高稳定度光纤耦合半导体激光器恒流源电路设计

于秋驰,刘志巍,段 凯,刘新明,李义民

(1.郑州大学物理学院,河南 郑州 450001;2.中电科信息产业有限公司,河南 郑州 450017; 3.南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

1 引 言

光纤耦合半导体激光器拥有以下特点:功率高、体积小、易于控制、可靠性高、寿命长、电光转化效率较高等。半导体激光器除了应用于激光焊接、激光加工、激光医疗、激光打印等领域,还可用于制作光纤激光器泵浦源,一方面因为其发光光谱窄,只对介质的特定吸收跃迁进行选择性泵浦,以此来获得高吸收效率；另一方面,因为半导体激光器为相干光,其良好的聚光性可以进行高密度泵浦等[1-2]。

光纤耦合半导体激光器的伏安特性与普通二极管类似，其存在一个特定值阈值电压Vth，只有其两端电压大于阈值电压，光纤耦合半导体激光器才有电流输出，且增长趋势为指数型，其伏安特性如图1所示。光纤耦合半导体激光器的功率特性曲线对于研制其对应的激光电源十分重要，如图2所示，该特性曲线存在一个转折点，此点对应的电流值为阈值电流Ith，当激光器工作电流在阈值电流值以下时，激光器输出功率很小；当其工作电流在阈值电流以上时，激光器输出功率随电流迅速上升，并与之成线性关系。所以在激光器电流大于阈值电流即正常工作状态时，电流微小的波动就会对输出功率产生很大的影响。那么制作一款可靠性高、电流稳定度高的恒流源驱动电路对光纤耦合半导体激光器的正常工作是十分重要的[3-6]。

图1 光纤耦合半导体激光器伏安特性曲线

图2 光纤耦合半导体激光器功率特性曲线

国外对于激光电源的研究已经达到了比较高的水平，在很多方面均领先于国内，尤其是在大功率输出、电流电压精度控制、温度稳定性等。部分国内厂商制作的驱动电源虽然有的已经可以达到稳定度与精度的要求，但是其大多价格高昂、功耗高、体积大、启闭耗时较长、对工作环境要求较高等，并不适合作为研发场合下的光纤耦合半导体激光器的电源。

鉴于国内激光电源存在的问题，本文设计了一种电流范围在0～20 A的可调恒流源，其电流稳定度较高、耐高温性强、体积小、启闭时间较短。此电路通过采用带有透孔的厚膜电阻作为采样电阻，来提高电路稳定性，在运放与MOS管之间增加晶体管放大信号来缩短电路启闭时间，使用模拟开关电路精确控制信号，采用特制的铝合金结构架作为散热板，散热效果良好，增加了本恒流源电路的应用范围与价值。

2 整体组成

光纤耦合半导体激光器恒流源驱动电源的整体设计如图3所示,此系统主要由主控板、信号分配板、信号采集板、DC/DC、继电器组、恒流驱动板、泵浦源等组成。

图3 泵浦恒流源驱动电源整体设计

上位机实现激光电源控制,预先进行恒流源工作参数的设置,如电流门限值、最大电流、基底电流等等。主控板负责处理采样数据与外部控制信号,控制恒流驱动板电流的大小与继电器的开关并与上位机通讯,把采样数据发往上位机。信号分配板将主控板给出的功率设置与出光控制信号分配为7路来驱动7块恒流驱动板,驱动分配板的CPU再采集7块恒流驱动板的电流信号,然后通过RS485通信总线上传到主控板。信号采集板负责采样各种信号数据,包括温度、水流量、光功率等等。DC/DC把外部85 V直流电源转化为5 V/12 V直流输出提供恒流板使用。继电器组起到安全保护的作用,由主控板控制继电器触点的通断。恒流驱动板根据得到的信号与设定的电流值产生稳定的电流给泵浦源,以此完成光纤激光器的出光工作。

3 恒流电路设计

3.1 模拟开关电路

根据国内已有的研究来看，对恒流源电路前级电路的研究较少，大多是加一级运放作为隔离缓冲，忽略了对电路信号的精确控制。本文在恒流源电路之前增加模拟开关电路，其速度快、功耗低、寿命长、关断阻抗较高，便于进行信号切换同时还可以隔离噪声。

