Test von Laserdioden unter typischen Fehlerbedingungen

Test von Laserdioden unter typischen Fehlerbedingungen
- Schnelle Ansprechzeit der Stromversorgungen auf Transienten
erforderlich
Der Beitrag beschreibt typische Treibertechnologien für Multi-Laser-Anwendungen, wie sie in
Burn-in- oder Lebensdauertests eingesetzt werden. Es werden mögliche Fehlerbedingungen
diskutiert, die für die Stromversorgungen der Laser eine Herausforderung darstellen. Ein
typisches Fehler-Szenario wird dargestellt, mit einer gradualen Zunahme der Laser-Impedanz,
gefolgt von einem plötzlichen Abfall der Impedanz. Eine Testschaltung mit sechs Lasern und
einem MOSFET wird genutzt, um die Auswirkungen auf drei Laser-Stromversorgungen zu
testen. Die entsprechenden Spannungs- und Stromspitzen der Stromversorgungen werden
dargestellt und die Überschussleistung sowie die an die Laser gelieferte Überschussenergie
werden berechnet.
Einleitung
Hintergrund: typische Laser-Fehler
Halbleiter-Laserdioden werden oft unter
Stressbedingungen
getestet,
um
den
Alterungsprozess und die Fehleranfälligkeit zu
evaluieren. Dieser Testbetrieb benötigt eine
ausreichend große Anzahl von Bauelementen,
damit eine statistisch signifikante Maßzahl für
die Ausfallrate ermittelt werden kann. Die
Treiberelektronik für die Laser ist daher in der
Regel in Bezug auf die Kosten, Abmessungen
und Effizienz optimiert. Dabei werden oft
mehrere Laser über eine gemeinsame
Stromversorgung getrieben. Das reduziert
zwar die Kosten und die Komplexität, erfordert
aber eine n-fache Auslegung des Nennstroms
bzw. der Nennspannung der Stromversorgung,
wenn n die Anzahl der gemeinsam versorgten
Laser ist.
Die Messung der Licht-Emission und des
Stromes durch die Laser sind zwei der
wichtigsten
Parameter
bei
der
Charakterisierung der Laser-Bauelemente. Die
Licht-Emission hängt direkt vom Stromfluss
durch den Laser ab.
Tritt bei einem Laser ein Fehler auf, dann
kommt es zu einer unnormalen Last an der
Stromversorgung. Das kann zu Spannungen
oder Strömen führen, die deutlich über dem
normalen Betrieb eines einzelnen Lasers
liegen. Ist das der Fall, dann kann der
entsprechende Laser zerstört werden und
andere Laser in der Schaltung können
höherem Stress ausgesetzt sein und eventuell
auch beschädigt werden. Um die Bauelemente
im Fehlerfall zu schützen und die Einflüsse auf
andere Bauelemente gering zu halten, ist eine
gut geregelte und geschützte Stromversorgung,
die diese Effekte minimiert, essentiell. Im
Folgenden
werden
drei
Typen
von
Stromversorgungen dahingehend untersucht,
wie sie auf ein typisches Fehlerszenario in
einer Schaltung mit sechs Lasern reagieren.
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Bevorzugte
Serienschaltung
Steuerung
mit
Treiber-Topologie:
Konstantstrom-
In vielen Fällen werden für den Burn-in- oder
Lebensdauer-Test mehrere Laserdioden in
Serie oder parallel geschaltet. Dabei ist ein
Test mit einer Parallelschaltung etwas
komplexer, bedingt durch BauelementeVariationen. In einem parallelen Schema kann
der Strom von Zweig zu Zweig etwas
abweichen,
bedingt
durch
ImpedanzUnterschiede. Daher ist für jeden Zweig ein
Impedanzabgleich erforderlich, um den
gleichen Strom zu erhalten. Um dies zu
umgehen, bietet sich eine serielle Topologie
mit einer Konstantstromquelle an, damit in
allen Bauelementen der gleiche Strom
gewährleistet ist.
Bei der Serienschaltung gibt es keine
Abzweigungen und durch alle Bauelemente
fließt derselbe Strom. Damit ist ein direkter
Vergleich der DUTs (Device Under Test) im
Hinblick auf das abgestrahlte Licht und damit
auf den Strom möglich. Ein Nachteil dieser
Konfiguration besteht im Fehlerfall eines
Bausteins, denn dann ist auch der Test für die
anderen in Serie geschalteten Bauelemente
unterbrochen. Trotz dieses Nachteils wird die
serielle Konfiguration bevorzugt, wobei deren
Nutzen jedoch von der Fähigkeit der
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Stromversorgung abhängt, den Strom durch
die Bauelemente konstant zu halten,
unabhängig von der Spannung an den DUTs.
