影響很大!在用恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器時要特別注意#p#分頁標(biāo)題#e#
電源中大多數(shù)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(dá)到4cm×4cm×1.5cm, 非常方便的應(yīng)用于如激光測距一類對電源體積要求較小的應(yīng)用中，另外,在6.5v蓄電池供電下,用該電源驅(qū)動808nm大功率半導(dǎo)體二極管,反復(fù)進(jìn)行開了開關(guān)測試,激光器工作良好!
3 結(jié)果
基于集成穩(wěn)壓芯片NCP5662,采用最少的器件,設(shè)計(jì)了低電壓大電流脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源,電源穩(wěn)定、可靠、體積小、控制簡單、脈沖寬度和頻率獨(dú)立可調(diào)。驅(qū)動電流2A時,脈沖上升時間小于4us,下降時間小于2us,響應(yīng)迅速，無過沖、反沖,達(dá)到了機(jī)載導(dǎo)彈測距中對半導(dǎo)體激光器的電源要求。這也說明了合理選擇成熟的穩(wěn)壓芯片可以設(shè)計(jì)功能豐富的恒流源。該電源中的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于其它脈沖恒流源的電源設(shè)計(jì)中。
參考文獻(xiàn)
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