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由于具有體積小、重量輕等特點，半導體激光器(LD)在信息、通訊、醫(yī)療等領域得到日益廣泛的應用，且與電子器件結合實現(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，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，設計能夠?qū)崿F(xiàn)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，則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合，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電源開關瞬間電流;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。 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)應用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進行控制，能簡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(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(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)設計 系統(tǒng)框圖見圖1。主要由以下幾部分構成。 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，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來完成。LD電源工作在恒流模式下，設定電流后，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，進行自動調(diào)節(jié)以達到設定的電流輸出，實現(xiàn)激光器的智能化。 保護電路：半導體激光器驅(qū)動系統(tǒng)必須配備保護電路。保護電路將減小LD實際運用中受到的外界影響，增強了系統(tǒng)的可靠性。這部分主要包括過溫保護、過流保護、浪涌保護等電路。 硬件電路 設計電源在連續(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HY*0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，將VEE的紋波控制在lmV以下，保證HY*0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定過流保護閥值和過溫保護值。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，可以節(jié)省單片機的內(nèi)部運行時間，確保按鍵讀取的準確性。 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，考慮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。 軟件設計 軟件采用C51編寫程序，包括主程序和中斷響應程序部分。 主程序主要是實現(xiàn)軟啟動、慢關機和控制發(fā)火。在系統(tǒng)啟動時，初始化系統(tǒng)后進入人機對話界面，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定輸出電流輸出電壓基準值，同時顯示，以便確認。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，得到相應的電壓信號，傳給單片機，送出顯示。若出現(xiàn)電流波動情況則進行PID控制，其中采用了中值與均值復合濾波方法處理。系統(tǒng)對D/A輸出信號調(diào)整，進而調(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端口(分別相應過壓、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。主要控制功能均利用中斷實現(xiàn)，保證系統(tǒng)響應的實時性。最后當操作者按下按鍵關閉設備時，系統(tǒng)調(diào)用慢關閉程序，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，且具有隨機性。對此，系統(tǒng)采用了軟件方法對采樣信號進行了數(shù)字平滑濾波，通過對信號進行處理，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合，構造一種復合濾波方法，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果，這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。 保護設置 軟啟動和慢關機：系統(tǒng)的啟動或關閉均由啟動/停機鍵控制，如果判斷為開機，則命令LD驅(qū)動芯片預熱工作，再逐漸增大工作電流至設定值，實現(xiàn)軟啟動。如果判斷為關閉，則逐漸降低工作電流直到零，實現(xiàn)慢關機。 電流過載保護：程序設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。實時比較電流設定值和采樣值，當實際值大于上限時，系統(tǒng)啟動限流保護動作。 測試結果 根據(jù)設計制作了數(shù)字式電源，連接現(xiàn)有的實驗室用的半導體激光器，進行性能測試。 開機后激光器預熱半小時，通過軟件設定方式調(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)上升達到1.5A，動態(tài)響應時間在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的電流值。測試結果數(shù)據(jù)描繪曲線見圖3。結果表明系統(tǒng)的控制電流穩(wěn)定，誤差小。測試結束后關閉激光器，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。結果表明，采用數(shù)字控制方案的電源達到激光器的穩(wěn)態(tài)精度要求。 結語 所設計的數(shù)字式半導體激光器電源，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HY*0和高速集成運放MAX4215，簡化了電路，提高了控制精度。對半導體激光器電源進行實用測試，結果表明，輸出電流0～1.5A，工作電流穩(wěn)定，電源還可實現(xiàn)軟啟動慢關機、防浪涌功能。經(jīng)測試，數(shù)字式電源達到激光電源的穩(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。 |
