1.2 脈沖控制電路

　　脈沖控制電路如圖4虛框所示,當脈沖控制信號Vpulse為低電平時,三極管Q1 截止,其集電極被電源電壓控制在高電平,二極管D5正向?qū)?因此NCP5662的ADJ端被強制在高電平,這個電平值必須高于恒定電流流過負載時ADJ端的電平值,讓R11兩端電壓遠遠高于0.9伏,使得NCP5662內(nèi)部的功率晶體管截止,從而使流過LD的電流近似為零。因此,與激光二極管并聯(lián)的1K電阻R11的作用是防止截止狀態(tài)時激光二極管出現(xiàn)的高阻特性讓ADJ端的電平出現(xiàn)不穩(wěn)定,當負載呈現(xiàn)一般的電阻特性時,R11可以不要。當Vpulse跳向高電平時,晶體管Q1的集電極電位轉(zhuǎn)向低電平,從而瞬間讓ADJ端電位很低,使得R11兩端電壓遠低于0.9伏,從而使NCP5662內(nèi)部的功率晶體管導(dǎo)通, ADJ的電位開始上升,最后進入穩(wěn)定工作階段, 恒定電流流過激光二極管。二極管D5也進入反偏狀態(tài),起隔離作用,直到下一個低電平Vpulse控制信號的到來，如此反復(fù)，實現(xiàn)了大電流的快速開關(guān)，這主要得益于NCP5662的快速響應(yīng)特性，其本質(zhì)是因為其內(nèi)部集成了高速放大器及高速功率放大晶體管。

　　脈沖控制電路是整個設(shè)計中最重要的地方,雖然還有其他方式可實現(xiàn)這一個功能,如在負載上串聯(lián)一個功率MOS開關(guān),或在電源端串聯(lián)一個高邊MOS開關(guān),但理論和實驗都證明了這兩種方式存在的問題,如電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性都沒有圖4所示的工作方式好。

　　1.3 脈沖產(chǎn)生電路

　　圖4中的脈沖控制信號Vpulse來自脈沖產(chǎn)生電路[5],脈沖產(chǎn)生電路如圖5a和圖5b所示。

　　
　　5a為該電源內(nèi)部振蕩電路,由7555構(gòu)成,四個與非門的作用是選通接受內(nèi)部控制信號還是外部控制信號輸出到Vtrigger,Vtrigger 信號控制所需要的Vtrigger信號的頻率。圖5b是一個由555定時器構(gòu)成的下降沿觸發(fā)的單穩(wěn)電路。該單穩(wěn)電路的特點是脈沖寬度與7555定時器5端的電壓成非常好的線形關(guān)系,這主要得益于應(yīng)用了由放大器LM358和電容C6構(gòu)成的自舉電路[6],因此,這就實現(xiàn)了獨立控制脈沖恒流源脈沖頻率和脈沖寬度的功能,脈沖寬度能接受外部電壓信號的控制,如來自溫度傳感器熱敏電阻上的電壓信號。

　　1.4 保護電路

　　由于半導(dǎo)體激光器對于電沖擊的承受能力很差,在使用過程中,出現(xiàn)較多的電沖擊是電源開啟或關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓、電流浪涌沖擊。所以電源中必須采取保護措施,傳統(tǒng)的保護電路方式很多,如采用慢啟動電路、短路保護開關(guān)等。在該應(yīng)用中,該電源是蓄電池供電,供電電壓波動較小,且選用的集成芯片內(nèi)部具有慢啟動、熱保護、尖峰電流限制功能,因此只需在半導(dǎo)體激光二極管兩端反向并聯(lián)一個普通二極管以防止反向浪涌。

　　2試驗結(jié)果及分析

　　上述各個電路模塊都預(yù)先在Pspice A/D上進行了仿真和優(yōu)化,最后制作了實物電路,試驗結(jié)果達到了預(yù)期的設(shè)想。當負載為純電阻1Ω、脈沖控制信號周期1ms、脈寬約40us、R3兩端無并聯(lián)電容時,R7兩端的電壓波形如圖6所示。從前面可知,R7兩端的電壓與流過負載的電流完全對應(yīng),只差一個比例系數(shù)。從示波器上的看出,恒流脈沖的上升時間約2us,下降時間約1us,在同樣的條件下,負載為808nm大功率半導(dǎo)體激光器時R7兩端的電壓波形如圖7所示。前面負載選用純電阻1Ω的原因是: 2A電流流過激光二極管時,穩(wěn)態(tài)下該激光器的等價負載電阻約1Ω,這樣可以更好的對比他們的工作情況。從示波器上可以看出,在上升階段,有一段持續(xù)時間約5us的衰減振蕩,這主要是因激光二極管到在達穩(wěn)態(tài)之前,它的阻抗特性變化較大,如寄生電感和電容。從電路原理上分析,在R3兩端并聯(lián)一個電容C8是可以消除這種性能的惡化,通過試驗測得,電容取值在1-2nf之間比較合適,電容取值過小，震蕩不能完全消除，取值過大會使得脈沖緩慢沿著斜坡上升，響應(yīng)變慢。圖8顯示了電容為1nf時R7兩端的電壓波形,可見,輸出特性改善了許多。這也說明對于恒流源,負載的阻抗特性，如并聯(lián)電感、串聯(lián)電容對電源輸出的瞬態(tài)特性影響很大!在用恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器時要特別注意。
　　

　　
　　電源中大多數(shù)電阻電容采用貼片式元件，兩層布線，元件雙面布置，整個電源體積可以做得非常小,可以達到4cm×4cm×1.5cm, 非常方便的應(yīng)用于如激光測距一類對電源體積要求較小的應(yīng)用中，另外,在6.5v蓄電池供電下,用該電源驅(qū)動808nm大功率半導(dǎo)體二極管,反復(fù)進行開了開關(guān)測試,激光器工作良好!

　　3 結(jié)果

　　基于集成穩(wěn)壓芯片NCP5662,采用最少的器件,設(shè)計了低電壓大電流脈沖半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源,電源穩(wěn)定、可靠、體積小、控制簡單、脈沖寬度和頻率獨立可調(diào)。驅(qū)動電流2A時,脈沖上升時間小于4us,下降時間小于2us,響應(yīng)迅速，無過沖、反沖,達到了機載導(dǎo)彈測距中對半導(dǎo)體激光器的電源要求。這也說明了合理選擇成熟的穩(wěn)壓芯片可以設(shè)計功能豐富的恒流源。該電源中的設(shè)計思路可應(yīng)用于其它脈沖恒流源的電源設(shè)計中。

　　參考文獻
　　[1] 李適民,黃維玲. 激光器件原理與設(shè)計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2005：352～359
　　[2] Horowitz P.電子學(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005:290～294
　　[3] Dorf R C. Modern control system(ninth edition) [M]. Science Press, Pearson Education North Asia Limited, 2002, 575～576
　　[4] 鄧 軍,單江東,張娜,等. 大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動器的研究與設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電,2003,24(5)：319～320
　　[5] 陳浦同. 新編555集成電路應(yīng)用800例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001：25～44
　　[6] David A.Bell. Solide State Pulse circuits[M]. Reston Publishing Company, Inc,1981:190～220
　　[7] Doug Hodgson, Bill Olsen. Protecting your laser diode. Application note 3, ILX Lightwave Corp, 2001.
　　[8] Doug Hodgson, Kent Noonan, etc. Pulsing a laser diode. Application note 11,ILX Lightwave Corp,2004.