實現智能控制的半導體激光器電源設計

　　由于具有體積小、重量輕等特點，半導體激光器(LD)在信息、通訊、醫(yī)療等領域得到日益廣泛的應用，且與電子器件結合實現單片光電子集成。但是LD容易受到過電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞，其電源的研究愈來愈受到人們的重視。若電源輸出電壓或電流波形質量不高，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)良的電源來保證LD安全穩(wěn)定地工作。

　　本文以數字集成電路為核心，設計能夠實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，則無法產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。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產生半導體激光器PN結損傷或擊穿，其產生原因是多方面的，包括：①電源開關瞬間電流;②電網中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場等。實際工作環(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(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅動激光，但無法實現精確控制，在很多工業(yè)應用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進行控制，能簡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(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

　　系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)框圖見圖1。主要由以下幾部分構成。

　　供電電源：實現系統(tǒng)供電電壓(交流220V)與系統(tǒng)工作電壓之間的轉換。并采用濾波技術，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，經過一定的算法后將輸出電壓經過運放電路送到激光器驅動芯片的反饋引腳，進行自動調節(jié)以達到設定的電流輸出，實現激光器的智能化。

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

　　硬件電路

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

　　恒流源電路

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

　　處理單元

　　選用Silicon公司的C8051F020為數字處理單元。在掃描按鍵功能實現中使用了CH451，芯片內置去抖功能和鍵盤中斷功能，可以節(jié)省單片機的內部運行時間，確保按鍵讀取的準確性。

　　外圍電路

　　為實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的對稱于地電位的2Vp-p變?yōu)橐?.5V電壓為中心的2Vp-p。當需要外接調制電路時則啟動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編寫程序，包括主程序和中斷響應程序部分。

　　主程序主要是實現軟啟動、慢關機和控制發(fā)火。在系統(tǒng)啟動時，初始化系統(tǒng)后進入人機對話界面，掃描是否有按鍵按下，若有則調用按鍵處理程序，操作者可通過鍵盤設定輸出電流輸出電壓基準值，同時顯示，以便確認。開始工作，通過緩慢增加電壓的方式來實現系統(tǒng)的軟啟動，保護LD。正常工作時，硬件電路中采樣電流信號，從數模轉換電路出來的信號經過采樣電阻，得到相應的電壓信號，傳給單片機，送出顯示。若出現電流波動情況則進行PID控制，其中采用了中值與均值復合濾波方法處理。系統(tǒng)對D/A輸出信號調整，進而調整輸出電流。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(分別相應過壓、過流、突然斷電情況)，系統(tǒng)分別調用中斷程序實現對系統(tǒng)的快速保護。主要控制功能均利用中斷實現，保證系統(tǒng)響應的實時性。最后當操作者按下按鍵關閉設備時，系統(tǒng)調用慢關閉程序，安全地停止工作。

　　數字濾波

　　對系統(tǒng)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(tǒng)采用了軟件方法對采樣信號進行了數字平滑濾波，通過對信號進行處理，減少干擾對有用成分的作用。常見數字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等。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

　　軟啟動和慢關機：系統(tǒng)的啟動或關閉均由啟動/停機鍵控制，如果判斷為開機，則命令LD驅動芯片預熱工作，再逐漸增大工作電流至設定值，實現軟啟動。如果判斷為關閉，則逐漸降低工作電流直到零，實現慢關機。

　　電流過載保護：程序設定或通過鍵盤確定電流值上限值，CPU通過控制數字電位器調節(jié)激光驅動芯片PIN21的電壓并檢測電流，保證流經LD的電流的穩(wěn)定，防止出現過流而損壞LD。實時比較電流設定值和采樣值，當實際值大于上限時，系統(tǒng)啟動限流保護動作。

　　測試結果

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

　　開機后激光器預熱半小時，通過軟件設定方式調節(jié)激光器的工作電流至1.5A，激光器啟動系統(tǒng)運行，工作電流平穩(wěn)上升達到1.5A，動態(tài)響應時間在1.5~2s之間。系統(tǒng)輸出電流為1.5A，連續(xù)工作4小時，每間隔10分鐘記錄1次電流，按照時間排列測試次序和相應的電流值。測試結果數據描繪曲線見圖3。結果表明系統(tǒng)的控制電流穩(wěn)定，誤差小。測試結束后關閉激光器，系統(tǒng)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(wěn)態(tài)精度要求。

　　結語

　　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，編程實現數字濾波及防浪涌等智能功能。電路采用了恒流源驅動芯片HY*0和高速集成運放MAX4215，簡化了電路，提高了控制精度。對半導體激光器電源進行實用測試，結果表明，輸出電流0～1.5A，工作電流穩(wěn)定，電源還可實現軟啟動慢關機、防浪涌功能。經測試，數字式電源達到激光電源的穩(wěn)態(tài)精度要求，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時簡化了硬件電路。