实现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Sil ic on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。

　　结语

　　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。