發(fā)布時間：2016-08-20 06:18

第一章 緒論

1.1引言
光纖放大器無需經(jīng)過光-電-光的復(fù)雜變化過程，而直接對光信號進行放大，作為泵浦源的半導(dǎo)體激光器可為光信號放大供應(yīng)充足的能量。光纖放大器常用的泵浦源是波長為980nm的半導(dǎo)體激光器[1]，由于光纖放大器的放大性能取決于泵浦源的工作性能，因此泵浦源工作需可靠穩(wěn)定，這對其驅(qū)動電源的設(shè)計提出了較高的要求[2-4]。本文主要為兩款不同功率等級的半導(dǎo)體激光器設(shè)計兩路性能穩(wěn)定的恒流源驅(qū)動電路。隨著半導(dǎo)體激光器應(yīng)用愈來愈廣泛，半導(dǎo)體激光電源的研發(fā)受到前所未有的關(guān)注。目前，國內(nèi)并沒有形成太多成熟地相關(guān)產(chǎn)品[5-8]，大量的半導(dǎo)體激光器只能依賴昂貴的進口電源維持其穩(wěn)定工作[9-10]。為了降低成本，進一步提升LD在便攜場合應(yīng)用度，設(shè)計一種適用于中小型功率等級的LD驅(qū)動電源已成為業(yè)界的研究重點。隨著研究的進一步深入，激光電源的功能除了能夠驅(qū)動半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定工作外，還提供了一系列的保護功能；能夠?qū)崿F(xiàn)與控制系統(tǒng)的信息交互，及時有效的對控制系統(tǒng)的指令進行執(zhí)行與反饋，在一定程度上提高了激光電源的智能化水平[11-13]。隨著數(shù)字控制芯片的迅速發(fā)展，利用DSP為核心的控制模塊和相應(yīng)控制軟件即可實現(xiàn)對恒流源的程序化控制，提高了系統(tǒng)整機自動化程度和激光電源的輸出穩(wěn)定性[14]。激光電源的研究與開發(fā)，經(jīng)歷了從線性電源到開關(guān)電源的過渡，傳統(tǒng)的線性電源穩(wěn)定性高，但是工作效率低，通常需要體積龐大的散熱裝置，限制了其在某些場合的應(yīng)用[15-17]；因此，目前對半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的設(shè)計，大部分都以傳統(tǒng)的開關(guān)電源為基礎(chǔ)進行創(chuàng)新改進，但開關(guān)電源在開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率、電流電壓穩(wěn)定度、電磁干擾特性、以及各種安全性保護方面都存在局限性，尤其在開關(guān)頻率和電流穩(wěn)定度方面更是如此。半導(dǎo)體激光器對驅(qū)動電源的穩(wěn)定度、可靠性和工作條件要求非常嚴苛，輸出電流的波動或工作環(huán)境溫度過高等異常因素都直接影響到半導(dǎo)體激光器使用壽命及其輸出功率的穩(wěn)定度[18-20]；半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的電磁兼容也是不容忽視的問題，這可能是導(dǎo)致激光電源輸出不穩(wěn)定的直接因素，電磁兼容水平和轉(zhuǎn)換效率在美國和歐盟均已經(jīng)作為強制認證的重要指標，在國內(nèi)卻并沒有得到過多的重視，因此研制出符合國際指標的高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電源的同樣意義重大[21-23]。
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1.2半導(dǎo)體激光電源的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著電力電子技術(shù)的日益成熟，許多新型電力電子器件和技術(shù)已應(yīng)用到了高穩(wěn)定性的恒流源的研發(fā)中。目前，恒流源廣泛應(yīng)用在激光設(shè)備、電化學(xué)、半導(dǎo)體測量以及傳感器技術(shù)等工業(yè)場合[24]。半導(dǎo)體激光電源負載，即半導(dǎo)體激光器雖然有較小的體積、較輕的重量，較高的轉(zhuǎn)換效率，并且可以直接進行調(diào)制等優(yōu)點；但LD抗上電沖擊能力非常差，細微的波動電流就可能造成其輸出光功率產(chǎn)生極大變化，甚至造成泵浦源永久性損壞，導(dǎo)致其對電源驅(qū)動性能要求嚴苛。高穩(wěn)定性的恒流源的發(fā)展趨勢為：穩(wěn)定性高、功率密度大、可靠性好、體積小、工作頻率高、效率提高、電流等級大；除此之外，對于恒流源的外形尺寸和布局布線都有越來越嚴格的規(guī)范，以提升恒流源整體標準，以滿足更大的市場需求。因各方面條件所限，對于高可靠性、高穩(wěn)定度的泵浦激光器驅(qū)動電源的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了相當(dāng)大的差距。
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第二章 半導(dǎo)體激光電源的設(shè)計考慮

