高精度和高穩定性半導體激光器恒流驅動電源

田亞玲,李創社,張朝陽

(西安交通大學電子與信息工程學院,710049,西安)

半導體激光器(激光二極管)具有單色性好、波長覆蓋寬、激勵方式安全、功耗小等優點,廣泛用于遠距離通信、光學精密測量、激光泵浦、醫學診斷等領域。半導體激光器依靠載流子注入方式工作,注入電流的微小變化會導致輸出模式的跳變、激射波長的顯著紅移以及輸出光功率的改變等[1-4]。半導體激光器多采用恒流驅動模式工作,電流長期穩定度通常作為衡量恒流電源的性能指標[5-6],希望其越小越好。在原子物理、非線性光學等領域,單頻、窄線寬、波長可調諧的外腔半導體激光器產品[7-9]使用較為廣泛,外腔半導體激光器是在激光二極管的尾纖部分做腔鏡形成外腔。目前,優立光太、瓦科光電的外腔半導體激光器以穩定可靠、調諧范圍大、性價比高等特點優于國內其他同類產品。Thorlabs公司的LDC202C型激光二極管電流控制器輸出0～±200 mA可調,其精度為0.05 mA,24 h穩定度小于3 μA,但這種高端半導體激光器電源相當昂貴。半導體激光器是結型器件,電源電路中的瞬態電流尖峰、超出允許的驅動電流等會影響激光二極管的使用壽命[10-11]。因此,對半導體激光器恒流驅動電源的研究持續不斷[12-13]。

本文在常溫條件下,考慮了對半導體激光器的各種安全防護,利用常用電子元件制作了一種具有高精度、輸出范圍可調的高穩定性半導體激光器恒流驅動電源,該電源輸出電流的長期穩定度高,可用于外腔半導體激光器驅動,具有較高的實用價值。

1 恒流驅動電源系統

本文研制的半導體激光器恒流驅動電源主要由場效應管和運算放大器組成的恒流控制電路、過流保護電路、電源慢啟動電路、基準電壓電路以及啟停控制電路等構成,系統組成框圖如圖1所示。

圖1 半導體激光器驅動電源系統框圖

圖1中,場效應管及運放組成的恒流控制電路為該電源系統的核心部分,提供穩定可調諧的恒定電流輸出。基準電壓電路為恒流控制電路提供非常精準的調諧電壓,保證輸出電流精度更高。過流保護電路使半導體激光器的工作電流不超過用戶設定的電流值。為防止開機瞬間的浪涌信號對半導體激光器的損壞,系統中設置了電源慢啟動電路。啟停控制電路可根據用戶需要在不影響系統其他部分工作的情況下,只對激光管進行必要的快速斷電保護。

1.1 恒流控制電路

恒流控制電路是驅動電源系統的核心,由運放和場效應管等組成,原理如圖2所示,圖中U1為運算放大器,VDD為供電電源,Vr為輸入調諧電壓,R5為限流電阻,R0為電流采樣電阻,流過采樣電阻R0的電流即驅動半導體激光管RLD工作的輸出電流為I0。場效應管M1采用源極輸出,實現了半導體激光器安全接地,對半導體激光器進行有效保護。正常工作時,控制信號K為高電平,三極管Q1截止,當K為低電平時,Q1導通拉低M1柵極電壓導致電路無電流輸出。

圖2 恒流控制電路原理

由圖2可知:若VDD、Vr穩定,而I0突然增大時,則R0壓降增大,這會導致M1漏極電位下降,而使U1同相輸入端與反相輸入端之間的電位差減小,運放輸出電壓即M1柵極電壓減小致使I0減小;當流過電阻R0的電流突然減小時,運放同相輸入端與反相輸入端之間的電位差增加,場效應管漏極電流增加I0增大。這表明恒流控制電路具有輸出電流的自我調節功能,對該電路進行分析,得到流過R0的電流

