第24卷 第2期
2007年4月
黑龙江大学自然科学学报J OURNAL OF NATURAL SC IENCE O F HE I LONG JI ANG UN IVERS I TY V o l 24N o 2Apr i,l 2007
一种半导体激光器的驱动电路源
李若明1, 刘盛春2, 余有龙1,2, 刘 浩1, 孟凡斌3, 胡 亮
1(1.暨南大学光电工程研究所,广东广州510632;2.黑龙江大学光纤技术研究所,黑龙江哈尔滨150080;3.
东北电子技术研究所,辽宁锦州121000)摘 要:根据半导体激光器对注入电流的稳定性要求高和对电冲击的承受能力差等特性,对
其驱动电路进行了设计。针对具体的980n m 泵浦激光器,采用负电源模拟电路方案,研制了包含
慢启动和功率稳定功能的驱动电路,其输出驱动电流稳定度达到2 10-4,应用于激光器后得到了
小于4 的光功率稳定度。
关键词:驱动电源;半导体激光器;慢启动;低噪声
中图分类号:TN 248 4文献标识码:A 文章编号:1001-7011(2007)02-0203-04
收稿日期:2006-10-19
基金项目:教育部 新世纪优秀人才支持计划 (NCET-04-0828);广东省自然科学基金重点项目(04105843)
作者简介:李若明(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向:光纤传感网络
通讯作者:余有龙(1965-),男,教授,博士生导师,主要研究方向:光纤通信、传感、光纤激光器,E -m ai:l youlongyu @163.co m
1 引 言
掺铒光纤(EDF)作为增益介质已广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤激光器等领域,其输出功率大小和功率的稳定性往往取决于泵源功率的稳定性,而泵源一般由半导体激光器(LD)充当,LD 又受驱动电路驱动,因此,研制高性能的驱动电路就显得尤为重要。对于实际使用的LD,只有为其提供稳定的工作电流,才有可能获得稳定的激光输出。另外,谐振腔的形变和P N 结的老化与温度相关,温度不仅影响到LD 输出功率的稳定,而且还将影响泵源的寿命,因此有必要控制LD 的工作温度。作为结型器件,LD 承受电冲击的
能力很差,因此其驱动电源中应有保护电路[1],借以缓解浪涌电流的冲击。
目前,LD 驱动电路的实现方案可以分为模拟电路和数字电路两类。早期的驱动电路多采用模拟分立元件构成电路,这样的电路常常存在体积庞大,操作繁琐的缺点[2]
。近年来有学者在大功率LD 的驱动电路中引入数字电路技术,以模/数和数/模转换芯片转换信号,再用单片机、数字信号处理芯片(DSP)或复杂可编程逻辑器件(FPGA )处理信号,这样实现了电路操作的简化并完善了电路功能,与此同时,电路中高频部分对实现系统的电磁兼容性增加了困难。对于只需要稳定的光功率输出的小功率的半导体激光器驱动电源,这种电路结构复杂、成本高,而采用模拟集成电路元件实现的小功率的半导体驱动电路在成本,和电磁兼容能力上都有优势。
本文基于负电源,采用模拟集成电路元件,针对小功率LD,围绕降低电压源输出噪声、提高驱动电流稳定性、简化操作开展了研究,实现了一种低电压源输出噪声、高驱动电流稳定度、操作简单且成本低廉的驱动电路。2 原 理
考虑到稳定输出的LD 需要驱动电路包含有高精度恒流源,且避免强浪涌脉冲存在,设计的电路由电压调整、电流源、光功率控制、温度调整和电流显示等部分组成。
电压调整电路为后续电路提供低噪声的直流电压,这个电压通过电流源转换为电流,电流再经调整后驱动LD 发出激光。光功率稳定电路通过反馈控制实现稳定输出功率的目标。温度调整电路通过控制流过半
导体激光器模块内部TEC 的电流,稳定激光器PN 结的温度。
2 1 电压调整电路的设计
电压调整电路采用线性设计方案。为避免火线冲击及邻近交流电路的干扰,在交流电的输入端接入了
交流滤波器[3]。电压变换电路的设计同时还具有整流滤波的功能。为避免电源的通、断瞬间在电路中可能
产生的浪涌脉冲对激光器PN 结的冲击,引入了慢启动电路,再通过串联调整电路,得到稳定的直流电压。
图1是慢启动的原理,电路开始导通时,Q 2截止,C 14、C 15上没有电荷,C 14两端电压为0V,Q 2的e 极相当于接地,C 14通过R 37充电。当C 14两端的电压幅值大于阈值电压V be 时C 15开始充电,直到Q 2的b 极电压约为-13 8V 左右时(三极管Q 2饱和导通时V bc 1 2V),停止充电,C 15则保持一个电压使得Q 2导通。慢启动速度由时间常数R 37C 14决定。
串联电压调整电路的结构如图2所示,电阻R 35、R 39、和电位器W 7组成取样电路,将可调电压调整芯片L M 317T 输出的电压取样传输到放大器A 6 - 端, + 端输入的是基准电压源U 3(采用模拟集成电路)产生的基准电压。放大器的输出对L M 317T 进行调节,调节电位器W 7可以改变L M 317T 的输出,选用合适的放大器和基准电压源,通过上述反馈调节可以使得电路输出始终保持很小的噪声[4]。试验结果显示当电压源输出电压为6V,负载功率为2W 时,纹波电压峰-峰值小于1mV /h,输出噪声电压的均方根小于0 2m v (10H z 。 2 2 电流源与功率稳定电路的设计 这部分电路是由两个独立的反馈回路构成(如图3),电流源反馈回路是在LD 电流回路中串连取样电阻,通过比较取样电阻两端的电压差和预设的基准电压来调整电流,实现电流源自身的反馈调节。 光功率的反馈控制是将LD 发出激光的强度信息通过LD 模块内部的PD 转化为电信号,输入低噪声运算放大器,通过改变从反馈支路流入LD 回路的电流,从而对LD 回路的电流实施控制。这部分电路的原理如图4所示,调节w 5使电路工作于某一工作点后,流过M os 管Q 3的电流I 1就确定了,由于有U 1 U i ;I 1=U 1R L ,于是有I 1=U i R L 。功率稳定电路的工作原理是这样的:PD 转化的电信号和基准电压分别进入放大器A 1的反向端 - 和同向端 + ,A 1的输出调整流过反馈支路中的电流I 3。I 3流入LD 回路中MOS 管Q 3的漏极(d ),在I 1由w 5设定后,流过LD 的电流I 2和流过Q 1电流I 3的总和就保持不变。这样I 3的变化趋势与I 2的变化趋势相反,将电路设置成光功率升高时。I 3增大,从而使I 2减小,这样就建立了光功率的负反馈调节。 为更有效的保护激光器,在激光器两端并联了开关、锗晶体二极管,和小电容[5]。开关在电源开启时将 LD 短路,使LD 承受的电冲击减到最小,长时间不用LD 时也应该将其短路;锗晶体二极管可以释放反向电冲击;小电容起到限制LD 两端电压突变的作用。 