基于數(shù)字集成電路的半導(dǎo)體激光器電源的設(shè)計

秦永華

由于具有體積小、重量輕等特點，半導(dǎo)體激光器(LD)在信息、通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，且與電子器件結(jié)合實現(xiàn)單片光電子集成。但是LD容易受到過電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞，其電源的研究愈來愈受到人們的重視。若電源輸出電壓或電流波形質(zhì)量不高，又缺乏有效保護(hù)，將導(dǎo)致激光器性能下降或造成損壞，因此要設(shè)計性能優(yōu)良的電源來保證LD安全穩(wěn)定地工作。

本文以數(shù)字集成電路為核心，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制的半導(dǎo)體激光器電源。

半導(dǎo)體激光器LD工作影響因素

半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復(fù)合，視其破壞程度而表現(xiàn)為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器PN結(jié)損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開關(guān)瞬間電流；②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機(jī)；③雷電；④強(qiáng)的靜電場等。實際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護(hù)。

傳統(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現(xiàn)的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅(qū)動激光，但無法實現(xiàn)精確控制，在很多工業(yè)應(yīng)用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應(yīng)用。使用單片機(jī)對激光電源進(jìn)行控制，能簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，有效地解決半導(dǎo)體激光器工作的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)框圖見圖1。主要由以下幾部分構(gòu)成。

·供電電源：實現(xiàn)系統(tǒng)供電電壓(交流220V)與系統(tǒng)工作電壓之間的轉(zhuǎn)換。并采用濾波技術(shù)，使得半導(dǎo)體激光器工作的電壓紋波很小，保證半導(dǎo)體激光器的正常工作。

·智能控制：主要由CPU來完成。LD電源工作在恒流模式下，設(shè)定電流后，CPU根據(jù)傳感器采樣的電流信號值，經(jīng)過一定的算法后將輸出電壓經(jīng)過運放電路送到激光器驅(qū)動芯片的反饋引腳，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)以達(dá)到設(shè)定的電流輸出，實現(xiàn)激光器的智能化?！けＷo(hù)電路：半導(dǎo)體激光器驅(qū)動系統(tǒng)必須配備保護(hù)電路。保護(hù)電路將減小LD實際運用中受到的外界影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。這部分主要包括過溫保護(hù)、過流保護(hù)、浪涌保護(hù)等電路。

硬件電路

設(shè)計電源在連續(xù)模式下輸出電流0～1.5A連續(xù)可調(diào)，具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù)，滿足中小功率LD所要求的分辨率、穩(wěn)定性和噪聲性能。

恒流源電路

LD供電電路是一個恒流源(見圖2)。ETC公司恒流源驅(qū)動芯片HY6340為核心元件。供電電壓VEE的穩(wěn)定對輸出恒流信號的穩(wěn)定起著重要作用，因此采用多重濾波技術(shù)，將VEE的紋波控制在1mV以下，保證HY6340芯片輸出端12、13、14引腳信號的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)5引腳和6引腳到VEE之間的電壓可以分別設(shè)定過流保護(hù)閥值和過溫保護(hù)值。在恒定電流工作方式下，通過調(diào)節(jié)21引腳的輸出電平來控制輸出電流的大小在0-1.5A之間連續(xù)可調(diào)。

處理單元

選用Silicon公司的C8051F020為數(shù)字處理單元。在掃描按鍵功能實現(xiàn)中使用了CH451，芯片內(nèi)置去抖功能和鍵盤中斷功能?？梢怨?jié)省單片機(jī)的內(nèi)部運行時間，確保按鍵讀取的準(zhǔn)確性。

外圍電路

為實現(xiàn)調(diào)制信號輸出電壓的獨立可調(diào)，在輸出端添加了兩級輸出運放U14A和U14B?？紤]到帶寬要求所以放大器選用Maxim公司的高速運放MAX4215。利用高速運算放大器組成減法電路，使得輸出信號由原來的對稱于地電位的2Vp—p變?yōu)橐?.5V電壓為中心的2vp-p。當(dāng)需要外接調(diào)制電路時則啟動核心單元控制繼電器，從而達(dá)到內(nèi)置調(diào)制電路和外接調(diào)制源之間的轉(zhuǎn)換。

