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半导体激光管(LD)的电源设计

• 半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺，但电压和电流特性基本相同。在工作点时，小0603电感电压变化会导致激光管电流变化较大。此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求；输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。随着激光器的输出功率不断加大，需要高性能大电流的稳流电源来驱动。为了保证半导体激光器正常工作，需要对其驱动电源进行合理设计。并且随着高频、低开关阻抗的MOSFET技术的发展，采用以MOSFET为核心的开关电源出现，开关电源在输出大电流时，纹波过大的问题得到了解决。
  
  1 系统构成
  装置输入电压为24 V，输出最大电流为20 A，根据串联激光管的数量输出不同电压。如果采用交流供电，前端应该采用AC／DC作相应的变换。该装置主要部分为同步DC／DC变换器，其原理图如图1所示。

  

  
  Vin为输入电压，VM1、VM2为MOSFET，VM1导通宽度决定输出电压大小，快恢复二极管和VM2共同续流电路，整流管的导通损耗占据最主要的部分，因此它的选择至关重要，试验中选用通态电阻很低的M0SFET。电感、电容组成滤波电路。测量电阻两端电压与给定值比较后，通过脉冲发生器产生相应的脉宽，保持负载电流稳定工字电感器。VM1关断，快恢复二极管工作，快恢复二极管通态损耗大，VM2接着开通续流，减少系统损耗。
  
  2 工作原理
  VM1导通ton时，可得：，电流纹波为：，VM1关断，电流通过VD续流，接着VN2导通。由于VM2的阻抗远小于二极管阻抗，因此通过VM2续流。VMl、VN2触发脉冲如图2所示。图2中td为续流二极管导通时间。

  

  
  二极管消耗的功率为P=VtdI0。一般快恢复二极管压降0．4 V，当电流20 A时，二极管消耗功率为0．8 W。如采用MOSFET，则消耗的功率将小很多。本实验采用威世半导体公司的60 A的MOSFET，其导通等效电阻为0．0022 Ω。当电流为20 A时，消耗功率约为0．088 W。
  由电流纹波公式可知，增大电感、减小ton都可以减小纹波。为了不提高电感容量，实验中采用200 kHz的工作频率，其中电感选用4．8-μH，根据公式可得激光管压降2 V时纹波电流约为1 000 mA。
  系统采用了电流负反电感器厂家馈电路，以适应激光二极管的要求。当负载变化，电流略大于给定电流时，减小ton宽度，电压降低。电流略小于给定电流一体成型电感器时，增加ton宽度，这样可以维持电流稳定。图3所示为脉冲发生器结构。

  

  
  图3中，R1，R2为电压测量电阻，Rc为电流测量电阻。调节R1可以设定最大输出电压。Rc限制最大输出电流。当最大电压或电流其中一个达到给定值，则脉冲宽度最大。这样可以保证负载正常工作。
  其仿真结果如图4所示。

  

  
  
  3 实验结果
  实验曲线如图5所示，实验数据为输入电压12 V，输出电压2 V左右，测量电阻0．0025 Ω，最大输出电流20 A。

  

  
  实验中用50 A的2个二极管串联作为负载，输入电压12 V时，不同电流下输出及效率如表1所示。

  

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