204 黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第24卷 2 3 电流显示与温度控制电路 流过LD 回路的电流可通过串联在LD 回路 中取样电阻两端的电压表示,从取样电阻两端取 出电压信号,经过比例运算电路,再将放大后的信 号输送到电压表显示,调节比例系数可使得电压 表显示数值与实际流过电路的电流数值相等。半 导体激光器模块内置有热敏电阻和半导体致冷器 (TEC ),温度控制电路通过比较预设的基准电压 和热敏电阻两端的电压,驱动电流源给TEC 供 电,为了保护TEC 防止电流过大造成其损坏,还 加有限流电路(图5)。 3 实验结果 3 1 慢启动电路的输出 所设计的慢启动电路其电压变化的时间特性可借助示波器观察,图6是开启和关闭电源开关观察到的电压随时间的变化曲线。若定义初始的0V 下降到稳定幅度的90%为开启时间 1,定义关断时间 2为从稳定的电压上升到该电压幅值的10%,从图8可以得出 1>4s , 2>9s 。 205 第2期李若明等:一种半导体激光器的驱动电路源 3 2 驱动电流短期稳定度为观察驱动电路稳定性,用A gilent 34410A 万用表观测了LD 的驱动电流随时间的变化关系,图7是在电路中串接电流表来测量电流随时间的变化,得到电流变化的幅值为0 03mA,按照稳定度计算公式 = I 0/I 0计算,电流的短期稳定度为2 10-4. 3 3 光功率短期稳定度 图8为LD 在本驱动电路的驱动下的激光功率输出随时间的变化关系,测量光功率和电流随时间变化时对应一个时刻记录了电流表的读数和光功率计的读数,图8和图7相对应。结果显示光功率变化的幅值小于0 30m W,变化率小于4 。 4 结 论 本文采用负电源模拟方案实现了一种LD 的驱动电路,该电路能够提供高稳定度的驱动电流,极大增强激光器对电冲击的承受能力,并具有稳定输出光功率的反馈调节能力,同时还具有结构简单,成本低廉的特点,各项性能测试的结果显示该电路能满足实验室对驱动电源的要求。值得注意的是电路中功率稳定电路的反馈调节是基于比例调节,比例调节的精度和过冲量都不理想,这影响了输出光功率的稳定,若将这部分改进成为比例微分积分(PI D)调节,调节精度和过冲量将得到改善,输出光功率的稳定度也能得到提高。最后,驱动电路的设计思想也可以指导SLED 和LED 驱动电路的设计。 参考文献 [1] 黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M ].北京:国防工业出版社,1999 247-55. 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A dri ve po w er for 980n m pu mp laser m odul e LI Ruo-m ing 1, LI U Sheng-chun 2, YU Y ou-long 1,2, LI U H ao 1, MENG Fan-bin 3, HU L iang 1(1.Ins tit u te ofOp t oelectron i c Eng i neeri ng ,Ji nan Un i versit y ,Gu angz hou,510632,Ch i na ;2.In stitute of F i ber Op tics ,H eil ong ji ang Un i vers i ty ,H arb i n 150080,C h i na ; 3.Th e Northeast Instit u t e of E lectron ic Techn ol ogy ,Ji n z hou 121000,C h i na)Abst ract :According to the perfor m ance characteristics of se m iconductor laser diode ,such as the high stability re -quire m en t to driv i n g current and the w eak endure ab ility to e l e ctric shock ,dri v e po w er fo r pum p laser m odu le w as desi g ned .Concrete l y fo r 980nm pump laser ,usi n g negative po w er ana l o g circuit techno logy ,a nove l laser dri v e w it h sl o w turn-on and optic pow er steady c ircu it has been rea lized .Experi m ental results sho w the stab ilizati o n o f output current atta i n s to 2 10-4,less than 4 light po w er stab ility w as obtai n ed ,w hen use the dri v e to a laser m odule .K ey w ords :drive po w er ;laser d i o de(d i o de laser);sl o w tur n-on ;lo w noise 206 黑 龙 江 大 学 自 然 科 学 学 报 第24卷 第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通, WMZD系列专门为LED照明做温度补偿的电阻，采用热敏电阻补偿法的LED恒流源，具有电路简洁，可靠性好,组合方便，经济实用，适用各种LED头灯，日光灯，路灯；车船灯,太阳能LED庭院灯；LED显示屏等对恒流的需求。是专门针对LED照明出现的由于温度引起的LED PN结电压VF下降，即-2mV/℃,称为PN结的负温效应。该特性在发光应用上是个致命的缺陷，直接影响到LED器件的发光效率、发光亮度、发光色度。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA,此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。更为严重的是，温度的上升，引起光谱波长的偏移，造成色差。如长时工作在此高温区还将引起器件老化，发光亮度逐步衰减。