高穩定度光纖耦合半導體激光器恒流源電路設計

于秋馳,劉志巍,段 凱,劉新明,李義民

(1.鄭州大學物理學院,河南 鄭州 450001;2.中電科信息產業有限公司,河南 鄭州 450017; 3.南京理工大學電子工程與光電技術學院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

光纖耦合半導體激光器擁有以下特點:功率高、體積小、易于控制、可靠性高、壽命長、電光轉化效率較高等。半導體激光器除了應用于激光焊接、激光加工、激光醫療、激光打印等領域,還可用于制作光纖激光器泵浦源,一方面因為其發光光譜窄,只對介質的特定吸收躍遷進行選擇性泵浦,以此來獲得高吸收效率；另一方面,因為半導體激光器為相干光,其良好的聚光性可以進行高密度泵浦等[1-2]。

光纖耦合半導體激光器的伏安特性與普通二極管類似，其存在一個特定值閾值電壓Vth，只有其兩端電壓大于閾值電壓，光纖耦合半導體激光器才有電流輸出，且增長趨勢為指數型，其伏安特性如圖1所示。光纖耦合半導體激光器的功率特性曲線對于研制其對應的激光電源十分重要，如圖2所示，該特性曲線存在一個轉折點，此點對應的電流值為閾值電流Ith，當激光器工作電流在閾值電流值以下時，激光器輸出功率很小；當其工作電流在閾值電流以上時，激光器輸出功率隨電流迅速上升，并與之成線性關系。所以在激光器電流大于閾值電流即正常工作狀態時，電流微小的波動就會對輸出功率產生很大的影響。那么制作一款可靠性高、電流穩定度高的恒流源驅動電路對光纖耦合半導體激光器的正常工作是十分重要的[3-6]。

圖1 光纖耦合半導體激光器伏安特性曲線

圖2 光纖耦合半導體激光器功率特性曲線

國外對于激光電源的研究已經達到了比較高的水平，在很多方面均領先于國內，尤其是在大功率輸出、電流電壓精度控制、溫度穩定性等。部分國內廠商制作的驅動電源雖然有的已經可以達到穩定度與精度的要求，但是其大多價格高昂、功耗高、體積大、啟閉耗時較長、對工作環境要求較高等，并不適合作為研發場合下的光纖耦合半導體激光器的電源。

鑒于國內激光電源存在的問題，本文設計了一種電流范圍在0～20 A的可調恒流源，其電流穩定度較高、耐高溫性強、體積小、啟閉時間較短。此電路通過采用帶有透孔的厚膜電阻作為采樣電阻，來提高電路穩定性，在運放與MOS管之間增加晶體管放大信號來縮短電路啟閉時間，使用模擬開關電路精確控制信號，采用特制的鋁合金結構架作為散熱板，散熱效果良好，增加了本恒流源電路的應用范圍與價值。

2 整體組成

光纖耦合半導體激光器恒流源驅動電源的整體設計如圖3所示,此系統主要由主控板、信號分配板、信號采集板、DC/DC、繼電器組、恒流驅動板、泵浦源等組成。

圖3 泵浦恒流源驅動電源整體設計

上位機實現激光電源控制,預先進行恒流源工作參數的設置,如電流門限值、最大電流、基底電流等等。主控板負責處理采樣數據與外部控制信號,控制恒流驅動板電流的大小與繼電器的開關并與上位機通訊,把采樣數據發往上位機。信號分配板將主控板給出的功率設置與出光控制信號分配為7路來驅動7塊恒流驅動板,驅動分配板的CPU再采集7塊恒流驅動板的電流信號,然后通過RS485通信總線上傳到主控板。信號采集板負責采樣各種信號數據,包括溫度、水流量、光功率等等。DC/DC把外部85 V直流電源轉化為5 V/12 V直流輸出提供恒流板使用。繼電器組起到安全保護的作用,由主控板控制繼電器觸點的通斷。恒流驅動板根據得到的信號與設定的電流值產生穩定的電流給泵浦源,以此完成光纖激光器的出光工作。

3 恒流電路設計

3.1 模擬開關電路

根據國內已有的研究來看，對恒流源電路前級電路的研究較少，大多是加一級運放作為隔離緩沖，忽略了對電路信號的精確控制。本文在恒流源電路之前增加模擬開關電路，其速度快、功耗低、壽命長、關斷阻抗較高，便于進行信號切換同時還可以隔離噪聲。

