连续或脉冲输出功率可调LD驱动电源设计
功率自适应LD开关电源的设计
关键 词 ： 导体 激 光器 ； 半 开关 电源 ； 率 自适 应 ；Ｉ 法 功 ＰＤ算
中图分 类号 ：Ｎ ４ ． Ｔ ２８ ４ 文 献标 识码 ： Ｂ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｓｇ ｆ ＬＤ ｗｉｃ ｉ ｗｅ ｕ ｐｌ ｔ ｗｅ ｄ ｐ ｉ ｎ ｓ ｔ ｈ ｎｇ ｐｏ ｒ ｓ ｐ ｙ ｗｉｈ ｐｏ ｒ ａ ａ ｔｏ
ｌ ｅ ａ ｉ ｌ ａｓ ｔｒ （Ｇ Ｔ ｕ ｙｌ． ｈ ｘｅｉ ｅｔ ｅｕｔ ｓｏ ａ ｔｅｄｖｌ ｅ ｒ ｅ ｈ ｗ ｒ ｐｅ ａ ｄｇｔ ｂｐ ａ ｔ ｎｉｏ Ｉ Ｂ ）ｄ ｔ ｃｃｅＴ ｅｅｐｒ ｎ ｒｓｌ ｈｗ ｔ ｔｈ ｅｅ ｐ ｄｄｉ ｒ ａ ｌ ｐ ｌ ｔ ｅ ｏ ｒｒ ｓ Ｓ ｙ ｍ ｓ ｈ ｏ ｖ ｓ ｏ ｉ
Ｃ ＨＥＮ Ｒ ｉ ｉ ＭＥ ｕ — ａ ， ＮＧ ｈ ｎ ， ＡＩＪｎ ｋ ＭＡ０ Ｈａ—ａ Ｚ ｘ Ｚ ａ Ｂ ｉ ．ｅ ， ｉｔｏ ， ＨＡＮ Ｊｎ ｌｎ ， Ｇ ｉ—ｏ ｇ （ ． ｃｏｌ ｆ ｈ ｓ ｓａｄＥｅｔ ｎｃ， ｅａ ｎ ｅ ｉ ， ａ ｅｇ４ ５０ ， ｈｎ ； １ Ｓｈｏ ｏ Ｐ ｙｉ ｎ ｌ ｒ ｉ Ｈ ｎｎＵ ｉ ｒ ｔ Ｋ ｉ ｎ ７ ０ ４ Ｃ ｉａ ｃ ｃｏ ｓ ｖ ｓｙ ｆ ２ Ｍ ｎ ｈｎ ｏ ｅｅＨ ｎ ｎＵ ｉ ｒ ｔ， ａ ｅｇ ７ ０４ Ｃ ｉ ） ． ｉＳ ｅｇＣ ｌ ｇ ， ｅ ａ ｎｖ ｓｙ Ｋ ｉ ｎ ５ ０ ， ｈｎ ｌ ｅｉ ｆ ４ ａ
１ 引 言
统 ， 过控 制 ＩＢ 通 Ｇ Ｔ的 占空 比来 控 制 开 关 电 源 的 工
半导体激光器（ Ｄ 以其体积小 、 Ｌ） 价格低、 高效 、 可靠性好、 工作寿命长、 单色可调等优 良特性被越来 越广泛地应用于 国防、 科研、 医疗 、 加工等领域 。但
一种LD泵浦固体激光器电源的设计
• 一种LD泵浦固休激光器电源的设计来自：中国电子市场网时间：2006年09月13日国浏览509次摘要：半导体LD泵浦固体激光器对电源要求很高，需要电源具有慢启动和微机控制激光功率的功能，同时应具有抗电网浪涌疔I芒号卍申出庄」¥和滤除噪声以及保护等功能。
文章介绍了这种新型LD激光器电源的电路原理和微控制程序。
半导体二极管LD泵浦固体激光器（以下简称LD激光器）以其发热少、光泵耦合方便、结构设计简单，安装灵活方便、工作稳定、牢固耐用等优点被广泛应用在激光血管内照射血液（ILLLI ）治疗仪中作为激光泵浦源。
但是，这种LD激光器在电路装配或工作过程中易受电压、电流或静电荷浪涌的冲击而造成损坏。
同时，由于这种LD激光器不能承受电流突变的浪涌冲击。
因此，对使用功能不完善的简单电源LD激光器来说，在每次开机时，必须在接电源后，再慢慢地将激光器的工作电流调到需要的适当值。
而每次关机时，又必须先将激光器的工作电流慢慢地调到零，然后再关闭电源。
这对激光器的工作很不安全，也给ILLLI激光血疗仪的使用带来极大的不便。
为此，要设计一个好的LD激光器电源，就必须保证LD激光器能在各种类型的浪涌冲击情况下安全工，包括LD激光电源的任意开启和关闭。
因此，新型半导体激光器的电源除了具有一定的电源稳定输出，还应针对LD激光器的安全工作的特殊要求，在电源电路中设计一系列的保护措施。
1 LD激光器电源的慢启动电路为使LD激光电源任意开启和关闭而不损坏，可以在LD激光使电源电路中安排一个慢启动电路，以使电源开启和关闭时 LD 激 光器的正向电流iF 可以 随时间缓慢变化，从而保 证LD 激光器不因电源开 启和关闭而损坏。
其慢启图中，Vi 为输入直流稳定电压， K 闭合表示电源开启的 Vi 接入瞬间。
RC 为充电电路，随着电容 C 上充电电压的上升（负值）， PNP 型三极管T1由截止进入导通状态，直至饱和导通。
由于电感L 有减缓电流增长速度的作用，而T2的导通电流可同时提供给 LD 激光器作供电电流iF ,因此流过LD 激光器的供电电流也必 然是慢速增加的。
连续可调纳秒脉冲LD驱动电源的研制
连续可调纳秒脉冲LD驱动电源的研制张寿棋;楼祺洪;周军;董景星【摘要】为了满足单模尾纤输出脉冲半导体激光器及其后级光放大的要求,研制了一种重频、脉宽及峰值电流均连续可调的纳秒脉冲驱动电源.该电源使用功率场效应管作为开关,通过分析其驱动特性,采用合适的栅极驱动电路,从而缩短了脉冲宽度,增加了带负载能力;同时电源中的保护电路采用自断电等保护措施,能有效保证LD的安全工作.实验结果表明,该驱动电源工作稳定,能满足单模尾纤输出脉冲LD重频、脉宽、峰值可调的要求.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)004【总页数】3页(P396-398)【关键词】激光技术;驱动电源;半导体激光器;保护电路【作者】张寿棋;楼祺洪;周军;董景星【作者单位】中国科学院,上海光学精密机械研究所,上海,201800;中国科学院,上海光学精密机械研究所,上海,201800;中国科学院,上海光学精密机械研究所,上海,201800;中国科学院,上海光学精密机械研究所,上海,201800【正文语种】中文【中图分类】TN86引言在高功率脉冲光纤激光器的设计中，为了得到能量较大的纳秒光脉冲，需对种子光源进行多级放大[1]。
作者采用单模带尾纤输出的脉冲半导体激光器做为种子光源，进行三级放大。
为了方便后级光放大的进行，要求种子光重频、脉宽、峰值功率可调。
由于半导体激光器发射的光脉冲是由激光电源产生的电脉冲直接调制得到的，因此需要设计一个重频、脉宽、峰值电流均为可调的半导体激光器纳秒脉冲驱动电源。
同时为了保证半导体激光器的正常工作和提高其使用寿命，驱动电源需提供有效的保护措施。
