半導體激光器電源設計技術(shù)匯總

自從激光被發(fā)明以后，各種的應用隨即發(fā)展起來(lái)，但真正能應用在消費性電子產(chǎn)品是在半導體激光(或稱(chēng)激光二極體,LaserDiodeLD)發(fā)明之后，特別是在1977年發(fā)明的面射型激光(VCSEL)，因為半導體激光具有輕巧、電光轉換效益高、低消耗功率、壽命長(cháng)、及易由電流來(lái)控制其光輸出功率、且調制頻率可達10GHz以上等特性。這些特性使它可廣泛應用于資訊處理、光纖通訊、家電用品等民生消費電子產(chǎn)品上，未來(lái)半導體激光將帶動(dòng)另一波的光電消費性電子產(chǎn)業(yè)。以下介紹半導體激光器在電源設計中的一些方案。

1.半導體激光管LD的電源設計

半導體激光管(LD)和普通二極管采用不同工藝，但電壓和電流特性基本相同。在工作點(diǎn)時(shí)，小電壓變化會(huì )導致激光管電流變化較大。此外電流紋波過(guò)大也會(huì )使得激光器輸出不穩定。二極管激光器對它的驅動(dòng)電源有十分嚴格的要求;輸出的直流電流要高、電流穩定及低紋波系數、高功率因數等。隨著(zhù)激光器的輸出功率不斷加大，需要高性能大電流的穩流電源來(lái)驅動(dòng)。為了保證半導體激光器正常工作，需要對其驅動(dòng)電源進(jìn)行合理設計。并且隨著(zhù)高頻、低開(kāi)關(guān)阻抗的MOSFET技術(shù)的發(fā)展，采用以MOSFET為核心的開(kāi)關(guān)電源出現，開(kāi)關(guān)電源在輸出大電流時(shí)，紋波過(guò)大的問(wèn)題得到了解決。

系統構成

裝置輸入電壓為24V，輸出最大電流為20A，根據串聯(lián)激光管的數量輸出不同電壓。如果采用交流供電，前端應該采用AC/DC作相應的變換。該裝置主要部分為同步DC/DC變換器，其原理圖如圖1所示。

Vin為輸入電壓，VM1、VM2為MOSFET，VM1導通寬度決定輸出電壓大小，快恢復二極管和VM2共同續流電路，整流管的導通損耗占據最主要的部分，因此它的選擇至關(guān)重要，試驗中選用通態(tài)電阻很低的M0SFET。電感、電容組成濾波電路。測量電阻兩端電壓與給定值比較后，通過(guò)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生相應的脈寬，保持負載電流穩定。VM1關(guān)斷，快恢復二極管工作，快恢復二極管通態(tài)損耗大，VM2接著(zhù)開(kāi)通續流，減少系統損耗。

2.半導體激光器的開(kāi)關(guān)電源紋波抑制研究

本文提出開(kāi)關(guān)電源紋波的定義，分析開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因，并提出幾種抑制紋波的方法。最后針對一款特殊開(kāi)關(guān)電源，論述了開(kāi)關(guān)電源的輸出穩定性問(wèn)題。該電源輸出電流為10A，輸出電壓為12V，主要用于驅動(dòng)半導體激光器。為減小輸出電流紋波，提高激光功率穩定性，研究分析了幾種抑制紋波的方法，包括濾波法，多路疊加法等。該電源的設計采用主、副電源的思路，從主電源采集紋波信號反饋給副電源的控制端，從而使主副電源輸出疊加后保持較小的輸出紋波。通過(guò)實(shí)驗驗證該方法可以使紋波系數保持在1%，使得性能有所提高。

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源以其體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域、醫療機構、科學(xué)研究等方面有著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。本文著(zhù)重解決一款能輸出10A電流12V電壓的特殊恒流源的紋波抑制問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)用于大功率的半導體激光器驅動(dòng)。該激光器需求高穩定的光功率輸出，激光器輸出光功率的穩定性是一個(gè)主要參數，半導體激光器的光功率穩定性主要表現在輸入電流的穩定性，輸入電流的紋波越小光功率穩定性越好。目前，解決開(kāi)關(guān)電源紋波的方法有若干種，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，由于輸出電流是10A的大電流，一般的方法不能適用。本文通過(guò)對比濾波法提出雙路并聯(lián)法，旨在大電流情況下進(jìn)一步減小電流輸出紋波。

