大功率半導(dǎo)體激光器電源的設(shè)計(jì)

摘要：由于半導(dǎo)體激光器的抗干擾能力較差，極其微小的電流變化便會(huì)影響到半導(dǎo)體激光器輸出功率與輸出波長(zhǎng)的變化。此現(xiàn)象在大功率半導(dǎo)體激光器中尤為明顯。而提高半導(dǎo)體激光器電源驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性是提高半導(dǎo)體激光性能的主要途徑。傳統(tǒng)電源控制精度較低，操作難度較高。因此，采取必要的措施進(jìn)行優(yōu)化極為必要?；诖?，本文首先介紹大功率半導(dǎo)體激光器電源的研究現(xiàn)狀。同時(shí)，采用了基于DSP技術(shù)的方法，從硬件角度出發(fā)，分析說(shuō)明了大功率半導(dǎo)體激光器的電源設(shè)計(jì)。通過(guò)這樣的研究，為相關(guān)人員提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：大功率；半導(dǎo)體激光器；電源；控制精度

半導(dǎo)體激光器相較于其他激光器具有更廣泛的波長(zhǎng)覆蓋范圍，這對(duì)光纖通信的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。隨著輸出功率的提高和相干性的優(yōu)化，半導(dǎo)體激光器在激光掃描、精密測(cè)量等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大潛力。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，大功率半導(dǎo)體激光器的抗電流干擾性能較差的缺陷更為明顯。為了改善這一點(diǎn)，需要從電源供電的角度入手，下文將對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器電源的研究現(xiàn)狀進(jìn)行說(shuō)明。

一、大功率半導(dǎo)體激光器電源的研究現(xiàn)狀

半導(dǎo)體激光器在工業(yè)生產(chǎn)和高新技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，具有轉(zhuǎn)換效率高、輕量化、易調(diào)制和易集成等特點(diǎn)。大功率半導(dǎo)體激光器（為方便論述，下文簡(jiǎn)稱(chēng)為激光器）的工作原理是通過(guò)注入載流子實(shí)現(xiàn)的，因此電源供電的穩(wěn)定性與激光器的輸出存在密切聯(lián)系。通常情況下，半導(dǎo)體激光器會(huì)采用恒流源電源，此類(lèi)電源的電流穩(wěn)定度在0.001左右，且波紋系數(shù)較小。此外，激光器為結(jié)型器件，抗電沖擊能力較差。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，若激光器突然失效，超過(guò)50%概率是因浪涌（突發(fā)性瞬態(tài)電脈沖）擊穿導(dǎo)致。在激光器工作過(guò)程中，電流可達(dá)到幾十安培，除設(shè)定電壓外，同時(shí)也會(huì)受到負(fù)載電壓、噪聲電壓和輸出電壓的影響。只有消除上述影響，才能確保電源電流的穩(wěn)定輸出，并進(jìn)一步提高激光器的性能。

在早期激光器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，因供電控制不當(dāng)，導(dǎo)致許多零部件損壞。所以在當(dāng)前提高激光器穩(wěn)定性能的研究主要集中在電源設(shè)計(jì)方面。已經(jīng)有很多學(xué)者專(zhuān)門(mén)針對(duì)激光器的電源及控制電路進(jìn)行研究和制作。此外，文獻(xiàn)[1]中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，激光器的工作溫度只要提高超過(guò)30℃，便會(huì)大幅度降低激光器的工作壽命?；谏鲜龇治?，可以得出結(jié)論，當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題是如何研究和設(shè)計(jì)出能夠輸出穩(wěn)定電流、具有抗電沖擊保護(hù)電路、高安全性和小體積的激光器電源。

