慢启动半导体激光器驱动电源的设计

基于数字集成电路的半导体激光器电源的设计
由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器(LD)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用，且与电子器件结合实现单片光电子集成。

但是LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏[1,2]，其电源的研究愈来愈受到人们的重视。

若电源输出电压或电流波形质量不高，又缺乏有效保护，将导致激光器性能下降或造成损坏，因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。

本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。

半导体激光器LD工作影响因素
半导体激光器的核心是PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。

造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。

腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。

浪涌会产生半导体激光器PN 结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流;②电网中其它用电装备起停机;③雷电;④强的静电场等。

实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。

传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式[2,3]，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。

使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等。

中国组织工程研究与临床康复彳争J2卷彳争，3力铲2008—03—25出版 Journal ofClinical Rehabilitative 7issue Engineering Research March 25,2008 VoL 12，No．13孙延辉。

，孟海斌2 Design of a medicinal semiconductor laser driven power Sun Yan．huil．Meng Hal．bin2Abstract：Semiconductor laser has extensive applications in many fields including medical treatment．Its performance is closelydrive power and work temperature．Current 。

印trol changes may induce lightpower changes and hence influence the performance 型．．1School of]．础om=fioa related to 医用半导体激光器驱动电源的研制★of尝呈’“岵：．semiconductor _“警Umvt鼎lW,nIsh laserl_Jaoning ∞ 11300i． PIm，iI既SOOrceallI 珥 "Comp山crat the妻世．泐攀influences VOC目XⅧ OnTeelmologiealpower College,drive of theShcnyungarranged 帅№删0-250 ustablernAtSIilltaSun Yan-hui★．Ma概LinchuangSchool of Infommonand ControlEngineertng，LiaoningShihua University,Fushun 113∞1．t,曲nmg Provaze．Olinacamelialy@sohuReceivcd ．unm ：2007．12—06Accepted：2007-t2-291辽宁石油化工大’学信息与控制工程学院，辽宁省抚顺市11300l：2沈阳职业技术学院计算机学院，辽宁省沈阳市110021孙延辉★，女，1978 年生，辽宁【省阜新市人，汉 2】。

15Internet Technology互联网+技术半导体激光器相较于其他激光器具有更广泛的波长覆盖范围，这对光纤通信的发展起到了重要的推动作用。

随着输出功率的提高和相干性的优化，半导体激光器在激光扫描、精密测量等领域展现出了巨大潜力。

然而，在实际应用中，大功率半导体激光器的抗电流干扰性能较差的缺陷更为明显。

为了改善这一点，需要从电源供电的角度入手，下文将对大功率半导体激光器电源的研究现状进行说明。

一、大功率半导体激光器电源的研究现状半导体激光器在工业生产和高新技术领域中得到了广泛应用，具有转换效率高、轻量化、易调制和易集成等特点。

大功率半导体激光器（为方便论述，下文简称为激光器）的工作原理是通过注入载流子实现的，因此电源供电的稳定性与激光器的输出存在密切联系。

通常情况下，半导体激光器会采用恒流源电源，此类电源的电流稳定度在0.001左右，且波纹系数较小。

此外，激光器为结型器件，抗电冲击能力较差。

据相关统计数据，若激光器突然失效，超过50%概率是因浪涌（突发性瞬态电脉冲）击穿导致。

在激光器工作过程中，电流可达到几十安培，除设定电压外，同时也会受到负载电压、噪声电压和输出电压的影响。

只有消除上述影响，才能确保电源电流的稳定输出，并进一步提高激光器的性能。

在早期激光器的开发过程中，因供电控制不当，导致许多零部件损坏。

所以在当前提高激光器稳定性能的研究主要集中在电源设计方面。

已经有很多学者专门针对激光器的电源及控制电路进行研究和制作。

此外，文献[1]中的相关实验表明，激光器的工作温度只要提高超过30℃，便会大幅度降低激光器的工作寿命。

基于上述分析，可以得出结论，当前亟待解决的问题是如何研究和设计出能够输出稳定电流、具有抗电冲击保护电路、高安全性和小体积的激光器电源。

根据当前激光器电源研究的现状分析，从结构的角大功率半导体激光器电源的设计度来看，电源控制电路可以分为三类：①模拟控制电路。

此类电路的原理是利用分立元件或较小规模的集成电路制作调节器，从而调节电源的输出电压、电流及功率。

基于单片机的半导体激光器电源控制系统的设计半导体激光器(LD)体积小，重量轻，转换效率高，省电，并且可以直接调制。

基于他的多种优点，现已在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用，同时其驱动电源的问题也更加受到人们的重视。