本文電路中,U1選擇了高穩定度、低噪聲失調電壓、小溫漂的高速精密運放OPA227,M1為漏極電流可達30 A的增強絕緣柵型場效應管IRF540N,R1、R2、R3、R4均為精度0.1%的10 kΩ低溫漂電阻。R0選擇了功耗為3 W、電阻為10 Ω、精度為0.1%的低溫漂無感采樣電阻。Vr調節范圍為-2～0 V。

1.2 高精度電壓基準源

由恒流控制電路分析可知,要獲得高精度、低紋波的輸出電流,輸入電壓Vr的精度和穩定性非常重要,故本文選用高精度、高穩定性的精密帶隙基準電壓源芯片ADR01,以其輸出的10 V電壓作為基準電壓參考,進而獲得Vr,電路原理如圖3所示。

圖3 高精度電壓基準源電路

圖3中,由ADR01輸出的10 V基準電壓經反向和分壓處理得到穩定可調的Vr,基準電壓經過反向器及分壓調節電路后穩定性有所減小,故圖中電阻均采用低噪聲和低溫漂電阻,并在反向器的輸入端、輸出端及電阻分壓時分別增加了濾波電容。取R2-1=R2-3,Rr1=100 kΩ,Rr2=50 kΩ,根據圖中關系可知,Vr=-10Rr2/(Rr1+Rr2)為-2～0 V的高精度電壓。

1.3 保護電路

半導體激光管是一種易損壞的電子器件,核心為PN結,對其施加的反向電壓超出允許值會發生擊穿或損壞,流過的正向電流超過允許最大電流值時,重則燒壞,輕則影響其不能正常使用。為避免外界浪涌電流或高壓靜電等對激光器產生不可逆轉的損壞,本文設置了過流保護電路、電源慢啟動電路以及啟停控制電路。

圖4 過流保護電路原理圖

1.3.1 過流保護電路 本文設計的過流保護電路如圖4所示,主要通過對電磁繼電器的控制,實現當半導體激光器的電流超過設定值時進行分流,使激光器電流恒定。圖中半導體激光器RLD正常工作時,采樣電阻R0的電壓被運放U3及其周圍元件放大處理,若放大后的電壓值小于設定電壓Vset,比較器U6后的三極管Q2截止繼電器J處于常態,開關管M2關閉,RLD正常工作。當其他因素導致流過RLD的電流增加過多致R0采樣電壓放大后高于設定電壓時,Q2導通致繼電器J吸合將M2連接到設定端并快速開啟,因M2與RLD并聯,對輸入激光器的電流進行分流。利用場效應管柵源電壓控制漏極電流的特性控制分流的大小,即根據采樣值與設定值之間的差異自動調節,使流過RLD的電流保持恒定,達到對RLD過流保護的目的,流過RLD的電流最大范圍由設定端的電阻比例決定。

本文用偏置電流和失調電流都很小的高靈敏比較器LM211實現比較器U6及三級管Q2的功能,M2選擇開啟電壓很低的場效應管BSS88,用雙運放精密運算放大器TLC082代替U4、U5對電路進行簡化,RLD周圍的二極管和電感元件可預防電源擾動,提高激光管使用壽命。

1.3.2 電源慢啟動 電源開啟瞬間,因大量電容的存在會在電路中產生較大的浪涌電流,嚴重影響半導體激光器的安全,本文選用基于比較器LM317的電源慢啟動電路,使供電電壓平滑上升進而抑制浪涌信號的影響。慢啟動電路原理如圖5所示。

圖5 電源慢啟動電路原理圖

圖5中電容C8-2電壓不能突變,電路開啟時三極管Q8-1飽和導通,電阻R8-1近似短路,U8輸出電壓最低。隨著C8-2電壓緩慢上升,Q8-1逐漸退出飽和區,R8-1電壓逐漸增大,輸出電壓VDD緩慢升高,直至C8-2電壓升高到使Q8-1截止時,VDD才能達到額定值。R8-2、C8-2大小決定該電路的慢啟動時間。輸出端電容C8-3、電感L8-1以及電容C8-4構成π型濾波電路,防止電流突變。

