一种小功率半导体激光器驱动电源的设计

随着半导体在通信、测控、医疗、集成光学等技术领域的广泛应用，它越来越受到人们的关注，为其设计一款精度较高、性能可靠、经济、耐用的驱动电源成了我们当前最为紧要的问题，由于半导体激光器“娇贵”的特点，所使用的电源必须要在性能与质量上严格把关。
 
半导体激光器转移特性
在一定温度下，当驱动电流低于阈值电流时，激光器输出光功率P近似为零，半导体激光器只能发荧光。驱动电流高于阈值时输出激光，并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并呈线性关系。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求，一是较低的门限电流，二是稳定的P-I曲线。从原理上来讲，在工作物质一定的情况下，半导体激光器输出的激光频率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于：PN结的温度和注入电流的大小。另外，由于半导体PN结相当脆弱，稍有电流冲击就会造成损害。所以在具体使用半导体激光器时，我们对其供电电路和调制电路的要求相当严格。
 
我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级，而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。对一般的半导体激光器来说，激光二极管是正向结法，光电二极管是反向结法。受光后转换的光电流在电阻上以电压形式反映出射光功率的大小，添加控制电路就可以达到控制发光功率的目的。
 
电路设计
试验中所用激光二极管型号为HT670T5，该管波长为650nm，额定功率为30mW。
2.1电流源电路线性电源具有精度高、稳定度高但是效率较低的特点，但考虑到半导体激光器对电源精度的苛刻要求，而且我们设计的电源是一种小功率电源，效率低的缺点就显得不是特别重要，所以我们设计方案选择线性电源。
为了实现精度和稳定度的要求，实现抑制纹波和降低噪声的要求。设计了两级调整模块，前一级使用稳压芯片，通过扩流，输送到后一级调整模块。
市电通过电网滤波器进入变压器，降至21V（峰值），经过整流滤波（具体电路省略）后通过由稳压集成块与扩流电路组成的一级调整电路；之后，通过后级的串联—取样—反馈—调整，最后输出。
 
在具体恒流源电路设计中，负载不是加在它的输出端，而是加在调压器LM317T的输入端。对于实际负载来说，调压器LM317T的输入起恒流源作用。因为调压器输出端接的是虚假负载R1，所以不论实际负载两端电压的真实值是多少，它都消耗一个恒定不变的电流。调压器和虚假负载R1上的电压使电路总允许电压下降。负载电流由R1设定，其值等于1.25A/Ω×R1。
2.2纹波调零电路为了减小稳流电源的纹波电压，需要为电路增设纹波调零电路，在正常工作中，调节纹波调零电位器可使输出纹波电压非常小。纹波成分通过电容耦合至运放的反相输入端，在具体的纹波调零电路中，它经放大后加至调整管的基极。因此，可达到上述的效果。
 
2.3保护电路实际应用中，激光器很容易受到同电路其它电器干扰产生的浪涌电流的伤害，为保护激光器不受到浪涌电流的冲击，我们可以在电路中加入慢启动电路。此外，为更好的保护激光器，我们可选用2SA1015和2SC1815等类型的吸流管，在电压源的制作过程中基本可保护激光器的安全运行。加上电压源中电网滤波器的作用，将电路制作成简单的限流型保护电路。
实验结果
本文所设计的驱动电源，通过慢启动、纹波调零等电路，在实验室中的应用效果良好，较好的解决了半导体二极管在使用中输出功率不稳定的问题，测量结果如下：
考虑示波器的带宽限制，修正为：
电流源：电流纹波及噪声：0.1uA
电压源：纹波：0.01mV
电流纹波及噪声：0.5uA
调整范围：0－500mA