紋波產(chǎn)生原因分析

通常開(kāi)關(guān)電源把電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波轉變?yōu)橹绷麟?，開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)通和關(guān)斷，就會(huì )引起輸出電壓的波動(dòng)，在輸出回路中的快恢復二極管和電感也會(huì )引起輸出電壓的波動(dòng)。這些高頻低頻的波動(dòng)總和就形成了輸出的紋波，包括電壓紋波和電流紋波。

開(kāi)關(guān)電源中紋波的來(lái)源有很多原因，其中MOS管開(kāi)通關(guān)斷所產(chǎn)生的紋波是主要原因之一。當開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷時(shí)都會(huì )有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間，這時(shí)就會(huì )在電路中引起一個(gè)同頻率的噪聲。輸出回路上的電感也會(huì )隨著(zhù)充電放電產(chǎn)生一個(gè)噪聲，同時(shí)也會(huì )有漏感產(chǎn)生。在導線(xiàn)與導線(xiàn)之間，元器件的引腳之間還會(huì )存在各種寄生電感，這些寄生電感會(huì )遵循如下公式產(chǎn)生變化。

3.高亮度半導體激光器拓展新波長(cháng)

半導體激光器技術(shù)的不斷發(fā)展使其應用日益廣泛，同時(shí)越來(lái)越多的應用都要求半導體激光器簡(jiǎn)單易用，這使光纖耦合半導體激光器模塊廣受青睞。為了更好地滿(mǎn)足應用需求，在設計高亮度半導體激光器模塊時(shí)，必須要考慮一些重要的設計規則，特別是當這些模塊的輸出波長(cháng)為非標準波長(cháng)時(shí)。這些設計考量主要涉及以下幾方面：

原則上，最低衍射極限光束參數乘積(BPP)與波長(cháng)成正比，也就是說(shuō)，隨著(zhù)波長(cháng)(λ)的增加激光打標機，光束質(zhì)量會(huì )逐漸變差。光纖耦合模塊需要一個(gè)特定的光束參數乘積，這意味著(zhù)可以耦合到一根光纖中的發(fā)射體(emitter)的數量，會(huì )隨著(zhù)波長(cháng)的平方因子(λ-2)而減少。例如，在1940nm時(shí)可以耦合到指定纖芯中的發(fā)射體的數量，要比在970nm時(shí)減少4倍。

通常慢軸發(fā)散角會(huì )隨著(zhù)波長(cháng)的增加而增加，這意味著(zhù)慢軸準直透鏡(SAC)的焦距必須合適，以避免由于SAC造成的能量損失。

對于輸出非標準波長(cháng)的半導體激光器巴條，其快軸方向的發(fā)散角可達到90°，因此需要使用具有高數值孔徑和高質(zhì)量的快速軸準直透鏡(FAC)。

必須要考慮光學(xué)元件自身的損耗。特別是當波長(cháng)超過(guò)2200nm時(shí)，由于羥基(OH)伸縮會(huì )導致大量水吸收。目前幾乎微型光學(xué)元件使用的所有材料激光打標機，都會(huì )發(fā)生這種水吸收現象。

表1給出了各種光纖耦合半導體激光器模塊(見(jiàn)圖1)所能實(shí)現的輸出功率。

4.高功率半導體激光器的波長(cháng)穩定技術(shù)

高功率半導體激光器系統作為發(fā)展成熟的激光光源，在材料加工和固體激光器泵浦領(lǐng)域具有廣泛應用。盡管高功率半導體具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長(cháng)、體積小以及成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是光譜亮度相對較差則是一個(gè)不容忽視的缺點(diǎn)。半導體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm，而且峰值波長(cháng)會(huì )受工作電流和工作溫度的影響而發(fā)生漂移。