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激光驅動系統(tǒng)中的自動功率控制 (APC) 旨在通過持續(xù)調節(jié)激光器的光輸出功率，實現(xiàn)穩(wěn)定高效的激光操作。溫度的波動、老化效應以及外部條件的變化可能會導致激光性能不穩(wěn)定。APC 使用反饋機制根據(jù)光電二極管的反饋動態(tài)調整激光器的驅動電流，以保持一致的光輸出。這可以在需要精確控制光輸出的應用中提高可靠性并提升性能。

本文介紹了激光系統(tǒng)中自動電源控制 (APC) 環(huán)路的設計和實施，該環(huán)路使用 LMH13000 來驅動激光二極管。

系統(tǒng)概述

該設置使用激光二極管，該二極管具有集成的背面光電二極管用于提供反饋。背面二極管通常是指光電二極管或集成傳感器，用于監(jiān)測從激光二極管背面發(fā)射的光，并且通常是激光發(fā)出的總光量的一小部分。這一小部分的光被光電二極管感應到，產生與激光的光輸出成比例的電流 (I_PD)。電流轉換為電壓并使用誤差放大器（此處為 TLV9001）與基準電壓 (V_REF) 進行比較。該誤差信號也稱為誤差放大器的輸出，會反饋到激光驅動器 LMH13000，以便將激光輸出調整為所設定的光功率。

系統(tǒng)中的反饋機制可抵消來自所需狀態(tài)的任何偏差，減少誤差，并通過阻止激光輸出光強度變化的反饋信號來保持穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)支持 DC 和脈沖激光操作。下一節(jié)說明如何在這兩種情況下實現(xiàn) APC。

DC 操作

顧名思義，在 DC 工作模式下，激光輸出為恒定直流，APC 系統(tǒng)可確保輸出功率保持在設定的直流電平，并且不會偏離。為了實現(xiàn)這一點，系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)控激光的光功率，并不斷將此信號反饋回激光驅動器。圖 1 顯示為了實現(xiàn) APC 所需的負反饋環(huán)路，激光驅動器、激光二極管、背面二極管和誤差放大器之間的連接。

圖 1 直流操作方框圖

要設置激光的特定輸出功率，我們需要背面二極管 (I_PD) 的光電二極管電流與激光光功率 (P_O) 之間的關系。該關系可在激光二極管的數(shù)據(jù)表中找到。利用該知識設置 V_REF 引腳上的電壓，計算公式如下：

如果 I_PD 和 P_O 之間的關系未知，可以通過向激光二極管施加適當?shù)碾娏?(I_OUT) 來推導這一關系，從而產生所需的光功率 (P_O)，然后通過光電二極管測量 I_PD。

激光數(shù)據(jù)表通常會說明激光電流和光功率之間的關系。

誤差放大器會將反饋信號與 V_REF 信號進行比較，以設置在 VSET 的電壓，實現(xiàn)所需的光輸出。放大器會根據(jù)兩者之間的差值（誤差）調整輸出電壓 (VSET)，以使 V_Sense 電壓接近 V_REF 電壓。當誤差放大器調節(jié) VSET 時，LMH13000 會相應地通過激光器調節(jié)輸出電流。

激光電流的調整會使 I_PD 和光輸出功率恢復到設定值。這種調節(jié)激光器驅動電流的反饋機制可確保在直流操作中實現(xiàn)一致的光輸出。

脈沖激光操作

用于脈沖激光操作的 APC 環(huán)路的功能與上一節(jié)中所述的 DC 模式類似。但是，要啟用脈沖輸出，需要對系統(tǒng)進行兩處修改：

• 這是一種在激光脈沖期間臨時打開控制環(huán)路的機制，通過添加 2:1 多路復用開關 (SPDT) S1 來實現(xiàn)
• 一個在環(huán)路打開時保留 VSET 值的存儲器元素。這可以通過添加 C1 來實現(xiàn)