根據(jù)當(dāng)前激光器電源研究的現(xiàn)狀分析，從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，電源控制電路可以分為三類(lèi)：①模擬控制電路。此類(lèi)電路的原理是利用分立元件或較小規(guī)模的集成電路制作調(diào)節(jié)器，從而調(diào)節(jié)電源的輸出電壓、電流及功率。從上述說(shuō)明可看出，此類(lèi)電路的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要頻繁進(jìn)行參數(shù)整定，而且改動(dòng)參數(shù)時(shí)需要同時(shí)改變外接阻容參數(shù)，調(diào)試難度較大。②數(shù)字化控制電路。此類(lèi)電路的核心為單片機(jī)，由于單片機(jī)功能以及計(jì)算速度的限制，僅能對(duì)控制方程進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法完成類(lèi)似實(shí)時(shí)控制等需要大量計(jì)算的任務(wù)。③本文采用DSP技術(shù)的控制電路。DSP技術(shù)是當(dāng)前相關(guān)研究領(lǐng)域中的熱門(mén)研究方向，能夠極大程度上簡(jiǎn)化電路，并采用先進(jìn)的控制方法提高控制精度，從而提高系統(tǒng)的工作可靠性。下文將對(duì)此控制器的主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹[2]。

二、DSP結(jié)構(gòu)與功能模塊

本文選擇采用的芯片型號(hào)為T(mén)MS320LF2407A（以下簡(jiǎn)稱(chēng)該芯片）。該芯片是該系列中功能最強(qiáng)、外設(shè)最為完整的型號(hào)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字電源領(lǐng)域。該芯片具有144個(gè)引腳，并可通過(guò)JTAG接口連接外部仿真器進(jìn)行硬件仿真。具體而言，該芯片主要功能模塊包括如下六類(lèi)。

①CPU處理器內(nèi)核。該芯片的內(nèi)核為32位邏輯運(yùn)算，由算術(shù)邏輯單元、32位ACC、輸出位移器構(gòu)成。其中算術(shù)邏輯單元負(fù)責(zé)整體邏輯運(yùn)算以及算術(shù)功能，可完成16位加法和減法運(yùn)算，位測(cè)試、移位和旋轉(zhuǎn)，以及布爾邏輯運(yùn)算。算術(shù)邏輯單元每次完成運(yùn)算時(shí)，會(huì)將運(yùn)算結(jié)果傳輸至ACC（累加器）中，并在ACC中執(zhí)行移位或循環(huán)操作，此過(guò)程中，ACC的內(nèi)容始終保持不變。此外，內(nèi)核模塊還包括寄存器算術(shù)單元、乘法器以及兩個(gè)狀態(tài)寄存器，對(duì)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)與模式進(jìn)行記錄。

②事件管理模塊。該芯片中存在兩個(gè)事件管理模塊，分別為EVA以及EVB。每個(gè)管理模塊包括2個(gè)定時(shí)器、3個(gè)捕獲單元、6個(gè)比較單元以及8個(gè)十六位PWM信號(hào)通道、可編程脈沖倍頻電路。在此模塊中，定時(shí)器是被頻繁使用的組件，通過(guò)定時(shí)器可以設(shè)置轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集的周期，并為相關(guān)電路操作提供時(shí)間依據(jù)。

③SPI（外設(shè)接口）模塊。此模塊是串行的輸入輸出端口，允許傳輸一位至十六位的串行位流。此模塊的總線(xiàn)負(fù)責(zé)芯片控制器與外部其他部件間的通信，存在四個(gè)I/O引腳用于連接。

④GPIO（數(shù)字輸入、輸出接口）。該芯片中內(nèi)置四十一個(gè)帶有上拉功能的引腳，為提高芯片靈活性，多數(shù)I/O均能夠適用于此功能。

⑤定時(shí)器。此模塊用于監(jiān)控程序和硬件的運(yùn)行情況。當(dāng)程序陷入死循環(huán)時(shí)，定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，從而提高芯片的可靠性。當(dāng)寄存器能夠向定時(shí)器輸出正確值時(shí)，定時(shí)器中的相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)被清除，若輸入非正確值時(shí)，定時(shí)器會(huì)生成復(fù)位密鑰，即WDKEY，導(dǎo)致定時(shí)功能失效，并進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。

