AMETEK Sorensen針對激光二極管測試的解決方案

在切割、焊接、通信等行業(yè)中,半導體激光二極管被越來(lái)越多地廣泛應用，逐步替代了傳統的激光器，因為激光二極管通常具有效率高、體積小、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。

激光二極管實(shí)現穩定的光輸出有兩個(gè)常用的模式，恒功率模式和恒流模式。一般在測試時(shí)選擇恒流模式，因為恒流模式提供了更快的控制回路和精準的電流環(huán)境，便于準確地監測電流。這種測試方法需要一個(gè)源來(lái)提供脈沖或可變占空比的電流信號，要求測試設備的動(dòng)態(tài)響應必須精確可控,電流上升和下降的速度要足夠快，電流過(guò)沖要盡可能小，最好是達到忽略不計的程度。

但是，通常情況下客戶(hù)會(huì )嘗試使用常規的高功率直流電源來(lái)供給激光二極管測試所需的能量，但由于常規的直流電源本質(zhì)上是電壓源，其工作于恒流模式時(shí)輸出電流的上升和下降速率是有限的，往往無(wú)法滿(mǎn)足激光二極管測試的所需。且其要達到設計指標的瞬態(tài)響應性能需要指定在 30%到50%的負載變化，考慮到固有的能量存儲在其輸出濾波電容器，通常至少要求有50%的初始載荷。而這些電源提供的電流變化斜率在理想情況下也往往只有幾十安培每毫秒的量級，距離激光二極管測試的要求相差甚遠。所以，我們需要一臺高功率的電流源來(lái)產(chǎn)生這些快速的電流脈沖給激光二極管來(lái)完成測試。

阿美特克旗下Sorensen品牌的SFA系列電源正是這樣一種獨特的產(chǎn)品，是專(zhuān)門(mén)為高功率激光驅動(dòng)器應用設計的快速瞬態(tài)響應的電流源產(chǎn)品，給客戶(hù)此類(lèi)測試提供了良好的解決方法。

SFA電源的電流變化速率要遠遠高于市場(chǎng)上其他電源，原因在于其使用的電流放大器帶寬遠高于其他，其輸出濾波電容減少了10000多倍?？梢詫?shí)現激光二極管測試要求的測試電流從零開(kāi)始在極短時(shí)間內上升到很高數值的要求。

我們使用一臺SFA60V/83A/5KW電源來(lái)進(jìn)行一些驗證性的測試，測試回路見(jiàn)圖1，以證明SFA是針對這類(lèi)測試的最好的解決方案。電源使用恒流模式，使用外部脈沖發(fā)生器作為模擬量程控源控制SFA輸出所需的脈沖電流。這個(gè)測試方案的操作很簡(jiǎn)單，但要考慮到電纜的長(cháng)度，應盡可能的短，以減小引線(xiàn)電感對電流斜率的影響。我們使用示波器來(lái)抓取上升和下降時(shí)間這些關(guān)鍵參數。

圖1，SFA60/83電流源和激光二極管負載

圖2，二極管VI曲線(xiàn)

圖3，二極管電壓(頂部)，二極管電流(中間)，程控信號(底部)

100Hz,10%占空比，50%電流編程，電流輸出上升時(shí)間與電壓上升時(shí)間有關(guān)，但是要遠遠快于電壓的下降時(shí)間因為其被二極管導通電壓箝位，因此電流的波形基本吻合程控信號。

圖4，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

100Hz，10%占空比，25%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類(lèi)似。

圖5，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

100Hz，10%占空比，60%電流編程輸出。

電流和編程信號十分類(lèi)似。

圖6，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，25%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類(lèi)似。

圖7，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，50%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類(lèi)似，有50μs延時(shí)。注意此時(shí)并無(wú)過(guò)沖。

圖8，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，100%電流編程輸出

電流和程控信號十分類(lèi)似，有50μs延時(shí)。此時(shí)有大約10%的過(guò)沖，因為其已經(jīng)輸出最大值電流。

圖9，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，20%占空比，50%電流編程輸出

電流和程控信號仍然比較接近，有50μs延時(shí)。

圖10，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，6%占空比，50%電流編程輸出。

由于脈寬很窄，電流并未達到設定的峰值。

圖11，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，30%占空比，100%電流編程輸出。

由于固有的延時(shí)和電流上升時(shí)間，輸出電流在脈沖波形結束前約50μs剛剛達到設定的峰值。

圖12，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，5%占空比，100%電流編程輸出。

由于固有的延時(shí)和電流上升時(shí)間，輸出電流并未能夠在脈沖波形結束前達到設定的峰值。

圖13，二極管電流(頂部)和編程信號(底部)，10個(gè)二極管的情況

500Hz，50%占空比，50%電流編程輸出

輸出電流和編程信號依然相符，但是相較于圖7的40個(gè)二極管時(shí)的情況會(huì )有一些輕微的過(guò)沖，下降時(shí)間也有所延長(cháng)。

圖14，二極管電流(頂部)和編程信號(底部)，2個(gè)二極管的情況

288Hz，25%占空比，100%電流編程輸出

輸出電流和編程信號依然相符，但是相較于圖13的10個(gè)二極管時(shí)的情況會(huì )有一些更多的過(guò)沖，下降時(shí)間也顯著(zhù)延長(cháng)。

圖15 電壓上升和下降時(shí)間，二極管和電壓下降(2,20,40二極管)

總結

從以上測試結果可以看出，使用一個(gè)具備高斜率電流變化能力的電流源去完成激光二極管測試是一個(gè)非常適當的方案。它可以實(shí)現在微秒數量級的時(shí)間內電流的快速上升和下降。SFA能夠提供非常良好的響應速度和保真度，除非脈寬降低到了非常低的程度。只有當脈沖寬度降低到200μs以下時(shí)，由于電源固有的上升和下降速率，其能夠達到的電流峰值會(huì )隨著(zhù)脈寬時(shí)間減少而減少。由圖15可以看到,增加二極管數量，電流上升時(shí)間也略有增長(cháng)，這是由于和電壓上升時(shí)間有所關(guān)聯(lián)。另外請注意電流下降時(shí)間會(huì )隨著(zhù)二極管數量的減少而急劇增加。對于低脈沖寬度的情況，由于所需電流增大，我們會(huì )推薦更大電流值的SFA型號。SFA系列產(chǎn)品涵蓋了功率從5W到30KW，電壓從60到160VDC的范圍,其輸入電壓則提供了三相交流208V,400V和480V三種選擇。