使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。

同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。

1总体结构框图本系统原理如图1所示，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。

本系统中选用了C8051F单片机。

C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC 和DAC。

这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。

光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A／D转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D／A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。

光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。

2半导体激光器电源控制系统设计目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。

其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。

并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压；二是恒流源所。

文章编号:1005-5630(2005)05-0069-03低噪声半导体激光器驱动电源的研制袁波江,薛大建,陆璇辉(浙江大学光学研究所,浙江杭州310027) 摘要:根据半导体激光器的工作特性,研制了一台低噪声、高稳定度半导体激光器的驱动电流源。

该电流源特点具有慢启动电路和过流保护电路,提高了半导体激光器抗冲击能力和工作稳定性。

关键词:半导体激光器;恒流源;慢启动;保护电路中图分类号:T N 248.4 文献标识码:AThe design and implementation of a low -noise diode laser drive powerYUA N Bo -j iang ,X UE Da -j ian ,L U X uan -hui(O pt ics Institute ,Z hejiang U niver sity ,Hangzhou 310027,China ) Abstract :According to the performance characteristics of semiconductor laser diode ,a diode laser dr iv e pow er has been designed w ith the stability and low no ise features.Slo w tur n-on and current limit circuits are provided to ensure diode laser operatio n stability and safety.Key words :dio de laser ;constant -current so urce ;slow turn -on ;protect circuit1　引　言半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单和单色、可调等优良特性被广泛应用于科研、国防、医疗、加工等领域。