此部分電路的具體工作過程如下：主控板發出出光控制信號到信號分配板,再分配為7路到7塊恒流驅動板。信號分配板上的STM32單片機通過DAC將數字量轉換為模擬量,以此來設置此恒流電路的基準電壓。運放A1組成的電壓跟隨器做隔離以及緩沖,可調電位器P1用來獲得與輸入的基準電壓成一定關系的輸出電壓,使接入后級恒流電路部分的基準電壓可調。模擬開關SGM3157用來接通信號或者斷開信號,IN端為選通控制處,它將COM端連接到NC端或NO端的數字控制引腳,當激光控制電源打開但沒有給出光信號時,IN端處于非使能狀態,COM端連接至NO端,此時僅D2發光；當給出出光信號時,COM端連接到NC端,IN端處于使能狀態,此時D1也導通發光,同時通過施密特觸發器74HC2G17轉換信號,清除噪聲。模擬開關SGM3157里的COM端輸出信號即為恒流電路的基準電壓。模擬開關電路示意圖如圖4所示。

圖4 模擬開關電路

3.2 恒流源電路

恒流源電路采用MOS管作為電流控制器件,MOS管工作在放大區也就是恒流區時,它的漏源電流為保持恒定,并且其大小由柵源電壓控制,所以只要設法使MOS管工作在放大區,就可以達到恒流控制,并且通過改變柵源電壓就可以改變控制電流的大小。

恒流源電路負責給激光器泵浦即光纖耦合半導體激光器提供驅動電流,電路如圖5所示。運放A2的正向輸入端接收來自模擬開關電路來自COM端的基準電壓VR,首先通過電壓串聯負反饋調整運放A2的放大倍數,并接入電容C2消除自激振蕩。

圖5 恒流源電路

理想運放在線性區有以下特點:“虛短路”、“虛斷路”,可由此計算輸出電壓為:

(1)

電壓放大倍數為:

(2)

為使MOS管迅速進入放大區進行工作,減少恒流源電路的啟動時間,在運放A2與MOS管之間接入一個晶體管用來放大電壓信號,放大倍數為β。MOS管導通后,電流經過采樣電阻R6后產生的采樣電壓反饋至運放A2的反向輸入端,與正向輸入端的基準電壓VR進行比較,然后對MOS管的柵極電壓進行調整,從而改變漏極電流,電路采用閉環負反饋控制恒流,貼片保險絲F1用來保護泵浦,電路中的電流若是高于額定電流,保險絲就會自動切斷電流。取得采樣電壓后,經電壓串聯負反饋將信號放大,通過電位器P1接入ADC,ADC再轉換輸入至單片機,通過更改P1接入ADC的電阻來改變前面板的顯示電流[4]。

根據以上工作過程得:

(3)

輸出電流的穩定性受到基準電壓VR、運放反饋放大R1、R2、采樣電阻R6的影響,對式(3)進行全微分得:

(4)

將設計實際電路時的這電阻值與基準電壓值帶入式(4),可知dVR與dR6前面系數的絕對值遠大于dR1與dR2前面系數的絕對值,即基準電壓VR與采樣電阻R6對電流穩定性的影響遠大于反饋放大電阻R1、R2對電流穩定度的影響[7-9]。

基準電壓VR由前級電路提供,一般小于5 V。采樣電阻R6流過的電流很大,若是阻值很大那么功耗也會很大,發熱現象也會很嚴重,所以阻值一般選擇1 Ω以下,即使這樣,溫度升高也可能導致采樣電阻產生溫漂現象。為了散掉熱量,采樣電阻選擇帶有透孔的厚膜電阻器,厚膜電阻器的穩定性好、阻值范圍寬、耐壓高,一般由電阻漿料與鋁陶瓷基片組成,而且基片面積相對較大,便于散熱。

MOS管選用Infineon Technologies的IRFP4468,它可以承受的最大漏極電流為290 A,耐壓達到100 V,最大功耗為520 W,工作溫度范圍較大(-55～+175 ℃)。MOS管在工作中的發熱現象較為嚴重,需要進行有效的散熱,這里選擇散熱效果良好的水冷散熱。在其底面涂抹導熱硅脂然后貼合在鋁合金結構架上,再在結構架底部放置散熱片,散熱片下方為水冷盤,恒流源電路工作后打開水冷機來給水冷盤降溫。采樣電阻緊挨MOS管,采用同樣的方式散熱。

4 實驗數據及結果分析

4.1 電流上升下降沿測試

實驗測試使用的示波器是YOKOGAWA的混合信號示波器DLM3204,帶寬為200 MHz,采樣率最高可達2.5 GS/S,電流探頭使用DLM3204專用的電流探頭,電壓電流轉換為0.01 V/A,分別測試并記錄了恒流源電路的上升沿與下降沿。測試電路時使用的是假負載,其是由高速二極管RHRG30120串聯而成,以此來模擬泵源的導通電壓。

