MIC29750用于大功率半導體激光器的驅動

曹軍勝

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

近年來，半導體激光器的發展非常迅速，在國防、工業、醫療乃至日常生活中都有越來越廣泛的應用[1-10]。激光器驅動電源是激光器應用的基礎和關鍵，是激光應用系統人機界面與激光器發生關聯的接口。激光器驅動電源不僅要提供滿足激光器需求的驅動電流和工作方式，還應具有輸出電流穩定、激光器保護措施（如限流保護、上電保護）等功能。

半導體激光器為電流注入式電致發光器件，基于“電壓源+MOSFET”結構的壓控電流源是半導體激光器常用的驅動方式。為保證驅動電流的特性（幅值、紋波和穩定性），不僅要求MOSFET具有低導通電阻和高額定功率，更要求電壓源具有高輸出電流能力、低噪聲、低紋波特性。VICOR電壓源模塊是一種高性能的DC-DC電源模塊，功率密度高、輸出電壓紋波小，適合作為激光驅動器的電壓源，缺點是價格高，不適用于低成本應用領域。普通開關電源輸出紋波太大，無法直接使用。本文在開關電源的基礎上，采用大功率低壓差線性穩壓芯片MIC29750作為電壓源，設計了基于“電壓源+MOSFET”結構的壓控電流源作為大功率激光器驅動電源，并具有限流保護、上電保護等功能，可供大功率半導體激光器的驅動、控制等應用領域借鑒。

1 設計方案

1.1 總體設計

如前所述，半導體激光器為電流注入式電致發光器件，基于“電壓源+MOSFET”結構的壓控電流源是半導體激光器常用的驅動方式。圖1所示是“電壓源+MOSFET”結構的壓控電流源的基本電路原理，其中Vi是控制電壓，Rs為取樣電阻，A是反饋網絡的增益，則輸出電流與控制電壓呈線性關系I＝Vi/(A·Rs)。

圖1 壓控電流源原理示意圖Fig.1 Principle of voltage controlled current source

值得注意的是，圖1中運放的供電電源用VCC表示，激光器輸出回路的供電電源用VLD表示，這兩個電壓有時可以簡化為同一個電源，但建議分開。激光器輸出回路的特點是電流大、電壓低。大功率激光器驅動電流在幾安培以上，而電壓一般不到2V；取樣電阻Rs功率大而電阻小、壓降小；可見，如果VLD太高的話，大部分壓降將由MOSFET承擔，不僅功耗陡增，而且需要散熱；一般VLD可選擇5V左右。相反，運放等器件的供電電壓VCC需要較高電壓，以便給MOSFET柵極提供足夠高的開啟電壓，且功耗較低，不存在散熱問題；VCC一般可采用±12V或±15V。

1.2 關鍵單元設計

1）壓控電流源

圖2是壓控電流源的電路圖，采用了VLD和VCC分別供電的方案，運放等器件采用±12V供電，以便給Q3（IRF540）柵極提供足夠的開啟電壓，但功率要求并不高；+5V是激光器回路的電源，由于取樣電阻取0.1Ω、Q3（IRF540）的導通電阻僅0.077Ω，即使輸出電流達10A時，激光器電壓自適應范圍仍可滿足大部分單管激光器（0～2V）。

該電路在壓控電流源的控制電壓輸入端增加了模擬開關CD4066來控制控制電壓的通斷，由此可實現輸出電流的脈沖方式輸出。為了提高窄脈沖輸出能力，運放U3與MOSFET（Q3）之間增加了一對三極管Q1、Q2，可加快MOSFET柵源電容的充放電速度。

2）激光器限流保護

限流保護是激光器常用的一種保護措施，設定最大工作電流后可避免激光器過流損壞。圖3是一種激光器限流保護電路，其原理是：設定限流電壓VRES=IS×RS（其中IS是限定電流，RS是取樣電阻），當激光器工作電流I＜Is時，比較器U6B輸出低電平，PMOS管IRF9540導通；當激光器工作電流I＞Is時，比較器U6B輸出高電平，PMOS管IRF9540截止。當然，由于PMOS開關串入輸出回路，為了不影響輸出電流，可適當提高VLD進行補償。

3）上電保護

激光器驅動電源在突然上電和斷電時往往在輸出端產生電流尖峰或浪涌，有的尖峰雖然很窄，但幅值可能大幅度超過激光器的額定電流，極易損壞激光器，因此，激光器驅動電源往往需要此類保護電路。圖4所示的保護電路基本原理是在激光器兩端并聯常閉繼電器，僅在輸出前打開繼電器。激光器正負極平時被常閉繼電器短路，還能起到防靜電的作用。繼電器斷開后，R12接高電平，可通過測試R12電壓（LOCK_TEST信號）判斷繼電器是否可靠打開。

2 測試結果

為了驗證MIC29750作為激光器輸出回路電壓源的可行性，實驗比較了VLD分別采用VICOR模塊、開關電源、MIC29750時激光器輸出電流的紋波。實驗基于圖2所示的壓控電流源，設定電流值為2.5A，脈沖寬度1ms，用示波器監測串聯于激光器的0.1Ω取樣電阻上的電壓。

圖5所示是采用VICOR模塊V375A5E400BL時，輸出脈沖電壓頂端值246mV，最大值260mV；采用某5V輸出開關電源時（如圖6），輸出脈沖電壓頂端值244mV，最大值280mV；采用MIC29750時（見圖7），輸出脈沖電壓頂端值247mV，最大值268mV。可見，采用MIC29750芯片時的輸出電流紋波優于開關電源而不及VICOR模塊，這從圖中可直觀地觀察到。

3 結束語

本文介紹的基于低壓差線性穩壓芯片MIC29750的大功率半導體激光器驅動電源在滿足激光器驅動電流低紋波要求的前提下實現了低成本化，并設計了簡單實用的激光器過流保護電路和上電保護電路。該驅動電源可供大功率半導體激光器的低成本應用領域參考借鑒。

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