二极管激光器驱动电源

2万 · 2014-8-19 22:13

　0 引言

　　二极管泵浦固体激光器（DPL）作为表演工具，在城市美化、广告和舞台表演上应用越来越多。在DPL 系统中，电源是一个重要组成部分，它直接影响着DPL的工作稳定性和寿命。电源由两部分构成：二极管激光器（LD）驱动和LD 及倍频晶体的温度控制。由于表演系统使用环境恶劣且是商业用途，对电源的基本要求是可靠性高、寿命长。
　　LD 是恒流驱动，在脉冲或直流状态下工作。因此，电路结构设计为电流放大器形式，并采用MOSFET 为核心的功率输出电路。驱动电源直流供电采用以UC3842 为核心的电流调制式开关电源。温度控制电路用NTC 元件作为温度传感器，比例调节半导体致冷器( TEC) 的电流或电压，简单有效地实现精确温度控制。同时，为了DPL 在高频短脉冲调制与直流工作下，激光亮度有一致的视觉效果，设计了外控输入识别处理电路，自动增加高频脉冲调制时的LD驱动电流幅值。加上电源自身与负载的保护措施，整个电源可靠、紧凑、高效，达到了预期目的。

2万 · 2014-8-19 22:13

　　1 系统构成

　　本文所设计的DPL 电源系统由直流电源、恒流形成电路、温度控制单元、外控信号识别处理电路、保护电路组成。其原理框图如图1 所示。

　　
图1 表演用DPL电源系统框图

2万 · 2014-8-19 22:13

　1.1 直流电源

　　LD 的驱动需要低噪声的稳定供电，针对DPL驱动电源的特点，笔者设计了基于PWM 控制芯片UC3842 的反激式开关电源作为整个驱动电源直流稳压供电。UC3842 是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片,与电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：

　　（1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；

　　（2）电压调整率很好，可达0.01%；

　　（3）负载调整率明显改善；

　　（4）频响特性好，稳定幅度大；

　　（5）具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。

　　对于电流型控制芯片，用它设计的开关电源反应更快，适合于负载大电流脉冲工作。但开关电纹波大，影响LD寿命。必须对开关电源的高、低频纹波、控制环节引起的纹波、共模噪声进行不同方式的抑制，使纹波大大低于普通开关电源，确保达到无害LD的程度。可靠性和电磁兼容在设计中也始终被考虑，确保研制的是一款适合LD工作的高品质开关电源。另外，考虑到是小功率供电，应用范围又较窄，顾及成本，电源中没有加入PFC 电路。

　　电源的基本指标：输入为AC 85~260V，输出为DC5V/10A，满载时纹波峰峰值小于30mV。

2万 · 2014-8-19 22:14

　　1.2 LD驱动

　　二极管激光器(LD) 的工作方式有三种:直流驱动下的连续(CW) 工作方式;在脉冲状态下工作,具有低占空比的脉冲方式; 在脉冲状态下工作,具有高占空比的脉冲工作方式,又称为准连续(QCW)工作方式。这些工作方式都要求恒流驱动。

2万 · 2014-8-19 22:14

　　1.2.1 恒流形成

　　恒流形成电路的作用是在直流电平下，输出是恒定的电流。而在脉冲电平下，输出是恒流脉冲，输出大小由电位器调节。LD 驱动电流要求非常稳定，输出电路是一种高稳定、高可靠、高输出质量的稳流形成电路，以大功率的MOSFET 为核心构成。因为MOSFET在线性工作时电流稳定性最好。如图2所示，在MOSFET 线型工作区间，实现对激光器的恒流供电，在必要的反馈控制下，输出电流的稳定度可达到非常高。调节栅极电压，可使电流在0~3.3 A 之间可调，满足因LD 个体之间的差异而调节电流的要求。为防止电流在快速上升或下降时不致出现尖峰电流，对驱动进行了缓冲处理。MOSFET应选择低内阻，即低压功率管，否则，电流供应不出，且发热严重。

