高精度和高稳定性半导体激光器恒流驱动电源

田亚玲,李创社,张朝阳

(西安交通大学电子与信息工程学院,710049,西安)

半导体激光器(激光二极管)具有单色性好、波长覆盖宽、激励方式安全、功耗小等优点,广泛用于远距离通信、光学精密测量、激光泵浦、医学诊断等领域。半导体激光器依靠载流子注入方式工作,注入电流的微小变化会导致输出模式的跳变、激射波长的显著红移以及输出光功率的改变等[1-4]。半导体激光器多采用恒流驱动模式工作,电流长期稳定度通常作为衡量恒流电源的性能指标[5-6],希望其越小越好。在原子物理、非线性光学等领域,单频、窄线宽、波长可调谐的外腔半导体激光器产品[7-9]使用较为广泛,外腔半导体激光器是在激光二极管的尾纤部分做腔镜形成外腔。目前,优立光太、瓦科光电的外腔半导体激光器以稳定可靠、调谐范围大、性价比高等特点优于国内其他同类产品。Thorlabs公司的LDC202C型激光二极管电流控制器输出0～±200 mA可调,其精度为0.05 mA,24 h稳定度小于3 μA,但这种高端半导体激光器电源相当昂贵。半导体激光器是结型器件,电源电路中的瞬态电流尖峰、超出允许的驱动电流等会影响激光二极管的使用寿命[10-11]。因此,对半导体激光器恒流驱动电源的研究持续不断[12-13]。

本文在常温条件下,考虑了对半导体激光器的各种安全防护,利用常用电子元件制作了一种具有高精度、输出范围可调的高稳定性半导体激光器恒流驱动电源,该电源输出电流的长期稳定度高,可用于外腔半导体激光器驱动,具有较高的实用价值。

1 恒流驱动电源系统

本文研制的半导体激光器恒流驱动电源主要由场效应管和运算放大器组成的恒流控制电路、过流保护电路、电源慢启动电路、基准电压电路以及启停控制电路等构成,系统组成框图如图1所示。

图1 半导体激光器驱动电源系统框图

图1中,场效应管及运放组成的恒流控制电路为该电源系统的核心部分,提供稳定可调谐的恒定电流输出。基准电压电路为恒流控制电路提供非常精准的调谐电压,保证输出电流精度更高。过流保护电路使半导体激光器的工作电流不超过用户设定的电流值。为防止开机瞬间的浪涌信号对半导体激光器的损坏,系统中设置了电源慢启动电路。启停控制电路可根据用户需要在不影响系统其他部分工作的情况下,只对激光管进行必要的快速断电保护。

1.1 恒流控制电路

恒流控制电路是驱动电源系统的核心,由运放和场效应管等组成,原理如图2所示,图中U1为运算放大器,VDD为供电电源,Vr为输入调谐电压,R5为限流电阻,R0为电流采样电阻,流过采样电阻R0的电流即驱动半导体激光管RLD工作的输出电流为I0。场效应管M1采用源极输出,实现了半导体激光器安全接地,对半导体激光器进行有效保护。正常工作时,控制信号K为高电平,三极管Q1截止,当K为低电平时,Q1导通拉低M1栅极电压导致电路无电流输出。

图2 恒流控制电路原理

由图2可知:若VDD、Vr稳定,而I0突然增大时,则R0压降增大,这会导致M1漏极电位下降,而使U1同相输入端与反相输入端之间的电位差减小,运放输出电压即M1栅极电压减小致使I0减小;当流过电阻R0的电流突然减小时,运放同相输入端与反相输入端之间的电位差增加,场效应管漏极电流增加I0增大。这表明恒流控制电路具有输出电流的自我调节功能,对该电路进行分析,得到流过R0的电流

本文电路中,U1选择了高稳定度、低噪声失调电压、小温漂的高速精密运放OPA227,M1为漏极电流可达30 A的增强绝缘栅型场效应管IRF540N,R1、R2、R3、R4均为精度0.1%的10 kΩ低温漂电阻。R0选择了功耗为3 W、电阻为10 Ω、精度为0.1%的低温漂无感采样电阻。Vr调节范围为-2～0 V。

1.2 高精度电压基准源

由恒流控制电路分析可知,要获得高精度、低纹波的输出电流,输入电压Vr的精度和稳定性非常重要,故本文选用高精度、高稳定性的精密带隙基准电压源芯片ADR01,以其输出的10 V电压作为基准电压参考,进而获得Vr,电路原理如图3所示。

图3 高精度电压基准源电路

图3中,由ADR01输出的10 V基准电压经反向和分压处理得到稳定可调的Vr,基准电压经过反向器及分压调节电路后稳定性有所减小,故图中电阻均采用低噪声和低温漂电阻,并在反向器的输入端、输出端及电阻分压时分别增加了滤波电容。取R2-1=R2-3,Rr1=100 kΩ,Rr2=50 kΩ,根据图中关系可知,Vr=-10Rr2/(Rr1+Rr2)为-2～0 V的高精度电压。

1.3 保护电路

半导体激光管是一种易损坏的电子器件,核心为PN结,对其施加的反向电压超出允许值会发生击穿或损坏,流过的正向电流超过允许最大电流值时,重则烧坏,轻则影响其不能正常使用。为避免外界浪涌电流或高压静电等对激光器产生不可逆转的损坏,本文设置了过流保护电路、电源慢启动电路以及启停控制电路。

