小功率高穩(wěn)定半導(dǎo)體激光電源

摘 要：半導(dǎo)體激光器是目前應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)器件之一，其運(yùn)行質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)電源的性能密切相關(guān)。結(jié)合相關(guān)研究設(shè)計(jì)了一種小功率高穩(wěn)定半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電源，該電源以恒流源驅(qū)動(dòng)芯片HY6340為核心，結(jié)合半導(dǎo)體致冷器、溫度控制芯片、數(shù)字溫度傳感器、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行可設(shè)定溫度的恒溫控制。分析了主電路和控制電路的工作原理，給出了測(cè)試結(jié)果，與傳統(tǒng)電路相比，電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異、使用元件少、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；驅(qū)動(dòng)電源；溫度控制；穩(wěn)定輸出

中圖分類號(hào)：TN248.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-105-02

Low-power Supply of High Stabilization for Semiconductor Laser

LV Yuxiang，YUAN Kuo，ZHANG Zhiqiang，HU Hailin，QIAO Jiping，WANG Pingping

(Technology of Taiyuan University，Taiyuan，030024，China)

Abstract：Semiconductor laser is one of the optical elements most in use now，however its operation quality goes hand in hand than the power supply function.Considering some new achievements of relevant research，a new low power supply with the function of constant-current and high stabilization for semiconductor laser is designed.Using the control chip HY6340 of constant-current as nuclear part，with subminiature controller for thermoelectric coolers，thermo-electric cooler，digital temperature sensor，over-current and over-temperature protection circuit can make it working on the constant temperature which we want.The operation principle and control principle of the power is analyzed.Experimented results show the power supply has excellent performance，compared with the traditional products，the output current ripple can be decreased remarkable，the circuit relative simple and reliable.

Keywords：semiconductor laser;driving power supply;temperature control;stabilization output

1 引 言

半導(dǎo)體激光器(Laser Device，LD)以其小型高效結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光信息存貯、光通訊等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。激光器的運(yùn)行質(zhì)量與其驅(qū)動(dòng)電源的性能密切相關(guān)，溫度、電流的起伏會(huì)引起光功率的變化，影響輸出的穩(wěn)定。最初的半導(dǎo)體激光器采用直流線性電源和RC充電電路，這種電源效率不高，體積和重量較大^[1，2]。為減小電源的體積和重量并提高電源性能，具有低功耗、高速度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源技術(shù)^[3]被廣泛應(yīng)用到激光電源中。利用專用的驅(qū)動(dòng)芯片和微處理器控制技術(shù)能有效地提高激光電源的性價(jià)比，簡(jiǎn)化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整機(jī)的自動(dòng)化程度，為整機(jī)功能的擴(kuò)展提供有利的條件。隨著半導(dǎo)體激光器與電子技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)LD驅(qū)動(dòng)電源性能的研究越來(lái)越受到人們的重視，專用電源驅(qū)動(dòng)芯片不斷出現(xiàn)，數(shù)字化控制技術(shù)逐步得到應(yīng)用，性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)電源為半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展提供了必要條件。

2 驅(qū)動(dòng)電源硬件組成

驅(qū)動(dòng)電源由供電電源、恒流源驅(qū)動(dòng)芯片、溫度控制、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、微處理器、人機(jī)接口等部分組成。供電電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電電壓(交流220 V)與系統(tǒng)工作電壓之間的轉(zhuǎn)換，電路中采用多重濾波技術(shù)，切斷電磁干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，有選擇地衰減信號(hào)中不需要的頻率成分，提高了電源的穩(wěn)定性。溫度、電流與電壓的檢測(cè)裝置用于實(shí)時(shí)檢測(cè)激光器的狀態(tài)量，將檢測(cè)結(jié)果反饋給CPU。CPU經(jīng)過(guò)一定的算法后將輸出信號(hào)經(jīng)放大電路后再送到恒流源驅(qū)動(dòng)芯片(HY6340)的反饋引腳，來(lái)達(dá)到激光器狀態(tài)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。保護(hù)電路可以減小半導(dǎo)體激光器在實(shí)際運(yùn)用中受到的外界影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。利用恒流源驅(qū)動(dòng)芯片HY6340及其過(guò)溫保護(hù)是該驅(qū)動(dòng)電源的特色所在，下面著重予以介紹。

2.1 恒流源驅(qū)動(dòng)芯片HY6340及其應(yīng)用

恒流源芯片HY6340作為驅(qū)動(dòng)電源的核心部分，可以工作在連續(xù)和脈沖兩種模式下。在連續(xù)模式下，輸出電流從0～1.5 A連續(xù)可調(diào)，輸出紋波很?。辉诿}沖模式下，可選擇輸出方波、正弦波和三角波(或鋸齒波)三種波形，重復(fù)頻率在0～3 MHz范圍內(nèi)，占空比在12%～87%可調(diào)，同時(shí)直流偏置和脈沖幅度也可以獨(dú)立調(diào)整，滿足了多數(shù)小功率LD所要求的分辨率、穩(wěn)定性和噪聲性能，具有一定的通用性。

