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多功能半导体激光器驱动电源的研制


第 !! 卷第 " 期

红外与激光工程

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/>多功能半导体激光器驱动电源的研制
许文海, 杨明伟, 唐文彦 ( 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨; &"$$$& ) 摘; 要: 研制了一种单片机控制的连续半导体激光器 ( 3< ) 驱动电源。 3< 可以工作于自动电 流控制 ( =>> ) 模式、 自动功率控制 ( =?> ) 模式和自动电压控制 ( =’> ) 模式。3< 的电流可实现 $ @ #= 连续可调, 满量程精度在 A $* &B 以内; 对 3< 的温度可以实现精确的控制, 采用了比例积分 ( ?,) 控制技术, 并结合积分分离的思想, 使温度控制快速而有效, 控制精度为 A $* &C ; 采取了软启 动控制、 短路开关和限幅保护的措施, 有效地保证了 3< 的安全。实验表明: 该电源具有智能化程 度高、 抗干扰能力强、 稳定度高和使用方便的优点。 关键词: 半导体激光器; ; 驱动电源; ; 单片机; ; 比例积分 中图分类号: D+#%E* %; ; 文献标识码: =; ; 文章编号: &$$FG##FH ( #$$% ) $"G$%H"G$%

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IJ K1-GL07, M=+N O7-6GP17, D=+N K1-GQ0( R9L(() (. O19L0-790) 0-2 5)19:/790) 5-67-11/7-6,S0/T7- ,-4:7:U:1 (. D19L-()(6Q, S0/T7- &"$$$& ,>L7-0)

23/)0.-): = 9(-:7-U1 P0V1 )041/ 27(21 2/7V1/ 9(-:/())12 TQ 47-6)1 W X 9L7Y Z79/(9(ZYU:1/( R>O )74 Y/141-:12* ,: 90- P(/[ 7- :L/11 (Y1/0:7-6 Z(214— — —0U:(Z0:79 9U//1-: 9(-:/()( =>> ) ,0U:(Z0:79 Y(P1/ 9(-:/()( =?> )0-2 0U:(Z0:79 V():061 9(-:/()( =’> ) * DL1 4P11Y 9U//1-: 90- 0::07- :L1 )1V1) (. Z7))70ZG Y1/1 ./(Z $= :( #=,0-2 :L1 :1ZY1/0:U/1 9(U)2 0)4( 0::07- :( A $* & C P7:L ?, 9(-:/() 0-2 :L1 :L(U6L: (. 7-:16/0) 41Y0/0:7(-* >(ZY)1:1 )041/ 27(21 Y/(:19:7(- 74 Y/(V7212 7-9)U27-6 7-21Y1-21-: 9U//1-: )7Z7: 0-2 Y(P1/ )7Z7: 41::7-64,(U:YU: (.. 4L(/:7-6 97/9U7:4 0-2 0 4)(P :U/- (- 41\U1-91* DL1 /14U):4 4L(P :L0: :L74 2/7V1/ L04 0 )(: (. 02V0-:0614,4U9L 04 L76L 7-:1))761-91,6((2 -(741 4UYY/1447(- ,L76L 4:0T7)7:Q 0-2 9(-G V1-71-91* 4"5 6%01/: 3041/ 27(21; ; </7V1/; ; R7-6)1G9L7Y Z79/(9(ZYU:1/; ; ?, 起着举足轻重的作用, 因此, 对 3< 的性能提出了更高

78 引8 言
3< 在通信、 信息、 医疗、 精密加工和测量等领域
; ; 收稿日期: #$$!G&&G$& ; ; 修订日期: #$$%G$&G$#

的要求。除了器件本身的性能因素外, 与其配套的驱
[ &] 动电源的设计也是尚待解决的问题之一 。目前的驱

动电源大多采用模拟技术实现, 参考文献 [# @ % ]