图4 过流保护电路原理图

1.3.1 过流保护电路 本文设计的过流保护电路如图4所示,主要通过对电磁继电器的控制,实现当半导体激光器的电流超过设定值时进行分流,使激光器电流恒定。图中半导体激光器RLD正常工作时,采样电阻R0的电压被运放U3及其周围元件放大处理,若放大后的电压值小于设定电压Vset,比较器U6后的三极管Q2截止继电器J处于常态,开关管M2关闭,RLD正常工作。当其他因素导致流过RLD的电流增加过多致R0采样电压放大后高于设定电压时,Q2导通致继电器J吸合将M2连接到设定端并快速开启,因M2与RLD并联,对输入激光器的电流进行分流。利用场效应管栅源电压控制漏极电流的特性控制分流的大小,即根据采样值与设定值之间的差异自动调节,使流过RLD的电流保持恒定,达到对RLD过流保护的目的,流过RLD的电流最大范围由设定端的电阻比例决定。

本文用偏置电流和失调电流都很小的高灵敏比较器LM211实现比较器U6及三级管Q2的功能,M2选择开启电压很低的场效应管BSS88,用双运放精密运算放大器TLC082代替U4、U5对电路进行简化,RLD周围的二极管和电感元件可预防电源扰动,提高激光管使用寿命。

1.3.2 电源慢启动 电源开启瞬间,因大量电容的存在会在电路中产生较大的浪涌电流,严重影响半导体激光器的安全,本文选用基于比较器LM317的电源慢启动电路,使供电电压平滑上升进而抑制浪涌信号的影响。慢启动电路原理如图5所示。

图5 电源慢启动电路原理图

图5中电容C8-2电压不能突变,电路开启时三极管Q8-1饱和导通,电阻R8-1近似短路,U8输出电压最低。随着C8-2电压缓慢上升,Q8-1逐渐退出饱和区,R8-1电压逐渐增大,输出电压VDD缓慢升高,直至C8-2电压升高到使Q8-1截止时,VDD才能达到额定值。R8-2、C8-2大小决定该电路的慢启动时间。输出端电容C8-3、电感L8-1以及电容C8-4构成π型滤波电路,防止电流突变。

1.3.3 启停控制电路 为防止电源开启瞬间的浪涌信号,且电源稳定工作期间有时仅需关闭激光管而不影响电路的其他功能,文中选用NE555芯片构成的单键双稳电路进行半导体激光器启停控制,电路原理如图6所示。

图6 启停控制电路

由图6可知,电路刚启动时,12 V电源通过电容C7-1使U7的阈值端得到一正脉冲,K端为低电平,此时电容C7-2上无电压。轻触P键,C7-2作用于触发端,K端电压翻转成为高电平,并通过R7-3对C7-2充电。释放P键后,C7-2充电到12 V,因R7-1、R7-2的分压作用使触发和阈值端均为6 V,K持续保持高电平输出。再次按下P,C7-2使阈值端电压高于8 V,K端翻转为低电平。释放P,C7-2通过R7-3放电,触发和阈值端电压回到6 V,K端保持低电平。如此反复,只要每次按下一次P键的时间不超过1 s,便进行一次K端的高低电平转换。正常工作时,K端为高电平,当需要对半导体激光器进行断电保护时,轻触P键使K端输出低电平,恒流电路中的控制开关导通,使恒流电路无输出而关闭激光管。

2 实验结果

2.1 恒流输出特性测量

实验测量时,使用5个串联的LED发光管作为负载替代半导体激光器进行输出电流监测。用Agilent34410A型6位半数字万用表直接测量I0,数字万用表设置每秒采集一次实时电流值,部分电流输出特性测量结果如图7所示。由图7可知,本文的半导体激光器驱动电源输出电流大小可调,电流精度为0.01 mA。

(a)输出83 mA、持续2 h测试结果

(b)输出108 mA、持续8 h测试结果图7 恒流输出特性测量结果

恒流电源使用时,通常将电流稳定度γ作为评价电源质量最直接的评定标准,定义为电源输入电压、负载电阻和环境温度等因素变化时,输出电流自身的相对变化,即γ=ΔI/I,考虑电源随时间的漂移,则为电源的长期稳定度。由图7b可知,电源持续8 h保持108 mA输出时,I0的相对变化量ΔI0=5 μA,可知108 mA输出时的电流长期稳定度为

%=0.004%

对该电源多次长时间进行不同大小输出电流的重复测量,表明该电源电流长期稳定度达10-5量级。

2.2 保护电路测试

对启停控制电路的测试发现,快速按下P键可实现电平反转,并能通过三极管Q1关闭恒流控制电路中的M1开关管,使恒流电路无输出电流,进而实现对激光管的启停控制。

过流保护电路性能测试结果如表1所示,其中I0为恒流电路输出电流大小,Ip为流过分流电阻Rd的电流大小,即过流时的分流值,Iset为用户设置的限流值。由表1可知,当恒流输出小于设置的限流值时,过流保护电流不起作用,只要恒流输出大于设置的过流值时,电磁继电器便吸合,与激光器并联的开关管开始工作并起到分流作用,使流过激光器的电流基本保持恒定,激光器不会出现电流过大的情况,达到保护半导体激光器的目的。

表1 过流保护电路性能测试结果

3 结 论

本文研制了一款高精度、高稳定度的半导体激光器恒流驱动电源,利用场效应管和运算放大器组成的恒流源电路消除了供电电源对输出的影响,提高了驱动电流的稳定性;采用高稳定基准电源,增强了动电流的精度;通过电源慢启动、激光器限流保护以及启停控制电路,实现了对激光器的可靠保护。多次长时间重复测试表明,该电路很好地实现了平稳启动,输出电流为0～200 mA可调,精度为0.01 mA,稳定度约为0.004%,电源系统具有结构简单、稳定度高、保护电路可靠、成本低、易实现的特点。