摘 要：半導體激光器是目前應用最為廣泛的光學器件之一，其運行質(zhì)量與驅(qū)動電源的性能密切相關。結(jié)合相關研究設計了一種小功率高穩(wěn)定半導體驅(qū)動電源，該電源以恒流源驅(qū)動芯片HY6340為核心，結(jié)合半導體致冷器、溫度控制芯片、數(shù)字溫度傳感器、過流過壓保護電路對半導體激光器進行可設定溫度的恒溫控制。分析了主電路和控制電路的工作原理，給出了測試結(jié)果，與傳統(tǒng)電路相比，電源具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、使用元件少、價格低廉等特點。

關鍵詞：半導體激光器；驅(qū)動電源；溫度控制；穩(wěn)定輸出

中圖分類號：TN248.4文獻標識碼：B

文章編號：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

半導體激光器(Laser Device，LD)以其小型高效結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點，在光信息存貯、光通訊等方面得到越來越廣泛的應用。激光器的運行質(zhì)量與其驅(qū)動電源的性能密切相關，溫度、電流的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的穩(wěn)定。最初的半導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)點的開關電源技術^[3]被廣泛應用到激光電源中。利用專用的驅(qū)動芯片和微處理器控制技術能有效地提高激光電源的性價比，簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強整機的自動化程度，為整機功能的擴展提供有利的條件。隨著半導體激光器與電子技術的發(fā)展，有關LD驅(qū)動電源性能的研究越來越受到人們的重視，專用電源驅(qū)動芯片不斷出現(xiàn)，數(shù)字化控制技術逐步得到應用，性能優(yōu)異的驅(qū)動電源為半導體激光器技術的發(fā)展提供了必要條件。

2 驅(qū)動電源硬件組成

驅(qū)動電源由供電電源、恒流源驅(qū)動芯片、溫度控制、過流過壓保護、微處理器、人機接口等部分組成。供電電源實現(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，切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，有選擇地衰減信號中不需要的頻率成分，提高了電源的穩(wěn)定性。溫度、電流與電壓的檢測裝置用于實時檢測激光器的狀態(tài)量，將檢測結(jié)果反饋給CPU。CPU經(jīng)過一定的算法后將輸出信號經(jīng)放大電路后再送到恒流源驅(qū)動芯片(HY6340)的反饋引腳，來達到激光器狀態(tài)量的自動調(diào)節(jié)。保護電路可以減小半導體激光器在實際運用中受到的外界影響，增強系統(tǒng)的可靠性。利用恒流源驅(qū)動芯片HY6340及其過溫保護是該驅(qū)動電源的特色所在，下面著重予以介紹。

2.1 恒流源驅(qū)動芯片HY6340及其應用

恒流源芯片HY6340作為驅(qū)動電源的核心部分，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??；在脈沖模式下，可選擇輸出方波、正弦波和三角波(或鋸齒波)三種波形，重復頻率在0～3 MHz范圍內(nèi)，占空比在12%～87%可調(diào)，同時直流偏置和脈沖幅度也可以獨立調(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負電壓供電，芯片供電電壓VEE的穩(wěn)定性對輸出恒流信號的質(zhì)量起著十分重要的作用，為此我們采用了多重濾波技術，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腳輸出一個相對于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定高溫保護閾值、低溫保護閾值及過流保護閾值用于為不同功率的激光器提供保護(報警功能)，過溫報警和過流報警信號分別從2腳和17腳輸出；7腳為使能輸入端，當輸入為VEE時禁止電流輸出，接GND時輸出被使能；22腳為反饋信號輸入端，來自PD的反饋信號可以使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，當外接調(diào)制信號時可得到需要的各種電流波形。利用上述特性設計了以HY6340為核心的驅(qū)動電源，HY6340及其外圍電路如圖1所示。

2.2 過溫保護

半導體激光電源要求有嚴格的故障保護機制以使昂貴的LD陣列免受損傷，保護電路是整個電源的核心部分，有過溫保護、過流保護、欠壓保護、過壓保護等組成。除過溫保護電路外，其他保護電路比較簡單，CPU通過不斷的檢測系統(tǒng)的電流、電壓信號來控制供電電源的運行，起到相應的保護功能。

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

以往，對于中小功率的LD常采用簡單的被動散熱或者水冷的方法。這兩種方法效果都不太好且都無法達到更進一步的溫度控制的目的，即無法設定系統(tǒng)工作在某一特定的溫度范圍下，而半導體制冷器(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，通過控制流過半導體制冷器電流的方向和大小，就可以對LD進行加熱或者制冷，從而可以設定LD的工作溫度并使其保持恒溫，控制精度可達到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、工作溫度的設定值可方便地連續(xù)調(diào)節(jié)。對一只1 W的半導體激光器，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10 Ω的大功率可變電阻充當該電源的負載，設置輸出電流0.5 A，改變負載電阻值測輸出特性數(shù)據(jù)，如圖3所示。

實驗證明，電源能夠?qū)D實施有效的保護，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

采用恒流源驅(qū)動芯片HY6340作為驅(qū)動電源的核心部件，通過HY5650對半導體制冷器進行控制，可方便地實現(xiàn)LD的恒溫工作，各種保護機制可以對LD實時監(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。其獨特的設計與完善的保護使整個電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能優(yōu)異，擁有廣闊的市場前景。 

參 考 文 獻

［1］馬新敏，陳瀟，王振，等.一種基于CUK變換器的通用型固體激光電源[J].激光技術，2006，30(2):116-118.

［2］周瑜，丁永奎，倪文俊，等.半導體激光器的高精度溫控儀[J].量子電子學報，2003，20(4):431-434.

［3］Duan Y，Jin H.Digital Controller Design for Switch Mode Power Converters[C].Conference Proceeding of the Fourteenth IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，1999.

［4］李季，陳結(jié)祥，張毅，等.大功率半導體激光器驅(qū)動電源[J].量子電子學報，2003，20(1):30-34.

［5］Kim T G，Ogura M.High Characteristic Temperature (Tc=322K) Near Room Temperature of V-grooved AlGaAs-GaAs Quantum Wire Diode Lasers[J].Solid-state Electronics，2000，44:185-187.

［6］朱振，陳良友，李華，等.用溫度控制可調(diào)諧激光器波長穩(wěn)定的方法[J].激光技術，2005，29(1):18-20.

［7］Jason G Z.Rainbow Three Dimensional Camera:New Concept of High Speed Three Dimensional Vision Systems[J].Optical Engineering，1996，35(2):376-383.

［8］趙軍，謝作品，吳珂.NTC熱敏電阻線性化新方法[J].電測與儀表，2006，43(1):12-14.

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作者簡介

呂玉祥 男，1964年出生，副教授，碩士生導師。主要從事光電信號檢測研究。