目前，获得纳秒级电脉冲常采用雪崩晶体管、功率场效应管、双极性晶体管和阶跃恢复二极管等。
利用雪崩管作为开关，可以获得较好的脉冲波形，但输出脉宽和峰值连续可调比较困难，而且雪崩管需要很大的电压驱动，这在高频信号中很容易产生串绕。
双极性晶体管和阶跃恢复二极管产生的窄脉冲峰值电流不能做得很大，难以满足要求[2-4]。
大功率LD的线性驱动电路
大功率LD的线性驱动电路摘要: 介绍了一种大功率LD的线性驱动电路，该恒流源电路采用功率MOSFET作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流，正向电流0-10A连续可调，纹波峰值10mV，输出电流的短期稳定度达到1 ×10 - 5，具有限流保护，防浪涌冲击，缓启动的功能。
实际应用在一掺Yb光纤激光器的泵浦中，结果表明该驱动电路工作安全可靠。
Abstract:This paper introduces a power driving circuit for LD. It adopts power mosfet as adjust device and current negative feedback to ensure costant current driving with a adjustable forward current 0-10A range and ripple of less than 10mV. This circuit also owns functions of maximum current limitation and slow start.it get application as pump source for a Yb doped optic fiber laser and experimental result prove its operation is reliable and safe.关键词: LD; 驱动电路; 功率MOSFET1.引言：半导体LD激光器具有高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,广泛地应用于国防、科研、医疗、光通信等领域[1]。
LD是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,微小的电流将导致光功率输出变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,驱动电路的目的是为LD提供一个干净的稳恒电流，线性恒流源方式电路结构简单，元器件少，无高频开关噪音干扰，缺点在于mosfet工作于线性区，热损耗较大，实际使用时须选择合适的mosfet以减小热损耗。
功率稳定可调LD驱动电路的设计
在精密光电检测领域中，光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差。
如在半导体薄膜特性检测中，常常需要检测薄膜反射比以求解出其它光电学参量。
由于薄膜增长的缓慢（0.1mm 级/秒），反射比变化非常小，在这种情况下，对于光源稳定性的要求非常高，达到0.1%。
稳定光源在光纤测量中像电子电路测试时用振荡器作为信号源一样，要求发出高稳定、光功率可调的光信号。
稳定光源是急待开发的光纤系统测试仪器中的一种重要的基础设备。
国内一些学者对稳定激光光源作了一些研究。
有的设计方法使激光器注入电流稳定，并配合使用温控电路。
这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对其它影响因素缺乏考虑，不是一种闭环的控制系统。
有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不灵敏，且会使系统稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。
这种方法的共同步是模拟调节。
本文设计一种对输出光功率进行闭环数字PID调节的激光二极管（LD）驱动电路。
该电路使用高精度14位A/D、D/A转换器，理论上对光功率的0.01%变化均可调节，且驱动电流最小节量<0.01m A，同时可精确设置初始驱动电流（光功率）。
驱动电路设计1 激光二极管封装及参数常见激光二极管封装有两种形式：共阳极与共阴极型（图1 (a)所示）。
LD 和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。
这里，LD采用SANYO655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极（LD的正极与PD（光电二极管）的负极连接在一起）。
LD最大输出光功率为30mW，阈值电流为40mA(25℃),工作电流量大为110mA。
PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系（图1（b）所示），这为后面控制电路的设计提供了依据。
2 电路原理光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值（在设定功率条件下，监测电流经差分放大后变成的电压量的数字表示）之间作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压-电流（V-I）变换后，成为LD的驱动电路。
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验
