半导体激光器LD开关电源驱动电路的设计和实验

半导体激光器LD 开关电源驱动电路的设计和实验
开关电源相比线性电源它的转换效率高、电能利用率高，但纹波系数较大，本节将讨论半导体激光器在开关电源驱动下特性分析，并设计出一款稳定的半导体激光器的开关电源驱动电路。

首先应从半导体激光器工作特性出发，分析出开关电源驱动半导体激光器所应具备的条件，而结温、结电压、结电流是直接决定半导体激光器的工作特性的参量，因此分析开关电源驱动半导体激光器的特性、实际就是分析在开关电源驱动下半导体激光器结温、结电压、结电流这三者之间的关系。

1 恒流模式下的结温与工作特性研究
根据半导体物理学理论，PN 结在小注入条件下的正向电流与电压近似满足下式：
0exp qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭
很明显，正向电流和PN 结的节电压不是线性关系。

当载流子大注入时即半导体激光器满足载流子反转，开始向外输出激光时的工作条件，PN 结的电流-电压特性将会发生变化，不在遵从电流和PN 结结电压之间的关系式。

因为P 区为阻止空穴的扩散维持电中性，必然建立一个电场，成为自建电场，这样势必使加载在PN 上的结电压有一部分电压加在P 区。

此时PN 结的电流和结电压的关系公式需加以修正：
0exp 2qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭
()320exp 2g E I f T T kT -⎛⎫= ⎪⎝⎭
I ：正向电流；0I ：反向饱和电流；U ：pn 结正向电压；T ：绝对温度；k ：波尔兹曼常数； q ：为基本电荷电量；其中g E 为温度为0K 时的禁带宽度。

又由
()K f T T =，函数()T f 含有32T -，这样K 是一个与温度无关的量，当半导体结在恒流状态时，PN 结的结电压和温度的关系如下式：
()2g E kT U InK InI q q
=--
()2dU k InK InI dT q
=-- 由上式可得，在恒流模式下结电压与温度是成线性变化的，随着温度的升高结电压是减小。

当工作在恒流模式下时，dU dT 是恒定的，说明半导体工作在横流模式下的输出状态影响因素少，整个工作状态易于控制。

2 在稳压电源驱动下的结温与工作特性研究
将式进行变形，可以得到在稳压模式下电流与结温的关系：
22g qU E InI InK kT kT =
-+ 2()2g dI I qU E dT kT -=- 在稳压工作模式下，dI dT 影响因素是比较复杂的。

且工作电流的大小不但与温度有关系，而且与结电压也有关系。

将上式进行变形，可得如下变化：
exp 22g qU E I InK kT kT ⎡⎤=-+⎢⎥⎣⎦
得出，在稳压模式下，工作电流满足一个复杂的指数关系。

在结电压恒定的条件下，不同的结温将就有一个工作电流值与之相对应。

在稳压模式下，当把结温控制在正常的工作范围内，半导体激光器就会得到与此结温相对应的工作电流，使半导体激光器工作状态也相对较稳定，使半导体激光器可以正常工作。

3 双路跟踪电源实验
为分析半导体激光器在稳压模式下的工作特性，作了如下实验。

实验选取的半导体激光器是HLD980500HP ，其主要参数是：阈值电流0.02A 、工作结电压1.8V 、最高2.2V 、工作电流0.5A 、输出光功率300mW 、C-mount 封装。

选取的实验条件为：将双路跟踪电源的输出电压调整到 1.9V ，并不断的调整双路跟踪电源输出电流，观察半导体激光器的输出光功率。

本次实验主要观察电压、电流对半导体激光器输出光功率的影响。

实验数曲线如下图：
I-P曲线
以上曲线是结电压为1.9V时，不断调整电源输出电流所得数据，可以看出当输出电流为0.2A时，半导体激光器开始输出光束。

在实验的同时，还进行了电压对半导体激光器输出影响的实验，当只调整PN结两端的结电压时，半导体激光器输出光功率基本没发生改变。

这证明要使半导体激光器工作状态和PN结的结电压基本没有多大关系，结电压只要保证不击穿PN即可，半导体激光器能正常的工作条件是，驱动电源能够提供足够多的载流子，况且提供的载流子足够的稳定。

4 开关稳压电源驱动设计与实验
在开关电源的电路设计的过程中，选取了凌特公司的LT1912这款芯片，芯片参数为：宽输入电源电压范围，从3.6V 至 36V、最大可输出电流2A、反馈基准电压0.790V、输出电压可调：从0.79V 至 20V。

在选取开关电源芯片时，很注重芯片本身的输出电流的能力，因为要使半导体激光器正常工作的条件是载流子要稳定，要充足。

设计过程中、首先根据LT1912的datasheet进行芯片外围电路的设计，选取相对应电感、肖特基二极管、电阻、电容，在外围器件选取中主要是选取相对应的电感和肖特基二极管，输出的电压要根据基准电压和电阻计算配置而得到。