作者简介: 许文海 ( &]"HG) ,男, 吉林扶余人, 教授, 博士, 主要从事光电信息技术方面的研究。

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红外与激光工程

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 提出了单片机实现的数字化控制的思想, 可以较好地 解决半导体激光器工作的准确、 稳定和可靠性问题。 但是这些电源工作模式单一, 只能实现 !" 的恒电流 驱动或恒功率驱动, 还不能满足当前用户不断增加的 使用要求。本文研制了一种基于单片机控制的连续 半导体激光器驱动电源, 该电源可广泛应用于各个领 域, 是目前理想的连续半导体激光器驱动电源。 长方向漂移, 温度发生细小的变化, 那么波长也随之 不稳定。 !% (" #$ 的安全性要求 !" 是昂贵而易损的半导体器件, 其安全问题将 影响应用系统的可靠性, 因此驱动电源能否有效保证 !" 的安全是必须考虑的问题。 根据中国科学院半导体所的初步统计, 目前国内 !" 损坏的原因主要是腔面污染和浪涌击穿。腔面污 染可以通过环境净化来解决; 根据日本日立制作所电 子事业本部编写的 《 日立半导体激光二极管使用时 !% !" 对正向工作电流 ! & 的要求 !" 是依靠载流子直接注入而工作的, 驱动电流 的稳定性对 !" 的输出有直接、 明显的影响。因此, 要求 !" 的电源具有很高的电流稳定度 ( 至少应小于 #$ ##% ) 和很小的纹波系数, 否则 !" 的工作状态就会 受到影响。 !% ’" 对温度的要求 !" 是一个对温度很敏感的器件, 它的工作温度 对其工作特性有非常大的影响。 图 % 是一种典型的 !" 在不同温度下的激光输 从图中 出功率 ! & 与正向驱动电流 " ’ 的关系曲线图, 在前面对 !" 驱动电源实用要求分析的基础上, 进行了系统的总体设计。 !" 目前多数以模块的形式生产和封装。在模块 内部通常包括一个 !", 一个光电二极管 ( ?" ) , 用来 监控 !" 的输出光功率; 一个热电制冷器 ( @AB ) , 用 来将工作温度保持在要求的温度以及一个用来监测 模块温度的热敏电阻, 以保证良好的光电转换效率和 热接触。在系统的设计过程中, 不仅要保证各个模块 能独立工作, 而且还要考虑系统集成和模块之间能否 协调地工作。 整个系统主要包括 !" 驱动模块、 温度控制模块 和单片机控制模块, 图 ; 是设计系统的总体框图。 的几点注意— — —关于浪涌击穿》 , 浪涌分为: 静电击
[ >] 。浪涌 穿、 正向浪涌击穿和正方向直流破坏三类

!" #$ 驱动电源设计要求分析

击穿的问题需要驱动电源采取相应的措施。

’" 系统的组成

图 %( 输出光功率与驱动电流的关系 ’)*$ %( +,-.,- /)*0- .&123 45 4 6,78-)&7 &6 93):23 8,3327-

可以看出: ( % )在同一温度下, 当 " ’ 小于某值时, !& 约为零, 而当超过该值时, ! & 随 " ’ 的增长直线上升, 这个电流值称为 !" 的阈值电流并用符号 " -0 表示。 ( ; )阈值电流随着温度升高而升高, 特性曲线基本上 随着温度的变化而平移。 ( < )如果 !" 在恒定的电 流下工作, 当环境温度发生变化时, !" 输出功率的变 化将是很大的
[ =]

图 ;( 半导体激光器驱动电源总体框图 ’)*$ ;( C/&8D 9)4*34E &6 !" 93):23

(" #$ 驱动模块
该模块采用反馈技术, 能分别实现正向驱动电流



另外光谱的峰值波长也随着温度的上升向长波

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第F 期

许文海等: 多功能半导体激光器驱动电源的研制

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! 、 驱动电压 " ! 和光功率 # " 的稳定控制, 从而实现 对 #$ 不同工作模式 %&& 、 %’& 和 %(& 的驱动。图 ) 是该模块的原理框图。 采用软启动的方式来防止正向浪涌击穿。软启 动过程由单片机控制实现, 这种方式可靠性高, 稳定 性好。工作电压从零开始逐渐上升到预定值, 这样就 从根本上保证了半导体激光器不会受到电源开启或 关断时产生的电冲击的影响。 正方向直流破坏是指 #$ 在工作状态下因电流 过大而损坏, 为了防止这种破坏加入了限幅电路。

图 )* #$ 驱动模块原理框图 !+,- )* !./01+"/23 4+2,526 "7 #$ 0"/15"3385

&$ 温度控制模块
温度对 #$ 工作特性有非常大的影响, 必须采取

!" #$ 各种工作模式 当要求驱动电流稳定时, 采用 %&& 工作模式, 通 过电流采样反馈为驱动电流提供有源控制。采用的 方法是: 在场效应管的源极串联一个 9 ! 的取样电 阻, 用于采样反馈, 场效应管的电流变化范围是 : ; <%, 输入控制信号的电压范围是 : ; =(, 将采样电阻 的电压放大 < 倍正好与输入电压匹配, 这样控制电压 与电流之间建立起了线性的对应关系, 从而使电流漂 与温度控制配合使 移最小且使 #$ 输出稳定性最大, 用, 这种方式最佳。取样电阻是与 #$ 串联的, 其选 取影响到驱动电流的稳定性, 应该选取小阻值、 高精度 其允许误差为 :- 9> 。 的电阻。本文选取 9 ! 的电阻, 当要求输出稳定的光功率时, 就需要采用 %’& 的工作模式。当 #$ 工作时, 在模块内部 ’$ 管接收 一小部分激光功率并转化为一个监测电流, 该监测电 流经过电流 ? 电压转换后, 通过 %’& 反馈网络与设定 值比较, 从而形成闭环负反馈控制。当输出的光功率 受温度等因素影响发生变化时, 该负反馈控制可维持 光功率稳定不变。 %(& 是特定场合下简单而又有用的模式。当要 求 #$ 的驱动电压恒定时, 就可以采用这种模式。 !" %$ 各种保护电路 保护电路主要是针对静电击穿、 正向浪涌击穿和 正方向直流破坏三种情况设计的。 将一个接触电阻很小的开关与 #$ 并联在一起 构成短路保护开关。在 #$ 没有工作时, 开关闭合,

