【導讀】二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現已成為固體激光器的發(fā)展主流，其轉換效率高，穩定性好、可靠性高，是迄今惟一不需維護的激光系統，具有輸出的光束質(zhì)量高、體積小、結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)獲得了廣泛的應用。
二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現已成為固體激光器的發(fā)展主流，其轉換效率高，穩定性好、可靠性高，是迄今惟一不需維護的激光系統，具有輸出的光束質(zhì)量高、體積小、結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)獲得了廣泛的應用。二極管泵浦固體激光器設計中涉及許多關(guān)鍵技術(shù)，電源技術(shù)是其中之一，它涉及的主要問(wèn)題是如何根據固體激光器的要求設計半導體激光二極管的驅動(dòng)電源。半導體激光器驅動(dòng)電源的基本要求是： 恒流源、電流穩定度高（至少應小于10-3）、紋波系數小、具有特殊的抗電沖擊措施和保護電路［1］。在實(shí)際項目中，二極管泵浦固體激光器用于機載導彈測距，采用808nm半導體大功率激光器作為泵浦源，要求驅動(dòng)電源體積小，驅動(dòng)電流2A，驅動(dòng)方式為脈沖驅動(dòng)，脈沖頻率和寬度獨立可調、蓄電池供電（5V左右）。目前許多的商用的或用于試驗研究的驅動(dòng)電源很難完全滿(mǎn)足使用要求，因此為其設計簡(jiǎn)單、方便、穩定、可靠的驅動(dòng)電源具有重要的意義。
1、電路結構及原理：
該半導體激光器驅動(dòng)電源由脈沖電路、控制電路、穩流電路和保護電路的四部分組成，系統框圖如圖1所示。
1.1 穩流電路
在穩壓或穩流電源中，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)響應較差、紋波系數較大，對瞬態(tài)特性和溫度度要求較高的半導體激光驅動(dòng)電源采用線(xiàn)性電源較為合理。為了實(shí)現高的電流穩定度，驅動(dòng)電路大多采用負反饋的控制方法，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轉后，作為反饋電壓與設定電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而通過(guò)調整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進(jìn)行調整。整個(gè)閉環(huán)反饋系統處于動(dòng)態(tài)平衡中，以達到穩定電流的目的。輸出電流If與設定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負反饋原理得到 ，上式只是一個(gè)近似的表達，隨著(zhù)負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很高，使得輸出電流變化很小，穩定度一般能達到10-5量級。
實(shí)際上，線(xiàn)形穩壓源和穩流源的結構原理基本相同，只是輸出方式的不一樣，即負載的加載方式不同，譬如，在圖2中，如果負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的穩壓源。同樣的，基于這種方式的穩壓源稍加調整也可作為恒流源。目前，各種可調穩壓器集成芯片技術(shù)成熟，產(chǎn)品豐富，因此可以對這種芯片的功能進(jìn)行擴展以滿(mǎn)足我們的設計要求。
考慮到實(shí)際應用情況，如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態(tài)響應，我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調穩壓芯片NCP5662，它的瞬態(tài)響應比同類(lèi)穩壓器要快，建立時(shí)間1-3us，可承受電流值達2A，具有內部電流限制和熱保護功能等，其功能框圖如圖3所示。圖3顯示的是其穩壓工作的情況，根據前面敘述的原理，對該集成電路進(jìn)行擴展以將其設計成為一個(gè)穩定度很高的恒流源，幾種擴展方法中，實(shí)驗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的電路，當加電之后，電路開(kāi)始工作，進(jìn)入穩態(tài)時(shí)，由于集成電路內部的反饋作用，R11兩端的
因此，改變R3、R11、R7可以靈活的調整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值，通過(guò)計算得到Is=2A，此恒定電流將流過(guò)激光二極管到地，由于 NCP5662內部的比較器具有很高的放大倍數，因此，電流的穩定度非常的好。另外，從R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小于4mA，與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態(tài)響應特性，在實(shí)驗分析部分將詳細敘述。
1.2 脈沖控制電路
