基于半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)分析

吳化楠

摘 ?要：半導(dǎo)體激光器最早是通過純硬件電路的控制模擬來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。文章以半導(dǎo)體激光器為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要地闡述了半導(dǎo)體激光器和驅(qū)動(dòng)電源的基本概念和含義，詳細(xì)地分析了半導(dǎo)體激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求，深入地探討了半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)方面的研究者和設(shè)計(jì)者提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;驅(qū)動(dòng)電源;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929.11 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）35-0008-02

半導(dǎo)體激光器擁有廣闊的應(yīng)用范圍和極大的應(yīng)用潛力，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、商業(yè)貿(mào)易和工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的設(shè)計(jì)模式并不好，使用壽命也很短，大大限制住了半導(dǎo)體激光器的使用路徑。通過對(duì)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)分析，可以優(yōu)化半導(dǎo)體激光器的電力結(jié)構(gòu)，有效延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

1 ?半導(dǎo)體激光器和驅(qū)動(dòng)電源的概念和含義

半導(dǎo)體激光具有體積小、重量輕、價(jià)格相對(duì)較低和驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)越性的有利條件。半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)，利用電力產(chǎn)生激光激光的一種物理性工具。半導(dǎo)體激光器要順利地產(chǎn)生和發(fā)射出激光，必須要滿足三個(gè)基本條件：

一是在電子注入有源區(qū)時(shí)形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn);

二是電子在光學(xué)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的光，并利用電子躍遷來提高光的亮度和強(qiáng)度;

三是在發(fā)射激光時(shí)，注入諧振腔內(nèi)的載流子既不能多也不能少，保證激光閾值的電流密度維持在飽和狀態(tài)。

半導(dǎo)體激光器是實(shí)用性和適用性都最好的一類激光器，廣泛應(yīng)用于光存儲(chǔ)、激光測(cè)距、激光通信、激光打印和雷達(dá)等多個(gè)方面。驅(qū)動(dòng)電源是把電運(yùn)供應(yīng)的電力轉(zhuǎn)換成某一特定的電壓和電流，用以驅(qū)動(dòng)機(jī)器工作運(yùn)轉(zhuǎn)的一種電源轉(zhuǎn)換器。由變壓器、整流橋、穩(wěn)壓電路、綠波網(wǎng)絡(luò)和慢啟動(dòng)電路組成的驅(qū)動(dòng)電源采用的不是電池供電或通電的開關(guān)閉合來控制電源狀態(tài)的。

2 ?半導(dǎo)體激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求

注入半導(dǎo)體激光器的電流小于額定閾值的時(shí)候，激光器就會(huì)因?yàn)檩敵龉β蔬^小而只能發(fā)出微弱的熒光。這時(shí)射出的光也只是半導(dǎo)體激光器自發(fā)輻射的光能能量，并不是從半導(dǎo)體的物質(zhì)原子中發(fā)射出來的激光。注入半導(dǎo)體激光器的電流大于額定閾值的時(shí)候，激光器在恒溫的情況下輸出的功率和注入的電流大小成正比的線性關(guān)系。當(dāng)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電流超過允許流通電流的最大上限時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源就很有可能被燒毀，情況嚴(yán)重的時(shí)候還可能會(huì)發(fā)生小型爆炸，傷及相關(guān)的使用人員。原本半導(dǎo)體激光器的時(shí)間響應(yīng)速度就很快，基本上都是以毫微秒來進(jìn)行計(jì)量的，即使是極為短小的時(shí)間段內(nèi)的沖擊電流也會(huì)造成半導(dǎo)體激光器的破損和毀壞。因此，半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電源必須要擔(dān)負(fù)起保護(hù)電路安全和電流穩(wěn)定的職責(zé)，盡量減小或消除沖擊性電流帶來的不良影響和損失后果。

一方面，像半導(dǎo)體激光器這種非感性的電力負(fù)載，在閉合開關(guān)和斷開電源的瞬間都會(huì)產(chǎn)生一股很大的沖擊性電流。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源必須要將電力的輸入和輸出設(shè)計(jì)成一種啟動(dòng)較慢的安全性電流回路。通過降低激光波長(zhǎng)的紋波系數(shù)和濾除電路中的交流分量來保證流通電流和輸入電壓的穩(wěn)定性。

另一方面，氣候溫度和空氣濕度以及線路老化等原因都對(duì)半導(dǎo)體激光器的激光輸出功率有著顯著的負(fù)面影響。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源必須要有一套自動(dòng)控制電路溫度，同時(shí)增益輸出功率的設(shè)計(jì)方案，使半導(dǎo)體激光器能夠在恒溫的狀態(tài)下進(jìn)行正常的工作。

3 ?半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

3.1 ?總體設(shè)計(jì)方案和分析

本文選取了型號(hào)為MD-500-7的這種數(shù)字式大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源為例。該激光器的額定功率是500 W，能承受的最高電壓不能大于50 V，可以流通的電流為0～60 A。驅(qū)動(dòng)電源的整體設(shè)計(jì)圖，如圖1所示，圖中明確指出了驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部對(duì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的影響相對(duì)較大的重要單元。對(duì)這些關(guān)鍵性的組成單元，必須要在設(shè)計(jì)方案上進(jìn)行深入的理性分析和客觀的對(duì)比篩選。