⑥PLL時(shí)鐘。此模塊屬于芯片內(nèi)置的模塊，為所有零部件提供時(shí)鐘信號(hào)，還能降低芯片整體功耗。此類(lèi)型的時(shí)鐘可支持最小0.5倍和最大4倍的預(yù)分頻倍頻系數(shù)。

三、基于DSP的大功率半導(dǎo)體激光器電源的硬件設(shè)計(jì)

基于上述分析，可得知激光器電源應(yīng)當(dāng)具備穩(wěn)定的電流輸出，較低的溫度以及較強(qiáng)的電磁兼容性（增強(qiáng)抗電擊性能）。下文基于DSP技術(shù)，將簡(jiǎn)要介紹整體設(shè)計(jì)方案、核心電路和恒溫控制電路的EMC設(shè)計(jì)。

（一）硬件整體設(shè)計(jì)方案

本文采用DSP芯片型號(hào)為T(mén)MS320LF2407A，將此芯片作為激光器電源的控制核心。在DSP外部電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加外部器件，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)以及控制功能。這種思路能夠極大程度上簡(jiǎn)化硬件電路，使得電源硬件電路具有較強(qiáng)的抗干擾性能，并提高電源電路的集成度。具體而言，本文所設(shè)計(jì)的硬件電路包括霍爾電流傳感器、單元模塊、DAC輸出、溫度控制電路、液晶部分以及保護(hù)電路。

在閉環(huán)狀態(tài)下， 該電路結(jié)構(gòu)使用霍爾傳感器對(duì)激光器電流進(jìn)行采樣，并按比例縮小，經(jīng)過(guò)精密電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠識(shí)別的電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路處理后，電壓信號(hào)被放大并輸入到轉(zhuǎn)換模塊中的ADC模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)紻SP芯片中。

DSP芯片具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，功耗低、處理速度快，數(shù)量多、精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過(guò)DSP芯片的處理，利用DAC輸出電壓來(lái)控制電源輸出。輸出電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路和霍爾傳感器進(jìn)行調(diào)整，生成可控制的電壓。由于MOSFET管是電壓控制元件，可以通過(guò)柵源電壓來(lái)控制通過(guò)它的漏電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的電流進(jìn)行控制。這樣形成了電源的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

采用DSP芯片作為控制核心，結(jié)合霍爾傳感器、運(yùn)放電路和DAC輸出等外部器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的精確控制，并具有較強(qiáng)的抗干擾性能和較高的集成度。

（二）DSP核心電路

由于該芯片的內(nèi)核以及I/O等外設(shè)端口僅需要3.3V進(jìn)行供電，考慮到功耗問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案將該芯片作為控制核心，并將電路電壓控制在3.3V。下文基于此額定電壓，對(duì)核心電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說(shuō)明。該系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位保護(hù)電路、JTAG接口等，下文便針對(duì)上述部位的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說(shuō)明。

1.供電模塊

供電模塊直接影響到激光器電源整體系統(tǒng)的運(yùn)行，所以此部分需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電路中，除了需要向激光器進(jìn)行供電外，還需要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)進(jìn)行供電。監(jiān)控系統(tǒng)指的是對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)控的電路內(nèi)部部分，當(dāng)電壓無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，電路系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行復(fù)位。具體而言，需要將3.3V電源接入到內(nèi)核電源、I/O引腳、PLL引腳以及相關(guān)編程電源引腳、模擬電路引腳。

由于本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)電流穩(wěn)定性要求較高且功率消耗較低，所以需要放棄開(kāi)關(guān)電源，選擇LDO電源，即低壓差模擬電源。電源方面，此電路系統(tǒng)使用TPS7333將5V直流電轉(zhuǎn)換為該芯片需要的3.3V直流電。該轉(zhuǎn)換器具有較低的電壓差，且在滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下的低壓差僅有0.4V，靜態(tài)電流較低。當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時(shí)，靜態(tài)電流會(huì)隨之改變，同時(shí)具有0.1%的線(xiàn)性調(diào)整能力。利用電源電壓管理器對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)視，該轉(zhuǎn)換器還具有51dB的波紋抑制性能。

