大功率半导体激光器电源的设计

摘要：由于半导体激光器的抗干扰能力较差，极其微小的电流变化便会影响到半导体激光器输出功率与输出波长的变化。此现象在大功率半导体激光器中尤为明显。而提高半导体激光器电源驱动稳定性是提高半导体激光性能的主要途径。传统电源控制精度较低，操作难度较高。因此，采取必要的措施进行优化极为必要。基于此，本文首先介绍大功率半导体激光器电源的研究现状。同时，采用了基于DSP技术的方法，从硬件角度出发，分析说明了大功率半导体激光器的电源设计。通过这样的研究，为相关人员提供技术参考。

关键词：大功率；半导体激光器；电源；控制精度

半导体激光器相较于其他激光器具有更广泛的波长覆盖范围，这对光纤通信的发展起到了重要的推动作用。隨着输出功率的提高和相干性的优化，半导体激光器在激光扫描、精密测量等领域展现出了巨大潜力。然而，在实际应用中，大功率半导体激光器的抗电流干扰性能较差的缺陷更为明显。为了改善这一点，需要从电源供电的角度入手，下文将对大功率半导体激光器电源的研究现状进行说明。

一、大功率半导体激光器电源的研究现状

半导体激光器在工业生产和高新技术领域中得到了广泛应用，具有转换效率高、轻量化、易调制和易集成等特点。大功率半导体激光器（为方便论述，下文简称为激光器）的工作原理是通过注入载流子实现的，因此电源供电的稳定性与激光器的输出存在密切联系。通常情况下，半导体激光器会采用恒流源电源，此类电源的电流稳定度在0.001左右，且波纹系数较小。此外，激光器为结型器件，抗电冲击能力较差。据相关统计数据，若激光器突然失效，超过50%概率是因浪涌（突发性瞬态电脉冲）击穿导致。在激光器工作过程中，电流可达到几十安培，除设定电压外，同时也会受到负载电压、噪声电压和输出电压的影响。只有消除上述影响，才能确保电源电流的稳定输出，并进一步提高激光器的性能。

在早期激光器的开发过程中，因供电控制不当，导致许多零部件损坏。所以在当前提高激光器稳定性能的研究主要集中在电源设计方面。已经有很多学者专门针对激光器的电源及控制电路进行研究和制作。此外，文献[1]中的相关实验表明，激光器的工作温度只要提高超过30℃，便会大幅度降低激光器的工作寿命。基于上述分析，可以得出结论，当前亟待解决的问题是如何研究和设计出能够输出稳定电流、具有抗电冲击保护电路、高安全性和小体积的激光器电源。

根据当前激光器电源研究的现状分析，从结构的角度来看，电源控制电路可以分为三类：①模拟控制电路。此类电路的原理是利用分立元件或较小规模的集成电路制作调节器，从而调节电源的输出电压、电流及功率。从上述说明可看出，此类电路的结构较为复杂，需要频繁进行参数整定，而且改动参数时需要同时改变外接阻容参数，调试难度较大。②数字化控制电路。此类电路的核心为单片机，由于单片机功能以及计算速度的限制，仅能对控制方程进行计算，无法完成类似实时控制等需要大量计算的任务。③本文采用DSP技术的控制电路。DSP技术是当前相关研究领域中的热门研究方向，能够极大程度上简化电路，并采用先进的控制方法提高控制精度，从而提高系统的工作可靠性。下文将对此控制器的主要模块进行简要介绍[2]。

二、DSP结构与功能模块

本文选择采用的芯片型号为TMS320LF2407A（以下简称该芯片）。该芯片是该系列中功能最强、外设最为完整的型号，被广泛应用于数字电源领域。该芯片具有144个引脚，并可通过JTAG接口连接外部仿真器进行硬件仿真。具体而言，该芯片主要功能模块包括如下六类。

①CPU处理器内核。该芯片的内核为32位逻辑运算，由算术逻辑单元、32位ACC、输出位移器构成。其中算术逻辑单元负责整体逻辑运算以及算术功能，可完成16位加法和减法运算，位测试、移位和旋转，以及布尔逻辑运算。算术逻辑单元每次完成运算时，会将运算结果传输至ACC（累加器）中，并在ACC中执行移位或循环操作，此过程中，ACC的内容始终保持不变。此外，内核模块还包括寄存器算术单元、乘法器以及两个状态寄存器，对当前的运行状态与模式进行记录。

②事件管理模块。该芯片中存在两个事件管理模块，分别为EVA以及EVB。每个管理模块包括2个定时器、3个捕获单元、6个比较单元以及8个十六位PWM信号通道、可编程脉冲倍频电路。在此模块中，定时器是被频繁使用的组件，通过定时器可以设置转换器数据采集的周期，并为相关电路操作提供时间依据。

③SPI（外设接口）模块。此模块是串行的输入输出端口，允许传输一位至十六位的串行位流。此模块的总线负责芯片控制器与外部其他部件间的通信，存在四个I/O引脚用于连接。

