半導(dǎo)體激光器（Laser Device，LD）作為一種新型激光光源以其小型高效結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在通訊、醫(yī)療和測量等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到整個(gè)激光器裝置的技術(shù)指標(biāo)。所以激光電源的開發(fā)設(shè)計(jì)與改進(jìn)就顯得尤為重要。最初的半導(dǎo)體激光器采用直流線性電源和RC 充電電路，這種電源效率不高，體積和重量較大。利用專用的驅(qū)動芯片和微處理器控制技術(shù)， 能有效地提高激光電源的性價(jià)比，簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整機(jī)的自動化程度，為整機(jī)功能的擴(kuò)展提供有利的條件。隨著半導(dǎo)體激光器與電子技術(shù)的發(fā)展， 有關(guān)LD 驅(qū)動電源性能的研究越來越受到人們的重視，專用電源驅(qū)動芯片不斷出現(xiàn)，數(shù)字化控制技術(shù)逐步得到應(yīng)用，性能優(yōu)異的驅(qū)動電源為半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展提供了必要條件。

　　1 半導(dǎo)體激光電源的設(shè)計(jì)分析

　　1.1 元器件的選用。

　　元器件直接決定電源的可靠性，故元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下4 個(gè)方面：

　　1）制造質(zhì)量問題質(zhì)量問題造成的失效與電應(yīng)力無關(guān)。

　　質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。

　　2）元器件可靠性問題元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于電應(yīng)力。在一定的電應(yīng)力下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品；普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測試，剔除不合格品。接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)；半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試。

　　3）設(shè)計(jì)問題設(shè)計(jì)方面的不完善可進(jìn)行人為的改善，首先須恰當(dāng)選用合適的元器件，其次須優(yōu)化設(shè)計(jì)電路。選用合適元器件可從以下幾點(diǎn)著手：盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件；多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目；輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管；應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件；吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。

　　4）損耗問題損耗引起的元器件失效取決于工作時(shí)間的長短，與工作應(yīng)力無關(guān)。

　　1.2 電路保護(hù)設(shè)置

　　為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作， 應(yīng)設(shè)置多種保護(hù)電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護(hù)電路。對于激光電源而言，主要是抑制干擾源。干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。良好的布局和布線技術(shù)也是控制噪聲的一個(gè)重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導(dǎo)致的誤動作，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積； 緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管； 脈沖電流流過的區(qū)域遠(yuǎn)離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離；控制電路和功率電路分開，采用單點(diǎn)接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以不要采用大面積接地方式； 必要時(shí)可以將輸出濾波電感安置在地回路上；采用多只低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波；相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角，禁止環(huán)形走線。

　　1.3 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)

　　溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國外統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃， 可靠性下降10％；溫升50 ℃時(shí)的壽命只有溫升25 ℃時(shí)的1/6。需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括采用散熱器、風(fēng)冷（自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）、液冷（水、油）、熱電致冷、熱管等方法。

　　1.4 安全性設(shè)計(jì)

　　對于電源而言， 安全性歷來被確定為最重要的性能之一，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是防止觸電和燒傷。為了防止燒傷，對于可能與人體接觸的暴露部件（散熱器、機(jī)殼等），當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，其最高溫度不應(yīng)超過60 ℃，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50 ℃。

　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　2.1 總體實(shí)現(xiàn)框圖

　　基于上述設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖。

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圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　2.2 框圖說明

　　模塊電源：將220 V 的交流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)? V4 A 或者12 V的直流輸出，給激光電源供電。

　　濾波調(diào)壓：通過電容接地濾除干擾，使輸入波形完整。同時(shí)通過電位器調(diào)節(jié)集成運(yùn)放的輸入電壓。

　　恒流電路：通過電流反饋將輸出電流穩(wěn)定在3.3 A。

　　TTL 控制：用來輸入TTL 電平，控制輸出一個(gè)同頻率的2 V3.3 A 的脈沖信號。

　　傳感器：進(jìn)行溫度采樣，轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

　　比例電路：將傳感器輸入的電壓信號進(jìn)行一定比例的轉(zhuǎn)換，使其滿足TEC 驅(qū)動電路的工作電壓。

　　比較電路：將比例調(diào)節(jié)電路的輸出與基準(zhǔn)電壓（1.2～2.5 V 根據(jù)傳感器的工作性能設(shè)定）進(jìn)行比較，超出此范圍發(fā)出警報(bào)信號。

　　TEC 驅(qū)動：根據(jù)比例調(diào)節(jié)電路輸出的電壓來控制TEC 內(nèi)部電流的方向，從而調(diào)節(jié)TEC 的制冷或者制熱功能。

　　TEC：根據(jù)驅(qū)動狀態(tài)來對激光器進(jìn)行制冷或者制熱，使其溫度穩(wěn)定。

　　報(bào)警電路： 接受比較電路的輸出電壓與極限電壓比較，如有超出則發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號，通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)電源停止工作。

　　2.3 實(shí)現(xiàn)功能

　　該電路可以將市電的220 V 交流電通過濾波調(diào)壓電路和恒流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2 V3.3 A 的恒流輸出， 用以給激光器供電。在有TTL 信號輸入的情況下，通過TTL 信號以及光電耦合器件來控制Q2（T092C）的導(dǎo)通與截止，使整個(gè)電路可以輸出一個(gè)與TTL 信號同頻率的峰值為2V 3.3 A 的脈沖輸出。

　　電路正常工作時(shí)，傳感器對激光器的溫度狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果溫度偏高，高于25 ℃，則傳感器的電壓大于3 V，則比例電路的輸出大于1.5 V， 一方面， 將此電壓傳遞給TEC 驅(qū)動，則其輸出Vos1＞Vos2，TEC 制冷， 導(dǎo)致激光器的溫度降低； 另一方面， 將比例電路的輸出傳遞給比較電路，當(dāng)電壓大于2.5 V 時(shí)， 輸出一個(gè)高電平信號作為警報(bào)信號，同時(shí)此信號傳遞給恒流電路，使電路不工作。反之，工作原理一樣。