大功率半導體激光器電源的設計

摘要：由于半導體激光器的抗干擾能力較差，極其微小的電流變化便會影響到半導體激光器輸出功率與輸出波長的變化。此現象在大功率半導體激光器中尤為明顯。而提高半導體激光器電源驅動穩定性是提高半導體激光性能的主要途徑。傳統電源控制精度較低，操作難度較高。因此，采取必要的措施進行優化極為必要。基于此，本文首先介紹大功率半導體激光器電源的研究現狀。同時，采用了基于DSP技術的方法，從硬件角度出發，分析說明了大功率半導體激光器的電源設計。通過這樣的研究，為相關人員提供技術參考。

關鍵詞：大功率；半導體激光器；電源；控制精度

半導體激光器相較于其他激光器具有更廣泛的波長覆蓋范圍，這對光纖通信的發展起到了重要的推動作用。隨著輸出功率的提高和相干性的優化，半導體激光器在激光掃描、精密測量等領域展現出了巨大潛力。然而，在實際應用中，大功率半導體激光器的抗電流干擾性能較差的缺陷更為明顯。為了改善這一點，需要從電源供電的角度入手，下文將對大功率半導體激光器電源的研究現狀進行說明。

一、大功率半導體激光器電源的研究現狀

半導體激光器在工業生產和高新技術領域中得到了廣泛應用，具有轉換效率高、輕量化、易調制和易集成等特點。大功率半導體激光器（為方便論述，下文簡稱為激光器）的工作原理是通過注入載流子實現的，因此電源供電的穩定性與激光器的輸出存在密切聯系。通常情況下，半導體激光器會采用恒流源電源，此類電源的電流穩定度在0.001左右，且波紋系數較小。此外，激光器為結型器件，抗電沖擊能力較差。據相關統計數據，若激光器突然失效，超過50%概率是因浪涌（突發性瞬態電脈沖）擊穿導致。在激光器工作過程中，電流可達到幾十安培，除設定電壓外，同時也會受到負載電壓、噪聲電壓和輸出電壓的影響。只有消除上述影響，才能確保電源電流的穩定輸出，并進一步提高激光器的性能。

在早期激光器的開發過程中，因供電控制不當，導致許多零部件損壞。所以在當前提高激光器穩定性能的研究主要集中在電源設計方面。已經有很多學者專門針對激光器的電源及控制電路進行研究和制作。此外，文獻[1]中的相關實驗表明，激光器的工作溫度只要提高超過30℃，便會大幅度降低激光器的工作壽命。基于上述分析，可以得出結論，當前亟待解決的問題是如何研究和設計出能夠輸出穩定電流、具有抗電沖擊保護電路、高安全性和小體積的激光器電源。

根據當前激光器電源研究的現狀分析，從結構的角度來看，電源控制電路可以分為三類：①模擬控制電路。此類電路的原理是利用分立元件或較小規模的集成電路制作調節器，從而調節電源的輸出電壓、電流及功率。從上述說明可看出，此類電路的結構較為復雜，需要頻繁進行參數整定，而且改動參數時需要同時改變外接阻容參數，調試難度較大。②數字化控制電路。此類電路的核心為單片機，由于單片機功能以及計算速度的限制，僅能對控制方程進行計算，無法完成類似實時控制等需要大量計算的任務。③本文采用DSP技術的控制電路。DSP技術是當前相關研究領域中的熱門研究方向，能夠極大程度上簡化電路，并采用先進的控制方法提高控制精度，從而提高系統的工作可靠性。下文將對此控制器的主要模塊進行簡要介紹[2]。

二、DSP結構與功能模塊

本文選擇采用的芯片型號為TMS320LF2407A（以下簡稱該芯片）。該芯片是該系列中功能最強、外設最為完整的型號，被廣泛應用于數字電源領域。該芯片具有144個引腳，并可通過JTAG接口連接外部仿真器進行硬件仿真。具體而言，該芯片主要功能模塊包括如下六類。

