半導體激光器的驅動電源保護電路設計

1 引言

半導體激光器（LD）具有體積小、重量輕、轉換效率高、工作壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域得到了廣泛應用。LD是以電流注入作為激勵方式的一種激光器，其使用壽命、工作特性在很大程度上取決于所用驅動電源的性能好壞。

設計一個符合LD技術要求、性能穩(wěn)定、工作可靠的驅動電源是十分必要的。近年來，有不少科研單位研究開發(fā)了一系列LD用電流源，保證了LD的正常工作。

半導體激光器本身的性質決定其抗浪涌沖擊能力差，這就要求驅動電源的穩(wěn)定度高，浪涌沖擊小，因此驅動電源中需要各種保護電路以滿足實際要求。通常用慢啟動電路、TVS（瞬態(tài)抑制器）吸收電路、限流電路等來防止浪涌沖擊及電流過大。但大功率半導體激光器的工作電流較大，并且半導體激光器比較脆弱，傳統的慢啟動電路、TVS吸收電路不能很好地滿足實際要求。本文在參考各種實用的保護電路基礎上，設計出應用大功率器件強制吸收或隔離浪涌沖擊和雙限流保護電路，有效地保護半導體激光器不被損傷，具有較好的實際應用前景。

2　原理分析

2.1　半導體激光器損壞機理分析

在正常條件下使用的半導體激光器有很長的工作壽命。但在不適當的工作條件下，會造成性能的急劇惡化乃至失效。統計表明，半導體激光器突然失效，有一半以上的幾率是由于浪涌擊穿。因而如何保護半導體激光器，延長半導體激光器的使用壽命是研制大功率半導體激光器驅動電源保護電路的重要問題。主要應考慮：

1）激光器必須工作在限制電流以內，一個安全可靠的限流電路是不可缺少的。

2）為了防止驅動電源浪涌沖擊，必須有比較強的浪涌吸收電路。

3）由于激光器是一種敏感的電流元件，所以驅動電流不能直接加在激光器兩端，慢啟動電路對激光器的防護也是必不可少的。

2.2　傳統保護電路的特點

1）在隔離變壓器的原邊和副邊加上TVS器件，利用其高速響應特性抑制過高的電網浪涌電壓和雷電感應電壓。這種措施比較有效，但受限于TVS的響應速度，如果響應速度達不到要求那就不能很好抑制浪涌沖擊。

2）在直流電源和激光器之間增加π型低通濾波網絡，進一步濾除浪涌電壓。如能采用屏蔽電感和無感突波吸收電容則性能更佳。這實際上就是無源濾波，對降低電源紋波和吸收比較小浪涌有效。但對于大的浪涌，這種電路將會失效。

3）在直流電源和激光器之間增加慢啟動電路使供給激光器的電壓緩慢升高，避免突然上電或斷開電源時給器件造成的沖擊，同時，此舉還能避免電路中分布電感引起的浪涌沖擊。這種電路是必不可少的而且是切實有效的。

4）限流電路。這種電路也是必不可少的，但傳統的限流電路通常是單路限流。

2.3　本電路設計主要特點

1）充分考慮并吸收了傳統保護電路一些優(yōu)秀設計思想，設計了電源開啟時軟啟動電路，防止開機浪涌對器件和半導體激光器的損害。由于這種電路比較成熟，本文沒有做詳細闡述。

2）設計了雙電流限制電路，保證通過半導體激光器的電流不會過流。

3）采用功率器件（MOS管）開通或關斷來強制吸收或隔離浪涌，防止浪涌對半導體激光器損壞。

4）在激光器開通和關斷的工作中設立慢啟動過程，以減小工作中產生的浪涌對激光器產生不良影響。

3　保護電路的設計原理

3.1　限流電路的設計

這是個雙限流電路，兩個限流電路確保通過激光二極管（LD）電流不會超過設定值。具體工作原理如圖1所示。

Q1為P型MOS管，Q2為N型MOS管。流過Q1的電流通過采樣電路1變?yōu)殡妷?a target="_blank">信號與基準電壓相比較，通過負反饋電路1控制，可使得流過Q1的電流恒定。通過半導體激光器LD的電流經過采樣電路2變?yōu)殡妷盒盘柵c電流調節(jié)端電壓相比較，如果流過半導體激光器的電流超過設定值，經過負反饋電路2調節(jié)使得通過Q2的電流增加，導致通過LD電流減?。涣鬟^LD的電流太小，經過采樣電路2、負反饋電路2調節(jié)可使得流過Q2的電流變小，導致流過LD的電流變大，如此反復，通過負反饋電路的控制可使得流過半導體激光器的電流恒定，這種負反饋過程建立的時間很快。

