中心議題：

• 半導體激光器損壞機理分析
• 半導體激光器保護電路特點及設計原理

解決方案：

• 限流電路設計
• 浪湧吸收電路及慢啟動電路設計

1  引言

半導體激光器（LD）具有體積小、重量輕、轉換效率高、工作壽命長等優點
，在工業、軍事
、醫療等領域得到了廣泛應用。LD是以電流注入作為激勵方式的一種激光器，其使用壽命、工作特性在很大程度上取決於所用驅動電源的性能好壞。

設計一個符合LD技術要求、性能穩定
、工作可靠的驅動電源是十分必要的。近年來

，有不少科研單位研究開發了一係列LD用電流源，保證了LD的正常工作。

半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)性(xing)質(zhi)決(jue)定(ding)其(qi)抗(kang)浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)能(neng)力(li)差(cha)，這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)的(de)穩(wen)定(ding)度(du)高(gao)，浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)小(xiao)
，因(yin)此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)中(zhong)需(xu)要(yao)各(ge)種(zhong)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)以(yi)滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)要(yao)求(qiu)。通(tong)常(chang)用(yong)慢(man)啟(qi)動(dong)電(dian)路(lu)
、TVS（瞬態抑製器）吸收電路、限流電路等來防止浪湧衝擊及電流過大。但大功率半導體激光器的工作電流較大，並且半導體激光器比較脆弱，傳統的慢啟動電路、TVS吸xi收shou電dian路lu不bu能neng很hen好hao地di滿man足zu實shi際ji要yao求qiu。本ben文wen在zai參can考kao各ge種zhong實shi用yong的de保bao護hu電dian路lu基ji礎chu上shang，設she計ji出chu應ying用yong大da功gong率lv器qi件jian強qiang製zhi吸xi收shou或huo隔ge離li浪lang湧yong衝chong擊ji和he雙shuang限xian流liu保bao護hu電dian路lu，有you效xiao地di保bao護hu半ban導dao體ti激ji光guang器qi不bu被bei損sun傷shang
，具ju有you較jiao好hao的de實shi際ji應ying用yong前qian景jing。

2　原理分析

2.1　半導體激光器損壞機理分析
zaizhengchangtiaojianxiashiyongdebandaotijiguangqiyouhenchangdegongzuoshouming。danzaibushidangdegongzuotiaojianxia，huizaochengxingnengdejijuehuanaizhishixiao。tongjibiaoming，bandaotijiguangqituranshixiao，youyibanyishangdejilvshiyouyulangyongjichuan。yinerruhebaohubandaotijiguangqi，yanchangbandaotijiguangqideshiyongshoumingshiyanzhidagonglvbandaotijiguangqiqudongdianyuanbaohudianludezhongyaowenti。zhuyaoyingkaolv：
1）激光器必須工作在限製電流以內，一個安全可靠的限流電路是不可缺少的。
2）為了防止驅動電源浪湧衝擊，必須有比較強的浪湧吸收電路。
3）由於激光器是一種敏感的電流元件，所以驅動電流不能直接加在激光器兩端
，慢啟動電路對激光器的防護也是必不可少的。

2.2　傳統保護電路的特點
1）在隔離變壓器的原邊和副邊加上TVS器件，利用其高速響應特性抑製過高的電網浪湧電壓和雷電感應電壓。這種措施比較有效
，但受限於TVS的響應速度

