半导体激光器用高稳定性双路恒流源的研究与设计

发布时间：2016-08-20 06:18

第一章 绪论

1.1引言
光纤放大器无需经过光-电-光的复杂变化过程，而直接对光信号进行放大，作为泵浦源的半导体激光器可为光信号放大供应充足的能量。光纤放大器常用的泵浦源是波长为980nm的半导体激光器[1]，由于光纤放大器的放大性能取决于泵浦源的工作性能，因此泵浦源工作需可靠稳定，这对其驱动电源的设计提出了较高的要求[2-4]。本文主要为两款不同功率等级的半导体激光器设计两路性能稳定的恒流源驱动电路。随着半导体激光器应用愈来愈广泛，半导体激光电源的研发受到前所未有的关注。目前，国内并没有形成太多成熟地相关产品[5-8]，大量的半导体激光器只能依赖昂贵的进口电源维持其稳定工作[9-10]。为了降低成本，进一步提升LD在便携场合应用度，设计一种适用于中小型功率等级的LD驱动电源已成为业界的研究重点。随着研究的进一步深入，激光电源的功能除了能够驱动半导体激光器稳定工作外，还提供了一系列的保护功能；能够实现与控制系统的信息交互，及时有效的对控制系统的指令进行执行与反馈，在一定程度上提高了激光电源的智能化水平[11-13]。随着数字控制芯片的迅速发展，利用DSP为核心的控制模块和相应控制软件即可实现对恒流源的程序化控制，提高了系统整机自动化程度和激光电源的输出稳定性[14]。激光电源的研究与开发，经历了从线性电源到开关电源的过渡，传统的线性电源稳定性高，但是工作效率低，通常需要体积庞大的散热装置，限制了其在某些场合的应用[15-17]；因此，目前对半导体激光器驱动电源的设计，大部分都以传统的开关电源为基础进行创新改进，但开关电源在开关频率、转换效率、电流电压稳定度、电磁干扰特性、以及各种安全性保护方面都存在局限性，尤其在开关频率和电流稳定度方面更是如此。半导体激光器对驱动电源的稳定度、可靠性和工作条件要求非常严苛，输出电流的波动或工作环境温度过高等异常因素都直接影响到半导体激光器使用寿命及其输出功率的稳定度[18-20]；半导体激光器驱动电源的电磁兼容也是不容忽视的问题，这可能是导致激光电源输出不稳定的直接因素，电磁兼容水平和转换效率在美国和欧盟均已经作为强制认证的重要指标，在国内却并没有得到过多的重视，因此研制出符合国际指标的高稳定性激光器驱动电源的同样意义重大[21-23]。
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1.2半导体激光电源的国内外研究现状
随着电力电子技术的日益成熟，许多新型电力电子器件和技术已应用到了高稳定性的恒流源的研发中。目前，恒流源广泛应用在激光设备、电化学、半导体测量以及传感器技术等工业场合[24]。半导体激光电源负载，即半导体激光器虽然有较小的体积、较轻的重量，较高的转换效率，并且可以直接进行调制等优点；但LD抗上电冲击能力非常差，细微的波动电流就可能造成其输出光功率产生极大变化，甚至造成泵浦源永久性损坏，导致其对电源驱动性能要求严苛。高稳定性的恒流源的发展趋势为：稳定性高、功率密度大、可靠性好、体积小、工作频率高、效率提高、电流等级大；除此之外，对于恒流源的外形尺寸和布局布线都有越来越严格的规范，以提升恒流源整体标准，以满足更大的市场需求。因各方面条件所限，对于高可靠性、高稳定度的泵浦激光器驱动电源的研究，国内外已经有了相当大的差距。
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第二章 半导体激光电源的设计考虑

2.1半导体激光器的特性分析
小型半导体激光器的 PN 结是由直接带隙的半导体材料构成，其主要是由电注入形式、高能电子束激励式、光泵式三种激励方式所激励[43]。其中电注入式的激励方式是 LD 应用最多的一种，其原理是给半导体激光器 PN 结的两端加正向电压，相当于一个正向偏置的二极管受到正电压的激励，使得 PN 结平面区域发生受激发射。为了使作为相干辐射光源的半导体激光器输出激光，需要以下三个条件[44]：（1）建立反向有源区的载流子分布。（2）需要得到一个相干受激辐射，这样就必须使受激辐射收到多次反馈以便在光学谐振腔的内部形成激光的振荡。（3）激光媒质的增益要足够大，这样便于形成稳定的振荡，在此前提下可以弥补光损耗及来自于腔面的输出损耗，而逐渐增大腔内光场。向激光器注入足够大的电流是实现上述过程的必要条件，因为较大的注入电流可以引起较大数量的粒子反转，而反转粒子数和增益成正比，当注入电流达到某个阈值，这时波长一定的输出激光将在腔内发生谐振并且被进行放大，从而得到连续的输出激光。本课题主要是针对低纹波、高可靠性的半导体激光电源的研究与设计，为了设计出应用性更好的激光电源，必须要着重考虑半导体激光器的伏安特性。半导体激光器的结构多样，但是都是由一个谐振腔和 PN 结型二极管构成，因此当半导体激光器在未受激的情况下，其伏安特性和传统的二极管的伏安特性相似[45]，半导体激光器的等效电路如图 2-1 所示，其中 D1 为理想的二极管，ZV1 为理想的齐纳二极管。
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2.2 传统激光电源的设计方案分析与对比

