小功率高稳定半导体激光电源

摘 要：半导体激光器是目前应用最为广泛的光学器件之一，其运行质量与驱动电源的性能密切相关。结合相关研究设计了一种小功率高稳定半导体驱动电源，该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。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；稳定输出

中图分类号：TN248.4文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)07-105-02オ

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)オ

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。激光器的运行质量与其驱动电源的性能密切相关，温度、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[1,2]。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[3]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。

2 驱动电源硬件组成

驱动电源由供电电源、恒流源驱动芯片、温度控制、过流过压保护、微处理器、人机接口等部分组成。供电电源实现系统供电电压(交流220 V)与系统工作电压之间的转换，电路中采用多重滤波技术，切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径，有选择地衰减信号中不需要的频率成分，提高了电源的稳定性。温度、电流与电压的检测装置用于实时检测激光器的状态量，将检测结果反馈给CPU。CPU经过一定的算法后将输出信号经放大电路后再送到恒流源驱动芯片(HY6340)的反馈引脚，来达到激光器状态量的自动调节。保护电路可以减小半导体激光器在实际运用中受到的外界影响，增强系统的可靠性。利用恒流源驱动芯片HY6340及其过温保护是该驱动电源的特色所在，下面着重予以介绍。

2.1 恒流源驱动芯片HY6340及其应用

恒流源芯片HY6340作为驱动电源的核心部分，可以工作在连续和脉冲两种模式下。在连续模式下，输出电流从0～1.5 A连续可调，输出纹波很小；在脉冲模式下，可选择输出方波、正弦波和三角波(或锯齿波)三种波形，重复频率在0～3 MHz范围内，占空比在12%～87%可调，同时直流偏置和脉冲幅度也可以独立调整，满足了多数小功率LD所要求的分辨率、稳定性和噪声性能，具有一定的通用性。

芯片采用9～14 V负电压供电，芯片供电电压VEE的稳定性对输出恒流信号的质量起着十分重要的作用，为此我们采用了多重滤波技术，将VEE的纹波控制在1 mV以下[4]，从而保证了芯片的输出端输出电流的高度稳定。芯片8脚输出一个相对于VEE的十分稳定的+5 V参考电平VREF；调节1脚、5脚和6脚到VEE之间的电压可以分别设定高温保护阈值、低温保护阈值及过流保护阈值用于为不同功率的激光器提供保护(报警功能),过温报警和过流报警信号分别从2脚和17脚输出；7脚为使能输入端，当输入为VEE时禁止电流输出，接GND时输出被使能；22脚为反馈信号输入端，来自PD的反馈信号可以使LD工作在恒光功率模式下。21脚为电流调制端，调节21脚到VEE的电压可以使电源输出电流从0~1.5 A连续变化，当外接调制信号时可得到需要的各种电流波形。利用上述特性设计了以HY6340为核心的驱动电源，HY6340及其电路如图1所示。

2.2 过温保护

半导体激光电源要求有严格的故障保护机制以使昂贵的LD阵列免受损伤，保护电路是整个电源的核心部分，有过温保护、过流保护、欠压保护、过压保护等组成。除过温保护电路外，其他保护电路比较简单，CPU通过不断的检测系统的电流、电压信号来控制供电电源的运行，起到相应的保护功能。

LD的许多参数都与他的结温有密切的关系，当结温升高时LD的禁带宽度变窄,导致激发波长向长波方向移动[5,6],LD工作的阈值电流也会随温度的升高而增加。如果没有有效的温控系统，在恒定的电流注入下，当LD温度发生变化时，输出光功率将会有较大的起伏。工作温度还会影响LD的寿命，LD壳温每升高30 ℃，其使用寿命约要减少一个数量级，通常LD的温度变化应控制在0.05 ℃以内[7]，才能保证在用电流调制LD时，温度的影响不会造成严重的后果。

以往，对于中小功率的LD常采用简单的被动散热或者水冷的方法。这两种方法效果都不太好且都无法达到更进一步的温度控制的目的，即无法设定系统工作在某一特定的温度范围下，而半导体制冷器(TEC)作为温控元件具有较好的控制效果。根据泊尔帖(Peltier)效应，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，控制精度可达到0.05 ℃。电路原理图如图2所示。

3 电源的输出特性

[JP3]电源输出电流值0～1.5 A，工作温度控制精度0.05 ℃，输出电流、工作温度的设定值可方便地连续调节。对一只1 W的半导体激光器，调节注入电流为其阈值电流2倍的情况下连续开关100次，激光器工作正常，输出功率稳定。在连续模式下，外接一个10 Ω的大功率可变电阻充当该电源的负载，设置输出电流0.5 A，改变负载电阻值测输出特性数据，如图3所示。

实验证明，电源能够对LD实施有效的保护，且在某一温度值下电源能够实现恒定的电流输出，输出电流稳定度优于1 mA。

4 结 语

采用恒流源驱动芯片HY6340作为驱动电源的核心部件，通过HY5650对半导体制冷器进行控制，可方便地实现LD的恒温工作，各种保护机制可以对LD实时监控，[CM(21*2]有效地抑制了电源的各种冲击，保证了LD工作的稳定性。其独特的设计与完善的保护使整个电源系统结构简单，成本低廉，性能优异，拥有广阔的市场前景。

参 考 文 献

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作者简介

吕玉祥 男，1964年出生，副教授，硕士生导师。主要从事光电信号检测研究。