激光管恒功率驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)研究

孫 希

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫機(jī)電分院，江蘇無錫214028）

半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）作為激光測距儀的核心器件，如果電路中過流保護(hù)不完善就會導(dǎo)致其受損，如光斑裂變、輸出功率偏低等問題，會嚴(yán)重影響儀器的測量性能；如果生產(chǎn)過程中也頻繁出現(xiàn)LD 受損，就會產(chǎn)生生產(chǎn)過程中的返修、返工、器件損耗較大等情況，增加生產(chǎn)成本；如果是使用過程中LD 受損，也會產(chǎn)生退貨、返修情況，對企業(yè)來說不僅是售后服務(wù)的成本增加，還有產(chǎn)品信譽(yù)的降低，所以設(shè)計(jì)一套簡潔可靠的驅(qū)動電路非常關(guān)鍵。LD 屬于電流驅(qū)動型器件，其中一個(gè)特色就是可以通過電流調(diào)制其輸出光功率的大小，但是即使同一廠家、同一批次的LD，使用同樣的驅(qū)動電流，其輸出光功率的強(qiáng)弱也有區(qū)別，因此為了提高最終產(chǎn)品的激光輸出功率一致性，LD驅(qū)動電路需要具有驅(qū)動電流大小可調(diào)節(jié)的功能。在激光產(chǎn)品中，由于大功率激光對使用的人有傷害，所以手持激光測距儀的激光安全標(biāo)準(zhǔn)需要滿足IEC 60825- 1 規(guī)定的II 類激光要求，即激光輸出功率小于1 mW，并且當(dāng)LD 驅(qū)動電路中的一個(gè)器件失效時(shí)，也要滿足輸出功率小于1 mW，否則為不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，是不允許上市銷售的[1]。根據(jù)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一種LD 驅(qū)動電路，該電路具有輸出功率可調(diào)、LD 軟啟動、過流保護(hù)和異常監(jiān)測保護(hù)的功能。

1 理論依據(jù)和基本原理

1.1 LD 的溫度特性

在理論情況下，LD 的功率和電流的關(guān)系曲線呈線性關(guān)系，如圖1 所示，橫軸是驅(qū)動電流，縱軸是LD輸出功率，25℃、40℃、50℃、60℃和70℃分別對應(yīng)該溫度下驅(qū)動電流和輸出功率的關(guān)系曲線，從這些曲線可以看出：LD 的閾值電流在25℃時(shí)約為15 mA，5℃時(shí)約為20 mA，閾值電流和溫度成正比；在電流超過閾值電流后，各個(gè)溫度下，驅(qū)動電流和輸出功率的關(guān)系近似于線性關(guān)系。從圖1 中可以看出，假如需要恒定輸出1 mW，隨著溫度升高，所需要的驅(qū)動電流也隨之增加[2]。由于LD 是一個(gè)熱功耗器件，連續(xù)工作時(shí)，其內(nèi)部溫度會因?yàn)樽陨戆l(fā)熱而升高，為保持同樣的輸出功率，其驅(qū)動電流也要相應(yīng)升高。因此恒流驅(qū)動無法實(shí)現(xiàn)恒功率驅(qū)動。為實(shí)現(xiàn)恒功率，需要動態(tài)調(diào)整驅(qū)動電流，對溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)，LD 自身溫度過高不僅會產(chǎn)生非線性，還可降低LD 使用壽命，因此使用LD 時(shí)除了要有良好的驅(qū)動電路外，還要有良好的散熱措施。

圖1 LD 激光溫度特性圖

在恒溫環(huán)境下，恒定的電流輸入可以使LD 輸出穩(wěn)定的功率，但是隨著時(shí)間的推移，LD 本身也會老化，老化后同樣的驅(qū)動電流輸出功率會降低[3]，如圖2所示，所以為了確保LD 長期工作情況下也能輸出穩(wěn)定的光功率，一般采用恒功率驅(qū)動方式，本設(shè)計(jì)也采用恒功率驅(qū)動方式。

圖2 LD 正常和老化后的狀態(tài)下PI 曲線圖

1.2 LD 的電氣參數(shù)

手持式激光測距儀，一般采用紅光激光管，波長通常為635 nm 或650 nm，常用的激光管外形一般為外徑3.5 mm，采用直插式、共陽結(jié)構(gòu)[4]，如圖3 所示。