同样，当环境温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小到8mA~10mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到应用场所所需的照度。 为了避免上述特性带来的不足，一般在LED灯的相关产品上，通常采用如下措施：1.将LED装在散热板上，或风机风冷降温。2.LED采用恒流源的供电方式，不因LED随温度上升引起使回生电流增加，防止PN结恶性升温。或这两种方法并用。实践证明，这两种方法用于大功率LED灯（如广告背景灯、街灯）。确实是行之有效的措施。但当LED 灯进入寻常百姓家就碰到如下问题了：散热板和风冷能否集成在一个普通灯头的空间内；采用集成电路或诸多元器件组成的恒流源电路，它的寿命不取于LED，而取决整个系统的某块“短板”；有没有吸引眼球的价格。用热敏电阻补偿法来解决LED恒流源问题，既经济又实用。 我公司采用具有正温度系数的热敏电阻(+2mV/℃)与负温度特性的LED(-2mV/℃)串联，互补成一个温度系数极小电阻型负载。一旦工作电压确定后，串联回路中的电流，将不会随温度变化而变化，通俗地讲，当LED随温度升高电流增加时，热敏电阻也随温度升高电阻变大，阻止了回路电流上升，当LED 随温度下降电流减小时，热敏电阻也随温度下降电阻变小，阻止了回路电流的减少，如匹配得当，当环境温度在-40℃-85℃范围内变化时，LED的最佳工作电流不会明显变化，见图1电流曲线Ⅱ。 2:应用: 从图1可见，采用热敏电阻温度补偿方法与采用集成电路等元件组成的恒源相比，热敏电阻温度补偿法只用1个热敏电阻元件就可解决LED恒流源问题，其价格、体积、寿命等优势不言而喻。我们采用的 半导体激光器驱动电源的控制系统 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D 转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。 2 半导体激光器电源控制系统设计 目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会因为接在同一电网上的多种电器的突然开启或者关闭而受到损坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，就是该电流致使半导体激光器损坏，介于这种情况，必须加以克服。因此，驱动电源的输入应该设计成慢启动电路，以防损坏，：左边输入端接稳压后的直流电压，右边为输出端。整个电路的结构可看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1，C1，C2和L2，C6，C7组成。电容C5构成的C型滤波网络及一个时间延迟网络。慢启动输入电压V在开关和闭合的瞬间产生大量的高频成分，经过图中的两个Ⅱ型网络滤出大部分的高频分量，直流以及低频分量则可以顺利地经过。到达电阻R和C组成的时间延迟网络，C2和C4并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。 2.2 恒流源电路的设计 为了使半导体激光器稳定工作，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源驱动，具体电路。 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。 脉冲式激光驱动电源的研究与设计 1.1 引言 二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研项目，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62]。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导体器件公司研制的LD驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型化高速脉冲源著称的A VTECH 公司生产的型号为A VOZ-A1A-B、A V-1011-BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS，重复频率可达1MHz。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。DEI公司的PCO-7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用[64,65]。本章通过分析比对，选取快速开关器件VMOSFET作为半导体激光器脉冲驱动电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下： 1.脉冲宽度最小为30nS且连续可调； 2.脉冲频率在500Hz~50KHz连续可调； 3.最大输出电流峰值为5A。 1.2 超短脉冲驱动电源的设计 1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计 一、脉冲驱动电源的主要技术指标 从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽越来越窄的方向发展[66]。 （1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而把 收稿日期:2003-03-18. 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司2000962号)1 光电器件 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计 邓 军,单江东,张 娜,田小建 (吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023) 摘 要: 介绍了大功率半导体激光器恒流源的设计方法。该恒流源采用功率M OSFET 作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流。实际应用表明该恒流源对激光器安全可靠,输出电流 的短期稳定度达到1×10-5。 