高穩(wěn)定度光纖耦合半導(dǎo)體激光器恒流源電路設(shè)計(jì)

于秋馳,劉志巍,段 凱,劉新明,李義民

(1.鄭州大學(xué)物理學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司,河南 鄭州 450017; 3.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

光纖耦合半導(dǎo)體激光器擁有以下特點(diǎn):功率高、體積小、易于控制、可靠性高、壽命長、電光轉(zhuǎn)化效率較高等。半導(dǎo)體激光器除了應(yīng)用于激光焊接、激光加工、激光醫(yī)療、激光打印等領(lǐng)域,還可用于制作光纖激光器泵浦源,一方面因?yàn)槠浒l(fā)光光譜窄,只對(duì)介質(zhì)的特定吸收躍遷進(jìn)行選擇性泵浦,以此來獲得高吸收效率；另一方面,因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器為相干光,其良好的聚光性可以進(jìn)行高密度泵浦等[1-2]。

光纖耦合半導(dǎo)體激光器的伏安特性與普通二極管類似，其存在一個(gè)特定值閾值電壓Vth，只有其兩端電壓大于閾值電壓，光纖耦合半導(dǎo)體激光器才有電流輸出，且增長趨勢為指數(shù)型，其伏安特性如圖1所示。光纖耦合半導(dǎo)體激光器的功率特性曲線對(duì)于研制其對(duì)應(yīng)的激光電源十分重要，如圖2所示，該特性曲線存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值為閾值電流Ith，當(dāng)激光器工作電流在閾值電流值以下時(shí)，激光器輸出功率很?。划?dāng)其工作電流在閾值電流以上時(shí)，激光器輸出功率隨電流迅速上升，并與之成線性關(guān)系。所以在激光器電流大于閾值電流即正常工作狀態(tài)時(shí)，電流微小的波動(dòng)就會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生很大的影響。那么制作一款可靠性高、電流穩(wěn)定度高的恒流源驅(qū)動(dòng)電路對(duì)光纖耦合半導(dǎo)體激光器的正常工作是十分重要的[3-6]。

圖1 光纖耦合半導(dǎo)體激光器伏安特性曲線

圖2 光纖耦合半導(dǎo)體激光器功率特性曲線

國外對(duì)于激光電源的研究已經(jīng)達(dá)到了比較高的水平，在很多方面均領(lǐng)先于國內(nèi)，尤其是在大功率輸出、電流電壓精度控制、溫度穩(wěn)定性等。部分國內(nèi)廠商制作的驅(qū)動(dòng)電源雖然有的已經(jīng)可以達(dá)到穩(wěn)定度與精度的要求，但是其大多價(jià)格高昂、功耗高、體積大、啟閉耗時(shí)較長、對(duì)工作環(huán)境要求較高等，并不適合作為研發(fā)場合下的光纖耦合半導(dǎo)體激光器的電源。

鑒于國內(nèi)激光電源存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種電流范圍在0～20 A的可調(diào)恒流源，其電流穩(wěn)定度較高、耐高溫性強(qiáng)、體積小、啟閉時(shí)間較短。此電路通過采用帶有透孔的厚膜電阻作為采樣電阻，來提高電路穩(wěn)定性，在運(yùn)放與MOS管之間增加晶體管放大信號(hào)來縮短電路啟閉時(shí)間，使用模擬開關(guān)電路精確控制信號(hào)，采用特制的鋁合金結(jié)構(gòu)架作為散熱板，散熱效果良好，增加了本恒流源電路的應(yīng)用范圍與價(jià)值。

2 整體組成

光纖耦合半導(dǎo)體激光器恒流源驅(qū)動(dòng)電源的整體設(shè)計(jì)如圖3所示,此系統(tǒng)主要由主控板、信號(hào)分配板、信號(hào)采集板、DC/DC、繼電器組、恒流驅(qū)動(dòng)板、泵浦源等組成。

圖3 泵浦恒流源驅(qū)動(dòng)電源整體設(shè)計(jì)