恒流電路將四個恒流電路并聯,一路為5 A,最大至20 A。根據假負載使用的二極管的工作特性,電源接通瞬間時二極管溫度為室溫25 ℃,其工作電流在20 A的時候導通壓降為2.5 V,但是在工作一段時間之后二極管溫度升高,假負載的水冷盤散熱,溫度維持在120 ℃左右,此時二極管的導通壓降降低至1.5 V左右,此時恒流電路即MOS管與采樣電阻的電壓增大,則反饋電壓增大,由反饋網絡使柵源電壓增大,Id也就增大。上升下降沿波形如圖6、圖7所示。上升時間約為4.5 ms,下降時間約為6.5 ms,開關時間處于毫秒級別,速度較快,符合設計要求。

4.2 恒流板耐高溫測試

熱像儀采用的是ROTRIC的365 C型號,它的紅外分辨率為320×240,測量范圍寬(-20～650 ℃),測量精度較高(±2 ℃或±2 %)。工作條件設置為85 V工作電壓,泵浦源電流為20 A,水冷機溫度為22 ℃,熱像儀發射率為0.95,測試時長為30 min,圖8、圖9分別為同一塊恒流板在工作時間為1 min與30 min時熱像儀拍攝的圖片。

恒流板開始工作后,在1 min內溫度迅速上升,同時水冷盤散熱,直至130 ℃上下波動。從圖6、圖7可以看到,工作時間為1 min時最高溫度為131.9 ℃,工作時間為30 min時最高溫度為134.9 ℃,表明此恒流板結構散熱能力較強且穩定。經測試,此溫度下MOS管與采樣電阻均可以正常工作,表明此恒流板耐高溫性好。

圖6 電流上升沿

圖7 電流下降沿

圖8 1 min時恒流板的紅外圖像

圖9 30 min時恒流板的紅外圖像

4.3 電流穩定性測試

散熱良好的情況下,設置工作條件為:工作電壓85 V,采樣電阻0.1 Ω,通過前面板設置測試電流,分別測得在5 A,10 A,15 A,20 A時工作電流30 min內的數據,每2 min測量一次電流,測量工具為精確度到小數點后兩位的電流鉗表,電流實測數據如表1所示,將工作電流為20 A時電流的穩定度情況繪制為圖10。

表1 恒流板電流實測數據

圖10 工作電流為20 A時電流的穩定度

4.4 光纖耦合半導體激光器波長及輸出功率穩定性分析

在測試恒流源電路電流的穩定性后，將激光電源連接至光纖耦合半導體激光器，對其工作時的波長與輸出功率穩定性進行分析。光譜儀采用YOKOGAWA的AQ6374型號，功率計采用OPHIR功率計，水冷機溫度設置為22 ℃，激光器選用的是凱普林的工作電流20 A、波長976 nm、輸出功率250 W的光纖耦合半導體激光器。針對出廠后不同激光器的參數會出現細微的差異的情況，對多個激光器進行了測試分析，激光器工作參數如表2所示。激光電源工作電流設置為20 A，工作電壓設置為28 V，每3 min記錄一組數據，持續記錄30 min，激光器中心波長穩定性如圖11所示，激光器輸出功率穩定性如圖12所示。

表2 半導體激光器工作參數

圖11 激光器中心波長穩定性

圖12 激光器輸出功率穩定性

實驗結果表明，測試時間為30 min且激光器的殼體、管嘴溫度均正常的情況下，激光器中心波長的離散程度較小，穩定度均達到10-4級別，最高可達10-5級別，符合光纖耦合半導體激光器作為光纖激光器泵浦時波長的要求。激光器輸出功率穩定度較高，分別為1.875×10-3,1.928×10-3,1.733×10-3,1.908×10-3，均處于10-3級別。

5 結 論

為光纖耦合半導體激光器設計的恒流源電路使用的均是常規元器件，其啟閉時間較短，改善了一般恒流源電路的結構，可以實現20 A大電流恒流控制，并做到0～20 A電流可調，電流穩定度較高，在5 A、10 A、15 A、20 A時均達到10-3量級，滿足光纖耦合半導體激光器對于控制噪聲的要求，波長正常。此電路使用模擬開關電路實現信號精確控制，采用特制的鋁合金結構架作為散熱板，散熱效果良好，MOS管與采樣電阻的溫度均處于工作溫度范圍之內，可實現長時間正常工作。采用STM32單片機采集電流信號，同時在前面板實時顯示。經實驗測試，使用此恒流源電路制作的激光電源時，激光器的中心波長與輸出功率的穩定度較高，滿足工作要求，應用范圍較廣。