LT1912这款芯片由于其封装为小尺寸的贴片形式，因此在原理图设计的基础上还得进行PCB板电路的设计。

开关电源原理图
在电路设计中，选取了Protel99SE这款软件。

首先进行了原理图库的绘制、绘制的内容包括、LT1912的库文件、电源芯片的库文件等。

在PCB封装库文件的绘制中，为了尽可能的准确进行布线，将所有器件的封装都经过游标卡出进行精细的测量后，进行各个器件的封装绘制。

LT1912 PCB设计
在LT1912 PCB的设计，首先将电源线和LT1912的输出端的走线设为50mil，这是由于PCB要通大电流而设计的，其它电路连线均为10mil。

将去耦电容尽可能接近芯片LT1912，这样使LT1912的工作状态更稳定。

为使PCB的设计能尽可能使LT1912散热，PCB设计过程中器件排放较分散，将PCB两面都付铜，作为地线。

开关电源驱动实验 t-P曲线通过设计，使LT1912的设计输出电压为2V，当整个电路调通之后，用万用
表实际测量LT1912的输出的电压是1.98V。

接下来进行的实验就是使开关电源直接驱动半导体激光器，这个实验的目的是观察在开关稳压电源的驱动下，半导体激光器的工作特性变化。

看半导体激光器能不能正常工作，工作效果如何。

首先选用双路跟踪稳压电源作为开关电源LT1912的输入，设置的输入参数是12V、0.5A，用激光功率计测得、半导体激光器输出的光功率为350mW，根据长时间的记录，半导体激光器输出的光功率并没有随着时间而变化，而是很稳定输出，工作状态很稳定。

由此说明开关电源作为半导体激光器的驱动电源同样可以得到非常稳定的光能量输出。

根据以上的实验数据，接下来进行了在两种不同电源的输入情况下的半导体激光器输出的光功率测量，分别选用的输入条件是5V、1A的电源和9V、350mA 的电源作为输入电源。

经过实验发现，当用5V、1A的电源作开关电源的输入时，开关电源驱动半导体激光器，半导体激光器的输出光功率为285mW；用9V、350mA 的电源作开关电源的输入时，半导体激光器的输出光功率230mW。

实验结果显示，半导体激光器输出光功率很稳定，没有跟随着时间发生改变。

根据实际的测量，当5V、1A的电源作开关电源的输入时，流过半导体激光器的电流约为0.5A；9V、350mA的电源作开关电源的输入时，流过半导体激光器的电流约为0.4A，这种输出电压相等、而输出电流不相等的原因主要是由于开关电源LT1912自身工作转
换效率所决定的，这并不与前面的理论推导相矛盾、况且前面的推导过程中的理论依据，也只是实验验证的经验公式，并不能完全准确的表征整个半导体激光器的特性。

5 实验结果分析
LD等效电路
图是半导体激光器的等效电路，其中Rs是半导体激光器的串联电阻、即为半导体激光器的内阻，包括材料的体电阻和电极接触电阻；C1是半导体激光器的寄生电容。

实验所选取的半导体激光器封装是C-mount封装，这种封装可以为半导体激光器设计大面积的铜作为整个芯片的正极，这样也有助于半导体激光器进行散热。

在进行实验时，半导体激光器的散热工作已经做到位了，因此在对实验结果分析时，温度的影响可以忽略，就认为半导体激光器的结温能使半导体激光器正常工作，且结温基本保持恒定，这样的设计和实际的测量结果说明是正确的，半导体激光器的工作状态稳定、输出的光功率恒定。

双路跟踪电源的实验结果证实，半导体激光器正常工作建立在有充足的载流子的情况下。

开关稳压电源的实验说明，只要开关电源能够提供充足的载流子，就能驱动半导体激光器，而随着现代工艺的提高开关电源芯片的性能也得到很大的提升，开关电源驱动半导体激光器的状态也很稳定。

并且开关电源直接半导体激光器的电路设计简单，不用设置过流、过压保护电路，在工程中应用可以简化电路。

根据实验结果，说明开关稳压电源驱动半导体激光器也是切实可行的，而且工作状态也较恒定。

从实验的结果可以看出只要开关稳压电源能提供较大的驱动电流，就完全可以驱动半导体激光器。

LT1912驱动半导体激光器，在作好温控的前提下，半导体激光器的输出光功率很稳定。

当LT1912输出电压1.98V时，半导体激光器输出光功率为300mW，并且工作状态很稳定。

开关电源驱动半导体激光器优点在于电路简单，不用考虑过流保护、过压保护，而开关稳压电源驱动半导体激光器核
心在于电源本身输出电流的能力，由此可见驱动大功率半导体的激光器的开关电源必须具备大功率低电压输出特性，即为开关电源在输出低电压的情况下、可以输出大的电流，现阶段开关电源芯片已经具备了这样的工作特性。