关键词: 半导体激光器;恒流源;驱动电路;功率M OSFET 中图分类号: T N245 文献标识码: A 文章编号: 1001-5868(2003)05-0319-02 R esearch and Design of H igh 2pow er Semiconductor Laser Diode Driver DE NGJun ,SH AN Jiang 2dong ,ZH ANG Na ,TI AN X iao 2jian (School of E lectronic Science and E ngineering ,Jilin U niversity ,Ch angchun 130023,CHN ) Abstract : The design of constant 2current supply power for a high 2power semiconductor laser diode is desribed.This constant 2current power supply uses a power M OSFET as the current control device ,and which uses the principle of negative feedback to adjust and stabilize the output current.The practical application indicates that the constant 2current power supply is safe and reliable to the laser diode ,with the short term stability of output current up to 1×10-5. K ey w ords : semiconductor laser diode ;constant 2current power supply ;drive circuit ;power M OSFET 1 引言 半导体激光器不仅具有一般激光器高单色性、 高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,因而被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而,由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击的承受能力很差,微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,这些变化直接危及器件的安全使用,因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求[1]。我们在恒流源的设计过程中,着重考虑了对激光器进行安全有效的保护,如限流问题,防止浪涌冲击问题,延时软启动问题等[2]。 2 驱动器的系统组成与工作原理 恒流源的系统组成框图如图1所示,整体设计方案采用深度负反馈控制原理,直接提供驱动电流电平的有效控制,由此获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性[3] 。 图1 系统方框图 整个恒流源由电压基准电路、电压电流转换电路、保护电路、末级电路和显示电路组成。在这里,我们采用2.5V 的电压基准,该电压基准产生一个稳定的基准电压,并经过适当地放大后送入运放的 《半导体光电》2003年第24卷第5期邓 军等: 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计 用常见的DC/DC芯片做LED恒流驱动电路 近一个月看了很多的广告式的LED驱动的IC介绍,感到毫无新意,即没有把IC做成真正的LED专用驱动,也没有特别的优势.其实每款DC/DC的IC(无论升压或降压)都能接成恒流的LED的驱动,现在分别以KZW3688和CE9908为例介绍一下接法及特点. 1、KZW3688降压IC,其接法如下: 原理非常简单,大家一看便知这里不再赘述;其中R1的值的算法是3.3V/所需电流.上图中接的是2-5只,也可以多路并联使用,并且这里有个问题问大家:C2是否需要呢?看一下下图中的接法: 去掉了C2,并联了一路甚至几路LED串,感到效果如何?有兴趣回答吗? 适合这种接法的电路太多了,除3688外,还有PT1102、1101、lm2596、GA8512、1016、1014、313、1011等任何的降压IC都能接成这样的电路,这种电路的转换效率高达95%以上,但实际使用时效率却是在36%-88%之间,还没有某些针对性的线性的效率高,想一想这是为什么?同时指出:很多恒流电路,把LED驱动电路的效率写成是IC转换的效率,这是不对的,是误导,希望广大工程师注意这些资料里的参数. 2、升压IC,以CE9908为例,接法如下: 原理大家想一想,接法也可以先串联接成串、再把串并起来形成N个支路,在这里我有意先不谈功率因数,只谈效率,这个效率也是在36-88%之间,大家现在明白了吧?在我们心中奉为“高效率”的IC其实际的作用在LED上的效率,一定要实际测量才是. 这两个图只是仅仅说明原理,在使用中应灵活运用,相信大家会掌握更多的技巧,例如用外接MOS管方式直接用低压降压的IC接成220V直接输入的AC/DC方式(类似于9910)、用更低的取样电压(FB端)来提高整个电路的效率、用并联谐振方式结合IC特点、针对性的设计出高效优质的LED驱动电路(这才是最后要走的路呢)等,哈哈祝大家快速成为高手. 我按板子画了一个图 整个电路非常简单,其中,黄色的部分是可去掉的部分,去掉后电路板上从红X点割断了,另附说明可以把R0直接接在目前的点,这时电路正常工作,只是这时没有了过放保护功能;电池是标明用的两节镍氢电池,LED用的是#5普通白灯三只(散光),原板寄来时是带着黄色部分的,我去掉黄色部分,直接把光敏电阻R0接到如图上的红X点,同样可以正常工作,这时电源电压下降到1.5V时(不带过放保护),电路截止. 在正常工作时,输入电流大约在24-26mA之间(随电压不同而改变),我用两节“品胜牌”800mAh镍氢电池,充饱后试验,工作了28小时,电压下降到2.0V,保护电路动作. 唯一的缺点是功率小,光线亮度不够强,每只灯的电流不足8mA,但电路的转换效率很高,而且LED在10mA以下时,发光效率也是最高的(LED的发光效率随工作电流的增大而降低,呈非线性变化),所以他用了三只装DEMO,总的光强比用一只高(用一只的电流强度是用三只时的三倍,理论上总电流基本相等).虽然功率小,但也正适合装饰用的太阳能草坪灯的要求(发光不用太强). 改进方案： 查阅相关文献资料，设计半导体激光器驱动电路，说明设计思路和电路模块的功能 图1 在半导体激光器的设计中，为了便于对光功率进行自动控制，通常激光器内部是将LD 和背向光检测器PD集成在一起的，见图1。