半導體激光器驅動電源設計

出處：電子市場發(fā)布于：2022-11-15 17:15:51 | 9614 次閱讀

半導體激光管（LD）和普通二極管采用不同工藝，但電壓和電流特性基本相同。在工作點時，小電壓變化會導致激光管電流變化較大。此外電流紋波過大也會使得激光器輸出不穩(wěn)定。二極管激光器對它的驅動電源有十分嚴格的要求；輸出的直流電流要高、電流穩(wěn)定及低紋波系數(shù)、高功率因數(shù)等。隨著激光器的輸出功率不斷加大，需要高性能大電流的穩(wěn)流電源來驅動。為了保證半導體激光器正常工作，需要對其驅動電源進行合理設計。并且隨著高頻、低開關阻抗的MOSFET技術的發(fā)展，采用以MOSFET為核心的開關電源出現(xiàn)，開關電源在輸出大電流時，紋波過大的問題得到了解決。
1 系統(tǒng)構成

裝置輸入電壓為24V，輸出最大電流為20A，根據(jù)串聯(lián)激光管的數(shù)量輸出不同電壓。如果采用交流供電，前端應該采用AC／DC作相應的變換。該裝置主要部分為同步DC／DC變換器，其原理圖如圖1所示。

Vin為輸入電壓，VM1、VM2為MOSFET，VM1導通寬度決定輸出電壓大小，快恢復二極管和VM2共同續(xù)流電路，整流管的導通損耗占據(jù)最主要的部分，因此它的選擇至關重要，試驗中選用通態(tài)電阻很低的M0SFET。電感、電容組成濾波電路。測量電阻兩端電壓與給定值比較后，通過脈沖發(fā)生器產生相應的脈寬，保持負載電流穩(wěn)定。VM1關斷，快恢復二極管工作，快恢復二極管通態(tài)損耗大，VM2接著開通續(xù)流，減少系統(tǒng)損耗。

2 工作原理

VM1關斷，電流通過VD續(xù)流，接著VN2導通。由于VM2的阻抗遠小于二極管阻抗，因此通過VM2續(xù)流。VMl、VN2觸發(fā)脈沖如圖2所示。圖2中td為續(xù)流二極管導通時間。

二極管消耗的功率為P=VtdI0。一般快恢復二極管壓降0．4V，當電流20A時，二極管消耗功率為0．8W。如采用MOSFET，則消耗的功率將小很多。本實驗采用威世半導體公司的60A的MOSFET，其導通等效電阻為0．0022Ω。當電流為20A時，消耗功率約為0．088W。
由電流紋波公式可知，增大電感、減小ton都可以減小紋波。為了不提高電感容量，實驗中采用200kHz的工作頻率，其中電感選用4．8-μH，根據(jù)公式可得激光管壓降2V時紋波電流約為1000mA。

系統(tǒng)采用了電流負反饋電路，以適應激光二極管的要求。當負載變化，電流略大于給定電流時，減小ton寬度，電壓降低。電流略小于給定電流時，增加ton寬度，這樣可以維持電流穩(wěn)定。圖3所示為脈沖發(fā)生器結構。

圖3中，R1，R2為電壓測量電阻，Rc為電流測量電阻。調節(jié)R1可以設定最大輸出電壓。Rc限制最大輸出電流。當最大電壓或電流其中一個達到給定值，則脈沖寬度最大。這樣可以保證負載正常工作。

其仿真結果如圖4所示。