Laser-Fehler: Einfluss auf den Abfall der
Vorwärtsspannung
Es gibt eine Reihe von Laserdioden-Defekten
sowohl im Hinblick auf den Chip als auch das
Gehäuse, die sorgfältig bei der Wahl der
entsprechenden Stromversorgung betrachtet
werden sollten. Einige typische Fehler, die
eventuell zu einer thermischen Drift oder
Abweichung führen können, die dann in einer
offenen Schaltung oder in einem Kurzschluss
enden können, sind:
-
Dark-Line-Defekte
Dark-Spot-Defekte
Defekte des Emitter-Resonators
Defekte der Front-Facette
Stressbedingte Brüche des LaserBarrens
Lot-Migration
Lot-Fehlstelle
Übergangs wird Überschussenergie an die
Last geliefert - in Form einer Stromspitze an
allen Bauelementen der Serienschaltung.
Wenn die Stromversorgung den Abgleich und
die
Kompensation
in
nur
wenigen
Millisekunden durchführen kann, dann werden
die nicht fehlerhaften Laser kaum oder gar
nicht beschädigt. Wenn jedoch die Antwortzeit
zu lange dauert bzw. die entsprechende
Schaltung in der Stromversorgung zu langsam
ist, dann besteht die Gefahr, dass alle
Laserdioden in der Testschaltung zerstört
werden.
Testaufbau
Um einen gradualen Impedanzanstieg gefolgt
durch einen plötzlichen Abfall bei einer
Fehlerbedingung zu simulieren, wurde die
Testschaltung in Bild 1 verwendet.
Die thermische Drift wird zuerst zu einem
geringeren Spannungsabfall am Bauelement
führen. Wenn der Fehler aber anhält wird die
Spannung bedingt durch den höheren
Kontaktwiderstand
steigen.
Da
der
Kontaktwiderstand
zunimmt
wird
die
Temperatur steigen, was zur Elektromigration
des Lots zwischen dem Laser-Barren und dem
„Submount“ führt. Diese Migration führt zu
größeren Lot-Fehlstellen zwischen dem LaserBarren und dem Submount, was den
Kontaktwiderstand weiter erhöht. Setzt sich
dieser Zyklus fort, dann wird ein Punkt erreicht,
an dem sich das Lot verflüssigt und es zum
Totalausfall kommt.
Plötzliche Spannungsänderungen fordern
die
Konstantstrom-Steuerung
der
Stromversorgung
Wenn bei einer Konstantstromquelle die
Spannung
ansteigt,
dann
wird
die
Stromversorgung
ihr
Spannungspotenzial
erhöhen, um den eingestellten Stromwert
beibehalten zu können. An einem Punkt wird
der Laser-Barren - wie beschrieben zusammenbrechen, was dann zu einer offenen
oder
Kurzschluss-Schaltung
führt.
Ein
Kurzschluss wird zu einer plötzlichen
Veränderung der Vorwärtsspannung führen,
womit die Stromversorgung schnell mit einem
anderen Betriebspunkt arbeiten muss. Für
diesen Übergang muss die Stromversorgung
die
in
ihren
Ausgangs-Kondensatoren
gespeicherte Energie abführen und den
Regelkreis
ändern.
Während
dieses
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Bild 1: Testaufbau
Bei
diesem
Testaufbau
treibt
die
Stromversorgung sechs CCP-Type-Laser. Die
Laser wurden auf einer wassergekühlten Platte
montiert und die Laserausgänge auf eine
ebenfalls
wassergekühlte
Strahlenpumpe
gelenkt. Die Schaltung beinhaltet einen
Halleffekt-Stromsensor (AC/DC, 200:1), um
den Strom durch den Laser zu messen. Ein
isolierter Oszilloskop-Tastkopf (10:1) misst die
Spannung über das MOSFET/Laser Paar. Der
MOSFET wurde mit einer invertierten
Sägezahn-Signalform (siehe Bild 2) getrieben.
