收稿日期:2003-03-18. 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司2000962号)1光电器件大功率半导体激光器驱动器的研究与设计邓　军,单江东,张　娜,田小建(吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023)摘　要:　介绍了大功率半导体激光器恒流源的设计方法。

该恒流源采用功率M OSFET 作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流。

实际应用表明该恒流源对激光器安全可靠,输出电流的短期稳定度达到1×10-5。

关键词:　半导体激光器;恒流源;驱动电路;功率M OSFET 中图分类号:　T N245　文献标识码:　A 文章编号:　1001-5868(2003)05-0319-02R esearch and Design of H igh 2pow er Semiconductor Laser Diode DriverDE NGJun ,SH AN Jiang 2dong ,ZH ANG Na ,TI AN X iao 2jian(School of E lectronic Science and E ngineering ,Jilin U niversity ,Ch angchun 130023,CHN )Abstract :　The design of constant 2current supply power for a high 2power semiconductor laser diode is desribed.This constant 2current power supply uses a power M OSFET as the current control device ,and which uses the principle of negative feedback to adjust and stabilize the output current.The practical application indicates that the constant 2current power supply is safe and reliable to the laser diode ,with the short term stability of output current up to 1×10-5.K ey w ords :　semiconductor laser diode ;constant 2current power supply ;drive circuit ;power M OSFET1　引言半导体激光器不仅具有一般激光器高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,因而被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域。

然而,由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击的承受能力很差,微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,这些变化直接危及器件的安全使用,因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求[1]。

我们在恒流源的设计过程中,着重考虑了对激光器进行安全有效的保护,如限流问题,防止浪涌冲击问题,延时软启动问题等[2]。

2　驱动器的系统组成与工作原理恒流源的系统组成框图如图1所示,整体设计方案采用深度负反馈控制原理,直接提供驱动电流电平的有效控制,由此获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性[3]。

图1　系统方框图整个恒流源由电压基准电路、电压电流转换电路、保护电路、末级电路和显示电路组成。

在这里,我们采用2.5V 的电压基准,该电压基准产生一个稳定的基准电压,并经过适当地放大后送入运放的《半导体光电》2003年第24卷第5期邓　军等:　大功率半导体激光器驱动器的研究与设计同相端,该运放控制跨导放大器的导通程度,从而获得相应的输出电流,输出电流在取样电阻上产生取样电压,该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器的反相输入端,并与同相输入端的电压(即由电压基准产生并经过前级放大的电压)进行比较,对输出电压进行调整,进而对跨导放大器的输出电流进行调整,使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中,以达到稳定输出电流的目的[4]。

输出电流I 0与输入电压V r 的关系可用负反馈原理推导,其原理如图2所示。

I 0=R 2R (R 1+R 2)Vr(1)式中:V r 为控制电压,R 1、R 2为反馈网络中电阻,R 为取样电阻,在理想情况下R 1、R 2、R 都是恒定不变的。

由式(1)可知,输出电流I 0与控制电压V r 呈线性关系。

图2　电流控制原理但在实际情况下电阻的温度系数和电压基准的温度系数将影响输出电流的稳定性。

对式(1)进行全微分并化简可得电流稳定度的表达式:d I 0I 0=1I 0R 2R (R 1+R 2)d V r -R 2V rR 2(R 1+R 2)d R -R 2V rR (R 1+R 2)2d R 1+R 1V r R (R 1+R 2)2d R 2=α1d V r -α2d R -α3d R 1+α4d R 2(2)式中包括4项,其物理意义分别是:α1=1I 0R 2R (R 1+R 2)表示由电压基准不稳定而产生的影响;α2=1I 0R 2V rR 2(R 1+R 2)表示由取样电阻温度系数产生的影响;α3=1I 0R 2V rR (R 1+R 2)2,α4=1I 0R 1V rR (R 1+R 2)2表示由反馈网络中电阻的温度系数产生的影响。

由于选取的取样电阻R 为0.1Ω,而(R 1+R 2)为105数量级,因此有:α2>α1µα3≈α4,这说明影响输出电流稳定度的主要因素是取样电阻的温度系数和电压基准的稳定度。

