激光器驱动电流源电路设计方案

基于CPLD的激光驱动电源的设计
引言激光加工主要是利用CO：激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，来完成所需轨迹2 系统组成及其工作原理
2.1 系统组成
基于CPLD 的数字式大功率CO：激光驱动电源的系统结构如
2.2 工作原理
在激光驱动电源的原理框3 功能的实现方法
3.主电路及稳压电路部分
AC220V 经过整流滤波后得到301V 左右的直流电压，再经过开关型稳压电源得到稳定的3lOV 直流电压。

3.2 驱动桥路及逆变升压部分
31O V 直流电压经过半桥逆变得到高频方波电压，为了保证低电流激光器的器辉，在逆变回路中采用了串联谐振和并联谐振技术。

高频升压变压器和高压整流电路构成的升压部分被封装成独立的元件高压包。

设计中采用
2 个高压包串联输出给激光器供电。

3.3 数字控制部分及反馈部分
数字部分采用CPLD 控制，一方面CPLD 完成开关光、水保护、过流过压反馈等信号的逻辑控制，另一方面主要是完成PWM 波的输出。

3.4 辅助电源部分
基于VIPer22 A 变换器和高频电源变压器的辅助电源，输出电压波形稳定无较大尖峰。

4 功能特点。

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。

半导体激光器驱动电路设计（两款半导体电路设计）一。

半导体激光器驱动器输出电路的设计随着科学技术的飞速发展，半导体激光器技术已深入到国民经济和国防建设的各个领域。

半导体激光器具有其它激光器无法比拟的特性，比如：常见的激光器如He-Ne激光器，采用高压激发（约1500V），而半导体激光器采用3～5V的低电压激发，相比之下，半导体激光器的激励方式较为安全，并且效率比普通激光器高数十倍；在一些测量仪器中，选用半导体激光器照明，能满足单色性好，相干性好，光束准直，精度高等要求，在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用。

但半导体激光器对工作条件要求苛刻，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。

所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要。

因而在实际应用中对激光器驱动器的性能有着很高的要求。

半导体激光器（LD）具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，在工业、军事、医疗等领域得到了广泛应用。

LD是以电流注入作为激励方式的一种激光器，其使用寿命、工作特性在很大程度上取决于所用驱动电源的性能好坏。

半导体激光器本身的性质决定其抗浪涌冲击能力差，这就要求驱动电源的稳定度高，浪涌冲击小，因此驱动电源中需要各种保护电路以满足实际要求。

通常用慢启动电路、TVS（瞬态抑制器）吸收电路、限流电路等来防止浪涌冲击及电流过大。

但大功率半导体激光器的工作电流较大，并且半导体激光器比较脆弱，传统的慢启动电路、TVS 吸收电路不能很好地满足实际要求。

1 半导体激光器驱动器的理论分析半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。

半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高LD（Laser Diode）输出的稳定性。

整体的设计思想是运用负反馈原理稳定输出电流，由此获得最低的电流偏差和最高的电流输出稳定性。

窄脉宽激光驱动电路设计
窄脉宽激光驱动电路设计涉及到激光产生和调制的各个方面，以下是一种基本的窄脉宽激光驱动电路设计：
1. 激光二极管选择：选择一个具有窄发射带宽和快速响应时间的激光二极管。

应选择适合所需的激光波长和功率的二极管。

2. 调制方式选择：根据需求，选择一种适合的调制方式，例如直接调制或外调制。

3. 电源供应设计：根据激光二极管的需要，设计合适的电源电压和电流。

4. 模拟调制电路设计：如果选择直接调制方式，需要设计一个模拟调制电路，该电路可以对激光二极管的电流进行精确的调节，以达到所需的窄脉宽。

5. 数字调制电路设计：如果选择外调制方式，需要设计一个数字调制电路，该电路可以根据输入的数字信号对激光的开关时间进行精确的控制。

6. 保护电路设计：为了确保激光二极管的安全运行，可以设计一些保护电路，例如过压保护、过流保护和过温保护电路。

7. 反馈控制电路设计：为了稳定激光的输出功率，可以设计一个反馈控制电路，该电路可以根据激光的光信号对激光二极管的电流进行调节。

8. PCB布局和经过合理的电磁兼容性设计：对于激光驱动电路，良好的PCB布局非常重要，可以减少电路中的干扰和噪声，确保电路的稳定性和性能。

值得注意的是，窄脉宽激光驱动电路设计需要根据具体的应用需求进行优化和调整，以上仅为一个基本的设计框架，具体的细节还需根据具体情况进行进一步设计。

半导体激光管驱动电源电路原理图半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺，但电压和电流特性基本相同。

