李江瀾，蘭旭陽(yáng)，陳海洋，石云波

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051;2.山西傲維光視光電科技有限公司，山西太原030006)

1 引言

半導(dǎo)體激光器因體積小、壽命長(zhǎng)、電光轉(zhuǎn)化效率高、可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，在通信、信息、能源、軍事、醫(yī)療、顯示等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用［1－2］。由于激光器屬于超高功率密度器件，因此需要很高的電流和電壓穩(wěn)定度。瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等因素都可能損壞激光器，電流、電壓的起伏也會(huì)引起激光器光功率的變化，影響其輸出的準(zhǔn)確、穩(wěn)定［3］。

統(tǒng)計(jì)表明，激光器失效有約50%的原因是由其驅(qū)動(dòng)電源造成的［4］，所以，設(shè)計(jì)一款符合激光器技術(shù)要求、性能穩(wěn)定、工作可靠的驅(qū)動(dòng)電源是十分必要的。傳統(tǒng)的激光器驅(qū)動(dòng)電源以線性穩(wěn)壓電源為基礎(chǔ)，存在體積大、轉(zhuǎn)換效率低、集成化程度低等缺點(diǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文介紹了一種利用芯片LT3755控制功率開關(guān)管的占空比調(diào)整輸出電流的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源，具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、集成化程度高等特點(diǎn)。結(jié)合雙向控溫技術(shù)以及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，使激光器能夠更加安全可靠的工作。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 Boost電路原理

本設(shè)計(jì)采用Boost電路的設(shè)計(jì)思想，其原理圖如圖1 所示［5］。

圖1 Boost電路原理圖Fig.1 The boost converter

在充電過程中，開關(guān)(Q1)閉合，輸入電壓流過電感。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓(輸出電壓)升高。電容量足夠大，輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。通斷的過程不斷重復(fù)，電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

2.2 驅(qū)動(dòng)原理

凌力爾特公司生產(chǎn)的大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3755能夠用在升壓、降壓、降壓－升壓或SEPIC和反激式拓?fù)渲?。通過頻率調(diào)節(jié)引腳用戶可以在100 kHz至1 MHz范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行編程，從而優(yōu)化了效率，同時(shí)減小了外部組件的尺寸并降低成本［6］。由其組成的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 Driving circuit schematics

芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)的7 V電源用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部MOSFET(GATE引腳)，而PWM引腳的高低電平控制著外部功率MOSFET的開關(guān)。正常工作條件下，PWM引腳為低電平時(shí)，GATE和PWMOUT引腳輸出電壓為0 V，MOSFET開關(guān)Q1、Q2關(guān)閉，并通過外部補(bǔ)償電容C3來(lái)存儲(chǔ)先前的開關(guān)狀態(tài);當(dāng)PWM引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PWMOUT經(jīng)過短暫的延遲后輸出高電平，內(nèi)部振蕩器開始工作，Q1、Q2開啟。Q1開關(guān)周期性的開斷，控制了外部電路電感電流的上升與下降，達(dá)到了調(diào)節(jié)負(fù)載的電流與電壓的目的。

電流的設(shè)置通過由連接在ISP和ISN引腳之間的電流采樣電阻以及CTRL引腳電壓決定。穩(wěn)定工作時(shí)ISP和ISN引腳之間的電壓差為100 mV，當(dāng)CTRL引腳電壓大于1.1 V時(shí)，通過負(fù)載的正向電流為:

當(dāng)CTRL引腳電壓小于1.1 V時(shí)，通過負(fù)載的正向電流為:

采用電流電壓雙環(huán)控制的方法可以使電路更加穩(wěn)定、安全與可靠。在電流控制環(huán)中負(fù)載電流采樣信號(hào)由ISP和ISN之間采樣電阻R13得到，基準(zhǔn)電壓通過CTRL引腳設(shè)置。電流采樣信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)通過誤差比較器產(chǎn)生誤差信號(hào)，誤差信號(hào)偏大，負(fù)載需要更大的電流，如果偏小，需要的電流將減少。

電壓控制環(huán)路中，通過FB引腳的電壓值與內(nèi)部1.25 V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較來(lái)控制電流。如果FB引腳電壓比內(nèi)部基準(zhǔn)電壓低，電流將增加;反之，電流將減少。電流控制環(huán)與電壓控制環(huán)共同作用，使FB引腳電壓不超過內(nèi)部電壓閾值，并且ISP和ISN引腳之間的電壓不超過CTRL引腳設(shè)置的電壓閾值。

