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
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。
医用半导体激光器驱动电源的研制(精)
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】。
大功率半导体激光器电源的设计
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
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。
一种新型半导体激光器电流源设计方法
二 、模 拟控 制半 导体 激光 电流 源
为 了提高电流源的效率 ，采用开关型 电压控制 电流
源的设计方案 ，电路原理框 图如图 １ 所示 。
式 中 Ｆ＝ ／ ＋ ） 。 （ ， 是激光 二极管 的直流 等 ％ 效 电阻 ，是一非线性 电阻 ，为了简化问题 的复杂性 ，在 其工作 电流附近可以近似为线性电阻。 量与电流变化量之 比。 ＝ ／， ， △ △ Ｄ 即Ｒ 是在激光二极管工作 电流附近一个较小的电压变化 。
可控电压源 电路也是一个非线性 电路系统 ，但是在 其电压可控范 围内，可以近似为一 阶线性系统。本设计
Ｄ Ｒ ｆ
实测 ： ．，（ ：６ １ ａ ／ 。由于 （ 远大于控制系 ４５ ｏ 兀× ０ｒｄ ｓ ３ ｏ ３ 统带 宽 ，所 以可控 电压 源电路 的传输 函数 （ 可近似
为常数 。令 ｐ＝Ｋ Ｆ ，由式（） ３ ３可得 ：
控制模 型变换 为数 字控制模型的设 计方法和设计方案 ，实现 了电流 源 控制电路 系统的数 字化 、提高 了半导体激光 器电流源的性能。 关键词 ：半导体激光器 ；数控 电流 源；单 片机
一
、
引言
， ，
也就是流过激光器的电流和 无关 ，图１ 。 所示
电路近似 为恒流源。 为了避免恒 流源 电路在电源上 电的瞬间出现 电压冲 击 ，需要研究恒流源电路的输出电压响应 。由图ｌ ，
Ｈ（） ａ ＋ａｚ１ ２ ＿ ／ ＋ ｚ１ ２ ＿ （） ｚ ＝（ｏ １－ ＋ａｇ２ （ － ＋ｂｚ２ ）１ ） ７
通过计算或查阅数字信号处理 的相关 资料可以确定
（ ）式 中的系数 ，这里不再论述 。 ８
五 、结论
半导体激光管驱动电源设计与实现
Ｄｅ ｉ ｎ ｎ ｒ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｅ ｅ ｉ ｏ ｄｕｃ ｏ ｉ ｅ ｓ ｇ ａ ｄ ｅ ｌ ｔｏ ｆｌ ｓ ｒ ｓ ｍ ｃ ｎ ｚ ｔ ｒ ｄｒ ｖ ｒ
ＺＨＡＯ Ｈｕｉｙ ｎ，Ｓ — ｕａ ＵＮ Ｌｕ，Ｓ Ｂｉ — ｕ Ｕ ｎｇ ｈ ａ
（ｏ／ ｅｏ ｎｏｍａ ｏ ｎｉｅｒ ｇＺ ｕ ａ Ｓ ｈｏ ｅ＇ｇＩｓｉ ｔ ｏ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ Ｚ ｕ ａ ５ ９ ８ ，ｈｎ ） Ｃ ／ ｇ ｆ ｒ ｔ ｎＥ ｇｎｅｉ ，ｈ ｈ ｉ ｃｏｌｆＢ ｏｎ ｎｔｕ ｅｈｏｏ ，ｈ ｈｉ １０ ５ Ｃ ｉ ｅ ｆＩ ｉ ｎ ｏ ｉ ｔ ｅｆ ｇ ａ
技 术 的 发 展 ， 用 以 ＭＯＳ Ｅ 为核 心 的 开 关 电 源 出 现 ． 关 采 ＦＴ 开
图 １ 同步 Ｄ ／Ｃ ＣＤ
载
电源在输 出大电流时 ， 波 过大 的问题得到 了解决 。 纹 由 于大 电 流 激 光 二 极 管 价 格 昂 贵 。 且 很 容 易 受 到 过 电 而 压 ， 电流 损 伤 Ⅲ 所 以 高 功 率 仅 仅 有 大 电 流 开 关 模 块 还 不 能 过 ， 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 、 流 不 要 过 冲 。因 此 ， 要 提 出一 整 套 切 实 可 行 电 需 的技术措施 ， 满足高功率二极管激光 器的需要。 来
电 源在 ２ ０Ａ 工 作 时 效 率 达 到 ８ ％以 上 ． 波 小 于 ５ ５ 纹 ％ 关 键 词 ：半 导 体 激 光 器 ：同 步 ＤＣ ＤＣ：Ｐ ／ ＷＭ 中 图 分 类 号 ： Ｍ４ Ｔ ６ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ４ ６ ３ （ ０１ ０ — １ ９ ０ １７ — ２ ６ ２ ０） ４ ０ ４ — ３
低噪声半导体激光器驱动电源的研制[1]
![低噪声半导体激光器驱动电源的研制[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8793a17b27284b73f24250c4.png)
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。
新型半导体激光电源的设计
电
源
学
报
Ｎｏ． ４
Ｊ ｕ ａ ｆＰｏ ｒＳ ｐ ｙ ｏ ｒ ｌｏ ｗｅ ｕｐ ｌ ｎ
Ｊｌ．０ ２ ｕｙ２ １
新型半导体激光电源的设计
赵 军 良 ， 锋 ， 赵 李卫 彬 ， 晓 雪 王
（ ． 南理 工 大学 ， 南 焦作 ４ ４ ０ ；． １河 河 ５ ０ ０ ２ 中国矿业 大学 （ 北京 ） 北京 １ ０ ８ ） ， ０ ０ ３
引 言
半 导体 激 光 器 （Ｄ） 有 体 积小 、 量 轻 、 电 Ｌ 具 重 耗
