由于具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，半導體激光器(LD)在信息、通訊、醫療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應用，且與電子器件結合實(shí)現單片光電子集成。但是LD 容易受到過(guò)電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞[1,2]，其電源的研究愈來(lái)愈受到人們的重視。若電源輸出電壓或電流波形質(zhì)量不高，又缺乏有效保護，將導致激光器性能下降或造成損壞，因此要設計性能優(yōu)良的電源來(lái)保證LD安全穩定地工作。

本文以數字集成電路為核心，設計能夠實(shí)現智能控制的半導體激光器電源。

半導體激光器LD工作影響因素

半導體激光器的核心是PN結一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無(wú)法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合，視其破壞程度而表現為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過(guò)凈化工作環(huán)境來(lái)解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會(huì )產(chǎn)生半導體激光器PN結損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開(kāi)關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場(chǎng)等。實(shí)際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護。

傳統激光器電源是用純硬件電路實(shí)現的，采用模擬控制方式[2,3]，雖然也能較好的驅動(dòng)激光，但無(wú)法實(shí)現精確控制，在很多工業(yè)應用中降低了精度和自動(dòng)化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進(jìn)行控制，能簡(jiǎn)化激光電源的硬件結構，有效地解決半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性等問(wèn)題。隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高[4,5]。

系統設計

供電電源：實(shí)現系統供電電壓(交流220V)與系統工作電壓之間的轉換。并采用濾波技術(shù)，使得半導體激光器工作的電壓紋波很小，保證半導體激光器的正常工作。

智能控制：主要由CPU來(lái)完成。LD電源工作在恒流模式下，設定電流后，CPU根據傳感器采樣的電流信號值，經(jīng)過(guò)一定的算法后將輸出電壓經(jīng)過(guò)運放電路送到激光器驅動(dòng)芯片的反饋引腳，進(jìn)行自動(dòng)調節以達到設定的電流輸出，實(shí)現激光器的智能化。

保護電路：半導體激光器驅動(dòng)系統必須配備保護電路。保護電路將減小LD實(shí)際運用中受到的外界影響，增強了系統的可靠性。這部分主要包括過(guò)溫保護、過(guò)流保護、浪涌保護等電路

硬件電路

設計電源在連續模式下輸出電流0～1.5A連續可調，具有很高的電流穩定度和很小的紋波系數，滿(mǎn)足中小功率LD所要求的分辨率、穩定性和噪聲性能。

恒流源電路

LD供電電路是一個(gè)恒流源(見(jiàn)圖2)。ETC公司恒流源驅動(dòng)芯片HY6340為核心元件。供電電壓VEE的穩定對輸出恒流信號的穩定起著(zhù)重要作用，因此采用多重濾波技術(shù)，將VEE的紋波控制在lmV以下，保證HY6340芯片輸出端12、13、14引腳信號的穩定。調節5引腳和6引腳到VEE之間的電壓可以分別設定過(guò)流保護閥值和過(guò)溫保護值。在恒定電流工作方式下，通過(guò)調節21引腳的輸出電平來(lái)控制輸出電流的大小在0~1.5A之間連續可調。

外圍電路

為實(shí)現調制信號輸出電壓的獨立可調，在輸出端添加了兩級輸出運放U14A和U14B，考慮到帶寬要求所以放大器選用Maxim公司的高速運放 MAX4215。利用高速運算放大器組成減法電路，使得輸出信號由原來(lái)的對稱(chēng)于地電位的2Vp-p變?yōu)橐?.5V電壓為中心的2Vp-p。當需要外接調制電路時(shí)則啟動(dòng)核心單元控制繼電器，從而達到內置調制電路和外接調制源之間的轉換。