①CPU處理器內核。該芯片的內核為32位邏輯運算，由算術邏輯單元、32位ACC、輸出位移器構成。其中算術邏輯單元負責整體邏輯運算以及算術功能，可完成16位加法和減法運算，位測試、移位和旋轉，以及布爾邏輯運算。算術邏輯單元每次完成運算時，會將運算結果傳輸至ACC（累加器）中，并在ACC中執行移位或循環操作，此過程中，ACC的內容始終保持不變。此外，內核模塊還包括寄存器算術單元、乘法器以及兩個狀態寄存器，對當前的運行狀態與模式進行記錄。

②事件管理模塊。該芯片中存在兩個事件管理模塊，分別為EVA以及EVB。每個管理模塊包括2個定時器、3個捕獲單元、6個比較單元以及8個十六位PWM信號通道、可編程脈沖倍頻電路。在此模塊中，定時器是被頻繁使用的組件，通過定時器可以設置轉換器數據采集的周期，并為相關電路操作提供時間依據。

③SPI（外設接口）模塊。此模塊是串行的輸入輸出端口，允許傳輸一位至十六位的串行位流。此模塊的總線負責芯片控制器與外部其他部件間的通信，存在四個I/O引腳用于連接。

④GPIO（數字輸入、輸出接口）。該芯片中內置四十一個帶有上拉功能的引腳，為提高芯片靈活性，多數I/O均能夠適用于此功能。

⑤定時器。此模塊用于監控程序和硬件的運行情況。當程序陷入死循環時，定時器會產生系統復位信號，從而提高芯片的可靠性。當寄存器能夠向定時器輸出正確值時，定時器中的相關數據會被清除，若輸入非正確值時，定時器會生成復位密鑰，即WDKEY，導致定時功能失效，并進行系統復位。

⑥PLL時鐘。此模塊屬于芯片內置的模塊，為所有零部件提供時鐘信號，還能降低芯片整體功耗。此類型的時鐘可支持最小0.5倍和最大4倍的預分頻倍頻系數。

三、基于DSP的大功率半導體激光器電源的硬件設計

基于上述分析，可得知激光器電源應當具備穩定的電流輸出，較低的溫度以及較強的電磁兼容性（增強抗電擊性能）。下文基于DSP技術，將簡要介紹整體設計方案、核心電路和恒溫控制電路的EMC設計。

（一）硬件整體設計方案

本文采用DSP芯片型號為TMS320LF2407A，將此芯片作為激光器電源的控制核心。在DSP外部電路的基礎上，通過增加外部器件，實現檢測以及控制功能。這種思路能夠極大程度上簡化硬件電路，使得電源硬件電路具有較強的抗干擾性能，并提高電源電路的集成度。具體而言，本文所設計的硬件電路包括霍爾電流傳感器、單元模塊、DAC輸出、溫度控制電路、液晶部分以及保護電路。

在閉環狀態下， 該電路結構使用霍爾傳感器對激光器電流進行采樣，并按比例縮小，經過精密電阻將電流信號轉換為能夠識別的電壓信號。經過運放電路處理后，電壓信號被放大并輸入到轉換模塊中的ADC模塊，將模擬信號轉換為數字信號，并傳輸到DSP芯片中。

DSP芯片具有較強的運算能力，功耗低、處理速度快，數量多、精度高，能夠實現實時控制。經過DSP芯片的處理，利用DAC輸出電壓來控制電源輸出。輸出電壓經過運放電路和霍爾傳感器進行調整，生成可控制的電壓。由于MOSFET管是電壓控制元件，可以通過柵源電壓來控制通過它的漏電流，從而實現對激光器的電流進行控制。這樣形成了電源的閉環控制系統。

采用DSP芯片作為控制核心，結合霍爾傳感器、運放電路和DAC輸出等外部器件，可以實現對激光器的精確控制，并具有較強的抗干擾性能和較高的集成度。

（二）DSP核心電路

由于該芯片的內核以及I/O等外設端口僅需要3.3V進行供電，考慮到功耗問題，設計方案將該芯片作為控制核心，并將電路電壓控制在3.3V。下文基于此額定電壓，對核心電路的設計方案進行說明。該系統包括時鐘電路、復位保護電路、JTAG接口等，下文便針對上述部位的設計方案進行說明。

