MIC29750用于大功率半导体激光器的驱动

2014-01-01曹军胜

仪器仪表用户 2014年5期

曹军胜

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

近年来，半导体激光器的发展非常迅速，在国防、工业、医疗乃至日常生活中都有越来越广泛的应用[1-10]。激光器驱动电源是激光器应用的基础和关键，是激光应用系统人机界面与激光器发生关联的接口。激光器驱动电源不仅要提供满足激光器需求的驱动电流和工作方式，还应具有输出电流稳定、激光器保护措施（如限流保护、上电保护）等功能。

半导体激光器为电流注入式电致发光器件，基于“电压源+MOSFET”结构的压控电流源是半导体激光器常用的驱动方式。为保证驱动电流的特性（幅值、纹波和稳定性），不仅要求MOSFET具有低导通电阻和高额定功率，更要求电压源具有高输出电流能力、低噪声、低纹波特性。VICOR电压源模块是一种高性能的DC-DC电源模块，功率密度高、输出电压纹波小，适合作为激光驱动器的电压源，缺点是价格高，不适用于低成本应用领域。普通开关电源输出纹波太大，无法直接使用。本文在开关电源的基础上，采用大功率低压差线性稳压芯片MIC29750作为电压源，设计了基于“电压源+MOSFET”结构的压控电流源作为大功率激光器驱动电源，并具有限流保护、上电保护等功能，可供大功率半导体激光器的驱动、控制等应用领域借鉴。

1 设计方案

1.1 总体设计

如前所述，半导体激光器为电流注入式电致发光器件，基于“电压源+MOSFET”结构的压控电流源是半导体激光器常用的驱动方式。图1所示是“电压源+MOSFET”结构的压控电流源的基本电路原理，其中Vi是控制电压，Rs为取样电阻，A是反馈网络的增益，则输出电流与控制电压呈线性关系I＝Vi/(A·Rs)。

图1 压控电流源原理示意图Fig.1 Principle of voltage controlled current source

值得注意的是，图1中运放的供电电源用VCC表示，激光器输出回路的供电电源用VLD表示，这两个电压有时可以简化为同一个电源，但建议分开。激光器输出回路的特点是电流大、电压低。大功率激光器驱动电流在几安培以上，而电压一般不到2V；取样电阻Rs功率大而电阻小、压降小；可见，如果VLD太高的话，大部分压降将由MOSFET承担，不仅功耗陡增，而且需要散热；一般VLD可选择5V左右。相反，运放等器件的供电电压VCC需要较高电压，以便给MOSFET栅极提供足够高的开启电压，且功耗较低，不存在散热问题；VCC一般可采用±12V或±15V。

1.2 关键单元设计

1）压控电流源

图2是压控电流源的电路图，采用了VLD和VCC分别供电的方案，运放等器件采用±12V供电，以便给Q3（IRF540）栅极提供足够的开启电压，但功率要求并不高；+5V是激光器回路的电源，由于取样电阻取0.1Ω、Q3（IRF540）的导通电阻仅0.077Ω，即使输出电流达10A时，激光器电压自适应范围仍可满足大部分单管激光器（0～2V）。

该电路在压控电流源的控制电压输入端增加了模拟开关CD4066来控制控制电压的通断，由此可实现输出电流的脉冲方式输出。为了提高窄脉冲输出能力，运放U3与MOSFET（Q3）之间增加了一对三极管Q1、Q2，可加快MOSFET栅源电容的充放电速度。

2）激光器限流保护

限流保护是激光器常用的一种保护措施，设定最大工作电流后可避免激光器过流损坏。图3是一种激光器限流保护电路，其原理是：设定限流电压VRES=IS×RS（其中IS是限定电流，RS是取样电阻），当激光器工作电流I＜Is时，比较器U6B输出低电平，PMOS管IRF9540导通；当激光器工作电流I＞Is时，比较器U6B输出高电平，PMOS管IRF9540截止。当然，由于PMOS开关串入输出回路，为了不影响输出电流，可适当提高VLD进行补偿。

3）上电保护

激光器驱动电源在突然上电和断电时往往在输出端产生电流尖峰或浪涌，有的尖峰虽然很窄，但幅值可能大幅度超过激光器的额定电流，极易损坏激光器，因此，激光器驱动电源往往需要此类保护电路。图4所示的保护电路基本原理是在激光器两端并联常闭继电器，仅在输出前打开继电器。激光器正负极平时被常闭继电器短路，还能起到防静电的作用。继电器断开后，R12接高电平，可通过测试R12电压（LOCK_TEST信号）判断继电器是否可靠打开。

2 测试结果

为了验证MIC29750作为激光器输出回路电压源的可行性，实验比较了VLD分别采用VICOR模块、开关电源、MIC29750时激光器输出电流的纹波。实验基于图2所示的压控电流源，设定电流值为2.5A，脉冲宽度1ms，用示波器监测串联于激光器的0.1Ω取样电阻上的电压。

图5所示是采用VICOR模块V375A5E400BL时，输出脉冲电压顶端值246mV，最大值260mV；采用某5V输出开关电源时（如图6），输出脉冲电压顶端值244mV，最大值280mV；采用MIC29750时（见图7），输出脉冲电压顶端值247mV，最大值268mV。可见，采用MIC29750芯片时的输出电流纹波优于开关电源而不及VICOR模块，这从图中可直观地观察到。