收稿日期:2009-07-15作者简介:刘宝元(1977-),男,内蒙古赤峰人,硕士,助教,研究方向为光电子信息与系统.・电路与控制・实用小功率半导体激光器驱动电路的设计刘宝元1,郭小云2(1.西安工业大学光电工程学院,陕西　西安　710032;21西光集团技术中心,陕西　西安　710032) 摘　要:半导体激光器的稳定性取决于驱动电源.结合消光比测试仪要求,设计了基于脉宽调制芯片UC3842的实用半导体激光器驱动电源.该驱动电源适用于功率较小的半导体激光器,输出占空比和频率可调的驱动信号,使之输出一定频率的调制光信号,实现了慢启动、高频及过压过流等保护功能,能使半导体激光器在室温下安全工作.通过实验结果分析,证明了方案的可行性,满足测试仪的要求.关键词:半导体激光器;驱动电路;UC3842;慢启动中图分类号:TH248.4;T N76 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009)05-0040-04Design of Practical Driven Circuit for Small Pow er Semiconductor LasersL IU Bao 2yuan 1,GUO Xiao 2yun 2(1.Xi ’an Indust rial U niversity ,Xi ’an 710032,China ;2.S ICON G GROU P ,Xi ’an 710032,China ) Abstract :The stability of semiconductor lasers depends on the driven power.According to the requirement for light extinction ratio tester ,a practical semiconductor laser driven power based on the UC3842PWM chip was designed.The driven power is applicable to the smaller power semiconductor lasers ,the output duty cycle and frequency adjustable driven signal ,which make it put out some modulation optical signals with a certain fre 2quency ,so the protection functions ,such as slow start ,over 2current ,over 2voltage and high frequency can be re 2alized.These protections can make semiconductor lasers working safely at room temperature.The experimental results prove the feasibility of this program and meet the requirements for tester. K ey w ords :semiconductor laser diode ;drive circuit ;UC3842;slow start 随着激光技术的发展,半导体激光器(LD )已经成为应用最广泛的一类激光器,它具有体积小、质量轻、价格便宜、性能稳定而且易调制,广泛应用于通信、制导、测量、医疗以及信息的存取等领域.在光学晶体消光比检测仪中采用半导体激光器作为测试光源,由于对激光器输出功率有着比较严格的要求,为其设计一款精度较高、性能可靠、经济、耐用的驱动电源就显得尤为重要.1　半导体激光器的工作特性半导体激光器是一种相干辐射光源,使用半导体材料作激光器的工作物质,主要构成部分是一个P -N 结.如图1所示.图1　半导体激光器的原理结构示意图半导体激光器的工作特性如图2所示.当P -N结两端不加电压时,N 区中的电子与P 区中的空穴互相扩散,形成一个内电场,使P -N 结相当于一个第24卷第5期2009年10月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.24,No.5October.2009图2　半导体激光器P -I 曲线阻挡层.当P -N 结加上正向电压,即N 接负极,P接正极,阻挡层被削弱,注入N 区的大量电子流向P 区,并在结区与空穴复合,放出光子形成激光.过程也可描述为,由于P -N 结未加电压时,N 区电子的能级比P 区空穴能级低,加上正向电压后,使N 区电子的能级高于P 区空穴的能级,大量电子处在高能级上,实现了粒子数的反转.要使激光器得到相干的、受激光输出,必须满足2个条件,即粒子反转条件与阈值条件.前者是必要条件,它意味着处于高能态的粒子多于低能态的粒子数.达到这一条件,有源工作物质就具有增益.后者是充分条件,它要求粒子数反转产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗,此时增益介质就具有净增益.2　驱动电路设计驱动电路采用以脉宽调制器UC3842为核心元件设计的开关电路.UC3842是美国Unitrode 公司生产的电流型单端输出脉宽调制器(PWM ),具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点.稳压性能好,其电压调整率可达0.01%/V ,除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路外,还设有欠压锁定电路,使工作稳定可靠.UC3842的内部结构如图3所示,主要包括:5.0V 基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM 锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V 稳压管.其电路设计原理框图如图4所示.图3　UC3842内部结构示意图图4　驱动电路设计原理框图2.1　驱动电路驱动电路产生一个2kHz 的方波信号,方波信号的频率和占空比是可调的;MOS 管作为一个开关使用,通过改变占空比控制半导体激光器的输出功率.电路原理图如图5所示.内部基准电压源产生5.0V 基准电压,作为UC3842内部电源,经衰减得2.5V 电压作为比较放大器基准电压,并可作为向外电路输出5V/50mA 的电源.振荡器产生方波振荡,振荡频率取决于外接定时元件.