激光管恒功率驅動電路實現研究

孫 希

（江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院，江蘇無錫214028）

半導體激光器（Laser Diode，LD）作為激光測距儀的核心器件，如果電路中過流保護不完善就會導致其受損，如光斑裂變、輸出功率偏低等問題，會嚴重影響儀器的測量性能；如果生產過程中也頻繁出現LD 受損，就會產生生產過程中的返修、返工、器件損耗較大等情況，增加生產成本；如果是使用過程中LD 受損，也會產生退貨、返修情況，對企業來說不僅是售后服務的成本增加，還有產品信譽的降低，所以設計一套簡潔可靠的驅動電路非常關鍵。LD 屬于電流驅動型器件，其中一個特色就是可以通過電流調制其輸出光功率的大小，但是即使同一廠家、同一批次的LD，使用同樣的驅動電流，其輸出光功率的強弱也有區別，因此為了提高最終產品的激光輸出功率一致性，LD驅動電路需要具有驅動電流大小可調節的功能。在激光產品中，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準需要滿足IEC 60825- 1 規定的II 類激光要求，即激光輸出功率小于1 mW，并且當LD 驅動電路中的一個器件失效時，也要滿足輸出功率小于1 mW，否則為不滿足安全標準的產品，是不允許上市銷售的[1]。根據上述需求，本文設計了一種LD 驅動電路，該電路具有輸出功率可調、LD 軟啟動、過流保護和異常監測保護的功能。

1 理論依據和基本原理

1.1 LD 的溫度特性

在理論情況下，LD 的功率和電流的關系曲線呈線性關系，如圖1 所示，橫軸是驅動電流，縱軸是LD輸出功率，25℃、40℃、50℃、60℃和70℃分別對應該溫度下驅動電流和輸出功率的關系曲線，從這些曲線可以看出：LD 的閾值電流在25℃時約為15 mA，5℃時約為20 mA，閾值電流和溫度成正比；在電流超過閾值電流后，各個溫度下，驅動電流和輸出功率的關系近似于線性關系。從圖1 中可以看出，假如需要恒定輸出1 mW，隨著溫度升高，所需要的驅動電流也隨之增加[2]。由于LD 是一個熱功耗器件，連續工作時，其內部溫度會因為自身發熱而升高，為保持同樣的輸出功率，其驅動電流也要相應升高。因此恒流驅動無法實現恒功率驅動。為實現恒功率，需要動態調整驅動電流，對溫度的變化進行補償，同時，LD 自身溫度過高不僅會產生非線性，還可降低LD 使用壽命，因此使用LD 時除了要有良好的驅動電路外，還要有良好的散熱措施。

圖1 LD 激光溫度特性圖

在恒溫環境下，恒定的電流輸入可以使LD 輸出穩定的功率，但是隨著時間的推移，LD 本身也會老化，老化后同樣的驅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定的光功率，一般采用恒功率驅動方式，本設計也采用恒功率驅動方式。

圖2 LD 正常和老化后的狀態下PI 曲線圖

1.2 LD 的電氣參數

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、共陽結構[4]，如圖3 所示。

圖3 LD 結構尺寸和內部電路圖

圖3 內部電路中的LD 為發光器件，PD 為光接收器件，可用于探測LD 的輸出光強，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，其電氣參數如表1 所示。

表1 LD 電氣參數表

根據LD 的參數特性，可使用負反饋閉合回路的方式，根據PD 實時監測的輸出功率，不斷調整驅動電流的大小，實現恒功率驅動的目的。

2 LD 恒功率驅動電路原理設計和實現

本文設計的LD 恒功率驅動電路原理圖如圖4所示，其中LD_ON 為電源開關控制輸入信號，LD_PWM 為光功率調節控制輸入信號，LD_PD 為激光管PD 反饋端的輸出電流轉換后的電壓信號。這兩個輸入和一個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 輔助控制可以實現激光管的開關控制、輸出功率調整和輸出功率的監測。

