二極管激光器及二極管泵浦的固體(ti) 激光器現已成為(wei) 固體(ti) 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係統,具有輸出的光束質量高、體(ti) 積小、結構緊湊等優(you) 點,已經獲得了廣泛的應用。二極管泵浦固體(ti) 激光器設計中涉及許多關(guan) 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(ti) 激光器的要求設計半導體(ti) 激光二極管的驅動電源。半導體(ti) 激光器驅動電源的基本要求是: 恒流源、電流穩定度高(至少應小於(yu) 10-3)、紋波係數小、具有特殊的抗電衝(chong) 擊措施和保護電路[1]。在實際項目中,二極管泵浦固體(ti) 激光器用於(yu) 機載導彈測距,采用808nm半導體(ti) 大功率激光器作為(wei) 泵浦源,要求驅動電源體(ti) 積小,驅動電流2A,驅動方式為(wei) 脈衝(chong) 驅動,脈衝(chong) 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於(yu) 試驗研究的驅動電源很難完全滿足使用要求,因此為(wei) 其設計簡單、方便、穩定、可靠的驅動電源具有重要的意義(yi) 。
　　1電路結構及原理：
　　該半導體(ti) 激光器驅動電源由脈衝(chong) 電路、控製電路、穩流電路和保護電路的四部分組成,係統框圖如圖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(guan) 電源和線性電源,由於(yu) 開關(guan) 電源的瞬態響應較差、紋波係數較大[2],對瞬態特性和溫度度要求較高的半導體(ti) 激光驅動電源采用線性電源較為(wei) 合理。為(wei) 了實現高的電流穩定度,驅動電路大多采用負反饋的控製方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為(wei) 驅動電流提供有源控製。方法是在功率晶體(ti) 管的源極串聯一個(ge) 采樣電阻RS,用於(yu) 取樣反饋，該取樣電壓經過I/U轉後,作為(wei) 反饋電壓與(yu) 設定電壓進行比較,進而通過調整功率晶體(ti) 管的電阻大小對輸出電流If進行調整。整個(ge) 閉環反饋係統處於(yu) 動態平衡中,以達到穩定電流的目的。輸出電流If與(yu) 設定的參考電壓Vref的關(guan) 係可由負反饋原理得到 ,上式隻是一個(ge) 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,但是由於(yu) 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,隻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並行連接,圖2 就成了一個(ge) 恒定輸出電壓為(wei) Vref的穩壓源。同樣的,基於(yu) 這種方式的穩壓源稍加調整也可作為(wei) 恒流源。目前,各種可調穩壓器集成芯片技術成熟,產(chan) 品豐(feng) 富,因此可以對這種芯片的功能進行擴展以滿足我們(men) 的設計要求。
　

　
　　考慮到實際應用情況,如電源體(ti) 積、輸出電流大小、特別是瞬態響應,我們(men) 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(nei) 部電流限製和熱保護功能等,其功能框圖如圖3所示。圖3顯示的是其穩壓工作的情況,根據前麵敘述的原理,對該集成電路進行擴展以將其設計成為(wei) 一個(ge) 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(nei) 的電路,當加電之後,電路開始工作,進入穩態時,由於(yu) 集成電路內(nei) 部的反饋作用,R11兩(liang) 端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩(liang) 端的電壓始保持在 ,故流過R7兩(liang) 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,由於(yu) NCP5662內(nei) 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(cong) R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小於(yu) 4mA,與(yu) 2A相比影響很小。圖中C8的作用為(wei) 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 脈衝(chong) 控製電路
　　脈衝(chong) 控製電路如圖4虛框所示,當脈衝(chong) 控製信號Vpulse為(wei) 低電平時,三極管Q1 截止,其集電極被電源電壓控製在高電平,二極管D5正向導通,因此NCP5662的ADJ端被強製在高電平,這個(ge) 電平值必須高於(yu) 恒定電流流過負載時ADJ端的電平值,讓R11兩(liang) 端電壓遠遠高於(yu) 0.9伏,使得NCP5662內(nei) 部的功率晶體(ti) 管截止,從(cong) 而使流過LD的電流近似為(wei) 零。因此,與(yu) 激光二極管並聯的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(ti) 管Q1的集電極電位轉向低電平,從(cong) 而瞬間讓ADJ端電位很低,使得R11兩(liang) 端電壓遠低於(yu) 0.9伏,從(cong) 而使NCP5662內(nei) 部的功率晶體(ti) 管導通, ADJ的電位開始上升,最後進入穩定工作階段, 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(ge) 低電平Vpulse控製信號的到來，如此反複，實現了大電流的快速開關(guan) ，這主要得益於(yu) NCP5662的快速響應特性，其本質是因為(wei) 其內(nei) 部集成了高速放大器及高速功率放大晶體(ti) 管。
