基于STM32的半導體激光器驅動電路設計

［摘 要］文章對基于STM32 的半導體激光器驅動電路進行設計，介紹了半導體激光器的基本原理和應用場景，分析了現有驅動電路設計存在的問題，提出了一種基于STM32 的新型驅動電路設計方案。在設計過程中，充分考慮了電路的穩定性、可靠性。結果表明，該驅動電路設計能夠有效控制激光器的輸出功率和頻率，且具有較高的穩定性和可調性。

［關鍵詞］STM32 ；半導體激光器；驅動電路；控制；精確控制

［中圖分類號］TN248.4 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0045–03

半導體激光器是一種重要的光電子器件，具有電光轉換效率高、功耗低、壽命長、體積小等優點，廣泛應用于光纖通信、激光測距、激光切割、激光醫療等領域。激光器的性能受驅動電路的影響較大，驅動電路需要為激光器提供穩定可靠、精確的電流和溫度控制，以保證激光器的穩定輸出和使用壽命。傳統激光器驅動電路多采用模擬電路設計，電路結構復雜，調試困難，使用精度難以保證。隨著嵌入式技術的不斷發展，基于微處理器的數字控制驅動電路逐漸成為主流，其中STM32 系列單片機以其高性能、低成本、低功耗、豐富的外設接口等優點在激光器驅動電路設計中得到了廣泛應用。

1 半導體激光器工作原理

半導體激光器工作原理基于半導體材料的特性。半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的材料，在半導體中存在電子和空穴兩種載流子。在外加電場作用下，電子從N 區（富電子區）向P 區（富空穴區）流動，空穴則從P 區向N 區流動，這種電子和空穴的流動形成電流。半導體激光器通常由P 型半導體和N 型半導體組成，其中N 型半導體中富含自由電子，而P 型半導體中則富含空穴。兩種半導體材料結合形成的PN 結，被稱為“激活層”。當施加外加電壓時，電子從N 區向P 區躍遷，與空穴復合，這些復合過程會釋放出能量，這些能量釋放的方式有輻射和非輻射兩種。在激活層中，電子從高能級躍遷到低能級時，會通過輻射的方式釋放出能量，產生光子。這些光子會與其他激活層內的電子發生相互作用，進一步產生大量光子，該過程被稱為“光放大”。

在激活層兩側，分別設置一對反射鏡，其中一個鏡子是半透明的，允許部分光子通過；而另一個鏡子則是完全反射的，通過反射鏡反射，光子被限制在激活層內來回傳播，形成一個光學諧振腔。只有當光子的頻率和諧振腔的固有頻率匹配時，光子才能得到放大，形成激光。因此，半導體激光器的工作原理為，通過施加外加電壓，電子與空穴在PN 結中復合，產生光子；光子與其他激活層內的電子相互作用，進一步產生大量光子；通過反射鏡的反射，光子在激活層內來回傳播，形成光學諧振腔；當光子的頻率和諧振腔的固有頻率匹配時，光子得到放大，形成激光。

2 基于STM32的半導體激光器驅動電路整體設計

半導體激光器驅動電路整體設計是一項關鍵任務，其在實現激光器的穩定工作和性能優化方面起著重要作用。除了激光器件LD（鐳射二極管）本身外，還需要集成其他輔助元件，如TEC（半導體制冷器）、熱敏電阻及光敏二極管。半導體激光器的穩定工作對于整個電路的性能至關重要。在激光器工作過程中，溫度變化會直接影響激光器的輸出功率和波長穩定性。為了解決該問題，集成了TEC 來控制激光器的溫度，TEC 通過珀爾帖效應將熱量從激光器中移走，從而保持激光器的溫度穩定。同時，為了監測激光器的溫度變化，集成了熱敏電阻。熱敏電阻可根據溫度的變化來改變電阻值，通過測量電阻值的變化可以得到激光器的溫度信息，放大處理熱敏電阻信號，實現對激光器溫度的精確控制。為了檢測激光器的輸出功率，還集成了光敏二極管。光敏二極管可將激光器的輸出光信號轉化為電信號，通過測量電信號的強度可以得到激光器的輸出功率。通過對光敏二極管信號進行放大和處理，可實現對激光器輸出功率的實時監測和控制。

