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高稳定半导体激光器驱动电路
作者：刘富成
来源：《电子技术与软件工程》2016年第11期
摘 要
半导体激光器的稳定性取决于驱动电源，电流的起伏会引起光功率的变化，从而影响激光器的性能。为确保半导体激光器安全可靠地工作，本文深入分析了半导体激光器电源工作原理，确定了驱动电源的主要环节的技术实施方案，设计高稳定半导体激光器的驱动电流源。这种设计电源实际上主要就是利用取样电路、调整电路、误差放大电路等电压来实现负反馈电路，针对设计的要求为各个模块选择了合适的器件，它能够对激光器提供一个稳定的受控电流，并能实时监视。为了使激光器稳定可靠的工作还设计了温控电路，激光器保护电路等。 【关键词】半导体激光器 慢启动 受控恒流源 TEC温度控制 1 半导体激光器的P-I特性
半导体激光器的P-I特性（又称L-I特性），这种设备实际上就是用来描述随注入电流IF不断改变和实际变化规律的激光器光功率P，是设计和应用半导体激光器的根本依据。只有在其PN结上合理加入正向电压，半导体激光器进入足够大电流的过程中，才可以形成激光，如图1所示为理想的输出P-I特性曲线。
从半导体激光器理论角度来说，如果在额定范围内运行半导体激光器的时候，注入电流IF和输出光功率P需要充分满足线性的关系，其一阶微分曲线是类似于水平的一条直线。如果一阶微分曲线上形成相对比较明显的拐点，或者是出现不是十分平滑的曲线，此时就可以表明半导体激光器上存在一定问题和缺陷。也可以说，如果在拐点驱动电流范围内运行半导体激光器的时候，注入电流值和输出光功率之间没有形成线性比例的关系。 2 激光器驱动电路设计
在仔细分析了半导体激光器的工作特性和它在使用过程中提出的具体技术指标后，设计出了以下电路方案： 2.1 慢启动电路
在没有慢启动措施的基础上就把半导体激光器驱动电源进行电路的接通和断开，此时电路中出现过渡的过程，也就是说在开启电源的过程中，出现很大幅度的驱动电流过冲，然后在经过过渡过程以后开始慢慢稳定。这种驱动电流过冲问题十分容易导致电击穿PN节。即使浪涌出现很长时间或者存在很大强度，也不保证会在第一次开启电源的过程中就完全丧失使激光器的作用，但在实际操作的时候因为多次受到浪涌的冲击，从而也会导致提高退化半导体激光器
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性能的速度，并且最终导致电源失效。所以，为防止此半导体激光器遭到电流的破坏，此时需要缓慢启动激光器驱动电源电路，保证能够缓慢上升电流输出额定值，以便于确保能够及时进入到正常工作区，这样可以有效地消除电源开或关时产生的浪涌冲击。本设计中用单片机延时后控制继电器U10B打开，并将激光器T10接入控制电路中，可有效的消除上电瞬间浪涌对激光器的冲击。具体电路如图2所示。 2.2 积分电路
根据结构原理如图2所示，U15B与电阻R123，电容C123构成典型的积分电路，上电后即先对C123进行充电，输出电压对时间的积分，输出电压达到最大之后受直流电源的限制，致使运算放大器进入饱和状态，输出电压保持不变，而停止积分。通过该积分电路，调整MOS管的栅极电压，达到设定电流为恒流输出的目的。 2.3 取样及放大电路
电路中以功率器件MOS管（IRF740）作为调整管，通过控制MOS管栅极电压，实现对激光管的电流进行控制，采样电阻连接到MOS管的源极（低端取样）。输出电流I0可由下式计算： I0=*Vi
式中Vi为输入电压，R为取样电阻，F为反馈网络的反馈系数。由公式可知，要实现电路中激光器驱动电流的高稳定性关键要选择高稳定低温票电压基准，低温票系数取样电阻和低温票反馈网络。在本恒流源中采用精度是±1.0%的取样电阻，±215×10-5/℃的温度系数；小于1×10-6/℃的电压基准的温度系数，长期稳定度是2×10-5/℃。控制DAC0的电压大小就可以控制激光器流过的电流，进而控制激光器输出功率大小。 2.4 受控恒流源电路