反馈电压由2管脚接误差放大器反相端.1管脚外接R 、C 网络改变误差放大器闭环增益和频率特性;6管脚输出驱动开关管的方波,为图腾柱式输出,适用于驱动VMOS 开关管,输出电流可达±200mA.3管脚为电流检测端,用于检测开关管电流,当U 3≥1V 时,可关闭输出脉冲,保护开关管不致过14第5期 刘宝元等:实用小功率半导体激光器驱动电路的设计 图5　电路原理图流损坏.UC3842包括过压、欠压保护电路,当电源电压超过17V或低于10V时,集成电路停止工作.2.2　振荡信号生成电路振荡信号生成电路是驱动电路中的重要部分,接在UC3842的4管脚和8管脚之间,以使启动UC3842的时候产生振荡.振荡信号生成电路由定时电容C T、电位器R W3、定时电阻R T和消噪电容C6构成.R W3的作用是调节振荡信号占空比和频率;C6的作用是滤除电路中电压信号的噪声,使振荡信号的波形更为理想.C T和R T的作用是以UC3842内部的振荡器为基础生成振荡信号,振荡频率由式(1)来确定f=1.8R T C T(1)2.3　补偿电路补偿电路结构如图5所示.补偿电路是UC3842内部误差放大器的外围电路.它通过一个电阻取样UC3842电源电压,通过电阻分压并输入到UC3842的2管脚,为误差放大器提供反相输入.分压电阻R1和R3取样15V的电源电压并分压达到UC3842的2管脚的电压要求后输入误差放大器反相端.误差放大器反相输入与同相端2.5V标准偏压比较后产生误差信号.该误差信号经误差放大器放大后经1管脚输出.1管脚的并联阻容元件和放大器反相输入共同作用以改善误差放大器的增益和频率特性,形成误差放大器的补偿,从而改善整个电路的特性.2.4　开关控制电路开关控制电路的核心元件是功率场效应管IRF3205,其主要起开关作用,即工作在饱和区和截止区.主要原理是:UC3842的6管脚输出信号经R5分压后提供给IRF3205栅极,当输出信号为高电平时,场效应管工作在饱和区,此时半导体激光器阳极和阴极的电流不相同,激光器输出电平为低电平.当UC3842的6管脚驱动输出为低电平时,功率场效应管截止,激光器阳极和阴极电流相同,激光器输出电平为高电平.2.5　纹波电压滤除电路纹波电压滤除电路由电容组成,可以是普通电容,也可以是电解电容.电容有滤波、消噪的作用,2个并联的而且容量不同的电容接在电压源之后不仅能够起到滤除纹波电压的作用,而且能够起到慢启动的作用,从而使直流电源特性得到改善.2.6　慢启动电路慢启动电路由R4、C0、V D1和V D2组成.电阻R4的作用是分流,以防电流过大,二极管被烧坏;电容C0的作用是消除噪声.根据二极管的伏安特性,当二极管两端的电压超过死区电压后,二极管导通,导通后正向电流迅速增大,二极管呈低阻状态.一个24 光　电　技　术　应　用 第24卷二极管的时延很小,而且性能不太稳定,所以串联一个二极管,并由大电阻分流,时延增加,电路安全性提高.慢启动电路因二极管的导通延时,使LD 和整个电路不受浪涌电流破坏.2.7　高频、过压保护电路高频、过压保护电路主要由C 7、V D 3、V D 4组成,这利用了电容的频率特性和二极管反向击穿特性实现对LD 的保护.3　实验分析驱动电路的频率由电阻R 4和电容C 6来确定,但电阻R 4的值不能过大,应控制在1k Ω以内,否则占空比过高,流过电流大,容易损坏片子;驱动电路输出信号的占空比可通过改变电阻R 4和电容C 6的值来控制;当频率固定不变时,输出平均功率随着占空比的增大而增大.驱动电路有较宽的输出频率,同时占空比的调节范围比较宽.改变输出电流可以通过改变电阻R 5的阻值,使输出电流可以满足不同功率的半导体激光器的要求.以下是结合光学晶体消光比测试要求,产生频率为2kHz 、占空比为40%的驱动信号的实验结果.振荡信号生成电路中电容C 6的输出波形,如图6所示.驱动电路中器图6　电容C 6的输出波形　图7UC3842的6管脚输出波形图8　半导体激光器的输出波形件UC3842的6管脚输出波形如图7所示.半导体激光器的输出波形如图8所示.从它的输出波形可知,其频率为2kHz ,占空比为40%,上升沿和下降沿变化较快,满足使用要求.4　结 论文中对半导体激光器的原理和特点进行了分析,并设计了一种基于脉宽调制芯片UC3842和功率场效应管IRF3205的实用半导体激光器驱动电源.通过实验验证,该驱动电源适用于小功率的半导体激光器,驱动信号占空比和频率可调,实现了慢启动、高频及过压保护等功能,能使半导体激光器在室温下安全工作.该设计电路已经随光学晶体消光比测试仪交客户使用2年,证明该驱动电源可以为半导体激光器提供稳定可靠的信号源.参考文献[1]　史金林,辛德胜,张剑家,等.连续半导体激光器驱动电源[J ].长春光学精密机械学报,2001,24(1):12-15.[2]　雷玉堂,王友庆.光电检测技术[M ].北京:中国计量出版社,1997:92-99.[3]　刘澄.半导体激光器稳功率脉冲电源设计[J ].半导体光电,2004,25(3):235-237.[4]　何希才,毛德柱.新型半导体器件及其应用[M ].北京:电子工业出版社,2002.(上接第29页)[7]　Ph Avouris ,I 2W Lyo.Observation of Quantum 2Size E f 2fects at Room Temperature on Metal Surfaces With STM [J ].Science ,1994,264:942-945.[8]　K eisuke Sagisaka ,Daisuke Fujita.Quasi 2one 2dimensionalquantum well on Si (100)surface crafted by using scan 2ning tunneling microscopy tip [J ].Appl.Phys.Lett ,2008,88:203118-203120.[9]　J Y Lao ,J Y Huang ,D Z Wang.ZnO Nanobridges andNanonails [J ].Nano Lett ,2002,3:235-238.[10]　J S K im ,M K awabe ,N K oguchi.Ordering of high 2quality InAs quantum dots on defect 2free nanoholes [J ].Appl.Phys.Lett ,2006,88:72107-72109.[11]　Z L Wang ,J H S onf.Piezoelectric NanogeneratorsBased on Z inc Oxide Nanowire Arrays [J ].Science ,2006,312:242-246.[12]　P D Lacharmoise ,N G Tonalli ,P N Bartlett.Imagingoptical near fields at metallic nanoscale voids [J ].Phys.Rev.B ,2008,78:125410-125414.34第5期 刘宝元等:实用小功率半导体激光器驱动电路的设计 。