省 等许 多 突 出 优 点 ， 已在 光 纤 通 信 、 纤 传 感 及 光 光 电检 测等 领域得 到广 泛应 用㈣。然 而 ， 由于 目前 Ｌ Ｄ
会 导致 激光 器永 久 性 的损 坏 ． 以致 对这 些激 光 设 备 的使 用不 得 不 严 格规 定 ， 次 关 机 时 ， 须 先 调 整 每 必 电位器 将 激光 管 的 电流 降低 为零 ． 然后 才 能 切 断 电 源 开关 ： 每 次启 动 设 备 时 ， 而 又必 须 在 接 通 电源 开 关 之后 再慢 慢 地将 工作 电流调 到需 要值 。 因为半 导 体激 光器 不能 承受 电流突 变 的浪涌 。因此 研制 一种 有 效 的防浪涌 电路 变得极 为必要 。
摘 要 ： 用抗 电 网浪 涌 电路 、 启 动 慢 关 闭 电路 和 电流 负反馈 电路 设 计 了一 款 应 用 于半 导 体 激 光 器明 该 电路 能 够对 浪 涌 起 到 良好 的防 范作 用 ． 实现 了对 半 导 体 激 光 器 的 防 浪 涌保 护 ， 进 了半 导 体 改 激 光 器 电 源 的可 靠 性 ， 高 了半 导 体 激 光 器 的输 出稳 定性 ， 长 了激 光 器的 使 用 寿命 。 提 延
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慢启动半导体激光器驱动电源的设计毛海涛 ,林咏海 ,张锦龙 ,冯伟 ,柴秀丽 ,牛金星 ,李方正
()河南大学物理与信息光电子学院 ,河南 ,开封 ,475001
摘要 :根据半导体激光器的光功率与电流的关系 ,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使
- 4 用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。
设计的电路稳定度达到4 ×10 。
关键词 :半导体激光器 ;功率增益自动控制电路 ;驱动电源
() 文章编号:1008Ο7613 200505Ο0021Ο03 中图分类号 : TN2484?4 文献标识码 :A
0 引言半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如
3 所示 ,为便于分辨 ,图中底部的近似直线有所抬图 () 半导体激光器 L D 具有体积小、重量轻、价格高。
从图 3 中可以看出 ,在某一温度下 ,当驱动电流 ( ) 低、驱动电源简单且不需要高电压 2 . 5 V 等独特低于阈值电流时 ,激光器输出光功率 P 近似为零 , 优点。
目前 ,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光半导体激光器只能发出荧光 ,当驱动电流高于阈值印刷、激光束扫描等技术领域。
在实际应用中 ,遇到时输出激光 ,并且光输出功率随着驱动电流的增大
而迅速增加并近似呈线性上升关系。
的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升 ,造成
输出光功率的下降。
这可能导致激光器永久性的破 2 半导体激光器驱动电路设计坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。
因本例以 H TL 670 T5 为例 ,介绍一种半导体激光
器稳功率驱动电路。
该管输出波长为 650 nm ,额定此 ,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有
广泛的应用价值。
功率 30 mW ,其工作特性曲线与图 3 所示接近。
1 L 的驱动电流与输出光功率的特性 D
半导体激光器的结构如图 1 所示 ,对一般的半
() 导体激光器来说 , 激光二极管 L 是正向接法 , 光 D
( ) 电二极管 P是反向接法。
P受光后转换出的光 D D
电流 I 在串联电阻 R 上以电压信号反映出射光功 m 2
率的大小 ,如图 2 所示 ,因此添加控制电路即可达到
稳定发光功率的目的。
2 . 1 慢启动电路
半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日
迟电路。
如图 4 所示 ,图中输入端接上经过稳压后 ,因此一般要选用低温度系数稳压管 ,本电度造成的
路选用 MC1403 。
其在输入 5 V , 15 V 时 ,其输出的直流电压 ,右边是输入级的输出端 ,为半导体激光 o 电压为 2 . 5 V ,温漂仅为 60 pp m/ C 。
取样电阻 R2 器的功率稳定输出提供工作电压 ,整个电路的结构的影响大体与基准电压相同 ,且要承受较大的功率可以看作是在射级输出器上添加了两个П型滤波损耗 ,其温升高 ,阻值变化较大。
解决的办法是选择网络 ,分别由 L 、C、C和L 、C、C组成。
电容 C1 1 2 2 6 7 5 低温度系数的电阻材料 ,通过严格的热处理工艺进
行热处理 ,以保证电阻材料的性能稳定 ,同时在结构构成的 C 型滤波网络以及一个时间延迟网络。
慢
设计上考虑冷却措施 ,保证在长时间工作时 ,温升不启动输入电压 U 在开关闭合的瞬间产生了大量的
要太高 ,以便增强电阻的稳定性。
误差放大器一般高频成分 ,经过两个П型滤波网络滤除了大部分高
选用低温漂、低噪声运算放大器。
本例采用频分量 ,直流及低频分量则可顺利地通过。
到达由
N E5534 。
μ电阻 R 和 C 组成的时间延迟网络 ,0 . 047F 的电容
2 .
