激光驱动电源的设计

高稳定性高精度半导体激光器驱动
电源的设计
The Design of Supply Power Applied in High Stability and Precision Diode Laser
摘要
半导体激光器（Laser Device，LD）以其小型高效结构简单、价格便宜等优点，在光信息存贮、光通讯等方面得到越来越广泛的应用，半导体激光器是目前应用最为广泛的光学器件之一。

激光器的输出特性与其驱动电源的性能密切相关，温度、电流的起伏会影响半导体激光器的光输出功率的稳定。

设计一种高精度高稳定性的半导体驱动电源具有一定的应用价值。

结合驱动电源的要求，研究设计了一种采用恒流源和温控技术的小功率高稳定半导体驱动电源。

驱动电源以恒流源驱动芯片HY6340为核心，结合半导体致冷器、温度控制芯片、数字温度传感器、过流过压保护电路对半导体激光器进行可设定温度的恒温控制。

通过控制流过半导体制冷器电流的方向和大小，就可以对LD进行加热或者制冷，从而可以设定LD的工作温度并使其保持恒温，从而达到控制其精度的目的。

通过选用以恒流驱动芯片HY6340为核心的驱动电路，以及以HY5650为核心的温控电路，实现驱动电源的稳定性控制。

通过选用函数发生器MAX038从而使得占空比可调，实现了驱动电源的精度控制。

文中还分析了主电路和控制电路的工作原理，给出了测试结果，与传统电路相比，电源具有结构简单、性能优异、使用元件少、价格低廉等特点。

关键词：半导体激光器驱动电源温度控制
Abstract
Semiconductor laser is gradually widely used for its many advantages such as simple structure, cheap price and so on. It’s widely used in the storage of the optical information and optical communication. Semiconductor laser has been one of the optical components most in use now，however its output characteristic goes hand in hand with the performance of the drive power. The ups and downs of the temperature and current will affect the stabilization of output power of the semiconductor laser. So the design of supply power applied in high stability and precision diode laser has some application value.
Considering about the requirement of the drive power，a new low power supply with the function of constant-current and temperature control technology for semiconductor laser is designed．Using the control chip HY6340 of constant-current as nuclear part，with subminiature controller for thermoelectric coolers，thermoelectric cooler，digital temperature sensor，over-current and over-temperature protection circuit can make it working on the constant temperature which we want．Through the control of the current flow direction and size of the semiconductor refrigeration device, we can undertake heating or cooling the LD, thus we can set the temperature of LD and make it remains on constant temperature, so as to achieve the purpose of controlling its accuracy.By choosing a constant current driver which uses IC HY6340 as the core driver, as well as the temperature-control circuit which uses HY5650 as the core, we can control the stability of the driving power. MAX038 function generator makes the duty cycle adjustable to achieve the precision control of drive power.
The operation principle and control principle of the power is also analyzed in this paper．Experimented results show that the power supply has excellent performance. Compared with the traditional products，the drive power has many characteristics such as simple structure, good performance, few components, low price and so on.
Keywords：semiconductor laser driving power supply temperature control
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
绪论 (1)
1 半导体激光器驱动电源的设计要求 (4)
1.1 半导体激光器的发展及应用 (4)
1.2 半导体激光器电源系统的概述 (5)
1.3 半导体激光器电源系统的要求 (5)
2 半导体激光器输出特性的研究 (7)
2.1 半导体激光器的P-I特性 (7)
2.2 半导体激光器的输出功率的影响因素 (8)
2.2.1 工作电流对输出功率的影响 (8)
2.2.2 温度对输出功率的影响 (9)
3 半导体激光器驱动电源的硬件设计 (10)
3.1 驱动电源的设计思路 (10)
3.2 高精度高稳定半导体激光器驱动电源的设计 (10)
3.2.1 高精度驱动电源的设计 (10)
3.2.2 高稳定驱动电源的设计 (14)
3.3 半导体激光器驱动电源保护电路的设计 (15)
4 半导体激光器驱动电路的调试 (19)
4.1 元器件的测试与筛选 (19)
4.2 半导体激光器驱动电路的调试 (19)
结论 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
绪论
（1）课题的研究现状
半导体激光器作为光电子系统的核心器件，在民用及国防上的作用日益重要。

