LD驅(qū)動(dòng)電源中恒電流驅(qū)動(dòng)電路的EMC仿真研究

付兵兵，單江東，王靈敏

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

隨著人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)，科技技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使得電子、電器設(shè)備在人們的日常生活中幾乎隨處可見(jiàn)，這就導(dǎo)致電子、電氣設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量的大量增加，而隨之產(chǎn)生的無(wú)用的或有害的電磁能量也就越來(lái)越多，這就使得電子、電器設(shè)備要在一個(gè)較為復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作，這樣就隨時(shí)可能受到電磁干擾的影響而不能正常工作[1-2]。電磁兼容技術(shù)就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生的一門(mén)技術(shù)。電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。近年來(lái)，分析電磁干擾的機(jī)理，電磁兼容技術(shù)和檢測(cè)方法的研究是提高系統(tǒng)可靠性的有效方法[3]。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的就是為了解決電路之間的相互干擾，防止電子設(shè)備產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的電磁輻射，防止電子設(shè)備對(duì)外界干擾過(guò)度敏感。要研究一個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性，就必須知道電磁干擾產(chǎn)生的原因以及對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響[4]。半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源的好壞會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的正常穩(wěn)定工作與否以及它的使用壽命。所以好的半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源可以更好地使半導(dǎo)體激光器的正常穩(wěn)定工作，并且延長(zhǎng)它的使用壽命。

本文對(duì)于半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源的恒電流驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電磁兼容的研究。以理論分析為基礎(chǔ)，主要從恒電流驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性以及抗外部干擾的能力出發(fā)，設(shè)計(jì)、分析了恒電流驅(qū)動(dòng)單元的電磁兼容性。

1 恒電流驅(qū)動(dòng)單元的穩(wěn)定性分析

本文的恒電流驅(qū)動(dòng)單元主要采用的是深度負(fù)反饋技術(shù)，用大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為調(diào)整管。由圖1可知，輸出電流通過(guò)取樣電阻得到的采樣電壓經(jīng)過(guò)放大器A2放大后作為反饋電壓反饋回放大器A1的反相輸入端，并與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓Vc進(jìn)行比較，對(duì)柵極電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)單元的輸出電流進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中，以實(shí)現(xiàn)使輸出電流處于穩(wěn)定的狀態(tài)的目的[5-6]。

引入負(fù)反饋系統(tǒng)后，使其穩(wěn)定性得到較好的改善，這里用增益的相對(duì)變化量來(lái)衡量穩(wěn)定性。增益的相對(duì)變化量為開(kāi)環(huán)增益相對(duì)變化量的，閉環(huán)增益的穩(wěn)定性提高。

圖1 恒電流驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of constant current circuit

根據(jù)圖1，利用運(yùn)算放大器的虛短、虛斷原理，可以推出控制電壓Vc和漏極電流I0關(guān)系，即

用輸出電流的相對(duì)變化量來(lái)表示電流的穩(wěn)定性。

由公式（4）可知，輸出電流的穩(wěn)定性主要與采樣電阻的穩(wěn)定性和控制電壓的穩(wěn)定性有關(guān)。對(duì)于采樣電阻，由于恒流驅(qū)動(dòng)電源的最大輸出電流為2.5 A，電流很大，為了減小功耗和發(fā)熱，取樣電阻越小越好，但取樣電阻太小又不利于獲得較大電流，所以選0.1 Ω的精密的溫度系數(shù)較小的取樣電阻。對(duì)于基準(zhǔn)電壓源，選用的是型號(hào)為L(zhǎng)M336的高精度的2.5 V的并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，它的參考電壓典型值為2.490 V，動(dòng)態(tài)電阻為0.2 Ω，有較低的溫度系數(shù)6 mV/9 mV/19 mV，工作電流300 μA～10 mA，根據(jù)上述參數(shù)可見(jiàn)LM336的穩(wěn)定性相對(duì)較好。