半导体激光器驱动器安全保护电路的设计
1.过电流保护电路：激光器驱动电路中加入过电流保护电路，可以防
止激光器在工作时因过载而烧毁。

过电流保护电路可以通过电流传感器检
测激光器的工作电流，当电流超过设定值时，保护电路会切断电源，保护
激光器的安全。

2.过温度保护电路：激光器工作时会产生热量，如果温度过高，会对
激光器的正常工作产生不良影响甚至损坏激光器。

因此，过温度保护电路
是必不可少的。

过温度保护电路通过温度传感器监测激光器的温度，当温
度超过设定值时，保护电路会采取相应的措施，例如关闭电源或降低输出
功率，以保护激光器的安全。

3.短路保护电路：激光器驱动器输出端可能会存在短路的情况，如果
不及时进行保护，会导致激光器过载而烧毁。

因此，短路保护电路是必要的。

短路保护电路可以通过监测输出电流来检测短路，当检测到短路时，
保护电路会切断电源或降低输出功率，以保护激光器的安全。

4.过压保护电路：激光器工作时需要一定的电压，但如果电压过高，
会对激光器产生损坏。

因此，过压保护电路是必不可少的。

过压保护电路
可以通过电压传感器监测激光器输入电压，当电压超过设定值时，保护电
路会切断电源或降低输出功率，以保护激光器的安全。

以上是一些常见的半导体激光器驱动器安全保护电路的设计。

当然，
具体的设计还需要根据激光器驱动器的具体情况和需求来进行细化和优化。

在实际设计中，还需要充分考虑电路的稳定性、可靠性和成本等因素。

多路LD半导体激光器驱动电源一、外观图图1 外观图二、产品指标1.输入电压: 6V DC2.恒流输出路数：3路3.恒流输出电流1：400mA4.恒流输出电流2：2.7A5.恒流输出电流3：2.8A6.恒流输出电压范围：0~3 V7.冷却方式：强制风冷8.控制模拟量电压：3.3V PWM占空比调节控制400mA恒流源，2.4V 控制2.7A，2.4V控制2.8A9.控制模拟量输入路数：3路二、电气连接操作时应断电连接，确认连接无误后方可通电。

注意该恒流电源需要强制风冷以防温度过高损坏电源或激光器。

为避免可能出现的接触不良情况损坏激光器，本恒流电源的输出端直接引出输出引线。

因此，该引线与激光器间应直接焊接,避免使用连接器等可能降低连接可靠性的装置如图2图2 装置连接图三、输出电流与输入电压关系:注:该恒流电源支持输出微调，可打开上盖缓慢调节电位器，微调输出电流。

兰亭序永和九年，岁在癸丑，暮春之初，会于会稽山阴之兰亭，修禊事也。

群贤毕至，少长咸集。

此地有崇山峻岭，茂林修竹；又有清流激湍，映带左右，引以为流觞曲水，列坐其次。

虽无丝竹管弦之盛，一觞一咏，亦足以畅叙幽情。

是日也，天朗气清，惠风和畅，仰观宇宙之大，俯察品类之盛，所以游目骋怀，足以极视听之娱，信可乐也。

夫人之相与，俯仰一世，或取诸怀抱，晤言一室之内；或因寄所托，放浪形骸之外。

虽取舍万殊，静躁不同，当其欣于所遇，暂得于己，快然自足，不知老之将至。

及其所之既倦，情随事迁，感慨系之矣。

向之所欣，俯仰之间，已为陈迹，犹不能不以之兴怀。

况修短随化，终期于尽。

古人云：“死生亦大矣。

”岂不痛哉！每览昔人兴感之由，若合一契，未尝不临文嗟悼，不能喻之于怀。

固知一死生为虚诞，齐彭殇为妄作。

后之视今，亦犹今之视昔。

悲夫！故列叙时人，录其所述，虽世殊事异，所以兴怀，其致一也。

后之览者，亦将有感于斯文。