第 8 卷 第 4 期 信 息 与 电 子 工 程 Vo1．8，No．4 2010 年 8 月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Aug．，2010 文章编号：1672-2892(2010)04-0441-04 大功率半导体激光器驱动电路 马良柱，宋志强，刘统玉，王 昌，陈汝波 (山东科学院激光研究所 山东省光纤传感器重点实验室，山东 济南 250014) 摘 要：为实现 30 W 连续掺 Yb 光纤激光器，设计一种大功率(10 A)半导体激光器(LD)的驱动 电路，该恒流源电路采用功率场效应管作电流控制元件，运用负反馈原理稳定输出电流，正向电 流 0 A~10 A 连续可调，纹波峰值为 10 mV，输出电流的短期稳定度达到 1×10-5，具有过流保护、 防浪涌冲击的功能。实际应用在 30 W 连续掺 Yb 光纤激光器中，结果表明该驱动电路工作安全可靠。 关键词：半导体激光器；驱动电路；场效应管 中图分类号：TN248 文献标识码：A Power driving circuit of Laser Diode MA Liang-zhu，SONG Zhi-qiang，LIU Tong-yu，WANG Chang，CHEN Ru-bo (Shandong key laboratory of optic fiber sensing，Laser Institute，Shandong Academy of Sciences，Tsinan Shandong 250014，China) Abstract：This paper introduces a power driving circuit for Laser Diode(LD). It adopts power Metal- Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET) as adjust device，and apply current negative feedback to ensure constant current output. The output current is a forward current adjustable in 0 A–10 A range with ripple less than 10 mV，whose short-term stability has reached 1×10-5. This circuit also bears functions including maximum current，surge current limitation and slow start. It has been applied as pump source for a Yb doped optic fiber laser，and the experimental results has proved its reliability and safety. Key words：Laser Diode；driving circuit；Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 半导体激光器(LD)具有尺寸小、重量轻和低电压驱动、直接调制等特点，还具有高单色性、高相干性、高方 向性和准直性的优良特性，广泛应用于国防、科研、医疗、光通信和光传感等领域 [1]。LD 是一种功率密度较高 并具有高量子效率的器件，微小的电流将导致光功率输出变化和器件参数(如波长、噪声性能、模式跳动)的变化， 驱动电路的任务是为 LD 提供一个低纹波的稳恒电流，线性恒流源驱动电路结构简单，元器件少，工作稳定，不 易失效，无高频开关噪音干扰，缺点在于 MOSFET 和工作电压工作于线性区，热损耗较大，实际使用时须加装 散热器。 1 驱动电路的组成 LD 是依靠载流子直接注入而工作的器件， 注 入 电 流 的 稳 定 性 对 激 光 器 的 输 出 有 直 接 影 响。工作温度的变化同样影响 LD 的输出波长、 阈值电流和输出光功率等参数。浪涌冲击、静 电击穿、正向过流等因素都容易损坏激光器。 LD 驱动电路的任务是为 LD 提供一个纹波小， 毛刺少的稳恒电流，同时需要考虑 LD 的工作安 全性[1]。LD 的驱动电路是一个带保护功能的串 联式恒流源电路，结构见图 1，它包括 5 个部分： VCC LD cooling unit over current protection voltage reference error amplifier MOSFET negative feedback sampling resistor Fig.1 Block diagram of driving circuit 图 1 驱动电路结构框图 收稿日期：2009-10-21；修回日期：2010-03-21 基金项目：山东省科技攻关项目“大功率光纤激光器工程化(20080102)” 

442 信 息 与 电 子 工 程 第 8 卷 基准电压、误差放大器(Error Amplifier，EA)、LD 回路、过流保护单元和制冷单元。 1.1 基准电压 基准电压的作用是为误差放大器(EA)提供高精密度、低温漂的电压参考。TL431 作为电压参考，利用集成电 路具有温度漂移极小和电压精密度高的特点，性价比高。设定其工作电流为 5 mA，提供 2.5 V 的电压基准，然 后通过电阻分压的方式送误差放大器同相端[2]。 1.2 误差放大器 EA 作用是驱动 MOSFET，使流经负载的电流为一个稳恒电流，误差放大器选用单电源工作的通用型运放[3]， 补偿环节由 RC 单极点网络构成，1 kΩ 电阻和 1 μF 电容构成串联 RC，有选频作用，会使反馈变慢，增加系统的 稳定性，误差放大器直流增益为运放开环增益，反相端电压跟随同相端电压，同时反相端输入取样自 LD 电流回 路，形成闭环负反馈控制 [4]。 1.3 LD 电流回路 LD 电流回路是指从电源流经负载、调整管和取样电阻的回路，见图 2，不同于 EA 和电压参考部分的是此回 路电流大(10 A)，且要求电流毛刺少和连续可调，电源经过蓝绿环形铁粉芯电感滤波后到 LD，然后经调整管漏 极 D 和源极 S 经取样电阻到地。为减小热损耗，在保证极间反压足够的情况下，尽量选择导通电阻小的管子。 