3.2　浪涌吸收電路及慢啟動電路的設計

浪涌多發(fā)生在功率器件開通和關斷的瞬間，因為這個瞬間電路會有很大電流流過或者電路中某個器件兩端會有很大的電壓。圖2為浪涌吸收及慢啟動電路原理圖。

這種電路是利用功率器件的開通或關斷來強制吸收或隔離浪涌對器件的沖擊。這個電路作用分三個階段：

1）在使能端電壓為低電平階段。使能端電壓為低電平，Q3導通，通過負反饋電路1的控制，Q1斷開，強制隔離電源V+對半導體激光器LD的沖擊；使能端為低電平，Q4導通，通過負反饋電路2控制，使Q2導通，這樣即使有浪涌沖擊，也會被Q2強制吸收，不會影響半導體激光器LD。

2）使能端從低電平到高電平階段。Q3、Q4斷開。設C1上的電壓從V+降到基準電壓值所要的時間為t1，C2從V+降到電流調節(jié)端設定電壓值的時間為t2。

調節(jié)R5、C1和R6、C2參數可以使得t2mt1。這樣在t1階段，通過負反饋電路1的控制使得Q1慢慢導通，流過Q1電流從零直到恒定，這時由于t2mt1，C2上還有電壓，通過負反饋電路2的控制使得Q2處于導通狀態(tài)，這樣流過Q1的電流，以及由于Q1開通產生的浪涌電流全部由Q2吸收，然后隨著時間的增加C2電壓慢慢降為零，流過Q2的電流慢慢減小，LD上電流慢慢增加直到達到設定值。

3）使能端從高電平到低電平階段。使能端為低電平Q3，Q4導通。C1由于R5存在，電壓從基準電壓慢慢升至V+，通過負反饋電路1的控制使得Q1慢慢關斷；Q4導通，V+直接給C2充電，電壓迅速升為V+，通過負反饋電路2的控制使得Q2迅速導通，這樣由于Q1關斷產生的浪涌將會被Q2強制吸收。

4　實驗結果及分析

驅動電源一個重要技術參數為電流穩(wěn)定度。

電流穩(wěn)定度是在一定時間內，多次測量通過負載的電流大小，然后通過數學計算得出輸出電流穩(wěn)定度大小。實驗中每間隔一分鐘測量一次，測量時間持續(xù)一個小時。測量時，用1.2Ω50W電阻作為模擬負載，測量模擬負載的兩端電壓，用模擬負載兩端電壓穩(wěn)定性來標定電流穩(wěn)定性。測量儀器為：電壓測量儀器：Agilent34401A61/2digitmultime2ter，其精度可以達到0.00001V;供電電源為Agi2lentE3631AtripleoutputDCpowersupply12V，1A。電流穩(wěn)定度實驗數據如表1所示。

通過計算，其平均值為0.538623V。

電流穩(wěn)定度計算公式如下：

此保護電路已經應用于實踐，由于限流措施穩(wěn)定可靠，半導體激光器的使用壽命得到了保證。利用功率器件的開通與關斷強制吸收和隔離浪涌沖擊，使得在脈沖工作狀態(tài)下的浪涌沖擊也被很好地抑制，圖3是電源工作在脈沖狀態(tài)下，負載實際的電壓波形。

從圖中可以看出脈沖的上升沿和下降沿沒有過沖，滿足使用要求。

5　結語

本文在分析半導體激光器損壞機理的基礎上得出半導體激光器驅動電源設計的關鍵在于保護電路的設計。通過深入分析傳統半導體激光器驅動電源保護電路的特點，找出其設計的優(yōu)點和不足，并在充分吸收傳統半導體激光器驅動電源保護電路優(yōu)秀設計思想的基礎上，設計出雙限流電路，保證了流過半導體激光器的電流不會超過設計值，設計出了浪涌強制吸收或隔離電路，解決了浪涌沖擊對激光器的損壞的難題。設計的驅動電源已應用于實踐，電流穩(wěn)定度很高，浪涌被很好抑制，具有較好的應用前景。
來源；電子工程網