高温环境下高功率半导体激光器驱动电源设计

半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD），近年来随着半导体激光技术的日趋成熟，半导体激光器的应用范围也越来越广泛[1]。由于半导体激光器具有体积小、质量轻、电光转换效率高和寿命长等优点，因此在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示、激光照明、激光医疗等民用领域，以及激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域得到广泛应用[1]。除了可以直接利用外，也可以用作二极管泵浦固体激光器（diode pump solid state laser，DPSSL）及光纤激光器的泵浦源。
 
系统组成
大功率半导体激光器驱动电源系统采用模块化的设计思路，这样如果系统中的某个模块出现问题，不会影响到其他模块的工作，同时也有利于系统的调试和维护。
恒流源：驱动半导体激光器模块，通过调节驱动电流的大小，控制输出激光功率的大小。
TEC双向温度控制器：通过加热或者制冷的方式，控制半导体激光器工作在给定温度。 恒流源
该半导体激光器模块的驱动电流、电压和激光功率输出特性曲线如图3所示。恒流源功能框图如图4所示。
恒流源的设计除了考虑驱动半导体激光器以外，还需要考虑激光器的保护。本小节主要介绍激光器的恒流源驱动，后面第5小节专门介绍激光器的保护。
半导体激光器本质上是电流型器件，因此其驱动采用恒流源。设计中恒流源的最大输出电流限定到45A,大功率MOSFET作为电流调整器件。恒流源利用电流闭环负反馈原理来稳定输出电流,其组成包括：DC/DC电压变换器、电流给定输入电路、误差比较放大电路、电流采样、电流调节输出电路和保护电路等部分组成。 双向温度控制器
半导体激光器的激光输出波长与其工作温度有关,温度变化时,激光器输出波长也会随之变化。因此要保证激光器具有稳定的波长输出,就必须使其工作在稳定的温度下。
TEC热电温度控制系统设计主要包括：热负载分析、TEC选择、温度传感器选择、温控器设计、散热器设计、风机选择、风道设计以及合理的装配。
 
单片机控制器
控制器软件采用C51语言进行模块化设计，主要包括主程序和中断响应子程序两部分。其中主程序实现对系统的初始化、软启动、软关断、急停按键扫描、实际LD电流检测、实际LD温度检测、接收上位机指令和反馈系统状态等。
 
半导体激光器的保护
半导体激光器模块是整个系统中的核心器件且比较贵重，因此为了避免时间和经济上损失，需要对其设计完善的保护电路[9]。能够导致半导体激光器失效的因素主要有电流冲击、过流、过温、反向电压和静电释放（ESD）。
半导体激光器是一种结型器件，浪涌使半导体激光器瞬时承受过电压而可使PN结击穿，在瞬时过电压下的正向过电流所产生的光功率可以使解理面损伤，即使在数纳秒的时间内超过半导体激光器最大允许电流，也会使其损坏。对电流冲击的保护措施主要利用软启动或软关断来实现，在激光器电流给定的输入端的R、C积分电路，使电流给定信号以缓升或缓降的方式给定；同时在单片机控制器软件中也加入了软启动和软关断，比如当关闭半导体激光器输出时，控制器以一个较小的步距逐步把激光器电流降到0。
 
结论
介绍了基于CPLD的C8051F单片机高速数据采集系统的设计方法，详细阐述了CPLD各模块的设计方法，通过时序仿真验证了系统设计的正确性与可行性。该系统在实践中应用于某项目的爆炸压力信号的测量中，实现了数据的采集存储与读取。试验结果证明，该系统能够满足空间狭小的测试环境和高速采集的要求，稳定可靠。