MIC29750用于大功率半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)

曹軍勝

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

近年來，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展非常迅速，在國防、工業(yè)、醫(yī)療乃至日常生活中都有越來越廣泛的應(yīng)用[1-10]。激光器驅(qū)動(dòng)電源是激光器應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，是激光應(yīng)用系統(tǒng)人機(jī)界面與激光器發(fā)生關(guān)聯(lián)的接口。激光器驅(qū)動(dòng)電源不僅要提供滿足激光器需求的驅(qū)動(dòng)電流和工作方式，還應(yīng)具有輸出電流穩(wěn)定、激光器保護(hù)措施（如限流保護(hù)、上電保護(hù)）等功能。

半導(dǎo)體激光器為電流注入式電致發(fā)光器件，基于“電壓源+MOSFET”結(jié)構(gòu)的壓控電流源是半導(dǎo)體激光器常用的驅(qū)動(dòng)方式。為保證驅(qū)動(dòng)電流的特性（幅值、紋波和穩(wěn)定性），不僅要求MOSFET具有低導(dǎo)通電阻和高額定功率，更要求電壓源具有高輸出電流能力、低噪聲、低紋波特性。VICOR電壓源模塊是一種高性能的DC-DC電源模塊，功率密度高、輸出電壓紋波小，適合作為激光驅(qū)動(dòng)器的電壓源，缺點(diǎn)是價(jià)格高，不適用于低成本應(yīng)用領(lǐng)域。普通開關(guān)電源輸出紋波太大，無法直接使用。本文在開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，采用大功率低壓差線性穩(wěn)壓芯片MIC29750作為電壓源，設(shè)計(jì)了基于“電壓源+MOSFET”結(jié)構(gòu)的壓控電流源作為大功率激光器驅(qū)動(dòng)電源，并具有限流保護(hù)、上電保護(hù)等功能，可供大功率半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)、控制等應(yīng)用領(lǐng)域借鑒。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

如前所述，半導(dǎo)體激光器為電流注入式電致發(fā)光器件，基于“電壓源+MOSFET”結(jié)構(gòu)的壓控電流源是半導(dǎo)體激光器常用的驅(qū)動(dòng)方式。圖1所示是“電壓源+MOSFET”結(jié)構(gòu)的壓控電流源的基本電路原理，其中Vi是控制電壓，Rs為取樣電阻，A是反饋網(wǎng)絡(luò)的增益，則輸出電流與控制電壓呈線性關(guān)系I＝Vi/(A·Rs)。

圖1 壓控電流源原理示意圖Fig.1 Principle of voltage controlled current source

值得注意的是，圖1中運(yùn)放的供電電源用VCC表示，激光器輸出回路的供電電源用VLD表示，這兩個(gè)電壓有時(shí)可以簡化為同一個(gè)電源，但建議分開。激光器輸出回路的特點(diǎn)是電流大、電壓低。大功率激光器驅(qū)動(dòng)電流在幾安培以上，而電壓一般不到2V；取樣電阻Rs功率大而電阻小、壓降?。豢梢?，如果VLD太高的話，大部分壓降將由MOSFET承擔(dān)，不僅功耗陡增，而且需要散熱；一般VLD可選擇5V左右。相反，運(yùn)放等器件的供電電壓VCC需要較高電壓，以便給MOSFET柵極提供足夠高的開啟電壓，且功耗較低，不存在散熱問題；VCC一般可采用±12V或±15V。

1.2 關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

1）壓控電流源

圖2是壓控電流源的電路圖，采用了VLD和VCC分別供電的方案，運(yùn)放等器件采用±12V供電，以便給Q3（IRF540）柵極提供足夠的開啟電壓，但功率要求并不高；+5V是激光器回路的電源，由于取樣電阻取0.1Ω、Q3（IRF540）的導(dǎo)通電阻僅0.077Ω，即使輸出電流達(dá)10A時(shí)，激光器電壓自適應(yīng)范圍仍可滿足大部分單管激光器（0～2V）。

該電路在壓控電流源的控制電壓輸入端增加了模擬開關(guān)CD4066來控制控制電壓的通斷，由此可實(shí)現(xiàn)輸出電流的脈沖方式輸出。為了提高窄脈沖輸出能力，運(yùn)放U3與MOSFET（Q3）之間增加了一對三極管Q1、Q2，可加快MOSFET柵源電容的充放電速度。

2）激光器限流保護(hù)

限流保護(hù)是激光器常用的一種保護(hù)措施，設(shè)定最大工作電流后可避免激光器過流損壞。圖3是一種激光器限流保護(hù)電路，其原理是：設(shè)定限流電壓VRES=IS×RS（其中IS是限定電流，RS是取樣電阻），當(dāng)激光器工作電流I＜Is時(shí)，比較器U6B輸出低電平，PMOS管IRF9540導(dǎo)通；當(dāng)激光器工作電流I＞Is時(shí)，比較器U6B輸出高電平，PMOS管IRF9540截止。當(dāng)然，由于PMOS開關(guān)串入輸出回路，為了不影響輸出電流，可適當(dāng)提高VLD進(jìn)行補(bǔ)償。

3）上電保護(hù)

激光器驅(qū)動(dòng)電源在突然上電和斷電時(shí)往往在輸出端產(chǎn)生電流尖峰或浪涌，有的尖峰雖然很窄，但幅值可能大幅度超過激光器的額定電流，極易損壞激光器，因此，激光器驅(qū)動(dòng)電源往往需要此類保護(hù)電路。圖4所示的保護(hù)電路基本原理是在激光器兩端并聯(lián)常閉繼電器，僅在輸出前打開繼電器。激光器正負(fù)極平時(shí)被常閉繼電器短路，還能起到防靜電的作用。繼電器斷開后，R12接高電平，可通過測試R12電壓（LOCK_TEST信號(hào)）判斷繼電器是否可靠打開。

2 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證MIC29750作為激光器輸出回路電壓源的可行性，實(shí)驗(yàn)比較了VLD分別采用VICOR模塊、開關(guān)電源、MIC29750時(shí)激光器輸出電流的紋波。實(shí)驗(yàn)基于圖2所示的壓控電流源，設(shè)定電流值為2.5A，脈沖寬度1ms，用示波器監(jiān)測串聯(lián)于激光器的0.1Ω取樣電阻上的電壓。

圖5所示是采用VICOR模塊V375A5E400BL時(shí)，輸出脈沖電壓頂端值246mV，最大值260mV；采用某5V輸出開關(guān)電源時(shí)（如圖6），輸出脈沖電壓頂端值244mV，最大值280mV；采用MIC29750時(shí)（見圖7），輸出脈沖電壓頂端值247mV，最大值268mV?？梢?，采用MIC29750芯片時(shí)的輸出電流紋波優(yōu)于開關(guān)電源而不及VICOR模塊，這從圖中可直觀地觀察到。

3 結(jié)束語

本文介紹的基于低壓差線性穩(wěn)壓芯片MIC29750的大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源在滿足激光器驅(qū)動(dòng)電流低紋波要求的前提下實(shí)現(xiàn)了低成本化，并設(shè)計(jì)了簡單實(shí)用的激光器過流保護(hù)電路和上電保護(hù)電路。該驅(qū)動(dòng)電源可供大功率半導(dǎo)體激光器的低成本應(yīng)用領(lǐng)域參考借鑒。

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