大功率半导体激光器驱动电源的设计

第20卷　第6期2000年12月

应　用　激　光

A P PL IED L A S ER V o l . 20,N o. 6D ece m ber 2000

大功率半导体激光器驱动电源的设计

于复生　艾　兴　　　　　　　　　　　　逄东庆

(山东工业大学机械工程学院　济南250061) 　　(烟台正达电子技术有限公司　烟台264006)

　　提要　设计一种大功率半导体激光器的驱动电源。恒稳电流范围为0～10A , 稳流精度为1mA , 脉冲输出电流频率为10KH z , 脉冲电流的占空比为1∶10, 脉冲电流幅值为0～10A 可调。

关键词　半导体激光器　恒流源　驱动电源

The D esign for H igh power D iode La ser D r iver

Yu Fu sheng , 　Pang Dongqing , 　A i X ing (S hand ong U n iversity of T echnology , J inan , 250061)

　　Abstract 　A k ind of di ode laser h igh pow er supp ly are designed . T he device have tw o w o rk m ode :con tinuou sly cu rren t ou tp u t and quasi con tinuou sly (p u lse ) cu rren t ou tp u t . T he reliab le cu rren t of the device range is 0to 10A and the reliab le p recisi on is 1mA , the s m all digital disp lay un it is 1mA too and it has adju stab le cu rren t li m it functi on . T he s m aller ou tp u t cu rren t is 10mA . A s fo r p u lse ou tp u t , the p u lse cu rren t frequency is 10KH z , the facto r is 1∶10, and the ou tp u t cu rren t can con tinuou sly adju st from 0to 10A , and the adju stab le s m all un it fo r frequency cu rren t is 10mA too .

Key words 　di ode laser , stab ilized cu rren t pow er supp ly , pow er supp ly device

　　半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点, 获得光信息存贮光学精密测量等越来越广泛的使用。然而, 由于半导体激光器驱动电源设计的不合理, 导致激光器在使用中被电流击穿的事件频频发生, 造成了工作延误和经济损失。本文对我们设计的半导体激光器电源的设计做了简要的论述。

电源总体设计

该半导体激光器的工作原理是通过负反馈调整输出电流以达到稳定输出电流的目的。它主要由开关稳压电源、取样电路、取样放大电

2000年1月14日收稿

路、基准电压电路、误差比较放大电路、电流调整电路、脉冲输出电路、脉冲电流控制电路、过

流保护及过压保护电路等部分组成。

电源的工作原理

电源的原理见图1。220V 市电经变压器变压及稳压扩流以后经过调整管输出稳定的电流。连续电流输出时, M O SFET (V T 7) 开关管处于饱和导通状态, 负载(DL ) 与调整管相串联, 负载电流经调整后加上调整管的基极电流流经取样电阻R S (75mV , 20A ) , 电阻两端的电压大小及变换反映负载电流的大小和变化。运算放大器I CL 7650接成同相放大电路, 对取样电压进行放大, 放大后的电压信号送入运算放

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大器的反相输入端, 与基准电压相比较进行差分放大, 得出的电压信号经限流电阻去调整复合调整管的工作电流。该工作电流又经取样, 然后放大…, 这样经过取样—放大—比较差分放大调整—再取样…, 经过环路的作用使输出电流在要求的范围内达到动态平衡, 起到稳流的目的。

取样电路两端的电压反映负载上电流的变化:

) ×R s ×∃I ∃U =(1+ΒΒ

其中Β为复合调整管的放大倍数, R s 为取样电阻的阻值。把取样信号放大后与基准电压相比较得出比较误差电压并进行放大, 输出放

出的调整电流接地。复合调整管的基极无电流, 因而调整管截止, 负载无电流。I C 3此时的采样电路的输入为零, 因而输出为低电平。D 触发器的D 端输入为低电平, 但因没有触发脉冲, 所以Q 端保持高电平不变, 电路处于过流保护状态。此时按下过流复位开关S 1使V T 2的基极接地, V T 2截止, 触发脉冲得以通过, Q 端变为低电平, 过流指示L ED 熄灭, V T 4截止, 负载中有电流通过。如此时电流没有调小, 仍过大, D 端马上变为个电平, 立即又恢复为保护状态, 所有这一切都在瞬间完成, 只有当电流调节电位器调至电流较小的位置时。按下过流复位开关三, 触发脉冲得以通过, Q 端输出低电平, 致使V T 4截止, 电路进入正常工作状态。D 触发器的触发脉冲是由556时基电路产生的10KH z 的方波脉冲信号, 通过电阻R 8和R 7接于D 触发器的CP 端

。

大后的误差信号去反向调整输出电流以达到稳流的目的。基准电压取不同的值, 便可得到不同的比较误差, 于是得到不同的稳定电流。

当选择脉冲方波输出方式时, 电源输出频率10KH z , 占空比为1 10的幅度可调的方波脉冲。其波形如图2(a ) , 其幅值为4. 3V , 经N PN 管倒相并放大后得到的波形如图2(b ) 所示。556输出的脉冲直接加在M O SFET 管V T 7的基极上驱动开关管工作。当T 1时刻来临时, V T 7管处于截止状态; 当T 2时刻到来时, V T 7管处于饱和导通状态, 输出方波脉冲, 这样通过负载DL 的电流就是频率为10KH z 、占空比为1:10的方波电流。通过调节电流调节电位器即可调节通过复合调整管的电流, 从而可以调节通过负载的脉冲幅度。由于通过复合调整管的电流的调节范围是0～10A , 所以通过负载的脉冲电流的幅度也在0～10A 的范围内调节。该电源的过流保护工作部分, 是通过取I C 3第⑥脚的输出电压作为过流保护的动作信号, 利用D 触发器对保护状态进行锁定, 通过D 触发器的输出信号控制调整管的基极调整信号的有无来达到保护电路的目的。当电流过大, 则I C 3的第⑥脚输出电压升高, 接在⑥脚的过流保护电路的分压超过预定值, 致使V T 1管导通, D 触发器的②脚的电位变为高电平, 在下一个触发脉冲到来时, D 触发器的Q 端输出高电平, 通过R 19和二极管D 2使V T 4饱和导通。I C 6输