在具體供電方面，AD轉(zhuǎn)換模塊則是由模擬電源進(jìn)行直接供電。VCC連接至3.3V直流電源，VSS引腳連接到模擬電源。轉(zhuǎn)換模塊的基準(zhǔn)電壓由外部電源提供。為保護(hù)芯片的相關(guān)零構(gòu)件，電路采用I/O先通電，內(nèi)核后通電的方式，以此起到保護(hù)內(nèi)核的作用。對(duì)于本文所選芯片而言，若采用內(nèi)核與I/O分別供電的方式，應(yīng)保證兩者供電時(shí)差在1s以?xún)?nèi)，以防止相關(guān)零部件損壞[3]。

2.時(shí)鐘電路

該芯片工作時(shí)，需要晶振電路提供工作時(shí)鐘?？衫肞LL模塊為內(nèi)核提供時(shí)鐘信號(hào)，具體可通過(guò)下述兩種方法：①利用芯片內(nèi)部的晶振電路，將晶振連接在芯片的X1與X2引腳之間，從而產(chǎn)生源時(shí)鐘信號(hào)。②利用芯片中的外部振蕩器生成CLKIN信號(hào)。具體做法是將外部振蕩器的輸出連接到芯片的XTALL引腳，并保持XTAL2引腳處于懸空狀態(tài)?？紤]到電路的復(fù)雜性，本文選擇采用第二種方法設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。但在時(shí)鐘電路中，PLL模塊需要與外部濾波器配合使用，以抑制信號(hào)抖動(dòng)以及電磁干擾。由于濾波器電路中存在較大噪聲，需要根據(jù)實(shí)踐情況確定電路構(gòu)成。但根據(jù)該芯片的使用手冊(cè)中推薦值，推薦電阻取值為1Ω，電容取值為0.015μF和0.68μF。

3.復(fù)位保護(hù)電路

為確保芯片通電后處于確定的、安全的初始狀態(tài)，必須對(duì)復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)位電路的質(zhì)量直接關(guān)乎電源系統(tǒng)后續(xù)是否能夠安全使用。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，復(fù)位功能由其中的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)電壓比較功能對(duì)穩(wěn)壓器工作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓進(jìn)行檢測(cè)。若電壓低于設(shè)定閾值，則進(jìn)行復(fù)位操作。由于該芯片在通電時(shí)，輸出電壓與輸入電壓之間會(huì)存在追蹤現(xiàn)象，追蹤過(guò)程會(huì)產(chǎn)生200MS延遲。延遲后，TPS733中的RESET引腳會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。所以，本電路中將此延遲作為復(fù)位信號(hào)，以確保電壓穩(wěn)定后經(jīng)過(guò)200MS才撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)。

除上述自動(dòng)復(fù)位功能外，本系統(tǒng)中還設(shè)置了手動(dòng)復(fù)位方式。當(dāng)芯片工作穩(wěn)定時(shí)，RESET引腳處于高電平狀態(tài)。按下開(kāi)關(guān)時(shí)，RESET引腳會(huì)處于低電平狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。為防止電源電壓緩慢下降與“電源毛刺”問(wèn)題，在其中增加了二極管放電回路。即便電源存在毛刺問(wèn)題，也能夠順利進(jìn)行復(fù)位[1]。

4.JTAG接口

該芯片中的JTAG接口符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，具體原理為通過(guò)接口將程序下載至芯片中，并通過(guò)JTAG調(diào)試來(lái)捕獲相關(guān)功能與數(shù)據(jù)。此外，芯片還可以通過(guò)寄存器中的程序來(lái)控制引腳、總線(xiàn)以及I/O接口。在電路連接方面，將EMU（仿真引腳）1與EMU0分別通過(guò)電阻值為4.7Ω的上拉電阻連接至VCC。

