中心議題：
- 半導(dǎo)體激光器損壞機(jī)理分析
- 半導(dǎo)體激光器保護(hù)電路特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原理
解決方案：
- 限流電路設(shè)計(jì)
- 浪涌吸收電路及慢啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1 引言
半導(dǎo)體激光器（LD）具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。LD是以電流注入作為激勵(lì)方式的一種激光器，其使用壽命、工作特性在很大程度上取決于所用驅(qū)動(dòng)電源的性能好壞。
設(shè)計(jì)一個(gè)符合LD技術(shù)要求、性能穩(wěn)定、工作可靠的驅(qū)動(dòng)電源是十分必要的。近年來(lái)，有不少科研單位研究開(kāi)發(fā)了一系列LD用電流源，保證了LD的正常工作。
半導(dǎo)體激光器本身的性質(zhì)決定其抗浪涌沖擊能力差，這就要求驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定度高，浪涌沖擊小，因此驅(qū)動(dòng)電源中需要各種保護(hù)電路以滿足實(shí)際要求。通常用慢啟動(dòng)電路、TVS（瞬態(tài)抑制器）吸收電路、限流電路等來(lái)防止浪涌沖擊及電流過(guò)大。但大功率半導(dǎo)體激光器的工作電流較大，并且半導(dǎo)體激光器比較脆弱，傳統(tǒng)的慢啟動(dòng)電路、TVS吸收電路不能很好地滿足實(shí)際要求。本文在參考各種實(shí)用的保護(hù)電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出應(yīng)用大功率器件強(qiáng)制吸收或隔離浪涌沖擊和雙限流保護(hù)電路，有效地保護(hù)半導(dǎo)體激光器不被損傷，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。
2 原理分析
2.1 半導(dǎo)體激光器損壞機(jī)理分析
在正常條件下使用的半導(dǎo)體激光器有很長(zhǎng)的工作壽命。但在不適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，會(huì)造成性能的急劇惡化乃至失效。統(tǒng)計(jì)表明，半導(dǎo)體激光器突然失效，有一半以上的幾率是由于浪涌擊穿。因而如何保護(hù)半導(dǎo)體激光器，延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用壽命是研制大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)電路的重要問(wèn)題。主要應(yīng)考慮：
1）激光器必須工作在限制電流以內(nèi)，一個(gè)安全可靠的限流電路是不可缺少的。
2）為了防止驅(qū)動(dòng)電源浪涌沖擊，必須有比較強(qiáng)的浪涌吸收電路。
3）由于激光器是一種敏感的電流元件，所以驅(qū)動(dòng)電流不能直接加在激光器兩端，慢啟動(dòng)電路對(duì)激光器的防護(hù)也是必不可少的。
2.2 傳統(tǒng)保護(hù)電路的特點(diǎn)
1）在隔離變壓器的原邊和副邊加上TVS器件，利用其高速響應(yīng)特性抑制過(guò)高的電網(wǎng)浪涌電壓和雷電感應(yīng)電壓。這種措施比較有效，但受限于TVS的響應(yīng)速度，如果響應(yīng)速度達(dá)不到要求那就不能很好抑制浪涌沖擊。
2）在直流電源和激光器之間增加π型低通濾波網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步濾除浪涌電壓。如能采用屏蔽電感和無(wú)感突波吸收電容則性能更佳。這實(shí)際上就是無(wú)源濾波，對(duì)降低電源紋波和吸收比較小浪涌有效。但對(duì)于大的浪涌，這種電路將會(huì)失效。
3）在直流電源和激光器之間增加慢啟動(dòng)電路使供給激光器的電壓緩慢升高，避免突然上電或斷開(kāi)電源時(shí)給器件造成的沖擊，同時(shí)，此舉還能避免電路中分布電感引起的浪涌沖擊。這種電路是必不可少的而且是切實(shí)有效的。
4）限流電路。這種電路也是必不可少的，但傳統(tǒng)的限流電路通常是單路限流。
2.3 本電路設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)
1）充分考慮并吸收了傳統(tǒng)保護(hù)電路一些優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了電源開(kāi)啟時(shí)軟啟動(dòng)電路，防止開(kāi)機(jī)浪涌對(duì)器件和半導(dǎo)體激光器的損害。由于這種電路比較成熟，本文沒(méi)有做詳細(xì)闡述。
2）設(shè)計(jì)了雙電流限制電路，保證通過(guò)半導(dǎo)體激光器的電流不會(huì)過(guò)流。
3）采用功率器件（MOS管）開(kāi)通或關(guān)斷來(lái)強(qiáng)制吸收或隔離浪涌，防止浪涌對(duì)半導(dǎo)體激光器損壞。
4）在激光器開(kāi)通和關(guān)斷的工作中設(shè)立慢啟動(dòng)過(guò)程，以減小工作中產(chǎn)生的浪涌對(duì)激光器產(chǎn)生不良影響。
3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原理
3.1 限流電路的設(shè)計(jì)
這是個(gè)雙限流電路，兩個(gè)限流電路確保通過(guò)激光二極管（LD）電流不會(huì)超過(guò)設(shè)定值。具體工作原理如圖1所示。
Q1為P型MOS管，Q2為N型MOS管。流過(guò)Q1的電流通過(guò)采樣電路1變?yōu)殡妷盒盘?hào)與基準(zhǔn)電壓相比較，通過(guò)負(fù)反饋電路1控制，可使得流過(guò)Q1的電流恒定。通過(guò)半導(dǎo)體激光器LD的電流經(jīng)過(guò)采樣電路2變?yōu)殡妷盒盘?hào)與電流調(diào)節(jié)端電壓相比較，如果流過(guò)半導(dǎo)體激光器的電流超過(guò)設(shè)定值，經(jīng)過(guò)負(fù)反饋電路2調(diào)節(jié)使得通過(guò)Q2的電流增加，導(dǎo)致通過(guò)LD電流減??；流過(guò)LD的電流太小，經(jīng)過(guò)采樣電路2、負(fù)反饋電路2調(diào)節(jié)可使得流過(guò)Q2的電流變小，導(dǎo)致流過(guò)LD的電流變大，如此反復(fù)，通過(guò)負(fù)反饋電路的控制可使得流過(guò)半導(dǎo)體激光器的電流恒定，這種負(fù)反饋過(guò)程建立的時(shí)間很快。