軟件設計

軟件采用C51編寫(xiě)程序，包括主程序和中斷響應程序部分。

主程序主要是實(shí)現軟啟動(dòng)、慢關(guān)機和控制發(fā)火。在系統啟動(dòng)時(shí)，初始化系統后進(jìn)入人機對話(huà)界面，掃描是否有按鍵按下，若有則調用按鍵處理程序，操作者可通過(guò)鍵盤(pán)設定輸出電流輸出電壓基準值，同時(shí)顯示，以便確認。開(kāi)始工作，通過(guò)緩慢增加電壓的方式來(lái)實(shí)現系統的軟啟動(dòng)，保護LD。正常工作時(shí)，硬件電路中采樣電流信號，從數模轉換電路出來(lái)的信號經(jīng)過(guò)采樣電阻，得到相應的電壓信號，傳給單片機，送出顯示。若出現電流波動(dòng)情況則進(jìn)行PID控制，其中采用了中值與均值復合濾波方法處理。系統對D/A輸出信號調整，進(jìn)而調整輸出電流。主程序中的循環(huán)部分不斷探測LD的工作電流、工作溫度和發(fā)射功率，并顯示出來(lái)以便查看。如果出現故障，中斷信號送入單片機端口(分別相應過(guò)壓、過(guò)流、突然斷電情況)，系統分別調用中斷程序實(shí)現對系統的快速保護。主要控制功能均利用中斷實(shí)現，保證系統響應的實(shí)時(shí)性。最后當操作者按下按鍵關(guān)閉設備時(shí)，系統調用慢關(guān)閉程序，安全地停止工作。

數字濾波

對系統干擾作用的沖擊信號往往具有較寬頻譜，且具有隨機性。對此，系統采用了軟件方法對采樣信號進(jìn)行了數字平滑濾波，通過(guò)對信號進(jìn)行處理，減少干擾對有用成分的作用。常見(jiàn)數字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等[6]。將中值濾波與均值濾波方法結合，構造一種復合濾波方法，具體做法是：首先對樣本信號排序，去掉其中的最大值和最小值，再對余下數據組成的序列計算均值作為濾波結果，這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。

保護設置

軟啟動(dòng)和慢關(guān)機：系統的啟動(dòng)或關(guān)閉均由啟動(dòng)/停機鍵控制，如果判斷為開(kāi)機，則命令LD驅動(dòng)芯片預熱工作，再逐漸增大工作電流至設定值，實(shí)現軟啟動(dòng)。如果判斷為關(guān)閉，則逐漸降低工作電流直到零，實(shí)現慢關(guān)機。

電流過(guò)載保護：程序設定或通過(guò)鍵盤(pán)確定電流值上限值，CPU通過(guò)控制數字電位器調節激光驅動(dòng)芯片PIN21的電壓并檢測電流，保證流經(jīng)LD的電流的穩定，防止出現過(guò)流而損壞LD。實(shí)時(shí)比較電流設定值和采樣值，當實(shí)際值大于上限時(shí)，系統啟動(dòng)限流保護動(dòng)作。

測試結果

根據設計制作了數字式電源，連接現有的實(shí)驗室用的半導體激光器，進(jìn)行性能測試。

開(kāi)機后激光器預熱半小時(shí)，通過(guò)軟件設定方式調節激光器的工作電流至1.5A，激光器啟動(dòng)系統運行，工作電流平穩上升達到1.5A，動(dòng)態(tài)響應時(shí)間在 1.5~2s之間。系統輸出電流為1.5A，連續工作4小時(shí)，每間隔10分鐘記錄1次電流，按照時(shí)間排列測試次序和相應的電流值。測試結果數據描繪曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。結果表明系統的控制電流穩定，誤差小。測試結束后關(guān)閉激光器，系統逐步減小輸出電壓信號，降低輸出功率至零后激光器停止工作。結果表明，采用數字控制方案的電源達到激光器的穩態(tài)精度要求。

結語(yǔ)

所設計的數字式半導體激光器電源，采用集成電路C8051F020為核心，編程實(shí)現數字濾波及防浪涌等智能功能。電路采用了恒流源驅動(dòng)芯片 HY6340和高速集成運放MAX4215，簡(jiǎn)化了電路，提高了控制精度。對半導體激光器電源進(jìn)行實(shí)用測試，結果表明，輸出電流0～1.5A，工作電流穩定，電源還可實(shí)現軟啟動(dòng)慢關(guān)機、防浪涌功能。經(jīng)測試，數字式電源達到激光電源的穩態(tài)精度要求，改善系統的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)簡(jiǎn)化了硬件電路。