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)激光電源控制,預(yù)先進(jìn)行恒流源工作參數(shù)的設(shè)置,如電流門限值、最大電流、基底電流等等。主控板負(fù)責(zé)處理采樣數(shù)據(jù)與外部控制信號(hào),控制恒流驅(qū)動(dòng)板電流的大小與繼電器的開關(guān)并與上位機(jī)通訊,把采樣數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)。信號(hào)分配板將主控板給出的功率設(shè)置與出光控制信號(hào)分配為7路來驅(qū)動(dòng)7塊恒流驅(qū)動(dòng)板,驅(qū)動(dòng)分配板的CPU再采集7塊恒流驅(qū)動(dòng)板的電流信號(hào),然后通過RS485通信總線上傳到主控板。信號(hào)采集板負(fù)責(zé)采樣各種信號(hào)數(shù)據(jù),包括溫度、水流量、光功率等等。DC/DC把外部85 V直流電源轉(zhuǎn)化為5 V/12 V直流輸出提供恒流板使用。繼電器組起到安全保護(hù)的作用,由主控板控制繼電器觸點(diǎn)的通斷。恒流驅(qū)動(dòng)板根據(jù)得到的信號(hào)與設(shè)定的電流值產(chǎn)生穩(wěn)定的電流給泵浦源,以此完成光纖激光器的出光工作。

3 恒流電路設(shè)計(jì)

3.1 模擬開關(guān)電路

根據(jù)國內(nèi)已有的研究來看，對(duì)恒流源電路前級(jí)電路的研究較少，大多是加一級(jí)運(yùn)放作為隔離緩沖，忽略了對(duì)電路信號(hào)的精確控制。本文在恒流源電路之前增加模擬開關(guān)電路，其速度快、功耗低、壽命長、關(guān)斷阻抗較高，便于進(jìn)行信號(hào)切換同時(shí)還可以隔離噪聲。

此部分電路的具體工作過程如下：主控板發(fā)出出光控制信號(hào)到信號(hào)分配板,再分配為7路到7塊恒流驅(qū)動(dòng)板。信號(hào)分配板上的STM32單片機(jī)通過DAC將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,以此來設(shè)置此恒流電路的基準(zhǔn)電壓。運(yùn)放A1組成的電壓跟隨器做隔離以及緩沖,可調(diào)電位器P1用來獲得與輸入的基準(zhǔn)電壓成一定關(guān)系的輸出電壓,使接入后級(jí)恒流電路部分的基準(zhǔn)電壓可調(diào)。模擬開關(guān)SGM3157用來接通信號(hào)或者斷開信號(hào),IN端為選通控制處,它將COM端連接到NC端或NO端的數(shù)字控制引腳,當(dāng)激光控制電源打開但沒有給出光信號(hào)時(shí),IN端處于非使能狀態(tài),COM端連接至NO端,此時(shí)僅D2發(fā)光；當(dāng)給出出光信號(hào)時(shí),COM端連接到NC端,IN端處于使能狀態(tài),此時(shí)D1也導(dǎo)通發(fā)光,同時(shí)通過施密特觸發(fā)器74HC2G17轉(zhuǎn)換信號(hào),清除噪聲。模擬開關(guān)SGM3157里的COM端輸出信號(hào)即為恒流電路的基準(zhǔn)電壓。模擬開關(guān)電路示意圖如圖4所示。

圖4 模擬開關(guān)電路

3.2 恒流源電路

恒流源電路采用MOS管作為電流控制器件,MOS管工作在放大區(qū)也就是恒流區(qū)時(shí),它的漏源電流為保持恒定,并且其大小由柵源電壓控制,所以只要設(shè)法使MOS管工作在放大區(qū),就可以達(dá)到恒流控制,并且通過改變柵源電壓就可以改變控制電流的大小。

恒流源電路負(fù)責(zé)給激光器泵浦即光纖耦合半導(dǎo)體激光器提供驅(qū)動(dòng)電流,電路如圖5所示。運(yùn)放A2的正向輸入端接收來自模擬開關(guān)電路來自COM端的基準(zhǔn)電壓VR,首先通過電壓串聯(lián)負(fù)反饋調(diào)整運(yùn)放A2的放大倍數(shù),并接入電容C2消除自激振蕩。

圖5 恒流源電路

理想運(yùn)放在線性區(qū)有以下特點(diǎn):“虛短路”、“虛斷路”,可由此計(jì)算輸出電壓為:

(1)

電壓放大倍數(shù)為:

(2)

