一种自适应激光电源

近年来，半导体激光器的发展非常迅速，在国防、工业、医疗乃至日常生活中都有越来越广泛的应用[1]。半导体激光器是电流驱动器件，激光电流源是激光器应用的基础，典型的激光器应用系统是由激光电源和人机界面两大部分构成，激光电源正是联系控制部分和激光器的关键。
本文介绍一种自适应激光电源的设计。该电源基于电压源加大功率场效应管结构，采用小注入电流下检测负载电压的方法调整电压源电压，可最大限度提高电源效率，并降低系统散热量。该电源输出电压可在大范围内自适应，因而可通用于半导体单管激光器及其阵列。
 
自适应激光电源结构
 
如果电源电压能够自适应，即电源电压能够随着负载的不同而做自适应调整，使其刚好满足系统电流输出，则MOS管压降较小，整机的热功率较小而效率提高，能大幅度简化整机设计并提高系统可靠性。可见如何根据负载特性调整电源电压成为解决问题的关键 图2是某半导体激光器的4条特性曲线，其中曲线1是V-I特性曲线。由V-I曲线可知，该半导体激光器的电压变化范围并不大，初始值约为1.3V，额定值约1.75V。事实上，理想半导体激光器中，结电压即电子和空穴的准费米能级的间距，由于受激发射，电子和空穴高速复合，在阈值以上为一定值，激光器电压的增大是由于等效串联电阻与电流相乘导致。因此，激光器的负载电压可很低电流偏置的情况下测得。仍以图2所示的激光器为例，如果给给激光器注入50mA甚至10mA电流，即可测得激光器电压约1.3V。图3为某激光器串联模块的特性曲线，同样可在低偏置条件下估计激光器的电压特性。在此基础上调节电源电压，需要在考虑MOS管压降、取样电阻电压的基础上，根据低偏置条件下的激光器电压估算该激光器的额定工作电压。 根据以上分析，设计了如图4所示的自适应激光电源，包括压控电流源、VICOR DC-DC电源模块、MCU微控制系统、调压电路及DAC、多路ADC等部分。其中，VICOR DC-DC电源模块为压控电流源提供直流电压，MCU微控制器系统通过DAC产生模拟电压信号作为压控电流源的输入。MCU还通过多路ADC检测低偏置电流条件下的负载特性，进而通过调压电路调节VICOR电源模块的输出电压，从而实现电压自适应。 本文设计的自适应激光电源可应用于单管激光器及其阵列模块的驱动。电源电压自适应技术的重要意义在于：通过降低MOS管压降，能提高电源的效率、降低发热量，进而简化系统结构设计，提高系统可靠性。需要指出的是，如果电源电压过大，则当压控端输入调制脉冲时，MOS管导通的瞬间容易产生较大过冲，足以损害激光器。