基于STM32 的半導體激光器驅動電路利用STM32 的ADC 功能實時監測激光器的溫度，并控制TEC 和熱敏電阻進行精確的溫度調節，保證激光器工作在最佳溫度范圍內。通過STM32 的PWM 信號調節恒流電路的占空比，以精確控制激光器的輸出電流。利用STM32 的ADC 功能實時檢測激光器內部的光敏二極管電壓，從而計算出實際的輸出光強，實現閉環控制。通過串口等接口，實現STM32與上位機的通信，接收上位機指令并上傳溫度、光強等數據，設計過溫、過流等保護電路，確保激光器工作的安全性和穩定性。硬件電路設計包括恒流源電路、TEC 控制電路、光強檢測電路、溫度檢測電路等，并選擇合適的元器件，設計電路原理圖和PCB 板，編寫STM32 的固件程序，實現ADC、PWM 等外設的控制，完成數據采集、處理和控制輸出，并設計通信協議與上位機軟件進行交互。通過電路連接和程序下載，對整個電路進行調試，以實現溫度和電流的精確控制。通過以上步驟，可設計出一個功能完善、性能穩定的基于STM32 的半導體激光器驅動電路，如圖1 所示。

3 溫度控制電路

3.1 溫控芯片選型

在半導體激光器工作過程中，溫度的穩定對于其性能和壽命都至關重要，而TEC 具有珀爾帖效應，可實現對溫度的精確控制。珀爾帖效應是指當兩種不同材料的接觸點有電流通過時，會產生熱量的吸收或釋放現象，該效應可以用來實現對半導體激光器的溫度調節。溫控芯片是實現溫度控制的核心部件，通常由多個熱電偶對組成，其中每對熱電偶由1 個PN 結和1 個銅聯結片焊接在一起。冷端和熱端則分別集中在芯片的兩端。在選擇溫控芯片時，要考慮溫度控制的精度，以芯片能夠提供高精度的溫度控制為目標，確保半導體激光器在工作時保持穩定的溫度。由于半導體激光器通常需要長時間運行，因此低功耗和高效率的芯片能夠減少系統能耗。TEC 工作原理如圖2所示。

文章選用美信公司的MAX1978 芯片，該芯片采用單電源供電，具有兩個同步降壓穩壓器，可以實現雙極性±3 A 輸出，沒有電流“死區”。通過熱敏器件反饋，MAX1978 能夠適應環境變化并進行雙向調節，溫度穩定性可達0.001℃，集成控制電路還對激光器內部的TEC 具有一定的保護作用。

3.2 溫度控制電路設計

激光器是一種半導體激光器，其在工作過程中會產生大量的熱量，為了確保激光器運行的穩定性，工作人員要設計半導體激光器驅動溫度控制電路。TEC是一種能夠通過電流控制溫度的裝置，由兩個不同材料的熱電偶組成。當電流通過熱電偶時，一個熱端會吸收熱量，而另一個冷端則會散發熱量。通過調整電流的大小，可以實現對激光器的溫度控制。在設計TEC 驅動電路前，要了解激光器內部的NTC 熱敏電阻和TEC 特性。NTC 熱敏電阻在激光器溫度上升時，其電阻值會下降；而TEC 則具有根據電流大小調節激光器溫度的能力。MAX1978 芯片是一款專門設計用于驅動TEC 的集成電路，具有多種功能，包括電流和溫度測量、閉環控制以及PWM（脈沖寬度調制）輸出等，借助于MAX1978 芯片，可輕松地實現對激光器溫度的精確控制。下面是基于MAX1978 芯片設計的TEC 驅動電路的原理圖，如圖3 所示。

4 結束語

隨著科學技術的不斷發展，半導體激光器在眾多領域發揮著重要作用，對其驅動電路的研究具有極高的理論和實踐意義。文章通過介紹基于STM32 微控制器的半導體激光器驅動電路設計，實現了對激光器的穩定和精確控制，為半導體激光器的廣泛應用提供了有力支持。通過文章的研究，基于STM32 的半導體激光器驅動電路設計實現了對激光器的高精度控制，具有結構簡單、性能穩定、易于擴展等優點。該設計為進一步提高半導體激光器在光纖通信、激光醫療、工業制造等領域的應用水平提供了有力支持，同時也為類似激光器的驅動電路設計提供了參考。在未來的研究工作中，還將不斷優化和改進設計，以適應不斷發展的應用需求。

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