3 纹波调零电路纹波电压的大小是衡量稳定电与电解电容 C并联是为了减少电解电容对高频分 2
源的重要参数之量的电感效应。
一。
为了减小稳定电源的纹波电压 ,特增设了纹波调零电路。
在图 6 所示电路中 ,纹波成分通过电容耦合至运算放大器的反相输入端 ,纹波电压经反相放大后加至调整管的基极 ,因此 ,在正常工作中 ,调节纹波调零电位器可使输出端纹波电压非常小。
2 . 2 恒定的电流源
该电路的工作原理如图 5 所示 ,当输入电压增
大或负载变化使得输出电流发生变化时 ,取样电路将获取一定比例的输出电压误差信息 ,然后与基准
电压比较后 ,放大电路把放大了的误差信号施加到
调整管 ,从而实现了对输出电压的自动调节 ,达到稳
流的目的。
显然 ,这是一种电压负反馈电路 ,由于这
种电路可实现很高的稳压电流技术性能 ,故称由此电路生成的高指标电源为精密稳流电源。
2 . 4 稳功率电路
激光二极管的工作电流由电压比较器 L M358
同相输入端 A 点电压来控制。
激光二极管工作电
流的调节范围为 25 mA,50 mA ,电路中 A 点输入
电压U = U = I × R ,A 点电压调节范围为 1A B C 2
ΩV,2 V , 激光二极管电流采样电阻 R 为 30 。
光 2
电探测器与激光二极管封装在一起形成一体化器
Ω 件。
精密可调电阻器 P的阻值为 200 k, 实际阻 1
Ω 值调整到 45 k左右。
在稳流电源中 ,基准电压 U R EF 的选取直接影 22
() 器 L M358 中 L : A与电阻 R 、R 、R 及 R 构成3 结论 3 3 4 5 7 减法器电路 ,当 R = R , R = R , R = R 时 ,减本文所设计的驱动电源 ,通过慢启动电路、纹波调 4 5 3 7 5 7
法器输出电压 U 为零电路、功率稳恒电路等 ,解决了使用中在工作温度范 E - 4 U = U- U 围内其输出功率不稳定的问题 ,其稳定度为 4 ×10 , E D F 当半导体激光器管壳温度升高后 ,激光二极管取得了较好的稳流效果 ,在实验室的应用中效果良好。
的输出光功率要下降 ,输出光强降低。
光电探测器反向电阻值随之升高。
D 点电压降低 ,经过减法器参考文献 : 电路处理 , E 点电压随之降低 , 经过反相放大器放刘澄. 半导体激光器稳功率脉冲电源设计J . 半导体光 1 大 ,A 点电压随之大幅度提高 ,通过三极管 9013 的 ()
电,2004 ,25 3;235Ο237 . 控制 ,使激光器的工作电流增加 ,从而避免了激光汪礼兵 . 半导体激光器驱动电源的设计 J . 华侨大学学 2 器输出功率的降低。
() 报自然科学版,1992 ,7 ;322Ο327 . 2 . 5 保护电路虽然慢启动电路消除了高频冲击电陆耀华 . 仪器用的高稳定半导体激光电源 J . 电子技 3 流的危害 , 术,1994 ,6 ; 245Ο247 .
但不能有效地防止直流或低频电流过载对半导体激王熙 ,张建江 ,杨保平 ,李德才. 半导体激光器稳功率电 4 ( ) 路设计 J . 黑龙江八一农垦大学学报 , 2001 , 13 2; 49Ο 光器的危害 ,因此 ,应当设立过载保护电路。
一般可
53 . 采用限流式保护电路。
若长时间工作于短路的情况
下 ,过热仍然会导致调整管的损坏。
此时可以采取
【责任编辑邢怀民】
A Design of Driving Source f or Semicon ductor La ser
MAO Ha iΟtao ,L IN YongΟha i , ZHA NG JinΟlong , FENG Wei , C HAI XiuΟl i , NIU JinΟxing ,L I FangΟzheng
( )School of Physics and Info r matio n Op tielicho nics , Henan U niversit y , Kaifeng 475001 ,China
Abstract : Based o n t he characteristics of elect ro nic current and op tical power fo r semico nducto r laser , an applicable L D driving so urce is designed and f abricated by slowΟstart circult , stable waviness circult and A PC.
- 4 Power co nt rol is achieved. The steadiness is 4 ×10 .
() Key words : semico nducto r laser ; auto power co nt roller A PC; driving so urce。