脈沖控制電路如圖4虛框所示，當脈沖控制信號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正向導通，因此NCP5662的ADJ端被強制在高電平，這個(gè)電平值必須高于恒定電流流過(guò)負載時(shí)ADJ端的電平值，讓R11兩端電壓遠遠高于0.9伏，使得NCP5662內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的作用是防止截止狀態(tài)時(shí)激光二極管出現的高阻特性讓ADJ端的電平出現不穩定，當負載呈現一般的電阻特性時(shí)，R11可以不要。當Vpulse跳向高電平時(shí)，晶體管Q1的集電極電位轉向低電平，從而瞬間讓ADJ端電位很低，使得R11兩端電壓遠低于0.9伏，從而使NCP5662內部的功率晶體管導通， ADJ的電位開(kāi)始上升，最后進(jìn)入穩定工作階段， 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控制信號的到來(lái)，如此反復，實(shí)現了大電流的快速開(kāi)關(guān)，這主要得益于NCP5662的快速響應特性，其本質(zhì)是因為其內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)設計中最重要的地方，雖然還有其他方式可實(shí)現這一個(gè)功能，如在負載上串聯(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)驗都證明了這兩種方式存在的問(wèn)題，如電源的穩定性和響應特性都沒(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為該電源內部振蕩電路，由7555構成，四個(gè)與非門(mén)的作用是選通接受內部控制信號還是外部控制信號輸出到Vtrigger，Vtrigger 信號控制所需要的Vtrigger信號的頻率。圖5b是一個(gè)由555定時(shí)器構成的下降沿觸發(fā)的單穩電路。該單穩電路的特點(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，這主要得益于應用了由放大器LM358和電容C6構成的自舉電路，因此，這就實(shí)現了獨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的控制，如來(lái)自溫度傳感器熱敏電阻上的電壓信號。
1.4 保護電路
由于半導體激光器對于電沖擊的承受能力很差，在使用過(guò)程中，出現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措施，傳統的保護電路方式很多，如采用慢啟動(dòng)電路、短路保護開(kāi)關(guān)等。在該應用中，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部具有慢啟動(dòng)、熱保護、尖峰電流限制功能，因此只需在半導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、試驗結果及分析
上述各個(gè)電路模塊都預先在Pspice A/D上進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，最后制作了實(shí)物電路，試驗結果達到了預期的設想。當負載為純電阻1Ω、脈沖控制信號周期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)負載的電流完全對應，只差一個(gè)比例系數。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，負載為808nm大功率半導體激光器時(shí)R7兩端的電壓波形如圖7所示。前面負載選用純電阻1Ω的原因是： 2A電流流過(guò)激光二極管時(shí)，穩態(tài)下該激光器的等價(jià)負載電阻約1Ω，這樣可以更好的對比他們的工作情況。從示波器上可以看出，在上升階段，有一段持續時(shí)間約5us的衰減振蕩，這主要是因激光二極管到在達穩態(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)試驗測得，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(zhù)斜坡上升，響應變慢。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)明對于恒流源，負載的阻抗特性，如并聯(lián)電感、串聯(lián)電容對電源輸出的瞬態(tài)特性影響很大！在用恒流源驅動(dòng)半導體激光器時(shí)要特別注意。
電源中大多數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，可以達到4cm×4cm×1.5cm， 非常方便的應用于如激光測距一類(lèi)對電源體積要求較小的應用中，另外，在6.5v蓄電池供電下，用該電源驅動(dòng)808nm大功率半導體二極管，反復進(jìn)行開(kāi)了開(kāi)關(guān)測試，激光器工作良好！
3、 結果
基于集成穩壓芯片NCP5662，采用最少的器件，設計了低電壓大電流脈沖半導體激光驅動(dòng)電源，電源穩定、可靠、體積小、控制簡(jiǎn)單、脈沖寬度和頻率獨立可調。驅動(dòng)電流2A時(shí)，脈沖上升時(shí)間小于4us，下降時(shí)間小于2us，響應迅速，無(wú)過(guò)沖、反沖，達到了機載導彈測距中對半導體激光器的電源要求。這也說(shuō)明了合理選擇成熟的穩壓芯片可以設計功能豐富的恒流源。該電源中的設計思路可應用于其它脈沖恒流源的電源設計中。
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