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具有保护功能的压控激光电流源设计

近年来,激光技术广泛应用于工业生产、医疗卫生、环境监测、军事航天和生活中。可靠、稳定的驱动电源是激光应用的重要前提。半导体激光器属于精密的器件,稍有不慎便可造成永久损坏或减少其使用寿命[1]。通过检索有很多有关于激光器驱动电源的设计,具有保护电路的设计比较少,不利于产品的长期使用[2⁃3]。因此采用电流负反馈技术,用模拟器件设计出一高稳定、低成本,同时具有上电保护、慢启动、输出使能延时、输出限流等保护功能的小体积驱动电路。
 
系统原理
压控电流源的系统原理如图1所示,可调电阻R1可调节整个电路工作点,R8设置输出电流的上限,压控电流源电路由电流串联负反馈实现。系统采用单5V供电,通过模拟输入电压控制输出电流,实现0.1~10A电流可调[4]。输出电流在取样电阻Rs上产生取样电压后经单运放A2放大后经电阻输入到A1的反相输入端,与同相端的两路输入叠加运算后控制达林顿管Q1。如整个系统处于平衡后,输入与输出的关系利用运放的特性进行如下推导如图1所示。
系统原理框图 
系统保护
在理想情况下,图1的压控电流源可正常工作,但激光管属于精密器件,一旦过流或反流,静电都会减少器件的使用寿命,甚至造成器件永久损坏。因此必须进行合理、有效的电路保护,主要考虑有以下几方面:
(1)上电保护。系统加电时会引起电压和电流的急剧变化,电路处于不稳定状态,有可能在产生大的脉冲电压或电流,使得末级驱动三极管导通,造成驱动管或激光器损坏。因此在运放的输入端和末级驱动三极管输入端加入延时电路,形成慢启动电路。电路如图2所示。上电时,电容为短路状态,MOS管栅极电压为正,电路导通,控制端电压为0V,电容充电完成后,栅极电压为0V,MOS管截止,完成保护功能。通过选择R和C的参数设定不同的保护时间。在供电的输入端并接浪涌保护二极管,减小电源波动对整个电路的冲击。
(2)输出保护。对激光器的防护主要考虑2个方面:反流和静电。在激光器的输出端并接反向二极管和一个小电容可解决反流问题。一般情况下,激光器在不工作时应将两极短接以防止静电损坏。为此在输出端加上一继电器,在工作时继电器断开驱动器正常工作;断电后继电器短路,使激光器二级短接,保护激光器。
(3)限流保护。根据应用不同,激光器可能不需要10A的电流,即压控电流源的最大输出。从图1中可以看出,通过调节R8设定一个门限,超过后触发逻辑电路嵌位输入,对系统进行保护。
 
实验调试与结果
整个电路采用四层板设计,尺寸大约为75mm×65mm,选择使用了单电源轨到轨精密运放AD8032,选择低温漂可散热的膜电阻MP9000系列的低值电阻作为采样电阻,经过焊接调试后,电路工作正常。经过测试,输出电流最大可为10A,调制电压输入为0~50kHz。加上散热片后,温度系数<100ppm/°C,满足了系统设计要求。
 
结语
采用电流负反馈技术和多种保护措施,成功地实现了高可靠性的压控电流源的设计。其体积小,可作为一个模块嵌入到驱动系统中,广泛应用到科研试验、工业生产、环境监测等激光领域中,同时对大功率电流源设计也有一定的借鉴作用。
 
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