LD驅動電源中恒電流驅動電路的EMC仿真研究

付兵兵，單江東，王靈敏

（吉林大學 電子科學與工程學院，吉林 長春 130012）

隨著人類進入21世紀，科技技術得到了突飛猛進的發展，使得電子、電器設備在人們的日常生活中幾乎隨處可見，這就導致電子、電氣設備的種類和數量的大量增加，而隨之產生的無用的或有害的電磁能量也就越來越多，這就使得電子、電器設備要在一個較為復雜的電磁環境中工作，這樣就隨時可能受到電磁干擾的影響而不能正常工作[1-2]。電磁兼容技術就是為了解決這一問題而產生的一門技術。電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。近年來，分析電磁干擾的機理，電磁兼容技術和檢測方法的研究是提高系統可靠性的有效方法[3]。電磁兼容設計的目的就是為了解決電路之間的相互干擾，防止電子設備產生過強的電磁輻射，防止電子設備對外界干擾過度敏感。要研究一個系統的電磁兼容性，就必須知道電磁干擾產生的原因以及對系統會產生怎樣的影響[4]。半導體激光驅動電源的好壞會影響半導體激光器的正常穩定工作與否以及它的使用壽命。所以好的半導體激光驅動電源可以更好地使半導體激光器的正常穩定工作，并且延長它的使用壽命。

本文對于半導體激光驅動電源的恒電流驅動電路進行電磁兼容的研究。以理論分析為基礎，主要從恒電流驅動電路的穩定性以及抗外部干擾的能力出發，設計、分析了恒電流驅動單元的電磁兼容性。

1 恒電流驅動單元的穩定性分析

本文的恒電流驅動單元主要采用的是深度負反饋技術，用大功率場效應管作為調整管。由圖1可知，輸出電流通過取樣電阻得到的采樣電壓經過放大器A2放大后作為反饋電壓反饋回放大器A1的反相輸入端，并與同相輸入端的基準電壓Vc進行比較，對柵極電壓進行調整，進而對恒流驅動單元的輸出電流進行調整，使整個閉環反饋系統處于動態的平衡中，以實現使輸出電流處于穩定的狀態的目的[5-6]。

引入負反饋系統后，使其穩定性得到較好的改善，這里用增益的相對變化量來衡量穩定性。增益的相對變化量為開環增益相對變化量的，閉環增益的穩定性提高。

圖1 恒電流驅動電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of constant current circuit

根據圖1，利用運算放大器的虛短、虛斷原理，可以推出控制電壓Vc和漏極電流I0關系，即

用輸出電流的相對變化量來表示電流的穩定性。

由公式（4）可知，輸出電流的穩定性主要與采樣電阻的穩定性和控制電壓的穩定性有關。對于采樣電阻，由于恒流驅動電源的最大輸出電流為2.5 A，電流很大，為了減小功耗和發熱，取樣電阻越小越好，但取樣電阻太小又不利于獲得較大電流，所以選0.1 Ω的精密的溫度系數較小的取樣電阻。對于基準電壓源，選用的是型號為LM336的高精度的2.5 V的并聯穩壓二極管，它的參考電壓典型值為2.490 V，動態電阻為0.2 Ω，有較低的溫度系數6 mV/9 mV/19 mV，工作電流300 μA～10 mA，根據上述參數可見LM336的穩定性相對較好。

一般線性工作的放大器 （即運放中加入反饋系統的電路）的輸入電容就可能會使運放電路變得不穩定的，放大器的輸入端一般存在約幾皮法的寄生電容，這個電容包括運放的輸入電容和布線分布電容，它會與反饋電阻構成滯后網絡，引起輸出電壓相位滯后，可能引起振蕩現象，嚴重破壞電路的穩定性。所以可以采用補償技術來改善這個問題。一般引用補償技術，就是在放大電路或反饋網絡中加入一些電阻，電容無源元件。本文中，就采用了補償技術來改善負反饋放大電路的穩定性。

對于本文所采用的如圖1所示的恒電流驅動單元，一般情況下，半導體激光器內電阻也就幾歐姆，故用10歐姆電阻代替激光二極管作負載。對單元電路進行pspice仿真分析，仿真模型如圖2所示。

對恒電流驅動單元進行交流掃描，掃描范圍在1 Hz～30 MHz之間，得到負載的幅頻特性曲線，如圖3。由圖3可以看出，在f=100 kHz左右時，恒電流驅動單元的穩定性遭到了破壞，會影響電流的穩定輸出。

圖2 恒流驅動電路的仿真模型Fig.2 The simulation model of constant current circuit

圖3 恒流驅動電路的幅頻特性曲線Fig.3 The amplitude-frequency characteristic curve of constant current circuit

故為了改善負反饋放大電路的穩定性，在圖2的基礎上，在運算放大器U1A的反相端和輸出端加入一個補償電容，并且為了探討補償電容的容值的大小對電路的影響，對電路進行交流掃描的同時也對補償電容進行參數掃描，掃描范圍初步定為：0.1 μF 到 0.5 μF，步長為 0.1 μF。 掃描結果如圖4所示。由圖4可見，電容越大，對恒電流單元電路的幅頻特性改善效果越好，但是，由于電容的容值越大，相對的也會降低閉環增益，而且容值太大，在實際中電容的體積也會變大，成本也變大，所以電容選則為0.47 μF基本就滿足條件了。