半导体激光器具有许多其它激光器无法比拟的优点，因此广泛应用于光纤通信、制导、精密测量、医疗及信息存取等领域。

由于半导体激光器应用范围广泛，相应的其驱动技术也显得越来越重要。

目前，提高激光器性能的途径主要有研究新的半导体技术来提高激光器器件本身的性能指标，或者提高激光器驱动电源的特性。

目前，在激光器及其驱动的研究方面国内外进行了大量的研究工作，但国内水平相对于世界先进科技水平还有所不及。

因此设计一种新型的高稳定性高精度半导体激光器驱动器显得尤其重要。

激光电源的控制系统是整个电源系统的心脏，它的性能的好坏，功能强弱直接影响着激光电源的性能。

就目前而言，完成电源控制的电路在结构上主要分成三类：一类是模拟控制系统，其基本设计思想是：采用分立元件或中小规模集成电路构成的模拟调节器来调节电源的输出电流、电压、功率等，存在着电路结构复杂，参数的确定需改动外接阻容参数，现场调试较为麻烦等问题；二是部分数字化控制系统，它以单片机为控制核心，因为其功能和速度的限制，只能完成控制方程计算，而不能完成大计算量和要求实时控制的任务；三是所采用的DSP控制系统，这是电源技术的一个发展方向，它使得硬件电路大大简化，又可采用一些比较先进的控制方案来提高控制精度，同时也提高了整个系统工作的可靠性。

（2）课题研究的背景及意义
近年来，高稳定并连续可调的高精度半导体激光器在军事和民用领域的应用越来越广泛，而与其配套使用的驱动电源尚未形成产品，因此，品质优良的高稳定性高精度半导体激光器驱动电源应具备稳定可靠、确保激光器安全工作、抗干扰能力强，保证激光器的正常使用寿命等功能。

半导体激光器在通信、信息、医疗和精密加工与测量等领域有着广泛的应用。

大功率的半导体激光器的工作电流可达几十安以上，结电压在1V以上。

对此类半导
体激光器的驱动电源应是恒流源，应具有很高的电流稳定度（至少应小于10-3），半导体激光器的电源须具有特殊的抗电冲击措施和保护电路，电源中无高压。

由此可见，半导体激光器对驱动电源有很高的要求，瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，电流、温度的起伏都会引起光功率的变化，影响输出的准确、稳定[1,2]。

半导体激光器LD（Laser Device）以其小型高效、结构简单和价格便宜等优点，在光信息存贮和光通讯等方面得到越来越广泛的应用。

激光器的运行质量，与其驱动电源的性能密切相关，温度和电流的起伏会引起光功率的变化，影响输出的稳定。

最初的半导体激光器采用直流线性电源和RC充电电路，这种电源效率不高，体积和重量较大[3,4]。

为减小电源的体积和重量并提高电源性能，具有低功耗、高速度、高可靠性等优点的开关电源技术[5]，被广泛应用到激光电源中。

利用专用的驱动芯片和微处理器控制技术，能有效地提高激光电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件。

随着半导体激光器与电子技术的发展，有关LD驱动电源性能的研究越来越受到人们的重视，专用电源驱动芯片不断出现，数字化控制技术逐步得到应用，性能优异的驱动电源为半导体激光器技术的发展提供了必要条件。

以往报道的LD驱动电源，由于采用分离元件不仅电路结构复杂，而且为了得到小的噪声和纹波输出，在输出端采用电容滤波，受电容充放电时间段的限制，大多只能连续输出，少部分即使经调制后能脉冲输出，其最大重复频率一般也只有几kHz[6]，而且往往输出脉冲波形单一、重复频率和占空比不能灵活调整，限制了其在激光测量等一些场合的应用[7,8]。

国外虽然已有可实现连续和多种脉冲双模式输出的产品，但大部分驱动电源只是针对通信波段的LD设计，通用性差，而且其价格非常昂贵。

（3）论文的主要内容
本文的第一章主要介绍了半导体激光器驱动电源的设计基础，简要介绍了一些半导体激光器的基础知识以此来加深对半导体激光器驱动电源设计的理解。

第二章主要介绍了半导体激光器的特性以此来更好的满足半导体激光器驱动电源的设计要求。

第三章主要介绍了驱动电源的硬件设计，最主要的是介绍了用于稳定性调节的
恒流电路的设计，此电路主要是应用的恒流驱动芯片HY6340，精简了恒流电路的设计结构，同时介绍了用于精度调节的控制电路的设计，从而保证了驱动电源的稳定性与精度，这其中主要应用到函数发生器MAX038，并给予了着重的介绍。