④GPIO（数字输入、输出接口）。该芯片中内置四十一个带有上拉功能的引脚，为提高芯片灵活性，多数I/O均能够适用于此功能。

⑤定时器。此模块用于监控程序和硬件的运行情况。当程序陷入死循环时，定时器会产生系统复位信号，从而提高芯片的可靠性。当寄存器能够向定时器输出正确值时，定时器中的相关数据会被清除，若输入非正确值时，定时器会生成复位密钥，即WDKEY，导致定时功能失效，并进行系统复位。

⑥PLL时钟。此模块属于芯片内置的模块，为所有零部件提供时钟信号，还能降低芯片整体功耗。此类型的时钟可支持最小0.5倍和最大4倍的预分频倍频系数。

三、基于DSP的大功率半导体激光器电源的硬件设计

基于上述分析，可得知激光器电源应当具备稳定的电流输出，较低的温度以及较强的电磁兼容性（增强抗电击性能）。下文基于DSP技术，将简要介绍整体设计方案、核心电路和恒温控制电路的EMC设计。

（一）硬件整体设计方案

本文采用DSP芯片型号为TMS320LF2407A，将此芯片作为激光器电源的控制核心。在DSP外部电路的基础上，通过增加外部器件，实现检测以及控制功能。这种思路能够极大程度上简化硬件电路，使得电源硬件电路具有较强的抗干扰性能，并提高电源电路的集成度。具体而言，本文所设计的硬件电路包括霍尔电流传感器、单元模块、DAC输出、温度控制电路、液晶部分以及保护电路。

在闭环状态下， 该电路结构使用霍尔传感器对激光器电流进行采样，并按比例缩小，经过精密电阻将电流信号转换为能够识别的电压信号。经过运放电路处理后，电压信号被放大并输入到转换模块中的ADC模块，将模拟信号转换为数字信号，并传输到DSP芯片中。

DSP芯片具有较强的运算能力，功耗低、处理速度快，数量多、精度高，能够实现实时控制。经过DSP芯片的处理，利用DAC输出电压来控制电源输出。输出电压经过运放电路和霍尔传感器进行调整，生成可控制的电压。由于MOSFET管是电压控制元件，可以通过栅源电压来控制通过它的漏电流，从而实现对激光器的电流进行控制。这样形成了电源的闭环控制系统。

采用DSP芯片作为控制核心，结合霍尔传感器、运放电路和DAC输出等外部器件，可以实现对激光器的精确控制，并具有较强的抗干扰性能和较高的集成度。

（二）DSP核心电路

由于该芯片的内核以及I/O等外设端口仅需要3.3V进行供电，考虑到功耗问題，设计方案将该芯片作为控制核心，并将电路电压控制在3.3V。下文基于此额定电压，对核心电路的设计方案进行说明。该系统包括时钟电路、复位保护电路、JTAG接口等，下文便针对上述部位的设计方案进行说明。

1.供电模块

供电模块直接影响到激光器电源整体系统的运行，所以此部分需要进行精心设计。本文设计的电路中，除了需要向激光器进行供电外，还需要对监控系统、复位系统进行供电。监控系统指的是对电源电压进行监控的电路内部部分，当电压无法满足需求时，便会产生复位信号，电路系统将会进行复位。具体而言，需要将3.3V电源接入到内核电源、I/O引脚、PLL引脚以及相关编程电源引脚、模拟电路引脚。

由于本文所设计的系统对电流稳定性要求较高且功率消耗较低，所以需要放弃开关电源，选择LDO电源，即低压差模拟电源。电源方面，此电路系统使用TPS7333将5V直流电转换为该芯片需要的3.3V直流电。该转换器具有较低的电压差，且在满负载运行状态下的低压差仅有0.4V，静态电流较低。当输出电流发生变化时，静态电流会随之改变，同时具有0.1%的线性调整能力。利用电源电压管理器对输出电压进行监视，该转换器还具有51dB的波纹抑制性能。

在具体供电方面，AD转换模块则是由模拟电源进行直接供电。VCC连接至3.3V直流电源，VSS引脚连接到模拟电源。转换模块的基准电压由外部电源提供。为保护芯片的相关零构件，电路采用I/O先通电，内核后通电的方式，以此起到保护内核的作用。对于本文所选芯片而言，若采用内核与I/O分别供电的方式，应保证两者供电时差在1s以内，以防止相关零部件损坏[3]。

2.时钟电路

该芯片工作时，需要晶振电路提供工作时钟。可利用PLL模块为内核提供时钟信号，具体可通过下述两种方法：①利用芯片内部的晶振电路，将晶振连接在芯片的X1与X2引脚之间，从而产生源时钟信号。②利用芯片中的外部振荡器生成CLKIN信号。具体做法是将外部振荡器的输出连接到芯片的XTALL引脚，并保持XTAL2引脚处于悬空状态。考虑到电路的复杂性，本文选择采用第二种方法设计时钟电路。但在时钟电路中，PLL模块需要与外部滤波器配合使用，以抑制信号抖动以及电磁干扰。由于滤波器电路中存在较大噪声，需要根据实践情况确定电路构成。但根据该芯片的使用手册中推荐值，推荐电阻取值为1Ω，电容取值为0.015μF和0.68μF。