1.3.3 啟停控制電路 為防止電源開啟瞬間的浪涌信號,且電源穩定工作期間有時僅需關閉激光管而不影響電路的其他功能,文中選用NE555芯片構成的單鍵雙穩電路進行半導體激光器啟停控制,電路原理如圖6所示。

圖6 啟停控制電路

由圖6可知,電路剛啟動時,12 V電源通過電容C7-1使U7的閾值端得到一正脈沖,K端為低電平,此時電容C7-2上無電壓。輕觸P鍵,C7-2作用于觸發端,K端電壓翻轉成為高電平,并通過R7-3對C7-2充電。釋放P鍵后,C7-2充電到12 V,因R7-1、R7-2的分壓作用使觸發和閾值端均為6 V,K持續保持高電平輸出。再次按下P,C7-2使閾值端電壓高于8 V,K端翻轉為低電平。釋放P,C7-2通過R7-3放電,觸發和閾值端電壓回到6 V,K端保持低電平。如此反復,只要每次按下一次P鍵的時間不超過1 s,便進行一次K端的高低電平轉換。正常工作時,K端為高電平,當需要對半導體激光器進行斷電保護時,輕觸P鍵使K端輸出低電平,恒流電路中的控制開關導通,使恒流電路無輸出而關閉激光管。

2 實驗結果

2.1 恒流輸出特性測量

實驗測量時,使用5個串聯的LED發光管作為負載替代半導體激光器進行輸出電流監測。用Agilent34410A型6位半數字萬用表直接測量I0,數字萬用表設置每秒采集一次實時電流值,部分電流輸出特性測量結果如圖7所示。由圖7可知,本文的半導體激光器驅動電源輸出電流大小可調,電流精度為0.01 mA。

(a)輸出83 mA、持續2 h測試結果

(b)輸出108 mA、持續8 h測試結果圖7 恒流輸出特性測量結果

恒流電源使用時,通常將電流穩定度γ作為評價電源質量最直接的評定標準,定義為電源輸入電壓、負載電阻和環境溫度等因素變化時,輸出電流自身的相對變化,即γ=ΔI/I,考慮電源隨時間的漂移,則為電源的長期穩定度。由圖7b可知,電源持續8 h保持108 mA輸出時,I0的相對變化量ΔI0=5 μA,可知108 mA輸出時的電流長期穩定度為

%=0.004%

對該電源多次長時間進行不同大小輸出電流的重復測量,表明該電源電流長期穩定度達10-5量級。

2.2 保護電路測試

對啟停控制電路的測試發現,快速按下P鍵可實現電平反轉,并能通過三極管Q1關閉恒流控制電路中的M1開關管,使恒流電路無輸出電流,進而實現對激光管的啟停控制。

過流保護電路性能測試結果如表1所示,其中I0為恒流電路輸出電流大小,Ip為流過分流電阻Rd的電流大小,即過流時的分流值,Iset為用戶設置的限流值。由表1可知,當恒流輸出小于設置的限流值時,過流保護電流不起作用,只要恒流輸出大于設置的過流值時,電磁繼電器便吸合,與激光器并聯的開關管開始工作并起到分流作用,使流過激光器的電流基本保持恒定,激光器不會出現電流過大的情況,達到保護半導體激光器的目的。

表1 過流保護電路性能測試結果

3 結 論

本文研制了一款高精度、高穩定度的半導體激光器恒流驅動電源,利用場效應管和運算放大器組成的恒流源電路消除了供電電源對輸出的影響,提高了驅動電流的穩定性;采用高穩定基準電源,增強了動電流的精度;通過電源慢啟動、激光器限流保護以及啟停控制電路,實現了對激光器的可靠保護。多次長時間重復測試表明,該電路很好地實現了平穩啟動,輸出電流為0～200 mA可調,精度為0.01 mA,穩定度約為0.004%,電源系統具有結構簡單、穩定度高、保護電路可靠、成本低、易實現的特點。