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半导体激光器的驱动电源保护电路设计

1 小序

半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、转换效率高、事情寿命长等优点,在工业、军事、医疗等领域获得了广泛利用。LD因此电流注入作为勉励要领的一种激光器,其应用寿命、事情特点在很大年夜程度上取决于所用驱动电源的机能短长。

设计一个相符LD技巧要求、机能稳定、事情靠得住的驱动电源是十分需要的。近年来,有不少科研单位钻研开拓了一系列LD用电流源,包管了LD的正常事情。

半导体激光器本身的性子抉择其抗浪涌冲击能力差,这就要求驱动电源的稳定度高,浪涌冲击小,是以驱动电源中必要各类保护电路以满意实际要求。平日用慢启动电路TVS(瞬态抑制器)接受电路、限流电路等来防止浪涌冲击及电流过大年夜。但大年夜功率半导体激光器的事情电流较大年夜,并且半导体激光器对照脆弱,传统的慢启动电路、TVS接受电路不能很好地满意实际要求。本文在参考各类实用的保护电路根基上,设计出利用大年夜功率器件强制接受或隔离浪涌冲击和双限流保护电路,有效地保护半导体激光器不被损伤,具有较好的实际利用前景。

2 道理阐发

2.1 半导体激光器毁坏机理阐发

在正常前提下应用的半导体激光器有很长的事情寿命。但在不适当的事情前提下,会造成机能的急剧恶化甚至掉效。统计注解,半导体激光器忽然掉效,有一半以上的几率是因为浪涌击穿。因而若何保护半导体激光器,延长半导体激光器的应用寿命是研制大年夜功率半导体激光器驱动电源保护电路的紧张问题。主要应斟酌:

1)激光器必须事情在限定电流以内,一个安然靠得住的限流电路是弗成缺少的。

2)为了防止驱动电源浪涌冲击,必须有对照强的浪涌接受电路。

3)因为激光器是一种敏感的电流元件,以是驱动电流不能直接加在激光器两端,慢启动电路对激光器的防护也是必弗成少的。

2.2 传统保护电路的特征

1)在隔离变压器的原边和副边加上TVS器件,使用其高速相应特点抑制过高的电网浪涌电压和雷电感应电压。这种步伐对照有效,但受限于TVS的相应速率,假如相应速率达不到要求那就不能很好抑制浪涌冲击。

2)在直流电源和激光器之间增添π型低通滤波收集,进一步滤除浪涌电压。如能采纳樊篱电感和无感突波接受电容则机能更佳。这实际上便是无源滤波,对低落电源纹波和接受对照小浪涌有效。但对付大年夜的浪涌,这种电路将会掉效。

3)在直流电源和激光器之间增添慢启动电路使提供激光器的电压迟钝升高,避免忽然上电或断开电源时给器件造成的冲击,同时,此举还能避免电路中散播电感引起的浪涌冲击。这种电路是必弗成少的而且是切实有效的。

4)限流电路。这种电路也是必弗成少的,但传统的限流电路平日是单路限流。

2.3 本电路设计主要特征

1)充分斟酌并接受了传统保护电路一些优秀设计思惟,设计了电源开启时软启动电路,防止开机浪涌对器件和半导体激光器的侵害。因为这种电路对照成熟,本文没有做具体阐述。

2)设计了双电流限定电路,包管经由过程半导体激光器的电流不会过流。

3)采纳功率器件(MOS管)开通或关断来强制接受或隔离浪涌,防止浪涌对半导体激光器毁坏。

4)在激光器开通和关断的事情中设立慢启动历程,以减小事情中孕育发生的浪涌对激光器孕育发生不良影响。

3 保护电路的设计道理

3.1 限流电路的设计

这是个双限流电路,两个限流电路确保经由过程激光二极管(LD)电流不会跨越设定值。详细事情道理如图1所示。

Q1为P型MOS管,Q2为N型MOS管。流过Q1的电流畅过采样电路1变为电压旌旗灯号与基准电压相对照,经由过程负反馈电路1节制,可使得流过Q1的电流恒定。经由过程半导体激光器LD的电流颠末采样电路2变为电压旌旗灯号与电流调节端电压相对照,假如流过半导体激光器的电流跨越设定值,颠末负反馈电路2调节使得经由过程Q2的电流增添,导致经由过程LD电流减小;流过LD的电流太小,颠末采样电路2、负反馈电路2调节可使得流过Q2的电流变小,导致流过LD的电流变大年夜,如斯反复,经由过程负反馈电路的节制可使得流过半导体激光器的电流恒定,这种负反馈历程建立的光阴很快。

