连续或脉冲输出功率可调LD驱动电源设计

LD(激光二极管)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、直接调制等特性，因而广泛应用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而，由于LD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差，微小的电流波动将导致光功率输出的极大变化和器件参数的变化，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。在驱动电源的设计过程中，同时考虑对LD进行安全有效保护，如防止浪涌冲击，慢启动等问题。

1 电路结构及原理
    LD是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响，因此，LD驱动电源需要为LD提供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流。该LD驱动电源包括4部分：基准电压源，恒流源电路，脉冲控制电路，保护电路。结构框图如图1所示。

1．1 基准电压源电路
    基准电压源电路构成如图2所示，其作用是为恒流源电路提供一个高精度，低温漂的电压参考，同时，为电路中的集成电路(如光耦合器、运算放大器、反相器等)提供稳定工作电压。

    LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，输出电压范围是1．2～37 V，负载电流最大为1．5 A，使用简单。其工作过程如下：输出电压Vout通过R1、VQ1，对C2充电，开始时VQ1饱和导通，Vout最低(约1．5 V)。随着C2上电压的升高，VQ1逐渐退出饱和并趋于截止，Vout逐渐升高至额定电压。改变R1、C2的常数可改变软启动的时间。改变可变电阻R2的值，可调整输出电压Vout的值。VD1用于关机后使C2上的电荷快速泄放。其输出电压为：
    
1．2 恒流源电路
    为了实现高的电流稳定度，驱动电路大多采用负反馈的控制方法，恒流控制原理如图3所示。稳流电路由基准电压电路、电压-电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成。电路工作时，基准电压经过适当放大后送入运放A1的同相端，运放A1控制VQ1基极电流的大小，从而获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻R上产生取样电压，该取样电压经A2放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端，并与同相输入端的电压进行比较，对输出电压进行调整，进而对VQ1基极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。

    输出电流I与设定的基准电压Vc的关系可由负反馈原理得到：
    
式中，Vc为基准电压，Ra、Rb为反馈网络中的电阻，R为取样电阻，在理想情况下R、Ra、Rb恒定不变。
    由式(2)可知，输出电流I与基准电压Vc呈线性关系。
   

    根据上述设计思想设计脉冲控制接口电路，其原理图如图4所示。由非门单元，晶体管VQ3，光电耦合器组成。当脉冲为高电平时，非门输出低电压，使光电耦合器截止，光电耦合器输出低电平，使晶体管VQ3截止，VQ3集电极输出高电平使VQ1、VQ2导通，LD正常工作；反之，光电耦合器导通，使VQ3导通，VQ3集电极输出低电平，使VQl、VQ2截止，LD不工作。在没有外控脉冲控制信号时，接口悬空，非门输入高电平，输出低电压，光电耦合器不工作，晶体管VQ3截止，VQ3集电极为高电平，使VQ1导通，保证LD的正常连续发光。
1．4 保护电路
    考虑到LD的易损性，在稳流控制中保护电路的设计也是很重要的一个方面。本设计中，选用供电电压波动较小，内部具有慢启动、过流、过热保护、尖峰电流限制功能的集成直流稳压器，只需在LD两端反向并联一个普通二极管以防止反向过压，同时并联小容量电容防止回路电流毛刺损坏管芯。

2 结果与分析
    表l是该电路驱动波长650 nm，功率200 mW的LD连续工作时，基准电压与输出电流的测试结果，其电压-电流关系如图5所示。

    图5结果表明基准电压与输出电流成正比例关系，通过调节基准电压，可以改变LD的输出功率，即LD输出功率连续可调。

    图6显示了该驱动电源输出的脉冲波形。曲线Input为输入控制脉冲信号，曲线Output为LD上电压脉冲。结果表明：LD上电压脉冲的上升和下降时间都很短，中间段电压的稳定使输出电流恒定，恒定的电流幅度保证了LD输出功率的稳定。通过改变输入脉冲的频率、脉宽，可得到所需的LD激光脉冲信号。

3 结论
    提出了可用于连续或脉冲输出的半导体激光器驱动电源的设计方法，测试结果表明：1)驱动波长范围为650～980 nm：2)输出功率0～300 mW连续可调；3)连续或脉冲输出可选。电源稳定、可靠、控制简单，功率连续可调，可广泛地用于对半导体激光驱动电源体积要求较小的应用中。