摘 要：介紹了一種以C8051F高速單片機為核心的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的控制系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器的工作電流是通過恒流源及光功率反饋控制的，其中恒流源采用達林頓管作為調(diào)整管，他可調(diào)整大范圍的輸出電流，可為半導(dǎo)體激光器提供穩(wěn)定、連續(xù)的電流，并且具有慢啟動和保護電路等功能。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;恒流源;慢啟動;C8051F單片機

中圖分類號：TP368.1;TN249 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0519002

Design of Electric Power Control System by Single Chip for Semiconductor Laser

JIA Wenchao，LI Juanjuan，LIU Zengjun，CHENG Quanxi

(Electrical and Electronic Engineering College，Changchun University of Technology，Changchun，130012，China)

Abstract：A diode laser output power system controlled by microprocessor C8051F is presented.The work current of diode laser controlled by stable current source and light power feedback.This constant current source uses a high power Darlington transistor as the current control device，the value and range of the output current which can be adjusted are very large.The constant current source has protective and slow start function and so on.

Keywords：semiconductor laser diode;constant current source;slow-start circuit;C8051F single chip

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。

1 總體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)原理如圖1所示，主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護、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)定從鍵盤輸入，并由 LED數(shù)碼管顯示激光功率和電流等數(shù)據(jù)。

2 半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計

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、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

2.1 慢啟動電路

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，如圖2所示：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∏型濾波網(wǎng)絡(luò)，分別由L1 ，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5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)過圖中的兩個∏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。到達電阻R和C組成的時間延遲網(wǎng)絡(luò)， C2 和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應(yīng)。

2.2 恒流源電路的設(shè)計

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

如圖3所示，該恒流源由運放U1和三極管T1，達林頓管Q2進行電流放大，再通過U2放大反饋，從而實現(xiàn)恒流輸出。TQ2以大功率達林頓管為調(diào)整管，將其接成射極輸出的形式，半導(dǎo)體激光器(LD)作為負載串聯(lián)在達林頓管的發(fā)射極，通過控制達林頓管的基極實現(xiàn)對激光器電流的控制。本設(shè)計要求電路最大能輸出3 A工作電流，這就要求推動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)，不能直接推動達林頓管正常工作，即使勉強推動其工作也會造成集成運算放大器本身功耗過大，溫升過高，影響電路的輸出精度，所以采用小功率三極管T1推動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)過由U2組成的同相比例放大環(huán)節(jié)放大后再接回到U1的反相輸入端，構(gòu)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(wěn)定控制

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

溫度控制在本系統(tǒng)中采用了半導(dǎo)體制冷來實現(xiàn)，這是

一種熱電制冷器，只要控制流過溫控器電流的大小和方向，就能對激光器進行制冷或加熱，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載對半導(dǎo)體激光器的危害，因此，應(yīng)當設(shè)立過載保護電路。一般可采用限流式保護電路。若長時間工作于短路的情況下，過熱仍然會導(dǎo)致調(diào)整管的損壞，此時可以采取截流式保護電路。過電壓保護的精度主要取決于穩(wěn)壓二極管，而其工作點是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流和環(huán)境溫度變化的，因此，設(shè)計上必須選用穩(wěn)定電壓的溫漂非常小的穩(wěn)壓管。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，自頂向下，逐步細化，利用子程序構(gòu)成各模塊，如初始化模塊、鍵盤模塊、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(tǒng)上電復(fù)位后，開始進行各模塊初始化，然后調(diào)顯示子程序，顯示數(shù)據(jù)，再調(diào)鍵掃描子程序，若有鍵按下，則調(diào)相應(yīng)的鍵功能程序，若無鍵按下，則循環(huán)調(diào)用顯示程序。

4 結(jié) 語

本文中設(shè)計的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的控制系統(tǒng)通過慢啟動電路、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(nèi)輸出功率的不穩(wěn)定問題，穩(wěn)定度較高。

參考文獻

［1］陳凱良，竺樹聲.恒流源及其應(yīng)用電路[M].杭州:浙江科學技術(shù)出版社，1992.

［2］潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介 賈文超 男，1965年出生，教授、碩士研究生導(dǎo)師。主要從事電氣工程、雷達、虛擬儀器、汽車電子等方面的設(shè)計與研究工作。

李娟娟 女，1982年出生，現(xiàn)在長春工業(yè)大學攻讀碩士學位。主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>