大功率半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計(jì)方案

近年來(lái),隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展,激光器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。而環(huán)境溫度變化會(huì)直接影響激光器的波長(zhǎng)。把關(guān)鍵元件(如高性能晶振、SAW 濾波器、光放大器、激光二極管) 的本機(jī)溫度限制在窄范圍內(nèi),可以提高電子系統(tǒng)的精度。一般需要將溫度控制在0. 1 ℃內(nèi),激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm 內(nèi) 。文中的設(shè)計(jì)方案能為大功率半導(dǎo)體激光器提供有效支持,最大電流可達(dá)2. 5A。

1 　半導(dǎo)體激光控制器的設(shè)計(jì)

激光控制器由受控恒流源,溫度監(jiān)視及控制電路,主控制器及顯示器構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

1. 1 　受控恒流源：

為了使激光器輸出穩(wěn)定的激光,對(duì)流過(guò)激光器的電流要求非常嚴(yán)格,供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定的恒流源。恒流源可以從0A～2. 5A 之間連續(xù)可調(diào),以適應(yīng)不同規(guī)格的半導(dǎo)體激光器。該恒流源是以大功率的MOS 管為核心,激光器作為負(fù)載與之串聯(lián),通過(guò)控制MOS 管的柵極,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的控制。但MOS 管是非線性器件,難以直接控制,因此必須將其轉(zhuǎn)化為線性控制。

如圖2 所示,在MOS 管串聯(lián)一個(gè)0. 1Ω 的電阻,用于采樣反饋,MOS 管的電流變化范圍是0A～2.

5A ,輸入控制信號(hào)的電壓范圍是0V～5V ,將采樣電阻的電壓放大20 倍正好與輸入電壓匹配。這樣控制電壓0V～5V 與電流0A～2. 5A 之間建立起線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但由于整個(gè)反饋是開(kāi)環(huán)系統(tǒng),十分容易產(chǎn)生自激,因此在采樣電阻連一個(gè)1μF 的電容,破壞自激產(chǎn)生條件、消除自激,并且應(yīng)采用穩(wěn)定的電源以減小電壓波動(dòng)。

1. 2 　溫度檢測(cè)及控制電路

由于溫度對(duì)激光的品質(zhì)有很大影響,在電流恒定的情況下,溫度每升高1 ℃,激光波長(zhǎng)將增加大約0. 1nm ,而且溫度過(guò)高將導(dǎo)致激光器老化甚至損壞。

并且激光器是一個(gè)電靈敏度高、成本昂貴的器件,因此控制器必須提供監(jiān)控、限制和過(guò)載保護(hù)的能力 。

包括:自啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)、熱電制冷器(thermoelectriccooler ,TEC) 電壓、電流和溫度的感測(cè)。異常工作電路停機(jī)以避免激光器元件損壞。值得注意的是:環(huán)境溫度的變化對(duì)激光器的影響,要求控制器具備制冷和制熱的能力。通常為使元件溫度保持穩(wěn)定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內(nèi)。為了提供某種調(diào)整容限,其所選溫度應(yīng)高于所有條件下的環(huán)境溫度。這種方法曾被廣泛采用,特別是用在超穩(wěn)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)中(如恒溫槽控制的晶振) 。但高溫應(yīng)用此方法有如下缺點(diǎn) : 性能(如噪聲因數(shù),速度和壽命)有所降低;環(huán)境溫度處于中間范圍時(shí)調(diào)整器消耗加熱的功率,在環(huán)境溫度處于低端時(shí)需要兩倍大的功率;達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)。

目前采用半導(dǎo)體TEC 來(lái)實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗蛇x擇調(diào)整溫度值處在工作溫度范圍的中間。TEC 可做為熱泵或做為熱源,這取決于電流方向。某些系統(tǒng)(如冰箱和大功率處理器冷卻) 只用TEC 的冷卻特性。另一些應(yīng)用(如晶振和SAW 濾波器) 利用熱流的兩個(gè)模式。并且該控制器是真正雙向的,使溫度從冷端到熱端之間沒(méi)有死區(qū)。TEC 的驅(qū)動(dòng)電路通常采用“H”橋式,由兩個(gè)互補(bǔ)的達(dá)林頓管或MOS 管構(gòu)成。

對(duì)H 橋的驅(qū)動(dòng)宜采用開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式,開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式功耗小、效率高。對(duì)于開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)方式可以使用LTC1923 等專(zhuān)用芯片驅(qū)動(dòng)。其原理如圖3 所示。