此部分电路的具体工作过程如下：主控板发出出光控制信号到信号分配板,再分配为7路到7块恒流驱动板。信号分配板上的STM32单片机通过DAC将数字量转换为模拟量,以此来设置此恒流电路的基准电压。运放A1组成的电压跟随器做隔离以及缓冲,可调电位器P1用来获得与输入的基准电压成一定关系的输出电压,使接入后级恒流电路部分的基准电压可调。模拟开关SGM3157用来接通信号或者断开信号,IN端为选通控制处,它将COM端连接到NC端或NO端的数字控制引脚,当激光控制电源打开但没有给出光信号时,IN端处于非使能状态,COM端连接至NO端,此时仅D2发光；当给出出光信号时,COM端连接到NC端,IN端处于使能状态,此时D1也导通发光,同时通过施密特触发器74HC2G17转换信号,清除噪声。模拟开关SGM3157里的COM端输出信号即为恒流电路的基准电压。模拟开关电路示意图如图4所示。

图4 模拟开关电路

3.2 恒流源电路

恒流源电路采用MOS管作为电流控制器件,MOS管工作在放大区也就是恒流区时,它的漏源电流为保持恒定,并且其大小由栅源电压控制,所以只要设法使MOS管工作在放大区,就可以达到恒流控制,并且通过改变栅源电压就可以改变控制电流的大小。

恒流源电路负责给激光器泵浦即光纤耦合半导体激光器提供驱动电流,电路如图5所示。运放A2的正向输入端接收来自模拟开关电路来自COM端的基准电压VR,首先通过电压串联负反馈调整运放A2的放大倍数,并接入电容C2消除自激振荡。

图5 恒流源电路

理想运放在线性区有以下特点:“虚短路”、“虚断路”,可由此计算输出电压为:

(1)

电压放大倍数为:

(2)

为使MOS管迅速进入放大区进行工作,减少恒流源电路的启动时间,在运放A2与MOS管之间接入一个晶体管用来放大电压信号,放大倍数为β。MOS管导通后,电流经过采样电阻R6后产生的采样电压反馈至运放A2的反向输入端,与正向输入端的基准电压VR进行比较,然后对MOS管的栅极电压进行调整,从而改变漏极电流,电路采用闭环负反馈控制恒流,贴片保险丝F1用来保护泵浦,电路中的电流若是高于额定电流,保险丝就会自动切断电流。取得采样电压后,经电压串联负反馈将信号放大,通过电位器P1接入ADC,ADC再转换输入至单片机,通过更改P1接入ADC的电阻来改变前面板的显示电流[4]。

根据以上工作过程得:

(3)

输出电流的稳定性受到基准电压VR、运放反馈放大R1、R2、采样电阻R6的影响,对式(3)进行全微分得:

(4)

将设计实际电路时的这电阻值与基准电压值带入式(4),可知dVR与dR6前面系数的绝对值远大于dR1与dR2前面系数的绝对值,即基准电压VR与采样电阻R6对电流稳定性的影响远大于反馈放大电阻R1、R2对电流稳定度的影响[7-9]。

基准电压VR由前级电路提供,一般小于5 V。采样电阻R6流过的电流很大,若是阻值很大那么功耗也会很大,发热现象也会很严重,所以阻值一般选择1 Ω以下,即使这样,温度升高也可能导致采样电阻产生温漂现象。为了散掉热量,采样电阻选择带有透孔的厚膜电阻器,厚膜电阻器的稳定性好、阻值范围宽、耐压高,一般由电阻浆料与铝陶瓷基片组成,而且基片面积相对较大,便于散热。

MOS管选用Infineon Technologies的IRFP4468,它可以承受的最大漏极电流为290 A,耐压达到100 V,最大功耗为520 W,工作温度范围较大(-55～+175 ℃)。MOS管在工作中的发热现象较为严重,需要进行有效的散热,这里选择散热效果良好的水冷散热。在其底面涂抹导热硅脂然后贴合在铝合金结构架上,再在结构架底部放置散热片,散热片下方为水冷盘,恒流源电路工作后打开水冷机来给水冷盘降温。采样电阻紧挨MOS管,采用同样的方式散热。

4 实验数据及结果分析

4.1 电流上升下降沿测试

实验测试使用的示波器是YOKOGAWA的混合信号示波器DLM3204,带宽为200 MHz,采样率最高可达2.5 GS/S,电流探头使用DLM3204专用的电流探头,电压电流转换为0.01 V/A,分别测试并记录了恒流源电路的上升沿与下降沿。测试电路时使用的是假负载,其是由高速二极管RHRG30120串联而成,以此来模拟泵源的导通电压。

