一種半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源的研究設(shè)計(jì)

蹇治權(quán)

摘要：本文提出了一種新的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法，研制出一種紋波小，穩(wěn)定性高，工作溫度恒定，輸出功率穩(wěn)定并可調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器? 驅(qū)動(dòng)電源 紋波

引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人視覺系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)成為了智能機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的研究課題，并獲得了迅速的發(fā)展。機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要一種高穩(wěn)定性的準(zhǔn)直相干光束，光束的質(zhì)量將直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量。由于機(jī)器人視覺系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，一般選用半導(dǎo)體激光器作為相干光源[1]。半導(dǎo)體激光器相對(duì)于常用的氣體激光器有著體積小、重量輕、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且半導(dǎo)體激光器的輸出功率可以調(diào)節(jié)和控制，因此半導(dǎo)體激光器在實(shí)際應(yīng)用中更多的取代了氣體激光器，在光纖通訊、測(cè)量、激光打印以及條形碼掃描等領(lǐng)域發(fā)揮了極為重要的作用[2]，并在物體表面形貌測(cè)量等新興研究領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用[3][4]。研究和改進(jìn)半導(dǎo)體激光器的性能，使之達(dá)到氣體激光器的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[5]。

半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源的性能要求

1.電源輸出電流

電流的變化會(huì)改變半導(dǎo)體材料的折射率，從激光器輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線中我們也可以看到，當(dāng)注入電流發(fā)生變化時(shí)，激光器的輸出功率線性變化。因此，半導(dǎo)體激光器對(duì)電源的第一個(gè)要求是注入穩(wěn)定的電流或者提供穩(wěn)定的電壓。 要使得注入電流穩(wěn)定，就要在電源電路的設(shè)計(jì)中盡量降低紋波系數(shù)，濾除電路中的交流分量，消除電源電路中存在的噪聲和紋波干擾。如果電源中出現(xiàn)浪涌，不但會(huì)對(duì)激光器的輸出造成影響，還會(huì)損壞半導(dǎo)體激光器，因此消除浪涌也是激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2.溫度變化

溫度的變化也會(huì)影響激光器的輸出功率，還會(huì)縮短激光器的工作壽命。因此，我們還要設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制裝置，使半導(dǎo)體激光器在恒溫下工作。

半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源主要包括輸入濾波電路，前級(jí)AC-DC電路，后級(jí)DC-DC電路，輸出濾波電路，控制電路4個(gè)部分。圖1為驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)框圖。

該電路前面部分為常規(guī)開關(guān)電源的整流和濾波環(huán)節(jié)，采用二極管組成電橋?qū)⒆儔浩鬏敵龆说慕涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電，然后通過穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在我們所需要的范圍，再利用一個(gè)LC型濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)消除電路中的紋波。

2濾波電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電源中輸出濾波網(wǎng)絡(luò)不但可以減小電路中存在的紋波，還能進(jìn)一步消除浪涌對(duì)激光器的損害，選用常見的LC濾波電路，圖2為L(zhǎng)C濾波電路的原理圖：

LC濾波器的傳遞函數(shù)為：

該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，當(dāng)頻率大于其轉(zhuǎn)折頻率時(shí)，信號(hào)開始衰減，所以選擇合適的濾波器轉(zhuǎn)折頻率至關(guān)重要。

3 控制電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流紋波參數(shù)十分敏感，需要對(duì)其主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制算法進(jìn)行改進(jìn)。采用定電流（Constant Current， CC）帶定電壓（Constant Voltage， CV）控制。CC帶CV控制有兩條控制環(huán)路，分別是電感電流環(huán)和輸出電壓環(huán)，CC環(huán)和CV環(huán)交替工作。

結(jié)論

簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體激光器對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的相關(guān)性能要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和激光器自身特性，設(shè)計(jì)了一套具有良好的穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)電源，在傳統(tǒng)的定電壓控制上加入了定電流控制，確保整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流的穩(wěn)定性，保障半導(dǎo)體激光器的運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)

1? 戴士杰，崔慶華，岳宏，蔡鶴皋.? 新型機(jī)器人視覺系統(tǒng)準(zhǔn)直相干光束的獲取.? 紅外與激光工程， 2002， 31（5）：437-440

2? 王佳，? 俞信.? 自由空間光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向綜述.? 光學(xué)技術(shù)， 2005， 31（2）： 259-265

3? X.? Z.? Wang，? O.? Sasakietal.? Measurement? of? Small? Vibration? Amplitudes? of? a Rough Surface by an Interferometer with a Self-pumped Phase-conjugate Mirror [J]. Appl. Opt.， 2000（39）： 4593-4597

4? X.? Z.? Wang，? O.? Sasakietal.? Sinusoidal? Phase-modulating? Fizeau? Interferometer Using a Self-pumped Phase-conjugate for Surface Profile Measurements [J]. Opt. Eng.， 1994（33）： 2670-2674

5? 郎佳紅，? 顧彪，徐茵，秦福文.? GaN 基材料半導(dǎo)體激光器綜述.? 激光技術(shù)，

2003， 27（4）： 321-327