一種用于光纖激光器泵浦的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源

摘要：報道一種為光纖激光器泵浦的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源。采用大功率MOS管IRL7833為調(diào)整管，利用集成運(yùn)放的深度負(fù)反饋工作狀態(tài)實現(xiàn)恒流輸出。采用單片機(jī)AT89C51實現(xiàn)PID算法進(jìn)行軟件閉環(huán)控制，以縮短系統(tǒng)的動態(tài)平衡時間，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。給出了限流、延時軟啟動保護(hù)電路。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定度高、實時性好，可以用于光纖激光器泵浦。
關(guān)鍵詞：光纖激光器；恒流源；半導(dǎo)體激光器；泵浦

0 引言
雙包層泵浦光纖激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、光束質(zhì)量好等優(yōu)點，在光通信、高精度激光加工、激光醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。泵浦源是光纖激光器重要的組成結(jié)構(gòu)，為光信號的放大提供能量。泵浦源性能對光纖激光器影響很大，例如泵浦效率、泵浦光帶寬、泵浦源的壽命、尺寸和價格等都直接影響最終器件的性能。與其他激光光源相比，半導(dǎo)體激光器作為泵浦源有很多優(yōu)點：電一光轉(zhuǎn)換效率高、輸出激光波段范圍廣、使用壽命長、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、耗電省、具有直接調(diào)制能力等。光纖激光器泵浦源一般是大功率的半導(dǎo)體激光器，要求驅(qū)動電源能輸出足夠大的電流。同時半導(dǎo)體激光器是靠注入電流而工作的，是一種電流敏感器件，驅(qū)動電流的很小波動不僅會產(chǎn)生激光強(qiáng)度噪聲，還會使輸出激光的波長譜展寬，同時靜電、高壓、浪涌電流以及電網(wǎng)沖擊等都會使半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器性能惡化，壽命減短，甚至造成永久性損壞。因此設(shè)計一種大功率、高穩(wěn)定度、性能可高的驅(qū)動電源是十分必要的。
目前，在國外，對半導(dǎo)體激光器驅(qū)動源的研究已經(jīng)取得了不錯的成果，特別是德國、英國、日本等國家，半導(dǎo)體激光器驅(qū)動源的研究技術(shù)已經(jīng)非常成熟，達(dá)到了很高的水平，并且實現(xiàn)了商品化，但其價格比較昂貴。在國內(nèi)，小功率的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源已有成熟的商品，高重復(fù)頻率、大功率、窄脈沖驅(qū)動電源發(fā)展不成熟，有些技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)到要求，因此對半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源繼續(xù)進(jìn)行研究，不斷完善其性能指標(biāo)，有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
驅(qū)動電源的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)對泵浦半導(dǎo)體激光器的工作電流和安限電流進(jìn)行設(shè)置，通過RS232通信傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)89C52RC進(jìn)行處理，再由DAC轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量，這一模擬量分別作為控恒流源的基準(zhǔn)電壓和安限控制電壓。取樣電路對輸出屯流實時取樣，采樣電壓送到集成運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成一負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，輸出電流由硬件進(jìn)行閉環(huán)控制，保證恒流輸出。同時，采樣電壓經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，與預(yù)設(shè)電壓比較，通過內(nèi)部的PID算法子程序來調(diào)整預(yù)設(shè)電壓，從而形成了軟件閉環(huán)控制。硬件和軟件的雙重閉環(huán)控制大大提高了輸出電流的精確度。采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、上傳，由上位機(jī)對電流進(jìn)行顯示。采樣電流大小接近安限電流時，單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出報警。

可見，理想情況下輸出的電流與輸入電壓是線性關(guān)系，并且電流是穩(wěn)定的。但是由于元器件的不穩(wěn)定性，輸出電流會有波動。電流的穩(wěn)定性受基準(zhǔn)電壓Vr、取樣電阻Rs和反饋網(wǎng)絡(luò)R1和R2的影響。對I0全微分得：

式中α1、α2、α3、α4分別表示基準(zhǔn)電壓、取樣電阻、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中R1和R2對電流穩(wěn)定性的影響。根據(jù)電阻實際取值，α1和α2的值遠(yuǎn)大于α3和α4，所以輸出電流的穩(wěn)定性主要取決于取樣電阻Rs的溫漂和基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。增加Rs的值可以減小取樣電阻溫漂帶來的影響，阻值增加會使采樣電阻的功耗急劇增加，所以取樣電阻Rs選用光頡屯阻TR35(50m Ω，±50 PPM／℃，精度為±0．5％)。調(diào)整管選用大功率MOS管IRL7833，其連續(xù)漏極電流最大值可達(dá)150A，RDS(on)最大值為44mΩ，開啟電壓VGS(th)最大值為2．3V，漏極和源極之間最大電壓VDS為30V。