3.2 浪涌接受电路及慢启动电路的设计

浪涌多发生在功率器件开通和关断的瞬间,由于这个瞬间电路会有很大年夜电流流过或者电路中某个器件两端会有很大年夜的电压。图2为浪涌接受及慢启动电路道理图。

这种电路是使用功率器件的开通或关断来强制接受或隔离浪涌对器件的冲击。这个电路感化分三个阶段:

1)在使能端电压为低电平阶段。使能端电压为低电平,Q3导通,经由过程负反馈电路1的节制,Q1断开,强制隔离电源V+对半导体激光器LD的冲击;使能端为低电平,Q4导通,经由过程负反馈电路2节制,使Q2导通,这样纵然有浪涌冲击,也会被Q2强制接受,不会影响半导体激光器LD。

2)使能端从低电平到高电平阶段。Q3、Q4断开。设C1上的电压从V+降到基准电压值所要的光阴为t1,C2从V+降到电流调节端设定电压值的光阴为t2。

调节R5、C1和R6、C2参数可以使得t2mt1。这样在t1阶段,经由过程负反馈电路1的节制使得Q1逐步导通,流过Q1电流从零直到恒定,这时因为t2mt1,C2上还有电压,经由过程负反馈电路2的节制使得Q2处于导通状态,这样流过Q1的电流,以及因为Q1开通孕育发生的浪涌电流整个由Q2接受,然后跟着光阴的增添C2电压逐步降为零,流过Q2的电流逐步减小,LD上电流逐步增添直到达到设定值。

3)使能端从高电平到低电平阶段。使能端为低电平Q3,Q4导通。C1因为R5存在,电压从基准电压逐步升至V+,经由过程负反馈电路1的节制使得Q1逐步关断;Q4导通,V+直接给C2充电,电压迅速升为V+,经由过程负反馈电路2的节制使得Q2迅速导通,这样因为Q1关断孕育发生的浪涌将会被Q2强制接受。

4 实验结果及阐发

驱动电源一个紧张技巧参数为电流稳定度。

电流稳定度是在必然光阴内,多次丈量经由过程负载的电流大年夜小,然后经由过程数学谋略得出输出电流稳定度大年夜小。实验中每距离一分钟丈量一次,丈量光阴持续一个小时。丈量时,用1.2Ω50W电阻作为模拟负载,丈量模拟负载的两端电压,用模拟负载两端电压稳定性来标定电流稳定性。丈量仪器为:电压丈量仪器:Agilent34401A61/2digitmultime2ter,其精度可以达到0.00001V;供电电源为Agi2lentE3631AtripleoutputDCpowersupply12V,1A。电流稳定度实验数据如表1所示。

经由过程谋略,其匀称值为0.538623V。

电流稳定度谋略公式如下:

此保护电路已经利用于实践,因为限流步伐稳定靠得住,半导体激光器的应用寿命获得了包管。使用功率器件的开通与关断强制接受和隔离浪涌冲击,使得在脉冲事情状态下的浪涌冲击也被很好地抑制,图3是电源事情在脉冲状态下,负载实际的电压波形。

从图中可以看出脉冲的上升沿和下降沿没有过冲,满意应用要求。

5 结语

本文在阐发半导体激光器毁坏机理的根基上得出半导体激光器驱动电源设计的关键在于保护电路的设计。经由过程深入阐发传统半导体激光器驱动电源保护电路的特征,找出其设计的优点和不够,并在充分接受传统半导体激光器驱动电源保护电路优秀设计思惟的根基上,设计出双限流电路,包管了流过半导体激光器的电流不会跨越设计值,设计出了浪涌强制接受或隔离电路,办理了浪涌冲击对激光器的毁坏的难题。设计的驱动电源已利用于实践,电流稳定度很高,浪涌被很好抑制,具有较好的利用前景。

滥觞;电子工程网

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