Tabelle 1: verwendete Geräte im Testaufbau
Die getesteten Stromversorgungen
Bild 2: MOSFET Signalform
CH2 – 5V/div, 1 S/div
Durch den Abgleich der Frequenz und des
unteren Endpunktes der Signalform wurde der
MOSFET von der Sättigung hin zum linearen
Bereich und dann schnell wieder zurück zur
Sättigung getrieben. Für den Test wurde eine
Frequenz von etwa 2 Hz und eine Spannung
von 3,2 V genutzt.
Diese Vorgehensweise resultiert in einer
Signalform
mit
einer
ansteigenden
Spannungsrampe (Bild 3). Die Amplitude
dieser ansteigenden Spannung variiert von
einigen Volt für die SpikeSafe Stromquelle bis
zu 20-60 V für eine der getesteten
Stromversorgungen.
Die
ansteigende
Spannungsrampe endet in einem scharfen
Abfall. Dieser Abfall induziert eine Stromspitze
durch den Laser, wie er in Bild 3 (oberes
Signal) gezeigt wird. Die im Test verwendeten
Geräte sind in Tabelle 1 dargestellt.
In dem Experiment wurden drei Typen von
Stromversorgungen getestet. Die erste (60100)
ist
eine
einfache
abgleichbare
Laborstromversorgung, die im KonstantstromMode
betrieben
wurde.
Dieser
Stromversorgungs-Typ hat üblicherweise eine
signifikante Ausgangskapazität und einen
Regelkreis im Millisekunden-Bereich.
Beim zweiten Typ handelte es sich um eine
spezielle Stromquelle, die nur für einen
Stromausgang ausgelegt ist. Diese hat eine
sehr geringe Ausgangskapazität und einen
schnellen Regelkreis mit einer Ansprechzeit im
Bereich von 10 bis zu einigen 100
Mikrosekunden.
Allerdings
fehlen
Überspannungs-Schutzschaltungen
oder
Algorithmen für die Fehlerbehandlung.
Das dritte Gerät war eine Vektrex SpikeSafe
200 Stromquelle. Diese nutzt ein zweistufiges
Regelschema mit einer Ansprechzeit im
Bereich von nur 2-5 Mikrosekunden. Die
SpikeSafe 200 Stromquelle verfügt auch über
verschiedene Schutzfunktionen für eine
Treiber-Abschaltung im Fehlerfall. Eine dieser
Funktionen ist der dV/dt-Schutz. Diese
Funktion führt zur Abschaltung, wenn ein
unnormaler
Anstieg
oder
Abfall
der
Vorwärtsspannung erfasst wird. Für dieses
Experiment wurde diese Funktion jedoch
deaktiviert.
Tabelle 2: Getestete Stromversorgungen
Bild 3: MOSFET / Laser Strom & Spannung
CH1 – 10A/div, CH2 – 20V/div, 1S/div
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Bild 4: Stromversorgung 1 High/Ow 10A
CH1 – 20A/div, CH2 – 5V/div, 2mS/div2
Tabelle 3: Übersicht Produkteigenschaften
Stromversorgung 1
Die erste Stromversorgung wurde bei 10 und
20 A getestet. Die Versorgungsspannung
wurde auf einige Volt über der Nennspannung
eingestellt,
um
den
Anstieg
der
Maximalspannung zu begrenzen. In zwei der
Tests wurde der Überspannungsschutz
aktiviert. Die Ergebnisse für 10 A sind in Bild 4
dargestellt. Trace 2 zeigt, dass bis zum
plötzlichen
Impedanz-Abfall
die
Vorwärtsspannung an dem MOSFET/LaserPaar auf etwa 4,5 V angestiegen ist. Das war
hoch genug, um die Stromversorgung im
Konstantspannungs-Mode zu betreiben, wobei
sich der gelieferte Strom auf etwa 4 A
reduzierte. Beim dem Übergang auf die
geringe Impedanz stieg der Strom auf 52 A
und fiel dann innerhalb von 3 ms wieder auf
die 10-A-Einstellung zurück.
Bild 5 zeigt die Ergebnisse für 20 A. Diese
entsprechen weitgehend denen des 10-ATests, wobei die Stromspitze hier 56 A
erreichte, bevor sie wieder auf den Einstellwert
zurücksank. Die Bilder 6 und 7 zeigen die
Stromversorgung 1 jetzt mit aktiviertem
Überspannungsschutz.
Wenn
die
Schutzfunktion aktiviert ist, dann wird die
Stromversorgung abgeschaltet, bevor der
Impedanz-Abfall erfolgt.