2.3 保護(hù)電路

2.3.1 欠壓保護(hù)

驅(qū)動(dòng)電路使用外接直流電源+12V供電，其允許電壓的變化范圍為10.5～13.5 V，若直流電源電壓下降到其允許的下限值后，且超過一定時(shí)間t時(shí)，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖驅(qū)動(dòng)電路。SHDN/UVLO引腳用來(lái)設(shè)置欠壓保護(hù)電路，當(dāng)該引腳電壓下降到1.25V以下時(shí)，即輸入電壓:

時(shí)驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉。當(dāng)輸入電壓上升到:

時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路重新啟動(dòng)，達(dá)到欠壓保護(hù)功能。2μA和20 mV為該引腳的靜態(tài)電流和電壓。

2.3.2 過流過壓保護(hù)

如果半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)源沒有防護(hù)或防護(hù)不當(dāng)，一個(gè)大的電學(xué)瞬變過程或具有納秒脈沖寬度(或更大)的電流浪涌，都可能使激光器功率下降甚至損壞，所以可靠的保護(hù)電路對(duì)于半導(dǎo)體激光器電源來(lái)說必不可少［7］。本設(shè)計(jì)中通過ISP和ISN引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。如果ISN共模電壓低于3 V時(shí)，或者ISP和ISN之間的電壓差大于150 mV時(shí)，SR鎖存器被復(fù)位，驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)功能，保護(hù)電路中的功率元件。

利用FB引腳實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能:一旦FB引腳電壓超過內(nèi)部1.25 V的基準(zhǔn)電壓，那么Q1開關(guān)關(guān)閉，直到FB引腳電壓低于基準(zhǔn)電壓，Q1才能夠重新開啟。這樣，如果輸出電壓高于設(shè)定上限，電路就會(huì)增加Q1開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，完成降壓的目的，實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)的功能。輸出電壓上限設(shè)定公式如下:

2.3.3 軟啟動(dòng)

瞬時(shí)的電流突變，容易使半導(dǎo)體激光器兩端面腔鏡產(chǎn)生損傷，從而造成激光器永久性損壞［8］。所以在電路中必須增加慢啟動(dòng)電路，使得電流輸出由零緩慢上升到額定值，保證激光器順利過渡到正常工作區(qū)。SS引腳通過一個(gè)外部電容與地相連，使得啟動(dòng)時(shí)SS端電壓緩慢上升，這樣激光器的電流也緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)的時(shí)間和外接電容的關(guān)系為:

軟啟動(dòng)電容的典型值為0.01μF。

2.4 溫控電路

半導(dǎo)體激光器的發(fā)光效率與溫度密切相關(guān)，升溫會(huì)導(dǎo)致激光器的輸出功率下降、閾值電流增大、波長(zhǎng)發(fā)生漂移［9］。為了保證半導(dǎo)體激光器工作的穩(wěn)定性，溫控是十分必要的。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制，PID(Proportional－integral－derivative)技術(shù)的雙向TEC制冷方式，很好的完成控溫要求［10］?？販亟Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控溫結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Thermoelectric control system

LD溫度信號(hào)由熱敏電阻測(cè)得，如果溫度高于設(shè)定溫度值(本設(shè)計(jì)設(shè)定值為25℃)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)以TEC為核心的制冷裝置，為L(zhǎng)D降溫。

3 實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)中使用的激光器為南京長(zhǎng)青532 nm綠色固態(tài)激光器，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn):532 nm綠光通過808 nm綠光半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換而成，故它的驅(qū)動(dòng)過程也即808 nm綠光半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)過程。這里12顆激光器串聯(lián)，應(yīng)用中最合適電流為4.5 A，驅(qū)動(dòng)電壓24 V，電流紋波應(yīng)小于3%。通過Saber軟件搭建Boost電路圖，更換元器件參數(shù)完成對(duì)于輸出電流和輸出電壓的仿真，仿真圖如圖4所示。從圖中可以看出，仿真輸出電流與電壓達(dá)到了使用要求。