传统激光电源拓扑的设计随着功率等级和输出电流的不同而有所区别，但大都是通过已有的电路拓扑和合理的外围电路改进。常用电源电路的拓扑结构主要是线性电源和开关电源两种电路形式[50]。其中，线性电源主要应用在功率较小，输出电流较低，对电源效率要求不高的半导体激光器中。常用的电路拓扑如图2-3 所示，其原理均利用全控型功率开关管在其放大区内通过电流反馈来调整输出电流。虽然这种电源能够保证输出电流的稳定性，但是效率低，热损耗大，且需要体积庞大的散热设备，通常工作效率智能达到 50%左右[51]。开关电源的拓扑根据电路功能和电路器件的不同分为：Boost 电路、BUCK电路、Buck-Boost 电路、反激式电路、单晶体管反激式电路等，按照不同电路的应用范围不同，列出了上述几种电路的常用参数，如表 2-1 所示。通过上述对传统激光电源拓扑的分析可以看出，线性电源已广泛而成熟的应用，但传统线性恒流源会产生较多的热量而效率较低，一般只能达到 35%~60%。对于像半导体激光器对温度较为敏感的元器件，为了降低温度，避免半导体激光器过温损坏，需要体积庞大的散热片，因此线性电源通常体积大而笨重。因此线性电源主要应用在小功率的半导体激光器，其输出的功率一般不超过 3W，工作电压小于 2V，对驱动电流的稳定度要求较高，，工作电流一般 0A~3A 之间连续可调。因此，线性激光电源的应用场合受到很大限制。

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第三章 半导体激光电源电路的硬件设计.... 12
3.1 BUCK 变换器的工作原理.......12
3.1.1 基本拓扑结构.....12
3.1.2 同步 BUCK 变换器的 PWM 控制电路....13
3.2 关键器件的选型与参数计算.............14
3.2.1 输出滤波器的设计........14
3.2.2 SR-BUCK 开关管的选型....... 16
3.3 半导体激光电源主功率电路设计.....17
3.4 功率 PCB 板设计.......... 26
3.5 电路板 EMC 的分析与抑制....27
第四章 半导体激光电源的信号处理设计.... 29
4.1 数字信号处理系统的硬件设计........29
4.2 系统的软件设计.............36
第五章 系统实验平台的搭建与测试结果分析...... 38
5.1 实验测试及分析............38
5.2 激光电源样机设计........45

第五章 系统实验平台的搭建与测试结果分析

5.1 实验测试及分析
如图 5-1 通道 1 为恒流源的参考电压，通道 2 为输出电流的暂态波形。上电初始，参考电压为 0.7V（大于设定值 0.6V），芯片 TPS40304 处于保护状态，电流输出电流为 0A；电压降到 0.6V 时，初始输出电流为 0 A，随着参考电压逐渐下降，电流上升，参考电压稳定在 0.4V 左右时，输出电流稳定在 8 A。图 5-4 中通道 3 为恒流源的参考电压，可以看出参考电压在 600m V 动态平衡，表明输出电流保持稳定，通道 2 为恒流源 1 输出电流稳定在 8A 的状态下，输出电流交流纹波，由图可以看出交流纹波峰峰值仅为 20m A，远远小于激光器正常工作时所要求的 500m A。图 5-5 所示为输出电流为 8A 时，激光电源开通和关断的动态过程。可以看出，当总开关突然开通和关断时，恒流源 I 没有出现电流浪涌或关断电流尖峰；说明恒流源工作可靠性好，有效保证半导体激光器的正常工作，避免了因突然掉电造成浪涌击穿的现象发生。
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总结

通过利用同步降压开关控制芯片 TPS40304、高精度采样电阻、电压检测放大芯片 AD8226、功率场效应管 FDMS8320 和电流滤波器等电路，设计了本双路恒流激光器驱动电源。输出电流纹波系数低至 0.083%且动态特性好。通过合理的电路设计和器件选型，本电源具有软启动和限流保护的功能，避免了浪涌击穿和过电流导致半导体激光器击穿。合理的 PCB 布局，提高了系统的功率密度和整机效率，电路板发热小，无需额外的散热装置，大大减小了驱动电源的体积。本电源还设计了数字控制模块，预留了通信接口，可以实现上位机对电流的设定，并进行故障检测与报警。本电源结构简单，性能可靠，体积小，整机效率高，成本低廉。采用 10W 和 30W 两种光纤激光器经现场调试和长时间实验运行证明，两路恒流源都能够满足光纤激光器对驱动电路的要求。本电源还可在过流保护电路上做进一步改进。通过实际验证，本设计还有以下不足点：
1）本文利用了 PWM 控制器设计的恒流源，不仅调试复杂，而且输出电流的稳定度和对高次谐波的抑制只能靠滤波电路设计的是否合理决定。这种做法限制了控制理论的应用，从侧面讲，也在一定程度上限制了激光电源的进一步发展，因此下一步的研究方向是充分应用数字信号处理器的运算能力，运用先进的算法，对某些容易产生的且比重较大的谐波进行提前抑制，进而可以简化后级滤波器的设计，减小谐波污染，提高激光电源数字控制能力和稳定性。
2）抑制激光电源发热；在实际设计中，通过降低局部的功率密度，对于整体温度系数的降低有积极的作用，但在产品有尺寸限制时，此方法有一定的局限性，因此在版图设计和布线最优化前提下，器件的选型对电路发热也有影响，同时也要有合理的温控和散热方案，本设计能够实现合理的布局布线设计，但是一些发热器件的局部散热问题受电源体积的影响，没有提出非常合理的解决方案。
3）降低温漂：温漂严重时，例如温度升高，造成采样电阻的阻值发生变化，就会导致半导体激光器的不稳定。本设计只是针对采样电阻的温漂问题进行解决，提出了利用正反温度系数的采样电阻并联还减小温漂，但是对电路中的其他元器件还有待考虑。
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参考文献(略)

本文编号：98638