Seite 4
Bild 5: Stromversorgung 1 High/Low 20 A
CH1 – 20A/div, CH2 – 5V/div, 2mS/div
Einstellwerten im Bereich von 10 bis 40 A
(Bilder 8-11).
Bild 6: Stromversorgung 1 High/Low 20 A/ 9 V
OVP
Ch1 – 20A/div, CH2 – 5V/div, 2mS/div
Bild 8: Stromversorgung 2 High/Low 5A
CH1 – 10A/div, CH2 – 20V/div, 100uS/div
Bild 7: Stromversorgung 1 High/Low 20 A, 7.9
V OVP
CH1 – 20A/div, CH2 – 5V/div, 2mS/div
Stromversorgung 2
Die Stromversorgung 2 verfügt über keinen
Konstantspannungs-Betrieb
oder
einen
Überspannungs-Schutz.
Ohne
diese
entsprechenden
Spannungsbegrenzungen
steigt die Spannung auf den Maximalwert,
während der Phase hoher Impedanz. Anders
als der Anstieg auf nur 4,5 V mit
Stromversorgung 1, sind es jetzt 45 bis 60 V
Spannung über das MOSFET/Laser-Paar.
Wenn dann der Abfall auf die geringe
Impedanz erfolgt, dann erreicht der Strom
Spitzenwerte von 20 bis 30 A, bevor er in 300
bis 400 µs wieder auf den Einstellpunkt
zurückfällt. Die relative Amplitude dieser Spitze
war im schlechtesten Fall 5 A und ziemlich
konstant bei 24 A über den StromSeite 5
Bild 9: Stromversorgung 2 High/Low 10A
CH1 – 10A/div, CH2 – 20V/div, 100uS/div
Einstellpunkt, mit einer Dauer von nur etwa 20
µs (Bild 12 und 13). Nach den Tests mit 10
und 20 A wurde das SpikeSafe auf die höchste
Überstrom-Empfindlichkeit eingestellt und der
20-A-Test wiederholt. Bei diesem geringeren
Grenzwert
wurde
die
Stromversorgung
abgeschaltet bevor der Impedanzabfall erfolgte.
Bild 10: Stromversorgung 2 High/Low 5A
CH1 – 20A/div, CH2 – 20V/div, 100uS/div
Bild 12: SpikeSafe High/Low 10A
CH1 – 4A/div, CH2 – 1V/div, 100uS/div
Bild 11: Stromversorgung 2 High/Low 40A
CH1 – 20A/div, CH2 – 20V/div, 100uS/div
Vektrex SpikeSafe 200:
Das SpikeSafe200 wurde bei 10 und 20 A
getestet. Für den Test wurde die dV/dtErfassung deaktiviert, da sie die Ausgabe noch
vor der Phase mit dem Impedanzabfall
ausgeschaltet hätte. Am Anfang wurden
dieselben MOSFET-Treiber-Bedingungen wie
für die Stromversorgung 2 gewählt. Allerdings
schaltete das SpikeSafe auch ohne dV/dtErfassung ab, wenn unter diesen Bedingungen
eine fehlerhafte Überspannung auftrat. Daher
wurde die MOSFET-Treiber-Wellenform so
abgeglichen,
dass
der
Anstieg
der
Vorwärtsspannung auf nur 3 V über der
Nennspannung reduziert wurde. Unter diesen
Bedingungen blieb die Stromquelle aktiv auch
während des Impedanz-Abfalls. Bei diesen
neuen Einstellungen erzeugte das SpikeSafe
eine Stromspitze von 4-8 A über dem
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Bild 13: SpiekSafe High/Low 20A
CH1 – 20A/div, CH2 – 5V/div, 100uS/div
Da die Nennleistung nur 20 W beträgt sind das
1100 Watt zuviel! Der Anstieg auf die 56 V
dauerte etwa 1,5 s. Damit beträgt die
Überschussenergie:
1100 W x 1,5 s x 0,5 = 825 J
Das sind 795 J mehr als die 30 J der normalen
Energie, die in 1,5 s geliefert wird.
Stromversorgung 1 und die VektrexStromversorgung ließen die Spannung nur um
einige Volt über dem Nennwert ansteigen.
Daher weisen sie eine wesentlich geringere
Leistungsaufnahme
während
dieser
Fehlerphase
auf.