恒流电路将四个恒流电路并联,一路为5 A,最大至20 A。根据假负载使用的二极管的工作特性,电源接通瞬间时二极管温度为室温25 ℃,其工作电流在20 A的时候导通压降为2.5 V,但是在工作一段时间之后二极管温度升高,假负载的水冷盘散热,温度维持在120 ℃左右,此时二极管的导通压降降低至1.5 V左右,此时恒流电路即MOS管与采样电阻的电压增大,则反馈电压增大,由反馈网络使栅源电压增大,Id也就增大。上升下降沿波形如图6、图7所示。上升时间约为4.5 ms,下降时间约为6.5 ms,开关时间处于毫秒级别,速度较快,符合设计要求。

4.2 恒流板耐高温测试

热像仪采用的是ROTRIC的365 C型号,它的红外分辨率为320×240,测量范围宽(-20～650 ℃),测量精度较高(±2 ℃或±2 %)。工作条件设置为85 V工作电压,泵浦源电流为20 A,水冷机温度为22 ℃,热像仪发射率为0.95,测试时长为30 min,图8、图9分别为同一块恒流板在工作时间为1 min与30 min时热像仪拍摄的图片。

恒流板开始工作后,在1 min内温度迅速上升,同时水冷盘散热,直至130 ℃上下波动。从图6、图7可以看到,工作时间为1 min时最高温度为131.9 ℃,工作时间为30 min时最高温度为134.9 ℃,表明此恒流板结构散热能力较强且稳定。经测试,此温度下MOS管与采样电阻均可以正常工作,表明此恒流板耐高温性好。

图6 电流上升沿

图7 电流下降沿

图8 1 min时恒流板的红外图像

图9 30 min时恒流板的红外图像

4.3 电流稳定性测试

散热良好的情况下,设置工作条件为:工作电压85 V,采样电阻0.1 Ω,通过前面板设置测试电流,分别测得在5 A,10 A,15 A,20 A时工作电流30 min内的数据,每2 min测量一次电流,测量工具为精确度到小数点后两位的电流钳表,电流实测数据如表1所示,将工作电流为20 A时电流的稳定度情况绘制为图10。

表1 恒流板电流实测数据

图10 工作电流为20 A时电流的稳定度

4.4 光纤耦合半导体激光器波长及输出功率稳定性分析

在测试恒流源电路电流的稳定性后，将激光电源连接至光纤耦合半导体激光器，对其工作时的波长与输出功率稳定性进行分析。光谱仪采用YOKOGAWA的AQ6374型号，功率计采用OPHIR功率计，水冷机温度设置为22 ℃，激光器选用的是凯普林的工作电流20 A、波长976 nm、输出功率250 W的光纤耦合半导体激光器。针对出厂后不同激光器的参数会出现细微的差异的情况，对多个激光器进行了测试分析，激光器工作参数如表2所示。激光电源工作电流设置为20 A，工作电压设置为28 V，每3 min记录一组数据，持续记录30 min，激光器中心波长稳定性如图11所示，激光器输出功率稳定性如图12所示。

表2 半导体激光器工作参数

图11 激光器中心波长稳定性

图12 激光器输出功率稳定性

实验结果表明，测试时间为30 min且激光器的壳体、管嘴温度均正常的情况下，激光器中心波长的离散程度较小，稳定度均达到10-4级别，最高可达10-5级别，符合光纤耦合半导体激光器作为光纤激光器泵浦时波长的要求。激光器输出功率稳定度较高，分别为1.875×10-3,1.928×10-3,1.733×10-3,1.908×10-3，均处于10-3级别。

5 结 论

为光纤耦合半导体激光器设计的恒流源电路使用的均是常规元器件，其启闭时间较短，改善了一般恒流源电路的结构，可以实现20 A大电流恒流控制，并做到0～20 A电流可调，电流稳定度较高，在5 A、10 A、15 A、20 A时均达到10-3量级，满足光纤耦合半导体激光器对于控制噪声的要求，波长正常。此电路使用模拟开关电路实现信号精确控制，采用特制的铝合金结构架作为散热板，散热效果良好，MOS管与采样电阻的温度均处于工作温度范围之内，可实现长时间正常工作。采用STM32单片机采集电流信号，同时在前面板实时显示。经实验测试，使用此恒流源电路制作的激光电源时，激光器的中心波长与输出功率的稳定度较高，满足工作要求，应用范围较广。