经过整个设计过程，较好地实现了对半导体激光器驱动电源的稳定性和精度的调节和控制。

但由于电路的不稳定性和设计本身的不完善，结果仍存在着一定的问题，有待进一步的改善，以获得广泛的应用性和很好的实用价值。

1 半导体激光器驱动电源的设计要求
1.1 半导体激光器的发展及应用
激光是二十世纪人类科学历史上最伟大的发明之一，它的发明深化了人们对于光的认识，扩展了光为人类服务的天地，形成了对于传统光的技术革命，标志着人类掌握和利用光进入了一个崭新的时代。

1958年美国科学家汤斯（C.Townes）和肖洛克（A.Schalow）发表了首篇描述光频产生激光作用的论文，1960年梅曼（T.Maiman）在他们的建议下发明了人类历史上第一台红宝石激光器。

此后激光科学和技术的发展一日千里，激光功率不断提高，激光强度高达，激光器件也得到了巨大的发展。

激光不仅对传统科学和技术的发展产生了巨大的影响，还且还开创了许多新兴领域。

目前，激光在科学研究、工农业生产、信息科学、国防安全、娱乐文化和环境保护等领域的应用日益深入。

现在全球范围内的激光产业已经形成，一些导致重大变革的重要应用项目正在试验或完善中，如激光分离同位素、激光受控核聚变等。

半导体激光器以其转化效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其他半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键，其发展速度之快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是其他任何类型激光器所不能比拟的。

它的出现使得光纤通讯成为现实并得以迅速发展，使得以光盘为主体的信息存储技术和光复印技术不断更新换代。

随着它的输出功率、相干性不断提高、新材料和新结构的不断涌现，半导体激光器的应用已不再局限于信息领域，它也在材料加工、精密测量等方面一展宏图，显示出巨大潜力，正在占领过去由气体和固体激光器所占据的一些市场。

半导体激光器作为相干光泵浦源将使固体激光器发生革命性变革，获得新的生命力。

半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的一些应用，如测距、致盲、通讯、制导等是光电对抗中的有生力量。

正是由于半导体激光器从紫外到近红外的一个极为宽广的范围内有着不同波长的激光输出，有着易维护、易操作、可靠性高等特点，所以很适合于在生物和医学方面的应用。

1.2 半导体激光器电源系统的概述
半导体激光器依靠注入的非平衡载流子（电子、空穴）辐射复合，以光子形式放出复合所产生的能量来发射激光。

大功率半导体激光器在DPSSL中应用，或者作为直接光源应用，非平衡载流子都是由驱动电源注入的。

与小功率半导体激光器情况不同的是，大功率半导体激光器要求驱动电源提供较大的稳定电流，工作要求非常稳定可靠。

驱动电源已经成为大功率半导体激光器在各个领域应用的核心技术。

大功率半导体激光器工作方式有以下三种：
（1）直流驱动下的连续工作方式。

（2）在脉冲状态下工作，具有低占空比的脉冲工作方式。

（3）在脉冲状态下工作，具有高占空比的脉冲工作方式，又称为准连续（QCW）工作方式。

在国内，大功率半导体激光器驱动电源的研制主要集中在前两种即连续工作方式和低占空比脉冲工作方式上。

前者由于连续激光器功率限制，电流一般不超过50A，后者主要在激光通信领域中应用。

1.3 半导体激光器电源系统的要求
半导体激光器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的、明显的影响。

因此，半导体激光器要求电源是恒流源，应当具有很高的电流稳定度（至少应该小于）和很小的纹波系数，否则激光器的工作状态就会受到影响。

另外半导体激光器作为一种结型器件，对于电冲击的承受能力很差（尤其是大功率激光器），大功率半导体激光器的工作电流可达几十安以上，实际上稳流电源的输出除了与设定电压有关外，还受到输出电压、负载电压、环境温度和噪声电压的影响，所以只有尽可能消除上述因素的影响，才能提高输出电流的稳定性。

在正常条件下使用的半导体激光器有很长的使用寿命，然而半导体激光器也是很“娇”的，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。