半导体激光器LD 脉冲驱动电路的设计与实验进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动 时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热， 因此半导体激光器在脉冲 电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。
在设计半导体激光器的脉冲驱动 电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。
1脉冲电源的仿真在进行脉冲电源仿真时，同样选用的 NI 公司的这款MultisimIO 这款电路仿 真软件。
选用的器件是IRF530,信号源是5V ，占款比为50%，频率为50Hz 的 方波信号源；用电阻 R i代替半导体激光器、且将 R i的阻值设置为 1 Q ,用脉冲电源仿真在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻R i上 的电压进行采样，信号源选取的是输出5V 方波的、频率是50Hz 、占款比是50% 的信号源。
在进行仿真前、将示波器的 A 通道接在电阻R i的两端，对整个电路 的电流信号进行监测。
将示波器的 B通道接在信号源的两端，对信号源的输出MultisimIO 的自带示波器对电阻R i两端的电信号进行测量12V VGCMIL........ X SC1A ETinw ______ • 7訂 _________________ 計旷 ____________________ | Triggr SaihpOTi Diu ::-i■< ■ Suli [TvCi; \ Edgt |T" ijp":电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。
根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻R i两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。
仿真结果显示电阻R i的峰值电压是为1.145V,说明电路的峰值电流也是1.145A。
在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻R i两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。
半导体激光器LD开关电源驱动电路的设计和实验
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。
功率自适应LD开关电源设计
摘要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。
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。
但半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对工作条件要求非常苛刻。
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。
该设计研究了一种稳压型宽范围的开关半导体激光器(LD)的驱动电源，利用单片机进行自动调节开关电源的绝缘门极晶闸管(IGBT)的占空比，从而使电源输出稳定的电压来实现LD的恒流驱动。
该电源还能够根据不同规格LD在一定的范围内进行功率自适应调节。
以单片机为主控制器，结合外围电路，采用PID算法实现了LD的功率自适应调节和恒流驱动。
即它是一种基于开关电源的并且有功率自适应功能的LD驱动电源。
该设计采用了单片机作为主控制器，其接收的数据经A/D转换后，再与设定参数进行比较，然后把得到的处理结果送至D/A转换器，最后送入被控对象。
硬件电路设计运用了模块设计的方法，主要包括了V/I转换模块、恒流源模块、D/A转换模块、以及采样模块。
关键词：开关电源；半导体激光器；功率自适应；PID算法AbstractWith the rapid development of science and technology, the semiconductor laser technology has penetrated into all fields of national economy and national defense construction. In telecommunications, laser radar, digital signal storage and recovery, laser ranging, robot, holographic applications, medical Diagnosis and other aspects has a wide range of applications. However, the semiconductor laser is a high power density and high quantum efficiency devices, is very demanding for working conditions. Improper work or storage conditions will result in a sharp deterioration in the performance of even failure. So, so the normal work of the laser drive power supply is very important.This Design research a design of wide range pressure switches semiconductor laser driving (LD) power supply, the use