，如果響應速度達不到要求那就不能很好抑製浪湧衝擊。
2）在直流電源和激光器之間增加π型xing低di通tong濾lv波bo網wang絡luo，進jin一yi步bu濾lv除chu浪lang湧yong電dian壓ya。如ru能neng采cai用yong屏ping蔽bi電dian感gan和he無wu感gan突tu波bo吸xi收shou電dian容rong則ze性xing能neng更geng佳jia。這zhe實shi際ji上shang就jiu是shi無wu源yuan濾lv波bo
，對dui降jiang低di電dian源yuan紋wen波bo和he吸xi收shou比bi較jiao小xiao浪lang湧yong有you效xiao。但dan對dui於yu大da的de浪lang湧yong，這zhe種zhong電dian路lu將jiang會hui失shi效xiao。
3）在zai直zhi流liu電dian源yuan和he激ji光guang器qi之zhi間jian增zeng加jia慢man啟qi動dong電dian路lu使shi供gong給gei激ji光guang器qi的de電dian壓ya緩huan慢man升sheng高gao，避bi免mian突tu然ran上shang電dian或huo斷duan開kai電dian源yuan時shi給gei器qi件jian造zao成cheng的de衝chong擊ji，同tong時shi，此ci舉ju還hai能neng避bi免mian電dian路lu中zhong分fen布bu電dian感gan引yin起qi的de浪lang湧yong衝chong擊ji。這zhe種zhong電dian路lu是shi必bi不bu可ke少shao的de而er且qie是shi切qie實shi有you效xiao的de。
4）限流電路。這種電路也是必不可少的，但傳統的限流電路通常是單路限流。

2.3　本電路設計主要特點
1）充chong分fen考kao慮lv並bing吸xi收shou了le傳chuan統tong保bao護hu電dian路lu一yi些xie優you秀xiu設she計ji思si想xiang，設she計ji了le電dian源yuan開kai啟qi時shi軟ruan啟qi動dong電dian路lu，防fang止zhi開kai機ji浪lang湧yong對dui器qi件jian和he半ban導dao體ti激ji光guang器qi的de損sun害hai。由you於yu這zhe種zhong電dian路lu比bi較jiao成cheng熟shu，本ben文wen沒mei有you做zuo詳xiang細xi闡chan述shu。
2）設計了雙電流限製電路
，保證通過半導體激光器的電流不會過流。
3）采用功率器件（MOS管）開通或關斷來強製吸收或隔離浪湧，防止浪湧對半導體激光器損壞。
4）在激光器開通和關斷的工作中設立慢啟動過程，以減小工作中產生的浪湧對激光器產生不良影響。

3　保護電路的設計原理

3.1　限流電路的設計
這是個雙限流電路
，兩個限流電路確保通過激光二極管（LD）電流不會超過設定值。具體工作原理如圖1所示。

Q1為P型MOS管，Q2為N型MOS管。流過Q1的電流通過采樣電路1變為電壓信號與基準電壓相比較

，通過負反饋電路1控製，可使得流過Q1的電流恒定。通過半導體激光器LD的電流經過采樣電路2變為電壓信號與電流調節端電壓相比較，如果流過半導體激光器的電流超過設定值，經過負反饋電路2調節使得通過Q2的電流增加，導致通過LD電流減小；流過LD的電流太小

，經過采樣電路2、負反饋電路2調節可使得流過Q2的電流變小，導致流過LD的電流變大，如此反複，通過負反饋電路的控製可使得流過半導體激光器的電流恒定，這種負反饋過程建立的時間很快。
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3.2　浪湧吸收電路及慢啟動電路的設計
浪湧多發生在功率器件開通和關斷的瞬間，因為這個瞬間電路會有很大電流流過或者電路中某個器件兩端會有很大的電壓。圖2為浪湧吸收及慢啟動電路原理圖。

這種電路是利用功率器件的開通或關斷來強製吸收或隔離浪湧對器件的衝擊。這個電路作用分三個階段：

1）在使能端電壓為低電平階段。使能端電壓為低電平，Q3導通，通過負反饋電路1的控製，Q1斷開，強製隔離電源V+對半導體激光器LD的衝擊；使能端為低電平
，Q4導通，通過負反饋電路2控製，使Q2導通，這樣即使有浪湧衝擊，也會被Q2強製吸收，不會影響半導體激光器LD。

2）使能端從低電平到高電平階段。Q3、Q4斷開。設C1上的電壓從V+降到基準電壓值所要的時間為t1,C2從V+降到電流調節端設定電壓值的時間為t2。

調節R5、C1和R6
、C2參數可以使得t2mt1。這樣在t1階段，通過負反饋電路1的控製使得Q1慢慢導通，流過Q1電流從零直到恒定，這時由於t2mt1,C2上還有電壓，通過負反饋電路2的控製使得Q2處於導通狀態
，這樣流過Q1的電流，以及由於Q1開通產生的浪湧電流全部由Q2吸收
，然後隨著時間的增加C2電壓慢慢降為零，流過Q2的電流慢慢減小
，LD上電流慢慢增加直到達到設定值。

