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半導(dǎo)體激光器電源設(shè)計技術(shù)匯總

鉅大LARGE  |  點擊量:1421次  |  2020年06月18日  

自從激光被發(fā)明以后,各種的應(yīng)用隨即發(fā)展起來,但真正能應(yīng)用在消費(fèi)性電子產(chǎn)品是在半導(dǎo)體激光(或稱激光二極體,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(dǎo)體激光具有輕巧、電光轉(zhuǎn)換效益高、低消耗功率、壽命長、及易由電流來控制其光輸出功率、且調(diào)制頻率可達(dá)10GHz以上等特性。這些特性使它可廣泛應(yīng)用于資訊處理、光纖通訊、家電用品等民生消費(fèi)電子產(chǎn)品上,未來半導(dǎo)體激光將帶動另一波的光電消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)。以下介紹半導(dǎo)體激光器在電源設(shè)計中的一些方法。


1.半導(dǎo)體激光管LD的電源設(shè)計


半導(dǎo)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。在工作點時,小電壓變化會導(dǎo)致激光管電流變化較大。此外電流紋波過大也會使得激光器輸出不穩(wěn)定。二極管激光器對它的驅(qū)動電源有十分嚴(yán)格的要求;輸出的直流電流要高、電流穩(wěn)定及低紋波系數(shù)、高功率因數(shù)等。隨著激光器的輸出功率不斷加大,要高性能大電流的穩(wěn)流電源來驅(qū)動。為了保證半導(dǎo)體激光器正常工作,要對其驅(qū)動電源進(jìn)行合理設(shè)計。并且隨著高頻、低開關(guān)阻抗的MOSFET技術(shù)的發(fā)展,采用以MOSFET為核心的開關(guān)電源出現(xiàn),開關(guān)電源在輸出大電流時,紋波過大的問題得到了解決。


系統(tǒng)構(gòu)成


裝置輸入電壓為24V,輸出最大電流為20A,根據(jù)串聯(lián)激光管的數(shù)量輸出不同電壓。假如采用交流供電,前端應(yīng)該采用AC/DC作相應(yīng)的變換。該裝置重要部分為同步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(dǎo)通寬度決定輸出電壓大小,快恢復(fù)二極管和VM2共同續(xù)流電路,整流管的導(dǎo)通損耗占據(jù)最重要的部分,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,通過脈沖發(fā)生器出現(xiàn)相應(yīng)的脈寬,保持負(fù)載電流穩(wěn)定。VM1關(guān)斷,快恢復(fù)二極管工作,快恢復(fù)二極管通態(tài)損耗大,VM2接著開通續(xù)流,減少系統(tǒng)損耗。


2.半導(dǎo)體激光器的開關(guān)電源紋波抑制研究


本文提出開關(guān)電源紋波的含義,分析開關(guān)電源紋波出現(xiàn)的原因,并提出幾種抑制紋波的方法。最后針對一款特殊開關(guān)電源,論述了開關(guān)電源的輸出穩(wěn)定性問題。該電源輸出電流為10A,輸出電壓為12V,重要用于驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。為減小輸出電流紋波,提高激光功率穩(wěn)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(shè)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。通過實驗驗證該方法可以使紋波系數(shù)保持在1%,使得性能有所提高。


近年來,開關(guān)電源以其體積小,重量輕,效率高等優(yōu)點,在工程領(lǐng)域、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科學(xué)研究等方面有著越來越廣泛的應(yīng)用。本文著重解決一款能輸出10A電流12V電壓的特殊恒流源的紋波抑制問題,專門用于大功率的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動。該激光器需求高穩(wěn)定的光功率輸出,激光器輸出光功率的穩(wěn)定性是一個重要參數(shù),半導(dǎo)體激光器的光功率穩(wěn)定性重要表現(xiàn)在輸入電流的穩(wěn)定性,輸入電流的紋波越小光功率穩(wěn)定性越好。目前,解決開關(guān)電源紋波的方法有若干種,各有其優(yōu)缺點,由于輸出電流是10A的大電流,一般的方法不能適用。本文通過比較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。


紋波出現(xiàn)原因分析


通常開關(guān)電源把電網(wǎng)供應(yīng)的交流電經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,開關(guān)管的高速開通和關(guān)斷,就會引起輸出電壓的波動,在輸出回路中的快恢復(fù)二極管和電感也會引起輸出電壓的波動。這些高頻低頻的波動總和就形成了輸出的紋波,包括電壓紋波和電流紋波。


開關(guān)電源中紋波的來源有很多原因,其中MOS管開通關(guān)斷所出現(xiàn)的紋波是重要原因之一。當(dāng)開關(guān)管開通關(guān)斷時都會有一個上升時間和下降時間,這時就會在電路中引起一個同頻率的噪聲。輸出回路上的電感也會隨著充電放電出現(xiàn)一個噪聲,同時也會有漏感出現(xiàn)。在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間,元器件的引腳之間還會存在各種寄生電感,這些寄生電感會遵循如下公式出現(xiàn)變化。


3.高亮度半導(dǎo)體激光器拓展新波長


半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷發(fā)展使其應(yīng)用日益廣泛,同時越來越多的應(yīng)用都要求半導(dǎo)體激光器簡單易用,這使光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊廣受青睞。為了更好地滿足應(yīng)用需求,在設(shè)計高亮度半導(dǎo)體激光器模塊時,必須要考慮一些重要的設(shè)計規(guī)則,特別是當(dāng)這些模塊的輸出波長為非標(biāo)準(zhǔn)波長時。這些設(shè)計考量重要涉及以下幾方面:


原則上,最低衍射極限光束參數(shù)乘積(Bpp)與波長成正比,也就是說,隨著波長(λ)的新增激光打標(biāo)機(jī),光束質(zhì)量會逐漸變差。光纖耦合模塊要一個特定的光束參數(shù)乘積,這意味著可以耦合到一根光纖中的發(fā)射體(emitter)的數(shù)量,會隨著波長的平方因子(λ-2)而減少。例如,在1940nm時可以耦合到指定纖芯中的發(fā)射體的數(shù)量,要比在970nm時減少4倍。


通常慢軸發(fā)散角會隨著波長的新增而新增,這意味著慢軸準(zhǔn)直透鏡(SAC)的焦距必須合適,以防止由于SAC造成的能量損失。


關(guān)于輸出非標(biāo)準(zhǔn)波長的半導(dǎo)體激光器巴條,其快軸方向的發(fā)散角可達(dá)到90°,因此要使用具有高數(shù)值孔徑和高質(zhì)量的快速軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)。


必須要考慮光學(xué)元件自身的損耗。特別是當(dāng)波長超過2200nm時,由于羥基(OH)伸縮會導(dǎo)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(biāo)機(jī),都會發(fā)生這種水吸收現(xiàn)象。


表1給出了各種光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊(見圖1)所能實現(xiàn)的輸出功率。


4.高功率半導(dǎo)體激光器的波長穩(wěn)定技術(shù)


高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)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(yīng)用。盡管高功率半導(dǎo)體具備轉(zhuǎn)換效率高、功率高、可靠性強(qiáng)、壽命長、體積小以及成本低等諸多優(yōu)點,但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。半導(dǎo)體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3~6nm,而且峰值波長會受工作電流和工作溫度的影響而發(fā)生漂移。

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