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高精度和高稳定性半导体激光器恒流驱动电源电路设计

 恒流控制电路
 
恒流控制电路是驱动电源系统的核心,由运放和场效应管等组成,原理如图2所示,图中U1为运算放大器,VDD为供电电源,Vr为输入调谐电压,R5为限流电阻,R0为电流采样电阻,流过采样电阻R0的电流即驱动半导体激光管RLD工作的输出电流为I0。场效应管M1采用源极输出,实现 了 半 导 体 激光器安全接地,对半导体激光器进行有效保护。正常工作时,控制信号K为高电平,三极管Q1截止,当K为低电 平 时,Q1导 通 拉 低M1栅 极 电 压 导 致电路无电流输出。
 恒流控制电路原理
由图2可 知:若VDD、Vr稳 定,而I0突 然 增 大时,则R0压降增大,这会导致M1漏极电位下降,而使U1同相输入端与反相输入端之间的电位差减小,运 放 输 出 电 压 即M1栅 极 电 压 减 小 致 使I0减小;当流过电阻R0的电流突然减小时,运放同相输入端与反相输入端之间的电位差增加,场效应管漏极电流增加I0增大。这表明恒流控制电路具有输出电流的自我调节功能,对该电路进行分析,得到流过R0的电流
 
影响。本文取R1=R2=R3=R4,则I0=-Vr/R0,即I0的大小和稳定性仅与Vr和R0的比值有关,R0一般为固定值,若Vr精度高、稳定可调,则输出的可调谐电流具有高精度和高稳定性。
本文电路中,U1选择了高稳定度、低噪声失调电压、小温漂的高速精密运放OPA227,M1为漏极电流 可 达30 A的增强绝缘栅型场效应管IRF540N,R1、R2、R3、R4均 为 精 度0.1%的10kΩ低温漂电阻。R0选择了功耗为3W、电阻为10Ω、精度为0.1%的低温漂无感采样电阻。Vr调节范围为-2~0V。
 
高精度电压基准源
由恒流控制电路分析可知,要获得高精度、低纹波的输出电流,输入电压Vr的精度和稳定性非常重要,故本文选用高精度、高稳定性的精密带隙基准电压源芯片ADR01,以其输出的10V电压作为基准电压参考,进而获得Vr,电路原理如图3所示。
 高精度电压基准源电路
图3中,由ADR01输出的10V基准电压经反向和分压处理得到稳定可调的Vr,基准电压经过反向器及分压调节电路后稳定性有所减小,故图中电阻均采用低噪声和低温漂电阻,并在反向器的输入端、输出端及电阻分压时分别增加了滤波电容。取R2-1=R2-3,Rr1=100kΩ,Rr2=50kΩ,根据图中关系可知,Vr=-10Rr2/(Rr1+Rr2)为-2~0V的高精度电压。
 
保护电路
 
半导体激光管是一种易损坏的电子器件,核心为PN结,对其施加的反向电压超出允许值会发生击穿或损坏,流过的正向电流超过允许最大电流值时,重则烧坏,轻则影响其不能正常使用。为避免外界浪涌电流或高压静电等对激光器产生不可逆转的损坏,本文设置了过流保护电路、电源慢启动电路以及启停控制电路。
 
过流保护电路
 过流保护电路原理图
本文设计的过流保护电路如图4所示,主要通过对电磁继电器的控制,实现当半导体激光器的电流超过设定值时进行分流,使激光器电流 恒 定。图中半导体激光器RLD正 常 工 作时,采样电阻R0的电压被运放U3及其周围元件放大处理,若放大后的电压值小于设定电压Vset,比较器U6后的三极管Q2截止继电器J处于常态,开关管M2关闭,RLD正 常 工 作。当其他因素导致流过RLD的电流增 加 过 多 致R0采样电压放大后高于设定电压时,Q2导通致继电器J吸合将M2连接到设定端并快速开启,因M2与RLD并联,对输入激光器的电流进行分流。利用场效应管栅源电压控制漏极电流的特性控制分流的大小,即根据采样值与设定值之间的差异自动调节,使流过RLD的电流保持恒定,达到对RLD过流保护的目的,流过RLD的电流最大范围由设定端的电阻比例决定。
 
本文用偏置电流和失调电流都很小的高灵敏比较器LM211实现比较器U6及三级管Q2的功能,M2选择开启电压很低的场效应管BSS88,用 双 运放精密运算放大器TLC082代替U4、U5对电路进行简化,RLD周围的二极管和电感元件可预防电源扰动,提高激光管使用寿命。
 
电源慢启动
电源开启瞬间,因大量电容的存在会在电路中产生较大的浪涌电流,严重影响半导体激光 器 的 安 全,本文选用基于比较器LM317的电源慢启动电路,使供电电压平滑上升进而抑制浪涌信号的影响。慢启动电路原理如图5所示。
 电源慢启动电路原理图
图5中电容C8-2电压不能突变,电路开启时三极管Q8-1饱和导通,电阻R8-1近似短路,U8输出电压最低。随着C8-2电压缓慢上升,Q8-1逐渐退出饱和区,R8-1电压逐渐增大,输出电压VDD缓慢升高,直至C8-2电压升 高 到 使Q8-1截 止 时,VDD才 能 达 到 额 定值。R8-2、C8-2大小决定该电路的慢启动时间。输出端电容C8-3、电感L8-1以及电容C8-4构成π型滤波电路,防止电流突变。
 
启停控制电路
 
为防止电源开启瞬间的浪涌信号,且电源稳定工作期间有时仅需关闭激光管而不影响电路的其他功能,文中选用NE555芯片构成的单键双稳电路进行半导体激光器启停控制,电路原理如图6所示。
 
由图6可知,电路刚启动时,12V电源通过电容C7-1使U7的阈值端得到 一 正 脉 冲,K端 为 低 电平,此时电容C7-2上无电压。轻触P键,C7-2作用于触发端,K端电压翻转成为高电平,并 通 过R7-3对C7-2充电。释 放P键 后,C7-2充 电 到12V,因R7-1、R7-2的分压作用使触发和阈值端均为6V,K持续保持高电平输出。再次按下P,C7-2使阈值端电压高于8V,K端翻转为低电平。释 放P,C7-2通 过R7-3放电,触发和阈值端电压回到6V,K端保持低电平。如此反复,只要每次按下一次P键的时间不超过1s,便进行一次K端的高低电平转换。正常工作时,K端为高电平,当需要对半导体激光器进行断电保护时,轻触P键使K端输出低电平,恒流电路中的控制开关导通,使恒流电路无输出而关闭激光管。
 
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