合理的制冷措施和控制以维持 #$ 在恒定温度下工 作, 这是 保 证 #$ 工 作 的 稳 定 性 和 可 靠 性 的 最 好 措施。 图 = 是温度控制模块原理框图。其原理是温度 的变化经温度传感器转变为电信号, 然后将其与设定 的温度进行比较, 偏差信号经控制调节电路处理后驱 动制冷器工作, 使温度稳定在设定温度附近。其中温 度传感器是模块中的热敏电阻, 用来测量 #$ 的温 度, 其灵敏度高。执行元件是模块中的 @A& , 它是利 用帕尔帖效应的半导体制冷器件, 体积小、 结构简单 易控制。工作时, 一端制冷, 另一端制热, 所以可通过 改变电流方向变换制冷或制热。采用 ’B 的控制技术 作为核心, 以减少静态误差、 提高控制精度。为了防 止积分饱和, 采用积分分离的思想对积分项加以处 理。具体方法为当设定值与测量值的偏差大于某一 通过实验确定的规定阈值 ( 或称积分界限) 时, 取消 积分项的作用, 仅比例项起作用; 只有当偏差小于该 规定 的 阈 值 时, 才 加 入 积 分 项 的 作 用。为 了 保 护 @A& , 防止因其电流过大而损坏, 还增加了限幅电路。

万方数据 使 #$ 两端的电极短接, 从而可以防止静电击穿。

图 =* 温度控制模块原理框图 !+,- =* !./01+"/23 4+2,526 "7 186C8521.58 0"/15"3385

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 温度传感器的精度直接影响温度控制的效果。 常用的方法是用电阻桥来取温度的反馈, 但这并不是 很好的方法, 这要求其他两个电阻和电位器的精度越 高越好。参考文献 [!] 中指出恒流源法是一种非常 理想的测量方法。本文采用该方法, 将热敏电阻串到 一个恒流源中, 对热敏电阻两端的电压采样, 将温度 变换为电信号, 这种方法提高了热敏电阻的测量精 度。 主要技术指标如下: ( " )输入电源1 *+"JJ K *+)CJ -, ’J & #J $L; ( ) )驱动方式1 *++ 、 *,+ 和 *-+ ; ( ( )DF 正向工作电流 ! 2 1 J K ) *, 满量程精度 在 M J5 "N 以内; ( C )DF 驱动电压 " 2 范围1 J K # -; ( ’ )温度控制方式1 ,O 控制; 单片机控制模块是驱动电源的核心, 本文采用 "# 位的日立单片机 $% & ’() 完成温度、 电流或功率的 设定, 以实现 *++ 、 *,+ 、 *-+ 和温度控制的驱动, 并 且实时对温度、 电流、 电压或功率进行取样。通过 ./ 0 )()+ 接口实现与外部的通信, 以实现遥测、 遥控的 功能。图 ’ 是该模块的原理框图。 ( # )温度控制范围 1 J K P ’J Q , 控制的精度为 J5 " Q ; ( ! )RE+ 最大驱动能力1 ’ - & ) *; # T (C’J 。 ( % )热敏电阻规格1 "J S! & )’ Q , 程序模块、 驱动程序模块和通信接口模块等。

#" 主要技术指标

!" 单片机控制模块及显示单元

$" 结" 论
该电源解决了目前电源存在的模式单一问题, 实 现了多种工作模式的稳定驱动。实验表明, 该系统具 有稳定度高、 抗干扰能力强、 使用方便和对 DF 无损 害的优点, 可以提供快速和准确的 DF 驱动。 此外, 这对于实现 /DF 光源的高稳定驱动也有 借鉴意义。

参考文献:
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驱动电源有两块显示屏, 每块显示屏由 C 位 DEF 组成, 可以分别显示 DF 驱动模块和温度控制模块的 各种参数。利用本身带有三位半 * & F 转换器的 DEF 驱动芯片 A*G"(H 来实现驱动电源的显示单元。这 种方法直接输入模拟电路的信号, 就可以实现各种参 数显示。因此容易实现, 结构简单, 不占用单片机的 资源。 按照模块化思想, 整个软件主要包括以下几个模

万方数据 .IA 工作模块、 温控 块: 初始化模块、 键盘程序模块、


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