一种半导体激光驱动电源的研究设计

蹇治权

摘要：本文提出了一种新的半导体激光器驱动电源的设计方法，研制出一种纹波小，稳定性高，工作温度恒定，输出功率稳定并可调节的半导体激光器驱动电源，具有很好的应用前景。

关键词：半导体激光器  驱动电源 纹波

引言

随着机器人技术的飞速发展，机器人视觉系统的研究和开发已经成为了智能机器人领域的一个非常重要的研究课题，并获得了迅速的发展。机器人视觉系统需要一种高稳定性的准直相干光束，光束的质量将直接影响系统的质量。由于机器人视觉系统具有结构紧凑等特点，一般选用半导体激光器作为相干光源[1]。半导体激光器相对于常用的气体激光器有着体积小、重量轻、价格便宜、性能稳定等优点，而且半导体激光器的输出功率可以调节和控制，因此半导体激光器在实际应用中更多的取代了气体激光器，在光纤通讯、测量、激光打印以及条形码扫描等领域发挥了极为重要的作用[2]，并在物体表面形貌测量等新兴研究领域有着更加广泛的应用[3][4]。研究和改进半导体激光器的性能，使之达到气体激光器的标准，已经成为国内外研究的热点问题[5]。

半导体激光驱动电源的性能要求

1.电源输出电流

电流的变化会改变半导体材料的折射率，从激光器输出功率与注入电流的关系曲线中我们也可以看到，当注入电流发生变化时，激光器的输出功率线性变化。因此，半导体激光器对电源的第一个要求是注入稳定的电流或者提供稳定的电压。 要使得注入电流稳定，就要在电源电路的设计中尽量降低纹波系数，滤除电路中的交流分量，消除电源电路中存在的噪声和纹波干扰。如果电源中出现浪涌，不但会对激光器的输出造成影响，还会损坏半导体激光器，因此消除浪涌也是激光器驱动电源设计中一个重要环节。

2.温度变化

温度的变化也会影响激光器的输出功率，还会缩短激光器的工作寿命。因此，我们还要设计一个温度控制装置，使半导体激光器在恒温下工作。

半导体激光驱动电源的设计

1系统框架设计

半导体激光器驱动电源主要包括输入滤波电路，前级AC-DC电路，后级DC-DC电路，输出滤波电路，控制电路4个部分。图1为驱动电源的系统框图。

该电路前面部分为常规开关电源的整流和滤波环节，采用二极管组成电桥将变压器输出端的交流电转换成直流电，然后通过稳压芯片将电压稳定在我们所需要的范围，再利用一个LC型滤波网络来消除电路中的纹波。

2滤波电路设计

驱动电源中输出滤波网络不但可以减小电路中存在的纹波，还能进一步消除浪涌对激光器的损害，选用常见的LC滤波电路，图2为LC滤波电路的原理图：

LC滤波器的传递函数为：

该网络是一个二阶振荡环节，当频率大于其转折频率时，信号开始衰减，所以选择合适的滤波器转折频率至关重要。

3 控制电路设计

半导体激光器对其驱动电源的输出电流纹波参数十分敏感，需要对其主要电路拓扑结构的控制算法进行改进。采用定电流（Constant Current， CC）带定电压（Constant Voltage， CV）控制。CC带CV控制有两条控制环路，分别是电感电流环和输出电压环，CC环和CV环交替工作。

结论

简要介绍了半导体激光器对其驱动电源的相关性能要求，结合国内外相关技术和激光器自身特性，设计了一套具有良好的稳定性的驱动电源，在传统的定电压控制上加入了定电流控制，确保整个系统的输出电流的稳定性，保障半导体激光器的运行可靠性。

参考文献

1  戴士杰，崔庆华，岳宏，蔡鹤皋.  新型机器人视觉系统准直相干光束的获取.  红外与激光工程， 2002， 31（5）：437-440

2  王佳，  俞信.  自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述.  光学技术， 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，  顾彪，徐茵，秦福文.  GaN 基材料半导体激光器综述.  激光技术，

2003， 27（4）： 321-327