半导体激光器电源设计技术汇总

自从激光被发明以后，各种的应用随即发展起来，但真正能应用在消费性电子产品是在半导体激光(或称激光二极体,LaserDiodeLD)发明之后，特别是在1977年发明的面射型激光(VCSEL)，因为半导体激光具有轻巧、电光转换效益高、低消耗功率、寿命长、及易由电流来控制其光输出功率、且调制频率可达10GHz以上等特性。这些特性使它可广泛应用于资讯处理、光纤通讯、家电用品等民生消费电子产品上，未来半导体激光将带动另一波的光电消费性电子产业。以下介绍半导体激光器在电源设计中的一些方案。

1.半导体激光管LD的电源设计　　

半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺，但电压和电流特性基本相同。在工作点时，小电压变化会导致激光管电流变化较大。此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求；输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。随着激光器的输出功率不断加大，需要高性能大电流的稳流电源来驱动。为了保证半导体激光器正常工作，需要对其驱动电源进行合理设计。并且随着高频、低开关阻抗的MOSFET技术的发展，采用以MOSFET为核心的开关电源出现，开关电源在输出大电流时，纹波过大的问题得到了解决。　　

系统构成

装置输入电压为24V，输出最大电流为20A，根据串联激光管的数量输出不同电压。如果采用交流供电，前端应该采用AC／DC作相应的变换。该装置主要部分为同步DC／DC变换器，其原理图如图1所示。

Vin为输入电压，VM1、VM2为MOSFET，VM1导通宽度决定输出电压大小，快恢复二极管和VM2共同续流电路，整流管的导通损耗占据最主要的部分，因此它的选择至关重要，试验中选用通态电阻很低的M0SFET。电感、电容组成滤波电路。测量电阻两端电压与给定值比较后，通过脉冲发生器产生相应的脉宽，保持负载电流稳定。VM1关断，快恢复二极管工作，快恢复二极管通态损耗大，VM2接着开通续流，减少系统损耗。

2.半导体激光器的开关电源纹波抑制研究　　

本文提出开关电源纹波的定义，分析开关电源纹波产生的原因，并提出几种抑制纹波的方法。最后针对一款特殊开关电源，论述了开关电源的输出稳定性问题。该电源输出电流为10A，输出电压为12V，主要用于驱动半导体激光器。为减小输出电流纹波，提高激光功率稳定性，研究分析了几种抑制纹波的方法，包括滤波法，多路叠加法等。该电源的设计采用主、副电源的思路，从主电源采集纹波信号反馈给副电源的控制端，从而使主副电源输出叠加后保持较小的输出纹波。通过实验验证该方法可以使纹波系数保持在1％，使得性能有所提高。　　

近年来，开关电源以其体积小，重量轻，效率高等优点，在工程领域、医疗机构、科学研究等方面有着越来越广泛的应用。本文着重解决一款能输出10A电流12V电压的特殊恒流源的纹波抑制问题，专门用于大功率的半导体激光器驱动。该激光器需求高稳定的光功率输出，激光器输出光功率的稳定性是一个主要参数，半导体激光器的光功率稳定性主要表现在输入电流的稳定性，输入电流的纹波越小光功率稳定性越好。目前，解决开关电源纹波的方法有若干种，各有其优缺点，由于输出电流是10A的大电流，一般的方法不能适用。本文通过对比滤波法提出双路并联法，旨在大电流情况下进一步减小电流输出纹波。　　

纹波产生原因分析　　

通常开关电源把电网提供的交流电经过整流滤波转变为直流电，开关管的高速开通和关断，就会引起输出电压的波动，在输出回路中的快恢复二极管和电感也会引起输出电压的波动。这些高频低频的波动总和就形成了输出的纹波，包括电压纹波和电流纹波。　　

开关电源中纹波的来源有很多原因，其中MOS管开通关断所产生的纹波是主要原因之一。当开关管开通关断时都会有一个上升时间和下降时间，这时就会在电路中引起一个同频率的噪声。输出回路上的电感也会随着充电放电产生一个噪声，同时也会有漏感产生。在导线与导线之间，元器件的引脚之间还会存在各种寄生电感，这些寄生电感会遵循如下公式产生变化。

3.高亮度半导体激光器拓展新波长　　

半导体激光器技术的不断发展使其应用日益广泛，同时越来越多的应用都要求半导体激光器简单易用，这使光纤耦合半导体激光器模块广受青睐。为了更好地满足应用需求，在设计高亮度半导体激光器模块时，必须要考虑一些重要的设计规则，特别是当这些模块的输出波长为非标准波长时。这些设计考量主要涉及以下几方面：　　

原则上，最低衍射极限光束参数乘积（BPP）与波长成正比，也就是说，随着波长（λ）的增加激光打标机，光束质量会逐渐变差。光纤耦合模块需要一个特定的光束参数乘积，这意味着可以耦合到一根光纤中的发射体（emitter）的数量，会随着波长的平方因子（λ-2）而减少。例如，在1940nm时可以耦合到指定纤芯中的发射体的数量，要比在970nm时减少4倍。　　

