基于MAX1968的半导体激光电源设计

半导体激光器（Laser Device，LD）作为一种新型激光光源以其小型高效结构简单、价格便宜等优点，在通讯、医疗和测量等各个领域得到了越来越广泛的应用。激光电源是激光装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到整个激光器装置的技术指标。所以激光电源的开发设计与改进就显得尤为重要。最初的半导体激光器采用直流线性电源和RC 充电电路，这种电源效率不高，体积和重量较大。利用专用的驱动芯片和微处理器控制技术， 能有效地提高激光电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件。随着半导体激光器与电子技术的发展， 有关LD 驱动电源性能的研究越来越受到人们的重视，专用电源驱动芯片不断出现，数字化控制技术逐步得到应用，性能优异的驱动电源为半导体激光器技术的发展提供了必要条件。

　　1 半导体激光电源的设计分析

　　1.1 元器件的选用。

　　元器件直接决定电源的可靠性，故元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下4 个方面：

　　1）制造质量问题质量问题造成的失效与电应力无关。

　　质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。

　　2）元器件可靠性问题元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于电应力。在一定的电应力下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：电阻在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品；普通电容器在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。接插件按技术条件抽样检测各种参数；半导体器件按以下程序进行筛选：目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试。

　　3）设计问题设计方面的不完善可进行人为的改善，首先须恰当选用合适的元器件，其次须优化设计电路。选用合适元器件可从以下几点着手：尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件；多采用集成电路，减少分立器件的数目；输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管；应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件；吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。

　　4）损耗问题损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关。

　　1.2 电路保护设置

　　为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作， 应设置多种保护电路，如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。对于激光电源而言，主要是抑制干扰源。干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、接地技术、密封技术等。良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积； 缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管； 脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离；控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以不要采用大面积接地方式； 必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上；采用多只低ESR（等效串联电阻）的电容并联滤波；相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角，禁止环形走线。

　　1.3 电源设备可靠性热设计

　　温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2 ℃， 可靠性下降10％；温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升，这就是热设计。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷（自然对流和强迫风冷）、液冷（水、油）、热电致冷、热管等方法。

　　1.4 安全性设计

　　对于电源而言， 安全性历来被确定为最重要的性能之一，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件（散热器、机壳等），当环境温度为25 ℃时，其最高温度不应超过60 ℃，面板和手动调节部分的最高温度不超过50 ℃。

　　2 系统总体方案设计

　　2.1 总体实现框图

　　基于上述设计的考虑，设计了如图1 所示的系统总体实现框图。

 

图1 系统设计框图

　　2.2 框图说明

　　模块电源：将220 V 的交流输入转变为5 V4 A 或者12 V的直流输出，给激光电源供电。

　　滤波调压：通过电容接地滤除干扰，使输入波形完整。同时通过电位器调节集成运放的输入电压。

　　恒流电路：通过电流反馈将输出电流稳定在3.3 A。

　　TTL 控制：用来输入TTL 电平，控制输出一个同频率的2 V3.3 A 的脉冲信号。

　　传感器：进行温度采样，转换为电压输出。

　　比例电路：将传感器输入的电压信号进行一定比例的转换，使其满足TEC 驱动电路的工作电压。

　　比较电路：将比例调节电路的输出与基准电压（1.2～2.5 V 根据传感器的工作性能设定）进行比较，超出此范围发出警报信号。

　　TEC 驱动：根据比例调节电路输出的电压来控制TEC 内部电流的方向，从而调节TEC 的制冷或者制热功能。

　　TEC：根据驱动状态来对激光器进行制冷或者制热，使其温度稳定。

　　报警电路： 接受比较电路的输出电压与极限电压比较，如有超出则发出一个警报信号，通过蜂鸣器发出警报，同时电源停止工作。

　　2.3 实现功能

　　该电路可以将市电的220 V 交流电通过滤波调压电路和恒流稳压电路转换为稳定的2 V3.3 A 的恒流输出， 用以给激光器供电。在有TTL 信号输入的情况下，通过TTL 信号以及光电耦合器件来控制Q2（T092C）的导通与截止，使整个电路可以输出一个与TTL 信号同频率的峰值为2V 3.3 A 的脉冲输出。

　　电路正常工作时，传感器对激光器的温度状况实时监控。如果温度偏高，高于25 ℃，则传感器的电压大于3 V，则比例电路的输出大于1.5 V， 一方面， 将此电压传递给TEC 驱动，则其输出Vos1＞Vos2，TEC 制冷， 导致激光器的温度降低； 另一方面， 将比例电路的输出传递给比较电路，当电压大于2.5 V 时， 输出一个高电平信号作为警报信号，同时此信号传递给恒流电路，使电路不工作。反之，工作原理一样。