軟件設(shè)計

軟件采用c51編寫程序，包括主程序和中斷響應(yīng)程序部分。

主程序主要是實現(xiàn)軟啟動、慢關(guān)機(jī)和控制發(fā)火。在系統(tǒng)啟動時，初始化系統(tǒng)后進(jìn)入人機(jī)對話界面，掃描是否有按鍵按下，若有則調(diào)用按鍵處理程序，操作者可通過鍵盤設(shè)定輸出電流輸出電壓基準(zhǔn)值，同時顯示，以便確認(rèn)。開始工作，通過緩慢增加電壓的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，保護(hù)LD。正常工作時，硬件電路中采樣電流信號，從數(shù)模轉(zhuǎn)換電路出來的信號經(jīng)過采樣電阻，得到相應(yīng)的電壓信號，傳給單片機(jī)，送出顯示。若出現(xiàn)電流波動情況則進(jìn)行PID控制，其中采用了中值與均值復(fù)合濾波方法處理。系統(tǒng)對D／A輸出信號調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整輸出電流。主程序中的循環(huán)部分不斷探測LD的工作電流、工作溫度和發(fā)射功率，并顯示出來以便查看。如果出現(xiàn)故障，中斷信號送入單片機(jī)端口(分別相應(yīng)過壓、過流、突然斷電情況)，系統(tǒng)分別調(diào)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的快速保護(hù)。主要控制功能均利用中斷實現(xiàn)，保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。最后當(dāng)操作者按下按鍵關(guān)閉設(shè)備時，系統(tǒng)調(diào)用慢關(guān)閉程序，安全地停止工作。

數(shù)字濾波

對系統(tǒng)干擾作用的沖擊信號往往具有較寬頻譜，且具有隨機(jī)性。對此，系統(tǒng)采用了軟件方法對采樣信號進(jìn)行了數(shù)字平滑濾波。通過對信號進(jìn)行處理，減少干擾對有用成分的作用。常見數(shù)字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等。將中值濾波與均值濾波方法結(jié)合，構(gòu)造一種復(fù)合濾波方法，具體做法是：首先對樣本信號排序，去掉其中的最大值和最小值，再對余下數(shù)據(jù)組成的序列計算均值作為濾波結(jié)果，這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。

保護(hù)設(shè)置

軟啟動和慢關(guān)機(jī)：系統(tǒng)的啟動或關(guān)閉均由啟動／停機(jī)鍵控制。如果判斷為開機(jī)。則命令LD驅(qū)動芯片預(yù)熱工作，再逐漸增大工作電流至設(shè)定值，實現(xiàn)軟啟動。如果判斷為關(guān)閉，則逐漸降低工作電流直到零，實現(xiàn)侵關(guān)機(jī)。

電流過載保護(hù)：程序設(shè)定或通過鍵盤確定電流值上限值，CPU通過控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)激光驅(qū)動芯片PIN21的電壓并檢測電流，保證流經(jīng)LD的電流的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)過流而損，壞LD。實時比較電流設(shè)定值和采樣值，當(dāng)實際值大于上限時，系統(tǒng)啟動限流保護(hù)動作。

測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計制作了數(shù)字式電源，連接現(xiàn)有的實驗室用的半導(dǎo)體激光器，進(jìn)行性能測試。

開機(jī)后激光器預(yù)熱半小時，通過軟件設(shè)定方式調(diào)節(jié)激光器的工作電流至1.5A，激光器啟動系統(tǒng)運行，工作電流平穩(wěn)上升達(dá)到1.5A，動態(tài)響應(yīng)時間在1.5～2s之間。系統(tǒng)輸出電流為1.5A，連續(xù)工作4小時，每間隔10分鐘記錄1次電流，按照時間排列測試次序和相應(yīng)的電流值。測試結(jié)果數(shù)據(jù)描繪曲線見圖3。結(jié)果表明系統(tǒng)的控制電流穩(wěn)定，誤差小。測試結(jié)束后關(guān)閉激光器，系統(tǒng)逐步減小輸出電壓信號，降低輸出功率至零后激光器停止工作。結(jié)果表明，采用數(shù)字控制方案的電源達(dá)到激光器的穩(wěn)態(tài)精度要求。

結(jié)語

所設(shè)計的數(shù)字式半導(dǎo)體激光器電源，采用集成電路C8051F020為核心，編程實現(xiàn)數(shù)字濾波及防浪涌等智能功能。電路采用了恒流源驅(qū)動芯片HY6340和高速集成運放MAX4215，簡化了電路，提高了控制精度。對半導(dǎo)體激光器電源進(jìn)行實用測試，結(jié)果表明，輸出電流0～1.5A，工作電流穩(wěn)定，電源還可實現(xiàn)軟啟動慢關(guān)機(jī)、防浪涌功能。經(jīng)測試，數(shù)字式電源達(dá)到激光電源的穩(wěn)態(tài)精度要求，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時簡化了硬件電路。