基于智能控制的半导体激光器电源设计

由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器(LD)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用，且与电子器件结合实现单片光电子集成。但是LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏，其电源的研究愈来愈受到人们的重视。若电源输出电压或电流波形质量不高，又缺乏有效保护，将导致激光器性能下降或造成损坏，因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。

本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。

半导体激光器LD工作影响因素

半导体激光器的核心是PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。

造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器PN结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流;②电网中其它用电装备起停机;③雷电;④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。

传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高。

系统设计

系统框图见图1。主要由以下几部分构成。
 
供电电源：实现系统供电电压(交流220V)与系统工作电压之间的转换。并采用滤波技术，使得半导体激光器工作的电压纹波很小，保证半导体激光器的正常工作。

智能控制：主要由CPU来完成。LD电源工作在恒流模式下，设定电流后，CPU根据传感器采样的电流信号值，经过一定的算法后将输出电压经过运放电路送到激光器驱动芯片的反馈引脚，进行自动调节以达到设定的电流输出，实现激光器的智能化。

保护电路：半导体激光器驱动系统必须配备保护电路。保护电路将减小LD实际运用中受到的外界影响，增强了系统的可靠性。这部分主要包括过温保护、过流保护、浪涌保护等电路。

硬件电路

设计电源在连续模式下输出电流0～1.5A连续可调，具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，满足中小功率LD所要求的分辨率、稳定性和噪声性能。

恒流源电路

LD供电电路是一个恒流源(见图2)。ETC公司恒流源驱动芯片HY*0为核心元件。供电电压VEE的稳定对输出恒流信号的稳定起着重要作用，因此采用多重滤波技术，将VEE的纹波控制在lmV以下，保证HY*0芯片输出端12、13、14引脚信号的稳定。调节5引脚和6引脚到VEE之间的电压可以分别设定过流保护阀值和过温保护值。在恒定电流工作方式下，通过调节21引脚的输出电平来控制输出电流的大小在0~1.5A之间连续可调。

处理单元

选用Silicon公司的C8051F020为数字处理单元。在扫描按键功能实现中使用了CH451，芯片内置去抖功能和键盘中断功能，可以节省单片机的内部运行时间，确保按键读取的准确性。

外围电路

为实现调制信号输出电压的独立可调，在输出端添加了两级输出运放U14A和U14B，考虑到带宽要求所以放大器选用Maxim公司的高速运放MAX4215。利用高速运算放大器组成减法电路，使得输出信号由原来的对称于地电位的2Vp-p变为以2.5V电压为中心的2Vp-p。当需要外接调制电路时则启动核心单元控制继电器，从而达到内置调制电路和外接调制源之间的转换。

软件设计

软件采用C51编写程序，包括主程序和中断响应程序部分。

主程序主要是实现软启动、慢关机和控制发火。在系统启动时，初始化系统后进入人机对话界面，扫描是否有按键按下，若有则调用按键处理程序，操作者可通过键盘设定输出电流输出电压基准值，同时显示，以便确认。开始工作，通过缓慢增加电压的方式来实现系统的软启动，保护LD。正常工作时，硬件电路中采样电流信号，从数模转换电路出来的信号经过采样电阻，得到相应的电压信号，传给单片机，送出显示。若出现电流波动情况则进行PID控制，其中采用了中值与均值复合滤波方法处理。系统对D/A输出信号调整，进而调整输出电流。主程序中的循环部分不断探测LD的工作电流、工作温度和发射功率，并显示出来以便查看。如果出现故障，中断信号送入单片机端口(分别相应过压、过流、突然断电情况)，系统分别调用中断程序实现对系统的快速保护。主要控制功能均利用中断实现，保证系统响应的实时性。最后当操作者按下按键关闭设备时，系统调用慢关闭程序，安全地停止工作。

数字滤波

对系统干扰作用的冲击信号往往具有较宽频谱，且具有随机性。对此，系统采用了软件方法对采样信号进行了数字平滑滤波，通过对信号进行处理，减少干扰对有用成分的作用。常见数字滤波的方法有中值滤波、均值滤波等。将中值滤波与均值滤波方法结合，构造一种复合滤波方法，具体做法是：首先对样本信号排序，去掉其中的最大值和最小值，再对余下数据组成的序列计算均值作为滤波结果，这样既可滤除冲击干扰又保留了有用信号成分。

保护设置

软启动和慢关机：系统的启动或关闭均由启动/停机键控制，如果判断为开机，则命令LD驱动芯片预热工作，再逐渐增大工作电流至设定值，实现软启动。如果判断为关闭，则逐渐降低工作电流直到零，实现慢关机。

电流过载保护：程序设定或通过键盘确定电流值上限值，CPU通过控制数字电位器调节激光驱动芯片PIN21的电压并检测电流，保证流经LD的电流的稳定，防止出现过流而损坏LD。实时比较电流设定值和采样值，当实际值大于上限时，系统启动限流保护动作。

测试结果

根据设计制作了数字式电源，连接现有的实验室用的半导体激光器，进行性能测试。

开机后激光器预热半小时，通过软件设定方式调节激光器的工作电流至1.5A，激光器启动系统运行，工作电流平稳上升达到1.5A，动态响应时间在1.5~2s之间。系统输出电流为1.5A，连续工作4小时，每间隔10分钟记录1次电流，按照时间排列测试次序和相应的电流值。测试结果数据描绘曲线见图3。结果表明系统的控制电流稳定，误差小。测试结束后关闭激光器，系统逐步减小输出电压信号，降低输出功率至零后激光器停止工作。结果表明，采用数字控制方案的电源达到激光器的稳态精度要求。

 所设计的数字式半导体激光器电源，采用集成电路C8051F020为核心，编程实现数字滤波及防浪涌等智能功能。电路采用了恒流源驱动芯片HY*0和高速集成运放MAX4215，简化了电路，提高了控制精度。对半导体激光器电源进行实用测试，结果表明，输出电流0～1.5A，工作电流稳定，电源还可实现软启动慢关机、防浪涌功能。经测试，数字式电源达到激光电源的稳态精度要求，改善系统的动态性能，同时简化了硬件电路。

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