為使MOS管迅速進(jìn)入放大區(qū)進(jìn)行工作,減少恒流源電路的啟動(dòng)時(shí)間,在運(yùn)放A2與MOS管之間接入一個(gè)晶體管用來放大電壓信號(hào),放大倍數(shù)為β。MOS管導(dǎo)通后,電流經(jīng)過采樣電阻R6后產(chǎn)生的采樣電壓反饋至運(yùn)放A2的反向輸入端,與正向輸入端的基準(zhǔn)電壓VR進(jìn)行比較,然后對(duì)MOS管的柵極電壓進(jìn)行調(diào)整,從而改變漏極電流,電路采用閉環(huán)負(fù)反饋控制恒流,貼片保險(xiǎn)絲F1用來保護(hù)泵浦,電路中的電流若是高于額定電流,保險(xiǎn)絲就會(huì)自動(dòng)切斷電流。取得采樣電壓后,經(jīng)電壓串聯(lián)負(fù)反饋將信號(hào)放大,通過電位器P1接入ADC,ADC再轉(zhuǎn)換輸入至單片機(jī),通過更改P1接入ADC的電阻來改變前面板的顯示電流[4]。

根據(jù)以上工作過程得:

(3)

輸出電流的穩(wěn)定性受到基準(zhǔn)電壓VR、運(yùn)放反饋放大R1、R2、采樣電阻R6的影響,對(duì)式(3)進(jìn)行全微分得:

(4)

將設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)的這電阻值與基準(zhǔn)電壓值帶入式(4),可知dVR與dR6前面系數(shù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)大于dR1與dR2前面系數(shù)的絕對(duì)值,即基準(zhǔn)電壓VR與采樣電阻R6對(duì)電流穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)大于反饋放大電阻R1、R2對(duì)電流穩(wěn)定度的影響[7-9]。

基準(zhǔn)電壓VR由前級(jí)電路提供,一般小于5 V。采樣電阻R6流過的電流很大,若是阻值很大那么功耗也會(huì)很大,發(fā)熱現(xiàn)象也會(huì)很嚴(yán)重,所以阻值一般選擇1 Ω以下,即使這樣,溫度升高也可能導(dǎo)致采樣電阻產(chǎn)生溫漂現(xiàn)象。為了散掉熱量,采樣電阻選擇帶有透孔的厚膜電阻器,厚膜電阻器的穩(wěn)定性好、阻值范圍寬、耐壓高,一般由電阻漿料與鋁陶瓷基片組成,而且基片面積相對(duì)較大,便于散熱。

MOS管選用Infineon Technologies的IRFP4468,它可以承受的最大漏極電流為290 A,耐壓達(dá)到100 V,最大功耗為520 W,工作溫度范圍較大(-55～+175 ℃)。MOS管在工作中的發(fā)熱現(xiàn)象較為嚴(yán)重,需要進(jìn)行有效的散熱,這里選擇散熱效果良好的水冷散熱。在其底面涂抹導(dǎo)熱硅脂然后貼合在鋁合金結(jié)構(gòu)架上,再在結(jié)構(gòu)架底部放置散熱片,散熱片下方為水冷盤,恒流源電路工作后打開水冷機(jī)來給水冷盤降溫。采樣電阻緊挨MOS管,采用同樣的方式散熱。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 電流上升下降沿測試

實(shí)驗(yàn)測試使用的示波器是YOKOGAWA的混合信號(hào)示波器DLM3204,帶寬為200 MHz,采樣率最高可達(dá)2.5 GS/S,電流探頭使用DLM3204專用的電流探頭,電壓電流轉(zhuǎn)換為0.01 V/A,分別測試并記錄了恒流源電路的上升沿與下降沿。測試電路時(shí)使用的是假負(fù)載,其是由高速二極管RHRG30120串聯(lián)而成,以此來模擬泵源的導(dǎo)通電壓。

恒流電路將四個(gè)恒流電路并聯(lián),一路為5 A,最大至20 A。根據(jù)假負(fù)載使用的二極管的工作特性,電源接通瞬間時(shí)二極管溫度為室溫25 ℃,其工作電流在20 A的時(shí)候?qū)▔航禐?.5 V,但是在工作一段時(shí)間之后二極管溫度升高,假負(fù)載的水冷盤散熱,溫度維持在120 ℃左右,此時(shí)二極管的導(dǎo)通壓降降低至1.5 V左右,此時(shí)恒流電路即MOS管與采樣電阻的電壓增大,則反饋電壓增大,由反饋網(wǎng)絡(luò)使柵源電壓增大,Id也就增大。上升下降沿波形如圖6、圖7所示。上升時(shí)間約為4.5 ms,下降時(shí)間約為6.5 ms,開關(guān)時(shí)間處于毫秒級(jí)別,速度較快,符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 恒流板耐高溫測試