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3.2 浪涌吸收電路及慢啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
浪涌多發(fā)生在功率器件開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間，因?yàn)檫@個(gè)瞬間電路會(huì)有很大電流流過(guò)或者電路中某個(gè)器件兩端會(huì)有很大的電壓。圖2為浪涌吸收及慢啟動(dòng)電路原理圖。
這種電路是利用功率器件的開(kāi)通或關(guān)斷來(lái)強(qiáng)制吸收或隔離浪涌對(duì)器件的沖擊。這個(gè)電路作用分三個(gè)階段：
1）在使能端電壓為低電平階段。使能端電壓為低電平，Q3導(dǎo)通，通過(guò)負(fù)反饋電路1的控制，Q1斷開(kāi)，強(qiáng)制隔離電源V+對(duì)半導(dǎo)體激光器LD的沖擊；使能端為低電平，Q4導(dǎo)通，通過(guò)負(fù)反饋電路2控制，使Q2導(dǎo)通，這樣即使有浪涌沖擊，也會(huì)被Q2強(qiáng)制吸收，不會(huì)影響半導(dǎo)體激光器LD。
2）使能端從低電平到高電平階段。Q3、Q4斷開(kāi)。設(shè)C1上的電壓從V+降到基準(zhǔn)電壓值所要的時(shí)間為t1,C2從V+降到電流調(diào)節(jié)端設(shè)定電壓值的時(shí)間為t2。
調(diào)節(jié)R5、C1和R6、C2參數(shù)可以使得t2mt1。這樣在t1階段，通過(guò)負(fù)反饋電路1的控制使得Q1慢慢導(dǎo)通，流過(guò)Q1電流從零直到恒定，這時(shí)由于t2mt1,C2上還有電壓，通過(guò)負(fù)反饋電路2的控制使得Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣流過(guò)Q1的電流，以及由于Q1開(kāi)通產(chǎn)生的浪涌電流全部由Q2吸收，然后隨著時(shí)間的增加C2電壓慢慢降為零，流過(guò)Q2的電流慢慢減小，LD上電流慢慢增加直到達(dá)到設(shè)定值。
3）使能端從高電平到低電平階段。使能端為低電平Q3,Q4導(dǎo)通。C1由于R5存在，電壓從基準(zhǔn)電壓慢慢升至V+,通過(guò)負(fù)反饋電路1的控制使得Q1慢慢關(guān)斷；Q4導(dǎo)通，V+直接給C2充電，電壓迅速升為V+,通過(guò)負(fù)反饋電路2的控制使得Q2迅速導(dǎo)通，這樣由于Q1關(guān)斷產(chǎn)生的浪涌將會(huì)被Q2強(qiáng)制吸收。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
驅(qū)動(dòng)電源一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為電流穩(wěn)定度。電流穩(wěn)定度是在一定時(shí)間內(nèi)，多次測(cè)量通過(guò)負(fù)載的電流大小，然后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出輸出電流穩(wěn)定度大小。實(shí)驗(yàn)中每間隔一分鐘測(cè)量一次，測(cè)量時(shí)間持續(xù)一個(gè)小時(shí)。測(cè)量時(shí)，用1.2Ω50W電阻作為模擬負(fù)載，測(cè)量模擬負(fù)載的兩端電壓，用模擬負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定性來(lái)標(biāo)定電流穩(wěn)定性。測(cè)量?jī)x器為：電壓測(cè)量?jī)x器：Agilent34401A61/2digitmultime2ter,其精度可以達(dá)到0.00001V;供電電源為Agi2lentE3631AtripleoutputDCpowersupply12V,1A。電流穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
通過(guò)計(jì)算，其平均值為0.538623V。
電流穩(wěn)定度計(jì)算公式如下：
此保護(hù)電路已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐，由于限流措施穩(wěn)定可靠，半導(dǎo)體激光器的使用壽命得到了保證。利用功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷強(qiáng)制吸收和隔離浪涌沖擊，使得在脈沖工作狀態(tài)下的浪涌沖擊也被很好地抑制，圖3是電源工作在脈沖狀態(tài)下，負(fù)載實(shí)際的電壓波形。
從圖中可以看出脈沖的上升沿和下降沿沒(méi)有過(guò)沖，滿足使用要求。
5 結(jié)語(yǔ)
本文在分析半導(dǎo)體激光器損壞機(jī)理的基礎(chǔ)上得出半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)深入分析傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)電路的特點(diǎn)，找出其設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足，并在充分吸收傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)電路優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出雙限流電路，保證了流過(guò)半導(dǎo)體激光器的電流不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)出了浪涌強(qiáng)制吸收或隔離電路，解決了浪涌沖擊對(duì)激光器的損壞的難題。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源已應(yīng)用于實(shí)踐，電流穩(wěn)定度很高，浪涌被很好抑制，具有較好的應(yīng)用前景。