在本恒流源中,选用的取样电阻精度是±1.0%,温度系数是±215×10-5/℃,电压基准的温度系数小于1×10-6/℃,长期稳定度是2×10-5。

下面通过实验测量,当输出电流选定100mA 时,短期稳定度是1×10-5,长期稳定度是715×10-5。

图3是根据测量结果得出的输出电流的拟合曲线[5]。

图3　输出电流的拟合曲线3　保护电路考虑到半导体激光器的自身特性,保护电路处在一个非常重要的地位。

保护电路包括限流电路和延时软启动电路。

限流电路将输出电流限制在半导体激光器的最大额定电流以内,即使在调制控制时,限流电路也可防止过驱动。

我们希望在恒流和恒功率两种驱动模式切换中电流不会超过设定值,以免损坏激光器,因此在电路设计时,采用在末极电路中串联P 沟道耗尽型功率M OSFET 的方法,把限制电压与从取样电阻反馈回来的比较电压分别加在运放的反向端和同向端共同控制运放的输出,进而控制功率M OSFET 的导通程度,当限制电压一定时,导通程度一定,从而流过的电流也一定,由于是串联电路,所以流过末极电路的电流得到了有效的限制。

为了避免开机时瞬态的冲击电流损坏激光器,要求激光器接入电路的时间能够得到控制,因此我们采用继电器常闭的两端分别和激光器两端并联的方法来解决这个问题,只要继电器常闭端不断开,激光器的两端被短路就不会立刻工作,而继电器常闭端的断开取决于延时的时间,从而避免了开机时瞬态冲击电流对激光器的损坏。

由于激光器对电流十分敏感,我们需要缓慢地把电流加在激光器两端,这就是通常所说的软启动。

(下转第370页)P 2I 特性测试系统。

该系统实现了LE D/LD 驱动电源、示波器、X 2Y 函数记录仪等多种仪器具有的功能。

其数据采集和分析处理功能较强、参数测定可自动进行,操作简便、效率高、测试结果满意,是一种实用的测试系统。

参考文献:[1]　姜志玲,唐　蕾,陈维荣.虚拟仪器的现状和前景[J ].现代电子技术,2002,4:49-51.[2]　LabVIEW User Manual[K].National Instrument C orporation,1998.[3]　刘君华.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW 教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.作者简介:狄红卫(1969-),男,湖南人,副教授,博士,目前主要从事光电子技术、光电信号处理方面的研究工作。

E 2m ail :dihong wei @(上接第320页)图4的横坐标中,每格代表的时间是500ms ,当打开软启动开关时,输出电流经过2～3s 的延时,又经过200～300ms 缓慢上升的时间,然后达到预先设定的值。

图4　软启动波形4　实验数据的处理本文所述的驱动器输出电流范围可选,当输出电流范围是200mA 时,控制电压与输出电流如表1所示,其电压-电流关系如图5所示。

表1　实验数据电压/V 0.10.20.5 1.0 1.5 2.0 2.5电流/mA 0.02 3.6714.7733.3352.2770.8989.39电压/V 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5—电流/mA 108.01126.65145.45163.92182.74200.02—图5　电压2电流关系图5中的曲线从图形上看是一条直线,符合电压与电流的正比例关系。

5　综述与展望通过本恒流源在吉林大学光电子集成国家重点实验室的试用,表明其具有以下主要特点:(1)输出电流0～5A 可选;(2)具有10V 的最大输出电压;(3)工作稳定性优良;(4)能够精确地设置工作电流和限制电流。

其中短期稳定度为1×10-5。

优于国外Wavelength 公司同类产品。

由于时间所限,一些问题有待进一步的研究,如脉冲驱动问题(内触发方式),面板指示灯的消隐等问题。

参考文献:[1]　Thomps on M T.High power laser diode driver based onpower converter technology [J ].IEEE T rans.on P ower E lectronics ,1997,12(1):46-52.[2]　S liney D ser safety concepts are changing [J ].LaserF ocus W orld ,1994,30(5):185-192.[3]　Christian H ,MichaelH ,G eorg B.Digital 2to 2analogconversion by pulse 2count m odulation metheds [J ].IEEE T rans.Instrum.Meas.,1996,45(4):805-813.[4]　D orf R C.M odern control system (ninth edition )[J ].SciencePress ,Pears on Education N orth Asia Limited ,2002,3:575-576.[5]　于复生,艾　兴,逢东庆.大功率半导体激光器驱动电源的设计[J ].应用激光,2000,20(6):257-260.作者简介:邓　军(1978-),男,硕士研究生,研究方向为电磁场与微波技术。