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高可靠性半导体激光器电源的设计

半导体激光器(LD)是20世纪发展起来的一种新型固体光源,由于其具有结构简单、体积小、寿命较长、易于调制、低功率驱动及价格低廉等优点,现在已经在产业和技术、医疗和生命科学研究、以及军事等方面得到了广泛的应用。然而,由于目前半导体激光器在设计、材料、工艺等方面不成熟的原因,在实际使用过程中器件很容易损坏,因此对其供电电源提出了很高的要求。针对这一问题,电源技术中采用冗余技术,解决了半导体激光器要求电源供电可靠、稳定和低压大电流的问题。
 
恒流臂结构设计和均流分析
电流源由6个支臂构成,其中每个支臂能承受10A的电流。场效应管Q可等效为一个可控的元件,通过控制栅极电压来改变场效应管RDS的大小。提高栅极电压,可减小RDS,输出较大电流;反之,减小栅极电压,输出较小电流。恒流臂结构设计如图2所示。但是由于场效应管每个器件开关特性存在微小差别,在相同栅极控制电压下,RDS是不相同的,流过各个管子的电流是相差较大的。
 场效应管简单并联
场效应管均流并联
恒流臂失效,冗余技术分析
恒流臂的可靠性直接影响电源的可靠性,使用冗余技术可大大降低恒流臂的失效。恒流臂失效存在以下三种情况:
 
一个场效应管失效
某一个场效应管失效,其表现为RDS=0,等效电路如图4-(a)。在此种情况下,该支臂电流不可控,且为最大电流。设定前级供电电压为5V,电源输出电压为2.5V,电流为50A。
 
一个电阻R失效
电阻R失效,其表现为R=∞,相当于开路,此臂电流不可控,且没有电流流过,等效电路如图4-(b)。此时恒流臂可通过增大其它支臂电流的方法来实现总电流不变,由于采用了n+1冗余技术,增大其它支臂电流不会给其它支臂产生过大负担,支臂仍然处于正常工作中。
 失效等效电路
控制网络失效
控制网络出现失效,其表现为所有晶体管输出状态不确定,所有状态中,所有场效应管短路导通会输出最大电流且具有危险性。
 
实验结果
在电源输出电流50A,输出电压为2.5V时,将第二路支臂的场效应管短路,此时测量六条臂的电流大小,测试结果如表1。
短路电流臂的最高电流为9.7A,符合设计时的要求;其他臂电流下降平均0.3A,电流支臂的均流效果较好,自动实现调整,总电流输出不变。调整电流大小时,出现电流可调节范围为10.8A至50A,和理论分析相符。
 
采用n+1冗余并联技术的半导体极管器电源,在假设元器件出现故障的情况下,电源依然可以正常工作、不损伤半导体极管器。电源采用简单的电路结构,使用廉价场效应管,就可实现大电流输出,成本低廉,其有很广泛的应用价值。
 
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