熱像儀采用的是ROTRIC的365 C型號(hào),它的紅外分辨率為320×240,測量范圍寬(-20～650 ℃),測量精度較高(±2 ℃或±2 %)。工作條件設(shè)置為85 V工作電壓,泵浦源電流為20 A,水冷機(jī)溫度為22 ℃,熱像儀發(fā)射率為0.95,測試時(shí)長為30 min,圖8、圖9分別為同一塊恒流板在工作時(shí)間為1 min與30 min時(shí)熱像儀拍攝的圖片。

恒流板開始工作后,在1 min內(nèi)溫度迅速上升,同時(shí)水冷盤散熱,直至130 ℃上下波動(dòng)。從圖6、圖7可以看到,工作時(shí)間為1 min時(shí)最高溫度為131.9 ℃,工作時(shí)間為30 min時(shí)最高溫度為134.9 ℃,表明此恒流板結(jié)構(gòu)散熱能力較強(qiáng)且穩(wěn)定。經(jīng)測試,此溫度下MOS管與采樣電阻均可以正常工作,表明此恒流板耐高溫性好。

圖6 電流上升沿

圖7 電流下降沿

圖8 1 min時(shí)恒流板的紅外圖像

圖9 30 min時(shí)恒流板的紅外圖像

4.3 電流穩(wěn)定性測試

散熱良好的情況下,設(shè)置工作條件為:工作電壓85 V,采樣電阻0.1 Ω,通過前面板設(shè)置測試電流,分別測得在5 A,10 A,15 A,20 A時(shí)工作電流30 min內(nèi)的數(shù)據(jù),每2 min測量一次電流,測量工具為精確度到小數(shù)點(diǎn)后兩位的電流鉗表,電流實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示,將工作電流為20 A時(shí)電流的穩(wěn)定度情況繪制為圖10。

表1 恒流板電流實(shí)測數(shù)據(jù)

圖10 工作電流為20 A時(shí)電流的穩(wěn)定度

4.4 光纖耦合半導(dǎo)體激光器波長及輸出功率穩(wěn)定性分析

在測試恒流源電路電流的穩(wěn)定性后，將激光電源連接至光纖耦合半導(dǎo)體激光器，對(duì)其工作時(shí)的波長與輸出功率穩(wěn)定性進(jìn)行分析。光譜儀采用YOKOGAWA的AQ6374型號(hào)，功率計(jì)采用OPHIR功率計(jì)，水冷機(jī)溫度設(shè)置為22 ℃，激光器選用的是凱普林的工作電流20 A、波長976 nm、輸出功率250 W的光纖耦合半導(dǎo)體激光器。針對(duì)出廠后不同激光器的參數(shù)會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的差異的情況，對(duì)多個(gè)激光器進(jìn)行了測試分析，激光器工作參數(shù)如表2所示。激光電源工作電流設(shè)置為20 A，工作電壓設(shè)置為28 V，每3 min記錄一組數(shù)據(jù)，持續(xù)記錄30 min，激光器中心波長穩(wěn)定性如圖11所示，激光器輸出功率穩(wěn)定性如圖12所示。

表2 半導(dǎo)體激光器工作參數(shù)

圖11 激光器中心波長穩(wěn)定性

圖12 激光器輸出功率穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測試時(shí)間為30 min且激光器的殼體、管嘴溫度均正常的情況下，激光器中心波長的離散程度較小，穩(wěn)定度均達(dá)到10-4級(jí)別，最高可達(dá)10-5級(jí)別，符合光纖耦合半導(dǎo)體激光器作為光纖激光器泵浦時(shí)波長的要求。激光器輸出功率穩(wěn)定度較高，分別為1.875×10-3,1.928×10-3,1.733×10-3,1.908×10-3，均處于10-3級(jí)別。

5 結(jié) 論

為光纖耦合半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)的恒流源電路使用的均是常規(guī)元器件，其啟閉時(shí)間較短，改善了一般恒流源電路的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)20 A大電流恒流控制，并做到0～20 A電流可調(diào)，電流穩(wěn)定度較高，在5 A、10 A、15 A、20 A時(shí)均達(dá)到10-3量級(jí)，滿足光纖耦合半導(dǎo)體激光器對(duì)于控制噪聲的要求，波長正常。此電路使用模擬開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)精確控制，采用特制的鋁合金結(jié)構(gòu)架作為散熱板，散熱效果良好，MOS管與采樣電阻的溫度均處于工作溫度范圍之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間正常工作。采用STM32單片機(jī)采集電流信號(hào)，同時(shí)在前面板實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，使用此恒流源電路制作的激光電源時(shí)，激光器的中心波長與輸出功率的穩(wěn)定度較高，滿足工作要求，應(yīng)用范圍較廣。