圖4 補償電容參數分析圖Fig.4 Parameter analysis diagram of compensation capacitor

同理，在圖2中運算放大器U2A的反相端和輸出端加入另外一個補償電容，取值為0.01 μF。對改善后的電路進行交流掃描，得到電路的幅頻特性曲線，如圖5所示。對圖3和圖5對比分析，沒加補償電容前，在頻率約1 kHz以后，電路的幅頻特性曲線開始不平穩，在100 kHz處出現了過大的尖峰；加入補償電容后，在頻率約1 kHz以后，電路的幅頻特性曲線還是比較平穩的，在100 kHz處不再有過大的尖峰出現，盡管在約10 Hz以前平穩度不是很好，但沒有出現明顯的尖峰，故電路的穩定性整體上還是得到了明顯的改善。

圖5 加入補償電容后單元電路的幅頻特性曲線Fig.5 The amplitude-frequency characteristic curve of unit circuit with compensation capacitor

2 恒電流驅動單元的干擾分析

我國的工頻電采用的標準是220 V/50 Hz交流，但是在電網中由于使用各種電子、電氣設備而帶來的各種干擾源會使電源波形發生畸變，電源中會含有多種高次諧波，高次諧波容易使用電設備過熱，從而使用電設備不能正常工作[7-9]。即使是直流電源也不是理想的直流電源，也存在紋波，也會影響用電設備的正常工作。故在實際的電路工作中，并不能保證給電路提供的就是純粹的直流信號，總會有各種各樣的不同頻率的干擾信號夾雜在輸入信號中。

本文中采用的供電電源是12 V的直流電源，由于開關電源本身就存在紋波，再加上所處的電磁環境中存在的干擾，通過電源線夾雜在輸入信號中，這些夾雜在輸入信號中的各種頻率的振蕩信號會影響電路的穩定工作。所以，對于恒電流驅動單元的外部干擾，主要是采取措施來控制輸出信號的紋波在一定的范圍內變化。

在輸入信號中會夾雜一些高頻信號（其它器件產生或外部藕合）或工頻信號（電網產生），工頻信號在電路中難以濾除[10]。現在在輸入的直流信號中疊加一個振幅為50 mV，工頻為50 Hz的正弦波來模擬工頻干擾信號對輸出信號的影響。得到工頻噪聲對電路輸出的干擾圖（圖6）。在本文中，單元電路的輸出測的是取樣電阻（0.1 Ω）的電壓 Vr，Vr/0.1 Ω 即得到輸出電流。

圖6 0.05V/50Hz噪聲干擾的仿真圖Fig.6 Simulation diagram of 0.05 V/50 Hz noise interference

當輸入信號端加入0.05 V/50 Hz的干擾信號時，由圖6可以看出，單元電路的取樣電阻輸出電壓仿真結果顯示，其紋波在 12 mV（p-p）范圍內，電流的紋波變化范圍大約為120 mA左右，由于電路的輸出電流的紋波較大，在一百多mA量級，會嚴重影響電流的輸出的穩定性。故在電路的輸入端可加入一個低通濾波器，由200 k的電阻和0.47 μ的電容構成。對電路進行pspice仿真，得到如下結果。圖7是加入濾波器后單元電路的輸入信號的仿真圖，圖8是加入濾波器后單元電路的取樣電阻的電壓的仿真圖。從圖7可以看出，加入濾波器后單元電路的輸入電壓，仿真結果顯示其紋波在3 mV（p-p），也就是輸入干擾由 100 mV（p-p）降到了幾 mV（p-p）；從圖8可以看出，加入濾波器后單元電路的取樣電阻的輸出電壓，仿真結果顯示其紋波在0.3 mV（p-p），由于輸出電流變化幅度在幾乎在幾mA量級，故輸出電流的穩定度明顯得到改善。 綜上所述，加入低通濾波器后可將輸出電流的紋波變化范圍從100多mA降到幾mA，提高了輸出電流的穩定度。

圖7 加入濾波器后的輸入信號仿真圖Fig.7 Simulation diagram of the input signal with filter

圖8 加入濾波器的輸出電壓仿真圖Fig.8 Simulation diagram of the output voltage with filter

3 結 論

本文從恒電流驅動單元的驅動模式設計的優點出發，根據負反饋原理的理論基礎以及運算放大器的虛短、虛斷原理，分析說明了本文所選的恒電流驅動單元的結構框架具有較好的穩定性。論文中借助pspice仿真軟件，對恒電流單元電路進行了交流掃描，通過仿真實驗確定了加入補償電容能夠改善電路的穩定性。并且通過pspice仿真模擬輸入信號中的干擾信號對輸出結果的影響，通過在輸入端加入低通濾波器，很好地減小了輸出結果中紋波的變化范圍，使輸出結果更加穩定。而單元電路的穩定性能的提高，也就說明了電路的電磁兼容性也變好，能夠在現在這個較為復雜的電磁環境中較好工作。

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