半导体激光器的突然失效可由PN结被击穿或者用作谐振腔面的解理面遭受破坏而造成，根据击穿或者破坏的程度表现为输出功率减小或者没有输出。

半导体激光器的核心是一个PN结二极管，具有和普通电子学中的二极管相似的二极管特性。

一旦PN结被击穿，自然无法产生非平衡载流子和辐射复合。

超过破坏阈值的光功率可以使得解理面局部或者全面损伤，会导致激光输出功率的下降或者变成发光二极管，甚至失效。

据资料显示，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。

浪涌是一种突发性的瞬态电脉冲，使半导体激光器瞬时承受过电压而使得PN结击穿，在瞬态电压下正向过电流所产生的光功率可以使解理面损伤，即使在数纳秒的时间内超过半导体激光器最大允许电流，也会使其破坏或者受损。

半导体激光器损伤的程度或者半导体激光器承受浪涌冲击的能力取决于激光器本身的材料参数（如介电常数）和器件结构（特别是结面积）。

半导体激光器（LD）是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛采用LD是理想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。

因此，LD的驱动电流要求非常高，必须是低噪声、稳定度高的恒流源，一般的电源很难满足要求[1,2]。

此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器。

2 半导体激光器输出特性的研究
2.1 半导体激光器的P-I特性
半导体激光二极管的结构如图2-1所示。

从原理上来讲，在工作物质一定的情况下，半导体激光器输出的激光频率应当与谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于PN结的温度和注入电流的大小。

图2-1 半导体激光器结构图
另外，由于半导体PN结相当脆弱，稍有电流冲击就会造成损害。

所以在具体使用半导体激光器时，对其供电电路和调制电路的要求相当严格。

半导体激光器的发光特性如图2-2所示。

从图中可以看出，在一定温度下，当驱动电流低于阈值电流时，激光器输出光功率P近似为零，半导体激光器只能发荧光，驱动电流高于阈值时输出激光，并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并呈线性关系。

在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求，一是较低的门限电流；二是稳定的P-I曲线。

用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级，而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。

对一般的半导体激光器来说，激光二极管是正向结法，光电二极管是反向结法。

受光后转换的光电流在电阻上以电压形式反映出射光功率的大小，添加控制电路就可以达到控制发光率的目的。

图2-2 LD的发光特性图
2.2 半导体激光器的输出功率的影响因素
图2-3 所示是一种典型的小功率半导体激光器在不同温度下的激光输出功率P 与正向驱动电流I的关系曲线。

为了便于看清楚，图中底部的近似直线部分有意抬高了一些。

图2-3 LD的温度-驱动电流-光功率特性曲线图
2.2.1 工作电流对输出功率的影响
从图2-3中可以看出：某一温度下，当驱动电流I小于阈值电流I th时，激光器输出光功率P近似为零，激光器输出端仅能看见微弱的暗红色；而当驱动电流大于阈值电流I th时，激光器输出光功率P随着驱动电流I的增加近似呈线性上升关系。

如果驱动电流是脉冲电流，则输出的激光也一定是脉冲光。

这一特性，为输出激光
的直接电脉冲调制提供了可能。

2.2.2 温度对输出功率的影响
从图2-3中还可以看出：随着温度的升高，阈值电流I th 也升高，激光器的特性曲线随温度升高向前平移，激光输出功率下降，以至于可能不能满足仪器设备正常工作的要求；随着温度的下降，阈值电流也下降，激光器的特性曲线随温度的下降向后平移，激光输出功率上升，最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。

阈值电流与温度的关系基本上呈指数关系，可近似用以下公式[9]表示:
)/exp()(0T T k T I th += （2-1）
式中：I th （T ）是温度T 时的阈值电流，I th0是温度T 0时的阈值电流，k 是与激光器有关的常数，T 0是激光器室内调试时的温度，一般在20～25℃之间取值，T 是激光器工作温度。

这个特性给采用半导体激光器作为光源的仪器设备在宽温度范围时的应用带来了很大的麻烦。

3 半导体激光器驱动电源的硬件设计
3.1驱动电源的设计思路
图3-1中所示为电源的原理框图，整个电路主要包括保护电路、调制电路、恒流电路、温控电路和数码显示电路五个部分。

保护电路能够为LD 的安全可靠运行提供保障；调制电路用来使恒流电路输出不同频率和波形的电路；恒流电路的作用是将调制信号的恒压信号转换成恒流输出；温控电路用来调节LD 的工作温度；调整控制环节起到对各个环节的参数进行设置调整以及对各种反馈信号做出相应处理的作用；数码显示电路用于对LD的各项工作参数的实时监控和指示。

