半導體雷射電源

半導體雷射電源電路部分由：穩壓電路、 雷射電源脈衝控制電路、脈衝產生電路、保護電路組成。數字半導體雷射電源以數字積體電路為核心，設計能夠實現智慧型控制的半導體雷射器電源。

基本介紹

• 中文名：半導體雷射電源
• 電路部分組成：穩壓電路、 脈衝控制電路
• 核心：數字積體電路
• 設計：實現智慧型控制

電路組成

半導體雷射器LD工作影響因素

半導體雷射器的核心是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複合，視其破壞程度而表現為雷射器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過淨化工作環境來解決，而更多的損壞緣於浪涌擊穿。浪涌會產生半導體雷射器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。實際工作環境下的高壓、靜電、浪涌衝擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須採取措施加以防護。

傳統雷射器電源是用純硬體電路實現的，採用模擬控制方式，雖然也能較好的驅動雷射，但無法實現精確控制，在很多工業套用中降低了精度和自動化程度，也限制了雷射的套用。使用單片機對雷射電源進行控制，能簡化雷射電源的硬體結構，有效地解決半導體雷射器工作的準確、穩定和可靠性等問題。隨著大規模積體電路技術的迅速發展，採用適合LD的晶片可使電源可靠性得到極大提高。

穩流電路

在穩壓或穩流電源中,目前常用的是開關電源和線性電源,由於開關電源的瞬態回響較差、紋波係數較大[2],對瞬態特性和溫度要求較高的半導體雷射驅動電源採用線性電源較為合理。為了實現高的電流穩定度,驅動電路大多採用負反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流採樣反饋為驅動電流提供有源控制。方法是在功率電晶體的源極串聯一個採樣電阻RS,用於取樣反饋，該取樣電壓經過I/U轉後,作為反饋電壓與設定電壓進行比較,進而通過調整功率電晶體的電阻大小對輸出電流If進行調整。整個閉環反饋系統處於動態平衡中,以達到穩定電流的目的。 輸出電流If與設定的參考電壓Vref的關係可由負反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達,隨著負載的不同和輸入電壓的變化,輸出電流還是有微小的變化,但是由於前置放大器放大倍數很高,使得輸出電流變化很小,穩定度一般能達到10-5量級。實際上,線形穩壓源和穩流源的結構原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負載的載入方式不同,譬如,在圖2中,如果負載也採樣電阻並行連線,圖2 就成了一個恆定輸出電壓為Vref的穩壓源。同樣的,基於這種方式的穩壓源稍加調整也可作為恆流源。目前,各種可調穩壓器集成晶片技術成熟,產品豐富,因此可以對這種晶片的功能進行擴展以滿足我們的設計要求。

考慮到實際套用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態回響,我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調穩壓晶片NCP5662,它的瞬態回響比同類穩壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達2A,具有內部電流限制和熱保護功能等,其功能框圖如圖3所示。 圖3顯示的是其穩壓工作的情況,根據前面敘述的原理,對該積體電路進行擴展以將其設計成為一個穩定度很高的恆流源,幾種擴展方法中,實驗證明比較合理的工作方式如圖4所示。先不考慮圖中虛框內的電路,當加電之後,電路開始工作,進入穩態時,由於積體電路內部的反饋作用,R11兩端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩端的電壓始保持在 ,故流過R7兩端的電流Is由下式確定: 　因此,改變R3、R11、R7可以靈活的調整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計算得到Is=2A,此恆定電流將流過雷射二極體到地,由於 NCP5662內部的比較器具有很高的放大倍數,因此,電流的穩定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小於4mA,與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態回響特性。

發展趨勢

隨著半導體雷射的套用日益廣泛，對相應的驅動電源的要求也越來越多樣化，同時具備數據處理、狀態監測、故障診斷和輸出控制能力的智慧型化半導體雷射電源成為半導體雷射電源發展的新方向。該文以AMD-PDT治療儀雷射電源和LD泵浦固體雷射器電源為研製目標，使用單片機作為系統控制核心，著重研究了智慧型化半導體機雷射電源的構成和實現。全文共分為三部分。第一部分為智慧型化儀器的概述部分，詳細的介紹了智慧型化儀器的發展、原理和特點。第二部首先介紹半導體雷射器的工作特性，包括半導體雷射器的輸出光功率、光譜、工作溫度和注入電流的相互關係；然後介紹般半導體機雷射器電源的構成原理，最後逐步總結出智慧型化半導體機雷射電源的模型。第三部分為智慧型化半導體雷射電源的實現部分，第四章詳細分析了AMD-PDT治療儀控制電源的硬體設計和軟體編程；在硬體設計部分中，重點分析了半導體雷射器的驅動電路和儀器的人機互動界面—液晶顯示屏和觸控螢幕的工作

控制系統設計

半導體雷射器(LD)體積小，重量輕，轉換效率高，省電，並且可以直接調製。基於他的多種優點，現已在科研、工業、軍事、醫療等領域得到了日益廣泛的套用，同時其驅動電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機對雷射器驅動電源的程式化控制，不僅能夠有效地實現上述功能，而且可提高整機的自動化程度。同時為雷射器驅動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

主要實現電流源驅動及保護、光功率反饋控制、恆溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能，整個系統由單片機控制。本系統中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統級晶片(SOC)，他在一個晶片內集成了構成一個單片機數據採集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件，如本系統中用到的ADC和DAC。

這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機套用系統提供了方便，也大大降低了系統的成本。光功率及溫度採樣模擬信號經放大後由單片機內部A/D轉換為數位訊號，進行運算處理，反饋控制信號經內部D/A轉換後再分別送往雷射器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環控制。

光功率設定從目前，凡是高精密的恆流源，大多數都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用，使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恆定。並且影響恆流源輸出電流穩定性的因素可歸納為兩部分：一是構成恆流源的內部因素，包括：基準電壓、採樣電阻、放大器增益(包括調整環節)、零點漂移和噪聲電壓；二是恆流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負載電阻和環境溫度的變化。

半導體雷射器往往會因為接在同一電網上的多種電器的突然開啟或者關閉而受到損壞，這主要是由於開關的閉合和開啟的瞬間會產生一個很大的衝擊電流，就是該電流致使半導體雷射器損壞，介於這種情況，必須加以克服。因此，驅動電源的輸入應該設計成慢啟動電路，以防損壞，左邊輸入端接穩壓後的直流電壓，右邊為輸出端。整個電路的結構可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網路，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構成的C型濾波網路及一個時間延遲網路。慢啟動輸入電壓V在開關和閉合的瞬間產生大量的高頻成分，經過圖中的兩個Ⅱ型網路濾出大部分的高頻分量，直流以及低頻分量則可以順利地經過。到達電阻R和C組成的時間延遲網路，C2和C4並聯是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。