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半导体激光器驱动电源设计

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半导体激光器的驱动电源设计目录摘要 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。

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1前言 .. (4)2系统方案论证与及技术路线 (4)2.1方案论证 (4)2.2技术路线 (5)3模拟电路部分的系统方案设计 (6)3.1电路组成和工作原理 (6)3.2跟随及放大电路 (7)3.3取样及放大电路 (10)3. 3短路保护电路 (14)3. 4延时软启动 (14)3.5使能控制 (15)3.6 限流保护电路 (16)4数字电路部分的系统方案设计 (18)4.1单片机系统的硬件设计 (18)4.2单片机的晶振电路 (22)4.3复位电路 (22)4.4按键电路 (23)4.5 A/D转换电路 (26)4.6 D/A转换电路 (29)4.7液晶显示电路 (31)4.8数字电路部分原理图 (33)5 系统软件开发 (34)6 结论 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录 (39)摘要半导体激光器(LD)是一种电流注入式电致发光器件, 其工作特性和使用寿命主要取决于驱动电流源的性能优劣。

本文作者设计了一种数控半导体激光器驱动电源，该电源采用单片机控制，通过键盘设定工作电流值和限定电流值,并在LCD 屏上显示，同时这些设定值可存储在E2PROM内便于下次调用。

系统将模拟电路与数字电路相结合，包括取样放大电路、保护电路以及基于XX的控制电路组成。

结合硬件及软件, 实现了激光二极管的可靠保护以及光功率的稳定、准确输出。

此外,该电源还具有过流保护、延时软启动,可与PC机通信完成数据自动采集等多种功能,在科研和生产中有很好的应用前景。

关键词:单片机半导体激光器驱动电源AbstractLaser diode (LD) is a current injected device whose characteristic and life are greatly dependent on the performance of LD-used current supply. We designed a digital driving source for LD. The driving source is controlled by MCU. The operation current value and current limit value can be set by key board. The values can be displayed on the LCD screen and be stored in E2PROM so that these can be used next time. The system build up by analog current and digital current, include sampling amplifier current、protection current and based on AT89C52 control current. By combining appropriate hardware and software, we have achieved, in our driver, a variety of protection features. Meanwhile, we have also obtained a continuously adjustable optical power output with high accuracy and stability. In addition, it has such functions as limited current protection, soft starting delayed and automatic data acquisition by the computer through the serial port and so on. It will be widely used in the fields of scientific research and production.Key word: MCU laser diode driving source1前言半导体激光器具有单色性好、体积小、重量轻、能耗低、工作寿命长等优点,在科研、工业、军事等领域得到了日益广泛的应用。

半导体激光器是一种以电流注入作为激励方式的激光器,其运行与驱动电源有很大的关系, 瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器, 电流、温度的起伏会引起光功率的变化, 影响输出的准确、稳定。