在驅(qū)動(dòng)電源的整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)是以總體設(shè)計(jì)方案為中心，圍繞著總體設(shè)計(jì)圖來展開的。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源，采用的都是分析電源主回路和平均分?jǐn)傠娏Φ膯我恍驮O(shè)計(jì)方案。即便半導(dǎo)體激光器是電子轉(zhuǎn)光子的一個(gè)高效率轉(zhuǎn)換機(jī)器，也和其它的電力產(chǎn)品一樣，不可避免地會(huì)因?yàn)槌Ｒ?guī)操作和使用次數(shù)的增加而出現(xiàn)機(jī)理?yè)p耗和功能弱化的現(xiàn)象，從而影響激光管工作時(shí)光線波長(zhǎng)和輸出功率的穩(wěn)定性能。只有對(duì)其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電源的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控，才能保證半導(dǎo)體激光器在恒溫的狀態(tài)下更為持久可靠地進(jìn)行工作。為了達(dá)到更好的設(shè)計(jì)理想和使用效果，溫控單元激光二極管的溫度控制也需要必要的分析和研究。

3.2 ?恒流源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

恒流源電路可以使半導(dǎo)體激光器最大輸出40 A穩(wěn)流源的驅(qū)動(dòng)電源在連續(xù)工作的模式下保證電壓以2～10 V的低水平性輸出。如圖2所示，設(shè)定輸出電流最高可達(dá)40 A，輸出電壓穩(wěn)定在2～10 V之間，使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為設(shè)計(jì)中的調(diào)整控制管，利用場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)來控制連接在漏極D上的負(fù)載電流ID并使其保持不變，通過控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓UGS來達(dá)到均衡電流的最終目的。

在恒流驅(qū)動(dòng)器正常工作的時(shí)候，圖2中MOSFET管Q1的控制電壓Vgs是一種正向的驅(qū)動(dòng)電壓，為MOSFET管提供導(dǎo)通飽和的功能服務(wù)。IR是一種通過LD的電流，會(huì)遵照相關(guān)的指數(shù)規(guī)律呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。Imax指的是在MOSFET管一直導(dǎo)通的情況下Vdd對(duì)L充電所能達(dá)到的最大指數(shù)。

半導(dǎo)體激光器使用壽命的長(zhǎng)短和工作效率的高低直接取決于驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定程度。驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性能較高，半導(dǎo)體激光器的使用壽命就會(huì)相應(yīng)地延長(zhǎng)，發(fā)射激光的工作效率也能夠保持在一個(gè)較高的水平上。因此，對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的保護(hù)是必要而重要的。驅(qū)動(dòng)電源的保護(hù)可以由軟啟動(dòng)、浪涌消除電路、過流過壓檢測(cè)電路和恒流源各部分軟件的設(shè)計(jì)來具體實(shí)現(xiàn)。

3.3 ?制冷器和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的溫度控制是建立在閉環(huán)負(fù)反饋理論和電力恒溫流原理上的一種控溫技術(shù)。由P型和N型的半導(dǎo)體制冷元件構(gòu)成的熱點(diǎn)對(duì)偶是最常見的溫度傳感器之一，也是半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源制冷系統(tǒng)的基本元件。把P型和N型的半導(dǎo)體制冷元件連接在一起，讓直流電通過P-N組件，P和N接頭的兩個(gè)地方就會(huì)產(chǎn)生一定程度上的溫度差別。溫度較低的電流方向是從N到P，接口處的溫度會(huì)逐漸下降并吸收熱量;溫度較高的電流方向是從P到N，接口處的溫度會(huì)慢慢上升并釋放熱量。這種冷熱銜接、對(duì)接協(xié)調(diào)的N-P組件就是一個(gè)完整的熱電偶對(duì)。將多個(gè)熱電偶對(duì)成串地設(shè)置在電路上，和熱交換器的傳熱元件組合形成普遍應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部的熱電制冷組合控件，專門負(fù)責(zé)進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱疏散，保持驅(qū)動(dòng)電源工作環(huán)境的恒定低溫。

演算制冷量的具體公式是：

Qc=αITc-■I2R-KΔT

其中，Qc為制冷量;

α為Seeback系數(shù);

R為元件內(nèi)阻;

K為元件導(dǎo)熱系數(shù);

I為電流;

ΔT為冷熱端溫差。

溫度傳感器是溫度控制系統(tǒng)中最重要也最核心的硬件組成部分。溫度測(cè)量的敏感元件不僅有熱電偶對(duì)和熱敏電阻等傳統(tǒng)的溫度傳感器，又有光學(xué)溫度傳感器和集成溫度傳感器等先進(jìn)的現(xiàn)代化溫度傳感器。一般的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源往往采用的都是一種型號(hào)為DS18B20的數(shù)字溫度傳感器。

4 ?結(jié) ?語

由于半導(dǎo)體激光器對(duì)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電源提出了穩(wěn)定電流和控制溫度這兩個(gè)基本性的技術(shù)要求，所以在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源的時(shí)候，要充分考慮驅(qū)動(dòng)器、電路主回路和溫控系統(tǒng)等部分的工作原理來設(shè)計(jì)電源方案。同時(shí)還要注意設(shè)計(jì)一些如軟啟動(dòng)、過壓檢測(cè)電路和消除浪涌電路等用來保護(hù)電路的硬件和軟件。

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