通常慢轴发散角会随着波长的增加而增加，这意味着慢轴准直透镜（SAC）的焦距必须合适，以避免由于SAC造成的能量损失。　　

对于输出非标准波长的半导体激光器巴条，其快轴方向的发散角可达到90°，因此需要使用具有高数值孔径和高质量的快速轴准直透镜（FAC）。　　

必须要考虑光学元件自身的损耗。特别是当波长超过2200nm时，由于羟基（OH）伸缩会导致大量水吸收。目前几乎微型光学元件使用的所有材料激光打标机，都会发生这种水吸收现象。　　

表1给出了各种光纤耦合半导体激光器模块（见图1）所能实现的输出功率。

4.高功率半导体激光器的波长稳定技术　　

高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。　　

通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。　　

另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。　　

半导体激光器系统亮度的进一步增强是通过偏振耦合和波长复用实现的。偏振耦合仅能将亮度提高一个单位系数的两倍，而波长复用技术受可用波长数量n的限制。 事实上，波长复用进行功率扩展是以牺牲光谱亮度为代价。

5.实现智能控制的半导体激光器电源设计　　

由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器(LD)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用，且与电子器件结合实现单片光电子集成。但是LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏，其电源的研究愈来愈受到人们的重视。若电源输出电压或电流波形质量不高，又缺乏有效保护，将导致激光器性能下降或造成损坏，因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。　　

本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。　　

半导体激光器LD工作影响因素　　

半导体激光器的核心是PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。　　

造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器PN结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流；②电网中其它用电装备起停机；③雷电；④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。　　

传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高。　　

系统设计　　

系统框图见图1。主要由以下几部分构成。

6.半导体激光器驱动电源的控制系统　　

使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。　　

本系统主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。　　

目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。

7.基于NCP5662的半导体激光器驱动电源　　

二极管激光器及二极管泵浦的固体激光器现已成为固体激光器的发展主流,其转换效率高,稳定性好、可靠性高,是迄今惟一不需维护的激光系统,具有输出的光束质量高、体积小、结构紧凑等优点,已经获得了广泛的应用。二极管泵浦固体激光器设计中涉及许多关键技术,电源技术是其中之一,它涉及的主要问题是如何根据固体激光器的要求设计半导体激光二极管的驱动电源。半导体激光器驱动电源的基本要求是:恒流源、电流稳定度高(至少应小于10-3)、纹波系数小、具有特殊的抗电冲击措施和保护电路。在实际项目中,二极管泵浦固体激光器用于机载导弹测距,采用808nm半导体大功率激光器作为泵浦源,要求驱动电源体积小,驱动电流2A,驱动方式为脉冲驱动,脉冲频率和宽度独立可调、蓄电池供电(5V左右)。目前许多的商用的或用于试验研究的驱动电源很难完全满足使用要求,因此为其设计简单、方便、稳定、可靠的驱动电源具有重要的意义。　　

在稳压或稳流电源中,目前常用的是开关电源和线性电源,由于开关电源的瞬态响应较差、纹波系数较大,对瞬态特性和温度度要求较高的半导体激光驱动电源采用线性电源较为合理。为了实现高的电流稳定度,驱动电路大多采用负反馈的控制方法,原理图见图2。工作时,通过电阻电流采样反馈为驱动电流提供有源控制。方法是在功率晶体管的源极串联一个采样电阻RS,用于取样反馈，该取样电压经过I/U转后,作为反馈电压与设定电压进行比较,进而通过调整功率晶体管的电阻大小对输出电流If进行调整。整个闭环反馈系统处于动态平衡中,以达到稳定电流的目的。输出电流If与设定的参考电压Vref的关系可由负反馈原理得到 ,上式只是一个近似的表达,随着负载的不同和输入电压的变化,输出电流还是有微小的变化,但是由于前置放大器放大倍数很高,使得输出电流变化很小,稳定度一般能达到10-5量级。

8.输出功率可调激光二极管驱动电源设计　　

LD(激光二极管)不仅具有一般激光器高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点，还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等特性，因而广泛应用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而，由于LD是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲击的承受能力差，微小的电流波动将导致光功率输出的极大变化和器件参数的变化，这些变化直接危及器件的安全使用，因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求。在驱动电源的设计过程中，同时考虑对LD进行安全有效保护，如防止浪涌冲击，慢启动等问题。　　

1电路结构及原理　　

LD是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响，因此，LD驱动电源需要为LD提供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流。该LD驱动电源包括4部分：基准电压源，恒流源电路，脉冲控制电路，保护电路。结构框图如图1所示。

基准电压源电路构成如图2所示，其作用是为恒流源电路提供一个高精度，低温漂的电压参考，同时，为电路中的集成电路(如光耦合器、运算放大器、反相器等)提供稳定工作电压。

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，输出电压范围是1．2～37V，负载电流最大为1．5A，使用简单。其工作过程如下：输出电压Vout通过R1、VQ1，对C2充电，开始时VQ1饱和导通，Vout最低(约1．5V)。随着C2上电压的升高，VQ1逐渐退出饱和并趋于截止，Vout逐渐升高至额定电压。改变R1、C2的常数可改变软启动的时间。改变可变电阻R2的值，可调整输出电压Vout的值。VD1用于关机后使C2上的电荷快速泄放。

9.基于51单片机的半导体激光器电源控制系统的设计　　

半导体激光器(LD)体积小，重量轻，转换效率高，省电，并且可以直接调制。基于他的多种优点，现已在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用，同时其驱动电源的问题也更加受到人们的重视。使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。　　

本系统原理如图1所示，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A／D转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D／A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。

目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压；二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。