　　
图2 MOSFET 输出特性曲线

2万 · 2014-8-19 22:14

　　1.2.2 外控信号识别处理

　　在短脉冲驱动下的DPL 输出的激光，视觉上没有直流或长脉冲时亮，增加短脉冲输出电流的幅度可以提高或改善亮度。这要求在直流和短脉冲工作时，电路能自动实现电流幅度的加减。输入信号经过一个单稳态的多谐振荡器处理就能达到目的，有效地解决这个问题。

　　1.3 安全保护

　　与普通电源不同，DPL 电源保护是对电源和负载两个方面。对负载必须保证LD能在各种类型的浪涌冲击情况下安全工作，包括LD电源的任意开启和关闭。因为，仅3ns宽度的瞬态电压或电流尖峰，都能引起激光二极管内部小平面的瞬时过热，造成损伤。

　　因此，电源电路中设计了一系列的负载保护电路。比如慢启动、电源电压检测、电源浪涌电流抑制、快速吸收负载上电压及电流尖峰、输出端开路或短路保护、功率MOSFET过流保护等多种安全措施。这些保护在启动电源工作时在线检测以确定电路的工作状态，当检测到电路处于非正常工作状态时关断功率MOSFET输出，如工作正常，再打开功率输出，提供激光二极管工作所需电流。

2万 · 2014-8-19 22:14

2 TEC温度控制

　　如图3所示，LD的输出波长、阈值电流及输出功率的稳定性对温度都非常敏感。只有提供了恒定的工作温度, 才能保证LD 具有稳定的输出波长、输出功率及最大的效率。同样温度对LD 泵浦的倍频晶体的工作的影响也很大。

　　
图3 DPL 的温度-波长曲线

2万 · 2014-8-19 22:15

　　温度调节用半导体制冷器（TEC）是一种依据帊儿帖效应工作的固体热泵，体积小、重量轻、无噪音、制冷效率高，特别适合对有效空间进行温度控制。它的冷、热端方向由电流方向决定，温度的高低与电流大小成正比。在对激光器工作温度的稳定性要求较高的场所，一般都采用双向温控。

　　激光二极管的TEC 温控器电路，有专用的控制芯片，如美国Linear 公司的LTC1923。考虑成本，这部分电路自行设计。

　　激光器组件的测温元件采用热敏电阻，与半导体致冷器配合即可完成对激光器的精密温度控制。通过自动温度控制电路，可把激光器的温度控制在圆缘益依园援1益的范围内，使激光器的工作稳定。热敏电阻测量激光器管芯温度，将其与给定电压比较，进行相应硬件或算法处理后，输出一定电压（电流）给TEC，TEC 就对激光器进行制冷或加热，使激光器温度稳定在所要求的值

。激光器的温控系统必须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，而且，必须是双向控制的，以适应外界温度变化和激光器工作条件的不确定性。

　　但是TEC 的电流一旦超过某个最大值，TEC就不再制冷而只是发热，因此应避免这种情况的发生。

2万 · 2014-8-19 22:15

　　3 研制情况

　　图4 所示为研制的DPL驱动电源。它提供了所需电流控制模式，输出电流0耀3A。可安全地操作控制CW、QCW 激光二极管、LED 或类似器件所需的驱动电流。双路输出的TEC 热电冷却在0~40°益范围控制精度可以达到0.1℃。外部调制功能允许对准连续器件进行数字调制操作或对连续激光二极管进行模拟调制。模拟调制带宽范围从DC到35kHz。

　　
图4 DPL 驱动电源的实物照片

2万 · 2014-8-19 22:15

　　4 结语

　　本文所设计的可连续或准连续工作的激光二极管驱动电源，经实际使用证明，该电源能够满足二极管泵消固体激光器（DPL）表演系统的特殊要求。

二极管激光器驱动电源

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