一种用于光纤激光器泵浦的半导体激光器驱动电源

摘要：报道一种为光纤激光器泵浦的半导体激光器驱动电源。采用大功率MOS管IRL7833为调整管，利用集成运放的深度负反馈工作状态实现恒流输出。采用单片机AT89C51实现PID算法进行软件闭环控制，以缩短系统的动态平衡时间，进一步提高系统的稳定性。给出了限流、延时软启动保护电路。经实验验证，系统稳定度高、实时性好，可以用于光纤激光器泵浦。
关键词：光纤激光器；恒流源；半导体激光器；泵浦

0 引言
双包层泵浦光纤激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长、光束质量好等优点，在光通信、高精度激光加工、激光医疗以及军事等领域有着广泛的应用。泵浦源是光纤激光器重要的组成结构，为光信号的放大提供能量。泵浦源性能对光纤激光器影响很大，例如泵浦效率、泵浦光带宽、泵浦源的寿命、尺寸和价格等都直接影响最终器件的性能。与其他激光光源相比，半导体激光器作为泵浦源有很多优点：电一光转换效率高、输出激光波段范围广、使用寿命长、可靠性高、体积小、质量轻、价格便宜、耗电省、具有直接调制能力等。光纤激光器泵浦源一般是大功率的半导体激光器，要求驱动电源能输出足够大的电流。同时半导体激光器是靠注入电流而工作的，是一种电流敏感器件，驱动电流的很小波动不仅会产生激光强度噪声，还会使输出激光的波长谱展宽，同时静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等都会使半导体激光器半导体激光器性能恶化，寿命减短，甚至造成永久性损坏。因此设计一种大功率、高稳定度、性能可高的驱动电源是十分必要的。
目前，在国外，对半导体激光器驱动源的研究已经取得了不错的成果，特别是德国、英国、日本等国家，半导体激光器驱动源的研究技术已经非常成熟，达到了很高的水平，并且实现了商品化，但其价格比较昂贵。在国内，小功率的半导体激光器驱动电源已有成熟的商品，高重复频率、大功率、窄脉冲驱动电源发展不成熟，有些技术指标难以达到要求，因此对半导体激光器驱动电源继续进行研究，不断完善其性能指标，有十分重要的意义。

1 系统整体结构
驱动电源的整体结构如图1所示，上位机对泵浦半导体激光器的工作电流和安限电流进行设置，通过RS232通信传输到单片机，单片机89C52RC进行处理，再由DAC转换成对应的模拟量，这一模拟量分别作为控恒流源的基准电压和安限控制电压。取样电路对输出屯流实时取样，采样电压送到集成运放的反相输入端，构成一负反馈网络，输出电流由硬件进行闭环控制，保证恒流输出。同时，采样电压经ADC转换后输入单片机，与预设电压比较，通过内部的PID算法子程序来调整预设电压，从而形成了软件闭环控制。硬件和软件的双重闭环控制大大提高了输出电流的精确度。采样数据进行存储、上传，由上位机对电流进行显示。采样电流大小接近安限电流时，单片机控制蜂鸣器发出报警。

可见，理想情况下输出的电流与输入电压是线性关系，并且电流是稳定的。但是由于元器件的不稳定性，输出电流会有波动。电流的稳定性受基准电压Vr、取样电阻Rs和反馈网络R1和R2的影响。对I0全微分得：

式中α1、α2、α3、α4分别表示基准电压、取样电阻、负反馈网络中R1和R2对电流稳定性的影响。根据电阻实际取值，α1和α2的值远大于α3和α4，所以输出电流的稳定性主要取决于取样电阻Rs的温漂和基准电压的稳定性。增加Rs的值可以减小取样电阻温漂带来的影响，阻值增加会使采样电阻的功耗急剧增加，所以取样电阻Rs选用光颉屯阻TR35(50m Ω，±50 PPM／℃，精度为±0．5％)。调整管选用大功率MOS管IRL7833，其连续漏极电流最大值可达150A，RDS(on)最大值为44mΩ，开启电压VGS(th)最大值为2．3V，漏极和源极之间最大电压VDS为30V。[p]
和半导体激光器并联的二极管用于吸收反向电流，防止半导体激光器被反向击穿。

2．2 保护电路
在正常的工作环境之下，半导体激光器寿命能达数十万乃至百万小时，但不适当的工作环节会造成半导体激光器性能恶化，寿命减短。统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。为光纤激光器泵浦的半导体激光器为大功率半导体激光器，价格相对较高，因此非常有必要设计保护电路。
设计了软件限流保护电路和硬件保护电路。取样电流送入单片机，由单片机判断是否超过安限电流，若超过，单片机立刻使设置的工作电流置零，同时报警。硬件限流保护电路如图3所示。若采样电流在安限范围内，MOS管工作在全导通状态；超过安限电流，MOS管工作在截止状态，关断流过电流，以防止过大的电流损害半导体激光器。

对半导体激光器的延时软启动保护是通过单片机软件实现的，这样可以简化硬件电路，也可以减小外界干扰对电路的影响。当上电时，单片机输出一启动控制信号，使高速开关Q1(图2所示)处于导通状态，这时输入电压被置零，延时2．5s后启动控制信号由高电平逐渐变为零，开关管Q1缓缓关断，输入的电压从0软起到预设值，整个过程为4．5s。
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3 软件设计
系统软件主程序流程如图4所示，上电后复位，进行初始化，然后调显示子程序，用于显示安限电流和实际输出电流的大小。外部中断0和外部中断1分别对应安限电流设置按钮和输出电流设置按钮，按键扫描子程序用来判断是否有按键按下。若无键按下，则循环调用显示程序：若有键按下，则调相应的按键功能程序，计算出相应的电流值大小，然后调用显示子程序。对输出电流的PID算法软件闭环控制子程序如图5所示。当采样电流和设置电流的偏差大于10mA时，采用PD算法，这样可以加快响应时间，快速跟踪设定值：当偏差值小于10mA时，采用PID算法，消除控制误差，减小震荡；当偏差小于1mA时，保持不变，防止系统震荡，增强系统的稳定性。

稳定度=1．366×10-4，稳定度较高，符合设计要求。

给图2中Q1加入频率为1k的开关控制信号时，电源工作在脉冲状态下，模拟负载两端的电压波形如图7所示：电流没有过冲，上升时间为14．854 μs，下降时间为1．777 μs，速度较快，符合要求。

5 结论
所设计的半导体激光器驱动电路有过流、软启动、抗击浪涌保护功能，基于PID算法的内部软件闭环控制与外部硬件电路负反馈闭环控制的设计，大大提高了系统的稳定性。同时以单片机为主控芯片，实现了恒流源数控、数采和电流实时显示功能。本电源可以为用于泵浦光纤激光器的激光二极管注入恒定的工作电流。