of single-chip microcomputer for automatic regulating switch power insulated gate bipolar transistor (IGBT) duty cycle, so that the power supply output a stable voltage to achieve LD constant current drive. The power supply also can accord to different specifications of LD in a certain range of adaptive power regulator. Taking SCM as the control core, combined with the external circuit, using PID algorithm LD power adaptive control and the constant current driving. It is based on a switching power supply and power adaptive function of LD driving power supply.This design uses a single chip control, the received data after A/D conversion, with the set parameters were compared, and the results are sent to the D/A converter, and finally into the controlled object. Hardware circuit design used modular design method, including V/I conversion module, a constant current source module, the D/A conversion module, as well as the sampling module.Key Words: Switching power supply, Semiconductor laser, Power adaptive, PID algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)1 绪论 (1)1.1 课题的背景和意义 (1)1.2 课题的研究现状 (2)1.3 课题的研究内容和目标 (2)2 开关型LD驱动电源的设计原理及总体方案 (4)2.1LD开关电源的基本原理 (4)2.2 系统结构原理 (5)2.3 自适应功能软件设计 (5)2.4 软件控制算法设计 (6)3 系统硬件电路的设计与实现 (7)3.1 单片机及最小系统 (7)3.1.1 单片机的选择 (7)3.1.2 单片机最小系统 (7)3.2 信号采样电路 (8)3.2.1 信号放大电路 (8)3.2.2 温度传感器 (9)3.2.3 电流采集电路 (10)3.2.4AD转换电路 (10)3.3 过流报警电路 (12)3.4 光功率控制电路 (13)3.5LD过流保护电路 (13)3.6Protel DXP设计软件介绍 (14)3.7 硬件PCB设计 (15)4 系统软件的设计与实现 (18)4.1 软件开发平台介绍 (18)4.2 系统程序设计 (19)4.2.1 系统总体框图 (19)4.2.2ADC0809电流采样程序设计 (19)4.2.3DS18B20温度采集程序设计 (19)4.2.4 声光报警及过流保护系统 (20)4.2.5PID控制算法设计 (21)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录系统程序 (25)1 绪论1.1 课题的背景和意义半导体激光器驱动电源具有结构简单、不需要高压、便于调试等独特的优点，其应用潜力很大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
连续或脉冲输出功率可调LD驱动电源设计
LD(激光二极管)不仅具有一般激光器高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点，还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等特性，因而广泛应用于国防、科研、医疗、光通信等领域。
然而，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。
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。
1．1 基准电压源电路基准电压源电路构成如图2 所示，其作用是为恒流源电路提供一个高精度，低温漂的电压参考，同时，为电路中的集成电路(如光耦合器、运算放大器、反相器等)提供稳定工作电压。
LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，输出电压范
围是1．2～37 V，负载电流最大为1．5 A，使用简单。
其工作过程如下：输出电压Vout 通过R1、VQ1，对C2 充电，开始时VQ1 饱和导通，Vout 最低(约1．5 V)。
随着C2 上电压的升高，VQ1 逐渐退出饱和并趋于截止，Vout 逐渐升高至额定电压。
改变R1、C2 的常数可改变软启动的时间。
改变可变电阻R2 的值，可调整输出电压Vout 的值。
VD1 用于关机后使C2 上的电荷快速泄放。
其输出电压为：1．2 恒流源电路为了实现高的电流稳定度，驱动电路。