LD驱动电源中恒电流驱动电路的EMC仿真研究

付兵兵，单江东，王灵敏

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012）

随着人类进入21世纪，科技技术得到了突飞猛进的发展，使得电子、电器设备在人们的日常生活中几乎随处可见，这就导致电子、电气设备的种类和数量的大量增加，而随之产生的无用的或有害的电磁能量也就越来越多，这就使得电子、电器设备要在一个较为复杂的电磁环境中工作，这样就随时可能受到电磁干扰的影响而不能正常工作[1-2]。电磁兼容技术就是为了解决这一问题而产生的一门技术。电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。近年来，分析电磁干扰的机理，电磁兼容技术和检测方法的研究是提高系统可靠性的有效方法[3]。电磁兼容设计的目的就是为了解决电路之间的相互干扰，防止电子设备产生过强的电磁辐射，防止电子设备对外界干扰过度敏感。要研究一个系统的电磁兼容性，就必须知道电磁干扰产生的原因以及对系统会产生怎样的影响[4]。半导体激光驱动电源的好坏会影响半导体激光器的正常稳定工作与否以及它的使用寿命。所以好的半导体激光驱动电源可以更好地使半导体激光器的正常稳定工作，并且延长它的使用寿命。

本文对于半导体激光驱动电源的恒电流驱动电路进行电磁兼容的研究。以理论分析为基础，主要从恒电流驱动电路的稳定性以及抗外部干扰的能力出发，设计、分析了恒电流驱动单元的电磁兼容性。

1 恒电流驱动单元的稳定性分析

本文的恒电流驱动单元主要采用的是深度负反馈技术，用大功率场效应管作为调整管。由图1可知，输出电流通过取样电阻得到的采样电压经过放大器A2放大后作为反馈电压反馈回放大器A1的反相输入端，并与同相输入端的基准电压Vc进行比较，对栅极电压进行调整，进而对恒流驱动单元的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以实现使输出电流处于稳定的状态的目的[5-6]。

引入负反馈系统后，使其稳定性得到较好的改善，这里用增益的相对变化量来衡量稳定性。增益的相对变化量为开环增益相对变化量的，闭环增益的稳定性提高。

图1 恒电流驱动电路原理图Fig.1 Schematic diagram of constant current circuit

根据图1，利用运算放大器的虚短、虚断原理，可以推出控制电压Vc和漏极电流I0关系，即

用输出电流的相对变化量来表示电流的稳定性。

由公式（4）可知，输出电流的稳定性主要与采样电阻的稳定性和控制电压的稳定性有关。对于采样电阻，由于恒流驱动电源的最大输出电流为2.5 A，电流很大，为了减小功耗和发热，取样电阻越小越好，但取样电阻太小又不利于获得较大电流，所以选0.1 Ω的精密的温度系数较小的取样电阻。对于基准电压源，选用的是型号为LM336的高精度的2.5 V的并联稳压二极管，它的参考电压典型值为2.490 V，动态电阻为0.2 Ω，有较低的温度系数6 mV/9 mV/19 mV，工作电流300 μA～10 mA，根据上述参数可见LM336的稳定性相对较好。

一般线性工作的放大器 （即运放中加入反馈系统的电路）的输入电容就可能会使运放电路变得不稳定的，放大器的输入端一般存在约几皮法的寄生电容，这个电容包括运放的输入电容和布线分布电容，它会与反馈电阻构成滞后网络，引起输出电压相位滞后，可能引起振荡现象，严重破坏电路的稳定性。所以可以采用补偿技术来改善这个问题。一般引用补偿技术，就是在放大电路或反馈网络中加入一些电阻，电容无源元件。本文中，就采用了补偿技术来改善负反馈放大电路的稳定性。

对于本文所采用的如图1所示的恒电流驱动单元，一般情况下，半导体激光器内电阻也就几欧姆，故用10欧姆电阻代替激光二极管作负载。对单元电路进行pspice仿真分析，仿真模型如图2所示。

对恒电流驱动单元进行交流扫描，扫描范围在1 Hz～30 MHz之间，得到负载的幅频特性曲线，如图3。由图3可以看出，在f=100 kHz左右时，恒电流驱动单元的稳定性遭到了破坏，会影响电流的稳定输出。

图2 恒流驱动电路的仿真模型Fig.2 The simulation model of constant current circuit

图3 恒流驱动电路的幅频特性曲线Fig.3 The amplitude-frequency characteristic curve of constant current circuit

故为了改善负反馈放大电路的稳定性，在图2的基础上，在运算放大器U1A的反相端和输出端加入一个补偿电容，并且为了探讨补偿电容的容值的大小对电路的影响，对电路进行交流扫描的同时也对补偿电容进行参数扫描，扫描范围初步定为：0.1 μF 到 0.5 μF，步长为 0.1 μF。 扫描结果如图4所示。由图4可见，电容越大，对恒电流单元电路的幅频特性改善效果越好，但是，由于电容的容值越大，相对的也会降低闭环增益，而且容值太大，在实际中电容的体积也会变大，成本也变大，所以电容选则为0.47 μF基本就满足条件了。