3.复位保护电路

为确保芯片通电后处于确定的、安全的初始状态，必须对复位电路进行设计，复位电路的质量直接关乎电源系统后续是否能够安全使用。本文所设计的系统中，复位功能由其中的定时器实现，通过电压比较功能对稳压器工作过程中产生的电压进行检测。若电压低于设定阈值，则进行复位操作。由于该芯片在通电时，输出电压与输入电压之间会存在追踪现象，追踪过程会产生200MS延迟。延迟后，TPS733中的RESET引脚会转变为高电平。所以，本电路中将此延迟作为复位信号，以确保电压稳定后经过200MS才撤销复位信号。

除上述自动复位功能外，本系统中还设置了手动复位方式。当芯片工作稳定时，RESET引脚处于高电平状态。按下开关时，RESET引脚会处于低电平状态，进而产生复位信号。为防止电源电压缓慢下降与“电源毛刺”问题，在其中增加了二极管放电回路。即便电源存在毛刺问题，也能够顺利进行复位[1]。

4.JTAG接口

该芯片中的JTAG接口符合IEEE1149.1标准，具体原理为通过接口将程序下载至芯片中，并通过JTAG调试来捕获相关功能与数据。此外，芯片还可以通过寄存器中的程序来控制引脚、总线以及I/O接口。在电路连接方面，将EMU（仿真引脚）1与EMU0分别通过电阻值为4.7Ω的上拉电阻连接至VCC。

（三）恒温控制电路

为保证激光器在供电过程中的温度不会对工作寿命产生影响，应采取相关措施对电路中的温度进行控制。本系统采用TEC（热电制冷器）来控制电路温度，具体型号为TEC5V6A101。从功能控制的角度分析，温度控制的具体电路功能需要包括温度数据的采集与控制。

1.数据采集

温度数据采集方面，本系统采用型号为DS18B20的温度传感器。该传感器的温度数据采集步骤如下：①初始化后会自动检测该温度传感器是否存在，若存在进入下一步。②进行ROM操作命令。③进行RAM操作命令。④读取温度值。⑤返回至第①步，重新进行数据采集[4]。

当总线中仅存在一个元件时，该温度传感器会通过如下步骤进行温度数据采集：①复位，发送CChSKIP ROM命令。②进行温度转换。③重新进行①步骤。④发送BEH存储器命令。⑤读出字节数据，即具体温度值。

2.温度控制

除了需要对环境温度进行检测外，还需对激光器中的KTP晶体、Nd：YAG晶体以及LBO晶体的温度进行调节与控制。根据帕尔贴效应的原理，当TEC元件中有直流电通过时候，不同材料表面将会出现吸热以及放热现象，且吸热面与放热面的位置与电流方向相同。所以可以通过对电流的控制，实现对激光器内部温度的调节与控制。通过TEC元件能够实现对电流方向及磁场方面的调整。

在本系统中，温度控制电路将TEC（热电汽）设定为脉宽调制（PWM）工作方式，这种方式能够有效提高电源的工作效率。系统中的芯片会产生四路脉冲信号，通过反相器后连接至TEC的TEMPSP（P3）引脚上，该引脚用于设定温度。当该引脚悬空时，TEC的P2引脚会产生3V的输出电压，如此一来P3引脚便会被限制在3V以下。P10与P11分别和热敏电阻（型号为ATH10KR8）进行连接，P1为正常指示引脚。当引脚悬空时，电路中对应的电压为1.5V，表示温度为25℃（P3引脚）。P8引脚是实际测得的激光器温度值，以电压信号的形式表示。这部分电压范围在5V以下，0.1V以上，对应的温度为15℃以上，50℃以下。输出电压经过缓冲器后连接至ADC引脚，通过转换器将电压信号转换为数字信号，进而在显示屏中显示工作温度，以此形成反馈系统。工作人员可根据显示的工作温度，调整不同引脚的位置或直接调整电流、电压，以控制激光器内部的温度。

四、结束语

综上所述，为提高激光器的工作寿命与稳定性，本文从激光器电源的研究现状入手，分析了激光器电源与激光器性能之间的关系，并基于DSP技术从硬件电路的角度提出了大功率半导体激光器电源的电路设计方案。相关人员可从此入手，提高激光器的工作寿命与稳定性。

作者单位：苗毅杰 中国科学院空天信息创新研究院

中国科学院大学光电学院

参  考  文  献

[1]高嘉泽. 大电流窄脉宽半导体激光器电源系统研究[D].长春工业大学，2021.

[2]杨江涛，王健安，胡啸. 新型高性能半导体激光器电源的设计与研究[J]. 电子器件，2021，44（04）：817-823.

[3]钟绪浪，邓俊浩，李小婷. 主动控温半导体激光器电源系统研究[J]. 应用激光，2021，41（03）：608-613.

[4]田亚玲，李创社，张朝阳. 高稳定度半导体激光器电源[J]. 应用激光，2020，40（04）：740-744.