在回路电流较大的情况下，可采用多只管子并联均流的方法[5]， 由于 MOSFET 具有正温度系数，可以自动均衡电流，不会产生 过热点，采用多只 MOSFET 并联的方法可以减小失效的几率， 同时减小 MOSFET 工作时的电流应力和热损耗[6]。取样电阻应 选择功率大，精密度高，阻值小的电阻。在此电路中，MOSFET 选用 IRF3205，取样电阻为 0.1 Ω/10 W。 图 2 LD 回路示意 Fig.2 LD branch diagram VCC LC filtering MOSFET sampling EA 1.4 过流保护单元 过流保护单元的作用是当监测到 LD 回路电流大于一定值时，启动将 LD 回路电流减小为零，防止因调整管击穿或其他原因造成的 LD 回路电流 超限，以保证激光器安全工作。它的组成有多种形式，本文介绍一种利用 继电器互锁原理工作的过流保护电路，见图 3。它由电压比较器和三极管 及 1 个 2 组触点的继电器组成，反相端参考电压设定保护门槛电流，在此 设置为 1 V，即 LD 回路电流大于 10 A 时保护单元开始动作，过流之后比 较器输出高电平，第 1 组触点动作使得调整管栅极不再有驱动电压以致关 断，LD 回路电流降为零，第 2 组触点动作后动触点连接到地，将第 1 组 触点的状态锁住，防止电压比较器输出电平变低带来的振荡现象。排查完 故障后，通过闭合常闭开关 K 恢复电路的正常工作[7]。 1.5 制冷单元 半导体激光器发光效率与温度密切相关，温度升高时效率降 低，导致发光功率进一步下降，效率下降又导致温度再升高，因 此制冷部分是必要的。由于本实验关心的是泵浦功率的大小，所 以采用结构简单的单向制冷电路即可，结构见图 4，当 LD 管芯 温度超限时开始制冷，制冷温度设定在 25℃。 2 实验 VCC coil junction 1 junction 2 reference sampling voltage comparator transistor Fig.3 Over current protection circuit 图 3 过流保护单元 VCC TEC temp setting bridge PID amplifier MOSFET monitor resistor Fig.4 LD cooling unit 图 4 LD 制冷单元 本实验中 LD 为 BOOKHAM 公司的 BMU8-915-02-R，它作为某一掺 Yb 光纤激光器的泵浦源，其 U–I 特性 见图 5，阈值电流为 500 mA，正向极限电流为 11 A，由 U–I 曲线可知动态内阻约为 0.22 Ω，电源采用 15 V/150 W 开关电源，空载纹波峰值为 20 mV。 

第 4 期 马良柱等：大功率半导体激光器驱动电路 443 2.0 2.1 单只 LD 驱动 单只 LD 驱动电路采用 5 V 和 12 V 双组输出的电源供 电，其中误差放大器供电电压采用 12 V。LD 回路和制冷单 元采用 5 V 供电，鉴于恒流源电路的调整管功耗较高，工作 时加装 100 mm×65 mm×20 mm 铝散热器一块。驱动电路 实物见图 6，可实现驱动电流 0 A~10 A 平稳连续可调，纹波 Vp-p≤20 mV，调整参考电压可以调整负载电流，强制风冷方 式使 LD 工作温度不超过 40℃，实测单只 LD 的 P–I 曲线见 图 7，排除温度因素与出厂测试报告基本一致，说明本驱动 电路安全可用，负载电流纹波见图 8。 2.2 多只 LD 驱动 / V U 1.5 1.0 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I/A Fig.5 U–I curve of LD 图 5 LD 的 U–I 特性曲线 Fig.6 Fabricated driving circuit 图 6 驱动电路实物图 Fig.8 Printscreen of LD current ripple 图 8 LD 电流纹波照片 8 6 4 2 W P 0 2 4 6 8 I/A Fig.7 P–I curve of single LD 图 7 单只 LD P–I 曲线 实验了 7 只 LD 的串联驱动，采用 15 V/150 W 单输出的电源供电，实验所得结果与单只相同，7 只 LD 串联 驱动的 P–I 曲线与预测基本吻合，输出功率在 9.5 A 驱动电流下在光纤合束器输出端可达 61 W。 2.3 应注意的问题 1) LD 两端反并肖特基二极管钳位电压，防止反向尖峰电压损坏 LD 管芯，同时并联小容量瓷片电容防止高 频电流毛刺损坏管芯； 2) 在多只 LD 串联驱动时，须防止 EA 输出过高导致 MOSFET 完全导通而使电路失去恒流的功能[8]。 3 结论 本文介绍了一种大功率 LD 线性驱动电路，该恒流源电路采用功率 MOSFET 作电流控制元件，运用负反馈 原理稳定输出电流。该电路实际应用于 30 W 掺 Yb 光纤激光器的泵浦源，最终在 1 064 nm 处得到 31 W 的光功 率输出，光功率波动小于 1%，表明此驱动电路工作稳定可靠。 致谢：感谢电源网友 xzszrs 和 qs7785yj 给予的指点和帮助！ 参考文献： [ 1 ] 王玉田,王莉田,郭增军,等. 光电子学与光纤传感技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2003. [ 2 ] 张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京:电子工业出版社, 2004. [ 3 ] 容格. 集成运算放大器应用手册[M]. 北京:世界图书出版社, 1990. [ 4 ] 杨素行. 模拟电子技术基础[M]. 北京:高等教育出版社, 2000. [ 5 ] 高继坤,杨焕明. 运算放大器应用电路的分析[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1989. [ 6 ] 马良柱,常军,刘统玉. 基于光纤耦合器的声发射传感器[J]. 应用光学, 2008,29(6):990-994. [ 7 ] Marty Brown. 开关电源指南[M]. 北京:机械工业出版社, 2002. [ 8 ] 马良柱,霍佃恒. 半导体 DFB 激光器温控电路[J]. 信息与电子工程, 2009,7(5):443-446. (下转第 446 页)