芯片采用9～14 V負(fù)電壓供電，芯片供電電壓VEE的穩(wěn)定性對(duì)輸出恒流信號(hào)的質(zhì)量起著十分重要的作用，為此我們采用了多重濾波技術(shù)，將VEE的紋波控制在1 mV以下^[4]，從而保證了芯片的輸出端輸出電流的高度穩(wěn)定。芯片8腳輸出一個(gè)相對(duì)于VEE的十分穩(wěn)定的+5 V參考電平VREF；調(diào)節(jié)1腳、5腳和6腳到VEE之間的電壓可以分別設(shè)定高溫保護(hù)閾值、低溫保護(hù)閾值及過(guò)流保護(hù)閾值用于為不同功率的激光器提供保護(hù)(報(bào)警功能)，過(guò)溫報(bào)警和過(guò)流報(bào)警信號(hào)分別從2腳和17腳輸出；7腳為使能輸入端，當(dāng)輸入為VEE時(shí)禁止電流輸出，接GND時(shí)輸出被使能；22腳為反饋信號(hào)輸入端，來(lái)自PD的反饋信號(hào)可以使LD工作在恒光功率模式下。21腳為電流調(diào)制端，調(diào)節(jié)21腳到VEE的電壓可以使電源輸出電流從0~1.5 A連續(xù)變化，當(dāng)外接調(diào)制信號(hào)時(shí)可得到需要的各種電流波形。利用上述特性設(shè)計(jì)了以HY6340為核心的驅(qū)動(dòng)電源，HY6340及其外圍電路如圖1所示。

2.2 過(guò)溫保護(hù)

半導(dǎo)體激光電源要求有嚴(yán)格的故障保護(hù)機(jī)制以使昂貴的LD陣列免受損傷，保護(hù)電路是整個(gè)電源的核心部分，有過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等組成。除過(guò)溫保護(hù)電路外，其他保護(hù)電路比較簡(jiǎn)單，CPU通過(guò)不斷的檢測(cè)系統(tǒng)的電流、電壓信號(hào)來(lái)控制供電電源的運(yùn)行，起到相應(yīng)的保護(hù)功能。

LD的許多參數(shù)都與他的結(jié)溫有密切的關(guān)系，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)LD的禁帶寬度變窄，導(dǎo)致激發(fā)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)^[5，6]，LD工作的閾值電流也會(huì)隨溫度的升高而增加。如果沒(méi)有有效的溫控系統(tǒng)，在恒定的電流注入下，當(dāng)LD溫度發(fā)生變化時(shí)，輸出光功率將會(huì)有較大的起伏。工作溫度還會(huì)影響LD的壽命，LD殼溫每升高30 ℃，其使用壽命約要減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，通常LD的溫度變化應(yīng)控制在0.05 ℃以內(nèi)^[7]，才能保證在用電流調(diào)制LD時(shí)，溫度的影響不會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

以往，對(duì)于中小功率的LD常采用簡(jiǎn)單的被動(dòng)散熱或者水冷的方法。這兩種方法效果都不太好且都無(wú)法達(dá)到更進(jìn)一步的溫度控制的目的，即無(wú)法設(shè)定系統(tǒng)工作在某一特定的溫度范圍下，而半導(dǎo)體制冷器(TEC)作為溫控元件具有較好的控制效果。根據(jù)泊爾帖(Peltier)效應(yīng)，通過(guò)控制流過(guò)半導(dǎo)體制冷器電流的方向和大小，就可以對(duì)LD進(jìn)行加熱或者制冷，從而可以設(shè)定LD的工作溫度并使其保持恒溫，控制精度可達(dá)到0.05 ℃。電路原理圖如圖2所示。

3 電源的輸出特性

[JP3]電源輸出電流值0～1.5 A，工作溫度控制精度0.05 ℃，輸出電流、工作溫度的設(shè)定值可方便地連續(xù)調(diào)節(jié)。對(duì)一只1 W的半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)注入電流為其閾值電流2倍的情況下連續(xù)開關(guān)100次，激光器工作正常，輸出功率穩(wěn)定。在連續(xù)模式下，外接一個(gè)10 Ω的大功率可變電阻充當(dāng)該電源的負(fù)載，設(shè)置輸出電流0.5 A，改變負(fù)載電阻值測(cè)輸出特性數(shù)據(jù)，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)證明，電源能夠?qū)D實(shí)施有效的保護(hù)，且在某一溫度值下電源能夠?qū)崿F(xiàn)恒定的電流輸出，輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于1 mA。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用恒流源驅(qū)動(dòng)芯片HY6340作為驅(qū)動(dòng)電源的核心部件，通過(guò)HY5650對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行控制，可方便地實(shí)現(xiàn)LD的恒溫工作，各種保護(hù)機(jī)制可以對(duì)LD實(shí)時(shí)監(jiān)控，[CM(21*2]有效地抑制了電源的各種沖擊，保證了LD工作的穩(wěn)定性。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)與完善的保護(hù)使整個(gè)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，性能優(yōu)異，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。 

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

呂玉祥 男，1964年出生，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事光電信號(hào)檢測(cè)研究。