3）使能端從高電平到低電平階段。使能端為低電平Q3,Q4導通。C1由於R5存在，電壓從基準電壓慢慢升至V+,通過負反饋電路1的控製使得Q1慢慢關斷
；Q4導通

，V+直接給C2充電，電壓迅速升為V+,通過負反饋電路2的控製使得Q2迅速導通，這樣由於Q1關斷產生的浪湧將會被Q2強製吸收。

4　實驗結果及分析

qudongdianyuanyigezhongyaojishucanshuweidianliuwendingdu。dianliuwendingdushizaiyidingshijiannei，duociceliangtongguofuzaidedianliudaxiao，ranhoutongguoshuxuejisuandechushuchudianliuwendingdudaxiao。shiyanzhongmeijiangeyifenzhongceliangyici，celiangshijianchixuyigexiaoshi。celiangshi，yong1.2Ω50W電阻作為模擬負載

，測量模擬負載的兩端電壓，用模擬負載兩端電壓穩定性來標定電流穩定性。測量儀器為：電壓測量儀器：Agilent34401A61/2digitmultime2ter,其精度可以達到0.00001V;供電電源為Agi2lentE3631AtripleoutputDCpowersupply12V,1A。電流穩定度實驗數據如表1所示。

通過計算
，其平均值為0.538623V。

電流穩定度計算公式如下：

此ci保bao護hu電dian路lu已yi經jing應ying用yong於yu實shi踐jian，由you於yu限xian流liu措cuo施shi穩wen定ding可ke靠kao
，半ban導dao體ti激ji光guang器qi的de使shi用yong壽shou命ming得de到dao了le保bao證zheng。利li用yong功gong率lv器qi件jian的de開kai通tong與yu關guan斷duan強qiang製zhi吸xi收shou和he隔ge離li浪lang湧yong衝chong擊ji，使shi得de在zai脈mai衝chong工gong作zuo狀zhuang態tai下xia的de浪lang湧yong衝chong擊ji也ye被bei很hen好hao地di抑yi製zhi
，圖tu3是電源工作在脈衝狀態下，負載實際的電壓波形。

從圖中可以看出脈衝的上升沿和下降沿沒有過衝，滿足使用要求。

5　結語

本(ben)文(wen)在(zai)分(fen)析(xi)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)損(sun)壞(huai)機(ji)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)得(de)出(chu)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)。通(tong)過(guo)深(shen)入(ru)分(fen)析(xi)傳(chuan)統(tong)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)特(te)點(dian)
，找(zhao)出(chu)其(qi)設(she)計(ji)的(de)優(you)點(dian)和(he)不(bu)足(zu)，並(bing)在(zai)充(chong)分(fen)吸(xi)收(shou)傳(chuan)統(tong)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)優(you)秀(xiu)設(she)計(ji)思(si)想(xiang)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，設(she)計(ji)出(chu)雙(shuang)限(xian)流(liu)電(dian)路(lu)，保(bao)證(zheng)了(le)流(liu)過(guo)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)設(she)計(ji)值(zhi)，設(she)計(ji)出(chu)了(le)浪(lang)湧(yong)強(qiang)製(zhi)吸(xi)收(shou)或(huo)隔(ge)離(li)電(dian)路(lu)，解(jie)決(jue)了(le)浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)對(dui)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)損(sun)壞(huai)的(de)難(nan)題(ti)。設(she)計(ji)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)已(yi)應(ying)用(yong)於(yu)實(shi)踐(jian)，電(dian)流(liu)穩(wen)定(ding)度(du)很(hen)高(gao)
，浪(lang)湧(yong)被(bei)很(hen)好(hao)抑(yi)製(zhi)，具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。