　　脈衝(chong) 控製電路是整個(ge) 設計中最重要的地方,雖然還有其他方式可實現這一個(ge) 功能,如在負載上串聯一個(ge) 功率MOS開關(guan) ,或在電源端串聯一個(ge) 高邊MOS開關(guan) ,但理論和實驗都證明了這兩(liang) 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 脈衝(chong) 產(chan) 生電路
　　圖4中的脈衝(chong) 控製信號Vpulse來自脈衝(chong) 產(chan) 生電路[5],脈衝(chong) 產(chan) 生電路如圖5a和圖5b所示。
　　

　　5a為(wei) 該電源內(nei) 部振蕩電路,由7555構成,四個(ge) 與(yu) 非門的作用是選通接受內(nei) 部控製信號還是外部控製信號輸出到Vtrigger,Vtrigger 信號控製所需要的Vtrigger信號的頻率。圖5b是一個(ge) 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衝(chong) 寬度與(yu) 7555定時器5端的電壓成非常好的線形關(guan) 係,這主要得益於(yu) 應用了由放大器LM358和電容C6構成的自舉(ju) 電路[6],因此,這就實現了獨立控製脈衝(chong) 恒流源脈衝(chong) 頻率和脈衝(chong) 寬度的功能,脈衝(chong) 寬度能接受外部電壓信號的控製,如來自溫度傳(chuan) 感器熱敏電阻上的電壓信號。
　　1.4 保護電路
　　由於(yu) 半導體(ti) 激光器對於(yu) 電衝(chong) 擊的承受能力很差,在使用過程中,出現較多的電衝(chong) 擊是電源開啟或關(guan) 斷過程中產(chan) 生的電壓、電流浪湧衝(chong) 擊。所以電源中必須采取保護措施,傳(chuan) 統的保護電路方式很多,如采用慢啟動電路、短路保護開關(guan) 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(nei) 部具有慢啟動、熱保護、尖峰電流限製功能,因此隻需在半導體(ti) 激光二極管兩(liang) 端反向並聯一個(ge) 普通二極管以防止反向浪湧。
　　2試驗結果及分析
　　上述各個(ge) 電路模塊都預先在Pspice A/D上進行了仿真和優(you) 化,最後製作了實物電路,試驗結果達到了預期的設想。當負載為(wei) 純電阻1Ω、脈衝(chong) 控製信號周期1ms、脈寬約40us、R3兩(liang) 端無並聯電容時,R7兩(liang) 端的電壓波形如圖6所示。從(cong) 前麵可知,R7兩(liang) 端的電壓與(yu) 流過負載的電流完全對應,隻差一個(ge) 比例係數。從(cong) 示波器上的看出,恒流脈衝(chong) 的上升時間約2us,下降時間約1us,在同樣的條件下,負載為(wei) 808nm大功率半導體(ti) 激光器時R7兩(liang) 端的電壓波形如圖7所示。前麵負載選用純電阻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(jia) 負載電阻約1Ω,這樣可以更好的對比他們(men) 的工作情況。從(cong) 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(cong) 電路原理上分析,在R3兩(liang) 端並聯一個(ge) 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(hui) 使得脈衝(chong) 緩慢沿著斜坡上升，響應變慢。圖8顯示了電容為(wei) 1nf時R7兩(liang) 端的電壓波形,可見,輸出特性改善了許多。這也說明對於(yu) 恒流源,負載的阻抗特性，如並聯電感、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(ti) 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(liang) 層布線，元件雙麵布置，整個(ge) 電源體(ti) 積可以做得非常小,可以達到4cm×4cm×1.5cm, 非常方便的應用於(yu) 如激光測距一類對電源體(ti) 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(ti) 二極管,反複進行開了開關(guan) 測試,激光器工作良好!
　　3 結果
　　基於(yu) 集成穩壓芯片NCP5662,采用最少的器件,設計了低電壓大電流脈衝(chong) 半導體(ti) 激光驅動電源,電源穩定、可靠、體(ti) 積小、控製簡單、脈衝(chong) 寬度和頻率獨立可調。驅動電流2A時,脈衝(chong) 上升時間小於(yu) 4us,下降時間小於(yu) 2us,響應迅速，無過衝(chong) 、反衝(chong) ,達到了機載導彈測距中對半導體(ti) 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(feng) 富的恒流源。該電源中的設計思路可應用於(yu) 其它脈衝(chong) 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(yu) 設計[M]. 北京：國防工業(ye) 出版社,2005：352～359
　　[2] Horowitz P.電子學(第二版)[M].北京:電子工業(ye) 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(jun) ,單江東(dong) ,張娜,等. 大功率半導體(ti) 激光器驅動器的研究與(yu) 設計[J].半導體(ti) 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(ye) 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.