其中LD有两个输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光被光电二极管PD接收，所产生的电流用于监控LD的工作状态。背光检测器对LD的功率具有可探测性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。激光器电路的设计框图如图所示，将电源加在一个恒压电路上，得到恒定的电压，再通过一个恒流电路得到恒定的电流以驱动LD工作. 其中恒压电路如图2，由器件XC9226以及一个电感和两个电容组成。XC9226是同步整流型降压DC/DC转换器，工作时的消耗电流为15mA，典型工作效率高达92%，只需单个线圈和两个外部连接电容即可实现稳定的电源和高达500IllA的输出电流。其输出纹波为10mV，固定输出电压在0.9v到4.0V范围内，以loomv的步阶内部编程设定。该电路中，输出的恒定电压设定为2.6v。 图2 恒流电路如图3，主要由LMV358、三极管以及一些电阻和电容共同组成.LMv358是一个低电压低功耗满幅度输出的低电压运放，工作电压在2.7v到5.5v之间。从恒压电路输出的2.6V电压经过Rl、RZ分压后，在LMv35s的同相输入端得到恒定电压Up，Up加在一个电压串联负反馈电路上，得到一个输出电压Uo。Uo再通过一个电阻和电容组成的LR滤波 电路上，得到恒定的直流电压uol，将uol作用在由三极管8050组成的共射级放大电路上，得到恒定的集电极电流Ic，k又通过一个滤波电容得到恒定的直流工作电压。 图3 脉冲激光电源电路原理图 脉冲激光电源的原理方框图如图1所示。它由触发电路、主变换器电路和高压充放电电路等三大部分组成。其电路原理图如图2所示。 图1 脉冲激光电源的原理方框图 图2 脉冲激光电源电路原理图 3 电路的工作原理 3.1 触发电路的工作原理 从图2可以看出，触发电路部分主要是由触发指示电路和触发电路组成，具体由IC1的LBI和LBO端，V1、LED、VD1以及K1和K2来完成，当变换器通过变压器T1、二极管VD2和VD3向电容器充电时，取样电路（由R10、R9、W1、W2、W3、R1组成）将其充电电压值反馈给IC1的LBI与VFB端，一旦电压充到所需的电压值时（大约为1kV左右），这时LBI 端的电压值将大于1.3V，LBO端就会变为高电平，V1导通，LED变亮，指示出电压已充到可以触发的状态。另外取样电路将反馈信号还送入IC1的VFB端，若反馈信号的电压值≥1.3V 时，即刻关断变换器，使高压维持到所需的值上，触发器件由高耐压、大电流的汽车级的晶闸管BT151/800R来担任。 3.2 主变换器的工作原理 主变换器电路主要是由IC1（MAX641/642/643）、变压器T1以及V2等元器件组成的单端反激式升压电路。其电路的核心部分为MAX641/642/643，所以这部分电路的工作原理分析以及MAX641/642/643的技术参数及其应用请查阅文献[1]。这里只给出高频自耦升压变压器的技术资料，以供同行们在制作时参考。铁芯选用4kBEE型铁氧体，骨架选用与铁芯对应配套的EE19型立式骨架，其技术参数如图3所示。 图3 T1变压器的技术参数 3.3 充放电电路的工作原理 充放电电路主要是由电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12、C13、R14、升压变压器T2等组成。当电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12被充到所设定的高压值时，电容C13中的电压也同时被充到所要求的电压值（300V左右），这时闭合K1或K2，晶闸管V3被触发导通，电容C13中所储存的能量通过变压器T2的初级绕组放电，使次级绕组感应出约10kV左右的高压，将激光器中的气体电离。在电离的同时，电容器C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12中所储存的能量将这个电离的过程维持到一定的时间，从而就得了所需的激光脉冲。 4 重要元器件的选择及技术要求 1）储能电容由于储能电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12要在很短的时间内为激光器提供足够大的能量，所以在选择该电容时，除了要求其具有足够高的耐压值（≥350V）以外，还必须要求其具有快速充电和放电的特性，即应选择印有“PHOTOFLASH”的光闪电容。 2）升压变压器升压变压器除了其初级绕组供电容C13放电，以使次级电压升高到10kV 以上外，还要满足当气体被电离以后，通过次级绕组将电容C7∥C10、C8∥C11、C9∥C12 中的能量全部释放给激光器，以便能够激发出很强的激光束来。所以次级绕组既要匝数多，又要电阻很小，同时还要满足耐高压的要求。变压器磁芯选择环形3kB的铁氧体材料，初级绕组选用?1.0的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，次级绕组选用?0.32的聚四氟乙烯镀银高压线绕制，铁芯磁环选用外径35，内径12，厚度10的软磁铁氧体。其技术参数如图4所示。 简单介绍 AMC7135350mA 恒流LED 驱动ic 方案汇总主要包含：1.基本典型应用。2.防反接LED 手电筒电路。3.多颗AMC7135并联驱动700mA~1A 应用。4.高电压输入驱动多颗串接LED 应用。5.通过微控制器控制 RGB 三色LED 灯。6.AMC7135主辅灯可切换的LED 矿灯应用。7.AMC713512V 输入驱动三串多并LED 应用。 AMC7135350mA 恒流LED 驱动ic 方案汇总 概述 AMC7135 堪称一款经典的降压恒流驱动芯片。平实的价格、简单的电路结构及稳定的性能着实让它的使用者们津津乐道。但是除了典型应用AMC7135还可以做更多的事，简单的东西不简单就看大家怎么去发挥它了。技术参数 350mA 恒流输出（电流档位可选） 输出开短路保护 低压差低静态电流 供电范围：2.7V~6V 2KV ESD 先进Bi-CMOS 工艺SOT89和TO252封装 AMC7135应用方案汇总见下（附电路图） 1.典型应用电路无需任何外围器件 2.防电池反接的LED 驱动电路 PACKAGE PIN OUT Supply Voltage V DD GND OUT SOT-89 V DD GND OUT TO-252 (Top View) 3.多颗AMC7135并接驱动700mA~1A 应用 3.多颗AMC7135并接驱动700mA~1A 应用 4.输入12V驱动3颗串接白光LED应用（如负载改为红光LED VF=2V，该应用则可串5颗LED） 5.