基于半导体激光器驱动电源的设计分析

2015-05-30吴化楠

企业技术开发·中旬刊 2015年12期

关键词：设计

吴化楠

摘要：半导体激光器最早是通过纯硬件电路的控制模拟来进行驱动。文章以半导体激光器为研究对象，简要地阐述了半导体激光器和驱动电源的基本概念和含义，详细地分析了半导体激光器对驱动电源的基本要求，深入地探讨了半导体激光器驱动电源的设计，以期为相关方面的研究者和设计者提供参考和帮助。

关键词：半导体激光器;驱动电源;设计

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）35-0008-02

半导体激光器拥有广阔的应用范围和极大的应用潜力，广泛应用于军事、医疗、商业贸易和工业生产等多个领域。但是传统的半导体激光器内部的设计模式并不好，使用寿命也很短，大大限制住了半导体激光器的使用路径。通过对内部驱动电源的设计分析，可以优化半导体激光器的电力结构，有效延长半导体激光器的使用寿命。

1 半导体激光器和驱动电源的概念和含义

半导体激光具有体积小、重量轻、价格相对较低和驱动电源设计简单等优越性的有利条件。半导体激光器是以半导体材料为工作物质，利用电力产生激光激光的一种物理性工具。半导体激光器要顺利地产生和发射出激光，必须要满足三个基本条件：

一是在电子注入有源区时形成粒子数的反转;

二是电子在光学谐振腔内产生一定波长的光，并利用电子跃迁来提高光的亮度和强度;

三是在发射激光时，注入谐振腔内的载流子既不能多也不能少，保证激光阈值的电流密度维持在饱和状态。

半导体激光器是实用性和适用性都最好的一类激光器，广泛应用于光存储、激光测距、激光通信、激光打印和雷达等多个方面。驱动电源是把电运供应的电力转换成某一特定的电压和电流，用以驱动机器工作运转的一种电源转换器。由变压器、整流桥、稳压电路、绿波网络和慢启动电路组成的驱动电源采用的不是电池供电或通电的开关闭合来控制电源状态的。

2 半导体激光器对驱动电源的要求

注入半导体激光器的电流小于额定阈值的时候，激光器就会因为输出功率过小而只能发出微弱的荧光。这时射出的光也只是半导体激光器自发辐射的光能能量，并不是从半导体的物质原子中发射出来的激光。注入半导体激光器的电流大于额定阈值的时候，激光器在恒温的情况下输出的功率和注入的电流大小成正比的线性关系。当半导体激光器内部的驱动电流超过允许流通电流的最大上限时，驱动电源就很有可能被烧毁，情况严重的时候还可能会发生小型爆炸，伤及相关的使用人员。原本半导体激光器的时间响应速度就很快，基本上都是以毫微秒来进行计量的，即使是极为短小的时间段内的冲击电流也会造成半导体激光器的破损和毁坏。因此，半导体激光器内部的驱动电源必须要担负起保护电路安全和电流稳定的职责，尽量减小或消除冲击性电流带来的不良影响和损失后果。

一方面，像半导体激光器这种非感性的电力负载，在闭合开关和断开电源的瞬间都会产生一股很大的冲击性电流。半导体激光器的驱动电源必须要将电力的输入和输出设计成一种启动较慢的安全性电流回路。通过降低激光波长的纹波系数和滤除电路中的交流分量来保证流通电流和输入电压的稳定性。

另一方面，气候温度和空气湿度以及线路老化等原因都对半导体激光器的激光输出功率有着显著的负面影响。半导体激光器的驱动电源必须要有一套自动控制电路温度，同时增益输出功率的设计方案，使半导体激光器能够在恒温的状态下进行正常的工作。

3 半导体激光器驱动电源的设计

3.1 总体设计方案和分析

本文选取了型号为MD-500-7的这种数字式大功率半导体激光器驱动电源为例。该激光器的额定功率是500 W，能承受的最高电压不能大于50 V，可以流通的电流为0～60 A。驱动电源的整体设计图，如图1所示，图中明确指出了驱动电源内部对实现技术指标的影响相对较大的重要单元。对这些关键性的组成单元，必须要在设计方案上进行深入的理性分析和客观的对比筛选。

