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。
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
[1] 李適民,黃維玲. 激光器件原理與設計[M]. 北京：國防工業出版社,2005：352～359
[2] Horowitz P.電子學(第二版)[M].北京:電子工業出版社，2005:290～294
[3] Dorf R C. Modern control system(ninth edition) [M]. Science Press, Pearson Education North Asia Limited, 2002, 575～576
[4] 鄧 軍,單江東,張娜,等. 大功率半導體激光器驅動器的研究與設計[J].半導體光電,2003,24(5)：319～320
[5] 陳浦同. 新編555集成電路應用800例[M].北京：電子工業出版社,2001：25～44
[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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