半導體激光器驅動(dòng)電源的控制系統

　　1總體結構框圖

　　本系統原理如圖1所示，主要實(shí)現電流源驅動(dòng)及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤(pán)顯示等功能，整個(gè)系統由單片機控制。本系統中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，他在一個(gè)芯片內集成了構成一個(gè)單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件，如本系統中用到的ADC和DAC。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統提供了方便，也大大降低了系統的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機內部A/D轉換為數字信號，進(jìn)行運算處理，反饋控制信號經(jīng)內部D/A轉換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設定從鍵盤(pán)輸入，并由LED數碼管顯示激光功率和電流等數據。

　　2半導體激光器電源控制系統設計

　　目前，凡是高精密的恒流源，大多數都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過(guò)負反作用，使加到比較放大器兩個(gè)輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩定性的因素可歸納為兩部分：一是構成恒流源的內部因素，包括：基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調整環(huán)節)、零點(diǎn)漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

　　2.1慢啟動(dòng)電路

　　半導體激光器往往會(huì )因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開(kāi)啟或者關(guān)閉而受到損壞，這主要是由于開(kāi)關(guān)的閉合和開(kāi)啟的瞬間會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，就是該電流致使半導體激光器損壞，介于這種情況，必須加以克服。因此，驅動(dòng)電源的輸入應該設計成慢啟動(dòng)電路，以防損壞，如圖2所示：左邊輸入端接穩壓后的直流電壓，右邊為輸出端。整個(gè)電路的結構可看作是在射級輸出器上添加了兩個(gè)Ⅱ型濾波網(wǎng)絡(luò )，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構成的C型濾波網(wǎng)絡(luò )及一個(gè)時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò )。慢啟動(dòng)輸入電壓V在開(kāi)關(guān)和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分，經(jīng)過(guò)圖中的兩個(gè)Ⅱ型網(wǎng)絡(luò )濾出大部分的高頻分量，直流以及低頻分量則可以順利地經(jīng)過(guò)。到達電阻R和C組成的時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò )，C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。

　　2.2恒流源電路的設計

　　為了使半導體激光器穩定工作，對流過(guò)激光器的電流要求非常嚴格，供電電路必須是低噪聲的穩定恒流源驅動(dòng)，具體電路如圖3所示。

　　如圖3所示，該恒流源由運放U1和三極管T1，達林頓管Q2進(jìn)行電流放大，再通過(guò)U2放大反饋，從而實(shí)現恒流輸出。TQ2以大功率達林頓管為調整管，將其接成射極輸出的形式，半導體激光器(LD)作為負載串聯(lián)在達林頓管的發(fā)射極，通過(guò)控制達林頓管的基極實(shí)現對激光器電流的控制。本設計要求電路最大能輸出3 A工作電流，這就要求推動(dòng)達林頓管的基極電流也比較大，但因集成運算放大器一般工作在小電流狀態(tài)，不能直接推動(dòng)達林頓管正常工作，即使勉強推動(dòng)其工作也會(huì )造成集成運算放大器本身功耗過(guò)大，溫升過(guò)高，影響電路的輸出精度，所以采用小功率三極管T1推動(dòng)大功率達林頓管工作。采樣電阻接在激光器下端，采樣信號經(jīng)過(guò)由U2組成的同相比例放大環(huán)節放大后再接回到U1的反相輸入端，構成電流負反饋電路，達到輸出恒流的目的。

　　2.3激光功率的穩定控制

　　光功率反饋采用外部監測光電二極管的輸出光電流，由放大器再經(jīng)A/D轉換后送CPU處理，得出控制量，調整激光器的工作電流，從而進(jìn)行激光功率的閉環(huán)控制。

　　溫度控制在本系統中采用了半導體制冷來(lái)實(shí)現，這是一種熱電制冷器，只要控制流過(guò)溫控器電流的大小和方向，就能對激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而控制激光器的工作溫度。

　　2.4保護電路

　　雖然慢啟動(dòng)電路消除了高頻沖擊電流的危害，但不能有效地防止直流或低頻電流過(guò)載對半導體激光器的危害，因此，應當設立過(guò)載保護電路。一般可采用限流式保護電路。若長(cháng)時(shí)間工作于短路的情況下，過(guò)熱仍然會(huì )導致調整管的損壞，此時(shí)可以采取截流式保護電路。過(guò)電壓保護的精度主要取決于穩壓二極管，而其工作點(diǎn)是隨流經(jīng)穩壓管的電流和環(huán)境溫度變化的，因此，設計上必須選用穩定電壓的溫漂非常小的穩壓管。

　　3軟件設計

　　本系統軟件采用模塊化的結構設計，自頂向下，逐步細化，利用子程序構成各模塊，如初始化模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊等。主程序流程圖如圖4所示。

　　在主程序流程中，系統上電復位后，開(kāi)始進(jìn)行各模塊初始化，然后調顯示子程序，顯示數據，再調鍵掃描子程序，若有鍵按下，則調相應的鍵功能程序，若無(wú)鍵按下，則循環(huán)調用顯示程序。

　　4結 語(yǔ)

　　本文中設計的半導體激光器驅動(dòng)電源的控制系統通過(guò)慢啟動(dòng)電路、恒流源電路和光功率反饋電路等，解決了恒流和在工作溫度范圍內輸出功率的不穩定問(wèn)題，穩定度較高。