基于BUCK电路半导体激光电源设计

基于BUCK电路半导体激光电源设计
 
现如今，半导体激光器在工业制造、通讯等方面的应用越来越广泛。半导体激光器的重要特性即输出特性，激光器的输出特性一方面要受到PN结的影响，因为PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，激光器输出性能就会降低或失效。另一方面，由于半导体激光器本身受温度、电流的影响比较大，所以，激光器的输出特性与其驱动电路中电源的光输出功率的稳定性密切相关。因此，要更好的设计半导体激光器，其驱动电路就成为重要部分。目前，国内外采用的技术多局限在模拟电路系统，但是，模拟电路计算量大，电路不稳定也就不可避免。为了对这一现状进行改进，本文利用数字电路快速稳定这一特点，结合单片机控制的半导体激光器驱动电路，采用电路设计和程序控制算法设计相结合的方法，从多方面对半导体激光器的工作状态进行实时检测和控制，从而克服了普通激光器的缺点，提高了半导体激光器的各项指标。
 
半导体激光电源主电路设计
激光功率是半导体激光器驱动电路要稳定控制最重要的物理量[3]，功率的变化往往很快，准确采集数据比较困难，这里重点介绍对功率的控制，通过调整半导体激光器的驱动电流[4]，精确控制半导体激光器的发射光功率，图1是半导体激光电源原理图，图2是半导体激光BUCK主电路原理图。 基于BUCK主电路的半导体激光电源设计
BUCK变换器性能指标
输入电压：20-40VDC（额定24V）
输出性能：
额定输出电压Vout：15VDC
输出电压纹波Vout（p-p）：<50mV
额定负载电流Iout：10A，在负载电流大于0.5A时，电感电流工作于CCM。
开关频率：200kHz UCK主电路工作方式
本文设计的半导体激光恒流电源是基于BUCK电路来实现，如图2所示，电路主要通过控制芯片对开关管Q的导通与关断来实现对输出电流的控制，从而实现对激光输出功率的调节。
实现过程如下，其中电容存在ESR，电路图中相当于理想电容与一个等效电阻。
 
 
Q导通：
Q导通，则输入电源通过开关管Q对电感器L充电并对负载供电，此时电感相当于一个恒流源，起传递能量作用，电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用，如图3。 Q关断：
此时电感器L中储存的能量通过续流二极管D对负载R（激光器内阻）继续供电，从而保证了负载获得连续的电流，如图4。 保护电路设计
过流保护
基于半导体激光器比较精密，故必须满足一定的保护要求，其中保护电路主要以过温、过流及过压保护措施等较为重要，图8为过流保护电路，I-FB为电流反馈信号，与给定的过流保护点比较后，输出接到保护互锁电路，电路实现保护功能。 过压保护
图9为过压保护电路，当输出电压分压比2.5V，TL431的A-K导通，从而，Q5导通，同时触发保护互锁电路。 过温保护电路
半导体激光器对温度很敏感，温度过高会造成激光器不可挽回的损害[5]，因此，在设计电源的时候必须考虑这个问题，本文设计的过温保护电路采用的是NTC根据温度的阻值变化，从而得到其电平变化，与参考值进行比较触发保护电路，实现激光器的保护。
 
根据半导体激光器特性需求，设计了一种半导体激光器驱动电路，经过计算并实验分析，主要采用BUCK电路为主电路，电流可以连续可调。