图2　脉冲电路的波形图

过流保护的实现是通过取样放大后的信号作为保护的动作信号。当电流过大时(超过要求范围时) , 使过流保护电路产生一个信号, 控制复合调整管的基极电流直接入地。使负载电流迅速降为零, 并且使此种保护状态得以维持, 将电流调整旋钮方向调节至使输出电流较小的位置时, 按复位开关, 电流方可继续工作。这样便实现了对负载的保护功能。

短路保护是利用负载两端电压信号的有无来控制调整管基极电流有无来实现的。当负载短路时, 负载两端电压为零, 使保护输出为高电平, 控制调整管输出电流迅速降为零。当短路消失时, 自动恢复工作, 以达到保护电源的目的。电源正常工作时, 运算放大器I C 1的同相和反相输入端的电压差为负载激光二极管的导通电压, 大约为1V 左右一这样I C 1的第⑥脚输出高电平并通过R 15加在V T 3的基极, V T 3饱和导通, 其集电极的电压约为0, 不影响V T 4。

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由于有反向二极管, 所以过流保护和短路保护的动作互不影响。当负载发生短路时, I C 1的两输入端输入电压差为零, V T 3截止, V T 3的集电极的电压变为高电压, 点亮短路指示发光二极管L ED 1, 同时通过R 17、D 1加在V T 4的基极, 使V T 4饱和导通, I C 6的输出调整电流接地, 复合调整管的基极无电流通过, 处于截止保护状态, 负载无电流。当调节调流电位器为零时, 电路不会出现短路误保护, 因电路始终存在着微弱的漏电流, I C 1的输出则始终保持高电平。由于短路电路没有锁存功能, 故当短路解除后, 电路自动恢复到正常工作状态。

数字显示电路

电源电流输出的大小采用数字显示。数字显示电路利用模数转换模块I CL 7135、BCD 七段译码驱动器和四块七段L ED 数码管及运算放大器、取样保持电路组成的量程为10. 00A 的数字显示电流表。由于电流大至10A , 故采样

(上接第263页)

电阻使用75mV 20A 的外分流器, 当电流为

10A 时其两端的电压为37. 5mV , 经运算放大器放大为1V , 则此时电流表显示的数值即为流过负载的电流值。当选择脉冲模式输出时, 经取样保持电路, 输出的值同样也为脉冲电流的幅度值。

电源的主要特点

本电源具有以下主要特点:①输出电流从0-10A 连续可调, 精度可达0. 5%±1mA ; ②具有脉冲宽度可调的脉冲输出方式; ③具有实时显示功能:④具有短路保护和过流保护电路。

经过对5mW 和200mW 及国产QW 2000型2W 输出的激光二极管实验, 证明该电

源性能可靠, 输出电流精度可达0. 5%, 完全满足半导体激光器的要求。

参　考　文　献

[1]　梅遂生, 激光与红外, 1998, 28, 4

1. 钛合金表面N i C rB Si 激光熔覆层在微观

激光熔覆试样磨损表面形貌。钛合金试样的磨损表面呈犁沟特征, 犁沟深而宽, 且分布均匀、方向一致。而且在YG 8B 对磨圆盘上存在的钛合金转移膜, 表明时效硬化钛合金的磨损机制为粘着磨损。激光熔覆试样磨损表面只有轻微的划痕, 且比较杂乱, 表明激光熔覆层具有极高的耐磨抗力。从图5c 激光熔覆试样磨损表面高倍SE M 形貌可见, 激光熔覆试样磨损表面上存在片状的剥落坑。这是由于激光熔覆层的硬度较高, 在正向压力和切向摩擦力的作用下, 在涂层表面浅层产生较大的应力集中, 进而形成裂纹源, 在不断的摩擦碾压过程中, 裂纹不断扩展, 引起涂层产生片状剥落, 形成磨屑。在后续磨损过程中, 磨屑夹带在对磨面之间, 对涂层有一定的磨削作用, 使涂层表面产生轻微的犁沟磨损。因此, 在滑动摩擦条件下, N i C rB Si 合金激光熔覆层的磨损是剥层磨损和磨粒磨损两种方式共同作用的结果。

结　论—260—

结构上存在熔覆区, 结合区和基体热影响区三个区域。熔覆区的组织是在初晶ΧN i 和Χ硅化物等多元共晶的基底上分布着N i 、N i 3B 、

结合区是N i 基T i B 2、T i C 、M 23(CB ) 6等颗粒相。合金和钛合金的混熔区, 结晶形态呈快速凝固

特征。热影响区组织为针状马氏体。

2. N i C rB Si 激光熔覆层的耐磨性能比时效硬化的钛合金大幅度提高, 磨损率降低1个数量级。

3. 时效硬化钛合金的磨损机制是粘着磨损, N i C rB Si 激光熔覆层的磨损机制是剥层磨损和磨粒磨损。

参考文献

[1]　G . A bbas et al . , W ear , 1991, 143, 353

[2]　J . M . Yellup , S u rf ace and Coa ting s T echnology ,

1995, 71, 121

[3]　王安安等, 中国激光, 1997, A 24, 169[4]　P . A . M o llan et al . , W ea r , 1989, 130, 337