2.1半導(dǎo)體激光器的特性分析
小型半導(dǎo)體激光器的 PN 結(jié)是由直接帶隙的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其主要是由電注入形式、高能電子束激勵式、光泵式三種激勵方式所激勵[43]。其中電注入式的激勵方式是 LD 應(yīng)用最多的一種，其原理是給半導(dǎo)體激光器 PN 結(jié)的兩端加正向電壓，相當(dāng)于一個正向偏置的二極管受到正電壓的激勵，使得 PN 結(jié)平面區(qū)域發(fā)生受激發(fā)射。為了使作為相干輻射光源的半導(dǎo)體激光器輸出激光，需要以下三個條件[44]：（1）建立反向有源區(qū)的載流子分布。（2）需要得到一個相干受激輻射，這樣就必須使受激輻射收到多次反饋以便在光學(xué)諧振腔的內(nèi)部形成激光的振蕩。（3）激光媒質(zhì)的增益要足夠大，這樣便于形成穩(wěn)定的振蕩，在此前提下可以彌補光損耗及來自于腔面的輸出損耗，而逐漸增大腔內(nèi)光場。向激光器注入足夠大的電流是實現(xiàn)上述過程的必要條件，因為較大的注入電流可以引起較大數(shù)量的粒子反轉(zhuǎn)，而反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和增益成正比，當(dāng)注入電流達到某個閾值，這時波長一定的輸出激光將在腔內(nèi)發(fā)生諧振并且被進行放大，從而得到連續(xù)的輸出激光。本課題主要是針對低紋波、高可靠性的半導(dǎo)體激光電源的研究與設(shè)計，為了設(shè)計出應(yīng)用性更好的激光電源，必須要著重考慮半導(dǎo)體激光器的伏安特性。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多樣，但是都是由一個諧振腔和 PN 結(jié)型二極管構(gòu)成，因此當(dāng)半導(dǎo)體激光器在未受激的情況下，其伏安特性和傳統(tǒng)的二極管的伏安特性相似[45]，半導(dǎo)體激光器的等效電路如圖 2-1 所示，其中 D1 為理想的二極管，ZV1 為理想的齊納二極管。
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2.2 傳統(tǒng)激光電源的設(shè)計方案分析與對比

傳統(tǒng)激光電源拓撲的設(shè)計隨著功率等級和輸出電流的不同而有所區(qū)別，但大都是通過已有的電路拓撲和合理的外圍電路改進。常用電源電路的拓撲結(jié)構(gòu)主要是線性電源和開關(guān)電源兩種電路形式[50]。其中，線性電源主要應(yīng)用在功率較小，輸出電流較低，對電源效率要求不高的半導(dǎo)體激光器中。常用的電路拓撲如圖2-3 所示，其原理均利用全控型功率開關(guān)管在其放大區(qū)內(nèi)通過電流反饋來調(diào)整輸出電流。雖然這種電源能夠保證輸出電流的穩(wěn)定性，但是效率低，熱損耗大，且需要體積龐大的散熱設(shè)備，通常工作效率智能達到 50%左右[51]。開關(guān)電源的拓撲根據(jù)電路功能和電路器件的不同分為：Boost 電路、BUCK電路、Buck-Boost 電路、反激式電路、單晶體管反激式電路等，按照不同電路的應(yīng)用范圍不同，列出了上述幾種電路的常用參數(shù)，如表 2-1 所示。通過上述對傳統(tǒng)激光電源拓撲的分析可以看出，線性電源已廣泛而成熟的應(yīng)用，但傳統(tǒng)線性恒流源會產(chǎn)生較多的熱量而效率較低，一般只能達到 35%~60%。對于像半導(dǎo)體激光器對溫度較為敏感的元器件，為了降低溫度，避免半導(dǎo)體激光器過溫損壞，需要體積龐大的散熱片，因此線性電源通常體積大而笨重。因此線性電源主要應(yīng)用在小功率的半導(dǎo)體激光器，其輸出的功率一般不超過 3W，工作電壓小于 2V，對驅(qū)動電流的穩(wěn)定度要求較高，，工作電流一般 0A~3A 之間連續(xù)可調(diào)。因此，線性激光電源的應(yīng)用場合受到很大限制。

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第三章 半導(dǎo)體激光電源電路的硬件設(shè)計.... 12
3.1 BUCK 變換器的工作原理.......12
3.1.1 基本拓撲結(jié)構(gòu).....12
3.1.2 同步 BUCK 變換器的 PWM 控制電路....13
3.2 關(guān)鍵器件的選型與參數(shù)計算.............14
3.2.1 輸出濾波器的設(shè)計........14
3.2.2 SR-BUCK 開關(guān)管的選型....... 16
3.3 半導(dǎo)體激光電源主功率電路設(shè)計.....17
3.4 功率 PCB 板設(shè)計.......... 26
3.5 電路板 EMC 的分析與抑制....27
第四章 半導(dǎo)體激光電源的信號處理設(shè)計.... 29
4.1 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計........29
4.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計.............36
第五章 系統(tǒng)實驗平臺的搭建與測試結(jié)果分析...... 38
5.1 實驗測試及分析............38
5.2 激光電源樣機設(shè)計........45

