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高稳定连续可调半导体激光电源电路设计

恒流源驱动电路
 
数控恒流电路在运行中会产生很大噪声,不易于实现低纹波、高稳定的恒流源。而基于电流串联负反馈控制原理,对控制量进行闭环控制,可实现高稳定和低纹波系数的驱动电流源[4]。因此采用如图2所示的自动电流控制(ACC)环节实现LD高稳定的恒流驱动。
 ACC控制电路图
R2,R3和运放U1组成反相比例放大电路,设U1/A的输出电压为Vin(负极性)。R6,C1和运放U2组成积分控制电路,当U2的同相端不为0时,其输出电压产生相应的变化。R7,R8,R9,Q1和Q2组成电流放大电路,将流过R7的电流进行功率放大,其中流过R7的电流为具有过流保护功能的电流源Is与流过D1的电流之差。精密电阻R10(1Ω,5W)与LD串联,经反馈电路(R11,R12,R13,R14和U3)采样后,将LD的驱动电流转化反馈电压Vf(正极性),从而实现ACC控制。其工作过程为:当输入电压值Vin大于Vf时,积分器输出电压变小,流过D1的电流下降,则流过R10的电流变大,Vf随之上升;当Vf大于Vin时,积分器输出电压变大,流过D1的电流上升,则流过R10的电流变小,Vf也随之下降,从而实现稳定的恒流源。其中采用MC1403作为基准电压源,U1为TL084,U2和U3采用低噪声的精密运算放大器OP27,Q1为2N3906,Q2采用高速的功率晶体管2N6726。
 
自动温度控制电路
 
自动温度控制电路分为温度设置、温度测量、PI调节器和TEC线性驱动四个模块。如图3所示,温度设置模块由R15、电位器R16和运放U4/A组成,其中U4为TL084。U4/A的输出电压范围为0~0.3V,相应的温度范围为0~30°C而DVM的显示精度为1mV,因此可通过单片机控制DVM的第三个小数点,使温度的显示精度为0.1°C。调节LD的温度值可微调激光波长。
 温度设置、测量及其PI调节
温度采集模块采用AD590M(精度达到±0.3°C)作为温度传感器,该集成传感器在-55~+150°C温度范围内有较好线性度,非线性误差小,在+4~+30V工作电压下,其输出电流值(μA)与绝对温度成比例关系,系数为1。由于显示采用DVM显示方式,因此需要将输出电流读数减去0°C相应的电流值(其电流可由基准电压和可调电阻R17构成),得到摄氏温度。采用如图4所示的由R19和U3组成的I-V转换电路,为了能与温度设置电压直接比较,R15取10kΩ,U5为OP27。温度的变化不可能很快,它总是要经过一段时间才能改变,因此PID调节器的微分环节在系统中不起作用且易于放大噪声信号[6]。所以采用如图3所示的由R14,R14,R14,C和U6的PI调节器,从而控制TEC的制冷强弱,其中U6为OP27。
 TEC线性驱动电路
TEC(thermoelectriccooler)的驱动方法可分为线性驱动和脉冲宽度调制PWM[7]。系统采用线性驱动方法,其电路如图4所示。R26并联一个Q3限制流过R26的电流,使得R26的压降不超过Q3的VBE,从而保护TEC。TEC12704的最大工作电流可达4A,因此R26采用3W,0.39Ω的碳膜电阻。其中Q3为2N3906,Q4为达林顿管TIP127。
 
保护电路
在实际工作环境下,有多种因素如静电、电压、浪涌电流以及电网冲击等都会对半导体激光器造成永久性损坏或缩短其使用寿命[8]。因此,必须采取措施加以防护。
 
 
对于瞬态特性和温度要求较高的半导体激光驱动电源采用线性电源较为合理[9],并采用TDK噪声滤波器ZJG2206M-P缓解电网中的瞬时浪涌,能滤除电网中的高次谐波。在直流电源中采用瞬态电压抑制器TVS,用于抑制瞬态浪涌,能有效地保护电子线路的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。
 
如图5所示,采用继电器K1对LD进行保护,同时采用内置负载(两个二极管D2和D3的串联)近似代替LD,检测恒流源驱动电路是否正常工作,其中K1与内置负载是常闭、与LD端是常开。只有驱动电路工作稳定、驱动电流满足要求时,才能通过单片机PB2端口控制继电器K1启动LD。在LD端并联一个R34和C4的串联电路,可使LD的注入电流有一定的上升时间,也能有效地滤除高频噪声。在LD两端并联一个R35可使C4的电量在LD不工作时得到释放,也可消除LD长时间不使用时的静电危害,为了减小该电阻对驱动电流的精度,R35取20kΩ。在LD工作时器件两端反向并联一只二极管D4进行极性保护。
 LD保护电路及过压检测电路
LD是一种结型器件,其正向工作电压较小,当LD出现极性接错或者接触不良的情况时,其两端电压降会超过其工作电压范围。因此采用如图5所示的过压检测电路,正常的情况下,检测端CONN为高电平;当LD未连接上或极性接反时CONN被拉低,经过单片机报警和保护,可有效地保护LD。
 
当温控电路故障失效时,LD工作温度超过其工作温度时,应进行必要的保护。由于温度变化不可能很快,可采用过压检测电路检测如图3所示的节点电压ut是否超过了工作温度范围。当单片机软件检测过温端口是否为低,如为低则断开继电器,LD不工作,从而达到过温保护的目的。
 
如果没有对驱动电流进行限流保护,大电流极易损伤激光器,所以高速可靠的限流保护系统对于半导体激光器电源来说是必不可少的。限流保护电路分为硬件限流和软件报警。电路如图6所示。当采样电压Vf大于U1/D的输出电压时,Q7和Q8导通,使流入电流Is变小。因此驱动电流变小,起到保护LD的作用。限流电平送入单片机检测,当检测到低电平时,进行过流软件保护,并报警。U1/C的输出电压可调节电位器R36获得,可方便地任意改变限流电流值。
 
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