图4 补偿电容参数分析图Fig.4 Parameter analysis diagram of compensation capacitor

同理，在图2中运算放大器U2A的反相端和输出端加入另外一个补偿电容，取值为0.01 μF。对改善后的电路进行交流扫描，得到电路的幅频特性曲线，如图5所示。对图3和图5对比分析，没加补偿电容前，在频率约1 kHz以后，电路的幅频特性曲线开始不平稳，在100 kHz处出现了过大的尖峰；加入补偿电容后，在频率约1 kHz以后，电路的幅频特性曲线还是比较平稳的，在100 kHz处不再有过大的尖峰出现，尽管在约10 Hz以前平稳度不是很好，但没有出现明显的尖峰，故电路的稳定性整体上还是得到了明显的改善。

图5 加入补偿电容后单元电路的幅频特性曲线Fig.5 The amplitude-frequency characteristic curve of unit circuit with compensation capacitor

2 恒电流驱动单元的干扰分析

我国的工频电采用的标准是220 V/50 Hz交流，但是在电网中由于使用各种电子、电气设备而带来的各种干扰源会使电源波形发生畸变，电源中会含有多种高次谐波，高次谐波容易使用电设备过热，从而使用电设备不能正常工作[7-9]。即使是直流电源也不是理想的直流电源，也存在纹波，也会影响用电设备的正常工作。故在实际的电路工作中，并不能保证给电路提供的就是纯粹的直流信号，总会有各种各样的不同频率的干扰信号夹杂在输入信号中。

本文中采用的供电电源是12 V的直流电源，由于开关电源本身就存在纹波，再加上所处的电磁环境中存在的干扰，通过电源线夹杂在输入信号中，这些夹杂在输入信号中的各种频率的振荡信号会影响电路的稳定工作。所以，对于恒电流驱动单元的外部干扰，主要是采取措施来控制输出信号的纹波在一定的范围内变化。

在输入信号中会夹杂一些高频信号（其它器件产生或外部藕合）或工频信号（电网产生），工频信号在电路中难以滤除[10]。现在在输入的直流信号中叠加一个振幅为50 mV，工频为50 Hz的正弦波来模拟工频干扰信号对输出信号的影响。得到工频噪声对电路输出的干扰图（图6）。在本文中，单元电路的输出测的是取样电阻（0.1 Ω）的电压 Vr，Vr/0.1 Ω 即得到输出电流。

图6 0.05V/50Hz噪声干扰的仿真图Fig.6 Simulation diagram of 0.05 V/50 Hz noise interference

当输入信号端加入0.05 V/50 Hz的干扰信号时，由图6可以看出，单元电路的取样电阻输出电压仿真结果显示，其纹波在 12 mV（p-p）范围内，电流的纹波变化范围大约为120 mA左右，由于电路的输出电流的纹波较大，在一百多mA量级，会严重影响电流的输出的稳定性。故在电路的输入端可加入一个低通滤波器，由200 k的电阻和0.47 μ的电容构成。对电路进行pspice仿真，得到如下结果。图7是加入滤波器后单元电路的输入信号的仿真图，图8是加入滤波器后单元电路的取样电阻的电压的仿真图。从图7可以看出，加入滤波器后单元电路的输入电压，仿真结果显示其纹波在3 mV（p-p），也就是输入干扰由 100 mV（p-p）降到了几 mV（p-p）；从图8可以看出，加入滤波器后单元电路的取样电阻的输出电压，仿真结果显示其纹波在0.3 mV（p-p），由于输出电流变化幅度在几乎在几mA量级，故输出电流的稳定度明显得到改善。 综上所述，加入低通滤波器后可将输出电流的纹波变化范围从100多mA降到几mA，提高了输出电流的稳定度。

图7 加入滤波器后的输入信号仿真图Fig.7 Simulation diagram of the input signal with filter

图8 加入滤波器的输出电压仿真图Fig.8 Simulation diagram of the output voltage with filter

3 结 论

本文从恒电流驱动单元的驱动模式设计的优点出发，根据负反馈原理的理论基础以及运算放大器的虚短、虚断原理，分析说明了本文所选的恒电流驱动单元的结构框架具有较好的稳定性。论文中借助pspice仿真软件，对恒电流单元电路进行了交流扫描，通过仿真实验确定了加入补偿电容能够改善电路的稳定性。并且通过pspice仿真模拟输入信号中的干扰信号对输出结果的影响，通过在输入端加入低通滤波器，很好地减小了输出结果中纹波的变化范围，使输出结果更加稳定。而单元电路的稳定性能的提高，也就说明了电路的电磁兼容性也变好，能够在现在这个较为复杂的电磁环境中较好工作。

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