大功率半导体激光器驱动电源保护电路方案

中心议题：

• 半导体激光器损坏机理分析
• 半导体激光器保护电路特点及设计原理

解决方案：

• 限流电路设计
• 浪涌吸收电路及慢启动电路设计

1 引言

半导体激光器（LD）具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，在工业、军事、医疗等领域得到了广泛应用。LD是以电流注入作为激励方式的一种激光器，其使用寿命、工作特性在很大程度上取决于所用驱动电源的性能好坏。

设计一个符合LD技术要求、性能稳定、工作可靠的驱动电源是十分必要的。近年来，有不少科研单位研究开发了一系列LD用电流源，保证了LD的正常工作。

半导体激光器本身的性质决定其抗浪涌冲击能力差，这就要求驱动电源的稳定度高，浪涌冲击小，因此驱动电源中需要各种保护电路以满足实际要求。通常用慢启动电路、TVS（瞬态抑制器）吸收电路、限流电路等来防止浪涌冲击及电流过大。但大功率半导体激光器的工作电流较大，并且半导体激光器比较脆弱，传统的慢启动电路、TVS吸收电路不能很好地满足实际要求。本文在参考各种实用的保护电路基础上，设计出应用大功率器件强制吸收或隔离浪涌冲击和双限流保护电路，有效地保护半导体激光器不被损伤，具有较好的实际应用前景。

2　原理分析

2.1　半导体激光器损坏机理分析
在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。但在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。因而如何保护半导体激光器，延长半导体激光器的使用寿命是研制大功率半导体激光器驱动电源保护电路的重要问题。主要应考虑：
1）激光器必须工作在限制电流以内，一个安全可靠的限流电路是不可缺少的。
2）为了防止驱动电源浪涌冲击，必须有比较强的浪涌吸收电路。
3）由于激光器是一种敏感的电流元件，所以驱动电流不能直接加在激光器两端，慢启动电路对激光器的防护也是必不可少的。

2.2　传统保护电路的特点
1）在隔离变压器的原边和副边加上TVS器件，利用其高速响应特性抑制过高的电网浪涌电压和雷电感应电压。这种措施比较有效，但受限于TVS的响应速度，如果响应速度达不到要求那就不能很好抑制浪涌冲击。
2）在直流电源和激光器之间增加π型低通滤波网络，进一步滤除浪涌电压。如能采用屏蔽电感和无感突波吸收电容则性能更佳。这实际上就是无源滤波，对降低电源纹波和吸收比较小浪涌有效。但对于大的浪涌，这种电路将会失效。
3）在直流电源和激光器之间增加慢启动电路使供给激光器的电压缓慢升高，避免突然上电或断开电源时给器件造成的冲击，同时，此举还能避免电路中分布电感引起的浪涌冲击。这种电路是必不可少的而且是切实有效的。
4）限流电路。这种电路也是必不可少的，但传统的限流电路通常是单路限流。

2.3　本电路设计主要特点
1）充分考虑并吸收了传统保护电路一些优秀设计思想，设计了电源开启时软启动电路，防止开机浪涌对器件和半导体激光器的损害。由于这种电路比较成熟，本文没有做详细阐述。
2）设计了双电流限制电路，保证通过半导体激光器的电流不会过流。
3）采用功率器件（MOS管）开通或关断来强制吸收或隔离浪涌，防止浪涌对半导体激光器损坏。
4）在激光器开通和关断的工作中设立慢启动过程，以减小工作中产生的浪涌对激光器产生不良影响。