圖4 Boost電路仿真圖Fig.4 The simulation of Boost circuit

通過滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)CTRL引腳電壓的變化，繼而實(shí)現(xiàn)電流連續(xù)可調(diào)，這里設(shè)定輸出電流范圍為3.3～5.6 A。為了保證激光器的安全，這里設(shè)定最大輸出電壓為24.8 V。完成以后的驅(qū)動(dòng)電路通過調(diào)試達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，最大輸出功率可以達(dá)到130 W。驅(qū)動(dòng)激光器的實(shí)際測(cè)試中，輸出電壓與電流紋波如圖5所示。從圖中可以看出，電流紋波小于100 mA，小于設(shè)計(jì)要求的3%。驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 輸出電壓與電流紋波Fig.5 Output voltage and current ripple

圖6 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖Fig.6 Fabricated driving circuit

4 結(jié)論

本文介紹了一種大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，輸出電流連續(xù)可調(diào)。該驅(qū)動(dòng)電路采用Boost升壓電路原理，使用LT3755作為功率MOSFET開關(guān)占空比控制芯片，結(jié)合雙環(huán)控流的設(shè)計(jì)思想完成了穩(wěn)定輸出電流的目的。該電路實(shí)際應(yīng)用于110 W的綠色光源中，電流紋波小于3%，表明此驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定可靠。同時(shí)此驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85%以上，如果選擇性能的功率器件MOSFET開關(guān)管、電感等，那么轉(zhuǎn)換效率將更高。需要注意的是，由于大功率的影響，驅(qū)動(dòng)板需要進(jìn)行散熱處理，以免發(fā)生功率器件的損壞。

［1］ Corwin K L，Lu Z T，Hand C F，et al.Frequency － stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vapor［J］.Applied Optics，1998，37(15):3295 －3298.

［2］ Yan Zhanqiang，Liang Yong.Small scale medicinal power semiconductor lasers driven power design［J］.Laser＆ Infrared，2007，37(11):1178 －1180.(in Chinese)閆戰(zhàn)強(qiáng)，梁勇.一種小功率高穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器可調(diào)驅(qū)動(dòng)電源［J］.激光與紅外，2007，37(11):1178 －1180.

［3］ Zhou Guanjun，Zhang Xuesong，Cai Jun，et al.Design of high－power diode laser driver under high－temperature environment［J］.Electro － Optic Technology Application，2012，27(5):1 －4.(in Chinese)周冠軍，張雪松，蔡軍，等.高溫環(huán)境下高功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2012，27(5):1－4.

［4］ Chen Ruixia，Meng Zhan，Bai Jinke，et al.Design of LD switching power supply with power adaption［J］.Laser ＆Infrared，2010，40(9):961 －964.(in Chinese)陳瑞霞，孟展，白金柯，等.功率自適應(yīng)LD開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.激光與紅外，2010，40(9):961 －964.

［5］ Gao Jian，Xu Feiyun，Jia Minping.Design of continuous current mode boost converter based on UC3843［J］.Power Electronics，2010，44(1):34 －35.(in Chinese)高健，許飛云，賈民平，等.基于UC3843的CCM模式Boost變換器設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(1):34－35.

［6］ Linear Technology Corporation.LT3755datasheet［EB/OL］.http://www.linear.com.cn/product/LT3755，2008.

［7］ Yu Minli，Meng Hongxiu，Zhao Meizhi.Design of microprocessor based on digital laser diodes'power system［J］.Laser＆ Infrared，2008，38(6):552 －554.(in Chinese)于敏麗，孟紅秀，趙美枝.基于單片機(jī)的半導(dǎo)體激光器數(shù)控電源控制系統(tǒng)［J］.激光與紅外，2008，38(6):552－554.

［8］ Wang Jinding，Liu Honglin，Wang Yuncai.Novel potective circuits of diode laser［J］.Applied Laser，2006，26(2):119 －121.(in Chinese)王金定，劉宏林，王云才.新型的半導(dǎo)體激光器保護(hù)電路［J］.應(yīng)用激光，2006，26(2):119 －121.

［9］ Huang Yuewei，Cui Ruizhen，Gong Mali，et al.TEC based thermostat system for high－power semiconductor laser［J］.Infrared and Laser Engineering，2006，35(2):143 －147.(in Chinese)黃岳巍，崔瑞禎，鞏馬理，等.基于TEC的大功率LD恒溫控制系統(tǒng)的研究［J］.紅外與激光工程，2006，35(2):143－147.

［10］ Jiao Mingxing，Xing Junhong，Liu Yun.Design of temperature control system for semiconductor laser diode［J］.Laser＆ Infrared，2006，36(4):261 －264.(in Chinese)焦明星，刑俊紅，劉蕓，等.半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.激光與紅外，2006，36(4):261 －264.