有关驱动电源的问题因素更加受到人们的重视,目前大多都是纯硬件电路系统。

事实上,基于微型计算机的数字化控制能够更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。

数字化、智能化也是半导体激光器应用的必然发展方向。

本文介绍我们研制的一种基于单片机控制的连续运转半导体激光器驱动电源，该系统具有广泛的实际应用前景。

2系统方案论证与及技术路线2.1方案论证通过对本系统功能的分析，本文将硬件的实现分为为两大部分，即模拟电路部分与数字电路部分。

其中模拟电路包括七部分：第一部分取样及放大电路部分，第二部分短路保护电路部分，第三部分延时软启动电路部分，第四部分使能控制电路，第五部分限流保护电路部分。

数字电路部分采用单片机作为系统的控制单元，由晶振电路，复位电路，按键电路，液晶显示电路，数模转换电路，模数转换电路等六部分外围电路组成。

综合分析以上方案，我们的对硬件选择方式也是多种多样。

首先根据要求，模拟电路中需要用到多个集成运算放大器来实现电路功能，这里我们选用最为通用的集成运算放大器芯片LM324，该芯片的每个封装中包含有4个运算放大器。

微处理器的选则，目前微处理器也是多种多样，较流行的上档次的产品，一般都采用可嵌入操作系统的CPU如飞利浦的LPC21系列、LPC22系列、三星SC系列产品。

一般较普通的都用单片机来完成，单片机种类也很多，如微芯公司的PIC系列单片机，MCS-51系的单片机等等。

比较而言，可嵌入操作系统的处理器，操作难度大，价格一般都较贵，而PIC系列的单片机价格也贵。

而MCS-51的89C52单片机就可以完成我们的系统，其价格便易，操作方便，所以选择AT89C52单片机作为整个系统的核心部件。

按键显示器是一个系统的输入与输出窗口，操作人员需要利用按键对系统进行一些参数输入，系统运行中的各种信息也是从显示器上反应出来的。

根据需要显示的信息量的大小选择LM016L液晶显示模块。

A/D、D/A转换器，目前市场上有各种型号可供选择，但是有一些精度高的非常昂贵，不适用于一些小型的控制系统中。

结合测试精度与经济性，本系统选取了较常使用的TLC549作为A/D转换器，TLC5615作为D/A转换器。

TLC549是8位的A/D转换器，不仅具有多种操作方式及数据输出方式，而且价格便宜。

TLC5615是10位的D/A转换器，转换精度满足一些基本要求，多种操作方式，适用于各种应用场合，通用性好，价格便宜。

2.2技术路线针对以上所说明的，系统设计方案框架图如图2-1所示。

本系统的总体方案设计将包括如下几个方面。

1、模拟电路2、单片机的晶振与复位电路3、AD/DA转换4、按键与显示3模拟电路部分的系统方案设计3.1电路组成和工作原理如图3-1所示，模拟电路部分由电流设定电路、功率驱动电路、取样及放大电路、短路保护电路、延时软启动、使能电路、限流保护电路部分组成。

该驱动电源电路的工作原理是:以功率器件MOS 管(IRF3205)作为调整管,通过控制MOS 管栅极电压,实现对激光管的电流控制,采样电阻接在MOS 管的源极(低端取样),采样信号(反馈信号经仪表运放放大反馈与设定值作差 ,产生误差信号，通过积分电路,调整MOS 管的栅极电压,达到设定电流为恒流输出的目的。

设DAC1的电压经放大器U1跟随后为1V ,经U2放大后为112*V A V = (1A 为U2上的放大倍数) ,又设经过半导体激光器的电流为I ,则流过采样电阻R6的电流也为I ,即采样电压为I R *6,经采样放大后为)*(*62I R A ,其中2A 为AD620的放大倍数。

根据运算放大器的虚短、虚断原则,U3的同相输入端和反相输入端电压相等 ,即in V + = in V - =0 ,则有流经3R 和4R 与流过12R 的电流大小相等,且方向相反,即1262432)*(*R I R A R R V =+可以得到64321211*)(***R R R A R V A I +=当设定好3R 、4R 、12R 、6R 、1A 、2A 这些参数后，流过半导体激光器的电流I 只与1V 有关，即只与DAC1有关。

图3-1 模拟电路原理图其中3R 、4R 、12R 的电阻值如图中所示6R 的阻值为10K,1A 的大小由2R /1R 决定，2A 的大小由10R 的阻值所决定。

3.2跟随及放大电路电路设定电路由单片机系统经过D/A 转换输出的电压DAC1提供。

输入电压DAC1首先经过由运算放大器U1构成的电压跟随器。

如图3-2所示电压跟随器就是将输出电压直接作为反馈电压，利用虚短的概念得到i P n o V V V V =≈=即电压增益1≈=iO v V V A ，由此可知输出电压o V 与输入电压i V 大小相等，相位相同，虽然电压跟随器的电压增益等于1，根据分析同相放大电路的方法，可知它的输入电阻∞→i R ，输出电阻0→o R ，所以电压跟随器在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。

图3-2 电压跟随器的典型电路在图3-3中运算放大器U1构成电压跟随器。

根据上述分析电压跟随输入电阻∞→i R ，该电路几乎不从信号源吸取电流使得DAC1全部输入到电路中，而输出电阻0→o R 所以当负载变化时输出电压几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压的影响，所以经过放大器U1后输入的电压信号DAC1几乎没有变化U1起到了缓冲器的作用。

图3-3 系统中的电压跟随器设DAC1的电压经过运算放大器U1跟随后为1V ，送入下一级放大电路U2。

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激光驱动电源的设计

激光驱动电源的设计

高稳定性高精度半导体激光器驱动电源的设计The Design of Supply Power Applied in High Stability and Precision Diode Laser摘要半导体激光器（Laser Device，LD）以其小型高效结构简单、价格便宜等优点，在光信息存贮、光通讯等方面得到越来越广泛的应用，半导体激光器是目前应用最为广泛的光学器件之一。