Für
die
VektrexStromversorgung ergibt sich:
Bild 14: Spikesafe High/Low 20A with over
current trip
CH1 – 20A/div, Ch2 – 1V/div, 100uS/div
20 A X 3 V = 60 W
Das sind nur 40 W über dem Nennwert. Damit
ergibt sich für die Überschussenergie:
Analyse
40 W x 1,5 s x 0,5 = 30 J
Bei dieser Art von Laser-Defekten, die durch
eine ansteigende Vorwärtsspannung mit
anschließender Stromspitze gekennzeichnet
sind, ist der fehlerhafte Laser dem Stress
durch
die
höhere
Vorwärtsspannung
ausgesetzt, während er und die anderen Laser
der Serienschaltung auch einen Stress durch
Überstrom erfahren (Tabelle 4).
Tabelle 4: Laser Stress
Stress durch Überstrom
Überstrom kann die Laser direkt zerstören,
oder
zu
Schäden
durch
den
Energieüberschuss führen. Für die getesteten
Stromversorgungen dauerte die ÜberstromBelastung von 20 µs (Vektrex) bis zu 3 ms
(Stromversorgung
1).
Unter
diesen
Bedingungen ist die Überschussenergie wohl
nicht signifikant, aber die Amplitude des
Überstroms. Bei dem 20-A-Test zeigte die
Stromversorgung
1
die
schlechteste
Performance mit einem Spitzenstrom von 56 A.
Bei der Stromversorgung 2 war es immerhin
noch
44
A,
während
die
VektrexStromversorgung mit 28 A am besten abschnitt
- nur 8 A über dem Nennwert (Tabelle 5).
Stress durch Überspannung
Überspannung kann zu einer Beschädigung
des fehlerhaften Lasers führen, während es
zudem die Leistungsaufnahme in dem Laser
erhöht. Die erhöhte Leistungsaufnahme tritt im
Umfeld des fehlerhaften Lasers auf, wodurch
die thermische Drift verstärkt wird.
Die Stromversorgung 2 erzeugt eine
signifikante
Überspannung,
da
die
Versorgungsspannung
während
der
Fehlerphase mit hoher Impedanz oft nahe an
die maximale Spannung von 60 V herankommt.
Im Fall des 20-A-Tests betrug die maximale
Leistungsaufnahme:
20 A x 56 V = 1120 W
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Tabelle 5: Amplitude des Spitzenstroms bei
20A Nominal
Fazit
Wenn Laser für Burn-in- oder LebensdauerTests in Serienschaltungen geprüft werden,
dann kann die verwendete Stromversorgung
das Risiko von Beschädigungen durch
abnormalen Spannungs- oder Strom-Stress
beeinflussen. Die Experimente haben gezeigt,
dass mit dem Einsatz einer SS200Stromversorgung bei Testschaltungen mit in
Serie geschalteten Laserdioden, das Risiko
der Beschädigung der Bauelemente im
Vergleich zu anderen Stromversorgungen
deutlich reduziert werden kann. Das heißt nicht,
dass die anderen Stromversorgungen nicht
qualitativ gut sind. Dennoch weisen sie
gewisse Einschränkungen beim Treiben von
Laserdioden in Burn-in- oder LebensdauerTests auf. Die Produkte der Firma Vektrex
werden in Deutschland durch die Firma
CompuMess
Elektronik
GmbH
(www.compumess.de) vertrieben.
Autoren:
Herr Jeff Hulett,
Engineering,
Vektrex (www.vektrex.com)
Herr Werner Bach,
Marketingleitung,
CompuMess Elektronik GmbH
(www.compumess.de)
Über die CompuMess Elektronik GmbH:
Die CompuMess Elektronik GmbH (www.compumess.de) mit Sitz in 85716 Unterschleißheim ist ein
Vertriebsunternehmen für elektronische Messtechnik, Systeme und Baugruppen. Das
Produktspektrum umfasst: programmierbare AC- und DC-Stromversorgungen von 60 W bis 150 kW
für den Einsatz in Systemen oder im Labor, AC-DC-Netzteile mit industrieller oder medizinischer
Zulassung von 5 W bis 3 kW und DC-DC-Wandler von 0.25 bis 600 W. Auch konventionelle
Messgeräte
wie
FFT-Analysatoren,
Leistungsanalysatoren,
Arbiträr-Funktionsgeneratoren,
Netzqualitätsanalysatoren und Kalibriertechnik sowie Geräte der Messdatenerfassung wie Filter oder
Trennverstärker gehören zu unserem Programm. Für unsere Produkte und Lösungen bieten wir auch
Schulung, Wartung, Kalibrierung und Service.
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