半導(dǎo)體激光電源發(fā)展趨勢

隨著半導(dǎo)體激光的應(yīng)用日益廣泛，對相應(yīng)的驅(qū)動電源的要求也越來越多樣化，同時具備數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和輸出控制能力的智能化半導(dǎo)體激光電源成為半導(dǎo)體激光電源發(fā)展的新方向。該文以AMD-PDT治療儀激光電源和LD泵浦固體激光器電源為研制目標(biāo)，使用單片機作為系統(tǒng)控制核心，著重研究了智能化半導(dǎo)體機激光電源的構(gòu)成和實現(xiàn)。全文共分為三部分。第一部分為智能化儀器的概述部分，詳細(xì)的介紹了智能化儀器的發(fā)展、原理和特點。第二部首先介紹半導(dǎo)體激光器的工作特性，包括半導(dǎo)體激光器的輸出光功率、光譜、工作溫度和注入電流的相互關(guān)系；然后介紹般半導(dǎo)體機激光器電源的構(gòu)成原理，最后逐步總結(jié)出智能化半導(dǎo)體機激光電源的模型。第三部分為智能化半導(dǎo)體激光電源的實現(xiàn)部分，第四章詳細(xì)分析了AMD-PDT治療儀控制電源的硬件設(shè)計和軟件編程；在硬件設(shè)計部分中，重點分析了半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路和儀器的人機交互界面—液晶顯示屏和觸摸屏的工作

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;③雷電;④強的靜電場等。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。

在穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源中,常用的是開關(guān)電源和線性電源,由于開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)較差、紋波系數(shù)較大[2],對瞬態(tài)特性和溫度要求較高的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源采用線性電源較為合理。為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動電路大多采用負(fù)反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為驅(qū)動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)后,作為反饋電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較,進(jìn)而通過調(diào)整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進(jìn)行調(diào)整。整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達(dá)到穩(wěn)定電流的目的。 輸出電流If與設(shè)定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達(dá),隨著負(fù)載的不同和輸入電壓的變化,輸出電流還是有微小的變化,但是由于前置放大器放大倍數(shù)很高,使得輸出電流變化很小,穩(wěn)定度一般能達(dá)到10-5量級。實際上,線形穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源的結(jié)構(gòu)原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負(fù)載的加載方式不同,譬如,在圖2中,如果負(fù)載也采樣電阻并行連接,圖2 就成了一個恒定輸出電壓為Vref的穩(wěn)壓源。同樣的,基于這種方式的穩(wěn)壓源稍加調(diào)整也可作為恒流源。各種可調(diào)穩(wěn)壓器集成芯片技術(shù)成熟,產(chǎn)品豐富,因此可以對這種芯片的功能進(jìn)行擴展以滿足我們的設(shè)計要求。

考慮到實際應(yīng)用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態(tài)響應(yīng),我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調(diào)穩(wěn)壓芯片NCP5662,它的瞬態(tài)響應(yīng)比同類穩(wěn)壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達(dá)2A,具有內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)功能等,其功能框圖如圖3所示。 圖3顯示的是其穩(wěn)壓工作的情況,根據(jù)前面敘述的原理,對該集成電路進(jìn)行擴展以將其設(shè)計成為一個穩(wěn)定度很高的恒流源,幾種擴展方法中,實驗證明比較合理的工作方式如圖4所示。先不考慮圖中虛框內(nèi)的電路,當(dāng)加電之后,電路開始工作,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時,由于集成電路內(nèi)部的反饋作用,R11兩端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩端的電壓始保持在 ,故流過R7兩端的電流Is由下式確定: 　因此,改變R3、R11、R7可以靈活的調(diào)整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計算得到Is=2A,此恒定電流將流過激光二極管到地,由于 NCP5662內(nèi)部的比較器具有很高的放大倍數(shù),因此,電流的穩(wěn)定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負(fù)載的電流小于4mA,與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

半導(dǎo)體激光器(LD)體積小，重量輕，轉(zhuǎn)換效率高，省電，并且可以直接調(diào)制?；谒亩喾N優(yōu)點，現(xiàn)已在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，同時其驅(qū)動電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機對激光器驅(qū)動電源的程序化控制，不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能，而且可提高整機的自動化程度。同時為激光器驅(qū)動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護(hù)、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能，整個系統(tǒng)由單片機控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，他在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。

這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也大大降低了系統(tǒng)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(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行運算處理，反饋控制信號經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)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(shè)定從目前，凡是高精密的恒流源，大多數(shù)都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負(fù)反作用，使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分：一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素，包括：基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓；二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化。

半導(dǎo)體激光器往往會因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關(guān)閉而受到損壞，這主要是由于開關(guān)的閉合和開啟的瞬間會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，就是該電流致使半導(dǎo)體激光器損壞，介于這種情況，必須加以克服。因此，驅(qū)動電源的輸入應(yīng)該設(shè)計成慢啟動電路，以防損壞，左邊輸入端接穩(wěn)壓后的直流電壓，右邊為輸出端。整個電路的結(jié)構(gòu)可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網(wǎng)絡(luò)，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構(gòu)成的C型濾波網(wǎng)絡(luò)及一個時間延遲網(wǎng)絡(luò)。慢啟動輸入電壓V在開關(guān)和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分，經(jīng)過兩個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。到達(dá)電阻R和C組成的時間延遲網(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(yīng)。2100433B

激光電源按照工作方式的不同可分為連續(xù)激光電源，跟脈沖激光電源。

數(shù)字連續(xù)激光電源特點

我們常見的用旋鈕調(diào)節(jié)電流的激光電源都是模擬激光電源。而模擬激光電源的新一代產(chǎn)品數(shù)字激光電源也面世，那么相對模擬激光電源又有哪些特點呢？歸納了一下有以下6大特點：

1、功能及接口信號豐富，增設(shè)了人機對話功能，可對工作方式等進(jìn)行選擇。

2、 采用微電腦單片機技術(shù)對電流設(shè)定、邏輯功能及接口信號進(jìn)行控制。

3、 設(shè)有緩上電保護(hù)、軟啟動保護(hù)、欠電壓和失電保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、點燈延時保護(hù)、滅燈保護(hù)、外控保護(hù)及故障狀態(tài)鎖定等.

4、 增加了點燈延時保護(hù)、滅燈保護(hù)、燈電壓顯示、故障代碼顯示、狀態(tài)鎖定等功能。

5、 提供遠(yuǎn)程數(shù)字接口信號，便于與計算機的連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)端操作；

6、 數(shù)字激光電源的外控接口采用25芯計算機插座，數(shù)字量接口均采用光電隔離；2100433B