基于数字集成电路的半导体激光器电源的设计

文章摘要： 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[1,2]，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

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     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[1,2]，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[2,3]，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[4,5]。

　　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。

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　　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HY6340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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