半导体激光电源

科学术语

半导体激光电源电路部分由：稳压电路、激光电源脉冲控制电路、脉冲产生电路、保护电路组成。数字半导体激光电源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。

电路组成

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。

稳流电路

在稳压或稳流电源中,常用的是开关电源和线性电源,由于开关电源的瞬态响应较差、纹波系数较大[2],对瞬态特性和温度要求较高的半导体激光驱动电源采用线性电源较为合理。为了实现高的电流稳定度,驱动电路大多采用负反馈的控制方法,原理图见图2。工作时,通过电阻电流采样反馈为驱动电流提供有源控制。方法是在功率晶体管的源极串联一个采样电阻RS,用于取样反馈，该取样电压经过I/U转后,作为反馈电压与设定电压进行比较,进而通过调整功率晶体管的电阻大小对输出电流If进行调整。整个闭环反馈系统处于动态平衡中,以达到稳定电流的目的。输出电流If与设定的参考电压Vref的关系可由负反馈原理得到 ,上式只是一个近似的表达,随着负载的不同和输入电压的变化,输出电流还是有微小的变化,但是由于前置放大器放大倍数很高,使得输出电流变化很小,稳定度一般能达到10-5量级。实际上,线形稳压源和稳流源的结构原理基本相同,只是输出方式的不一样,即负载的加载方式不同,譬如,在图2中,如果负载也采样电阻并行连接,图2 就成了一个恒定输出电压为Vref的稳压源。同样的,基于这种方式的稳压源稍加调整也可作为恒流源。各种可调稳压器集成芯片技术成熟,产品丰富,因此可以对这种芯片的功能进行扩展以满足我们的设计要求。

考虑到实际应用情况,如电源体积、输出电流大小、特别是瞬态响应,我们选用ONSEMI公司的低压差大电流集成可调稳压芯片NCP5662,它的瞬态响应比同类稳压器要快,建立时间1-3us,可承受电流值达2A,具有内部电流限制和热保护功能等,其功能框图如图3所示。图3显示的是其稳压工作的情况,根据前面叙述的原理,对该集成电路进行扩展以将其设计成为一个稳定度很高的恒流源,几种扩展方法中,实验证明比较合理的工作方式如图4所示。先不考虑图中虚框内的电路,当加电之后,电路开始工作,进入稳态时,由于集成电路内部的反馈作用,R11两端的电压始终保持在0.9V,所以,R7两端的电压始保持在 ,故流过R7两端的电流Is由下式确定: 　因此,改变R3、R11、R7可以灵活的调整输出电流的值。按照图4中各元件的取值,通过计算得到Is=2A,此恒定电流将流过激光二极管到地,由于 NCP5662内部的比较器具有很高的放大倍数,因此,电流的稳定度非常的好。另外,从R11和NCP5662的GND端流出到负载的电流小于4mA,与2A相比影响很小。图中C8的作用为改善电源的瞬态响应特性。

发展趋势

随着半导体激光的应用日益广泛，对相应的驱动电源的要求也越来越多样化，同时具备数据处理、状态监测、故障诊断和输出控制能力的智能化半导体激光电源成为半导体激光电源发展的新方向。该文以AMD-PDT治疗仪激光电源和LD泵浦固体激光器电源为研制目标，使用单片机作为系统控制核心，着重研究了智能化半导体机激光电源的构成和实现。全文共分为三部分。第一部分为智能化仪器的概述部分，详细的介绍了智能化仪器的发展、原理和特点。第二部首先介绍半导体激光器的工作特性，包括半导体激光器的输出光功率、光谱、工作温度和注入电流的相互关系；然后介绍般半导体机激光器电源的构成原理，最后逐步总结出智能化半导体机激光电源的模型。第三部分为智能化半导体激光电源的实现部分，第四章详细分析了AMD-PDT治疗仪控制电源的硬件设计和软件编程；在硬件设计部分中，重点分析了半导体激光器的驱动电路和仪器的人机交互界面—液晶显示屏和触摸屏的工作

控制系统设计

半导体激光器(LD)体积小，重量轻，转换效率高，省电，并且可以直接调制。基于他的多种优点，现已在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用，同时其驱动电源的问题也更加受到人们的重视。使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。

主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。

这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。

光功率设定从目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压；二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。

半导体激光器往往会因为接在同一电网上的多种电器的突然开启或者关闭而受到损坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，就是该电流致使半导体激光器损坏，介于这种情况，必须加以克服。因此，驱动电源的输入应该设计成慢启动电路，以防损坏，左边输入端接稳压后的直流电压，右边为输出端。整个电路的结构可看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1，C1，C2和L2，C6，C7组成。电容C5构成的C型滤波网络及一个时间延迟网络。慢启动输入电压V在开关和闭合的瞬间产生大量的高频成分，经过两个Ⅱ型网络滤出大部分的高频分量，直流以及低频分量则可以顺利地经过。到达电阻R和C组成的时间延迟网络，C2和C4并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。

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