通过微控制器及on/off装置配合7135实现RGB三色LED亮暗程度的控制。达到多彩混色的功能。 6.矿灯所需的主灯及辅灯可切换照明电路 半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验 进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。 1 脉冲电源的仿真 在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。 脉冲电源仿真 在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出 电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。 根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。 在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。 以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。 2 脉冲电源的设计 从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS V的电压来控制流通IRF530的电流。要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。 图 3-25 基于单片机脉冲电源 恒流案大全 恒流源是电路中广泛使用的一个组件，这里我整理一下比较常见的恒流源的结构和特点。 恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。 最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。 最常用的简易恒流源如图(1) 所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I = Vbe/R1。 这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。 为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图(2)所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。电流计算公式为： I = Vin/R1 这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。 从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式（寒，“定式”好像是围棋术语XD），就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。 最简单的电压基准，就是稳压二极管，利用稳压二极管和一只三极管，可以搭建一个更简易的恒流源。如图(3)所示： 电流计算公式为：I = (Vd-Vbe)/R1 慢启动半导体激光器驱动电源的设计 毛海涛,林咏海,张锦龙,冯 伟,柴秀丽,牛金星,李方正 (河南大学物理与信息光电子学院,河南,开封,475001) 摘 要:根据半导体激光器的光功率与电流的关系,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。设计的电路稳定度达到4 10-4。关键词:半导体激光器;功率增益自动控制电路;驱动电源 中图分类号:T N248 44 文献标识码:A 文章编号:1008 7613(2005)05 0021 03 0 引言 半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、价格低、驱动电源简单且不需要高电压(2.5V )等独特优点。目前,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描等技术领域。在实际应用中,遇到的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升,造成输出光功率的下降。这可能导致激光器永久性的破坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。因此,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有广泛的应用价值。 1 L D 的驱动电流与输出光功率的特性 半导体激光器的结构如图1所示,对一般的半导体激光器来说,激光二极管(L D )是正向接法,光电二极管(P D )是反向接法。P D 受光后转换出的光电流I m 在串联电阻R 2上以电压信号反映出射光功率的大小,如图2所示,因此添加控制电路即可达到 稳定发光功率的目的。 半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如图3所示,为便于分辨,图中底部的近似直线有所抬高。从图3中可以看出,在某一温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P 近似为零,半导体激光器只能发出荧光,当驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并近似呈线性上升关系。2 半导体激光器驱动电路设计 本例以H TL670T5为例,介绍一种半导体激光器稳功率驱动电路。该管输出波长为650nm,额定功率30mW,其工作特性曲线与图3 所示接近。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日光灯等电器的关闭或开启而损坏,这是因为在开关闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流,该电流足以使半导体激光器损坏,必须避免。为此,驱 21 第19卷 第5期新乡师范高等专科学校学报 Vol.19,No.5 2005年9月 JO U RNAL OF X IN XIAN G T EACHERS COL LEGE Sep.2005 收稿日期:2005 04 05. 作者简介:毛海涛(1953 ),男,河南开封市人,河南大学物理与信息电子学院教授,硕士研究生导师,主要从事激光理论 及应用技术方面的研究工作。 电路设计报告 （姓名：_________学号：________） 一、半导体激光器驱动电路 激光二极管广泛用作于光纤通信中的光源，采用恒流驱动方式。