3　保护电路的设计原理

3.1　限流电路的设计
这是个双限流电路，两个限流电路确保通过激光二极管（LD）电流不会超过设定值。具体工作原理如图1所示。

Q1为P型MOS管，Q2为N型MOS管。流过Q1的电流通过采样电路1变为电压信号与基准电压相比较，通过负反馈电路1控制，可使得流过Q1的电流恒定。通过半导体激光器LD的电流经过采样电路2变为电压信号与电流调节端电压相比较，如果流过半导体激光器的电流超过设定值，经过负反馈电路2调节使得通过Q2的电流增加，导致通过LD电流减小；流过LD的电流太小，经过采样电路2、负反馈电路2调节可使得流过Q2的电流变小，导致流过LD的电流变大，如此反复，通过负反馈电路的控制可使得流过半导体激光器的电流恒定，这种负反馈过程建立的时间很快。
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3.2　浪涌吸收电路及慢启动电路的设计
浪涌多发生在功率器件开通和关断的瞬间，因为这个瞬间电路会有很大电流流过或者电路中某个器件两端会有很大的电压。图2为浪涌吸收及慢启动电路原理图。

这种电路是利用功率器件的开通或关断来强制吸收或隔离浪涌对器件的冲击。这个电路作用分三个阶段：

1）在使能端电压为低电平阶段。使能端电压为低电平，Q3导通，通过负反馈电路1的控制，Q1断开，强制隔离电源V+对半导体激光器LD的冲击；使能端为低电平，Q4导通，通过负反馈电路2控制，使Q2导通，这样即使有浪涌冲击，也会被Q2强制吸收，不会影响半导体激光器LD。

2）使能端从低电平到高电平阶段。Q3、Q4断开。设C1上的电压从V+降到基准电压值所要的时间为t1,C2从V+降到电流调节端设定电压值的时间为t2。

调节R5、C1和R6、C2参数可以使得t2mt1。这样在t1阶段，通过负反馈电路1的控制使得Q1慢慢导通，流过Q1电流从零直到恒定，这时由于t2mt1,C2上还有电压，通过负反馈电路2的控制使得Q2处于导通状态，这样流过Q1的电流，以及由于Q1开通产生的浪涌电流全部由Q2吸收，然后随着时间的增加C2电压慢慢降为零，流过Q2的电流慢慢减小，LD上电流慢慢增加直到达到设定值。

3）使能端从高电平到低电平阶段。使能端为低电平Q3,Q4导通。C1由于R5存在，电压从基准电压慢慢升至V+,通过负反馈电路1的控制使得Q1慢慢关断；Q4导通，V+直接给C2充电，电压迅速升为V+,通过负反馈电路2的控制使得Q2迅速导通，这样由于Q1关断产生的浪涌将会被Q2强制吸收。

4　实验结果及分析

驱动电源一个重要技术参数为电流稳定度。电流稳定度是在一定时间内，多次测量通过负载的电流大小，然后通过数学计算得出输出电流稳定度大小。实验中每间隔一分钟测量一次，测量时间持续一个小时。测量时，用1.2Ω50W电阻作为模拟负载，测量模拟负载的两端电压，用模拟负载两端电压稳定性来标定电流稳定性。测量仪器为：电压测量仪器：Agilent34401A61/2digitmultime2ter,其精度可以达到0.00001V;供电电源为Agi2lentE3631AtripleoutputDCpowersupply12V,1A。电流稳定度实验数据如表1所示。

通过计算，其平均值为0.538623V。

电流稳定度计算公式如下：

此保护电路已经应用于实践，由于限流措施稳定可靠，半导体激光器的使用寿命得到了保证。利用功率器件的开通与关断强制吸收和隔离浪涌冲击，使得在脉冲工作状态下的浪涌冲击也被很好地抑制，图3是电源工作在脉冲状态下，负载实际的电压波形。

从图中可以看出脉冲的上升沿和下降沿没有过冲，满足使用要求。

5　结语

本文在分析半导体激光器损坏机理的基础上得出半导体激光器驱动电源设计的关键在于保护电路的设计。通过深入分析传统半导体激光器驱动电源保护电路的特点，找出其设计的优点和不足，并在充分吸收传统半导体激光器驱动电源保护电路优秀设计思想的基础上，设计出双限流电路，保证了流过半导体激光器的电流不会超过设计值，设计出了浪涌强制吸收或隔离电路，解决了浪涌冲击对激光器的损坏的难题。设计的驱动电源已应用于实践，电流稳定度很高，浪涌被很好抑制，具有较好的应用前景。