圖3 LD 結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)部電路圖

圖3 內(nèi)部電路中的LD 為發(fā)光器件，PD 為光接收器件，可用于探測LD 的輸出光強(qiáng)，其輸出為電流信號，并且電流的輸出大小和輸出光功率成正比關(guān)系。以ROHM的650 nm 波長、5 mW 最大輸出功率的激光管RLD65MQX1 為例，其電氣參數(shù)如表1 所示。

表1 LD 電氣參數(shù)表

根據(jù)LD 的參數(shù)特性，可使用負(fù)反饋閉合回路的方式，根據(jù)PD 實(shí)時(shí)監(jiān)測的輸出功率，不斷調(diào)整驅(qū)動電流的大小，實(shí)現(xiàn)恒功率驅(qū)動的目的。

2 LD 恒功率驅(qū)動電路原理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的LD 恒功率驅(qū)動電路原理圖如圖4所示，其中LD_ON 為電源開關(guān)控制輸入信號，LD_PWM 為光功率調(diào)節(jié)控制輸入信號，LD_PD 為激光管PD 反饋端的輸出電流轉(zhuǎn)換后的電壓信號。這兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出都連接到外部主控的MCU 的IO口上，其中LD_PD 接MCU 的ADC 模擬量采集管腳，LD_PWM接MCU 的PWM輸出管腳，LD_ON 接MCU的普通IO 管腳，從而通過MCU 輔助控制可以實(shí)現(xiàn)激光管的開關(guān)控制、輸出功率調(diào)整和輸出功率的監(jiān)測。

圖4 LD 驅(qū)動電路原理圖

2.1 軟啟動電路原理

電阻R8 和電容C5 組成的電路是軟啟動的電路，當(dāng)R8 接通電源后，由于電容C5 充電至電壓穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此Q3 管的基極電壓在通電后是逐漸上升的過程，從而Q3 管的Ic 也逐漸增加。當(dāng)LD_ON 為低電平時(shí)，PMOS 管Q1 導(dǎo)通，3.3 V 電源加載到U1 中的LD 正極，LD 負(fù)極通過三極管Q3 與地相連, 由于Q3 的基極電流是逐步增大的，LD 的啟動電流也就實(shí)現(xiàn)了逐步提升，避免了由于電流突然變大損傷LD 的問題。

2.2 恒功率驅(qū)動原理

激光管LD 發(fā)光后，作為光接收端的PD 也會輸出與LD 輸出光強(qiáng)度成正比的電流，該電流經(jīng)過電阻R3、R2 和三極管Q2，轉(zhuǎn)換為電壓信號LD_PD。LD_PD的用途有兩個(gè)，其一是實(shí)現(xiàn)對LD 輸出實(shí)施監(jiān)測的功能，可通過MCU 的ADC 管腳采集該電壓信號，判斷LD 輸出功率是否正常，其二是作為LD 的反饋信號。本設(shè)計(jì)不是采用常見的電阻分壓電路給Q3 提供基準(zhǔn)電壓，而是利用晶體管Q4 的Ube作為基準(zhǔn)電壓。負(fù)反饋電路由Q4 和Q3 兩個(gè)三極管共同組成，當(dāng)LD_PD 電壓升高時(shí)，Q4 的基級電流Ib變大，于是Q4的集極電流Ic 也變大，R8 電阻由于電流增加，其引起的電阻壓降也相應(yīng)加大，于是Q3 的基極電壓就會降低，基極電流Ib減小，Q3 的集級電流Ic 也減小，從而LD 的驅(qū)動電流也減小，最終導(dǎo)致LD 的輸出功率降低。反之亦然，通過這兩個(gè)三級管的配合，組成了簡單的恒功率驅(qū)動電路。

