AMETEK Sorensen針對激光二極管測試的解決方案

在切割、焊接、通信等行業(yè)中，半導(dǎo)體激光二極管被越來越多地廣泛應(yīng)用，逐步替代了傳統(tǒng)的激光器，因為激光二極管通常具有效率高、體積小、壽命長等優(yōu)點。

激光二極管實現(xiàn)穩(wěn)定的光輸出有兩個常用的模式，恒功率模式和恒流模式。一般在測試時選擇恒流模式，因為恒流模式提供了更快的控制回路和精準(zhǔn)的電流環(huán)境，便于準(zhǔn)確地監(jiān)測電流。這種測試方法需要一個源來提供脈沖或可變占空比的電流信號，要求測試設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)必須精確可控，電流上升和下降的速度要足夠快，電流過沖要盡可能小，最好是達(dá)到忽略不計的程度。

但是，通常情況下客戶會嘗試使用常規(guī)的高功率直流電源來供給激光二極管測試所需的能量，但由于常規(guī)的直流電源本質(zhì)上是電壓源，其工作于恒流模式時輸出電流的上升和下降速率是有限的，往往無法滿足激光二極管測試的所需。且其要達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的瞬態(tài)響應(yīng)性能需要指定在30%到50%的負(fù)載變化，考慮到固有的能量存儲在其輸出濾波電容器，通常至少要求有50%的初始載荷。而這些電源提供的電流變化斜率在理想情況下也往往只有幾十安培每毫秒的量級，距離激光二極管測試的要求相差甚遠(yuǎn)。所以，我們需要一臺高功率的電流源來產(chǎn)生這些快速的電流脈沖給激光二極管來完成測試。

阿美特克旗下Sorensen品牌的SFA系列電源正是這樣一種獨特的產(chǎn)品，是專門為高功率激光驅(qū)動器應(yīng)用設(shè)計的快速瞬態(tài)響應(yīng)的電流源產(chǎn)品，給客戶此類測試提供了良好的解決方法。

SFA電源的電流變化速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場上其他電源，原因在于其使用的電流放大器帶寬遠(yuǎn)高于其他，其輸出濾波電容減少了10000多倍?？梢詫崿F(xiàn)激光二極管測試要求的測試電流從零開始在極短時間內(nèi)上升到很高數(shù)值的要求。

我們使用一臺SFA60V/83A/5KW電源來進(jìn)行一些驗證性的測試，測試回路見圖1，以證明SFA是針對這類測試的最好的解決方案。電源使用恒流模式，使用外部脈沖發(fā)生器作為模擬量程控源控制SFA輸出所需的脈沖電流。這個測試方案的操作很簡單，但要考慮到電纜的長度，應(yīng)盡可能的短，以減小引線電感對電流斜率的影響。我們使用示波器來抓取上升和下降時間這些關(guān)鍵參數(shù)。

圖1，SFA60/83電流源和激光二極管負(fù)載

圖2，二極管VI曲線

圖3，二極管電壓(頂部)，二極管電流(中間)，程控信號(底部)

100Hz，10%占空比，50%電流編程，電流輸出上升時間與電壓上升時間有關(guān)，但是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電壓的下降時間因為其被二極管導(dǎo)通電壓箝位，因此電流的波形基本吻合程控信號。

圖4，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

100Hz，10%占空比，25%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類似。

圖5，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

100Hz，10%占空比，60%電流編程輸出。

電流和編程信號十分類似。

圖6，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，25%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類似。

圖7，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，50%電流編程輸出。

電流和程控信號十分類似，有50μs延時。注意此時并無過沖。

圖8，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

500Hz，50%占空比，100%電流編程輸出電流和程控信號十分類似，有50μs延時。此時有大約10%的過沖，因為其已經(jīng)輸出最大值電流。

圖9，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，20%占空比，50%電流編程輸出電流和程控信號仍然比較接近，有50μs延時。

圖10，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，6%占空比，50%電流編程輸出。

由于脈寬很窄，電流并未達(dá)到設(shè)定的峰值。

圖11，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，30%占空比，100%電流編程輸出。

由于固有的延時和電流上升時間，輸出電流在脈沖波形結(jié)束前約50μs剛剛達(dá)到設(shè)定的峰值。

圖12，二極管電流(頂部)和程控信號(底部)

1kHz，5%占空比，100%電流編程輸出。

由于固有的延時和電流上升時間，輸出電流并未能夠在脈沖波形結(jié)束前達(dá)到設(shè)定的峰值。

圖13，二極管電流(頂部)和編程信號(底部)，10個二極管的情況500Hz，50%占空比，50%電流編程輸出輸出電流和編程信號依然相符，但是相較于圖7的40個二極管時的情況會有一些輕微的過沖，下降時間也有所延長。

圖14，二極管電流(頂部)和編程信號(底部)，2個二極管的情況288Hz，25%占空比，100%電流編程輸出輸出電流和編程信號依然相符，但是相較于圖13的10個二極管時的情況會有一些更多的過沖，下降時間也顯著延長。

圖15電壓上升和下降時間，二極管和電壓下降(2，20，40二極管)

總結(jié)

從以上測試結(jié)果可以看出，使用一個具備高斜率電流變化能力的電流源去完成激光二極管測試是一個非常適當(dāng)?shù)姆桨?。它可以實現(xiàn)在微秒數(shù)量級的時間內(nèi)電流的快速上升和下降。SFA能夠提供非常良好的響應(yīng)速度和保真度，除非脈寬降低到了非常低的程度。只有當(dāng)脈沖寬度降低到200μs以下時，由于電源固有的上升和下降速率，其能夠達(dá)到的電流峰值會隨著脈寬時間減少而減少。由圖15可以看到，增加二極管數(shù)量，電流上升時間也略有增長，這是由于和電壓上升時間有所關(guān)聯(lián)。另外請注意電流下降時間會隨著二極管數(shù)量的減少而急劇增加。對于低脈沖寬度的情況，由于所需電流增大，我們會推薦更大電流值的SFA型號。SFA系列產(chǎn)品涵蓋了功率從5W到30KW，電壓從60到160VDC的范圍，其輸入電壓則提供了三相交流208V，400V和480V三種選擇。