大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计

大功率半导体激光器具有波长范围广、效率高、寿命长等特点，在皮肤治疗、手术治疗肿瘤、光针灸等医学领域应用广泛，另外，大功率激光器在工业生产和军事国防等行业同样有着广泛的应用，如材料加工和激光测距等。大功率半导体激光器价格昂贵，其输出波长和功率与驱动电流、结温度有很大关系，同时浪涌电流以及电网冲击等多种瞬态的电压或电流尖峰都很容易损坏激光器，缩短其使用寿命，因此对半导体激光器的驱动电源和温控系统有很高的要求。
 
系统总体设计
系统总体设计方案如图1所示，主要包括恒流驱动、温度控制以及微处理器系统。恒流驱动系统主要包括模拟信号输入、信号调理、恒流单元、电流检测、限流保护、晶体管-晶体管逻辑(Transistor-TransistorLogic，TTL)信号输入、软件保护。温度控制系统包括温度测量、温度设置及比例-积分(Proportional-Integral，PI)控制、半导体制冷器(ThermoelectricCooler，TEC)驱动。该设计采用STM32为微处理器，系统的供电电源根据半导体激光器的伏安特性、工作电流、TEC制冷量大小等参数综合考虑选择。 恒流驱动系统设计
恒流驱动系统的设计如图2所示，按功能可大致分为以下几个模块：模拟信号输入、信号调理、恒流单元、电流检测、限流保护、TTL信号输入、软件保护、假负载。下面就各个模块的设计和工作原理做详细介绍。 模拟信号输入
模拟信号输入用来设置恒流驱动源的工作电流的大小，既可通过系统内部微处理器的D/A信号来提供，也可以将此接口留给用户，由外部接入一个模拟信号。模拟开关MAX4544，即用来选择模拟信号输入是由内部微处理器还是由外部信号来提供。当MAX4544的1脚Laser-On为低电平时，4脚和5脚导通，选择外部信号；当Laser-On为高电平时，6脚和5脚导通，选择内部微处理器信号。
 
信号调理
为了使模拟信号输入和输出驱动电流之间有一个线性对应关系，设计了信号调理电路，用来调节线性倍数，模拟输入信号经过R7和R11分压，然后经过AD822跟随，接着再经过R8、R9和滑动变阻器RP2进行分压，产生恒流单元的控制信号Vset。
 
恒流单元
恒流单元是驱动系统的核心部分，采用电流串联负反馈原理[6-8]。Vset信号用于设置恒流源的工作电流，设定值为Vset/RB4，其中RB4为采样电阻。
 
电流检测
电流检测单元用于检测恒流驱动电源工作电流的大小，Rs为总工作电流采样电阻，R1、R3、R4、R5组成差分放大电路，放大采样电阻Rs两端的电压，R2、U1B和滑动变阻器RP1组成放大倍数可调的同相放大电路，放大过的电压，送给微处理器A/D口进行模数转换，再经过计算，得出电路的总电流。
 
限流保护
为了使恒流驱动电源工作在一定的范围内，设计了限流保护电路[9]。限流保护电路由R19、RP3、R12、U2B和D2组成，调节RP3的阻值，使U2B的同相输入端设定一个阈值电压Up，当二极管右端的电压大于Up时，被二极管拉低到Up，当二极管右端的电压小于Up时，电压保持不变，这样就能使控制恒流源的信号不超过Up，起到保护电路的作用。
 
TTL信号输入
为了能够使恒流驱动电源工作在脉冲模式，设计了TTL信号输入电路。TTL信号可以是外部输入，也可由系统内部微处理器提供。
 
软件保护
本设计除了硬件限流保护外，还设计了软件保护电路。
 
假负载
由于激光器价格昂贵，对电源系统要求高，而二极管便宜耐用且导通特性和激光器类似，故采用二极管作为假负载模拟大功率激光器，二极管的型号选择DSEI60-12A快恢复二极管，该二极管能承受的反向峰值电压是1200V，最佳通过电流能力是52A，二极管在流过大电流时会产生热量，需要将二极管固定在散热器上进行散热。
 
温控系统设计
为使大功率半导体激光器工作在稳定温度，配合所设计恒流驱动电源工作，设计了温控系统。所设计的温控系统如图3所示。主要由测温电路、温度设置及PI电路、TEC驱动电路组成，下面分别介绍各部分的工作原理。 文中设计并制作了一套大功率的激光泵浦源控制系统。采用数字控制方式，使驱动电源智能化程度高，操作方便；采用两路独立的压控恒流源并联结构增强了电源输出能力，提高电源的可靠性，同时具有限流保护、电流检测、TTL调制等多种功能，其输出电流可以在0~12.5A范围内连续可调，温控精度可达±0.05°C。实验结果表明：该系统达到了设计要求目标，能够满足大功率半导体激光器的恒流驱动和温度的控制要求，具有重要的实用意义。