圖4 LD 驅動電路原理圖

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R8 接通電源后，由于電容C5 充電至電壓穩定需要一定的時間，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LD_ON 為低電平時，PMOS 管Q1 導通，3.3 V 電源加載到U1 中的LD 正極，LD 負極通過三極管Q3 與地相連, 由于Q3 的基極電流是逐步增大的，LD 的啟動電流也就實現了逐步提升，避免了由于電流突然變大損傷LD 的問題。

2.2 恒功率驅動原理

激光管LD 發光后，作為光接收端的PD 也會輸出與LD 輸出光強度成正比的電流，該電流經過電阻R3、R2 和三極管Q2，轉換為電壓信號LD_PD。LD_PD的用途有兩個，其一是實現對LD 輸出實施監測的功能，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。本設計不是采用常見的電阻分壓電路給Q3 提供基準電壓，而是利用晶體管Q4 的Ube作為基準電壓。負反饋電路由Q4 和Q3 兩個三極管共同組成，當LD_PD 電壓升高時，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 的驅動電流也減小，最終導致LD 的輸出功率降低。反之亦然，通過這兩個三級管的配合，組成了簡單的恒功率驅動電路。

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，通過調節PWM的占空比就可以調整LD 的輸出功率恒定值。該電路的原理是，當PWM_LD 信號經過電阻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輸出信號轉換為等效DAC 輸出信號，其中R5 電阻起到分壓作用，用于調節PWM 等效輸出的直流電平范圍[5]。當LD_PWM占空比增加時，Q2 基極電壓升高，Q2 的電流IC變大，PD 電流經過Q2 分流后，流經R2 的電流就變小，LD_PD 就會降低，也就會進一步形成負反饋，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 基極電壓也相應降低，流經R2 電阻的電流增加導致PD 電壓升高，通過負反饋電路的調節，LD 輸出功率也會降低。當LD_PWM占空比穩定時，通過負反饋電路的輸出調節，激光功率輸出也穩定在合理范圍內。

3 LD 驅動電路測試

3.1 溫度變化測試

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

3.2 激光安規標準異常測試

輸出功率調整測試，由于不同廠家、不同型號的LD 參數均有差異，因此本文選擇RLD65MQX1 作為測試對象，采用圖4 所示電路參數，LD 的輸出功率調節范圍在0.5 mW～1.5 mW 之間，如圖5 所示。該范圍已經能滿足同一品牌、同一型號的LD 輸出功率統一調整到0.8 mW ～0.9 mW 輸出功率的要求。

圖5 LD_PWM占空比與LD 輸出功率關系圖

根據IEC 60825 激光安規認證要求，手持式激光測距儀的LD 輸出功率在使用時或驅動電路中的一個器件出現故障時，其大小不得超過1 mW。輸出功率異常保護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 的數值是一個穩定值，當發生突變時，MCU 輸出LD_ON 信號為低電平，從而快速關閉LD。具體測試方法有：通過LD_PWM調節占空比使LD 輸出功率穩定到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，激光管會關閉或功率不變化。當激光管燒壞后，功率會直線下降到0.3 mW 左右，這也是IEC60825 國際標準激光安規部分允許的處理措施。

表2 激光異常測試數據表

4 結論

經過實驗驗證，在0℃～40℃的使用環境下，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。電路還允許外部MCU 在0.5 mW ～1.5 W 的范圍內，按照0.05 mW 的幅度進行輸出功率的調整，從而可以實現批量化生產時通過調整輸出功率消除半導體激光器個體之間的差異，使每臺設備的輸出功率大小基本一致。電路的自我保護功能可以在半導體激光器因異常故障出現光功率突然變大時，及時關閉激光管，該特性使手持激光測距儀可以順利通過激光安規的認證。綜合來看，該電路通過簡潔、高效的電路實現了激光管恒功率驅動、異常保護的效果，具有成本低、可靠性高的優點。