【導(dǎo)讀】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(wèn)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(dòng)電源。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)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(cè)距，采用808nm半導(dǎo)體大功率激光器作為泵浦源，要求驅(qū)動(dòng)電源體積小，驅(qū)動(dòng)電流2A，驅(qū)動(dòng)方式為脈沖驅(qū)動(dòng)，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(dòng)電源很難完全滿(mǎn)足使用要求，因此為其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源，由于開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)較差、紋波系數(shù)較大，對(duì)瞬態(tài)特性和溫度度要求較高的半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源采用線(xiàn)性電源較為合理。為了實(shí)現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度，驅(qū)動(dòng)電路大多采用負(fù)反饋的控制方法，原理圖見(jiàn)圖2。工作時(shí)，通過(guò)電阻電流采樣反饋為驅(qū)動(dòng)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(gè)采樣電阻RS，用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過(guò)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(guò)調(diào)整功率晶體管的電阻大小對(duì)輸出電流If進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)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(gè)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(jí)。
實(shí)際上，線(xiàn)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(gè)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(duì)這種芯片的功能進(jìn)行擴(kuò)展以滿(mǎn)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(lèi)穩(wěn)壓器要快，建立時(shí)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(duì)該集成電路進(jìn)行擴(kuò)展以將其設(shè)計(jì)成為一個(gè)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(kāi)始工作，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于集成電路內(nèi)部的反饋?zhàn)饔茫琑11兩端的
因此，改變R3、R11、R7可以靈活的調(diào)整輸出電流的值。按照?qǐng)D4中各元件的取值，通過(guò)計(jì)算得到Is=2A，此恒定電流將流過(guò)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(hào)Vpulse為低電平時(shí)，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(gè)電平值必須高于恒定電流流過(guò)負(fù)載時(shí)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(guò)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(shí)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(shí)，R11可以不要。當(dāng)Vpulse跳向高電平時(shí)，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(kāi)始上升，最后進(jìn)入穩(wěn)定工作階段， 恒定電流流過(guò)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(gè)低電平Vpulse控制信號(hào)的到來(lái)，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)了大電流的快速開(kāi)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(gè)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(gè)功能，如在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)功率MOS開(kāi)關(guān)，或在電源端串聯(lián)一個(gè)高邊MOS開(kāi)關(guān)，但理論和實(shí)驗(yàn)都證明了這兩種方式存在的問(wèn)題，如電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性都沒(méi)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(hào)Vpulse來(lái)自脈沖產(chǎn)生電路，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(gè)與非門(mén)的作用是選通接受內(nèi)部控制信號(hào)還是外部控制信號(hào)輸出到Vtrigger，Vtrigger 信號(hào)控制所需要的Vtrigger信號(hào)的頻率。圖5b是一個(gè)由555定時(shí)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(shí)器5端的電壓成非常好的線(xiàn)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，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(hào)的控制，如來(lái)自溫度傳感器熱敏電阻上的電壓信號(hào)。
1.4 保護(hù)電路
由于半導(dǎo)體激光器對(duì)于電沖擊的承受能力很差，在使用過(guò)程中，出現(xiàn)較多的電沖擊是電源開(kāi)啟或關(guān)斷過(guò)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(dòng)電路、短路保護(hù)開(kāi)關(guān)等。在該應(yīng)用中，該電源是蓄電池供電，供電電壓波動(dòng)較小，且選用的集成芯片內(nèi)部具有慢啟動(dòng)、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(gè)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(gè)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(hào)周期1ms、脈寬約40us、R3兩端無(wú)并聯(lián)電容時(shí)，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(guò)負(fù)載的電流完全對(duì)應(yīng)，只差一個(gè)比例系數(shù)。從示波器上的看出，恒流脈沖的上升時(shí)間約2us，下降時(shí)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(shí)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(guò)激光二極管時(shí)，穩(wěn)態(tài)下該激光器的等價(jià)負(fù)載電阻約1Ω，這樣可以更好的對(duì)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(shí)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(gè)電容C8是可以消除這種性能的惡化，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，電容取值在1-2nf之間比較合適，電容取值過(guò)小，震蕩不能完全消除，取值過(guò)大會(huì)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(shí)R7兩端的電壓波形，可見(jiàn)，輸出特性改善了許多。這也說(shuō)明對(duì)于恒流源，負(fù)載的阻抗特性，如并聯(lián)電感、串聯(lián)電容對(duì)電源輸出的瞬態(tài)特性影響很大！在用恒流源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器時(shí)要特別注意。
電源中大多數(shù)電阻電容采用貼片式元件，兩層布線(xiàn)，元件雙面布置，整個(gè)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(cè)距一類(lèi)對(duì)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(dòng)808nm大功率半導(dǎo)體二極管，反復(fù)進(jìn)行開(kāi)了開(kāi)關(guān)測(cè)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(dòng)電源，電源穩(wěn)定、可靠、體積小、控制簡(jiǎn)單、脈沖寬度和頻率獨(dú)立可調(diào)。驅(qū)動(dòng)電流2A時(shí)，脈沖上升時(shí)間小于4us，下降時(shí)間小于2us，響應(yīng)迅速，無(wú)過(guò)沖、反沖，達(dá)到了機(jī)載導(dǎo)彈測(cè)距中對(duì)半導(dǎo)體激光器的電源要求。這也說(shuō)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。
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