一般線(xiàn)性工作的放大器 （即運(yùn)放中加入反饋系統(tǒng)的電路）的輸入電容就可能會(huì)使運(yùn)放電路變得不穩(wěn)定的，放大器的輸入端一般存在約幾皮法的寄生電容，這個(gè)電容包括運(yùn)放的輸入電容和布線(xiàn)分布電容，它會(huì)與反饋電阻構(gòu)成滯后網(wǎng)絡(luò)，引起輸出電壓相位滯后，可能引起振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞電路的穩(wěn)定性。所以可以采用補(bǔ)償技術(shù)來(lái)改善這個(gè)問(wèn)題。一般引用補(bǔ)償技術(shù)，就是在放大電路或反饋網(wǎng)絡(luò)中加入一些電阻，電容無(wú)源元件。本文中，就采用了補(bǔ)償技術(shù)來(lái)改善負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性。

對(duì)于本文所采用的如圖1所示的恒電流驅(qū)動(dòng)單元，一般情況下，半導(dǎo)體激光器內(nèi)電阻也就幾歐姆，故用10歐姆電阻代替激光二極管作負(fù)載。對(duì)單元電路進(jìn)行pspice仿真分析，仿真模型如圖2所示。

對(duì)恒電流驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行交流掃描，掃描范圍在1 Hz～30 MHz之間，得到負(fù)載的幅頻特性曲線(xiàn)，如圖3。由圖3可以看出，在f=100 kHz左右時(shí)，恒電流驅(qū)動(dòng)單元的穩(wěn)定性遭到了破壞，會(huì)影響電流的穩(wěn)定輸出。

圖2 恒流驅(qū)動(dòng)電路的仿真模型Fig.2 The simulation model of constant current circuit

圖3 恒流驅(qū)動(dòng)電路的幅頻特性曲線(xiàn)Fig.3 The amplitude-frequency characteristic curve of constant current circuit

故為了改善負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性，在圖2的基礎(chǔ)上，在運(yùn)算放大器U1A的反相端和輸出端加入一個(gè)補(bǔ)償電容，并且為了探討補(bǔ)償電容的容值的大小對(duì)電路的影響，對(duì)電路進(jìn)行交流掃描的同時(shí)也對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行參數(shù)掃描，掃描范圍初步定為：0.1 μF 到 0.5 μF，步長(zhǎng)為 0.1 μF。 掃描結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，電容越大，對(duì)恒電流單元電路的幅頻特性改善效果越好，但是，由于電容的容值越大，相對(duì)的也會(huì)降低閉環(huán)增益，而且容值太大，在實(shí)際中電容的體積也會(huì)變大，成本也變大，所以電容選則為0.47 μF基本就滿(mǎn)足條件了。

圖4 補(bǔ)償電容參數(shù)分析圖Fig.4 Parameter analysis diagram of compensation capacitor

同理，在圖2中運(yùn)算放大器U2A的反相端和輸出端加入另外一個(gè)補(bǔ)償電容，取值為0.01 μF。對(duì)改善后的電路進(jìn)行交流掃描，得到電路的幅頻特性曲線(xiàn)，如圖5所示。對(duì)圖3和圖5對(duì)比分析，沒(méi)加補(bǔ)償電容前，在頻率約1 kHz以后，電路的幅頻特性曲線(xiàn)開(kāi)始不平穩(wěn)，在100 kHz處出現(xiàn)了過(guò)大的尖峰；加入補(bǔ)償電容后，在頻率約1 kHz以后，電路的幅頻特性曲線(xiàn)還是比較平穩(wěn)的，在100 kHz處不再有過(guò)大的尖峰出現(xiàn)，盡管在約10 Hz以前平穩(wěn)度不是很好，但沒(méi)有出現(xiàn)明顯的尖峰，故電路的穩(wěn)定性整體上還是得到了明顯的改善。

圖5 加入補(bǔ)償電容后單元電路的幅頻特性曲線(xiàn)Fig.5 The amplitude-frequency characteristic curve of unit circuit with compensation capacitor

2 恒電流驅(qū)動(dòng)單元的干擾分析

我國(guó)的工頻電采用的標(biāo)準(zhǔn)是220 V/50 Hz交流，但是在電網(wǎng)中由于使用各種電子、電氣設(shè)備而帶來(lái)的各種干擾源會(huì)使電源波形發(fā)生畸變，電源中會(huì)含有多種高次諧波，高次諧波容易使用電設(shè)備過(guò)熱，從而使用電設(shè)備不能正常工作[7-9]。即使是直流電源也不是理想的直流電源，也存在紋波，也會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作。故在實(shí)際的電路工作中，并不能保證給電路提供的就是純粹的直流信號(hào)，總會(huì)有各種各樣的不同頻率的干擾信號(hào)夾雜在輸入信號(hào)中。