激光控制器由受控恒流源，其结构原理如图2所示。为了保障激光器能够输出稳定的激光，应该严格规范激光器中流过的电流，低噪声稳定恒流源就是供电电路。从0～2.5A之间能够进行连续可调的恒流源，以便于满足导体激光器不同规格的实际需求。恒流源核心为是大功率MOS管，负载就是激光器，并且合理串联恒流源，对MOS管栅极进行合理控制，以此来达到控制激光器电流的目的。但是实际操作的时候因为MOS管属于非线性器件，不能直接进行控制，因此需要合理使用线性控制。把0.1Ω的电阻串联在MOS管中，以此进行采样反馈，具备0～2.5A变化范围的MOS管的电流，0～2.5V范围的输入控制信号电压，放大10倍采样电阻电压以后正好匹配输入电压。以此在控制电流0～2.5A和电压0～2.5V之间构建起线性关系，单片机能够直接采集AII1输出电压，并且对其进行换算以后显示激光器电流。但是因为具备开环反馈系统，很容易导致出现自激，所以合理应用电阻连接1μF电容的方式，以此破坏自激条件，尽可能降低自激。
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3 激光器温度控制电路 3.1 温度控制电路
温度对激光的品质有很大影响，主要影响到的指标有阈值特性，输出光功率，激光器波长等。电流恒定模式下的波长，每升高1℃的温度，就会增加0.1nm的激光波长，如果出现过高的温度会导致迅速老化或者损坏激光器。所以在激光器适合条件下控制温度，保障具备小于0.1℃温度起伏，以此来保障具备稳定的波长。激光器实际上是高电灵敏度的负载，此控制器需要具备保护过流的能力和供监控限制的能力。环境温度变化会严重激光器的性能，此时需要有效控制设备制热和制冷的能力。本设计中控温执行单元广泛采用了半导体制冷硅（TEC），选择型号为TES1-4903 5V3A温差70摄氏度小功率制冷器。半导体制冷硅（TEC）是利用玻耳贴效应制成的，玻耳贴效应是将电流以不同的方向通过双金属片所构成的结构时，能对其相接触的物体制冷或者加热，当半导体制冷器的制冷端和制热端的温差一定时，半导体制冷气的制冷端和制热端的制冷量与工作电流成正比。半导体致冷器TEC具备上述设备需要的能力，但需要真正双向的控制器，并且从冷端到热端之间不会出现温度死区。
TEC的驱动电路一般情况下都是合理应用“H”桥式，通过两个互补MOS管或者达林顿管构成。利用开关式驱动对H桥进行驱动，开关式驱动方式具备效率高和功耗小的特点。利用MC33886等芯片直接驱动开关式驱动，控制部分由单片机直接驱动，为了减小干扰采用光耦隔离进行控制。
大电流开关电路运行过程中会形成一定的噪声干扰，为了有效降低干扰，可以在一定程度上提高转换大开关管的时间，以此来有效减少高频开关噪声。这种形式虽然能够降低开关效率，但是也会大幅度提高和改变噪声，需要付出一定代价，但是也是值得的，此外因为TEC存在热惯性，改变的时候会出现延迟现象，会导致系统振荡。为了降低系统振荡，放大器两端可以及时并联积分电路，以便于有效提高延时并且也可以消除振荡。 3.2 温度检测电路
温度测量技术目前已经是很成熟的技术，温度传感元件既有传统的热电偶，热敏电阻等温度传感器，又有现代集成式温度传感器，如AD590；数字温度传感器，如18B20；还有超高温度的光学温度传感器。其中热电偶和热敏电阻式工业生产过程自动化中最常用的两种温度传感器，热敏电阻由于在测量的灵敏度，线性，电路组成简单等诸多方面均优于热电偶，因此，在中低温测量中使用的更为广泛。本设计中采用了NTC薄膜热敏电阻MF5B贴片式10K精度1%。由于温度测量范围要求比较小，本设计中没有采用传统桥式测量电路，而是采用由NTC薄膜热敏电阻串联一支低温漂金属膜电阻构成，电源采用稳定的基准电源供电。将温度信号转换为电压信号送入AD中进行数据采集。热敏电阻符合国际分度表要求，故采用查表方法来计算测量温度。但是实际操作中也需要注意利用热敏电阻体现稳定温度，因此要在相同模块中安装TEC与热敏电阻，保障两者能够紧密耦合。