图3-1 电源工作原理框图
3.2高精度高稳定半导体激光器驱动电源的设计
3.2.1 高精度驱动电源的设计
常用产生调制波形信号的方法主要有三种，一是常用单片机加数模（A/D）转换芯片直接产生，这种方法的优点是硬件简单，可以产生复杂的波形，但受单片机的工作频率限制，波形频率较低；二是利用分立元件构建信号发生电路，优点是利用通用器件造价低，但电路复杂稳定性较差且调节困难；三是利用专业的函数发生芯片，如ICL8038、MAX038等，这些芯片一般只需要很少的外围元件就能在很宽频率范围内实现方波、三角波、正弦波等常用调制信号，而MAX038较ICL8038有更高的频率调节范围，并且MAX038可以实现几乎相互独立的占空比调节和频率调节，
故选用MAX038作为调制电路的主要部件。

在设计的调制电路中，通过改变MAX038的COSC引脚外接电容和流入芯片IIN 引脚的充放电电流的大小，可以实现输出信号频率在0.5Hz~6MHz连续变化；改变芯片DADJ引脚的电压可以控制占空比在12%~87%范围内变化；而通过控制芯片内部集成的一个三选一多路开关的两根地址线A0和A1的高低电平，可以选择输出正弦波、方波或者三角波。

三种波形经过缓冲器放大后，由OUT脚输出对称于地电位的2V（p-p）信号。

为实现调制信号输出电压脉冲幅度和直流偏置的独立可调，在输出端加了两级输出运放A1和A2见图3-2，考虑到带宽要求A1和A2均选用高速运放MAX4214，其采用反向端输入时的放大倍数为1。

图3-2 调制输出端电路图
半导体激光器驱动电源的精度主要是靠调制输出端电路来进行调节,这其中MAX038可以实现几乎相互独立的占空比调节和频率调节，选用MAX038作为调制电路的主要部件。

下面对MAX038进行简要的介绍。

用MAX038输出的各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

函数信号发生器可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC
产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了上述芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。

MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。

在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

其内部电路框图如图3-3所示。

图3-3 MAX038的内部电路框图
MAX038的性能特点：
（1）能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。

（2）频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V（P－P）。

（3）占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是10％～90％。

（4）波形失真小，正弦波失真度小于0.75％，占空比调节时非线性度低于2％。

（5）采用±5V双电源供电，允许有5％变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温度范围为0～70℃。

（6）内设2.5V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压值，实现频率微调和占空比调节。

下面简要介绍下采用MAX038设计的能够输出三种波形的实际电源电路。

采用MAX038设计的能够输出三种波形的实际电源电路中的整个电路由信号产生级、电压放大级、功率输出级和电源四部分组成。

信号产生级的核心器件为
MAX038，它的输出波形有三种，由波形设定端A0（3），A1（4）控制，其编码如表3-1所示。

其中x表示任意状态。

1为高电平，0为低电平。

MAX038的输出频率f0由I in，FADJ端电压和主振荡器COSC的外接电容器CF三者共同确定。

当U FADJ=0V 时，输出频率f0=I in/C F，I in=U in/R in=2.5/R in。

当U FADJ≠0V时，输出频率f0=f（1－
0.2915U FADJ）。

由波段开关SA2选择不同的C F值，将整个输出信号分为4个频段：第1频段是10Hz～1kHz；第2频段是100Hz～10kHz；第3频段是1kHz～100kHz；第4频段是10kHz～1MHz。

表3-1 A0、A1的编码表
输入码编码输出
A0 A1 波形
X 1 正弦波
0 0 方波
1 0 三角波
每频段频率的调节由电位器R P1和R P2完成。

R P1为粗调电位器，改变R P1数值，使振荡电容器CF的充电电流I in改变，从而使频率改变。

R P2为细调电位器，它通过改变U FADJ的数值，使输出频率变化，它的变化范围较小，起微调作用。

为简化电路，各种波形的占空比固定为50％，这已能满足多数场合的使用要求。

为此将MAX038的脚7DADJ端接地。

MAX038的各种输出波形的幅度均为2V（P－P），为了得到更大的输出幅度，加有一级电压放大级，由运放OPA604担任。

OPA604是FET输入高保真运放IC，性能十分优越，低噪声10nV/Hz，低失真率，1kHz时，仅为0.0003％，高转换率25V/μs，功率带宽为20MHz，电路中OPA604的闭环电压增益
GV=100k/10k=10，输出电压的幅度增至20V（P－P），有效值为7V左右。

如将OPA604。