激光器的输出特性与其驱动电源的性能密切相关，温度、电流的起伏会影响半导体激光器的光输出功率的稳定。

设计一种高精度高稳定性的半导体驱动电源具有一定的应用价值。

结合驱动电源的要求，研究设计了一种采用恒流源和温控技术的小功率高稳定半导体驱动电源。

驱动电源以恒流源驱动芯片HY6340为核心，结合半导体致冷器、温度控制芯片、数字温度传感器、过流过压保护电路对半导体激光器进行可设定温度的恒温控制。

通过控制流过半导体制冷器电流的方向和大小，就可以对LD进行加热或者制冷，从而可以设定LD的工作温度并使其保持恒温，从而达到控制其精度的目的。

通过选用以恒流驱动芯片HY6340为核心的驱动电路，以及以HY5650为核心的温控电路，实现驱动电源的稳定性控制。

通过选用函数发生器MAX038从而使得占空比可调，实现了驱动电源的精度控制。

文中还分析了主电路和控制电路的工作原理，给出了测试结果，与传统电路相比，电源具有结构简单、性能优异、使用元件少、价格低廉等特点。

关键词：半导体激光器驱动电源温度控制AbstractSemiconductor laser is gradually widely used for its many advantages such as simple structure, cheap price and so on. It’s widely used in the storage of the optical information and optical communication. Semiconductor laser has been one of the optical components most in use now，however its output characteristic goes hand in hand with the performance of the drive power. The ups and downs of the temperature and current will affect the stabilization of output power of the semiconductor laser. So the design of supply power applied in high stability and precision diode laser has some application value.Considering about the requirement of the drive power，a new low power supply with the function of constant-current and temperature control technology for semiconductor laser is designed．Using the control chip HY6340 of constant-current as nuclear part，with subminiature controller for thermoelectric coolers，thermoelectric cooler，digital temperature sensor，over-current and over-temperature protection circuit can make it working on the constant temperature which we want．Through the control of the current flow direction and size of the semiconductor refrigeration device, we can undertake heating or cooling the LD, thus we can set the temperature of LD and make it remains on constant temperature, so as to achieve the purpose of controlling its accuracy.By choosing a constant current driver which uses IC HY6340 as the core driver, as well as the temperature-control circuit which uses HY5650 as the core, we can control the stability of the driving power. MAX038 function generator makes the duty cycle adjustable to achieve the precision control of drive power.The operation principle and control principle of the power is also analyzed in this paper．Experimented results show that the power supply has excellent performance. Compared with the traditional products，the drive power has many characteristics such as simple structure, good performance, few components, low price and so on.Keywords：semiconductor laser driving power supply temperature control目录摘要 (I)Abstract (II)绪论 (1)1 半导体激光器驱动电源的设计要求 (4)1.1 半导体激光器的发展及应用 (4)1.2 半导体激光器电源系统的概述 (5)1.3 半导体激光器电源系统的要求 (5)2 半导体激光器输出特性的研究 (7)2.1 半导体激光器的P-I特性 (7)2.2 半导体激光器的输出功率的影响因素 (8)2.2.1 工作电流对输出功率的影响 (8)2.2.2 温度对输出功率的影响 (9)3 半导体激光器驱动电源的硬件设计 (10)3.1 驱动电源的设计思路 (10)3.2 高精度高稳定半导体激光器驱动电源的设计 (10)3.2.1 高精度驱动电源的设计 (10)3.2.2 高稳定驱动电源的设计 (14)3.3 半导体激光器驱动电源保护电路的设计 (15)4 半导体激光器驱动电路的调试 (19)4.1 元器件的测试与筛选 (19)4.2 半导体激光器驱动电路的调试 (19)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)绪论（1）课题的研究现状半导体激光器作为光电子系统的核心器件，在民用及国防上的作用日益重要。

大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计

大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计

大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计张龙1，陈建生1,2，高静1,2，檀慧明1，武晓东1(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室，江苏苏州215163；2.苏州国科医疗科技发展有限公司，江苏苏州215163)摘要:为了解决大功率半导体激光器的输出波长和功率的稳定性问题，设计了一套大功率激光器恒流驱动电源及温控系统。

利用深度负反馈电路实现对激光器驱动电流的恒流控制，采用硬件比例-积分(Proportional⁃Integral ，PI)温控电路结合恒流驱动，控制半导体制冷器(Thermoelectric Cooler ，TEC)的工作电流，实现激光器工作温度的精确控制。

所设计的驱动电源可实现输出电流0~12.5A 连续可调，同时具有电流检测、过流保护、晶体管-晶体管逻辑(Transistor⁃Transistor Logic ，TTL)信号调制等功能。