在工作点时，小电压变化会导致激光管电流变化较大。

此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。

二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求；输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。

随着激光器的输出功率不断加大，需要高性能大电流的稳流电源来驱动。

为了保证半导体激光器正常工作，需要对其驱动电源进行合理设计。

并且随着高频、低开关阻抗的MOSFET技术的发展，采用以MOSFET为核心的开关电源出现，开关电源在输出大电流时，纹波过大的问题得到了解决。

由于大电流激光二极管价格昂贵，而且很容易受到过电压，过电流损伤，所以高功率仅仅有大电流开关模块还不能满足高功率二极管激光器的要求，还需要相应的保护电路。

要保证电压、电流不要过冲。

因此，需要提出一整套切实可行的技术措施，来满足高功率二极管激光器的需要。

1系统构成装置输入电压为24V，输出最大电流为20A，根据串联激光管的数量输出不同电压。

如果采用交流供电，前端应该采用AC／DC作相应的变换。

该装置主要部分为同步DC／DC变换器，其原理图如图1所示。

Vin为输入电压，VM1、VM2为MOSFET，VM1导通宽度决定输出电压大小，快恢复二极管和VM2共同续流电路，整流管的导通损耗占据最主要的部分，因此它的选择至关重要，试验中选用通态电阻很低的M0SFET。

电感、电容组成滤波电路。

测量电阻两端电压与给定值比较后，通过脉冲发生器产生相应的脉宽，保持负载电流稳定。

VM1关断，快恢复二极管工作，快恢复二极管通态损耗大，VM2接着开通续流，减少系统损耗。

2工作原理VM1导通ton时，可得：公式，电流纹波为：公式，VM1关断，电流通过VD续流，接着VN2导通。

由于VM2的阻抗远小于二极管阻抗，因此通过VM2续流。

VMl、VN2触发脉冲如图2所示。

图2中td为续流二极管导通时间。

激光光源的驱动电路设计概述作者：毕武来源：《科学与信息化》2019年第08期摘要激光光源驱动电路的设计是决定半导体激光器系统稳定性的重要技术。

半导体激光器自身抗电流冲击的能力较弱，工作状态下，电路中电流的细微波动，都会引起激光二极管发光强度和工作效率的变化。

这些变化严重影响了激光二极管的正常工作效率。

因此在实际电路设计中，激光二激光驱动电路的稳定性和安全性是很重要的设计指标。

本文主要从半导体激光器驱动电路的安全性、抗干扰性、可靠性三部分进行研究。

根据PL-TB450B蓝光激光器的伏安特性，以及工作原理，设计了基于AMC7150芯片的恒流源电路。

驱动电路的工作电压为12V，工作电流为1.2A，满足激光光源的工作要求。

关键词激光光源；系统稳定性；驱动电路；AMC7150芯片前言本文根据蓝色激光二极管的参数及伏安特性，确定设计驱动电路为工作电压12V，工作电流为1.2A的开关电源恒流源。

恒流源是负载工作电流一直保持不变的电流源，理想工作的恒流源不会因为输出电压的变化而发生改变，不受工作温度的影响。

综上，此次设计的开关恒流源电路就是要能够提供一个稳定的输出电流的恒流源电路。

1 半导体激光器工作原理此次设计采用的是欧司朗公司型号为PL-TB450B的蓝色激光二极管，工作电压为4.8V-6V，工作电流1.2A-1.5A，阈值电流0.2mA；发射波长440nm-460nm。