這些增強功能可確保當驅動電流降至零時，系統(tǒng)不會在脈沖操作期間嘗試補償激光關閉期間的誤差。

圖 2 脈沖激光操作方框圖

要將激光器配置為所需的光功率峰值，請關閉開關 S1，將 COM 連接到 A1 以啟動 APC 環(huán)路，如 圖 2 中所示。此操作會啟用光學反饋路徑，將 EP 引腳拉高會啟用 LMH13000 輸出。在此階段，系統(tǒng)作為傳統(tǒng) APC 環(huán)路運行，類似于之前所述的 DC 模式。電容器 C1 根據(jù)脈沖操作所需，充電至適當?shù)?VSET 電壓。

要轉換到脈沖模式，可通過切換開關 S1 將 COM 連接到 A0 來打開反饋環(huán)路。在此配置中，將 TLV9001 與 LMH13000 斷開，從而有效地斷開反饋路徑。TLV9001 環(huán)路在局部閉合，現(xiàn)在用作緩沖器，以防止輸出在電源軌飽和。在反饋環(huán)路斷開的情況下，系統(tǒng)在此期間不會再嘗試調節(jié)電流或光功率偏差。

這可確保在脈沖模式的激光關閉期間（驅動電流降至零時），控制環(huán)路不會錯誤地響應光輸出的缺失。通過向 EP/EN 引腳施加信號來實現(xiàn)脈沖。電容器 C1 的電壓決定了每個脈沖期間的峰值電流。由于在開關 S1 保持開路時 C1 會持續(xù)充電，因此可以繼續(xù)提供必要的 VSET。此序列會周期性重復，以保持對激光光功率峰值的一致控制。

實驗室結果

該實驗將激光二極管（此處為 PLT5 518FB_P）配置為在室溫下提供 32mW 的光輸出功率。根據(jù)激光器的數(shù)據(jù)表 Po 與 If 圖（請參閱光輸出功率部分的光輸出功率），這對應于大約為 85mA 的正向驅動電流。

為了確定相應的光電二極管電流 (I _PD)，使用 85mA 驅動激光并測量得到的 I_PD 為 2.5μA。根據(jù) 28kΩ 的互阻抗增益，所需基準電壓 (V_REF) 的計算公式如下：

V_REF = I_PD × R_Sense = 2.5μA × 28kΩ = 70mV

一旦將 V_REF 設置為 70mV，APC 環(huán)路會將激光電流穩(wěn)定在 85mA 處，確保維持所需的光輸出。

圖 3 和圖 4 展示了系統(tǒng)在 SPDT 開關和脈沖操作期間的動態(tài)響應。

圖 3 展示了環(huán)路閉合后誤差放大器設置的 VSET 電壓。對于 85mA 的設定 IOUT 電流，VSET 穩(wěn)定在 171mV。該電壓符合 LMH13000 的 IOUT 與 VSET 關系（有關更多詳細信息，請參閱器件數(shù)據(jù)表：LMH13000 高速脈沖和連續(xù)輸出電流驅動器）

圖 4 演示了向脈沖操作模式的轉換。在 t = –40μs 時，SEL 信號切換以開環(huán)。電容器 C1 可保留電荷，從而保持 VSET 電壓。可以在 VSET 圖中看到這是平坦的線路。在此期間，激光電流保持 85mA，這可以通過 VLD 電壓確認，該電壓比 5V 激光電源低 170mV (85mA x 2Ω)。

在 t = 0s 時，向 EP 引腳施加脈沖信號并持續(xù) 10 個周期，通過激光產生電流脈沖。這些脈沖在 VLD 節(jié)點（激光器的陽極）上表現(xiàn)為由 2Ω 電阻器上的 IR 壓降產生的電壓脈沖信號。

I_OUT = 85mA，V_REF = 70mV，LMH13000 MODE = 0

圖 3 輸出波形：放大的正向 SEL 轉換

圖 4 脈沖操作期間的輸出波形