具有保護功能的壓控激光電流源設計

摘 "要： 采用模擬電路設計出一種最大輸出可達10 A的壓控電流源，針對半導體激光器的工作特性增加了設定電流工作點功能，同時具有上電保護、慢啟動、輸出使能延時、輸出限流等保護功能。給出了電流源輸出的推導過程;使用單5 V供電，具有體積小、高可靠性等特點。

關鍵詞： 半導體激光器; 壓控電流源; 系統保護; 模擬電路

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0161?02

Design of voltage controlled laser current source with protection

WANG Sheng?jun

（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）

Abstract： A analog circuit is adopted to design a voltage control current source， whose output is up to 10 A. A function for DC operating point setting is added according to operating characteristics of semiconductor laser. It has the functions of power on protection， slow start?up， output enabled delay， output current limitation. The derivation process of current source output is given in this paper. The single 5 V power supply is selected in this design， which has the characteristics of little size and high reliability.

Keywords： semiconductor laser; voltage controlled current source; system protection; analog circuit

近年來，激光技術廣泛應用于工業(yè)生產、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、軍事航天和生活中?？煽?、穩(wěn)定的驅動電源是激光應用的重要前提。半導體激光器屬于精密的器件，稍有不慎便可造成永久損壞或減少其使用壽命[1]。通過檢索有很多有關于激光器驅動電源的設計，具有保護電路的設計比較少，不利于產品的長期使用[2?3]。因此采用電流負反饋技術，用模擬器件設計出一高穩(wěn)定、低成本，同時具有上電保護、慢啟動、輸出使能延時、輸出限流等保護功能的小體積驅動電路。

1 "系統原理

壓控電流源的系統原理如圖1所示，可調電阻R1可調節(jié)整個電路工作點，R8設置輸出電流的上限，壓控電流源電路由電流串聯負反饋實現。系統采用單5 V供電，通過模擬輸入電壓控制輸出電流，實現0.1～10 A電流可調[4]。輸出電流在取樣電阻Rs上產生取樣電壓后經單運放A2放大后經電阻輸入到A1的反相輸入端，與同相端的兩路輸入疊加運算后控制達林頓管Q1。如整個系統處于平衡后，輸入與輸出的關系利用運放的特性進行如下推導如圖1所示。

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圖1 系統原理框圖

設采樣電阻輸出為Vs，R1設置電壓為V1，模擬輸入電壓為V0，運放A2輸出為Uo2，正端電壓為采樣電阻輸出Vs，由電阻分壓得出：

[UA2-=Uo2R7R6+R7] " （1）

推出：

[Uo2=Vs1+R6R7] （2）

由運放的特性，得到：

[V1-UA1+R2+Vo-UA1+R3=0] （3）

[UA1+=UA1-] " " " " （4）

[UA1-=Uo2] " " " （5）

[VS=ISRS] （6）

推出：

[IS=V1R2+VoR3R2||R3RS1+R6R7] " （7）

式中[IS]為采樣電阻的電流，即為驅動激光管的電流。

從式（7）中可以看出，電阻為常數，輸出電流只與V0和V1有關，通過選定合適的電阻值設定電路參數。壓控電流源使用單電源供電，調節(jié)V1有兩個作用，可使驅動管Q1工作于線性區(qū)域，另一方面當有調制信號V0時，可以調整激光管的靜態(tài)工作點，獲得失真的調制電流。

2 "系統保護

在理想情況下，圖1的壓控電流源可正常工作，但激光管屬于精密器件，一旦過流或反流，靜電都會減少器件的使用壽命，甚至造成器件永久損壞。因此必須進行合理、有效的電路保護，主要考慮有以下幾方面：

（1） 上電保護。系統加電時會引起電壓和電流的急劇變化，電路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有可能在產生大的脈沖電壓或電流，使得末級驅動三極管導通，造成驅動管或激光器損壞。因此在運放的輸入端和末級驅動三極管輸入端加入延時電路，形成慢啟動電路。電路如圖2所示。上電時，電容為短路狀態(tài)，MOS管柵極電壓為正，電路導通，控制端電壓為0 V，電容充電完成后，柵極電壓為0 V，MOS管截止，完成保護功能。通過選擇R和C的參數設定不同的保護時間。在供電的輸入端并接浪涌保護二極管，減小電源波動對整個電路的沖擊。

（2） 輸出保護。對激光器的防護主要考慮2個方面：反流和靜電。在激光器的輸出端并接反向二極管和一個小電容可解決反流問題。一般情況下，激光器在不工作時應將兩極短接以防止靜電損壞。為此在輸出端加上一繼電器，在工作時繼電器斷開驅動器正常工作;斷電后繼電器短路，使激光器二級短接，保護激光器。

（3） 限流保護。根據應用不同，激光器可能不需要10 A的電流，即壓控電流源的最大輸出。從圖1 中可以看出，通過調節(jié)R8設定一個門限，超過后觸發(fā)邏輯電路嵌位輸入，對系統進行保護。

3 "實驗調試與結果

整個電路采用四層板設計，尺寸大約為75 mm×65 mm，選擇使用了單電源軌到軌精密運放AD8032，選擇低溫漂可散熱的膜電阻MP9000系列的低值電阻作為采樣電阻，經過焊接調試后，電路工作正常。經過測試，輸出電流最大可為10 A，調制電壓輸入為0～50 kHz。加上散熱片后，溫度系數lt;100 ppm/°C，滿足了系統設計要求。

4 "結 "語

采用電流負反饋技術和多種保護措施，成功地實現了高可靠性的壓控電流源的設計。其體積小，可作為一個模塊嵌入到驅動系統中，廣泛應用到科研試驗、工業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測等激光領域中，同時對大功率電流源設計也有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] 張國雄，黃春暉.一種高穩(wěn)定連續(xù)可調半導體激光器驅動源[J].激光與紅外，2011，41（2）：160?163.

[2] 盧凱，劉白玉，白永林，等.大功率半導體激光器驅動電源的設計[J].紅外與激光工程，2012，41（10）：2680?2684.

[3] 李桂英，岳宇博，李睿.光纖耦合激光器驅動與控制技術研究[J].中國激光，2012，39（4）：21?26.

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[5] 邢雪峰，李洪祚.分集激光通信高速率半導體激光器驅動設計[J].現代電子技術，2012，35（15）：25?28.

[6] 霍佳皓，李洪祚.半導體激光器溫度控制電路設計[J].現代電子技術，2013，36（20）：153?155.