2.3 輸出功率控制原理

輸出功率需要外部MCU 提供PWM輸出控制信號LD_PWM，該信號的頻率范圍一般為40 kHz- 100 kHz，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比就可以調(diào)整LD 的輸出功率恒定值。該電路的原理是，當(dāng)PWM_LD 信號經(jīng)過電阻R6 和電容C4 組成的低通濾波電路（截止頻率1.6 kHz）后，等效為直流信號，該部分電路的作用就是把PWM輸出信號轉(zhuǎn)換為等效DAC 輸出信號，其中R5 電阻起到分壓作用，用于調(diào)節(jié)PWM 等效輸出的直流電平范圍[5]。當(dāng)LD_PWM占空比增加時(shí)，Q2 基極電壓升高，Q2 的電流IC變大，PD 電流經(jīng)過Q2 分流后，流經(jīng)R2 的電流就變小，LD_PD 就會降低，也就會進(jìn)一步形成負(fù)反饋，影響最終的LD 輸出功率，使輸出功率增加；反之，如果LD_PWM占空比降低，Q2 基極電壓也相應(yīng)降低，流經(jīng)R2 電阻的電流增加導(dǎo)致PD 電壓升高，通過負(fù)反饋電路的調(diào)節(jié)，LD 輸出功率也會降低。當(dāng)LD_PWM占空比穩(wěn)定時(shí)，通過負(fù)反饋電路的輸出調(diào)節(jié)，激光功率輸出也穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。

3 LD 驅(qū)動電路測試

3.1 溫度變化測試

三極管的參數(shù)會受到溫度影響，Q4 管的Ube在- 10℃～50℃工作溫度范圍內(nèi)，其變化量為- 62.5 mV～75 mV，實(shí)驗(yàn)表明，該變化量引起的LD 輸出功率變化量小于7%。將LD 的輸出功率設(shè)置為0.85 mW 后，在- 10℃～50℃工作溫度范圍內(nèi)，LD 的輸出功率值在0.79 mW ～0.91 mW 之間，不超過II 類激光安全標(biāo)準(zhǔn)，也不會導(dǎo)致激光功率過小，影響測量性能[6]。

3.2 激光安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)異常測試

輸出功率調(diào)整測試，由于不同廠家、不同型號的LD 參數(shù)均有差異，因此本文選擇RLD65MQX1 作為測試對象，采用圖4 所示電路參數(shù)，LD 的輸出功率調(diào)節(jié)范圍在0.5 mW～1.5 mW 之間，如圖5 所示。該范圍已經(jīng)能滿足同一品牌、同一型號的LD 輸出功率統(tǒng)一調(diào)整到0.8 mW ～0.9 mW 輸出功率的要求。

圖5 LD_PWM占空比與LD 輸出功率關(guān)系圖

根據(jù)IEC 60825 激光安規(guī)認(rèn)證要求，手持式激光測距儀的LD 輸出功率在使用時(shí)或驅(qū)動電路中的一個(gè)器件出現(xiàn)故障時(shí)，其大小不得超過1 mW。輸出功率異常保護(hù)測試需要軟硬件配合使用[7]，正常情況下，MCU 通過ADC 采集LD_PD 的數(shù)值是一個(gè)穩(wěn)定值，當(dāng)發(fā)生突變時(shí)，MCU 輸出LD_ON 信號為低電平，從而快速關(guān)閉LD。具體測試方法有：通過LD_PWM調(diào)節(jié)占空比使LD 輸出功率穩(wěn)定到0.85 mW；按照表2所示，依次測試，以輸出光功率小于1.0 mW 為合格條件。短接Q2 的bc 兩端，光功率下降約20%，短接R8或Q3 的ce 兩端會燒壞激光管，其余電阻短接，激光管會關(guān)閉或功率不變化。當(dāng)激光管燒壞后，功率會直線下降到0.3 mW 左右，這也是IEC60825 國際標(biāo)準(zhǔn)激光安規(guī)部分允許的處理措施。

表2 激光異常測試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在0℃～40℃的使用環(huán)境下，該電路通過自反饋電路可以將激光管輸出光功率的變化幅度控制在7%以內(nèi)。電路還允許外部MCU 在0.5 mW ～1.5 W 的范圍內(nèi)，按照0.05 mW 的幅度進(jìn)行輸出功率的調(diào)整，從而可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)時(shí)通過調(diào)整輸出功率消除半導(dǎo)體激光器個(gè)體之間的差異，使每臺設(shè)備的輸出功率大小基本一致。電路的自我保護(hù)功能可以在半導(dǎo)體激光器因異常故障出現(xiàn)光功率突然變大時(shí)，及時(shí)關(guān)閉激光管，該特性使手持激光測距儀可以順利通過激光安規(guī)的認(rèn)證。綜合來看，該電路通過簡潔、高效的電路實(shí)現(xiàn)了激光管恒功率驅(qū)動、異常保護(hù)的效果，具有成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。