连续或脉冲输出功率可调LD驱动电源设计

15
19.4
1Hale Waihona Puke 5179.53040.6
150
200.5
45
59.8
165
219.7
60
80.2
180
240.7
75
99.7
195
259.2
90
120.3
210
280.6
105
139.4
225
300.6
120
160.6
-
-
图 5 电压－电流关系
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。
1 电路结构及原理
图 1 驱动电源组成框图
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。
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。
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。
图 4 脉冲控制原理
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[6]。 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。
收 稿 日 期 ：2010-01-28
稿 件 编 号 ：201001085
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （60678045）。
作者简介：明 奇（1985—），男，河南滑县人，硕士研究生。 研究方向：光放大器。
图 2 基准稳压电源
－183－
《电子设计工程》2010 年第 6 期
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[1-2]。 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。
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。
理得到：
I=
Rb R（Ra +Rb
）
Vc
（2）
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。
但在实际情况下电阻的温度系数和基准电压的温度系
上的电荷快速泄放。 其输出电压为：
Vout=1.25（1+R2/R1）
（1）
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
2 结果与分析
表 1 是 该 电 路 驱 动 波 长 650 nm，功 率 200 mW 的 LD 连
明 奇，等 连续或脉冲输出功率可调 LD 驱动电源设计
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。
表 1 实验数据（λp=650 nm，Po=200 mW） 基准电压/mV 输出电流/mA 基准电压/mV 输出电流/mA
10-5/℃，电压基准的温度系数小于 1×10-6/℃。
1.3 脉冲控制电路
对许多 LD 应用来说，有时 希 望 脉冲 输 出 ，因为 脉 冲 输出
时 LD 结 发热 很 小 。 LD 工 作 在 低 占 空 比 和 短 脉 宽 状 态 时 允
许 比 CW 电 流 电 平 高 得 多 的 脉 冲 电 流 电 平 ， 而 且 多 数 不 需
MING Qi， MEI Xin-li， LI Chang-qing （School of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）
Abstract: LD drive power was designed for wide range continuous or pulse stable adjustable power，which is based on the principle of negative feedback theory to stabilize output current. By using transistor as switch，the pulse width and the ability to bring loads were improved. Single chip integrated circuit were chosen directly so that the design was simple，practical， low price and high performance. Experimental results show that the drive power works stably and drives the wavelength range of 650～980nm for general LD，output power was adjustable within the range of 0～300mW. Continuous or pulse output form was selected by input control. This power supply can be widely used in some applications which require small size of laser driver. Key words: laser diode； laser technique； pulse modulation； constant-current driving
要求较小的应用中。
关键词： 激光二极管； 激光技术； 脉冲调制； 恒流驱动
中图分类号： TN86； TN245
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1674－6236（2010）06-0183-03
Design of driver circuit for wide range continuous and pulse LD
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[3-4]。
图 3 恒流控制原理
输出 电 流 I 与设 定 的 基 准 电 压 Vc 的 关 系 可 由 负 反 馈 原
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
电源使用晶体管作为开关，从而缩短脉冲宽度，增加带负载能力。 选用现有大规模集成电路，设计力求简单、实用、低
成本及高性能。实验结果表明，该驱动电源工作稳定，可以驱动波长范围在 650～980 nm 的通用半导体激光器，输出功
率在 0～300 mW 范围内可调 ，连续或脉冲输出形式可通过输入端控制选取 ，可广泛 用 于 对半 导 体 激光 驱 动 电源 体 积
要 制 冷[5]。
脉冲 LD 电源控制技术的关 键 在于 对 电 流脉 冲 波 形的 控
制 ， 外控 调 制 信 号 采 用 TTL 方 波 ， LD 输 出 跟 随 控 制 信 号 以
开关方式输出。
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
中电阻的温度系数产生的影响。
由 于 选 取 的 取 样 电 阻 R 为 欧 姆 级 ，而 （Ra+Rb）为 数 十 千
欧姆级，因此有：μ2 ＞μ1 ＞＞μ3 ≈μ4 ，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 取 样 电 阻 精 度 是 0.1% ，温 度 系 数 是 ±2.5×
第 18 卷 第 6 期 Vol.18 No.6
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2010 年 6 月 June. 2010
连续或脉冲输出功率可调 LD 驱动电源设计
明 奇， 梅欣丽， 李常青 （郑州大学 信息工程学院，河南 郑州 450001）
摘要： 基于负反馈原理稳定输出电流，设计一种宽范围连续或脉冲输出功率稳定可调的半导体激光器驱动电源。 该
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 VQ1、VQ2 截止 ，LD 不工作 。 在没
（3）
式（3）中包括 4 项，其物理意义分别是：
μ1
=
1 I
Rb
表示由电压基准不稳定而产生的影
R（Ra +Rb ）
－184－
响；
μ2 =
1 I
Rb Vc
2
表示由取样电阻温度系数产生的影
R （Ra +Rb ）
响；
μ3 =
1 I
Rb Vc
2
R（Ra +Rb ）
，
μ4 =
1 I
Ra Vc 2 表 示 由 反 馈 网 络 R（Ra +Rb ）
数将影响输出电流的稳定性 。 对式（2）进行全 微分 并 化 简可
得电流稳定度的表达式：
dI I
＝
1 I
[
Rb R（Ra +Rb
）
dVc
-
2
R
Rb Vc （Ra +Rb
）
dR-
Rb Vc R（Ra +Rb
2
）
dRa +
Ra Vc 2 dRb ]… R（Ra +Rb ）
＝μ1dVc-μ2dR-μ3dRa+μ4dRb