基于數字集成電路的激光電源的設計

由于具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，半導體激光器(LD)在信息、通訊、醫療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應用，且與電子器件結合實(shí)現單片光電子集成。但是LD 容易受到過(guò)電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞[1,2]，其電源的研究愈來(lái)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，將導致激光器性能下降或造成損壞，因此要設計性能優(yōu)良的電源來(lái)保證LD安全穩定地工作。

本文以數字集成電路為核心，設計能夠實(shí)現智能控制的半導體激光器電源。

半導體激光器LD工作影響因素

半導體激光器的核心是PN結一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無(wú)法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合，視其破壞程度而表現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(guò)凈化工作環(huán)境來(lái)解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會(huì )產(chǎn)生半導體激光器PN結損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開(kāi)關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場(chǎng)等。實(shí)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。

傳統激光器電源是用純硬件電路實(shí)現的，采用模擬控制方式[2,3]，雖然也能較好的驅動(dòng)激光，但無(wú)法實(shí)現精確控制，在很多工業(yè)應用中降低了精度和自動(dòng)化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進(jìn)行控制，能簡(jiǎn)化激光電源的硬件結構，有效地解決半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性等問(wèn)題。隨著(zhù)大規模集成電路技術(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[4,5]。

系統設計

供電電源：實(shí)現系統供電電壓(交流220V)與系統工作電壓之間的轉換。并采用濾波技術(shù)，使得半導體激光器工作的電壓紋波很小，保證半導體激光器的正常工作。

智能控制：主要由CPU來(lái)完成。LD電源工作在恒流模式下，設定電流后，CPU根據傳感器采樣的電流信號值，經(jīng)過(guò)一定的算法后將輸出電壓經(jīng)過(guò)運放電路送到激光器驅動(dòng)芯片的反饋引腳，進(jìn)行自動(dòng)調節以達到設定的電流輸出，實(shí)現激光器的智能化。

保護電路：半導體激光器驅動(dòng)系統必須配備保護電路。保護電路將減小LD實(shí)際運用中受到的外界影響，增強了系統的可靠性。這部分主要包括過(guò)溫保護、過(guò)流保護、浪涌保護等電路

硬件電路

設計電源在連續模式下輸出電流0～1.5A連續可調，具有很高的電流穩定度和很小的紋波系數，滿(mǎn)足中小功率LD所要求的分辨率、穩定性和噪聲性能。

恒流源電路

LD供電電路是一個(gè)恒流源(見(jiàn)圖2)。ETC公司恒流源驅動(dòng)芯片HY6340為核心元件。供電電壓VEE的穩定對輸出恒流信號的穩定起著(zhù)重要作用，因此采用多重濾波技術(shù)，將VEE的紋波控制在lmV以下，保證HY6340芯片輸出端12、13、14引腳信號的穩定。調節5引腳和6引腳到VEE之間的電壓可以分別設定過(guò)流保護閥值和過(guò)溫保護值。在恒定電流工作方式下，通過(guò)調節21引腳的輸出電平來(lái)控制輸出電流的大小在0~1.5A之間連續可調。

處理單元

選用Silicon公司的C8051F020為數字處理單元。在掃描按鍵功能實(shí)現中使用了CH451，芯片內置去抖功能和鍵盤(pán)中斷功能，可以節省單片機的內部運行時(shí)間，確保按鍵讀取的準確性。