激发出的光线是相干光源，想要得到相干光输出，必须需要满足两个条件：粒子数反转和阀值。

要求高能态的粒子数量多于低能态的粒子数量，才会使激光器产生增益输出光波[1]。

激光器阀值条件表示为：式中是阈值的增益。

是半导体介质损耗能量，为激光器的输出损耗。

2 设计要求正常工作情况下的激光二极管有较长的使用寿命。

但不了解激光器工作条件下，操作不当会造成激光二极管的性能大幅度衰弱甚至损坏。

PN被击穿或者激光震荡强腔的表面受到损伤这两种情况都会造成半导体激光器损坏。

FPGA激光器驱动电路设计指南利用波长调制光谱技术测量气体浓度，需要使用波长可调谐的激光器，分布反馈式（Distributed Feed Back，DFB）激光器是可选的一种光源。

本文介绍了用于波长调制光谱技术的激光器驱动电路的设计。

由于波长与驱动电流有确定的依赖关系，研究半导体激光器的电流驱动是很有必要的，本文设计的压控恒流源可实现对激光器的恒流驱动。

通过直接频率合成技术（DirectDigital(＄132.9200) Synthesis，DDS）产生的正弦信号和三角信号可以对激光器的波长进行微调，实现了对DFB 半导体激光器的波长调制和波长扫描。

基于FPGA 技术实现DDS 主体部分的设计DDS 是以奈奎斯特采样定理为基础，通过控制相位的增加量，最终合成不同频率的波形信号。

由DDS 基本原理可知，f=Kf0/2N.其中，f0 是系统时钟的频率，N 为相位寄存器的字长，K 是频率控制字。

由此可知，输出频率f 的大小由N 和K 的大小决定。

DSS 基本结构框加法器电路DDS 产生的两路信号需要加法器进行叠加。

加法器的核心器件是运算放大器。

本系统采用同向加法电路，如下压控恒流源电路设计本系统设计了压控恒流源，它主要是利用电压负反馈的原理制作而成的，它由运算放大器OP07 N 沟道增强型场效应管。

采样电阻和二极管等组成，原理根据场效应管的工作原理可知，当该电路正常工作时候，流过激光器的电流Ilaser 等于流过电阻R23 的电流IR23.为了保证电路在动态的过程中保持激光器电流的稳定性，电容与运放并联，形成积分电路，作用是给予阻尼，防止电路震荡。

与激光器并联的反向二极管是起分流作用，防止浪涌击穿激光器，保护激光器。

本文设计了一种半导体激光器驱动电路，重点介绍了利用FPGA 实现DDS 的方法。

利用QuartusII 软件进行在线仿真，减少了后期进行综合试验的错误率。

在完成系统的核心部分设计之后，对硬件电路的设计进行了详细的讨论，包括加法器和压控恒流源的设计等。

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。

激光器驱动与控制电路设计摘要目前，半导体激光器以其转换效率高、体积小，质量轻，可靠性高，能直接调制以及能与其他半导体器件集成等优势近年来发展一直很迅猛，已经广泛应用于通信、光学数据存储、固体激光器泵浦、材料加工精密测量、生物医疗等领域。