（三）恒溫控制電路

為保證激光器在供電過(guò)程中的溫度不會(huì)對(duì)工作壽命產(chǎn)生影響，應(yīng)采取相關(guān)措施對(duì)電路中的溫度進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用TEC（熱電制冷器）來(lái)控制電路溫度，具體型號(hào)為T(mén)EC5V6A101。從功能控制的角度分析，溫度控制的具體電路功能需要包括溫度數(shù)據(jù)的采集與控制。

1.數(shù)據(jù)采集

溫度數(shù)據(jù)采集方面，本系統(tǒng)采用型號(hào)為DS18B20的溫度傳感器。該傳感器的溫度數(shù)據(jù)采集步驟如下：①初始化后會(huì)自動(dòng)檢測(cè)該溫度傳感器是否存在，若存在進(jìn)入下一步。②進(jìn)行ROM操作命令。③進(jìn)行RAM操作命令。④讀取溫度值。⑤返回至第①步，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]。

當(dāng)總線(xiàn)中僅存在一個(gè)元件時(shí)，該溫度傳感器會(huì)通過(guò)如下步驟進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集：①?gòu)?fù)位，發(fā)送CChSKIP ROM命令。②進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。③重新進(jìn)行①步驟。④發(fā)送BEH存儲(chǔ)器命令。⑤讀出字節(jié)數(shù)據(jù)，即具體溫度值。

2.溫度控制

除了需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)外，還需對(duì)激光器中的KTP晶體、Nd：YAG晶體以及LBO晶體的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。根據(jù)帕爾貼效應(yīng)的原理，當(dāng)TEC元件中有直流電通過(guò)時(shí)候，不同材料表面將會(huì)出現(xiàn)吸熱以及放熱現(xiàn)象，且吸熱面與放熱面的位置與電流方向相同。所以可以通過(guò)對(duì)電流的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)與控制。通過(guò)TEC元件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流方向及磁場(chǎng)方面的調(diào)整。

在本系統(tǒng)中，溫度控制電路將TEC（熱電汽）設(shè)定為脈寬調(diào)制（PWM）工作方式，這種方式能夠有效提高電源的工作效率。系統(tǒng)中的芯片會(huì)產(chǎn)生四路脈沖信號(hào)，通過(guò)反相器后連接至TEC的TEMPSP（P3）引腳上，該引腳用于設(shè)定溫度。當(dāng)該引腳懸空時(shí)，TEC的P2引腳會(huì)產(chǎn)生3V的輸出電壓，如此一來(lái)P3引腳便會(huì)被限制在3V以下。P10與P11分別和熱敏電阻（型號(hào)為ATH10KR8）進(jìn)行連接，P1為正常指示引腳。當(dāng)引腳懸空時(shí)，電路中對(duì)應(yīng)的電壓為1.5V，表示溫度為25℃（P3引腳）。P8引腳是實(shí)際測(cè)得的激光器溫度值，以電壓信號(hào)的形式表示。這部分電壓范圍在5V以下，0.1V以上，對(duì)應(yīng)的溫度為15℃以上，50℃以下。輸出電壓經(jīng)過(guò)緩沖器后連接至ADC引腳，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而在顯示屏中顯示工作溫度，以此形成反饋系統(tǒng)。工作人員可根據(jù)顯示的工作溫度，調(diào)整不同引腳的位置或直接調(diào)整電流、電壓，以控制激光器內(nèi)部的溫度。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為提高激光器的工作壽命與穩(wěn)定性，本文從激光器電源的研究現(xiàn)狀入手，分析了激光器電源與激光器性能之間的關(guān)系，并基于DSP技術(shù)從硬件電路的角度提出了大功率半導(dǎo)體激光器電源的電路設(shè)計(jì)方案。相關(guān)人員可從此入手，提高激光器的工作壽命與穩(wěn)定性。

作者單位：苗毅杰 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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