在驱动电源的整个设计系统中，各个组成部分的设计是以总体设计方案为中心，围绕着总体设计图来展开的。传统的半导体激光器驱动电源，采用的都是分析电源主回路和平均分摊电力的单一型设计方案。即便半导体激光器是电子转光子的一个高效率转换机器，也和其它的电力产品一样，不可避免地会因为常规操作和使用次数的增加而出现机理损耗和功能弱化的现象，从而影响激光管工作时光线波长和输出功率的稳定性能。只有对其内部驱动电源的温度进行严格的调控，才能保证半导体激光器在恒温的状态下更为持久可靠地进行工作。为了达到更好的设计理想和使用效果，温控单元激光二极管的温度控制也需要必要的分析和研究。

3.2 恒流源驱动器的设计

恒流源电路可以使半导体激光器最大输出40 A稳流源的驱动电源在连续工作的模式下保证电压以2～10 V的低水平性输出。如图2所示，设定输出电流最高可达40 A，输出电压稳定在2～10 V之间，使用大功率场效应管作为设计中的调整控制管，利用场效应管的开关来控制连接在漏极D上的负载电流ID并使其保持不变，通过控制场效应管的柵源电压UGS来达到均衡电流的最终目的。

在恒流驱动器正常工作的时候，图2中MOSFET管Q1的控制电压Vgs是一种正向的驱动电压，为MOSFET管提供导通饱和的功能服务。IR是一种通过LD的电流，会遵照相关的指数规律呈增长趋势。Imax指的是在MOSFET管一直导通的情况下Vdd对L充电所能达到的最大指数。

半导体激光器使用寿命的长短和工作效率的高低直接取决于驱动电源的稳定程度。驱动电源的稳定性能较高，半导体激光器的使用寿命就会相应地延长，发射激光的工作效率也能够保持在一个较高的水平上。因此，对半导体激光器驱动电源的保护是必要而重要的。驱动电源的保护可以由软启动、浪涌消除电路、过流过压检测电路和恒流源各部分软件的设计来具体实现。

3.3 制冷器和驱动电路的设计

半导体激光器驱动电源的温度控制是建立在闭环负反馈理论和电力恒温流原理上的一种控温技术。由P型和N型的半导体制冷元件构成的热点对偶是最常见的温度传感器之一，也是半导体激光器驱动电源制冷系统的基本元件。把P型和N型的半导体制冷元件连接在一起，让直流电通过P-N组件，P和N接头的两个地方就会产生一定程度上的温度差别。温度较低的电流方向是从N到P，接口处的温度会逐渐下降并吸收热量;温度较高的电流方向是从P到N，接口处的温度会慢慢上升并释放热量。这种冷热衔接、对接协调的N-P组件就是一个完整的热电偶对。将多个热电偶对成串地设置在电路上，和热交换器的传热元件组合形成普遍应用于驱动电源内部的热电制冷组合控件，专门负责进行热传导和热疏散，保持驱动电源工作环境的恒定低温。

演算制冷量的具体公式是：

Qc=αITc-■I2R-KΔT

其中，Qc为制冷量;

α为Seeback系数;

R为元件内阻;

K为元件导热系数;

I为电流;

ΔT为冷热端温差。

温度传感器是温度控制系统中最重要也最核心的硬件组成部分。温度测量的敏感元件不仅有热电偶对和热敏电阻等传统的温度传感器，又有光学温度传感器和集成温度传感器等先进的现代化温度传感器。一般的半导体激光器驱动电源往往采用的都是一种型号为DS18B20的数字温度传感器。

4 结语

由于半导体激光器对内部的驱动电源提出了稳定电流和控制温度这两个基本性的技术要求，所以在设计半导体激光器的驱动电源的时候，要充分考虑驱动器、电路主回路和温控系统等部分的工作原理来设计电源方案。同时还要注意设计一些如软启动、过压检测电路和消除浪涌电路等用来保护电路的硬件和软件。

参考文献：