1.供電模塊

供電模塊直接影響到激光器電源整體系統的運行，所以此部分需要進行精心設計。本文設計的電路中，除了需要向激光器進行供電外，還需要對監控系統、復位系統進行供電。監控系統指的是對電源電壓進行監控的電路內部部分，當電壓無法滿足需求時，便會產生復位信號，電路系統將會進行復位。具體而言，需要將3.3V電源接入到內核電源、I/O引腳、PLL引腳以及相關編程電源引腳、模擬電路引腳。

由于本文所設計的系統對電流穩定性要求較高且功率消耗較低，所以需要放棄開關電源，選擇LDO電源，即低壓差模擬電源。電源方面，此電路系統使用TPS7333將5V直流電轉換為該芯片需要的3.3V直流電。該轉換器具有較低的電壓差，且在滿負載運行狀態下的低壓差僅有0.4V，靜態電流較低。當輸出電流發生變化時，靜態電流會隨之改變，同時具有0.1%的線性調整能力。利用電源電壓管理器對輸出電壓進行監視，該轉換器還具有51dB的波紋抑制性能。

在具體供電方面，AD轉換模塊則是由模擬電源進行直接供電。VCC連接至3.3V直流電源，VSS引腳連接到模擬電源。轉換模塊的基準電壓由外部電源提供。為保護芯片的相關零構件，電路采用I/O先通電，內核后通電的方式，以此起到保護內核的作用。對于本文所選芯片而言，若采用內核與I/O分別供電的方式，應保證兩者供電時差在1s以內，以防止相關零部件損壞[3]。

2.時鐘電路

該芯片工作時，需要晶振電路提供工作時鐘。可利用PLL模塊為內核提供時鐘信號，具體可通過下述兩種方法：①利用芯片內部的晶振電路，將晶振連接在芯片的X1與X2引腳之間，從而產生源時鐘信號。②利用芯片中的外部振蕩器生成CLKIN信號。具體做法是將外部振蕩器的輸出連接到芯片的XTALL引腳，并保持XTAL2引腳處于懸空狀態。考慮到電路的復雜性，本文選擇采用第二種方法設計時鐘電路。但在時鐘電路中，PLL模塊需要與外部濾波器配合使用，以抑制信號抖動以及電磁干擾。由于濾波器電路中存在較大噪聲，需要根據實踐情況確定電路構成。但根據該芯片的使用手冊中推薦值，推薦電阻取值為1Ω，電容取值為0.015μF和0.68μF。

3.復位保護電路

為確保芯片通電后處于確定的、安全的初始狀態，必須對復位電路進行設計，復位電路的質量直接關乎電源系統后續是否能夠安全使用。本文所設計的系統中，復位功能由其中的定時器實現，通過電壓比較功能對穩壓器工作過程中產生的電壓進行檢測。若電壓低于設定閾值，則進行復位操作。由于該芯片在通電時，輸出電壓與輸入電壓之間會存在追蹤現象，追蹤過程會產生200MS延遲。延遲后，TPS733中的RESET引腳會轉變為高電平。所以，本電路中將此延遲作為復位信號，以確保電壓穩定后經過200MS才撤銷復位信號。

除上述自動復位功能外，本系統中還設置了手動復位方式。當芯片工作穩定時，RESET引腳處于高電平狀態。按下開關時，RESET引腳會處于低電平狀態，進而產生復位信號。為防止電源電壓緩慢下降與“電源毛刺”問題，在其中增加了二極管放電回路。即便電源存在毛刺問題，也能夠順利進行復位[1]。