第五章 系統(tǒng)實驗平臺的搭建與測試結(jié)果分析

5.1 實驗測試及分析
如圖 5-1 通道 1 為恒流源的參考電壓，通道 2 為輸出電流的暫態(tài)波形。上電初始，參考電壓為 0.7V（大于設(shè)定值 0.6V），芯片 TPS40304 處于保護狀態(tài)，電流輸出電流為 0A；電壓降到 0.6V 時，初始輸出電流為 0 A，隨著參考電壓逐漸下降，電流上升，參考電壓穩(wěn)定在 0.4V 左右時，輸出電流穩(wěn)定在 8 A。圖 5-4 中通道 3 為恒流源的參考電壓，可以看出參考電壓在 600m V 動態(tài)平衡，表明輸出電流保持穩(wěn)定，通道 2 為恒流源 1 輸出電流穩(wěn)定在 8A 的狀態(tài)下，輸出電流交流紋波，由圖可以看出交流紋波峰峰值僅為 20m A，遠遠小于激光器正常工作時所要求的 500m A。圖 5-5 所示為輸出電流為 8A 時，激光電源開通和關(guān)斷的動態(tài)過程�？梢钥闯�，當(dāng)總開關(guān)突然開通和關(guān)斷時，恒流源 I 沒有出現(xiàn)電流浪涌或關(guān)斷電流尖峰；說明恒流源工作可靠性好，有效保證半導(dǎo)體激光器的正常工作，避免了因突然掉電造成浪涌擊穿的現(xiàn)象發(fā)生。
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總結(jié)

通過利用同步降壓開關(guān)控制芯片 TPS40304、高精度采樣電阻、電壓檢測放大芯片 AD8226、功率場效應(yīng)管 FDMS8320 和電流濾波器等電路，設(shè)計了本雙路恒流激光器驅(qū)動電源。輸出電流紋波系數(shù)低至 0.083%且動態(tài)特性好。通過合理的電路設(shè)計和器件選型，本電源具有軟啟動和限流保護的功能，避免了浪涌擊穿和過電流導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器擊穿。合理的 PCB 布局，提高了系統(tǒng)的功率密度和整機效率，電路板發(fā)熱小，無需額外的散熱裝置，大大減小了驅(qū)動電源的體積。本電源還設(shè)計了數(shù)字控制模塊，預(yù)留了通信接口，可以實現(xiàn)上位機對電流的設(shè)定，并進行故障檢測與報警。本電源結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，體積小，整機效率高，成本低廉。采用 10W 和 30W 兩種光纖激光器經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和長時間實驗運行證明，兩路恒流源都能夠滿足光纖激光器對驅(qū)動電路的要求。本電源還可在過流保護電路上做進一步改進。通過實際驗證，本設(shè)計還有以下不足點：
1）本文利用了 PWM 控制器設(shè)計的恒流源，不僅調(diào)試復(fù)雜，而且輸出電流的穩(wěn)定度和對高次諧波的抑制只能靠濾波電路設(shè)計的是否合理決定。這種做法限制了控制理論的應(yīng)用，從側(cè)面講，也在一定程度上限制了激光電源的進一步發(fā)展，因此下一步的研究方向是充分應(yīng)用數(shù)字信號處理器的運算能力，運用先進的算法，對某些容易產(chǎn)生的且比重較大的諧波進行提前抑制，進而可以簡化后級濾波器的設(shè)計，減小諧波污染，提高激光電源數(shù)字控制能力和穩(wěn)定性。
2）抑制激光電源發(fā)熱；在實際設(shè)計中，通過降低局部的功率密度，對于整體溫度系數(shù)的降低有積極的作用，但在產(chǎn)品有尺寸限制時，此方法有一定的局限性，因此在版圖設(shè)計和布線最優(yōu)化前提下，器件的選型對電路發(fā)熱也有影響，同時也要有合理的溫控和散熱方案，本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)合理的布局布線設(shè)計，但是一些發(fā)熱器件的局部散熱問題受電源體積的影響，沒有提出非常合理的解決方案。
3）降低溫漂：溫漂嚴重時，例如溫度升高，造成采樣電阻的阻值發(fā)生變化，就會導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的不穩(wěn)定。本設(shè)計只是針對采樣電阻的溫漂問題進行解決，提出了利用正反溫度系數(shù)的采樣電阻并聯(lián)還減小溫漂，但是對電路中的其他元器件還有待考慮。
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參考文獻(略)

本文編號：98638