电路中，VT 1和VT 2构成恒流源，稳压二极管VD Z 为恒流源提供稳定的基准电压，RP 1限制该电路的电流，RP 2调节最佳工作点。当电流很小时，激光二极管VD 1不发光，光电二极管VD 2检测不到光功率。这时，比较器A 1输出高电平，监视发光二级管LED 不发光显示。调节电路中电流使其超过激光二极管的阈值电平时，激光二极管获得足够大的功率而发光，VD 2中有光电流流过，LED 发光显示。 1 2 3 4 5 6 A B C D 6 5 4 3 2 1 D C B A Tit le N u mb er Rev isio n Size B D ate: 5-A p r-2012Sh eet o f Fil e: E:\ED A\半导体激光器驱动电路.d d b D raw n By 0.1μF 0.1μF 100K Ω 2K Ω 10K Ω 820Ω 200Ω 10K Ω 22Ω 10Ω RP2500Ω RP11K Ω LED 9013 V T1V T2 25C3039 A 1LM339 A 2LM339 V D2 PH OTO 3.6V V Dz V D1 LD V CC V CC TTL 输入 二、半导体激光器温度控制电路 这种驱动电路也可作为热电冷却器TEC 中温度控制电路，如下图。TEC 控制电路是基于比较器A 1的反馈系统。若温度高于设定值， A 1反相输入端电压低于其低阈值电平，A 1输出高电平，通过R 1、VT 1和VT 2驱动TEC 。TEC 电流由VD 1进行限制。当TEC 被驱动导通时，它使激光制冷，A 1反相输入端电压增大到超过其高阈值电平，A 2输出低电平TEC 截止不工作。RP 用于设定温度值。 1 2 3 4 5 6 A B C D 6 5 4 3 2 1 D C B A Tit le N u mb er Rev isio n Size B D ate: 5-A p r-2012Sh eet o f Fil e: E:\ED A\半导体激光器温度控制电路.d d b D raw n By 0.1μF V T2 25C3039V T1 9013 A 1 LM339 20K Ω RP 2.2KΩ R1 10K Ω 12Ω 10K Ω 1MΩ V D 2.7V TEC 热电冷却器 参考书目 [1]何希才．常用电子电路应用365例．电子工业出版社，2006. 其他什么的大家自己写点吧O(∩_∩)O~ 摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。 关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统 1. 引言 随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL三种。WTD光模块通常所用发射光器件为FP和DFB激光器。 2. 半导体激光器 半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。FP 激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。而DFB 激光器则具有较好的信噪比，更窄的光谱线宽，更高的工作速率，出光功率大，因此DFB 激光器多用在长距离、高速率光传输网络中。（2）垂直腔面发射激光器（VCSEL），是近几年才成熟起来的新型商用激光器，有很高的调制效率和很低的制造成本，特别是短波长850nm 的VCSEL，在短距离多模光纤传输系统中现在已经得到非常广泛的应用。 2.1 光电特性 半导体激光器是电流驱动发光器件，只有当激光器驱动电流在门限（阈值）电流以上时，半导体激光器二极管才能产生并持续保持连续的光功率输出，对于高速电流信号的切换操作，一般是将激光器二极管稍微偏置在门限（阈值）电流以上，以避免激光器二极管因开启和关闭所造成的响应时间延迟，从而影响激光器光输出特性。激光器光功率输出依赖于其驱动电流的幅度和将电流信号转换为光信号的效率（激光器斜效率）。激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流th I 随温度的升高而增大，激光器的调制效率（单位调制电流下激光器的出光功率，量纲为mW/mA）随温度的升高而减小。同时激光器的阈值电流th I 还随器件的老化时间而变大，随器件的使用时间而变大。 激光器二极管的阈值电流和斜效率与激光器的结构，制作工艺，制造材料以及工作温度密切相关，随着温度的增加。 激光器二极管的阈值电流th I 定义为激光器发射激光的最小电流，th I 随着温度的升高呈现指数形式增大，下面的等式是th I 关于温度的函数，通过此等式可对激光器阈值电流进行估算： 1 01()*t t th I t I K e =+ （2.1.1） 其中，0I 、1K 和1t 是激光器特定常数，例如，DFB 激光器0I =1.8mA, 1K =3.85mA, 1t =40℃。 激光器斜效率Se （Slope efficiency）定义为激光器输出光功率与输入电流的比值， Se 随着温度的升高呈现指数形式减小，下面的等式是Se 关于温度的函数，通过此等式可对激光器斜效率进行估算： 0()*s t t Se t Se Ks e =? （2.1.2） 同样，以DFB 激光器为例，其典型温度s t ≈40℃，其它两个激光器常数为0Se =0.485mW/mA, Ks =0.033mW/mA。 慢启动半导体激光器驱动电源的设计毛海涛 ,林咏海 ,张锦龙 ,冯伟 ,柴秀丽 ,牛金星 ,李方正 ()河南大学物理与信息光电子学院 ,河南 ,开封 ,475001 摘要 :根据半导体激光器的光功率与电流的关系 ,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使 - 4 用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。设计的电路稳定度达到4 ×10 。 关键词 :半导体激光器 ;功率增益自动控制电路 ;驱动电源 () 文章编号:1008Ο7613 200505Ο0021Ο03 中图分类号 : TN2484?4 文献标识码 :A 0 引言半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如 3 所示 ,为便于分辨 ,图中底部的近似直线有所抬图 () 半导体激光器 L D 具有体积小、重量轻、价格高。从图 3 中可以看出 ,在某一温度下 ,当驱动电流 ( ) 低、驱动电源简单且不需要高电压 2 . 