4.JTAG接口

該芯片中的JTAG接口符合IEEE1149.1標準，具體原理為通過接口將程序下載至芯片中，并通過JTAG調試來捕獲相關功能與數據。此外，芯片還可以通過寄存器中的程序來控制引腳、總線以及I/O接口。在電路連接方面，將EMU（仿真引腳）1與EMU0分別通過電阻值為4.7Ω的上拉電阻連接至VCC。

（三）恒溫控制電路

為保證激光器在供電過程中的溫度不會對工作壽命產生影響，應采取相關措施對電路中的溫度進行控制。本系統采用TEC（熱電制冷器）來控制電路溫度，具體型號為TEC5V6A101。從功能控制的角度分析，溫度控制的具體電路功能需要包括溫度數據的采集與控制。

1.數據采集

溫度數據采集方面，本系統采用型號為DS18B20的溫度傳感器。該傳感器的溫度數據采集步驟如下：①初始化后會自動檢測該溫度傳感器是否存在，若存在進入下一步。②進行ROM操作命令。③進行RAM操作命令。④讀取溫度值。⑤返回至第①步，重新進行數據采集[4]。

當總線中僅存在一個元件時，該溫度傳感器會通過如下步驟進行溫度數據采集：①復位，發送CChSKIP ROM命令。②進行溫度轉換。③重新進行①步驟。④發送BEH存儲器命令。⑤讀出字節數據，即具體溫度值。

2.溫度控制

除了需要對環境溫度進行檢測外，還需對激光器中的KTP晶體、Nd：YAG晶體以及LBO晶體的溫度進行調節與控制。根據帕爾貼效應的原理，當TEC元件中有直流電通過時候，不同材料表面將會出現吸熱以及放熱現象，且吸熱面與放熱面的位置與電流方向相同。所以可以通過對電流的控制，實現對激光器內部溫度的調節與控制。通過TEC元件能夠實現對電流方向及磁場方面的調整。

在本系統中，溫度控制電路將TEC（熱電汽）設定為脈寬調制（PWM）工作方式，這種方式能夠有效提高電源的工作效率。系統中的芯片會產生四路脈沖信號，通過反相器后連接至TEC的TEMPSP（P3）引腳上，該引腳用于設定溫度。當該引腳懸空時，TEC的P2引腳會產生3V的輸出電壓，如此一來P3引腳便會被限制在3V以下。P10與P11分別和熱敏電阻（型號為ATH10KR8）進行連接，P1為正常指示引腳。當引腳懸空時，電路中對應的電壓為1.5V，表示溫度為25℃（P3引腳）。P8引腳是實際測得的激光器溫度值，以電壓信號的形式表示。這部分電壓范圍在5V以下，0.1V以上，對應的溫度為15℃以上，50℃以下。輸出電壓經過緩沖器后連接至ADC引腳，通過轉換器將電壓信號轉換為數字信號，進而在顯示屏中顯示工作溫度，以此形成反饋系統。工作人員可根據顯示的工作溫度，調整不同引腳的位置或直接調整電流、電壓，以控制激光器內部的溫度。

四、結束語

綜上所述，為提高激光器的工作壽命與穩定性，本文從激光器電源的研究現狀入手，分析了激光器電源與激光器性能之間的關系，并基于DSP技術從硬件電路的角度提出了大功率半導體激光器電源的電路設計方案。相關人員可從此入手，提高激光器的工作壽命與穩定性。

作者單位：苗毅杰 中國科學院空天信息創新研究院

中國科學院大學光電學院

參? 考? 文? 獻

[1]高嘉澤. 大電流窄脈寬半導體激光器電源系統研究[D].長春工業大學，2021.

[2]楊江濤，王健安，胡嘯. 新型高性能半導體激光器電源的設計與研究[J]. 電子器件，2021，44（04）：817-823.

[3]鐘緒浪，鄧俊浩，李小婷. 主動控溫半導體激光器電源系統研究[J]. 應用激光，2021，41（03）：608-613.

[4]田亞玲，李創社，張朝陽. 高穩定度半導體激光器電源[J]. 應用激光，2020，40（04）：740-744.