本文中采用的供電電源是12 V的直流電源，由于開(kāi)關(guān)電源本身就存在紋波，再加上所處的電磁環(huán)境中存在的干擾，通過(guò)電源線(xiàn)夾雜在輸入信號(hào)中，這些夾雜在輸入信號(hào)中的各種頻率的振蕩信號(hào)會(huì)影響電路的穩(wěn)定工作。所以，對(duì)于恒電流驅(qū)動(dòng)單元的外部干擾，主要是采取措施來(lái)控制輸出信號(hào)的紋波在一定的范圍內(nèi)變化。

在輸入信號(hào)中會(huì)夾雜一些高頻信號(hào)（其它器件產(chǎn)生或外部藕合）或工頻信號(hào)（電網(wǎng)產(chǎn)生），工頻信號(hào)在電路中難以濾除[10]。現(xiàn)在在輸入的直流信號(hào)中疊加一個(gè)振幅為50 mV，工頻為50 Hz的正弦波來(lái)模擬工頻干擾信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響。得到工頻噪聲對(duì)電路輸出的干擾圖（圖6）。在本文中，單元電路的輸出測(cè)的是取樣電阻（0.1 Ω）的電壓 Vr，Vr/0.1 Ω 即得到輸出電流。

圖6 0.05V/50Hz噪聲干擾的仿真圖Fig.6 Simulation diagram of 0.05 V/50 Hz noise interference

當(dāng)輸入信號(hào)端加入0.05 V/50 Hz的干擾信號(hào)時(shí)，由圖6可以看出，單元電路的取樣電阻輸出電壓仿真結(jié)果顯示，其紋波在 12 mV（p-p）范圍內(nèi)，電流的紋波變化范圍大約為120 mA左右，由于電路的輸出電流的紋波較大，在一百多mA量級(jí)，會(huì)嚴(yán)重影響電流的輸出的穩(wěn)定性。故在電路的輸入端可加入一個(gè)低通濾波器，由200 k的電阻和0.47 μ的電容構(gòu)成。對(duì)電路進(jìn)行pspice仿真，得到如下結(jié)果。圖7是加入濾波器后單元電路的輸入信號(hào)的仿真圖，圖8是加入濾波器后單元電路的取樣電阻的電壓的仿真圖。從圖7可以看出，加入濾波器后單元電路的輸入電壓，仿真結(jié)果顯示其紋波在3 mV（p-p），也就是輸入干擾由 100 mV（p-p）降到了幾 mV（p-p）；從圖8可以看出，加入濾波器后單元電路的取樣電阻的輸出電壓，仿真結(jié)果顯示其紋波在0.3 mV（p-p），由于輸出電流變化幅度在幾乎在幾mA量級(jí)，故輸出電流的穩(wěn)定度明顯得到改善。 綜上所述，加入低通濾波器后可將輸出電流的紋波變化范圍從100多mA降到幾mA，提高了輸出電流的穩(wěn)定度。

圖7 加入濾波器后的輸入信號(hào)仿真圖Fig.7 Simulation diagram of the input signal with filter

圖8 加入濾波器的輸出電壓仿真圖Fig.8 Simulation diagram of the output voltage with filter

3 結(jié) 論

本文從恒電流驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)負(fù)反饋原理的理論基礎(chǔ)以及運(yùn)算放大器的虛短、虛斷原理，分析說(shuō)明了本文所選的恒電流驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)框架具有較好的穩(wěn)定性。論文中借助pspice仿真軟件，對(duì)恒電流單元電路進(jìn)行了交流掃描，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)確定了加入補(bǔ)償電容能夠改善電路的穩(wěn)定性。并且通過(guò)pspice仿真模擬輸入信號(hào)中的干擾信號(hào)對(duì)輸出結(jié)果的影響，通過(guò)在輸入端加入低通濾波器，很好地減小了輸出結(jié)果中紋波的變化范圍，使輸出結(jié)果更加穩(wěn)定。而單元電路的穩(wěn)定性能的提高，也就說(shuō)明了電路的電磁兼容性也變好，能夠在現(xiàn)在這個(gè)較為復(fù)雜的電磁環(huán)境中較好工作。

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