所设计的温控系统的控制精度可达到±0.05℃，同时设定温度连续可调，温度可实时监测。

实验结果表明该设计能够保证稳定的电流输出和温度控制，满足大功率激光器的使用要求。

关键词:半导体激光器；恒流驱动电源；温控系统中图分类号:TN248.4文献标志码:ADOI :10.3788/IRLA201847.1005003Design of driving power and temperature control system for highpower semiconductor laserZhang Long 1,Chen Jiansheng 1,2,Gao Jing 1,2,Tan Huiming 1,Wu Xiaodong 1(1.Jiangsu Key Laboratory of Medical Optics,Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215263,China;2.Suzhou Guoke Medical Science &Technology Development Co.,Ltd.,Suzhou 215163,China)Abstract:In order to solve the output wavelength and power stability of high power semiconductor laser,high power semiconductor laser constant current driver and temperature control system were designed.Deep negative feedback circuit was used to control the laser drive current,the analog Proportional⁃Integral (PI)circuit and constant current driver were adopted to control the working current of Thermoelectric Cooler (TEC),the laser working temperature can be kept accurately.The design can realize the linear adjustment of output current from 0-12.5A,and has the function of current detection,over⁃current protection and Transistor⁃Transistor Logic (TTL)modulation.The control precision of the temperature control system can achieve ±0.05℃.Temperature can be adjusted continuously and can be monitored in real time.Experiment results show that the design can guarantee the output current and temperature control stably,which satisfies the requirement of high power semiconductor laser.Key words:semiconductor laser;constant current driver;temperature control system收稿日期:2018-05-11;修订日期:2018-06-10基金项目:(BE2016090,BE2016005-2);(2016YFB0402202)作者简介:(1987-),,,。

一种半导体激光驱动电源的研究设计

一种半导体激光驱动电源的研究设计

一种半导体激光驱动电源的研究设计本文提出了一种新的半导体激光器驱动电源的设计方法，研制出一种纹波小，稳定性高，工作温度恒定，输出功率稳定并可调节的半导体激光器驱动电源，具有很好的应用前景。

标签：半导体激光器驱动电源纹波引言随着机器人技术的飞速发展，机器人视觉系统的研究和开发已经成为了智能机器人领域的一个非常重要的研究课题，并获得了迅速的发展。

机器人视觉系统需要一种高稳定性的准直相干光束，光束的质量将直接影响系统的质量。

由于机器人视觉系统具有结构紧凑等特点，一般选用半导体激光器作为相干光源[1]。

半导体激光器相对于常用的气体激光器有着体积小、重量轻、价格便宜、性能稳定等优点，而且半导体激光器的输出功率可以调节和控制，因此半导体激光器在实际应用中更多的取代了气体激光器，在光纤通讯、测量、激光打印以及条形码扫描等领域发挥了极为重要的作用[2]，并在物体表面形貌测量等新兴研究领域有着更加广泛的应用[3][4]。

研究和改进半导体激光器的性能，使之达到气体激光器的标准，已经成为国内外研究的热点问题[5]。

半导体激光驱动电源的性能要求1.电源输出电流电流的变化会改变半导体材料的折射率，从激光器输出功率与注入电流的关系曲线中我们也可以看到，当注入电流发生变化时，激光器的输出功率线性变化。

因此，半导体激光器对电源的第一个要求是注入稳定的电流或者提供稳定的电压。

要使得注入电流稳定，就要在电源电路的设计中尽量降低纹波系数，滤除电路中的交流分量，消除电源电路中存在的噪声和纹波干扰。

如果电源中出现浪涌，不但会对激光器的输出造成影响，还会损坏半导体激光器，因此消除浪涌也是激光器驱动电源设计中一个重要环节。

2.温度变化温度的变化也会影响激光器的输出功率，还会缩短激光器的工作寿命。

因此，我们还要设计一个温度控制装置，使半导体激光器在恒温下工作。

半导体激光驱动电源的设计1系统框架设计半导体激光器驱动电源主要包括输入滤波电路，前级AC-DC电路，后级DC-DC电路，输出滤波电路，控制电路4个部分。

半导体激光器驱动电源实现方

半导体激光器驱动电源实现方

半导体激光器驱动电源实现方
由于LD是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲击的承受能力差，微小的电流波动将导致光功率输出的极大变化和器件参数的变化，这些变化直接危及器件的安全使用，因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求。

在驱动电源的设计过程中，同时考虑对LD 进行安全有效保护，如防止浪涌冲击，慢启动等问题。

提出了可用于连续或脉冲输出的半导体激光器驱动电源的设计方法。

1 电路结构及原理
LD是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响，因此，LD驱动电源需要为LD提供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流。

该LD驱动电源包括4部分：基准电压源，恒流源电路，脉冲控制电路，保护电路。

结构框图如图1所示。