本次设计任务要求设计一款电路系统来完成激光器的驱动、控制、温度监控，最终实现让激光器输出稳定的光功率，并且功率可以在0-8W内调节。

本次设计的硬件部分是采用单片机对温度测温模块检测、监控，利用单片机完成人机交互，通过单片机控制激光器电源。

软件设计部分有A\D、D\A硬件控制，包括对数码管、按键等驱动，同时进行功率采集，并采用PID算法保证快速稳定响应输入功率。

此次论文包括了激光器原理介绍，控制器原理介绍，电源测试数据，温度模块测试数据，激光器功率测试数据，以及原理图设计，PCB设计。

关键词：半导体激光器单片机TEC PIDThe system of laser driver and controllerABSTRACTAt present, semiconductor laser，relies on its high conversion efficiency, small volume, light quality, high reliability and on being directly modulated and integrated with other semiconductor devices，has developed rapidly. And it has been widely used in communication, optical data storage, solid laser pumps, material processing precision measurement, biological and medical treatment, etc. This design requires a circuit system designed to complete the driver and control of laser, temperature control, and finally achieve the stability of output power to laser light, and can adjust powers that ranged from zero to eight watt. The design of the hardware is to control the power supply of laser by the Single Chip Micyoco check and monitor the module of measuring temperature, and by the module of Single Chip Micyoco control man-machine interactive interface. And the software involves AD, DA hardware control, including the drives of nixietube, keystokes and so on. To guarantee the response power input are stable and rapid, for instance, the control of laser power supply, the collection of software power and comparing with the input power(Stabilify power with PID algorithm).This paper includes the test datas of power, TEC temperature module and optical maser power, and the elementary diagram, PCB appendix.Key words：Semiconductor lasers SCM TEC PID目录1引言 (5)1.1半导体激光器的应用与发展 (5)1.2设计任务与目标 (5)2激光器 (7)2.1激光器结构 (7)2.2激光器使用注意事项 (9)2.3激光器应用 (10)3电路控制 (11)3.1控制电路总体结构 (11)3.1.1电路组成部分 (11)3.1.2工作过程及关键问题 (12)3.2温度控制 (12)3.2.1温度控制简介 (12)3.2.2温度控制原理 (13)3.3功率稳定原理 (15)3.3.1功率稳定PID算法 (15)3.3.2功率稳定电路实现 (18)3.4人机交互 (18)3.4.1数码管 (18)3.4.2按键与指示灯 (19)3.5软件实现方案 (19)3.5.1 总体工作流程图 (19)3.5.2 关键问题分析 (21)4 驱动电源 (22)4.1 电源原理 (22)4.2 电源控制 (22)4.3 保护措施 (23)5 实验数据与结论 (25)5.1 温度控制数据 (25)5.2 电源输出测试 (26)6 参考文献 (28)附录 (29)谢辞 (31)1 引言1.1半导体激光器的应用与发展随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。

半导体激光器LD 开关电源驱动电路的设计和实验开关电源相比线性电源它的转换效率高、电能利用率高，但纹波系数较大，本节将讨论半导体激光器在开关电源驱动下特性分析，并设计出一款稳定的半导体激光器的开关电源驱动电路。

首先应从半导体激光器工作特性出发，分析出开关电源驱动半导体激光器所应具备的条件，而结温、结电压、结电流是直接决定半导体激光器的工作特性的参量，因此分析开关电源驱动半导体激光器的特性、实际就是分析在开关电源驱动下半导体激光器结温、结电压、结电流这三者之间的关系。

1 恒流模式下的结温与工作特性研究根据半导体物理学理论，PN 结在小注入条件下的正向电流与电压近似满足下式：0exp qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭很明显，正向电流和PN 结的节电压不是线性关系。

当载流子大注入时即半导体激光器满足载流子反转，开始向外输出激光时的工作条件，PN 结的电流-电压特性将会发生变化，不在遵从电流和PN 结结电压之间的关系式。

因为P 区为阻止空穴的扩散维持电中性，必然建立一个电场，成为自建电场，这样势必使加载在PN 上的结电压有一部分电压加在P 区。

此时PN 结的电流和结电压的关系公式需加以修正：0exp 2qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭()320exp 2g E I f T T kT -⎛⎫= ⎪⎝⎭I ：正向电流；0I ：反向饱和电流；U ：pn 结正向电压；T ：绝对温度；k ：波尔兹曼常数； q ：为基本电荷电量；其中g E 为温度为0K 时的禁带宽度。

又由()K f T T =，函数()T f 含有32T -，这样K 是一个与温度无关的量，当半导体结在恒流状态时，PN 结的结电压和温度的关系如下式：()2g E kT U InK InI q q=--()2dU k InK InI dT q=-- 由上式可得，在恒流模式下结电压与温度是成线性变化的，随着温度的升高结电压是减小。

当工作在恒流模式下时，dU dT 是恒定的，说明半导体工作在横流模式下的输出状态影响因素少，整个工作状态易于控制。