连续或脉冲输出功率可调LD驱动电源设计

2010-09-05 12:59:52来源: 电子设计工程

    LD(激光二极管)不仅具有一般激光器高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等特性,因而广泛应用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而,由于LD是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击的承受能力差,微小的电流波动将导致光功率输出的极大变化和器件参数的变化,这些变化直接危及器件的安全使用,因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求。在驱动电源的设计过程中,同时考虑对LD进行安全有效保护,如防止浪涌冲击,慢启动等问题。

1 电路结构及原理

    LD是依靠载流子直接注入而工作的,注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响,因此,LD驱动电源需要为LD提供一个纹波小,毛刺少的稳恒电流。该LD驱动电源包括4部分:基准电压源,恒流源电路,脉冲控制电路,保护电路。结构框图如图1所示。


1.1 基准电压源电路

    基准电压源电路构成如图2所示,其作用是为恒流源电路提供一个高精度,低温漂的电压参考,同时,为电路中的集成电路(如光耦合器、运算放大器、反相器等)提供稳定工作电压。


    LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路,输出电压范围是1.2~37 V,负载电流最大为1.5 A,使用简单。其工作过程如下:输出电压Vout通过R1、VQ1,对C2充电,开始时VQ1饱和导通,Vout最低(约1.5 V)。随着C2上电压的升高,VQ1逐渐退出饱和并趋于截止,Vout逐渐升高至额定电压。改变R1、C2的常数可改变软启动的时间。改变可变电阻R2的值,可调整输出电压Vout的值。VD1用于关机后使C2上的电荷快速泄放。其输出电压为:
   

1.2 恒流源电路

    为了实现高的电流稳定度,驱动电路大多采用负反馈的控制方法,恒流控制原理如图3所示。稳流电路由基准电压电路、电压-电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成。电路工作时,基准电压经过适当放大后送入运放A1的同相端,运放A1控制VQ1基极电流的大小,从而获得相应的输出电流,输出电流在取样电阻R上产生取样电压,该取样电压经A2放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压进行比较,对输出电压进行调整,进而对VQ1基极的输出电流进行调整,使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中,以达到稳定输出电流的目的。


    输出电流I与设定的基准电压Vc的关系可由负反馈原理得到:
   
式中,Vc为基准电压,Ra、Rb为反馈网络中的电阻,R为取样电阻,在理想情况下R、Ra、Rb恒定不变。

    由式(2)可知,输出电流I与基准电压Vc呈线性关系。但在实际情况下电阻的温度系数和基准电压的温度系数将影响输出电流的稳定性。对式(2)进行全微分并化简可得电流稳定度的表达式:
   

    由于选取的取样电阻R为欧姆级,而(Ra+Rb)为数十千欧姆级,因此有:μ2>μ1>μ3≈μ4,这说明影响输出电流稳定度的主要因素是取样电阻的温度系数和电压基准的稳定度。在本恒流源中,选用取样电阻精度是0.1%,温度系数是±2.5×10-5/℃,电压基准的温度系数小于1×10-6/℃。

1.3 脉冲控制电路

    对许多LD应用来说,有时希望脉冲输出,因为脉冲输出时LD结发热很小。LD工作在低占空比和短脉宽状态时允许比CW电流电平高得多的脉冲电流电平,而且多数不需要制冷。

    脉冲LD电源控制技术的关键在于对电流脉冲波形的控制,外控调制信号采用TTL方波,LD输出跟随控制信号以开关方式输出。


    根据上述设计思想设计脉冲控制接口电路,其原理图如图4所示。由非门单元,晶体管VQ3,光电耦合器组成。当脉冲为高电平时,非门输出低电压,使光电耦合器截止,光电耦合器输出低电平,使晶体管VQ3截止,VQ3集电极输出高电平使VQ1、VQ2导通,LD正常工作;反之,光电耦合器导通,使VQ3导通,VQ3集电极输出低电平,使VQl、VQ2截止,LD不工作。在没有外控脉冲控制信号时,接口悬空,非门输入高电平,输出低电压,光电耦合器不工作,晶体管VQ3截止,VQ3集电极为高电平,使VQ1导通,保证LD的正常连续发光。

1.4 保护电路

    考虑到LD的易损性,在稳流控制中保护电路的设计也是很重要的一个方面。本设计中,选用供电电压波动较小,内部具有慢启动、过流、过热保护、尖峰电流限制功能的集成直流稳压器,只需在LD两端反向并联一个普通二极管以防止反向过压,同时并联小容量电容防止回路电流毛刺损坏管芯。

2 结果与分析

    表l是该电路驱动波长650 nm,功率200 mW的LD连续工作时,基准电压与输出电流的测试结果,其电压-电流关系如图5所示。


    图5结果表明基准电压与输出电流成正比例关系,通过调节基准电压,可以改变LD的输出功率,即LD输出功率连续可调。

                    


    图6显示了该驱动电源输出的脉冲波形。曲线Input为输入控制脉冲信号,曲线Output为LD上电压脉冲。结果表明:LD上电压脉冲的上升和下降时间都很短,中间段电压的稳定使输出电流恒定,恒定的电流幅度保证了LD输出功率的稳定。通过改变输入脉冲的频率、脉宽,可得到所需的LD激光脉冲信号。

3 结论

    提出了可用于连续或脉冲输出的半导体激光器驱动电源的设计方法,测试结果表明:1)驱动波长范围为650~980 nm:2)输出功率0~300 mW连续可调;3)连续或脉冲输出可选。电源稳定、可靠、控制简单,功率连续可调,可广泛地用于对半导体激光驱动电源体积要求较小的应用中。

关键字:激光二极管  激光技术  脉冲调制  恒流驱动

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0905/article_2523.html
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