5 V 等独特低于阈值电流时 ,激光器输出光功率 P 近似为零 , 优点。目前 ,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光半导体激光器只能发出荧光 ,当驱动电流高于阈值印刷、激光束扫描等技术领域。在实际应用中 ,遇到时输出激光 ,并且光输出功率随着驱动电流的增大 而迅速增加并近似呈线性上升关系。的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升 ,造成 输出光功率的下降。这可能导致激光器永久性的破 2 半导体激光器驱动电路设计坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。因本例以 H TL 670 T5 为例 ,介绍一种半导体激光 器稳功率驱动电路。该管输出波长为 650 nm ,额定此 ,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有 广泛的应用价值。功率 30 mW ,其工作特性曲线与图 3 所示接近。 1 L 的驱动电流与输出光功率的特性 D 半导体激光器的结构如图 1 所示 ,对一般的半 () 导体激光器来说 , 激光二极管 L 是正向接法 , 光 D ( ) 电二极管 P是反向接法。P受光后转换出的光 D D 电流 I 在串联电阻 R 上以电压信号反映出射光功 m 2 率的大小 ,如图 2 所示 ,因此添加控制电路即可达到 稳定发光功率的目的。 高精度半导体激光器驱动电源系统的设计 0 引言 半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛应用。LD是理想的电子－光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。因此，LD的驱动电流要求非常高，必须是低噪声、稳定度高的恒流源，一般电源很难满足要求。此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器。这里将以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心，实现带有多种保护的双闭环高精度半导体激光驱动电源系统。 1 系统总体设计 恒流源一般采用集成运算放大器和一些分立元器件及单片机构成的“压控恒流源”方法实现，与纯模拟元件构成的恒流源相比，这种方法在恒流精度和线性度上都有明显的提高。但是该方法中单片机是用作显示与控制电压的给定，并未对输出电流实时检测和控制，属于开环控制系统，影响了恒流源的稳定性及精度。该系统由“压控恒流”电路、信号采样和调理电路、保护电路、键盘、LCD显示、RS 232通信接口以及DSP处理器等环节组成，系统结构框图如图1所示。 图1 系统结构框图 通过键盘输入给定，并在LCD上显示，同时经F2812运算处理后输出相应占空比的PWM 信号。PWM经低通滤波器、放大调理后实现D／A变换并作为“压控恒流”模块(V-I Constant Current)的控制电压实现“压控恒流”。F2812实时对输出的电流采样，采样数据经数字滤波、分析处理后与给定电流值相比较，得到差值作为PI调节算法表达式中的输入量，通过PI运算得到控制量Uk来调整PWM的输出实现恒流。 2 系统硬件设计 2.1 直流电源模块实现 中国照明网技术论文·LED照明驱动只占照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的驱动方案主要定位在中高端照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内灯所应用的电源环境有和转换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑。 中国照明网技术论文·LED照明 图：可变电流和可变电压基本电路 中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明分为交流输入和交流输入。交流电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源，现有的可以在保留现有交流的条件下进行设计。针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达，恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。 取代卤素灯之后，LED灯一般做成1W或3W。LED灯与卤素灯相比有两大优势：(1光源比较集中，1W照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电；(2 LED灯的寿命比卤素灯长。 LED灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高。但从长远来看，由于LED灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。220V AC/DC转换器(例如LM5021主要锁定舞台灯和路灯市场。 图2：RFB计算 2. DC/DC转换器 目前，LED手电筒占据了DC/DC转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的LED功率基本上是1W，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3W 手电筒的应用一直还存在一些难点，因为3W LED灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程度上削弱了LED灯体积小的优势。此外，由于3W LED灯的电流高达 700mA，一次充电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供LM3475、LM2623A和 LM3485等方案。 矿灯也是LED灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对LED在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，LED设计行业存在对特种行业的需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切半导体激光器驱动电路设计(精)
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