發(fā)布時(shí)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，作為泵浦源的半導(dǎo)體激光器可為光信號(hào)放大供應(yīng)充足的能量。光纖放大器常用的泵浦源是波長(zhǎng)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(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)提出了較高的要求[2-4]。本文主要為兩款不同功率等級(jí)的半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)兩路性能穩(wěn)定的恒流源驅(qū)動(dòng)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(guó)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(jìn)口電源維持其穩(wěn)定工作[9-10]。為了降低成本，進(jìn)一步提升LD在便攜場(chǎng)合應(yīng)用度，設(shè)計(jì)一種適用于中小型功率等級(jí)的LD驅(qū)動(dòng)電源已成為業(yè)界的研究重點(diǎn)。隨著研究的進(jìn)一步深入，激光電源的功能除了能夠驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定工作外，還提供了一系列的保護(hù)功能；能夠?qū)崿F(xiàn)與控制系統(tǒng)的信息交互，及時(shí)有效的對(duì)控制系統(tǒng)的指令進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的程序化控制，提高了系統(tǒng)整機(jī)自動(dòng)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(chǎng)合的應(yīng)用[15-17]；因此，目前對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，大部分都以傳統(tǒng)的開關(guān)電源為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，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(hù)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(duì)驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定度、可靠性和工作條件要求非常嚴(yán)苛，輸出電流的波動(dòng)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(dòng)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(guó)和歐盟均已經(jīng)作為強(qiáng)制認(rèn)證的重要指標(biāo)，在國(guó)內(nèi)卻并沒有得到過多的重視，因此研制出符合國(guó)際指標(biāo)的高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動(dòng)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(guó)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(cè)量以及傳感器技術(shù)等工業(yè)場(chǎng)合[24]。半導(dǎo)體激光電源負(fù)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(jìn)行調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)；但LD抗上電沖擊能力非常差，細(xì)微的波動(dòng)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(duì)電源驅(qū)動(dòng)性能要求嚴(yán)苛。高穩(wěn)定性的恒流源的發(fā)展趨勢(shì)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(jí)大；除此之外，對(duì)于恒流源的外形尺寸和布局布線都有越來越嚴(yán)格的規(guī)范，以提升恒流源整體標(biāo)準(zhǔn)，以滿足更大的市場(chǎng)需求。因各方面條件所限，對(duì)于高可靠性、高穩(wěn)定度的泵浦激光器驅(qū)動(dòng)電源的研究，國(guó)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(jì)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(lì)式、光泵式三種激勵(lì)方式所激勵(lì)[43]。其中電注入式的激勵(lì)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(gè)正向偏置的二極管受到正電壓的激勵(lì)，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(gè)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(gè)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(bǔ)光損耗及來自于腔面的輸出損耗，而逐漸增大腔內(nèi)光場(chǎng)。向激光器注入足夠大的電流是實(shí)現(xiàn)上述過程的必要條件，因?yàn)檩^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(dá)到某個(gè)閾值，這時(shí)波長(zhǎng)一定的輸出激光將在腔內(nèi)發(fā)生諧振并且被進(jìn)行放大，從而得到連續(xù)的輸出激光。本課題主要是針對(duì)低紋波、高可靠性的半導(dǎo)體激光電源的研究與設(shè)計(jì)，為了設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)方案分析與對(duì)比

傳統(tǒng)激光電源拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)隨著功率等級(jí)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?fù)浜秃侠淼耐鈬�電路改進(jìn)。常用電源電路的拓?fù)浣Y(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(duì)電源效率要求不高的半導(dǎo)體激光器中。常用的電路拓?fù)淙鐖D2-3 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(dá)到 50%左右[51]。開關(guān)電源的拓?fù)涓鶕?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(duì)傳統(tǒng)激光電源拓?fù)涞姆治隹梢钥闯�，線性電源已廣泛而成熟的應(yīng)用，但傳統(tǒng)線性恒流源會(huì)產(chǎn)生較多的熱量而效率較低，一般只能達(dá)到 35%~60%。對(duì)于像半導(dǎo)體激光器對(duì)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?fù)p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(duì)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(jì).... 12
3.1 BUCK 變換器的工作原理.......12
3.1.1 基本拓?fù)浣Y(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(jì)算.............14
3.2.1 輸出濾波器的設(shè)計(jì)........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(jì).....17
3.4 功率 PCB 板設(shè)計(jì).......... 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(hào)處理設(shè)計(jì).... 29
4.1 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)........29
4.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).............36
第五章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測(cè)試結(jié)果分析...... 38
5.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析............38
5.2 激光電源樣機(jī)設(shè)計(jì)........45

第五章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測(cè)試結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hù)狀態(tài)，電流輸出電流為 0A；電壓降到 0.6V 時(shí)，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(shí)，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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光器正常工作時(shí)所要求的 500m A。圖 5-5 所示為輸出電流為 8A 時(shí)，激光電源開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過程�？梢钥闯觯�當(dāng)總開關(guān)突然開通和關(guān)斷時(shí)，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(cè)放大芯片 AD8226、功率場(chǎng)效應(yīng)管 FDMS8320 和電流濾波器等電路，設(shè)計(jì)了本雙路恒流激光器驅(qū)動(dòng)電源。輸出電流紋波系數(shù)低至 0.083%且動(dòng)態(tài)特性好。通過合理的電路設(shè)計(jì)和器件選型，本電源具有軟啟動(dòng)和限流保護(hù)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(jī)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(dòng)電源的體積。本電源還設(shè)計(jì)了數(shù)字控制模塊，預(yù)留了通信接口，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)電流的設(shè)定，并進(jìn)行故障檢測(cè)與報(bào)警。本電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，體積小，整機(jī)效率高，成本低廉。采用 10W 和 30W 兩種光纖激光器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)運(yùn)行證明，兩路恒流源都能夠滿足光纖激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。本電源還可在過流保護(hù)電路上做進(jìn)一步改進(jìn)。通過實(shí)際驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)還有以下不足點(diǎn)：
1）本文利用了 PWM 控制器設(shè)計(jì)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(duì)高次諧波的抑制只能靠濾波電路設(shè)計(jì)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(jìn)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(hào)處理器的運(yùn)算能力，運(yùn)用先進(jìn)的算法，對(duì)某些容易產(chǎn)生的且比重較大的諧波進(jìn)行提前抑制，進(jìn)而可以簡(jiǎn)化后級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)，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(shí)際設(shè)計(jì)中，通過降低局部的功率密度，對(duì)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(shí)，此方法有一定的局限性，因此在版圖設(shè)計(jì)和布線最優(yōu)化前提下，器件的選型對(duì)電路發(fā)熱也有影響，同時(shí)也要有合理的溫控和散熱方案，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)合理的布局布線設(shè)計(jì)，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(yán)重時(shí)，例如溫度升高，造成采樣電阻的阻值發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)只是針對(duì)采樣電阻的溫漂問題進(jìn)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(duì)電路中的其他元器件還有待考慮。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：98638